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激光在金屬加工行業(yè)的發(fā)展前景阿里巴巴機(jī)械 2013-08-14 專(zhuān)題： 行業(yè)觀察 打印 【中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：激光（laser）又稱(chēng)“鐳射”，原意為受激輻射產(chǎn)生的光的放大，其理論基礎(chǔ)源于1917年愛(ài)因斯坦提出的技術(shù)理論——光與物質(zhì)相互作用。在現(xiàn)代社會(huì)中，由激光衍生出的各種激光器已經(jīng)成為裝備制造業(yè)中不可或缺的元部件，激光及其產(chǎn)品已經(jīng)成為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)并迸發(fā)出勃勃生機(jī)。

　　通常所說(shuō)的激光器是指用來(lái)產(chǎn)生激光的裝置，其基本原理是用光、電、化學(xué)能或核能等對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，工作物質(zhì)吸收外來(lái)能量實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，經(jīng)放大或增益后產(chǎn)生強(qiáng)度高、方向性強(qiáng)的激光。激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激勵(lì)源（也稱(chēng)激勵(lì)抽運(yùn)系統(tǒng)、泵浦系統(tǒng)）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì)，此外為使光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性，一般激光器都具有諧振腔。

　　目前以激光器為基礎(chǔ)的激光工業(yè)在全球的發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育、科研等方面。激光行業(yè)已形成完整、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈分布。上游主要包括激光材料及配套元器件；中游主要為各種激光器及其配套設(shè)備；下游則以激光應(yīng)用產(chǎn)品、消費(fèi)產(chǎn)品、儀器設(shè)備為主。

　　總體而言，激光器自大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用以來(lái)市場(chǎng)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。2009年，受金融危機(jī)的影響，全球工業(yè)激光器行業(yè)受到重大挫折，全球工業(yè)激光器銷(xiāo)售總額降至14億美元，比上年下降30%。隨著2010年后全球經(jīng)濟(jì)的漸漸復(fù)蘇，受固態(tài)激光器以及光纖激光器在半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、醫(yī)療設(shè)備、顯示、LED、航空航天、汽車(chē)等行業(yè)兩位數(shù)的增長(zhǎng)的帶動(dòng)，激光器行業(yè)出現(xiàn)了銷(xiāo)量和收入的急劇反彈。2012年，該行業(yè)銷(xiāo)售回升至歷史最高的21億美元，實(shí)現(xiàn)了“魚(yú)鉤式”反轉(zhuǎn)。激光系統(tǒng)的銷(xiāo)售趨勢(shì)與激光器類(lèi)似。

　　以CO2激光器為代表的氣體激光器仍占據(jù)行業(yè)中的半壁江山，但增長(zhǎng)已開(kāi)始放緩，以Nd:YAG激光器為代表的固體激光器增長(zhǎng)平穩(wěn)，而近年來(lái)勢(shì)頭迅猛的光纖激光器則實(shí)現(xiàn)了兩位數(shù)的增長(zhǎng)，其他種類(lèi)的激光器所占的市場(chǎng)份額仍然較小。

　　在應(yīng)用規(guī)模上，金屬加工仍然是激光器運(yùn)用最廣泛、銷(xiāo)售最多的領(lǐng)域，占整體銷(xiāo)售規(guī)模的70%。2011年激光器在該領(lǐng)域的銷(xiāo)售收入達(dá)到了13.5億美元。其次是激光打標(biāo)和激光雕刻，為3.3億美元。最后是半導(dǎo)體和微加工領(lǐng)域，達(dá)到1.47億美元。

　　激光可用于各種金屬和非金屬材料的切割。由于切邊受熱影響很小，激光切割基本沒(méi)有工件變形。激光切割具有無(wú)毛刺、無(wú)皺折、精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此明顯優(yōu)于等離子切割，同時(shí)由于激光切割工件變形極小，無(wú)刀具磨損，不受被切材料的硬度影響，更優(yōu)于傳統(tǒng)切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用。盡管其加工速度慢于模沖，但它沒(méi)有模具消耗，無(wú)須修理模具，節(jié)約了更換模具時(shí)間，從而節(jié)省了加工費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本。

　　激光切割主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、各種金屬零件和特殊材料的切割、航天工業(yè)使用的鈦合金等。目前主要使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器、光纖激光器。

　　激光焊接由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。而高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開(kāi)辟了激光焊接的新領(lǐng)域，以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車(chē)、鋼鐵等工業(yè)部門(mén)獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

