2019年3月2日

  高亮度光纤激光器在新能源电机硅钢片精密切割的应用前景— GW Laser Tech

【摘要】:随着新能源的开发进一步深入,新能源汽车、风电、水电等新能源的投资亦在快速增加。无定向硅钢片因其优异的性能,广泛用于新能源汽车的电机、风机的电机以及水电发电设备的电机中。预测2017-2020年的硅钢片的市场容量为5.78亿元、6.32亿元、7.29亿元、8.47亿元。硅钢片的激光加工相比于基于模具的冲床以及线切割,其精度、效率明显占优,GW及其合作伙伴成功研发用于硅钢片精密加工的激光设备,打破国外垄断,其中GW单模组连续激光器利用其独特的976nm的泵浦技术,通过20um光纤实现单模态输出,光束质量做到M^2<1.1, GW成功突破了其提高光束质量的核心技术,为硅钢片的激光精密切割提供了解决方案。   硅钢片细分市场前景广阔,激光加工潜力巨大 随着新能源的开发进一步深入,新能源汽车、风电、水电等新能源的投资亦在快速增加。无定向硅钢片因其铁损低、叠装系数高、绝缘膜附着性和焊接性能好,广泛用于新能源汽车的电机、风机的电机以及水电发电设备的电机中。根据新能源汽车2017-2020的车辆数量统计及预测,新能源车市场规模,电机市场规模,硅钢片市场规模以及硅钢片的加工市场规模,预测2017-2020年的硅钢片的加工市场规模约为1.3亿、1.81亿、2.39亿、3.19亿元。     2017 2018 2019E 2020E 新能源汽车数量(台) 812,477 1,130,162 1,492,517 1,965,721 车市场规模(按照10万元一辆车)(单位:亿元) 812.48 1,130.16 1,492.52 1,965.72 电机市场规模(电机按照占比新能源车的4%)(单位:亿元) 32.50 45.21 59.70 78.63 电机硅钢片市场规模(硅钢片按照电机占比的20%)(单位:亿元) 6.50 9.04 11.94 15.73 硅钢片加工市场(加工按照硅钢片总市场的20%)(单位:亿元) 1.30 1.81 2.39 3.15 资料来源:GW LASER TECH、《十三五国家战略性新兴产业发展规划》 根据 GWEC(全球风能理事会)的预测, GWEC 预计新增装机将在 2019 年和 2020 年恢复增长,并再次突破 60GW。GWEC 整体预计到 2022 年底累计安装总量将达到 840 GW,较 2017 年的 539GW 增加 309GW。根据风机新增装机量、电机投资额、硅钢片投资额、硅钢片的加工市场规模,预测2017-2020年的硅钢片的加工市场规模约为2.24亿、2.26亿、2.45亿、2.66亿元。   2017 2018 2019E 2020E 新增装机量(GW) 52.5 52.9 57.5 62.4 风电新增投资额(亿元) 2800 2821 3067 3328 电机增资投资额(电机按照2%的占比)(单位:亿元) 56.00 56.43 61.33 66.56 电机硅钢片投资额(硅钢片按照20%的占比)(单位:亿元) 11.20 […]
2019年2月25日

