激光加工技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)分析

激光加工是國外激光應(yīng)用中最大的項(xiàng)目，也是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級(jí)到10kW級(jí)CO2激光器和百瓦到千瓦級(jí)YAG激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。

激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中，CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣，分別占到70%和20%，表面處理則不到10%。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接、標(biāo)記（50%）和切割（15%）為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了70~80%。我國激光加工中以切割為主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是進(jìn)行激光處理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套。這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益都很高，故有很大的市場前景。

在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速、靈活地加工特點(diǎn)。如在汽車樣機(jī)和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機(jī)，不僅節(jié)省了樣板及工裝設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；激光束在高硬度材料和復(fù)雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在汽車工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合，派生出激光快速成形技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且還可以直接由金屬粉末熔融，制造出金屬模具。

YAG激光器在焊接、切割、打孔和標(biāo)記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認(rèn)為YAG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。隨著YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。YAG激光器已開始擠進(jìn)kw級(jí)CO2激光器切割市場。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。YAG激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應(yīng)用。

目前，國外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達(dá)30~50kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復(fù)頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。

目前激光加工技術(shù)研究開發(fā)的重點(diǎn)可歸納為

新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時(shí)期，其標(biāo)志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用；加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項(xiàng)科技成果，許多已用于生產(chǎn)實(shí)踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20%的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài)，激光標(biāo)記機(jī)與激光焊接機(jī)的質(zhì)量、功能、價(jià)格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達(dá)90%以上。

存在的主要問題

科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差。國外不僅二級(jí)管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中，而且二級(jí)管激光器也被應(yīng)用，而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段。對(duì)加工技術(shù)的研究少，尤其對(duì)精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱，對(duì)紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少。激光加工設(shè)備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

“十五”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20%的平均增長率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。

主要研究內(nèi)容

（1）激光加工用大功率CO2和固體激光器及準(zhǔn)分子激光器的引進(jìn)機(jī)型研究，提高國產(chǎn)機(jī)水平；同時(shí)開發(fā)和研制專用配套的激光加工機(jī)床，提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運(yùn)行的周期，力爭在國內(nèi)建立較全面的加工用激光器的生產(chǎn)基地。

（2）建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測(cè)手段，并進(jìn)行方法研究。

（3）激光切割技術(shù)研究。對(duì)現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供性能好、價(jià)格便宜的2－3軸數(shù)控CO2切割機(jī)，并開展相應(yīng)的切割工藝的研究，使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領(lǐng)域。為此應(yīng)著重在激光器外圍裝置，如：導(dǎo)光系統(tǒng)、過程監(jiān)測(cè)和控制、噴咀、浮動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和研制以及CAD／CAM等方面開展工作。

（4）激光焊接技術(shù)研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對(duì)設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

（5）激光表面處理技術(shù)研究。開展維CAD／CAM技術(shù)、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制研究，使激光表面處理工藝能較大幅度的應(yīng)用于生產(chǎn)。

（6）激光加工光束質(zhì)量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對(duì)激光光束的質(zhì)量要求、激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計(jì)和研制。

（7）擇優(yōu)支持2~3個(gè)國家級(jí)加工技術(shù)研究中心，開展激光加工工藝技術(shù)研究，重點(diǎn)是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應(yīng)用；開展激光快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究，拓寬激光應(yīng)用領(lǐng)域。