工业激光装备的国际竞争力

工业激光装备个性化特点鲜明，都是根据不同行业应用、不同生产线需求，用激光装备来改造和提升传统制造方法，为用户提供整体解决方案。目前，激光行业标准化、规模化量产的工业激光装备只有激光打标机和激光切割机。工业激光装备的先进性主要体现在核心部件（激光器、控制系统、机床等）的先进性和工艺的先进性中。下面以各行业采用激光设备批量制造的激光制品为例，进行国际对标。

1.通用激光设备先进共性技术

1）激光打标机先进共性技术

工业4.0、5G技术、物联网、云计算、自动驾驶、电子医疗及人工智能均受益于电子行业所带来的先进技术。由于电子元件和显示器制造中要求的尺寸结构越来越小，为了满足每个组件之间的一致性，需要更快速、精确的激光扫描性能。另一方面，随着更高平均功率、更高脉冲能量的超短脉冲激光的进一步应用，如何避免脉冲间隔过短引起的热效应并充分利用高功率，对激光扫描技术也提出了更高要求。

有望提高激光可用功率水平的两种扫描方法是多边形扫描和工艺并行化。为了进行小视场的大工件制造，例如具有密集微结构的大型工件，需要将多光束技术（multibeam）和XLSCAN扫描方法结合。XLSCAN可以大大拓展扫描的视场范围，同时将扫描精度提升到微米量级，消除拼接错误，增大动态范围。在实操中，通常利用软件实现XLSCAN方法，即将扫描路径分解为扫描仪路径、XY位移台路径和激光光斑控制。扫描仪控制扫描头，接收短距离的高频运动信号；位移台则接受长程、低频信号，同时增大了扫描范围。两部分的运动同时执行以达到高精度、大视场范围的扫描，通过改变内置滤波器的带宽能够对扫描仪和位移台的运动进行设计、分配，确保不超出视场。相应的控制原理图如图3-41所示。

图3-41　XLSCAN控制原理图

XLSCAN方法在钻孔速度2600 Hz的条件下依然能够保持±1.5μm的误差（测试10000个点），这样的精度得益于其小视场工作条件。XLSCAN采用基于管道的轨迹规划，通过控制轨迹跟踪中的运动参数，能够改变拐角处的锐度，避免小半径混合；同时通过控制单位长度的恒定能量沉积，使得光斑间隔均匀，避免拐角处加工过热，并保证精度和吞吐量。

XLSCAN方法结合多光束技术能够更加有效地利用一个激光源进行并行工艺加工。在多光束技术中，主激光束首先被衍射光学元件（DOE）分解为4条子光束，子光束能够在中心相隔1 mm、半径0.3 mm的范围内被自由操控，包括光束位置和光束的有无，从而进行复杂形状的加工；通过改变子光束的相对位置甚至能够对边缘失真进行矫正。如图3-42所示。

图3-42　多光束扫描系统示意图

2）切割与焊接先进技术

对于激光加工来说，如何将有限的激光能量更高效地注入最佳的激光与物质相互作用区域，是提升加工质量与加工速度的关键。德国Fraunhofer研究所提出的动态光束整形技术可以很好地解决这个问题，从而实现质量更优、速度更快的激光切割和激光焊接。在传统的激光切割技术中，随着板材厚度的增加会出现各种问题。首先，如果板材厚度超过了激光的瑞利长度，激光能量将无法注入板材更深的区域，从而无法穿透板材；其次，随着板材厚度的增加，激光相对于板材切面的角度将越来越偏离使得材料对激光吸收最强的角度，从而降低材料对激光的吸收；最后，切口形状将随着板材厚度的增加越来越偏离最佳的漏斗形，从而阻碍熔化材料的溅射。然而，动态光束整形技术可以通过小焦斑在Z方向上的快速振荡（即激光锯切）来大大增加激光的有效瑞利长度，通过小焦斑在X、Y方向上的快速振荡来使得激光与板材切面始终保持最优的角度，通过合理选择激光焦斑在各个方向上的振荡频率和幅度来实现最优的切口形状，从而完美解决所有前述问题，实现更好、更快的激光切割。图3-43给出了基于动态光束整形的激光切割与传统激光切割技术的对比，可以看到激光焦斑在Z方向和X、Y方向上的快速振荡能够大大提升激光切割的质量和速度。此外，通过动态光束整形技术也能够进一步改进现有激光焊接技术。如图3-44（a）所示，通过传统激光焊接技术得到的焊缝通常充斥着很多气泡，这些气泡主要是由溶于熔池的冷却气体造成的。通过激光焦斑的快速振荡能够扩大熔池的体积并延长熔池凝固的时间，从而使得溶于熔池的冷却气体有充足的时间逸出，进而减少焊缝中的气泡，提升焊接质量，如图3-44（b）所示。

