激光加工技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展

一、國(guó)外激光加工技術(shù)及發(fā)展動(dòng)態(tài)

　　以德國(guó)、美國(guó)、日本、俄羅斯為代表的少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，目前主導(dǎo)和控制著全球激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向（見附表）。其中，德國(guó)Trumpf、Rofin-Sinar公司在高功率工業(yè)激光器上稱雄天下；美國(guó)IPG公司的光纖激光器引領(lǐng)世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。歐美主要國(guó)家在大型制造產(chǎn)業(yè)，如機(jī)械、汽車、航空、造船、電子等行業(yè)中，基本完成了用激光加工工藝對(duì)傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，進(jìn)入“光加工”時(shí)代。

      經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，激光技術(shù)開辟了廣闊的應(yīng)用天地，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋通信、材料加工、準(zhǔn)分子光刻及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等9個(gè)主要類別。根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料表明，2013年全世界總的激光銷售超過(guò)1000億元。其中全球激光器市場(chǎng)銷售額較2013年增長(zhǎng)6.0%，達(dá)到93.34億美元。美國(guó)市場(chǎng)借助出口方面的出色表現(xiàn)有所增長(zhǎng)；歐洲憑借德國(guó)的出口增長(zhǎng)僅維持收支平衡；亞洲市場(chǎng)，東盟國(guó)家的增長(zhǎng)抵消了中國(guó)的經(jīng)濟(jì)放緩以及日本的零增長(zhǎng)。

二、國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)激光企業(yè)主要分布在湖北、北京、江蘇、上海及深圳等地，已基本形成以上述省市為主體的華中、環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、珠三角四大激光產(chǎn)業(yè)基地，其中有一定規(guī)模的企業(yè)約300家。2014年我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值約為800億元。主要包括：激光加工裝備產(chǎn)業(yè)達(dá)到350億元（其中，用于切割、打標(biāo)和焊接的高功率激光設(shè)備占據(jù)了67%的市場(chǎng)份額）；激光加工在重工業(yè)、電子工業(yè)、輕工業(yè)、軍用、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用達(dá)到450億元。預(yù)計(jì)在今后三年，我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)平均行業(yè)復(fù)合成長(zhǎng)率將不低于20%。

       我國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)可以分為四個(gè)比較大產(chǎn)業(yè)帶，珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、華中地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)。這四個(gè)產(chǎn)業(yè)帶側(cè)重點(diǎn)不同，珠三角以中小功率激光加工機(jī)為主，長(zhǎng)三角以大功率激光切割焊接設(shè)備為主，環(huán)渤海以大功率激光熔覆和全固態(tài)激光為主，以武漢為首的華中地區(qū)則覆蓋了大、中、小激光加工設(shè)備。這四大產(chǎn)業(yè)帶中，以華中地區(qū)尤其是武漢最具代表性，中國(guó)“光谷”的稱號(hào)便是有力的證明。武漢地區(qū)可以說(shuō)見證了中國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)的整個(gè)歷程，是中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的縮影。

三、激光加工的優(yōu)勢(shì)

　　激光加工屬于無(wú)接觸加工,并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料。激光加工柔性大主要用于切割、表面處理、焊接、打標(biāo)和打孔等。激光表面處理包括激光相變硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等。

　　激光加工技術(shù)主要有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益。②可以通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工；在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。③激光加工過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于工件。④可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料。⑤激光束易于導(dǎo)向、聚焦實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合、對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法。⑥無(wú)接觸加工，對(duì)工件無(wú)直接沖擊，因此無(wú)機(jī)械變形，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。⑦激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒(méi)有或影響極小，因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。⑧激光束的發(fā)散角可<1毫弧，光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒，同時(shí)，大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至10kW量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工，又適于大型材料加工。激光束容易控制，易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度。

　　激光加工技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著激光加工技術(shù)、設(shè)備、工藝研究的不斷深進(jìn)，將具有更廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。由于加工過(guò)程中輸入工件的熱量小，所以熱影響區(qū)和熱變形小；加工效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

四、未來(lái)發(fā)展方向

　　1.激光器技術(shù)發(fā)展

　　繼傳統(tǒng)的氣體、固體激光器之后，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、碟片激光器等新型激光器發(fā)展迅速。總體而言，全球激光技術(shù)的主要趨勢(shì)是向高功率、高光束質(zhì)量、高可靠性、高智能化和低成本方向發(fā)展。高功率射頻板條CO2激光器、軸快流CO2激光器、千瓦內(nèi)低成本大功率YAG激光器、碟片固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、全固化可見光及倍頻紫外激光器，皮秒、飛秒激光器。

　（1）高功率工業(yè)光纖激光器高功率光纖激光器是第三代固體激光器。在激光加工領(lǐng)域，光纖激光器有逐步替代傳統(tǒng)YAG、部分CO2激光器的趨勢(shì)。目前商用光纖激光器輸出功率連續(xù)功率已上升到數(shù)千瓦，以至50kW。重點(diǎn)研發(fā)實(shí)用型1~4kW光纖激光器，攻克10kW光纖激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

①高功率光纖激光器用大芯徑摻鐿光纖，為高功率光纖激光器及其核心光纖器件提供配套。

②10kW高功率工業(yè)光纖激光器工程化和產(chǎn)品化，以滿足船舶、汽車、軍工及能源等行業(yè)對(duì)厚鋼板進(jìn)行激光切割、激光焊接等的迫切需求。

