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激光加工技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間：2020-11-02 來(lái)源：元祿光電

激光是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大科學(xué)技術(shù)發(fā)明，與原子能、半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)一樣著名。具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好的特點(diǎn)，被稱(chēng)為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。在過(guò)去的60年中，與激光有關(guān)的研究獲得了許多諾貝爾獎(jiǎng)，充分證明了激光技術(shù)在促進(jìn)尖端科學(xué)研究和促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步方面的顯著作用。激光與相關(guān)技術(shù)的融合形成了激光制造，為人類(lèi)改變世界提供了嶄新的工具。

激光制造技術(shù)具有易操作、非接觸、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)，是切割、焊接、表面處理、高性能復(fù)雜構(gòu)件制造和精密制造的主流手段，被譽(yù)為“萬(wàn)能加工工具”和“未來(lái)制造系統(tǒng)通用的加工手段”，帶動(dòng)了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)智能化進(jìn)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

激光技術(shù)是一種具有極強(qiáng)的滲透性和加工性的使能技術(shù)。激光技術(shù)支持的經(jīng)濟(jì)規(guī)模遠(yuǎn)大于其自身的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2010年美國(guó)研究報(bào)告指出，2009—2010年，美國(guó)電信、電子商務(wù)和信息技術(shù)的總價(jià)值為4萬(wàn)億美元，其中激光器本身的價(jià)值僅為32億美元。因此，激光技術(shù)產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)體系中的重要性遠(yuǎn)超過(guò)了產(chǎn)品本身的價(jià)值規(guī)模。

近年來(lái)，中國(guó)的激光加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力迅速提高。眾多激光企業(yè)已遍布華東、華南、華北、東北、華中及西部地區(qū)。據(jù)《2019中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在26個(gè)城市已有激光產(chǎn)業(yè)基地（園區(qū)）37個(gè)，2011—2018年，激光設(shè)備的銷(xiāo)售收入提高了5倍多，涌現(xiàn)了一批有世界競(jìng)爭(zhēng)力的激光企業(yè)。

經(jīng)過(guò)多年的努力，中國(guó)的激光公司已經(jīng)在低端激光行業(yè)樹(shù)立了堅(jiān)實(shí)的立足點(diǎn)，但離高端技術(shù)行業(yè)和高端核心組件的世界先進(jìn)水平仍有較大差距。在產(chǎn)品方面，跟隨型產(chǎn)品居多，原創(chuàng)或首創(chuàng)性的高端產(chǎn)品相對(duì)較少。我國(guó)激光技術(shù)科研主要力量集中在科研院所和高等學(xué)校，而企業(yè)相對(duì)薄弱。目前，在我國(guó)與激光相關(guān)的30個(gè)國(guó)家級(jí)研究平臺(tái)中，僅存精密超精密加工國(guó)家工程研究中心和國(guó)家半導(dǎo)體泵浦激光工程技術(shù)研究中心，其他28個(gè)均依托科研院所和高校建設(shè)。高校和科研院所承擔(dān)了大部分國(guó)家計(jì)劃的激光科研項(xiàng)目，而企業(yè)承擔(dān)的只占很小的比例。在過(guò)去的10年中，我國(guó)的激光制造已成為先進(jìn)制造業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，形成了一定特色，某些技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

激光加工設(shè)備在促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。一群激光加工設(shè)備企業(yè)依靠創(chuàng)新的加工技術(shù)和卓越的設(shè)備質(zhì)量在新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換市場(chǎng)中找到足夠的訂單來(lái)快速增長(zhǎng)。此外，一些制造公司已經(jīng)嘗到了升級(jí)和發(fā)展的甜頭，已不滿(mǎn)足于國(guó)內(nèi)垂直整合，而在積極探索跨國(guó)并購(gòu)國(guó)外優(yōu)質(zhì)激光企業(yè)資源，并計(jì)劃進(jìn)入精密加工領(lǐng)域。在過(guò)去的10年中，激光加工站一直是設(shè)備企業(yè)提供外延服務(wù)的重要觸角，通過(guò)開(kāi)展陣地服務(wù)，及時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)加工需求，增強(qiáng)客戶(hù)黏度。如今，越來(lái)越多集多功能于一體的大型設(shè)備已被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于軌道交通、航空航天、船舶制造等行業(yè)。預(yù)計(jì)到2020年，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)云制造平臺(tái)將逐漸釋放價(jià)值，激光加工站將在云制造平臺(tái)的支持下發(fā)揮出更大的功用，并沿著“一帶一路”走進(jìn)東南亞、中東、南美等多個(gè)地區(qū)。

