激光切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀

陳 勝，黃輝宇，董雄煒，陳丹琪，毛忠發(fā)

(汕頭大學(xué) 機(jī)械工程系，廣東 汕頭 515063)

激光切割技術(shù)是一項(xiàng)利用激光加工平面的切割技術(shù)，由于其加工精度高、無(wú)污染等一些優(yōu)點(diǎn)受到眾多學(xué)者的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)于零件的性能提出更高要求，因此對(duì)加工零件的方法和設(shè)備不斷更新和改進(jìn)。傳統(tǒng)的零部件大多采用機(jī)械加工方法制作，機(jī)械加工存在加工效率低、環(huán)境友好性差等缺點(diǎn)，激光加工剛好解決了這些難題。激光切割技術(shù)利用激光發(fā)生器輸出高能量密度的激光束，激光束掃描加工表面，通過(guò)局部區(qū)域熔化氣化，從而快速成型。在前沿加工領(lǐng)域，激光加工在微型機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有所應(yīng)用，它能保持微型結(jié)構(gòu)零件的尺寸精度，具有切割效率高、速度快、質(zhì)量好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)激光與材料的相互作用、激光切割參數(shù)的優(yōu)化都有一定的研究，推進(jìn)了激光切割的發(fā)展。本文將介紹激光切割加工技術(shù)的原理和研究發(fā)展歷程，其中包括激光切割的相關(guān)理論研究、激光切割工藝與設(shè)備。

1 激光切割原理與優(yōu)勢(shì)

激光切割技術(shù)利用高能量密度激光束對(duì)工件進(jìn)行掃描，使得掃描區(qū)的材料熔化、氣化或分解，與此同時(shí)借助輔助氣體吹走殘?jiān)?，如圖1所示。激光切割包括氣化切割、熔化切割、氧氣切割、劃片與控制斷裂。氣化切割利用激光能量高度聚焦，使得被加工材料迅速氣化為蒸汽，此過(guò)程并沒(méi)有發(fā)生熱熔化，被氣化的材料通過(guò)輔助氣體吹走，其常用于切割較薄的金屬和非金屬材料。熔化切割高能量密度激光束掃描工件，被掃描工件部位開(kāi)始熔化蒸發(fā)，從而形成切割空隙，最終加工目的工件，其通常加工不易氧化的材料或不活潑金屬。氧氣切割以氧氣作為輔助氣體，加工過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng)，其加工能量包括激光束能量和氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量，常用在易氧化的金屬材料加工。氧化切割的切割速度比激光熔化切割高出6倍多速度[1]。劃片與控制斷裂通過(guò)激光對(duì)工件加熱使其產(chǎn)生裂紋，通過(guò)控制激光的能量進(jìn)而控制裂紋的裂變方向，其通常用于脆性材料的加工。

圖1 激光切割加工原理Fig.1 Laser cutting processing principle

激光切割與其他機(jī)加工對(duì)比，具有高速、高適應(yīng)性、高精度等優(yōu)點(diǎn)。在功率為5500W激光情況下，30mm鋼板的激光切割速度可達(dá)1.2m/min。在高精度方面，激光切割主要用于高精度薄板切割。此外，激光切割還具有非接觸、熱過(guò)程、自動(dòng)化等特點(diǎn)。由于激光切割以輻射傳遞給被加工件，非接觸過(guò)程避免應(yīng)力、工具損耗等。激光具有高熱量和光性能，激光切割效率會(huì)受到被加工件熱性能、光性能的影響。激光切割與多維自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高精度切割，且具有加工重復(fù)性。

2 激光切割相關(guān)理論研究

激光切割技術(shù)在加工領(lǐng)域具有優(yōu)越性，激起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光切割相關(guān)原理和關(guān)鍵技術(shù)的研究興趣，為激光切割的發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)，有利促進(jìn)激光切割的發(fā)展。周銳等[2]研究分析激光與物質(zhì)間相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程及相關(guān)機(jī)理，通過(guò)對(duì)激光合成的納米材料研究，探索激光加工具體過(guò)程及特點(diǎn)(圖2)。利用飛秒超短的脈沖激光來(lái)縮小激光的熱影響區(qū)域，從而做到納米尺寸超精密的加工。利用微透鏡的陣列在非常微小區(qū)域中同時(shí)加工許多圖形，還可以利用二倍頻飛秒超短脈沖激光器與近場(chǎng)顯微鏡組合最終做到超衍射極限納米光學(xué)加工。

