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激光加工技术及产业的现状与应用发展趋势 2020-10-30

1   序言

激光是20世纪的一项重大科学技术发明,与原子能、半导体和计算机一样著名。具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性好的特点,被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。在过去的60年中,与激光有关的研究获得了许多诺贝尔奖,充分证明了激光技术在促进尖端科学研究和促进科学技术进步方面的显著作用。激光与相关技术的融合形成了激光制造,为人类改变世界提供了崭新的工具。


激光制造技术具有易操作、非接触、高柔性、高效率、高质量和节能环保等突出优势,是切割、焊接、表面处理、高性能复杂构件制造和精密制造的主流手段,被誉为“万能加工工具”和“未来制造系统通用的加工手段”,带动了先进制造业的发展,对工业智能化进程产生了深远影响。


激光技术是一种具有极强的渗透性和加工性的使能技术。激光银河最新网址的技术支持的经济规模远大于其自身的经济规模。2010年美国研究报告指出,2009—2010年,美国电信、电子商务和信息技术的总价值为4万亿美元,其中激光器本身的价值仅为32亿美元。因此,激光技术产品在经济体系中的重要性远超过了产品本身的价值规模。

近年来,中国的激光加工产业发展迅速,国际竞争力迅速提高。众多激光企业已遍布华东、华南、华北、东北、华中及西部地区。据《2019中国激光产业发展报告》统计,我国在26个城市已有激光产业基地(园区)37个,2011—2018年,激光设备的销售收入提高了5倍多,涌现了一批有世界竞争力的激光企业。


经过多年的努力,中国的激光公司已经在低端激光行业树立了坚实的立足点,但离高端技术行业和高端核心组件的世界先进水平仍有较大差距。在产品方面,跟随型产品居多,原创或首创性的高端产品相对较少。我国激光技术科研主要力量集中在科研院所和高等学校,而企业相对薄弱。目前,在我国与激光相关的30个国家级研究平台中,仅存精密超精密加工国家工程研究中心和国家半导体泵浦激光工程技术研究中心,其他28个均依托科研院所和高校建设。高校和科研院所承担了大部分国家计划的激光科研项目,而企业承担的只占很小的比例。在过去的10年中,我国的激光制造已成为先进制造业中增长最快的领域之一,形成了一定特色,某些技术已达到国际领先水平。


激光加工设备在促进传统产业升级改造中发挥了关键作用。一群激光加工设备企业依靠创新的加工技术和卓越的设备质量在新旧动能转换市场中找到足够的订单来快速增长。此外,一些制造公司已经尝到了升级和发展的甜头,已不满足于国内垂直整合,而在积极探索跨国并购国外优质激光企业资源,并计划进入精密加工领域。在过去的10年中,激光加工站一直是设备企业提供外延服务的重要触角,通过开展阵地服务,及时满足各类加工需求,增强客户黏度。如今,越来越多集多功能于一体的大型设备已被开发并应用于轨道交通、航空航天、船舶制造等行业。预计到2020年,基于工业互联网的各类云制造平台将逐渐释放价值,激光加工站将在云制造平台的支持下发挥出更大的功用,并沿着“一带一路”走进东南亚、中东、南美等多个地区。


在经历了2017—2018年的快速增长之后,中国的激光市场在2019年进入了一个相对稳定的时期。2019年中国工业激光市场的发展开始影响全球工业激光经营收入。一方面,日益激烈的价格竞争导致光纤激光器和超快激光器的价格急剧下降,但国产设备的质量、技术和服务在竞争中逐步得到改善,国产激光产品的兴起正在逐步取代进口激光产品;另一方面,激光技术的应用比许多传统制造技术更具成本效益,从而使激光应用迅速普及。


2019年激光设备(含进口)市场销售总收入为658亿元,比2018年增长8.8%。受全球经济走势不确定的影响,预计2020年中国激光设备市场整体销售收入将受到很大影响(见图1)。2019年,国内共有规模以上激光企业超过150家,其中半数以上的企业集中在激光加工和激光器相关领域。

图1 2010—2020e年中国激光设备市场销售收入和增长率


图1 2010—2020e年中国激光设备市场销售收入和增长率

新的激光光源(如蓝光半导体激光器和高功率超快激光器)和新的激光加工技术(如金属泡沫的激光成形和非常规激光微加工)的不断涌现,给激光加工行业带来了极好的发展前景。以下对一些新型激光器和激光加工技术作简单介绍。


