随着激光加工技术的不断发展．激光切割在越来越多的领域中发挥起重要作用。介绍了国内外高功率激光切割技术的发展现状、发展趋势、市场应用现状及前景分析，提出了我圜高功率激光切割产业的技术发展方向。

1 引言

    激光加工技术是融合了光、机、电、材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术。它与现代数控技术相结合构成的高效自动化加工设备，可以突破许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，在能源、交通运输、钢铁冶金、船舶与汽车制造、电子电气工业、航空航天等国民经济支柱产业发挥了不可替代的作用。
    目前，汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需激光切割设备，特别是高端设备，所以提高我国激光切割设备制造水平十分重要。它既可以满足国内市场需求，打破国外在该领域的技术垄断，又可以促进我国激光切割技术的进步。实现更高速度、高精度、智能化激光切割将是数控激光切割技术发展的目标。

2 发展数控激光切割机产业的重要意义及其市场分析

2.1 发展数控激光切割机产业的重要意义
    在高功率数控激光切割成套设备开发及制造方面，经过十几年的发展，我国激光切割技术及装备从无到有，已逐步形成一定产业规模。2007年国内大型激光切割设备的销售额达到15亿元，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，严重制约了我围困民经济的发展。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。
    随着我国船舶、汽车、航空航天、钢铁、发电设备等行业的快速发展，全球制造业的中心向我国转移，我国数控激光切割成套设备市场需求年增长速度达到50％以上，数控激光切割技术更以其柔韧性和灵活性在薄板加工领域逐步取代了传统加工手段。针对汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需的激光切割设备，攻克大幅面高精度数控激光切割的床身机械设计、基于高速切割的直线电机驱动及相关运动系统、基于5轴联动三维激光切割技术、高功率光束传输技术、数控切割软件、厚板激光切割技术等技术难题，解决高功率激光器、激光传输控制、精密机床、数控系统等核心技术，开发高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统，对打破国外厂家在该领域的垄断，实现进口替代，节约外汇储备，满足国内市场的需求，积极带动我国关键行业装备制造业的快速健康发展具有重要意义。另外，还可带动相关产业链的延伸与发展，大力推动大功率激光器、光学零部件、导光系统、数控系统、电气控制系统、精密机械加工、精密仪器仪表、电子元器件、计算机软件等上游产业链的技术进步和产业升级。

2.2 数控激光切割机的市场应用现状和前景分析
    高功率数控激光切割成套设备全球累计拥有量已达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。随着装备制造业的快速发展，我国数控激光切割成套设备已进入快速增长期，年增长率达50％以上。应用行业包括：汽车、船舶、航空、核工业、机械制造、钢铁、纺织、石油、激光加工中心等。
    在2006年全国激光加工学术年会上，专家们认为：到“十一五”末期，我国每年至少需要1500多台套高功率数控激光切割机，到“十二五”末期，我国高功率数控激光切割机市场需求量将达到10000台套，其中除了通用激光切割机之外，对高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统的需求也与日俱增。
    近几年国内高功率数控激光切割机的市场增长趋势如下图所示。

近年国内高功率数控激光切割机市场增长趋势图

    国外汽车生产过程中，普遍采用三维激光切割机对覆盖件、门板等进行精确切边。再采用激光焊接机械手进行高质量自动焊接，不仅确保产品质量，而且生产效率极高。在样车开发和小批量生产中，高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具，不仅节省大量模具，同时使新车型的开发周期大为缩短。在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中均的采用激光加工。激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。国内已有汽车生产企业引进激光切割和激光焊接生产线，其他企业在未来的发展规划中也都有引进计划。三维激光切割机对提高新车型开发速度具有重要的促进作用。#p#

