万瓦激光稳定性难题如何解决?掌握核心光学器件是关键

时间:2020-08-25 16:10来源:商讯作者:Jucy 点击:
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摘要:自光纤激光器进入应用市场以来,凭借光束质量好、加工效率高、运行/维护成本低等诸多优势,迅速占领了大量市场份额。经过多年的发展,光纤激光切割市场也愈发成熟,并不断衍生新工艺和新技术,尤为明显的是应用功率越来越高。目前,万瓦以上的功率段已成为光纤激光厂家的主战场,不论是设备商还是激光器厂家都在此展开激烈竞争。 万瓦市场发源行业发展的必然 谈

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自光纤激光器进入应用市场以来,凭借光束质量好、加工效率高、运行/维护成本低等诸多优势,迅速占领了大量市场份额。经过多年的发展,光纤激光切割市场也愈发成熟,并不断衍生新工艺和新技术,尤为明显的是应用功率越来越高。目前,万瓦以上的功率段已成为光纤激光厂家的主战场,不论是设备商还是激光器厂家都在此展开激烈竞争。

万瓦市场发源——行业发展的必然

谈到万瓦的激光应用,有人认为这是国内厂家搞的“花架子”,是不实用的宣传噱头。但OFweek激光网认为,万瓦激光得以应用并逐渐被市场认可,是行业发展的必然走向。一方面是因为市场竞争压力加大,千瓦市场早已红海化,设备厂商不得不在更高功率的应用上寻求出路,打破市场僵局;另一方面在于,更高功率意味着更高加工效率、更强加工能力、更低加工成本,符合国内市场快速变化的节奏和大量增加的需求。

图片来源:创鑫激光

熟悉光纤激光切割发展历程的朋友们都知道,2011年光纤激光器开始用于金属切割应用,当时市场竞争的焦点在于光纤好还是CO2好。而随着光纤激光器优势逐步凸显,2014年开始成为切割应用的主流(当时主要是500W)。由于光纤激光器模块化的结构大大简化了功率提升的难度,因此当应用市场打开后光纤激光器也迎来了自身的大发展,功率从500W到1000W,然后是2000W、3000W、6000W,一路走高。

2014年后,伴随着光纤激光器技术革新,我国激光切割市场也迎来快速发展。据OFweek产业研究院数据显示,我国激光切割设备市场规模从2014年的86亿元增长至2019年的266亿元,短短几年内市场规模增长309%。与此同时,市场上从事激光切割设备生产的厂家也呈爆发式增长,从大族激光一枝独秀进入到百花齐放的竞争局面。截至2019年末,已有超过1000家企业从事激光切割设备的研发、生产、销售。大量竞争者的涌入给整个行业带来新的动力,也不可避免出现同质化竞争的现象,市场随之红海化。这给业内企业带来了更多压力,也促使企业不断进行技术变革。2017年,奔腾激光、大族激光先后完成12kW激光切割机的装机投产,推动激光切割应用走向万瓦时代。

数据来源:OFweek产业研究院

OFweek激光网 制图

激光切割市场走向万瓦的发展路径,与设备厂因竞争压力大做出技术改变有关,但更重要的是高功率带来了非常明显的效率提升,大大满足了终端市场的发展需要。早期推出12kW激光切割机时,部分厂家公开的数据显示12kW加工效率较6kW提升155-300%。而目前实用的最高功率为20kW,较12kW再度提升了55-450%。对终端用户而言,效率提升带来的最直观的改善,就是大幅降低了材料每米的加工成本,换言之,即大幅提升了每米的加工收益。而加工户效益的提升,也连带带动了下游产业的成本降低,提升资金运转效率,加速产业升级进程。

因此,不论是从设备厂的角度,还是从市场需求的角度来看,万瓦激光的应用都是行业发展的必然走向。

万瓦市场现状——产业百花齐放 核心器件承压

如前文所说,目前激光切割市场呈现百花齐放的局面,万瓦市场也不例外。在大族激光、奔腾激光、华工激光、迅镭激光、领创激光、宏山激光、邦德激光等设备厂商的共同努力下,万瓦的应用难题被逐个解决,但有些难题依然存在。

功能部件是功率进一步提高的最大制约。尽管2019年工博会上不少企业推出了号称30kW的激光切割头,但真正得到市场验证的还停留在20kW,并且从多家终端用户的反馈来看,目前20kW切割头内聚焦镜的寿命偏短,半年内需更换多次。这体现了目前高功率切割头遇到的瓶颈。

除功能部件外,激光器本身存在的问题也值得关注。据OFweek激光网了解,在万瓦激光器国产化进程中,出现了较多功率衰减、模块损坏、合束器报废等事件,返修率居高不下。这反映出高功率激光器的器件水平也会成为万瓦应用发展的制约。

万瓦技术破局——如何保证万瓦激光器稳定?

