[转帖]工业CO2雷射在台使用状况

乏味 · 发表于 2003-3-20 07:57:00

一、前言
　二氧化碳雷射是目前连续输出功率较高的一种雷射,加上它发展较早(1964年),商业成品比较成熟，所以早就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。
国内在雷射的发展和应用方面，也是以CO2雷射的制作和应用为较早且较多,尤其工业界和医疗单位，早在1970年代末期，就有从国外直接进口CO2雷射机器,从事材料加工﹑医疗等应用。而CO2雷射机器在国内比较被广泛引进应用,则大约在1980年代末期开始，最主要的应用，还是在从事材料加工这一方面。
十多年来CO2雷射加工机器在国内被接受和引进采用的程度虽然已经渐趋普及,但雷射毕竟是一种新的工具(1960年才有的)，雷射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雷射的过程中，都曾经碰到或多或少的各种问题，对很多厂商造成不少困扰。
为了让这些宝贵的经验得以传承，因此，特别针对十多年来CO2雷射在国内各个产业的应用状况及其演变作一整理，并提出业界在使用CO2雷射过程中，比较常面临的一些问题，以供国内的产业界在引进CO2雷射机器时有所参考。
本文将依CO2雷射功率大小作分类，详述十多年来国内在各个产业上的应用状况及演变，再列举国内CO2雷射应用者常会面对的主要问题出来讨论，最后对CO2雷射应用的未来提出一些展望。
二、工业CO2雷射在台使用状况
　国内最早引进的CO2雷射，大概在1977﹑78年间的电子工业应用之低功率雷射，至于较高功率CO2雷射加工机的开始引进使用，则在1983年以后,但是数量还是有限。直到1980年代末期到这两﹑三年间,才有比较多数的CO2雷射加工机陆续被民间工业界所接受并采用。
为了比较详细而完整的介绍国内CO2雷射加工的应用状况,这里将国内一般较常使用的雷射输出功率范围(小于200瓦﹑介于200到1600瓦间和大于1600瓦以上)作为大概的划分标准，逐一介绍它在各个领域的应用情形。当然，大部分的加工应用并不一定须限制其使用雷射功率之大小，但是基本上仍有一定的依据，否则，加工速度和加工成本会划不来。
(一)、低功率(小于200瓦)CO2雷射应用状况：国内早期进口和自造的CO2雷射机器，都为小于200瓦的低功率雷射。主要系电子工业(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)和部份的医疗和研究单位所使用。
1977、78年间，高雄楠梓加工出口区的飞利浦建元厂，率先自国外引进十数部50瓦的CO2雷射切割机，用在传统电阻之制作过程上，这应该是国内引进CO2雷射加工应用最早的例子。不过随着产业升级及传统电阻之附加价值过低，这批生产设备均已转往东南亚，而改采YAG雷射修整厚膜或芯片电阻。
将CO2激光束透过一个光罩，再聚焦于IC或半导体组件上作标志，也是国内电子工业较早引进CO2雷射应用的实例，这种CO2雷射主要皆为TEA脉冲式。但随着标志加工速度的要求愈快，加工品质的要求愈高和固体雷射的发展，最近新引进的标志加工用雷射，已逐渐被固体的YAG雷射所取代。
镂空之铜模罩住欲雕刻之非金属材料,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。国内的雕刻对象为木材、压克力﹑皮革﹑纸张等，另外像台湾本土特有的手工艺品，如竹片雕刻﹑软木浮雕﹑贝壳浮雕…皆有人采用，并曾大量生产供外销。不过最近几年已转型用密封式CO2雷射，直接以扫瞄镜作少量多变化之礼品雕刻，以提高产品之附加价值。
成衣和制鞋业曾经在国内引领风骚十数年，也是引进国外或采用国内自产之低功率CO2雷射加工较早的案例，主要系以50瓦雷射来裁切制衣服用的马克板和鞋子的样板，仅用于开发或少量多样的生产，故数量有限，最多大概不超过20部。也有少数150瓦左右的CO2雷射直接作皮衣、皮件、雪衣等之生产用。另外计算机刺绣业者有以雷射配合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雷射在这方面的应用也没什增加。
