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国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

2022/7/4 17:02:17

近年来,我国光纤激光器领域的国产化进程不断加速,国产替代进口趋势从低功率向中高功率蔓延,并在2020年的“国产万瓦风暴”下实现了整体市场份额的反超。到2021年时,我国国产光纤激光器的出货量已占据市场的65%以上。

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

然而,在国产激光器市场份额快速提升的同时,追求更高功率似乎成了所有激光企业的主要发力点,2万瓦、3万瓦、4万瓦层出不穷,先后进入市场。伴随着激光功率快速提升以及市场竞争的白热化,激光设备的降价趋势加速向上游传导,光纤激光器市场迎来了腥风血雨的价格战,企业毛利率大幅下降。为了从价格战的焦土中找到新的出路,各大企业纷纷发力,或向外探索更多的应用市场,或向内追求更极致的激光特性,“高亮度”这一特性也逐渐被更多人关注。

什么是亮度?高亮度激光有什么优势?

众所周知,激光的四个基本特性是方向性好、单色性好、相干性好、亮度高。亮度表示了激光的明亮程度,其定义是:光源在单位面积、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率,简单来说就是“单位空间内激光的功率”,计量单位为cd/m2(读作:坎德拉每平方米)。在激光领域激光亮度可以简化为BL=P/π2·BPP2(其中P为激光功率,BPP为光束质量)。

亮度是衡量激光器综合性能的重要指标之一,也是研究激光应用的重要参考依据。

过去的十几年中,光纤激光器市场的爆发更多是依托金属下料市场的工具升级(以激光切割取代等离子、火焰切割等)。在这一追求效率的粗放型市场中,提高功率能显著提升切割速度和切割能力,但现有工艺下尤其对薄板加工有显著效果,对中厚板的潜力还未充分发掘,因此过去十年间工业光纤激光器领域一直在追求更高功率。随着我国产业升级的深入,越来越多的高端制造业对激光技术需求增加,即便是金属加工市场也进入精细化竞争时代,这些变化对激光的亮度提出了更高要求。

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

维科网激光曾在切割测试中发现,高亮度激光切割能够显著降低端面锥度,减小热影响区改善切割质量,在对锥度、质量要求更高的场景有着重要作用。同时,高亮度激光能够以较低功率实现黄铜、紫铜等高反材料的切割,达到高功率激光器的效果。需要注意的是,激光亮度与模场直径和发散角密切相关,只有与激光器匹配的切割头及工艺才能真正发挥出高亮度激光的优势,这对切割头的设计和制造工艺提出了新的要求,也让兼具激光器和切割头研发实力的企业具备了先发优势。

在焊接应用上,随着汽车轻量化趋势和新能源汽车快速发展,车身激光焊接、动力电池激光焊接的需求与日俱增。普通激光器在直接焊接时(尤其是对铜铝等高反材料)往往面临工艺窗口窄、熔池可控性低、易产生飞溅、焊接缺陷明显等痛点。为解决这些痛点,业内通过多种渠道进行技术革新,包括:工艺创新(复合焊、摇摆焊等)、光整形(环形光斑、可变光斑等)、改变波长(蓝光、绿光等)。

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

实际上,高亮度激光器也能有效提升焊接品质。维科网激光经测试后发现,提高激光亮度后能够在较低输出功率下熔化铜铝等高反射率金属,不仅大幅降低生产能耗,还在提升生产效率同时缩小焊接中的热影响区,从而减少熔池飞溅和降低焊缝缺陷率。此外,高亮度激光焊接能够提高熔深及稳定性,可以解决由熔深不稳定造成的虚焊问题,具有更宽的工艺窗口。综合而言,高亮度激光器的出现很好地弥补了激光焊接解决方案体系,结合工艺创新、光整形、可见光波长等方案,能够为解决我国的高端焊接制造难题提供更多的可能性。

