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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),被稱為最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光。在過去的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)為萬能加工工具未來制造系統(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年美國研究報(bào)告指出,2009—2010年,美國電信、電子商務(wù)和信息技術(shù)的總價(jià)值為4萬億美元,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)超過了產(chǎn)品本身的價(jià)值規(guī)模。

 

近年來,中國的激光加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,國際競(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中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》統(tǒng)計(jì),我國在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)過多年的努力,中國的激光公司已經(jīng)在低端激光行業(yè)樹立了堅(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,在我國與激光相關(guān)的30個(gè)國家級(jí)研究平臺(tái)中,僅存精密超精密加工國家工程研究中心和國家半導(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。在過去的10年中,我國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,已不滿足于國內(nèi)垂直整合,而在積極探索跨國并購國外優(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,通過開展陣地服務(wù),及時(shí)滿足各類加工需求,增強(qiáng)客戶黏度。如今,越來越多集多功能于一體的大型設(shè)備已被開發(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年中國工業(yè)激光市場(chǎng)的發(fā)展開始影響全球工業(yè)激光經(jīng)營收入。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年中國激光設(shè)備市場(chǎng)整體銷售收入將受到很大影響(見圖1)。2019年,國內(nèi)共有規(guī)模以上激光企業(yè)超過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。

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1?2010—2020E年中國激光設(shè)備市場(chǎng)銷售收入和增長(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年中國光纖激光器市場(chǎng)銷售總額超過82.6億元。從我國光纖激光器市場(chǎng)來看,國產(chǎn)光纖激光器逐步實(shí)現(xiàn)由依賴進(jìn)口向自主研發(fā)、替代進(jìn)口到出口的轉(zhuǎn)變。隨著國內(nèi)光纖激光器企業(yè)綜合實(shí)力的增強(qiáng),國產(chǎn)光纖激光器功率和性能逐步提高,我國光纖激光器市場(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。

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2?2015—2020E年我國光纖激光器市場(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,且無接觸和無應(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,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越低,因此激光加工廠商們開始向高功率產(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),12kW20kW、30kW甚至40kW的超高功率激光切割機(jī)也已經(jīng)問世。2019年,中國銷售了約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,給上游配件廠商和系統(tǒng)廠商提出了諸多挑戰(zhàn)。一些核心單元如萬瓦級(jí)切割頭、自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)、智能總線系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)等亟待提檔升級(jí)。然而,國產(chǎn)配件廠商和系統(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,激光焊接設(shè)備在五金建材、汽車制造、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。在汽車工業(yè)中,白車身(BIW)焊接被廣泛使用,需要多達(dá)2000~5000個(gè)點(diǎn)焊,傳統(tǒng)上是通過電阻點(diǎn)焊來完成的。然而,鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊存在許多問題,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)品上等問題。

 

隨著汽車工業(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約占車輛重量的27%,因此使用這些輕質(zhì)材料有望減輕車輛的總重量。然而,對(duì)于這些材料,與電阻點(diǎn)焊有關(guān)的問題更加嚴(yán)重。采用激光焊接,可以克服其中一些問題。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)、螺線管、燃料噴射器、燃料過濾器及燃料電池等。

 

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,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,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)過近10年的發(fā)展,國內(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)入門檻不高,加上在使用過程中可以滿足脈沖焊、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,全國有數(shù)十家企業(yè)投入這一領(lǐng)域。然而,國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的專利布局明顯不足,國內(nèi)最早的一篇手持焊接設(shè)備專利始于2003年,居然來自美國霍利韋爾公司。沒有專利的支撐,國內(nèi)在該領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也基本處于裸奔狀態(tài)。低門檻預(yù)示著高競(jìng)爭(zhēng),預(yù)計(jì)未來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

在過去的幾十年中,激光增材制造得到了越來越多的關(guān)注,激光已成為增材制造(AM)越來越重要的核心,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。毫無疑問,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(見圖3)。

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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,因此僅通過試驗(yàn)來確定所得力學(xué)性能的嘗試可能既耗時(shí)又昂貴。為了減輕這個(gè)問題并獲得對(duì)過程的深入了解,已經(jīng)進(jìn)行了許多開發(fā)預(yù)測(cè)性過程模型的嘗試。AM的預(yù)測(cè)模型可以大致分為三類:AM過程熱模型、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)來制造那些傳統(tǒng)制造工藝無法制造的新產(chǎn)品。顯然,一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是通過基于物理學(xué)的建?;驍?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來建立過程-微結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系,以促進(jìn)增材制造零件的鑒定過程。此外,必須同時(shí)開發(fā)可靠的過程中監(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(通常稱為黑硅)是在可見光范圍內(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ps激光誘導(dǎo)的微/納米結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)從UVMIR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(見圖4、圖5),但沒有一項(xiàng)研究足夠詳細(xì)地探討潛在的彎曲機(jī)理。未來研究應(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。

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4?金屬泡沫的激光成形加工

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5?金屬泡沫的激光成形樣品

 

7)激光清洗

我國激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)起步較晚,早期發(fā)展基本上是跟蹤國外技術(shù)。近兩年來,隨著國家環(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40萬元。當(dāng)前,國內(nèi)銷售收入過千萬的激光清洗企業(yè)已經(jīng)不下30家,少數(shù)幾家已經(jīng)逼近5000萬元的年銷售收入。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30%。

 

8)超快激光加工

超快激光也是近年來激光市場(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年國內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過25家,預(yù)計(jì)2020年國內(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,以及太陽能PERC電池加工等領(lǐng)域訂單需求不斷。國內(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)有望迎來一波換機(jī)熱潮。近兩年,國內(nèi)面板廠商持續(xù)加碼柔性屏幕生產(chǎn)線,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進(jìn)口。隨著更多柔性屏幕產(chǎn)線投產(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)鏈條缺少國產(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)域周圍的超聲波水內(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。近來一種經(jīng)過改進(jìn)的工藝稱為激光誘導(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)體激光器近年來已被廣泛用于有色金屬的微加工(見圖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)。

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6?藍(lán)光半導(dǎo)體激光器

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7?雙波長(zhǎng)(紅,藍(lán))半導(dǎo)體激光器焊接銅

過去兩年的價(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。未來幾年,以價(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,中國新增激光技術(shù)相關(guān)專利9581項(xiàng)。從申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來看,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)展來看,疫情不會(huì)改變中國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。中國作為全球制造中心,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家制度和國家治理體系優(yōu)勢(shì)的重要體現(xiàn)。相信疫情過后,通過拉動(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

關(guān)于激光加工產(chǎn)業(yè)的未來展望,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,將是中國激光加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金30年。

 

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