激光切割技术的研究进展

郭华锋，李菊丽，孙　涛

(徐州工程学院，江苏 徐州　221018)



激光切割技术的研究进展

郭华锋，李菊丽，孙涛

(徐州工程学院，江苏 徐州221018)

摘要：针对激光切割技术研究中的切割系统创新、切割过程数值模拟、切割效率提高及切割质量控制等方面的热点问题，从激光切割技术的原理和分类出发，综述了切割系统、温度场与应力场数值模拟、切割路径规划及优化、切割质量预测及控制等关键共性技术方面的研究进展，并加以分析与展望，指出了目前激光切割技术中存在的问题及未来发展趋势.

关键词：激光切割；温度场;应力场；路径规划；质量预测

激光切割是一种充分利用高能密度激光束热效应对材料进行快速切割的先进制造技术，目前已经发展成为融合计算机技术、数控技术、检测技术和材料加工技术等交叉学科为一体的复合型高新技术.激光切割技术可实现结构复杂、高硬脆性等金属、非金属、陶瓷材料的快速切割，具有材料适应性强、非接触式加工、高效自动化高品质等技术优势，突破了许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，在航空航天、船舶、钢铁、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用，其市场前景极其广阔.经过数十年的发展，激光切割技术已经从二维切割走向三维切割，从中低速切割走向高速切割，从小幅面切割走向大幅面切割，从薄板、中厚板切割走向大厚板切割，从功能单一的激光切割走向功能集成型复合切割等，在国民经济产业中发挥了巨大的作用.关于激光切割技术的研究，在切割系统创新、切割过程数值模拟、切割效率提高及切割质量控制等方面成为热点，而对这些研究热点的关键问题进行梳理则有助于进一步推动激光切割技术的纵深研究.基于此，本文综述了激光切割技术的原理及分类，从切割系统、切割过程温度场与应力场、切割路径规划及优化、切割质量预测及控制等方面分析了激光切割技术的研究现状和发展趋势.

1激光切割技术原理、分类及特点

图1　激光切割技术原理

激光切割技术利用聚焦后高能激光束对工件表面进行辐照，使得辐照区的材料迅速熔化、汽化或分解，同时借助同轴高压辅助气体吹走残渣，形成切缝.在数控系统控制下，激光头按照既定轨迹进行切割，以实现材料任意成形.激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类.它们均属于典型的热切割技术[1]，其技术原理如图1所示.激光气化切割所需能量密度较高，常用于切割较薄的金属和非金属材料.激光熔化切割所需能量仅为汽化切割的1/10左右，常用于不易氧化的材料或不活泼金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等.激光氧化切割是充分利用激光热能和辅助气体的氧化反应热两个热源切割，速度虽快但切割质量差，主要用于碳钢等易氧化的金属材料.激光划片与控制断裂是利用激光产生沟槽，通过外力使其脆断或利用激光诱导热应力，并控制裂纹扩展，从而分离材料，均适用于脆性材料加工.

与传统制造工艺相比，激光切割采用热效应且无外力参与，使其具有热变形小、热影响区小、切缝小、切口粗糙度较小、基本无倾角等其他切割工艺不可比拟的技术优势，从而有效保证了切割质量.目前工业中常用的工程用材有碳钢、不锈钢、合金钢、铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铜及铜合金[2-8]等金属材料及玻璃、高分子聚合物[9-11]等非金属材料，甚至陶瓷[12-13]等脆性材料也可使用该技术.

