原子受激辐射的光,被称为“激光”。小小的光束里蕴藏着大大的能量,具有强大的破拆能力,是近年来各国武器研发的前沿领域。但其实,它也可以用来切割和焊接,在民用工业上有着非常广泛的用途。

在武汉,有一家企业专门研究如何把激光的效果发挥到极致,让激光技术助推中国传统制造业转型升级。它以激光设备的“心脏”——激光器为主业,牵头制定了我国第一部光纤激光器行业标准,获得了“国家技术创新示范企业”“制造业单项冠军示范企业”等多项荣誉。

高精度、高密度和高能量的激光,不仅可以做成“御敌于千里之外”的高科技产品,还可以焊接国产大飞机,也可以给小小的饮料瓶盖打上日期标签。在武汉,有一家企业,他们生产研发的激光器能实现单光纤22000瓦的激光输出,而1万瓦功率的激光器只有不足1立方米大小。今天,中国之声特别策划《隐形冠军》来到武汉,和您一起寻找“最快的刀,最准的尺,最亮的光”。

小小的激光光束

工业用途极为广泛

提起激光,你会想到什么?激光焊接、光纤通信、激光雷达,还是激光美容?其实这只是激光应用的很小一部分产品。激光技术,可以在许许多多的工业领域造福人类社会。

武汉锐科光纤激光技术股份有限公司副董事长兼总工程师闫大鹏说,在中国,激光智能制造产业正在助推传统制造业转型升级。

公司副董事长兼总工程师 闫大鹏:激光制造主要是切割,包括金属材料、非金属材料都可以用激光切。另外是焊,比如说不同的两个材料,铝板、钢板把它焊到一块,或者说同样的材料把它焊到一块,用的最广的比如咱们的C919(大型客机)。很多飞机过去都用铆钉,现在铆钉都去掉,用激光焊接。另外就是清洗,激光一打把金属表面的锈都给你打掉。另外是打孔,细到几个微米、粗到比较大的孔用激光来打孔。还可以3D打印,用激光把金属粉末慢慢堆起来。

△锐科激光总部研发大楼

走进武汉锐科光纤激光技术股份有限公司位于东湖新技术开发区的总部,不同型号、不同大小的激光设备正在有条不紊地进行各种测试工作。随着一道明亮的光束滑过,一块16厘米厚的钢板被精准地切割成两截,切口光滑平整。公司连续激光器产品研发部部长陈明介绍,和传统的火焰切割相比,激光切割不仅切缝小、锥度好,而且更加节能环保。

公司连续激光器产品研发部部长 陈明:以前是用火焰切割,那种切割出来它的切缝会很宽,浪费材料,效率比较慢。激光器的一个优点就是它的光束比较好、比较小,我的切缝就比较小,然后我的锥度比较好。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锥面一致的。第二个是激光器它的效率非常高,能耗比较低,而且没有污染,这是最大的两个优点。

突破技术壁垒

要从一根小小的光纤做起

切割厚厚的钢板,是激光“穿透力”的最直观体现。也正是这种强大的穿透能力,让率先发展激光技术的欧美国家,在出口激光设备的时候端足了架子,生怕我国掌握了核心技术。

2007年,公司副董事长兼总工程师闫大鹏从美国辞职回国创业。那时,国内的激光企业极度依赖国外激光器产品。从欧美进口的激光器不仅价格昂贵,还要经受一些发达国家商务部等部门的层层审查。大功率的激光设备,甚至被一些国家直接列入了“禁运”名单。

公司副董事长兼总工程师 闫大鹏:因为他怕你把功率提高了。锐科成立之前,基本上中国(激光器)市场都是国外的,价格贵,而且有技术封锁、市场垄断。中国是激光器最大的消费市场,但是你还得靠它。当时咱们国内企业都是买国外的产品,受了很多气。最后他们就决心从国际上去找一个能做激光器的华人回来,就把我给找回来了。

对各种用途的激光设备来说,激光器是相当于“心脏”的核心器件,占据了激光设备成本的半壁江山。而这,正是闫大鹏带领锐科团队主攻的方向。

△半导体激光器器件目检

要想研发出功率更高、更加耐用的激光器,就连一根头发丝粗细的光纤,都需要尝试全新的设计方案。为助推激光器核心器件——特种光纤的升级,锐科激光收购了睿芯光纤。睿芯光纤副总经理、副总设计师刘锐透露,从2018年,他们尝试“颠覆”国外技术,研发更适应国内产业需要的产品,到如今,他们生产的激光器中,一根激光光纤已经可以做到蕴藏2万多瓦的巨大能量。

