高勝學(xué),丁興平,李小海

(佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

激光技術(shù)于20世紀(jì)六七十年代開(kāi)始應(yīng)用[1],并因其良好的方向性、高亮度和單色性而被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。到目前為止,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出20多種激光加工技術(shù),如激光快速成型、激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光手術(shù)等等。激光切割是激光加工中應(yīng)用最早、最多的技術(shù),它具有切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割質(zhì)量好、熱影響區(qū)小、加工柔性大等優(yōu)點(diǎn),因此在現(xiàn)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)激光切割應(yīng)用日益廣泛,激光切割工藝及裝備的研發(fā)逐步由鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為有色金屬結(jié)構(gòu)。與此同時(shí),國(guó)外激光切割工藝及設(shè)備的研發(fā)趨于高端化,各大企業(yè)在關(guān)注激光器優(yōu)化提升、切割過(guò)程模擬仿真研究的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)了對(duì)大功率、智能化激光切割設(shè)備和特殊環(huán)節(jié)激光切割技術(shù)的研發(fā)。當(dāng)前,激光切割工藝在我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造過(guò)程中的應(yīng)用潛力增大。因此,亟需將激光切割工藝與現(xiàn)有技術(shù)相匹配,并將其推廣到更多的生產(chǎn)領(lǐng)域,以挖掘激光切割工藝在各領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?并提高大功率激光切割設(shè)備的智能化水平[2]。筆者以激光切割技術(shù)在汽車、船舶、航天、醫(yī)療和核退役領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行闡述和分析,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀,分別對(duì)它們未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討和展望。

1 激光切割機(jī)理

激光切割利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,此方式可以在極短時(shí)間內(nèi)將材料局部溫度加熱到幾千至上萬(wàn)攝氏度,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn);同時(shí),借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì),將工件割開(kāi),達(dá)到切割材料的目的。激光切割是一種熱切割過(guò)程[3]。激光切割區(qū)示意如圖1所示。

圖1 激光切割區(qū)示意

激光切割過(guò)程發(fā)生在切口終端處的表面,稱為燒蝕前沿。激光和氣流在該處進(jìn)入切口,激光能量一部分被燒蝕前沿所吸收,一部分穿過(guò)切口或經(jīng)燒蝕前沿向切口空間反射。燒蝕前沿由吸收的激光和切割過(guò)程中的放熱反應(yīng)所加熱、熔化或汽化,并被氣流吹除。部分熱量或通過(guò)熱傳導(dǎo)傳入基體材料,或通過(guò)輻射損耗,或通過(guò)對(duì)流換熱被氣流帶走。

2 激光切割在不同領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2.1 汽車行業(yè)

傳統(tǒng)的切削加工方式對(duì)汽車零部件加工質(zhì)量的提升存在一定的限制。為了加工出質(zhì)量更好的汽車零部件,推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展,激光切割技術(shù)逐漸在汽車行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用和普及。

2011年無(wú)錫華聯(lián)科技集團(tuán)制造出了用于汽車制造的GJ-3015型光纖激光切割機(jī)[4],該款激光切割機(jī)可對(duì)汽車制造中比較常用的鋼、鋁等材料實(shí)現(xiàn)最優(yōu)切割。陳博等[5]設(shè)計(jì)了一套能在二維和三維切割中自由切換的汽車覆蓋件激光切割柔性工裝,該工裝解決了目前車身覆蓋件激光定位工裝存在的定位不準(zhǔn)、易損壞、無(wú)法共用等問(wèn)題。高志遠(yuǎn)等[6]提出了一種激光切割控制系統(tǒng),該系統(tǒng)利用了PLC,提高了光纖激光切割汽車熱成型件的生產(chǎn)效率。趙霖[7]通過(guò)研究激光切割在汽車內(nèi)飾儀表板中的制造應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn),激光切割具有局限性,存在激光切割邊緣碳化問(wèn)題。黃曉東等[8]采用激光切割工藝對(duì)制件進(jìn)行改制,實(shí)現(xiàn)了鈑金件的變更,證明了此種方法應(yīng)用在變型車開(kāi)發(fā)中的可行性,它可以降低工作設(shè)備的投入,從而拓寬了激光切割在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。李香美[9]將VR(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))與機(jī)器人汽車覆蓋件激光切割技術(shù)融合,構(gòu)建了一種桌面交互式虛擬三維激光切割系統(tǒng),該系統(tǒng)可以減少實(shí)際生產(chǎn)中的前期規(guī)劃成本的投入,使工程師可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)合理的前期規(guī)劃。童純等[10]研究了三位五軸激光切割機(jī)的同步功能,并將同步功能與PLC報(bào)警方案進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),證明了同步功能有利于檢測(cè)激光切割機(jī)的缺料和撞擊,提高了機(jī)床的穩(wěn)定性。針對(duì)激光在切割一些特殊材料時(shí)的局限性,國(guó)外學(xué)者也開(kāi)展了一些研究,Nisar S等[11]對(duì)激光切割玻璃的局限性和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,為玻璃切割的激光加工技術(shù)應(yīng)用于汽車、建筑、醫(yī)療等工業(yè)用途提供了參考和借鑒。