GW Laser Tech新突破-高反材料(紫铜)激光焊接 之新能源汽车充电桩应用市场

【摘要】充电桩设备市场超过千亿,当前建设进度低于规划进度,未来市场前景广阔。据估算,2020年我国充电桩设备市场空间为1165亿元,2025年充电桩设备市场空间为2378亿元;紫铜激光焊接为充电桩重要零部件焊接痛点,紫铜激光焊接设备市场前景广阔,据估算,2020年专用紫铜激光焊接设备市场空间为11亿元,2025年专用紫铜激光焊接设备市场空间为23亿元;紫铜激光焊接难度大,目前行业内尚无成熟的定制化设备,光惠激光苦心钻研多年,通过加入抗高反射隔离技术及开发了针对激光焊接应用的自主产权SMAT激光焊接功能包,成功突破世纪性大难题。 充电桩设备市场超过千亿,当前建设进度低于规划进度,未来市场前景广阔 新能源汽车过去几年高速增长,未来几年将继续保持高速增长。预计2018年的全年新能源汽车产量达113万台,2020年、2025年新能源汽车产量分别为196.6万台和708.4万台,未来七年新能源汽车年均增速达30%,具体如下: 资料来源:十三五国家战略性新兴产业发展规划、光惠激光、申万宏源研报 2015-2     020年国家规划新增充电站1.2万个、新增充电桩480万个,2020年规划车桩比为1:1。根据《电动汽车充电基础设备发展指南(2015-2020年)》,2020年的充电桩分布如下图所示: 资料来源:《电动汽车充电基础设施发展指南2015-2020》、申万宏源研报 当前我国公共充电桩保有量居于全球第一,乘用车放量驱动私人充电桩占比提升,但是整体建设进度仍落后于规划水平。未来假设乘用车以70%的比例安装用户专用充电桩,预计到2020年全国新能源汽车保有量达568万辆、需要充电桩438万个;到2025年全国新能源汽车保有量达2233万辆、需要充电桩1635万个,行业发展空间极其广阔。参考目前直流充电桩8万元/套,交流充电桩0.8万元/套。据估算,2020年我国充电桩设备市场空间为1165亿元,2025年充电桩设备市场空间为2378亿元。 资料来源:中汽协、国家电网、申万宏源研报 紫铜激光焊接为充电桩重要零部件焊接痛点,设备市场前景广阔 充电桩涉及重要导电部件紫铜的焊接,其性能的好坏对整个充电桩起着至关重要的作用。充电桩涉及电压、电流大,紫铜因其良好的导电、导热、耐腐蚀和加工性能而广泛使用于充电桩中。但是紫铜杂质较少,微量的氧对导电、导热和加工等性能影响小,易引起“氢脆”,不宜在高温(如>370℃)还原性气体中加工。传统的氧乙炔焊、焊条电弧焊、氩弧焊、真空电子束焊、钎焊以及传统激光焊接,不能满足其要求。目前需要更为先进的高能量密度及抗高反材料的激光进行专用设备的开发,按照其在充电桩的重要性,依据1%的设备市场占比,据估算,2020年专用紫铜焊接设备市场空间为11亿元,2025年专用紫铜焊接设备市场空间为23亿元。 紫铜激光焊接难度大,目前行业内尚无成熟的定制化设备 紫铜激光焊接难度大,主要基于以下几个因素: 1)紫铜在传统的焊接过程中易氧化,而且紫铜热导率较高,导致焊接难度加大,这就需要采用大功率、高能量密度的焊接工艺;2)线膨胀系数大,易产生焊接变形;3)紫铜的热导率大(约为钢铁的7.8 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大7.8 倍以上;4)要求极高的能量输入密度,如果采用激光焊接要求能量密度在10^6w/cm2 以上,那么需要的多模激光器的功率则在6000W 以上,同时紫铜用激光焊接时对激光的反射率高达80~95%,极易因激光的反射返回光纤造激光器而烧损。 光惠激光苦心钻研多年,成功突破世纪性大难题 光惠激光利用其独特的抗高反技术,通过加入抗高反射隔离技术,通过光学、电器、系统软件集成进去解决了抗高反射问题。与此同时,光惠激光进一步开发了针对激光焊接应用的自主产权SMAT激光焊接功能包,专业用来焊接高反材料,此软件功能包有如下特点1)任意波形的编程输出,使激光输出能量按需精细调节,提供特定应用工艺的焊接波形轮廓控制;2)激光爬坡:激光输出功率的振幅和斜率的开启和关闭可以为特定焊接应用量身定做;3)内置PID控制:激光输出功率闭环控制,通过PID调节精细控制激光输出过程,提供稳定的焊接性能。 光惠激光的软件界面及焊接软件功能包 光惠激光特种单模激光器及紫铜焊接样件及焊接后的效果图 GW Laser Tech 专注于高功率单模光纤激光器及多模高功率光纤激光器的研发、生产与销售。欢迎下游激光系统方案解决者过来咨询,合作交流,共同开发此市场。
2017年5月30日