睿芯光纤副总经理、副总设计师 刘锐:我们光纤激光器的核心就是特种光纤。先制备光纤预制棒,然后把光纤预制棒进行拉丝,最后拉成这种像头发丝这么细的、几百微米这么大小的特种光纤。去年开始,有别于进口的这种八边形的光纤,我们做了圆形的光纤。我们现在可以实现单光纤22000瓦的激光输出,一根头发丝大小的这种光纤就可以实现22000瓦的激光输出。

△中外版本光纤预制棒对比 左为中国自主研发的圆形光纤预制棒,右为国际通用版八边形光纤预制棒

2018年,锐科激光正式挂牌上市,成为国内首家以激光器为主业的上市公司。作为国产光纤激光器的龙头企业,公司在2016年牵头制定了我国第一部光纤激光器行业标准,并先后承担了国家科技支撑计划、国家863计划、国家重大专项、国家重点研发计划等有关光纤激光器的研发项目,获得了“国家技术创新示范企业”“制造业单项冠军示范企业”“中国工业大奖提名奖”等多项荣誉。

中国制造激光器

让激光产品“飞入寻常百姓家”

随着中国制造激光器突破技术壁垒实现量产,激光产品的价格大幅跳水。1瓦功率的半导体激光器,原本要200元,如今的市场行情已经降到了3元左右。公司的毛利润降低了,闫大鹏却认为,这是一件好事。

公司副董事长兼总工程师 闫大鹏:资本市场一听说你会做激光器,马上就有投资公司投给你。所以现在中国的光纤激光器产业非常火爆,我算了一下有26家在做光纤激光器,比全球加起来还要多几倍。原来进口一台1万瓦的激光器要800万,现在多少呢?现在输出12000瓦的激光,市场上便宜卖到16万块钱。价格下降了大概不止20倍,但市场扩大了100倍。

在与国内外其它品牌的激烈竞争中,“领军企业”如何保持自身的竞争优势?他们给出的答案是不断创新突破,让自己的技术研发实力始终在国内同行业中保持领先水平。如今,公司研发形成了单模组连续、多模组连续、脉冲光纤激光器等系列产品。其自主研发的多款连续光纤激光器获科技部“国家重点新产品”称号,国内首台10万瓦超高功率激光器入选“2021年中国光学领域十大社会影响力事件”。

△半导体激光器SAC自动生产线

持续不断的创新突破,不仅让激光器功率不断提高,设备集成度也在提升,产品变得越来越精巧。曾经只能输出1万瓦功率的大型激光器,如今可以实现10万瓦输出,而1万瓦功率激光器的体积大小已经缩小到不足1立方米。中国光学学会激光加工专业委员会副主任、华中科技大学光电信息学院教授唐光霞说,万瓦级别的激光切割器成为批量生产的常见品,为更好的技术应用打开了新的大门。

中国光学学会激光加工专业委员会副主任唐光霞:激光行业的能耗越来越低,体积越来越小。原来激光出光效率10%,现在能够提到60%。技术水平提升了,产品质量提升了,但是价格低了。这样的话,它就能够进到工业化生产里面,形成批量化的应用。

“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家。”伴随着中国制造激光器打破技术壁垒,甚至实现超越,曾经被国外高度垄断的激光产业,如今也变得越来越接地气。使用激光技术进行切割、焊接等加工,不再仅仅是为了出品效果更好,也正在变成一种更加经济实惠的选择。

△手持激光设备拼接焊接4毫米不锈钢板

手持激光焊接设备的成本,未来或许能做得比传统电焊更低。可能在不久的将来,街头巷尾的焊接师傅工作的时候,就不再是“火星四溅、生人勿近”的场景了。

公司连续激光器产品研发部部长 陈明:我们的目标是取代街边的压孤焊。小时候村里或者镇子上一般打铁的作坊旁边会有一个压孤焊的点焊机,我们现在要取代它,用光来焊它。这是一个大方向,目前也是激光新的市场。