摘要:軍工產(chǎn)品一般具有定制化、性能參數(shù)指標高、研發(fā)投入成本高等特性;工業(yè)化產(chǎn)品需要惡劣工業(yè)應用環(huán)境下的長期可靠性和穩(wěn)定性、高性價比、便于大規(guī)模生產(chǎn)。976nm泵浦技術以其高光電轉換效率、高能量密度、高整機功率重量比,一直都是高功率激光武器研發(fā)的絕對技術方向,以美國IPG、美國Nufern、美國FiberTech、美國nlight和德國Dilas等為代表的光纖激光器和零部件生產(chǎn)廠商也在歐美軍工項目的支持下持續(xù)引領976nm光纖激光器的技術發(fā)展。我國基于976nm泵浦技術的光纖激光器在軍工領域基本跟隨歐美的技術發(fā)展水平,在采購進口零部件為主滿足激光器技術發(fā)展的同時也通過中科院各研究所、大學、和國企等各方面的努力形成了一定的976nm技術零部件的配套能力。但是由于技術水平的限制,國內(nèi)工業(yè)激光器廠商基本沿襲低功率脈沖激光器的915nm技術路線。IPG自2005年開始就成熟掌握了976nm泵浦技術方案并且進入市場,目前是業(yè)內(nèi)976nm泵浦技術工業(yè)化應用最成熟的廠商。nLIGHT 2019年5月深圳激光博覽會展出基于976nm泵浦技術方案的萬W級光纖激光器。GW激光自從2015年在上海建立生產(chǎn)制造基地就致力于976nm軍工技術光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術的500W-12,000W工業(yè)用光纖激光器,上千臺的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗證了976nm技術成熟度,目前基本完成供應鏈的國產(chǎn)化,為976nm技術在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
01、軍工技術市場化
市場化是一項在開放的市場中,以市場需求為導向,競爭的優(yōu)勝劣汰為手段,實現(xiàn)資源充分合理配置,效率最大化目標的機制。
軍工技術發(fā)明,一般是尖端技術優(yōu)先應用領域,也是顛覆性創(chuàng)新的匯聚之地,絕大部分以服務國防重大工程為導向。研發(fā)周期長,投入成本高,相比于性能指標,研發(fā)出的產(chǎn)品在成本考慮上較少。軍工技術保密性高,相關的產(chǎn)品、專利、學術文章等公開發(fā)布較少,相關技術信息不對稱較高,市場上了解到的技術信息亦較少。
民用技術相比而言,產(chǎn)品信息更加開放,面臨市場上更多的同類或者類似產(chǎn)品、更多的潛在客戶、更大的市場空間和規(guī)模、更多同行業(yè)競爭對手,產(chǎn)品占據(jù)市場需要從產(chǎn)品的性能指標、穩(wěn)定性、價格、服務、推廣宣傳等多個角度去獲得客戶的認可。同時需要不斷的提高質(zhì)量、穩(wěn)定性、性能,降低成本、維修比例,從而提高利潤率。
軍工產(chǎn)品一般具有定制化、性能參數(shù)指標要求高、投入成本較高等特點;工業(yè)化產(chǎn)品需要穩(wěn)定性高、使用效果好、價格便宜。976nm泵浦技術路線的市場化需要考慮下面幾個因素:繼續(xù)保持軍工的性能參數(shù)指標,可靠性及7X24小時的惡劣環(huán)境的服役穩(wěn)定性高,工業(yè)化的應用效果好(比如切割斷面質(zhì)量好、焊接結合力高、節(jié)能省電等),產(chǎn)品標準化、規(guī)?;潭雀撸骷悴考墓湹膰a(chǎn)化、體系化完善,技術升級降低原材料使用。
摻鐿光纖在976nm的吸收率是915nm泵浦波長的3倍以上,976nm泵浦技術方案的單模高功率相比915nm泵浦技術路線,可以實現(xiàn)3-5kW的單模組高功率激光器,3000W以內(nèi)可現(xiàn)實M2<1.2,同功率單模產(chǎn)品可實現(xiàn)的光束質(zhì)量更高。同時,相比于國內(nèi)的915nm泵浦路線的25-30%光電轉化效率,976nm泵浦技術路線光電轉化效率超過42%,在6kW以上的超高功率激光器節(jié)能省電特點及帶來的經(jīng)濟性被充分認識并且是各大激光設備商一直追逐的方向。如下表所示,10kW的將會省電近40萬元,這將會給終端客戶帶來巨大的經(jīng)濟效用。
