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激光加工技術及產業的現狀與應用發展趨勢

發布時間：2020-11-02 來源：元祿光電

激光是20世紀的一項重大科學技術發明，與原子能、半導體和計算機一樣著名。具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性好的特點，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。在過去的60年中，與激光有關的研究獲得了許多諾貝爾獎，充分證明了激光技術在促進尖端科學研究和促進科學技術進步方面的顯著作用。激光與相關技術的融合形成了激光制造，為人類改變世界提供了嶄新的工具。

激光制造技術具有易操作、非接觸、高柔性、高效率、高質量和節能環保等突出優勢，是切割、焊接、表面處理、高性能復雜構件制造和精密制造的主流手段，被譽為“萬能加工工具”和“未來制造系統通用的加工手段”，帶動了先進制造業的發展，對工業智能化進程產生了深遠影響。

激光技術是一種具有極強的滲透性和加工性的使能技術。激光技術支持的經濟規模遠大于其自身的經濟規模。2010年美國研究報告指出，2009—2010年，美國電信、電子商務和信息技術的總價值為4萬億美元，其中激光器本身的價值僅為32億美元。因此，激光技術產品在經濟體系中的重要性遠超過了產品本身的價值規模。

近年來，中國的激光加工產業發展迅速，國際競爭力迅速提高。眾多激光企業已遍布華東、華南、華北、東北、華中及西部地區。據《2019中國激光產業發展報告》統計，我國在26個城市已有激光產業基地（園區）37個，2011—2018年，激光設備的銷售收入提高了5倍多，涌現了一批有世界競爭力的激光企業。

經過多年的努力，中國的激光公司已經在低端激光行業樹立了堅實的立足點，但離高端技術行業和高端核心組件的世界先進水平仍有較大差距。在產品方面，跟隨型產品居多，原創或首創性的高端產品相對較少。我國激光技術科研主要力量集中在科研院所和高等學校，而企業相對薄弱。目前，在我國與激光相關的30個國家級研究平臺中，僅存精密超精密加工國家工程研究中心和國家半導體泵浦激光工程技術研究中心，其他28個均依托科研院所和高校建設。高校和科研院所承擔了大部分國家計劃的激光科研項目，而企業承擔的只占很小的比例。在過去的10年中，我國的激光制造已成為先進制造業中增長最快的領域之一，形成了一定特色，某些技術已達到國際領先水平。

激光加工設備在促進傳統產業升級改造中發揮了關鍵作用。一群激光加工設備企業依靠創新的加工技術和卓越的設備質量在新舊動能轉換市場中找到足夠的訂單來快速增長。此外，一些制造公司已經嘗到了升級和發展的甜頭，已不滿足于國內垂直整合，而在積極探索跨國并購國外優質激光企業資源，并計劃進入精密加工領域。在過去的10年中，激光加工站一直是設備企業提供外延服務的重要觸角，通過開展陣地服務，及時滿足各類加工需求，增強客戶黏度。如今，越來越多集多功能于一體的大型設備已被開發并應用于軌道交通、航空航天、船舶制造等行業。預計到2020年，基于工業互聯網的各類云制造平臺將逐漸釋放價值，激光加工站將在云制造平臺的支持下發揮出更大的功用，并沿著“一帶一路”走進東南亞、中東、南美等多個地區。

在經歷了2017—2018年的快速增長之后，中國的激光市場在2019年進入了一個相對穩定的時期。2019年中國工業激光市場的發展開始影響全球工業激光經營收入。一方面，日益激烈的價格競爭導致光纖激光器和超快激光器的價格急劇下降，但國產設備的質量、技術和服務在競爭中逐步得到改善，國產激光產品的興起正在逐步取代進口激光產品；另一方面，激光技術的應用比許多傳統制造技術更具成本效益，從而使激光應用迅速普及。

2019年激光設備（含進口）市場銷售總收入為658億元，比2018年增長8.8%。受全球經濟走勢不確定的影響，預計2020年中國激光設備市場整體銷售收入將受到很大影響（見圖1）。2019年，國內共有規模以上激光企業超過150家，其中半數以上的企業集中在激光加工和激光器相關領域。

