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摘 要： 本文主要介绍了激光切割技术的主要特点，综述了国内外激光切割技术的研究现状，并阐述了激光切割技术的发展趋势，最后总结了激光切割技术存在的几个问题和发展对策。
关键词： 激光切割；发展趋势；研究现状；存在的问题
【中图分类号】 TG485 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）24-0104-02
0 引言
激光切割技术是利用高能密度激光束热效应，对材料进行快速稳定切割的一种先进制造技术，占整个激光加工业的65%以上，现在已经发展成数控技术、计算机技术和材料加工技术等交叉学科为一体的高新技术[1]。激光切割能够实现切割形状复杂、硬性及脆性等非金属、金属以及陶瓷材料的快速切割，突破了传统制造方式无法实现的技术难度，具有很强的材料适应性，且自动化高品质高效率等技术优势，目前激光切割已广泛地应用于船舶、航空航天、汽车、化工、轻工、医疗器械、电器与电子、石油和冶金等工业领域。
激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术， 激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点，同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点[2]。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本， 因此，
1.国内外研究现状
近些年，激光切割技术发展迅速，国际上每年激光切割机的数量都10-20%的速度增长，我国自1985年以来，激光切割机的数量更以每年25%以上的速度增长，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步[3]。
1.1国外激光切割技术的发展现状。
国外激光切割工艺技术较为成熟，目前的相关技术研究领域主要在虚拟样机对切割过程的仿真模拟方面，以及特殊情况下的激光切割。
宾夕法尼亚大学运用有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力[4]。并且研究了激光切割最关键的三个参数，即激光光斑直径、 功率以及激光光斑与切割工件的相对位置。研究表明，激光切割切缝的形状随着切割参数的改变而变化。
美国爱荷华大学运用CO2激光切割机对304不锈钢板进行切割试验[5]。对6.35mm厚304不锈钢钢板进行切割发现，在激光功率1.2kW、走刀速度12.7mm/s及使用双喷嘴给气，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Cr2O3，这一结论说明板材的防腐蚀性能未被破坏。
意大利博洛尼亚大学MarcoTroncossi等为提高激光切割工件的切割质量，对激光器的振动进行了研究[6]。作者通过建立激光器工作状态弹性动力学模型，在模型分析的基础上揭示了“时间/空间历史”结构应激反应。通过对激光器关键零部件的优化设计，使激光器工作中的振动得到有效的改善，从而提高了激光切割质量。
1.2国内激光切割技术的发展现状。
目前国内主要研究方向在不同钢板的激光切割工艺方面，也有部分涉及到有色金属的切割工艺。
湖南大学激光研究所分析了聚焦光斑直径、焦数比、辅助气体压力和切割速度对切割质量的影响，研究结果表明，在保证焦深的前提下，激光光斑直径越小，切割切缝越窄，切口精度越高。此外，激光光斑直径与焦数比有关，在焦数比取最佳值的前提下，焦距实际由激光光斑直径决定[7]。
郭建等利用有限元分析软件建立了适合激光切割钣金件的三维实体模型，论述了钣金件在自重和激光切割热源共同作用下，进行切割时，加工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钣金件的夹具设计具有很大帮助[8]。
梁昆等在对激光切割紫铜板的工艺研究中发现，当选用激光功率3kW、辅助切割气体压力2×105 Pa、切削速度依据经验公式V=1.3 ×（1-R）Pt/（KDd）（其中R为材料反射率，Pt为激光输出功率，K为材料導热系数，D为材料厚度，d为光斑直径）计算得出时，得到切割质量较好，切缝窄、切边平行性良好、切割面光洁无挂渣。
谢小柱等采用PHC-1500 型激光器切割 18mm厚模切板，研究发现切割速度与切割深度成反比，切割深度与功率成正比，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。