    开发高精度三维激光切割机，对提高我国航天航空技术装备水平具有重要的战略意义。国防军事装备对高性能激光切割机的需求更为迫切，如三维立体激光切割机在直升飞机螺旋桨曲面加工中的应用，可以大大缩短产品试制时间，提高部件性能。
    在世界市场上，激光切割机正在向高功率、大幅面、厚板材方向发展。切割焊接是造船行业最基础的加工工艺，目前我国船用钢板切割一般采用火焰切割、等离子切割，由于精度有限，特别是对特殊材料的甲板和船体材料，许多国外大型造船厂普遍采用大幅面厚板材激光切割机，国内造船企业已经开始进行设备选购，特别是特种用途的船艇，采用激光切割已经成为一种必须的加工手段。预计在未来5-10年，这一应用行业的生产需求极大。随着“精密造船”时代的来临，高功率CO₂激光切割技术及装备在先进国家造船业得到了越来越广泛的普及应用。
    大幅面厚板材激光切割机在其他重要行业也有迫切的需求，如航空航天发动机转子毂的切割、钢铁冶金行业热轧钢坯的激光切割、坦克、装甲车厚装甲精密切割、发电设备中发电机组转子的精密切割等。
    随着我国铁路建设、公路建设、水利建设、水电建设、能源、矿山建设、建筑业等重大工程的推进，到2015年，我国工程机械市场需求量将达到2000亿元以上，大幅面厚钢板激光切割机将在我国工程机械行业得到普遍应用。2007年，国内某著名重工机械企业对27台3m×30m大幅面20mm厚钢板激光切割机进行招标，由于国内激光企业无厂家符合技术要求，所有订单都被国外厂家获得。另一重工企业需求6台3m×30m大幅面20mm厚钢板激光切割机。也全部由国外厂家中标，仅此两家合同金额就高达2亿元。
    全球激光制造技术发展飞速，我国与国际激光技术水平的差距有所增大，高端的激光加工成套装备几乎全部依赖进口，致使国外激光制造装备在我国市场的占有率高达70％。预计未来10年内，我国对这些高性能激光切割系统的市场需求量将达到100亿元。如此迫切和巨大的市场需求反应出激光加工的手段已经覆盖到国民经济各个重要领域，同时也影响着国防、航空航天等关键技术的突破，我们不仅仅是解决目前国内该产品的空白，同时也旨在解决激光加工领域多层面技术核心问题，如激光数控、激光机床新型结构、高质量激光加工的技术瓶颈等。

3 技术现状、发展趋势以及需突破的共性关键技术

3.1 国外数控激光切割技术现状与发展趋势
    目前，国际上有代表性的激光切割设备制造商有：德国通快TRUMPF公司，瑞士百超BYSTRONIC，意大利PRIMA，美国WHITNEY公司和日本TANAKA公司等，他们的代表性技术如下表。这些国际知名公司已陆续开发出了大功率、大幅面、高速、飞行光路，三维立体、数控自动的激光切割机，并且每年都在推出新的机型。如百超2002年推出加速度2g，2007年推出3g的高速机床，技术发展之迅速可见一斑。
    随着激光切割的逐步普及，市场要求进一步提高切割效率(高速切割)、降低待机时间(自动上下料系统)、扩大应用面(向三维立体切割、厚板、高反射材料发展)、降低运行成本(降低电耗)等。国外激光切割技术发展趋势有：

国际代表性激光切割设备制造商主要技术表

3.1.1 高速度
    在设备的运行速度上，目前多家企业竞相开发高速高精度切割机，用以取代机械冲床，例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED机型，切割速度可达40m／min，加速度为3g，可切割20 mm的不锈钢，12mm的铝合金和6mm的紫铜等，其电耗仅60kW，机器有效利用率可达95％，在薄板加工效率上与冲床相当。
    普瑞玛工业公司最新推出的SYNCRONO机床则采用了一种与众不同的全新设计理念，首次在激光切割设计中引入了并联机床的概念，并将两台机床合二为一：一台具有极高动态性能和极轻重量的小型切割机床(切割头)和一台负责在大加工范围内移动的大型传统机床，两者之间通过数控实现完美的同步运动和最佳的加工效率优化。由于切割头部分的重量极轻，故能实现非常高的动态性能，同时机床还采取了特殊的动态平衡设计和专门优化的驱动控制算法，使其在高速运动的同时轨迹光滑且完全避免了振动。这种设计的结果使SYNCRONO机床达到了一种超乎想象的加T效率，其切割时的加速度可达6g，一分钟内可以切割1000个孔，几乎比目前市场上最快的切割机还要快一倍。同时其运行成本远远低于对手，实际上，SYNCRONO正在开创一个激光切割新时代。
3.1.2 多自由度
    激光切割机广泛地应用到复杂曲面，工件的加工，如激光切割机器人、专门用于管材切割的2.5D激光切割机、3D光纤传输激光切割机等。
    以前的三维激光切割机只能进行汽车内饰件的切割，无法加工金属冲压件。普瑞玛工业公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为汽车车身加工的一种精密、灵活的加工手段，广泛应用于汽车、航天航空工业、工程机械、模具、健身器材、钣金加工等制造领域。
3.1.3 大幅面大厚板
    目前，国际上出现了“精密造船”的概念，美国、欧盟、日本、韩国等围家和地区的船舶制造普遍采用高功率激光切割技术。目前国外主流大幅面激光切割机一般采取机载激光器结构，加工幅面为3m×25m，切割板厚可达到40mm，在船舶、舰艇等行业得到越来越多的应用。
3.1.4 智能化
    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和自动化的T件定位相结合，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机，更符合工厂复杂加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特点，可同时完成切割、打孔、打标、划线、成形等。