激光切割機(jī)的最新發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1、激光切割機(jī)的最新發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)論文作者：孫博學(xué)生類別：學(xué)科門類：工學(xué)學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程指導(dǎo)教師：職稱：起重機(jī)械作業(yè)部2015/9/1激光切割機(jī)的最新發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.1 引言激光切割機(jī)是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，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)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。從原理上說，激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。本文綜合評(píng)述了激光切割機(jī)的發(fā)展以及激光切割機(jī)在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的地位。在分析國外研究動(dòng)向的基礎(chǔ)上，指出激光切割機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將

2、重點(diǎn)定位在微結(jié)構(gòu)、微刻蝕、微工具以及多功能性微技術(shù)、微工程的研究與開發(fā)上?？梢灶A(yù)測(cè)，三維微納尺度的激光微制造技術(shù)必將成為新世紀(jì)的主流制造技術(shù)。自第一臺(tái)激光器問世以來，激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高單色性，可在光化學(xué)領(lǐng)域?qū)σ恍┫嗑嗪芙哪芗?jí)作選擇激發(fā)，進(jìn)行重金屬的同位素分離；激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機(jī)、汽車工業(yè)，小到微電子、信息、生物細(xì)胞分離等微技術(shù)）。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光切割機(jī)已滲入到諸多高新技術(shù)

3、領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。激光切割包含兩方面的內(nèi)容，一是制造激光光源的技術(shù)，二是利用激光作為工具的制造技術(shù)。前者為制造業(yè)提供性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的激光器以及加工系統(tǒng)，后者利用前者進(jìn)行各種加工和制造，為激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展提供廣闊的應(yīng)用空間。兩者是激光切割不可或缺的環(huán)節(jié)，不可偏廢。激光切割具有許多傳統(tǒng)制造技術(shù)所沒有的優(yōu)勢(shì)，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)。例如，材料浪費(fèi)少，在大規(guī)模生產(chǎn)中制造成本低；根據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行編程控制（自動(dòng)化）,在大規(guī)模制造中生產(chǎn)效率高；可接近或達(dá)到“冷”加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)不能執(zhí)行的高精密制造；對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)，且不受電磁干擾，對(duì)制造工具和生

4、產(chǎn)環(huán)境的要求低；噪聲低，不產(chǎn)生任何有害的射線與殘剩，生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的污染小等等。因此，為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能光源勢(shì)在必行。目前正在積極研制超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質(zhì)量等特征的激光，尤其是能適應(yīng)微制造技術(shù)要求的激光光源更是倍受關(guān)注，并已形成國際性競(jìng)爭(zhēng)。可以預(yù)言，激光制造技術(shù)必將以其無可替代的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)迅速普及的高新技術(shù)。1.2 激光切割機(jī)的最新發(fā)展現(xiàn)狀激光切割機(jī)一般由激光器、激光傳輸系統(tǒng)、激光聚焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感與檢測(cè)系統(tǒng)組成，其核心為激光器。激光作為熱源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。該“刀具”或

5、“工具”的質(zhì)量直接影響著加工制造的結(jié)果。激光光束質(zhì)量的好壞可以采用光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、光束聚焦特征參數(shù)值Kf和衍射極限倍因子M2（M）或光束傳車因子K值來表示。對(duì)小功率激光器，工作物質(zhì)均勻穩(wěn)定，一般可以實(shí)現(xiàn)基模輸出，其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過程中保持不變，光束質(zhì)量較好；對(duì)于大功率激光器，一般不易得到基模輸出，輸出的往往為多模激光束，激光光束質(zhì)量變差。目前工業(yè)上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器兩種。大功率激光器的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，激光切割、激光焊接都需要優(yōu)良的光束質(zhì)量，而追求高光束質(zhì)量的大功率激光是工業(yè)用激光器不斷發(fā)展的目標(biāo)。從第一臺(tái)CO2激光器出現(xiàn)到現(xiàn)在，經(jīng)過近四十年

6、的發(fā)展，從封離式CO2激光器、慢速軸流CO2激光器、橫流CO2激光器，到高頻羅茲泵型快速軸流、射頻turbo型快速軸流以至目前出現(xiàn)的擴(kuò)散型SlabCO2激光器的發(fā)展中可以看到，一方面激光輸出功率不斷提高，體積不斷縮小，另一方面激光器的效率不斷提高，光束質(zhì)量越來越好。擴(kuò)散型SlabCO2激光器光束橫截面上光強(qiáng)分布接近高斯分布，具有極好的光束質(zhì)量，在加大的激光加工工作區(qū)焦點(diǎn)的漂移很小，非常有利于大范圍激光傳輸與聚集，這對(duì)大尺寸工件的切割應(yīng)用非常重要。2004年9月，華工科技成功推出第一臺(tái)國產(chǎn)化高性能激光切割機(jī)。日本目前已擁有CO2激光加工2萬臺(tái)，約占全球激光加工機(jī)總量的1/3,其中80%為激光切割