圖1?2010—2020E年中國激光設備市場銷售收入和增長率

新的激光光源（如藍光半導體激光器和高功率超快激光器）和新的激光加工技術（如金屬泡沫的激光成形和非常規激光微加工）的不斷涌現，給激光加工行業帶來了極好的發展前景。以下對一些新型激光器和激光加工技術作簡單介紹。

光纖激光器

2019年光纖激光器市場是競爭激烈、也是繼續發展的一年。2019年中國光纖激光器市場銷售總額超過82.6億元。從我國光纖激光器市場來看，國產光纖激光器逐步實現由依賴進口向自主研發、替代進口到出口的轉變。隨著國內光纖激光器企業綜合實力的增強，國產光纖激光器功率和性能逐步提高，我國光纖激光器市場從2015年的40.7億元增長到2019年的82.6億元，預計2020年會小幅增長到85.6億元（見圖2）。隨著光纖激光器市場規模的不斷擴大，光纖激光器核心器件的國產化替代方案已基本成形，激光產業鏈日趨成熟，激光器的核心器件國產化率也隨之提高，進而使得激光器的成本逐漸下降。激光器的價格戰也出現了階段性的變化，價格競爭主戰場從1~3kW產品段轉移至6~40kW產品段。

圖2?2015—2020E年我國光纖激光器市場情況

1)激光切割

激光切割是一種成熟的工業加工技術，具有高度的靈活性，且無接觸和無應力，可直接從工件中生產出成品零件。激光切割是一個非常精確的過程，具有出色的尺寸穩定性，非常小的熱影響區和狹窄的切縫。近年來，脆性和透明材料的切割為超短脈沖和紫外激光器提供了機會，中國制造業的快速發展，傳統工業制造技術的更新升級，帶動了激光切割成套設備的銷售。應用于激光切割系統的光纖激光器數量在近兩年平穩增長，激光切割設備也在朝高功率方向發展。2019年，各個行業對激光設備的需求不斷提高。激光設備的批量化生產，帶動了中功率激光切割裝備的快速發展，加劇了產品的競爭性，并導致中功率切割裝備的毛利率越來越低，因此激光加工廠商們開始向高功率產品段進軍。2019年高功率激光切割設備如雨后春筍般地涌向市場，12kW、20kW、30kW甚至40kW的超高功率激光切割機也已經問世。2019年，中國銷售了約34 000臺中功率激光切割系統和7 000臺高功率激光切割系統。功率的大幅提升也增加了設備集成難度，給上游配件廠商和系統廠商提出了諸多挑戰。一些核心單元如萬瓦級切割頭、自動調焦系統、智能總線系統及溫控系統等亟待提檔升級。然而，國產配件廠商和系統集成商從未缺席自主發展之路，紛紛加入支持行列。

2) 激光焊接

近年來，激光焊接設備在五金建材、汽車制造、電子產品、醫療設備、新能源電池及航空航天等行業逐漸替代傳統焊接設備，占據市場份額。在汽車工業中，白車身（BIW）焊接被廣泛使用，需要多達2000~5000個點焊，傳統上是通過電阻點焊來完成的。然而，鍍鋅鋼板的電阻點焊存在許多問題，例如，焊接所需的時間長，電極的維護成本高以及鋅涂層黏附在電子產品上等問題。

隨著汽車工業向更輕量級結構發展，鋁和鎂合金等其他材料正在成為替代鍍鋅鋼的候選材料。由于BIW約占車輛重量的27%，因此使用這些輕質材料有望減輕車輛的總重量。然而，對于這些材料，與電阻點焊有關的問題更加嚴重。采用激光焊接，可以克服其中一些問題。除BIW之外，激光焊接還應用于發動機零件、變速箱零件、交流發電機、螺線管、燃料噴射器、燃料過濾器及燃料電池等。

在航空航天工業中，已經使用激光焊接來連接各種超級合金，例如鎳基合金和鈦基合金。Ti6Al4V合金通常用于渦輪發動機的靜態和旋轉組件。此外，Inconel 718通常用于在高溫下運行的航空發動機和燃氣輪機的組件。由于這些合金非常昂貴，因此與減材制造工藝相比，焊接具有減少材料消耗的潛力。鋁合金在航空航天工業中也非常流行，在某些情況下，激光焊接可以提供比其他焊接技術（例如：攪拌摩擦焊）更強的競爭優勢。近年來，因異種材料的焊接可以降低零件成本和設計靈活性而變得越來越流行，激光焊接已用于連接聚合物和塑料。早期，CO2激光主要用于塑料部件的焊接，因為激光能量很容易在其10.6mm的長波長處吸收。大多數塑料在紅外波長下是透明的，但在長波長下是不透明的。近年來，透射激光焊接（TLW）已成為一種使用內部吸收器焊接塑料的可行方法，這僅在焊接界面處提供了一種吸收熱量的方法，并將熱影響區最小化。以家電和汽車內飾為代表的塑料焊接設備和以醫療器械為代表的陶瓷焊接設備，也已成為激光焊接重要的發展方向。

