(完整)切割行业的现状及未来前景

切割行业的现状及未来前景
现代切割技术
现代工业的发展，板材的消耗量越来越多,并且各种高力学、物理性能的材料不断增多,特别是硬脆材料应用增多。

由于切割批量小、精度要求高，促使现代切割技术得到长
足发展.主要包括激光切割,等离子弧切割，超声切割，液体喷射切割等.
激光切割
概述
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、
气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件
的一种切割方法。

激光切割是现代切割技术中最具特色的切割技术.
随着被切材料和切割参数的不同，激光切割主要有以下三种方式：
1)气化切割.切口部分的材料以蒸气或渣的形式排出.是切割不熔化材料（如木材、
碳和某些塑料）的基本形式.
2）熔化切割。

当被切材料的切口处受到较低功率密度的激光作用时,主要是发生熔
化。

在气流作用下，切口料以熔融物质的形式由切口底部排出。

3)反应熔化切割，采用氧气或其他反应气体吹气，气体与被切材料产生放热反应，
在激光辐照之外，提供了另一个切割所需的能源。

在吹氧切割钢板时大约切割所需能量的60％
是来自铁的氧化反应。

等离子弧切割的特点：
激光切割具有以下特点：
质量好。

激光的光斑小、能量密度高，切速快，切口宽度窄，切割面光洁美观，
热影响小，热变形小。

）效率高。

可实现高速切割，切割速度可达每分钟数米至数十米。

)柔性高.易实现自动控制，可切割任意形状、尺寸的板材。

）材料适应性好。

几乎可切割任何金属和非金属材料.
激光切割可广泛用于各种材料(金属和非金属）的切割，涉及汽车、钢铁、石油、电
子电器、航天航空、医疗器械和一般制造业中各种板材切割。

采用同轴吹氧工艺切割金属
材料,可提高切割速度和切口质量；切割纸张，木材等易燃材料时，可采用同轴吹保护气
体（二氧化碳、氩气、氮气等），能防止烧焦和切口缩小；切割陶瓷、玻璃、石英等脆性
材料时，采用热应力切割；对布料、纸张还可作分层切割。

激光切割工艺及参数
CO2气体连续激光切割工艺参数包括
激光功率.对切割厚度、切割速度和切口宽度影响大。

）辅助气体的种类和压力.切割低碳钢采用辅助气体，压力对切割效果影响明
显。

）切割速度。

对切割质量有显著影响.
焦点位置.切割低碳钢把聚焦的光斑设在工件上表面.
焦点深度，对切割质量和切割速度具有一定的影响.
CO2脉冲切割可获得宽度窄而且均一的切口、垂直而光洁的切割面,但切割速度大大
低于连续激光切割，主要用于精细、高精度切割和脆性材料切割。

主要工艺参数:
激光平均输出功率、脉冲峰值功率，脉冲频率和脉冲持续时间（脉冲宽度）焦点位置
等。

等离子弧切割
等离子弧切割是利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料熔化、蒸发和气化并
被吹离基体的一种切割方法.
通常物质以气体、液体和固体三种状态存在。

等离子体则是被称之为物质存在的第四
种状态。

等离子体是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离之后,离解成带正电荷的
离子和带负电荷的自由电子所组成.正、
负电荷数值相等，因此称为等离子体.
图3—26
为等离子弧切割原理示意
图。

该装置由直流电源供电,钨电极接阴
极，工件接阳极.利用高频振荡或瞬时短
路引弧的方法，使钨电极与工件之间形成
电弧，电弧的温度很高，使工质气体的原
子或分子在高温中获得很高的能量，其电
子冲破了带正电的原子核的束缚，成为自
由的负电子,而原来呈中性的原子失电子
后成为正离子，这种电离化的气体，正负
电荷的数量仍然相等，从整体上看呈电中
性，称之为等离子体电弧（简称等离子弧）。

在电弧外围不断地送入工质气体（如
氧、空气、氮、氢、氩水蒸气及某些混
合气体），回旋的工质气流还形成与电弧
柱相应的气体鞘，压缩电弧，使弧柱的导
电截面减小、电流密度和温度大大提高.
等离子弧之所以具有极高的能量密度是以机械压缩效应。

电弧被迫通过喷嘴通道喷出时,通道对电弧产生机械压缩作用，
而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。

