EuroBLECH 2016上的激光創新技術

在2016年10月25-29日于德國漢諾威舉行的第 24屆國際金屬板材加工技術展 （EuroBLECH 2016）上，形形色色應用于鈑金加工的激光新設備、新技術和新工藝依然成為展會獨特的風景線之一。本期中，將摘選小部分亮點，看看這些頗具創新理念的激光技術和產品是如何為鈑金加工增添羽翼的。

海外學術機構的革新解決方案

● 動態光束整形提高金屬激光熔化切割質量

近年來，由于光纖和碟片激光器的切割速率顯著提升，已奠定了其作為切割金屬薄板的激光光源的領先地位。如今，對于板件厚度超過5mm的材料，尤其是鋼材，切割優化的需求應運而生。然而，與基于CO2激光器的傳統鋼材切割系統相比，固態激光器通常會增加表面粗糙度及形成毛刺。

德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所(Fraunhofer IWS)正致力于尋找一種優化激光束熔化切割工藝的創新解決方案，以提高切割質量。在EuroBLECH 2016上，IWS的科學家提出了一種通過動態光束整形手段來切割金屬厚板的新方法。其基本理念是通過修改空間和時間的能量沉積，使高強度聚焦及吸收性增加等優勢能同時保留。

為此，一款標準切割頭與高性能掃描器系統結合使用。專門設計的控制解決方案能夠在千赫茲范圍內對掃描系統的自由定義功能進行編程。多重自由度使其能夠靈活調節激光束的振蕩，并為激光功率、進料速率、焦平面和氣體壓力等常規切割參數創造更多可能性。

不同于標準切割機那樣要求光束的焦距具備物理適應性，IWS的這項研發成果表明：薄型和厚型金屬板件均能實現非常好的激光切割性能，以及相同的焦距。同時，新的過程集成傳感器系統還能夠實現切割工藝的定制優化。

● 激光加工超高強度鋼 助力汽車輕量化目標

另外，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）展示了激光輔助加工技術是如何顯著降低汽車零部件和成品的最終重量。輕量化理念已成為當今生產技術不可或缺的一部分。汽車工業在車身結構中使用抗拉強度高達2000Mpa的壓力硬化和超高強度鋼，以減輕重量。為了加工這些苛刻的高性能材料，激光是理想的工藝手段。來自ILT的科學家攜手其它工業合作伙伴共同推進了激光分離、激光焊接以及激光熱處理等技術。

據ILT稱，盡管激光切割和點焊技術是常用的分離和接合工藝，但這兩種方法都可能產生對部件性能不利的冶金效應。在切割過程中，切割邊緣的邊緣區會發生硬化；而點焊工藝則在焊縫周圍形成熱影響區，以顯著減少硬化作用。鑒于此, 通過在切削區域和接合區域中采用激光熱處理，可以抵消這種弱化作用。調節后的材料硬度和延展性依據其拉伸塑性可局部增加10％至15％。

ILT方面解釋道：“出于經濟原因，將單個工藝步驟整合在一個工具體系中是合情合理的。”這也成為由德國聯邦教育和研究部發起的合作項目KLASSE的契機。該項目正由Fraunhofer ILT聯手來自汽車工業和激光生產廠家的合作伙伴著手進行中。

組合式激光頭能夠同時執行激光切割、激光焊接以及激光增材制造等加工任務。（圖：Fraunhofer ILT）

截止目前，KLASSE項目已經開發出一款由組合式激光光源（用于熱處理的半導體激光器以及用于切割的光纖激光器）打造的組合激光加工頭, 用于車身部件的加工。該加工頭將切割和焊接兩個工藝集成在一臺機器中，省去了重新裝配的工藝。同時，一款粉末噴嘴與組合頭集成，使其能夠通過激光金屬沉積執行增材制造作業。這一集成方案將設置時間降到最低，并使生產過程變得更高效、更靈活。組合加工頭還可切割復合材料，比如在車身制造中愈發流行的碳纖維增強部件等。

