Bill Shiner，IPG Photonics 工業(yè)激光器副總裁
早在2002年IPG就推出了第一臺(tái)千瓦級(jí)光纖激光器。自此，采用光纖激光器的生產(chǎn)應(yīng)用迅速增長。今天，光纖激光器成為大多數(shù)采用激光技術(shù)的主流生產(chǎn)應(yīng)用及取代傳統(tǒng)焊接與切割工藝的選擇。證明這一趨勢的是IPG公司近幾年來超過兩位數(shù)的同比增長。這一階段，傳統(tǒng)的生產(chǎn)用于材料加工的CO2及固態(tài)激光器的公司，卻經(jīng)歷了銷售額下降或最多個(gè)位數(shù)的增長。幾家公司雖然已經(jīng)開始推出光纖激光器，然而IPG Photonics已經(jīng)持續(xù)占有超過70%的光纖激光器市場份額。
IPG Photonics 銷售增長
如此高的市場份額的根本原因很好理解：光纖激光器為用戶提供了最低的運(yùn)行成本，最好的光束質(zhì)量，最低的用電量和最少的維護(hù)。重量輕、體積緊湊的激光器可以在幾小時(shí)內(nèi)安裝完成，無需許多固態(tài)激光器所需要的防護(hù)罩。光纖激光器不同于采用光纖傳輸?shù)墓虘B(tài)碟片激光器，因?yàn)榈す馄鞑痪邆湔嬲娜饫w激光器所能提供的性能優(yōu)勢。
市場上有幾種類型不同、波長為1070 nm、供不同應(yīng)用選擇的光纖激光器。這些包括了功率為50 W至100 kW、連續(xù)操作模式的激光器。另外還有具有高峰值功率、低平均功率、被稱為QCW的激光器——例如，脈沖模式下的峰值功率為20 kW、連續(xù)模式下的平均功率為2000 W。第三種主要的光纖激光器是具有豐富的產(chǎn)品線的、有非常高的峰值功率和脈寬范圍為皮秒至納秒的短脈沖激光器。
8 kW以上功率的切割版光纖激光器被越來越多的切割集成商使用
所有這些激光器都使用電信級(jí)的高穩(wěn)定性激光泵浦二極管和摻鐿激活光纖作為增益介質(zhì)。千瓦級(jí)激光器采用模塊化設(shè)計(jì)。比如，一臺(tái)20 kW的激光器由多個(gè)1200 W的模塊通過一根100 μm的輸出光纖合束而成。這就可以通過加模塊來不斷提高輸出功率而非增加元件或降低穩(wěn)定性制造這些激光器。低功率連續(xù)光纖激光器包含單個(gè)模塊，采用風(fēng)冷。脈沖激光器還可以通過放大頻率獲得紫外或綠光的波長。
被生產(chǎn)廣為采用的連續(xù)光纖激光器
光纖激光器被汽車行業(yè)中的不同應(yīng)用迅速接受并有加速的趨勢。由于光纖激光器易于與工業(yè)機(jī)器人集成，能夠減少焊接保護(hù)氣體氦氣的使用，并具有卓越的光束質(zhì)量，所有主流汽車公司及他們?nèi)虻墓?yīng)商采用了光纖激光器來滿足他們對(duì)生產(chǎn)的嚴(yán)格要求。汽車工業(yè)一直為生產(chǎn)輕量化和更安全的車輛不斷努力。這就產(chǎn)生了能使用激光工藝的許多應(yīng)用。更多采用了高強(qiáng)鋼和鋁合金的車輛設(shè)計(jì)和輕量化自動(dòng)變速器的引入為使用光纖激光技術(shù)制造了大量機(jī)遇。用于汽車制造的光纖激光器通常功率為2-6 kW, 具體情況根據(jù)切割或焊接應(yīng)用的需求決定。這些應(yīng)用包括焊接拼焊板，切割及焊接高強(qiáng)鋼，焊接氣囊組件，焊接鋁車門內(nèi)部和框架等等。
鈑金及3維切割市場經(jīng)歷了從CO2激光器到光纖激光技術(shù)的轉(zhuǎn)變。2015 年，在美國金屬加工展及焊接展會(huì)FABTECH上，12家激光切割機(jī)系統(tǒng)集成商采用IPG千瓦級(jí)光纖激光器進(jìn)行展示。這些激光器表現(xiàn)出比CO2激光器更快的切割速度，切割成本也更低，卻具有CO2激光器所不具備的切割能力，例如切割黃銅和紫銅的能力。
切割行業(yè)的趨勢是采用更高功率的光纖激光器，因?yàn)榧缮烫岣吡饲懈顧C(jī)的切割速度和切割厚度能力。標(biāo)準(zhǔn)的切割機(jī)功率最低為2 kW，功率為6 kW的切割機(jī)開始普及。切割速度和厚度也隨著功率提升的趨勢發(fā)生了變化。位于伊利諾伊州Rockford的Megafab/Whitney，在FABTECH展示了采用IPG Photonics 12 kW光纖激光器的切割機(jī)，以超過12,700 mm/min的速度在2015 FABTECH現(xiàn)場切割，切割厚度為16 mm。值得注意的是光纖激光切割已在該厚度的切割上勝過了等離子切割。
焊接市場的使用的光纖激光器大部分功率范圍為2 kW至6 kW,主要用于焊接、釬焊和熔覆。這些激光器通常與機(jī)器人集成，所涉及的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，是因?yàn)樗鼈儙缀蹩捎糜谏a(chǎn)制造中的任何領(lǐng)域。光纖激光器在焊接應(yīng)用上的增長不僅歸功于取代傳統(tǒng)技術(shù)，還歸功于從MIG焊和TIG焊接系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。焊接應(yīng)用也有向更高功率拓展的市場擴(kuò)張。有一部分原因是由于運(yùn)營成本的降低，但更多是由于意識(shí)到高功率光纖激光器在焊接厚壁結(jié)構(gòu)時(shí)的潛力。
