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證券投資體系考察下的激光微加工應(yīng)用趨勢分析

發(fā)布時(shí)間：2020-11-17 來源：元祿光電

激光器方面：我國激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場規(guī)模達(dá)到了658億元（2019年），2013年行業(yè)僅為194億，2013-2019年經(jīng)歷長達(dá)7年的正增長。在激光切割方面，激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%，在激光切割設(shè)備中，高功率（1500W以上）占比僅為20.8%；在激光焊接方面，由于成本原因，激光焊接占焊接市場比例較小，目前更多地應(yīng)用于汽車/電池/精密金屬加工/光通訊等。

超快激光器成為近年來激光市場上最突出的增長點(diǎn)，2015-2019年復(fù)合增速為70.5%，而全球激光器市場2015-2019年復(fù)合增速僅為11%。2019 年國內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過25家，2019年市場空間達(dá)到24.5億元，已成長為相當(dāng)于國內(nèi)光纖激光器收入體量30%的市場。

激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場規(guī)模達(dá)到了658億元（2019年），2013年行業(yè)僅為194億，2013-2019年經(jīng) 歷長達(dá)7年的正增長。

激光加工行業(yè)：切割具備工業(yè)易耗品屬性，拓寬新興應(yīng)用場景，把握具備競爭門檻的環(huán)節(jié)。

1.1 激光概念的厘清和分類：激光向低波長+高功率+超快方向延伸

按照波長來劃分，連續(xù)光纖激光器一般屬于近紅外光；IPG指引激光器正在向低波長延伸。

光纖激光器，按照光的波長來劃分，一般是從可見光到近紅外光（500nm到1.5μm之間），其特點(diǎn)是：金屬對(duì)該波長范圍內(nèi)的光吸收能力較強(qiáng)，近紅外光適用于金屬加工。

按照IPG年報(bào)指引，激光器正在向低波長延伸，半導(dǎo)體激光器、可見光激光器（藍(lán)光、綠光等）及UV激光器等是其目前主要拓展的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的二氧化碳激光器、固體激光器（鉺固體激光器、銩固體激光器等）則屬于中紅外、遠(yuǎn)紅外波長范圍。

按照工作方式來劃分，光纖激光器又可劃分為連續(xù)出光、脈沖出光，介于兩者之間的為準(zhǔn)連續(xù)激光。

連續(xù)激光器：出光是連續(xù)的，峰值功率達(dá)到120KW，主要應(yīng)用在切割、弧焊、釬焊、打孔等等

半連續(xù)激光器（QCW）：本質(zhì)上還是脈沖出光，但是脈寬較長，峰值功率為23KW，主要應(yīng)用在切割、弧焊、釬焊、打孔、金屬淬火（提高金屬延展性、降低直流電阻），尤其適合在點(diǎn)焊、縫焊以及鉆孔應(yīng)用領(lǐng)域替代燈泵浦YAG激光器。用途上跟連續(xù)激光器有一定重疊。

脈沖激光器又可劃分為納秒、皮秒、飛秒脈沖激光器等

納秒激光器（脈寬較長）：峰值功率為1MW，主要應(yīng) 用在薄板的劃線、刻蝕，鉆孔，表面處理，淬火，打標(biāo) 等。

納秒激光器（脈寬較短，以下更適用于微觀精加工）：主要用在薄板的淬火、硅片/玻璃的切割等；

皮秒激光器（脈寬達(dá)到皮秒級(jí)別）：峰值功率大于 10MW，主要用于打黑、藍(lán)寶石/玻璃切割，光伏 /OLED切割

飛秒激光器（脈寬達(dá)到飛秒級(jí)別）：峰值功率大于 29MW,金屬薄板切割、鉆孔，高精度加工，眼科手術(shù) 等。

在工業(yè)激光器中，光纖激光器成長性最好，固體激光器近兩年有所增長，氣體激光器逐步萎縮

全球范圍內(nèi)，光纖激光器2009-2018年銷售規(guī)模從1.69億美元增長至26.03億美元，按照當(dāng)前匯率計(jì)算約為180億元，期間CAGR為35.50%；光纖激光器在工業(yè)激光器中的占比從2009年的13.7%上升至51.5%。

固體激光器16-18年快速增長，從4.7億美元增長至7.4億美元左右，期間CAGR為25.5%，主要原因系超快固體激光器增速較快。

在所有激光設(shè)備的下游用途中，工業(yè)加工為最主要應(yīng)用方向，2019年工業(yè)加工在所有激光用途中的占比為40.6%；相較于2018年而言下降4.4pct。

儀器儀表與傳感（更多應(yīng)用于檢測）與科研軍事用途成為增速相對(duì)較快的領(lǐng)域，其2019年分別占比為8.4%、12%，相較于2018年分別提高1.4%、5%。

