Fraunhofer 的过程监控系统。

 

激光所发射的闪耀光芒为材料加工提供了无限的可能性。激光技术最初在制造领域的应用可追溯到20世纪60年代后期，当时开发了激光钻孔技术来加工喷气发动机部件。随着激光技术持续取得进展，计算机和传感器技术领域的快速发展使各种优化型的过程监控装置的开发成为可能，继而进一步提高了工业激光系统的性能、可靠性和易用性。

 

2014年，全球用于材料加工的激光系统（包括激光光源和配件）的市场总额为92亿美元（来源：Optech Consulting）。其中，根据Industrial Laser Solutions提供的数据显示，激光光源总收入为29亿美元。2015年，全球激光光源的营收总额增长了6.9％，达到32亿美元。截止2017年底，全球工业激光器市场的总收入超过34亿美元，比上年增长约9％。尽管激光切割应用以及激光打标/雕刻应用依然占据最大的市场份额（2015年为61%），但其同比增长率持续放缓。值得关注的是近两年，同比增长率越来越高的激光应用版块主要包括激光焊接（+17％）、激光表面处理（+31％）和激光增材制造（+71％）。

 

下文简要阐述了激光功率和光束质量的改进、激光器单位成本的显著下降以及电光转化效率的提高是如何为材料加工的重大创新做出贡献。其中，观察到几个主要的激光加工领域，并对它们如何驱动这种创新做了分析。

 

激光焊接技术的演变

 

长期以来，许多行业的制造商都一直使用激光焊接来攻克传统的焊接挑战，但激光焊接技术的发展如今正日新月异，以实现更大的效用。激光焊接与熔化极气体保护焊（MIG），钨极惰性气体保护焊（TIG）等传统电弧焊方法相结合的复合焊接；采用填充焊丝的激光焊接，以及部分焊接预热工艺已经在工业中得到成功应用。此外，过去一度被认为难以焊接的材料，例如高碳钢和铸铁等，如今也能够通过激光焊接工艺实现。这主要是因为附加的填充材料改变了焊点的组分，从而防止形成硬脆的微观结构。

 

同样，感应预热可以通过降低焊接后的冷却速度来帮助防止由于马氏体形成而引起的开裂。例如，在汽车变速器部件中，螺栓连接工艺被激光焊接替代，通过降低材料和加工成本（钻孔操作、螺栓连接操作等）大幅优化成本，并且通过使用更高效的激光技术，能够使部件的整体重量减轻。

 

 

激光焊接传动部件与传统的螺栓连接工艺的对比。( 图源：Fraunhofer)

 

远程激光焊接（RLW）是另一种激光焊接工艺，与传统工艺相比，其显著缩短了焊接周期，并且搭配使用光束质量更高的激光器以及高速扫描振镜后，效率进一步提升。远程激光焊接涉及使用移动光学元件，快速扫描相隔距离远的工件上的激光束，最终实现高速和高精度的点对点移动。

 

为了最大程度地挖掘激光焊接的潜力，激光焊接头的技术领域已取得实质性进展，其中包括焊接光学器件本身以及传感器光学器件。当前，部分过程监控技术已发展了一段时间，但有些还未获得大规模应用。然而，基于相机的激光监测技术已展现出更高的可靠性以及更低的成本优势，从而为高功率焊接应用提供了更多的发展空间。

 

德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）下设的激光应用中心开发了一种高速相机视觉系统，可以实时、高清晰地记录焊接过程，并提供工艺过程中的图像和视频数据。根据预先确定的实际“良好”的焊接测量结果，对这些信息进行处理和校准。此外，使用定制的图像处理软件算法，可以检测出许多最常见的焊接缺陷。

 

破茧而出的激光增材制造技术

 

近来，激光增材制造（LAM）被视为一种处在创新前沿，甚至是颠覆性技术的激光加工技术。这种技术使用激光束作为热源，主要分为两种工艺：选择性激光熔化（SLM）和激光金属沉积（LMD）。

 

在SLM工艺中，先在构建平台上沉积一层粉末，然后快速扫描的激光束以合适的形状将粉末熔合在一起，多道薄粉末层沉积后便能够形成复杂的3D部件。SLM可谓制造工艺的一次重大变革，相较于传统机加工切削铣，SLM作为一种材料堆积制造方式，可以打造各种复杂形状，充分发挥材料的效能比，将是未来绿色制造的主要方式之一。

 

在LMD工艺（也称为直接能量沉积或激光熔覆）中，使用激光来熔化由喷嘴供给的金属粉末，随后喷嘴将这些金属粉末分层沉积在基体上，这将形成热影响区极小以及稀释率最低的完全冶金结合。LMD工艺已被广泛应用于表面磨损和腐蚀涂层、零部件修复/再制造，以及完整的部件生产等领域。

 

Fraunhofer 开发的同轴沉积激光头使用金属线实现了全方位的3D 增材制造工艺。

 

LMD的另外两种演变工艺——热/冷丝熔覆和内径包覆如今也被成功应用于石油工业、农业、发电和再制造领域。弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所近期的一项重要进展是开发出一种新型的同轴沉积激光头COAXwireTM，它使用金属线作为填充材料，彰显全方位焊接性能，特别适用于金属部件的3D增材制造。

 

不断挖掘激光加工工艺的潜能

 

就激光材料加工看，从激光的空间和时间特性的技术改进中受益最多的一个工艺版块无疑是激光加工。除此外，更低成本和更小尺寸的激光电源的出现进一步推动了激光技术在工业领域的广泛应用。最新一代的脉冲宽度从毫秒级延伸到飞秒级的脉冲激光器已经催生出几乎影响每一个制造业的大量创新应用。例如，电池电极的激光切割可以实现优异的切割质量和高速切割，非常适用于锂离子电池的生产。同样，激光器可用于去除电池箔上的电触头的涂层。另外，高功率激光器还可用于大面积涂层去除、脱漆、脱氧、模具清洗或除去特殊涂层等应用。值得一提的是，激光器也能实现高达15,000孔/秒的高速钻孔工艺。

 

总而言之，当前的创新步伐正持续不断地推动更多新型激光技术和产品在你可以想象到的每一个行业的应用广度和深度。