2激光切割技术的研究进展

2.1激光切割系统的发展

激光切割系统主要由激光器、数控机床、冷却水循环装置、切割头和主机等构成.其中激光器至关重要，关系着整机性能.激光切割系统中配置的激光器一般有YAG激光器、CO2激光器和光纤激光器.特别是光纤激光波长为1.07 μm，较之CO2激光束更易被板材吸收，聚焦直径更小、能量密度更高、能耗更低、切割更稳定，不仅可柔性传输，且可以加工铝、铜等高反射材料，已成为国内外各大激光生产厂商的主流配置，有逐步取代CO2激光器的趋势.目前激光切割系统主要包含激光切割机床和激光切割机器人，多用于二维平面和空间三维切割.在激光切割系统的研究方面，国外的德国通快TRUMPF、瑞士百超BYSTRONIC、意大利PRIMA、美国WHITNEY和日本TANAKA，国内的深圳大族激光、武汉楚天激光和上海团结普瑞玛激光(中意合资)等公司的工作均较具代表性.德国通快对激光技术的研究已有40 a的沉淀，激光切割方面主要产品为激光平面切割机、激光管材切割机和激光-冲裁复合机，包含TruLaser1000和TruLaser8000等五大系列.这些不同系列虽各功能有侧重，但均可对结构钢、不锈钢及铝材进行有效切割.其中TruLaser8000系列可实现最大厚度25 mm结构钢和不锈钢、15 mm铝材的切割工作，最大切割幅面为16 m×2.5 m，最大同步轴向速度高达304 m/min.激光管材切割主要有TruLaser Tube5000和TruLaser Tube7000两大系列，可实现最大直径250 mm、最大原材料长度9 m和最大壁厚8 mm的管与型材切割.与传统管材加工方式相比，其制造成本显著下降.激光-冲裁复合机是通过冲压和激光切割组合方式，使加工范围多样化，有效提高生产能力和生产方式的灵活性.大族激光成立于1996年，经过近20年的发展已经成为世界上知名的激光加工设备生产商之一，在激光切割领域主要产品为二维/三维激光切割机和激光切管机.以G6020F型号为例，其最大加工幅面为6 m×2 m，X/Y轴最大联动定位速度为140 m/min，最大加速度为1 m/s2，除广泛用于碳钢和不锈钢材料的切割外，还适合加工铜、铝等高反射材料加工.在激光切管机方面，该公司P6018D型号较为典型，可实现最大直径180 mm(或外接圆不超过直径180 mm的型材)和长度6.2 m的管材切割，X/Y/U轴最大移动速度为100 m/min，最大加速度为1 m/s2.国内外激光设备生产厂商生产的典型激光切割系统性能见表1.

表1　国内外典型激光切割系统性能一览表

注：表中数据均来源于各厂商官网.

2.2激光切割温度场与应力场模拟的研究进展

激光切割过程实质上是激光束产生的热效应与材料的相互作用过程，其温度场、梯度场及应力场的分布对切缝宽度、切口挂渣、热影响区和翘曲变形等有着重要影响.通过对激光切割过程进行温度场和应力场的数值模拟可以掌握切割全过程的温度及应力动态演变规律，进而分析影响激光切割质量的材料因素和工艺因素，这对提高激光切割质量有着积极的意义，也成为诸多学者竞相追逐的研究热点.

激光切割温度场和应力场的模拟需要处理一些共性的关键问题：材料热与力学性能参数的高度非线性、网格划分、激光移动热源、相变潜热、表面效应单元的施加、合理的边界条件及求解方法的选择.其中对激光移动热源的处理尤为重要，关系着能否获得较为可靠的模拟结果，它包含热源的选取和热源的移动实现两个层面.进行不同材料和不同厚度板材模拟时所选取的热源略有不同，通常有面热源[9]和体热源[8,12,14]两类.考虑兼顾实际工况，一般以体热源居多.常用的激光切割体热源模型[14]可描述为

S0=I0δ(1-rf)e-δye(-(x2+z2)/a2)),

(1)

式中:I0为激光功率，δ为激光沿y方向吸收深度，rf为材料表面反射率，a为激光光斑直径，x、y、z均为坐标.

也有学者[12]更进一步考虑焦平面和激光束波长的影响，将其描述为

(2)

式中：P0为激光功率，R为材料表面反射率，α为衰减系数，r0为激光束在焦平面位置处的光斑半径，r(z)为位置z处的光斑半径，fpp为焦平面位置(材料上方为正，材料内部为负)， v为激光扫描速度.

现有文献中，对直线切割的研究较多，而对三棱柱[5]、圆柱体[8]、不规则多面体[14]及矩形体[15]等形状切割模拟的研究还较少，尤其是国内尚未见相关报道.究其原因，复杂形状的激光切割模拟需要繁琐的编程来实现激光热源的移动.复杂形状激光切割模拟及热电偶测温模型[5,8,19]见图2.

