后疫情时代下，激光产业的思考与求变

当前，中国疫情防控形势已趋稳定，随着各行各业复工复产的有序推进，经济活动的恢复将拉动需求。那么，后疫情时代下的激光产业将如何发展？受市场新需求的驱动，激光加工技术有何革新，未来又将走向何方？

2020年8月21日，在由荣格工业传媒主办的“中国激光加工技术高峰论坛”上，业内专家、学者围绕“激光热加工对各行各业的影响”“激光焊接及表面处理应用”“激光热加工领域解决方案”等，对话现场百余位行业精英，为行业发展带来一些思考和启发。本期内容根据演讲嘉宾们的现场分享，汇总并节选精彩内容以飨读者。

《2020年中国激光技术的创新与应用前景展望》

中国激光加工市场的驱动力主要来自以下几个市场因素？上海市激光技术研究所总工程师张伟在分享中指出，首先是依赖于大量的基建投资，比如汽车制造、轨道交通等；第二大驱动力则来自于消费电子，如手机、笔记本电脑等；第三是“中国制造”，我们日渐追求把“中国制造”的产品质量做得更稳定、更具备市场竞争力；第四是材料加工——这也是“中国制造”重要的基础，而很多材料加工的手段都落在激光技术上；第五是工业4.0与物联网的驱动，“智能化工厂”概念的落地加速激光技术的应用；第六是垂直腔面发射激光器（VCSEL）的诞生——对激光行业而言，这是革命性技术创新。

谈及垂直腔面发射激光器（VCSEL），张伟认为其重要意义不仅在于技术上的革新，还很大程度地推动了高功率激光器的应用。当前，大部分激光加工通过“聚焦”来实现，而聚焦的缺点是越精细光点越小，从而导致难以实现大面积使用高功率激光加工。但是，垂直腔面发射激光器（VCSEL）能作用于有机材料，因此它对于表面处理，尤其是非金属材料、复合材料加工意义重大。

他随后还分享受了一组市场数据，在2019全球激光市场收入总额中，材料加工应用占比最高，达40.7%；其次是通信、光存储，占比27.3%。同时随着5G通信的逐步普及，通信领域的应用呈上升趋势，并由此带动起半导体行业应用的迅速增长。针对激光加工市场的发展趋势，张伟特别指出了两大值得关注的方向：一是用于美容行业的皮秒激光器；二是用于汽车、雷达、AGV等的仪器传感技术。

《高功率绿光碟片激光器应用于铜材加工的最新研究成果》

作为拥有丰富激光器产品线的企业，通快的研发动向毫无疑问地成为了行业的风向标。据通快（中国）有限公司电动汽车行业经理李自强在演讲中提到，通快从实验中发现，过去常用近红外激光器焊接铜，但能量吸收率低，且容易产生飞溅物，导致焊接质量和效率并不理想，基本上不能形成稳定的热传导焊接。与近红外激光器相比，铜对绿光激光器的能量吸收率很高。

而得益于碟片式的几何结构设计，绿光波长高功率连续激光器可在兼具高功率输出的基础上，确保出色的光束质量，所以形成稳定的热传导焊接过程，使其几乎无飞溅。在通快工程师的努力下，其功率冗余设计及实时闭环反馈功能，实现了输出功率稳定在±1，保证了高的功率稳定性。同时能轻松对高反射材料，如铜和其他有色金属进行加工。以0.3mm厚的铜板焊接为例，使用绿光碟片激光器的焊缝效果更好，焊斑尺寸的一致性更优。

《IPG在汽车焊接领域的新产品及新应用》

聚焦于光纤激光器制造的IPG，成立至今共生产研发出约510种光纤激光器，可提供从1瓦至120千瓦高功率激光器全系列产品。其中，AMB光束模式可调激光器是一款区别于市场上同类产品的激光器，其拥有能量密度较为集中的中心光束，小光斑高能量密度的中心光束和较大环形光束任意组合，中心功率达12kW，总输出功率达25kW。客户可通过选择不同的先进配置，选择功率，进行调配光束的轮廓，让客户成为“光束轮廓的设计师”。

