一、國外激光加工技術(shù)及發(fā)展動態(tài)

　　以德國、美國、日本、俄羅斯為代表的少數(shù)發(fā)達(dá)國家，目前主導(dǎo)和控制著全球激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向（見附表）。其中，德國Trumpf、Rofin-Sinar公司在高功率工業(yè)激光器上稱雄天下；美國IPG公司的光纖激光器引領(lǐng)世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。歐美主要國家在大型制造產(chǎn)業(yè)，如機(jī)械、汽車、航空、造船、電子等行業(yè)中，基本完成了用激光加工工藝對傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，進(jìn)入“光加工”時代。

　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光技術(shù)開辟了廣闊的應(yīng)用天地，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋通信、材料加工、準(zhǔn)分子光刻及數(shù)據(jù)存儲等9個主要類別。根據(jù)國外統(tǒng)計資料表明，2013 年全世界總的激光銷售超過1000億元。其中全球激光器市場銷售額較2013年增長6.0%，達(dá)到93.34億美元。美國市場借助出口方面的出色表現(xiàn)有所 增長；歐洲憑借德國的出口增長僅維持收支平衡；亞洲市場，東盟國家的增長抵消了中國的經(jīng)濟(jì)放緩以及日本的零增長。

　　二、國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)整體格局

　　國內(nèi)激光企業(yè)主要分布在湖北、北京、江蘇、上海及深圳等地，已基本形成以上述省市為主體的華中、環(huán)渤海、長三角、珠三角四大激光產(chǎn)業(yè)基地，其中有一定規(guī)模的企業(yè)約300家。

　　2014年我國激光產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值約為800億元。主要包括：激光加工裝備產(chǎn)業(yè)達(dá)到350億元（其中，用于切割、打標(biāo)和焊接的高功率激光設(shè)備占據(jù)了67%的市場份額）；激光加工在重工業(yè)、電子工業(yè)、輕工業(yè)、軍用、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用達(dá)到450億元。預(yù)計在今后三年，我國激光產(chǎn)業(yè)平均行業(yè)復(fù)合成長率將不低于20%。

　　我國激光加工產(chǎn)業(yè)可以分為四個比較大產(chǎn)業(yè)帶，珠江三角洲、長江三角洲、華中地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)。這四個產(chǎn)業(yè)帶側(cè)重點不同，珠三角以中小功率激光加工機(jī)為主，長三角以大功率激光切割焊接設(shè)備為主，環(huán)渤海以大功率激光熔覆和全固態(tài)激光為主，以武漢為首的華中地區(qū)則覆蓋了大、中、小激光加工設(shè)備。這四大產(chǎn)業(yè)帶中，以華中地區(qū)尤其是武漢最具代表性，中國“光谷”的稱號便是有力的 證明。武漢地區(qū)可以說見證了中國激光加工產(chǎn)業(yè)從無到有、從弱到強(qiáng)的整個歷程，是中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的縮影，圖1為華工法利萊切割系統(tǒng)工程有限公司生產(chǎn)的切割 機(jī)，切割樣品如圖2所示。

　　
圖1

　　圖2

　　2.國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)重點單位

　　激光技術(shù)在我國經(jīng)過40多年發(fā)展，有了較為雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，鍛煉培養(yǎng)了一支素質(zhì)較高的隊伍。以中科院四大光機(jī)所及各部委所屬研究機(jī)構(gòu)和一批大學(xué)為代表，形成了我國激光器系統(tǒng)技術(shù)研究開發(fā)的重要力量，如華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等16個科研院所。在部分激光器研究開發(fā)的核心技術(shù)上，形成了5個國家級的激光技術(shù)研究中心，10多個研究機(jī)構(gòu)。

　　我國激光產(chǎn)業(yè)骨干企業(yè)有：武漢——華工激光、楚天激光、團(tuán)結(jié)激光、金運激光、銳科激光；深圳——大族激光、光韻達(dá)激光、光大激光、聯(lián)贏激光；北京——大 恒激光、11所；華東——上海團(tuán)結(jié)普林瑪、南京東方等。我國激光行業(yè)的八大激光上市公司分別為華工科技、大族激光、金運激光、光韻達(dá)、福晶科技、新松機(jī)器 人、利達(dá)光電及上海新南洋。
 

