目前,激光加工技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的典型代表,應(yīng)用到幾乎所有的主流制造領(lǐng)域,如汽車制造,電子器件,航空航天,石油化工,冶金礦山,能源交通以及新能源等等,只是不同的領(lǐng)域普及程度不同而巳。亳不夸張地說,哪個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域應(yīng)用激光加工技術(shù)多,該領(lǐng)城的技術(shù)水平越先進(jìn),發(fā)展也越好。

為什么激光加工如此重要呢?眾所周知,車,銑,刨,磨等傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù),都是控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng),而后后者帶動(dòng)相應(yīng)的加工工具完成的,這個(gè)過程除了摩擦生熱,沒有另外的熱源輸人,因此屬于“冷加工”工藝過程。而激光加工則是采用高能量密度激光束對(duì)材料進(jìn)行熔化、氣化、固態(tài)相變或者沖擊強(qiáng)硬化等使物質(zhì)形態(tài)改變的工藝過程,它同樣需要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),但加工能カ和范圍要大得多:既可以是熱加工(如激光焊接、切割、打孔、標(biāo)刻、熔覆以及淬火等),也可以是冷加工(例如采用皮秒/飛秒激光進(jìn)行銑削,車削等),目前應(yīng)用最廣的還是熱加工,如激光切割、焊接、表面處理以及增材制造等等.除了激光,還沒有哪一種工具能在如此寬泛的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料加工。

激光加工技術(shù)逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械加工

有人或許會(huì)問,激光加工技術(shù)是否有一天會(huì)完全取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工呢?這一點(diǎn)不能一概而論。傳統(tǒng)的機(jī)械加工包括狹義的機(jī)械加工(例如車,銑,刨、磨)和廣義的機(jī)械加工(含鑄、鍛、焊等熱加工技術(shù)和車銑刨磨等冷加工),而激光加工技術(shù)范疇鉸寬,因此,針對(duì)不同的技術(shù)分別討論比較好。

數(shù)十年來,激光切割技術(shù)一直以切割精度高、效率高而備受青睞,薄板激光切割加工周期短,可節(jié)約開模費(fèi)在很大程度上取代了沖壓。以前,由于激光器依賴進(jìn)口,激光切割機(jī)成本居高不下。近年來,銳科、創(chuàng)鑫等國產(chǎn)光纖激光器品牌強(qiáng)勢(shì)崛起并大量替代進(jìn)口,使得激光切割裝備的價(jià)格大幅度下降,市場出現(xiàn)井噴,不但應(yīng)用面大幅度擴(kuò)展,還在很多方面取代了傳統(tǒng)的等離子切割、氧割、電火花切割以及水切割等傳統(tǒng)工藝。激光切割設(shè)備年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)萬臺(tái),改寫了飯金加工產(chǎn)業(yè)的格局。

激光焊接技術(shù)也是激光加工領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。與傳統(tǒng)弧焊工藝相比,激光悍接熱影響區(qū)小,工件變形小,接頭性能好,還可顯著改善材料的焊接性。獨(dú)樹一幟的激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù),將激光焊接與電弧焊接的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合,不僅顯著提升焊接速度和熔深,而且降低單純激光焊接對(duì)拼縫間隙的高精度要求,還可以通過調(diào)整金屬絲成分改善焊縫的性能。因此,激光悍接和激光-電弧復(fù)合焊接巳經(jīng)成為高端焊接技術(shù)的代名詞,在汽車、航空航天和精密機(jī)械等領(lǐng)域中率先應(yīng)用,并逐步擴(kuò)展到冶金、石化、船舶及能源等重型機(jī)械中。隨著激光器價(jià)格的不斷降低,激光焊接(含激光電弧復(fù)合焊接技術(shù))取代傳統(tǒng)弧焊技術(shù)的速度會(huì)不斷提升。

激光表面工程技術(shù)近年來的表現(xiàn)也可圈可點(diǎn)。激光表面淬火技術(shù)、激光熔覆強(qiáng)化與修復(fù)技術(shù)等已經(jīng)在各行各業(yè)中得到應(yīng)用,并迅速取代傳統(tǒng)的感應(yīng)淬火、滲碳淬火、堆焊、熱噴涂和噴焊技術(shù),在航空航天,機(jī)械制造、冶金石化和能源交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別值得一提的是激光清洗技術(shù),它是采用高能量密度的激光束燒蝕金屬表面,使零件表面的油污、銹斑和有機(jī)粘附物等瞬間發(fā)生升華、氣化或者燃燒而脫高基體表面的工藝過程。這基本上是一個(gè)純物理過程,“清洗”效率高,基本不損傷基體,又不需要洗滌劑等化學(xué)介質(zhì),節(jié)能環(huán)保。與上述激光加工技術(shù)都有一些傳統(tǒng)的熱加工工藝對(duì)應(yīng)不同,激光清洗似平是激光技術(shù)所獨(dú)有的,剛好可滿足當(dāng)前國內(nèi)對(duì)環(huán)保的高要求。