2   光纤激光器

2019年光纤激光器市场是竞争激烈、也是继续发展的一年。2019年中国光纤激光器市场销售总额超过82.6亿元。从我国光纤激光器市场来看,国产光纤激光器逐步实现由依赖进口向自主研发、替代进口到出口的转变。随着国内光纤激光器企业综合实力的增强,国产光纤激光器功率和性能逐步提高,我国光纤激光器市场从2015年的40.7亿元增长到2019年的82.6亿元,预计2020年会小幅增长到85.6亿元(见图2)。随着光纤激光器市场规模的不断扩大,光纤激光器核心器件的国产化替代方案已基本成形,激光产业链日趋成熟,激光器的核心器件国产化率也随之提高,进而使得激光器的成本逐渐下降。激光器的价格战也出现了阶段性的变化,价格竞争主战场从1~3kw产品段转移至6~40kw产品段。

图2 2015—2020e年我国光纤激光器市场情况


图2 2015—2020e年我国光纤激光器市场情况


2.1  激光切割

激光切割是一种成熟的工业加工技术,具有高度的灵活性,且无接触和无应力,可直接从工件中生产出成品零件。激光切割是一个非常精确的过程,具有出色的尺寸稳定性,非常小的热影响区和狭窄的切缝。近年来,脆性和透明材料的切割为超短脉冲和紫外激光器提供了机会,中国制造业的快速发展,传统工业制造技术的更新升级,带动了激光切割成套设备的销售。应用于激光切割系统的光纤激光器数量在近两年平稳增长,激光切割设备也在朝高功率方向发展。2019年,各个行业对激光设备的需求不断提高。激光设备的批量化生产,带动了中功率激光切割装备的快速发展,加剧了产品的竞争性,并导致中功率切割装备的毛利率越来越低,因此激光加工厂商们开始向高功率产品段进军。2019年高功率激光切割设备如雨后春笋般地涌向市场,12kw、20kw、30kw甚至40kw的超高功率激光切割机也已经问世。2019年,中国销售了约34 000台中功率激光切割系统和7 000台高功率激光切割系统。功率的大幅提升也增加了设备集成难度,给上游配件厂商和系统厂商提出了诸多挑战。一些核心单元如万瓦级切割头、自动调焦系统、智能总线系统及温控系统等亟待提档升级。然而,国产配件厂商和系统集成商从未缺席自主发展之路,纷纷加入支持行列。


2.2 

近年来,设备在五金建材、汽车制造、电子产品、医疗设备、新能源电池及航空航天等行业逐渐替代传统焊接设备,占据市场份额。在汽车工业中,白车身(biw)焊接被广泛使用,需要多达2000~5000个点焊,传统上是通过电阻点焊来完成的。然而,镀锌钢板的电阻点焊存在许多问题,例如,焊接所需的时间长,电极的维护成本高以及锌涂层黏附在电子产品上等问题。


随着汽车工业向更轻量级结构发展,铝和镁合金等其他材料正在成为替代镀锌钢的候选材料。由于biw约占车辆重量的27%,因此使用这些轻质材料有望减轻车辆的总重量。然而,对于这些材料,与电阻点焊有关的问题更加严重。采用激光焊接,可以克服其中一些问题。除biw之外,激光焊接还应用于发动机零件、变速箱零件、交流发电机、螺线管、燃料喷射器、燃料过滤器及燃料电池等。


在航空航天工业中,已经使用激光焊接来连接各种超级合金,例如镍基合金和钛基合金。ti6al4v合金通常用于涡轮发动机的静态和旋转组件。此外,inconel 718通常用于在高温下运行的航空发动机和燃气轮机的组件。由于这些合金非常昂贵,因此与减材制造工艺相比,焊接具有减少材料消耗的潜力。铝合金在航空航天工业中也非常流行,在某些情况下,激光焊接可以提供比其他焊接技术(例如:搅拌摩擦焊)更强的竞争优势。近年来,因异种材料的焊接可以降低零件成本和设计灵活性而变得越来越流行,激光焊接已用于连接聚合物和塑料。早期,co2激光主要用于塑料部件的焊接,因为激光能量很容易在其10.6mm的长波长处吸收。大多数塑料在红外波长下是透明的,但在长波长下是不透明的。近年来,透射激光焊接(tlw)已成为一种使用内部吸收器焊接塑料的可行方法,这仅在焊接界面处提供了一种吸收热量的方法,并将热影响区最小化。以家电和汽车内饰为代表的塑料焊接设备和以医疗器械为代表的陶瓷焊接设备,也已成为激光焊接重要的发展方向。


