中小功率激光器暨应用领域.docx

中小功率激光器暨应用领域一: 激光器的分类二: 中小功率激光器的应用三: 激光加工技术概述四：中小功率激光设备及应用五: 激光切割给传统钣金行业带来的变革六: 中小功率激光切割机与CO2,光纤激光切割机的技术比较七: 结束语一:激光器的分类n 按工作物质的性质分类n 气体激光器 CO2 、He-Nen 液体激光器 液体染料n 固体激光器 Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YLP n 按工作方式区分n 可分为连续型和脉冲型等 n 按功率大小分类n 大功率激光器 1000W以上激光器n 中小功率激光器 1000W及以下激光器二:中小功率激光器的应用（一）激光打标 激光打标是目前工业产品标记的最先进技术。激光打标时与工件不接触，对工件表面不产生任何机械形变，高速打标可在生产线上实现在线实时打标。具有打标精度高，加工速度快等独特优点，可在平面、弧面及飞行物上打印各种文字、符号、图案、序列号、条形码及二维码，特别适用于硬、脆、软产品。已广泛应用于电子工业、汽车工业、医疗产品、五金工具、家用电器、日常用品、标签技术、航空工业、证件卡片、珠宝加工、仪器仪表以及广告标牌等。典型应用包括各类金属和非金属材料及产品表面的打标，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、陶瓷、塑料、合成材料、木材、橡胶皮革、纸品、电容、电感、印制电路板、集成电路、电器接插卡、各类仪表和控制面板、钮扣、化妆品包装、食品包装、文具、工艺品、香烟、雷管、轴承、齿轮、活塞环等。 在激光打标机中，目前主要使用二氧化碳激光器、灯泵激光器和二极管泵浦固体激光器。打标机中的有些关键元器件，如Q开关和扫描电机也以进口为主，但国产的激光打标机基本能满足工业化使用要求，可以替代进口。（二）激光切割激光切割是用聚焦而成的高能量激光束将工件熔化或汽化，并用辅助气体将熔化或氧化物吹出而形成切口。激光切割是激光加工中发展最成熟、应用最广泛的激光加工技术之一。激光切割具有以下优点：切缝窄，节省切割材料，还可以切不穿透的盲槽；能方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料；切割速度高；无工具磨损；易于数控或计算机控制；噪音低，无公害。目前激光切割机分两大类，金属激光切割机和非金属切割机。非金属激光切割机主要使用中小功率CO2激光器，主要应用于广告，服装，皮革，玩具，印章，工艺品等行业。金属激光切割进过近几年的发展，凭借其对复杂图形即图即切的能力，以切割效率高、质量好的优点，受到了金属薄板加工企业的青睐，同时也造就了许多以金属板切割加工为目标赢利点的专业激光加工站。多元化的社会要求有多元化的产品，新产品研发频率越来越高,样件试制、小批量生产、图纸变化快、工期短都要求相关企业拥有自己的激光切割机。在过去几年，激光切割机主要以CO2轴快流设备为主流产品，由于其高昂的采购成本和使用成本，使众多中小型企业和以金属薄板加工为辅助工序的企业望而却步。在这种历史情况下，华俄激光加大研发力度，推出了YAG固体激光切割机和光纤激光切割机。YAG固体激光切割机的使用成本和维护成本较低。这种设备一般采用平均功率在300500W的固体激光器，在计算机控制下通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，经过光束传导，聚焦在加工物体的表面而把材料加工成即定的形状。YAG激光波长是1.06m，是CO2激光波长的十分之一，其特点是更易被金属吸收，所以500W的YAG激光效率可达到上千瓦CO2激光的切割效果，并且可以切割铝、黄铜等高反射材料。YAG激光切割机的面世满足了大多数金属薄板加工企业的需求。光纤激光是激光技术发展进程中的一朵奇葩，光纤激光技术的突飞猛进也带动了光纤激光切割机的发展。光纤激光切割机速度更快，使用成本仅是传统设备的20%30%，光纤激光器还可以减少镜片的使用，大大降低了生产和维护成本。