2.2 船舶制造

自20世紀(jì)引進(jìn)數(shù)控切割機(jī)和門式切割機(jī)以來(lái)[12],我國(guó)造船對(duì)激光切割的應(yīng)用不斷擴(kuò)寬和加深?？紤]到船舶制造的材料的厚度范圍、對(duì)工作人員人體的危害程度以及技術(shù)成熟程度,現(xiàn)階段激光切割技術(shù)的應(yīng)用設(shè)備主要為CO2激光切割機(jī)[13]。羅文清等[14]以南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司對(duì)NC激光切割機(jī)的應(yīng)用情況為例,分析指出了激光切割在造船業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn),從而得到了適合激光切割機(jī)切割的船體零件。吳毅雄[15]闡述了氣體激光切割在船舶制造中的巨大優(yōu)勢(shì),并提出了激光切割將會(huì)成為船板切割的主打工藝方法。楊潤(rùn)黨等[16]從船舶薄板激光切割、激光焊接、機(jī)器人焊接、產(chǎn)線工藝設(shè)備集成管控等方面研究了船舶薄板分段產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。陳希章等[17]研究發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)階段我國(guó)船舶制造行業(yè)中,CO2激光切割是最為普遍的激光加工技術(shù),但常用的5～6 kW的CO2激光切割機(jī)無(wú)法滿足現(xiàn)階段下船舶制造業(yè)快速發(fā)展的要求,因而并未占據(jù)主導(dǎo)地位。

國(guó)外學(xué)者Seo Y等[18]對(duì)50 mm厚水泥基材料的高功率光纖激光切割進(jìn)行了研究,證明了使用多模光纖激光器在激光切割水泥基材料中的適用性。水泥基材料在不同的海洋工程中都有應(yīng)用,此研究證明了光纖激光切割在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,為國(guó)內(nèi)船舶制造領(lǐng)域的發(fā)展指明了方向。

2.3 航天領(lǐng)域

2014年8月,中國(guó)航天科工四院紅陽(yáng)公司打造了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)切割功率在2 000 W以上、切割厚度在6 mm以內(nèi)的光纖激光切割設(shè)備,該設(shè)備完成了對(duì)多個(gè)型號(hào)鈦合金蒙皮的下料,解決了以往因鈦合金蒙皮強(qiáng)度大、耐高溫而不易加工的難題。對(duì)于航空零部件被激光切割后出現(xiàn)激光切割痕跡、掛渣嚴(yán)重及缺口的問(wèn)題,賴仁亭等[19]對(duì)常用的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼板料進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化參數(shù)可以使切割質(zhì)量得到明顯改善。邱兆峰[20]對(duì)扇形葉型板、隔熱屏和化纖零件展開(kāi)研究,發(fā)現(xiàn)將激光器的切割特性和智能控制手段相結(jié)合,可以充分滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造要求。韓斌慧等[21]以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎖片為研究對(duì)象,對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)要更換的易耗品進(jìn)行了激光切割的可行性研究。隨著科學(xué)家對(duì)航天制造領(lǐng)域研究的不斷加深,學(xué)者們也開(kāi)始對(duì)應(yīng)用到航天制造的其他復(fù)雜材料進(jìn)行深入研究。何春燕等[22]對(duì)Kapton復(fù)合膠膜進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了激光工業(yè)參數(shù)研究。張加波等[23]對(duì)纖維復(fù)合材料進(jìn)行了理論、仿真、實(shí)驗(yàn)研究。

