郭華鋒，李菊麗，孫　濤

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018)

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激光切割技術(shù)的研究進(jìn)展

郭華鋒，李菊麗，孫濤

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018)

摘要：針對(duì)激光切割技術(shù)研究中的切割系統(tǒng)創(chuàng)新、切割過(guò)程數(shù)值模擬、切割效率提高及切割質(zhì)量控制等方面的熱點(diǎn)問題，從激光切割技術(shù)的原理和分類出發(fā)，綜述了切割系統(tǒng)、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬、切割路徑規(guī)劃及優(yōu)化、切割質(zhì)量預(yù)測(cè)及控制等關(guān)鍵共性技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并加以分析與展望，指出了目前激光切割技術(shù)中存在的問題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：激光切割；溫度場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng)；路徑規(guī)劃；質(zhì)量預(yù)測(cè)

激光切割是一種充分利用高能密度激光束熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行快速切割的先進(jìn)制造技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展成為融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和材料加工技術(shù)等交叉學(xué)科為一體的復(fù)合型高新技術(shù).激光切割技術(shù)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高硬脆性等金屬、非金屬、陶瓷材料的快速切割，具有材料適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸式加工、高效自動(dòng)化高品質(zhì)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，突破了許多傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)瓶頸，在航空航天、船舶、鋼鐵、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其市場(chǎng)前景極其廣闊.經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，激光切割技術(shù)已經(jīng)從二維切割走向三維切割，從中低速切割走向高速切割，從小幅面切割走向大幅面切割，從薄板、中厚板切割走向大厚板切割，從功能單一的激光切割走向功能集成型復(fù)合切割等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用.關(guān)于激光切割技術(shù)的研究，在切割系統(tǒng)創(chuàng)新、切割過(guò)程數(shù)值模擬、切割效率提高及切割質(zhì)量控制等方面成為熱點(diǎn)，而對(duì)這些研究熱點(diǎn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行梳理則有助于進(jìn)一步推動(dòng)激光切割技術(shù)的縱深研究.基于此，本文綜述了激光切割技術(shù)的原理及分類，從切割系統(tǒng)、切割過(guò)程溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、切割路徑規(guī)劃及優(yōu)化、切割質(zhì)量預(yù)測(cè)及控制等方面分析了激光切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).

1激光切割技術(shù)原理、分類及特點(diǎn)

圖1　激光切割技術(shù)原理

激光切割技術(shù)利用聚焦后高能激光束對(duì)工件表面進(jìn)行輻照，使得輻照區(qū)的材料迅速熔化、汽化或分解，同時(shí)借助同軸高壓輔助氣體吹走殘?jiān)?，形成切縫.在數(shù)控系統(tǒng)控制下，激光頭按照既定軌跡進(jìn)行切割，以實(shí)現(xiàn)材料任意成形.激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類.它們均屬于典型的熱切割技術(shù)[1]，其技術(shù)原理如圖1所示.激光氣化切割所需能量密度較高，常用于切割較薄的金屬和非金屬材料.激光熔化切割所需能量?jī)H為汽化切割的1/10左右，常用于不易氧化的材料或不活潑金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等.激光氧化切割是充分利用激光熱能和輔助氣體的氧化反應(yīng)熱兩個(gè)熱源切割，速度雖快但切割質(zhì)量差，主要用于碳鋼等易氧化的金屬材料.激光劃片與控制斷裂是利用激光產(chǎn)生溝槽，通過(guò)外力使其脆斷或利用激光誘導(dǎo)熱應(yīng)力，并控制裂紋擴(kuò)展，從而分離材料，均適用于脆性材料加工.

與傳統(tǒng)制造工藝相比，激光切割采用熱效應(yīng)且無(wú)外力參與，使其具有熱變形小、熱影響區(qū)小、切縫小、切口粗糙度較小、基本無(wú)傾角等其他切割工藝不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而有效保證了切割質(zhì)量.目前工業(yè)中常用的工程用材有碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、銅及銅合金[2-8]等金屬材料及玻璃、高分子聚合物[9-11]等非金屬材料，甚至陶瓷[12-13]等脆性材料也可使用該技術(shù).

