宏山激光在汽车行业应用进展：激光双头开卷落料线与三维五轴切割机探秘

激光切割头、激光器和控制技术取得进步后，激光加工的应用领域得以延伸。它从传统的钣金切割开始，逐渐扩展到汽车、模具加工、工程机械、航空航天、桥梁、铁塔等领域。切割的板材也从薄板发展到中厚板，切割的方式从二维平面切割发展到三维切割，进而到三维五轴切割。

宏山激光是激光切割机行业的头部企业。在过去三年，它推出了针对汽车行业这一主要服务行业的激光双头开卷落料线，还推出了以汽车热成形为主的三维五轴激光切割机。具体情况究竟如何呢？

2023 年初，MFC《金属板材成形》杂志的编辑来到宏山激光新落成的总部基地。他们参观了现代化的展厅，也参观了装配车间，还参观了切割头车间以及研发基地。期间，他们对不同部门的负责人进行了采访，以此了解该公司在汽车行业的应用进展，最后将这些情况分享给了读者。

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过去的几年里，中国制造业当中最为火热的赛道当属新能源汽车。在新能源汽车的生产过程中，大量地用到了激光加工机。那么，在这些激光加工机当中，激光切割机企业拥有哪些机会呢？

宏山激光

2022 年新能源汽车保持着爆发式的增长态势。中国市场在这一年的产销分别达到了 705.8 万辆和 688.7 万辆。与去年相比，同比分别增长了 96.9%和 93.4%。其市场占有率提升到了 25.6%。这种增长对冲压和钣金行业所起到的带动效果是令人惊叹的。

与之相对应的激光切割机主要有四个机会：

第一，在汽车覆盖件和内饰件的冲压线前端，采用激光切割机下料来替代落料压力机或定长剪切机的下料工艺；宏山激光所对应的是 GLS 系列双头激光落料线。

第二，有用于高强钢和铝成形热成形之后切边和切孔的三维五轴激光割机；宏山激光的 CELL3015G、CELL3525W 和 Freedom2012 系列。我们经过调研得知，中大型冲压件的下料方式有以下几种：其一，多品种小批量的单机或者多机联线冲压，可直接从钢材配送中心购买好形状的料片，或者买回钢卷及切割机。

第三，有用于新能源汽车的型材和管材的相关部件，如电池托盘、汽车座椅及导轨、仪表盘、行李箱支架、门框、车窗框等，这些部件的异形管材和型材需要切割，而用于切割的是光纤激光切管机。宏山激光所对应的是 TS 系列激光切管机。

第四，有一种激光切割机是用于生产新能源电池包和电池箱的。这种激光切割机对应的是 XA 系列直线电机激光切割机。

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汽车冲压的前端下料有什么特点，市场规模大概有多大？

宏山激光

我们经过调研，中大型冲压件的下料有几种：

多品种小批量的单机冲压或者多机联线冲压，可从钢材配送中心购买已具有好形状的料片，也可以买回钢卷，然后用剪板机下料，或者用激光切割机下料，亦可用普通压力机下料；

第二种是级进模冲压，它带着料带前进，无需下料；多工位冲压中，第一个工位负责下料，也不需要专门的前置下料设备。

第三种情况是汽车主机厂、一级或二级核心供应商的多机联线冲压。他们的单一品种批量较大，需要专门的大型落料压力机来冲裁落料。例如冲压小轿车车门的料，就是要冲出挖空车窗的车门形状的平面料面；也会用定长剪切机剪切出简单的矩形、梯形或弧形的料片，之后再进行后续的冲压。

乘用车的四门两盖的覆盖件以及大型结构件，大部分是由汽车厂自行制作的。汽车厂拥有 4000 条以上的对应的大型覆盖件冲压线，内饰件冲压线更是数以万计。就算往少了去估计，即便一条落料线供应四条冲压线，在这个行业中所需要的下料生产线也是相当可观的。

压力机和剪切机的吨位越大，其工作台面就越大，投资也会越大；对于落料压力机而言，不同形状的料片会对应着不同的落料模具；剪切机所使用的刀具成本较低且通用性较好。这两种下料方式的效率都较为可观，处于每分钟 20 至 110 次之间，并且都会在料片边缘形成细小的裂纹。

如果要下高强钢、铝合金、钛合金这类材料，或者要下表面质量要求高的零件的材料，那么就只能降低生产效率。需要用伺服压力机以钟摆曲线的方式工作，这样可以延长剪裁时间，减小冲击力，从而减少对材料和模具的伤害。同时，还需要留出更宽的留边，以应对不可避免的裂纹。

