激光切割技術(shù)概述分析一、激光切割技術(shù)概述激光切割技術(shù)是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而將工件割開。激光切割具有切割質(zhì)量好、切割效率高、切割速度快、非接觸式切割、可切割材料種類多等優(yōu)勢。二、光纖激光器行業(yè)發(fā)展2019年光纖激光器市場是競爭激烈、也是繼續(xù)發(fā)展的一年。2019年中國光纖激光器市場銷售總額超過82．6億元。從我國光纖激光器市場來看，國產(chǎn)光纖激光器逐步實(shí)現(xiàn)由依賴進(jìn)口向自主研發(fā)、替代進(jìn)口到出口的轉(zhuǎn)變。隨著國內(nèi)光纖激光器企業(yè)綜合實(shí)力的增強(qiáng)，國產(chǎn)光纖激光器功率和性能逐步提高，我國光纖激光器市場從2015年的40．7億元增長到2019年的82．6億元，預(yù)計(jì)2020年會小幅增長到85．6億元。隨著光纖激光器市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光纖激光器核心器件的方案已基本成形，激光產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，激光器的核心器件國產(chǎn)化率也隨之提高，進(jìn)而使得激光器的成本逐漸下降。激光器的價(jià)格戰(zhàn)也出現(xiàn)了階段性的變化，價(jià)格競爭主戰(zhàn)場從1~3kW產(chǎn)品段轉(zhuǎn)移至6~40kW產(chǎn)品段。三、激光沖擊噴丸行業(yè)發(fā)展.激光沖擊噴丸是一種新興的噴丸技術(shù)，它將殘余壓縮應(yīng)力引入金屬表面以改善疲勞和腐蝕性能。與在過去60年中被廣泛使用的傳統(tǒng)噴丸處理相比，激光沖擊噴丸可以產(chǎn)生更深的等離子體變形深度和更高的殘余應(yīng)力，而不會留下粗糙的表面。這種更深、更高的壓縮殘余應(yīng)力又導(dǎo)致更長的疲勞壽命。此外，還可以提供更高的耐蝕性。激光噴丸技術(shù)最早是在20世紀(jì)60年代初發(fā)現(xiàn)和研究的，在美國巴特爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了原型設(shè)備的初步可行性研究。然而，由于缺乏可靠的、高重復(fù)率和高平均激光功率，因此長期沒有被商業(yè)化應(yīng)用。為了減輕飛機(jī)渦輪發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片前緣上的異物損壞，GE飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司（俄亥俄州辛辛那提市）于1997年開發(fā)了第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用程序。關(guān)于激光沖擊噴丸的研究可分為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。前者主要涉及對過程中基本物理學(xué)的理解，后者則是在不同參數(shù)和配置下進(jìn)行激光沖擊噴丸的案例研究，并將其應(yīng)用于不同的材料。在要求提高工程部件疲勞壽命的應(yīng)用中，激光沖擊噴丸處理是至關(guān)重要的過程。四、激光清洗行業(yè)發(fā)展我國激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)起步較晚，早期發(fā)展基本上是跟蹤國外技術(shù)。近兩年來，隨著國家環(huán)保政策的不斷收緊以及人們對環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，激光清洗行業(yè)逐漸走向上升通道，在機(jī)械、石化、公路運(yùn)輸、印刷、電子電路及核工業(yè)等行業(yè)持續(xù)發(fā)力。