破局之战——万瓦高亮度激光器横空出世

前文提到,我国光纤激光器出货量格局的改变是在“国产万瓦风暴”后实现的。随着功率竞赛陷入瓶颈,价格战愈演愈烈,朝高亮度方向破局成为一些企业新的发展方向。包括率先引入高亮度976泵浦技术的光惠激光、从事科研多年,凭借深厚技术底蕴投身工业制造的大科激光等。值得一提的是,在2020年掀起“国产万瓦风暴”的创鑫激光,也在自身万瓦激光优势的基础上向高亮度进军,率先将高功率和高亮度优势合二为一,开发出50um芯径的万瓦高亮度激光器。

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

2022年6月中旬,创鑫激光在云端召开了《破晓——新技术路线发布会》,并在其中提到了万瓦高亮度激光器的三大核心思想:高亮度泵源是实现高功率+高亮度的基础、高集成单模块方案是实现高功率+高亮度的路径、有效抑制拉曼效应是实现高功率+高亮度的保障。实际上,早在多年以前创鑫激光就已围绕这三大核心思想开始了技术布局。

以高亮度泵源为例。在行业高集成泵源单纤输出功率大约在300W左右水平时,创鑫激光已开始采用单纤600W输出功率的泵浦源,目前已实现大于1500W的单纤泵源输出功率。

国产光纤激光器崛起后——在价格战焦土中寻找新出路

而创鑫的高集成单模块方案早在2019年就开始量产实践,从单模块4kW,到单模块5kW、6kW,12kW,通过大量实践积累,优化提升了高集成单模块解决方案,在最新发布的产品中采用高亮度一体化泵源集成技术,避免了多次合束造成的泵浦光能量损耗及输出光光束质量劣化,确保了万瓦高亮度得以实现。

针对光纤激光不可避免的受激拉曼散射,创鑫激光另辟蹊径,通过在谐振腔内采取拉曼抑制光栅和增益模式优化技术,并采取新型的输出光纤设计,突破了常规拉曼非线性限制。

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从结果上看,创鑫激光发布的12kW“高功率+高亮度”技术路线,其光束质量BPP值为1.2,而普通多模块12kW激光器的BPP约为3.5。按亮度公式计算,其亮度指标可达传统多模12kW的8倍。从应用上看,当前主流激光加工切割是利用了激光的高能量,其本质是能量平衡的一个过程,激光功率代表了总能量,决定了能切多厚,而光束质量代表了能量的有效利用,对加工效率和效果有重要影响。同时具备高功率和高亮度为激光加工提供了更多应用场景和工艺优化空间,这为创鑫激光走向高精度加工、高端制造应用打下了坚实基础。

千帆竞发——差异化路线格局渐显

近年来市场对高亮度的关注日益提升,但也由此引发另外一种担忧:是否未来有一天,所有激光器企业会像当年涌入高功率赛道一样,一起涌入高亮度赛道,使得我国激光行业从“功率卷”变为“亮度卷”,大家依然没利润?

维科网激光认为,从目前行业的发展情况来看,并没有呈现上述趋势,反而呈现出差异探索、千帆竞发的格局。例如,锐科激光最新发布的旗帜系列激光器,剑指高端应用,力求在目前依然被进口垄断的细分市场实现国产替代;大科激光则进一步追求极致亮度,目前已在2000W功率实现M2=1.07(接近极致的光束质量),在5000W功率实现M2=1.38,通过极致亮度探索更前沿的应用场景;凯普林则瞄准体积更小、重量更轻、应用更灵活的方向,开发出全新闪电系列激光器,“less is more”的理念或将对激光产品之外的高端制造产生更深远的影响。而率先在行业推出单模块万瓦高亮度的创鑫激光,则将沿着“高功率+高亮度”的路线进一步深耕,预计很快将推出更令行业震惊的高亮度单模块20kW激光器、高亮度单模块30kW激光器及配套加工头。

从现有情况来看,尽管短时间内价格战仍然难以退潮,但各企业发力的焦点不再“唯一”是非常良性的趋势。尽管本文重点着墨于高亮度激光的探讨,但笔者同样希望,高亮度只是激光行业未来诸多出路的其中一条。多元化的产品结构,差异化的技术路线,能够为激光应用带来更多样的方案选择和技术储备,更有利于激光产业和高端制造业的发展。

审核编辑(
黄莉
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