Fraunhofer 的過程監(jiān)控系統(tǒng)。

 

激光所發(fā)射的閃耀光芒為材料加工提供了無限的可能性。激光技術最初在制造領域的應用可追溯到20世紀60年代后期，當時開發(fā)了激光鉆孔技術來加工噴氣發(fā)動機部件。隨著激光技術持續(xù)取得進展，計算機和傳感器技術領域的快速發(fā)展使各種優(yōu)化型的過程監(jiān)控裝置的開發(fā)成為可能，繼而進一步提高了工業(yè)激光系統(tǒng)的性能、可靠性和易用性。

 

2014年，全球用于材料加工的激光系統(tǒng)（包括激光光源和配件）的市場總額為92億美元（來源：Optech Consulting）。其中，根據Industrial Laser Solutions提供的數據顯示，激光光源總收入為29億美元。2015年，全球激光光源的營收總額增長了6.9％，達到32億美元。截止2017年底，全球工業(yè)激光器市場的總收入超過34億美元，比上年增長約9％。盡管激光切割應用以及激光打標/雕刻應用依然占據最大的市場份額（2015年為61%），但其同比增長率持續(xù)放緩。值得關注的是近兩年，同比增長率越來越高的激光應用版塊主要包括激光焊接（+17％）、激光表面處理（+31％）和激光增材制造（+71％）。

 

下文簡要闡述了激光功率和光束質量的改進、激光器單位成本的顯著下降以及電光轉化效率的提高是如何為材料加工的重大創(chuàng)新做出貢獻。其中，觀察到幾個主要的激光加工領域，并對它們如何驅動這種創(chuàng)新做了分析。

 

激光焊接技術的演變

 

長期以來，許多行業(yè)的制造商都一直使用激光焊接來攻克傳統(tǒng)的焊接挑戰(zhàn)，但激光焊接技術的發(fā)展如今正日新月異，以實現更大的效用。激光焊接與熔化極氣體保護焊（MIG），鎢極惰性氣體保護焊（TIG）等傳統(tǒng)電弧焊方法相結合的復合焊接；采用填充焊絲的激光焊接，以及部分焊接預熱工藝已經在工業(yè)中得到成功應用。此外，過去一度被認為難以焊接的材料，例如高碳鋼和鑄鐵等，如今也能夠通過激光焊接工藝實現。這主要是因為附加的填充材料改變了焊點的組分，從而防止形成硬脆的微觀結構。

 

同樣，感應預熱可以通過降低焊接后的冷卻速度來幫助防止由于馬氏體形成而引起的開裂。例如，在汽車變速器部件中，螺栓連接工藝被激光焊接替代，通過降低材料和加工成本（鉆孔操作、螺栓連接操作等）大幅優(yōu)化成本，并且通過使用更高效的激光技術，能夠使部件的整體重量減輕。

 

 

激光焊接傳動部件與傳統(tǒng)的螺栓連接工藝的對比。( 圖源：Fraunhofer)

 

遠程激光焊接（RLW）是另一種激光焊接工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，其顯著縮短了焊接周期，并且搭配使用光束質量更高的激光器以及高速掃描振鏡后，效率進一步提升。遠程激光焊接涉及使用移動光學元件，快速掃描相隔距離遠的工件上的激光束，最終實現高速和高精度的點對點移動。

 

為了最大程度地挖掘激光焊接的潛力，激光焊接頭的技術領域已取得實質性進展，其中包括焊接光學器件本身以及傳感器光學器件。當前，部分過程監(jiān)控技術已發(fā)展了一段時間，但有些還未獲得大規(guī)模應用。然而，基于相機的激光監(jiān)測技術已展現出更高的可靠性以及更低的成本優(yōu)勢，從而為高功率焊接應用提供了更多的發(fā)展空間。

 

德國弗勞恩霍夫協會（Fraunhofer）下設的激光應用中心開發(fā)了一種高速相機視覺系統(tǒng)，可以實時、高清晰地記錄焊接過程，并提供工藝過程中的圖像和視頻數據。根據預先確定的實際“良好”的焊接測量結果，對這些信息進行處理和校準。此外，使用定制的圖像處理軟件算法，可以檢測出許多最常見的焊接缺陷。

 

破繭而出的激光增材制造技術

 

近來，激光增材制造（LAM）被視為一種處在創(chuàng)新前沿，甚至是顛覆性技術的激光加工技術。這種技術使用激光束作為熱源，主要分為兩種工藝：選擇性激光熔化（SLM）和激光金屬沉積（LMD）。

 

在SLM工藝中，先在構建平臺上沉積一層粉末，然后快速掃描的激光束以合適的形狀將粉末熔合在一起，多道薄粉末層沉積后便能夠形成復雜的3D部件。SLM可謂制造工藝的一次重大變革，相較于傳統(tǒng)機加工切削銑，SLM作為一種材料堆積制造方式，可以打造各種復雜形狀，充分發(fā)揮材料的效能比，將是未來綠色制造的主要方式之一。

 

在LMD工藝（也稱為直接能量沉積或激光熔覆）中，使用激光來熔化由噴嘴供給的金屬粉末，隨后噴嘴將這些金屬粉末分層沉積在基體上，這將形成熱影響區(qū)極小以及稀釋率最低的完全冶金結合。LMD工藝已被廣泛應用于表面磨損和腐蝕涂層、零部件修復/再制造，以及完整的部件生產等領域。

 

Fraunhofer 開發(fā)的同軸沉積激光頭使用金屬線實現了全方位的3D 增材制造工藝。

 

LMD的另外兩種演變工藝——熱/冷絲熔覆和內徑包覆如今也被成功應用于石油工業(yè)、農業(yè)、發(fā)電和再制造領域。弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所近期的一項重要進展是開發(fā)出一種新型的同軸沉積激光頭COAXwireTM，它使用金屬線作為填充材料，彰顯全方位焊接性能，特別適用于金屬部件的3D增材制造。

 

不斷挖掘激光加工工藝的潛能

 

就激光材料加工看，從激光的空間和時間特性的技術改進中受益最多的一個工藝版塊無疑是激光加工。除此外，更低成本和更小尺寸的激光電源的出現進一步推動了激光技術在工業(yè)領域的廣泛應用。最新一代的脈沖寬度從毫秒級延伸到飛秒級的脈沖激光器已經催生出幾乎影響每一個制造業(yè)的大量創(chuàng)新應用。例如，電池電極的激光切割可以實現優(yōu)異的切割質量和高速切割，非常適用于鋰離子電池的生產。同樣，激光器可用于去除電池箔上的電觸頭的涂層。另外，高功率激光器還可用于大面積涂層去除、脫漆、脫氧、模具清洗或除去特殊涂層等應用。值得一提的是，激光器也能實現高達15,000孔/秒的高速鉆孔工藝。

 

總而言之，當前的創(chuàng)新步伐正持續(xù)不斷地推動更多新型激光技術和產品在你可以想象到的每一個行業(yè)的應用廣度和深度。