　　三、激光加工的優(yōu)勢

　　激光加工屬于無接觸加工,并且高 能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點的材料。激光加 工柔性大主要用于切割、表面處理、焊接、打標(biāo)和打孔等。激光表面處理包括激光相變硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等。

　　激 光加工技術(shù)主要有以下獨特的優(yōu)點：①使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益。②可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工；在惡劣環(huán)境或其 他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。③激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。④可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工 高硬度、高脆性及高熔點的材料。⑤激光束易于導(dǎo)向、聚焦實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合、對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法。⑥ 無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機(jī)械變形，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。⑦激光加工過程中，激光束能量 密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小，因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。⑧激光束的發(fā)散角可<1 毫弧，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒，同時，大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至10kW量級，因而激光既適于精密微細(xì)加工， 又適于大型材料加工。激光束容易控制，易于與精密機(jī)械、精密測量技術(shù)和電子計算機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達(dá)到很高的加工精度。

　　激光加工技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著激光加工技術(shù)、設(shè)備、工藝研究的不斷深進(jìn)，將具有更廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。由于加工過程中輸入工件的熱量小，所以熱影響區(qū)和熱變形小；加工效率高，易于實現(xiàn)自動化。
 

　　四、存在主要問題及發(fā)展思路

　　1.面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的中高端激光加工成套裝備和配套技術(shù)不能滿足行業(yè)需求

　　隨著我國制造業(yè)企業(yè)技術(shù)改造力度加大，近年來數(shù)控激光切割、焊接成套裝備市場異常活躍，年需求可達(dá)到1000臺以上。但國內(nèi)市場缺乏滿足行業(yè)需求的國產(chǎn)中高端激光裝備產(chǎn)品，同時在與國外產(chǎn)品進(jìn)行配套服務(wù)時，配套技術(shù)也達(dá)不到客戶需求，如武鋼冷軋生產(chǎn)線進(jìn)口十多臺德國激光拼焊、硅鋼刻痕大型裝備，配套的激光裝備技術(shù)和激光焊接工藝無法滿足武鋼規(guī)模化不停機(jī)生產(chǎn)要求。在與東風(fēng)、三環(huán)鍛壓等省內(nèi)行業(yè)龍頭企業(yè)的配套上，也存在類似問題。

　　2.產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的合作融合不夠

　　制約激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的某些核心技術(shù)，如激光裝備所需的控制軟件、生產(chǎn)光纖激光器必 需的特種光纖等，由于缺乏與數(shù)控相關(guān)企業(yè)、光電子相關(guān)企業(yè)之間的技術(shù)協(xié)作，導(dǎo)致技術(shù)一直難以取得突破，制約了激光產(chǎn)業(yè)核心競爭力的提升。同時，在制造業(yè)與 服務(wù)業(yè)加速融合發(fā)展的大環(huán)境下，我省激光產(chǎn)業(yè)需要擴(kuò)寬思路,加大與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的融合。雖然團(tuán)結(jié)激光、楚天激光已經(jīng)在這方面開展了有益的嘗 試，但這種不局限于現(xiàn)有市場和產(chǎn)品，主動謀求協(xié)作融合的思維方式尚未成為全行業(yè)的共識。

3.發(fā)展思路

　　以激光應(yīng)用為先導(dǎo)，以激光器件為核心，以集成裝備為主體，以國際合作提升水平，著力解決發(fā)展中長期存在的核心器件瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)難題，推動科技資源高效配置與綜合集成，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的上 下延伸，促進(jìn)激光產(chǎn)業(yè)各細(xì)分領(lǐng)域之間、激光與其他產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，打造以大型激光加工設(shè)備系統(tǒng)集成企業(yè)為龍頭，以中小型激光生產(chǎn)企業(yè) 群為支撐，以功能器件生產(chǎn)企業(yè)群和公共技術(shù)等服務(wù)平臺為配套的激光制造裝備企業(yè)集群。