圖2 脈沖激光合成納米材料的實(shí)驗(yàn)裝置[2]Fig.2 Experimental device for synthesizing nanomaterials by pulsed laser[2]

激光切割過(guò)程中材料的溫度場(chǎng)分布引起學(xué)者的研究。趙劍衡等[3]利用有限元的方法數(shù)值模擬在強(qiáng)激光輻照下柱殼上的溫度場(chǎng)變化及分布情況，并且研究隨溫度變化熱性能參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，利用激光加載的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬是可行的，柱殼溫度場(chǎng)隨強(qiáng)激光的輻射時(shí)間增長(zhǎng)而快速上升，材料的非線性對(duì)強(qiáng)激光加載的溫度場(chǎng)有影響，比熱容隨溫度變化使激光加載材料溫升率隨強(qiáng)激光的加載時(shí)間增長(zhǎng)顯著變慢。光斑的邊緣附近呈現(xiàn)比較大的溫度梯度，隨強(qiáng)激光加載時(shí)間的增長(zhǎng)，光斑邊緣溫度梯度逐漸增大。鄭瑞倫等[4]從光子和聲子相互作用的機(jī)理出發(fā)，推導(dǎo)出金屬材料的能量吸收速率，并且利用格林函數(shù)與有限積分的變換法來(lái)求出熱源下的熱傳導(dǎo)方程解析解，研究材料性質(zhì)和板厚度對(duì)板內(nèi)溫度分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，矩形的激光脈沖輻射下金屬板料的溫度分布呈現(xiàn)波動(dòng)特征，板材性質(zhì)和板厚對(duì)溫度的波動(dòng)頻率有顯著影響。王偉平等[5]對(duì)激光的強(qiáng)度空間均勻地分布光束、高斯光束、超高斯光束和平頂高斯光束進(jìn)行分析對(duì)比，在激光的功率和光束半徑相同的情況下，計(jì)算各種光束峰值光強(qiáng)和光束的填充因子與光束的階次關(guān)系，并且得出光強(qiáng)分布表達(dá)式。將以不同空間分布光束為熱源，耦合材料的熱傳導(dǎo)方程中，數(shù)值計(jì)算說(shuō)明各種的光束輻射下，2mm厚的30GrMnSiA鋼材料的靶面不同熱效應(yīng)。 研究發(fā)現(xiàn)，均勻分布光束與高斯分布的光束都是超高斯光束或平頂高斯光束階數(shù)取特定值或其趨向無(wú)窮大情況下的特例。而超高斯光束與平頂高斯光束在相應(yīng)適當(dāng)?shù)碾A數(shù)情況下，具有十分接近的強(qiáng)度分布。隨光束的填充因子階次增加，從0.43提升到1。對(duì)激光加工薄金屬板，在激光功率、光斑相同情況下，不同光束的分布模型對(duì)溫升的分布有顯著影響。因此，在激光加工材料時(shí)，根據(jù)具體要求，采用相應(yīng)的光束分布模型。

研究激光與不同金屬的相互作用，有利于激光切割發(fā)展。李欣榮等[6]研究長(zhǎng)脈沖強(qiáng)激光和金屬靶材互相作用機(jī)理，利用2種激光器對(duì)鋁、銅、鋼和鈦靶材燒蝕試驗(yàn)。通過(guò)記錄靶材被穿透時(shí)的激光轟擊次數(shù)，同時(shí)測(cè)量穿過(guò)通孔激光能量與孔的面積，得出不同材料在不同能量密度下的燒蝕率。研究表明，能量密度比較低的激光束，即使對(duì)靶材有燒蝕作用，其燒蝕率比能量密度高激光束小很多。當(dāng)能量密度到達(dá)造成液態(tài)質(zhì)量遷移條件長(zhǎng)脈沖激光時(shí)，可以獲得比較大的燒蝕率與截面積加大通孔。蘭鈴等[7]研究激光復(fù)合加工制備超疏水金屬表面，研究發(fā)現(xiàn)，激光復(fù)合加工可以在金屬表面形成豐富的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。張欣等[8]研究晶面對(duì)單晶硅高功率綠光飛秒激光加工的影響，研究表明，晶面取向影響到飛秒激光多脈沖作用下硅的微觀結(jié)構(gòu)，也影響硅的宏觀飛秒激光加工效果。趙國(guó)龍等[9]研究激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削TA19鈦合金高深比微結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削復(fù)合加工的工藝有利于改善TA19鈦合金微切削加工性，提高刀具使用壽命。劉峰等[10]研究基于離子束輔助激光硬質(zhì)合金的表面微織構(gòu)制備方法，建立基于離子束輔助激光的表面微織構(gòu)輪廓演變模型，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面微織構(gòu)的高質(zhì)量可控制備。高歡等[11]研究低功率激光輻照對(duì)彎曲成形件表面殘余應(yīng)力的影響，研究發(fā)現(xiàn)在不改變材料微觀組織前提下，采用低功率激光輻照可以明顯減低材料表面殘余應(yīng)力分布。