2激光切割技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1激光切割系統(tǒng)的發(fā)展

激光切割系統(tǒng)主要由激光器、數(shù)控機(jī)床、冷卻水循環(huán)裝置、切割頭和主機(jī)等構(gòu)成.其中激光器至關(guān)重要，關(guān)系著整機(jī)性能.激光切割系統(tǒng)中配置的激光器一般有YAG激光器、CO2激光器和光纖激光器.特別是光纖激光波長(zhǎng)為1.07 μm，較之CO2激光束更易被板材吸收，聚焦直徑更小、能量密度更高、能耗更低、切割更穩(wěn)定，不僅可柔性傳輸，且可以加工鋁、銅等高反射材料，已成為國(guó)內(nèi)外各大激光生產(chǎn)廠商的主流配置，有逐步取代CO2激光器的趨勢(shì).目前激光切割系統(tǒng)主要包含激光切割機(jī)床和激光切割機(jī)器人，多用于二維平面和空間三維切割.在激光切割系統(tǒng)的研究方面，國(guó)外的德國(guó)通快TRUMPF、瑞士百超BYSTRONIC、意大利PRIMA、美國(guó)WHITNEY和日本TANAKA，國(guó)內(nèi)的深圳大族激光、武漢楚天激光和上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪激光(中意合資)等公司的工作均較具代表性.德國(guó)通快對(duì)激光技術(shù)的研究已有40 a的沉淀，激光切割方面主要產(chǎn)品為激光平面切割機(jī)、激光管材切割機(jī)和激光-沖裁復(fù)合機(jī)，包含TruLaser1000和TruLaser8000等五大系列.這些不同系列雖各功能有側(cè)重，但均可對(duì)結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼及鋁材進(jìn)行有效切割.其中TruLaser8000系列可實(shí)現(xiàn)最大厚度25 mm結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼、15 mm鋁材的切割工作，最大切割幅面為16 m×2.5 m，最大同步軸向速度高達(dá)304 m/min.激光管材切割主要有TruLaser Tube5000和TruLaser Tube7000兩大系列，可實(shí)現(xiàn)最大直徑250 mm、最大原材料長(zhǎng)度9 m和最大壁厚8 mm的管與型材切割.與傳統(tǒng)管材加工方式相比，其制造成本顯著下降.激光-沖裁復(fù)合機(jī)是通過(guò)沖壓和激光切割組合方式，使加工范圍多樣化，有效提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)方式的靈活性.大族激光成立于1996年，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展已經(jīng)成為世界上知名的激光加工設(shè)備生產(chǎn)商之一，在激光切割領(lǐng)域主要產(chǎn)品為二維/三維激光切割機(jī)和激光切管機(jī).以G6020F型號(hào)為例，其最大加工幅面為6 m×2 m，X/Y軸最大聯(lián)動(dòng)定位速度為140 m/min，最大加速度為1 m/s2，除廣泛用于碳鋼和不銹鋼材料的切割外，還適合加工銅、鋁等高反射材料加工.在激光切管機(jī)方面，該公司P6018D型號(hào)較為典型，可實(shí)現(xiàn)最大直徑180 mm(或外接圓不超過(guò)直徑180 mm的型材)和長(zhǎng)度6.2 m的管材切割，X/Y/U軸最大移動(dòng)速度為100 m/min，最大加速度為1 m/s2.國(guó)內(nèi)外激光設(shè)備生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的典型激光切割系統(tǒng)性能見表1.

表1　國(guó)內(nèi)外典型激光切割系統(tǒng)性能一覽表

注：表中數(shù)據(jù)均來(lái)源于各廠商官網(wǎng).

