「光」彩照人——雷射加工技術及應用正當時

    雷射是20世紀的重大發明之一，自1960年問世後很快在現代科學技術各領域發揮了獨特作用，在新能源、汽車製造、環境監測、通信、國防安全等領域都起到重要作用。因為雷射具有優異的光學特性，即高方向性、高亮度、高單色性、高相干性，其在金屬加工行業的應用現已穩穩佔據一席之地。

    伴隨著雷射器功率的提高和直線電機的應用，雷射加工的發展突飛猛進。雷射器功率的增大，意味著不僅可加工較厚的鋼板，還能夠以較高的進給速度進行加工。雷射成形加工的著名廠商德國通快具有雙CO2雷射發生器、雙雷射頭及高速線性驅動軸的成形加工工具機，其加工量可達普通工具機的3倍。該公司還開發有複合成形加工機，既裝有智能雷射切割頭、又裝有帶線性模具庫的衝壓頭，將切割與衝壓兩種工藝合二為一。

    慕尼黑上海雷射．光電展「點亮」上海新國際博覽中心

    3月於上海舉辦的慕尼黑上海雷射、光電展（LASER World of Photonics China）上，筆者得以領略各類雷射發生源以及雷射加工應用領域的日漸拓寬，體味到國際知名廠商對中國市場的日益看重。

    3月18日至20日，作為2008上海國際信息化博覽會成員展之一，慕尼黑上海雷射、光電展於上海新國際博覽中心舉辦。本次展會規模相比上屆面積翻番達 11,500平方米，來自16個國家和地區的206家展商向觀眾呈獻整個雷射、光電產業鏈，展示最新雷射加工及雷射器技術。

展會一景

    值得一提的是，今屆首次亮相的「德國雷射與光電特別展」重點展示了「德國製造」技術與產品，雲集的60家德商中不乏聞名世界的企業。比如德國Alltec公司推出其新型五瓦特連續光纖雷射雕刻機Alltec LF050，這款超精細電子雷射雕刻領域的光纖雷射雕刻機尤為適合如薄板等獨立或嵌入式鑄造件，對於超精細雕刻元件的最高雕刻高度可達150μm，雕刻厚度最大30μm。

雷射精密切削

    中國實力派廠商中，深圳大族雷射同時攜大功率、小功率雷射切割機登場，並在現場演示五顏六色的雷射光束效果。華工雷射則重點推介小功率領域雷射產品，在電子行業等具體應用方面的推介上下足功夫。

    雷射器生產商重視中國市場

    1、GSI集團雷射事業部與楚天雷射合作

    展會期間，全球領先的工業雷射器製造商GSI集團正式宣布與中國楚天雷射集團建立新型戰略合作夥伴關係，推動GSI在華業務的深入發展。雙方戰略合作夥伴關係的一項內容就是達成份銷協議，這樣GSI在中國和亞洲其它國家和地區的銷售人員一下子增多30餘位。

德國通快（Trumpf）展示的一款微加工雷射器（平均功率在25-750W之間），
採用超短脈衝雷射器，脈衝長度從皮秒級到毫秒級，
可應用於成型、表面處理、精密切割和精密鑽孔等用途。

    據了解，亞洲客戶佔GSI客戶群的一半以上，這些客戶主要來自電子，汽車，航空航天等產業領域，該集團雷射事業部總部位於英國，在中國的上海、北京，深圳設有辦事處。此外，其蘇州製造廠已於2006年投入使用，目前正在該生產基地的基礎上投資新建一所應用實驗室。

德國羅芬（Rofin）展示的這款大功率（800W）設備DQ 80S還獲得了IF工業設計獎的殊榮。

    在本次展會上，GSI首次推出JK光纖雷射器。這款新型光纖雷射器由一整塊材料製造而成，雷射器構建之後，無需對光學表面進行對齊、調整或後續清理等，也即，只需少量甚至無需維護工作。

    一直以來，GSI 雷射器通過精確控制和導向可用於各種應用，其中主要包括汽車、電子、航空航天、醫療設備和工業等領域的材料精加工應用（如切割、焊接、鑽孔等）。幫助客戶面對材料加工應用方面的技術挑戰，從而實現加工的靈活性、精確度、可靠性與高效率。

    2、SPI公司在中國推廣新產品及應用

    SPI公司是世界領先的光纖雷射技術供應商，SPI雷射器可使焊接，切割，打標和精密加工的速度更快、精度更高、穩定性更好且次品率更少，從而全面改進生產效率。在本次展會上，該公司向中國市場全面展示了多款新品，其中包括10W-20W G3（第三代）脈衝光纖雷射器和1550nm小型雷射模塊/系統。