相信随着技术的进步、产业的分化，光纤激光切割机一定会在金属薄板切割舞台上得到充分的展现.（三）激光雕刻 激光雕刻通常是由二氧化碳激光器、专用激光雕刻软件、自动控制系统和精密机械组成，属于低价位的高科技激光产品，电脑排版、激光雕刻、字体丰富，自动化程度高，具有雕刻速度快、操作方便等独特优点。广泛应用于印章、奖牌奖杯制作、礼品及广告等行业，如在牛角、塑料、有机、木头、储墨垫、原子印章、橡胶等材料上方便地刻制各类印章；雕刻、切割各类标牌；在竹板或木头上雕刻各类文字、图形等。国产的封离式二氧化碳激光器虽然寿命较短，但价格仅为国外同类产品的10左右，产品性能基本上能满足市场要求，因此该类激光雕刻机仍然得到了最广泛的应用。 除了以上三个基本工业激光产品外，还有激光热处理、激光打孔、激光内调、医疗激光等。根据激光设备的使用对象，还有许多相应的专业机型，如钮扣专用激光打标机，雷管专用激光编码机，轴承专用激光编码机、晶振专用激光打标机、缸套激光专用热处理机等。三:激光加工技术概述 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对质料（包括金属与非金属）举行切割、焊接、外表处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究领域一般可分为:1激光加工体系 包括激光器、导光体系、加工机床、控制体系及检测体系。2激光加工工艺 包括切割、焊接、外表处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的效果。 现在工业上常用的大功率激光器有CO2激光器,光纤激光和YAG激光器三种。目前，国际上具有代表性的激光切割设备制造商有：德国通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC、日本AMADA等，这些国际知名公司已陆续开发出了大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机(见下表)。国外主要设备供应商代表技术德国通快TRUMPF公司横向龙门移动光路、等离子云检测瑞士百超BYSTRONIC高速纵向龙门移动式光路国外激光切割技术向大功率、大幅面、高速、多维立体、数控自动的方向发展；追求高可靠性、功能日趋完善，如自动调焦、穿透检测、立体多维切割、等光程等技术将被广泛使用。国内激光切割机生产厂家主要有华工激光、团结激光、楚天激光，深圳大族。配备激光功率最高5000W，主流加工幅面2m4m。上述激光切割机都是基于价格昂贵的高功率气体激光器，整套激光切割机的售价在数百万元人民币，且在激光切割时必须吹辅助气体，使用成本高。由于二氧化碳激光器的波长为远红外，有色金属的吸收不好，故对铝、铜、钛合金等有色金属，此类气体激光切割机则无能为力。以武汉华俄激光公司为代表的中小功率激光厂家,推出的的固体激光切割机，该切割机切割金属板材切割，切割厚度能达到8毫米，切割幅面1500mm3000mm，主要机型售价50万元人民币，切割时仅吹压缩空气，使用成本低，且能切割铝、铜、钛合金等有色金属，是高功率气体激光切割机的有力补充。固体激光切割机将波长为1064nm的脉冲激光束经过扩束、反射、聚焦后，辐射加热材料表面，表面热量通过热传导向内部扩散，由数字化精确控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，瞬间使材料熔融汽化蒸发，从而通过数控系统实现预定轨迹的切割、焊接、打孔。 该机光束质量好、可靠性高，集切割、焊接、打孔等多功能为一体，是理想的精密高效柔性加工设备。适用于金属材料的激光切割、焊接、打孔：如碳钢、不锈钢、合金钢、铝及合金、铜及合金、钛及合金、镍钼合金等材料。 广泛应用于航空、航天、兵器、舰船、石化、医疗、仪表、微电子、汽车等行业。四：中小功率激光设备及应用（一）激光设备行业市场概况1、全球激光设备市场分析激光在商业上的使用最早起源于美国。