大功率激光设备产业链开启进口替代(上)

发表时间:2019-05-28 13:32
效率精度优势显现,激光加工开启工艺替代。
激光加工属于无接触加工,可通过调节激光束的能量、移动速度等方式实现多种加工目的。在高硬度、高脆性、高熔点等特殊应用场景,激光加工的优势更得到突出体现。目前,激光加工主要包括激光打标、激光切割、激光焊接等,由于其生产效率高、生产环境要求低、加工精度高等优势,激光加工将会逐步取代传统的等离子切割、火焰切割等工艺。特别在传统金属加工领域,除了传统的金属切削机床外,激光加工与传统的冲床工艺在部分应用领域亦有所重叠,未来替代空间较大。
大功率激光设备国产化突破,性价比优势凸显开启进口替代。光纤激光器是光纤激光设备的核心零部件和主要成本来源。2016年,本土激光器企业在低功率市场已占85%,在中功率市场亦已占比近60%,但在大功率市场的占比尚不足10%。和2012年相比,2016年进口中低功率光纤激光器降价超50%,但高功率激光器价格稳中有升。伴随着国产激光器主要企业如锐科激光等的持续技术突破和产品创新,国产大功率激光器已经逐步覆盖了1000W-10KW功率范围,并在向更高功率的应用突破。我们认为,国产大功率激光器正迎来进口替代的拐点,国产激光器的推出有望大幅降低激光设备原材料成本,对IPG等国际巨头形成价格冲击,从而降低下游应用成本,刺激下游应用需求快速提升,国产大功率激光设备行业有望复制中小功率激光设备的发展历程,成为激光设备行业新的增长极。
对标国外巨头,本土企业加速追赶。激光发生器领域,美国IPG仍是全球龙头,公司近年来保持较高速增长,尤其是大功率连续波激光业务2017年达到8.67亿美元,同比增长50%,但由于市场竞争激烈,IPG中小功率激光器整体增长缓慢;而IPG超过40%的业务来源于中国市场,客观说明中国市场庞大的需求;激光加工设备领域,德国通快作为全球龙头,2016年营业额超过30亿欧元,但是公司在中国市场的份额却因为大族等本土企业的快速崛起而呈现下降趋势。我们认为,随着本土激光设备特别是大功率激光设备产业链的逐步完善,占据市场、服务优势的本土企业将加速追赶国外巨头,重点关注锐科激光、大族激光、亚威股份等。
一、激光加工发展迅速,逐步取代传统工艺
1.1
激光器基本工作原理与结构
光与物质会发生共振相互作用,这种相互作用中的受激辐射过程就是激光器的物理基础。受激辐射的概念是由爱因斯坦于1917年提出,是指高能量的原子在辐射场的激励下会向低能级跃迁并辐射出与辐射场光子性质一样的光子。为了实现受激辐射,必须要通过泵浦对发光物质输入能量造成原子内部的粒子数反转。当高于阈值功率进行泵浦时,就会产生频谱较窄的激光输出。
激光产生的基本条件可归纳为:形成粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件,因而激光器通常也是由三部分构成,即激光工作介质、泵浦源、光学谐振腔。激光工作介质是实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。泵浦源用来实现对光物质输入能量以实现激励。光学谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向,从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且,它可以很好地缩短工作物质的长度,还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式(即选模),所以一般激光器都具有谐振腔。
按照激光工作介质的不同,激光器可以分为光纤激光器、固体激光器(晶体,玻璃)、气体激光器(原子气体、离子气体、分子气体)、半导体和液体激光器等。光纤激光器是指主要利用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质,在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,因此只需要加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。固体激光器是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的。气体激光器是指以气体作为工作物质的激光器,利用气体原子、离子或者分子的能级跃迁而产生激光,而自由电子激光器和其他激光器的基本原理略有不同,是通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用,使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。
