国内激光产业现状及应用产业链分析
世界上台激光器诞生于1960年,我国也于1961年研制激光器,距今已有半个世纪了。50年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光等等。
这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。经过近50年的艰苦努力,我国激光技术研究获得重大突破,激光产业也从无到有,我国激光加工产业一直呈指数增长,成为我国科学技术应用领域中活跃的产业之一。
目前,全国共有5个激光技术研究中心,10多个研究机构;有21个省、市生产和销售激光产品,常年有定型产品生产和销售、并形成一定规模的单位有200多家。
目前国内激光企要集中在湖北、、江苏、上海、和广东(含深圳、珠海特区)等经济发达省市。已基本形成以上述省市为主体的华中、环渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲激光产业群,激光晶体、关键元器件、配套件、激光器、激光系统、应用开发、公共服务平台已形成较完整的激光产业链。
激光应用主要分为工业、、商业、科研、信息和军事六个领域。我国激光加工产业规模十几年间增长了近500多倍。在工业激光应用中,主要有材料加工和测量控制两大类。
激光材料加工则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)进行激光切割、激光焊接、激光表面处理、激光打孔、激光微加工和激光标刻。
激光材料加工技术是涉及到光、机、电、算、材料及检测等多门学科的一门综合技术。发展激光技术,推动激光应用,我们不能只从某一方面来谈,而是要综合这些学科全盘考虑。为了便于描述和研究,抓住典型,我们以激光产业链为主线索来谈激光技术的发展,但激光产业链也还是一个大课题,我主要分析工业激光应用系统的产业链。
工业激光应用系统的产业链应该由下面四个方面组成:激光应用、激光加工系统、激光器和激光配件。可以看到,每一个激光应用领域都可以形成一个产业链,每一个产业链一定包括激光加工系统、激光器和激光配件。现在,成熟的激光产业链应该是工业激光应用的产业链,它包括激光切割产业链、激光焊接产业链、激光打标产业链、激光表面处理产业链、激光打孔产业链等等。
所以任何一个小的产业链都有它自身的发展过程和特点,该链中的每一个环节都很重要,任何一个环节发展不充分或发展滞后,这个产业链就不完整,就很难得到蓬勃发展。
目前国内有很强的激光切割机生产能力,包括设计制造切割系统、导光系统工作台运动系统及其关键零部件,也有很强的软件开发能力,生产高功率二氧化碳激光切割机典型企业包括武汉法利莱、楚天激光、上海团结普瑞玛、深圳大族等,但切割机中的二氧化碳激光器和聚焦镜则大部分依靠进口,切割机中几乎一半的成本是激光器,所以我们基本上是在中国“打洋工”,很大部分利润被外国公司拿走了。
就高功率二氧化碳激光器的功率指标来看,武汉科威晶可以生产高达4kW的激光器和正在开发7kW激光器,南京东方可以生产4kW激光器,南京通快可以生产3200W激光器。
但这些公司含有合资或引进国外技术的成分,激光器中的关键零部件也是依靠进口,比如风机和谐振腔镜片等。在低功率二氧化碳激光切割应用中,我国是产销量大的国家,不仅占领国内市场,并且大量出口,形成了成熟的中小功率二氧化碳激光切割机产业链,包括系统集成、激光器生产和相关的激光配件。
典型厂家有武汉众泰、三工、金运、东莞粤铭、济南金威刻等,但我们的产品也是以低端的直流激励的玻璃管二氧化碳激光器为主,价格低,品质一般,而的射频激励二氧化碳激光器只有南京晨锐达一家可以生产和供应市场,但产量很小,高功率只有50W。
值得庆幸的是,与之相关的激光配件如光学元器件、运动系统和控制软件等已经相当成熟。
高功率Nd:YAG激光切割是近年来中国激光产业发展较快的一个新型产业链,主要动力来源于薄钢板切割和高功率Nd:YAG激光器发展的相对成熟。
在5mm以下钢板切割中,使用固体激光器切割机整体投资较低,适合中小企业自主采购。现在主要用的是500W脉冲固体激光器,该激光器相关的产业如激光电源、金属和陶瓷泵浦腔等也发展比较成熟,质量也已达到产业化要求。
激光器和配件的主要厂家有武汉新特、中谷、华泽宏大等,典型激光切割机厂家有武汉华俄、奥华、华工激光、天琪、金运、广州瑞通等,武汉在全国具有优势,在开发生产高功率固体激光器和切割机的厂家也比较多。主要元器件都是国产的,所有产品在价格上很有优势。目前,攻关主要是在高功率下怎样获得高光束质量和高峰值功率,以便取得更好的切割质量。
刀模的制造过程
