推动转型升级，激光+ 工程机械未来可期

“激光加工技术契合高精高效、节能环保的现代制造理念，具备极佳的材料兼容性、工艺可控性及质量可靠性，广泛应用于各种机械制造与加工中，具有明显的优势与发展前景。激光切割、激光焊接、激光熔覆等技术均在工程机械领域发挥着重要作用。”奔腾激光（温州）有限公司总裁吴让大指出。

图. 奔腾激光大幅面切割设备在三一重工湖南宁乡工厂激光切割车间运行

据他介绍，激光加工在工程机械领域的主要应用包括以下几方面。

（1）3-40mm 碳钢板的亮面高垂直度切割，切割断面粗糙度为6.3-12.5um，垂直度为0.05-0.15mm。一次性生成机械零件，无需进行精加工，铣孔和槽，以及打磨等，生产效率大大高于传统的等离子切割和火焰切割。

（2）激光坡口切割。在需要焊接时常常需要进行坡口预处理，而平面坡口切割设备满足了这一需求，激光一次性完成直切和坡口切，并且可以切割多种不同形式的坡口，如全坡、留根坡、V型坡、K型坡、渐变坡、斜孔等9种不同的应用。这项技术满足了工程机械中大量需要焊接的零件的预处理加工。

（3）重型坡口激光切管设备。许多重型工程机械设备中，各种圆管，方管直径大于200mm,且需要加工坡口。激光坡口切管设备高效解决了这个难题。

（4）多头大幅面激光切割设备，主要解决大规模制造前提下的激光批量加工需要。

（5）激光切割加工自动产线。主要解决批量化生产，节省人工等问题，进入从排产到成的的无人化智能制造新模式。包括料库自动存取，自动切割，自动打码，自动分拣装框，自动运输等全过程自动产线。

（6）三维激光切割技术，在车身装配后的加工，顶盖滑轨孔、天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等方面经常应用。

（7）激光焊接或激光复合焊接工程车辆的变速箱齿轮，具有较窄的焊缝热影响区，强度大，焊缝可达到10:1以上的深宽比，焊缝的机械性能相当于甚至高于母材，这样就对齿轮传递较大转矩提供了保障；焊接齿轮的变形可控制得很小，焊后齿轮不用再进行精加工。利用激光复合焊接技术焊接重型起重机多节吊臂，实现了对特种钢板单面焊接双面成型的高效稳定焊接，减少了热变形，去除了常规焊接方法后的整形工序。

（8）激光熔覆技术的应用，大功率推土机底盘用履带涨紧弹簧筒受到磨损需要修复，可使用激光熔覆对磨损区域实施增材处理，从多个方面检测耐磨指标，熔覆状态层硬度梯度合理，表面硬度达标，金相组织亦很好，有效延长大功率推土机弹簧的寿命。

光惠（上海）激光科技有限公司总经理丁建武表示，激光加工目前的市场分布大致如下：70%为激光切割；20%为激光焊接，10%为3D打印、激光融覆、激光清洗等其他应用。随着近两年万瓦激光器的快速普及以及对等离子切割的加速替代，激光切割呈现出几个核心特点。

另外一方面，激光器价格的持续下行以及激光焊接工艺和检测手段的不断完善也推动激光焊接跨过拐点、进入快速成长期。“以手持激光焊接机为例，2021年手持激光焊接进一步爆发，全年预计出货量3-4万台。2022年手持激光焊接预计出货量在6-8万台。以手持激光焊接为代表的激光焊接已经进入爆发期。”总之，激光器性价比的持续提升，同时也带动了激光清洗、激光熔覆、激光3D打印、激光淬火、激光冲击强化等其他激光工业应用的全面开花。