在工業(yè)加工中，按照使用的成熟度劃分，打標(biāo)>切割>焊接>精密加工。

1.2 工業(yè)激光整體規(guī)模及行業(yè)變動(dòng)規(guī)律

我國激光器+激光設(shè)備行業(yè)目前合計(jì)的市場規(guī)模達(dá)到了658億元（2019年），2013年行業(yè)僅為194億，2013-2019年經(jīng)歷長達(dá)7年的正增長。

我們認(rèn)為工業(yè)激光整體屬于通用自動(dòng)化范疇。從成長性來看，工業(yè)機(jī)器人(2013-2019年CAGR25.74%)>激光 (CAGR22.54%)>注塑機(jī)（CAGR8.82%）>金屬成形機(jī)床（CAGR為0）。但整體周期波動(dòng)較為一致，2014、 2017年景氣度相對(duì)較高，2015、2018、2019年景氣度相對(duì)偏低。

1.3 連續(xù)激光市場：切割由成長走向成熟、但仍有望保持較快增速，焊接+其他用途接力

激光加工滲透度：從激光設(shè)備與切割焊接設(shè)備市場空間來看

根據(jù)我們的估算，我國冷切割設(shè)備存量約為16.62萬臺(tái)，熱切割設(shè)備存量約為10萬臺(tái)；

而根據(jù)中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2019）及我們的估算，到2019年底我國切割用激光設(shè)備存量為7~8.16萬臺(tái)；

不考慮效率差異，激光對(duì)于傳統(tǒng)切割方式的滲透度約26.26%~30.65%；

而激光切割在中厚板場景下效率遜于等離子切割設(shè)備，因此實(shí)際滲透度可能低于上述估算值；

由于在激光切割設(shè)備中，高功率（1500W以上）占比僅為20.8%，高功率對(duì)于傳統(tǒng)中厚板切割方式的滲透度更低。

激光焊接成本較高，決定了其自上而下滲透

激光焊接企業(yè)的設(shè)備單價(jià)：如果是成套設(shè)備（集成機(jī) 器人、自動(dòng)上下料等），設(shè)備單價(jià)是數(shù)十萬到上百萬不等；如果是激光焊接機(jī)，單價(jià)為20萬以上；

而傳統(tǒng)焊機(jī)代表企業(yè)佳士科技、上海滬工設(shè)備單價(jià)：根據(jù)滬工招股說明書，其手動(dòng)焊機(jī)單價(jià)為1300-1400元左右，氣體保護(hù)焊機(jī) （更先進(jìn)的產(chǎn)品）單價(jià)在3500-4000元左右；

因而，激光焊接目前更多地應(yīng)用于汽車/電池/精密金屬加工/光通訊。

焊接市場空間大，激光焊接占比較小

焊接市場空間廣闊，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，規(guī)模以上金屬焊接切割廠商年收入合計(jì)達(dá)到475.46億（2019年）；

而我國激光焊接市場目前的體量較小。參考中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2019，激光加工設(shè)備市場在2018年達(dá)到605 億；參考strategies unlimited，2017年激光焊接占整體工業(yè)激光器應(yīng)用的比例為16%。則估算激光焊接設(shè)備的體量約為97億元(由于激光焊接在國外汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用更為普遍，因而這一估算可能偏高）。

1.4 超快激光器：精密加工應(yīng)用場景應(yīng)運(yùn)而生，快速增長的新興市場

傳統(tǒng)激光加工處理：起源于入射光子-受激電子-聲子轉(zhuǎn)化而成的熱能，材料通過固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的三相熱熔過程得到逐步去除，并且其中的熱擴(kuò)散過程會(huì)影響加工處理的質(zhì)量。

與納秒及毫秒激光器相比，超快激光器雖然整體功率更低，但由于其直接作用于材料分子震動(dòng)的時(shí)間尺度，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了 “冷加工”，因此加工精度大大提高。

超快激光器的應(yīng)用范圍需要厘清，總結(jié)而言，其尤其適合脆性非金屬材料加工（由波長決定，超快一般為紫外等）以及金屬薄片加工（超快也會(huì)有紅外，目前成本較高）。

激光焊接：超快激光器使普通激光難以焊接的特殊材料，如玻璃、陶瓷等實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)革新和突破。

舉例：飛秒激光玻璃焊接：電子元器件之間的微連接為大難題，傳統(tǒng)的膠水粘合雖然可以實(shí)現(xiàn)多種材料之間的連接，但其易老化、熱解、易受熱膨脹等缺點(diǎn)使得產(chǎn)品的可靠性難以保證；普通長脈沖激光的能量不易被玻璃吸收而且熱膨脹易使玻璃碎裂，并不適合微焊接玻璃等透明材料。超短脈沖激光與透明材料相互作用具有熱效應(yīng)小及非線性吸收的特點(diǎn)，非常適合透明材料的微焊接，其原理是將高強(qiáng)度的飛秒激光聚焦在兩塊透明玻璃材料的分界面處，界面處的玻璃經(jīng)歷熔化以及再凝結(jié)等過程，最終使得兩塊玻璃牢固的結(jié)合在一起。

