二氧化碳激光在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用

1. 前言

    

二氧化碳激光器是目前連續(xù)輸出功率較高的一種激光，它發(fā)展較早，商業(yè)產(chǎn)品較為成熟，被廣泛應(yīng)用到材料加工、醫(yī)療使用、軍事武器、環(huán)境量測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。在激光的發(fā)展和應(yīng)用方面，CO2激光器的制作和應(yīng)用較早也較多，早在1970年代末期，就有從國(guó)外直接進(jìn)口CO2激光器，從事工業(yè)加工和醫(yī)療等應(yīng)用。從80年代末期開(kāi)始，CO2激光器被廣泛引進(jìn)并應(yīng)用在在材料加工領(lǐng)域。

近年來(lái)CO2激光加工設(shè)備雖然漸趨普及，但激光畢竟是一種新的工具，激光加工技術(shù)亦不同于傳統(tǒng)的加工方法，所以工業(yè)界在引進(jìn)使用CO2激光器的過(guò)程中，曾經(jīng)遇到各種各樣的問(wèn)題，給很多廠商造成不少困擾。本文針對(duì)CO2激光器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用狀況及其演變作以分析，并提出在使用CO2激光器過(guò)程中，常面臨的一些問(wèn)題，按照CO2激光器功率大小分類，闡述其在各個(gè)產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用狀況及演變情況，列舉CO2激光應(yīng)用者會(huì)面對(duì)的主要問(wèn)題并加以分析，最后對(duì)CO2激光應(yīng)用的未來(lái)提出展望。

2. 工業(yè)CO2激光應(yīng)用與發(fā)展

為了比較詳細(xì)完整的介紹CO2激光加工的應(yīng)用狀況，按其使用成本，本文以激光輸出功率范圍（小于200瓦，介于200到1600瓦間和大于1600瓦以上）作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，逐一介紹它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

2.1低功率（小于200瓦）CO2激光的應(yīng)用

早期進(jìn)口和制造的CO2激光機(jī)器，均為小于200瓦的低功率激光器。主要為電子工業(yè)（如電阻制造、IC標(biāo)志）、非金屬加工業(yè)（竹木雕、服飾、制鞋、飾品制造等）和部份醫(yī)療和研究單位所使用。

將CO2激光束透過(guò)一個(gè)光罩，聚焦于IC或半導(dǎo)體組件上作標(biāo)志，這種CO2激光主要皆為TEA脈沖式。但隨著標(biāo)志加工速度的要求越來(lái)越快，加工品質(zhì)的要求越來(lái)越高，以及固體激光的快速發(fā)展，最近新引進(jìn)的標(biāo)志加工用激光，已逐漸被固體的YAG激光所取代。

用鏤空的銅模罩住要雕刻的非金屬材料，然后用CO2激光束在銅模上作快速掃瞄，即可在該材料上雕刻出復(fù)雜的圖案。雕刻對(duì)象為木材、壓克力、皮革和紙張等，另外也可以應(yīng)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(zhuǎn)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，以提高產(chǎn)品的附加價(jià)值。

成衣和制鞋業(yè)曾經(jīng)引領(lǐng)風(fēng)騷十?dāng)?shù)年，也是引進(jìn)國(guó)外或采用自產(chǎn)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(lái)裁切制衣服用的馬克板和鞋子樣板，僅用于開(kāi)發(fā)或少量多樣的生產(chǎn)，故數(shù)量有限。也有少數(shù)150瓦左右的CO2激光直接作皮衣、皮件等生產(chǎn)用。另外計(jì)算機(jī)刺繡業(yè)有以激光配合CCD取樣，直接將刺繡在一大張上的眾多圖案一一裁下。但是隨著兩種產(chǎn)業(yè)的外移和萎縮，CO2激光器在這方面的應(yīng)用也沒(méi)有增加。而采用低功率CO2激光來(lái)裁切家具或飾品上的裝潢用薄樹(shù)皮持續(xù)增長(zhǎng)，主要結(jié)合造型設(shè)計(jì)和后段生產(chǎn)，附加價(jià)值較高。

