根据光电汇光子产业研究中心此前的调研，目前中国光纤激光器市场竞争激烈，对于中低功率光纤激光器市场，国产品牌技术已经与国外技术没有明显差距，价格竞争激烈。而在高功率光纤激光器市场，国内外品牌处于激烈交锋中。尽管国内品牌的稳定性这两年持续提高，但从市场占有率和客户认可度来看，仍是国外高端品牌略胜一筹。

而谈到国外光纤激光器代表品牌，则非IPG莫属。《2020中国激光产业发展报告》指出，2019年国内光纤激光器市场中，IPG仍然是单家占比份额最大，尤其是在高功率光纤激光器市场中，IPG受到激光行业同仁的广泛关注。

那么，IPG高功率光纤激光解决方案市占率为什么那么高？他有哪些值得国内同行学习和借鉴的地方？我们试图从其技术路线和工业应用方面进行解析，希望给国内同行一些参考。

自2010年开始，随着激光技术的不断深入，光纤激光器在材料加工市场出现了两次浪潮：一是从2010年发展至今的光纤激光打标板块，目前整个设备产值达到15亿到20亿美元；二是从2012年至今的金属钣金加工板块，目前产业链的规模约为100亿美元。

随着技术的进步和市场需求不断更迭，10 kW以上高功率激光加工效果和期望在逐年增长，尤其是金属切割领域，对光纤激光器提出了15 kW、20 kW等的更高的要求。IPG高功率光纤激光切割方案因性能和工作效率的优异表现，得到了市场的广泛认可，给客户带来收益。

细究高功率光纤激光切割解决方案，其实有2个关键硬件：光纤激光器和匹配的切割头。

IPG的光纤激光器中采用了侧抽运双包层专利技术，以简洁的机制、极高的效率将多模二极管光转换为单模光纤激光器的光。而在包层抽运中，则采用了多模抽运光纤和单模掺杂芯光纤实现“全光纤”结构，大幅提高了激光光束质量和效率。分布式单发射抽运结构则让半导体二极管一起形成独立发光元件，从而提供高效率和可靠的光源。任何单发射器泵的故障不会影响其余泵组件的性能。而从器件稳定性看，IPG 的单芯结二极管寿命超过10万小时。

以YLS-20000/YLS-30000为例，输出光纤芯径标配100 μm，150 μm，光束质量分别为3.8 mm×rad和5.2 mm×rad。标称功率下的电能消耗，20 kW激光器的最大功耗不超过50 kW，30 kW光纤激光器的最大功耗不超过75 kW，电光转换效率（最高）可达45%。

图1 YLS-20000/YLS-30000参数指标

而切割头方面，涉及镜片镀膜工艺、光路设计、冷却系统和电机定位，每一项都是精密技术。尽管我国高功率光纤激光器市场发展迅速，但是功能部件的稳定性却制约了下游高功率光纤激光切割设备的快速发展，其中最主要的一大难点就是可靠稳定的切割头。

早期国内的切割头市场基本被国外品牌垄断，但近几年，国内企业开始奋起直追，大族激光、华工激光、奔腾激光、苏州钋镭自动化、武汉奥森迪科、上海嘉强自动化等加大了对切割头的研发，并取得一定成果。

而根据IPG官方资料，该公司20 kW D50切割头是目前市场上能承受最高功率的切割头，通过准直器进行镜头调焦，内置大量传感器，高压和低压两路气体设计，可实现稳定的切割工艺及远程监控。此前，2019年上海工博会期间，IPG曾携30 kW光纤激光器和配套的切割头亮相，引起不少行业同仁的关注。

被IPG众多创新技术加持的高功率激光解决方案，实际加工效果如何呢？

以该款切割头集合12 kW /15 kW /20 kW切割效果来看：

01 氧气切割碳钢

随着激光器功率不断上升，切割厚度也在不断上升。2-4 kW激光功率切割碳钢厚度可达25 mm，当激光功率上升到12 kW或者15 kW时，切割厚度翻番，达到50 mm甚至60 mm。高速亮面切割的极限厚度也不断突破，目前可以实现碳钢30 mm亮面切割。

图2 IPG不同功率激光器搭配切割头碳钢氧气亮面切割实物效果

02 氮气切割不锈钢

20 mm以上的不锈钢切割通常需要使用万瓦级激光器，切割速度可大大提高。

• 当采用10 kW光纤激光器氮气切割不锈钢时，最优切割厚度为25 mm，极限切割厚度可达50 mm；

• 当激光功率提升到12 kW时，最优切割厚度为40 mm，极限切割厚度可达55 mm；

• 当激光功率提升到15 kW时，最优切割厚度为45 mm，极限切割厚度可达60 mm。

图3 不锈钢氮气切割实物效果图

03 空气切割

空气切割技术是近几年随着高功率激光切割的推广而迅速得到普及的一种切割技术。该技术采用空气作为切割气体切割碳钢，可以成倍地提升切割速度和加工效率，同时降低成本。

中低功率激光器只能实现1 mm或2 mm的碳钢空气切割；而在高功率激光切割大量应用后，可以实现6 mm、8 mm、10 mm空气切割；万瓦级高功率激光器应用后，则可实现最高25 mm碳钢的空气快速切割，显著扩宽了空气切割的应用范围。

6 kW激光功率时，空气切割碳钢与氧气切割碳钢速度相比：

• 当切割2 mm的碳钢时，空气切割速率可达35 m/min，而氧气切割只能达到7 m/min，空气切割效率约为氧气切割的5倍；

• 当切割6 mm的碳钢时，空气切割速率可达7 m/min，而氧气切割只能达到3.3 m/min，空气切割效率约为氧气切割的2.3倍；

图4 6 kW激光功率时，空气切割碳钢切割断面效果展示

15 kW激光功率时，空气切割碳钢与氧气切割碳钢速度相比：

• 当切割5 mm的碳钢时，空气切割速率可达22 m/min，而氧气切割只能达到3.7 m/min，空气切割效率约为氧气切割的6倍；

• 当切割10 mm的碳钢时，空气切割速率可达8 m/min，而氧气切割只能达到2.3 m/min，空气切割效率约为氧气切割的3.5倍。

20 kW激光功率时，空气切割碳钢与氧气切割碳钢速度相比：

• 当切割5 mm的碳钢时，空气切割速率可达27 m/min，而氧气切割只能达到3.7 m/min，空气切割效率约为氧气切割的7倍；

• 当切割10 mm的碳钢时，空气切割速率可达12 m/min，而氧气切割只能达到2.3 m/min，空气切割效率约为氧气切割的5.2倍。

图5 20 kW激光功率时，空气切割碳钢与氧气切割碳钢速度对比

由此可见，切割5-12mm厚度的碳钢材料时，空气切割的效率基本是4-6倍氧气切割的效率；而当针对同一碳钢材料，切割厚度越厚时，虽然空气切割和氧气切割的速度都有所下降，但是相比之下，空气切割速度仍然数倍于氧气切割。

IPG刚开始发展光纤激光器时，当时市场中并没有成功案例可以参考，他们也是一点点摸索和积累，从最初的原材料开始，形成了现在完整的高功率激光技术解决方案。经过30年的技术沉淀，IPG的产品在应用中不断修正，变得更加稳定可靠。也期待，未来光纤激光器市场继续百家争鸣，在应用中不断成长成熟。

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