2010中國德國激光技術(shù)及其裝備創(chuàng)新戰(zhàn)略研討會于10月4－7日在武漢舉行，我司陳博士發(fā)表題為“工業(yè)激光應用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈分析”學術(shù)論文。

我司也是“2010 中德激光技術(shù)及應用創(chuàng)新戰(zhàn)略研討會”的支持單位。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

工業(yè)激光應用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈分析

武漢新特光電技術(shù)有限公司 陳義紅

摘要：我國經(jīng)過50年的發(fā)展和艱苦奮斗已經(jīng)形成了比較完整的工業(yè)激光應用產(chǎn)業(yè)鏈，并形成了一定規(guī)模的激光工業(yè)。本文從激光應用――>激光加工系統(tǒng)――>激光器――>激光配件的產(chǎn)業(yè)鏈關系出發(fā)，研究了工業(yè)激光最重要的激光切割產(chǎn)業(yè)鏈、激光焊接產(chǎn)業(yè)鏈和激光打標產(chǎn)業(yè)鏈，分析了各產(chǎn)業(yè)鏈中我們的優(yōu)勢和弱點，指出了今后的發(fā)展方向。

Review of Production Chains of Industrial Lasers

Dr. Chen Yihong,

Wuhan Sintec Optronics Co. Ltd

The laser has been invented for 50 years and laser industry is also well developed in China. The main production chains, laser cutting, laser welding and laser marking, are reviewed in details in the paper.

