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        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        2022/10/2 23:57:19??????點擊:

        近年來,我國光纖激光器領域的國產化進程不斷加速,國產替代進口趨勢從低功率向中高功率蔓延,并在2020年的“國產萬瓦風暴”下實現了整體市場份額的反超。到2021年時,我國國產光纖激光器的出貨量已占據市場的65%以上。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        然而,在國產激光器市場份額快速提升的同時,追求更高功率似乎成了所有激光企業的主要發力點,2萬瓦、3萬瓦、4萬瓦層出不窮,先后進入市場。伴隨著激光功率快速提升以及市場競爭的白熱化,激光設備的降價趨勢加速向上游傳導,光纖激光器市場迎來了腥風血雨的價格戰,企業毛利率大幅下降。為了從價格戰的焦土中找到新的出路,各大企業紛紛發力,或向外探索更多的應用市場,或向內追求更極致的激光特性,“高亮度”這一特性也逐漸被更多人關注。

        什么是亮度?高亮度激光有什么優勢?

        眾所周知,激光的四個基本特性是方向性好、單色性好、相干性好、亮度高。亮度表示了激光的明亮程度,其定義是:光源在單位面積、單位頻帶寬度和單位立體角內發射的光功率,簡單來說就是“單位空間內激光的功率”,計量單位為cd/m2(讀作:坎德拉每平方米)。在激光領域激光亮度可以簡化為BL=P/π2·BPP2(其中P為激光功率,BPP為光束質量)。

        亮度是衡量激光器綜合性能的重要指標之一,也是研究激光應用的重要參考依據。

        過去的十幾年中,光纖激光器市場的爆發更多是依托金屬下料市場的工具升級(以激光切割取代等離子、火焰切割等)。在這一追求效率的粗放型市場中,提高功率能顯著提升切割速度和切割能力,但現有工藝下尤其對薄板加工有顯著效果,對中厚板的潛力還未充分發掘,因此過去十年間工業光纖激光器領域一直在追求更高功率。隨著我國產業升級的深入,越來越多的高端制造業對激光技術需求增加,即便是金屬加工市場也進入精細化競爭時代,這些變化對激光的亮度提出了更高要求。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        維科網激光曾在切割測試中發現,高亮度激光切割能夠顯著降低端面錐度,減小熱影響區改善切割質量,在對錐度、質量要求更高的場景有著重要作用。同時,高亮度激光能夠以較低功率實現黃銅、紫銅等高反材料的切割,達到高功率激光器的效果。需要注意的是,激光亮度與模場直徑和發散角密切相關,只有與激光器匹配的切割頭及工藝才能真正發揮出高亮度激光的優勢,這對切割頭的設計和制造工藝提出了新的要求,也讓兼具激光器和切割頭研發實力的企業具備了先發優勢。

        在焊接應用上,隨著汽車輕量化趨勢和新能源汽車快速發展,車身激光焊接、動力電池激光焊接的需求與日俱增。普通激光器在直接焊接時(尤其是對銅鋁等高反材料)往往面臨工藝窗口窄、熔池可控性低、易產生飛濺、焊接缺陷明顯等痛點。為解決這些痛點,業內通過多種渠道進行技術革新,包括:工藝創新(復合焊、搖擺焊等)、光整形(環形光斑、可變光斑等)、改變波長(藍光、綠光等)。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        實際上,高亮度激光器也能有效提升焊接品質。維科網激光經測試后發現,提高激光亮度后能夠在較低輸出功率下熔化銅鋁等高反射率金屬,不僅大幅降低生產能耗,還在提升生產效率同時縮小焊接中的熱影響區,從而減少熔池飛濺和降低焊縫缺陷率。此外,高亮度激光焊接能夠提高熔深及穩定性,可以解決由熔深不穩定造成的虛焊問題,具有更寬的工藝窗口。綜合而言,高亮度激光器的出現很好地彌補了激光焊接解決方案體系,結合工藝創新、光整形、可見光波長等方案,能夠為解決我國的高端焊接制造難題提供更多的可能性。

