Fraunhofer 的過程監(jiān)控系統(tǒng)。
激光所發(fā)射的閃耀光芒為材料加工提供了無(wú)限的可能性。激光技術(shù)最初在制造領(lǐng)域的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)60年代后期，當(dāng)時(shí)開發(fā)了激光鉆孔技術(shù)來(lái)加工噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件。隨著激光技術(shù)持續(xù)取得進(jìn)展，計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展使各種優(yōu)化型的過程監(jiān)控裝置的開發(fā)成為可能，繼而進(jìn)一步提高了工業(yè)激光系統(tǒng)的性能、可靠性和易用性。
2014年，全球用于材料加工的激光系統(tǒng)（包括激光光源和配件）的市場(chǎng)總額為92億美元（來(lái)源：Optech Consulting）。其中，根據(jù)Industrial Laser Solutions提供的數(shù)據(jù)顯示，激光光源總收入為29億美元。2015年，全球激光光源的營(yíng)收總額增長(zhǎng)了6.9％，達(dá)到32億美元。截止2017年底，全球工業(yè)激光器市場(chǎng)的總收入超過34億美元，比上年增長(zhǎng)約9％。盡管激光切割應(yīng)用以及激光打標(biāo)/雕刻應(yīng)用依然占據(jù)最大的市場(chǎng)份額（2015年為61%），但其同比增長(zhǎng)率持續(xù)放緩。值得關(guān)注的是近兩年，同比增長(zhǎng)率越來(lái)越高的激光應(yīng)用版塊主要包括激光焊接（+17％）、激光表面處理（+31％）和激光增材制造（+71％）。
下文簡(jiǎn)要闡述了激光功率和光束質(zhì)量的改進(jìn)、激光器單位成本的顯著下降以及電光轉(zhuǎn)化效率的提高是如何為材料加工的重大創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。其中，觀察到幾個(gè)主要的激光加工領(lǐng)域，并對(duì)它們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)這種創(chuàng)新做了分析。
激光焊接技術(shù)的演變
長(zhǎng)期以來(lái)，許多行業(yè)的制造商都一直使用激光焊接來(lái)攻克傳統(tǒng)的焊接挑戰(zhàn)，但激光焊接技術(shù)的發(fā)展如今正日新月異，以實(shí)現(xiàn)更大的效用。激光焊接與熔化極氣體保護(hù)焊（MIG），鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）等傳統(tǒng)電弧焊方法相結(jié)合的復(fù)合焊接；采用填充焊絲的激光焊接，以及部分焊接預(yù)熱工藝已經(jīng)在工業(yè)中得到成功應(yīng)用。此外，過去一度被認(rèn)為難以焊接的材料，例如高碳鋼和鑄鐵等，如今也能夠通過激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)。這主要是因?yàn)楦郊拥奶畛洳牧细淖兞撕更c(diǎn)的組分，從而防止形成硬脆的微觀結(jié)構(gòu)。
同樣，感應(yīng)預(yù)熱可以通過降低焊接后的冷卻速度來(lái)幫助防止由于馬氏體形成而引起的開裂。例如，在汽車變速器部件中，螺栓連接工藝被激光焊接替代，通過降低材料和加工成本（鉆孔操作、螺栓連接操作等）大幅優(yōu)化成本，并且通過使用更高效的激光技術(shù)，能夠使部件的整體重量減輕。
激光焊接傳動(dòng)部件與傳統(tǒng)的螺栓連接工藝的對(duì)比。( 圖源：Fraunhofer)
遠(yuǎn)程激光焊接（RLW）是另一種激光焊接工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，其顯著縮短了焊接周期，并且搭配使用光束質(zhì)量更高的激光器以及高速掃描振鏡后，效率進(jìn)一步提升。遠(yuǎn)程激光焊接涉及使用移動(dòng)光學(xué)元件，快速掃描相隔距離遠(yuǎn)的工件上的激光束，最終實(shí)現(xiàn)高速和高精度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)。