在經(jīng)歷了2017—2018年的快速增長(zhǎng)之后，中國(guó)的激光市場(chǎng)在2019年進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期。2019年中國(guó)工業(yè)激光市場(chǎng)的發(fā)展開(kāi)始影響全球工業(yè)激光經(jīng)營(yíng)收入。一方面，日益激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致光纖激光器和超快激光器的價(jià)格急劇下降，但國(guó)產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量、技術(shù)和服務(wù)在競(jìng)爭(zhēng)中逐步得到改善，國(guó)產(chǎn)激光產(chǎn)品的興起正在逐步取代進(jìn)口激光產(chǎn)品；另一方面，激光技術(shù)的應(yīng)用比許多傳統(tǒng)制造技術(shù)更具成本效益，從而使激光應(yīng)用迅速普及。

2019年激光設(shè)備（含進(jìn)口）市場(chǎng)銷(xiāo)售總收入為658億元，比2018年增長(zhǎng)8.8%。受全球經(jīng)濟(jì)走勢(shì)不確定的影響，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)整體銷(xiāo)售收入將受到很大影響（見(jiàn)圖1）。2019年，國(guó)內(nèi)共有規(guī)模以上激光企業(yè)超過(guò)150家，其中半數(shù)以上的企業(yè)集中在激光加工和激光器相關(guān)領(lǐng)域。

圖1?2010—2020E年中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)銷(xiāo)售收入和增長(zhǎng)率

新的激光光源（如藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和高功率超快激光器）和新的激光加工技術(shù)（如金屬泡沫的激光成形和非常規(guī)激光微加工）的不斷涌現(xiàn)，給激光加工行業(yè)帶來(lái)了極好的發(fā)展前景。以下對(duì)一些新型激光器和激光加工技術(shù)作簡(jiǎn)單介紹。

光纖激光器

2019年光纖激光器市場(chǎng)是競(jìng)爭(zhēng)激烈、也是繼續(xù)發(fā)展的一年。2019年中國(guó)光纖激光器市場(chǎng)銷(xiāo)售總額超過(guò)82.6億元。從我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)光纖激光器逐步實(shí)現(xiàn)由依賴(lài)進(jìn)口向自主研發(fā)、替代進(jìn)口到出口的轉(zhuǎn)變。隨著國(guó)內(nèi)光纖激光器企業(yè)綜合實(shí)力的增強(qiáng)，國(guó)產(chǎn)光纖激光器功率和性能逐步提高，我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)從2015年的40.7億元增長(zhǎng)到2019年的82.6億元，預(yù)計(jì)2020年會(huì)小幅增長(zhǎng)到85.6億元（見(jiàn)圖2）。隨著光纖激光器市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光纖激光器核心器件的國(guó)產(chǎn)化替代方案已基本成形，激光產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，激光器的核心器件國(guó)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(jìng)爭(zhēng)主戰(zhàn)場(chǎng)從1~3kW產(chǎn)品段轉(zhuǎn)移至6~40kW產(chǎn)品段。

