激光切割技术概述分析一、激光切割技术概述激光切割技术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，从而将工件割开。激光切割具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、非接触式切割、可切割材料种类多等优势。二、光纤激光器行业发展2019年光纤激光器市场是竞争激烈、也是继续发展的一年。2019年中国光纤激光器市场销售总额超过82．6亿元。从我国光纤激光器市场来看，国产光纤激光器逐步实现由依赖进口向自主研发、替代进口到出口的转变。随着国内光纤激光器企业综合实力的增强，国产光纤激光器功率和性能逐步提高，我国光纤激光器市场从2015年的40．7亿元增长到2019年的82．6亿元，预计2020年会小幅增长到85．6亿元。随着光纤激光器市场规模的不断扩大，光纤激光器核心器件的方案已基本成形，激光产业链日趋成熟，激光器的核心器件国产化率也随之提高，进而使得激光器的成本逐渐下降。激光器的价格战也出现了阶段性的变化，价格竞争主战场从1~3kW产品段转移至6~40kW产品段。三、激光冲击喷丸行业发展.激光冲击喷丸是一种新兴的喷丸技术，它将残余压缩应力引入金属表面以改善疲劳和腐蚀性能。与在过去60年中被广泛使用的传统喷丸处理相比，激光冲击喷丸可以产生更深的等离子体变形深度和更高的残余应力，而不会留下粗糙的表面。这种更深、更高的压缩残余应力又导致更长的疲劳寿命。此外，还可以提供更高的耐蚀性。激光喷丸技术最早是在20世纪60年代初发现和研究的，在美国巴特尔实验室进行了原型设备的初步可行性研究。然而，由于缺乏可靠的、高重复率和高平均激光功率，因此长期没有被商业化应用。为了减轻飞机涡轮发动机的风扇叶片前缘上的异物损坏，GE飞机发动机公司（俄亥俄州辛辛那提市）于1997年开发了第一个商业应用程序。关于激光冲击喷丸的研究可分为基础研究和应用研究。前者主要涉及对过程中基本物理学的理解，后者则是在不同参数和配置下进行激光冲击喷丸的案例研究，并将其应用于不同的材料。在要求提高工程部件疲劳寿命的应用中，激光冲击喷丸处理是至关重要的过程。四、激光清洗行业发展我国激光清洗技术的研究和设备开发起步较晚，早期发展基本上是跟踪国外技术。近两年来，随着国家环保政策的不断收紧以及人们对环保意识的日益增强，激光清洗行业逐渐走向上升通道，在机械、石化、公路运输、印刷、电子电路及核工业等行业持续发力。激光清洗行业还在不断扩大应用范围，已经渗透到航空公司飞机维保领域。以中国南方航空为例，采取激光清洗手段每清洗一架空客A320客机，.平均节省维护成本约40万元。当前，国内销售收入过千万的激光清洗企业已经不下30家，少数几家已经逼近5000万元的年销售收入。预计2020年整个行业将会进一步爆发，年营收增幅有望超过30%。超快激光也是近年来激光市场最突出的增长点，其增速数倍于激光行业的整体增速。2019年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家，预计2020年国内超快激光器市场规模将达到25亿元。超快激光器市场在脆性材料加工市场取得了稳步增长。诸如手机屏异形切割、手机摄像头蓝宝石盖板切割、特殊材料标记、隐形二维码打标、高性能FPC切割、OLED材料切割打孔，以及太阳能PERC电池加工等领域订单需求不断。国内超快激光器生产企业也逐渐找到了自己的细分赛道。随着5G通信技术走向成熟，2020年消费电子市场有望迎来一波换机热潮。近两年，国内面板厂商持续加码柔性屏幕生产线，为下一代手机提供新型显示方案。