激光技術是20世紀重大發明之一,近年來,隨著激光技術的日新月異,全球激光產業發展迅速。2008年,全球激光加工設備制造銷售額達到80億歐元,預計到2010年,全球激光加工市場平均增長率約為13%。美國、日本、德國、英國等國家激光產業的發展代表了世界激光產業最高發展水平,它們在制造業,如汽車、電子、航空、航天、生物醫學等領域已基本完成了傳統工藝的更新換代,步入“光加工”時代。
精密激光制造和服務行業作為一個新興行業,發展前景廣闊,各國都比較重視。隨著激光加工技術的不斷完善和提高,國際上各類制造業逐漸接受了激光加工技術,這樣可使他們的產品增加技術含量,加快產品更新換代,發達國家已逐步形成了完善的激光制造和服務產業群體。
發達國家為了在全球競爭環境中占據世界信息技術的制高點,贏得主動權,紛紛加緊實施激光產業發展計劃,如美國的“激光核聚變計劃”,德國的“光學促進計劃”,英國的“阿維爾計劃”,日本的“激光研究五年計劃”等。這些項目的實施,有效推動了全球激光產業進入高速發展階段。德國已廣泛地將激光應用于汽車、鋼鐵、航天、電子、醫療等各個行業,激光與光學產品在全世界銷售額每年以10%到20%的速度增長。
各國積極出臺相關政策,建立國家級激光工程中心,廣泛開展激光工程應用研究。德國建立了9個國家級激光中心,韓國政府2001年投入7.3億美元,在光州建立激光工程研究所,成為全球七大激光研究所之一。
國際知名公司也都將先進的激光技術作為研發的重點,并投入巨大資金,力求在技術上掌握全球競爭的主動權。德國Trumpf公司每年投入約7000萬美元的研究經費,建立了全球最為先進的激光工藝試驗中心,開發的C02激光器最高功率已達20000W。德國IPG公司開發了目前全球最為先進的光纖激光器制造技術,技術應用廣泛滲透到重金屬切割、銅焊、熔覆以及焊接等核心領域。
發達國家在汽車、飛機、微電子、鋼鐵等行業已開始大規模地應用激光加工技術,激光。在這些領域的應用達到激光設備銷售額的60%以上。美國是最早將高功率激光器引入汽車工業的國家,在激光醫療及激光檢測方面也占世界首位,德國在激光材料加工設備方面走在世界前列。
通用、福特、奔馳、大眾、豐田等汽車制造商均在汽車的車身裝配中大量使用焊接工藝,為企業帶來了巨大的經濟效益。例如,福特汽車公司用5米長的光纖將2kW的Nd:YAG激光傳輸到裝在IR761/125型機器人的焊頭上,用于車身裝配,大大提高了焊接效率和效果。波音、空中客車等飛機制造公司廣泛運用激光技術進行焊接、切割、打孔、表面硬化等。
激光在工業生產中的應用還包括:大規模集成電路的光刻技術,印刷電路板打孔技術,鐘表零件制造與首飾加工等領域。西門子公司在一條流水線上就采用400多臺激光設備。
半導體激光器和半導體泵浦固體激光器以自身所具有的高光電轉換效率、更小的體積,以及更優化的激光模式等優勢,應用在工業激光加工、激光醫療等多個領域,成為激光加工設備的主導方向。
激光技術對產品投入產出比和技術基礎的優化作用更加明顯,融合在產品與服務中的技術含量越來越高。激光打標機和彩色打標機,其控制軟件實現了根據不同的顏色要求,控制不同波長的激光,不同工作時間的輸出,提高了激光標記設備的使用范圍。
激光技術與其它學科的融合以及應用領域范圍的不斷擴大,如利用激光對出土文物進行清洗與保護,利用水柱導光實現硅片的精密切割,利用激光檢測水果甜度和果肉軟硬程度,實現非金屬材料焊接,以及激光美容技術等。
激光材料加工是激光技術應用的基礎和支柱產業,根據國際激光產業界統計,激光材料加工產值占激光加工總產值的比例最大,達到26%。2000年,全球范圍內以激光為主的光電子產業總產值1800億美元,科學界預測,到2010年產值將達到4500億美元,以光電子信息技術為主導的信息產業將形成5萬億美元的產業規模,到2015年,光子產業可能會取代傳統電子產業,光電子技術將繼微電子技術之后再次推動人類科學技術的革命和進步(資料來源:武漢市光電子信息產業發展主要情況)。
激光的精密制造與服務主要應用于精密機械以及電子工業中,精密激光制造和服務典型的應用是SMT模板、精密金屬零件、FPC切割、HDI鉆孔及激光打標。
精密激光切割的一個典型應用就是切割印刷電路板PCB中表面安裝用模板。傳統的 SMT模板加工方法是化學刻蝕法,其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚,并且化學刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質污染環境。采用激光加工,不僅可以克服這些缺點,而且能夠對成品模板進行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優于化學刻蝕法。
激光精密焊接方面,激光焊接熱影響區很窄,焊縫小,尤其可焊高熔點的材料和異種金屬,并且不需要添加材料。利用固體激光器進行縫焊和點焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷電路的引出線,不需要使用焊劑,并可減少熱沖擊,對電路管芯無影響,從而保證了集成電路管芯的質量。
激光精密切割與傳統切割法相比,激光精密切割有很多優點,激光能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區小、切割噪聲小,并可以節省15%-30%的材料。由于激光對被切割材料幾乎不產生機械沖力和壓力,故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料,加上激光光斑小、切縫窄,所以特別適宜于對細小部件作各種精密切割。
與機械、化學、電鑄和借助模具等傳統的制造手段相比,激光制造在材料加工中具有明顯的優勢。激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度,其空間控制性和時間控制性很好,對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大,因此特別適用于自動化加工。
目前全球已開發出20多種激光加工技術,對于精度和結構復雜的產品,以及設計變化多、數量少的研發樣品,可以用激光直接量產、省去模具使用(模具生產周期長、成本高)。激光應用技術已成熟的包括:激光切割、激光成形、激光鉆孔、激光焊接、激光劃線、激光表面處理等。
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