激光切割技術國內各領域的研究現狀及展望*

高勝學,丁興平,李小海

(佳木斯大學,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

激光技術于20世紀六七十年代開始應用[1],并因其良好的方向性、高亮度和單色性而被廣泛應用到各個領域。到目前為止,已經開發出20多種激光加工技術,如激光快速成型、激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光手術等等。激光切割是激光加工中應用最早、最多的技術,它具有切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割質量好、熱影響區小、加工柔性大等優點,因此在現在工業中得到了廣泛的應用。我國激光切割應用日益廣泛,激光切割工藝及裝備的研發逐步由鋼結構擴展為有色金屬結構。與此同時,國外激光切割工藝及設備的研發趨于高端化,各大企業在關注激光器優化提升、切割過程模擬仿真研究的基礎上,加強了對大功率、智能化激光切割設備和特殊環節激光切割技術的研發。當前,激光切割工藝在我國傳統產業升級改造過程中的應用潛力增大。因此,亟需將激光切割工藝與現有技術相匹配,并將其推廣到更多的生產領域,以挖掘激光切割工藝在各領域的發展潛力,并提高大功率激光切割設備的智能化水平[2]。筆者以激光切割技術在汽車、船舶、航天、醫療和核退役領域的應用情況進行闡述和分析,結合國內外相關領域發展現狀,分別對它們未來的發展方向進行了探討和展望。

1 激光切割機理

激光切割利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,此方式可以在極短時間內將材料局部溫度加熱到幾千至上萬攝氏度,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點;同時,借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,將工件割開,達到切割材料的目的。激光切割是一種熱切割過程[3]。激光切割區示意如圖1所示。

圖1 激光切割區示意

激光切割過程發生在切口終端處的表面,稱為燒蝕前沿。激光和氣流在該處進入切口,激光能量一部分被燒蝕前沿所吸收,一部分穿過切口或經燒蝕前沿向切口空間反射。燒蝕前沿由吸收的激光和切割過程中的放熱反應所加熱、熔化或汽化,并被氣流吹除。部分熱量或通過熱傳導傳入基體材料,或通過輻射損耗,或通過對流換熱被氣流帶走。

2 激光切割在不同領域的研究現狀

2.1 汽車行業

傳統的切削加工方式對汽車零部件加工質量的提升存在一定的限制。為了加工出質量更好的汽車零部件,推動汽車行業的發展,激光切割技術逐漸在汽車行業中得到廣泛應用和普及。

2011年無錫華聯科技集團制造出了用于汽車制造的GJ-3015型光纖激光切割機[4],該款激光切割機可對汽車制造中比較常用的鋼、鋁等材料實現最優切割。陳博等[5]設計了一套能在二維和三維切割中自由切換的汽車覆蓋件激光切割柔性工裝,該工裝解決了目前車身覆蓋件激光定位工裝存在的定位不準、易損壞、無法共用等問題。高志遠等[6]提出了一種激光切割控制系統,該系統利用了PLC,提高了光纖激光切割汽車熱成型件的生產效率。趙霖[7]通過研究激光切割在汽車內飾儀表板中的制造應用情況發現,激光切割具有局限性,存在激光切割邊緣碳化問題。黃曉東等[8]采用激光切割工藝對制件進行改制,實現了鈑金件的變更,證明了此種方法應用在變型車開發中的可行性,它可以降低工作設備的投入,從而拓寬了激光切割在汽車領域的應用范圍。李香美[9]將VR(虛擬現實技術)與機器人汽車覆蓋件激光切割技術融合,構建了一種桌面交互式虛擬三維激光切割系統,該系統可以減少實際生產中的前期規劃成本的投入,使工程師可以在計算機中實現合理的前期規劃。童純等[10]研究了三位五軸激光切割機的同步功能,并將同步功能與PLC報警方案進行了對比試驗,證明了同步功能有利于檢測激光切割機的缺料和撞擊,提高了機床的穩定性。針對激光在切割一些特殊材料時的局限性,國外學者也開展了一些研究,Nisar S等[11]對激光切割玻璃的局限性和現狀進行了分析,為玻璃切割的激光加工技術應用于汽車、建筑、醫療等工業用途提供了參考和借鑒。