2.2激光切割溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)模擬的研究進(jìn)展

激光切割過(guò)程實(shí)質(zhì)上是激光束產(chǎn)生的熱效應(yīng)與材料的相互作用過(guò)程，其溫度場(chǎng)、梯度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布對(duì)切縫寬度、切口掛渣、熱影響區(qū)和翹曲變形等有著重要影響.通過(guò)對(duì)激光切割過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬可以掌握切割全過(guò)程的溫度及應(yīng)力動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，進(jìn)而分析影響激光切割質(zhì)量的材料因素和工藝因素，這對(duì)提高激光切割質(zhì)量有著積極的意義，也成為諸多學(xué)者競(jìng)相追逐的研究熱點(diǎn).

激光切割溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬需要處理一些共性的關(guān)鍵問題：材料熱與力學(xué)性能參數(shù)的高度非線性、網(wǎng)格劃分、激光移動(dòng)熱源、相變潛熱、表面效應(yīng)單元的施加、合理的邊界條件及求解方法的選擇.其中對(duì)激光移動(dòng)熱源的處理尤為重要，關(guān)系著能否獲得較為可靠的模擬結(jié)果，它包含熱源的選取和熱源的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層面.進(jìn)行不同材料和不同厚度板材模擬時(shí)所選取的熱源略有不同，通常有面熱源[9]和體熱源[8,12,14]兩類.考慮兼顧實(shí)際工況，一般以體熱源居多.常用的激光切割體熱源模型[14]可描述為

S0=I0δ(1-rf)e-δye(-(x2+z2)/a2)),

(1)

式中:I0為激光功率，δ為激光沿y方向吸收深度，rf為材料表面反射率，a為激光光斑直徑，x、y、z均為坐標(biāo).

也有學(xué)者[12]更進(jìn)一步考慮焦平面和激光束波長(zhǎng)的影響，將其描述為

(2)

式中：P0為激光功率，R為材料表面反射率，α為衰減系數(shù)，r0為激光束在焦平面位置處的光斑半徑，r(z)為位置z處的光斑半徑，fpp為焦平面位置(材料上方為正，材料內(nèi)部為負(fù))， v為激光掃描速度.

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)直線切割的研究較多，而對(duì)三棱柱[5]、圓柱體[8]、不規(guī)則多面體[14]及矩形體[15]等形狀切割模擬的研究還較少，尤其是國(guó)內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道.究其原因，復(fù)雜形狀的激光切割模擬需要繁瑣的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)激光熱源的移動(dòng).復(fù)雜形狀激光切割模擬及熱電偶測(cè)溫模型[5,8,19]見圖2.

圖2　復(fù)雜形狀激光切割模擬及熱電偶測(cè)溫模型

Yilbas等[15]利用ABAQUS平臺(tái)模擬了激光切割5 mm厚鋁磚溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)演變過(guò)程.通過(guò)熱電偶測(cè)試了切割過(guò)程特定點(diǎn)的溫度變化曲線，與模擬結(jié)果吻合較好.切割表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值為1.3 GPa，與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值1.2±0.04 GPa基本一致，說(shuō)明數(shù)值模型比較可靠，可以用于溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化.Kardas 等[16]采用有限元方法建立了激光切割2 mm厚正方體孔的2024鋁合金數(shù)值模型，分析了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律.溫度場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果誤差約5%，表明所建立的模型較為可靠.應(yīng)力最大值出現(xiàn)在激光切割結(jié)束的轉(zhuǎn)角處為400 MPa，表面殘余應(yīng)力比切縫內(nèi)部要低.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用模擬的工藝參數(shù)所切割的樣件表面較為光潔，并且沒有明顯的裂紋出現(xiàn).葉圣麟等[17]基于ANSYS建立了激光切割脆性材料溫度場(chǎng)仿真模型，討論了激光切割玻璃和陶瓷的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，并與激光切割金屬材料25鋼的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究.由于脆性材料和金屬材料熱無(wú)形參數(shù)的差異使得兩者溫度場(chǎng)分布明顯不同，特定點(diǎn)溫度變化曲線與金屬材料相比脆性材料明顯陡峭，熱影響區(qū)遠(yuǎn)小于金屬材料，且激光功率、切割速度、強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常顯著.這些有益的結(jié)論有助于指導(dǎo)激光切割脆性材料時(shí)工藝參數(shù)的選取和優(yōu)化.王小渙等[18]綜合考慮切割過(guò)程中對(duì)流、輻射、相變潛熱等因素，基于ANSYS生死單元技術(shù)模擬了激光切割HT150灰鑄鐵溫度場(chǎng)變化過(guò)程，總結(jié)出激光功率、脈沖寬度、切割速度和光斑直徑等工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出了具有實(shí)用價(jià)值的工藝參數(shù)：脈沖功率2.6～3 kW適合于較小尺寸的裂解槽，對(duì)于大尺寸裂解槽功率要增至3.2 kW，較為理想的脈沖寬度為0.4 ms，切割速度范圍12～18 mm/s，加工槽深較小選用較大半徑0.08 mm或0.12 mm，而加工槽深較大時(shí)可選用0.05 mm光斑半徑.