圖2?2015—2020E年我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)情況

1)激光切割

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(wú)接觸和無(wú)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(guò)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(lái)，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(huì)，中國(guó)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(jí)，帶動(dòng)了激光切割成套設(shè)備的銷(xiāo)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(zhǎng)，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(duì)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(dòng)了中功率激光切割裝備的快速發(fā)展，加劇了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性，并導(dǎo)致中功率切割裝備的毛利率越來(lái)越低，因此激光加工廠(chǎng)商們開(kāi)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(chǎng)，12kW、20kW、30kW甚至40kW的超高功率激光切割機(jī)也已經(jīng)問(wèn)世。2019年，中國(guó)銷(xiāo)售了約34 000臺(tái)中功率激光切割系統(tǒng)和7 000臺(tái)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(chǎng)商和系統(tǒng)廠(chǎng)商提出了諸多挑戰(zhàn)。一些核心單元如萬(wàn)瓦級(jí)切割頭、自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)、智能總線(xiàn)系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)等亟待提檔升級(jí)。然而，國(guó)產(chǎn)配件廠(chǎng)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。

2) 激光焊接

近年來(lái)，激光焊接設(shè)備在五金建材、汽車(chē)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(chǎng)份額。在汽車(chē)工業(yè)中，白車(chē)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(guò)電阻點(diǎn)焊來(lái)完成的。然而，鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊存在許多問(wèn)題，例如，焊接所需的時(shí)間長(zhǎng)，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(wèn)題。

隨著汽車(chē)工業(yè)向更輕量級(jí)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(chē)輛重量的27%，因此使用這些輕質(zhì)材料有望減輕車(chē)輛的總重量。然而，對(duì)于這些材料，與電阻點(diǎn)焊有關(guān)的問(wèn)題更加嚴(yán)重。采用激光焊接，可以克服其中一些問(wèn)題。除BIW之外，激光焊接還應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件、變速箱零件、交流發(fā)電機(jī)、螺線(xiàn)管、燃料噴射器、燃料過(guò)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(lái)連接各種超級(jí)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(dòng)機(jī)的靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)組件。此外，Inconel 718通常用于在高溫下運(yùn)行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，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(lái)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)榧す饽芰亢苋菀自谄?/span>10.6mm的長(zhǎng)波長(zhǎng)處吸收。大多數(shù)塑料在紅外波長(zhǎng)下是透明的，但在長(zhǎng)波長(zhǎng)下是不透明的。近年來(lái)，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(chē)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(guò)近10年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)激光復(fù)合焊接技術(shù)和工藝取得了長(zhǎng)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(mén)檻不高，加上在使用過(guò)程中可以滿(mǎn)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(lèi)工件的復(fù)雜焊縫，該市場(chǎng)出現(xiàn)了一股發(fā)展熱潮。近兩年，全國(guó)有數(shù)十家企業(yè)投入這一領(lǐng)域。然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的專(zhuān)利布局明顯不足，國(guó)內(nèi)最早的一篇手持焊接設(shè)備專(zhuān)利始于2003年，居然來(lái)自美國(guó)霍利韋爾公司。沒(méi)有專(zhuān)利的支撐，國(guó)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(mén)檻預(yù)示著高競(jìng)爭(zhēng)，預(yù)計(jì)未來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力的匱乏以及產(chǎn)品利潤(rùn)的殆盡而退出該市場(chǎng)。

3)激光增材制造

在過(guò)去的幾十年中，激光增材制造得到了越來(lái)越多的關(guān)注，激光已成為增材制造（AM）越來(lái)越重要的核心，基于激光的增材制造系統(tǒng)占金屬增材制造市場(chǎng)收入的一半以上，全球增材制造市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2019年為7.74億美元，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到3.2億美元。毫無(wú)疑問(wèn)，基于激光的增材制造已成為激光行業(yè)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域（見(jiàn)圖3）。

