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鐳射具有高相干性、方向性、高強度的特質,很容易獲得很高的光通量密度,將強的鐳射束聚焦到介質上,利用鐳射束與物質相互作用的過程來改變物質的性質,這就是鐳射加工。
鐳射加工技術隨著光、機電、材料、計算機、控制技術的發展已經逐步發展成為一項新的加工技術。鐳射加工具有加工物件廣、變形小、精度高、節省能源、公害小、遠距離加工、自動化加工等顯著優點,對提高產品質量和勞動生產率、實現加工過程自動化、消除汙染、減少材料消耗等的作用愈來愈重要。
鐳射加工主要應用在電子、汽車、機械製造、鋼鐵冶金、石油、輕工、醫療器械、包裝、禮品工業、鐘錶、民爆、服裝、化妝品、菸草、航空航天等行業,而且應用範圍越來越擴大,在鐳射打孔、鐳射毛化、鐳射切割、鐳射焊接、鐳射熱處理、鐳射打標、鐳射雕刻、鐳射測量測距、鐳射金屬探傷等方面已得到廣泛應用。
1999年世界鐳射產品銷售約49億美元, 約合人民幣400億元,並以每年11%以上的速率增長。
1996年至2000年,全球鐳射加工系統的銷售額以年均13%的增長率增長,2001年以來,每年也有12%以上的增長率,而半導體鐳射器、全固化固體鐳射器、準分子鐳射器加工系統增長更快,達23%,這反映出微電子工業、通訊工業及微光機電一體化系統的發展需要非常嶄新的加工手段來滿足製造上的需求。
從鐳射加工系統應用來看,以1999年的應用為例:銷售額的30%用於鐳射切割、29%用於鐳射標記、15%用於鐳射微加工,13%用於鐳射焊接、其它應用佔9%。
目前,用於鐳射加工的工業鐳射器主要有兩大類:固體鐳射器和氣體鐳射器。其中,固體鐳射器以Nd:YAG 鐳射器為代表;而氣體鐳射器則以 CO2 鐳射器為代表。隨著鐳射技術的發展,目前人們也開始在某些加工應用場合使用大功率光纖鐳射器和大功率半導體鐳射器。
成都鐳射加工廠研發製造的 Nd:YAG 鐳射器的鐳射工作物質為固態的 Nd:YAG 棒,其鐳射波長為 1.06μm。由於該種鐳射器的鐳射轉換效率較低,同時受到 YAG 棒體積和導熱率的限制,其鐳射輸出平均功率不高。
但由於 Nd:YAG 鐳射器可以透過 Q 開關壓縮鐳射輸出的脈衝寬度,在以脈衝方式工作時可獲得很高的峰值功率(108W),適用於需要高峰值功率的鐳射加工應用;其另一大優點是可以透過光纖傳輸,避免了複雜傳輸光路的設計製作,在三維加工中非常有用。
此外,還可以透過三倍頻技術將鐳射波長轉換為 355nm(紫外),鐳射器和計算機連線,在鐳射立體掃描、造形技術中得到很好地應用。
CO2 鐳射器的鐳射工作物質為 CO2 混合氣體,其主要應用的鐳射波長為 10.6μm。由於該種鐳射器的鐳射轉換效率較高,同時鐳射器工作產生的熱量可以透過對流或擴散迅速傳遞到鐳射增益區之外,其鐳射輸出平均功率可以做到很高的水平(萬瓦以上),滿足大功率鐳射加工的要求。
鐳射加工是未來材料加工應用發展的趨勢之一,而 CO2 鐳射加工一直佔鐳射材料加工中最主要的地位,世界鐳射市場也以 CO2 鐳射機器為主力,約佔全部的七成左右,每年以百分之十左右的速度增長。近幾年來,隨著國際和國內整體產業環境的改變,在產業水準提升、專業人員缺乏、自動化需求增加、產品附加價值和加工質量有待提高的壓力下,鐳射加工應用已逐漸被國內產業界接受並採用。
由於中國鐳射器的研發和製造起步較晚,市場擁有量較低,應用領域越來越廣,短期內可維持較高的鐳射市場增長率,加工應用的市場潛力也很大。
但產業界和工業 CO2 鐳射的使用者,仍然有許多問題需要去解決,尤其在相關技術人員的養成訓練和新的加工應用領域開拓這兩方面,更須下大力氣。鐳射鐳射的前景是廣闊的,鐳射加工手段的不斷進步必將帶來材料加工領域的一次革命。
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在過去幾十年中,鐳射切割行業經歷了一系列變革,包括切割材料的質量和厚度的改善、機器功率和效率的提高,從而使得如今的鐳射切割機能夠以更高的速度、精度及更優的質量對包括汽車、航空航天、醫療保健、塑膠、電氣和電子、紡織品、木工等在內不計其數的零部件產品進行高效加工。
在“中國製造2025”不斷深化的背景下,鐳射技術勢必推動製造業向價值鏈高階拓展。在這一戰略釋出的十大重點領域中,航空航天裝備、新能源汽車等領域對鐳射焊接、鐳射切割、3D鐳射熔融列印等高階鐳射技術的需求將被不斷釋放。
據《前瞻產業研究院鐳射產業市場分析報告》顯示,2015年中國鐳射產業市場中,在工業、資訊、商業、醫用和科研領域的鐳射裝置(含進口)市場銷售總收入高達336億元,較2014年同比增長了4.7個百分點。2016年,中國鐳射產業全年增速達到20%以上,藉助中國政府大力推動智慧製造與“中國製造2025”的東風,未來行業前景十分看好。