激光清洗行業(yè)還在不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍，已經(jīng)滲透到航空公司飛機(jī)維保領(lǐng)域。以中國南方航空為例，采取激光清洗手段每清洗一架空客A320客機(jī)，.平均節(jié)省維護(hù)成本約40萬元。當(dāng)前，國內(nèi)銷售收入過千萬的激光清洗企業(yè)已經(jīng)不下30家，少數(shù)幾家已經(jīng)逼近5000萬元的年銷售收入。預(yù)計(jì)2020年整個(gè)行業(yè)將會進(jìn)一步爆發(fā)，年?duì)I收增幅有望超過30%。超快激光也是近年來激光市場最突出的增長點(diǎn)，其增速數(shù)倍于激光行業(yè)的整體增速。2019年國內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過25家，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)超快激光器市場規(guī)模將達(dá)到25億元。超快激光器市場在脆性材料加工市場取得了穩(wěn)步增長。諸如手機(jī)屏異形切割、手機(jī)攝像頭藍(lán)寶石蓋板切割、特殊材料標(biāo)記、隱形二維碼打標(biāo)、高性能FPC切割、OLED材料切割打孔，以及太陽能PERC電池加工等領(lǐng)域訂單需求不斷。國內(nèi)超快激光器生產(chǎn)企業(yè)也逐漸找到了自己的細(xì)分賽道。隨著5G通信技術(shù)走向成熟，2020年消費(fèi)電子市場有望迎來一波換機(jī)熱潮。近兩年，國內(nèi)面板廠商持續(xù)加碼柔性屏幕生產(chǎn)線，為下一代手機(jī)提供新型顯示方案。然而，適用柔性AMOLED材料加工的激光微加工設(shè)備中，絕大多數(shù)的超快激光器仍依賴進(jìn)口。隨著更多柔性屏幕產(chǎn)線投產(chǎn)和成規(guī)模出貨，巨大的潛在市場將有效推動國內(nèi)超快激光器企業(yè)和下游設(shè)備企業(yè)奮發(fā)圖強(qiáng)，從而彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)鏈條缺少國產(chǎn)設(shè)備的短板。水中的激光微加工是將要加工的工件表面置于水下，并且因施加水而導(dǎo)致加工質(zhì)量的提高。水射流引導(dǎo)的激光微加工，其中水射流可以幫助引導(dǎo)激光束，增加工作距離，減少污染并產(chǎn)生冷卻效果。助水密激光微加工（UWLM）是近年來一種新的加工技術(shù)，該技術(shù)除了對要.加工的表面區(qū)域進(jìn)行水密化外，還應(yīng)用了超聲波引起超聲空化并激勵水產(chǎn)生有益的效果，例如原位超聲清潔，以改善加工過程。星空體育入口在實(shí)驗(yàn)室條件下，發(fā)現(xiàn)在ns入射激光脈沖相似的情況下，與在空氣中進(jìn)行激光微加工相比，UWLM產(chǎn)生的碎屑沉積要少得多，并且每個(gè)脈沖的燒蝕深度比沒有超聲的水中要高幾倍。還有一種超聲波輔助加工工藝，超聲振動輔助激光加工是指將要加工的工件表面進(jìn)行超聲振動，而不是將其浸入水中的過程。它與前述的UWLM工藝從根本上不同，因?yàn)樗簧婕癠WLM在水浸工件表面加工區(qū)域周圍的超聲波水內(nèi)清潔作用的關(guān)鍵組成部分。人們發(fā)現(xiàn)施加超聲振動可以提高激光加工效率。除超聲波外，人們正在嘗試激光加工與電化學(xué)加工，電場或磁場的組合。激光微加工通常涉及將激光直接照射到工件表面以去除材料。近來一種經(jīng)過改進(jìn)的工藝稱為激光誘導(dǎo)等離子體微加工（LIPMM），其中將介質(zhì)中的激光誘導(dǎo)等離子體用于去除材料的能源。另外，一種提高激光微加工質(zhì)量和效率的方法是使用激光脈沖序列，其中每個(gè)序列包含兩個(gè)或多個(gè)具有適當(dāng)脈沖能量和相對定時(shí)等的脈沖。五、激光表面紋理化行業(yè)發(fā)展激光表面紋理化是一種表面工程工藝。