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    行業資訊

    激光加工技術存在的問題及未來發展

      一、國外激光加工技術及發展動態

      以德國、美國、日本、俄羅斯為代表的少數發達國家,目前主導和控制著全球激光技術和產業的發展方向(見附表)。其中,德國Trumpf、Rofin-Sinar公司在高功率工業激光器上稱雄天下;美國IPG公司的光纖激光器引領世界激光產業發展方向。歐美主要國家在大型制造產業,如機械、汽車、航空、造船、電子等行業中,基本完成了用激光加工工藝對傳統工藝的更新換代,進入“光加工”時代。

      經過幾十年的發展,激光技術開辟了廣闊的應用天地,應用領域涵蓋通信、材料加工、準分子光刻及數據存儲等9個主要類別。根據國外統計資料表明,2013 年全世界總的激光銷售超過1000億元。其中全球激光器市場銷售額較2013年增長6.0%,達到93.34億美元。美國市場借助出口方面的出色表現有所 增長;歐洲憑借德國的出口增長僅維持收支平衡;亞洲市場,東盟國家的增長抵消了中國的經濟放緩以及日本的零增長。

      二、國內激光產業發展現狀

      1.國內激光產業整體格局

      國內激光企業主要分布在湖北、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、環渤海、長三角、珠三角四大激光產業基地,其中有一定規模的企業約300家。

      2014年我國激光產業鏈產值約為800億元。主要包括:激光加工裝備產業達到350億元(其中,用于切割、打標和焊接的高功率激光設備占據了67%的市場份額);激光加工在重工業、電子工業、輕工業、軍用、醫療等行業的應用達到450億元。預計在今后三年,我國激光產業平均行業復合成長率將不低于20%。

      我國激光加工產業可以分為四個比較大產業帶,珠江三角洲、長江三角洲、華中地區和環渤海地區。這四個產業帶側重點不同,珠三角以中小功率激光加工機為主,長三角以大功率激光切割焊接設備為主,環渤海以大功率激光熔覆和全固態激光為主,以武漢為首的華中地區則覆蓋了大、中、小激光加工設備。這四大產業帶中,以華中地區尤其是武漢最具代表性,中國“光谷”的稱號便是有力的 證明。武漢地區可以說見證了中國激光加工產業從無到有、從弱到強的整個歷程,是中國激光產業發展的縮影。

      2.國內激光產業重點單位

      激光技術在我國經過40多年發展,有了較為雄厚的技術基礎,鍛煉培養了一支素質較高的隊伍。以中科院四大光機所及各部委所屬研究機構和一批大學為代表,形成了我國激光器系統技術研究開發的重要力量,如華中科技大學、清華大學、北京工業大學等16個科研院所。在部分激光器研究開發的核心技術上,形成了5個國家級的激光技術研究中心,10多個研究機構。

      我國激光產業骨干企業有:武漢——華工激光、楚天激光、團結激光、金運激光、銳科激光;深圳——大族激光、光韻達激光、光大激光、聯贏激光;北京——大 恒激光、11所;華東——上海團結普林瑪、南京東方等。我國激光行業的八大激光上市公司分別為華工科技、大族激光、金運激光、光韻達、福晶科技、新松機器 人、利達光電及上海新南洋。

      三、激光加工的優勢

      激光加工屬于無接觸加工,并且高 能量激光束的能量及其移動速度均可調,因此可以實現多種加工的目的。它可以對多種金屬、非金屬加工,特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點的材料。激光加 工柔性大主要用于切割、表面處理、焊接、打標和打孔等。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 光加工技術主要有以下獨特的優點:①使用激光加工,生產效率高,質量可靠,經濟效益。②可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工;在惡劣環境或其 他人難以接近的地方,可用機器人進行激光加工。③激光加工過程中無“刀具”磨損,無“切削力”作用于工件。④可以對多種金屬、非金屬加工,特別是可以加工 高硬度、高脆性及高熔點的材料。⑤激光束易于導向、聚焦實現作各方向變換,極易與數控系統配合、對復雜工件進行加工,因此它是一種極為靈活的加工方法。⑥ 無接觸加工,對工件無直接沖擊,因此無機械變形,并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調,因此可以實現多種加工的目的。⑦激光加工過程中,激光束能量 密度高,加工速度快,并且是局部加工,對非激光照射部位沒有或影響極小,因此,其熱影響區小,工件熱變形小,后續加工量小。⑧激光束的發散角可<1 毫弧,光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器的連續輸出功率又可達千瓦至10kW量級,因而激光既適于精密微細加工, 又適于大型材料加工。激光束容易控制,易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結合,實現加工的高度自動化和達到很高的加工精度。