世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國也于1961年研制出第一臺激光器，距今已有半個世紀了。50年來，激光技術(shù)與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科相結(jié)合形成多個應用技術(shù)領域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與生物光子學、激光加工技術(shù)、激光檢測與計量技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、非線性光學、超快激光學、激光化學、量子光學、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過近50年的艱苦努力，我國激光技術(shù)研究獲得重大突破，激光產(chǎn)業(yè)也從無到有，我國激光加工產(chǎn)業(yè)一直呈指數(shù)增長，成為我國科學技術(shù)應用領域中最活躍的產(chǎn)業(yè)之一。目前，全國共有5個國家級激光技術(shù)研究中心，10多個研究機構(gòu)；有21個省、市生產(chǎn)和銷售激光產(chǎn)品，常年有定型產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售、并形成一定規(guī)模的單位有200多家。目前國內(nèi)激光企業(yè)主要集中在湖北、北京、江蘇、上海、和廣東(含深圳、珠海特區(qū))等經(jīng)濟發(fā)達省市。已基本形成以上述省市為主體的華中、環(huán)渤海灣、長江三角洲、珠江三角洲四大激光產(chǎn)業(yè)群，激光晶體、關鍵元器件、配套件、激光器、激光系統(tǒng)、應用開發(fā)、公共服務平臺已形成較完整的激光產(chǎn)業(yè)鏈。這無疑也將給國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更大的發(fā)展空間。2008年全國激光產(chǎn)業(yè)銷售總額達到了80億元。預估在今后三年內(nèi)我國激光產(chǎn)業(yè)平均行業(yè)復合成長率應該不低于20%。未來五年，中國激光產(chǎn)品市場需求將超過600億元。目前，激光應用主要分為工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事六個領域。我國激光加工產(chǎn)業(yè)規(guī)模從1990年的1200萬元，發(fā)展到2009年末的62億元，十幾年間增長了近500多倍。在工業(yè)激光應用中，主要有材料加工和測量控制兩大類。激光材料加工則是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行激光切割、激光焊接、激光表面處理、激光打孔、激光微加工和激光標刻。激光材料加工技術(shù)是涉及到光、機、電、算、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術(shù)。發(fā)展激光技術(shù)，推動激光應用，我們不能只從某一方面來談，而是要綜合這些學科全盤考慮。為了便于描述和研究，抓住典型，我們以激光產(chǎn)業(yè)鏈為主線索來談激光技術(shù)的發(fā)展，但激光產(chǎn)業(yè)鏈也還是一個大課題，我主要分析工業(yè)激光應用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈。我個人認為，工業(yè)激光應用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈應該由下面四個方面組成：激光應用、激光加工系統(tǒng)、激光器和激光配件?？梢钥吹?，每一個激光應用領域都可以形成一個產(chǎn)業(yè)鏈，每一個產(chǎn)業(yè)鏈一定包括激光加工系統(tǒng)、激光器和激光配件?，F(xiàn)在，最成熟的激光產(chǎn)業(yè)鏈應該是工業(yè)激光應用的產(chǎn)業(yè)鏈，它包括激光切割產(chǎn)業(yè)鏈、激光焊接產(chǎn)業(yè)鏈、激光打標產(chǎn)業(yè)鏈、激光表面處理產(chǎn)業(yè)鏈、激光打孔產(chǎn)業(yè)鏈等等。所以任何一個小的產(chǎn)業(yè)鏈都有它自身的發(fā)展過程和特點，該鏈中的每一個環(huán)節(jié)都很重要，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)展不充分或發(fā)展滯后，這個產(chǎn)業(yè)鏈就不完整，就很難得到蓬勃發(fā)展。2001年我國激光加工應用分類來看，激光切割占21.84%，激光標記占45.35%，激光焊接占11.4%，三者合計占78.59%。為了將產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)節(jié)分析清楚，作為典型案例，我主要對工業(yè)激光應用最重要的激光切割產(chǎn)業(yè)鏈、激光焊接產(chǎn)業(yè)鏈、激光打標產(chǎn)業(yè)鏈等三個產(chǎn)業(yè)鏈和各組成部分進行詳細分析，找出我們在這些產(chǎn)業(yè)鏈里的優(yōu)勢和問題，并指出我們應該如何突破瓶頸，壯大產(chǎn)業(yè)鏈，做大做強我們的激光產(chǎn)業(yè)。激光切割產(chǎn)業(yè)鏈目前，激光切割應用包括高功率二氧化碳激光切割機、中小功率二氧化碳激光切割機、Nd:YAG激光切割機，另一個近來最熱門的應用是高功率光纖激光切割機。一般來說，5mm以上鋼板主要用二氧化碳激光器，但5mm以下的切割用Nd:YAG激光器的越來越多，這些得益于高功率Nd:YAG激光器越來越成熟。非金屬材料主要用1000W以下的二氧化碳激光器。2008年我國激光加工設備中激光切割設備規(guī)模約為15億元人民幣，其中中小功率激光切割設備市場規(guī)模為4.02億元，而中小功率激光切割加工設備以低價位的玻璃管激光切割加工設備為主，約占中小功率激光切割加工設備85.57%的市場份額，約為3.44億元。所以主要的切割應用還是二氧化碳激光切割機和Nd:YAG激光切割機。