浅析光纤激光器采用976nm泵浦的优势

最近十多年来,随着泵浦源和激光器结构的不断改进,光纤激光器技术有了很大的提高。基于掺镱光纤的激光器(YDF-laser)因为有着较高的电-光转换效率,较好的光束质量和稳定性等优势被广泛用于工业,科研等领域。 Fig 1, 不同金属材料的光谱吸收率 如今的大功率单模组光纤激光器早已能够轻松实现数KW级的光功率输出,这使得这类激光器在金属加工领域被广泛应用。在同等的光输出功率条件下,由于吸收率的不同,基于掺镱光纤的1微米光纤激光器比10微米的CO2激光器在加工金属材料时效率有显著的提升。Fig 1给出了不同金属材料的光谱吸收率,从图中可以看出大部分金属材料对光谱的吸收特性大致呈现出吸收率随着光波长增大而减少的趋势。金属材料对输出波长在1070 nm左右的掺镱光纤激光器相对于输出波长在10600nm的CO2 激光器明显更强。特别是金属铁在1070 nm波长条件下的吸收率比在10600 nm波长条件下提高了将近6倍。 Fig 2, 铝硅酸盐和磷硅酸盐掺镱(Yb)光纤对800~1100 nm光谱的相对吸收率 因为掺镱光纤对976nm和915 nm波长的光有非常强烈的吸收特性,所以这类激光器主要由发射上述波长的半导体激光器(LD)泵浦。Fig 2是两种典型的掺镱光纤对800~1100 nm光谱的相对吸收率,掺镱光纤在915nm 和 976 nm附近存在明显的特征吸收峰。976 nm光波在铝硅酸盐掺镱光纤中的吸收率是915 nm光波的将近3倍,在磷硅酸盐中前者的吸收率更是后者的近5倍。如此悬殊的吸收率差异,意味着这类激光器采用976 nm LD泵浦技术能够获得更高的光-光转换效率。同时更高的吸收率也意味着可以有效减少光纤的长度,从而在一定程度上限制有害的非线性效应。 Fig 3 不同Yb离子能态反转率导致的光子暗化(PD)损失随时间变化的曲线 目前大功率的稀土掺杂光纤激光器都需要面对光子暗化(Photodarkening)问题。这个问题导致激光器的输出功率减小,稳定性和工作寿命大幅度下降。光子暗化现象同样被大量报道存在于镱离子掺杂的光纤激光器中。当前人们普遍认为是由于玻璃基质中产生的色心(color-center)导致了这个现象。之前的研究报道提出了很多可能的方式去解决这个光子暗化问题,包括在光纤内共掺磷,利用405nm 激光进行光子漂白(photobleaching), 甚至是利用高温对发生光子暗化的光纤进行退火处理。其中共掺磷的方式虽然能够有效抑制光子暗化,但是却增大了背景损耗和数值孔径。 之前Koponen等人对光子暗化现象的研究表明光子暗化速度很大程度上取决于激发态镱离子的浓度,也就是镱离子的能态反转率(Yb inversion rate)。他们发现光子暗化速率同镱离子能态反转率的7次方成正比。在Fig 3中给出了在不同镱离子能态反转率条件下光子暗化损失随时间变化曲线。数据很直观地表明光子暗化率随着能态反转率的增加而急剧增大。 Fig 4  976 nm和920 nm泵浦条件下Yb 离子能态反转率随泵浦功率变化曲线 (假定反转率数据在标准方差小于1%时足够平滑) 在掺镱光纤中的能态反转率受到光纤的质量,泵浦功率,光反馈以及泵浦光波长等多个方面的影响。采用合适的泵浦光波长可以在很大程度上抑制光子暗化。将能态反转率粗略地定义成在某一泵浦光波长下光子吸收率同发射截面的比率,那么可以通过仿真得到掺镱光纤在976nm和920 nm两种泵浦光条件下的能态反转率随泵浦功率变化的曲线(Fig 4)。虽然上文Fig 2 中的吸收谱表明掺镱光纤对976 nm波长光的吸收特性明显强于其他波长,但是因为976nm波长光相对较大的发射截面,所以最终得到了比在920 nm泵浦光条件下更低的能态反转率。虽然数据并没有直接给出915 nm泵浦光条件下的能态反转率,但是从这个结果仍然可以推测出976 nm泵浦光源有着比前者更强的抗光子暗化潜力。 虽然976 nm泵浦方式有着更高的吸收率和光光转换效率可以有效减少增益光纤的长度,并且能够减少有害的光子暗化效应,但是其相对于915 nm泵浦方式在光纤处理和耦合上的技术难度更大。而且掺镱光纤在976 nm范围的吸收谱过于狭窄,泵浦源温度波动导致的波长变化很容易导致激光器输出功率不稳定,采用这种泵浦技术对激光器的热管理系统有非常严格的要求。正因为如此,目前只有少数的激光器厂商像德国的IPG,美国的Coherent-Rofin以及美国的GW等厂商在量产的工业激光器中大规模使用976 nm 泵浦源。
2017年3月13日