图2　复杂形状激光切割模拟及热电偶测温模型

Yilbas等[15]利用ABAQUS平台模拟了激光切割5 mm厚铝砖温度场及应力场演变过程.通过热电偶测试了切割过程特定点的温度变化曲线，与模拟结果吻合较好.切割表面残余应力预测值为1.3 GPa，与实验测定值1.2±0.04 GPa基本一致，说明数值模型比较可靠，可以用于温度场及应力场的预测及工艺参数优化.Kardas 等[16]采用有限元方法建立了激光切割2 mm厚正方体孔的2024铝合金数值模型，分析了温度场及应力场的变化规律.温度场的测试结果与模拟结果误差约5%，表明所建立的模型较为可靠.应力最大值出现在激光切割结束的转角处为400 MPa，表面残余应力比切缝内部要低.实验结果显示采用模拟的工艺参数所切割的样件表面较为光洁，并且没有明显的裂纹出现.叶圣麟等[17]基于ANSYS建立了激光切割脆性材料温度场仿真模型，讨论了激光切割玻璃和陶瓷的温度场变化规律，并与激光切割金属材料25钢的温度场进行对比研究.由于脆性材料和金属材料热无形参数的差异使得两者温度场分布明显不同，特定点温度变化曲线与金属材料相比脆性材料明显陡峭，热影响区远小于金属材料，且激光功率、切割速度、强制对流换热系数对温度场的影响非常显著.这些有益的结论有助于指导激光切割脆性材料时工艺参数的选取和优化.王小涣等[18]综合考虑切割过程中对流、辐射、相变潜热等因素，基于ANSYS生死单元技术模拟了激光切割HT150灰铸铁温度场变化过程，总结出激光功率、脉冲宽度、切割速度和光斑直径等工艺参数对切割质量的影响规律，在此基础上优选出了具有实用价值的工艺参数：脉冲功率2.6～3 kW适合于较小尺寸的裂解槽，对于大尺寸裂解槽功率要增至3.2 kW，较为理想的脉冲宽度为0.4 ms，切割速度范围12～18 mm/s，加工槽深较小选用较大半径0.08 mm或0.12 mm，而加工槽深较大时可选用0.05 mm光斑半径.

上述研究结果源于激光切割过程热力耦合场数值模拟，对于确定激光切割过程工艺参数、预测及控制切割质量等具有一定的指导意义.但目前数值模拟研究主要集中在激光平面切割，对于空间三维切割的研究未见报道，尚需深入研究.

2.3激光切割路径规划及优化的研究进展

当今，激光切割技术已经朝着高效、高质量和全时自动化切割方向发展，而这就要求与之相配套的关键技术必须同步发展.路径规划及优化是提高切割效率、保证质量和降低能耗的关键环节，目前该方面的研究主要集中在已经应用化的商业套料软件的开发和不断创新的理论研究方面.商用软件较为常用的主要有FastCAM、ProNest、SigmaNEST、InteGNPS等.这些软件都具备强大的自动排样功能，可以满足切割轨迹的规划、优化及模拟加工工作，为切割工作带来极大的便利.至于理论研究方面，一般采用遗传算法、蚁群算法或和其他算法相结合的方式进行激光切割路径规划及优化.