　　圍繞激光產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，聚焦新一代核心激光器、高端激光制造裝備、激光加工應(yīng)用三大方向，策劃、攻克一批能夠形成顯著增長點的重大項目，建立重大產(chǎn)業(yè)化項目協(xié)同創(chuàng)新推進(jìn)機(jī)制，及時研究解決項目前期及建設(shè)實施中的重大問題。
 

　　五、未來發(fā)展方向

　　1.激光器技術(shù)發(fā)展

　　繼傳統(tǒng)的氣體、固體激光器之后，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、碟片激光器等 新型激光器發(fā)展迅速。總體而言，全球激光技術(shù)的主要趨勢是向高功率、高光束質(zhì)量、高可靠性、高智能化和低成本方向發(fā)展。高功率射頻板條CO2激光器、軸快 流CO2激光器、千瓦內(nèi)低成本大功率YAG激光器、碟片固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、全固化可見光及倍頻紫外激光器，皮秒、飛秒激光器。

　?。?）高功率工業(yè)光纖激光器高功率光纖激光器是第三代固體激光器。在激光加工領(lǐng)域，光纖激光器有逐步替代傳統(tǒng)YAG、部分CO2激光器的趨勢。目前商用光纖激光器輸出功率連續(xù)功率已上升到數(shù)千瓦，以至50kW。

　　重點研發(fā)實用型1~4kW光纖激光器，攻克10kW光纖激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。①高功率光纖激光器用大芯徑摻鐿光纖，為高功率光纖激光器及其核心光纖器件提供配套。②10kW高功率工業(yè)光纖激光器工程化和產(chǎn)品化，以滿足船舶、汽車、軍工及能源等行業(yè)對厚鋼板進(jìn)行激光切割、激光焊接等的迫切需求。③2~4kW連續(xù)光纖激光器，滿足焊接、切割應(yīng)用需求。如圖3所示，為武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的萬瓦光纖激光器。

　　
圖3

　?。?）高功率半導(dǎo)體固態(tài)激光器高功率半導(dǎo)體固態(tài)激光器是第四代固體激光器。半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊，壽命期限可達(dá)到10000h，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%~40%。德國Laserline公司、DILAS公司實用化半導(dǎo)體激光器達(dá)到8kW。

　　發(fā)展激光增益光纖、激光薄片晶體、激光非線性頻率轉(zhuǎn)換晶體、激光用石英玻璃等激光材料，以及高功率鏡片、傳輸光纖、切割頭、焊接頭、半導(dǎo)體激光泵浦源等激光器件。配套精密機(jī)械零件加工、激光電源、激光光學(xué)元件及數(shù)控系統(tǒng)等單元核心器件。

　　（3）高功率、高光束CO2氣體激光器高功率、高光束CO2氣體激光器是激光切割、 焊接的主力光源。國際上75%左右的中厚板切割均采用高功率CO2激光器。采用徑向偏振光的CO2激光器切割效率大約是采用傳統(tǒng)圓偏振激光的兩倍，可大大 提高金屬板材激光切割等應(yīng)用的加工速度和效率，將成為高功率工業(yè)CO2激光器的換代產(chǎn)品及我國激光加工制造裝備中的核心支撐。在軸快流CO2激光器上采用 L形空間折疊激光諧振腔的結(jié)構(gòu)形式和偏振選擇鏡的方法產(chǎn)生徑向偏振光，得到穩(wěn)定的高光束質(zhì)量的徑向偏振光。開發(fā)出激光功率>2kW,模式為 TEM01，偏振純度大于90%的徑向偏振CO2激光器。徑向偏振光還可應(yīng)用于電子加速、掃描顯微和粒子誘捕等許多尖端領(lǐng)域。