其它創新激光產品

在EuroBL ECH 2016設立的在線評選活動—— “ 新一代鈑金加工（The New Generation of Sheet Metalworking）” 大賽上，來自德國的初創公司WSoptics以其創新性的WSweld激光焊接解決方案獲此殊榮，該技術的最大亮點在于可瞬間完成從激光焊接機與激光切割機功能之間的靈活切換。

同時，其激光焊接頭TC08也與通快一系列激光切割機相兼容。這款激光焊接解決方案的顯著亮點包括：加工頭的更換意味著技術的革新；兩種工藝能夠實現熱傳導和深熔焊接；與傳統激光焊接機相比，投資顯著降低；使用現有的高質量CO2激光器；即插即用—機器可于10分鐘內在激光切割和焊接之間切換；模塊化加工臺能夠使夾具安裝與機器的生產時間平行、易于使用的3D軟件自動生成機器程序。

在增材制造領域，葡萄牙機床制造商Adira展示了全球首個大型平鋪激光熔融（TiledLaserMelting）金屬3D打印機。這款擁有最大的金屬粉末處理區域3D打印機通過將粉末床熔融、直接金屬沉積3D打印技術，以及金屬板材激光切割結合在一臺機器上，從而為眾多新應用鋪平了道路。

百超新款的切割頭通過精準地光束聚焦來配對各種材質和板材厚度。

系統配有可互換的刀頭，可在不同應用間切換，包括激光切割。切換后，使用相同的構建平臺，使生產變得高效和集中。最終用戶可以選擇通過激光切割對金屬板件做消減處理，或利用光增材制造技術對其進行修復、形狀修改甚至3D處理等。

這臺3D打印機靈活克服了通常會面臨的形狀和加工限制等挑戰，因而在提升用戶制造通用性方面實現了突破。這也是Adira所說的新工業革命4.0，他們計劃實施類似的概念 - 包括監測機器要求和集成遙測系統，允許自主狀態跟蹤和物聯網集成。

此外，在EuroBlech 2016展上，瑞士百超（Bystronic)公司展出一款10 kW超高功率的光纖激光切割系統Bystronic ByStar，從而為激光切割設立了新標桿。全新的10kW功率將切割過程提速到一個嘆為觀止的境界。

這款激光切割設備能夠高速切割30mm厚的鋁和不銹鋼、25mm厚的低碳鋼、15mm厚的黃銅以及12mm的銅。同時，它也可對15mm厚的低碳鋼進行平整光潔的凈切割，這對于要求其零部件邊緣實現“無氧化”效果的用戶而言是非常有優勢的。

據百超公司表示，與工業標準型4kW的光纖激光器相比，10kW的激光光源將切割速度大幅提升了4倍之多。具體來說，厚度介于3至12mm的材料能夠展示出最大的切割速度優勢。

然而，僅僅提升切割速度還是不足以完成目標。為了保持連續工作下的切割品質，強大的光束必須以最佳的方式聚集并應用到切割進程中。因此，除了10kW的功率提升，ByStar Fiber系列還在切割頭上做了強化升級。這款新型激光切割頭是由瑞士百超自主設計研發的。

WSweld可瞬間完成從激光焊接機與激光切割機功能之間的靈活切換

ByStar Fiber能夠切割各種厚度的板材，其材質包括不銹鋼、鋁、有色金屬、碳鋼及貴重材質。為了使得在寬泛的材質范圍中還能持續地達到最佳切割品質，切割過程中的切割頭需要根據材質及切割工序的特點來做出靈活的標準。當然這一切都是自動完成，無須任何操作者的介入和干預。為了實現這個目的，百超在新款切割頭上還配備了焦點控制功能。

這一新近研發的功能可以調整光束。根據鈑金的厚度和材質，焦點控制功能可以高精度地調整光斑。從而使得ByStar Fiber能持續不斷地以優化后的切割品質來加工多種材料的厚度及材質，且都能達到“驚人的速度” 。