激光切割机的切割速度下降了，投资成本也下降了。于是，用激光切割线落料的优势就显现出来了。如今车型之间的竞争非常激烈，绝大部分车型的产量并不是特别高。而激光下料能够达到传统落料方式两成到四成的生产效率。关键是要下不同质、不同厚度和形状的料。对于激光来说，只需在排版软件上进行排版，通过切换不同的下料数据就能实现。切割时熔渣毛刺的影响区域比裂纹小，这样就能够把冲压的压边留白降低到最窄的程度。

激光切割无需制造下料模具和刀具，也无需对它们进行保存和维护。它不像压力机那样需要挖很深的地坑，对挑高也没有要求，并且几乎没有噪声和震动。

最重要的是，激光下料能够最大限度地节省材料。它可以轻松地实现不同零件的混排以及套排。并且能够有效提高材料的利用率 5%至 10%。这些都大大提升了用户的盈利水平。

汽车内板这一零件，其数量为 4 块，加工时间是 26 秒，平均到每件的加工时长为 6.5 秒。

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宏山激光针对冲压线的落料激光切割是什么样的？

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GL-S 激光双头开卷落料线包含料架等多个模块，具备开卷、送料、切割、下料四大功能，是从单一切割升级而来的一站式加工生产线。该生产线由宏山定制的排样和刀路工具软件排版，能根据客户实际料宽快速调整以完成排样，还能生成落料生产数据，进而按照需要的节拍安排生产。

GL-S 激光双头开卷落料线

开卷环节，宏山的生产线能支持多台开卷料架，通过自动化料卷小车进行上卷，能够实现不同料卷的快速切换；在中间切割环节，多道工序相融合，并且还可以支持收纸、覆膜以及废料收集等机构；末端切完后，既可以配备龙门架式机器人，也可以由机器人取下切割好的料片，从而实现自动分拣。

双梁双头的切割机使用宏山自制的切割头。这种切割机能够实现双头同步切割或者异步切割。与单头开卷落料线相比，双头开卷落料线的有效生产效率有所提升。并且 GL-S 采用双通道加工方式，只要其中一个切割头准备好，就可以开始进行加工，不需要等待。这样就能够更好地提升加工效率。对于整板长时间的切割来说，减少了大量的等待时间。

宏山的落料线板材加工幅面有多种规格，其中长为 3000mm 宽为 1500mm，长为 4000mm 宽为 1500mm，长为 4000mm 宽为 2000mm，长为 6000mm 宽为 2000mm。X/Y 轴定位精度为±0.03mm/m，可配备的激光器功率在 1500 ～ 6000W 之间。

宏山激光CELL系列三维五轴激光切割机机加工

宏山激光的单头开卷落料线在钣金的多个行业有很多客户在应用。双头双切割结构是为汽车和钢材配送中心专门设计的，目前正在行业中大力进行推广应用。

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三维五轴激光切割机行业的应用情况是怎么样的？

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主要用于薄壁的板材和管材加工。

汽车轻量化会带来省油省电的效果。汽车的承重结构件包含前后保险杠、A 柱、B 柱、C 柱、车顶加强梁、车底通道框架、仪表台支架以及车门内板、车门防撞梁等高强度构件，这些构件原本是由较厚的钢材通过冷冲压制成的。之后，在确保功能和强度不变的情况下，如果能够使用更薄且整体重量更轻的高强钢和铝合金来成形上述结构件，就可以减轻车体的重量。

传统冷冲难以加工高强钢和铝合金，且对压力机和模具伤害较大，材料容易出现开裂情况。将料片加热至 950 摄氏度后再保压成形，便可加工出形状复杂的结构件。

零件从热成形压力机出来后，会迅速降温并变硬，其屈服强度能达到 1000MPa 以上。倘若像普通冲压那样，使用压力机对高强材料进行切边和冲孔，那就需要极其昂贵的大吨位压力机，以及同样价格高昂且容易损坏的模具，并且零件侧面的孔根本无法冲出来。而对于激光这种非接触式加工来说，切高强钢和切普通钢不存在差别。