佟明等利用5kW CO2 激光器对3mm厚的Q235钢板进行激光切割试验，得到最佳工艺参数为：激光功率1395W，离焦量0.5mm，切割速度20mm/s，氧气压力0.5MPa。试验证明，切口质量的影响取决于切割速度、激光功率和板材厚度，为保证产品质量，需选择合适的切割速度，同时为提高产品的经济性，提高效率，还需在保证品质的前提下，尽可能缩短切割时间。
王世勇等为使激光功率跟随加工速度按照所需比率同步变化，建立了材料单位面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[9]。
何月鹏等在激光切割机工作原理的基础上，从激光固有特性、激光切割工艺和被切割材料特性等方面分析了光斑模式、焦距深度、切割功率、切割速度、辅助气体及压力、光程切割材料等影响激光切割质量的因素。 滕杰等总结了在激光切割过程中的常见问题，包括切不透、切割封闭线的起点与终点不重合、 激光不出光、切割件穿孔点位置没切透而后面切透、切割时工作台跳动且位置大致固定等问题， 并给出了相应的解决方案[10]。
2.激光切割技术发展趋势
（1）激光切割技術向高速度、高精度方向发展。
随着大功率激光器及64位计算机的应用，为激光切割机的高速、高精度创造了良好条件，目前来看，国际上先进水平的激光切割装置的切割速度能够达到35m∕min以上，两轴联动运动切割速度可达350m∕min，激光束的定位精度达0.01mm∕1000mm，随着机器人技术的发展，激光切割技术必将向高速度、高精度方向发展。
（2）激光切割技术向厚板切割和大尺寸工件切割发展。
随着激光器功率不断增大，激光切割板材的厚度也逐渐增加，，6kw大功率的激光切割机能切割低碳钢板厚度可达35mm的工件。由于激光切割技术的不断提升，目前已经能够使用3kw的激光切割机切割厚35mm的低碳钢板。 此外，随着大尺寸工件的加工需求，激光切割机的加工尺寸范围也在不断扩大，目前最大激光切割机的宽度可达 5.4m，长度达6m，可见厚板材、大尺寸激光切割技术逐渐提高。
（3）激光切割技术向多轴立体数控方向发展。
随着工业机器人技术的发展，同时满足航空、等汽车工业的三维立体工件激光切割的需要，目前出现了轴数达5轴或6轴三维激光切割机，最大加工工件尺寸可达3600mm×3600mm×600mm，加工速度很快，精度很高，在 6m2范围内切割加工误差仅在0.5mm之内，先进国家的汽车制造生产线上，激光切割机器人的应用也越来越多，三维立体激光切割机正向多轴数、多功能和高适应性方向发展。
（4）向紧凑型和组合一体化发展。
随着激光器功率的增大和体积缩小，以及其他辅助设备技术的不断改进，出现了把电源、控制系统、激光器和计算机等结合在一起，组成占地面积小，功能多的整套紧凑型激光切割装置，此外，激光切割技术正与激光焊接，激光表面淬火等激光加工工艺组合，以发展一机多用，进一步提高。
3.结束语
（1）激光切割技术是个较为复杂的切割过程，与激光、切割材料等联系紧密，目前，研究激光切割理论主要是切割过程模拟，但过程模拟的较为理想化，还需要结合其他因素进行试验研究，从而进一步提高激光切割技术水平。
（2） 目前，激光切割技术已经广泛应用于工业中，逐渐向机械制造业以及重工业发展，相应研究理论也逐渐成熟，近些年来，激光切割技术研究逐渐向更多领域方向发展，应用越来越广，但激光切割设备的制造以及生产还需要以提高切割精度、高速度以及加工范围方向发展，对于实际的应用还需要更深入的研究。
参考文献
[1] 陈继民，徐向阳，肖荣诗. 激光现代制造技术[M].北京：国防工业出版社2007.
[2] 黄开金，谢长生.激光切割的研究现状及发展趋势[J].激光与光电子进展，1998，388（4）：1-7.
[3] 陈树明.激光切割技术现状与发展[J].锻压机械，2002（2），3-5.
[4] 赵殿甲.激光切割技术的应用与发展[J].煤矿机械，2006，27（8），5-6.
[5] 何月鹏，王隆太.影响激光切割质量的因素分析[J].扬州职业大学学报，2008，12（1）：28-30.
[6] 汤漾平， 龚时华， 朱国力，等.激光切割加工中焦点位置控制方案研究[J].华中理工大学学报，1998，26（2）：29-31.
[7] 佟明，王维，杨光等.板材激光切割表面质量影响因素的实验研究[J].机械设计与制造，2010，（10）：121-123.
[8] 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.
[9] 郑芳，毛军明，毛红波.激光切割在机车钢结构件制造中的应用[J].电力机车与城轨车辆，2008，31（2）：37-38.