20世纪80年代以后，随着经济全球化的发展，越来越多的工业化国家发现激光加工在替代传统制造技术上有着巨大的潜在需求，纷纷发展激光产业，日本及欧洲地区尤其是德国在激光产业上迅速崛起，激光的商用日趋广泛。据有关资料统计，在欧美工业发达国家中，有70%-90%的零部件的切割和焊接都是采用激光加工方式来完成。其后，发展中国家亦纷纷加大了对激光产业的研发投入，并在激光商用市场上占据越来越重要的位置。以中国为例，根据R&D和IEEESpectrum杂志报告，2008 年全球激光研发支出增长7.6%，其中中国增长了24%，远远超过美国3.7%的增长幅度，中国已经成为全球激光研发投入第三大国，仅次于美国和欧洲。近年来，亚洲地区尤其是日本及中国在激光产业的高速发展促使全球商用激光销售中心转移到亚洲地区。亚洲地区尤其是中国市场传统制造技术的产业升级和结构调整的加速，加快了激光产业的发展。近十年来，随着激光加工技术的逐渐成熟，激光加工突出的优势在各行业的逐渐体现，全球激光设备制造业实现了较快的增长。根据工业激光解决方案（ILS）统计，2008年全球激光设备销售规模约为63.6亿美元，从2001年到2008年的复合增长率达到13%。2009年受全球经济危机影响，全球激光设备销售出现下滑，ILS 预计2010年全球激光设备行业步入复苏阶段，销售额将实现小幅增长。2001-2008 年全球商用激光设备的销售情况如下图所示：根据工业激光解决方案(ILS)提供的数据，2008 年全球各类激光设备应用比例按数量统计，激光主要应用于标记（含雕刻）及切割用途，这两种用途的激光产品占64%左右。2、我国激光设备市场分析近年来，我国加大了对激光加工技术产业化的实施力度，工业企业逐渐将激光设备引入生产以替代传统加工方式或增加新的工艺，推动了激光产业稳步发展。2001年激光设备市场销售额仅为6.32亿元，到2008年已超过30亿元，激光设备市场呈现出稳定、高速增长的态势。2001-2008年我国激光设备销售统计如下图所示：上图显示，我国激光设备销售市场增速较快。2001-2008 年，我国激光设备销售市场复合增长率达到26.90%。根据Military&Aerospace杂志报告，2008年虽然全球商用激光市场受到经济危机的影响仅增长了3.18%，但是中国市场仍实现了21.20%的增速，远高于同期全球市场。根据我国中小功率激光切割设备市场现状分析及预测，2008年我国激光加工设备销售规模约33.5亿元，其中，激光切割设备销售规模约为15亿元，占激光加工设备总销售规模的45%。近几年快速发展，2012年预计突破百亿。（二）中小功率激光切割设备市场发展简况中小功率激光切割设备一般包括玻璃管激光设备、固体激光设备和光纤激光设备三类。1、全球中小功率激光切割设备市场概况中小功率激光切割设备市场起步较晚，至20世纪90年代初，随着激光器的普及，中小功率激光切割设备应用范围逐渐扩大，目前已广泛应用于服装家纺、产业用纺织品、制鞋箱包、广告工艺品、家俱装饰等众多传统行业，在太阳能行业中硅片的切割划片、平面显示行业中的ITO 导电玻璃切割等方面的应用亦得到快速增长，并逐渐渗透至金属精密加工、绝缘产品、金属制品远程身份识别等众多新兴行业。自2001年以来，全球中小功率激光切割设备销售市场年均增长率约30%左右，发展迅速。2008年全球中小功率激光切割设备约占全球激光产业份额的10%，市场规模约为6.4 亿美元。2009年，受全球经济危机影响，中小功率激光切割设备市场增速有所放缓，市场规模约为6.83 亿美元。但随着全球经济的逐渐复苏以及中小功率激光切割设备应用普及率的提高，中小功率激光切割设备销售市场将进入加速增长期，预计到2013 年，全球中小功率激光切割设备销售市场规模将达到17.30亿美元。如下图所示： 就全球而言，光纤激光设备普及度较高，是中小功率激光切割设备应用的主流。2009 年，光纤激光设备市场规模约占全球中小功率激光切割设备市场规模的46%，为4.4 亿美元，预计至2013 年，市场规模将突破11 亿美元。