7、機(jī)設(shè)備。日本自1995年以來，年生產(chǎn)過500臺(tái)左右，其中YAG激光切割機(jī)100多臺(tái)。全球的高功率數(shù)控激光切割成套設(shè)備累計(jì)擁有量達(dá)35000臺(tái)（套）左右，而我國目前高功率數(shù)控激光切割成套設(shè)備的擁有量為1500臺(tái)左右。國產(chǎn)數(shù)控激光切割機(jī)的主要特點(diǎn)是：價(jià)格較低，約是進(jìn)口價(jià)格的1/3,激光器功率較低，一般為1.5KW以下。與國外機(jī)相比表現(xiàn)為切縫寬，表面質(zhì)量、機(jī)械精度、整機(jī)的穩(wěn)定性、柔性較差，但具有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)。近兩年，國內(nèi)大型激光切割設(shè)備的銷售額達(dá)到幾十億元，在中低端產(chǎn)品方面基本占領(lǐng)國內(nèi)市場(chǎng)，并有部分產(chǎn)品出口。但與美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家相比，我國的激光切割設(shè)備仍然停留在低端產(chǎn)品階段，而且高功率激

8、光器、激光專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、激光切割專有技術(shù)等絕大部分核心技術(shù)還依賴進(jìn)口。目前，國際上德國通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等國際知名公司已經(jīng)開發(fā)出大功率、大幅面、高速、飛行光路、多維立體、數(shù)控自動(dòng)的激光切割機(jī)。在高端激光切割系統(tǒng)領(lǐng)域，我國與國際先進(jìn)水平存在較大差距，產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口，每年不得不花費(fèi)數(shù)十億元從國外引進(jìn)相關(guān)技術(shù)與設(shè)備。如船舶制造業(yè)中厚鋼板的激光切割設(shè)備、三維立體激光切割設(shè)備、有色金屬激光切割設(shè)備等，引進(jìn)價(jià)格昂貴、訂貨周期長(zhǎng)、售后服務(wù)無法及時(shí)保證，嚴(yán)重制約了我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。并且由于國外在該領(lǐng)域出口對(duì)我國有明確的限制，采用許可證制度，

9、嚴(yán)格規(guī)定該項(xiàng)技術(shù)不能用于軍工、航空航天等領(lǐng)域，因此我國急需突破該項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)用固體YAG激光切割機(jī)也經(jīng)歷了從小功率燈泵浦（棒狀）、燈泵浦（板條）、雙燈泵浦（多棒）到光纖泵浦（棒斗）、半導(dǎo)體泵浦（棒狀）和片狀固體激光器的過程。由于受工作物質(zhì)熱物理性質(zhì)的制約，YAG激光光束質(zhì)量模式相對(duì)較差。如何提高光束質(zhì)量和激光功率，仍是YAG激光切割機(jī)面臨的主要問題。值得注意的是近年來發(fā)展起來的半導(dǎo)體激光切割機(jī)。半導(dǎo)體激光切割機(jī)具有小型化、頻率極高、與光纖良好耦合、易于調(diào)制等優(yōu)良特性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。要在不同產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用激光切割機(jī)，很大程度上要依賴于激光加工系統(tǒng)的性能與工藝。歐、美、日一些國家在新光源

10、、加工系統(tǒng)及工藝等方面的研究與開發(fā)就從未降溫過。隨著激光工作物質(zhì)的研究與開發(fā)、器件與單元技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，以高性能、寬波段、大功率為特征的激光取得了蓬勃的發(fā)展，如紫外光輸出的KrF、ArF準(zhǔn)分子激光切割機(jī)、倍頻激光切割機(jī)等。尤其是高功率光纖激光的出現(xiàn)，使激光制造的移動(dòng)式定位加工變得更加便利。1.3 激光切割機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 激光切割機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)緊湊型和組合一體化數(shù)控激光切割機(jī)隨著激光器體積的縮小和功率的增大，以及輔助裝置的不斷完善，出現(xiàn)了把激光器、電源、主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)裝置等緊密地組合在一起，形成占地面積小、功能完善的整套緊湊型激光切割機(jī)。此外，激光切割技術(shù)正與激光焊接、激光表