2.2 船舶制造

自20世紀引進數控切割機和門式切割機以來[12],我國造船對激光切割的應用不斷擴寬和加深。考慮到船舶制造的材料的厚度范圍、對工作人員人體的危害程度以及技術成熟程度,現階段激光切割技術的應用設備主要為CO2激光切割機[13]。羅文清等[14]以南通中遠川崎船舶工程有限公司對NC激光切割機的應用情況為例,分析指出了激光切割在造船業中應用的優缺點,從而得到了適合激光切割機切割的船體零件。吳毅雄[15]闡述了氣體激光切割在船舶制造中的巨大優勢,并提出了激光切割將會成為船板切割的主打工藝方法。楊潤黨等[16]從船舶薄板激光切割、激光焊接、機器人焊接、產線工藝設備集成管控等方面研究了船舶薄板分段產線技術的發展趨勢。陳希章等[17]研究發現,在現階段我國船舶制造行業中,CO2激光切割是最為普遍的激光加工技術,但常用的5～6 kW的CO2激光切割機無法滿足現階段下船舶制造業快速發展的要求,因而并未占據主導地位。

國外學者Seo Y等[18]對50 mm厚水泥基材料的高功率光纖激光切割進行了研究,證明了使用多模光纖激光器在激光切割水泥基材料中的適用性。水泥基材料在不同的海洋工程中都有應用,此研究證明了光纖激光切割在船舶制造領域應用的可行性,為國內船舶制造領域的發展指明了方向。

2.3 航天領域

2014年8月,中國航天科工四院紅陽公司打造了國內第一臺切割功率在2 000 W以上、切割厚度在6 mm以內的光纖激光切割設備,該設備完成了對多個型號鈦合金蒙皮的下料,解決了以往因鈦合金蒙皮強度大、耐高溫而不易加工的難題。對于航空零部件被激光切割后出現激光切割痕跡、掛渣嚴重及缺口的問題,賴仁亭等[19]對常用的結構鋼、不銹鋼板料進行了切割實驗,發現通過優化參數可以使切割質量得到明顯改善。邱兆峰[20]對扇形葉型板、隔熱屏和化纖零件展開研究,發現將激光器的切割特性和智能控制手段相結合,可以充分滿足航空發動機零部件的制造要求。韓斌慧等[21]以航空發動機的鎖片為研究對象,對這種發動機裝配時要更換的易耗品進行了激光切割的可行性研究。隨著科學家對航天制造領域研究的不斷加深,學者們也開始對應用到航天制造的其他復雜材料進行深入研究。何春燕等[22]對Kapton復合膠膜進行了切割實驗,進行了激光工業參數研究。張加波等[23]對纖維復合材料進行了理論、仿真、實驗研究。

在航空航天領域,鎳基高溫合金、鈦合金、鎢合金等難加工金屬材料由于具有高硬度、高強度等優異性能,應用范圍十分廣泛。而如何提高零件表面完整性成為航空航天制造領域的一個熱點問題,Liu J等[24]對鎳基高溫合金、鈦合金、鎢合金等材料的表面完整性進行了研究,總結了目前切削表面完整性對零件使用性能影響的研究成果。Zhiwei Y等[25]對鎢合金的切削工藝進行了分析,該分析對促進鎢合金切削技術的研究應用具有重要意義。

2.4 醫療行業和核退役領域

早在20世紀末,CO2激光切割已經成功進行了多指畸形(重復指)切割[26]。當前,隨著激光切割技術的快速發展,激光切割已經能滿足對硬度更高的板材等的切割。2018年7月13日,Manz集團宣布激光玻璃切割技術正式進軍醫療行業,其研發的DLC820激光切割系統與傳統的激光切割工藝相比,產量高出4倍。邵燕等[27]對醫療領域鈑金結構設計中的沖裁工藝進行了激光切割工藝研究,證明了對于較高外觀需求的產品,激光切割可以實現切割。應用于醫療行業的激光切割工藝也在不斷優化,張森浩等[28]研究了一種可穿戴柔性電子的快速制備方法,此方法利用了微納圖案化工藝,為柔性電子的初期設計及后續產業化應用打下了基礎。國外學者Muhammad N等[29]對冠狀動脈支架的激光切割進行了研究,通過不同類型的激光器的研究分析了激光與不同支架材料的相互作用以及激光器的工藝特點和質量、生產率問題。超短脈沖激光在未來的支架制造中越來越受到重視,激光支架切割需要系統優化以實現高產量、高質量和低成本的生產目的。