）热收缩效应。

喷嘴内部通入冷却水,使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近
内壁的气体电离度急下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高,电弧电流被迫在电
弧中心高温区通过,使弧的有效截面缩小,电流密度大大增加。

这种因冷却而形成的电弧
截面缩小作用,就是热收缩效应。

一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却愈充分，
其热收缩效应愈强烈。

)磁收缩效应。

由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使
电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大,电弧更稳定而不扩散.
由于上述三种压缩效应的综合作用,使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子
气体的电离
弧的温度都很高，其温度达到11000-28000，（普通电弧仅5000—8000)气体电离度随之剧增
，并以极高的速度（比声速还，约800—2000m/s）从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力当达到金属表面时，可以释放出大量的热能,加热和熔化金属，并将
熔化了的金属材料吹除。

等离子弧切割的特点:
能切割氧气割难以切割的各种金属材料。

）切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割
法的
5—6倍。

）切割面较光洁，热变形较小。

)切口宽度和切割面斜角较大，主要切割厚度有关。

）切割厚板的能力尚不及气割.
超声切割
超声切割是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、
抛展、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料。

特别适合硬脆材料切割。

超声切割时,高频电源联接超声换
能器（参见图3—27，由此将电振荡转
移为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅0。

005—0。

01mm
，以驱
再经变幅杆放大至0.05—0.1mm
动工具端面作超声振动。

此时,磨料悬
浮液（磨料、水或煤油等)在工具的超
声振动和一定压力下,高速不停地冲击
悬浮液中的击碎成微粒和粉末。

同时，
由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料
高速抛磨工件表面,又由于超声振动产
生的空化现象，在工件表面形成液体空
腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，
而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲
击,强化了机械抛磨工件材料的作用，
并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌
和加工产物的排除。

随着磨料悬浮液不
断地循环、磨粒的不断更新、切割产物
的不断排除，实现了超声加工的目的.
总之，超声切割是磨料悬浮液中的磨粒,
在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象，
综合切割作用的结果.其中，以磨粒不
断冲击为主。

由此可见,脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于
超声切割。

超声切割的特点：
适合切割各种硬脆材料，尤其适合不导电非金属硬脆材料.也可加工淬火钢、硬
质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。

由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力
很小，切割应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0.63—0。

08um ，尺寸精度达到±0。

03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件.
工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件做比较复杂的相
对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。

比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优
点.
超声切割设备一般包括超声发生器、超声振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床.
高压水射流切割
高压水射流切割，特别适于各种软质有机材料切割加工。

高压水射流切割是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器（参见图3-28)
,
再经贮液蓄能器使高压液体流动平稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s
（约为音
速的1-3倍）的高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的.高速液
体束流的能量密，流量为度可达100W/mm²,流量为7。

5L/min.
高压水射流切割的特点:
加工精度较高，一般可达±0.075-0.1mm
)切边质量较好。

液体束流的能量密度高、流速亦高，故工件切缝很窄(0.075-0.4mm）喷嘴寿
命非常耐久。

喷嘴和加工表面无机械接触,能实现高速加工。

加工产物混入液体排出,故无灰尘、无污染,加之加工区温度低，不产生热量，
适于木材、纸张、皮革等材料的加工。

设备维护简单,操作方便，可以灵活地任意选择加工起点和部位,可通过数控，
容易地进行复杂形状的自动加工.
，高压水射流切割的液体流束直径为0.05—0。

38mm,
可以加工很薄,很软的金属和非金
属材料,已广泛用于铝、铅、铜、钛合金板、复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、软木、地毯、胶合板、玻璃纤维板、橡胶、棉布、纸、塑料、皮革、不锈钢等近种材料的表3-3是用水或混合水溶液切割几种材料的实验数据，还有,用计算机控制实现复
杂形状的切割加工。

焊接机器人
焊接是机器人应用重要领域，我国机器人焊接技术领域的学术研究与应用推广工作开
展大约年左右的历史了.
焊接机器人体现多学科的综合.包括机器人焊接系统，配套设备系统,机器人焊接自
主规划，焊缝跟踪传感控制，焊接过程传感，智能化焊接技术.实现焊接生产自动化突出
表现为生产系统的柔性化和焊接控制系统的智能化。

目前则要求精确控制轨迹的多自由度
的弧焊机器人。

机器人焊接任务规划软件系统设计
焊接路径规划不同于一般移动搬运机器人的路径规划，它的特点在于对焊缝空间曲线
连续轨迹、焊枪运动的无碰路径以及焊枪姿态优化的综合规划。