普雷茨特精密技术（上海）有限公司总经理张云鹏评价道：“激光技术和装备先天具有高，精，尖特性，但如今，激光已经更贴近市场，更贴近应用，更接地气。”激光器在发展过程中，其价格较最初至少下降了数十倍之多，从而使激光俨然成为一种普惠型的灵活加工工具。例如，当前激光加工设备已经从十几年前的全国范围的几百台产量快速跃升为十万台，其中很大部分的设备为激光切割设备。然而，激光切割设备的快速发展也蕴含着另一块市场机遇——许多金属材料和板件在完成激光切割工序后，需要使用激光焊接工艺，譬如现今发展得如火如荼的激光手持焊设备的数量持续增长。这一发展逻辑基本可表述为：基于整体的设备价格较低，使用灵活性和便捷性很高，从而不断降低激光焊接技术和设备的应用门槛。毋庸置疑，更多的激光切割业务需求相应便会催生更多的激光焊接加工需求。

“因此，随着激光设备性能和效率的提升，以及成本的下降，为更多的激光应用加薪添柴，创造出不可估量的机遇。”譬如在工程机械行业，以往加工桥梁时，作为庞大部件的支撑水泥柱，通常需要在工厂完成加工后再进行长途运输，流程繁琐，且效率低下，成本高昂。如今，激光技术提供了一种全新的加工方案和模式：在桥梁加工现场，可以采用激光切割部分板材后，将它们拼成一个模具，随后在现场进行水泥浇筑，再经过一段时间的凝固成型。这样大幅提升了加工效率，同时显著削减生产成本。“相信随着激光技术更成熟的工艺、更全方位的加工性能、品质效率和性价比等方面的飞跃，激光必将在更广泛的应用版图迎来更多的用武之地。”

在浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长姚建华教授看来，激光制造作为面向国民经济主战场的关键技术，当前在对传统产业改造方面起到了不可替代的作用，同时也培育了不少新兴产业。在工程机械领域，激光切割、激光焊接在钣金件、结构件的剪裁与连接方面有望大量替代等离子切割、电弧焊接等工艺，尤其是对电弧焊的替代不仅可以提高焊接性能、精度及美观程度，还能够大幅改善工人的工作环境，同时降低碳排放和污染；激光清洗、激光淬火、激光熔覆、激光冲击强化等激光表面改性技术，在重要结构件、回转件的性能提升方面可起到画龙点睛作用。“比如，将激光高速熔覆技术应用于工程液压支架的表面强化，有助于替代高污染的传统电镀工艺，并且能显著提升其表面耐磨性能；另外在模具、阀杆、曲轴等零部件上都可以发挥重要作用，提升这类核心部件的使用性能。”

吴让大评价道，一方面，针对工程机械行业产品品种多、生产批量小、每批次产品复杂、生产周期长、工序多且复杂的高度离散化制造场景，提供模块化集成软件系统和硬件装备整体解决方案及服务，能有效满足工程机械企业用户的个性化设计需求，并在有限的成本范围内实现快速交付。

另一方面，激光加工成套装备向数字化、信息化、智能化转型升级，数控机床、自动化上下料设备、智能化技术进一步融合发展，激光加工成套智能装备正向更高功率、更大幅面、更高加工效率发展和跃升，实现人、机、料、管理流程、管理系统的广泛互联，提高流程效率，降低运营成本。

在丁建武看来，随着激光器性价比的持续提升、激光工具化的渗透进一步增强，激光切割设备的平均功率持续提高。以奔腾、邦德为代表的中国激光设备制造商在全球范围内帅先推出万瓦和2万瓦激光切割机，引领了全球激光切割的万瓦时代。

“今年以来我们也注意到，3万瓦激光器的市场导入速度较去年的2万瓦激光器慢了很多。一方面是3万瓦的应用工艺包括切割头，亟需进一步优化并提供更好的性价比；另外一方面3万瓦对终端用户的基础设施要求更高限制了潜在的客户群体。”鉴于此，有理由相信激光切割应用的功率提升逐步进入瓶颈期，而激光应用市场可能会呈现以下特点: 激光切割应用可能在2-3年内进入平台期；切割激光开始进一步标准化、规模化，激光功率开始集中在3、6、12、和20kW；产业集中度持续提升，头部企业的研发投入进一步加大，以坡口切割为代表的新型应用会不断出现。

