二氧化碳激光器及其应用

二氧化碳激光器及其应用 二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光，它发展较早，商业产品较为成熟， 被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域。 在激光的发展和应用方面，CO2 激光器的制作和应用较早也较多，早在 1970 年代末期，就 有从国外直接进口 CO2 激光器，从事工业加工和医疗等应用。从 80 年代末期开始，CO2 激 光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。近年来 CO2 激光加工设备虽然渐趋普及，但激 光毕竟是一种新的工具，激光加工技术亦不同于传统的加工方法，所以工业界在引进使用 CO2 激光器的过程中，曾经遇到各种各样的问题，给很多厂商造成不少困扰。本文针对 CO2 激光器在不同领域的应用状况及其演变作以分析，并提出在使用 CO2 激光器过程中，常面 临的一些问题，按照 CO2 激光器功率大小分类，阐述其在各个产业上的应用状况及演变情 况，列举 CO2 激光应用者会面对的主要问题并加以分析，最后对 CO2 激光应用的未来提出 展望。 2、工业 CO2 激光应用与发展为了比较详细完整的介绍 CO2 激光加工的应用状况， 按其使用成本，本文以激光输出功率范围（小于 200 瓦，介于 200 到 1600 瓦间和大于 160 0 瓦以上）作为划分标准，逐一介绍它在各个领域的应用情况。 2.1 低功率（小于 200 瓦）CO2 激光的应用 早期进口和制造的 CO2 激光机器，均为小于 200 瓦的低功率激光器。主要为电子工业（如 电阻制造、IC 标志）、非金属加工业（竹木雕、服饰、制鞋、饰品制造等）和部份医疗和 研究单位所使用。 将 CO2 激光束透过一个光罩，聚焦于 IC 或半导体组件上作标志，这种 CO2 激光主要皆为 T EA 脉冲式。但随着标志加工速度的要求越来越快，加工品质的要求越来越高，以及固体激 光的快速发展，最近新引进的标志加工用激光，已逐渐被固体的 YAG 激光所取代。用镂空 的铜模罩住要雕刻的非金属材料，然后用 CO2 激光束在铜模上作快速扫瞄，即可在该材料 上雕刻出复杂的图案。雕刻对象为木材、压克力、皮革和纸张等，另外也可以应用到雕刻 特有的手工艺品，如竹片雕刻、软木浮雕、贝壳浮雕等。最近几年已转型用密封式 CO2 激 光，直接以扫瞄振镜作少量多变化的礼品雕刻，以提高产品的附加价值。 成衣和制鞋业曾经引领风骚十数年，也是引进国外或采用自产的低功率 CO2 激光加工较早 的成功典型，主要是以 50 瓦激光来裁切制衣服用的马克板和鞋子样板，仅用于开发或少量 多样的生产，故数量有限。也有少数 150 瓦左右的 CO2 激光直接作皮衣、皮件等生产用。 另外计算机刺绣业有以激光配合 CCD 取样，直接将刺绣在一大张上的众多图案一一裁下。 但是随着两种产业的外移和萎缩，CO2 激光器在这方面的应用也没有增加。而采用低功率 C O2 激光来裁切家具或饰品上的装潢用薄树皮持续增长，主要结合造型设计和后段生产，附 加价值较高。 由于国外 CO2 激光的发展很快，小功率的 CO2 激光采用密封式结构，且品质越来越好，因 此，除了上述加工业外，进口的其它应用系统里也有许多此类的 CO2 激光器，用在穿孔、 印刷业刻板、快速成型、镜片上打商标和陶瓷基板加工等方面，其应用潜力不小。 输出 200 瓦以下的 CO2 激光器在一些非金属薄材料切割方面绰绰有余，除上述业者较常使 用外，其实仍有很多产业界的特殊材料皆可考虑以激光加工取代，如建筑业的压克力模型 制作，结婚相簿封面的硬版图样，其特点是是小而复杂，但均可以 CO2 激光来作裁切。 云母薄板的裁切防弹衣内纤维布的裁切耐龙安全带的裁切，还有其它一些特殊材料如 ：FRP、ABS、特弗龙、石棉和橡胶等的裁切，国外都有采用激光加工的先例，只是需要特 别注意切割时所产生气体的排放问题。 2.2 中高功率(200 瓦-1600 瓦)CO2 激光的应用 中高功率激光，是目前 CO2 激光加工设备的主流，主要用于钣金代工业，也有少部份机器 为工厂自行使用的生产设备。