備注:(工業(yè)用電假定1元一度,開機時間按照16小時)
可靠性及7X24小時的惡劣環(huán)境的服役穩(wěn)定性高。976nm泵浦技術的穩(wěn)定性的提高經(jīng)歷了一個過程,由于976nm波段的吸收峰較窄:在工作環(huán)境溫度變化時,泵浦源中心波長的漂移造成增益有源光纖吸收率大幅變化,容易導致光纖激光器整機性能指標波動。傳統(tǒng)的軍工使用的是微通道進口二級體,冷卻效率高,軍用使用較為謹慎,使用人員專業(yè)性較高,不易發(fā)生水路堵塞。工業(yè)客戶如果采用了普通的自來水及普通水冷機,在使用一段時間后會出現(xiàn)高溫報警問題,而工業(yè)客戶習慣了915nm泵浦路線的較低的水壓和自來水的冷卻系統(tǒng)。目前GW及合作伙伴國內(nèi)廠商擯棄了進口的微通道技術,提出了間接冷卻方案,除保證泵浦源的穩(wěn)定工作溫度之外,可直接使用純凈水進行冷卻,無需專門配備去離子水、離子柱濾芯以及高壓水冷機等,同時保證了7X24小時的穩(wěn)定使用。
在使用效果上,由于其光束質(zhì)量更高,在切割領域,其切面錐度更小、切割斷面紋路更細,同時在薄板材的切割速度更快;在焊接領域,976nm泵浦的單模高斯分布能量密度高,這在鋰電池等精密焊接領域擁有著獨特的技術優(yōu)勢,其中3000W@20um細光芯的單模輸出可滿足硅鋼片的快速切割、動力電池滿足熔深的要求下完成高質(zhì)量的高速焊接。在超過功率領域,由于單模組功率高,通過激光合束的多模光束質(zhì)量高,高階模態(tài)光較少,切割斷面效果和錐度較好。
通過規(guī)?;圃欤⑶耶a(chǎn)品型號標準化,產(chǎn)品的原材料采購批量化、固定生產(chǎn)、制造、檢測程序并且分解到每一個技術工人可操作可檢驗的程度,保證了高良品率,提高了產(chǎn)能產(chǎn)量。通過把單模組的1000W/1500W/2000W/3000W變成標準化產(chǎn)品,并且把多模組4000W/6000W/8000W/12000W變成基于單模塊的標準化成品,機柜、機械結構件、光學器件、電子電路都成為通用零部件,大大提高了產(chǎn)品批量化生產(chǎn)制造的效率。
器件零部件尤其是核心光學器件供應鏈的國產(chǎn)化直接絕對了技術的市場化程度和產(chǎn)品競爭能力,相比于進口的核心器件,國產(chǎn)的器件成本幾乎為進口的一半左右。其中,進口976nm泵浦源的價格接近為國產(chǎn)915nm泵浦源的3倍,占據(jù)物料成本一半以上的泵浦源的國產(chǎn)化大大降低了成本。同時擯棄了進口的微通道技術,使用間接冷卻方案的泵浦源更是提高了穩(wěn)定性,保證了7X24小時的穩(wěn)定使用。976nm泵浦源的國產(chǎn)化以后,976nm泵浦源的單瓦價格和國產(chǎn)915nm泵浦源價格基本持平。正反向合束器,尤其是反向合束器,亦是通過近幾年的國產(chǎn)化,目前此器件的國產(chǎn)化加速了產(chǎn)品成本的進一步下降。其他的光學器件亦是在國產(chǎn)化驗證進程中,整個供應鏈都在向著國產(chǎn)化的方向前進。
976nm單模塊相比于同功率915多模塊大大減少原材料使用。976nm泵浦技術路線可實現(xiàn)單模單腔3000W,元器件的成本降低較多,相比如多模塊的元器件使用對比如下:
我們認為由于性能參數(shù)指標好,可靠性及穩(wěn)定性高,工業(yè)化的應用效果好,產(chǎn)品標準化、規(guī)?;潭雀?,器件零部件的供應鏈的國產(chǎn)化、體系化完善,976nm泵浦技術方案替代915nm泵浦技術是一個趨勢,尤其是6kW以上的超高功率產(chǎn)品。未來在2000W以內(nèi)產(chǎn)品,915nm及976nm泵浦技術方案皆可;3000W單模組產(chǎn)品,目前915nm泵浦技術尚不成熟,976nm泵浦技術方案可以實現(xiàn),目前GW可實現(xiàn)20um輸出,M2<1.2,在動力電池焊接、激光軍工應用上具有明顯優(yōu)勢; 6kW以上多模產(chǎn)品,節(jié)能及高光束質(zhì)量優(yōu)勢明顯,以8kW為例,BPP達到3.5mm.mmrad,國內(nèi)同行尚且無法做到,30mm碳鋼切割紋路細,切割錐度10um以內(nèi)。