2、我国中小功率激光切割设备市场概况中国处于制造业产业升级的关键时期，传统生产工艺面临着升级换代的迫切需求。目前在服装家纺、包装印刷、家俱装饰等下游行业，激光设备的普及率尚不到2%，因此，这些下游行业的复苏、整合及产业升级将会给本行业带来巨大的市场需求。2008 年，我国中小功率激光切割设备市场销售额约为4.02亿元，约占激光设备市场销售总额的12%。受全球经济危机影响，2009 年我国中小功率激光切割设备市场增长速度放缓，销售额约4.49 亿元。随着中国制造业产业升级和技术改造的拉动，未来市场将加速增长，预计到2013年，我国中小功率激光切割设备市场销售规模将达到13.04亿元。如下图所示：我国玻璃管激光设备发展概况及市场规模目前，国内中小功率激光切割设备主要以玻璃管激光设备为主。2009 年，我国玻璃管激光设备市场规模约为3.83 亿元，占中小功率激光切割设备市场规模的85.35%。玻璃管激光器国产化程度高，价格相对较低、售后服务便捷，能很好的满足客户的普及性需求，其设备是目前我国中小功率激光切割设备应用的主要产品，未来在下游行业应用的普及性需求层面，玻璃管激光设备仍将占据主要位置，预计到2013 年，我国玻璃管激光设备市场规模将达到10.34 亿元，占中小功率激光切割设备市场规模的79.31%，复合增长率达28.09%。我国固体激光设备发展概况及市场规模2009 年，我国固体激光设备市场规模约为3.34 亿元，占中小功率激光切割设备市场规模的17.96%。国内固体激光设备应用比重较低，与国际市场上固体激光设备64%的市场规模有较大差距，一方面，固体激光器价位较高（约为玻璃管激光器价格的十倍以上），导致设备价格昂贵；另一方面，原厂返修费用高（2-4 万元/次）、送修周期长（1-2 个月），导致客户使用成本及维护成本较高。而玻璃管激光器国产化程度高，价格相对较低、售后服务便捷，能很好的满足客户的普及性需求。因此，国内企业立足于下游客户对中小功率激光切割设备尚处于逐步接受和普及的现状，一般主推玻璃管激光设备，在中高端应用领域对光纤激光设备则作适当的引导。随着中小功率激光切割设备应用逐渐普及，光纤激光设备面临着高速增长的市场契机，未来其应用比重将显著提高。其一，新的应用领域亦不断产生，如服装家纺、产业用纺织品等行业的高速切割，制鞋箱包、家俱装饰、广告工艺品等行业的动态雕花，以及包装印刷等行业的激光打孔等，光纤激光设备可很好的满足上述新领域的应用要求；其二，下游客户的需求日趋精细和复杂，中高端客户群体不断扩大，对激光切割设备的性能也提出了更高的要求；其三，我国成功突破了固体激光器的关键技术，为固体激光设备的大规模推广扫清了障碍。预计到2013 年，我国固体激光设备市场规模将达到10.2 亿元.我国中小功率激光切割设备市场未来将呈现出如下产品应用结构：其一，在下游行业应用的普及性需求层面，玻璃管激光设备仍将占据主要位置；其二，在下游行业应用的新领域及中高端需求层面，随着批量化国产，光纤激光设备将实现超高速增长，并处于主导地位。此外，固体激光设备将在金属精密加工领域得到迅速发展。2009-2013 年，我国中小功率激光设备分产品发展态势如下：（三）中小功率激光切割设备构成及产业链简介中小功率激光切割设备主要由光学系统、机械系统、电控系统和软件系统组成。因此中小功率激光切割设备产业链中涉及上游产业主要包括光学仪器制造、机械制造、电子器件制造和软件等行业。其应用的下游行业主要包括服装家纺、制鞋箱包、产业用纺织品、家俱装饰、广告工艺品、塑料和橡胶、印刷包装、电子以及金属精密加工等行业。中小功率激光切割设备产业上下游关系如下图所示：例如：厨具行业中的应用在厨具加工行业中，抽油烟机和燃具等产品大量使用钣金面板，使用传统加工方式模具消耗大、工作效率低、成本费用大；产品的更新换代、技术改进与创新也受到限制。在当今科技创新、产业结构调整、市场竞争空前激烈的大背景大环境中，谁能率先找到突破口，实现生产工艺包括设备的更新，对于厨具加工企业来讲，无疑是非常重要且具有现实和长远意义的。