目前此类激光机器近三分之一皆为最近引进，可见此类功率 的 CO2 激光正处于快速成长阶段。中高功率 CO2 激光设备最主要的应用，就是作钣金切割 ，大部分以代工的形式经营。加工对象广，加工种类多，以下介绍几种应用较多或特殊的 例子。 2.2.1 木刀模业 以 CO2 激光在木板上切割出宽度约 0.6mm 的各种复杂重复图形的沟槽，然后再装上锋利的 刀片，制成轧型刀具，这是裁切所有包装纸盒、塑料射出成型、保丽龙用具和软性电路板 等制作过程中很重要的一环，应用前景看好。 2.2.2 各种机器零部件切割 机器的各式各样零部件，在某个厚度以上或形状较为复杂，其实都可以用激光加工来取代 传统的加工方式，虽然可能加工成本会高一点（有些不一定），但可节省很多人力，并提 高产品质量。 2.2.3 汽车钣金切割 经过模具压轧成型后的汽车钣金为立体形状，一般再加工较为困难，若以五轴 CO2 激光加 工机作压边的切除和内部孔洞的开挖，则可以充分显出激光加工的优势 。目前国内已有数家专门生产汽车修护用钣金的工厂，进口五轴 CO2 激光加工机在作这方 面加工。但此类机器尚属高价位阶段，将来若能降低价格，国内将会有不少厂商引进此类 加工机。 2.2.4 计算机、电气机壳的钣金切割 计算机机壳的钣金切割，以及各种机器控制箱和机壳的钣金切割，是最主要的加工对象。 尤其是一些产品产量不多，形状复杂，产品生命周期不长，开模划不来的钣金切割最多， 如：电动玩具机壳、自动贩卖机机壳、配电盘等。也有一些是已经开模，但产品更改设计 后，须在已成型的钣金上作更改的加工。 2.2.5 特殊材料切割 由于激光可以作非接触式切割，切缝窄又不影响外围材质，所以被广告和建筑业界普遍采 用在特别需要保持工件表面极度光滑的镜面不锈钢或一般不锈钢板的切割加工，如：招牌 、雕塑品、电梯控制面板、厨具、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm 以下的电子机件用 铜板，一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英 玻璃、硅橡胶、1mm 以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。随着产业形态的演 变，钣金加工对象越来越复杂多样，传统的冲孔机功能已不能满足要求，线切割速度又太 慢，CO2 激光的加工功能正好弥补它们所缺，这也是近几年 CO2 激光加工机引进速度持续 且快速增加的主要原因。 2.3 高功率（大于 1600 瓦）CO2 激光的应用 大于 1600 瓦的高功率 CO2 激光，主要被应用在金属焊接和表面处理上，在工业先进国家已 逐渐被国防、汽车和航天工业里一些特殊领域所采用。但早期高功率激光的价位比较高， 加上这一方面的技术养成训练有限，所以除了国防上、一些大学和研究单位有这一方面的 应用外，民用工业较少引进此类高功率 CO2 激光。最近三、四年引进很多，主要应用于各 项钣金切割，使加工速度更快、更有弹性。观之未来的发展趋势，高功率 CO2 激光在焊接 和表面处理上的应用，必定会被工业界逐步接受并采用。 2.3.1 激光焊接 利用高能量密度激光束，将工件材料熔融而焊接在一起，可以使焊件热影响区与变形量均 降至最低，且无需使用焊剂或作异种材料，其接合强度特别牢固。汽车里面有很多零部件 ，若一体成型难度很大，但若将其分开成型再焊接成一体，则能减小生产难度并降低成本 。在焊接时为了减少对原成型工件的热影响，常用激光来快速焊接，这是一个非常有潜力 的加工市场。因此在汽车工业中许多零部件接合时普遍采用激光焊接，如导螺杆制造厂商 采用激光焊接导螺杆前端的固定座；汽车厂用激光来焊接不同厚度的两块钢板，再压轧成 型以降低生产成本；另外汽车引擎开发案中也有部份地方采用激光焊接加工。 国内在这一方面加工应用尚少，目前仅有几家专门生产国外汽车零部件的 OEM 厂商，引进 CO2 激光加工设备焊接汽车内不锈钢滤油杯，生产速度变快，产品质量好，单价因而提高 。 2.3.2 激光硬面处理 利用高功率激光束，将欲硬面处理的工件底材表面熔融一薄层，藉此一熔融层与硬面合金 材料交互熔融成一冶金键结（Metallurgy Bonding），达到硬面处理的效果。 