③2~4kW連續(xù)光纖激光器，滿足焊接、切割應(yīng)用需求。

　（2）高功率半導(dǎo)體固態(tài)激光器高功率半導(dǎo)體固態(tài)激光器是第四代固體激光器。半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊，壽命期限可達(dá)到10000h，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%~40%。德國(guó)Laserline公司、DILAS公司實(shí)用化半導(dǎo)體激光器達(dá)到8kW。發(fā)展激光增益光纖、激光薄片晶體、激光非線性頻率轉(zhuǎn)換晶體、激光用石英玻璃等激光材料，以及高功率鏡片、傳輸光纖、切割頭、焊接頭、半導(dǎo)體激光泵浦源等激光器件。配套精密機(jī)械零件加工、激光電源、激光光學(xué)元件及數(shù)控系統(tǒng)等單元核心器件。

   （3）高功率、高光束CO2氣體激光器高功率、高光束CO2氣體激光器是激光切割、焊接的主力光源。國(guó)際上75%左右的中厚板切割均采用高功率CO2激光器。采用徑向偏振光的CO2激光器切割效率大約是采用傳統(tǒng)圓偏振激光的兩倍，可大大提高金屬板材激光切割等應(yīng)用的加工速度和效率，將成為高功率工業(yè)CO2激光器的換代產(chǎn)品及我國(guó)激光加工制造裝備中的核心支撐。在軸快流CO2激光器上采用L形空間折疊激光諧振腔的結(jié)構(gòu)形式和偏振選擇鏡的方法產(chǎn)生徑向偏振光，得到穩(wěn)定的高光束質(zhì)量的徑向偏振光。開發(fā)出激光功率>2kW,模式為TEM01，偏振純度大于90%的徑向偏振CO2激光器。徑向偏振光還可應(yīng)用于電子加速、掃描顯微和粒子誘捕等許多尖端領(lǐng)域。

　　2.激光加工裝備發(fā)展

　　基于高功率（2~10kW）工業(yè)激光器的大型激光加工裝備，重點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、汽車、造船及航空航天等行業(yè)應(yīng)用的激光加工系統(tǒng)，包括高功率激光切割、熔覆、熱處理及焊接設(shè)備等。

　　（1）基于船舶、工程機(jī)械應(yīng)用的厚板大幅面的激光切割焊接技術(shù)武鋼船板和管線鋼的高功率光纖激光及其復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用研究。船板采用激光及其復(fù)合焊接技術(shù)可以有效地避免焊接中的鋼板或構(gòu)件變形，提高焊接工作的效率。解決高功率、大幅面、多自由度、飛行光路CO2激光切割系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：包括光路傳輸（擴(kuò)束準(zhǔn)直、等光程、聚焦、光點(diǎn)穩(wěn)定性）、長(zhǎng)懸臂制造技術(shù)、關(guān)節(jié)臂、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高速切割機(jī)、控制系統(tǒng)、先進(jìn)軟件技術(shù)及系統(tǒng)集成的綜合技術(shù)等。使國(guó)產(chǎn)高端大型激光切割設(shè)備在船舶、鋼鐵、工程機(jī)械及軍工等重工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用獲得突破，并取代進(jìn)口設(shè)備。

       （2）汽車板激光連續(xù)精密高速落料裝備針對(duì)0.5~1.5mm汽車板激光切割連續(xù)落料的作業(yè)需求，采用2kW單模光纖激光器，實(shí)現(xiàn)超高速切割，最大切割速度達(dá)到100m/min。攻克以異形汽車板件布料、三激光頭高精度協(xié)同作業(yè)、切割軌跡、高速切割與工藝實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到廢料自動(dòng)剔除作業(yè)率≥99.5%，三頭配置的激光步進(jìn)落料生產(chǎn)線年產(chǎn)量≥100萬(wàn)片。

       （3）激光焊接機(jī)器人基于機(jī)器人激光加工系統(tǒng)應(yīng)用于汽車制造業(yè)。汽車車門、底板激光遠(yuǎn)程掃描焊接成套設(shè)備。采用高功率光纖激光器或者碟片激光器，研究機(jī)器人6軸與振鏡3軸的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，汽車底板激光遠(yuǎn)程掃描焊接生產(chǎn)線與汽車車門激光遠(yuǎn)程掃描生產(chǎn)線工藝規(guī)劃，激光遠(yuǎn)程掃描焊接工藝與質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)等，滿足三維車身焊點(diǎn)的高效定位，車門激光焊接長(zhǎng)度≥4000mm，底板激光焊接長(zhǎng)度≥4000mm，激光焊接速度≥30m/min，用于汽車工業(yè)。

       （4）基于航空航天應(yīng)用的有色金屬的激光焊接系統(tǒng)開發(fā)2~4kW系列半導(dǎo)體激光器及其成套系統(tǒng)，用于大型零件的激光表面淬火，或者激光熔覆；6~10kW智能化高功率光纖激光高效表面制造/再制造裝備。開展鋁、鎂、銅、鈦合金，以及粉末冶金等特殊材料的激光焊接技術(shù)研究，研究高強(qiáng)度鋁合金的填絲材料研究，力爭(zhēng)在厚度為10~20mm的高強(qiáng)鋁合金板激光焊接技術(shù)方面有所突破。研究有色金屬、中厚板高功率光纖激光及其MIG復(fù)合焊接技術(shù)、填絲復(fù)合焊接技術(shù)。

      （5）高功率半導(dǎo)體激光表面制造/再制造裝備集成智能化半導(dǎo)體激光表面強(qiáng)韌化及再制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)距離、溫度、軌跡、處理效果的智能化控制，應(yīng)用于汽車覆蓋件模具、礦山機(jī)械、煤炭機(jī)械、石化機(jī)械及發(fā)電機(jī)組等大型機(jī)械零部件的熱處理或修復(fù)。