人们最初设计机器人携带激光切割头或等离子切割头进行加工，然而加工精度和加工效率无法满足汽车行业的需求。 人们最初设计机器人携带激光切割头进行加工，可是加工精度和加工效率不能满足汽车行业的要求。 人们最初设计机器人携带等离子切割头进行加工，但是加工精度和加工效率不能满足汽车行业的要求。

汽车行业热冲完成后，先将零件冷却，接着进行堆垛，然后把它们运到三维五轴激光切割机上。三维意味着立体，五轴包括 X/Y 轴横梁移动、Z 轴上下移动、C 轴 N*360°无限旋转以及承载激光切割头的 B 摆动轴左右±135°摆动。这样就能对零件进行任意角度的切割，实现高效且精确的加工，切边和切任意面的孔都能轻松完成，这是最优的解决方案。

热成形压力机需要 4 至 5 台三维五轴激光切割机来配套。热成形产业联盟进行了统计，业内专家也做出了估计。2022 年，中国从事热成形的企业超过 200 家，大约对应 170 多条热成形生产线，同时还有 800 多台三维五轴激光切割机的保有量，这些能够满足大约 800 万乘用车和商用车的需求。业内实际热成形产线的数量比上述统计的要多一些。航天航空行业在切割异形零件时能用到热成形产线，健身器材行业在切割异形零件时能用到热成形产线，模具加工行业在切割异形零件时能用到热成形产线，工程机械行业在切割异形零件时能用到热成形产线，钢结构建筑行业在切割异形零件时能用到热成形产线。这些行业的需求还没有充分释放出来。

前些年，汽车行业的三维五轴激光切割机大多被外商所垄断。其价格较为高昂，交货周期也比较长，同时使用和维护的成本也很高。然而近十年来，宏山激光和少数友商成功攻克了这一领域的堡垒。它们替代了部分进口产品，并且将应用场景从汽车行业拓展到了其他行业。原本需要在不同机床上完成的多道钻孔、坡口、切边等工序，现在可以在一台三维五轴激光切割机上完成。

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三维五轴激光切割机象征着一家激光切割设备企业的实力。那么，它的难点究竟在何处呢？

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宏山激光：在业内，三维五轴激光切割机被称作是行业中的珍贵之物。热成形冲压件的结构具有多曲面，且有众多加强筋，包含大量的转角切割。切割头需要随时进行 360 度的高速调整，使其与曲面保持垂直，以实现聚焦点的高功率加工。要防止切割头与零件变形反弹部分相接触，也要防止与各种工装夹具发生碰撞。还要针对热成形件冷却后特有的变形所产生的误差进行切割修正，以防止出现挂渣、过烧等加工难题。这种难度比平面切割、方管或圆管的三维切割的难度要高出很多。

机床的软件和硬件有很高要求，切割工艺要求也很高。不同零件以及不同厂家有不同工艺设计，这需要激光切割机厂家进行大量研究，积累加工数据，以找出最优方案。

宏山激光的三维五轴激光切割机是与日本发那科合作生产的。发那科在 CNC 三维五轴金切机床和激光加工机的数控系统领域处于行业巨头地位。它拥有上百万台机床的数控业绩。在汽车行业，它保有数量最多的六轴以上工业机器人。并且，它对汽车零部件的切割和机加工积攒了大量的数据和经验。发那科开发出的三维五轴数控系统以及伺服驱动系统，迅速地促使宏山激光达成了三维五轴激光切割机的技术突破。

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宏山激光的三维五轴激光切割机有哪些特点和优势？

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宏山激光的 CELL3015G 系列和 CELL3525 系列三维五轴激光切割机采用一体式床身设计，还经过了 CAE 受力分析以及机构化优化设计，所以具有稳定性高和精度高的特点。

宏山激光首先自主研发了五轴联动的 LA5 智能切割头，这其中涉及到复杂的光路安排、水路安排、气路安排以及电信号通路的安排，同时还需要解决不同管道的密封性问题以及切割头的散热问题。LA5 运用了特制的密封材料，历经了上千小时的测试与分析，具备高动态密封性能且使用寿命长；对散热进行了电脑模拟方面的优化；切割头的结构采用了轻量化设计，实现了自重与高速度的动态平衡，达到了激光切割应用行业中的一流标准，是自主研发并取得成功的三维五轴切割头产品。它能够实现 N 乘以 360°的旋转以及±135°的摆动，能够从一个平面旋转到另一个平面。空运行速度为 170m/min。旋转工作台的一侧用于切割零件，另一侧用于摆放待切割件以及取下切割成品。单次旋转时间小于 3s。切割头旋转时，焦点位置始终保持一致，就好像牢牢地钉在虚空里一样。