3、工业 CO2 激光使用中的问题 激光加工属于新进的加工技术，即使在工业先进国家，激光加工被工业界较普遍接受并有 所发展，也是近十几年的事。国内工业界直到这几年才比较普遍接受激光加工应用，并引 进和制造较多的激光加工设备。所以在激光设备的了解、激光加工经验的累积和激光加工 应用范围的拓展等方面，都尚有待加强。大部分激光厂商或加工业者，在引进激光加工应 用的过程，都会面对一些与传统加工方式不同的问题。应用的不同，加工机器的不同，遇 到的问题也不同，但大致上可归纳出下列几点。 3.1 维修保养 CO2 激光应用广泛、市场庞大、发展快速，算是比较成熟的激光产品，但是比起一 般传统的加工机械，CO2 激光加工设备发展时间还算短暂，其主要结构还在快速换新，加 上激光设备中许多光学组件常需要作精密调整、保养维修或更新，而相关之技术人员有限 ，所以大部分激光加工业者，多多少少都碰到一些保养维修问题。尤其是早期，国内激光 市场有限，一般代理商可能好几年才进口一两部激光加工设备，代理商未必愿意专为此培 养维修人员，况且工作人员的流动，加上激光维修技术的养成并非容易。所以只要激光系 统使用一段时日，就会碰到找不到人保养维修的问题，一旦遇有小问题就要远从国外请原 厂技术人员来修护，不但花费高而且拖延时日；有的甚至机器进口后，代理商就无法让其 正常工作。最近几年随着国内激光市场的快速成长，代理商规模越来越大，甚至国外厂商 直接在国内设立分公司，并长期派驻技术人员，而且 CO2 激光的发展也日趋成熟，故障和 维修问题减少很多。但是一般生产在线或代工业者所使用的激光机器，仍然最怕故障停机 ，若是小问题，可能一两天就解决，碰到大问题，如电极板更换、主要机件故障等，可能 要等到原厂技术人员或国外寄来零部件，旷日费时。所以许多工厂都至少购买两部激光加 工机，或事先跟同行协商好，必要时作互相支持。 3.2 机器设备成本太高 早期使用的 CO2 激光加工机，皆由国外进口，一部较高功率加工用 CO2 激光机器动则上千 万。近几年来，国内已有自己开发组装的加工机，促使进口的 CO2 激光加工机价位降低不 少。但成套加工配备，也须花上几百万到近一千万元间，尤其五轴立体加工机或复合式加 工机价位更高，这影响到产业界的投资购买意愿，也影响到加工成本，间接阻碍了激光加 工对象和范围的拓展。 3.3 技术人员养成 激光的操作使用毕竟不同于传统的加工设备，一般需要一定程度的技术人员，厂商需自己 培训，在工人流动性频繁的情况下，操作技术人员的养成和经验之积累实在不容易。而一 位对激光设备不熟悉、经验有限的技术人员，将无法把激光设备的特有功能发挥到极限， 也会常发生下述现象：加工品质不良、加工速度太慢、不懂保养机器、机器故障连连、减 短机器寿命、机器耗材严重等。 3.4 耗材费用高 CO2 激光加工机运转时，须要消耗氦气和大量的氧气，提高了激光加工成本，所以 在投资购买机器时，须考虑该机器的气体消耗量。另外操作技术的好坏、定期保养与否， 也会影响到光学镜片和高压零部件等的消耗量，而这些部件售价都很高。目前 CO2 激光加 工机数量增多，也促使一些消耗器材、光学组件和高压零部件的价格降低. 3.5 特殊加工制程的开发 CO2 激光的切割应用，加工技术较单纯，加工条件 也较容易掌握，一般说来没有工艺上的问题。但比较特殊的激光加工技术或加工材料如： 焊接、硬面处理、立体加工和陶瓷加工等，加工业者必须先作熟悉加工的特殊工艺，掌握 加工条件，以及自动进料夹具等的配合，这并非一般业者能力所及，在这些问题未能充 分掌握和解决之前，投资动则数百万的激光设备，对大部分中小企业来说困难很大。而以 前能够协助业者作这方面技术开发的机构一直缺乏，影响了激光特种加工应用市场的开展 。3.6 工作环境不良 CO2 激光机器内有许多的光学和高压零部件，是比较脆弱的机器，需要在良好工作 环境中操作使用，否则容易污损而出现故障。但是传统工厂有很多不重视工作环境的改善 ，空间小而杂乱、湿气重、灰尘多、电源电压不稳、冷却水质差等，这些都会影响激光设 备的使用效果和寿命。 4、工业 CO2 激光应用展望 激光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而 CO2 激光加工一直占激光材料加工中最 主要的地位，世界激光市场也以 C