1960年美國(guó)科學(xué)家Maiman發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器，而我國(guó)第一臺(tái)激光器是上海光機(jī)所王之江院士1961年發(fā)明的，比美國(guó)遲了僅8個(gè)月。自激光出現(xiàn)之后，1985年，Nature?雜志發(fā)表了一篇《The laser——hero or villain》的文章，發(fā)出了“激光到底是改變世界的英雄還是惡魔？”的疑問(wèn)。60年后，這個(gè)問(wèn)題顯而易見(jiàn)，激光成為了改變和創(chuàng)造世界的一個(gè)重要手段，推動(dòng)了整個(gè)世界的發(fā)展。

如今，激光已被廣泛應(yīng)用在通信、醫(yī)療、信息存儲(chǔ)、商務(wù)應(yīng)用、激光加工等領(lǐng)域，尤其是激光加工這是最主要的應(yīng)用市場(chǎng)，包括激光切割、激光焊接、激光打孔等。

眼下，我國(guó)正處于制造業(yè)從中低端向高端制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程，智能制造是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路線，是加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的主攻方向。而激光技術(shù)以其無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，成為推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)以及提升產(chǎn)品附加值的重要途徑和技術(shù)而廣受關(guān)注。

尤其在“碳中和”戰(zhàn)略背景下，智能制造是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵之一，新材料的應(yīng)用以及激光等新制造手段取代傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。依托于制造業(yè)的智能制造需求，激光制造近幾年處于蓬勃發(fā)展時(shí)期。

激光智能制造近幾年異常火熱，世界各國(guó)也都在這方面進(jìn)行了相關(guān)的布局，并將發(fā)展激光技術(shù)作為各國(guó)國(guó)策。德國(guó)的“工業(yè)4.0”、美國(guó)的“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”、日本的“科技工業(yè)聯(lián)盟”、英國(guó)的“工業(yè)2050戰(zhàn)略”、“中國(guó)制造2025”。

雖然提法不同，但內(nèi)容相似，都是將智能裝備通過(guò)通信技術(shù)有機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化；并通過(guò)各類(lèi)感知技術(shù)收集生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)等通信手段，以及各類(lèi)系統(tǒng)優(yōu)化軟件提供生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方案智能化。

什么是激光智能制造？這包括激光制造和智能制造的融合。

智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，是先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱(chēng)。從整個(gè)架構(gòu)體系來(lái)看，它包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層和應(yīng)用層，如圖1。

圖1 智能制造架構(gòu)體系和產(chǎn)業(yè)鏈

智能制造體系特征：

• 具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)、自診斷和自修復(fù)的功能；

• 能夠統(tǒng)籌分析和綜合優(yōu)化系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。

而激光技術(shù)作為一種先進(jìn)加工技術(shù)形態(tài)能夠很好地融入到智能制造整體解決方案之中。激光智能制造包括不同的激光器（如光纖激光器、碟片激光器、半導(dǎo)體激光器等）、不同波長(zhǎng)（連續(xù)波和短波）；制造中最主要的是需要不同的加工手段，如激光焊接、激光3D打印、激光精密制造、激光拋磨等取代了傳統(tǒng)的加工工藝。總體來(lái)說(shuō)就是要有智能的元素，如傳感的手段、控制的手段，然后進(jìn)行互聯(lián)。

智能制造技術(shù)的熱點(diǎn)主要集中在傳感器方面，包括射頻技術(shù)、三維圖像識(shí)別、通過(guò)三維圖像及對(duì)物體缺陷的自動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（對(duì)材料、工具、設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤），以及和感知算法、數(shù)據(jù)融合發(fā)展。其中一個(gè)很重要的就是智能制造機(jī)器人，是智能裝備的基礎(chǔ)元素。

另外一個(gè)熱點(diǎn)就是智能制造系統(tǒng)方面，包括信息物理融合系統(tǒng)、智能制造協(xié)同系統(tǒng)、數(shù)字化等。其中數(shù)字化是當(dāng)前比較火熱的，比如數(shù)字化工廠、數(shù)據(jù)化雙胞胎模型等，如圖2。

圖2 智能制造的技術(shù)熱點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)智能制造的百?gòu)?qiáng)企業(yè)主要分布在北上廣和江蘇地區(qū)，海爾、華為、福耀玻璃、富士康、阿里巴巴、百度、騰訊、京東方、大疆等，傳統(tǒng)企業(yè)如吉利、長(zhǎng)虹、比亞迪、蔚來(lái)等汽車(chē)企業(yè)，中國(guó)中車(chē)、中國(guó)船舶、重工、中國(guó)商用飛機(jī)等國(guó)有企業(yè)。從這些企業(yè)的發(fā)展來(lái)看，體現(xiàn)出了互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造的影子，以及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立及示范和高端智能再制造行動(dòng)計(jì)劃。

尤其是2019年開(kāi)始的中美貿(mào)易戰(zhàn)和科技戰(zhàn)，加快了對(duì)整個(gè)智能制造全球價(jià)值鏈的重構(gòu)。國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)、民營(yíng)企業(yè)崛起，是我國(guó)激光智能制造一個(gè)很好的發(fā)展機(jī)會(huì)。

隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，先進(jìn)制造、智能制造、智能裝備等對(duì)激光的需求越來(lái)越大，我國(guó)政府也積極出臺(tái)了各項(xiàng)措施推進(jìn)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)了“黃金十年”的快速發(fā)展。“中國(guó)制造2025”中確立的五大重點(diǎn)工程十大領(lǐng)域中不少領(lǐng)域都活躍著激光制造的影子，包括汽車(chē)制造、新能源汽車(chē)、航空航天、海工裝備、先進(jìn)軌道等應(yīng)用市場(chǎng)。

