激光切割电源

不仅用于切割应用的光纤激光器在市场上占据主导地位，而且它们的质量也在不断提高。更高的激光功率、速度和能力正在支持新的应用。

实施全面的激光切割系统并不是胆小的人的任务。据位于加利福尼亚州布埃纳帕克的 Amada America Inc. 的激光部门产品经理 Dustin Diehl 说，除了财务支出外，要求还包括规划一个完整的系统，而不仅仅是激光器。此外，还包括安装和获取激光器的选址单元和设备，包括装载机、卸载机、冷却器和控制装置。最后，系统需要集成到整体报告和反馈循环中。结果是一个能够在极短的时间内产生大量投资回报的系统。

尽管代表激光切割形成阶段的 CO2 激光器已被较新的光纤激光器所取代，但它们仍然在市场上占有一席之地。北卡罗来纳州夏洛特市 Murata Machinery USA Inc. 的北美制造销售经理 Jeff Tyl 解释说：“现代 CO2 激光器通常用于切割 1 英寸以上的库存，并且可以提供干净的切割。此外，它们不受桌子大小的限制。它们仍然是造船和国防等关键行业的重要因素，但光纤激光器显然是传统钣金应用中最受欢迎的选择。”

虽然当今销售的大多数光纤激光器都在 1 至 6 kW 范围内，但更高功率的配置正在进入特定应用领域，并将继续在市场占有率中增长。伊利诺伊州埃尔金市 Bystronic Inc. 激光和自动化产品经理 Brendon DiVincenzo 评论说：“钢铁服务中心欢迎更高功率单元的出现，这些单元目前的运行能力在 10 至 12 kW 范围内。随着速度的提高，我们将看到更大的需求。”

正如 Amada 的 Diehl 所指出的，当今的光纤激光器通常是完整加工系统的一部分。 “激光器不能被视为一个独立的单元。它必须是系统的一部分，”他说。 “我们与客户一起‘做功课’，以便提供一个包，其中所有模块——装载、卸载和单元本身——都被设计在一起。功率是方程式的一部分，但根据应用，必须考虑整个系统。”

光纤激光器还需要具有多功能性，能够处理不同类型的材料。例如，Amada 的 ENSIS 系列使用专有的光纤激光技术来处理薄和厚材料，而无需更换切割镜片或手动设置。 3 kW 光纤引擎采用 Amada 的 ENSIS 技术，该技术可根据正在加工的材料厚度优化激光模式和光束参数乘积 (BPP)。据 Amada America 称，ENSIS 系列能够对薄材料进行高速切割，这是纤维技术的一项关键能力，并且可以高效地加工厚板。

切割技术的改进是光纤激光器日益普及的一个重要因素。康涅狄格州法明顿的 Trumpf Inc. 的激光器销售主管 Mark Bronski 说：“早期的光纤单元存在边缘参差不齐的问题。额外的功率和改进使得能够实现与 CO2 相当的光洁度。 5/8 到 3/4 英寸 [15.9-19.05-mm] 板。”

位于伊利诺伊州埃尔克格罗夫村的 MC Machinery Systems Inc. 的软件系统经理 Hank White 指出，客户在激光功率方面是有选择性的。 “尽管我们看到 8 kW 系统的市场正在增长，但客户在确定其个人应用的功率要求时非常谨慎。如果功率较低的单位可以完成这项工作，他们将继续使用该类别，因为较大的单位购买和运行成本更高，而且在许多情况下，不能更快。”

专业切割

更高功率的激光切割正在更专业的领域取得重大进展。其中包括 3D 应用、孔加工以及线圈和管材加工。明尼苏达州尚普林 Prima Power Laserdyne LLC 销售和营销副总裁 Mark Ba​​rry 评论说：“在二维切割领域，行业对 6 kW 的需求正在增加，但在高精度应用方面，例如在涡轮发动机上钻冷却孔，更高功率的 QCW（准连续波）激光器可提供所需的精度水平。”

美国密歇根州诺维市 BLM Group USA 的北美激光产品经理 Robert Adelman 指出，在管材切割应用中，功率要求已从 3 kW 上升到 5 kW。 “虽然我们不使用平板世界中典型的输出功率，但光纤激光器的穿透速度和切割速度都更快，因为总是需要考虑管的另一侧，”他说。 “在传统的 2D 机器和高达 45° 的 3D 设备上都是如此。根据机器的不同，直径范围从 1/2 到 24 英寸 [12.7-610 毫米] OD，更大的机器也可以钻孔和攻丝。”

俄亥俄州拿破仑的 LaserCoil Technologies LLC 购买激光器以集成到线圈下料操作中。总经理兼首席技术官 Jay Finn 表示：“当我们对光学器件感到满意时，我们的权力就会上升。我们目前将 8 kW 激光器用于加工 0.5 至 35 mm 材料的系统，同时产生所需的边缘。我们的大多数系统都具有多个头，并包括完整的材料处理系统。”

