原子受激輻射的光,被稱為“激光”。小小的光束里蘊藏著大大的能量,具有強大的破拆能力,是近年來各國武器研發的前沿領域。但其實,它也可以用來切割和焊接,在民用工業上有著非常廣泛的用途。
在武漢,有一家企業專門研究如何把激光的效果發揮到極致,讓激光技術助推中國傳統制造業轉型升級。它以激光設備的“心臟”——激光器為主業,牽頭制定了我國第一部光纖激光器行業標準,獲得了“國家技術創新示范企業”“制造業單項冠軍示范企業”等多項榮譽。
高精度、高密度和高能量的激光,不僅可以做成“御敵于千里之外”的高科技產品,還可以焊接國產大飛機,也可以給小小的飲料瓶蓋打上日期標簽。在武漢,有一家企業,他們生產研發的激光器能實現單光纖22000瓦的激光輸出,而1萬瓦功率的激光器只有不足1立方米大小。今天,中國之聲特別策劃《隱形冠軍》來到武漢,和您一起尋找“最快的刀,最準的尺,最亮的光”。
小小的激光光束
工業用途極為廣泛
提起激光,你會想到什么?激光焊接、光纖通信、激光雷達,還是激光美容?其實這只是激光應用的很小一部分產品。激光技術,可以在許許多多的工業領域造福人類社會。
武漢銳科光纖激光技術股份有限公司副董事長兼總工程師閆大鵬說,在中國,激光智能制造產業正在助推傳統制造業轉型升級。
公司副董事長兼總工程師 閆大鵬:激光制造主要是切割,包括金屬材料、非金屬材料都可以用激光切。另外是焊,比如說不同的兩個材料,鋁板、鋼板把它焊到一塊,或者說同樣的材料把它焊到一塊,用的最廣的比如咱們的C919(大型客機)。很多飛機過去都用鉚釘,現在鉚釘都去掉,用激光焊接。另外就是清洗,激光一打把金屬表面的銹都給你打掉。另外是打孔,細到幾個微米、粗到比較大的孔用激光來打孔。還可以3D打印,用激光把金屬粉末慢慢堆起來。
△銳科激光總部研發大樓
走進武漢銳科光纖激光技術股份有限公司位于東湖新技術開發區的總部,不同型號、不同大小的激光設備正在有條不紊地進行各種測試工作。隨著一道明亮的光束滑過,一塊16厘米厚的鋼板被精準地切割成兩截,切口光滑平整。公司連續激光器產品研發部部長陳明介紹,和傳統的火焰切割相比,激光切割不僅切縫小、錐度好,而且更加節能環保。
公司連續激光器產品研發部部長 陳明:以前是用火焰切割,那種切割出來它的切縫會很寬,浪費材料,效率比較慢。激光器的一個優點就是它的光束比較好、比較小,我的切縫就比較小,然后我的錐度比較好。其他的火焰切割或者其他形式的切割有很大的斜角,平整度不好,而有的工件是需要上下錐面一致的。第二個是激光器它的效率非常高,能耗比較低,而且沒有污染,這是最大的兩個優點。
突破技術壁壘
要從一根小小的光纖做起
切割厚厚的鋼板,是激光“穿透力”的最直觀體現。也正是這種強大的穿透能力,讓率先發展激光技術的歐美國家,在出口激光設備的時候端足了架子,生怕我國掌握了核心技術。
2007年,公司副董事長兼總工程師閆大鵬從美國辭職回國創業。那時,國內的激光企業極度依賴國外激光器產品。從歐美進口的激光器不僅價格昂貴,還要經受一些發達國家商務部等部門的層層審查。大功率的激光設備,甚至被一些國家直接列入了“禁運”名單。
公司副董事長兼總工程師 閆大鵬:因為他怕你把功率提高了。銳科成立之前,基本上中國(激光器)市場都是國外的,價格貴,而且有技術封鎖、市場壟斷。中國是激光器最大的消費市場,但是你還得靠它。當時咱們國內企業都是買國外的產品,受了很多氣。最后他們就決心從國際上去找一個能做激光器的華人回來,就把我給找回來了。
對各種用途的激光設備來說,激光器是相當于“心臟”的核心器件,占據了激光設備成本的半壁江山。而這,正是閆大鵬帶領銳科團隊主攻的方向。
△半導體激光器器件目檢
要想研發出功率更高、更加耐用的激光器,就連一根頭發絲粗細的光纖,都需要嘗試全新的設計方案。為助推激光器核心器件——特種光纖的升級,銳科激光收購了睿芯光纖。睿芯光纖副總經理、副總設計師劉銳透露,從2018年,他們嘗試“顛覆”國外技術,研發更適應國內產業需要的產品,到如今,他們生產的激光器中,一根激光光纖已經可以做到蘊藏2萬多瓦的巨大能量。