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光打標(biāo)風(fēng)靡加工市場(chǎng)，一度占據(jù)了一半以上的激光加工市場(chǎng)份額。但從2016年開(kāi)始，激光切割市場(chǎng)爆發(fā)，切割應(yīng)用開(kāi)始普及，乃至今時(shí)今日依然是加工界的“扛把子”。

除了發(fā)展穩(wěn)定的激光切割、激光打標(biāo)外，激光技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)也開(kāi)始在激光焊接遍地開(kāi)花，在激光清洗、激光3D打印、精密制造等領(lǐng)域的應(yīng)用也紛紛展開(kāi)。

• 激光焊接

汽車(chē)制造領(lǐng)域是目前激光焊接最大的應(yīng)用市場(chǎng)，傳統(tǒng)車(chē)主要集中在對(duì)車(chē)門(mén)、車(chē)頂蓋、后蓋箱等的加工，新能源汽車(chē)主要集中在電池制造方面。從科創(chuàng)板上市的激光企業(yè)來(lái)看，海目星、聯(lián)贏激光，基本都與新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)。

那么激光焊接下一個(gè)藍(lán)海在哪里？

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)副會(huì)長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)付炳鋒在2021中國(guó)汽車(chē)工業(yè)論壇上表示，2025年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量占比將達(dá)20%-30%，處于快速發(fā)展的時(shí)期。所以，新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展是激光焊接的最大推動(dòng)力。另外，船舶業(yè)、集裝箱行業(yè)、航空航天等高端制造領(lǐng)域，將成為激光焊接的下一個(gè)突破口。

• 激光3D打印

激光3D打印技術(shù)是新興的技術(shù)之一，為目前世界上效率領(lǐng)先、打印零件尺寸最大的高精度金屬零件激光3D打印裝備。激光3D打印的材料種類(lèi)較多，包括聚合物、金屬、軟件模擬、陶瓷等。其中SLM金屬粉末選擇性激光熔化，因?yàn)椴牧蟻?lái)源廣泛，打印產(chǎn)品能夠直接應(yīng)用而成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。

• 激光精密制造

隨著電子制造的快速發(fā)展，激光精密制造成為了最具潛力的行業(yè)之一。比如手機(jī)、攝像頭的激光切割，楊上陸課題組在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的激光打孔，以及趙全忠老師在碳纖維材料方面的研究，都屬于激光精密制造服務(wù)領(lǐng)域。激光精密應(yīng)用正不斷地替代和突破傳統(tǒng)的加工和制造工藝，激光精密加工已經(jīng)超越普通激光加工行業(yè)，成為未來(lái)激光發(fā)展最廣闊前景。

雖然這些年我國(guó)激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，但真正要在激光焊接、激光3D打印、激光精密制造、激光清洗等熱點(diǎn)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用起來(lái)，還面臨著很多挑戰(zhàn)。

1）激光制造工藝水平不足

激光制造本身是一個(gè)集光學(xué)、熱感、流體力學(xué)、凝固、相變、機(jī)械、傳感、控制等多學(xué)科的交叉融合，又是一個(gè)涉及許多科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題的系統(tǒng)工程。

如科學(xué)問(wèn)題方面，包括材料的多樣化、材料本征問(wèn)題、以及激光與材料相互作用的效果，制造工藝也各不相同；此外還要考慮多級(jí)微觀組織、缺陷生成、定量金相等問(wèn)題。

從技術(shù)角度來(lái)看，首先是參數(shù)優(yōu)化方面的難題，如何優(yōu)化參數(shù)，以及如何找到新材料和敏感材料的最優(yōu)參數(shù)。其次是目前我們?cè)诰€傳感和控制手段不夠，以及應(yīng)力控制、生產(chǎn)的一致性和非破壞性檢測(cè)等能力都還需加強(qiáng)。

2）智能元素不足

要真正實(shí)現(xiàn)激光制造，有效傳感和控制很重要，但我國(guó)在該領(lǐng)域依然有很多工作需要做。

3）激光制造在高端裝備應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展不足

首先是核心工藝積累不足，一個(gè)工藝的積累往往需要5~10年時(shí)間，然后一個(gè)工藝從開(kāi)發(fā)到真正應(yīng)用落地還需3~5年，所以我們還需加強(qiáng)工藝水平的提高。二是關(guān)鍵核心元器件、核心技術(shù)缺乏，嚴(yán)重影響了高端裝備的發(fā)展。因此，要實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的融合，尊重原始創(chuàng)新，堅(jiān)持長(zhǎng)期主義，找到合適的合作方法，實(shí)行行業(yè)共贏。

隨著新材料、新激光、新應(yīng)用融合傳感、控制、人工智能等技術(shù)，激光智能制造的未來(lái)十年將是一片廣闊的天地，大有可為。關(guān)于激光智能制造的發(fā)展趨勢(shì)，楊上陸研究員有以下幾個(gè)觀點(diǎn)：

“目前在某一些領(lǐng)域，比如激光切割領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常殘酷，發(fā)展激光智能制造的關(guān)鍵，這就需要協(xié)同創(chuàng)新、學(xué)科融合及打通技術(shù)轉(zhuǎn)讓的渠道，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)的快速迭代。”而上海光機(jī)所正在建設(shè)先進(jìn)激光智能制造技術(shù)應(yīng)用高地，圍繞汽車(chē)、航空航天、船舶、先進(jìn)軌道交通等“高、精、尖”領(lǐng)域，針對(duì)新材料、難加工材料開(kāi)發(fā)先進(jìn)制造關(guān)鍵技術(shù)及高端裝備展開(kāi)工作，加快突破核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。