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   一、工業CO2激光應用與發展

 
  爲了比較詳細完整的介紹CO2激光加工的應用狀況,按其使用成本,本文以激光輸出功率範圍(小于200瓦,介于200到1600瓦間和大于1600瓦以上)作爲劃分標准,逐一介紹它在各個領域的應用情況。
 
  1.低功率(小于200瓦)CO2激光的應用
 
  早期進口和制造的CO2激光機器,均爲小于200瓦的低功率激光器。主要爲電子工業(如電阻制造、IC標志)、非金屬加工業(竹木雕、服飾、制鞋、飾品制造等)和部份醫療和研究單位所使用。
 
  將CO2激光束透過一個光罩,聚焦于IC或半導體組件上作標志,這種CO2激光主要皆爲TEA脈沖式。但隨著標志加工速度的要求越來越快,加工品質的要求越來越高,以及固體激光的快速發展,最近新引進的標志加工用激光,已逐漸被固體的YAG激光所取代。
 
  用镂空的銅模罩住要雕刻的非金屬材料,然後用CO2激光束在銅模上作快速掃瞄,即可在該材料上雕刻出複雜的圖案。雕刻對象爲木材、壓克力、皮革和紙張等,另外也可以應用到雕刻特有的手工藝品,如竹片雕刻、軟木浮雕、貝殼浮雕等。最近幾年已轉型用密封式CO2激光,直接以掃瞄振鏡作少量多變化的禮品雕刻,以提高産品的附加價值。
 
 
  成衣和制鞋業曾經引領風騷十數年,也是引進國外或采用自産的低功率CO2激光加工較早的成功典型,主要是以50瓦激光來裁切制衣服用的馬克板和鞋子樣板,僅用于開發或少量多樣的生産,故數量有限。也有少數150瓦左右的CO2激光直接作皮衣、皮件等生産用。另外計算機刺繡業有以激光配合CCD取樣,直接將刺繡在一大張上的衆多圖案一一裁下。但是隨著兩種産業的外移和萎縮,CO2激光器在這方面的應用也沒有增加。而采用低功率CO2激光來裁切家具或飾品上的裝潢用薄樹皮持續增長,主要結合造型設計和後段生産,附加價值較高。
 
  由于國外CO2激光的發展很快,小功率的CO2激光采用密封式結構,且品質越來越好,因此,除了上述加工業外,進口的其它應用系統裏也有許多此類的CO2激光器,用在穿孔、印刷業刻板、快速成型、鏡片上打商標和陶瓷基板加工等方面,其應用潛力不小。
 
  輸出200瓦以下的CO2激光器在一些非金屬薄材料切割方面綽綽有余,除上述業者較常使用外,其實仍有很多産業界的特殊材料皆可考慮以激光加工取代,如建築業的壓克力模型制作,結婚相簿封面的硬版圖樣,其特點是是小而複雜,但均可以CO2激光來作裁切。雲母薄板的裁切﹑防彈衣內纖維布的裁切﹑耐龍安全帶的裁切,還有其它一些特殊材料如:FRP、ABS、特弗龍、石棉和橡膠等的裁切,國外都有采用激光加工的先例,只是需要特別注意切割時所産生氣體的排放問題。
 
  2.中高功率(200瓦-1600瓦)CO2激光的應用
 
  中高功率激光,是目前CO2激光加工設備的主流,主要用于钣金代工業,也有少部份機器爲工廠自行使用的生産設備。目前此類激光機器近三分之一皆爲最近引進,可見此類功率的CO2激光正處于快速成長階段。中高功率CO2激光設備最主要的應用,就是作钣金切割,大部分以代工的形式經營。加工對象廣,加工種類多,以下介紹幾種應用較多或特殊的例子。
 
  2.1木刀模業
 
  以CO2激光在木板上切割出寬度約0.6mm的各種複雜重複圖形的溝槽,然後再裝上鋒利的刀片,制成軋型刀具,這是裁切所有包裝紙盒、塑料射出成型、保麗龍用具和軟性電路板等制作過程中很重要的一環,應用前景看好。
 
  2.2各種機器零部件切割
 
  機器的各式各樣零部件,在某個厚度以上或形狀較爲複雜,其實都可以用激光加工來取代傳統的加工方式,雖然可能加工成本會高一點(有些不一定),但可節省很多人力,並提高産品質量。
 
  2.3汽車钣金切割
 
  經過模具壓軋成型後的汽車钣金爲立體形狀,一般再加工較爲困難,若以五軸CO2激光加工機作壓邊的切除和內部孔洞的開挖,則可以充分顯出激光加工的優勢。目前國內已有數家專門生産汽車修護用钣金的工廠,進口五軸CO2激光加工機在作這方面加工。但此類機器尚屬高價位階段,將來若能降低價格,國內將會有不少廠商引進此類加工機。
 
  2.4計算機、電氣機殼的钣金切割
 
  計算機機殼的钣金切割,以及各種機器控制箱和機殼的钣金切割,是最主要的加工對象。尤其是一些産品産量不多,形狀複雜,産品生命周期不長,開模劃不來的钣金切割最多,如:電動玩具機殼、自動販賣機機殼、配電盤等。也有一些是已經開模,但産品更改設計後,須在已成型的钣金上作更改的加工。
 
  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。
 
  3.高功率(大于1600瓦)CO2激光的應用
 
  大于1600瓦的高功率CO2激光,主要被應用在金屬焊接和表面處理上,在工業先進國家已逐漸被國防、汽車和航天工業裏一些特殊領域所采用。但早期高功率激光的價位比較高,加上這一方面的技術養成訓練有限,所以除了國防上、一些大學和研究單位有這一方面的應用外,民用工業較少引進此類高功率CO2激光。最近三、四年引進很多,主要應用于各項钣金切割,使加工速度更快、更有彈性。觀之未來的發展趨勢,高功率CO2激光在焊接和表面處理上的應用,必定會被工業界逐步接受並采用。
 
  3.1激光焊接
 
  利用高能量密度激光束,將工件材料熔融而焊接在一起,可以使焊件熱影響區與變形量均降至最低,且無需使用焊劑或作異種材料,其接合強度特別牢固。汽車裏面有很多零部件,若一體成型難度很大,但若將其分開成型再焊接成一體,則能減小生産難度並降低成本。在焊接時爲了減少對原成型工件的熱影響,常用激光來快速焊接,這是一個非常有潛力的加工市場。因此在汽車工業中許多零部件接合時普遍采用激光焊接,如導螺杆制造廠商采用激光焊接導螺杆前端的固定座;汽車廠用激光來焊接不同厚度的兩塊鋼板,再壓軋成型以降低生産成本;另外汽車引擎開發案中也有部份地方采用激光焊接加工。國內在這一方面的加工應用尚少,目前僅有幾家專門生産國外汽車零部件的OEM廠商,引進CO2激光加工設備焊接汽車內不鏽鋼濾油杯,生産速度變快,産品質量好,單價因而提高。
 
  3.2激光硬面處理
 
  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。