引言

       激光切割加工作为金属加工领域关键的工艺技术之一，在20世纪六七十年代开始已有具体的研究应用，并因其有良好的方向性、高亮度、单色性、能量集中性等特点，发展十分迅速，已被广泛应用到各个领域。到目前为止，全球范围内已经开发出20多种激光加工技术，如激光成型、激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光手术等。 激光切割是激光加工中应用最早、最多的技术，它具有切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等优点，因此在现在工业制造中得到了广泛的应用。

      激光切割是一种热切割过程，激光切割区加工原理示意如图1 所示，激光切割过程发生在切口终端处的表面，称为烧蚀层，激光和气流在该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀层所吸收，一部分穿过切口或经烧蚀层沿切口向空间反射。烧蚀层由吸收的激光和切割过程中的放热反应所加热、熔化或汽化，并被气流吹除，部分热量通过热传导传入基体材料，或通过辐射损耗，或通过对流换热被气流带走。

      目前，激光切割加工正向多功能的激光加工中心发展，通过将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，实现高效率、高精度、多功能和高适应性等优势，充分发挥了激光加工的整体效益，现代控制技术与自动化技术的不断升级更新，也同样推动着激光切割向FMC单元化、无人化和智能化化方向发展。
1.激光切割技术的应用

      激光切割技术是激光加工在工业生产中应用最广泛的加工工艺之一，约占整个材料激光加工应用的60%，激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括金属与非金属部件的二维或三维切割。在各行各业中，按照激光器运转方式可将激光切割分为脉冲激光切割和连续激光切割两大类，前者适用于金属材料，后者适用于非金属材料，脉冲激光对金属材料的切割国内已经普及，连续激光对非金属材料的切割国内研究尚在起步阶段。国内激光切割加工主要应用在以下行业：

      1)汽车行业。汽车生产制造业是激光切割技术应用最广泛的领域之一，汽车内外有很多用到光纤激光切割的地方，比如汽车车门，汽车刹车片，汽车轮等多处都有用到激光切割机。汽车中也有很多精密零件材料，为了提高汽车的安全性，就必须保证切割精度，光纤激光切割机切割精度高，效率高，无毛刺，一次成型等优势都是光纤激光切割机完美适用于钣金切割的原因，且行业已经逐渐采用更高效的光纤激光切割机替代传统的CO2激光切割机。

      2)船舶制造。船体板材零件传统的下料方式主要有火焰切割、等离子切割、剪切加工以及激光切割几种，相对于激光切割，其他的切割方式在许多方面存在不足，例如割缝宽、切割精度差，容易产生有害气体，污染环境。而激光切割的船用钢板，割缝质量好，切口面垂直性好，无挂渣，氧化层薄，表面光滑，无需二次加工，可直接焊接，热变形小，曲线切割度高，减少工时，实现无障碍切割高强船板，有效降低了船舶钢结构的加工成本。

      3)航天领域。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等，涉及航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长析、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。 随着国家航空事业快速发展的要求，钨合金、钛合金等特殊材料的激光切割工艺成为航天事业的重要研究方向之一。 

      4)医疗器械领域。 由于加工精度高、速度快、非接触切割、柔性加工等特点，激光切割机在医疗器械业已经成为常用的生产工具，某些产品不用激光甚至无法生产，例如心脏起搏器，激光切割可以使医用工件器械切口更加平滑，有效减少了后续的二次加工。

      5)非金属材料。激光切割技术在非金属材料领域也有着广泛的应用，激光切割所需的功率相对较低，一般情况下，1kW以下的连续CO₂激光器就足已用来切割薄工件，不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等，还能切割柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶、皮革等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%~12%，相较于等离子切割、氧-乙炔切割等传统的剪裁与切割方式，激光切割能够提高应用功效3倍以上，如表1所示列出了激光切割与等离子切割、氧-乙炔切割的参数效益对比。

2.三维激光切割加工技术

      三维激光切割设备在工业领域最开始应用于加工金属冲压件，并以其高灵活性、高切割速度、高精度、生产准备时间短、对工具和设备需求低等特点，在机械制造、汽车、航天航空、模具、钣金加工等工业制造领域备应用发展迅速。三维激光切割机不仅可以作为平面切割，还可以对边角进行加工整合，使边缘更加完整和平滑，按照CAD软件的三维图像生产机器语言，控制系统读取指令后能自主地完成三维切割加工，整个过程不需要模具的辅助，只需要在电脑软件上把产品三维参数表达出来，既节约成本，同时试制开发产品的周期也大大缩短了，工作效率和零件质量得到同时提高。

