猜猜看，一臺(tái)新能源汽車的整車焊接需要多長時(shí)間？答案可能會(huì)令很多人大吃一驚——43秒！

這個(gè)由華工科技 董事長馬新強(qiáng)給出的數(shù)字，不僅是中國速度，更是全球最快。

中國激光技術(shù)，是如何打破國外壟斷的？

一、激光切割

說起激光，大家應(yīng)該不陌生，其高能量密度特性，非常適宜切割物體。

焊接和切割，不分家。

我們先從三維五軸激光切割技術(shù)講起。三維五軸激光切割技術(shù)是一種金屬件的工業(yè)加工系統(tǒng)。

通過“五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)工件的多角度靈活運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使用高功率激光束聚焦能量，快速熔化工件，再結(jié)合智能編程與實(shí)時(shí)軌跡修正。

這套系統(tǒng)可精準(zhǔn)切割復(fù)雜三維曲面的金屬件，達(dá)到非常高的加工精度。

在日常生活中，我們能感知物體的長度、寬度和高度，這就是所謂的三維。

那么，為什么激光切割這套系統(tǒng)要用到五軸呢？

這是為了提高加工的精度，在X、Y、Z三個(gè)軸之外，又加上了一條可調(diào)節(jié)傾角的A軸和一條可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的C軸，讓一次性完成“360度無死角”的加工成為可能。

有這五軸的精確配合聯(lián)動(dòng)，再加上內(nèi)部集成的聚焦鏡片、噴嘴等光學(xué)元件的切割頭，這套設(shè)備的關(guān)鍵硬件部件就成型了。

五軸示意圖

軟件當(dāng)然也很重要。

一套專門開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制激光切割頭的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度以及激光功率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維零件的精確切割。

三維五軸激光切割機(jī)優(yōu)越性能，普遍應(yīng)用在制造業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域。

比如，汽車行業(yè)中熱成型部件的加工。

三維五軸激光切割機(jī)可用于切割高強(qiáng)度鋼板，像是車門防撞梁、底盤部件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等高強(qiáng)鋼件的切孔與修邊。

這種切割技術(shù)可以完美替代模具沖壓。

老讀者可能會(huì)問，之前正解局在《特斯拉、小米搶著用的壓鑄機(jī)，中國做到了世界第一》中介紹過新能源汽車制造中的壓鑄機(jī)技術(shù)，既然激光切割和焊接能完美替代模具沖壓，那還要大型壓鑄機(jī)干嘛呢？

其實(shí)，這兩種技術(shù)不但不沖突，實(shí)際上還是相輔相成的。

壓鑄機(jī)負(fù)責(zé)成型，解決了“如何造零件”的問題，而激光切割技術(shù)則負(fù)責(zé)高精度修邊，把那些毛毛糙糙的邊邊角角變平滑，解決了“如何打磨零件”的問題。

特斯拉的一體化壓鑄件，在整體壓鑄成型后，就采用五軸激光進(jìn)行修邊。

汽車熱成型件三維五軸切割機(jī)

再比如，航空航天領(lǐng)域的構(gòu)件加工。

三維五軸激光切割技術(shù)可用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件、航天器零部件等，精確切割出復(fù)雜曲面和薄壁結(jié)構(gòu)，不但保證了零部件的尺寸精度和表面完整性，還有助于減輕飛行器重量，提高燃油效率和飛行性能。

此外，三維五軸激光切割技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于船舶制造、工程機(jī)械、醫(yī)療器械、建筑裝飾、電子電器等諸多領(lǐng)域，為這些行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)提供了有力支持。

三維五軸激光切割技術(shù)的出現(xiàn)，無疑是對(duì)傳統(tǒng)加工方式的重大突破。

在汽車、航空航天等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的沖壓模具生產(chǎn)構(gòu)件的方式，成本相當(dāng)高昂。

拿一臺(tái)普通轎車來說，平均需要1000-1500套大小不同的模具。

汽車車身模具

模具在使用中免不了磨損，為了保證加工精度，模具還需要定期更換。

如果是加工特殊材料的特殊構(gòu)件，比如屈服強(qiáng)度達(dá)1500MPa以上的高強(qiáng)鋼，那么模具的損耗就更大，效率也更低。

這些成本，最后都疊加到消費(fèi)者頭上，可不是個(gè)小數(shù)字。

1979年，意大利普瑞瑪（Prima Industrie）公司率先開發(fā)出三維五軸CO2激光切割機(jī)，德國通快（Trumpf）也緊隨其后開發(fā)出類似產(chǎn)品。

三維五軸激光切割機(jī)迅速在歐洲的高端制造業(yè)刮起風(fēng)暴。

幾乎與此同時(shí)，日本的幾個(gè)公司也相繼研制開發(fā)出低加速度、高精度的工作臺(tái)移動(dòng)式的三維五軸激光切割機(jī)，切走了一部分國際市場的蛋糕。