经过近10年的发展,国内激光复合焊接技术和工艺取得了长足进步,已经在船体的大幅面构件和复杂曲面构件焊接中得到小批量应用。2019年,手持激光焊接机异军突起。由于设备本身准入门槛不高,加上在使用过程中可以满足脉冲焊、准连续焊和连续焊的自由切换,适用于各类工件的复杂焊缝,该市场出现了一股发展热潮。近两年,全国有数十家企业投入这一领域。然而,国内企业在该领域的专利布局明显不足,国内最早的一篇手持焊接设备专利始于2003年,居然来自美国霍利韦尔公司。没有专利的支撑,国内在该领域的行业标准也基本处于“裸奔”状态。低门槛预示着高竞争,预计未来2~3年,半数以上的手持焊接设备企业将因自身技术竞争力的匮乏以及产品利润的殆尽而退出该市场。


2.3  激光增材制造

在过去的几十年中,激光增材制造得到了越来越多的关注,激光已成为增材制造(am)越来越重要的核心,基于激光的增材制造系统占金属增材制造市场收入的一半以上,全球增材制造市场预计在2019年为7.74亿美元,预计到2024年将达到3.2亿美元。毫无疑问,基于激光的增材制造已成为激光行业的一个非常重要的应用领域(见图3)。

图3 激光金属增材制造



图3 激光金属增材制造

使用增材制造(尤其是金属制造)的关键要求之一是获得所需的力学性能。由于增材制造涉及许多会影响工艺条件的变量,因此仅通过试验来确定所得力学性能的尝试可能既耗时又昂贵。为了减轻这个问题并获得对过程的深入了解,已经进行了许多开发预测性过程模型的尝试。am的预测模型可以大致分为三类:am过程热模型、微结构预测模型和力学性能预测模型。激光增材制造面临巨大挑战,只有克服这些挑战,才能被接受为经济上可行的工业制造工艺。但与此同时,它也提供了前所未有的机会来制造那些传统制造工艺无法制造的新产品。显然,一项重大挑战是通过基于物理学的建模或数据驱动的方法来建立过程-微结构-属性关系,以促进增材制造零件的鉴定过程。此外,必须同时开发可靠的过程中监视方法。激光金属am提供的新机会包括制造大量定制的零件(例如医疗植入物),具有所需局部特性的功能渐变零件,用于制造智能或超材料结构的拓扑设计,几何形状复杂的零件(例如:热交换器),新型材料的合成,需要跨学科的人们共同努力,以产生新的设计和材料,从而加速am在制造业的应用。


2.4  激光表面纹理化

激光表面纹理化是一种表面工程工艺。该工艺使用激光在材料表面上创建周期性的微结构,以诱导针对各种应用的所需表面特性。在20世纪90年代早期的激光表面纹理化研究中,使用激光产生了图案化的微凹坑,并研究了带纹理的表面对机械部件(包括机械密封件、活塞环和推力轴承)的摩擦学性能的影响。从那时起,随着激光技术的飞速发展,该领域也得到了迅速的发展,并且已经出现了超出摩擦学领域的广泛应用。


激光表面结构化不仅会改变材料的表面形态,而且通常会赋予表面一些新的功能和特性,尤其是光学、机械、润湿性和化学特性。飞秒激光织构的覆盖有微尖峰的硅(通常称为黑硅)是在可见光范围内显示出近100%吸收率的早期发现之一,当在sf6气体环境中处理时,吸收率可以扩展到2.5mm。在铜表面上通过ps激光诱导的微/纳米结构,可以实现从uv到mir的整个波长范围内的可调反射率。由飞秒激光产生的微尺度珊瑚状表面结构,niti合金的热辐射显著提高到了约100%。表面织构化的硅和金属具有广泛的潜在应用,包括太阳能电池、检测器、传感器、场发射设备、等离激元、宽带热源及辐射传热设备等。