圖3?激光金屬增材制造

使用增材制造（尤其是金屬制造）的關(guān)鍵要求之一是獲得所需的力學(xué)性能。由于增材制造涉及許多會(huì)影響工藝條件的變量，因此僅通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定所得力學(xué)性能的嘗試可能既耗時(shí)又昂貴。為了減輕這個(gè)問(wèn)題并獲得對(duì)過(guò)程的深入了解，已經(jīng)進(jìn)行了許多開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)性過(guò)程模型的嘗試。AM的預(yù)測(cè)模型可以大致分為三類(lèi)：AM過(guò)程熱模型、微結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型和力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型。激光增材制造面臨巨大挑戰(zhàn)，只有克服這些挑戰(zhàn)，才能被接受為經(jīng)濟(jì)上可行的工業(yè)制造工藝。但與此同時(shí)，它也提供了前所未有的機(jī)會(huì)來(lái)制造那些傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法制造的新產(chǎn)品。顯然，一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是通過(guò)基于物理學(xué)的建模或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)建立過(guò)程-微結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系，以促進(jìn)增材制造零件的鑒定過(guò)程。此外，必須同時(shí)開(kāi)發(fā)可靠的過(guò)程中監(jiān)視方法。激光金屬AM提供的新機(jī)會(huì)包括制造大量定制的零件（例如醫(yī)療植入物），具有所需局部特性的功能漸變零件，用于制造智能或超材料結(jié)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，幾何形狀復(fù)雜的零件（例如：熱交換器），新型材料的合成，需要跨學(xué)科的人們共同努力，以產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)和材料，從而加速AM在制造業(yè)的應(yīng)用。

4) 激光表面紋理化

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(duì)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(duì)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(huì)改變材料的表面形態(tài)，而且通常會(huì)賦予表面一些新的功能和特性，尤其是光學(xué)、機(jī)械、潤(rùn)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(chēng)為黑硅）是在可見(jiàn)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(guò)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(zhǎng)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(yáng)能電池、檢測(cè)器、傳感器、場(chǎng)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(rùn)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(lái)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(rùn)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。

5)激光沖擊噴丸

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(guò)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(huì)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)期沒(méi)有被商業(yè)化應(yīng)用。為了減輕軍用飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片前緣上的異物損壞，GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（俄亥俄州辛辛那提市）于1997年開(kāi)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(duì)過(guò)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(guò)程。

6)金屬泡沫的激光成形

金屬泡沫是一種相對(duì)較新的材料，由于其高的強(qiáng)度重量比以及出色的沖擊和噪聲吸收特性而引起人們的興趣。在許多工程應(yīng)用中，例如，汽車(chē)保險(xiǎn)杠或航天器部件，金屬泡沫必須具有特定的形狀。由于近凈形狀的制造困難且昂貴，因此有必要將金屬泡沫彎曲成期望的形狀。彎曲金屬泡沫并非易事，因?yàn)榭妆谥荒艹惺艿蛻?yīng)力并容易破裂。結(jié)果，傳統(tǒng)的機(jī)械彎曲方法會(huì)導(dǎo)致破裂和細(xì)胞塌陷。在過(guò)去的10年中，幾個(gè)研究小組嘗試了金屬泡沫的激光成形，并報(bào)告了積極的結(jié)果（見(jiàn)圖4、圖5），但沒(méi)有一項(xiàng)研究足夠詳細(xì)地探討潛在的彎曲機(jī)理。未來(lái)研究應(yīng)該更好地了解激光成形如何影響材料特性和結(jié)構(gòu)屬性。

圖4?金屬泡沫的激光成形加工

圖5?金屬泡沫的激光成形樣品

7)激光清洗

我國(guó)激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備開(kāi)發(fā)起步較晚，早期發(fā)展基本上是跟蹤國(guó)外技術(shù)。近兩年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)保政策的不斷收緊以及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)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(guó)南方航空股份有限公司為例，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(wàn)元。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售收入過(guò)千萬(wàn)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(wàn)元的年銷(xiāo)售收入。預(yù)計(jì)2020年整個(gè)行業(yè)將會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)，年?duì)I收增幅有望超過(guò)30%。

8)超快激光加工

超快激光也是近年來(lái)激光市場(chǎng)最突出的增長(zhǎng)點(diǎn)，其增速數(shù)倍于激光行業(yè)的整體增速。2019年國(guó)內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過(guò)25家，預(yù)計(jì)2020年國(guó)內(nèi)超快激光器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到25億元。超快激光器市場(chǎng)在脆性材料加工市場(chǎng)取得了穩(wěn)步增長(zhǎng)。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(yáng)能PERC電池加工等領(lǐng)域訂單需求不斷。國(guó)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(chǎng)有望迎來(lái)一波換機(jī)熱潮。近兩年，國(guó)內(nèi)面板廠(chǎng)商持續(xù)加碼柔性屏幕生產(chǎn)線(xiàn)，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(lài)進(jìn)口。隨著更多柔性屏幕產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)和成規(guī)模出貨，巨大的潛在市場(chǎng)將有效推動(dòng)國(guó)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?lài)?guó)產(chǎn)設(shè)備的短板。

