DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2012.09.070
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2012年05月
●切割技术●
激光切割技术国内外研究现状
孙晓东，王松，赵凯华，李国庆
（西门子电气传动有限公司，天津300384）
摘
要：总结了激光切割技术的特点，介绍了国内外激光切割设备和加工工艺研究现状，对激光切割工艺未来的发
展提出了建议。
关键词：激光切割；激光器；工艺参数；精密加工中图分类号：TG485
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2012)09-0214-03
Research Progress of Laser Cutting Technology Domestic and Overseas
SUN Xiaodong, WANG Song, ZHAO Kaihua, LI Guoqing
（Siemens Electrical Drives Ltd., Tianjin 300384）
Abstract ：Laser cutting is one kind of advanced technology in the world. It is one of the most important parts in laser machining area. The characters of laser cutting equipment and laser cutting process are introduced, and the development trend of laser cutting process in the future is suggested.
Key words ：laser cutting; lasers; process parameter; precision machining
激光是自1960年问世后就很快发展并在实际中得到应有的高新技术。随着对相关基本理论研究的不断深化，各类激光器元件的不断发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著[1]。
激光切割技术以其切缝窄、工件变形小、无接触性，以及广泛的适应性和灵活性在工业领域应用广泛，而且整个工艺过程对环境没有污染。其最主要的四个工艺参数为：激光功率、切割速度、焦点位置及辅助气体压力。本文综述了国内外激光技术的研究现状, 并对今后的发展趋势做出了展望。
气体压力5MPa 、焦距65mm 时获得优质的切缝。
郭建等[3]利用有限元分析软件建立了适合激光切割钣金件的三位实体模型，介绍了钣金件在自重和激光切割热源共同作用下，进行切割时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。
梁昆等[4]在对激光切割紫铜板的工艺研究中发现，当选用激光功率为3kW 、离焦量选择工件下表、辅助切割气体压力2×105Pa 、切削速度依据经验公式V ＝1.3×(1－R ) P t /(KDd )(其中R 为材料反射率，P t 为激光输出功率，K 为材料导热系数，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[5]采用PHC-1500型激光器切割18mm 厚模切板，研究发现切割深度与切割速度成反比，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。
汤漾平等[6]通过研究激光切割焦点位置控制系统的结构模型，确定了控制系统必须满足的性能指
1国内研究现状
目前，国内主要研究方向在钢板的激光切割工艺方面，少数涉及到有色金属的切割工艺。
湖南大学激光研究所[2]分析了焦数比、聚焦光斑直径、辅助气体压力和切割速度对切割质量的影响，研究表明，在保证焦深的前提下，光斑直径越小，切缝越窄，切口表面粗糙度越低。而光斑直径与焦数比有关，在焦数比取最佳值的前提下，焦距实际上由光斑直径决定。采用激光器切割石油割缝筛管和电力机车定子的端板研究发现，在切割速度为0.8m/min、辅助
收稿日期:2011-11-07
作者简介:孙晓东（1978-），男，山东威海人，本科，主要从事激光切割
技术工作；电话：022-23901432；E-mail ：[email protected]
214
Hot Working Technology 2012, Vol.41, No. 09
上半月出版
标，进而提出PID 的控制方案，使系统获得较好的动态特性。试验表明，运用此种方案，系统对楔形工件和起伏工件的跟踪均能满足要求。
佟明等[7]利用5kW 横流CO 2激光器对3mm 厚
产效率。
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
