原子受激輻射的光,被稱為“激光”。小小的光束里蘊(yùn)藏著大大的能量,具有強(qiáng)大的破拆能力,是近年來各國武器研發(fā)的前沿領(lǐng)域。但其實(shí),它也可以用來切割和焊接,在民用工業(yè)上有著非常廣泛的用途。

在武漢,有一家企業(yè)專門研究如何把激光的效果發(fā)揮到極致,讓激光技術(shù)助推中國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。它以激光設(shè)備的“心臟”——激光器為主業(yè),牽頭制定了我國第一部光纖激光器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),獲得了“國家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)”“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍示范企業(yè)”等多項(xiàng)榮譽(yù)。

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(chǎn)品,還可以焊接國產(chǎn)大飛機(jī),也可以給小小的飲料瓶蓋打上日期標(biāo)簽。在武漢,有一家企業(yè),他們生產(chǎn)研發(fā)的激光器能實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)的尺,最亮的光”。

小小的激光光束

工業(yè)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(dá),還是激光美容?其實(shí)這只是激光應(yīng)用的很小一部分產(chǎn)品。激光技術(shù),可以在許許多多的工業(yè)領(lǐng)域造福人類社會。

武漢銳科光纖激光技術(shù)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(chǎn)業(yè)正在助推傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)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(jī))。很多飛機(jī)過去都用鉚釘,現(xiàn)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(xì)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(fā)大樓

走進(jìn)武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司位于東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)的總部,不同型號、不同大小的激光設(shè)備正在有條不紊地進(jìn)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(zhǔn)地切割成兩截,切口光滑平整。公司連續(xù)激光器產(chǎn)品研發(fā)部部長陳明介紹,和傳統(tǒng)的火焰切割相比,激光切割不僅切縫小、錐度好,而且更加節(jié)能環(huán)保。

公司連續(xù)激光器產(chǎn)品研發(fā)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(fèi)材料,效率比較慢。激光器的一個優(yōu)點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)。

突破技術(shù)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(xiàn)。也正是這種強(qiáng)大的穿透能力,讓率先發(fā)展激光技術(shù)的歐美國家,在出口激光設(shè)備的時候端足了架子,生怕我國掌握了核心技術(shù)。

2007年,公司副董事長兼總工程師閆大鵬從美國辭職回國創(chuàng)業(yè)。那時,國內(nèi)的激光企業(yè)極度依賴國外激光器產(chǎn)品。從歐美進(jìn)口的激光器不僅價格昂貴,還要經(jīng)受一些發(fā)達(dá)國家商務(wù)部等部門的層層審查。大功率的激光設(shè)備,甚至被一些國家直接列入了“禁運(yùn)”名單。

公司副董事長兼總工程師 閆大鵬:因?yàn)樗履惆压β侍岣吡恕ｄJ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(shù)封鎖、市場壟斷。中國是激光器最大的消費(fèi)市場,但是你還得靠它。當(dāng)時咱們國內(nèi)企業(yè)都是買國外的產(chǎn)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(shè)備來說,激光器是相當(dāng)于“心臟”的核心器件,占據(jù)了激光設(shè)備成本的半壁江山。而這,正是閆大鵬帶領(lǐng)銳科團(tuán)隊主攻的方向。

△半導(dǎo)體激光器器件目檢

要想研發(fā)出功率更高、更加耐用的激光器,就連一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖,都需要嘗試全新的設(shè)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(jīng)理、副總設(shè)計師劉銳透露,從2018年,他們嘗試“顛覆”國外技術(shù),研發(fā)更適應(yīng)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需要的產(chǎn)品,到如今,他們生產(chǎn)的激光器中,一根激光光纖已經(jīng)可以做到蘊(yùn)藏2萬多瓦的巨大能量。

睿芯光纖副總經(jīng)理、副總設(shè)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(yù)制棒,然后把光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲,最后拉成這種像頭發(fā)絲這么細(xì)的、幾百微米這么大小的特種光纖。去年開始,有別于進(jìn)口的這種八邊形的光纖,我們做了圓形的光纖。我們現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)單光纖22000瓦的激光輸出,一根頭發(fā)絲大小的這種光纖就可以實(shí)現(xiàn)22000瓦的激光輸出。

