《精密与特种加工》
课程大作业
院系：机械工程学院授课老师：吴东江
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分数（百分制）：完成时间：2014年11月5日题目：激光切割的研究现状及发展趋势
激光切割的研究现状及发展趋势
（大连理工大学机械工程学院大连116024）
摘要:激光切割技术是激光加工应用领域的重要部分，是当前世界上先进的切割工艺之一。总结了激光切割技术的特点，介绍了其国内国外的研究现状，指出了激光切割技术未来的发展趋势。
关键词：激光切割；激光器；激光加工；发展
Abstract：Laser cutting technology is an important part of the laser processing applications, is the current world advanced cutting technology.Summarized the characteristic of laser cutting technology, introduces the domestic and foreign research present situation, had pointed out the future development trend of the technology of laser cutting.
Key word：Laser cutting;laser device;laser processing;Development
1. 概述
激光是自1960年问世后就很快发展并在实际中得到应有的高新技术。随着对相关基本理论研究的不断深化，各类激光器元件的不断发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。[1]激光切割技术以其切缝窄、工件变形小、无接触性，以及广泛的适应性和灵活性在工业领域应用广泛，而且整个工艺过程对环境没有污染。其最主要的四个工艺参数为:激光功率、切割速度、焦点位置及辅助气体压力。本文综述了国内外激光技术的研究现状，并对今后的发展趋势做出了展望。
2.激光切割的原理
激光切割是利用经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、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
3.激光切割技术的特点
激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，几乎能加工所有的材料，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等，以及生物/医用材料，特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低。激光加工具有很多优点，如下所述：
激光加工属无接触加工:激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工.同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。
加工质量好，加工精度高:由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机
械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高;激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如PC机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级。
加工效率高:激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍;激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍;激光焊接比常规焊接提高效率几十倍;激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。
材料利用率高，经济效益高:激光加工与其他加工技术相比可节省材料10%-30%，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。
激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益.目前已成熟的激光加工技术包括:激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光刻蚀技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。
4.国内研究现状
目前，国内主要研究方向在钢板的激光切割工艺方而，少数涉及到有色金属的切割工艺。
湖南大学激光研究所[2]分析了焦数比、聚焦光斑直径、辅助气体压力和切割速度对切割质量的影响，研究表明，在保证焦深的前提下，光斑直径越小，切缝越窄，切口表而粗糙度越低。而光斑直径与焦数比有关，在焦数比取最佳值的前提下，焦距实际上由光斑直径决定。采用激光器切割石油割缝筛管和电力机车定子的端板研究发现，在切割速度为0.8 m/min、辅助气体压力5 MPa、焦距65 mm 时获得优质的切缝。
郭建等[3]利用有限元分析软件建立了适合激光切割饭金件的三位实体模型，介绍了饭金件在自重和激光切割热源共同作用下，进行切割时工件变形大小的计算方法。将激光切割热源简化为高斯热源，运用APDL.语言分析计算了激光切割时实际工件的变形大小，研究结果对实际的激光切割饭金件的夹具设计具有很大帮助。
谢小柱[4]等采用PHC-1500型激光器切割18 mm厚模切板，研究发现切割深度与切割速度成反比，与功率成正比，随焦点位置下移而增加。研究还发现给定材料厚度下的最大切割速度大于最佳切割速度，且两者都随激光功率的增加而增加，最大切割速度和激光功率之间近似呈线性关系;切缝形状先收缩、再扩张、再收缩，且每次扩张的幅度逐渐减小，类似振幅逐渐减小的波浪。
