激光束加工技术全球发展趋势研究

来源:用户上传      作者: 周潇

　　摘 要：激光束加工技术是利用高能量激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工工艺,被誉为“21世纪的万能加工工具”。随着激光器及外围技术的进步，激光束加工技术不断发展，目前被广泛应用于工业制造业。由于激光束加工技术良好的应用前景，目前国内外都对该项技术展开了大量的研究工作。基于此，文章从专利角度，从宏观、中观以及微观这三个层次对激光束加工技术的全球发展状况做一个概述，以期为我国激光束加工领域的下一步的发展作出相应支持。
　　关键词：激光束加工 专利分析 核心研发机构 技术发展趋势
　　 中图分类号:T-19 文献标识码:A
　　文章编号:1004-4914（2011）11-045-02
　　
　　一、前言
　　激光加工技术是一种智能化的先进加工技术,被誉为“21世纪的万能加工工具”。它主要是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工工艺。与计量、图像技术、信息传递等激光应用领域一样, 激光加工技术随着激光器及外围技术的进步而发展起来。目前，激光束加工技术被广泛应用于工业制造业、太阳能电池制造等领域中。由于激光束加工技术良好的应用前景，目前国内外都对该项技术展开了大量的研究工作。20世纪80年代,日本的激光器制造商在世界市场上曾作出过重大贡献。然而到了90年代,德国、美国等一些技术先进的国家增大了对该领域的投入，不断开发出新的产品，逐渐拉开了与日本的距离。到了90年代末，日本掀起了第二波研发热潮，开发出了半导体激光泵浦的大功率固体激光器及新型高性能装置,人们对其在21世纪的应用寄予厚望。
　　为了深入研究激光束加工技术在全球的发展趋势，预测其今后的发展动态，并找到领域内的核心研究机构，本文从专利角度，对该领域展开分析，以期为我国激光束加工领域的下一步的发展作出相应支持。
　　二、本文的研究框架
　　专利分析研究是情报学的重要内容，属于情报服务中的高层次活动。专利作为一种衡量尺度，对一个国家、公司的发展影响很大。
　　为了研究激光束加工技术在全球的发展状况，我们可以通过领域内专利的申请数量和质量在宏观上衡量产业技术水平，以掌握技术的发展进程与趋势。
　　在中观上，我们按照国家进行分类，对各国的研究状况进行分析，掌握各国的研发实力及研发重点，并通过进一步的深入挖掘，确定各国在激光束加工技术领域的合作与竞争关系。
　　在微观上，我们对激光束加工技术领域的高产申请机构及其研究领域进行进一步的挖掘，确定领域的核心机构，为今后进一步追踪领域发展奠定基础。
　　综上所述，按照这种研究思路，本文的研究框架如下所示：
　　三、实例验证
　　按照上述思路，我们按照“宏观、中观、微观”三层次分析法对激光束加工技术的全球发展状况做一个全面的分析，以期为我国今后在该领域的发展提供相应的支持。
　　为了研究该领域全球的发展状况，我们选择数据较为全面的欧洲专利局的专利数据作为数据源，并建立了激光束加工技术专题全球专利数据库。其步骤包括：使用恒库专利下载软件下载主IPC为B23K26（激光束加工）的全部专利，时间限制为2001年至2010年。利用北京理工大学知识管理与数据分析实验室自主开发的专利分析系统，对原始数据进行数据预处理，将文本数据转化为适合进行专利情报分析的可靠的精确的数据，形成激光束加工技术专题全球专利数据库。
　　（一）激光束加工技术宏观层面分析
　　1.专利申请趋势分析。为了了解激光束加工技术领域的整体研发情况，我们用领域内专利历年申请数据来推测研发投入趋势和技术发展趋势。
　　激光束加工技术在这10年中，发展较为稳定。申请数量基本在1000至1500条之间波动。2001至2003年这三年申请数量比较多，达到了1600左右，之后的几年，专利申请数量有所下降，而到了2008年，专利申请数量又有回升的趋势。