激光切割適用于汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割，如圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來說，激光切割應用主要包括激光切割工藝和激光切割機。切割工藝研究主要包括材料、檢測和分析，幾乎所有的研究都在大專院校和研究所，企業(yè)則主要做一些簡單的切割試驗，沒有完善的儀器和分析手段，更多的靠反復試驗和簡單的分析方法，如放大鏡看看，用手摸摸，很少去分析材料成分的變化。目前國內(nèi)有很強的激光切割機生產(chǎn)能力，包括設計制造切割系統(tǒng)、導光系統(tǒng)工作臺運動系統(tǒng)及其關鍵零部件，也有很強的軟件開發(fā)能力，生產(chǎn)高功率二氧化碳激光切割機典型企業(yè)包括武漢法利萊、楚天激光、上海團結(jié)普瑞瑪、深圳大族等，但切割機中的二氧化碳激光器和聚焦鏡則大部分依靠進口，切割機中幾乎一半的成本是激光器，所以我們基本上是在中國“打洋工”，很大部分利潤被外國公司拿走了。就高功率二氧化碳激光器的功率指標來看，武漢科威晶可以生產(chǎn)高達4kW的激光器和正在開發(fā)7kW激光器，南京東方可以生產(chǎn)4kW激光器，南京通快可以生產(chǎn)3200W激光器。，但這些公司含有合資或引進國外技術(shù)的成分，激光器中的關鍵零部件也是依靠進口，比如風機和諧振腔鏡片等。在低功率二氧化碳激光切割應用中，我國是產(chǎn)銷量最大的國家，不僅占領國內(nèi)市場，并且大量出口，形成了最成熟的中小功率二氧化碳激光切割機產(chǎn)業(yè)鏈，包括系統(tǒng)集成、激光器生產(chǎn)和相關的激光配件。典型廠家有武漢眾泰、三工、金運、東莞粵銘、濟南金威刻等，但我們的產(chǎn)品也是以低端的直流激勵的玻璃管二氧化碳激光器為主，價格低，品質(zhì)一般，而高端的射頻激勵二氧化碳激光器只有南京晨銳達一家可以生產(chǎn)和供應市場，但產(chǎn)量很小，最高功率只有50W。值得慶幸的是，與之相關的激光配件如光學元器件、運動系統(tǒng)和控制軟件等已經(jīng)相當成熟。高功率Nd:YAG激光切割是近年來中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的一個新型產(chǎn)業(yè)鏈，主要動力來源于薄鋼板切割和高功率Nd:YAG激光器發(fā)展的相對成熟。在5mm以下鋼板切割中，使用固體激光器切割機整體投資較低，適合中小企業(yè)自主采購?，F(xiàn)在主要用的是500W脈沖固體激光器，該激光器相關的產(chǎn)業(yè)如激光電源、金屬和陶瓷泵浦腔等也發(fā)展比較成熟，質(zhì)量也已達到產(chǎn)業(yè)化要求。激光器和配件的主要廠家有武漢新特、中谷、北京華澤宏大等，典型激光切割機廠家有武漢華俄、奧華、華工激光、天琪、金運、廣州瑞通等，武漢在全國具有優(yōu)勢，在開發(fā)生產(chǎn)高功率固體激光器和切割機的廠家也比較多。主要元器件都是國產(chǎn)的，所有產(chǎn)品在價格上很有優(yōu)勢。目前，攻關主要是在高功率下怎樣獲得高光束質(zhì)量和高峰值功率，以便取得更好的切割質(zhì)量。綜上所述，我們還需要加強激光切割技術(shù)研究。對現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供性能好、價格便宜的數(shù)控高功率二氧化碳激光切割機，并開展相應的激光器和切割工藝的研究，使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領域，并重點在激光器外圍裝置，如導光系統(tǒng)、過程監(jiān)測和控制、噴嘴、浮動裝置的設計和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。激光焊接產(chǎn)業(yè)鏈激光焊接是在激光加工中應用較早和發(fā)展相對成熟的產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)應用于汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、首飾、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件焊接。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器、光纖耦合半導體激光器和光纖激光器。值得一提的是用光纖耦合半導體激光器直接用于金屬和非金屬的焊接，大大提高了焊接效率，減少了投資成本。2009年激光焊接設備市場約8.7億元。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來說，激光焊接應用主要包括激光焊接工藝和激光焊接機。激光焊接工藝比切割工藝復雜，焊接質(zhì)量不僅與激光器參數(shù)相關，也與激光焊接參數(shù)息息相關。同一臺激光焊接機，使用不同的參數(shù)所達到的焊接效果可能天壤之別?，F(xiàn)在對激光焊接質(zhì)量在線檢測與控制已有研究，利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過程進行檢測，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點，少數(shù)研究成果已達到了閉環(huán)控制的程度。激光焊接機由三大部分組成：焊接機系統(tǒng)、激光器和激光配件。焊接機系統(tǒng)主要包括導光和焦距系統(tǒng)、移動和控制系統(tǒng)等，目前這些系統(tǒng)無論是二氧化碳還是固體激光系統(tǒng)都發(fā)展很成熟，激光設備廠家的集成能力也很強，典型廠家有楚天激光、團結(jié)激光、廣州瑞通、世紀華天等，還有大量的激光焊接機出口，特別是在首飾行業(yè)廣泛應用的點焊機出口量很大。在激光器方面，脈沖固體激光器和橫流二氧化碳激光器全部是國產(chǎn)的，并且質(zhì)量也達到工業(yè)化的要求，典型廠家有團結(jié)激光、金石凱、沈陽新大陸、新特光電等，高功率軸流二氧化碳激光器、光纖耦合半導體激光器和高功率光纖激光器則基本依耐進口。焊接用固體激光配件方面，激光電源、泵浦腔、激光燈、光學元器件、制冷系統(tǒng)、移動電機和控制等技術(shù)發(fā)展都很成熟，以國產(chǎn)器件為主，典型廠家有武漢中谷、新特光電、華澤宏大等。