“尽管激光制造技术在工程机械领域机遇无限，大有可为，但作为从事激光制造领域的专业科技人员，我们必须保持清醒的认识，要真正替代已经成熟的传统技术，尚面临许多挑战。”姚建华坦言道。比如：如何降低激光设备的成本，如何提升加工效率，如何实现新技术的工艺规范化与标准化等等，这些都需要广大科技工作者和企业协同攻关。

据丁建武介绍，针对激光熔覆和激光淬火，GW已经推出带高亮平顶输出模式的万瓦激光器并已实现批量销售发货。随着激光器的持续降价，高速激光熔覆使用的激光功率从4-6kW向8-12kW持续攀升，激光熔覆的效率也从每小时0.6平方米提高到使用12kW激光器的每小时1.0平方米。“激光熔覆一方面能满足器件修复、特别是大型和异形工件的修复，另外一方面也可以应用在金属表面强化、耐磨耐腐蚀等领域，以部分替代金属电镀。”据他表示，大型和异形工件修复市场相对稳定，但规模偏小。相较于电镀，激光熔覆是更环保的表面改性强化工艺，随着激光器价格的下降以及熔覆用激光功率和激光熔覆效率的提升，激光熔覆规模化替代部分电镀工艺的契机正不断凸显。

轧辊的激光熔覆 (图片提供：光惠i激光）

此外，相比传统淬火工艺，激光能量的定向输送提供的直接优点包括定向、局域化的淬火，热影响区小，对材料本底的影响更小。根据材料的不同，目前激光淬火有使用从1kW到6kW的激光器，并且功率还有继续提升的趋势。

姚建华指出，激光再制造修复具有巨大的潜力，可为该领域率先实现制造业服务化转型提供关键技术。比如，对工程行业各类轴、阀、齿轮实施激光再制造修复，其修复精度有望达到新品，性能甚至可超越新品，真正实现变废为宝，进一步降低制造成本，同时也孕育了工程机械领域的新兴产业，符合国家绿色制造战略。然而，该领域也面临着核心挑战，一是要加强对再制造共性技术的研发，进一步解决再制造修复过程的质量保障及调控难题；二是加强该领域的技术规范与管理，初期阶段要加强政府的引导和扶持。

液压支架激光再制造 （图片提供：浙工大激光先进制造研究院）

“相比工程机械领域的传统金属加工方式，激光智造无疑彰显更多优势和特点。”丁建武一语中的。首先是柔性制造，无需开模定制，直接2D或3D工件模型导入到数控系统开始加工。激光器基本自带MCU（控制卡），数字驱动和控制，和激光器设备的数字控制系统完美结合，再加上光纤激光器的光缆传输，让数控的激光设备结合应用集成的难度大幅降低。其次是节能环保，低能耗。“激光器，尤其是光纤激光器，其电光转换效率都在25%-40%之间，而且由于能量是在工件的工作面集中输出，有效使用的能量高、加工效率高，能量损耗小，加工效率提升带来的工作气体使用量下降的同时，也降低了电能的能耗。”

第三是能量局域化、定点投放，热影响区小，不论是精密加工还是宏加工对工件本体和基底影响小。“激光加工是非接触式的能量定点投放，能够做到有的放矢、最大程度降低对工件的影响。”最后，光纤激光器产业依托于成熟的半导体行业和光纤通讯行业，生产设备、生产工艺相对成熟稳定，适合大批量生产制造，展现激光摩尔定律，性价比持续提升，对工程机械领域的传统加工方式正形成持续替代。

张云鹏指出，近年来，在“中国制造2025”的战略体系下，激光行业的许多企业都在积极布局“智造"版块。就激光智能制造而言，由于工程机械制造涵盖多重工艺环节，目前最重要的两个与智能制造层面息息相关的环节是激光切割和焊接。现今，客户所需要的不止是一台单独的切割机或焊接机，而是涵盖前、中、后端，上下工序多个要素的整体智造解决方案。鉴于此，这就要求激光设备本身具备一定的预判能力，网络数据的传递能力和交流能力，并且能够实现远程的故障排查等等，从而对设备厂商的集成能力和关键器件供应商都提出了更高的要求。