對(duì)于激光與材料的相互作用，一些學(xué)者利用有限元分析的方法建立相關(guān)理論模型，對(duì)激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。El-Niclawy等[12]運(yùn)用有限元的方法對(duì)激光作用的固體材料幾種物理現(xiàn)象進(jìn)行熱學(xué)分析。通過(guò)大量的方法處理后，發(fā)現(xiàn)材料的表面溫度很敏感，當(dāng)材料表面吸收率與溫度相關(guān)時(shí)，材料表面溫度取決于激光的功率密度。研究表明，熱量在激光輻照下影響材料物理參數(shù)，其中包括熔化和蒸發(fā)，同時(shí)激光的作用時(shí)間對(duì)相應(yīng)熱效應(yīng)具有影響。Sami等[13]在1997年利用PDE方程對(duì)在激光作用下的固體材料做適當(dāng)分析，求得相應(yīng)結(jié)果。研究中，考慮有限傳導(dǎo)和非有限傳導(dǎo)兩部分。在非有限傳導(dǎo)公式中，考慮有限情況，推導(dǎo)出制約有限傳導(dǎo)的導(dǎo)熱方程。Jia等[14]在2005年運(yùn)用有限元數(shù)值的仿真方法研究脈沖激光作用下多種材料，分析材料的溫度分布情況。Yilbas等[15]運(yùn)用有限元的方法對(duì)激光與金屬作用應(yīng)力進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，激光脈沖輻射下的金屬表面，其被輻照區(qū)域溫度迅速上升，導(dǎo)致區(qū)域溫度梯度提高，溫度梯度高區(qū)域熱應(yīng)力升高，激光的照射時(shí)間對(duì)應(yīng)力有同樣的影響。

一些學(xué)者利用仿真軟件分析激光加工，減低實(shí)驗(yàn)成本。Andreas等[16]利用COMSOL軟件建立一種通用激光熱輻照材料數(shù)值仿真模型，由于不同物理場(chǎng)互相耦合，建立對(duì)激光材料加工的通用模型是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。模型包括激光加工過(guò)程的數(shù)個(gè)模塊，內(nèi)有熱流體動(dòng)力學(xué)的仿真效果，其中有激光焊接、鉆孔或遠(yuǎn)程切割。Razavi等[17]在2011年進(jìn)行鋁合金激光表面的處理研究。研究發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)高端的工業(yè)應(yīng)用要求材料具備特殊的表面性質(zhì)，比如耐腐蝕、耐磨性和高硬度，合金應(yīng)具備這些屬性，但是其價(jià)格昂貴，直接利用它們實(shí)驗(yàn)會(huì)提高成本。另外，因?yàn)闄C(jī)器故障或組件退化、與周圍環(huán)境作用在其表面的化學(xué)與電化學(xué)交互，以及其他作用于材料表面的一定強(qiáng)度外部壓力等，仿真軟件的處理可以大大降低成本和提高準(zhǔn)確度。

3 激光切割工藝與設(shè)備的研究

除了激光切割的理論研究，學(xué)者們也對(duì)激光切割相關(guān)工藝和設(shè)備進(jìn)行研究。李振霞等[18]研究將變焦激光切割應(yīng)用在設(shè)計(jì)微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，研究表明，變焦激光切割能提高微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的切割精度。董秋陽(yáng)等[19]研究將光纖激光切割應(yīng)用在飛機(jī)易損品的快速制備，研究發(fā)現(xiàn)，在保證快速制備易損件的相關(guān)工藝要求下，光纖激光切割技術(shù)能做到飛機(jī)易損件的快速制備。

