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激光加工技術的現狀及國內外發展趨勢

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 作為20世紀科學技術發展的主要標志和現代信息社會光電子技術的支柱之一,激光技術和激光產業的發展受到世界先進國家的高度重視。 
    激光加工是國外激光應用中****的項目,也是對傳統產業改造的重要手段,主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。
    激光加工應用領域中,CO2激光器以切割和焊接應用**廣,分別占到70%和20%,表面處理則不到10%。而YAG激光器的應用是以焊接、標記(50%)和切割(15%)為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了70~80%。我國激光加工中以切割為主的占10%,其中98%以上的CO2激光器,功率在1.5kW~2kW范圍內,而以熱處理為主的約占15%,大多數是進行激光處理汽車發動機的汽缸套。這項技術的經濟性和社會效益都很高,故有很大的市場前景。
    在汽車工業中,激光加工技術充分發揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產中大量使用三維激光切割機,不僅節省了樣板及工裝設備,還大大縮短了生產準備周期;激光束在高硬度材料和復雜而彎曲的表面打小孔,速度快而不產生破損;激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝,日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接,將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起,然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍,但在汽車工業中仍應用廣泛,如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業發達國家,激光加工技術和計算機數控技術及柔性制造技術相結合,派生出激光快速成形技術。該項技術不僅可以快速制造模型,而且還可以直接由金屬粉末熔融,制造出金屬模具。 
    到了80年代,YAG激光器在焊接、切割、打孔和標記等方面發揮了越來越大作用。通常認為YAG激光器切割可以得到好的切割質量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。隨著YAG激光器輸出功率和光束質量的提高而被突破。YAG激光器已開始擠進kw級CO2激光器切割市場。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件,如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。YAG激光器打孔已發展成為****的激光加工應用。 
    目前,國外激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展,主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達30~50kw,打孔用的脈沖寬度越來越窄,重復頻率越來越高,激光器輸出參數的提高,很大程度上改善了打孔質量,提高了打孔速度,也擴大了打孔的應用范圍。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及手表寶石軸承的生產中。
    目前激光加工技術研究開發的重點可歸納為:
    新一代工業激光器研究,目前處在技術上的更新時期,其標志是二極管泵浦全固態激光器的發展及應用;精細激光加工,在激光加工應用統計中微細加工1996年只占6%,1997年翻了一倍達12%,1998年已增加到19%;加工系統智能化,系統集成不僅是加工本身,而是帶有實時檢測、反饋處理,隨著專家系統的建立,加工系統智能化已成為必然的發展趨勢。
    激光技術在我國經過30多年的發展,取得了上千項科技成果,許多已用于生產實踐,激光加工設備產量平均每年以20%的速度增長,為傳統產業的技術改造、提高產品質量解決了許多問題,如激光毛化纖技術正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣,將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態,激光標記機與激光焊接機的質量、功能、價格符合國內目前市場的需求,市場占有率達90%以上。 
存在的主要問題:

    科研成果轉化為商品的能力差,許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段;激光加工系統的核心部件激光器的品種少、技術落后、可靠性差。國外不僅二級管泵浦的全固態激光器已用于生產過程中,而且二級管激光器也被應用,而我國二極管泵浦的全固態激光器還處在剛開始研究開發階段。對加工技術的研究少,尤其對精細加工技術的研究更為薄弱,對紫外波激光進行加工的研究進行的極少。激光加工設備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差,難以滿足工業生產的需要。
  
    “十五”的主要工作是促進激光加工產業的發展,保持激光器年產值20%的平均增長率,實現年產值200億元以上;在工業生產應用中普及和推廣加工技術,重點完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統工業應用激光技術進行改造的示范工程;為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領域提供嶄新的激光設備和儀器。 
    主要研究內容 
   (1)激光加工用大功率CO2和固體激光器及準分子激光器的引進機型研究,提高國產機水平;同時開發和研制專用配套的激光加工機床,提高激光器產品在生產線上穩定運行的周期,力爭在國內建立較全面的加工用激光器的生產基地。
   (2)建立激光加工設備參數的檢測手段,并進行方法研究。
   (3)激光切割技術研究。對現有的激光切割系統進行二次開發和產業化,提供性能好、價格便宜的2-3軸數控CO2切割機,并開展相應的切割工藝的研究,使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領域。為此應著重在激光器外圍裝置,如:導光系統、過程監測和控制、噴咀、浮動裝置的設計和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。 
   (4)激光焊接技術研究??辜す夂附庸ひ占安牧?、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數監測和控制技術研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。 
   (5)激光表面處理技術研究??刮珻AD/CAM技術、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數監測和控制研究,使激光表面處理工藝能較大幅度的應用于生產。 
   (6)激光加工光束質量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光束和加工質量監控技術,光學系統及加工頭設計和研制。 
   (7)擇優支持2~3個******加工技術研究中心,開展激光加工工藝技術研究,重點是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應用;開展激光快速成形技術的應用研究,拓寬激光應用領域。

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