光纤激光器应用于激光加工优势更明显,将成为市场主流。光纤激光器结构小巧,性能稳定,工作效率高,工作寿命时间长且不易受外界干扰,易操作与维护,应用便捷,光纤激光器的输出功率一般在0.5kw-20kw之间,可以广泛应用于打孔,切割,医疗器械,激光通讯等行业。
气体激光器(典型代表CO2激光器)光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作,输出功率一般在1kw-20kw之间,广泛应用于材料加工、科学研究、检测国防等方面。在材料加工领域,中小功率的光纤激光器对气体激光器的市场冲击最大。固体激光器体积大,易受到外界振动、温度变化等因素干扰,稳定性差、难维护且维护成本高,但输出峰值功率可以很高,光束质量好,性噪比高,脉冲峰值功率可高达109W,连续输出功率(典型代表YAG激光器)的输出功率一般在0.5kw-5kw之间。高功率峰值的固体激光器在军事领域中有着独特的应用,可以用于惯性约束激光聚变中。因此,随着光纤激光器的技术越来越成熟,光纤激光器的连续输出功率与峰值功率的指标不断突破,市场上的价格越来趋于稳定,激光加工使用光纤激光器将成为未来主流趋势。
高功率应用场景多使用光纤激光器。光纤激光器与固体激光器相比,在工业加工的很多便利性,但由于其高功率的技术门槛较高,目前仍然存在一定的技术发展空间。光纤激光器与气体激光器相比,最大的特点就是在工业应用中效率高且加工便捷性高,寿命时间长,在很多需应用高功率激光器的特殊应用领域中,一般都采用光纤激光器。而中低功率的激光器就可以按照实际需求采用气体激光器或固体激光器。
激光器功率的高低并无固定区分,不同应用领域激光器有不同分类。对于激光加工应用场景,业界一般定义功率低于100W为低功率激光器,这种低功率光纤激光器的市场几乎被国内厂商占据;功率位于100W-1000W之间为中功率激光器,中功率光纤激光器的国产化率正快速提升,2016年国产中功率光纤激光器的渗透力已经达到58%;功率大于1000W为高功率激光器,由于技术研发瓶颈之高,原材料性能要求苛刻,此前高功率光纤激光器基本被美国IPG等公司占据,也是目前国产化最为关键的领域。
连续激光器多应用于切割加工,脉冲激光器多应用于打孔加工。按照激光器的运转方式以及输出信号的特征,激光器可以分为连续激光器与脉冲激光器。脉冲是指隔一段相同时间发出信号(电波、机械波、光波等信号),因此影响脉冲特点的因素有相隔时间与发射信号的时间,按照这个可以继续将脉冲区分为单次脉冲信号与重复脉冲信号。脉冲激光的峰值功率与平均功率是脉冲激光工业应用中非常注重的两个指标。峰值功率是指单脉冲能量与脉冲宽度(通常是指激光功率维持在峰值功率一半之上所持续的时间的持续时间)的商;平均功率是指单脉冲能量与重复频率的乘积(每秒钟发射激光脉冲的次数)。连续激光是指激光泵浦源持续提供能量,长时间的产生激光输出,从而得到连续激光。因为脉冲输出的特征,连续激光器更适用于连续工作的场景,比如激光切割,激光焊接等,而脉冲激光器利用其高峰值功率的特性多应用于激光打孔,激光快速成型等领域。
1.2
技术优势突出,逐步替代传统工艺激光
光束拥有高单色性,高相干性,高方向性以及高亮度(高功率)等性质特点,目前已经应用于各行各业。激光加工主要是指利用高能量激光束与物质的相互作用的特性,使得物质本身特性发生变化从而对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、精准打孔及微加工等。
激光加工属于无接触加工,可通过调节激光束的能量、移动速度等方式实现多种加工目的。 在高硬度、高脆性、高熔点等传统接触式加工方式较难处理的特殊材料方面更能凸显出激光 加工的巨大优势。激光加工主要应用于激光打标、激光切割、激光焊接。由于其加工的生产 效率高,生产环境要求低,加工精度高等优势,激光加工将会逐步取代传统的等离子切割、 火焰切割和冲床等工艺。