上述研究結(jié)果源于激光切割過(guò)程熱力耦合場(chǎng)數(shù)值模擬，對(duì)于確定激光切割過(guò)程工藝參數(shù)、預(yù)測(cè)及控制切割質(zhì)量等具有一定的指導(dǎo)意義.但目前數(shù)值模擬研究主要集中在激光平面切割，對(duì)于空間三維切割的研究未見報(bào)道，尚需深入研究.

2.3激光切割路徑規(guī)劃及優(yōu)化的研究進(jìn)展

當(dāng)今，激光切割技術(shù)已經(jīng)朝著高效、高質(zhì)量和全時(shí)自動(dòng)化切割方向發(fā)展，而這就要求與之相配套的關(guān)鍵技術(shù)必須同步發(fā)展.路徑規(guī)劃及優(yōu)化是提高切割效率、保證質(zhì)量和降低能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前該方面的研究主要集中在已經(jīng)應(yīng)用化的商業(yè)套料軟件的開發(fā)和不斷創(chuàng)新的理論研究方面.商用軟件較為常用的主要有FastCAM、ProNest、SigmaNEST、InteGNPS等.這些軟件都具備強(qiáng)大的自動(dòng)排樣功能，可以滿足切割軌跡的規(guī)劃、優(yōu)化及模擬加工工作，為切割工作帶來(lái)極大的便利.至于理論研究方面，一般采用遺傳算法、蟻群算法或和其他算法相結(jié)合的方式進(jìn)行激光切割路徑規(guī)劃及優(yōu)化.