與冷加工對(duì)應(yīng)的激光加工技術(shù)是基于飛秒與皮秒激光刻蝕或者基于紫外、深紫外波長的激光精密刻蝕或者精密切割、打孔。盡管其去除材料的原理仍然與激光的熱效應(yīng)密不可分,但是對(duì)被加工零件基體的熱影響幾乎可以忽略,因此激光“銑削",“車削”技術(shù)也常常被稱為激光“冷加工",并在超硬、超脆和超欽材料的加工中率先得到應(yīng)用。隨著激光器功率的不斷增加,特別是千瓦級(jí)超快激光器的出現(xiàn),激光"冷加工”效率不斷提升,加上“激光刀”“永不磨損”的特性,預(yù)期激光刻蝕技術(shù)會(huì)在越來越多的場合取代傳統(tǒng)的冷加工工藝,當(dāng)前的主要障礙還是超快激光器的價(jià)格太貴。

激光加工技術(shù)應(yīng)用市場前景廣闊

目前,激光加工技術(shù)的應(yīng)用方興未艾,市場前景非常廣闊。這是因?yàn)?激光束既可以以高功率連續(xù)模式輸出,也可以高重頻,低峰值功率和短脈寬的準(zhǔn)連續(xù)脈沖方式輸出,還可以有低重頻、高峰值功率的脈沖輸出,能量大小,輸出方式和形狀以及能量密度都可以在很寬的范圍內(nèi)精確調(diào)控。當(dāng)脈寬短至皮秒或飛秒時(shí),峰值功率極高,激光加工精度高,熱影響區(qū)極小。此外,激光波長可以從深紫外到遠(yuǎn)紅外調(diào)節(jié),滿足不同材料的加工要求。所以,激光加工技術(shù)可滿足減材制造(如激光切割、激光打孔、激光銑削、激光刻蝕及激光拋光）、等材制造(如激光焊接、激光相變硬化、激光沖擊強(qiáng)化、激光熔凝強(qiáng)化及激光折彎)和增材制造(如激光熔覆與合金化、激光增材制造)等各種工藝過程的需求。

智能手機(jī)現(xiàn)在已成為典型的通訊平臺(tái),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了單純通話范疇。但是,如果沒有激光先進(jìn)制造技術(shù),如激光精密刻蝕,切割與打孔以及精密焊接這些核心技術(shù)的支持,手機(jī)是無法做到如今這么精巧,精致和可靠的。

激光加工技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域

目前激光加工技術(shù)的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域主要集中在如下幾個(gè)方面:

一是激光增材制造,主要聚焦于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)。因?yàn)樵摷夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)集成制造,即將多個(gè)零件,多種結(jié)構(gòu)作為一個(gè)零件,實(shí)現(xiàn)集成制造。這不但可以顯著減少零件數(shù)目,提高裝備可靠性.還可以實(shí)視零件減重,減少體積,達(dá)到結(jié)構(gòu)功能一體化,因此特別受到航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。

二是厚板激光切割與焊接。以前,由于高功率激光器的價(jià)格品貴,加上性能穩(wěn)定性也欠佳,因此激光切制與焊接技術(shù)主要局限于薄板與中厚飯(一般不超過20mm)。近年來,國產(chǎn)萬瓦級(jí)甚至2萬瓦級(jí)別光纖激光器研制成功并趨于穩(wěn),激活了中厚板基至厚板激光切割與焊接市場的需求。目前,厚板激光犀接應(yīng)用還滯后于激光切割,主要是基于萬瓦級(jí)激光悍接工藝特別是激光-電弧復(fù)合悍接工藝發(fā)展還相對(duì)滯后.但是可以預(yù)期,不需要多長時(shí)間,這個(gè)空檔就會(huì)被填上。

三是激光高速熔覆技術(shù)。眾所周知,由于環(huán)保方面的限制,金屬電鍍已在許多地方都受到限制。但是,材料表面的耐腐蝕、耐磨性及耐熱性在許多工況下又是“剛需”,因此尋找環(huán)境友好的替代技術(shù)迫在眉睫。激光高速熔覆技術(shù)的沉積效率高,性能好,性價(jià)比高,對(duì)環(huán)境無污染,正好填補(bǔ)了這個(gè)空擋,因此得以迅速推廣應(yīng)用。

未來發(fā)展驅(qū)動(dòng)力

激光加工技術(shù)與裝備的未來發(fā)展驅(qū)動(dòng)力來自四個(gè)方面:

一是光源驅(qū)動(dòng)。新型或高性能激光器的出現(xiàn),或者激光器成本的顯著降低,會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的市場應(yīng)用出現(xiàn)爆發(fā)式增長。正所謂,一代激光器,一代裝備。厚板激光切割設(shè)備快速走入工業(yè)領(lǐng)域就是一個(gè)典型案例。

二是系統(tǒng)功能驅(qū)動(dòng)。如今已經(jīng)進(jìn)入信息化、智能制造時(shí)代。激光加工的精確可控性,使其成為智能制造的天然終端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如將激光切割融入整體生產(chǎn)環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)零庫存。

三是加工工藝驅(qū)動(dòng)。例如,高速熔覆技術(shù),僅僅是改變一些激光熔疆的思路,就開辟了新的應(yīng)用場景:不僅熔覆效率顯著提升,且工件變形小,成本可以和傳統(tǒng)的電鍍工藝競爭。

四是市場驅(qū)動(dòng)。例如,即使采用高速熔覆技術(shù),制造成本仍然遠(yuǎn)高于鉻等電鍍工藝。但是,由于環(huán)保政策等原因,電鍍工藝的非生產(chǎn)成本過高,因此使得高速熔覆的總體成本基至比電鍍技術(shù)還要低。