激光切割机的最新发展现状及趋势

激光切割机的最新发展现状及趋势

论文作者：孙博学生类别：

学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：职称：

起重机械作业部

2015/9/1

激光切割机的最新发展现状及趋势

1.1 引言

激光切割机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。

从原理上说，激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。本文综合评述了激光切割机的发展以及激光切割机在现代产业中的地位。在分析国外研究动向的基础上，指出激光切割机的发展趋势将重点定位在微结构、微刻蚀、微工具以及多功能性微技术、微工程的研究与开发上。可以预测，三维微纳尺度的激光微制造技术必将成为新世纪的主流制造技术。

自第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业(大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术)。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光切割机已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。

激光切割包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空间。两者是激光切割不可或缺的环节，不可偏废。激光切割具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制(自动化)，在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等等。因此，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。

1.2 激光切割机的最新发展现状

激光切割机一般由激光器、激光传输系统、激光聚焦系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。

激光作为热源或光源(能量)是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的结果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数值K f和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表示。对小功率激光器，工作物质

均匀稳定，一般可以实现基模输出，其光束横截面能量分布为高斯分布，且在传输过程中保持不变，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的往往为多模激光束，激光光束质量变差。目前工业上常用的大功率激光器有C O2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标。

从第一台C O2激光器出现到现在，经过近四十年的发展，从封离式C O2激光器、慢速轴流C O2激光器、横流C O2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至目前出现的扩散型Slab C O2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断提高，体积不断缩小，另一方面激光器的效率不断提高，光束质量越来越好。扩散型Slab C O2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布，具有极好的光束质量，在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小，非常有利于大范围激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。

2004年9月，华工科技成功推出第一台国产化高性能激光切割机。日本目前已拥有C O2激光加工2万台，约占全球激光加工机总量的1/3，其中80%为激光切割机设备。日本自1995年以来，年生产过500台左右，其中YAG激光切割机100多台。全球的高功率数控激光切割成套设备累计拥有量达35000台（套）左右，而我国目前高功率数控激光切割成套设备的拥有量为1500台左右。国产数控激光切割机的主要特点是：价格较低，约是进口价格的1/3，激光器功率较低，一般为1.5KW以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差，但具有价格方面的优势。

近两年，国内大型激光切割设备的销售额达到几十亿元，在中低端产品方面基本占领国内市场，并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。目前，国际上德国通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等国际知名公司已经开发出大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机。在高端激光切割系统领域，我国与国际先进水平存在较大差距，产品基本依赖进口，每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等，引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证，严重制约了我国国民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制，采用许可证制度，严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域，因此我国急需突破该项技术。

工业用固体YAG激光切割机也经历了从小功率灯泵浦(棒状)、灯泵浦(板条)、双灯泵浦(多棒)到光纤泵浦(棒状)、半导体泵浦(棒状)和片状固体激光器的过程。由于受工作物质热物理性质的制约，YAG激光光束质量模式相对较差。如何提高光束质量和激光功率，仍是YAG激光切割机面临的主要问题。

值得注意的是近年来发展起来的半导体激光切割机。半导体激光切割机具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有广阔的应用前景。

要在不同产业中广泛应用激光切割机，很大程度上要依赖于激光加工系统的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工系统及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工作物质的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特征的激光取得了蓬勃的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光切割机、倍频激光切割机等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得更加便利。