激光刀模出现之前,在以往的在刀模制作中,刀模板是用锯床加工的,一不下心,在平行移动中就会造成移位或者错位从而形成了误差;而激光刀模机的研制成功,就完全避免了这种情况的发生,因为在制作激光刀模的时候是全自动运行的,不需要人工干预,就没用了误差。
传统刀模制作是在刀模板上用铅笔或圆珠笔进行绘制,后通过锯床锯的,在移动的过程中就会形成错位而产生误差;加工速度慢;而使用了激光切割机后,绘图设计就可以直接在计算机上进行,刀模板是由激光切割机全自动运行切割成型,不需要人工干预。误差小,速度快。对于激光刀模切割机的应用可以明显加速企业的发展,提高经济效益。
激光刀模的工作流程是: 先在AUTOCAD或impact或其它一些针对刀模开发的软件将需要制作的刀模设计好,根据实际情况处理好,再存储为相应机器受理的文件格式,即可启动设备进行模板加工。 完成后安装模切刀线制作成刀模成品。比人工精度高很多,而且速度快,效率高!
激光穿孔
1、穿孔的难度
在切割的开始部位加工开始加工所需要的孔称做穿孔。板越厚,穿孔就越不稳定。可以说,板厚大于12.Omm的厚板切割中,发生加工不良现象的70%起因于穿孔不好。为了实施稳定的穿孔,在这里对穿孔的加工特性进行说明。
2、穿孔的原理
在穿孔过程中,贯通之前加工中产生的熔融金属堆积在被加工物表面上孔的周围。从发光后对被加工物表面加热过程,到缓慢加热进行穿孔作用,直至后的贯通是连续进行的。这个方法,如果板件厚度大于9.Omm,则穿孔时间就会急剧增加,但是孔径约为0.5mm,比切口窄,热影响也小。因此,如果增加加工能力,加大输出能量,熔融金属就很难全部从孔径上部排出,出现过度燃烧现象。CW条件是在被加工物表面的略微上方设定焦点位置,加工孔径,迅速加热的方法。虽然出现大量熔融金属,飞散到被加工物表面上,但却大幅度缩短了加工时间。
在穿孔的孔壁上也会出现吸收激光能量的现象。在穿孔加工过程中,照射的激光在穿孔中多重反射,边被吸收边向下传播。为了缩短穿孔时间,就要补充被孔壁吸收而
被减弱的能量,即在穿孔过程中有必要增加输出功率。而且,为了减少对孔壁周围的热影响,要在增加输出功率的同时,尽可能的缩短穿孔时间,减少激光对孔壁周围的照射。
3、 对付穿孔中出现缺陷的四个原则
穿孔过程中出现缺陷时,有必要对各种现象进行原因分析和找出处理方法。
(1)缺陷发生的瞬间
要确认是在穿孔的过程中,还是在穿孔结束后开始切割时发生的缺陷。如果是穿孔过程中发生的,则根据穿孔开始或者穿孔过程中条件切换时的具体情况,来修正发生问题的输出功率和气压条件。如果缺陷发生在穿孔结束之前,那是因为贯通之前切换到切割条件,有必要延长穿孔时间。
如果切割开始时发生加工缺陷的现象,那是因为在孔的表面周围堆积的熔融金属部位难以通过,所以有必要在开始位置设定脉冲条件或低速条件。
(2)缺陷产生的位置
如果在加工平台的特定位置,集中出现穿孔缺陷,那是因为激光光轴和喷嘴中心偏离。这需要调整光路偏离。
如果穿孔位置过于集中或者是在切割线路的附近进行穿孔,由于加工位置温度过高,也会造成穿孔缺陷。温度越高,缺陷的发生率就越大。因此有必要研究加工顺序,改善程序尽量沿着尚未过热的线路进行穿孔和切割。
(3)发生穿孔不良的时间
随着加工时间的推移,加工不良的发生次数只见增加不见减少时,其原因可能是发振器故障引起的输出功率变动。如果增加冷却时间就能恢复的话,其原因可能是光学部件热透镜的作用引起的。这种情况下就需要维修光学部件,并与供应商联系。
(4)发生穿孔不良的材料
对于发生穿孔不良的材料,要确认过去是否进行过良好加工,确认记录很重要。如果有过去加工的记录,就不需要调整加工条件,可以认定是加工机和光学部件的缺陷,进行检查找出原因。
4、适当的穿孔条件
被加工物的厚度越厚,穿孔时间在整体加工时间中所占的比例就会增加,对缩短穿孔时间的要求就会提高。对穿孔时间缩短有效的加工条件参数是脉冲峰值输出功率和脉冲波形及平均输出功率。
5、 防止在对不锈钢进行穿孔时出现须状物
在切割不锈钢时,孔表面周围会留下飞散须状的金属熔渣,在镜面及条纹表面材料上会出现划伤。而且,须状金属熔渣与静电感应式加工头的喷嘴发生接触时,会出现对焦异常的报警。
6、 高反射材料穿孔时的注意事项
在切割铜、纯铝等高反射材料时,需要在被加工物表面涂抹光束吸收剂。光束吸收剂不仅有提高加工能力的效果,而且从安全的角度上也有反射的作用。加工条件需要降低脉冲频率,提高脉冲峰值的每1个脉冲能量。而且通过气体压力,使熔融金属挤入板件内部,提高加工能力的效果。
激光切割技术概要及激光切割精度