9)非常規(guī)激光微加工

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(lái)一種新的加工技術(shù)，該技術(shù)除了對(duì)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(lì)水產(chǎn)生有益的效果，例如原位超聲清潔，以改善加工過(guò)程。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(méi)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(dòng)輔助激光加工是指將要加工的工件表面進(jìn)行超聲振動(dòng)，而不是將其浸入水中的過(guò)程。它與前述的UWLM工藝從根本上不同，因?yàn)樗簧婕?/span>UWLM在水浸工件表面加工區(qū)域周?chē)某暡ㄋ畠?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(dòng)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(chǎng)或磁場(chǎng)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(lái)一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的工藝稱(chēng)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(duì)定時(shí)等的脈沖。

藍(lán)光半導(dǎo)體激光器

另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是風(fēng)頭漸盛的工業(yè)級(jí)藍(lán)光半導(dǎo)體激光器?；谑袌?chǎng)上對(duì)高反射材料如銅、鋁及其合金切割需求的日益增長(zhǎng)，憑借低功耗和出色的光吸收率，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器近年來(lái)已被廣泛用于有色金屬的微加工（見(jiàn)圖6、圖7）。藍(lán)光半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)也有望在2~3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，在有色金屬加工領(lǐng)域與光纖激光器、紅光半導(dǎo)體激光器形成分庭抗衡之勢(shì)。

圖6?藍(lán)光半導(dǎo)體激光器

圖7?雙波長(zhǎng)（紅，藍(lán)）半導(dǎo)體激光器焊接銅

過(guò)去兩年的價(jià)格戰(zhàn)，加速了激光加工設(shè)備行業(yè)低端產(chǎn)能的出清。未來(lái)幾年，以?xún)r(jià)格比拼的惡性競(jìng)爭(zhēng)將逐漸演變成人才爭(zhēng)奪和應(yīng)用解決方案的較量。高水平的工程師隊(duì)伍和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將給企業(yè)帶來(lái)巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)及工藝，塑造企業(yè)的多維競(jìng)爭(zhēng)力，才是激光加工設(shè)備企業(yè)維持生命力的關(guān)鍵所在。2019年，中國(guó)新增激光技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利9581項(xiàng)。從申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，排名前10的申請(qǐng)機(jī)構(gòu)中，有5家企業(yè)、5家高校，與往年以高校為研發(fā)主力的情況有所不同。

對(duì)于2019年底突如其來(lái)的新型冠狀病毒肺炎疫情，雖然湖北、廣東、浙江等激光產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不錯(cuò)的省份因受災(zāi)停工而遭受到一定的市場(chǎng)沖擊，但從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，疫情不會(huì)改變中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。中國(guó)作為全球制造中心，擁有較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)和廣闊的市場(chǎng)空間，而“集中力量辦大事”正是國(guó)家制度和國(guó)家治理體系優(yōu)勢(shì)的重要體現(xiàn)。相信疫情過(guò)后，通過(guò)拉動(dòng)內(nèi)需，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一大批新的激光技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。例如，以5G通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心為代表的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域和以航空航天、船舶制造為代表的高端工業(yè)制造領(lǐng)域。

展望未來(lái)

關(guān)于激光加工產(chǎn)業(yè)的未來(lái)展望，主要包括：攻克激光制造核心部件關(guān)鍵技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)激光制造全產(chǎn)業(yè)鏈自主供給；研發(fā)智能化、極端化、高性能先進(jìn)激光制造技術(shù)與系列裝備，基本實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高端裝備激光制造技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈的自主供給；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以期激光制造與再制造產(chǎn)業(yè)整體實(shí)力達(dá)到世界先進(jìn)水平。今后的30年，將是中國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金30年。

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