      三维激光切割机具备高度的扩展性，在选件的过程中，运用了内置电磁阀及检测电缆，使得各种周边装置的使用及装卸变得更为方便，设计在手臂各轴均有配置标准线缆托架安装用的螺丝孔，以便配管、配线的追加。整体设备的空间结构设计与机械轴移动自由度的加大，设备与工装夹具的布局高度更加自由，能够有效扩大设备加工的空间区域范围，区域动作范围的加大也使得切割工件三维尺寸可进一步加大，以便适应现代化市场对产品更灵活的结构设计与加工要求。通过控制技术的升级，并对移动轴进行轻量化设计，搭载小型伺服马达的使用，大幅度提升了三维激光切割机的运行速度。从目前发展来看，三维激光割机技术在我国工业领域的应用越来越广泛，主要得益于其以下几项优势：

      1)加工精确度高，对于立体结构的工件，激光切割头在运行过程中能够始终保持与工件的相对垂直，经过三维激光切割后，工件切割边角度与尺寸不会产生偏差，工件的切口边缘不粗糙，切割后不需要繁琐的修整加工和表面处理。

      2)系统适用性强，激光加工系统是自身就是一套计算机系统，便于零件的编排和修改以及适合不同零件的加工，使得激光切割的可操作性大大提升，有效减少了中间编程开发过程的工作。

      3)设备运行损耗小，三维激光切割机的高速运用，可大大减少加工时间，且加工过程冷却系统散热快，对工件周围的热影响小，不需要通过直接接触机械，减少了设备点停频次，生产过程更为安全可靠，适用于高密度的连续性加工。

      4)综合加工成本较低，由于三维激光切割过程效率高、工件切口质量好、设备损耗小，虽然设备的一次性投资相对较贵，但按照设备使用周期连续使用和原有多次工序的加工整合后，计算三维激光切割加工的零件综合生产成本更低。

3.激光切割技术的发展方向

      激光切割设备伴随着自动化技术的迭代升级，将搭载更高精度的激光发生器，可实现更加平稳的激光能量输出，对各种材料的切割也更加精准。激光切割将向高度自动化、智能化方向发展，根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库，以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构，使得激光切割机能够更加灵活适应复杂曲面工件的加工，结合激光切割的能量输出优势，以稳定可靠的通用数控系统为基础进行二次开发，开发出具备远程诊断与控制功能，并结合AI语言技术开发出人机界面友好、语音提示、方便操作和维护。当前激光切割技术的主要发展方向如下：

      1)高速高精度激光切割

      得益于大功率激光器技术、伺服电机、工业微机的集成控制技术不断发展，激光切割设备正向高精度、高速度突破。目前激光切割技术速度已经超过20m/min，激光切割机的两轴移动速度可以达到250m/min，加速度在运行过程中已经达到7g左右，针对1mm厚的板材中直径5mm左右的小孔，每分钟可以切割600个左右，定位速度120～180m/min，切割速度50～80mm/min，切割表面粗糙度小于6.3μm，切割头定位精度±0.02 m/min，重复定位精度0.01mm/m，用于激光高速切孔时，切割速度可达到1000孔/min。一些特殊的激光切割设备甚至能做到加工孔径小于0.1mm的网状过滤筛，且孔的切割精度很高，因此，在精密仪器、环保与医疗器械领域有很好的应用前景。

      2)无人化智能化激光切割

      智能化控制技术的发展促使了工业自动化的升级，激光切割技术的自动化与无人化方向具有发展的必要性和紧迫性，计算机网络技术的应用促使激光切割技术的自动化与无人化成为可能。无人化智能化激光切割技术进一步把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度自动化控制技术相结合，将自动排料、切割工艺数据库、远程诊断、远程控制集成一体，把激光切割的功能部件与其他加工方法组合，制成如激光冲床等多功能加工产线，更符合现代化工厂复杂多变的生产需求。智能化激光切割产线具备激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效等优势，可同时完成复杂零件对下料、切割、打孔、打标、划线、成形等不同特征的一体式加工需求。一种激光自动下料与加工集成产线如图2所示，此产线还配备了自动下线堆垛机器人，可完成订单套裁工件从上线到下线的全过程自动化生产需求。
4.小结

      随着激光切割工艺水平不断提升，国家工业水平也在持续提高，结合国外行业发展动态以及各领域先进技术的应用，激光切割作为一项具有诸多优势的现代化加工技术，无论是从其发展前景，还是应用的重要性，对整个工业现代化转型升级都具有积极的促进作用，未来将搭载更加先进的技术集成综合性的激光切割加工单元。