最近几年，采用低功率CO2雷射来裁切家具或饰品上的装潢用薄树皮，正持续增加中，主要系结合造型设计和后段生产，附加价值较高的缘故。
由于国外CO2雷射的发展很快，小功率的CO2雷射不只走向密封式，而且品质愈来愈好，因此，除了前述加工业外，国内进口的其它应用系统里也发现不少此类之CO2雷射，用在穿孔、印刷业的刻板、快速成型、镜片上打商标、陶瓷基板的加工等，可见其应用潜力不小。
200瓦以下的CO2雷射在作一些非金属的薄材料切割均绰绰有余，除了上述业者较常使用外，其实国内仍有很多产业界的特殊材料皆可考虑以雷射加工取代，像建筑业的压克力模型制作，结婚相簿封面的硬版图样，皆是小而复杂，就有以CO2雷射来作裁切。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﹑橡胶等的裁切，国外都有业者采用雷射为之，只是需要特别注意到切割时所产生气体的排放。
　
(二)、中高功率(200瓦到1600瓦间)CO2雷射应用状况：中高功率雷射，是国内目前CO2雷射加工设备的主流，主要皆为钣金代工业所用。亦有少部份机器系工厂自行使用的生产设备。目前国内此类雷射机器约三百部左右，而有大约近三分之一皆是这两﹑三年来引进的，可见此类功率的CO2雷射正快速成长中。
国内中高功率的CO2雷射机器最主要的应用，就是作钣金切割，大部分以代工的型态经营。加工对象非常的广，加工种类也非常的多，下面是应用较多或较特别的例子。
1.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，大概是目前国内雷射代工业界最主要的加工对象。尤其是一些产品的产量不是很多，也不少，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…。也有一些是已经开过模，但产品经过更改设计后，须要在已成型的钣金上作更改的加工。
2.各种机器零组件切割:机器里面的各式各样零组件，在某个厚度以上或形状较为复杂的，其实都可以用雷射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)，但一定可以节省很多人力，并提高产品的品质。
3.木刀模业：以CO2雷射在木板上切割出宽度约0.6mm的各种复杂且重复图形之沟槽，然后再装上锋利的刀片，以制成轧型刀具，这是裁切所有的包装纸盒﹑塑料射出成型﹑保丽龙用具﹑软性电路板…等制作过程很重要的一环。国内早在1983年即引进500瓦的CO2雷射切割设备，这也是国内工业界进口的第一部较高功率的雷射加工机，也开创国内木刀模业使用雷射的先机，目前国内主要的木刀模业者，皆改采雷射为切割工具。
4.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，若以五轴的CO2雷射加工机作压边的切除和内部孔洞的开挖，则可以充分显出雷射加工的特色。目前国内已有数家专门生产汽车修护用钣金的工厂，进口五轴的CO2雷射加工机在作这一方面之加工应用。因为此类机器尚属高价位阶段，将来若能比较便宜的话，国内将会有不少厂商颇有意愿引进此类加工机。
5.特殊材料切割：由于雷射可以作非接触式切割，切缝窄又不影响外围材质，所以在特别须要保持工件表面极度光滑的镜面不锈钢或一般不锈钢板之切割，被国内广告和建筑业界普遍采用。如：招牌、雕塑品、电梯控制面板、厨具等。
其它则有圆形锯片、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…等等之切割加工。
随着国内产业形态的演变，钣金加工对象的复杂、多样化，传统的冲孔机(NCT)功能略显不足，线切割又嫌太慢，CO2雷射的加工功能正好弥补它们所缺，这也是为什么这几年CO2雷射机器的引进正持续且快速增加中的原因。
　