圖3　不同算法路徑優(yōu)化對(duì)比結(jié)果圖

Sherif 等[19]采用模擬退火算法(SAA)對(duì)激光切割路徑進(jìn)行優(yōu)化，并針對(duì)同一問題與遺傳算法(GA)和蟻群算法(ACO)優(yōu)化結(jié)果分別進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果顯示采用GA算法最優(yōu)路徑長(zhǎng)度7893.19 mm，采用蟻群算法最優(yōu)路徑長(zhǎng)度為9507 mm，而采用模擬退火算法最優(yōu)路徑長(zhǎng)度只有4260.4 mm，相比前者分別減少了46.02%和55.19%，優(yōu)化效果非常顯著.不同算法路徑優(yōu)化結(jié)果[19]如圖3所示.孫鑫等[20]闡述了激光切割遵循的原則和零件的表達(dá)，建立了路徑求解數(shù)學(xué)模型，將切割路徑問題轉(zhuǎn)化為TSP(旅行商)問題，采用遺傳算法求解零件切割順序，確定零件切割順序和板材所有輪廓的切割順序，再結(jié)合局部搜索法求解各輪廓的切割起點(diǎn)，最終得到最優(yōu)路徑.試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)遺傳算法和局部搜索法確定的最優(yōu)切割路徑是可行的.李妮妮等[21]提出一種新的局部搜索法和遺傳算法相結(jié)合的激光切割路徑優(yōu)化算法，通過(guò)局部搜索法對(duì)提取的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部路徑優(yōu)化，再利用遺傳算法求得激光切割路徑的近似最優(yōu)解，通過(guò)該算法可以減少40.3%的加工路徑，大大提高了加工效率.楊建軍等[22]建立了考慮時(shí)間距離和熱效應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用雙重編碼改進(jìn)的遺傳算法對(duì)輪廓掃描順序和起始點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明單目標(biāo)改進(jìn)遺傳算法與常規(guī)遺傳算法相比，時(shí)間距離減小了9.1%，但溫度偏高；而采用多目標(biāo)改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化時(shí)最高溫度可降低55.4%.潘海鴻等[23]提出采用蟻群算法和相鄰排序算法相結(jié)合來(lái)優(yōu)化鈑金上孔群加工路徑，自主開發(fā)了鈑金切割加工CAD/CAM軟件，發(fā)現(xiàn)總切割路徑比X向優(yōu)化縮短48.29%，比Y向優(yōu)化縮短65.86%，比最鄰近點(diǎn)算法優(yōu)化縮短13.47%，從而縮短了激光切割空行程，提高了加工效率.王衛(wèi)翼等[24]提出一種圖像處理和改進(jìn)A*算法相結(jié)合的自動(dòng)生成激光切割路徑的方法，通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)獲排料圖像，由圖像處理技術(shù)獲取切割輪廓軌跡，對(duì)各個(gè)輪廓排序并生成加工起點(diǎn)，再應(yīng)用改進(jìn)A*算法生成各個(gè)輪廓起點(diǎn)間連線，最終實(shí)現(xiàn)激光頭自動(dòng)避障和切割路徑自動(dòng)生成.張青鋒等[25]指出路徑優(yōu)化過(guò)程中零件不能像TSP問題中的城市一樣作為點(diǎn)處理，認(rèn)為切割前應(yīng)先對(duì)零件按大小分類，以遺傳算法為基礎(chǔ)對(duì)大零件進(jìn)行切割排序，在使用最近插入法對(duì)未排序的小零件進(jìn)行插入，最后動(dòng)態(tài)選擇符合工藝的切割起點(diǎn)，切割過(guò)程始終順切，避免了頻繁抬刀和碰撞問題.

可以看出，各類優(yōu)化算法的研究對(duì)于規(guī)劃和優(yōu)化激光切割路徑非常有效，也為進(jìn)一步促進(jìn)商業(yè)化軟件的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ).