      激光加工技術已在眾多領域得到廣泛應用,隨著激光加工技術、設備、工藝研究的不斷深進,將具有更廣闊的應用遠景。由于加工過程中輸入工件的熱量小,所以熱影響區和熱變形??;加工效率高,易于實現自動化。

      四、存在主要問題及發展思路

      1.面向專業領域的中高端激光加工成套裝備和配套技術不能滿足行業需求

      隨著我國制造業企業技術改造力度加大,近年來數控激光切割、焊接成套裝備市場異?;钴S,年需求可達到1000臺以上。但國內市場缺乏滿足行業需求的國產中高端激光裝備產品,同時在與國外產品進行配套服務時,配套技術也達不到客戶需求,如武鋼冷軋生產線進口十多臺德國激光拼焊、硅鋼刻痕大型裝備,配套的激光裝備技術和激光焊接工藝無法滿足武鋼規?;煌C生產要求。在與東風、三環鍛壓等省內行業龍頭企業的配套上,也存在類似問題。

      2.產業鏈各環節之間的合作融合不夠

      制約激光產業發展中的某些核心技術,如激光裝備所需的控制軟件、生產光纖激光器必 需的特種光纖等,由于缺乏與數控相關企業、光電子相關企業之間的技術協作,導致技術一直難以取得突破,制約了激光產業核心競爭力的提升。同時,在制造業與 服務業加速融合發展的大環境下,我省激光產業需要擴寬思路,加大與現代服務業、文化創意產業的融合。雖然團結激光、楚天激光已經在這方面開展了有益的嘗 試,但這種不局限于現有市場和產品,主動謀求協作融合的思維方式尚未成為全行業的共識。

      3.發展思路

      以激光應用為先導,以激光器件為核心,以集成裝備為主體,以國際合作提升水平,著力解決發展中長期存在的核心器件瓶頸和關鍵技術難題,推動科技資源高效配置與綜合集成,促進產業鏈的上 下延伸,促進激光產業各細分領域之間、激光與其他產業的融合發展,促進產學研協同創新,打造以大型激光加工設備系統集成企業為龍頭,以中小型激光生產企業 群為支撐,以功能器件生產企業群和公共技術等服務平臺為配套的激光制造裝備企業集群。

      圍繞激光產業持續發展,聚焦新一代核心激光器、高端激光制造裝備、激光加工應用三大方向,策劃、攻克一批能夠形成顯著增長點的重大項目,建立重大產業化項目協同創新推進機制,及時研究解決項目前期及建設實施中的重大問題。

      五、未來發展方向

      1.激光器技術發展

      繼傳統的氣體、固體激光器之后,光纖激光器、半導體激光器、碟片激光器等 新型激光器發展迅速??傮w而言,全球激光技術的主要趨勢是向高功率、高光束質量、高可靠性、高智能化和低成本方向發展。高功率射頻板條CO2激光器、軸快 流CO2激光器、千瓦內低成本大功率YAG激光器、碟片固體激光器、半導體激光器、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。

     ?。?)高功率工業光纖激光器高功率光纖激光器是第三代固體激光器。在激光加工領域,光纖激光器有逐步替代傳統YAG、部分CO2激光器的趨勢。目前商用光纖激光器輸出功率連續功率已上升到數千瓦,以至50kW。