LA5 的喷嘴部件设计较为细长，能够保障市场上绝大部分三维件的切割需求。HSG 具有独特的光学设计，其光学特性稳定且可靠性高。可靠的气道设计以及仿真，能够保证切割质量。360 度的防碰撞设计，可在三维切割中保护贵重部件，避免因碰撞而可能导致的损坏。

发那科研发的三维五轴激光数控系统是第二个优势。它最大可控制 32 个轴，联动轴数能达到 5 轴及以上。最多能控制 4 条路径，最多可连接 3 台激光器。凭借这些特性，完全能够满足对任何形状零件的切割需求。

系统的激光功能群包含飞行切割，可将最大位置偏差缩小至焦斑直径范围内，同时保持有效的高功率输出；W 轴与 Z 轴具备随动功能，能随时调整切割角度，补偿因随动而导致的 TCP（Tool Center Point，切割头的尖头）点位偏移量；有功率控制功能，针对刀尖点速度，将速度和功率进行匹配，以防拐角点和尖角点过烧；还有功率/辅助气体/随动非线性标定功能，气体会随功率变化而随时调整，使切割质量更优；此外，还包括快速无感穿孔、三维圆弧插补技术等。

发那科的运动控制特点在业内很独特。它独有的六轴 TCP 控制技术被广泛应用于异形管材加工领域。该技术能自动补偿切割头指令，使得切割路径更加连贯平顺。同时，能减少切割头姿势的变动，让旋转轴动作更平滑，从而提高曲面覆盖件和结构件的切割品质。另外，当三维工件实际摆放时，会存在一定的位置偏差，而通过工件位置设置补偿，可以自动校正这些偏差，减少人工校正的时间。

在应用端，FANUC CNC 实现了与伺服控制技术及激光控制的集成。它具备与伺服控制高度同步的激光输出指令。并且能够使用极坐标插补指令。其激光输出指令与伺服控制完全同步，还支持 120m/min 的激光加工速度。同时，具备高速响应的激光功率控制功能和高速响应的随动控制，以支撑光纤激光高速加工。

目前我们的三五轴激光切割机中包含 CELL3015G 型。它具有双驱龙门结构并且配备旋转台。其 X 轴速度为 100m/min，Y 轴速度为 100m/min，Z 轴速度为 100m/min。X 轴加速度为 1.0G，Y 轴加速度为 1.0G，Z 轴加速度为 1.0G。

有 CELL3525W 型，其结构为定龙门结构且工作台可动，Y/Z 方向的速度为 50m/min。

XYZ加速度：0.5G。

加工幅面有两种，一种是长 3000mm 宽 1500mm，另一种是长 3100mm 宽 2200mm，还可定制其他加工幅面。X 轴和 Y 轴的定位精度为±0.05mm/m。激光器可配备 3000 瓦功率，并且能够加工坡口。

CELL 系列激光切割机配备了安全互锁防护门，以此实现封闭作业。机床的外侧安装有智慧安全光幕，当有人误闯入时，就会立即停止作业。

宏山激光的这些机型满足了不同客户的需求。

LA5 三维五轴激光切割头

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宏山激光的汽车行业的推广情况如何？

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新能源汽车的发展为国产设备商带来了巨大机遇。面对激烈竞争，汽车主机厂需要具备性价比高且服务及时周到的合作伙伴，共同应对行业快速变化的挑战。特斯拉进入中国，如同一条鲶鱼，彻底激活了中国的新能源车市场，促使其实现了对燃油车的快速替换。2022 年底，在持续了十三年的新能源车补贴结束之后，一些厂家已经开始上调价格。特斯拉扮演了价格屠夫的角色，这对用户来说是利好的。同时，这也给业内其他新能源汽车主机厂及其供应商带来了绝大的压力。

我们推出的针对汽车行业的产品，拥有我们自身的核心切割头，能够切实地解决该行业的痛点。作为这个小众行业的新参与者，我们在性价比方面以及服务支持方面具有更大的优势。

电池结构件行业的激光应用数量不计其数。

宏山激光凭借其过硬的产品质量和服务，在全世界竞争最为激烈的钣金行业得以发展壮大。我们对在汽车行业站稳脚跟充满信心，同时也希望借助 MFC《金属板材成形》杂志，让更多冲压行业的朋友了解宏山的产品。