IPG成立于1990年,IPG自2005年開始就成熟掌握了976nm泵浦技術方案并且進入市場,此時光纖激光器工業(yè)化應用化較為早期,是市場上尾數(shù)極少掌握光纖激光器技術的廠家,市場競爭較弱,主要是市場推廣和客戶接受光纖激光器并且尋找應用場景的階段。2010年以后,IPG通過不斷的技術迭代、產(chǎn)品升級、應用探索、市場推廣,目前是業(yè)內(nèi)976nm泵浦技術工業(yè)化應用最成熟的廠商。
nLIGHT成立于2000年,最初的業(yè)務主要為提供泵浦源模塊,其擁有服務于科研軍工的業(yè)務部門,并且對外提供976nm的泵浦源,在2019年5月深圳激光博覽會展出萬W級光纖激光器之前,一直采用市場上較為通用的915nm泵浦源,目前nLIGHT為在超高功率激光器探索使用976nm泵浦技術的廠商之一。
國內(nèi)探索976nm泵浦技術方案是自2012年開始,有廠家開始推出基于976nm波長的DILAS泵浦源作為二級體的光纖激光器,推出800W/1000W光纖激光器,由于一直沒有解決溫控問題,輸出性能的穩(wěn)定性一直無法達到客戶的使用要求。鑒于此廠家技術路線的失敗,一段時間內(nèi)行業(yè)內(nèi)對于976nm泵浦技術的市場化持有較為保守態(tài)度,部分甚至認為此技術方案不適合市場化。
GW激光自從2015年在上海建立生產(chǎn)制造基地就致力于976nm軍工技術光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。GW于2016年推出基于976nm泵浦技術的2000W單模單腔激光器,與2017年推出基于976nm泵浦技術的3000W單模單腔激光器,局時,此單模單腔功率為業(yè)內(nèi)首創(chuàng),國內(nèi)同行仍舊處于基于915nm泵浦的1000W,部分在嘗試1500W,國際上僅有極少數(shù)同行在嘗試2000W的單模單腔產(chǎn)品。但是此產(chǎn)品市場的推廣難度較大,一方面,泵浦源、合束器及其他主要光學器件均采用進口而且采購數(shù)量少,導致價格居高不下;另外一方面,單模單腔的能量密度過高,國產(chǎn)激光切割頭無法匹配,而一般需要匹配進口的承受多模功率超過6kW的切割頭及對應的高壓水冷機等;此外,單模高功率的應用技術尚在推廣早期,部分切割工藝尚未完全開發(fā),在厚板切割上并未體現(xiàn)與同功率多模組相同的效果,因此,客戶尚不能完全接受并且推廣至終端用戶。2018年以后,產(chǎn)品競爭進一步加劇,降低成本的要求尤為迫切,因此國內(nèi)同行開始逐漸推出單模組2000W甚至單模3000W的激光器,部分已經(jīng)將2000W單模激光器成熟應用于工業(yè)加工中。截至目前,GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術的500W-3000W工業(yè)用單模激光器及4000W-12,000W工業(yè)用多模光纖激光器,上千臺的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗證了976nm技術完全可以滿足工業(yè)應用更嚴格的可靠性要求,而且在這個過程中通過和國內(nèi)合作伙伴的持續(xù)努力,已經(jīng)基本完成供應鏈的國產(chǎn)化,為976nm技術在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
來源:激光制造商情
文稿/光惠激光
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