激光表面纹理化也已用于修改和控制材料的润湿性。摩擦学应用中的激光表面纹理化已成为20多年来人们关注的领域。实践证明,具有数十或数百微米大小的微孔或微槽的飞秒激光纹理表面在干燥、润滑高温和高压条件下加工应用中,均可有效减少摩擦和磨损。


2.5  激光冲击喷丸

激光冲击喷丸是一种新兴的喷丸技术,它将残余压缩应力引入金属表面以改善疲劳和腐蚀性能。与在过去60年中被广泛使用的传统喷丸处理相比,激光冲击喷丸可以产生更深的等离子体变形深度和更高的残余应力,而不会留下粗糙的表面。这种更深、更高的压缩残余应力又导致更长的疲劳寿命。此外,还可以提供更高的耐蚀性。


激光喷丸技术最早是在20世纪60年代初发现和研究的,在美国巴特尔实验室进行了原型设备的初步可行性研究。然而,由于缺乏可靠的、高重复率和高平均激光功率,因此长期没有被商业化应用。为了减轻军用飞机涡轮发动机的风扇叶片前缘上的异物损坏,ge飞机发动机公司(俄亥俄州辛辛那提市)于1997年开发了第一个商业应用程序。关于激光冲击喷丸的研究可分为基础研究和应用研究。前者主要涉及对过程中基本物理学的理解,后者则是在不同参数和配置下进行激光冲击喷丸的案例研究,并将其应用于不同的材料。在要求提高工程部件疲劳寿命的应用中,激光冲击喷丸处理是至关重要的过程。


2.6  金属泡沫的激光成形

金属泡沫是一种相对较新的材料,由于其高的强度重量比以及出色的冲击和噪声吸收特性而引起人们的兴趣。在许多工程应用中,例如,汽车保险杠或航天器部件,金属泡沫必须具有特定的形状。由于近净形状的制造困难且昂贵,因此有必要将金属泡沫弯曲成期望的形状。弯曲金属泡沫并非易事,因为孔壁只能承受低应力并容易破裂。结果,传统的机械弯曲方法会导致破裂和细胞塌陷。在过去的10年中,几个研究小组尝试了金属泡沫的激光成形,并报告了积极的结果(见图4、图5),但没有一项研究足够详细地探讨潜在的弯曲机理。未来研究应该更好地了解激光成形如何影响材料特性和结构属性。

图4 金属泡沫的激光成形加工



图4 金属泡沫的激光成形加工

图5 金属泡沫的激光成形样品



图5 金属泡沫的激光成形样品


2.7  激光清洗

我国激光清洗技术的研究和设备开发起步较晚,早期发展基本上是跟踪国外技术。近两年来,随着国家环保政策的不断收紧以及人们对环保意识的日益增强,激光清洗行业逐渐走向上升通道,在机械、石化、公路运输、印刷、电子电路及核工业等行业持续发力。激光清洗行业还在不断扩大应用范围,已经渗透到航空公司飞机维保领域。以中国南方航空股份有限公司为例,采取激光清洗手段每清洗一架空客a320客机,平均节省维护成本约40万元。当前,国内销售收入过千万的激光清洗企业已经不下30家,少数几家已经逼近5000万元的年销售收入。预计2020年整个行业将会进一步爆发,年营收增幅有望超过30%。


2.8  超快激光加工

超快激光也是近年来激光市场最突出的增长点,其增速数倍于激光行业的整体增速。2019年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家,预计2020年国内超快激光器市场规模将达到25亿元。超快激光器市场在脆性材料加工市场取得了稳步增长。诸如手机屏异形切割、手机摄像头蓝宝石盖板切割、特殊材料标记、隐形二维码打标、高性能fpc切割、oled材料切割打孔,以及太阳能perc电池加工等领域订单需求不断。国内超快激光器生产企业也逐渐找到了自己的细分赛道。随着5g通信技术走向成熟,2020年消费电子市场有望迎来一波换机热潮。近两年,国内面板厂商持续加码柔性屏幕生产线,为下一代手机提供新型显示方案。然而,适用柔性amoled材料加工的激光微加工设备中,绝大多数的超快激光器仍依赖进口。随着更多柔性屏幕产线投产和成规模出货,巨大的潜在市场将有效推动国内超快激光器企业和下游设备企业奋发图强,从而弥补产业链条缺少国产设备的短板。


