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工业应用：激光加工设备应用方向及市场现状解析

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：激光加工系统，包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统；激光加工工艺，包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。激光加工设备主要有激光切割机、激光焊接机、激光打标机及激光雕刻机等等。

　　激光切割机

　　激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。随着眼前储罐行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到了储罐，越来越多的企业进入到了储罐行业。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以在大生产中采用这种设备还是可行的。

　　由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置。采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计（CAD）工作站来接受切割数据。

　　激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。

　　分类

　　激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

　　1）激光汽化切割

　　利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

　　激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

　　2）激光熔化切割

　　激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。

　　激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

　　3）激光氧气切割

　　激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。4）激光划片与控制断裂

　　激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

　　控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

　　竞争优势

　　激光切割机是钣金加工的一次工艺革命，是钣金加工中的“加工中央”；激光切割机柔性化程度高，切割速度快，出产，产品出产周期短，为客户赢得了广泛的市场，该技术的有效生命期长，国外超过2毫米厚度的板材大都采用激光切割机，很多国外的一致以为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期。

　　一般来讲，建议以12mm以内的碳钢板、10mm以内的不锈钢板等金属材料切割推荐使用激光切割机。激光切割机无切削力，加工无变形：无刀具磨损，材料适应性好：无论是简朴还是复杂零件，都可以用激光一次精密快速成型切割：其切缝窄，切割质量好，自动化程度高，操纵简便，劳动强度低，没有污染：可实现切割自动排样、套料、进步了材料利用率，出产本钱低，经济效益好。

　　激光切割机选购要考虑的因素很多，除了要考虑目前加工工件的大尺寸、材质、需要切割的大厚度以及原材料幅面的大小外，更多的需要考虑未来的发展方向，比如所做产品的技术改型后要加工的大工件大小、钢材市场所提供材料的幅面针对自己的产品哪种省料，上下料时间等等。

　　市场现状

　　我国激光产业的发展，虽然是一个初步发展，但在国际科技下已经完成了飞跃的发展，并且比同等质量有一个高阶段的。以激光切割机来讲，市场的需求高达千万，为广阔的市场添加了新的生机。自从60年代台激光设备的诞生和应用开始，我国就有多位在激光行业付出了努力，并达到了国际一个微小的差值。在激光行业的发展同时，激光成套工业设备也进入了生产的市场，摆脱了长期依靠国外的局面，解决了国内激光行业的尴尬局面。

　　国内经济的飞速发展，成为激光市场的高产业支柱，并且可以达到每年20%以上的增长速，成为激光市场的一个新起点，根据预测，国内的激光市场仍处于高速的增长阶段，在未来可以在进行翻倍的增加，来大的扩充激光切割设备的市场，，将国内激光设备摆脱受困的状态，成为国际上的顶梁柱。目前国内的激光产业主要在深圳、武汉两地聚集，其中深圳是国内的重要销售市场，并且以多年的发展经验，了其他区域。

　　激光焊接机

　　激光焊接机又常称为激光焊机镭射焊机是激光材料加工用的机器按其工作方式分为激光模具烧焊机自动激光焊接机激光点焊机光纤传输激光焊接机光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散将材料熔化后形成特定熔池它是一种新型的焊接方式主要针对薄壁材料精密零件的焊接可实现点焊对接焊叠焊密封焊等深宽比高焊缝宽度小热影响区小变形小焊接速度快焊缝平整美观焊后无需处理或只需简单处理焊缝质量高无气孔可控制聚焦光点小定位精度高易实现自动化

　　应用范围

　　制造业

　　激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛应用据统计2000年范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条年产轿车构件拼焊坯板7000万件并继续以较高速度增长国内生产引进车型也采用一些剪裁坯板结构日本以CO2激光焊代替闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接在超薄板焊接的研究如板厚100微米以下的箔片无法熔焊但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功显示激光焊的广阔前途日本还在世界上成功开发将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等在国内还进行齿轮激光焊接技术

　　粉末冶金

　　随着科学技术的不断发展许多工业技术上对材料特殊要求应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点在某些领域如汽车飞机工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料随着粉末冶金材料的日益发展它与其它零件的连接问题显得日益使粉末冶金材料的应用受到限制在八十年代初期激光焊以其特的优点进入粉末冶金材料加工领域为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石由于结合强度低热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能

　　汽车工业

　　20世纪80年代后期千瓦级激光成功应用于工业生产而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业成为汽车制造业的成就之一欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶车身侧框等钣金焊接90年代美国竟相将激光焊接引入汽车制造尽管起步较晚但发展很快意大利在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接日本在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多根据美国金属市场统计至2002年底激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍根据汽车工业批量大自动化程度高的特点激光焊接设备向大功率多路式方向发展在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹提高焊接速度解决公差问题开发的生产线已在工厂投入生产

