光纤激光技术的使用正遍布整个世界,光纤激光的性能和应用开发的有关的信息被潜在客户所广泛接受。根据IPG光学公司(Oxford, MA)的销售统计,美洲地区占据其销售的40%份额,欧洲占36%的份额,而亚洲占24%的份额。举例来说,在亚洲地区,日本和韩国都在快速地接纳高功率光纤激光技术,有多家用户均购买了数台设备。
在激光材料加工领域第一次出现了一种替代性的技术。许多致力于使用激光进行制造的公司发现当它们开始寻找扩大生产或更换旧激光器时,光纤激光器提供给了它们一种出色的选择。而其他那些为了保持生产运转而花费高额维护成本的公司发现光纤激光器能通过减少停机时间,减少备件库存而大大降低成本,减少加工气体和用电的成本,在许多情况下减少保持现有激光器运转所需的人力。
光纤激光器影响市场的另一个领域在移动应用中,因为其物理体积小,光纤激光器能很容易地被运输。它们被销售用于现场管道焊接和远程熔覆的应用当中。
光纤激光器现在主要集中于50kW的功率级别,这一领域它们显示出前所未有的速度和渗透深度。这一影响扩大了材料加工的应用范围。
光纤激光技术主要的优势包括一下几点:超过27%的高综合能源效率(wall plug efficiency),长二极管寿命,免维护,同一产品能完成切割,焊接或钻孔,低光束发散,低维护成本。这类激光器外形紧凑且便于移动,同时能提供相当高的加工性能,因为它们不需要预热,光斑形状不随功率发生变化,且它们拥有功率的10%至105%的动态变化范围。
激光器销售的应用划分。
快速技术增长
用于材料加工的光纤激光器拥有相当大的市场机遇。光纤激光器在2005年的预计销售额达到1.23亿美元,而整个市场的规模为23亿美元。光纤激光器增长速度已经大大超出整个市场的增长并继续获得动力。去年光纤激光器在包括二极管激光器和泵浦固体工业激光器的单位销售数量上占18%。一些观察家预测这一数字将在2008年达到并超过50%。图1显示了IPG光学公司销售出的激光器的应用划分。
为了同CO2激光器进行竞争,光纤激光器打入了焊接市场,并且由于光纤激光器的销售价格持续下降,它们也打入了切割市场,且OEM厂商如今也认识到这种激光器的性能,开始推出基于光纤激光器的切割系统。一些供应商提出,光纤激光器能为整个市场规模的扩大作出贡献,因为其能够带来新的应用,通过使激光加工更有成本效率以及和传统工艺进行更为有效的竞争。图2比较了最为流行的几种高功率工业激光器。
减缓的高功率接受程度
低功率的光纤激光器被集成进OEM系统已经很多年了,但是许多因素正在减缓高功率单元的增长。CO2和Nd:YAG 激光器已经出现了数十年,因而用户都很熟悉这些技术,并且他们对新的激光技术有一些期待。尽管开始感到有兴趣,但许多数千瓦激光器的用户仍采取“观望”态度。但是,这一情况在改变,因为近年来的安装的成功案例和新开发的应用成果逐渐为公众所知。
相反地,低功率光纤激光器和调Q光纤激光器正被快速接受,因为使用更低功率激光器的高技术公司很快开始寻找并采用新技术,例如医疗公司以及印刷行业。 nextpage
主要的增长领域
对于输出功率从200瓦到数千瓦的光纤激光器来说有许多主要的工业领域。能简易和现有机器人系统集成的能力对于汽车行业来说是特别具有吸引力的,因为其允许它们的投资相对较低,但却能根据将来的需要提供灵活性和重置能力。薄钢板焊接和切割,液压成型管材切割,以及远距离焊接都是近期的一些应用。
这一技术使得光纤激光器能使用一台设备完成高质量的焊接和切割。举例来说,一台用于激光拼焊的4千瓦的光纤激光器能够将输出功率降低且将光束导入另一台机器人上更小直径的光纤,用于高质量的切割。这对于光纤激光器来说是特别的。
在航空工业,激光熔覆,钻深或浅孔,以及多轴切割和焊接都已成为现实。
光纤激光器特别适用于不同环境下的应用,典型的有医疗设备,计算机,和电子行业。紧凑的激光器,免去了复杂的冷却系统,出色的持续光束质量,长焦聚,以及快速预热使得它们成为这类制造应用的理想之选。切割心血管支架和缝焊心脏起搏器以及医疗用植入式电池都成为了可能。点焊弯曲以及悬挂结构,例如计算机制造中的读/写头,此外还有焊接压力传感器。
在金属成形产品行业有一种可能,就是光纤激光器能在平板切割领域替代CO2激光器。在造船行业中焊接钢和铝板也是一项正在研究的应用。管道工业的远距离焊接应用和在船上焊接及切割都是有待研究的应用。
在熔覆,深孔钻以及厚部件焊接方面,从8至20千瓦的光纤激光器被用于在加工速度和可能渗透深度上作出主要突破,获得的结果将使得整个材料加工市场得到扩大。
未来发展
光纤激光器技术将继续提升功率等级,很快商用功率就将到达并超过100千瓦。激光束的质量将在目前的等级上将提升3倍,单模式激光功率将从目前的2kW增加至3kW。千瓦级别的激光器的波长为1.54 μm,通过光纤提供更高的光束传输率及更远的传输距离。
用于支付这项技术的价格将持续下降,进一步扩展这一技术在全世界制造工厂中的用途。高功率光纤激光器的购买成本目前还完全低于二极管以及灯泵Nd:YAG激光器的价格,并且据说将达到CO2激光器的级别。考虑到运行成本(见图3中对高功率激光器成本的比较),例如电气功率和它们增加的生产能力,以及光纤激光器的价格,使其更值得推荐。
IPG光学公司继续为获取材料加工市场的份额作出显著的贡献。IPG在2005年的报道显示其销售超过9400万美元,相对2004年增长了50%。工业销售部门代表了去年公司大约64%的销售额。这一行业的主要增长区域是同传统CO2和Nd:YAG激光器竞争的高功率光纤激光器。公司宣布超过在2005年销售了3000台光纤激光器,遍布各个功率级别。这些数量包括调Q打标激光器,低功率光纤激光器以及数千瓦的激光器。
在高功率部门,IPG去年销售了超过60台数千瓦光纤激光器,其中功率最大为36千瓦。这些激光器使用的行业如在汽车行业的拼焊,液压成型零件的切割,以及白车身的焊接和远程焊接。许多10kW等级的激光器被造船行业的公司购买,用于焊接厚结构以及甲板结构。其他从1到35kW的单元被销售用于熔覆应用,管道焊接,铝焊接,以及退火加工。所有这些使用光纤激光器进行焊接和切割加工的结果显示相对传统Nd:YAG二极管或灯泵浦激光器具有显著的速度优势。当同CO2激光器进行比较时,光纤激光器需要更少的能量,在许多情况下,在切割和焊接中通常所需的保护气体——氦气也不再需要了。
Bill Shiner是IPG光学公司(www.ipgphotonics.com),工业市场发展部总监,以及LIA(美国激光协会)的主席。