2.4激光切割質(zhì)量預(yù)測(cè)及控制的研究進(jìn)展

切割質(zhì)量是體現(xiàn)切割技術(shù)水平的重要標(biāo)志.但影響切割質(zhì)量的工藝因素和材料因素眾多，且各因素間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，很難用單一的數(shù)學(xué)模型來(lái)精確描述它們與切割質(zhì)量之間的關(guān)系.現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)大都采用試切法或正交試驗(yàn)法來(lái)進(jìn)行工藝參數(shù)選擇或優(yōu)化.試切法簡(jiǎn)單方便，但耗時(shí)費(fèi)材.正交試驗(yàn)法是常用的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，但最優(yōu)值只能在固定的水平和因子中組合篩選，且不具備預(yù)測(cè)能力[26].傳統(tǒng)的優(yōu)化方法難以解決缺乏明確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化問題，但以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等為代表的人工智能技術(shù)為解決這類問題提供了一條有效途徑.劉云等[27]采用基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)優(yōu)選激光切割工藝參數(shù)，針對(duì)功率、速度、輔助氣體壓力及板材厚度的選取，建立了網(wǎng)絡(luò)模型，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部最優(yōu)和遺傳算法收斂較慢的問題，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的大量數(shù)據(jù)對(duì)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其計(jì)算過(guò)程較好收斂，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算出的工藝參數(shù)得到切割質(zhì)量符合實(shí)際要求的結(jié)果，較好解決了激光切割選取合適工藝參數(shù)的問題.童桂等[28]提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光切割質(zhì)量控制模型，建立了激光切割工藝參數(shù)和切口粗糙度之間的關(guān)系模型，采用模擬退火算法提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合精度和收斂性，以及采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)以獲取可靠的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，并進(jìn)行實(shí)際加工測(cè)量與模型計(jì)算結(jié)果相比較，分析兩者間差異，得出通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立切割工藝參數(shù)與切割粗糙度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是可行的.筆者[29]在分析激光切割T4003不銹鋼工藝參數(shù)與切割質(zhì)量關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了激光切割工藝參數(shù)與切口質(zhì)量間的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)樣本之間相對(duì)誤差約為2.4%，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，檢驗(yàn)樣本最大相對(duì)誤差僅為6.2%，該模型精度較高，能有效預(yù)測(cè)切口粗糙度，并指導(dǎo)選取合適的切割工藝參數(shù).李建敏等[30]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠逼近非線性函數(shù)特性，建立了3-6-2型BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)樣本測(cè)試該網(wǎng)絡(luò)模型誤差小于10%，可用于激光切割質(zhì)量的預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)優(yōu)化.這些方法均取得了較好的效果.此外，張永強(qiáng)等[31-32]另辟蹊徑，針對(duì)激光切割過(guò)程中產(chǎn)生的火花簇射所蘊(yùn)含的豐富加工信息，建立了激光切割質(zhì)量控制系統(tǒng).其結(jié)構(gòu)原理[31]見圖4.他采用同軸視覺和側(cè)面視覺技術(shù)獲取了反映切割粗糙度的特征信號(hào)，建立了最大火花簇射長(zhǎng)度與切割面之間良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且利用這一規(guī)律實(shí)現(xiàn)了激光切割質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)尋優(yōu)控制.

圖4　激光切割質(zhì)量控制系統(tǒng)原理圖

3激光切割技術(shù)中存在的問題及發(fā)展方向

經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累和沉淀，激光切割技術(shù)雖取得長(zhǎng)足發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也占據(jù)重要的地位，但為進(jìn)一步挖掘激光切割技術(shù)潛力使其發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，還須在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究.

1)激光切割系統(tǒng)功能須進(jìn)一步創(chuàng)新，自動(dòng)化智能化水平須進(jìn)一步提高.雖然激光切割技術(shù)在諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，然而其優(yōu)勢(shì)尚未充分發(fā)揮，單一的切割功能已不能滿足生產(chǎn)需求的多樣性，“激光切割+”的復(fù)合功能模式需求日益凸顯.德國(guó)通快TRUMPF TruMatic 3000 fiber光纖型復(fù)合機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“激光切割+沖裁+激光焊接”復(fù)合加工模式，充分利用成本低廉的沖裁、靈活多變的激光切割及高值的激光焊接，讓板材加工兼具高品質(zhì)和高經(jīng)濟(jì)效益.因此，復(fù)合功能的激光加工中心及三維激光切割機(jī)器人是后續(xù)激光切割系統(tǒng)的重要發(fā)展方向.

2)激光器國(guó)產(chǎn)化水平需要提高，激光切割理論須進(jìn)一步豐富.激光器是激光切割系統(tǒng)的核心部件，但激光器特別是光纖激光器技術(shù)門檻較高，激光器泵浦、高功率增益光纖和高功率光器件等核心器件的制造需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累和沉淀.目前世界激光器市場(chǎng)基本由IPG Photonics、SPI、Nufern、Coherent和JDSU等行業(yè)巨頭長(zhǎng)期把持，特別是IPG激光器更是占據(jù)大半壁江山，而國(guó)產(chǎn)激光器才剛剛起步且諸多性能尚不如進(jìn)口產(chǎn)品.因此，突破關(guān)鍵核心技術(shù)壁壘和國(guó)外技術(shù)封鎖，提高激光器國(guó)產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化水平，進(jìn)一步豐富激光切割理論，挖掘新的應(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)揮激光加工優(yōu)勢(shì)將是本領(lǐng)域的重要發(fā)展方向.