　　與其他焊接技術(shù)比較，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：激光焊接速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊條件下焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。例如，激光通過(guò)電磁場(chǎng)，光束不會(huì)偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過(guò)玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)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時(shí)，深寬比可達(dá)5:1,最高可達(dá)10:1?？珊附与y熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。例如，金剛石鋸片，用激光將基材（65Mn）和高強(qiáng)超硬的人造金鋼石焊接，使這種鋸片壽命、價(jià)值倍增?？蛇M(jìn)行微型焊接，激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型元件的組焊中。例如，集成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝、手機(jī)電池的封焊等。采用激光焊不僅生產(chǎn)效率可大大提高，且熱影響區(qū)小，焊點(diǎn)無(wú)污染，從而大大提高了焊接的質(zhì)量。而且還能焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。近幾年來(lái)，由于在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣與應(yīng)用。激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。目前廣泛用于激光焊接的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體激光器。

　　由于激光具有高能量、高聚焦等特性，激光打孔加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)加工工藝中，使得硬度大、熔點(diǎn)高的材料越來(lái)越容易加工。

　　與傳統(tǒng)打孔工藝相比，激光打孔機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：速度快，效率高，打一個(gè)孔的作用時(shí)間只有0.0001至0.000001秒。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機(jī)械鉆孔相比，效率可以提高l0~1000倍；可獲得大的深徑比；可加工硬、脆、軟等各類(lèi)材料；無(wú)工具損耗，等。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體激光器。

　　激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，通過(guò)表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì)，或者是通過(guò)光能導(dǎo)致表層物質(zhì)的化學(xué)物理變化而“刻”出痕跡，或者是通過(guò)光能燒掉部分物質(zhì)，顯出所需刻蝕的圖案和文字。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小從毫米到微米量級(jí)，這對(duì)產(chǎn)品的防偽有著特殊的意義。激光打標(biāo)使用的“刀具”是聚焦后的光點(diǎn)，不需要額外增添其他設(shè)備和材料，加工由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，生產(chǎn)時(shí)不需人為干預(yù)。

　　激光打標(biāo)的特點(diǎn)有：非接觸加工，可在任何規(guī)則或不規(guī)則表面打印標(biāo)記，且打標(biāo)后工件不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；材料適用面廣，可在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張、皮革等不同種類(lèi)或不同硬度的材料上打印；可與生產(chǎn)線上的其他設(shè)備集成，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度；標(biāo)記清晰、持久、美觀，并可有效防偽；使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染；加工效率高，計(jì)算機(jī)控制下的激光光束可以高速移動(dòng)（速度達(dá)5～7米/秒），打標(biāo)過(guò)程可在數(shù)秒內(nèi)完成。激光打標(biāo)在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體激光器。

　　激光雕刻和激光打標(biāo)的原理類(lèi)似，但一般而言，激光打標(biāo)機(jī)工作面小，屬于微加工范疇，在精度和效果方面的要求高于激光雕刻機(jī)。激光打標(biāo)機(jī)可以加工金屬材料，針對(duì)的行業(yè)比較專(zhuān)業(yè)，設(shè)備價(jià)格通常遠(yuǎn)高于激光雕刻機(jī)。激光雕刻機(jī)不適合加工金屬材料，且工作面大，工作行程長(zhǎng)，精度要求相對(duì)較低。目前已有兼顧雕刻和打標(biāo)功能的大型打標(biāo)機(jī)，但價(jià)格很高。

　　激光雕刻一般指的是在非金屬材料上進(jìn)行雕刻或切割。激光雕刻按雕刻方式的不同分為點(diǎn)陣雕刻和矢量切割。點(diǎn)陣雕刻酷似高清晰度的點(diǎn)陣打印。激光頭左右擺動(dòng)，每次雕刻出一條由一系列點(diǎn)組成的一條線，然后激光頭同時(shí)上下移動(dòng)雕刻出多條線，最后構(gòu)成整版的圖象或文字。與點(diǎn)陣雕刻不同，矢量切割是在圖文的外輪廓線上進(jìn)行。一般雕刻機(jī)可雕刻的材料有：木制品、有機(jī)玻璃、金屬板、玻璃、石材、水晶、氧化鋁、皮革、樹(shù)脂、噴塑金屬等。