金清肃等[13]在汽车桥壳的焊接中，应用激光切割的方法改进冲裁下料工艺，较好的解决了传统下料工艺中存在的切割质量差的问题，同时还降低了生产成本，提高了焊接效率。对于小批量冲裁下料的焊接件也可直接采用激光切割下料，减少模具的投入。
滕杰等[14]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。
杨苏庆等[15]在CO 2激光切割机对板材加工应用分析基础上，对其设计和应用过程的一些关键技术进行了详细分析，使板材加工技术得到更广泛的应用。
毕玉春等[16]分析了激光切割原理及加工特点，并从理论上和大量的试验结果中，深入研究了影响激光切割加工的相关物理参数及工艺参数，建立了切割速度与材料厚度和激光功率的关系曲线，以便更加直观的探讨激光加工板材厚度、激光功率和切割速度三者之间的内在关系。
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 。试验还证明，切口质量的影响切割速度、激光功率和板材厚度对最大，为保证产品技术性，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[8]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。
郑芳等[9]初步探讨了激光切割在机车钢结构件制造中的应用，按照薄板高压高速，厚板低压低速的原则，并根据实践对影响碳钢钢板切割质量的影响因素进行分析，给出了1～10mm 厚钢板激光切割的主要工艺参数。
陈继民等[10]提出用实验设计与人工神经网络相结合的方法，建立了一个激光切割工艺参数的选择优化的智能系统。通过试验设计的方法，只需做少数切割试验，将结果输入人工神经网络中进行训练和学习，系统便可经过自学得到切割结果与切割参数之间的隐含定量关系，获得切割知识。此方法结合了大量工艺试验与专家经验的优点，使结果预测建立在既有实验数据又有专家知识的基础上，因而准确可靠。
何月鹏等
[11]
2国外研究现状
由于国外的激光切割工艺比较成熟，目前的研究领域主要集中在数字模型对切割过程的模拟，以及特殊情况下的激光切割。
宾夕法尼亚大学Akarapu 等[17]用3D 有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力。研究了激光切割最主要的三个参数，即光斑直径、激光功率和光斑与工件的位置。研究发现，切缝的形状随着参数的改变而发生变化。
美国爱荷华大学Hsu 等[18]用CO 2激光切割机对不锈钢板进行切割试验。对6.35mm 厚AISI-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(其中一个同轴，一个侧吹) 下，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
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。
王斌修等[12]用YAG 脉冲激光器对1Cr18Ni9Ti 不锈钢进行切割试验，探讨了其加工的工艺特点，分析了激光功率、切割速度、焦点位置以及辅助气体的压力等对切割质量的影响。试验结果表明，只要工艺参数选择适当，可获得很好的切口质量，且能提高生《热加工工艺》2012年第41卷第09期
Cr 2O 3，这一结论说明板材的防腐蚀性能未被破坏。
波多黎各大学Gustavo Gutierrez 等[19]用数字模拟的方法对激光切割过程进行了仿真，分析了激光功率、切割速度等工艺参数对切割质量的影响。与
Roy 和Modest 等试验进行比对，结果相符。文章还
得出结论，在激光切割过程中，对流和热辐射对热量
215
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 流失无明显影响。
法国核安全和防辐射研究所GuyPilot 等[20-21]用
[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]
2012年05月
张屹, 龙辉, 李力钧．提高激光切割精度的试验研究[J]．湖南大学学报(自然科学版), 2001,28(3):37-40.
郭建, 兰天亮, 陈康．激光切割钣金件时的工件变形分析方法
Nd-YAG 激光器切割核反应堆废旧脱水器，材料为Uranus65钢，试验在35m 2通风实验室进行。试验结
果表明，与锯切、50A 等离子切割、200A 等离子切割、1kW 无辅助气体激光切割相比，4kW 激光切割无次生污染，且产生浮质最少，是核反应堆脱水器拆除切割的最佳选择。Pilot 还对YAG 激光器切割板厚进行了研究，试验表明，8kW 固体激光器能成功切割100mm 厚A42钢。
意大利博洛尼亚大学Marco Troncossi 等[22]为提高激光切割质量，对激光器的振动进行了研究。作者建立了弹性动力学模型，在模型分析的基础上揭示了“时间/空间历史”结构的应激反应。通过对激光器关键部件的优化设计，使其振动行为得到有效的改善，从而提高了激光切割质量。
[J]．激光杂志,2011,32(1):47-48.