研究激光切割工藝參數(shù)與激光切割質(zhì)量的關(guān)系，一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化，對(duì)提高激光加工質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用。李祥友等[20]研究利用Nd∶YAG脈沖激光器探討工藝參數(shù)對(duì)切縫質(zhì)量和切縫寬度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，激光頻率、脈寬和功率密度增大使得激光縫寬也增大，激光輸出重復(fù)頻率的提高有助于加工質(zhì)量、切割速度和加工效率的提高。閻啟等[21]激光功率和激光切割速度對(duì)被加工件表面粗糙度、切縫寬度等質(zhì)量影響。研究發(fā)現(xiàn)其他條件一定情況下，切割速度的提高會(huì)使得切縫寬度降低并達(dá)到某一穩(wěn)定值，而激光功率的提高會(huì)使得切縫寬度增大。另外，激光功率和激光切割速度對(duì)材料切割表面的粗糙度影響呈現(xiàn)開(kāi)口向上拋物線的規(guī)律。劉念等[22]通過(guò)對(duì)鋼板的激光切割試驗(yàn)來(lái)探究影響激光切割精度的因素。以1.5mm厚鋼板作為研究對(duì)象，通過(guò)改變切割方向和光束補(bǔ)償?shù)裙に噮?shù)，激光切割試樣，進(jìn)而測(cè)量對(duì)比測(cè)量尺寸對(duì)設(shè)定值間的差距，從而得到影響精度的工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光切割方向?qū)扔绊懖淮?，激光切割的路徑分布?duì)精度影響較大，離焦量對(duì)切割精度有一定的影響。郭建等[23]利用有限元分析軟件ANSYS建立激光切割鈑金件的三維模型，探究在板金件重力和激光熱源的共同作用下，切割工件變形大小的分析計(jì)算方法。激光熱源簡(jiǎn)化為高斯熱源，運(yùn)用APDL語(yǔ)言計(jì)算分析激光切割工件的變形大小。研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)激光切割鈑金件的相應(yīng)夾具設(shè)計(jì)有很大幫助。孫健峰等[24]研究316L不銹鋼薄板的激光切割，通過(guò)建立成型參數(shù)、材料物性和切割寬度的數(shù)學(xué)模型，獲得其數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過(guò)脈沖激光切割系統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，激光切割寬度與激光頻率、功率、光束直徑、脈寬成正相關(guān)。而切割寬度與加工材料的比熱、掃描速度、氣化焓、熔化比焓成負(fù)相關(guān)。溫勁葦?shù)萚25]研究激光切割圓形模切板對(duì)縫形和縫寬影響的主要工藝參數(shù)，得到較好的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，并且切割出1.42mm的矩形縫。利用脈沖激光切割圓形模切板使得刀體與切縫保持適當(dāng)接觸，進(jìn)而提高圓形模切板的強(qiáng)度、剛度和使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)，離焦量和激光功率對(duì)縫寬影響比較大。因此，為了得到適宜的縫寬，需要做一下調(diào)整。首先調(diào)整離焦量和激光功率，確定其上口縫寬。接著，再調(diào)整切割速度，確定下口縫寬，使得上口和下口縫寬尺寸趨向一致，切出矩形縫。如果切縫尺寸偏緊或偏松，微調(diào)重復(fù)頻率，最終得到合適縫寬。鄧前松等[26]研究中厚鋼板小圓孔高功率CO2的激光切割工藝，采用Rofin DC 025 板條的CO2激光切割系統(tǒng)，在6mm厚的A3鋼板激光切割d=5mm小孔探究其切割工藝。通過(guò)研究切割速度、激光功率和氧氣壓力對(duì)激光切割質(zhì)量影響，并分析切割前沿的溫度分布對(duì)激光切割質(zhì)量的決定作用。研究發(fā)現(xiàn)，激光功率為1kW、激光切割速度為1.0m/min、氧氣壓力為1.2×105Pa時(shí)，激光切割中厚鋼板小圓孔可獲得最佳效果，提高切割質(zhì)量。

