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大国质造|从实验室到工业应用,国产绿光激光器技术的突破与应用

2024 08 28

大国质造|从实验室到工业应用,国产绿光激光器技术的突破与应用

在当下的制造业精密加工领域,一束绿色的光芒正引发一场技术革命。公大激光以其独特的高功率绿光激光器产品,不仅打破了国际巨头的技术垄断,更为中国制造业的升级提供了新的动力。


激光技术因其高精度、高效率的特点,在现代工业中扮演着越来越重要的角色。


在工业领域,激光被广泛应用于切割、焊接、打标、雕刻、清洗、熔覆以及3D打印等多种加工工艺。随着制造业向高端化、智能化的转型,光纤激光器因其性能优异、适用性强,在工业生产中的渗透率不断提升,市场份额持续增长。根据《2024中国激光产业发展报告》,2023年中国光纤激光器市场规模达到135.9亿元,同比增长10.8%,预计2024年将增长至145.3亿元。


中国激光行业经历了从技术引进到自主研发的过程,并在多个领域实现了技术突破和国产化。目前,中国激光产业已经形成了完整的产业链,包括上游的光电、芯片相关企业,中游的激光器及相关机械系统、数控系统生产企业,以及下游的激光加工设备制造商。


其中,绿光激光器作为新兴的高精尖技术产品,其国产化进程将为国内激光行业带来新的增长点。


与传统的红外激光器相比,绿光激光器以其510-560nm的特定波长,在光伏、锂电、3C电子、半导体等高反材料加工领域具有独特的应用优势。形象地说,绿光相当于一个更细的刀头,加工效果更佳,例如焊接铜时几乎无飞溅,加工尺寸可以到微米量级。


随着新能源行业的高速发展,特别是新能源汽车、航空航天等领域对高质量、高稳定性、高效率的焊接光源的需求快速上升,绿光激光器因其在铜材料加工中的低反射、高吸收率等优势,市场前景广阔。


当前,全球绿光激光技术的领先企业包括德国通快公司和美国IPG公司,它们能够提供超过3000W和1000W的超高功率绿光光源。近年来,国内市场也涌现出以公大激光为代表的掌握绿光激光器核心研发和生产制造工艺技术的公司,开始在工业激光加工领域崭露头角。


随着高端制造业的发展,对高功率绿光激光器的需求不断增加,国内绿光激光器市场规模在过去几年中保持高速增长:2023年国内光纤绿光激光器出货量约800台,销售额约为1.5亿,其中国产绿光激光器出货量在500台左右,出货量和销售额层面都有所增长,显示出国产替代的发展趋势。


成立于2019年末,公大激光专注高功率短波长的光纤激光器的研发制造,在不到五年的时间内,推出50—500W亚纳秒绿光激光器、100—3000W连续绿光激光器、10—100W紫外纳秒脉冲光纤激光器等系列核心产品,产品各项技术指标已经达到国际一流水平。

                                                                        

以绿光光纤激光器切入市场


公大激光创始人、CEO张帆博士有20年光纤激光器研发经验,见证了光纤激光器从实验室到产业化的过程。在中国南方工业研究院担任高级工程师期间,张帆看到了绿光光纤激光器的广阔发展前景,也对于产品化有了更深刻的理解。


张帆认为,在高功率激光器能满足需求的批量化生产的工业领域场景中,光纤激光器凭借其在成本效应、高稳定性和抗干扰能力等特性占有绝对优势,而且相较于固体激光器,光纤激光器的平均功率的提升空间更大,性价比更高。因此,目前在锂电、光伏行业以及切割焊接的重工业加工领域中使用的激光器类型以光纤激光器为主,只有光纤激光器无法满足参数要求的场景才有其他类型激光器的机会。


谈到为什么选择绿光切入激光器市场,张帆表示,彼时行业中已经有较多数量的国内激光器公司,但基本以红外为主,其中只有3家上市公司(锐科、杰普特、英诺),在各自的细分业务领域做到了行业龙头地位。


张帆用“空地”形容当时的绿光激光器赛道,“当时,绿光激光器这个领域可以说是为数不多的一片空地,我认为在这里扎根最有可能长成大树,所以选择了绿光激光器。”


尽管绿光激光器在市场上相对较新,但其技术基础已在实验室阶段得到了充分验证。


而且由于绿光的波长更短,在常用的铜、金、铝等高反金属材料的焊接和切割工序上有着热影响更小、精度更高、稳定性更高的特点,因此绿光激光器率先在锂电、光伏等多个大量运用铜铝材料的行业进行商业化应用。


张帆表示,“虽然绿光激光器的替换成本不低,并有一定验证周期,但长远来看,所有涉及铜相关加工的场景都应该使用绿光激光器,因为绿光的波长和铜材料就是最匹配的。”


公大激光自成立以来一直不断研发制造不同类型的高功率绿光光纤激光器,并持续探索开发行业应用和场景应用。相较于行业常见的红外激光器,公大激光主打的绿光激光器波长更短、功率更高、光斑尺寸更小,具备稳定性高、能量集中、电光转换效率高等优点,能够满足各种高精度、高效率的制造需求,是当前激光领域的研究热点之一。