　　激光熱處理是利用高能激光照射到金屬表層，通過(guò)激光和金屬的交互作用達(dá)到改善金屬表面性能的目的。激光表面熱處理技術(shù)包括激光相變硬化技術(shù)、激光涂覆技術(shù)、激光合金化技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等，這些技術(shù)對(duì)改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。激光相變硬化〔即激光淬火〕是激光熱處理領(lǐng)域研究最早、最多、進(jìn)展最快、應(yīng)用最廣的一種新工藝，適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速掃描金屬工件表面，使一種或多種合金元素與工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化層。激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的新方怯，激光沖擊強(qiáng)化使用脈沖寬度極短的激光照射到材料表面，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊被，使得金屬材料的機(jī)械性能改善，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、鐵等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光熱處理技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中應(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，同時(shí)在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國(guó)的激光熱處理應(yīng)用比國(guó)外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

　　激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%～0.002%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高，而成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻（0.01～0.6微米厚）與厚膜電阻（20～50微米厚）的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。

　　激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過(guò)重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動(dòng)平衡的過(guò)程。激光去重平衡技術(shù)具有測(cè)量和去重兩大功能，可同時(shí)進(jìn)行不平衡的測(cè)量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于高精度轉(zhuǎn)子，激光動(dòng)平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。

　　激光劃線技術(shù)是利用激光器作為光源，經(jīng)過(guò)一組透鏡組合整合后發(fā)射出高準(zhǔn)直度的點(diǎn)狀光源，在經(jīng)過(guò)特制棱鏡打散后形成一條亮度均勻的光線。由于采用特殊設(shè)計(jì)的棱鏡擴(kuò)散光線，有效避免了采用普通柱鏡擴(kuò)散光線后產(chǎn)生光線兩端光弱、中間光強(qiáng)的缺點(diǎn)。

　　激光制版技術(shù)是把聚焦的激光束射向印版，把印版的指定范圍熔化，然后去除不需要的部分，制出凸、凹的圖像，圖像的形狀、大小、尺寸等可由電子調(diào)制來(lái)控制。

　　激光防偽技術(shù)是通過(guò)激光制版，將影像制作在塑料薄膜上，產(chǎn)生五光十色的衍射效果。并使圖片具有二維、三維空間感。在普通光線下，隱藏的圖像、信息會(huì)重現(xiàn)；當(dāng)光線在某一特定角度照射時(shí)，又會(huì)呈現(xiàn)新的圖像。這種模壓全息圖片可以像印刷一樣大批量快速?gòu)?fù)制，成本較低，且可以與各類(lèi)印刷技術(shù)相結(jié)合使用。

　　近十年，中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)迅速，年增長(zhǎng)率在15%左右，幾乎比國(guó)外高出一倍。但行業(yè)缺乏整體規(guī)劃，整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相當(dāng)無(wú)序。技術(shù)上看，大功率激光器發(fā)展迅速，已經(jīng)打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，武漢光谷科威晶已研發(fā)出10000W大功率軸快流CO2激光器，功率僅次于德國(guó)通快產(chǎn)品，居世界第二位。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器、全固態(tài)激光器也有長(zhǎng)足進(jìn)步。國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)研制出包括光纖激光在內(nèi)的新的激光技術(shù)和產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)有些高校還對(duì)碟片激光器的研究開(kāi)展了工作。

　　在產(chǎn)業(yè)分布上，中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)主要集中在武漢、廣東、上海、北京等地，已基本形成以上述省市為主體的華中、環(huán)渤海、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲四大激光產(chǎn)業(yè)群。其中，武漢光谷是國(guó)內(nèi)僅次于北京中關(guān)村的第二大智力密集區(qū)，園區(qū)內(nèi)與激光產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)達(dá)200多家，擁有華工科技、楚天激光、武漢銳科、光谷科威晶等大批業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)，年度總收入超150億元，穩(wěn)據(jù)中國(guó)激光加工設(shè)備市場(chǎng)一半份額，成為中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)最重的一極。

　　行業(yè)規(guī)模上，國(guó)內(nèi)激光加工設(shè)備市場(chǎng)行業(yè)規(guī)模迅速發(fā)展，增長(zhǎng)維持在20%以上。2010年，市場(chǎng)規(guī)模突破55億元，2011年市場(chǎng)規(guī)模在60億元以上，其中大功率的激光設(shè)備產(chǎn)值約占七成，低功率的激光設(shè)備占三成左右。2001至2010年，該行業(yè)的復(fù)合年均增長(zhǎng)率為21.7%，呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)“十二五”期間，中國(guó)激光加工設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模年均增速將超過(guò)20%，市場(chǎng)規(guī)模有望突破130億元深圳成馳機(jī)電設(shè)備有限公司