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大科激光发布天狼星激光器 有效解决动力电池加工难题

谁是夜空中最亮的星?在地球上仰望夜空,肉眼可见的最亮的恒星非天狼星莫属。天狼星(Sirius)的名字来源于古希腊(∑εριο),意为发光或灼烧。在某些古老的部落,天狼星被认为是“太阳背后的太阳”,是太阳力量的来源。从古至今,围绕天狼星衍生出了不计其数的神话和传说。它璀璨、炽热,引人瞩目,又神秘、梦幻,让人心向往之。

在我国激光行业的璀璨群星中,近期也诞生了一颗“天狼星”。湖南大科激光近期发布了全新的天狼星系列光纤激光器,它拥有近乎极致的光束质量和稳定持久的性能,攻克了过去光纤激光器在新能源电池焊接中遇到的诸多难题,为新能源电池市场提供更高效率和更优质量的焊接解决方案。


“天狼星”由来——以更高亮度 为高端应用市场引路


2021年,我国光纤激光器市场再度迎来发展高峰,全年市场规模接近125亿元,同比增长33%,其中国产激光器市场份额接近70%。在市场高速发展、国产品牌加速崛起的过程中,这一市场却因产品同质化而陷入价格战泥潭——部分激光器企业主动降价抢占市场,而设备集成商在采购激光器时也片面强调功率和价格,“X kW多少钱”已成为集成商接触激光器企业的开场白。

实际上,这样的观念只是把激光器视为单纯的功率器件,而忽略了激光器的另一个重要特性——亮度,也忽略了亮度背后的价值。众所周知,激光的四个基本特性是方向性好、单色性好、相干性好、亮度高。亮度表示了激光的明亮程度,其定义是:光源在单位面积、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率,简单来说就是“单位空间内激光的功率”。亮度是衡量激光器综合性能的重要指标之一,也是研究激光应用的重要参考依据。

目前,光纤激光器更多应用在金属下料市场。在这一粗放型市场中,高亮度的作用并不明显,但更高功率却能带来切割速度和切割能力的提升,因此过去十年间光纤激光器一直在追求更高功率。随着我国产业升级的加速,越来越多的高端制造业对激光技术需求增加,也对激光的亮度提出了更高要求。例如,动力电池的切割、焊接过程中常会遇到铜、铝等高反材料,普通亮度的激光器在加工这些材料时往往面临工艺窗口窄、熔池可控性低、易产生飞溅、焊接缺陷明显等痛点。为解决这样的痛点,具有更高亮度的天狼星系列光纤激光器应运而生。

亮度接近极致——效率、质量、工艺窗口均提升

OFweek维科网·激光获悉,大科激光通过独特的光路设计和工艺处理,抑制了横向模式不稳定和受激拉曼散射,实现了2.2kW纯单模(M2<1.1,接近衍射极限)输出,能量传输光纤(芯径为14μm,NA为0.07)长度达到7m,拉曼抑制比优于-35dB。这一系列突破,奠定了天狼星系列激光器(Sirius-1000W~4000W)的技术基础。

2kW输出时光束质量M2为1.07

相比20μm芯径,14μm芯径光纤输出的单模激光对应的焦点光斑面积缩小了51%,功率密度提升1倍,从而实现在较低输出功率下熔化铜铝等高反射率金属,不仅大幅降低生产能耗,还在提升生产效率同时缩小焊接中的热影响区,从而减少熔池飞溅和降低焊缝缺陷率。

为验证这一理论,OFweek维科网·激光联合大科激光实验室分别用芯径为14μm、20μm、50μm的2kW激光器进行紫铜焊接测试,在确保熔深为1.46mm的情况下,我们得出结论:芯径为14μm的单模激光器焊接紫铜无明显缺陷,且速度是20μm的准单模激光器的1.5倍,是50μm的多模激光器的4.5倍。实验数据如下:

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更重要的是,芯径为14μm的单模激光器可以在保持熔宽基本不变的情况下,逐渐增加熔深,实现穿透深度可控,为新能源、3C、电力等行业所需的高反材料(如铝、黄铜、紫铜)的高质量、高精度焊接提供了优质解决方案。

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其次,芯径为14μm的单模激光器的熔深稳定。在-3~2.5mm的离焦量范围内,熔深变化只有±0.25mm,可以完美地解决由于熔深不稳定造成的虚焊问题,具有更宽的工艺窗口。