针对板材焊接中易产生飞溅的痛点，阿帕奇（北京）光纤激光技术有限公司应用部经理张婧表示，激光焊接完成后，材料或工件表面出现许多金属颗粒，附着于材料或工件表面，这就是飞溅产生的颗粒物。针对汽车行业大量需要用到镀锌钢板、铜和铝等特定材料的焊接，以往消除飞溅的方式会牺牲光纤激光器固有的优势，大大降低加工能力和效率。而AMB光束模式可调光纤激光器的推出，则有效地解决了这个问题，因为AMB光束模式可调光纤激光器的匙孔更大更稳定，容易使金属蒸气溢出，从而减少飞溅。

她随后以方形动力电池应用为例展开说明，“在近乎相同的应用成本下，AMB激光器电芯密封焊的焊接速度较传统激光器提升了约50%，并有效降低近70%的飞溅。”

《激光加工应用助推产业升级》

作为行业知名激光设备集成商，大族激光也被视为是激光行业的“晴雨表”之一。随着人工成本的进一步提高，企业对智慧工厂的需求越来越强烈，大族激光自动生产线应运而生，大族激光智能装备集团华东区销售总监刘建军在会上表示：“从前全自动生产线都是日本、德国、美国的公司推出的，而作为民族科技企业，大族激光结合中国终端用户需求，提供定制化的全自动生产线，目前已经与一些国内知名车企建立合作关系。”

就当前业内的热门话题——新能源汽车动力电池焊接的应用，刘建军以“铝合金电池托盘激光焊接”应用解决方案为例进行剖析。他指出，在此客户案例中，焊接工艺难度大，主要在于变形控制，且总共有120条总长度为9270mm的焊缝。大族通过产品热变形分析，发现通过优化夹具、焊缝的焊接顺序、焊接工艺等方式能实现高速焊接，从而抑制变形。

除了自动生产线和激光焊接设备之外，他还对目前市场上热门的激光清洗、手持式激光焊接设备进行了分享。他表示，大族激光的愿景就是能够成为提供激光从上游到下游一条龙全面解决方案的民族企业。

《汽车用铝合金激光焊接工艺应用方案》

为响应国家号召及满足节能环保的要求，当前汽车轻量化程度已越来越高，因而汽车制造中用铝量逐年增加。但是，铝和铝合金属于一种难焊接的金属材料，如果处理不当就会对焊接质量造成影响，合金蒸发和凝固温度的广泛范围会导致锁孔不稳定、多孔性、气泡、丧失机械性能以及在焊接冶金中出现各种缺陷，例如热裂纹。

“因此，目前大多数车厂仍采用机械连接的方法。然而，机械连接工艺虽然能符合材料的要求，但价格不菲。”中科院上海光机所工程师陶武如是说。为了改善上述问题，他分享了当前汽车行业的主流电阻点焊技术，重点介绍了基于牛顿环铝合金电阻点焊新技术。相对于当前主流电阻点焊技术，该技术可以极大地减少所需焊接电流，电极压力和提高焊接力学性能，而且也可以实现高强铝合金的高质量焊接。

他总结认为，“随着当前市场中激光器价格的下降，我们认为激光焊接作为一项工艺，未来的普及度会提高。同时也相信随着激光焊接工艺的持续开发，也会推进铝合金应用的进一步推广。”

《激光-电弧复合焊接研究及进展》

“看似平凡，实际上时常是材料建造中的‘卡脖子’问题”，华中科技大学武汉光电国家研究中心博导高明教授对广泛应用于各行各业的激光复合焊接如此描述道。

华中科技大学武汉光电国家研究中心博导高明表示，随着激光技术的迅速发展，激光器的成本降低，使得激光-电弧复合焊接技术的应用越来越广泛。相较于传统的电弧焊接来说，激光焊接的优势是效率高、质量好，也是熔焊技术革新的首选。但是，该工艺同时存在缺点，譬如对于高反材料（铜/铝等）焊接困难，焊缝缺陷多；装配精度要求高，拼缝间隙不满足要求时，容易形成漏焊和工艺不稳定。

因此，激光-电弧复合焊接集两者之大成，结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，如激光热源具有高的能量密度、极优的指向性等，以及电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势等，使得高功率激光-电弧复合焊接能够通过两种热源在时空上的相互作用，形成更优异的焊接特性。这种特性为提升金属材料，尤其是难焊材料的焊接性提供了全新的技术支撑，是当前发展前景最广泛的焊接技术之一。