自动化与激光相结合

使用光纤激光器，自动化已成为现实。小商店可以从一个简单的装载系统开始。然而，不久之后，人们意识到需要更多的组件才能充分发挥其潜力。很明显，需要大量的计划和承诺。

主要考虑因素之一涉及空间。激光器需要一个合理无污染且足够大的专用区域，以提供任何额外的自动化设备。 Amada 的 Diehl 指出，“估计每平方英尺的美元是明智之举。在进入之前，熟悉各种模块化系统，以便了解安装将如何进行。我们很少销售独立的激光器。我们提供的系统适用于扩展和灵活性。鉴于生产速度，主要挑战是管理从机器上下来的零件流。”

Bystronic 的 DiVincenzo 表示同意。 “自动化对于大型原始设备制造商和小商店来说都是一个重要因素，即使它们的工艺需求不同，”他说。 “例如，钢铁服务中心主要关注数量，以‘激光床上的吨数’为单位，而加工车间则在寻找速度和高效的材料流。”组件的多样性使用户可以开发适合他们的个性化自动化策略。

Murata Machinery 的 Tyl 指出，“我们销售的系统大致分为三种。托盘装载机，一个带有四个或八个抽屉的塔，以及一个零件分类系统。塔提供库存，零件分拣系统将切割的零件推进到下一个工位。展望未来，我们看到具有多种功能的混合激光器越来越受欢迎。”小商店可能会受到成本的限制。 “使用各种材料的商店可以通过对单个托盘装载机进行编程来参与游戏，”Tyl 说。 “随着他们业务的增长，由于快速的投资回报率，自动化变得不可抗拒。”

随着切割自动化推动产量增加，进一步的自动化是必要的。 “下游加工是下一个前沿领域，包括边缘清洁和成型，”MC Machinery Systems 的 White 表示。成功的关键是开发能够通过统一程序将来自不同制造商的模块整合在一起的软件。”

管道的许多不同形状和配置需要更专业的方法。 “传统上，机器无法在管状激光器中捆绑加载定制形状，”美国 BLM 集团的 Adelman 解释说。 “今天，管状激光器可以自动捆绑加载像‘花生’这样的特殊形状。使用专用摄像头，机器可以检测管子的方向，以确保正确夹紧，以及正确的零件方向。”

“灵活性是线圈加工的关键，”Laser-Coil 的 Finn 解释道。 “我们销售的每个系统都以连续和索引模式运行，并且可以与任何类型的堆叠接口。此外，我们设计的模块具有与旧机械下料设备相同的占地面积，以简化更新过程。”

Prima Power Laserdyne 的 Barry 总结道：“如果您要进行激光切割，那么您将拥有自动化。激光器不是一个独立的项目，它是一个组件。”

控件、自动化和操作员

支持向自动化激光切割系统发展的是必须集成的各种复杂控制。 “理想的控制模式涉及与 ERP 系统的无缝集成，从而消除管理流程中的浪费。成功的关键是全面持续监控以及维护警报。目标是零计划外停机，”Trumpf 的 Bronski 说。

现代自动化系统大大提高了操作者的地位。这在集成系统控制的演变中尤其明显。来自 Amada America 的 Diehl 评论说：“20 年前，激光系统控制与飞机驾驶舱一样复杂。现在，它更像是一台 iPad，提供触摸屏界面和更好的图形。该系统具有更好的编辑功能和大大改进的反馈。操作员可以远程监控服务问题、服务历史以及过去或当前警报的警报状态。”

Bystronic 的 DiVincenzo 注意到客户对标准化控制的需求不断增加。 “客户需要兼容的控件，不仅可以与激光切割系统连接，还可以与其他机器和 ERP 系统连接，处理工作订单并将数据和零件汇集到下一个操作。” White 表示同意并指出：“谈到处理器，不同的制造商都有自己的‘秘密武器’。尽管如此，标准化即将到来，但随之而来的是安全性至关重要。”

控制和软件对线圈加工产生了巨大的影响。软件系统可以根据特定卷材宽度的最佳切割模式计算排料，并确定可提供最佳产量的卷材宽度。 Finn 解释说：“最终的嵌套取决于线圈的进给过程。前缘必须与结束缘相匹配。为了便于采用，我们开发了软件来自动化嵌套和切割路径优化。这让您在将激光带入您的操作时不那么令人生畏。”

控制和软件系统也在操纵激光器方面取得了广泛的进步。 “传统零件和复杂零件的转换时间都有很大改善。我们现在可以逐个脉冲地改变功率，响应时间几乎可以超过几毫秒，”Prima Power Laserdyne 的 Barry 说。 “这使我们能够在多用途操作中获得巨大的灵活性。例如，我们不仅能够以任何角度生产任何形状的孔，而且能够从钻孔移动到焊接。通过调整功率和脉动，我们还能够处理包括碳基复合材料（CMC）在内的新材料。”