第三屆國際應用雷射技術中國研討會現場

    SPI公司生產的納秒級脈衝信號光纖雷射器，最高可具備15kW功率和約0.8mJ的脈衝能量，這些技術主要應用於雷射打標、薄膜燒蝕，以及半導體圖案成形和裁切修整。至於該公司生產的達200W的CW光纖雷射器（脈衝可達5微秒），則可被應用於多種金屬、塑料、陶瓷及矽材料的切割、焊接、燒結、退火及打標。

    該公司擁有約200名員工，其生產製造在英國進行，在美國、德國和中國設有辦事處。據SPI方面稱，該公司相當重視產品的應用，積極在中國市場上推廣光纖雷射器的新加工工藝。值得稱道的是，SPI非常強調挑選集成商或雷射器研究中心作為合作夥伴，目前正致力於推進雷射技術在微加工領域的應用。

    雷射加工技術及產品為金屬加工注入創新動力

    對於加工來說，作為一種「熱」刀具的雷射束，不僅能加工金屬、塑料、木材、玻璃和陶瓷等材料，而且加工柔性化程度高，適應眾多加工任務，如雕刻、切削、焊接、打孔、表面熱處理（表面淬火、表面合金化和表面塗覆），以及雷射測量技術等。同時，雷射加工也是複雜面細緻外形輪廓工件加工的最佳途徑，可用於加工小型注塑模具，也可加工陶瓷、硬質合金、立方氮化硼和金剛石等材料。

    金屬加工業界製造商為確保其領先地位，也不會放棄對雷射技術最新成果的應用，以下讓我們看看各家領先企業的相關產品及其革新性應用。

    1、DMG Lasertec系列

    早在20世紀80 年代，德馬吉（DMG）已開始研發雷射成形加工技術，研製成功的5～7軸雷射加工中心得到了機械加工行業的權威認可，並被陳列在世界最大的綜合性博物館─—德意志博物館的機械館內。

    經過多年發展，DMG的雷射加工工具機已擴展到了3個系列5種規格，加工能力也由最初的單純成形加工—─雷射銑削加工，擴展到了今天的包括雷射雕刻、打孔、焊接和切割等的多功能雷射加工中心。本文將介紹的Lasertec系列擁有獨到的三大工藝—─3D雷射加工、雷射精密切削和精密鑽孔，為不同材料金絲件實施雷射加工。

LASERTEC40高科技雷射銑削技術在小斜度二維到三維加工方面的新突破，立式結構，六自由度

    Lasertec 40是以15～100W的Nd:YAG雷射對零件表面進行細緻入微的二維到三維加工和雕琢，雷射束直徑為0.04mm或0.1mm，Q開關裝置以脈衝方式將雷射光束峰值功率輸出控制在10～20kW。這意味著雷射在超高功率強度下將材料氣化。根據所需表面加工質量的不同，雷射束對材料每次去除的厚度約在 1～5μm，逐層加工，同時，藉助於工具機附帶的深度控制功能，精確控制零件的加工深度。

    其成功的焦點在於雷射光束，它能夠對幾乎所有材料如淬硬鋼、鋁、黃銅、石墨、陶瓷、硬質合金，以及高密度材料，如多晶金剛石、立方氮化硼等各種先進材料進行精細雕刻加工，輕鬆實現最佳的表面加工質量（多晶金剛石Ra=0.8μm，硬質合金Ra最高可達1.0μm），而且它沒有刀具磨損，能保證加工過程的高度安全性。

雷射精密切削管材

    新一代Lasertec 40通過帶高動態反光鏡的精密掃描儀，用於Z 向定位和深度調節的測量探頭，以及用於工件精確定位的高解析度的CCD 攝像機來控制雷射束。由於採用了過程自動調整裝置，深處的表面加工精度很高，也可對多個零件實施無人操作加工。

    此外，新一代工具機還配有感應裝置，隨時檢測切削情況，運用6軸技術以及可調節雷射束，在2mm加工深度時對某些材料實現加工角度最大達90°的垂直壁加工（加工深度大於2mm時需加用CO2清潔裝置）。不僅如此，通過優化方式，加工面的表面粗糙度值可達到Ra=0.8μm。