普瑞瑪公司的三維五軸激光切割機(jī)

如今新能源汽車大行其道，車身構(gòu)件的輕量化需求越來越高。

這直接催生出熱成型技術(shù)，也就是將鋼板加熱至900-950℃后快速冷卻成型，與此同時(shí)，加工強(qiáng)度提升至1000-2000MPa，傳統(tǒng)模具就沒有用武之地了。

汽車、航天等行業(yè)的小批量定制化生產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為趨勢(shì)，專門開模的成本太高，三維五軸技術(shù)則無需模具，通過編程即可快速調(diào)整加工參數(shù)和路徑，降低生產(chǎn)成本和周期，幾乎是唯一的技術(shù)解決方案。

三維五軸激光切割技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，在工業(yè)界大行其道。

二、技術(shù)破冰

僅看國內(nèi)市場，2024年我國激光切割設(shè)備市場規(guī)模約為368.5億元，預(yù)計(jì)今年有望突破400億元。

2015年以前，全球五軸激光切割設(shè)備的市場由德國通快、意大利普瑞瑪、日本小松（Komatsu NTC）、日本三菱、意大利BLM等國際巨頭主導(dǎo)，前五大廠商合計(jì)占據(jù)約65%的市場份額。

如果以機(jī)器的高精尖段位劃分，以高端應(yīng)用為主的北美市場則占了全球25%的份額。

2018年后，在汽車熱成型生產(chǎn)線爆發(fā)式增長的帶動(dòng)下，全球三維五軸激光切割生產(chǎn)線沖破了2000臺(tái)的年需求量，其中僅國內(nèi)市場就占700臺(tái)。

這么大的市場，中國本土企業(yè)當(dāng)然不會(huì)任由國外企業(yè)把持，在2010年后逐漸快速崛起，并打破國外技術(shù)壟斷。

長期以來，三維五軸激光切割技術(shù)被國外壟斷，但經(jīng)過多年研發(fā)攻關(guān)，我國已經(jīng)突破了三維五軸激光切割機(jī)的三大核心技術(shù)單元的突破：數(shù)控系統(tǒng)、激光器和切割頭。

作為機(jī)床的“大腦”，高端數(shù)控系統(tǒng)曾長期被德國西門子、日本發(fā)那科等企業(yè)壟斷。

我國企業(yè)華中數(shù)控通過自主研發(fā)，成功推出“華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)”國產(chǎn)高性能數(shù)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具備自主感知、自主學(xué)習(xí)、自主決策、自主執(zhí)行四大功能，在加工效率和穩(wěn)定性上超越進(jìn)口系統(tǒng)，使加工效率達(dá)到進(jìn)口系統(tǒng)的105%。

高功率光纖激光器被看作是激光切割的“心臟”，能穩(wěn)定地產(chǎn)生激光。

我國自主研發(fā)的功率能覆蓋3kW-20kW的高功率光纖激光器，徹底打破了國外壟斷，且成本僅為進(jìn)口的60%。

被看作快刀的切割頭，是直接面對(duì)構(gòu)件的設(shè)備要件，曾因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封要求高，完全依賴德國通快（Trumpf）的進(jìn)口。

2018年，華工科技通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了內(nèi)部電路信號(hào)和水氣通道的密封難題，密封圈數(shù)量僅為國外的2/3，且支持無限旋轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)調(diào)焦，性能直接對(duì)標(biāo)德國通快。

跟生產(chǎn)汽車一樣，三大核心技術(shù)單元在組裝成整機(jī)后，也需要調(diào)試。

華工科技全球首發(fā)的第五代智能三維五軸激光切割機(jī)，其關(guān)鍵核心部件已經(jīng)做到了100%自主可控，不但打破了高端激光切割裝備技術(shù)封鎖，還促進(jìn)了國產(chǎn)替代的進(jìn)程。

華工科技的國產(chǎn)三維五軸激光切割機(jī)，搭載華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)

與此同時(shí)，技術(shù)領(lǐng)域中的單兵作戰(zhàn)思維也已被系統(tǒng)模式替代。

激光切割機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈合理布局，協(xié)同發(fā)展，國內(nèi)300余家上下游企業(yè)形成創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。比如，武漢光谷產(chǎn)業(yè)集群就聚集了73家激光裝備企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了研發(fā)、制造的產(chǎn)業(yè)分工不分區(qū)的新格局，這讓區(qū)域內(nèi)的成品國產(chǎn)化率超90%，大大降低了整機(jī)成本。

現(xiàn)在，中國成功躋身至德國、意大利、日本之后，成為全球第四個(gè)完全自主掌握三維五軸激光加工技術(shù)的國家。

中國企業(yè)，也加入到高端激光設(shè)備的國際市場競爭中。

以設(shè)備產(chǎn)地來看，歐洲憑借德意兩家企業(yè)的雄厚積累，以42%的份額占據(jù)最大生產(chǎn)輸出地；其次則是憑借全球第一的工業(yè)制造體系打破壟斷迎頭趕上的中國，占38%；第三名是以高精尖產(chǎn)業(yè)著稱的日本，占15%左右的生產(chǎn)份額。