就普雷茨特而言，在激光智能制造方面也做了不少工作。“譬如，我们的ProCutter 系列切割头内置一系列智能传感器，能随时掌握切割工作状态和材料加工状态，并通过网络与机床进行实时数据沟通和远程数据沟通。”另外，LWM激光焊接监控系统则能覆盖焊前的焦距检测到激光焊接过程中的各种监控，它能够采样到更多的数据信号，根据反射光、等离子体、温度等数据变化，为设备的智能监控提供更多的助力，通过智能型的监测技术及时发现质量问题，最大程度保障产品品质。他补充表示 ，智能制造中的“智”字最重要的是先获得数据源头，当从加工过程中通过设备和传感器得到数据源后，“智”才能得到控制和逻辑编辑的基础。“因此，希望通过我们独具优势的传感器技术，以及更强的数据采集和编程分析能力，为中国制造2025提供更多的助力。”

吴让大指出，奔腾激光目前在万瓦以上高功率激光切割设备技术和装机量上居国内领先地位。20kW激光切割设备获得国家重大技术装备首台套产品称号（2019年），坡口激光切割设备获得中国激光金耀奖新产品金奖（2021年）。“20kW-30kW激光切割设备实现了批量出口，出口国家和地区包括德国，澳大利亚，法国，韩国，台湾等。从高功率激光切割设备的装机量上看，在工程机械领域的应用达到25%以上。”据悉，国内大型工程机械制造企业都大量采用了奔腾激光切割设备。例如徐工集团，三一重工，山重集团，临工，柳工等。从去年6月到今年7月，仅三一重工就中标了100多台奔腾激光设计制造的高功率激光切割机，坡口切割机和重型坡口切管机。“这些设备在三一重工全国不同的生产基地长时间稳定运行，特别是在湖南三一起重机厂的20多台设备，承受了24小时连续运行4个月以上的考验，得到了用户的肯定。”

今年上半年，由于国家基建的拉动，中国工程机械行业实现了大幅增长，有力拉动了奔腾激光的市场增长。今年1-6月，奔腾激光设备销售额比去年同期增长70%，创造历史新高。下半年，由于工程机械市场的饱和，销售额开始有所下滑。“然而，激光在工程机械领域的应用方兴未艾，激光对于工程机械领域使用了几十年的等离子切割设备的替代，必将是大势所趋。”激光焊接，激光熔覆等技术在工程机械领域的应用也将会开辟出一片新天地。毋庸置疑，激光加工技术在工程机械领域应用前景广阔，大有可为。

丁建武表示，2021年上半年光惠（上海）合同金额近3亿元，实现销售过2亿元。“公司以客户为中心，以创新求发展，从2017年发布引领行业发展的单模组3kW激光器，到2020年发布行业体积最小、重量最轻的万瓦激光器，我们作为国内976nm军工技术产业化第一人，在高亮度、高电光装换效率激光器上持续引领激光技术发展方向。”今年7月份，公司正式推出基于高效节能976nm泵浦技术的风冷1500W光纤激光器。在创造性的把制冷和激光器结合在一起为客户带来更多集成的便利的同时，克服重重工程挑战让对温度非常挑剔的976nm泵浦二极体能够在0-55℃的环境温度下长时间稳定工作，最大限度降低终端用户现场的用电要求和能耗。全新的A1500智能激光焊机不仅解决了传统焊接的培训要求高、使用难等问题，而且针对铝和铜做了针对性的优化，扩大了激光焊机的使用范围。

另外，风冷1500W激光器是GW针对快速增长的激光焊接市场定制开发的产品，公司预期千亿激光焊接市场的大幕已经掀起，简单好用、便携、低能耗的激光焊机将会掀起万瓦激光器之后新的行业浪潮。“2021-2022年，我们将携手行业上下游合作伙伴一起推动激光焊接的快速普及，为节能减排碳中和做出更大的贡献。”