　　电子工业

　　激光焊接在电子工业中特别是微电子工业中得到了广泛的应用由于激光焊接热影响区小加热集中迅速热应力低因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中显示出特的性在真空器件研制中激光焊接也得到了应用如钼聚焦极与不锈钢支持环快热阴极灯丝组件等传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm采用传统焊接方法难以解决TIG焊容易焊穿等离子稳定性差影响因素多而采用激光焊接效果很好得到广泛的应用生物医学

　　生物组织的激光焊接始于20世纪70年代用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的性使更多研究者尝试焊接各种生物组织并推广到其他组织的焊接有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究激光焊接方法与传统的缝合方法比较激光焊接具有吻合速度快愈合过程中没有异物反应保持焊接部位的机械性质被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用

　　其他领域

　　在其他行业中激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究如对BT20钛合金HEl30合金Li-ion电池等激光焊接德国开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术

　　激光打标机

　　激光打标机可雕刻金属及多种非金属材料。更适合应用于一些要求更精细、精度更高的场合。应用于电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材。但是由于成本较高，近年来在针对一些金属或非金属零件的标记领域，激光打标机逐渐被气动打标机所取代。激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而"刻"出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字。

　　激光打标机的应用可雕刻多种非金属材料。用于服装辅料、医药包装、酒类包装、建筑陶瓷、饮料包装、织物切割、橡胶制品、外壳铭牌、工艺礼品、电子元件、皮革等行业。可雕刻金属及多种非金属材料。更适合应用于一些要求精细、精度高的产品加工。应用于电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材、医疗器械等行业。适用材料包括：普通金属及合金（铁、铜、铝、镁、锌等所有金属），稀有金属及合金（金、银、钛），金属氧化物（各种金属氧化物均可），特殊表面处理（磷化、铝阳极化、电镀表面），ABS料（电器用品外壳，日用品），油墨（透光按键、印刷制品），环氧树脂（电子元件的封装、绝缘层）。

　　激光雕刻机

　　激光雕刻机能提高雕刻的效率，使被雕刻处的表面光滑、圆润，迅速地降低被雕刻的非金属材料的温度，减少被雕刻物的形变和内应力；可广泛地用于对各种非金属材料进行精细雕刻的领域。

　　分类

　　激光雕刻机大致可以分为：非金属激光雕刻机和金属激光雕刻机。

　　非金属雕刻机又可分为：普通雕刻机（JQ9060）和非金属打标机（JQ30W）。

　　金属雕刻机可分为金属打标机（JQ50W）和金属雕刻切割一体机（JQ1525）。

　　鞋面加工

　　激光加工的优势在于可以在各种鞋面材料表面快速雕刻和镂空出各式图案，由于激光加工是无接触性加工方法，所以不会对鞋面产生任何外离变形。它更具有雕刻精度高、镂空无毛边、可加工任意形状等多种优势。

　　然而也正是由于激光具有高密度能量特性，所以在激光加工切割或镭射切割鞋面材料时，特别是浅色材料（如白色米色等），或特殊材料时（如镜面材料等），鞋面的表面或内里，容易出现烧焦或发黄的现象。为了防止这种现象的产生，在生产加工时，就需要对鞋面表面进行一定的保护处理，通常的方法有：

　　一、贴保护膜，一定要贴平，贴紧，不可有汽泡。

　　二、将些鞋面浸湿，此法适用于某些材料。

　　三、对激光加工参数进行调整，采用多次数小火力的方法。

　　采用这三点都是为了防止激光加工切穿或镭射镂空鞋面时产生的高温，灼伤鞋面表面或内里，而产生的必要保护措施。

　　结语

　　激光作为上世纪发明的新光源，它具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事文化、教育以及科研等方面。据统计，从的光纤到常见的条形码扫描仪，每年与激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元，中国激光产品主要应用于工业加工，占据了40%以上的市场空间。激光加工设备除了上述介绍的几种还有划片机、处理机、三维成型机以及毛化机等。

2.2015年国内哪些激光设备会倍受关注？

2014年已进终结，激光行业中竞争比较激烈的激光设备有激光切割机、激光焊接机、激光打标机、激光雕刻机等。在马上就要到来的2015年，我们来看看哪些设备将会获得更多的关注。

　　激光切割机械市场：

　　目前，国内激光切割机正在向高功率、大幅面、厚板材方向发展。随着我国铁路建设、公路建设、水利建设、水电建设、能源、矿山建设、建筑业等重大工程的推进，到2015年，国内工程机械市场需求量将达到2000亿元以上，大幅面厚钢板激光切割机将在我国工程机械行业得到普遍应用。

　　大幅面厚板材激光切割机在其他重要行业也有迫切的需求，如航空航天发动机转子毂的切割、钢铁冶金行业热轧钢坯的激光切割、坦克、装甲车厚装甲精密切割、发电设备中发电机组转子的精密切割等。

　　激光焊接机械市场：

　　目前国内电焊机市场总的形式是：产品产量供大于求，竞争激烈，多数企业生产、经营举步维艰。在产品构成上，一般通用型焊机供过于求；高可靠性，多功能的自动、半自动焊机和成套焊机、特种焊机市场需求增长快，部分焊机仍需进口；在市场格局上国产与进口焊机基本上是平分秋色，虽然以台数计国产焊机占优势，而在销售额上进口产品则占到一半左右。