激光切割：超快激光器不斷挑戰(zhàn)業(yè)界最高水準(zhǔn)的切割效率，切割質(zhì)量優(yōu)于其他激光，滿足更多潛在行業(yè)的應(yīng)用需求。

舉例：全面屏切割：傳統(tǒng)切割方法的機(jī)械刀輪在異形切割時(shí)開始暴露出切割速度慢、精度低、存在較大毛邊損傷等問題，激光切割在上述方面優(yōu)勢明顯，但仍然存在一定熱影響，超快激光器的激光脈寬進(jìn)一步縮短，可以使用更小的能量將玻璃切開，從而對(duì)玻璃損傷更小。其他切割：面板制造中OLED偏光片的切割、LED晶片切割等。

其他激光微加工：藍(lán)寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工技術(shù)和精細(xì)加工的材料，然后由于其質(zhì)地堅(jiān)硬，對(duì)熱敏感，傳統(tǒng)制造工藝很難完成，需要通過超快激光器進(jìn)行微加工處理。

藍(lán)寶石凹槽銑削：藍(lán)寶石是地球上僅此于鉆石第二堅(jiān)硬的材料，很難用機(jī)械的方法來加工，需要用激光器來切割藍(lán)寶石。

陶瓷加工：陶瓷材料塑性變小、材料脆性大、易產(chǎn)生裂紋，擴(kuò)展至脆性斷裂，所以在切削加工過程中會(huì) 造成崩豁現(xiàn)象，甚至于整個(gè)工件報(bào)廢。通過超快激光器可以完成陶瓷加工精細(xì)化處理，減少裂紋產(chǎn)生。

光伏電池圖案激光蝕刻：超快激光在光伏電池的制造中應(yīng)用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中，超快激光可替代原有的機(jī)械劃線工藝，顯著改善劃線質(zhì)量，尤其是對(duì)于P2、P3劃線環(huán)節(jié)，可以做到幾乎沒有崩邊現(xiàn)象，也沒有裂紋和殘余應(yīng)力。

飛秒激光金屬箔切割：飛秒激光切割機(jī)是指采用脈沖激光時(shí)間為飛秒段的超快激光，其加工特性在于對(duì)材料的熱影響小，與材料作用時(shí)間超短，在某些材料上低于材料分子間的布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此熱影響超小，也就不會(huì)造成超薄金屬材料變形、產(chǎn)生毛刺、顆粒粉塵等。

激光金屬蝕刻，打標(biāo)：相比普通激光器，超快激光器可以進(jìn)行更精準(zhǔn)的蝕刻及標(biāo)記，更耐腐蝕。

激光表面處理：激光表面處理是一種燒蝕過程，在該過程中，材料表面吸收聚焦的激光能量來實(shí)現(xiàn) 良好的修復(fù)、修飾效果。主要應(yīng)用包括去除金屬、玻璃和復(fù)合板上的油漆、粘合劑、氧化物、油污和脫模等。

航空領(lǐng)域：

為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要采用氣膜冷卻技術(shù)，這對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求，2018年西安光機(jī)所開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，并研制出系列化超快激光極端制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，這種加工方法較電火花加工等方法精度更高，成品率大大提升。

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。

醫(yī)療領(lǐng)域：飛秒激光視力矯正：在眾多的近視矯正術(shù)中，全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比，全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無明顯疼痛感、術(shù)后視覺效果好等優(yōu)勢。

心臟支架切割：由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械加工。但是，使用普通激光通過燒蝕融化來加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問題。近年來，國外企業(yè)已經(jīng)開始采用飛秒激光進(jìn)行支架切割。

醫(yī)療美容方面：超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等，也可以用來改善肌膚的衰老情況。

2019年全球激光器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模：2019年全球激光器銷售額為147.3億美元，相比2018年的137.6 億美元銷售額同比增長9.9個(gè)百分點(diǎn)。中美貿(mào)易戰(zhàn)得到一定程度緩和，激光產(chǎn)品進(jìn)出口表現(xiàn)出復(fù)出跡象。 2019年激光器在科研和軍事市場持續(xù)擴(kuò)張，增長率達(dá)到21%以上。

中國激光產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模：2019年中國激光器市場雖然有所增長但與前兩年相比增速開始放緩。工業(yè)、信息、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研領(lǐng)域的激光設(shè)備市場銷售總收入為658億元，較2018年同比增長了8.8個(gè)百分點(diǎn)。

超快激光器成為近年來激光市場上最突出的增長點(diǎn)，2015-2019年復(fù)合增速為70.5%，而全球激光器市場2015-2019年復(fù)合增速僅為11%。2019年國內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過25家， 2019年市場空間達(dá)到24.5億元，已成長為相當(dāng)于國內(nèi)光纖激光器收入體量30%的市場。