    作為雷射銑削加工工具機Lasertec 40的主要特點，其特別適用於形狀極其複雜的精密注塑模具的生產，具有無刀具費用、無電極加工、無刀具損耗的優點。能夠以極短的通過時間，實現高度的工藝穩定性以及可重複性。

    2、Lasertec成為創新開發的強力推手

    事實上，經過創造性思維想出的點子最終在短時間內變成現實是每個開發工程師的夢想。德國Paul Horn Hartmetall-Werkzeugfabrik（以下簡稱「Horn」）公司採用德馬吉的Lasertec 40技術，製造出用於聚晶金剛石刀具的金絲刀和斷屑槽。Horn公司是一家在鑽孔、車削、斷切、成形切削等傳統工藝方面頗有建樹的企業，而在模具加工和鑄造工業用硬質合金微型刀具銑削工藝方面，該公司也同樣成功。

    Horn公司相當重視產品開發和創新，引進德馬吉公司的Lasertec 40用於雷射消熔技術便是最近的一個明顯例子。該公司表示，通過導入這款設備，他們得以更自由地進行原型製造、特殊工具加工和新技術開發。比如，「對於一些小種類和特殊系列產品，甚至能夠直接用機器加工刀片，而不使用傳統的銑加工和放電加工的生產方法。」由此，「可以根據具體用途對我們的聚晶金剛石刀具進行儘可能的優化，以適應特殊用途。」

Horn公司利用Lasertec加工出來的斷屑槽

    在Horn方面看來，Lasertec 40並不只是一種生產機器，而是一種用於連接開發與生產的工具，有效地推動了生產加工的向前發展。藉助三維控制技術，可根據三維圖直接用機器生產銑刀和斷屑槽，如果有合適的刀坯，在數小時內就能按顧客要求加工出合適的刀具。而用傳統的方法要耗費幾周的時間。

    這也進一步發展成為Horn 公司的核心技術之一。儘管價格較貴，由于堅硬和耐磨損性能好，聚晶金剛石刀具的市場前景廣闊，特別是用於加工鋁、耐磨鋁合金、金屬銅、黃銅、石墨、組合或擠壓件。不過，並不是所有的聚晶金剛石刀具都是用雷射機製造的，該集團的聚晶金剛石刀具標準也適合多種用途。

    Horn集團葛馬瑞根分公司經理Aribert Schroth表示：「只有在用處特殊或出現問題時我們才會按照顧客的要求專門定製。小系列的特殊刀具直接用Lasertec 40加工，雖然也能帶來經濟效益，但並不是通常的做法。有時，將刀具做適當打磨就行了，不然斷屑槽會有問題，考慮到加工安全性，我們會選用雷射破片機方案來解決。」

    另外，Horn集團的蒂賓根分公司也正在使用雷射技術進行原形製造和各種刀具的生產，而不是直接使用銑加工和放電加工的生產方法。

    3、日新月異的三菱雷射加工機

    三菱電機公司自1967年就開始著手進行雷射的基礎研究開發工作，自其首臺雷射加工機出廠後，該公司以每兩年推出一個機型的速度不斷進行更新。其雷射設備的產品優勢在於擁有成套雷射技術，設備均在日本製造，在同一公司的同一工廠內生產從發振器到加工機、控制裝置、自動程序裝置，從而用戶有改善要求時，更容易直接反映客戶願望，為客戶制定適當的解決方案。

三菱最新的高速加工NX系列

    本文將介紹的是三菱電機公司基於現有機型開發的最新產品—─NX系列高速加工設備。該加工機繼2007年1月在日本上市後，於2008年初推向中國市場。極具創新性的是，NX系列的開發中融入了三菱自身的磁浮驅動技術，它通過採用磁浮驅動使加速度變為原來的4倍，大幅提高了加工速度並節省了加工時間。以下分三方面談談NX系列的主要特點。

    a、高速與高精度相融合
    從採用Z軸線性電機，新型NC開始，三菱獨自的技術縮短了快速進給時間和切斷時間，在確保高可靠性的同時，大幅縮短了加工時間。
    1)Z軸採用線性電機，最大加速度4g，X、Y軸也是以最大加速度2g來驅動。
    2)Super HP控制和加工機剛性的提高，實現了相比以往3倍的速度，但仍可得到同等以上的精度。
    3)通過最適化的新控制來提高真圓度，降低轉角振動。

    b、確立支持連續運轉的穩定性和信賴性
    1)光束安定裝置可以同步補償軸移動時光路長度的變化，使工作檯全加工領域內光束特性的均勻化，實現穩定加工。
    2)電源ON時，自動檢查加工機的系統狀態並通知診斷結果，以事前保養來支持連續運轉。
    3)從低壓到高壓都可以NC控制，支持不同材質和板厚的連續加工。
    4)系統的擴展使連續運轉成為可能，大幅提高了生產率。

    c、操作便利性
    1)集易操作性和高性能於一體，減輕操作者的壓力，營造舒適的工作環境。
    2)15英寸TFT觸摸式螢屏，搭載各種指導畫面，初學者也容易操作。