(三)、高功率(大于1600瓦)CO2雷射应用状况：大于1600瓦的高功率CO2雷射，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﹑航天工业里一些比较特殊的地方所采用。但是，早期在国内高功率雷射的价位比较高，加上国内这一方面的技术养成训练有限，所以除了国防上如中山科学研究院和一些大学研究单位，有这一方面的应用外，民间工业界较少自行引进此类高功率CO2雷射。不过国内在最近二、三年却引进不少，主要还是被应用在各项钣金切割，可以让加工速度更快、更有弹性。观之未来的发展趋势，高功率CO2雷射在焊接和表面处理上的加工应用，必定会被国内工业界逐步接受并采用。因此，在这里介绍目前国内曾经实际进行过的加工案例。
1.雷射焊接：利用高能量密度的激光束，将欲焊接的工件材料熔融而接合在一起，可以使焊件之热影响区与变形量均降至最低，而且可以不须焊剂或作异种材料之焊接，其接合强度亦特别牢固。在汽车里面有很多零组件，欲以一体成型，有其困难度，但若能将其分开成型再焊接成一体，则能减少生产的困难度并降低成本。在焊接时为了减少对原成型工件的热影响和达到更牢固之要求，故常以雷射来作快速之焊接工作，这是一个非常有潜力的加工市场。因此在汽车工业里许多零组件接合时，被普遍采用。国内在这一方面的加工应用尚少，目前仅有两家专门生产国外汽车零组件的OEM厂商，引进CO2雷射用在汽车内不锈钢滤油杯之焊接加工，不但生产速度变快，产品品质也变佳，产品的单价亦因而提高。
前年开始有一家导螺杆制造厂商采用雷射焊接导螺杆前端之固定座；今年国内一家汽车厂也以雷射来焊接不同厚度的两块钢板，再拿去压轧成型以降低生产成本；另外，国内汽车共同引擎开发案中也有部份地方将采用雷射焊接加工。
2.雷射硬面处理：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)，达到硬面处理的功能。中山科学研究院曾经成功作过中碳钢活塞杆的表面镀硬铬处理应用，效果极佳。另外台电公司也正在进行发电厂的低压蒸汽涡轮机叶片之雷射硬面修补技术开发。
　
　
三、工业CO2雷射使用上常面对的问题
　
雷射加工属于非传统的，比较新进的加工技术，即使在工业先进国家，雷射加工被工业界较普遍接受并有所发展，也是近十来年的事。何况，国内工业界是直到这几年才比较普遍接受雷射加工应用，并引进较多的雷射机器。所以在对雷射机器的了解﹑雷射加工经验的累积﹑雷射加工应用范围的拓展﹑…，都尚有待加强。也因此，大部分的雷射厂商或加工业者，在引进雷射加工应用的过程，多多少少都面对过一些与传统加工方式不一样的问题。随加工应用的不同﹑加工机器的不同，所碰到的问题也不一样，但大致上可以归纳出下列几点。
　
(一)、保养维修的问题：CO2雷射应用广泛﹑市场庞大，所以近几年来发展快速，可以算是比较成熟的雷射商品，但是比起一般传统的工具母机，CO2雷射机器的发展时间毕竟还算短暂，其主要结构都还在一直快速换新，加上雷射机器里面的许多光学组件，常须要作精密之调整﹑保养维修或者更新，而国内相关之技术人员的确有限，所以，可以说大部分的雷射加工业者，多多少少都碰过一些令其头痛的保养维修问题。
尤其是早期，国内的雷射市场有限，一般代理商可能好几年才进口一两部雷射机器，代理商专为此而培养维修人员，未必愿意，况且工作人员的流动，加上雷射维修技术的养成并非容易。所以，只要雷射系统使用一段时日，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。
最近几年随着国内雷射市场的快速成长，代理商的规模愈来愈大，甚至国外厂商直接在台湾设立分公司，并长期派驻技术人员，而且，CO2雷射的发展也比较趋于成熟，相对的故障﹑维修问题就减少很多。但是一般生产在线或代工业者所使用的雷射机器，仍然最怕故障停机，若是小毛病，可能一两天就解决，碰到大问题时(如：电极板更换﹑主要机件故障﹑…)，可能要等到原厂技术人员或国外寄来零组件，真是旷日费时。所以很多工厂都至少购买两部雷射加工机，或者事先跟同行协商好，必要时作互相支持。
　