2010年，C. WANDERA等[27]研究激光切割厚型鋼的功率和加工參數(shù)對(duì)低碳鋼切割質(zhì)量的影響。研究表明在相同的切割速度下，光纖激光切割所需的入射激光功率比CO2低，說(shuō)明工件對(duì)光纖激束的吸收較高。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著激光切割速度的增加、噴嘴直徑減小和氧壓的降低，被加工件條紋尺寸減小，切割質(zhì)量大大提高。Akarapu等[28]利用3D有限元的方法計(jì)算激光切割的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。研究激光切割的主要三個(gè)參數(shù)，分別光斑直徑、光斑與工件的位置和激光功率。研究表明，切割形狀隨參數(shù)變化而變化。Neimeyer等[29]利用CO2激光器對(duì)楔形的工件進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)(圖3)。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究激光切割中輔助氣壓、走刀速度變化下工件的毛刺變化趨勢(shì)以及工件厚度對(duì)毛刺大小影響。研究表明，在小輔助氣壓和高走刀速度下，切割毛刺比較小，而工件的厚度對(duì)毛刺的大小影響不大。Wang等[30]通過(guò)CO2激光切割的表面涂有金屬的圖層鋼板試驗(yàn)，研究在保證切割質(zhì)量條件下，為了提高激光的加工效率，討論激光切割速度、激光功率的改變對(duì)熱影響區(qū)、切縫寬度大小的影響。研究發(fā)現(xiàn)，降低激光的功率和提高激光的切割速度都能獲得更窄切縫和更小熱影響區(qū)。Jorgensen等[31]采用了同軸的檢測(cè)方法，搭建激光切割的前沿同軸檢測(cè)系統(tǒng)，利用光電二極管獲取激光切割的前沿輻射信息。研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)激光切縫中光的強(qiáng)度變化引起切割面的條紋傾斜角變化；傅里葉分析后發(fā)現(xiàn)激光切面的條紋頻域和切割中光波的頻率相關(guān)；激光切割前沿光強(qiáng)的變化引起切割面的粗糙度變化。Schulz等[32]對(duì)鋁合金、不銹鋼和鈦合金等材料進(jìn)行了激光切割時(shí)研究發(fā)現(xiàn)超音速流存在激光波以及波與波間互相作用。此后，人們開(kāi)始關(guān)注激光切割中超音速的流場(chǎng)問(wèn)題。Kaebernick等[33]建立脈沖激光切割的模型，計(jì)算工件表面、切割的前沿與切口處的溫度分布，研究發(fā)現(xiàn)激光脈沖與切縫寬度間的關(guān)系。金清肅等[34]研究了在汽車橋殼焊接中激光切割的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)，激光切割技術(shù)作為沖裁模具的輔助制造手段，在毛胚試料和修正時(shí)使用，這樣既利用現(xiàn)有的沖裁設(shè)備，同時(shí)利用新技術(shù)在產(chǎn)品成本、質(zhì)量和效率上帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，對(duì)于小批量的沖裁下料焊接件可直接采用激光切割的方法下料，可以減少模具的投入。

圖3 原橋殼示意圖[29]Fig.3 Schematic diagram of original axle housing[29]

學(xué)者們不僅對(duì)激光切割的工藝不斷研究，同時(shí)對(duì)激光切割有關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)有所研究。劉強(qiáng)等[35]研究一種激光切割非接觸式單片機(jī)高度自動(dòng)化控制裝置，其利用一體化噴嘴電容傳感器來(lái)檢測(cè)被加工工件表面變化，利用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)透鏡，使得工件與透鏡間的高度可以隨工件表面的不平整自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)激光切割過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦。該設(shè)備以單片機(jī)為核心部件，具有激光切割高度自動(dòng)的跟蹤系統(tǒng)，軟件和硬件資源豐富。系統(tǒng)的功能可以進(jìn)一步拓展，可以應(yīng)用再示教、仿形、測(cè)量等。電容傳感器的靈敏度高，設(shè)備對(duì)惡劣環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在全范圍內(nèi)PID控制算法可以整定和自動(dòng)校正控制器的參數(shù)，可以適應(yīng)被控對(duì)象的過(guò)程參數(shù)變化。設(shè)備具有數(shù)字化、智能化的控制系統(tǒng)，采用了可靠的設(shè)計(jì)技術(shù)，因此系統(tǒng)性價(jià)比和可靠性得到比較大的提高。該系統(tǒng)的構(gòu)建如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)建示意圖[30]Fig.4 System construction Diagram[30]