梁昆, 陈康．激光切割紫铜板的工艺研究[A]．2006中西南十省区(市) 焊接学会联合会第九届年会论文集[C]．157-158. 谢小柱, 胡伟．激光切模切板的参数研究[J]．机械工程师,
2008,(6):25-26.
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.
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.
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.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.
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.
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.
王斌修, 贺敬地．激光切割不锈钢板的工艺研究[J]．电加工与模具,2011,(2):61-64.
金清肃, 娄晨辉, 赵晓明, 等．激光切割在汽车桥壳焊接中的应用[J]．焊接,2006,(7):48-50.
滕杰, 王斌修．激光切割过程中常见问题的分析及解决措施
Neimeyer 等[23]用CO 2激光器对楔形工件进行
切割试验。通过一系列试验研究了激光切割中走刀速度、辅助气压对切割质量的影响。试验分别给出了走刀速度和辅助气压变化下工件毛刺变化的趋势以及工件厚度对毛刺大小的影响。试验结果表明，在高的走刀速度和小的辅助气压下，切割的毛刺较小，而工件厚度对毛刺大小影响不明显。
[J]．电加工与模具,2009,(4):60-61.
杨苏庆, 周骥平．激光切割板材的关键技术[J]．机械制造与自动化,2007,36(6):68-70.
毕玉春, 汪小锋．浅谈激光切割技术[J]．中国水运,2007,5(4):
194-195.
Akarapu R, Segall A E ．Investigation of an active stressing technique for delaying fracture during laser cutting of alumina [A]．2004[18]
ASME
International
Mechanical
Engineering
Congress and Exposition[C]．1-7.
Hsu M J, Molian P A ．Off-axial, gas-jet-assisted, laser cutting of 6.35-mm thick sStainless steel [J]．Journal of Engineering For Industry, 1995,117:272-276.[19]
Gustavo Gutierrez, Juan Guillermo Araya ．Transient, three-di-mensional numerical model of a laser cutting process change consideration [A]．2004ASME International Mechanical Engi-neering Congress and Exposition[C]．109-116. [20]
Guy Pilot ．Synthesis of results obtained with laser cutting, a promising dismantling[A]．2010Proceedings of the 18th Inter-national Conference on Nuclear Engineering[C]．1-7. [21]
Guy Pilot, Sylvain Fauvel ．Dismantling of evaporators by laser cutting measurement of secondary emmission [A]．2010Pro-ceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engi-neering[C]．203-210. [22]
Macro Troncossi, Enrico Troiani, Alessandro Rivola ．Design op-timization of a laser cutting machine by elastodynamic modeling [A]．2008ASME Process of the 9th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis[C]．1-9. [23]
Neimeyer R, Smith R N, Kaminski D A ．Effects of operating parameters on surface quality for laser cutting of mild steel[J]．Journal of Engineering For
Industry,1993,115:359-362.
3结束语
综上所述，激光切割技术已受到国内外研究者的重视并取得了一定的进展。由于试验条件及工艺参数的不同，得到的结果也有一定的出入。由此可见，为进一步提高激光切割的质量，应该加大研究力度，今后需要从以下几方面努力：
（1）激光器方面：随着科技的发展，激光切割技术将向着大功率、智能化方向迈进。所以，应大力开发适合激光切割用的大功率激光器以及相应的自动控制技术。
（2）切割工艺方面：改进现有工艺，探索新的切割工艺，将激光切割技术推广到更多的生产领域。
（3）国际合作方面：与德、美等国相比，我们在激光切割领域还落后很多，很多方法和经验值得学习借鉴，应加强与技术先进国家的技术交流。参考文献:
[1]
关振中．激光加工工艺手册[M]．北京:中国计量出版社,
1998.265.