對于輻射污染強的核退役材料,傳統的切割工具很容易被腐蝕,這極大地影響了核退役過程中金屬構件、管道和設備構件的切割效率[30]。激光切割技術具有環保、高效等性能,國外學者對其做了一些相關研究:Tamura K[31]根據輔助氣流條件,對超厚鋼板切割工藝進行了優化。Ambar Choubey[32]研制了一種外徑15 mm的同軸氣體射流小型激光噴嘴,實現了核退役過程中遠距離激光切割,同時證明了激光切割技術在核退役領域應用的優勢及可行性。但因為國內關鍵設備儀器能力欠缺[33],國內學者對于將激光切割技術應用于核退役領域的研究非常欠缺。

3 激光切割技術各領域發展趨勢

目前,國內激光切割技術在各領域的研究不斷拓寬,其未來在汽車制造、船舶制造、航天、醫療及核退役領域的發展有很大的空間和挑戰,以下重點闡述了激光切割技術在各領域的發展趨勢和方向。

(1) 汽車行業。國內的光纖激光切割機已經漸漸替代了CO2激光切割機,與激光切割機配套的工裝及智能控制系統也在快速發展完善。對于一些特殊的材料,例如皮革、玻璃等,國外學者已經對皮革材料激光切割的邊緣碳化問題進行了改善,玻璃的激光切割問題也在研究中。國內學者對這方面研究則尚在起步階段,將激光切割應用于汽車制造行業中特殊材料的切割將是國內學者今后研究的一個方向。

(2) 船舶制造。CO2激光切割機已經能滿足船舶制造中的大部分板材部件的切割,其輔助控制系統和工藝路線的研究也在不斷完善。隨著國家對船舶制造戰略性和前瞻性要求越來越高,CO2切割已經漸漸跟不上國家發展的腳步,所以將切割質量、效率更高的光纖激光切割應用于船舶制造的相關研究意義重大。國外學者已經驗證了光纖激光切割在造船材料切割中的可行性,光纖激光切割在船舶制造中已普及應用,研究光纖激光切割在船舶制造中應用的更多可行性是目前國內學者研究的方向。

(3) 航天領域。光纖激光切割已經廣泛應用于航天領域,實現了對飛機蒙皮、航空發動機各種零部件的高精切割。在國內,針對廣泛應用于航空領域的鎢合金、鎳基高溫合金等的應用研究相當缺乏。隨著國家航空事業快速發展的要求,鎢合金等切割工藝研究以及更多適合于航天事業的特殊材料的探索是現在激光切割研究的重要方向之一。除此之外,研究航天材料的切削表面完整性也是航天制造領域的熱點之一。

(4) 醫療和核退役領域。國內激光切割現在僅用來對鈑金結構、核退役過程中的零部件進行切割處理,對其的相關研究比較欠缺。而國外學者對于醫療行業中冠狀動脈支架的制造研究已經比較成熟,對于核退役領域的激光切割工藝參數的優化技術也趨于成熟。尋找國內激光切割技術在醫療和核退役領域應用的更多可行性是學者們可以繼續深入研究的一個方向。

(5) 在各行各業中,按照激光器運轉方式可將激光切割分為脈沖激光切割和連續激光切割兩大類,前者適用于金屬材料,后者適用于非金屬材料。脈沖激光對金屬材料的切割國內已經普及,連續激光對非金屬材料的切割國內研究尚在起步階段。未來可以對其相關工藝進行深入研究,例如連續激光裁剪木料、布料,制造半導體器件時用連續激光進行劃線等[34]。激光切割在食品、服裝、紡織、電子制造等行業中還有很大的發展空間。

4 結 語

目前,激光切割工藝水平不斷提升,國家工業水平持續提高,對國內各領域激光切割的應用現狀進行分析,發現其不足,并找到適合該領域發展的方向具有重要意義。文中針對汽車行業、船舶制造、航空航天、醫療和核退役領域的激光切割應用進行了分析,并結合國外發展動態找到了各領域未來的發展方向。

我國制造業產業門類齊全、產業體系完整,將激光切割與國內各產業現有技術結合對于激光切割工藝水平的提升以及激光切割在更多制造產業中的應用普及具有重要影響和意義。