然而，适用柔性AMOLED材料加工的激光微加工设备中，绝大多数的超快激光器仍依赖进口。随着更多柔性屏幕产线投产和成规模出货，巨大的潜在市场将有效推动国内超快激光器企业和下游设备企业奋发图强，从而弥补产业链条缺少国产设备的短板。水中的激光微加工是将要加工的工件表面置于水下，并且因施加水而导致加工质量的提高。水射流引导的激光微加工，其中水射流可以帮助引导激光束，增加工作距离，减少污染并产生冷却效果。助水密激光微加工（UWLM）是近年来一种新的加工技术，该技术除了对要.加工的表面区域进行水密化外，还应用了超声波引起超声空化并激励水产生有益的效果，例如原位超声清洁，以改善加工过程。星空体育入口在实验室条件下，发现在ns入射激光脉冲相似的情况下，与在空气中进行激光微加工相比，UWLM产生的碎屑沉积要少得多，并且每个脉冲的烧蚀深度比没有超声的水中要高几倍。还有一种超声波辅助加工工艺，超声振动辅助激光加工是指将要加工的工件表面进行超声振动，而不是将其浸入水中的过程。它与前述的UWLM工艺从根本上不同，因为它不涉及UWLM在水浸工件表面加工区域周围的超声波水内清洁作用的关键组成部分。人们发现施加超声振动可以提高激光加工效率。除超声波外，人们正在尝试激光加工与电化学加工，电场或磁场的组合。激光微加工通常涉及将激光直接照射到工件表面以去除材料。近来一种经过改进的工艺称为激光诱导等离子体微加工（LIPMM），其中将介质中的激光诱导等离子体用于去除材料的能源。另外，一种提高激光微加工质量和效率的方法是使用激光脉冲序列，其中每个序列包含两个或多个具有适当脉冲能量和相对定时等的脉冲。五、激光表面纹理化行业发展激光表面纹理化是一种表面工程工艺。该工艺使用激光在材料表面上创建周期性的微结构，以诱导针对各种应用的所需表面特性。在20世纪90年代早期的激光表面纹理化研究中，使用激光产生了图案化的微凹坑，并研究了带纹理的表面对机械部件（包括机械密封件、活塞环和推力轴承）的摩擦学性能的影响。从那时起，随着激光技术的.飞速发展，该领域也得到了迅速的发展，并且已经出现了超出摩擦学领域的广泛应用。激光表面结构化不仅会改变材料的表面形态，而且通常会赋予表面一些新的功能和特性，尤其是光学、机械、润湿性和化学特性。飞秒激光织构的覆盖有微尖峰的硅（通常称为黑硅）是在可见光范围内显示出近100%吸收率的早期发现之一，当在SF6气体环境中处理时，吸收率可以扩展到2．5mm。在铜表面上通过ps激光诱导的微/纳米结构，可以实现从UV到MIR的整个波长范围内的可调反射率。由飞秒激光产生的微尺度珊瑚状表面结构，NiTi合金的热辐射显著提高到了约100%。表面织构化的硅和金属具有广泛的潜在应用，包括太阳能电池、检测器、传感器、场发射设备、等离激元、宽带热源及辐射传热设备等。激光表面纹理化也已用于修改和控制材料的润湿性。摩擦学应用中的激光表面纹理化已成为20多年来人们关注的领域。实践证明，具有数十或数百微米大小的微孔或微槽的飞秒激光纹理表面在干燥、润滑高温和高压条件下加工应用中，均可有效减少摩擦和磨损。 六、激光切割行业发展 激光切割是一种成熟的工业加工技术，具有高度的灵活性，且无 接触和无应力，可直接从工件中生产出成品零件。激光切割是一个非 常精确的过程，具有出色的尺寸稳定性，非常小的热影响区和狭窄的 切缝。近年来，脆性和透明材料的切割为超短脉冲和紫外激光器提供 . 了机会，中国制造业的快速发展，传统工业制造技术的更新升级，带 动了激光切割成套设备的销售。应用于激光切割系统的光纤激光器数 量在近两年平稳增长，激光切割设备也在朝高功率方向发展。