從發(fā)展角度來看，我們應該重點研究激光焊接用的高功率固體激光器、高功率半導體激光器和高功率光纖激光器，同時加強激光焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(shù)研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

激光打標產(chǎn)業(yè)鏈

激光打標在我國是第一大激光加工設備產(chǎn)業(yè)，使用最廣泛，設備也是最多，生產(chǎn)廠家也特別多，幾乎所有的激光公司都生產(chǎn)或組裝激光打標機。大族激光是以打標機為主打產(chǎn)品的上市公司，也是全球最大的打標機生產(chǎn)企業(yè)，其中半數(shù)產(chǎn)品出口。所以說我國是打標機生產(chǎn)和使用強國。2009年市場大于26億元。

激光打標產(chǎn)業(yè)鏈包括激光打標機和打標工藝兩個方面，相對來說，打標工藝比切割和焊接要簡單一些，但如果是紫外激光打標和彩色激光打標就不容易了，打標機理也比較復雜。通常打標都是雕刻深度或熱效應與本色材料形成反差而出現(xiàn)標記，更多的是物理變化。

我國制造打標機系統(tǒng)的技術(shù)相當成熟，并且出現(xiàn)了很多分工協(xié)作的跡象，形成各種與打標機生產(chǎn)企業(yè)配套的專業(yè)上游的配件公司，如激光電源公司專業(yè)生產(chǎn)燈電源、半導體激光電源、Q開關電源，光學公司生產(chǎn)鏡片、擴束鏡、場鏡，電機公司專業(yè)生產(chǎn)振鏡、振鏡驅(qū)動卡，軟件公司專業(yè)生產(chǎn)激光打標軟件和控制接口，機加工公司專業(yè)生產(chǎn)機柜、精密機械零件，也有提供全套打標機配件的一站式專業(yè)配套配件公司。

打標機里用的激光器品種很多，氣體激光器有脈沖二氧化碳激光器、連續(xù)波二氧化碳激光器、準分子激光器等，但主要是連續(xù)波二氧化碳激光器。我國自己生產(chǎn)的激光器基本上都是直流激勵的玻璃管二氧化碳激光器，其優(yōu)勢是成本低，但是光束質(zhì)量和使用壽命都存在問題，但該激光器大量用于激光醫(yī)療，基本滿足激光醫(yī)療的要求。射頻激勵的二氧化碳激光器基本上都是進口，以Coherent、Synrad和Universal壟斷國內(nèi)市場，并且價格不低。燈泵浦和半導體側(cè)泵固體激光器基本上以國產(chǎn)為主，相關配件如燈、棒、光學鏡片、泵浦腔、激光電源、Q開關電源、半導體激光電源等都是以國產(chǎn)為主，但聲光Q開關和泵浦腔里的陶瓷反射體以進口為主。半導體端泵激光器中，1064nm和532nm波長激光器以國產(chǎn)為主，但355nm和266nm波長激光器以進口為主，聲光調(diào)Q激光器的聲光調(diào)制器和驅(qū)動器基本上也是以進口為主，并且以英國古奇產(chǎn)品壟斷國內(nèi)市場。另外還有TEA脈沖二氧化碳激光器和準分子激光器用來掩模打標，但量小，沒有形成氣候。

結(jié)論

我國工業(yè)激光經(jīng)過幾十年的發(fā)展，基本形成較完整的工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)鏈，激光工業(yè)仍然是朝陽行業(yè)，在未來的發(fā)展中，我們應該把重點放在產(chǎn)業(yè)鏈的上游產(chǎn)品和技術(shù)，如新型激光器和核心零部件，大力發(fā)展激光技術(shù)，使我國激光技術(shù)走到世界最前列。

作者簡介：陳義紅博士，1979年至1986年就讀于華中科技大學激光技術(shù)專業(yè)；1986年至1994年為華中科技大學激光技術(shù)國家重點實驗室副教授；1994年至2000年為新加坡制造技術(shù)研究院研究員，并于1998年獲新加坡南洋理工大學博士學位；1998年至2000年受聘為南洋理工大學博士生導師；2009年起為華中科技大學兼職教授。獲得近20個專利和發(fā)表近60多篇學術(shù)論文?，F(xiàn)為武漢新特光電技術(shù)有限公司董事長和廣州安特激光技術(shù)有限公司總經(jīng)理。