△中外版本光纖預(yù)制棒對比 左為中國自主研發(fā)的圓形光纖預(yù)制棒,右為國際通用版八邊形光纖預(yù)制棒

2018年,銳科激光正式掛牌上市,成為國內(nèi)首家以激光器為主業(yè)的上市公司。作為國產(chǎn)光纖激光器的龍頭企業(yè),公司在2016年牽頭制定了我國第一部光纖激光器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并先后承擔(dān)了國家科技支撐計劃、國家863計劃、國家重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等有關(guān)光纖激光器的研發(fā)項(xiàng)目,獲得了“國家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)”“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍示范企業(yè)”“中國工業(yè)大獎提名獎”等多項(xiàng)榮譽(yù)。

中國制造激光器

讓激光產(chǎn)品“飛入尋常百姓家”

隨著中國制造激光器突破技術(shù)壁壘實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),激光產(chǎn)品的價格大幅跳水。1瓦功率的半導(dǎo)體激光器,原本要200元,如今的市場行情已經(jīng)降到了3元左右。公司的毛利潤降低了,閆大鵬卻認(rèn)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(xiàn)在中國的光纖激光器產(chǎn)業(yè)非?；鸨?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(jìn)口一臺1萬瓦的激光器要800萬,現(xiàn)在多少呢?現(xiàn)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(kuò)大了100倍。

在與國內(nèi)外其它品牌的激烈競爭中,“領(lǐng)軍企業(yè)”如何保持自身的競爭優(yōu)勢?他們給出的答案是不斷創(chuàng)新突破,讓自己的技術(shù)研發(fā)實(shí)力始終在國內(nèi)同行業(yè)中保持領(lǐng)先水平。如今,公司研發(fā)形成了單模組連續(xù)、多模組連續(xù)、脈沖光纖激光器等系列產(chǎn)品。其自主研發(fā)的多款連續(xù)光纖激光器獲科技部“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品”稱號,國內(nèi)首臺10萬瓦超高功率激光器入選“2021年中國光學(xué)領(lǐng)域十大社會影響力事件”。

△半導(dǎo)體激光器SAC自動生產(chǎn)線

持續(xù)不斷的創(chuàng)新突破,不僅讓激光器功率不斷提高,設(shè)備集成度也在提升,產(chǎn)品變得越來越精巧。曾經(jīng)只能輸出1萬瓦功率的大型激光器,如今可以實(shí)現(xiàn)10萬瓦輸出,而1萬瓦功率激光器的體積大小已經(jīng)縮小到不足1立方米。中國光學(xué)學(xué)會激光加工專業(yè)委員會副主任、華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院教授唐光霞說,萬瓦級別的激光切割器成為批量生產(chǎn)的常見品,為更好的技術(shù)應(yīng)用打開了新的大門。

中國光學(xué)學(xué)會激光加工專業(yè)委員會副主任唐光霞:激光行業(yè)的能耗越來越低,體積越來越小。原來激光出光效率10%,現(xiàn)在能夠提到60%。技術(shù)水平提升了,產(chǎn)品質(zhì)量提升了,但是價格低了。這樣的話,它就能夠進(jìn)到工業(yè)化生產(chǎn)里面,形成批量化的應(yīng)用。

“舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家?！卑殡S著中國制造激光器打破技術(shù)壁壘,甚至實(shí)現(xiàn)超越,曾經(jīng)被國外高度壟斷的激光產(chǎn)業(yè),如今也變得越來越接地氣。使用激光技術(shù)進(jìn)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(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。

△手持激光設(shè)備拼接焊接4毫米不銹鋼板

手持激光焊接設(shè)備的成本,未來或許能做得比傳統(tǒng)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(xù)激光器產(chǎn)品研發(fā)部部長 陳明:我們的目標(biāo)是取代街邊的壓孤焊。小時候村里或者鎮(zhèn)子上一般打鐵的作坊旁邊會有一個壓孤焊的點(diǎn)焊機(jī),我們現(xiàn)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。