控件在处理管状材料方面同样具有先进的灵活性。 “最新的集成系统将工作从机器上转移到生产计划阶段，”BLM Group USA 的 Adelman 说。“现在，套料软件不仅可以将零件套入工作，还可以选择哪些选项是必要的（例如管上的焊缝方向）以创建整个生产运行，而新手操作员可以专注于管理材料装载和零件包装。控制功能可以创建生产计划并计算准确的工作时间和成本。为确保我们的客户能够从众多控制功能中受益，我们在我们的设施和客户现场都提供培训。”

光纤激光器的质量改进

由于功率和控制功能的结合，今天的光纤激光器在质量方面已经上升。在某种程度上，这是由于用户体验和控制能力为特定材料类型定义正确的参数。 MC Machinery Systems 的 White 表示：“流动技术、二极管和光学器件使用的改进，以及在定义气体混合物时更加谨慎，都做出了贡献。” “即使激光头有所改进，成本等式仍然存在，一些用户认为采用后续精加工工艺比花精力调节激光器更经济。”

Trumpf 的 Bronski 表示，质量控制中最重要的两个因素是预防性维护和材料管理。 “激光系统的复杂性要求高度的预防性维护，培训是绝对必要的。另一个关键因素与过程中涉及的材料有关。用户必须检查他们得到的东西以确保高质量，否则他们将失去性能。”

Amada America 的 Diehl 提到了气体混合的重要性。 “使用适当的气体混合物可以提高边缘质量，从而消除二次操作。我们看到使用过滤、增压泵和储罐的内部制氮越来越受欢迎。通过 3D 成像和视觉系统进行零件检测也是一种趋势。”

速度与质量的平衡仍然是首要考虑因素。随着系统的进步，保持高速质量的努力包括使用高精度线性驱动器而不是齿条和小齿轮，以及采用伺服电机。实时检测是管材和盘管操作的关键。扫描现在可以检测管材的扭曲并进行调整以进行补偿。同样，可以“动态”检查卷材，以确保适当的质量控制。 Bystronic 的 DiVincenzo 总结了质量经济学：“这不再是劳动力成本，而是劳动力速度。”

随着激光切割和自动化技术的进步，制造商和其他最终用户将面临各种选择，这些选择不仅会影响切割操作，而且对于原始设备制造商而言，还会影响整个制造过程。激光的速度和更广泛的自动化的出现可能对制造起到了很好的作用，就像装配线对汽车生产的作用一样。

最终用户体验：Hatco Corp.

Hatco Corp. 总部位于密尔沃基，在威斯康星州鲟鱼湾设有制造工厂，是一家商业餐饮服务设备制造商。它生产食品保温器、食品销售商、烤面包机和其他产品。生产批次的范围从放置在便利店或快餐店的数百个单位到用于特定设施的单个特殊功能的加热器。该公司的口号是“一个经济的订单数量”。

为了实现这一目标，公司不断扩大和更新其制造设施，配备最新的设备和技术。

根据 Hatco 制造副总裁 Steve Christoferson 的说法，“许多制造商和商店倾向于‘以零件为中心’，并将单个零件视为自身的目的。在 Hatco，我们的流程是产品驱动的，因为我们的员工可以在一个屋檐下看到整个流程，所以始终保持严格的库存控制和高效的制造流程。”

Hatco 在激光方面的经验可以追溯到很久以前，克里斯托弗森回忆说：“早期激光的速度很慢，看着很痛苦。现在，得益于速度和质量，纤维才是​​未来。”

目前，Hatco 使用了四台三菱激光器，其中三台是 CO2 和最新的一台 4 Kw 光纤激光器。加工的金属包括 100 多种不同尺寸和规格，从板材到 24 和 28 英寸规格，包括不锈钢和低碳钢以及铝。公差可小至 0.0001” (2.54 µm)。 “因为我们制造的许多零件都是 3D 的，所以我们实际上必须取出零件并‘展开’以实现正确的切割模式。我们使用动态嵌套来优化原材料的产量，”克里斯托弗森评论道。

激光器位于工厂的专用区域。三菱“River” FMS 将物料进出。 “我们花了整整一年的时间才转向我们想要的自动化系统，”克里斯托弗森说。 “我们选择了 4 kW 光纤系统作为我们的目的最经济的系统。根据材料的类型和厚度以及可以实现的切割质量，将工作分配给四个激光器中的每一个。”激光区域的设计允许未来扩展，位于去毛刺（必要时）和弯曲的下游工艺附近。

谈到质量，克里斯托弗森指出“每个操作员都是检查员”。 Hatco 员工接受过多种制造学科的培训，以了解流程的复杂性，并能够在发现任何问题时进行干预。几年前，这家公司被员工收购了，每个人都有“专有利益”。

Hatco 总裁 Dave Rolston 曾任工程主管，经常出现在制造车间。 “我们对我们的设备质量和我们在激光领域实现的自动化程度感到非常自豪，”Rolston 评论道。 “但是，归根结底，是我们员工的技能和自豪感让我们保持‘一流’。”