[10] 陈继民，肖荣诗，左铁钏，等.激光切割工艺参数的智能选择系统[J].中国激光，2004，31（6）：757-760.
关键词： 激光切割；发展趋势；研究现状；存在的问题
【中图分类号】 TG485 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）24-0104-02
0 引言
激光切割技术是利用高能密度激光束热效应，对材料进行快速稳定切割的一种先进制造技术，占整个激光加工业的65%以上，现在已经发展成数控技术、计算机技术和材料加工技术等交叉学科为一体的高新技术[1]。激光切割能够实现切割形状复杂、硬性及脆性等非金属、金属以及陶瓷材料的快速切割，突破了传统制造方式无法实现的技术难度，具有很强的材料适应性，且自动化高品质高效率等技术优势，目前激光切割已广泛地应用于船舶、航空航天、汽车、化工、轻工、医疗器械、电器与电子、石油和冶金等工业领域。
激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术， 激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点，同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点[2]。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本， 因此，
1.国内外研究现状
近些年，激光切割技术发展迅速，国际上每年激光切割机的数量都10-20%的速度增长，我国自1985年以来，激光切割机的数量更以每年25%以上的速度增长，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步[3]。
1.1国外激光切割技术的发展现状。
国外激光切割工艺技术较为成熟，目前的相关技术研究领域主要在虚拟样机对切割过程的仿真模拟方面，以及特殊情况下的激光切割。
宾夕法尼亚大学运用有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力[4]。并且研究了激光切割最关键的三个参数，即激光光斑直径、 功率以及激光光斑与切割工件的相对位置。研究表明，激光切割切缝的形状随着切割参数的改变而变化。
美国爱荷华大学运用CO2激光切割机对304不锈钢板进行切割试验[5]。对6.35mm厚304不锈钢钢板进行切割发现，在激光功率1.2kW、走刀速度12.7mm/s及使用双喷嘴给气，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Cr2O3，这一结论说明板材的防腐蚀性能未被破坏。
意大利博洛尼亚大学MarcoTroncossi等为提高激光切割工件的切割质量，对激光器的振动进行了研究[6]。作者通过建立激光器工作状态弹性动力学模型，在模型分析的基础上揭示了“时间/空间历史”结构应激反应。通过对激光器关键零部件的优化设计，使激光器工作中的振动得到有效的改善，从而提高了激光切割质量。
1.2国内激光切割技术的发展现状。
目前国内主要研究方向在不同钢板的激光切割工艺方面，也有部分涉及到有色金属的切割工艺。
湖南大学激光研究所分析了聚焦光斑直径、焦数比、辅助气体压力和切割速度对切割质量的影响，研究结果表明，在保证焦深的前提下，激光光斑直径越小，切割切缝越窄，切口精度越高。此外，激光光斑直径与焦数比有关，在焦数比取最佳值的前提下，焦距实际由激光光斑直径决定[7]。
郭建等利用有限元分析软件建立了适合激光切割钣金件的三维实体模型，论述了钣金件在自重和激光切割热源共同作用下，进行切割时，加工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钣金件的夹具设计具有很大帮助[8]。
梁昆等在对激光切割紫铜板的工艺研究中发现，当选用激光功率3kW、辅助切割气体压力2×105 Pa、切削速度依据经验公式V=1.3 ×（1-R）Pt/（KDd）（其中R为材料反射率，Pt为激光输出功率，K为材料導热系数，D为材料厚度，d为光斑直径）计算得出时，得到切割质量较好，切缝窄、切边平行性良好、切割面光洁无挂渣。
谢小柱等采用PHC-1500 型激光器切割 18mm厚模切板，研究发现切割速度与切割深度成反比，切割深度与功率成正比，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。