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DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2012.09.070
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2012年05月
●切割技术●
激光切割技术国内外研究现状
孙晓东，王松，赵凯华，李国庆
（西门子电气传动有限公司，天津300384）
摘
要：总结了激光切割技术的特点，介绍了国内外激光切割设备和加工工艺研究现状，对激光切割工艺未来的发
展提出了建议。
关键词：激光切割；激光器；工艺参数；精密加工中图分类号：TG485
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2012)09-0214-03
Research Progress of Laser Cutting Technology Domestic and Overseas
SUN Xiaodong, WANG Song, ZHAO Kaihua, LI Guoqing
（Siemens Electrical Drives Ltd., Tianjin 300384）
Abstract ：Laser cutting is one kind of advanced technology in the world. It is one of the most important parts in laser machining area. The characters of laser cutting equipment and laser cutting process are introduced, and the development trend of laser cutting process in the future is suggested.
Key words ：laser cutting; lasers; process parameter; precision machining
激光是自1960年问世后就很快发展并在实际中得到应有的高新技术。随着对相关基本理论研究的不断深化，各类激光器元件的不断发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著[1]。
激光切割技术以其切缝窄、工件变形小、无接触性，以及广泛的适应性和灵活性在工业领域应用广泛，而且整个工艺过程对环境没有污染。其最主要的四个工艺参数为：激光功率、切割速度、焦点位置及辅助气体压力。本文综述了国内外激光技术的研究现状, 并对今后的发展趋势做出了展望。
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郭建等[3]利用有限元分析软件建立了适合激光切割钣金件的三位实体模型，介绍了钣金件在自重和激光切割热源共同作用下，进行切割时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。
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目前，国内主要研究方向在钢板的激光切割工艺方面，少数涉及到有色金属的切割工艺。
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收稿日期:2011-11-07
作者简介:孙晓东（1978-），男，山东威海人，本科，主要从事激光切割
技术工作；电话：022-23901432；E-mail ：[email protected]
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Hot Working Technology 2012, Vol.41, No. 09
上半月出版
标，进而提出PID 的控制方案，使系统获得较好的动态特性。试验表明，运用此种方案，系统对楔形工件和起伏工件的跟踪均能满足要求。
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产效率。
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
金清肃等[13]在汽车桥壳的焊接中，应用激光切割的方法改进冲裁下料工艺，较好的解决了传统下料工艺中存在的切割质量差的问题，同时还降低了生产成本，提高了焊接效率。对于小批量冲裁下料的焊接件也可直接采用激光切割下料，减少模具的投入。
滕杰等[14]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。
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毕玉春等[16]分析了激光切割原理及加工特点，并从理论上和大量的试验结果中，深入研究了影响激光切割加工的相关物理参数及工艺参数，建立了切割速度与材料厚度和激光功率的关系曲线，以便更加直观的探讨激光加工板材厚度、激光功率和切割速度三者之间的内在关系。
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 。试验还证明，切口质量的影响切割速度、激光功率和板材厚度对最大，为保证产品技术性，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[8]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。
郑芳等[9]初步探讨了激光切割在机车钢结构件制造中的应用，按照薄板高压高速，厚板低压低速的原则，并根据实践对影响碳钢钢板切割质量的影响因素进行分析，给出了1～10mm 厚钢板激光切割的主要工艺参数。