經過近10年的發展，國內激光復合焊接技術和工藝取得了長足進步，已經在船體的大幅面構件和復雜曲面構件焊接中得到小批量應用。2019年，手持激光焊接機異軍突起。由于設備本身準入門檻不高，加上在使用過程中可以滿足脈沖焊、準連續焊和連續焊的自由切換，適用于各類工件的復雜焊縫，該市場出現了一股發展熱潮。近兩年，全國有數十家企業投入這一領域。然而，國內企業在該領域的專利布局明顯不足，國內最早的一篇手持焊接設備專利始于2003年，居然來自美國霍利韋爾公司。沒有專利的支撐，國內在該領域的行業標準也基本處于“裸奔”狀態。低門檻預示著高競爭，預計未來2~3年，半數以上的手持焊接設備企業將因自身技術競爭力的匱乏以及產品利潤的殆盡而退出該市場。

3)激光增材制造

在過去的幾十年中，激光增材制造得到了越來越多的關注，激光已成為增材制造（AM）越來越重要的核心，基于激光的增材制造系統占金屬增材制造市場收入的一半以上，全球增材制造市場預計在2019年為7.74億美元，預計到2024年將達到3.2億美元。毫無疑問，基于激光的增材制造已成為激光行業的一個非常重要的應用領域（見圖3）。

圖3?激光金屬增材制造

使用增材制造（尤其是金屬制造）的關鍵要求之一是獲得所需的力學性能。由于增材制造涉及許多會影響工藝條件的變量，因此僅通過試驗來確定所得力學性能的嘗試可能既耗時又昂貴。為了減輕這個問題并獲得對過程的深入了解，已經進行了許多開發預測性過程模型的嘗試。AM的預測模型可以大致分為三類：AM過程熱模型、微結構預測模型和力學性能預測模型。激光增材制造面臨巨大挑戰，只有克服這些挑戰，才能被接受為經濟上可行的工業制造工藝。但與此同時，它也提供了前所未有的機會來制造那些傳統制造工藝無法制造的新產品。顯然，一項重大挑戰是通過基于物理學的建模或數據驅動的方法來建立過程-微結構-屬性關系，以促進增材制造零件的鑒定過程。此外，必須同時開發可靠的過程中監視方法。激光金屬AM提供的新機會包括制造大量定制的零件（例如醫療植入物），具有所需局部特性的功能漸變零件，用于制造智能或超材料結構的拓撲設計，幾何形狀復雜的零件（例如：熱交換器），新型材料的合成，需要跨學科的人們共同努力，以產生新的設計和材料，從而加速AM在制造業的應用。

4) 激光表面紋理化

激光表面紋理化是一種表面工程工藝。該工藝使用激光在材料表面上創建周期性的微結構，以誘導針對各種應用的所需表面特性。在20世紀90年代早期的激光表面紋理化研究中，使用激光產生了圖案化的微凹坑，并研究了帶紋理的表面對機械部件（包括機械密封件、活塞環和推力軸承）的摩擦學性能的影響。從那時起，隨著激光技術的飛速發展，該領域也得到了迅速的發展，并且已經出現了超出摩擦學領域的廣泛應用。

激光表面結構化不僅會改變材料的表面形態，而且通常會賦予表面一些新的功能和特性，尤其是光學、機械、潤濕性和化學特性。飛秒激光織構的覆蓋有微尖峰的硅（通常稱為黑硅）是在可見光范圍內顯示出近100%吸收率的早期發現之一，當在SF6氣體環境中處理時，吸收率可以擴展到2.5mm。在銅表面上通過ps激光誘導的微/納米結構，可以實現從UV到MIR的整個波長范圍內的可調反射率。由飛秒激光產生的微尺度珊瑚狀表面結構，NiTi合金的熱輻射顯著提高到了約100%。表面織構化的硅和金屬具有廣泛的潛在應用，包括太陽能電池、檢測器、傳感器、場發射設備、等離激元、寬帶熱源及輻射傳熱設備等。