由于國(guó)外CO2激光的發(fā)展很快，小功率的CO2激光采用密封式結(jié)構(gòu)，且品質(zhì)越來(lái)越好，因此，除了上述加工業(yè)外，進(jìn)口的其它應(yīng)用系統(tǒng)里也有許多此類的CO2激光器，用在穿孔、印刷業(yè)刻板、快速成型、鏡片上打商標(biāo)和陶瓷基板加工等方面，其應(yīng)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(yè)者較常使用外，其實(shí)仍有很多產(chǎn)業(yè)界的特殊材料皆可考慮以激光加工取代，如建筑業(yè)的壓克力模型制作，結(jié)婚相簿封面的硬版圖樣，其特點(diǎn)是是小而復(fù)雜，但均可以CO2激光來(lái)作裁切。云母薄板的裁切﹑防彈衣內(nèi)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(guó)外都有采用激光加工的先例，只是需要特別注意切割時(shí)所產(chǎn)生氣體的排放問(wèn)題.

2.2中高功率(200瓦-1600瓦)CO2激光的應(yīng)用

中高功率激光，是目前CO2激光加工設(shè)備的主流，主要用于鈑金代工業(yè)，也有少部份機(jī)器為工廠自行使用的生產(chǎn)設(shè)備。目前此類激光機(jī)器近三分之一皆為最近引進(jìn)，可見(jiàn)此類功率的CO2激光正處于快速成長(zhǎng)階段。中高功率CO2激光設(shè)備最主要的應(yīng)用，就是作鈑金切割，大部分以代工的形式經(jīng)營(yíng)。加工對(duì)象廣，加工種類多，以下介紹幾種應(yīng)用較多或特殊的例子。

2.2.1木刀模業(yè)

以CO2激光在木板上切割出寬度約0.6mm的各種復(fù)雜重復(fù)圖形的溝槽，然后再裝上鋒利的刀片，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(guò)程中很重要的一環(huán)，應(yīng)用前景看好。

2.2.2各種機(jī)器零部件切割

機(jī)器的各式各樣零部件，在某個(gè)厚度以上或形狀較為復(fù)雜，其實(shí)都可以用激光加工來(lái)取代傳統(tǒng)的加工方式，雖然可能加工成本會(huì)高一點(diǎn)（有些不一定），但可節(jié)省很多人力，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.3汽車鈑金切割

經(jīng)過(guò)模具壓軋成型后的汽車鈑金為立體形狀，一般再加工較為困難，若以五軸CO2激光加工機(jī)作壓邊的切除和內(nèi)部孔洞的開(kāi)挖，則可以充分顯出激光加工的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)家專門生產(chǎn)汽車修護(hù)用鈑金的工廠，進(jìn)口五軸CO2激光加工機(jī)在作這方面加工。但此類機(jī)器尚屬高價(jià)位階段，將來(lái)若能降低價(jià)格，國(guó)內(nèi)將會(huì)有不少?gòu)S商引進(jìn)此類加工機(jī)。

2.2.4計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼的鈑金切割

計(jì)算機(jī)機(jī)殼的鈑金切割，以及各種機(jī)器控制箱和機(jī)殼的鈑金切割，是最主要的加工對(duì)象。尤其是一些產(chǎn)品產(chǎn)量不多，形狀復(fù)雜，產(chǎn)品生命周期不長(zhǎng)，開(kāi)模劃不來(lái)的鈑金切割最多，如：電動(dòng)玩具機(jī)殼、自動(dòng)販賣機(jī)機(jī)殼、配電盤等。也有一些是已經(jīng)開(kāi)模，但產(chǎn)品更改設(shè)計(jì)后，須在已成型的鈑金上作更改的加工。

2.2.5特殊材料切割

由于激光可以作非接觸式切割，切縫窄又不影響外圍材質(zhì)，所以被廣告和建筑業(yè)界普遍采用在特別需要保持工件表面極度光滑的鏡面不銹鋼或一般不銹鋼板的切割加工，如：招牌、雕塑品、電梯控制面板、廚具、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)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。 隨著產(chǎn)業(yè)形態(tài)的演變，鈑金加工對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的沖孔機(jī)功能已不能滿足要求，線切割速度又太慢，CO2激光的加工功能正好彌補(bǔ)它們所缺，這也是近幾年CO2激光加工機(jī)引進(jìn)速度持續(xù)且快速增加的主要原因。