王世勇等[5]为使激光功率跟随加工速度按照所需比率同步变化，建立了材料单位而积激光功率与切缝深度、激光器控制信号与输出功率间的函数关系。通过多段线性近似建立相应的定量关系，并结合闭环控制策略能够实现高精度的功率
控制。通过在每个插补周期更新插补位置和激光功率能够实现功率与运动精确的同步控制。试验结果表明，功率控制精度约为1.47%，切缝深度误差在1%之内。
毕玉春等[6]分析了激光切割原理及加工特点，并从理论上和大量的试验结果中，深入研究了影响激光切割加工的相关物理参数及工艺参数，建立了切割速度与材料厚度和激光功率的关系曲线，以便更加直观的探讨激光加工板材厚度、激光功率和切割速度三者之间的内在关系。
5.国外研究现状
由于国外的激光切割工艺比较成熟，目前的研究领域主要集中在数字模型对切割过程的模拟，以及特殊情况下的激光切割。
宾夕法尼亚大学Akarapu等[7]用3D有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力。研究了激光切割最主要的三个参数，即光斑直径、激光功率和光斑与工件的位置。研究发现，切缝的形状随着参数的改变而发生变化。
美国爱荷华大学Hsu等[8]用CO
2
:激光切割机对不锈钢板进行切割试验。对6.35 mm厚AISI-304不锈钢钢板进行切割发现，在激光功率1.2kW、走刀速度12.7 mm/s 及使用双喷嘴给气(其中一个同轴，一个侧吹)下，得到很好的切割质量，无激光
瘤。作者还用建模和XRD方式对切缝进行分析，发现切缝无Cr
2O
3
.这一结论说明
板材的防腐蚀性能未被破坏。
法国核安全和防辐射研究所Guy Pilot等[9-10]用Nd-YAG激光器切割核反应堆废旧脱水器，材料为Uranus65钢，试验在35m2通风实验室进行。试验结果表明，与锯切、50A等离子切割、200A等离子切害、1kW无辅助气体激光切割相比，4kW 激光切割无次生污染，且产生浮质最少，是核反应堆脱水器拆除切割的最佳选择。Pilot还对YAG激光器切割板厚进行了研究，试验表明，8kW固体激光器能成功切割100 mm厚A42钢。
意大利博洛尼亚大学Marco Troncossi等[11]为提高激光切割质量，对激光器的振动进行了研究。作者建立了弹性动力学模型，在模型分析的基础上揭了“时间/空间历史”结构的应激反应。通过对激光器关键部件的优化设计，使其振动行为得到有效的改善，从而提高了激光切割质量。
6.展望
综上所述，激光切割技术已受到国内外研究者的重视并取得了一定的进展。由于试验条件及工艺参数的不同，得到的结果也有一定的出入。由此可见，为进一步提高激光切割的质量，应该加大研究力度，今后需要从以下几方而努力:
①激光切割机发展趋势
a.高速、高精度激光切割机。
b.厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机。
c.三维立体多轴数控激光切割机。
d.激光切割单元自动化和无人化。
e.紧凑型和组合一体化数控激光切割机。
②切割工艺方面:改进现有工艺，探索新的切割工艺，将激光切割技术推广到更多的生产领域。
③国际合作方面:与德、美等国相比，我们在激光切割领域还落后很多，很多方法和经验值得学习借鉴，应加强与技术先进国家的技术交流。
7.参考文献:
[1]关振中.激光加工工艺手册[M]北京:中国计量出版，1998.265.
[2]张屹，龙辉，李力钧.提高激光切割精度的试验研究[J] .湖南大学学报(自然科学版), 2001,28(3):37-40.
[3]郭建，兰天亮，陈康.激光切割饭金件时的工件变形分析力法[J] .激光杂志，2011,32(1):47-48.
[4]谢小柱，胡伟.激光切模切板的参数研究[J].机械工程师,2008,(6):25-26
[5]王世勇，李迪，陈超.激光切割的功率控制及其与运动的同步控制[J],华南理工大学学报(自然科学版), 2010,38(3):118-122.
[6]毕玉春，汪小锋.浅谈激光切割技术[[J].中国水运，2007,5(4)194-195.
[7]Akarapu R, Segall A E. Investigation of an active stressing technique for delaying fracture during laser cutting of alumina[A].2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition[C].1-7.
[8]A. Gropp,J. Hutfless,S. Schuberth,M. Geiger. Laser beam cutting[J]. Optical and Quantum Electronics . 1995 (12).
[9]Guy Pilot. Synthesis of results obtained with laser cutting, a promising dismantling[A]. 2010 Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering[C].1-7.
[10]Guy Pilot, Sylvain Fauvel.Dismantling of evaporators by laser cutting measurement of secondary emmission [A].2010 Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering[C]. 203-210.
[11]Macro Troncossi, Enrico Troiani, Alessandro Rivola.Design optimization of a laser cutting machine by elastodynamic modeling[A].2008 ASME Process of the 9th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis[C].1-9.