激光表面紋理化也已用于修改和控制材料的潤濕性。摩擦學應用中的激光表面紋理化已成為20多年來人們關注的領域。實踐證明，具有數十或數百微米大小的微孔或微槽的飛秒激光紋理表面在干燥、潤滑高溫和高壓條件下加工應用中，均可有效減少摩擦和磨損。

5)激光沖擊噴丸

激光沖擊噴丸是一種新興的噴丸技術，它將殘余壓縮應力引入金屬表面以改善疲勞和腐蝕性能。與在過去60年中被廣泛使用的傳統噴丸處理相比，激光沖擊噴丸可以產生更深的等離子體變形深度和更高的殘余應力，而不會留下粗糙的表面。這種更深、更高的壓縮殘余應力又導致更長的疲勞壽命。此外，還可以提供更高的耐蝕性。

激光噴丸技術最早是在20世紀60年代初發現和研究的，在美國巴特爾實驗室進行了原型設備的初步可行性研究。然而，由于缺乏可靠的、高重復率和高平均激光功率，因此長期沒有被商業化應用。為了減輕軍用飛機渦輪發動機的風扇葉片前緣上的異物損壞，GE飛機發動機公司（俄亥俄州辛辛那提市）于1997年開發了第一個商業應用程序。關于激光沖擊噴丸的研究可分為基礎研究和應用研究。前者主要涉及對過程中基本物理學的理解，后者則是在不同參數和配置下進行激光沖擊噴丸的案例研究，并將其應用于不同的材料。在要求提高工程部件疲勞壽命的應用中，激光沖擊噴丸處理是至關重要的過程。

6)金屬泡沫的激光成形

金屬泡沫是一種相對較新的材料，由于其高的強度重量比以及出色的沖擊和噪聲吸收特性而引起人們的興趣。在許多工程應用中，例如，汽車保險杠或航天器部件，金屬泡沫必須具有特定的形狀。由于近凈形狀的制造困難且昂貴，因此有必要將金屬泡沫彎曲成期望的形狀。彎曲金屬泡沫并非易事，因為孔壁只能承受低應力并容易破裂。結果，傳統的機械彎曲方法會導致破裂和細胞塌陷。在過去的10年中，幾個研究小組嘗試了金屬泡沫的激光成形，并報告了積極的結果（見圖4、圖5），但沒有一項研究足夠詳細地探討潛在的彎曲機理。未來研究應該更好地了解激光成形如何影響材料特性和結構屬性。

圖4?金屬泡沫的激光成形加工

圖5?金屬泡沫的激光成形樣品

7)激光清洗

我國激光清洗技術的研究和設備開發起步較晚，早期發展基本上是跟蹤國外技術。近兩年來，隨著國家環保政策的不斷收緊以及人們對環保意識的日益增強，激光清洗行業逐漸走向上升通道，在機械、石化、公路運輸、印刷、電子電路及核工業等行業持續發力。激光清洗行業還在不斷擴大應用范圍，已經滲透到航空公司飛機維保領域。以中國南方航空股份有限公司為例，采取激光清洗手段每清洗一架空客A320客機，平均節省維護成本約40萬元。當前，國內銷售收入過千萬的激光清洗企業已經不下30家，少數幾家已經逼近5000萬元的年銷售收入。預計2020年整個行業將會進一步爆發，年營收增幅有望超過30%。

8)超快激光加工

超快激光也是近年來激光市場最突出的增長點，其增速數倍于激光行業的整體增速。2019年國內從事超快激光器研發生產的企業超過25家，預計2020年國內超快激光器市場規模將達到25億元。超快激光器市場在脆性材料加工市場取得了穩步增長。諸如手機屏異形切割、手機攝像頭藍寶石蓋板切割、特殊材料標記、隱形二維碼打標、高性能FPC切割、OLED材料切割打孔，以及太陽能PERC電池加工等領域訂單需求不斷。國內超快激光器生產企業也逐漸找到了自己的細分賽道。隨著5G通信技術走向成熟，2020年消費電子市場有望迎來一波換機熱潮。近兩年，國內面板廠商持續加碼柔性屏幕生產線，為下一代手機提供新型顯示方案。然而，適用柔性AMOLED材料加工的激光微加工設備中，絕大多數的超快激光器仍依賴進口。隨著更多柔性屏幕產線投產和成規模出貨，巨大的潛在市場將有效推動國內超快激光器企業和下游設備企業奮發圖強，從而彌補產業鏈條缺少國產設備的短板。