    此外，還標準裝備了網絡對應和USB埠，令數據的傳遞更為容易。

    4、百超：智能化自動上下料系統ByTrans

    瑞士百超新近推出的智能化自動上下料系統ByTrans，倡導以最簡單的方式引導用戶成為更高收益的雷射切割專家。ByTrans的自動上下料板材厚度可達 25mm，一個完整的上下料循環只需60秒，即使在最短的切割套裁方案中，也無需等待上下料。而且，它的設計非常智能化，在最小的空間內也可以接近 ByTrans的每個位置，令操作更安全而便捷。

百超智能化自動上下料系統ByTrans

    ByTrans的板材儲備和流程都是層閥設計，其結構非常緊湊，佔地面積很小。以下分列出了其優點所在：
    1 上下料循環時間短，不受板材厚度限制，賦予雷射設備最大實用性；
    2 一名操作員可操作多臺工具機，人工費用得以降低；
    3 雷射切割設備的獨立運行時間延長到多達3個班次；
    4 增加了車間每平方米的實用價值；
    5 零部件供應周期短；
    6 可集成到現有的物流系統；
    7 通過雷射切割設備控制終端統一操作；
    8 自動調整吸盤處理特殊規格板材；
    9 具有雙板識別功能，可移動吸盤及自動吹風分離裝置能夠自動分離標準板材或者覆膜板；
    10 使用叉車或車間起重機可將板垛連同木託盤一起裝載到ByTrans；
    11 可以把板材轉回到板垛上；
    12 可直接用叉車從ByTrans卸下加工好的零件；
    13 過程監控確保運行可靠；
    14 操作環境安全。

    Decona，NL-Denekamp公司是一家專門從事外加工和噴砂機設備製造的廠家，約30 名員工，該客戶有百超雷射切割機Byspeed 3015/4.4kW、Bysprint3015/3kW和百超貝勒折彎機Beyeler。據介紹，配備ByTrans之後，藉助這款佔地小、操作簡單的自動上下料系統，獲得了相當不錯的加工效率。而且，由於容易接近交換工作檯，方便處理緊急定單或餘料，只需用叉車或帶吸盤的起重機便可輕易裝卸單個板材。

    同時，ByTrans也可以稱得上「物超所值」—只需在加工設備的基礎上再多投入20%的資金，就能獲得50%的工具機利用率。 

    總結

    確實，雷射加工的重要性不容置疑，作為傳統加工方式的一個強有力的補充，它解決了傳統加工面臨的一些難題。比如，傳統機加工方式無法應對的工件材料—─陶瓷、矽等非金屬材料；還有那些零件形狀微小且複雜，用再小的刀具也難以實施理想加工的—─即使是找得到相匹配的小型銑刀、鑽頭等，也不得不面對刀具壽命短、容易斷裂等新的課題。

    又比如，既往使用電加工方式來加工的小型複雜零件，往往需要使用大量的電極，電極準備所需的時間令生產周期大幅延長，生產成本也水漲船高。特別是當要求加工成千上萬個形狀各異、尺寸不同的複雜造型小零件的時候，傳統加工工藝必然面臨效率低、質量差的窘況。

    值得一提的是，雷射除了用於切割、切削，還可進行堆焊。德國Roeders公司開發的CM13高速銑削—─雷射金屬堆焊加工中心，其雷射頭置於工具機主軸箱的正面，藉助導軌上下滑動。在雷射頭的兩側，有金屬焊絲卷料和保護氣體管道，通過工件和雷射束的相對運動，將鋼絲堆焊到工件表面上。焊接完成後，雷射頭就垂直上移，由高速銑對堆焊層進行精修。因此，該工具機可作為修理、修改碎硬鋼模具的理想設備。

    同時，雷射技術在工具機上的應用還表現在雷射檢測中，數控工具機的定位精度與重複定位精度均是由雙頻雷射幹涉儀測試的，並可作螺距補償，以確保工具機的加工精度。

（編輯：文靜）