該工藝使用激光在材料表面上創(chuàng)建周期性的微結(jié)構(gòu)，以誘導(dǎo)針對各種應(yīng)用的所需表面特性。在20世紀(jì)90年代早期的激光表面紋理化研究中，使用激光產(chǎn)生了圖案化的微凹坑，并研究了帶紋理的表面對機(jī)械部件（包括機(jī)械密封件、活塞環(huán)和推力軸承）的摩擦學(xué)性能的影響。從那時(shí)起，隨著激光技術(shù)的.飛速發(fā)展，該領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展，并且已經(jīng)出現(xiàn)了超出摩擦學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。激光表面結(jié)構(gòu)化不僅會改變材料的表面形態(tài)，而且通常會賦予表面一些新的功能和特性，尤其是光學(xué)、機(jī)械、潤濕性和化學(xué)特性。飛秒激光織構(gòu)的覆蓋有微尖峰的硅（通常稱為黑硅）是在可見光范圍內(nèi)顯示出近100%吸收率的早期發(fā)現(xiàn)之一，當(dāng)在SF6氣體環(huán)境中處理時(shí)，吸收率可以擴(kuò)展到2．5mm。在銅表面上通過ps激光誘導(dǎo)的微/納米結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)從UV到MIR的整個(gè)波長范圍內(nèi)的可調(diào)反射率。由飛秒激光產(chǎn)生的微尺度珊瑚狀表面結(jié)構(gòu)，NiTi合金的熱輻射顯著提高到了約100%。表面織構(gòu)化的硅和金屬具有廣泛的潛在應(yīng)用，包括太陽能電池、檢測器、傳感器、場發(fā)射設(shè)備、等離激元、寬帶熱源及輻射傳熱設(shè)備等。激光表面紋理化也已用于修改和控制材料的潤濕性。摩擦學(xué)應(yīng)用中的激光表面紋理化已成為20多年來人們關(guān)注的領(lǐng)域。實(shí)踐證明，具有數(shù)十或數(shù)百微米大小的微孔或微槽的飛秒激光紋理表面在干燥、潤滑高溫和高壓條件下加工應(yīng)用中，均可有效減少摩擦和磨損。 六、激光切割行業(yè)發(fā)展 激光切割是一種成熟的工業(yè)加工技術(shù)，具有高度的靈活性，且無 接觸和無應(yīng)力，可直接從工件中生產(chǎn)出成品零件。激光切割是一個(gè)非 常精確的過程，具有出色的尺寸穩(wěn)定性，非常小的熱影響區(qū)和狹窄的 切縫。近年來，脆性和透明材料的切割為超短脈沖和紫外激光器提供 . 了機(jī)會，中國制造業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)制造技術(shù)的更新升級，帶 動了激光切割成套設(shè)備的銷售。應(yīng)用于激光切割系統(tǒng)的光纖激光器數(shù) 量在近兩年平穩(wěn)增長，激光切割設(shè)備也在朝高功率方向發(fā)展。2019 年，各個(gè)行業(yè)對激光設(shè)備的需求不斷提高。激光設(shè)備的批量化生產(chǎn)， 帶動了中功率激光切割裝備的快速發(fā)展，加劇了產(chǎn)品的競爭性，并導(dǎo) 致中功率切割裝備的毛利率越來越低，因此激光加工廠商們開始向高 功率產(chǎn)品段進(jìn)軍。2019 年高功率激光切割設(shè)備如雨后春筍般地涌向市 場，12kW、20kW、30kW 甚至40kW 的超高功率激光切割機(jī)也已經(jīng)問 世。2019 年，中國銷售了約34000 臺中功率激光切割系統(tǒng)和7000 臺高 功率激光切割系統(tǒng)。功率的大幅提升也增加了設(shè)備集成難度，給上游 配件廠商和系統(tǒng)廠商提出了諸多挑戰(zhàn)。一些核心單元如萬瓦級切割 頭、自動調(diào)焦系統(tǒng)、智能總線系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)等亟待提檔升級。