陈继民等[10]提出用实验设计与人工神经网络相结合的方法，建立了一个激光切割工艺参数的选择优化的智能系统。通过试验设计的方法，只需做少数切割试验，将结果输入人工神经网络中进行训练和学习，系统便可经过自学得到切割结果与切割参数之间的隐含定量关系，获得切割知识。此方法结合了大量工艺试验与专家经验的优点，使结果预测建立在既有实验数据又有专家知识的基础上，因而准确可靠。
何月鹏等
[11]
2国外研究现状
由于国外的激光切割工艺比较成熟，目前的研究领域主要集中在数字模型对切割过程的模拟，以及特殊情况下的激光切割。
宾夕法尼亚大学Akarapu 等[17]用3D 有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力。研究了激光切割最主要的三个参数，即光斑直径、激光功率和光斑与工件的位置。研究发现，切缝的形状随着参数的改变而发生变化。
美国爱荷华大学Hsu 等[18]用CO 2激光切割机对不锈钢板进行切割试验。对6.35mm 厚AISI-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(其中一个同轴，一个侧吹) 下，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
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。
王斌修等[12]用YAG 脉冲激光器对1Cr18Ni9Ti 不锈钢进行切割试验，探讨了其加工的工艺特点，分析了激光功率、切割速度、焦点位置以及辅助气体的压力等对切割质量的影响。试验结果表明，只要工艺参数选择适当，可获得很好的切口质量，且能提高生《热加工工艺》2012年第41卷第09期
Cr 2O 3，这一结论说明板材的防腐蚀性能未被破坏。
波多黎各大学Gustavo Gutierrez 等[19]用数字模拟的方法对激光切割过程进行了仿真，分析了激光功率、切割速度等工艺参数对切割质量的影响。与
Roy 和Modest 等试验进行比对，结果相符。文章还
得出结论，在激光切割过程中，对流和热辐射对热量
215
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 流失无明显影响。
法国核安全和防辐射研究所GuyPilot 等[20-21]用
[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]
2012年05月
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意大利博洛尼亚大学Marco Troncossi 等[22]为提高激光切割质量，对激光器的振动进行了研究。作者建立了弹性动力学模型，在模型分析的基础上揭示了“时间/空间历史”结构的应激反应。通过对激光器关键部件的优化设计，使其振动行为得到有效的改善，从而提高了激光切割质量。
[J]．激光杂志,2011,32(1):47-48.
梁昆, 陈康．激光切割紫铜板的工艺研究[A]．2006中西南十省区(市) 焊接学会联合会第九届年会论文集[C]．157-158. 谢小柱, 胡伟．激光切模切板的参数研究[J]．机械工程师,
2008,(6):25-26.
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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.
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.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.
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王斌修, 贺敬地．激光切割不锈钢板的工艺研究[J]．电加工与模具,2011,(2):61-64.
金清肃, 娄晨辉, 赵晓明, 等．激光切割在汽车桥壳焊接中的应用[J]．焊接,2006,(7):48-50.
滕杰, 王斌修．激光切割过程中常见问题的分析及解决措施
Neimeyer 等[23]用CO 2激光器对楔形工件进行
切割试验。通过一系列试验研究了激光切割中走刀速度、辅助气压对切割质量的影响。试验分别给出了走刀速度和辅助气压变化下工件毛刺变化的趋势以及工件厚度对毛刺大小的影响。试验结果表明，在高的走刀速度和小的辅助气压下，切割的毛刺较小，而工件厚度对毛刺大小影响不明显。
[J]．电加工与模具,2009,(4):60-61.
杨苏庆, 周骥平．激光切割板材的关键技术[J]．机械制造与自动化,2007,36(6):68-70.
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194-195.
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International
Mechanical
Engineering
Congress and Exposition[C]．1-7.
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3结束语
综上所述，激光切割技术已受到国内外研究者的重视并取得了一定的进展。由于试验条件及工艺参数的不同，得到的结果也有一定的出入。由此可见，为进一步提高激光切割的质量，应该加大研究力度，今后需要从以下几方面努力：
（1）激光器方面：随着科技的发展，激光切割技术将向着大功率、智能化方向迈进。所以，应大力开发适合激光切割用的大功率激光器以及相应的自动控制技术。
（2）切割工艺方面：改进现有工艺，探索新的切割工艺，将激光切割技术推广到更多的生产领域。
（3）国际合作方面：与德、美等国相比，我们在激光切割领域还落后很多，很多方法和经验值得学习借鉴，应加强与技术先进国家的技术交流。参考文献:
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Hot Working Technology 2012, Vol.41, No. 09