ABR Technology

光纤激光器发展至今,高反材料的加工一直是限制光纤激光器应用的一大痛点。特别是金银铜等金属材料,吸收率低,激光加工时会产生大量的反射光。这些反射光,或者引起光纤激光器保护关机造成废品,或者直接损伤光纤激光器。QCW光纤激光器由于其5-10倍于传统连续激光器的峰值功率,可以瞬间离子化高反材料,增加吸收率,降低反射,被用与部分高反射材料的加工。但是,QCW光纤激光器只有传统CW光纤激光器平均功率的1/10-1/5,导致加工速度很慢,而且激光器单价昂贵。而且目前的QCW光纤激光器对超高反射率的纯银纯金也不能保证很高的良品率 GW Laser Tech独具创新的ABR专利技术,彻底突破了CW光纤激光器在高反材料加工领域的应用限制,可实现“CW连续输出”模式下对高反材料的切割应用,采用SMAT系列1000W连续激光器,1.0mm银板切割速度高达”7米/分钟”,1.5mm银板切割速度高达”3米/分钟”。 GW Laser Tech 的SMAT系列CW光纤激光器在金银铜铝等高反切割焊接等应用方面,加工速度是QCW脉冲激光器的3-6倍,加工效率远远大于QCW激光器。 ABR技术的突破使得用户的应用范围更加广泛,使得连续激光器面对高反材料的应用领域坚实地迈出了开拓性的第一步! CW光纤激光器不能切割高反?GW Laser Tech告诉您:GW LaserTech的SMAT系列连续光纤激光器可以轻松胜任所有金属材料的切割焊接应用,让QCW等脉冲激光器去做更擅长的事吧! 关注GW为您带来的更多技术创新及应用,请关注我们,或访问http://www.gwlaser.tech
2016年11月1日

浅谈单模组中功率光纤激光器在钣金加工的优势(一)

随着光纤激光器和光纤激光切割机价格的不断下降和性能的不断提升,光纤激光器已经基本成为金属钣金切割的首要选择。当前用于金属钣金加工的光纤激光器大致可以分为两类: 中功率光纤激光器,平均功率1200瓦以内。绝大多数中功率光纤激光器产品是单模组光纤激光器,输出的QBH光缆纤芯在15-50微米之间。 高功率光纤激光器,平均功率在1200瓦以上,某些厂商甚至推出12000瓦的高功率光纤激光器。由于单模组输出功率的限制,绝大多数高功率光纤激光器产品是多模组光纤激光器,由多个单模组光纤激光器耦合到一个高功率激光合束器到QBH输出端。输出的QBH光缆纤芯一般在50-200微米之间。 这种划分一方面是激光器厂商技术水平发展的成熟程度(当前绝大部分激光器厂商只能提供最高1200瓦的单模组激光器),另一方面也是因为一个长期以来的应用误区:单模组光纤激光器因为由于光斑质量太好(高斯或者近高斯光斑模态),厚板切割能力弱!这个应用误区源自二氧化碳激光器金属钣金切割的常识,但是随着光纤激光器和相关应用工艺的发展,单模组激光器不仅能够在薄板加工是大大优于多模组光纤激光器,而且在厚板切割等应用上也媲美多模组光纤激光器。 以1500瓦光纤激光器为例,单模组1500瓦光纤激光器可以选配20微米或者50微米纤芯的QBH光缆,而多模组光纤激光器只能选配50微米或者100微米纤芯的QBH光缆。 1500瓦光纤激光器 NA 焦点直径 (100/125毫米切割头) 焦点的能量密度 (W/um2) 焦深 20微米QBH(单模组) 0.065 25微米 2.4 0.48毫米 50微米QBH(单模组) 0.1 62.5微米 0.384 1.2毫米 50微米QBH(多模组) 0.15 87.5微米 0.2 1.68毫米 100微米QBH(多模组) 0.18 200微米 0.0375 3.84毫米 表一:多种QBH输出纤芯和焦点能量密度比较 从表一的比较可以看得到,因为可以选配更小纤芯的QBH光缆并且输出光斑的BPP更小,同样功率的单模组光纤激光器能够提供更高的能量密度,所以在薄板加工单模组激光器优势明显(更快的速度和更深的焊接溶深)。 表二是几款光纤激光器切割性能的比较:单模组1500瓦光纤激光器配50umQBH;多模组1500瓦光纤激光器配50umQBH光缆;多模组2000瓦光纤激光器配50umQBH光缆。 1500瓦单模组激光器 1500瓦多模组激光器 2000瓦多模组激光器 碳钢 1 35(氮气) 24(氮气) 10(氮气) 2 8(氧气) 6(氧气) 6(氧气) 3 4 (氧气) 3.4(氧气) 4(氧气) 5 2.2(氧气) 1.8(氧气) 2.4(氧气) 6 2(氧气) 1.6(氧气) 2.1(氧气) 8 1.7(氧气) 1.2(氧气) 1.6(氧气) 10 1.2(氧气) 0.8(氧气) 1.2(氧气) 12 1(氧气) 0.7(氧气) 1(氧气) 14 0.85(氧气) 0.6(氧气) – 16 0.75(氧气) – 0.8(氧气) […]
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