1.3
产业链产值超过千亿,大功率激光器步入高增长轨道
激光加工设备行业庞大且应用广泛,从激光产业的产业链分布可以看出,激光产业链主要包 括:上游主要是激光元器件以及激光器,国外主要的厂商有美国的 IPG 公司、英国的 SPI 公司,国内的主要有锐科股份、创鑫激光等;中游主要包含激光加工设备制造业,国外企业主 要有德国通快、日本 AMADA、意大利 PRIMA,国内的厂商主要有大族激光、华工科技、亚威股份、德龙激光;下游应用行业,主要包括激光加工在汽车、钢铁、船舶、航空航天、消费 电子、高端材料、半导体加工、机械制造、医疗美容、电子工业等行业中的应用。
激光器研发难度较大,上游设备 IPG 占据过半。IPG 是全球光纤激光器的寡头,2017 年全 球营业额 14.08 亿美元,同年在中国的销售额为 6.21 亿美元,同比增长了 73.46%。而国内 光纤激光器的厂商锐科股份的市占率为 12.10%,公司 2017 年的销售额为 9.5 亿元,净利润 为 2.77 亿元;创鑫激光的市占率仅次于锐科股份,为 10.30%,公司 2016 年的营业额为 4.24亿元。
激光加工设备逐步实现国产替代。激光加工主要应用于消费电子、半导体晶圆激光加工和钣 材的大功率激光加工等领域。基于上游产业激光器的激光加工设备是下游激光加工应用的工 具,目前世界上最大的激光加工设备厂商是德国通快,其销售遍布亚欧美。大族激光则是国 产激光加工设备的龙头,近几年市场份额快速提升。
2017 年,我国激光产业链产值规模超过 1000 亿元,位于中游的激光装备占比约 42%,比2016 年增加了 5 个百分点。上游核心激光元器件及激光器由于其技术的高门槛,国内市场长 期依赖国外进口,尤其是高功率的激光器,IPG 在国内的市场份额为 52.7%。中低功率激光 器国产化率已经超过 80%;中游激光制造装备环节,国内涉及激光设备生产的企业较多,其中大族激光已是亚洲最大的激光设备生产制造商。
2017 年,全球工业激光器市场规模超过 40 亿美元,同比增长 25%,其中光纤激光器的市场 规模达到 20 亿美元,同比增长超过 20%,大功率的激光设备迎来高速发展阶段。
在材料加工方面,工业激光器主要用于切割、打标、金属精加工、金属焊接等,其中切割和打标是最重要的两个应用领域。据中国激光杂志社统计,2017年国内激光加工市场(包含工业激光器及其附带的系统)规模495亿元,同比增长28.57%。2018年市场规模将达到600亿元。
1.4
性价比提升带来材料加工工艺变革,替代空间较大
传统加工工艺技术简单、操作性易复制、价格便宜,主要包括机械加工、火焰加工、冲床加工以及化学腐蚀、等离子体加工等方法。但和激光加工相比,在效率、精度以及加工产品的美观度方面存在劣势。随着国内上游核心元器件以及中高功率激光器的持续研发投入,国内企业的市场占有份额逐步提升,锐科、创鑫激光、杰普特等国产厂商产品的推出,一定程度上冲击了IPG在国内市场的垄断地位。2015年以来,高功率激光器的价格持续下降,降低了企业端大功率激光加工设备的使用成本。2017年国产高功率激光器500台,同比翻两番,国产化率达到11%。
上游设备的成本逐步降低提升激光设备使用性价比,激发市场应用需求,技术替代和进口替代双重红利优势凸显。比如,在传统金属加工领域,主要设备为金属切割机床与金属成形机床。激光加工对传统的金属切割机床具有一定的替代作用,主要是冲裁与切割方面的功能有所重叠,但是激光加工并不能完全取代转塔冲床,主要是因为无法取代冲床所具备的成形功能。
金属加工行业中,金属切割机床的年产量以及年消费额都大于金属成形机床,其中金属切割机床包括车床、钻镗床、铣床、齿轮加工机床等。2017年中国金属加工机床总消费299.7亿美元,同比增长7.5%。其中,金属切割机床消费额为184亿美元,同比增长7.8%;金属成形机床消费额为115.7亿美元,同比增长7%,我们认为随着激光加工设备成本、效率优势的逐步显现,持续的市场替代空间较大。


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