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激光在金属加工行业的发展前景

2013年08月14日 09:54中国机床商务网点击:4805

  【中国机床商务网】导读:激光(laser)又称“镭射”,原意为受激辐射产生的光的放大,其理论基础源于1917年爱因斯坦提出的技术理论——光与物质相互作用。在现代社会中,由激光衍生出的各种激光器已经成为装备制造业中不可或缺的元部件,激光及其产品已经成为一个庞大的产业并迸发出勃勃生机。
  
  通常所说的激光器是指用来产生激光的装置,其基本原理是用光、电、化学能或核能等对工作物质进行激励,工作物质吸收外来能量实现粒子数反转,产生受激辐射,经放大或增益后产生强度高、方向性强的激光。激光器的基本结构包括激励源(也称激励抽运系统、泵浦系统)、具有亚稳态能级的工作物质,此外为使光子有一致的频率、相位和运行方向,从而使激光具有良好的方向性和相干性,一般激光器都具有谐振腔。
  
  目前以激光器为基础的激光工业在全球的发展势头非常迅猛,现已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育、科研等方面。激光行业已形成完整、成熟的产业链分布。上游主要包括激光材料及配套元器件;中游主要为各种激光器及其配套设备;下游则以激光应用产品、消费产品、仪器设备为主。
  
  总体而言,激光器自大规模商业应用以来市场一直稳步增长。2009年,受金融危机的影响,全球工业激光器行业受到重大挫折,全球工业激光器销售总额降至14亿美元,比上年下降30%。随着2010年后全球经济的渐渐复苏,受固态激光器以及光纤激光器在半导体、太阳能、医疗设备、显示、LED、航空航天、汽车等行业两位数的增长的带动,激光器行业出现了销量和收入的急剧反弹。2012年,该行业销售回升至历史最高的21亿美元,实现了“鱼钩式”反转。激光系统的销售趋势与激光器类似。
  
  以CO2激光器为代表的气体激光器仍占据行业中的半壁江山,但增长已开始放缓,以Nd:YAG激光器为代表的固体激光器增长平稳,而近年来势头迅猛的光纤激光器则实现了两位数的增长,其他种类的激光器所占的市场份额仍然较小。
  
  在应用规模上,金属加工仍然是激光器运用最广泛、销售最多的领域,占整体销售规模的70%。2011年激光器在该领域的销售收入达到了13.5亿美元。其次是激光打标和激光雕刻,为3.3亿美元。最后是半导体和微加工领域,达到1.47亿美元。
  
  激光可用于各种金属和非金属材料的切割。由于切边受热影响很小,激光切割基本没有工件变形。激光切割具有无毛刺、无皱折、精度高的优点,因此明显优于等离子切割,同时由于激光切割工件变形极小,无刀具磨损,不受被切材料的硬度影响,更优于传统切割。对许多机电制造行业来说,由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件,它往往比冲切、模压工艺更被优先选用。尽管其加工速度慢于模冲,但它没有模具消耗,无须修理模具,节约了更换模具时间,从而节省了加工费用,降低了生产成本。
  
  激光切割主要应用于汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、航天工业使用的钛合金等。目前主要使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器。
  
  激光焊接由于其独特的优点,已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。而高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域,以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。
  
  与其他焊接技术比较,激光焊接的主要优点是:激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊条件下焊接,焊接设备装置简单。例如,激光通过电磁场,光束不会偏移;激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。激光聚焦后,功率密度高,在用高功率激光器焊接工件时,深宽比可达5:1,最高可达10:1。可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。例如,金刚石锯片,用激光将基材(65Mn)和高强超硬的人造金钢石焊接,使这种锯片寿命、价值倍增。可进行微型焊接,激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精密定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。例如,集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装、手机电池的封焊等。采用激光焊不仅生产效率可大大提高,且热影响区小,焊点无污染,从而大大提高了焊接的质量。而且还能焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。近几年来,由于在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密的焊接提供了条件。目前广泛用于激光焊接的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器。
  
  由于激光具有高能量、高聚焦等特性,激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中,使得硬度大、熔点高的材料越来越容易加工。
  
  与传统打孔工艺相比,激光打孔机具有以下优点:速度快,效率高,打一个孔的作用时间只有0.0001至0.000001秒。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率可以提高l0~1000倍;可获得大的深径比;可加工硬、脆、软等各类材料;无工具损耗,等。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体激光器。
  
  激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,通过表层物质的蒸发露出深层物质,或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹,或者是通过光能烧掉部分物质,显出所需刻蚀的图案和文字。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等,字符大小从毫米到微米量级,这对产品的防伪有着特殊的意义。激光打标使用的“刀具”是聚焦后的光点,不需要额外增添其他设备和材料,加工由计算机自动控制,生产时不需人为干预。
  
