激光技術(shù)是20世紀(jì)重大發(fā)明之一,近年來,隨著激光技術(shù)的日新月異,全球激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2008年,全球激光加工設(shè)備制造銷售額達(dá)到80億歐元,預(yù)計到2010年,全球激光加工市場平均增長率約為13%。美國、日本、德國、英國等國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了世界激光產(chǎn)業(yè)最高發(fā)展水平,它們在制造業(yè),如汽車、電子、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已基本完成了傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代,步入“光加工”時代。
精密激光制造和服務(wù)行業(yè)作為一個新興行業(yè),發(fā)展前景廣闊,各國都比較重視。隨著激光加工技術(shù)的不斷完善和提高,國際上各類制造業(yè)逐漸接受了激光加工技術(shù),這樣可使他們的產(chǎn)品增加技術(shù)含量,加快產(chǎn)品更新?lián)Q代,發(fā)達(dá)國家已逐步形成了完善的激光制造和服務(wù)產(chǎn)業(yè)群體。
發(fā)達(dá)國家為了在全球競爭環(huán)境中占據(jù)世界信息技術(shù)的制高點(diǎn),贏得主動權(quán),紛紛加緊實施激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃,如美國的“激光核聚變計劃”,德國的“光學(xué)促進(jìn)計劃”,英國的“阿維爾計劃”,日本的“激光研究五年計劃”等。這些項目的實施,有效推動了全球激光產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。德國已廣泛地將激光應(yīng)用于汽車、鋼鐵、航天、電子、醫(yī)療等各個行業(yè),激光與光學(xué)產(chǎn)品在全世界銷售額每年以10%到20%的速度增長。
各國積極出臺相關(guān)政策,建立國家級激光工程中心,廣泛開展激光工程應(yīng)用研究。德國建立了9個國家級激光中心,韓國政府2001年投入7.3億美元,在光州建立激光工程研究所,成為全球七大激光研究所之一。
國際知名公司也都將先進(jìn)的激光技術(shù)作為研發(fā)的重點(diǎn),并投入巨大資金,力求在技術(shù)上掌握全球競爭的主動權(quán)。德國Trumpf公司每年投入約7000萬美元的研究經(jīng)費(fèi),建立了全球最為先進(jìn)的激光工藝試驗中心,開發(fā)的C02激光器最高功率已達(dá)20000W。德國IPG公司開發(fā)了目前全球最為先進(jìn)的光纖激光器制造技術(shù),技術(shù)應(yīng)用廣泛滲透到重金屬切割、銅焊、熔覆以及焊接等核心領(lǐng)域。
發(fā)達(dá)國家在汽車、飛機(jī)、微電子、鋼鐵等行業(yè)已開始大規(guī)模地應(yīng)用激光加工技術(shù),激光。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到激光設(shè)備銷售額的60%以上。美國是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的國家,在激光醫(yī)療及激光檢測方面也占世界首位,德國在激光材料加工設(shè)備方面走在世界前列。
通用、福特、奔馳、大眾、豐田等汽車制造商均在汽車的車身裝配中大量使用焊接工藝,為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。例如,福特汽車公司用5米長的光纖將2kW的Nd:YAG激光傳輸?shù)窖b在IR761/125型機(jī)器人的焊頭上,用于車身裝配,大大提高了焊接效率和效果。波音、空中客車等飛機(jī)制造公司廣泛運(yùn)用激光技術(shù)進(jìn)行焊接、切割、打孔、表面硬化等。
激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還包括:大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù),印刷電路板打孔技術(shù),鐘表零件制造與首飾加工等領(lǐng)域。西門子公司在一條流水線上就采用400多臺激光設(shè)備。
半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器以自身所具有的高光電轉(zhuǎn)換效率、更小的體積,以及更優(yōu)化的激光模式等優(yōu)勢,應(yīng)用在工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療等多個領(lǐng)域,成為激光加工設(shè)備的主導(dǎo)方向。
激光技術(shù)對產(chǎn)品投入產(chǎn)出比和技術(shù)基礎(chǔ)的優(yōu)化作用更加明顯,融合在產(chǎn)品與服務(wù)中的技術(shù)含量越來越高。激光打標(biāo)機(jī)和彩色打標(biāo)機(jī),其控制軟件實現(xiàn)了根據(jù)不同的顏色要求,控制不同波長的激光,不同工作時間的輸出,提高了激光標(biāo)記設(shè)備的使用范圍。
激光技術(shù)與其它學(xué)科的融合以及應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大,如利用激光對出土文物進(jìn)行清洗與保護(hù),利用水柱導(dǎo)光實現(xiàn)硅片的精密切割,利用激光檢測水果甜度和果肉軟硬程度,實現(xiàn)非金屬材料焊接,以及激光美容技術(shù)等。
激光材料加工是激光技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè),根據(jù)國際激光產(chǎn)業(yè)界統(tǒng)計,激光材料加工產(chǎn)值占激光加工總產(chǎn)值的比例最大,達(dá)到26%。2000年,全球范圍內(nèi)以激光為主的光電子產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值1800億美元,科學(xué)界預(yù)測,到2010年產(chǎn)值將達(dá)到4500億美元,以光電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)將形成5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,到2015年,光子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè),光電子技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次推動人類科學(xué)技術(shù)的革命和進(jìn)步(資料來源:武漢市光電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要情況)。
激光的精密制造與服務(wù)主要應(yīng)用于精密機(jī)械以及電子工業(yè)中,精密激光制造和服務(wù)典型的應(yīng)用是SMT模板、精密金屬零件、FPC切割、HDI鉆孔及激光打標(biāo)。
精密激光切割的一個典型應(yīng)用就是切割印刷電路板PCB中表面安裝用模板。傳統(tǒng)的 SMT模板加工方法是化學(xué)刻蝕法,其致命的缺點(diǎn)就是加工的極限尺寸不得小于板厚,并且化學(xué)刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境。采用激光加工,不僅可以克服這些缺點(diǎn),而且能夠?qū)Τ善纺0暹M(jìn)行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優(yōu)于化學(xué)刻蝕法。
激光精密焊接方面,激光焊接熱影響區(qū)很窄,焊縫小,尤其可焊高熔點(diǎn)的材料和異種金屬,并且不需要添加材料。利用固體激光器進(jìn)行縫焊和點(diǎn)焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷電路的引出線,不需要使用焊劑,并可減少熱沖擊,對電路管芯無影響,從而保證了集成電路管芯的質(zhì)量。
激光精密切割與傳統(tǒng)切割法相比,激光精密切割有很多優(yōu)點(diǎn),激光能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區(qū)小、切割噪聲小,并可以節(jié)省15%-30%的材料。由于激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)械沖力和壓力,故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等既硬又脆的材料,加上激光光斑小、切縫窄,所以特別適宜于對細(xì)小部件作各種精密切割。
與機(jī)械、化學(xué)、電鑄和借助模具等傳統(tǒng)的制造手段相比,激光制造在材料加工中具有明顯的優(yōu)勢。激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度,其空間控制性和時間控制性很好,對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大,因此特別適用于自動化加工。
目前全球已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù),對于精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,以及設(shè)計變化多、數(shù)量少的研發(fā)樣品,可以用激光直接量產(chǎn)、省去模具使用(模具生產(chǎn)周期長、成本高)。激光應(yīng)用技術(shù)已成熟的包括:激光切割、激光成形、激光鉆孔、激光焊接、激光劃線、激光表面處理等。
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