睿芯光纖副總經理、副總設計師 劉銳:我們光纖激光器的核心就是特種光纖。先制備光纖預制棒,然后把光纖預制棒進行拉絲,最后拉成這種像頭發絲這么細的、幾百微米這么大小的特種光纖。去年開始,有別于進口的這種八邊形的光纖,我們做了圓形的光纖。我們現在可以實現單光纖22000瓦的激光輸出,一根頭發絲大小的這種光纖就可以實現22000瓦的激光輸出。
△中外版本光纖預制棒對比 左為中國自主研發的圓形光纖預制棒,右為國際通用版八邊形光纖預制棒
2018年,銳科激光正式掛牌上市,成為國內首家以激光器為主業的上市公司。作為國產光纖激光器的龍頭企業,公司在2016年牽頭制定了我國第一部光纖激光器行業標準,并先后承擔了國家科技支撐計劃、國家863計劃、國家重大專項、國家重點研發計劃等有關光纖激光器的研發項目,獲得了“國家技術創新示范企業”“制造業單項冠軍示范企業”“中國工業大獎提名獎”等多項榮譽。
中國制造激光器
讓激光產品“飛入尋常百姓家”
隨著中國制造激光器突破技術壁壘實現量產,激光產品的價格大幅跳水。1瓦功率的半導體激光器,原本要200元,如今的市場行情已經降到了3元左右。公司的毛利潤降低了,閆大鵬卻認為,這是一件好事。
公司副董事長兼總工程師 閆大鵬:資本市場一聽說你會做激光器,馬上就有投資公司投給你。所以現在中國的光纖激光器產業非常火爆,我算了一下有26家在做光纖激光器,比全球加起來還要多幾倍。原來進口一臺1萬瓦的激光器要800萬,現在多少呢?現在輸出12000瓦的激光,市場上便宜賣到16萬塊錢。價格下降了大概不止20倍,但市場擴大了100倍。
在與國內外其它品牌的激烈競爭中,“領軍企業”如何保持自身的競爭優勢?他們給出的答案是不斷創新突破,讓自己的技術研發實力始終在國內同行業中保持領先水平。如今,公司研發形成了單模組連續、多模組連續、脈沖光纖激光器等系列產品。其自主研發的多款連續光纖激光器獲科技部“國家重點新產品”稱號,國內首臺10萬瓦超高功率激光器入選“2021年中國光學領域十大社會影響力事件”。
△半導體激光器SAC自動生產線
持續不斷的創新突破,不僅讓激光器功率不斷提高,設備集成度也在提升,產品變得越來越精巧。曾經只能輸出1萬瓦功率的大型激光器,如今可以實現10萬瓦輸出,而1萬瓦功率激光器的體積大小已經縮小到不足1立方米。中國光學學會激光加工專業委員會副主任、華中科技大學光電信息學院教授唐光霞說,萬瓦級別的激光切割器成為批量生產的常見品,為更好的技術應用打開了新的大門。
中國光學學會激光加工專業委員會副主任唐光霞:激光行業的能耗越來越低,體積越來越小。原來激光出光效率10%,現在能夠提到60%。技術水平提升了,產品質量提升了,但是價格低了。這樣的話,它就能夠進到工業化生產里面,形成批量化的應用。
“舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家。”伴隨著中國制造激光器打破技術壁壘,甚至實現超越,曾經被國外高度壟斷的激光產業,如今也變得越來越接地氣。使用激光技術進行切割、焊接等加工,不再僅僅是為了出品效果更好,也正在變成一種更加經濟實惠的選擇。
△手持激光設備拼接焊接4毫米不銹鋼板
手持激光焊接設備的成本,未來或許能做得比傳統電焊更低。可能在不久的將來,街頭巷尾的焊接師傅工作的時候,就不再是“火星四濺、生人勿近”的場景了。
公司連續激光器產品研發部部長 陳明:我們的目標是取代街邊的壓孤焊。小時候村里或者鎮子上一般打鐵的作坊旁邊會有一個壓孤焊的點焊機,我們現在要取代它,用光來焊它。這是一個大方向,目前也是激光新的市場。
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