工业CO2激光器的发展历程与综合应用(上)

1、前言 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1600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TEA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CO2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。


高雪松 杨帆 发布时间：2007/04/18