2019 年，各个行业对激光设备的需求不断提高。激光设备的批量化生产， 带动了中功率激光切割装备的快速发展，加剧了产品的竞争性，并导 致中功率切割装备的毛利率越来越低，因此激光加工厂商们开始向高 功率产品段进军。2019 年高功率激光切割设备如雨后春笋般地涌向市 场，12kW、20kW、30kW 甚至40kW 的超高功率激光切割机也已经问 世。2019 年，中国销售了约34000 台中功率激光切割系统和7000 台高 功率激光切割系统。功率的大幅提升也增加了设备集成难度，给上游 配件厂商和系统厂商提出了诸多挑战。一些核心单元如万瓦级切割 头、自动调焦系统、智能总线系统及温控系统等亟待提档升级。然 而，国产配件厂商和系统集成商从未缺席自主发展之路，纷纷加入支 持行列。 七、激光焊接行业发展 近年来，激光焊接设备在五金建材、汽车制造、电子产品、医疗 设备、新能源电池及航空航天等行业逐渐替代传统焊接设备，占据市 场份额。在汽车工业中，白车身（BIW）焊接被广泛使用，需要多达 2000~5000 个点焊，传统上是通过电阻点焊来完成的。然而，镀锌钢板 的电阻点焊存在许多问题，例如，焊接所需的时间长，电极的维护成 本高以及锌涂层黏附在电子产品上等问题。 . 随着汽车工业向更轻量级结构发展，铝和镁合金等其他材料正在 成为替代镀锌钢的候选材料。由于BIW 约占车辆重量的27%，因此使用 这些轻质材料有望减轻车辆的总重量。然而，对于这些材料，与电阻 点焊有关的问题更加严重。采用激光焊接，可以克服其中一些问题。 除BIW 之外，激光焊接还应用于发动机零件、变速箱零件、交流发电 机、螺线管、燃料喷射器、燃料过滤器及燃料电池等。 在航空航天工业中，已经使用激光焊接来连接各种超级合金，例 如镍基合金和钛基合金。Ti6Al4V 合金通常用于涡轮发动机的静态和旋 转组件。此外，Inconel718 通常用于在高温下运行的航空发动机和燃 气轮机的组件。由于这些合金非常昂贵，因此与减材制造工艺相比， 焊接具有减少材料消耗的潜力。铝合金在航空航天工业中也非常流 行，在某些情况下，激光焊接可以提供比其他焊接技术（例如：搅拌 摩擦焊）更强的竞争优势。近年来，因异种材料的焊接可以降低零件 成本和设计灵活性而变得越来越流行，激光焊接已用于连接聚合物和 塑料。早期，CO2 激光主要用于塑料部件的焊接，因为激光能量很容易 在其10．6mm 的长波长处吸收。大多数塑料在红外波长下是透明的， 但在长波长下是不透明的。近年来，透射激光焊接（TLW）已成为一种 使用内部吸收器焊接塑料的可行方法，这仅在焊接界面处提供了一种 吸收热量的方法，并将热影响区最小化。以家电和汽车内饰为代表的 塑料焊接设备和以医疗器械为代表的陶瓷焊接设备，也已成为激光焊 接重要的发展方向。 . 经过近10 年的发展，国内激光复合焊接技术和工艺取得了长足进 步，已经在船体的大幅面构件和复杂曲面构件焊接中得到小批量应 用。2019 年，手持激光焊接机异军突起。由于设备本身准入门槛不 高，加上在使用过程中可以满足脉冲焊、准连续焊和连续焊的自由切 换，适用于各类工件的复杂焊缝，该市场出现了一股发展热潮。近两 年，全国有数十家企业投入这一领域。然而，国内企业在该领域的专 利布局明显不足，国内最早的一篇手持焊接设备专利始于2003 年，居 然来自美国霍利韦尔公司。没有专利的支撑，国内在该领域的行业标 准也基本处于裸奔状态。低门槛预示着高竞争，预计未来2~3 年，半 数以上的手持焊接设备企业将因自身技术竞争力的匮乏以及产品利润 的殆尽而退出该市场。 .