2.9  非常规激光微加工

水中的激光微加工是将要加工的工件表面置于水下,并且因施加水而导致加工质量的提高。水射流引导的激光微加工,其中水射流可以帮助引导激光束,增加工作距离,减少污染并产生冷却效果。助水密激光微加工(uwlm)是近年来一种新的加工技术,该技术除了对要加工的表面区域进行水密化外,还应用了超声波引起超声空化并激励水产生有益的效果,例如原位超声清洁,以改善加工过程。在实验室条件下,发现在ns入射激光脉冲相似的情况下,与在空气中进行激光微加工相比,uwlm产生的碎屑沉积要少得多,并且每个脉冲的烧蚀深度比没有超声的水中要高几倍。还有一种超声波辅助加工工艺,超声振动辅助激光加工是指将要加工的工件表面进行超声振动,而不是将其浸入水中的过程。它与前述的uwlm工艺从根本上不同,因为它不涉及uwlm在水浸工件表面加工区域周围的超声波水内清洁作用的关键组成部分。人们发现施加超声振动可以提高激光加工效率。除超声波外,人们正在尝试激光加工与电化学加工,电场或磁场的组合。


激光微加工通常涉及将激光直接照射到工件表面以去除材料。近来一种经过改进的工艺称为“激光诱导等离子体微加工”(lipmm),其中将介质中的激光诱导等离子体用于去除材料的能源。


另外,一种提高激光微加工质量和效率的方法是使用激光脉冲序列,其中每个序列包含两个或多个具有适当脉冲能量和相对定时等的脉冲。


3    蓝光半导体激光器

另一个值得关注的领域是风头渐盛的工业级蓝光半导体激光器。基于市场上对高反射材料如铜、铝及其合金切割需求的日益增长,凭借低功耗和出色的光吸收率,蓝光半导体激光器近年来已被广泛用于有色金属的微加工[5](见图6、图7)。蓝光半导体激光器市场也有望在2~3年内实现跨越式发展,在有色金属加工领域与光纤激光器、红光半导体激光器形成分庭抗衡之势。

图6 蓝光半导体激光器



图6 蓝光半导体激光器


图7 双波长(红,蓝)半导体激光器焊接铜



图7 双波长(红,蓝)半导体激光器焊接铜

过去两年的价格战,加速了激光加工设备行业低端产能的出清。未来几年,以价格比拼的恶性竞争将逐渐演变成人才争夺和应用银河网站的解决方案的较量。高水平的工程师队伍和服务网络的建设将给企业带来巨大的竞争优势,而不断提升产品品质及工艺,塑造企业的多维竞争力,才是激光加工设备企业维持生命力的关键所在。2019年,中国新增激光技术相关专利9581项。从申请机构来看,排名前10的申请机构中,有5家企业、5家高校,与往年以高校为研发主力的情况有所不同[4]。

对于2019年底突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情,虽然湖北、广东、浙江等激光产业基础不错的省份因受灾停工而遭受到一定的市场冲击,但从长期发展来看,疫情不会改变中国激光产业的发展格局。中国作为全球制造中心,拥有较为完备的产业链基础和广阔的市场空间,而“集中力量办大事”正是国家制度和国家治理体系优势的重要体现。相信疫情过后,通过拉动内需,势必会出现一大批新的激光技术应用场景。例如,以5g通信、工业互联网、大数据中心为代表的新型基础设施建设领域和以航空航天、船舶制造为代表的高端工业制造领域。


4    展望未来

关于激光加工产业的未来展望,主要包括:攻克激光制造核心部件关键技术,基本实现国内激光制造全产业链自主供给;研发智能化、极端化、高性能先进激光制造技术与系列装备,基本实现航空发动机等高端装备激光制造技术全产业链的自主供给;实现大规模产业化应用,以期激光制造与再制造产业整体实力达到世界先进水平。今后的30年,将是中国激光加工产业发展的黄金30年。





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