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證券投資體系考察下的激光微加工應用趨勢分析

發布時間：2020-11-17 來源：元祿光電

激光器方面：我國激光器+激光設備行業目前合計的市場規模達到了658億元（2019年），2013年行業僅為194億，2013-2019年經歷長達7年的正增長。在激光切割方面，激光對于傳統切割方式的滲透度約26.26%~30.65%，在激光切割設備中，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，2015-2019年復合增速為70.5%，而全球激光器市場2015-2019年復合增速僅為11%。2019 年國內從事超快激光器研發生產的企業超過25家，2019年市場空間達到24.5億元，已成長為相當于國內光纖激光器收入體量30%的市場。

激光器+激光設備行業目前合計的市場規模達到了658億元（2019年），2013年行業僅為194億，2013-2019年經歷長達7年的正增長。

激光加工行業：切割具備工業易耗品屬性，拓寬新興應用場景，把握具備競爭門檻的環節。

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），其特點是：金屬對該波長范圍內的光吸收能力較強，近紅外光適用于金屬加工。

按照IPG年報指引，激光器正在向低波長延伸，半導體激光器、可見光激光器（藍光、綠光等）及UV激光器等是其目前主要拓展的產品。而傳統的二氧化碳激光器、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出光、脈沖出光，介于兩者之間的為準連續激光。

連續激光器：出光是連續的，峰值功率達到120KW，主要應用在切割、弧焊、釬焊、打孔等等

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

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，主要應用在薄板的劃線、刻蝕，鉆孔，表面處理，淬火，打標等。

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（脈寬達到皮秒級別）：峰值功率大于 10MW，主要用于打黑、藍寶石/玻璃切割，光伏 /OLED切割

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

在工業激光器中，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，光纖激光器2009-2018年銷售規模從1.69億美元增長至26.03億美元，按照當前匯率計算約為180億元，期間CAGR為35.50%；光纖激光器在工業激光器中的占比從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。

在所有激光設備的下游用途中，工業加工為最主要應用方向，2019年工業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（更多應用于檢測）與科研軍事用途成為增速相對較快的領域，其2019年分別占比為8.4%、12%，相較于2018年分別提高1.4%、5%。

在工業加工中，按照使用的成熟度劃分，打標>切割>焊接>精密加工。

1.2 工業激光整體規模及行業變動規律

我國激光器+激光設備行業目前合計的市場規模達到了658億元（2019年），2013年行業僅為194億，2013-2019年經歷長達7年的正增長。

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

1.3 連續激光市場：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：從激光設備與切割焊接設備市場空間來看

根據我們的估算，我國冷切割設備存量約為16.62萬臺，熱切割設備存量約為10萬臺；

而根據中國激光產業發展報告（2019）及我們的估算，到2019年底我國切割用激光設備存量為7~8.16萬臺；

不考慮效率差異，激光對于傳統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備，因此實際滲透度可能低于上述估算值；

由于在激光切割設備中，高功率（1500W以上）占比僅為20.8%，高功率對于傳統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

激光焊接企業的設備單價：如果是成套設備（集成機器人、自動上下料等），設備單價是數十萬到上百萬不等；如果是激光焊接機，單價為20萬以上；

而傳統焊機代表企業佳士科技、上海滬工設備單價：根據滬工招股說明書，其手動焊機單價為1300-1400元左右，氣體保護焊機（更先進的產品）單價在3500-4000元左右；

因而，激光焊接目前更多地應用于汽車/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，根據國家統計局數據，規模以上金屬焊接切割廠商年收入合計達到475.46億（2019年）；

而我國激光焊接市場目前的體量較小。參考中國激光產業發展報告2019，激光加工設備市場在2018年達到605 億；參考strategies unlimited，2017年激光焊接占整體工業激光器應用的比例為16%。則估算激光焊接設備的體量約為97億元(由于激光焊接在國外汽車產業應用更為普遍，因而這一估算可能偏高）。

1.4 超快激光器：精密加工應用場景應運而生，快速增長的新興市場

傳統激光加工處理：起源于入射光子-受激電子-聲子轉化而成的熱能，材料通過固態-液態-氣態的三相熱熔過程得到逐步去除，并且其中的熱擴散過程會影響加工處理的質量。

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的時間尺度，在真正意義上實現了 “冷加工”，因此加工精度大大提高。

超快激光器的應用范圍需要厘清，總結而言，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、陶瓷等實現焊接技術革新和突破。

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，傳統的膠水粘合雖然可以實現多種材料之間的連接，但其易老化、熱解、易受熱膨脹等缺點使得產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小及非線性吸收的特點，非常適合透明材料的微焊接，其原理是將高強度的飛秒激光聚焦在兩塊透明玻璃材料的分界面處，界面處的玻璃經歷熔化以及再凝結等過程，最終使得兩塊玻璃牢固的結合在一起。

激光切割：超快激光器不斷挑戰業界最高水準的切割效率，切割質量優于其他激光，滿足更多潛在行業的應用需求。

舉例：全面屏切割：傳統切割方法的機械刀輪在異形切割時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勢明顯，但仍然存在一定熱影響，超快激光器的激光脈寬進一步縮短，可以使用更小的能量將玻璃切開，從而對玻璃損傷更小。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：藍寶石和陶瓷是普遍應用于微加工技術和精細加工的材料，然后由于其質地堅硬，對熱敏感，傳統制造工藝很難完成，需要通過超快激光器進行微加工處理。

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

陶瓷加工：陶瓷材料塑性變小、材料脆性大、易產生裂紋，擴展至脆性斷裂，所以在切削加工過程中會造成崩豁現象，甚至于整個工件報廢。通過超快激光器可以完成陶瓷加工精細化處理，減少裂紋產生。

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械劃線工藝，顯著改善劃線質量，尤其是對于P2、P3劃線環節，可以做到幾乎沒有崩邊現象，也沒有裂紋和殘余應力。

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

激光金屬蝕刻，打標：相比普通激光器，超快激光器可以進行更精準的蝕刻及標記，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現良好的修復、修飾效果。主要應用包括去除金屬、玻璃和復合板上的油漆、粘合劑、氧化物、油污和脫模等。

航空領域：

為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進而提高發動機的性能，需要采用氣膜冷卻技術，這對氣膜孔加工技術提出了極高的要求，2018年西安光機所開發出國內最高單脈沖能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器，并研制出系列化超快激光極端制造裝備，實現了航空發動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補了國內空白，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。

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

醫療領域：飛秒激光視力矯正：在眾多的近視矯正術中，全飛秒激光手術已經成為主流治療近視眼的方法，與傳統的準分子激光手術相比，全飛秒激光手術具有手術準確度高、無明顯疼痛感、術后視覺效果好等優勢。

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的機械加工。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、切槽寬度不統一、表面燒蝕嚴重、筋寬不均勻等一系列問題。近年來，國外企業已經開始采用飛秒激光進行支架切割。

醫療美容方面：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年全球激光器產業市場規模：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個百分點。中美貿易戰得到一定程度緩和，激光產品進出口表現出復出跡象。 2019年激光器在科研和軍事市場持續擴張，增長率達到21%以上。

中國激光產業市場規模：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、信息、商業、醫學和科研領域的激光設備市場銷售總收入為658億元，較2018年同比增長了8.8個百分點。

超快激光器成為近年來激光市場上最突出的增長點，2015-2019年復合增速為70.5%，而全球激光器市場2015-2019年復合增速僅為11%。2019年國內從事超快激光器研發生產的企業超過25家， 2019年市場空間達到24.5億元，已成長為相當于國內光纖激光器收入體量30%的市場。