      重點研發實用型1~4kW光纖激光器,攻克10kW光纖激光器產業化技術。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高功率工業光纖激光器工程化和產品化,以滿足船舶、汽車、軍工及能源等行業對厚鋼板進行激光切割、激光焊接等的迫切需求。③2~4kW連續光纖激光器,滿足焊接、切割應用需求。如圖3所示,為武漢銳科光纖激光器技術有限責任公司生產的萬瓦光纖激光器。

     ?。?)高功率半導體固態激光器高功率半導體固態激光器是第四代固體激光器。半導體激光器結構緊湊,壽命期限可達到10000h,電光轉換效率高達30%~40%。德國Laserline公司、DILAS公司實用化半導體激光器達到8kW。

      發展激光增益光纖、激光薄片晶體、激光非線性頻率轉換晶體、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、半導體激光泵浦源等激光器件。配套精密機械零件加工、激光電源、激光光學元件及數控系統等單元核心器件。

     ?。?)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圓偏振激光的兩倍,可大大 提高金屬板材激光切割等應用的加工速度和效率,將成為高功率工業CO2激光器的換代產品及我國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構形式和偏振選擇鏡的方法產生徑向偏振光,得到穩定的高光束質量的徑向偏振光。開發出激光功率>2kW,模式為 TEM01,偏振純度大于90%的徑向偏振CO2激光器。徑向偏振光還可應用于電子加速、掃描顯微和粒子誘捕等許多尖端領域。

      2.激光加工裝備發展

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

     ?。?)基于船舶、工程機械應用的厚板大幅面的激光切割焊接技術武鋼船板和管線鋼的高功率光纖激光及其復合焊接技術應用研究。船板采用激光及其復合焊接技 術可以有效地避免焊接中的鋼板或構件變形,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激光切割系統的關鍵技術:包括光路傳輸(擴 束準直、等光程、聚焦、光點穩定性)、長懸臂制造技術、關節臂、直線電動機驅動高速切割機、控制系統、先進軟件技術及系統集成的綜合技術等。使國產高端大 型激光切割設備在船舶、鋼鐵、工程機械及軍工等重工業領域的應用獲得突破,并取代進口設備。高功率激光同樣被用于石油管道的切割,如圖4所示。

     ?。?)汽車板激光連續精密高速落料裝備針對0.5~1.5mm汽車板激光切割連續落料的作業需求,采用2kW單模光纖激光器,實現超高速切割,最大切割速度達到100m/min。攻克以異形汽車板件布料、三激光頭高精度協同作業、切割軌跡、高速切割與工藝實現等關鍵技術,達到廢料自動剔除作業率≥99.5%,三頭配置的激光步進落料生產線年產量≥100萬片。

     ?。?)激光焊接機器人基于機器人激光加工系統應用于汽車制造業。汽車車門、底板激光遠程掃描焊接成套設備。采用高功率光纖激光器或者碟片激光器, 研究機器人6軸與振鏡3軸的聯動控制系統,汽車底板激光遠程掃描焊接生產線與汽車車門激光遠程掃描生產線工藝規劃,激光遠程掃描焊接工藝與質量檢測技術 等,滿足三維車身焊點的高效定位,車門激光焊接長度≥4000mm,底板激光焊接長度≥4000mm,激光焊接速度≥30m/min,用于汽車工業具體操 作如圖5所示。

     ?。?)基于航空航天應用的有色金屬的激光焊接系統開發2~4kW系列半導體激光器及其成套系統,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研究,研究高強度鋁合金的填絲材料研究, 力爭在厚度為10~20mm的高強鋁合金板激光焊接技術方面有所突破。研究有色金屬、中厚板高功率光纖激光及其MIG復合焊接技術、填絲復合焊接技術。

     ?。?)高功率半導體激光表面制造/再制造裝備集成智能化半導體激光表面強韌化及再制造系統,實現距離、溫度、軌跡、處理效果的智能化控制,應用于汽車覆蓋件模具、礦山機械、煤炭機械、石化機械及發電機組等大型機械零部件的熱處理或修復。



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