据介绍,公大激光的绿光激光器产品主要分为主要用于光伏和锂电精密加工的高功率脉冲绿光激光器和主要用于锂电焊接的高功率连续绿光激光器。今年6月,公大激光最新推出了2000W近单模连续绿光光纤激光器,并已获得终端客户的测试验证,成为全球第一家能够提供2000W近单模连续绿光光纤激光器的激光器厂商。“单模”意味着光束质量更好,聚焦光斑更小,可以实现更精细的焊接和更高的加工精度,更好地控制绿光焊接过程中产生的飞溅情况,在铜等高反材料的精密加工上具有明显的优势。

大国质造|从实验室到工业应用,国产绿光激光器技术的突破与应用

  

将实验室理论变成可量产的工业产品


张帆表示,虽然绿光激光器的理论已经足够成熟,但是从实验室里的成熟理论到可以批量生产的商业化工业产品,公大激光走了一段很长的路。“我认为这也是科学家创业成功率低的原因,包括我在最开始的时候也低估了工程化能力的重要性:对于产品化而言,前面的实验室阶段只是产业化一百步中的前几步而已。”


张帆认为激光器量产的难点在于研发人员在设计方案时不具备完整成体系的可量产概念,因此,公大激光选择让质量和生产人员从立项研发阶段就参与进来,让最初的设计方案具备较强的可量产性。


在公大激光出现之前,德国通快的碟片激光器和美国IPG的光纤激光器基本垄断了全球绿光激光器市场。2021年,公大激光开始主推产品的研发转产工作,并于2022年后陆续实现量产。


目前绿光激光器与以铜为代表的高反材料在匹配度上拥有天然的绝对优势,但是生产厂商需要考虑使用绿光激光器后,产品良率和生产质量的提升带来的收益,是否能够覆盖替代原有方案所产生的成本。


因此,公大激光的市场策略是先从高端应用切入,满足那些红外激光器无法实现的精细加工需求。


公大激光是继通快和IPG之后全球第三家推出高功率绿光激光器的厂商,随着绿光激光器的规模化生产和国产化进程不断推进,国产绿光激光器的性能不断提升和成本不断下降,公大激光持续渗透下沉市场,扩大绿光激光器的市场份额。


张帆表示,随着国内相关产业技术的成熟,公司已逐步实现国产零部件全面应用,并确保产品的性能和稳定性。这一转变不仅有助于降低成本,更是对国内供应链能力的认可和实际支持。


值得注意的一点是,由于高反材料对绿光的吸收率较高,在同样的加工效果下,绿光激光器所需的实际工作功率和相应能耗会大幅降低,符合绿色制造的趋势,海外客户的接受意愿较高。在国内锂电和光伏企业积极出海、抢滩海外市场的趋势下,这一优势将更加突出。

大国质造|从实验室到工业应用,国产绿光激光器技术的突破与应用


从产品的每一个环节落实品质管理


每一款激光器都需要经过客户较长的考察期,从初步配合打样到机台试样再到小批量生产验证良率,这些步骤都是为了考量激光器的稳定性。因为产线一旦开启,尤其是对于光伏和锂电等大终端行业,激光器出现影响造成的损失远超于激光器本身的价值。


如何保证激光器的稳定性,成为每一个激光器厂商的必做题。


公大激光在IS09001质量管理体系的基础上,采用IPD流程开展每一款产品的项目管理,将设计研发、工程制造、品质管理等各个部门密切协同起来,实现更好的产品质量和更快的开发流程,“从TR1立项、TR2方案制定、TR3小批量验证、TR4转产到TR5的批量生产,每一个环节都有对应的工艺文件,由质量进行品质把关。我们相信,只要把流程中的每一步都把控好,最后输出的产品稳定性就能得到保证。” 例如公大激光自研的连续绿光激光器,功率最高可达3000瓦,“达到全球前沿水平,基本上能满足现在锂电90%以上的焊接需求”。


聚焦到“大国质造”,张帆表示非常明确:“在我这里,大国质造就是在公大激光擅长的高功率光纤绿光激光器这一品类做到全球第一。国外领先的激光器企业历史悠久,在全球范围内都有很高的品牌认知度和市场占有率,单凭一家激光器企业很难与之比肩,但是国内现在有几十上百家光纤激光器企业,依托国内的供应链优势和丰富的应用土壤,能够分别在各个细分品类上追赶超越。”


新产品研发方面,公大激光将会基于绿光,往更短波长方向研发紫外和深紫外激光器,主要应用于半导体领域的材料加工,预计明年正式推出百瓦量级的高功率紫外激光器;同时进一步优化成本,加强产品稳定性。


在绿光激光器这一细分领域,公大激光已经在技术指标层面实现领先,虽然在产品的市场规模和品牌认可度相比于通快和IPG有一定差距,但随着公大激光继续深耕短波长激光器技术,持续推出创新产品,逐渐在下游客户中建立品牌影响力,相信公大激光未来将为“大国质造”贡献更大力量。