在航空航天領(lǐng)域,鎳基高溫合金、鈦合金、鎢合金等難加工金屬材料由于具有高硬度、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能,應(yīng)用范圍十分廣泛。而如何提高零件表面完整性成為航空航天制造領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題,Liu J等[24]對(duì)鎳基高溫合金、鈦合金、鎢合金等材料的表面完整性進(jìn)行了研究,總結(jié)了目前切削表面完整性對(duì)零件使用性能影響的研究成果。Zhiwei Y等[25]對(duì)鎢合金的切削工藝進(jìn)行了分析,該分析對(duì)促進(jìn)鎢合金切削技術(shù)的研究應(yīng)用具有重要意義。

2.4 醫(yī)療行業(yè)和核退役領(lǐng)域

早在20世紀(jì)末,CO2激光切割已經(jīng)成功進(jìn)行了多指畸形(重復(fù)指)切割[26]。當(dāng)前,隨著激光切割技術(shù)的快速發(fā)展,激光切割已經(jīng)能滿足對(duì)硬度更高的板材等的切割。2018年7月13日,Manz集團(tuán)宣布激光玻璃切割技術(shù)正式進(jìn)軍醫(yī)療行業(yè),其研發(fā)的DLC820激光切割系統(tǒng)與傳統(tǒng)的激光切割工藝相比,產(chǎn)量高出4倍。邵燕等[27]對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的沖裁工藝進(jìn)行了激光切割工藝研究,證明了對(duì)于較高外觀需求的產(chǎn)品,激光切割可以實(shí)現(xiàn)切割。應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)的激光切割工藝也在不斷優(yōu)化,張森浩等[28]研究了一種可穿戴柔性電子的快速制備方法,此方法利用了微納圖案化工藝,為柔性電子的初期設(shè)計(jì)及后續(xù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。國(guó)外學(xué)者M(jìn)uhammad N等[29]對(duì)冠狀動(dòng)脈支架的激光切割進(jìn)行了研究,通過(guò)不同類型的激光器的研究分析了激光與不同支架材料的相互作用以及激光器的工藝特點(diǎn)和質(zhì)量、生產(chǎn)率問(wèn)題。超短脈沖激光在未來(lái)的支架制造中越來(lái)越受到重視,激光支架切割需要系統(tǒng)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量和低成本的生產(chǎn)目的。

對(duì)于輻射污染強(qiáng)的核退役材料,傳統(tǒng)的切割工具很容易被腐蝕,這極大地影響了核退役過(guò)程中金屬構(gòu)件、管道和設(shè)備構(gòu)件的切割效率[30]。激光切割技術(shù)具有環(huán)保、高效等性能,國(guó)外學(xué)者對(duì)其做了一些相關(guān)研究:Tamura K[31]根據(jù)輔助氣流條件,對(duì)超厚鋼板切割工藝進(jìn)行了優(yōu)化。Ambar Choubey[32]研制了一種外徑15 mm的同軸氣體射流小型激光噴嘴,實(shí)現(xiàn)了核退役過(guò)程中遠(yuǎn)距離激光切割,同時(shí)證明了激光切割技術(shù)在核退役領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及可行性。但因?yàn)閲?guó)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備儀器能力欠缺[33],國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于將激光切割技術(shù)應(yīng)用于核退役領(lǐng)域的研究非常欠缺。

3 激光切割技術(shù)各領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

目前,國(guó)內(nèi)激光切割技術(shù)在各領(lǐng)域的研究不斷拓寬,其未來(lái)在汽車制造、船舶制造、航天、醫(yī)療及核退役領(lǐng)域的發(fā)展有很大的空間和挑戰(zhàn),以下重點(diǎn)闡述了激光切割技術(shù)在各領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