具有10-100 kW連續(xù)輸出功率的能力，光纖激光器在全球石油天氣燃?xì)?、航天及科研?shí)驗(yàn)室的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展。由于緊湊、高效光纖激光器的出現(xiàn)，一些超高功率連續(xù)激波光纖激光器實(shí)現(xiàn)了室外移動(dòng)材料加工應(yīng)用。第一臺(tái)安裝在美國的50 kW系統(tǒng)于2015年秋季交付使用。該系統(tǒng)用于深熔焊，焊接包括紫銅在內(nèi)的多種材料，焊縫深度超過25 mm，獲得了高質(zhì)量焊縫。第一臺(tái)100 kW光纖激光器于2014年運(yùn)往亞洲市場。該激光器采用300 μm傳輸光纖，焊縫深度超過125 mm。這些超高功率激光器將繼續(xù)爭奪通常由電子束焊接所涉及的應(yīng)用，而且具有無需真空的優(yōu)勢。
既有單模又有多模配置的低功率連續(xù)激光器也獲得了兩位數(shù)的增長。輸出功率為400-1000 W的單模激光器成為激光3D打印光源的首選。激光3D打印需要有固定熔池的40-60 μm的光斑以及快速響應(yīng)時(shí)間，IPG的單模光纖激光器均能滿足這些條件。單模激光器還廣泛的應(yīng)用于高速切割電池行業(yè)中的薄板材料以及其他各種應(yīng)用中的微米級(jí)的孔。具有連續(xù)輸出功率和高調(diào)制頻率的多模激光器在傳感器、醫(yī)療器材和電腦行業(yè)持續(xù)擴(kuò)展市場份額。切割醫(yī)用支架、焊接壓力傳感器和不銹鋼剃須刀片都是規(guī)模化生產(chǎn)改用光纖激光器的實(shí)例。
工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于QCW激光器的使用
峰值功率為23 kW的QCW激光器用于航天零件的鉆孔
QCW光纖激光器的研發(fā)初衷是在連續(xù)模式輸出時(shí)還要具備激光焊接、切割或鉆孔等所需要高峰值脈沖能量的能力。這類激光器可以動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換連續(xù)和調(diào)制的操作模式和功率水平。QCW激光器，具體從峰值功率為1.5 kW、平均功率為250 W的產(chǎn)品，到峰值功率為23 kW、平均功率為2300 W的產(chǎn)品，有幾種不同型號(hào)。該激光器的應(yīng)用包括低功率范疇內(nèi)被醫(yī)療器材、電腦、移動(dòng)電話和電池行業(yè)廣泛應(yīng)用的低功率精密焊接、切割和鉆孔。峰值功率高達(dá)20 kW、平均功率為2000 W的激光器正在航天行業(yè)里對(duì)用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上成千上萬個(gè)冷卻孔的鉆孔應(yīng)用中快速取代YAG激光器。這些激光器鉆孔質(zhì)量更高，速度更快，具有更高的符合制造標(biāo)準(zhǔn)的一致性。QCW光纖激光器已成為需要高峰值功率的點(diǎn)焊和高速連續(xù)輸出模式的線焊應(yīng)用中YAG激光器的直接替代者。
替代全球成千上萬現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中使用的YAG激光器的機(jī)遇使QCW光纖激光器獲得了巨大的成功。QCW激光器的易于使用使客戶體驗(yàn)到了光纖激光器穩(wěn)定、低成本等諸多優(yōu)勢。
脈沖光纖激光器的使用
用于打標(biāo)等精密加工應(yīng)用的脈沖光纖激光器
應(yīng)用于打標(biāo)等精密加工應(yīng)用脈沖光纖激光器確實(shí)為行業(yè)掀起了一場革命。2014年IPG交付了超過13000臺(tái)脈沖激光器。這些激光器通過打標(biāo)集成商出售給所有制造領(lǐng)域中的終端用戶。主要的終端用戶包括電池、醫(yī)療器材、電腦、移動(dòng)電話和消費(fèi)品制造商。
用于金屬打標(biāo)的光纖激光器對(duì)市場占有的份額預(yù)計(jì)超過80%。其他大量使用脈沖激光器的應(yīng)用包括太陽能行業(yè)的涂層燒蝕，移動(dòng)電話行業(yè)的玻璃及藍(lán)寶石切割和汽車及電池制造商需要的多種清洗應(yīng)用。脈沖激光器產(chǎn)品線新增了包括波長為355 nm的紫外激光器和波長為532 nm的綠光激光器。這些激光器已經(jīng)向（非光纖激光器的）傳統(tǒng)技術(shù)控制的市場進(jìn)軍。
光纖激光器的未來
新的光纖激光器以不同波長、峰值功率、性能參數(shù)以及成本優(yōu)勢進(jìn)入市場，將持續(xù)獲取現(xiàn)有激光技術(shù)具有的市場份額，因此光纖激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域有著光明的未來。幾家激光器制造商都進(jìn)入了光纖激光器領(lǐng)域，努力通過其光纖激光器重新獲取其市場份額，這將進(jìn)一步助推光纖激光成為市場的主流技術(shù)。
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