据姚建华介绍，浙江工业大学激光先进制造研究院，主要从事激光制造领域共性技术的研发及成果转化，建有高端激光制造装备省部共建协同创新中心（国家2011计划）、激光绿色制造技术创新引智基地（国家111计划），培养了一大批激光制造高端专业人才，服务于工

程机械领域的激光技术应用，在工程机械领域开发了激光再制造与修复成套技术与装备、现场复杂环境的再制造技术与装备、激光复合增材再制造、激光复合焊接、激光抛光等一系列工程化技术。“未来几年计划重点布局工程机械领域的智能化激光表面改性与微纳功能化技术及新型装备，更好的服务于工程机械领域的转型升级。”

在推进激光技术在工程机械行业的应用方面，下游企业也在积极布局。例如，据山重建机有限公司制造技术部的相关负责人表示，当前的激光技术日新月异，已快速渗透到许多下游的版块，如今国内工程机械版块的飞速发展，更是推动了激光技术的实践与应用，激光应用所展现的“高、精、尖”特点恰好满足工程机械领域生产的需求。

山重建机的主导产品为山推系列液压挖掘机，目前有14个规格，20余款产品，市场覆盖率达90%以上。为了更好的提升切板件下料的精度，提高生产效率，降低生产成本，公司于2020年采购了一台奔腾激光15kW的光纤激光切割机，主要应用于Q345B材质钢板的切割下料（切割板厚主要涉及T2至T14），激光切割技术的应用，大幅提升了产品切割质量和生产效率，并在一定程度上降低了生产成本。

诚然，相较于其他切割手段，激光切割在实际应用中展现出不少优势。首先，激光切割的割缝窄，激光束聚焦成很小的光点，使焦点处瞬时达到很高的功率密度，材料很快加热至激化程度，蒸发形成孔洞。随着光束的移动，孔洞形成很窄的切缝，且切割工件周边受热影响很小，基本没有工件变形。其次，激光的切割速度较快，尤其是使用空气切割时，设备满功率运行，切割速度可以达到等离子切割速度的8倍，且切割面的直线度、断面的切割质量、工件变形量等都要远优于等离子切割。第三，相比传统的等离子切割和火焰切割，激光切割的定位精度可以达到0.05mm，重复定位精度可达到0.02mm，非常适用于精密零部件的切割。

在山重建机看来，当下激光切割在迎来蓬勃发展的同时，也面临了一定的问题。譬如，在下料切割方面如何推进大功率、大台面、多割炬的发展与应用，这是激光持续发展必经的一个过程；而在焊接领域，则需要进一步推进激光焊接的全方位应用。

近年来，我国工程机械行业发展势头良好。工程机械的种类包括挖掘机械，运输机械，起重机械，工业车辆，压路机械，桩工机械，混凝土机械等，是一个体量大、领域广的产业。因此，在专业度越高、细分类别越明显的趋势下，对传统企业提出了更高的加工精度和难度，从而也为激光技术的进一步应用和发展创造了更多的空间和机遇。

随着激光技术的愈发成熟，切割的板材种类和厚度都有了明显提升，加之原本固有的效率、品质和灵活性等优势，使激光技术在工程机械行业逐步发展成为不可或缺的一种先进加工技术。以挖掘机为例：发动机护罩、驾驶室、铲斗、动臂、斗杆等部件，很多工件都需要在各种厚度的板材上切割大量的圆孔、方孔和异型孔，并且精密度要求很高，未来对激光切割的应用需求定将不断深。据了解，山重建机的部分外协加工厂家已经采购并使用了激光切割设备。“只要坚持自主研发，不断加强技术创新，掌握核心技术，激光切割工艺技术必将更好的助力工程机械行业的阔步发展，推动国产工程机械制造业真正迈向国际一流行列。”

来源：《中国激光界》