而焊接参数规划通常需要
根据不同的工艺要求、焊缝的空间位置以及工件的材质、形状作相应的调整.焊接路径规
划和参数规划具有一定的相互联系，因此联合优化焊接路径及参数规划的研究是有意义的.
机器人焊接智能化系统规划的基本任务是在一定的焊接工作区自动生成
机器人焊接传感技术
机器人焊缝跟踪技术一般是采用激光、结构光等技术途径识别焊缝准确位置及走向,
从而正确导引机器人焊枪终端沿实际焊缝完成期望的轨迹运动。

焊接动态过程的实时检测技术主要指在焊接过程中对熔池尺寸、熔透、成形以及电弧
行为等参数的在线检测以实现焊接质量的实时控制。

由于焊接过程的弧光干扰、复杂的物
理化学反应，强非线性以及大量的不确定性因素作用,使得对焊接过程的可靠、实用检测
成为瞩目的难题.长期以来，已有众多学者探索过多种途径,技术手段的检测尝试，在一
定条件下取得了成功。

从溶池动态变化和熔透特征检测来看，目前认为计算机视觉技术，
温度场测试，熔池激励振荡，电弧传感等方法用于实时控制效果较好。

各种不同的检测手
段、处理方法涉及不同的传感原理、技术实现和信息处理手段，实际上要求综合技术的提
高。

焊接机器人系统用电源配套设备技术
智能电源的研制技术，由于焊接机器人系统向智能化发展，因此对所配置的电源系统
具有特定要求：应具有良好的外特性和动特性控制，以满足各种焊接工艺方法和不同场合
的要求。

焊接电源应具有相当宽的输出量连续调节范围和优良的动态响应指标,既能保证
电弧过程的持续稳定,又要便于机器人实时改变焊接规范以控制焊缝成形质量；焊接电源
的额定输出功率及负载持续率高，能够适应机器人焊接长时间连续工作：焊接电源与中央控制机通信以及与机器人其他设备、传感系统、实时控制等接口设计和电磁兼容性研究。

这些内容的研究在弧焊和点焊机器人系统中各有不同的纵深发展.
机器人运动轨迹控制实现技术
根据对焊件感知、焊接任务规划以及焊缝的传感信息、机器人焊接智能化系统应用能
实现对各种复杂空间曲线焊缝的实时跟踪控制.这里除了要求实现对焊接机器人本身的运
动学控制技术,而且要求焊枪运动能够实现规划轨迹并能根据传感信息实现对轨迹的实时
控制技术.这里还将涉及机器人与各种传感器的接口设计.
焊接动态过程的实时智能控制器设计
随着近年来模拟人类智能行为的模糊逻辑、人工神经网络等智能控制理论方法的出现，
使得我们有可能采用新思想来设计模拟焊工操作行为的智能控制器以期解决焊接质量实时
控制的难题。

国内外已有相当数量的学者进行其中之一方向的研究工作，但问题的有效解
决仍需作出大量的努力。

针对实际的焊接过程控制对象
机器人焊接智能化复杂系统的控制与优化管理技术
对于以焊接机器人为主体的包括焊接任务规划、各种传感系统、机器人轨迹控制以及
焊接质量智能控制器组成的复杂系统，要求有相应的系统优化设计结构与系统管理技术.
从系统控制领域的发展分类来看，可将机器人焊接智能化系统归结为一个复杂系统的控制
问题。

这一问题在近年系统科学的发展研究中已有确定的学术位置，并有相当的学者进行
这一方向的专门研究。

目前对于这种复杂系统的分析研究主要集中在系统中存在的各种不
同性质的信息流的共同作用，系统的结构设计优化及整个系统的管理技术方面。

随着机器
人焊接智能控制系统向实用化发展，对其系统的整体设计、优化管理也将有更高的要求,
这方面研究工作的重要性将进一步明确。

我国目前焊接机器人仍以引进为主,尤其是弧焊机器人,而国产弧焊机器人由于元器
件质量及配套技术等诸多因素,一直未能主导国内焊接机器人市场。

现今以引进焊接机器
人和机器人焊接系统应用开发方面仍需做以下工作：焊接机器人引进准备工作,焊接机器
人系统的操作编程开发，焊接机器人的配套设备及工艺选择，多台焊接机器人或多设备系
统的协调控制,焊接机器人工作站及生产线的管理。