图3-43　基于动态光束整形的激光切割与传统激光切割技术的对比

图3-44　基于动态光束整形的激光焊接技术与传统激光焊接技术的对比(www.xing528.com)

3）CAD-CAM软件改进激光加工工艺

DMC公司是一家面向激光柔性加工设备控制软件解决方案的制造商。在开发新系统时，用户需要花费大量的时间开发负责处理机器和过程控制的所有方面的定制解决方案。例如，用户需要编写G/M Code（控制器械运动和开关的指令），设计、控制激光器和一些外围设备，这就让用户承担了复杂的控制任务。DMC公司的SPC软件是一款设计和控制激光加工的软件，它集成了多个硬件配置，拥有控制各种设备的功能，节省了用户开发系统的时间，让用户专注于机器的实际应用。SPC软件集成的功能如图3-45所示。

SPC软件属于CAD-CAM软件范畴，但比CAD-CAM软件更加强大，是集成了多种硬件的独特产品。用户只需要专注于操作SPC软件，在SPC软件中导入CAD文件，设置相应的激光参数、软件配置，即可控制设备自动化地完成任务。SPC软件操作过程示意图如图3-46所示。

SPC软件可支持Stitching拼接打标、MOTF飞行打标、A-MOTF自适应飞行打标、XLSCAN机械平台与振镜同步的打标方式。不同打标方式的耗时结果如图3-47所示，可以看到无论什么速度下拼接打标都耗时最长、效率最低；低速情况下，XLSCAN打标耗时最少；高速情况下，AMOTF打标耗时最少。用户可根据自己的需求选择相应的打标方式。同时，SPC软件拥有很好的扩展性。例如在系统中加入一台SPC软件暂不支持的激光器，开发人员只需要几天时间就可以开发出相应的软件模块并集成到SPC软件中。

图3-45　SPC软件集成的功能

图3-46　SPC软件操作过程示意图

图3-47　不同打标方式的耗时结果

总之，SPC软件控制整套系统，实现自动化流程。它使用灵活，可对软件进行配置，适用于各类不同的机器配置，可控制多种多样的硬件以实现不同的激光打标方式。另外，它的可扩展性强，软件模块化，对暂时不支持的硬件可快速开发出配套的软件模块。SPC软件有三个可发展的方向：第一，5-8轴系统的3D表面应用；第二，控制复杂的平台和扫描镜同步运动系统；第三，开发更高级的API（应用接口），开放更多的集成。

2.个性化国际激光先进设备

个性化激光精密微细加工国际先进设备有很多种，下面主要对标美国ESI公司和德国LPKF公司。此类设备主要应用于3C电子、5G通信、半导体器件等行业硬脆材料（晶圆、陶瓷、玻璃、半导体材料等）的激光精密打孔、焊接、切割、微调等。激光精密微细加工设备市场需求日益增长，其技术含量高，是激光加工设备的主要利润增长点。

个性化激光宏观加工国际先进设备主要集中在激光焊接和激光熔覆方向。

激光焊接设备主要对标德国通快公司的高功率绿光焊接铜装备、蒂森克虏伯公司新开发的钢卷拼焊技术。激光拼焊成套设备供应商主要有德国蒂森公司、德国Nothelfer公司、德国Miebach公司、瑞士Soudronic公司、美国VIL公司、意大利Prima公司。激光熔覆设备主要对标德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）和亚琛工业大学（RWTH Aachen），他们开发出一种超高速激光熔覆技术。

超高速激光熔覆层厚度可按照工艺需求在0.1～0.25 mm范围内调整，对工件表面基本无损伤，和常规激光熔覆工艺的不同之处在于粉末在离工件一定距离处融化，并高速喷射到工件表面形成极薄的冶金层，熔覆速度比常规激光熔覆速度快100～250倍。荷兰的海洋平台管件生产商IHC公司Vremac Cylinder B.V率先采用超高速激光熔覆来替代原有电镀工艺，经过专业的质量检测，耐腐蚀测试通过了ISO 15614-7。而IHC公司的技术人员Andres Veldman先生表示，通过率先应用超高速激光熔覆将有效延长产品使用周期，节省大量维修费用，大大提升了产品的行业竞争力。