佟明等利用5kW CO2 激光器对3mm厚的Q235钢板进行激光切割试验，得到最佳工艺参数为：激光功率1395W，离焦量0.5mm，切割速度20mm/s，氧气压力0.5MPa。试验证明，切口质量的影响取决于切割速度、激光功率和板材厚度，为保证产品质量，需选择合适的切割速度，同时为提高产品的经济性，提高效率，还需在保证品质的前提下，尽可能缩短切割时间。
王世勇等为使激光功率跟随加工速度按照所需比率同步变化，建立了材料单位面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[9]。
何月鹏等在激光切割机工作原理的基础上，从激光固有特性、激光切割工艺和被切割材料特性等方面分析了光斑模式、焦距深度、切割功率、切割速度、辅助气体及压力、光程切割材料等影响激光切割质量的因素。 滕杰等总结了在激光切割过程中的常见问题，包括切不透、切割封闭线的起点与终点不重合、 激光不出光、切割件穿孔点位置没切透而后面切透、切割时工作台跳动且位置大致固定等问题， 并给出了相应的解决方案[10]。
2.激光切割技术发展趋势
（1）激光切割技術向高速度、高精度方向发展。
随着大功率激光器及64位计算机的应用，为激光切割机的高速、高精度创造了良好条件，目前来看，国际上先进水平的激光切割装置的切割速度能够达到35m∕min以上，两轴联动运动切割速度可达350m∕min，激光束的定位精度达0.01mm∕1000mm，随着机器人技术的发展，激光切割技术必将向高速度、高精度方向发展。
（2）激光切割技术向厚板切割和大尺寸工件切割发展。
随着激光器功率不断增大，激光切割板材的厚度也逐渐增加，，6kw大功率的激光切割机能切割低碳钢板厚度可达35mm的工件。由于激光切割技术的不断提升，目前已经能够使用3kw的激光切割机切割厚35mm的低碳钢板。 此外，随着大尺寸工件的加工需求，激光切割机的加工尺寸范围也在不断扩大，目前最大激光切割机的宽度可达 5.4m，长度达6m，可见厚板材、大尺寸激光切割技术逐渐提高。
（3）激光切割技术向多轴立体数控方向发展。
随着工业机器人技术的发展，同时满足航空、等汽车工业的三维立体工件激光切割的需要，目前出现了轴数达5轴或6轴三维激光切割机，最大加工工件尺寸可达3600mm×3600mm×600mm，加工速度很快，精度很高，在 6m2范围内切割加工误差仅在0.5mm之内，先进国家的汽车制造生产线上，激光切割机器人的应用也越来越多，三维立体激光切割机正向多轴数、多功能和高适应性方向发展。
（4）向紧凑型和组合一体化发展。
随着激光器功率的增大和体积缩小，以及其他辅助设备技术的不断改进，出现了把电源、控制系统、激光器和计算机等结合在一起，组成占地面积小，功能多的整套紧凑型激光切割装置，此外，激光切割技术正与激光焊接，激光表面淬火等激光加工工艺组合，以发展一机多用，进一步提高。
3.结束语
（1）激光切割技术是个较为复杂的切割过程，与激光、切割材料等联系紧密，目前，研究激光切割理论主要是切割过程模拟，但过程模拟的较为理想化，还需要结合其他因素进行试验研究，从而进一步提高激光切割技术水平。
（2） 目前，激光切割技术已经广泛应用于工业中，逐渐向机械制造业以及重工业发展，相应研究理论也逐渐成熟，近些年来，激光切割技术研究逐渐向更多领域方向发展，应用越来越广，但激光切割设备的制造以及生产还需要以提高切割精度、高速度以及加工范围方向发展，对于实际的应用还需要更深入的研究。
参考文献
[1] 陈继民，徐向阳，肖荣诗. 激光现代制造技术[M].北京：国防工业出版社2007.
[2] 黄开金，谢长生.激光切割的研究现状及发展趋势[J].激光与光电子进展，1998，388（4）：1-7.
[3] 陈树明.激光切割技术现状与发展[J].锻压机械，2002（2），3-5.
[4] 赵殿甲.激光切割技术的应用与发展[J].煤矿机械，2006，27（8），5-6.
[5] 何月鹏，王隆太.影响激光切割质量的因素分析[J].扬州职业大学学报，2008，12（1）：28-30.
[6] 汤漾平， 龚时华， 朱国力，等.激光切割加工中焦点位置控制方案研究[J].华中理工大学学报，1998，26（2）：29-31.
[7] 佟明，王维，杨光等.板材激光切割表面质量影响因素的实验研究[J].机械设计与制造，2010，（10）：121-123.
[8] 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.
[9] 郑芳，毛军明，毛红波.激光切割在机车钢结构件制造中的应用[J].电力机车与城轨车辆，2008，31（2）：37-38.
[10] 陈继民，肖荣诗，左铁钏，等.激光切割工艺参数的智能选择系统[J].中国激光，2004，31（6）：757-760.