11、面淬火等激光加工工藝組合，以發(fā)展一機(jī)多用，進(jìn)一步提高設(shè)備的利用率。（1）特種材料特殊要求切割高速、高精度激光切割機(jī)由于大功率激光器光束模式的改善及32位微機(jī)的應(yīng)用，為激光切割設(shè)備的高速、高精度創(chuàng)造了有利條件。厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割機(jī)隨著可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正從輕工業(yè)薄板的鉞金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展。（2）特殊精度切割三維立體多軸數(shù)控激光切割機(jī)，為了滿足汽車、航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，目前已發(fā)展了各種各樣的五軸或六軸三維激光切割機(jī)，數(shù)控軸數(shù)達(dá)到九軸，加工速度快，精度高。在先進(jìn)國家的汽車生產(chǎn)線上，激光切割機(jī)器人的應(yīng)愈來愈多。目前，三維激光切割機(jī)正向

12、高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍將會(huì)愈來愈大。（3）微細(xì)切割激光微細(xì)加工技術(shù)最成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的微電子學(xué)領(lǐng)域。激光微細(xì)加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)?；a(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫入存儲(chǔ)、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制（精密光刻）；

13、通過CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的束縛力；對(duì)生物細(xì)胞執(zhí)彳T移動(dòng)操作（生物光鐐）。值得一提的是，高密度信息的激光記錄和微細(xì)機(jī)械零部件的光制造。無論是數(shù)字記錄或是掃描記錄，還是圖像與文字的模擬記錄，激光記錄方法（光刻）都具有特別的優(yōu)勢(shì)并取得了重要突破，以數(shù)字記錄為例：信息記錄密度高（107108bit/cm2以上），刻錄槽寬0.7m、深0.1口，比磁記錄密度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；記錄、檢索、讀出速度快，單波道達(dá)50Mbit/s,多波道可達(dá)320Mbit/s;信息的檢索和讀出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒；成本低、使用壽命長(zhǎng)。在微細(xì)機(jī)械零部件的光制造方面，最近幾年國外已將

14、其列為攻關(guān)項(xiàng)目，成為未來高新技術(shù)前期研究的熱點(diǎn)。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級(jí)的三維納米牛這說明日本在微納量級(jí)的三維激光微成型機(jī)制上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)分子激光，通過掩模方法，已經(jīng)加工出10齒/50師和108齒/500師的微型齒輪。(4)高效的自動(dòng)流程切割由于激光輸出的可控制性，使激光切割過程能夠通過軟件實(shí)行自動(dòng)化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實(shí)行加工臺(tái)的定位控制亦可通過激光的光纖傳輸實(shí)行加工頭的機(jī)器手定位控制，從而實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化、智能化激光切割。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構(gòu)架的切割、齒輪盤及其他零部件的切割等，已形成激光加工、組

15、裝一條龍的生產(chǎn)線。激光切割單元自動(dòng)化和無人化，為了提高生產(chǎn)率和節(jié)省勞動(dòng)力，目前激光切割正向著激光切割單元(FMC)和無人化、自動(dòng)化方向發(fā)展。發(fā)展這種單元自動(dòng)化系統(tǒng)，必須依賴于現(xiàn)今的自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)生產(chǎn)輔助管理系統(tǒng)技術(shù)等。國外已有各種各樣的激光切割單元可供應(yīng)市場(chǎng)，并有由6臺(tái)大型激光切割機(jī)為核心組成的無人化的切割生產(chǎn)線在工廠運(yùn)行。1.3.2 激光切割將成為新世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者RichardFeynman早在50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加

16、工工具?？茖W(xué)技術(shù)的革命證實(shí)了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是最有說服力的例子，從集成到大規(guī)模集成到超大規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中，已經(jīng)顯示出未來的制造技術(shù)必將沿著越來越小”的方向進(jìn)軍。20世紀(jì)把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀(jì)標(biāo)志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械以及傳感器、執(zhí)行器的信號(hào)處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類在認(rèn)識(shí)和改造自然的能力上達(dá)到一個(gè)新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會(huì)物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。美國在80年代末就

17、意識(shí)到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強(qiáng)調(diào)美國“應(yīng)該在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”，并啟動(dòng)了第一個(gè)研究計(jì)劃。進(jìn)入90年代后，日本也開始實(shí)施為期10年、總投資為250億日元的“微型機(jī)械技術(shù)”大型研究開發(fā)計(jì)劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細(xì)微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國漢諾威激光中心和法國、瑞士、意大利等國的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，進(jìn)行合作開發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國際性競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)開始新世紀(jì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場(chǎng)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。目前的研究進(jìn)展也已經(jīng)顯示，激光切割技術(shù)是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺(tái)了為期五年的光學(xué)資助計(jì)劃，其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是激光微切割技術(shù)的研究。該計(jì)