眼下,确保高功率功能部件稳定的解决方案还在不断探索,但万瓦光纤激光器的稳定已找到出路。实际上保证万瓦激光器的稳定,关键在于保证激光器核心器件的品质与寿命。换言之,提升关键器件的寿命和更高功率的耐受度,是保证更高功率光纤激光器稳定的基础。

目前万瓦激光器易出故障的器件主要是光纤前端的输出头(LOE、QBH)、剥模器、合束器等,同时高反材料也容易造成激光器故障。尽管国内众多光纤激光器制造商都在致力于解决上述难题,但能实现核心器件自产把控器件品质、解决上述问题的企业寥寥无几。

激光输出头能够实现将激光在应用场地远距离柔性输出,从而将输出激光传导至加工材料上,完成激光加工应用。但作为传能光纤和功能部件的连接点,激光输出头承受着巨大的激光能量。当功率逐渐提高至万瓦甚至2万瓦时,激光输出头的故障率自然升高。

一体化超高功率激光输出头

图片来源:创鑫激光

OFweek激光网了解到,深圳创鑫激光采用独特的光学材料和特殊的光学冷加工工艺,开发出一体化LOE结构,提高了在超高功率输出环境下激光输出头的可承受范围,并具有更高的定位精度、更好的刚性强度及更可靠的装配稳定性。此外,这种结构避免了转接母头的转接,可以运用在更大加速度的场景,同时由于没有转接母头的限制,可以加大一体化LOE的局部功能尺寸,使之具备更低的水流流阻、更大的散热表面积及更多的抗回光设计空间,从而保证使用过程中的稳定性和可靠性。

剥模器的作用主要是剥除光纤包层中的杂散光,保护相关器件,提高输出激光光束质量。目前业内的剥模器多采用水冷解决方案,但这种方案存在较高风险,如湿气较高、容易漏水,使其长期稳定性存在隐患。而创鑫激光采用风冷解决方案,避免了水冷容易出现的问题,提高了剥模器的长期稳定性,也进而保障了激光器整体的稳定性以及输出更高光束质量的激光。

合束器分为泵浦合束器和能量合束器。泵浦合束器能够将多个泵源的激光耦合入光纤,实现更高功率的泵浦激光输出,是实现高功率单模块光纤激光器输出的关键器件。能量合束器则是将多路高功率单模块光纤激光器模块能量叠加,是多模激光合束输出的基础。据了解,创鑫激光近年来不断突破合束器核心技术,在提高合束功率的同时也不断提升耦合效率。目前创鑫激光已能够在2万瓦甚至更高功率的激光器实现100μm芯径输出。

为何创鑫激光能够解决万瓦激光器的器件难题?在OFweek看来,这与创鑫激光所走的技术路线有关。追溯创鑫激光的发展历程可见,创鑫激光最开始并不从事光纤激光器的生产与制造。成立之初(2004年),创鑫激光主要为科研院所定制无源光学器件,初创团队的核心技术人员均拥有十余年光学器件研发经验,在激光光学器件及器件上游的光学原材料冷加工上有很强的技术沉淀和行业资源。2008年,创鑫激光成功研制出首台光纤激光器并实现销售,正式进入光纤激光器市场。

此后,创鑫激光一直坚持“器件先行”的研发策略,使用自行设计、生产的光学器件,提高了产品的一致性和稳定性,缩短了新产品推出时间,具备更大的成本下降空间,有力地提升了产品市场竞争力。凭借器件领域深厚的技术积累,创鑫激光逐步打造万瓦器件阵容,为万瓦激光器产品的稳定性提供坚实保障。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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