　　图1用折线图的形式直观的描述了激光束加工技术专利申请变化状况。从图中我们可以看出激光束加工技术领域的专利数量在2002年有一个小的高峰，2000、2004、2007年各有一个小的低谷，但各年之间的波动不是很大。
　　2.技术发展趋势分析。在了解激光束加工技术整体发展状况后，我们可以对该领域的子领域进行细分。专利在分类时会依照不同技术类别归类，这就是专利的IPC号。因此我们可以通过专利IPC号进一步对激光束加工技术各个子领域的研发情况进行研究。从表1中，可以看到前十IPC年度分布状况。从2000年至2009年，激光束加工领域的技术主要集中在B23K26（激光束加工，例如焊接，切割，打孔）这个子领域。从表中可以看出，在激光束加工技术中，所有子领域在这十年间都呈现缓慢下降的趋势。我们可以看到，几乎所有子领域都在2001-2003年达到最大值，因此，在一定程度上可以说明各技术目前都处于成熟状态，发展速度变慢。
　　从图2中，我们可以更清楚的看到前十IPC技术的发展趋势。很明显地，排名第一位的B23K26（用激光束加工，例如焊接，切割，打孔），其数量远远高于其它的几个IPC。但它的总体趋势却是持续下降的，这可能是因为该项技术已经非常成熟，现在对它的研发投入已经较少了，其它九种IPC数量相对较少，在这十年中缓缓下降，没有出现较大的波动。
　　通过宏观层面的分析，我们可以看出激光束加工技术在这10年中，发展较为稳定。其中用于焊接、切割以及打孔的激光束加工是整个领域的研发重点。为了更加清楚的看出激光束加工技术在各国的研发情况，我们把整个技术领域细化到各个国家，从国家的角度进一步分析激光束加工技术的研发情况。
　　（二）激光束加工技术中观层面分析
　　1.专利国家分布分析。在宏观了解激光束加工技术的整体研发情况后，接下来我们从国家角度分析该领域的研发情况。
　　在欧洲专利局激光束加工技术领域的专利中，日本占据首位，一共有7170条，比处于第二位的德国，高出近5000条。而在该领域申请专利数超过1000的国家只有四个，除了日本和德国外，还有排在第三位的美国和排在第四位的中国，这四个国家在该领域具有很高的占有率。
　　为了进一步分析全球的技术发展情况，我们对主要国家的专利申请数量进行了分析。图3展现的是日、德、美、中四国技术发展趋势。从中我们可以看出日本的专利申请数量是最多的，但是波动比较大，在2002年达到最高点。中国在2000年的起点最低，但是一直持续增长，在2009年超过其他国家达到最大量。德国和美国的趋势是缓缓下降，波动较小。
　　2.高产国家研究领域分析。进一步对高产国家研究领域进行分析。在激光束加工技术领域中，申请专利最多的日本，主要研究领域与前面分析结果相同，主要集中在B23K26（用激光束加工，例如焊接，切割，打孔）、B23K101（钎焊、焊接或切割制成的制品）以及H01L21（专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备）上。排名第二的德国，主要研究领域集中在B23K26、B29C67（不包含在B29C 39/00至B29C 65/00，B29C 70/00或B29C 73/00组中的成型技术）以及B22F3（由金属粉末制造工件或制品，其特点为用压实或烧结的方法）上。而中国的主要研究领域是B23K26、C23C24（自无机粉末起始的镀覆；金属粉末烧结法制造复合层、工件或制品）以及B23K37（非专门适用于仅包括在本小类其他单一大组中的附属设备或工艺）这三个子领域。日本、德国、美国以及中国在激光束加工技术领域拥有的专利申请量最多，且联系也比较紧密。从这四个国家的主要IPC分类中也可以看出，研究领域也互有交叉。

　　（三）激光束加工技术微观层面分析
　　在了解世界上主要国家的研发状况后，我们从研发机构这一角度对激光束加工领域进行分析。通过对重点研究机构的进一步挖掘，我们从微观层面了解到企业的研发热点，这也为我们把握产业发展趋势奠定基础。