(二)、技术人员养成的问题：雷射的操作使用毕竟不同于传统的工具母机，一般须要高工以上程度的技术人员，而国内并没有这方面操作技术人员的养成教育，因此厂商须自己培训，在国内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。而一位对雷射机器不够熟稔﹑经验有限的技术人员，将无法把雷射机器的特有功能发挥到极限，也会常发生下述现象：加工品质不佳﹑加工速度太慢﹑不懂保养机器﹑机器故障连连﹑减短机器寿命﹑机器耗材特凶﹑…。
　
(三)、特殊加工制程的开发问题：CO2雷射的切割应用，加工技术较单纯，加工条件也较容易掌握,一般说来比较没有制程上的问题。但是，比较特殊的雷射加工技术或加工材料如：焊接﹑硬面处理﹑立体加工、陶瓷加工等，加工业者必须先作制程上的适应和加工条件的掌握，以及自动进料﹑夹冶具等的配合，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，投资动则数百万的雷射设备，对大部分是中小企业形态的台湾产业界，实在有所困难。而国内以前能够充分协助业者作这一方面技术制程开发的机构一直缺乏，也就影响了雷射特殊加工应用市场的开展。
　
(四)、机器设备成本太高：早期国内使用的CO2雷射加工机，盖皆由国外进口，一部较高功率的加工用CO2雷射机器，动则上千万。近几年来，情况比较好转，主要是国内已有自己开发组装的加工机，促使由日本进口的CO2雷射加工机价位降低不少。但是，组成整套完整的加工配备，也须花上五百万到近一千万元间，尤其五轴立体加工机或复合式加工机，价位更高，这当然会影响到产业界的投资购买意愿，也会影响到加工成本，间接也就阻碍雷射加工对象﹑范围的拓展。
　
(五)、耗材费用高的问题：CO2雷射加工机运转时，须要消耗氦气和大量的氧气，氦气因为是进口的,价位较高，也就提高了雷射加工的成本，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﹑高压零组件等的消耗量，而这些样样须从国外进口，早期国内需求数量少时，售价都很高。目前国内CO2雷射加工机数量增多,也促使一些消耗器材﹑光学组件和高压零组件的价钱降低一点。
　
(六)、工厂的环境不良：CO2雷射机器内有不少的光学和高压零组件，算是比较脆弱的机器，特别须要在良好工作环境中操作使用，否则容易污损或故障。但是国内传统工厂有很多不太重视工作环境的改善，空间小而杂乱﹑湿气重﹑灰尘多﹑电源电压变动厉害﹑冷却水质差﹑……等。这些都会影响到雷射机器的使用效果和使用寿命，有些厂商就曾因此而尝到一些苦果后，始作逐步改进。
　
　四、工业CO2雷射在台使用的展望
　
雷射加工一定是未来材料加工应用发展的趋势之一，而CO2雷射加工一直占雷射材料加工应用中最主要的地位，世界雷射市场也以CO2雷射机器为主力，约占全部的七成左右，在近几年并都维持在百分之十上下的成长率。
这五﹑六年来，正随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准必要提升﹑人工贵且缺乏﹑自动化需求增加﹑产品附加价值和加工品质都有待提高的压力下，雷射加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。由于起步较晚，短期内当可维持较高的雷射市场成长率，并且加工应用的市场潜力也应该还很大才对。依据光电科技工业协进会所作的调查报告显示，1996年国内CO2雷射机器的市场成长约有百分之十三，可以得到左证。
不过,国内产业界和工业CO2雷射的使用者，仍然有如上述许多问题需要去面对处理，尤其在相关技术人员的养成训练和新的加工应用领域之开拓这两方面，更须多下功夫。只有用心去了解问题所在并设法积极克服解决之，那么一大片雷射加工应用的处女地，才会被大家所挖掘发现，并充分吸纳之。这时，雷射加工应用的前景也才会是光明的。

小马过河 · 发表于 2003-3-20 19:22:00

台湾的光设也很不错，还有很多日本相机也在台湾生产：（

chugqchugq · 发表于 2003-4-15 17:49:00

不要等到镜片打碎后再换镜片，发现功率降低马上换上新镜片，换下的镜片返修，特别是ZnSe片。

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