9)非常規激光微加工

水中的激光微加工是將要加工的工件表面置于水下，并且因施加水而導致加工質量的提高。水射流引導的激光微加工，其中水射流可以幫助引導激光束，增加工作距離，減少污染并產生冷卻效果。助水密激光微加工（UWLM）是近年來一種新的加工技術，該技術除了對要加工的表面區域進行水密化外，還應用了超聲波引起超聲空化并激勵水產生有益的效果，例如原位超聲清潔，以改善加工過程。在實驗室條件下，發現在ns入射激光脈沖相似的情況下，與在空氣中進行激光微加工相比，UWLM產生的碎屑沉積要少得多，并且每個脈沖的燒蝕深度比沒有超聲的水中要高幾倍。還有一種超聲波輔助加工工藝，超聲振動輔助激光加工是指將要加工的工件表面進行超聲振動，而不是將其浸入水中的過程。它與前述的UWLM工藝從根本上不同，因為它不涉及UWLM在水浸工件表面加工區域周圍的超聲波水內清潔作用的關鍵組成部分。人們發現施加超聲振動可以提高激光加工效率。除超聲波外，人們正在嘗試激光加工與電化學加工，電場或磁場的組合。

激光微加工通常涉及將激光直接照射到工件表面以去除材料。近來一種經過改進的工藝稱為“激光誘導等離子體微加工”（LIPMM），其中將介質中的激光誘導等離子體用于去除材料的能源。

另外，一種提高激光微加工質量和效率的方法是使用激光脈沖序列，其中每個序列包含兩個或多個具有適當脈沖能量和相對定時等的脈沖。

藍光半導體激光器

另一個值得關注的領域是風頭漸盛的工業級藍光半導體激光器。基于市場上對高反射材料如銅、鋁及其合金切割需求的日益增長，憑借低功耗和出色的光吸收率，藍光半導體激光器近年來已被廣泛用于有色金屬的微加工（見圖6、圖7）。藍光半導體激光器市場也有望在2~3年內實現跨越式發展，在有色金屬加工領域與光纖激光器、紅光半導體激光器形成分庭抗衡之勢。

圖6?藍光半導體激光器

圖7?雙波長（紅，藍）半導體激光器焊接銅

過去兩年的價格戰，加速了激光加工設備行業低端產能的出清。未來幾年，以價格比拼的惡性競爭將逐漸演變成人才爭奪和應用解決方案的較量。高水平的工程師隊伍和服務網絡的建設將給企業帶來巨大的競爭優勢，而不斷提升產品品質及工藝，塑造企業的多維競爭力，才是激光加工設備企業維持生命力的關鍵所在。2019年，中國新增激光技術相關專利9581項。從申請機構來看，排名前10的申請機構中，有5家企業、5家高校，與往年以高校為研發主力的情況有所不同。

對于2019年底突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情，雖然湖北、廣東、浙江等激光產業基礎不錯的省份因受災停工而遭受到一定的市場沖擊，但從長期發展來看，疫情不會改變中國激光產業的發展格局。中國作為全球制造中心，擁有較為完備的產業鏈基礎和廣闊的市場空間，而“集中力量辦大事”正是國家制度和國家治理體系優勢的重要體現。相信疫情過后，通過拉動內需，勢必會出現一大批新的激光技術應用場景。例如，以5G通信、工業互聯網、大數據中心為代表的新型基礎設施建設領域和以航空航天、船舶制造為代表的高端工業制造領域。

展望未來

關于激光加工產業的未來展望，主要包括：攻克激光制造核心部件關鍵技術，基本實現國內激光制造全產業鏈自主供給；研發智能化、極端化、高性能先進激光制造技術與系列裝備，基本實現航空發動機等高端裝備激光制造技術全產業鏈的自主供給；實現大規模產業化應用，以期激光制造與再制造產業整體實力達到世界先進水平。今后的30年，將是中國激光加工產業發展的黃金30年。

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