國內(nèi)的領(lǐng)軍企業(yè)華工科技，在2023年7月，已累計(jì)交付近280臺(tái)三維五軸激光切割設(shè)備，占據(jù)國內(nèi)70%的市場份額。

國內(nèi)第一，全球第三，直接迫使進(jìn)口設(shè)備降價(jià)超過20%以上。

三、大顯身手

講完切割，再講講文章開頭提到的焊接。

由于工作臺(tái)上加工構(gòu)件是非接觸式作業(yè)，高功率激光器本身就能快速加熱材料實(shí)現(xiàn)熔合，所以只需把激光頭更換成焊接頭，切割機(jī)就能秒變焊接機(jī)，可以完成如汽車車身、航天器材的高精度焊接，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的高效普適性生產(chǎn)。

激光焊接效果

在新能源汽車生產(chǎn)中，雖然壓鑄技術(shù)將很多零件化整為零，一體成型，但一次性把大大小小的全部零部件都生產(chǎn)出來，還遠(yuǎn)不現(xiàn)實(shí)，在制造中仍然離不開焊接。

特別是電機(jī)定子需要高精度焊接，激光焊接就有用武之地了。

特斯拉使用了超大型沖壓機(jī)生產(chǎn)一體式車身，但電池包、車頂?shù)汝P(guān)鍵部位仍依賴激光焊接來確保密封和強(qiáng)度。

新能源汽車電機(jī)定子激光焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線

激光切割成功突破封鎖，我國的激光焊接技術(shù)也達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

尤其是在中厚板、手持激光焊接及超快激光焊接等領(lǐng)域成果顯著，如今已具備使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。

激光具有很高的能量，在與固相物質(zhì)相互作用時(shí)有顯著的熱效應(yīng)。

利用這個(gè)原理，材料表面能夠快速熔化、凝固，形成新的合金物質(zhì)，其物理、化學(xué)性能會(huì)有所改變。這個(gè)工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是在瞬態(tài)過程即可實(shí)現(xiàn)，并且有很精準(zhǔn)的區(qū)域可掃描選擇性。

這個(gè)技術(shù)，更進(jìn)一步的應(yīng)用是激光表面熔覆工藝。

在某種金屬基體上，先覆蓋一層專門配置的合金粉末，用激光使其熔化，成為熔覆層的主體合金，同時(shí)基體金屬也有一薄層熔化，與之結(jié)合。

激光熔覆層的合金體系，具備基體所沒有的高性能，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的電鍍等金屬表面強(qiáng)化技術(shù)。比如采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或軸承，讓表面合金更耐磨，可顯著延長使用壽命。

激光熔覆技術(shù)加固軸承耐磨表面

愛美人士應(yīng)該知道一種激光脫毛的技術(shù)，原理就是把毛燒掉，同樣的，激光也可以用來清洗。

加工件表面有時(shí)會(huì)粘有亞微米級(jí)的污染顆粒，粘得很緊，常規(guī)清洗辦法很難去除，激光清洗就很有效。

高能激光束產(chǎn)生熱效應(yīng)和物理沖擊效應(yīng)，將污染物瞬間高溫氣化后去除，同時(shí)保持基底材料完好無損。

激光清洗原理圖

激光清洗具有效率高，清潔度高，覆蓋面大，且能遠(yuǎn)距離操作、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

華工科技全球首創(chuàng)的輪胎模具激光清洗智能裝備，效率提升4倍，把傳統(tǒng)的干冰清洗徹底淘汰，用激光開啟輪胎模具清洗的新時(shí)代。

四、技術(shù)突破

經(jīng)過多年的研發(fā)探索，中國實(shí)現(xiàn)了三維五軸激光切割技術(shù)從“受制于人”到“自主可控”的跨越。

這背后，不僅是我國高新企業(yè)的技術(shù)突破，更受益于工業(yè)體系的強(qiáng)大需求。

一方面，我國是全球最大的制造業(yè)國家，高端化、智能化轉(zhuǎn)型的迫切需求構(gòu)成了最強(qiáng)勁的市場拉力。

航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)雜曲面零件加工的嚴(yán)苛要求，新能源汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)輕量化電池托盤的大規(guī)模量產(chǎn)需求，船舶制造中對(duì)異形曲面切割的效率升級(jí)期待，共同構(gòu)成了技術(shù)迭代的“剛需場景”。

另一方面，以華工科技、大族激光為代表的中國激光裝備企業(yè)，以“十年磨一劍”的韌性攻克了核心技術(shù)。

這種“市場出題、企業(yè)接單”的良性互動(dòng)，讓技術(shù)創(chuàng)新真正扎根于產(chǎn)業(yè)土壤。

未來，大國重器，還將持續(xù)上新！