  激光打标的特点有:非接触加工,可在任何规则或不规则表面打印标记,且打标后工件不会产生内应力;材料适用面广,可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印;可与生产线上的其他设备集成,提高生产线的自动化程度;标记清晰、持久、美观,并可有效防伪;使用寿命长、无污染;加工效率高,计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5~7米/秒),打标过程可在数秒内完成。激光打标在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器。
  
  激光雕刻和激光打标的原理类似,但一般而言,激光打标机工作面小,属于微加工范畴,在精度和效果方面的要求高于激光雕刻机。激光打标机可以加工金属材料,针对的行业比较专业,设备价格通常远高于激光雕刻机。激光雕刻机不适合加工金属材料,且工作面大,工作行程长,精度要求相对较低。目前已有兼顾雕刻和打标功能的大型打标机,但价格很高。
  
  激光雕刻一般指的是在非金属材料上进行雕刻或切割。激光雕刻按雕刻方式的不同分为点阵雕刻和矢量切割。点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动,每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线,然后激光头同时上下移动雕刻出多条线,最后构成整版的图象或文字。与点阵雕刻不同,矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。一般雕刻机可雕刻的材料有:木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属等。
  
  激光热处理是利用高能激光照射到金属表层,通过激光和金属的交互作用达到改善金属表面性能的目的。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化〔即激光淬火〕是激光热处理领域研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺,适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度。激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速扫描金属工件表面,使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固,共同形成硬化层。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方怯,激光冲击强化使用脉冲宽度极短的激光照射到材料表面,可以产生高强度冲击被,使得金属材料的机械性能改善,阻止裂纹的产生和扩展,提高钢、铝、铁等合金的强度和硬度,改善其抗疲劳性能。激光热处理技术在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
  
  激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调,精度可达0.01%~0.002%,比传统加工方法的精度和效率高,而成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01~0.6微米厚)与厚膜电阻(20~50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。
  
  激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分,使惯性轴与旋转轴重合,以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能,可同时进行不平衡的测量和校正,效率大大提高,在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子,激光动平衡可成倍提高平衡精度,其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。
  
  激光划线技术是利用激光器作为光源,经过一组透镜组合整合后发射出高准直度的点状光源,在经过特制棱镜打散后形成一条亮度均匀的光线。由于采用特殊设计的棱镜扩散光线,有效避免了采用普通柱镜扩散光线后产生光线两端光弱、中间光强的缺点。
  
  激光制版技术是把聚焦的激光束射向印版,把印版的指定范围熔化,然后去除不需要的部分,制出凸、凹的图像,图像的形状、大小、尺寸等可由电子调制来控制。
  
  激光防伪技术是通过激光制版,将影像制作在塑料薄膜上,产生五光十色的衍射效果。并使图片具有二维、三维空间感。在普通光线下,隐藏的图像、信息会重现;当光线在某一特定角度照射时,又会呈现新的图像。这种模压全息图片可以像印刷一样大批量快速复制,成本较低,且可以与各类印刷技术相结合使用。
  
  近十年,中国激光产业增长迅速,年增长率在15%左右,几乎比国外高出一倍。但行业缺乏整体规划,整个产业发展相当无序。技术上看,大功率激光器发展迅速,已经打破国外产品的垄断,武汉光谷科威晶已研发出10000W大功率轴快流CO2激光器,功率仅次于德国通快产品,居世界第二位。国内半导体激光器、全固态激光器也有长足进步。国内一些科研机构和企业已经研制出包括光纤激光在内的新的激光技术和产品。国内有些高校还对碟片激光器的研究开展了工作。
  
  在产业分布上,中国激光产业主要集中在武汉、广东、上海、北京等地,已基本形成以上述省市为主体的华中、环渤海、长江三角洲、珠江三角洲四大激光产业群。其中,武汉光谷是国内仅次于北京中关村的第二大智力密集区,园区内与激光产业相关的企业达200多家,拥有华工科技、楚天激光、武汉锐科、光谷科威晶等大批业内领军企业,年度总收入超150亿元,稳据中国激光加工设备市场一半份额,成为中国激光产业最重的一极。
  
  行业规模上,国内激光加工设备市场行业规模迅速发展,增长维持在20%以上。2010年,市场规模突破55亿元,2011年市场规模在60亿元以上,其中大功率的激光设备产值约占七成,低功率的激光设备占三成左右。2001至2010年,该行业的复合年均增长率为21.7%,呈现出稳定、高速增长的态势。预计“十二五”期间,中国激光加工设备行业市场规模年均增速将超过20%,市场规模有望突破130亿元。
(来源:金属加工在线)

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