激光束聚焦成很小的光点其小直径可小于0.1mm,使焦点处达到很高的功率密度可超过106W/cm2。这时光束输入(由光能转换)的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分,材料很快加热至汽化湿度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成宽度很窄(如0.1mm左右)的切缝。切边热影响很小,基本没有工件变形。切割过程中还添加与被切材料相适合的气体。钢切割时得用氧作为气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料,同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气,棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的气体还能冷却聚焦透镜,防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。
大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工业,许多金属材料,不管它具有什么样的硬度,都可进形无变形切割(目前使用的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm)。当然,对高反射率材料,如金、银、铜和铝合金,它们也是好的传热导体,因此激光切割很困难,甚至不能切割(某些难切割材料可使用脉冲波激光束进行切割,由于高的脉冲波峰值功率,会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高)。
激光切割刺,皱折、精度高,优于等离子切割。对许多机电制造行业来说,由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件 (工件图纸也可修改),它往往比冲切、模压工艺更被优先选用;尽管它加工速度慢于模冲,但它没有模具消耗,无需修理模具,还节约更换模具时间,从而节省加工费用,降低产品成本,所以从总体上讲在经济上更为合算。
另一方面,从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看,激光切割也可发挥其、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段,由于不需要模具制作工,激光切割运转费用也并不昂贵,因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层(热影响区),提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势,由此提高了使用寿命。
常用工程材料的激光切割
1.金属材料的激光切割
虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率,但发射处于远红外波段1.064um光束的灯泵浦ND:YAG激光器及10.6μmCO2激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践
2.非金属材料的激光切割10.6μm波长的CO2激光束很容易被非金属材料吸收,导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部,并在光斑照射处瞬间汽化,形成起始孔洞,进入切割过程的良性循环。
激光切割的精度
激光切割的精度由多方面因素组成:
1、激光束通过聚焦后的光斑的大小
激光束聚集后的光斑越小,切割精度越高,特别是切缝较小,小的光斑可达0.01mm。
2、工作台的走位精度决定着切割的重复精度
工作台精度越高,切割的精度越高。
3、工件厚度越大,精度越低,切缝越大。
由于激光光束为锥形,切缝也是锥形,厚度0.3MM的不锈钢比2MM的切缝小的多。
4、工件材质对激光切割精度有一定影响。
同样情况下,不锈钢要比铝的切割精度高,切面光滑一些。
激光切割机的切割质量好。切口宽度窄(一般为0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1--0.4mm,轮廓尺寸误差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra为12.5--25μm),切缝一般不需要再加工即可焊接。
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