3)進(jìn)一步提高切割速度和材料適應(yīng)性.目前激光切割系統(tǒng)大部分集中在25 mm以下的中厚板切割，特別是6 mm以下的中薄板其技術(shù)優(yōu)越性能得到完美體現(xiàn)，而對(duì)于25 mm以上的厚板加工尚不如數(shù)控火焰切割和精細(xì)等離子切割.現(xiàn)有切割工藝中激光切割精度最高，但同厚度、同材質(zhì)切割速度遠(yuǎn)低于數(shù)控精細(xì)等離子切割；切割8 mm鋁合金板激光切割速度達(dá)到800 mm/min，而數(shù)控精細(xì)等離子切割可達(dá)1000 mm/min；同樣數(shù)控精細(xì)等離子切割20 mm碳鋼板速度可達(dá)1200 mm/min，而激光切割16 mm的速度僅有760 mm/min[33].除傳統(tǒng)常用材料切割外，市場(chǎng)對(duì)激光切割銅、鋁等高反材料的呼聲日益強(qiáng)烈，因此不斷探索高反材料的切割工藝，提高切割材料適應(yīng)性的同時(shí)提高切割速度則是激光切割領(lǐng)域又一新的研究熱點(diǎn).

4)降低運(yùn)行成本，提高普及應(yīng)用程度.激光切割技術(shù)優(yōu)勢(shì)毋庸置疑，但設(shè)備的投資、運(yùn)行、維護(hù)等成本居高不下，是目前普及程度不高的重要原因之一.Avila[34]對(duì)現(xiàn)有幾種常用切割工藝成本進(jìn)行了綜合對(duì)比，結(jié)果表明CO2激光切割成本為22.9美元/h，遠(yuǎn)高于火焰切割的6.26美元/h和等離子切割的11.1美元/h.即使考慮切割速度轉(zhuǎn)化成單個(gè)零件成本也為0.18美元，遠(yuǎn)高于等離子切割的0.11美元和精細(xì)等離子切割的0.1美元.因此如何創(chuàng)新激光切割系統(tǒng)、降低總體運(yùn)行成本、提高技術(shù)管理水平與技術(shù)普及程度是后續(xù)該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題.

4結(jié)語(yǔ)

1)激光切割技術(shù)融合了光學(xué)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、測(cè)試技術(shù)及材料加工技術(shù)，是一種先進(jìn)制造技術(shù)，也是未來(lái)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，有逐步取代等離子切割等傳統(tǒng)切割工藝的趨勢(shì).

2)激光切割技術(shù)具有切割精度高、熱影響區(qū)域小、非接觸式加工、工件變形小、材料適應(yīng)性強(qiáng)、能量可控性好、柔性化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足零件的近凈成形或最終制造.

3)激光切割技術(shù)不僅擅長(zhǎng)復(fù)雜平面零件切割成形，目前在三維空間曲面切割方面也展現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車、鋼鐵冶金、鈑金加工、工程機(jī)械、醫(yī)療器械和石油化工等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景.

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(編輯徐永銘)

On the Research Progress of Laser Cutting Technology

GUO Huafeng, LI Juli, SUN Tao

(Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018)

Abstract:In response to the hot issues involved in the laser cutting technology research such as the cutting system innovation,cutting process simulation,cutting efficiency and quality control etc.,this paper,on the basis of the principle and classification of laser cutting technology,reviewed and analyzed the research progress of the key generic technologies in such aspects as the laser cutting system, the numerical simulation of temperature field/stress field, the planning and optimization of cutting path,and the prediction and control of cutting quality.It also pointed out the current problems and the development trend in the future.

Key words:laser cutting; temperature field; stress field; path planning; quality prediction

中圖分類號(hào)：TG485

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)04-0071-08

作者簡(jiǎn)介：郭華鋒(1981-)，男，河南平輿人，副教授，博士研究生，主要從事激光加工技術(shù)及表面工程技術(shù)研究.

基金項(xiàng)目：江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金(JSKLEDC201411)；徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(XM13B103)

收稿日期：2015-11-08