图3　不同算法路径优化对比结果图

Sherif 等[19]采用模拟退火算法(SAA)对激光切割路径进行优化，并针对同一问题与遗传算法(GA)和蚁群算法(ACO)优化结果分别进行了对比.结果显示采用GA算法最优路径长度7893.19 mm，采用蚁群算法最优路径长度为9507 mm，而采用模拟退火算法最优路径长度只有4260.4 mm，相比前者分别减少了46.02%和55.19%，优化效果非常显著.不同算法路径优化结果[19]如图3所示.孙鑫等[20]阐述了激光切割遵循的原则和零件的表达，建立了路径求解数学模型，将切割路径问题转化为TSP(旅行商)问题，采用遗传算法求解零件切割顺序，确定零件切割顺序和板材所有轮廓的切割顺序，再结合局部搜索法求解各轮廓的切割起点，最终得到最优路径.试验结果表明通过遗传算法和局部搜索法确定的最优切割路径是可行的.李妮妮等[21]提出一种新的局部搜索法和遗传算法相结合的激光切割路径优化算法，通过局部搜索法对提取的节点进行局部路径优化，再利用遗传算法求得激光切割路径的近似最优解，通过该算法可以减少40.3%的加工路径，大大提高了加工效率.杨建军等[22]建立了考虑时间距离和热效应的多目标优化数学模型，采用双重编码改进的遗传算法对轮廓扫描顺序和起始点进行优化，结果表明单目标改进遗传算法与常规遗传算法相比，时间距离减小了9.1%，但温度偏高；而采用多目标改进遗传算法优化时最高温度可降低55.4%.潘海鸿等[23]提出采用蚁群算法和相邻排序算法相结合来优化钣金上孔群加工路径，自主开发了钣金切割加工CAD/CAM软件，发现总切割路径比X向优化缩短48.29%，比Y向优化缩短65.86%，比最邻近点算法优化缩短13.47%，从而缩短了激光切割空行程，提高了加工效率.王卫翼等[24]提出一种图像处理和改进A*算法相结合的自动生成激光切割路径的方法，通过工业摄像机获排料图像，由图像处理技术获取切割轮廓轨迹，对各个轮廓排序并生成加工起点，再应用改进A*算法生成各个轮廓起点间连线，最终实现激光头自动避障和切割路径自动生成.张青锋等[25]指出路径优化过程中零件不能像TSP问题中的城市一样作为点处理，认为切割前应先对零件按大小分类，以遗传算法为基础对大零件进行切割排序，在使用最近插入法对未排序的小零件进行插入，最后动态选择符合工艺的切割起点，切割过程始终顺切，避免了频繁抬刀和碰撞问题.

可以看出，各类优化算法的研究对于规划和优化激光切割路径非常有效，也为进一步促进商业化软件的发展提供了理论基础.

2.4激光切割质量预测及控制的研究进展

切割质量是体现切割技术水平的重要标志.但影响切割质量的工艺因素和材料因素众多，且各因素间关联性较强，很难用单一的数学模型来精确描述它们与切割质量之间的关系.现场加工时大都采用试切法或正交试验法来进行工艺参数选择或优化.试切法简单方便，但耗时费材.正交试验法是常用的工艺参数优化方法，但最优值只能在固定的水平和因子中组合筛选，且不具备预测能力[26].传统的优化方法难以解决缺乏明确数学模型的优化问题，但以神经网络和遗传算法等为代表的人工智能技术为解决这类问题提供了一条有效途径.刘云等[27]采用基于遗传算法的人工神经网络方法来优选激光切割工艺参数，针对功率、速度、辅助气体压力及板材厚度的选取，建立了网络模型，克服了神经网络易陷入局部最优和遗传算法收敛较慢的问题，将实验测得的大量数据对建立的神经网络模型进行训练，其计算过程较好收敛，通过实验验证计算出的工艺参数得到切割质量符合实际要求的结果，较好解决了激光切割选取合适工艺参数的问题.童桂等[28]提出了BP神经网络的激光切割质量控制模型，建立了激光切割工艺参数和切口粗糙度之间的关系模型，采用模拟退火算法提高神经网络的拟合精度和收敛性，以及采用星点设计法进行试验设计以获取可靠的神经网络的训练样本，并进行实际加工测量与模型计算结果相比较，分析两者间差异，得出通过神经网络建立切割工艺参数与切割粗糙度间的对应关系是可行的.笔者[29]在分析激光切割T4003不锈钢工艺参数与切割质量关系的基础上，采用误差反向传播算法的人工神经网络建立了激光切割工艺参数与切口质量间的预测模型，预测值和试验样本之间相对误差约为2.4%，经网络训练后，检验样本最大相对误差仅为6.2%，该模型精度较高，能有效预测切口粗糙度，并指导选取合适的切割工艺参数.李建敏等[30]利用神经网络能够逼近非线性函数特性，建立了3-6-2型BP人工神经网络模型，通过样本测试该网络模型误差小于10%，可用于激光切割质量的预测和工艺参数优化.这些方法均取得了较好的效果.此外，张永强等[31-32]另辟蹊径，针对激光切割过程中产生的火花簇射所蕴含的丰富加工信息，建立了激光切割质量控制系统.其结构原理[31]见图4.他采用同轴视觉和侧面视觉技术获取了反映切割粗糙度的特征信号，建立了最大火花簇射长度与切割面之间良好的对应关系，并且利用这一规律实现了激光切割质量的实时监测和自动寻优控制.