　　1.高产申请人分析。住友重工以绝对的优势位于首位，共有专利390件，这反映出该公司在激光束加工技术领域研发实力的雄厚和对专利保护的重视。排在第二位的为松下电器产业株式会社，技术实力也比较突出，共申请专利252件，但与排名第一的住友重工相比还有不少的差距。从申请机构的国家看，日本包揽了全部10家公司，这表明日本的公司在激光束加工技术领域具备相当的研发实力；从申请机构的类型来看，这10家全为企业，说明企业在整个激光束加工技术领域的技术创新和研发中起着重要作用。
　　2.机构关联分析。为了更加直观地展现激光束加工领域研发机构之间的关系和研发的投入比例，了解领域内的合作及竞争关系，我们对研究机构进行进一步的关联分析。申请机构中，联系最为紧密的包括：住友重工（SUMITOMO HEAVY INDUSTRIES）、松下电器产业株式会社（MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD）、天田株式会社（AMADA CO LTD）以及新日本制铁股份有限公司（NIPPON STEEL CORP）。这四个公司在该领域的成果最多且联系最为密切。这说明，在激光束加工技术领域，这四个公司掌握着核心技术，在市场占据着最为重要的作用。因此，为了进一步的追踪该领域的发展状况，了解最新的研发技术，我们需要进一步关注这几个领头企业的研发动向。
　　四、结论
　　通过对激光束加工技术欧洲专利进行分析，我们可以得到以下结论：
　　1.激光束加工技术在这10年中，发展较为稳定。申请数量基本在1000至1500条之间波动。2001-2003年这三年申请数量比较多，达到了1600左右，之后的几年，专利申请数量较这三年有所下降。2008年，专利申请数量又有回升的趋势。
　　2.从技术子领域的发展来看，2000至2009这10年中B23K26涉及的专利数量最多，一共有10800条专利。排在第二位的是B23K101，共有1333条专利。排在第三位的是H01L21，其数量是1139条,第一位数量是第二位数量的8倍左右，是第三位数量的9.5倍左右，这三类专利，总数都在1000条以上，远远超过后面的几类。由此可以说明，这三个子领域是整个激光束加工技术领域发展的重点。
　　3.从基于关键词的国家关联关系中可以看出，国家只有一个群组，说明世界上各国家对激光束加工技术的研究有共同地方，不是各自独立的。其中日本、德国、美国以及中国专利所占比例较大，其中中国、日本紧密相邻，说明在这一领域的关联十分紧密。而日本、德国以及美国又以三角之势处于整个组群的核心位置。这说明这几个国家不仅专利申请数量多，且研究的技术子项也处于该领域的核心地位。因此，要想进一步发展激光束加工技术，我们需要加强与日本、德国、美国的合作。
　　4.从高产机构的角度来看，在前10专利高产公司中，日本包揽了全部10家公司，这表明日本的公司在激光束加工技术领域具备相当的研发实力。我国要想进一步发展激光束加工技术，一方面需要追踪这些核心机构的研发动态，借鉴他们的成功经验，另一方面也应该明确目前该领域的专利壁垒，有效规避研发风险。
　　综上所述，激光束加工技术具有广泛的应用前景，目前国内外都对该项技术展开了大量的研究工作。为了进一步发展激光束加工领域的相关产业，我们一方面需要加强与日本、德国等发达国家的合作，追踪其核心研究机构的发展动态，另一方面也应该关注相关技术的专利申请状况，有效的规避研发风险。
　　[论文基于项目：“车床领域专利分析”，资助单位：机械工业信息研究院]
　　
　　参考文献：
　　1.刘俊杰,周秀芝,秦丹,王云.激光加工技术中激光束的研究[J].创物理与工程，2009(3)
　　2.激光加工的现状及发展趋势[J].光机电信息，2000(10)
　　3.卢飞星.激光加工在工业制造业中的市场分析[J].激光与光电子学进展，2009（9）
　　4.苏法刚.激光加工在太阳能电池制造中的应用与机遇[J].光机电信息，2010(3)
　　5.激光加工现状及21世纪的展望[J].光机电信息，2003（2）
　　（作者单位：北京理工大学管理与经济学院 北京 100081）
　　（责编：贾伟）

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