        破局之戰——萬瓦高亮度激光器橫空出世

        前文提到,我國光纖激光器出貨量格局的改變是在“國產萬瓦風暴”后實現的。隨著功率競賽陷入瓶頸,價格戰愈演愈烈,朝高亮度方向破局成為一些企業新的發展方向。包括率先引入高亮度976泵浦技術的光惠激光、從事科研多年,憑借深厚技術底蘊投身工業制造的大科激光等。值得一提的是,在2020年掀起“國產萬瓦風暴”的創鑫激光,也在自身萬瓦激光優勢的基礎上向高亮度進軍,率先將高功率和高亮度優勢合二為一,開發出50um芯徑的萬瓦高亮度激光器。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        2022年6月中旬,創鑫激光在云端召開了《破曉——新技術路線發布會》,并在其中提到了萬瓦高亮度激光器的三大核心思想:高亮度泵源是實現高功率+高亮度的基礎、高集成單模塊方案是實現高功率+高亮度的路徑、有效抑制拉曼效應是實現高功率+高亮度的保障。實際上,早在多年以前創鑫激光就已圍繞這三大核心思想開始了技術布局。

        以高亮度泵源為例。在行業高集成泵源單纖輸出功率大約在300W左右水平時,創鑫激光已開始采用單纖600W輸出功率的泵浦源,目前已實現大于1500W的單纖泵源輸出功率。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        而創鑫的高集成單模塊方案早在2019年就開始量產實踐,從單模塊4kW,到單模塊5kW、6kW,12kW,通過大量實踐積累,優化提升了高集成單模塊解決方案,在最新發布的產品中采用高亮度一體化泵源集成技術,避免了多次合束造成的泵浦光能量損耗及輸出光光束質量劣化,確保了萬瓦高亮度得以實現。

        針對光纖激光不可避免的受激拉曼散射,創鑫激光另辟蹊徑,通過在諧振腔內采取拉曼抑制光柵和增益模式優化技術,并采取新型的輸出光纖設計,突破了常規拉曼非線性限制。

        國產光纖激光器崛起后——在價格戰焦土中尋找新出路

        從結果上看,創鑫激光發布的12kW“高功率+高亮度”技術路線,其光束質量BPP值為1.2,而普通多模塊12kW激光器的BPP約為3.5。按亮度公式計算,其亮度指標可達傳統多模12kW的8倍。從應用上看,當前主流激光加工切割是利用了激光的高能量,其本質是能量平衡的一個過程,激光功率代表了總能量,決定了能切多厚,而光束質量代表了能量的有效利用,對加工效率和效果有重要影響。同時具備高功率和高亮度為激光加工提供了更多應用場景和工藝優化空間,這為創鑫激光走向高精度加工、高端制造應用打下了堅實基礎。

        千帆競發——差異化路線格局漸顯

        近年來市場對高亮度的關注日益提升,但也由此引發另外一種擔憂:是否未來有一天,所有激光器企業會像當年涌入高功率賽道一樣,一起涌入高亮度賽道,使得我國激光行業從“功率卷”變為“亮度卷”,大家依然沒利潤?

        維科網激光認為,從目前行業的發展情況來看,并沒有呈現上述趨勢,反而呈現出差異探索、千帆競發的格局。例如,銳科激光最新發布的旗幟系列激光器,劍指高端應用,力求在目前依然被進口壟斷的細分市場實現國產替代;大科激光則進一步追求極致亮度,目前已在2000W功率實現M2=1.07(接近極致的光束質量),在5000W功率實現M2=1.38,通過極致亮度探索更前沿的應用場景;凱普林則瞄準體積更小、重量更輕、應用更靈活的方向,開發出全新閃電系列激光器,“less is more”的理念或將對激光產品之外的高端制造產生更深遠的影響。而率先在行業推出單模塊萬瓦高亮度的創鑫激光,則將沿著“高功率+高亮度”的路線進一步深耕,預計很快將推出更令行業震驚的高亮度單模塊20kW激光器、高亮度單模塊30kW激光器及配套加工頭。

        從現有情況來看,盡管短時間內價格戰仍然難以退潮,但各企業發力的焦點不再“唯一”是非常良性的趨勢。盡管本文重點著墨于高亮度激光的探討,但筆者同樣希望,高亮度只是激光行業未來諸多出路的其中一條。多元化的產品結構,差異化的技術路線,能夠為激光應用帶來更多樣的方案選擇和技術儲備,更有利于激光產業和高端制造業的發展。

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