為了最大程度地挖掘激光焊接的潛力，激光焊接頭的技術(shù)領(lǐng)域已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，其中包括焊接光學(xué)器件本身以及傳感器光學(xué)器件。當(dāng)前，部分過程監(jiān)控技術(shù)已發(fā)展了一段時(shí)間，但有些還未獲得大規(guī)模應(yīng)用。然而，基于相機(jī)的激光監(jiān)測(cè)技術(shù)已展現(xiàn)出更高的可靠性以及更低的成本優(yōu)勢(shì)，從而為高功率焊接應(yīng)用提供了更多的發(fā)展空間。
德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)（Fraunhofer）下設(shè)的激光應(yīng)用中心開發(fā)了一種高速相機(jī)視覺系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)、高清晰地記錄焊接過程，并提供工藝過程中的圖像和視頻數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)先確定的實(shí)際“良好”的焊接測(cè)量結(jié)果，對(duì)這些信息進(jìn)行處理和校準(zhǔn)。此外，使用定制的圖像處理軟件算法，可以檢測(cè)出許多最常見的焊接缺陷。
破繭而出的激光增材制造技術(shù)
近來(lái)，激光增材制造（LAM）被視為一種處在創(chuàng)新前沿，甚至是顛覆性技術(shù)的激光加工技術(shù)。這種技術(shù)使用激光束作為熱源，主要分為兩種工藝：選擇性激光熔化（SLM）和激光金屬沉積（LMD）。
在SLM工藝中，先在構(gòu)建平臺(tái)上沉積一層粉末，然后快速掃描的激光束以合適的形狀將粉末熔合在一起，多道薄粉末層沉積后便能夠形成復(fù)雜的3D部件。SLM可謂制造工藝的一次重大變革，相較于傳統(tǒng)機(jī)加工切削銑，SLM作為一種材料堆積制造方式，可以打造各種復(fù)雜形狀，充分發(fā)揮材料的效能比，將是未來(lái)綠色制造的主要方式之一。
在LMD工藝（也稱為直接能量沉積或激光熔覆）中，使用激光來(lái)熔化由噴嘴供給的金屬粉末，隨后噴嘴將這些金屬粉末分層沉積在基體上，這將形成熱影響區(qū)極小以及稀釋率最低的完全冶金結(jié)合。LMD工藝已被廣泛應(yīng)用于表面磨損和腐蝕涂層、零部件修復(fù)/再制造，以及完整的部件生產(chǎn)等領(lǐng)域。
Fraunhofer 開發(fā)的同軸沉積激光頭使用金屬線實(shí)現(xiàn)了全方位的3D 增材制造工藝。
LMD的另外兩種演變工藝——熱/冷絲熔覆和內(nèi)徑包覆如今也被成功應(yīng)用于石油工業(yè)、農(nóng)業(yè)、發(fā)電和再制造領(lǐng)域。弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所近期的一項(xiàng)重要進(jìn)展是開發(fā)出一種新型的同軸沉積激光頭COAXwireTM，它使用金屬線作為填充材料，彰顯全方位焊接性能，特別適用于金屬部件的3D增材制造。
不斷挖掘激光加工工藝的潛能
就激光材料加工看，從激光的空間和時(shí)間特性的技術(shù)改進(jìn)中受益最多的一個(gè)工藝版塊無(wú)疑是激光加工。除此外，更低成本和更小尺寸的激光電源的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。最新一代的脈沖寬度從毫秒級(jí)延伸到飛秒級(jí)的脈沖激光器已經(jīng)催生出幾乎影響每一個(gè)制造業(yè)的大量創(chuàng)新應(yīng)用。例如，電池電極的激光切割可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的切割質(zhì)量和高速切割，非常適用于鋰離子電池的生產(chǎn)。同樣，激光器可用于去除電池箔上的電觸頭的涂層。另外，高功率激光器還可用于大面積涂層去除、脫漆、脫氧、模具清洗或除去特殊涂層等應(yīng)用。值得一提的是，激光器也能實(shí)現(xiàn)高達(dá)15,000孔/秒的高速鉆孔工藝。
總而言之，當(dāng)前的創(chuàng)新步伐正持續(xù)不斷地推動(dòng)更多新型激光技術(shù)和產(chǎn)品在你可以想象到的每一個(gè)行業(yè)的應(yīng)用廣度和深度。
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