　　2.激光加工裝備發(fā)展

　　基于高功率（2~10kW）工業(yè)激光器的大型激光加工裝備，重點開發(fā)應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、汽車、造船及航空航天等行業(yè)應(yīng)用的激光加工系統(tǒng)，包括高功率激光切割、熔覆、熱處理及焊接設(shè)備等。

　?。?）基于船舶、工程機(jī)械應(yīng)用的厚板大幅面的激光切割焊接技術(shù)武鋼船板和管線鋼的高功率光纖激光及其復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用研究。船板采用激光及其復(fù)合焊接技 術(shù)可以有效地避免焊接中的鋼板或構(gòu)件變形，提高焊接工作的效率。解決高功率、大幅面、多自由度、飛行光路CO2激光切割系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：包括光路傳輸（擴(kuò) 束準(zhǔn)直、等光程、聚焦、光點穩(wěn)定性）、長懸臂制造技術(shù)、關(guān)節(jié)臂、直線電動機(jī)驅(qū)動高速切割機(jī)、控制系統(tǒng)、先進(jìn)軟件技術(shù)及系統(tǒng)集成的綜合技術(shù)等。使國產(chǎn)高端大 型激光切割設(shè)備在船舶、鋼鐵、工程機(jī)械及軍工等重工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用獲得突破，并取代進(jìn)口設(shè)備。高功率激光同樣被用于石油管道的切割，如圖4所示。

　
圖4

　　（2）汽車板激光連續(xù)精密高速落料裝備針對0.5~1.5mm汽車板激光切割連續(xù)落料的作業(yè)需求，采用2kW單模光纖激光器，實現(xiàn)超高速切割，最大切割速度達(dá)到100m/min。攻克以異形汽車板件布料、三激光頭高精度協(xié)同作業(yè)、切割軌跡、高速切割與工藝實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到廢料自動剔除作業(yè)率≥99.5%，三頭配置的激光步進(jìn)落料生產(chǎn)線年產(chǎn)量≥100萬片。

　?。?）激光焊接機(jī)器人基于機(jī)器人激光加工系統(tǒng)應(yīng)用于汽車制造業(yè)。汽車車門、底板激光遠(yuǎn)程掃描焊接成套設(shè)備。采用高功率光纖激光器或者碟片激光器， 研究機(jī)器人6軸與振鏡3軸的聯(lián)動控制系統(tǒng)，汽車底板激光遠(yuǎn)程掃描焊接生產(chǎn)線與汽車車門激光遠(yuǎn)程掃描生產(chǎn)線工藝規(guī)劃，激光遠(yuǎn)程掃描焊接工藝與質(zhì)量檢測技術(shù) 等，滿足三維車身焊點的高效定位，車門激光焊接長度≥4000mm，底板激光焊接長度≥4000mm，激光焊接速度≥30m/min，用于汽車工業(yè)具體操 作如圖5所示。

圖5

　　（4）基于航空航天應(yīng)用的有色金屬的激光焊接系統(tǒng)開發(fā)2~4kW系列半導(dǎo)體激光器及其成套系統(tǒng)，用于大型零件的激光表面淬火，或者激光熔覆；6~10kW 智能化高功率光纖激光高效表面制造/再制造裝備。開展鋁、鎂、銅、鈦合金，以及粉末冶金等特殊材料的激光焊接技術(shù)研究，研究高強(qiáng)度鋁合金的填絲材料研究， 力爭在厚度為10~20mm的高強(qiáng)鋁合金板激光焊接技術(shù)方面有所突破。研究有色金屬、中厚板高功率光纖激光及其MIG復(fù)合焊接技術(shù)、填絲復(fù)合焊接技術(shù)。

　?。?）高功率半導(dǎo)體激光表面制造/再制造裝備集成智能化半導(dǎo)體激光表面強(qiáng)韌化及再制造系統(tǒng)，實現(xiàn)距離、溫度、軌跡、處理效果的智能化控制，應(yīng)用于汽車覆蓋件模具、礦山機(jī)械、煤炭機(jī)械、石化機(jī)械及發(fā)電機(jī)組等大型機(jī)械零部件的熱處理或修復(fù)。