图4　激光切割质量控制系统原理图

3激光切割技术中存在的问题及发展方向

经过几十年的技术积累和沉淀，激光切割技术虽取得长足发展，在国民经济中也占据重要的地位，但为进一步挖掘激光切割技术潜力使其发挥更大的经济和社会效益，还须在以下几个方面进行深入研究.

1)激光切割系统功能须进一步创新，自动化智能化水平须进一步提高.虽然激光切割技术在诸多行业得到广泛应用，取得了显著的经济和社会效益，然而其优势尚未充分发挥，单一的切割功能已不能满足生产需求的多样性，“激光切割+”的复合功能模式需求日益凸显.德国通快TRUMPF TruMatic 3000 fiber光纤型复合机已经实现了“激光切割+冲裁+激光焊接”复合加工模式，充分利用成本低廉的冲裁、灵活多变的激光切割及高值的激光焊接，让板材加工兼具高品质和高经济效益.因此，复合功能的激光加工中心及三维激光切割机器人是后续激光切割系统的重要发展方向.

2)激光器国产化水平需要提高，激光切割理论须进一步丰富.激光器是激光切割系统的核心部件，但激光器特别是光纤激光器技术门槛较高，激光器泵浦、高功率增益光纤和高功率光器件等核心器件的制造需要长期的技术积累和沉淀.目前世界激光器市场基本由IPG Photonics、SPI、Nufern、Coherent和JDSU等行业巨头长期把持，特别是IPG激光器更是占据大半壁江山，而国产激光器才刚刚起步且诸多性能尚不如进口产品.因此，突破关键核心技术壁垒和国外技术封锁，提高激光器国产化及产业化水平，进一步丰富激光切割理论，挖掘新的应用领域，充分发挥激光加工优势将是本领域的重要发展方向.

3)进一步提高切割速度和材料适应性.目前激光切割系统大部分集中在25 mm以下的中厚板切割，特别是6 mm以下的中薄板其技术优越性能得到完美体现，而对于25 mm以上的厚板加工尚不如数控火焰切割和精细等离子切割.现有切割工艺中激光切割精度最高，但同厚度、同材质切割速度远低于数控精细等离子切割；切割8 mm铝合金板激光切割速度达到800 mm/min，而数控精细等离子切割可达1000 mm/min；同样数控精细等离子切割20 mm碳钢板速度可达1200 mm/min，而激光切割16 mm的速度仅有760 mm/min[33].除传统常用材料切割外，市场对激光切割铜、铝等高反材料的呼声日益强烈，因此不断探索高反材料的切割工艺，提高切割材料适应性的同时提高切割速度则是激光切割领域又一新的研究热点.

4)降低运行成本，提高普及应用程度.激光切割技术优势毋庸置疑，但设备的投资、运行、维护等成本居高不下，是目前普及程度不高的重要原因之一.Avila[34]对现有几种常用切割工艺成本进行了综合对比，结果表明CO2激光切割成本为22.9美元/h，远高于火焰切割的6.26美元/h和等离子切割的11.1美元/h.即使考虑切割速度转化成单个零件成本也为0.18美元，远高于等离子切割的0.11美元和精细等离子切割的0.1美元.因此如何创新激光切割系统、降低总体运行成本、提高技术管理水平与技术普及程度是后续该领域需要重点关注的问题.

4结语

1)激光切割技术融合了光学技术、数控技术、测试技术及材料加工技术，是一种先进制造技术，也是未来制造技术的重要发展方向，有逐步取代等离子切割等传统切割工艺的趋势.

2)激光切割技术具有切割精度高、热影响区域小、非接触式加工、工件变形小、材料适应性强、能量可控性好、柔性化程度高等优点，能够满足零件的近净成形或最终制造.

3)激光切割技术不仅擅长复杂平面零件切割成形，目前在三维空间曲面切割方面也展现出其独特优势，在航空航天、汽车、钢铁冶金、钣金加工、工程机械、医疗器械和石油化工等行业具有广阔的应用前景.

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(编辑徐永铭)

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

中图分类号：TG485

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)04-0071-08

作者简介：郭华锋(1981-)，男，河南平舆人，副教授，博士研究生，主要从事激光加工技术及表面工程技术研究.

基金项目：江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验室开放课题基金(JSKLEDC201411)；徐州市科技计划项目(XM13B103)

收稿日期：2015-11-08