此外，高明还重点分享了激光复合焊接在运载火箭箭体结构的应用。“实际上，目前运载火箭箭体加工的基础工艺仍比较落后，铣、切、焊多采用人工完成，具有工序分散、精度差、良品率极低等通病。为了满足火箭高密度发射的需求，我们的团队就联合800所开发了火箭箭体结构高速铣削-激光切/焊一体化加工装备，缩短了加工流程的同时，还提高了精度和质量。”

《厚板高功率激光焊接》

来自上海交通大学材料与工程学院博导唐新华教授，以丰富详实的数据对厚板高功率激光焊接现状进行了引入。他表示：“研究和应用结果表明，采用高功率激光焊接技术可实现高速、极小焊后变形的厚板焊接，焊接接头质量良好,某些钢种的激光焊缝和热影响区表现出远优于常规焊接的冲击韧性，为激光焊接在重大装备制造中的应用提供了有力的支撑。”

针对不同激光焊接工艺在厚板焊接上不同的应用特点，唐新华着重提出了“激光-电弧复合焊，凭借两种工艺的优势互相补充，激光-电弧复合焊是一种厚板焊接的理想方式。”此外，他还详细介绍了激光超窄间隙多层填丝焊在厚板焊接上的应用特点，如焊接厚板没有限制、焊接变形小应力低等。

对于国内外厚板焊接技术的研发进展，他指出，激光焊接技术的发展同样离不开激光焊接质量监测设备的帮助。随着智能激光焊接质量监测设备的发展，也会为厚板高功率激光焊接起到贡献作用。

《激光金属增材制造与表面强化技术应用》

2013年，激光增材制造在国内金融市场曾出现过一波投资热潮，但是新技术的落地与产业化的应用，在经过7年后，南京辉锐光电科技有限公司董事长齐欢为现场嘉宾带来了不一样的视角，他认为，当前在工业领域中已有不少激光增材制造批量化应用的优秀案例。尤其在近些年，激光加工的飞速发展，使得其在焊接、打孔、切割，熔覆等领域的应用愈发普及。

对于激光融覆设备在工业领域修复相关的一些应用，齐欢分别以航空发动机关键零部件的修复、大型水电行业现场修复、轨道交通领域铁路车轮的修复、工程机械领域液压立柱修复等多个案例进行解析。据他介绍，辉锐光电最早涉足的领域是航空航天行业。比如航空发动机涡轮叶片的修复，由于该部件的工作环境极其恶劣，温度高，常出现的问题为热疲劳热纹，针对这个问题，工程师开发了采用激光3D打印技术的全套高压叶片修复工艺。”此外，他特别强调，在此修复过程中难度最大之处不在于成形，而是对材料性能的控制。

对于不同工业领域、不同部件的熔覆要求，辉锐光电都进行了一系列的硬件和软件的技术探索和实施，最终实现了为不同应用方提供不同解决方案的效果。

《激光加工技术及其在核电领域的应用》

在核电的拆除、维保及制造过程中，由于在核电系统有不少薄壁构件，激光焊接技术在管板焊接、隔架焊接、引流管焊接、喷管闭环焊接等环节均有出色的表现。以“核电站核废料箱体存储问题”为例，上海临仕激光科技有限公司技术经理冯杰才解释，受辐射因素影响，其存储成本较高，使用传统工艺处理一个核废料箱体约需要50万英镑（1英镑对8.6595人民币，2020年9月24日）；采用激光切割技术，成本则可降低至原来的1/5。

针对核电在中国的现状，冯杰才表示：核电站关键设备及堆内构件在长期运行于高放射性高温环境后，需进行检修及退役处理，为降低检测和维修人员受辐照的风险，相关检修工作需要在水下进行。水下激光加工由于具有热输入低、作用位置精确、可远程传输的特点，在核电领域具有广阔的应用前景。

篇幅所限，以上仅为大会精彩片段之节选。本刊认为，随着新的市场需求不断涌现，激光技术的应用面越来越宽广，更多产业将与激光技术深度融合，进而开阔新的增量市场。