“华俄激光”生产的符合厨具加工企业需要的中小功率激光切割机为解决上述难题提供了最佳方案。其产品具备实用精巧的机械设计、性能优越的光路系统、功能强大的控制系统。具有光束质量好、精度高、割缝小、省材料、切割面光滑及操作安全等一系列特点，能又快又好地完成任意图形的单件材料的钣金下料，减少了技术工人人数，消除了人工成本不断上涨的压力，工作效率也大为提高，并且每月能节省数万元的外协加工费，一年就能收回激光切割设备成本。使用激光切割机不仅能解决一直困扰着厨具生产厂家的上述诸多问题，且能够方便快捷的实现对面板进行的加工试样，减少了新产品开发的成本，缩短了新产品的开发周期。同时，激光加工设备切割材料时的精细度极高，提升了抽油烟机和燃具的成品率，降低了材料的损耗。对于一些异型成型的产品，激光切割机更是有着得天独厚的优势。农机行业中的应用农机产品的板金加工件一般采用46mm钢板，板金件种类多，并且更新快，传统的农机产品板金加工件通常采用冲床方式，模具消耗大，通常一个大型的农机生产厂家用于模具存放的库房就近300.由此可见，部件的加工如果仍然停留在传统的方式，将严重制约产品的快速更新换代与技术开发，而激光的柔性加工优势就体现出来了。激光加工能借助现代的CAD/CAM软件，实现任何形状的板材切割，采用激光加工，不仅加工速度快、效率高、成本低，而且避免了模具或刀具更换，缩短了生产准备时间周期。易于实现连续加工，激光光束换位时间短，提高了生产效率。可进行多种工件交替安装。一个工件加工时，可卸下已完成的部件，并安装待加工工件，实现并行加工。五: 激光切割给传统钣金行业带来的变革剪料划线开角折弯焊接备板材处理剪板机人工人工模具钻床等离子切割火焰切割冲床折弯机焊机人工123数控冲床（替代）+模具中小功率激光切割机（替代）注：以上工序中“开角”包含不同的工艺，如开孔、圆弧、不规则图形制作等。上图表示，针对金属板材的加工方案有三种，方案一：手工划线+剪板机切割+钻床打孔+等离子空气切割机切割，该方案为最传统切割方式；方案二：数控冲床+铣床模具；方案三：激光切割机。激光切割的本质是：一方面，缩短了板材加工工艺的流程，将三个工序变为一个工序，并减少了劳动力；另一方面，提升了板材的加工质量。三种方案比较如下表：方案一方案二方案三最适用范围确定被淘汰适合大批量大规模切割6mm以下薄板，对工艺有要求的薄板优点1.设备成本很低1. 加工速度快2. 节约人工1. 精确性最高，加工质量最好2. 可以加工任意不规则图形3. 不需要外协，只要将图形汇入电脑即可4. 占地小，维修成本低5. 节约人工6. 成本比数控冲床低，使用成本为28元左右/小时，低于数控机床。缺点1. 耗费很多人工，大概3-4名2. 质量最差3. 时间最长4. 不能进行精细切割或复杂图形加工5. 总成本不低1. 成本最高（冲床购买成本为40-70万，使用成本大概为40-50元/小时，肯定比激光高）2. 需要模具，受模具损坏及模具外协加工限制3. 考虑到模具的制作时间，不一定省时4. 不能进行精细切割或复杂图形加工5. 占地大6. 维修成本高7. 噪音大1. 切割3mm以上板材速度较慢2. 大批量较较数控机床切割速度慢很多。3. 不能加工对工艺有突、凹要求的板材（需要加上机械手臂）三种方案中，激光切割方案明显优于方案一和方案二，而会成为将来趋势。从我们调研发现，市场金属板材小功率切割机的销售也就是这两年刚刚开始，很多人还处在认识过程中，可能将来市场会慢慢释放。六: 中小功率激光切割机与CO2,光纤激光切割机的技术比较作为激光切割设备的核心部件，目前市场上主流的激光器有以CO2为代表的气体激光器和以YAG为代表的固体激光器，同时，光纤激光器由于其更优的切割效率也开始崭露头角。固体激光切割机与大幅面气体激光切割机的比较优势产品名称切割幅面占地面积耗电设备维护及费用切割厚度设备价格气体激光切割机1.53米30平方米40千瓦复杂、更换的光学元件昂贵最厚达20毫米大于180万元中小功率固体激光切割机1.53米10平方米15千瓦简单、更换的光学元件便宜最