(1) 汽車行業(yè)。國(guó)內(nèi)的光纖激光切割機(jī)已經(jīng)漸漸替代了CO2激光切割機(jī),與激光切割機(jī)配套的工裝及智能控制系統(tǒng)也在快速發(fā)展完善。對(duì)于一些特殊的材料,例如皮革、玻璃等,國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)皮革材料激光切割的邊緣碳化問(wèn)題進(jìn)行了改善,玻璃的激光切割問(wèn)題也在研究中。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這方面研究則尚在起步階段,將激光切割應(yīng)用于汽車制造行業(yè)中特殊材料的切割將是國(guó)內(nèi)學(xué)者今后研究的一個(gè)方向。

(2) 船舶制造。CO2激光切割機(jī)已經(jīng)能滿足船舶制造中的大部分板材部件的切割,其輔助控制系統(tǒng)和工藝路線的研究也在不斷完善。隨著國(guó)家對(duì)船舶制造戰(zhàn)略性和前瞻性要求越來(lái)越高,CO2切割已經(jīng)漸漸跟不上國(guó)家發(fā)展的腳步,所以將切割質(zhì)量、效率更高的光纖激光切割應(yīng)用于船舶制造的相關(guān)研究意義重大。國(guó)外學(xué)者已經(jīng)驗(yàn)證了光纖激光切割在造船材料切割中的可行性,光纖激光切割在船舶制造中已普及應(yīng)用,研究光纖激光切割在船舶制造中應(yīng)用的更多可行性是目前國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的方向。

(3) 航天領(lǐng)域。光纖激光切割已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)蒙皮、航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種零部件的高精切割。在國(guó)內(nèi),針對(duì)廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的鎢合金、鎳基高溫合金等的應(yīng)用研究相當(dāng)缺乏。隨著國(guó)家航空事業(yè)快速發(fā)展的要求,鎢合金等切割工藝研究以及更多適合于航天事業(yè)的特殊材料的探索是現(xiàn)在激光切割研究的重要方向之一。除此之外,研究航天材料的切削表面完整性也是航天制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

(4) 醫(yī)療和核退役領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)激光切割現(xiàn)在僅用來(lái)對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)、核退役過(guò)程中的零部件進(jìn)行切割處理,對(duì)其的相關(guān)研究比較欠缺。而國(guó)外學(xué)者對(duì)于醫(yī)療行業(yè)中冠狀動(dòng)脈支架的制造研究已經(jīng)比較成熟,對(duì)于核退役領(lǐng)域的激光切割工藝參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)也趨于成熟。尋找國(guó)內(nèi)激光切割技術(shù)在醫(yī)療和核退役領(lǐng)域應(yīng)用的更多可行性是學(xué)者們可以繼續(xù)深入研究的一個(gè)方向。

(5) 在各行各業(yè)中,按照激光器運(yùn)轉(zhuǎn)方式可將激光切割分為脈沖激光切割和連續(xù)激光切割兩大類,前者適用于金屬材料,后者適用于非金屬材料。脈沖激光對(duì)金屬材料的切割國(guó)內(nèi)已經(jīng)普及,連續(xù)激光對(duì)非金屬材料的切割國(guó)內(nèi)研究尚在起步階段。未來(lái)可以對(duì)其相關(guān)工藝進(jìn)行深入研究,例如連續(xù)激光裁剪木料、布料,制造半導(dǎo)體器件時(shí)用連續(xù)激光進(jìn)行劃線等[34]。激光切割在食品、服裝、紡織、電子制造等行業(yè)中還有很大的發(fā)展空間。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前,激光切割工藝水平不斷提升,國(guó)家工業(yè)水平持續(xù)提高,對(duì)國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域激光切割的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其不足,并找到適合該領(lǐng)域發(fā)展的方向具有重要意義。文中針對(duì)汽車行業(yè)、船舶制造、航空航天、醫(yī)療和核退役領(lǐng)域的激光切割應(yīng)用進(jìn)行了分析,并結(jié)合國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)找到了各領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。

我國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)門類齊全、產(chǎn)業(yè)體系完整,將激光切割與國(guó)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合對(duì)于激光切割工藝水平的提升以及激光切割在更多制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用普及具有重要影響和意義。