品质稳如恒星——国产供应链提供稳定支撑

实际上,早在2021年6月,大科激光便已做出了天狼星Sirius-2000W 14μm激光器的原理样机,实现了M2<1.1、拉曼抑制优于-35dB、传输光纤达到7米的指标。但大科激光在此后进行了长达8个月的应用测试和可靠性验证工作,一方面是总结相关的技术优势,另一方面则是针对稳定性、可靠性进行改进升级。

众所周知,在光纤激光器的长期使用中,不可避免会出现光子暗化效应及受激拉曼散射。天狼星激光器样机在烤机测试初期表现稳定,但随着烤机时间增长开始出现功率波动现象。大科激光的技术人员对此进行了多轮优化与迭代,开发出用于模式净化的DEC技术和用于抑制拉曼光的RSF技术,最终使天狼星激光器通过了长达720小时的烤机测试,消除了光子暗化现象,确保了整机功率的长期可靠性。

大科激光董事长郭少锋表示:“我们之所以把这一系列激光器命名为天狼星系列,正是因为它与天狼星具备同样的特质。第一,天狼星是恒星,而我们的激光器经过验证,功率稳定性就像恒星一样。第二,天狼星是最亮的恒星,而我们的天狼星激光器亮度也是极高的,2kW激光测试的光束质量M2为1.07,已经充分接近激光光束质量的理论极限值。”

值得一提的是,在天狼星激光器进行稳定性测试的初期,是国产器件版与进口器件版同步进行的。随着测试的深入,大科激光发现国产器件的性能与稳定性与进口器件几乎没有差异。基于供应链安全的考虑,最终大科激光选择大批量导入国产元器件。目前,大科激光天狼星产线已经建成,月产能超过300台。可以说,稳定可靠的国产元器件供应是天狼星激光器稳定量产的基石。

奔向星辰大海——针对高端市场全线产品升级

如前文所说,目前光纤激光器的应用主要是金属下料市场,大家对亮度的价值认知尚不充分。天狼星系列激光器的出现,对高亮度激光器的应用破局有着重要意义。郭少锋博士表示:“随着制造业的升级,光纤激光器必将从功率时代发展到亮度时代。大科激光将会坚持亮度为王的思想,加强对高亮度、细纤芯激光器应用的探索。天狼星是夜空中最亮的恒星,天狼星激光器也将凭借极高的亮度,为新能源电池焊接、3D打印等行业提供更优的制造方案。”

天狼星激光器-软包极耳焊接

天狼星激光器-方形极耳焊接

天狼星激光器-防爆阀焊接

天狼星激光器-极柱焊接

天狼星激光器-密封钉焊接

天狼星激光器-汇流排焊接

除天狼星系列外,大科激光还对旗下全线产品进行了重新定义。如:

金牛座(Taurus)系列激光器,功率段覆盖6kW-20kW,凭借独特的HBSC(高亮度合束)技术,适用于大功率激光切割市场。

狮子座(Leo)系列激光器,功率段覆盖1.5kW-3kW,凭借获得湖南省专利一等奖的BRP(后向光防护技术)技术,能够确保稳定切割高反材料。

飞马座(Pegasus)系列激光器,功率段覆盖500W-1500W,凭借HPPS(高精度功率稳定技术)技术,适用于3D打印市场。

半人马(Centaurus)系列激光器主要为窄线宽系列激光器,功率段覆盖500W-1500W,适用于各类科研定制市场。

这一系列产品的重新命名,既凸显了大科激光将高亮度激光应用推向星辰大海的决心,又预示着激光行业即将打破同质化竞争局面,从通用化市场逐步走向体现技术特点的细分市场。

从某种角度来说,在应用层面上更好地发挥高亮度、细纤芯激光器的价值,比单纯把激光器指标做出来的难度更大。正如郭少锋博士所言:“目前我们在光源技术储备上已经具备一定的超前性,但在应用方面还需要努力开拓。我们的应用团队正和客户展开深度合作,根据具体的应用需求,针对性地改进激光器功能。我们希望把全系列的高亮度光纤激光器都能够很好地运用起来,也希望跟合作伙伴携手拓展高亮度激光器的应用领域,为激光行业及相关的行业发展做出贡献。”

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