然 而，國產(chǎn)配件廠商和系統(tǒng)集成商從未缺席自主發(fā)展之路，紛紛加入支 持行列。 七、激光焊接行業(yè)發(fā)展 近年來，激光焊接設(shè)備在五金建材、汽車制造、電子產(chǎn)品、醫(yī)療 設(shè)備、新能源電池及航空航天等行業(yè)逐漸替代傳統(tǒng)焊接設(shè)備，占據(jù)市 場份額。在汽車工業(yè)中，白車身（BIW）焊接被廣泛使用，需要多達(dá) 2000~5000 個(gè)點(diǎn)焊，傳統(tǒng)上是通過電阻點(diǎn)焊來完成的。然而，鍍鋅鋼板 的電阻點(diǎn)焊存在許多問題，例如，焊接所需的時(shí)間長，電極的維護(hù)成 本高以及鋅涂層黏附在電子產(chǎn)品上等問題。 . 隨著汽車工業(yè)向更輕量級結(jié)構(gòu)發(fā)展，鋁和鎂合金等其他材料正在 成為替代鍍鋅鋼的候選材料。由于BIW 約占車輛重量的27%，因此使用 這些輕質(zhì)材料有望減輕車輛的總重量。然而，對于這些材料，與電阻 點(diǎn)焊有關(guān)的問題更加嚴(yán)重。采用激光焊接，可以克服其中一些問題。 除BIW 之外，激光焊接還應(yīng)用于發(fā)動機(jī)零件、變速箱零件、交流發(fā)電 機(jī)、螺線管、燃料噴射器、燃料過濾器及燃料電池等。 在航空航天工業(yè)中，已經(jīng)使用激光焊接來連接各種超級合金，例 如鎳基合金和鈦基合金。Ti6Al4V 合金通常用于渦輪發(fā)動機(jī)的靜態(tài)和旋 轉(zhuǎn)組件。此外，Inconel718 通常用于在高溫下運(yùn)行的航空發(fā)動機(jī)和燃 氣輪機(jī)的組件。由于這些合金非常昂貴，因此與減材制造工藝相比， 焊接具有減少材料消耗的潛力。鋁合金在航空航天工業(yè)中也非常流 行，在某些情況下，激光焊接可以提供比其他焊接技術(shù)（例如：攪拌 摩擦焊）更強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。近年來，因異種材料的焊接可以降低零件 成本和設(shè)計(jì)靈活性而變得越來越流行，激光焊接已用于連接聚合物和 塑料。早期，CO2 激光主要用于塑料部件的焊接，因?yàn)榧す饽芰亢苋菀?在其10．6mm 的長波長處吸收。大多數(shù)塑料在紅外波長下是透明的， 但在長波長下是不透明的。近年來，透射激光焊接（TLW）已成為一種 使用內(nèi)部吸收器焊接塑料的可行方法，這僅在焊接界面處提供了一種 吸收熱量的方法，并將熱影響區(qū)最小化。以家電和汽車內(nèi)飾為代表的 塑料焊接設(shè)備和以醫(yī)療器械為代表的陶瓷焊接設(shè)備，也已成為激光焊 接重要的發(fā)展方向。 . 經(jīng)過近10 年的發(fā)展，國內(nèi)激光復(fù)合焊接技術(shù)和工藝取得了長足進(jìn) 步，已經(jīng)在船體的大幅面構(gòu)件和復(fù)雜曲面構(gòu)件焊接中得到小批量應(yīng) 用。2019 年，手持激光焊接機(jī)異軍突起。由于設(shè)備本身準(zhǔn)入門檻不 高，加上在使用過程中可以滿足脈沖焊、準(zhǔn)連續(xù)焊和連續(xù)焊的自由切 換，適用于各類工件的復(fù)雜焊縫，該市場出現(xiàn)了一股發(fā)展熱潮。近兩 年，全國有數(shù)十家企業(yè)投入這一領(lǐng)域。然而，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的專 利布局明顯不足，國內(nèi)最早的一篇手持焊接設(shè)備專利始于2003 年，居 然來自美國霍利韋爾公司。沒有專利的支撐，國內(nèi)在該領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)也基本處于裸奔狀態(tài)。低門檻預(yù)示著高競爭，預(yù)計(jì)未來2~3 年，半 數(shù)以上的手持焊接設(shè)備企業(yè)將因自身技術(shù)競爭力的匱乏以及產(chǎn)品利潤 的殆盡而退出該市場。 .