柳娟等[36]研究一種高功率橫流CO2激光器的集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)兼具控制、監(jiān)控、報(bào)警、保護(hù)功能。該系統(tǒng)對(duì)激光器重要的參量輸出功率檢測(cè)方面有所進(jìn)展，同時(shí)研制一種新型尾鏡取樣功率的檢測(cè)法，檢測(cè)方法的線性度好，可以對(duì)激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)且不影響激光的輸出。賈信庭等[37]研究激光切割系統(tǒng)切割功率的實(shí)時(shí)控制，基于可編程及多軸運(yùn)動(dòng)控制器探討激光功率實(shí)時(shí)控制方法，利用開(kāi)放編寫(xiě)的應(yīng)用程序進(jìn)行串口通信從而調(diào)整激光功率實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)控制。這種方法進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光功率隨激光切割速度的變化時(shí)，也可避免燒角現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，此方法可以提高切割質(zhì)量，且確保激光切割的效率。激光切割系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 激光切割系統(tǒng)原理圖[32]Fig.5 Laser cutting system schematic diagram[32]

研究激光切割工藝參數(shù)，一些學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對(duì)激光參數(shù)的研究有促進(jìn)作用。陳繼民等[38]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合方法，構(gòu)建激光切割工藝參數(shù)優(yōu)化的智能系統(tǒng)。采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，只需少數(shù)的幾次切割試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，智能系統(tǒng)就可以經(jīng)過(guò)自學(xué)切割結(jié)果與激光切割參數(shù)件的隱含定量關(guān)系，最終獲得切割知識(shí)。智能系統(tǒng)根據(jù)已學(xué)的激光切割知識(shí)，可在任意切割條件下自行推理，對(duì)切割參數(shù)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和相應(yīng)優(yōu)化。該方法既無(wú)需做大量試驗(yàn)，同時(shí)也無(wú)需單純專家經(jīng)驗(yàn)，而是系統(tǒng)結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，使得結(jié)果的預(yù)測(cè)建立在既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)也有專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，因此其更準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)在激光的方位切割具體應(yīng)用結(jié)果表明，其可以準(zhǔn)確自我給出定量的加工參數(shù)。智能系統(tǒng)的組成如圖6所示。

圖6 智能系統(tǒng)的組成[33]Fig.6 Composition of intelligent systems[33]

4 激光切割的技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

(1)激光切割系統(tǒng)功能單一。如今激光切割技術(shù)已普遍應(yīng)用，但其單一切割功能無(wú)法在生產(chǎn)應(yīng)用中得到進(jìn)一步發(fā)展。行業(yè)需要復(fù)合型的激光切割，德國(guó)通快TRUMPF TruMatic 3000 fiber光纖型復(fù)合機(jī)可以實(shí)現(xiàn)激光切割、沖裁和激光焊接等功能，解決了激光切割單一功能的問(wèn)題。因此，復(fù)合功能激光加工中心和三維激光切割的機(jī)器人是激光切割的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)激光器的國(guó)產(chǎn)化水平不高。激光器是系統(tǒng)的核心部件，激光器的技術(shù)門檻高，其中光纖激光器尤為突出。激光器泵浦、高功率光器件和高功率增益光纖等核心部件需要長(zhǎng)期技術(shù)的沉淀。目前，國(guó)外巨頭IPG Photonics、Nufern、SPI、Coherent和JDSU長(zhǎng)期把持世界激光器的大部分市場(chǎng)，其中IPG激光器占據(jù)半壁江山，而國(guó)產(chǎn)激光器剛起步，許多性能不如國(guó)外產(chǎn)品。因此，需要豐富激光切割的理論，提高國(guó)產(chǎn)激光器的性能。

(3)切割工藝方面。當(dāng)前切割機(jī)運(yùn)行的速度較低，切割工藝參數(shù)不完善。研發(fā)數(shù)控激光切割機(jī)，使其具備專用的切割工藝參數(shù)，配備激光專用的自動(dòng)編程系統(tǒng)。如果切割工藝方面能得到顯著提高，激光切割將更上一層樓。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光切割技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但我國(guó)的激光切割技術(shù)與國(guó)外相比依然有一定的差距。本文從激光的理論和工藝兩個(gè)方面闡述國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)激光切割相關(guān)方面的研究進(jìn)展，學(xué)者們針對(duì)提高激光加工質(zhì)量的目標(biāo)，從各個(gè)角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究。文章最后針對(duì)激光加工技術(shù)的難點(diǎn)分析了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，將來(lái)需要不斷更新激光切割技術(shù)的相關(guān)理論，加快相關(guān)激光器設(shè)備的研究。