　　激光打标机械市场：

　　近几年，激光打标技术飞速发展，激光打标机成为了新时代工业产业发展的宠儿。虽然面对国外的激光打标技术，我国暂时还有一定的差距，但是根据市场的发展趋势，激光打标技术势必取代传统的标识技术。

　　我国有关部门正在在大力扶持激光产业技术的发展，支持激光设备企业不断研究并开发新型的激光打标设备。相信未来几年，国内激光打标机将凭借自身的优势更好的服务于加工市场。

　　激光雕刻机市场：

　　目前，国内的激光雕刻设备都停留在平面雕刻阶段，一些精细的三维模具雕刻仍然依靠手雕，或者是借助电脑雕刻，这就制约激光雕刻行业的发展。

　　随着激光雕刻设备在应用技术、工艺上的开发推广，激光平面打标、雕刻设备的制造销售已呈现良好的上升态势。在国外，有设备商开发出相应的激光三维雕刻系统与应用，并已将销售触角伸入国内。

3.激光打标为现代加工开辟广阔前景

一、激光打标是新标记工艺

　　近年来，随着激光器的可持续性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。

　　激光打标是与激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用一起发展起来的新型加工技术，通过利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的标记方式，即高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑，随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个的图案；激光打标还是一种非接触、、无磨损的新标记工艺。

　　关于激光打标的原理可以这样解释，即计算机控制高能量密度的聚焦激光束按预定的轨迹作用于机械零部件,电子元器件,仪器仪表等需要进行标记的工件表面,使表层材料达到瞬间汽化或发生化学变化改变颜色,刻蚀出具有一定深度或颜色的文字,图案等,从而在工件表面留下性标记。

　　二、激光打标非接触标识

　　激光标识是通过利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的标记方式，激光作用于工件表面所产生标记的牢固性是其特点。

　　激光打标机又名(激光打字机,激光打印机,镭射打标机)，是激光加工原理的一项重要应用，即利用经过处理的激光光束照射在材料表面，光能瞬间转换为热能，使表面材料瞬间融熔甚至气化，从而形成标记。

　　近年来，激光打标技术在印刷领域应用越来越多，激光打标可应用于包括塑料与橡胶、金属、硅晶片等多种材料上，激光打标机简单易操作，只要懂基础电脑知识，就能操作激光打标机；在标记印刷行业中，激光打标有如下特点：

　　1.性；如标记不会因环境关系（触摸、酸性及碱性气体、高温、低温等）而消退。

　　2.防伪性；采用激光打标技术雕刻出的标记不容易仿制和更改，在一定程度上具有很强的防伪性。

　　3.非接触性；激光标刻是以非机械式的"光刀"进行加工，可在任何规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力，工件的原有精度。对工作表面不产生腐蚀，无"刀具"磨损、害、，是一种清洁的高环保加工技术。

　　4.适用性广；用激光做加工手段，可以对多种金属、非金属材料（铝、铜、铁、木制品等）加工。5.雕刻精度高；激光打标机雕刻的物品图纹精细，小线宽可达0.04mm。标记清晰、持久、美观。激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要，有更强的市场竞争力。

　　6.运行成本低；打标速度快且标记一次成型，能耗小，因而运行成本低。虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大，但从运行成本而言，使用激光打标机要低得多。举例说明：①塑封三极管打标：打标机工作速度为10个/秒，若设备折旧以5年计算，打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机，其综合运行成本约为0.002元/个，甚至更高。

　　7.加工；计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5～7米/秒)，可以打出各种文字,符号和图案,打标过程可在数秒内完成，易于用软件设计标刻图样,更改标记内容,适应现代化生产率,快节奏的要求。

　　8.开发速度快；由于激光技术和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出，并可随时变换打印设计，从根本上替代了传统的模具制作过程，为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。

　　如配备创鑫激光调Q或MOPA10W、20W脉冲光纤激光器的激光打标机，整机系统打标精度高、速度快、性能稳定，可配置能长时间连续工作的输送工作平台(也可在客户的生产线上直接安装)并装有编码器及传感器，使生产线上的连续动态打标更迅速准确，与传统激光打标机对比具有更高光电转换效率、更高的稳定性、更易操作的优势，而与传统油墨喷码机对比更具有清洁环保低消耗的优势，标记更持久具有防伪功能。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展,对激光制造的设备系统小型化,率和集成化的要求也越高。

　　三、激光打标的应用

　　激光打标技术是激光加工大的应用领域之一。因激光打标的优势显着，激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义，已被广泛应用于各行各业,如用于电子、仪表、通讯器材、包装、饮料、电池、卫生洁具、电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、机械制造、塑胶按键，塑料打标，切割，流水线服装，布料，轮胎表面打标，还适用于陶瓷彩色贴纸打标，玻璃表面打标，为,,和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。