Laserschweißen: Kerntechnologie der Fertigung in der neuen Energieindustrie

Starke Nachfrage nach Laserschweißgeräten, angetrieben durch den boomenden Markt für Strombatterien.

Das Laserschweißen liegt im Mittelfeld der Branche und seine Wachstumsaussichten sind besser als die von Laserschweißgeräten zum Schneiden und Markieren, die im Mittelfeld der Industriekette angesiedelt sind.

Die vorgelagerte Kette der Laserindustrie umfasst optische Materialien, optische Komponenten und Geräte sowie mechanische Teile. Der Midstream besteht aus Lasern und Lasergeräten; Laser sind die Kernkomponenten von Lasergeräten, und Laserbearbeitungsgeräte umfassen hauptsächlich Geräte zum Laserschneiden, Laserschweißen und Lasermarkieren. Zu den nachgelagerten Sektoren zählen vor allem Lithiumbatterien, Halbleiter, Photovoltaik und Unterhaltungselektronik.

Der Lasermarkt verfügt über ein großes Potenzial, wobei Faserlaser die Anwendungen dominieren, während Festkörperlaser für die Präzisionsmikrobearbeitung geeignet sind. Laut Laserfocusworld stieg die globale Lasermarktgröße von 2017 bis 2020 von 13,07 Milliarden US-Dollar auf 16,01 Milliarden US-Dollar, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 13,37 % entspricht. Im Vergleich dazu wuchs die Größe des chinesischen Lasermarktes von 6,95 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 auf 10,91 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 16,22 % entspricht. Von 2017 bis 2020 stieg Chinas Anteil am globalen Lasermarkt von 53,2 % auf 68,1 %. Im Jahr 2020 machten Industrielaser 32,2 % des globalen Lasermarktes aus, was den Industriesektor zum wichtigsten nachgelagerten Sektor für Laser macht. Basierend auf dem Verstärkungsmedium werden Laser hauptsächlich in Faserlaser, Festkörperlaser (ausgenommen Faserlaser), Flüssigkeitslaser und Gaslaser eingeteilt. Im Jahr 2020 machten Faserlaser und Festkörperlaser 52,7 % bzw. 16,7 % des Marktanteils bei industriellen Laseranwendungen aus, wobei Faserlaser die industriellen Anwendungen dominieren. Im Vergleich zu Faserlasern bieten Festkörperlaser Vorteile wie eine hohe Spitzenleistung und eine geringe Wärmeeinflusszone, wodurch sie sich für die Präzisionsmikrobearbeitung eignen.

YAG-Laser und Faserlaser haben jeweils ihre Stärken. YAG-Laser sind Festkörperlaser, die auf YAG-Kristallen basieren. Zu den Vorteilen von YAG-Lasern gehören: ① gleichzeitiges oder zeitgeteiltes Mehrpunktschweißen; ② hohe Spitzenleistung, geeignet zum Punktschweißen; ③ niedriger Preis, der einen Kostenvorteil bietet. Im Vergleich zu Faserlasern weisen YAG-Laser einige Unterschiede in der Strahlqualität und der Effizienz der photoelektrischen Umwandlung auf. Aufgrund der geringeren Spitzenleistung von Faserlasern haben sie beim Schweißen jedoch keinen wesentlichen Vorteil gegenüber YAG-Lasern. Abhängig vom konkreten Anwendungsszenario können beim Schweißen von Energiebatterien sowohl YAG-Laser als auch Faserlaser eingesetzt werden.

Schneiden, Schweißen und Markieren sind die wichtigsten nachgelagerten Anwendungen von Industrielasern. Im Jahr 2020 machten Schneiden, Schweißen und Markieren 40,62 %, 13,52 % bzw. 12,6 % des Laseranwendungsmarktes aus. Nach einem rasanten Wachstum von 2014 bis 2017 ist der Markt für Laserschneidgeräte einem zunehmenden Wettbewerb ausgesetzt und befindet sich derzeit in einem harten Preiskampf. Das Markieren ist mittlerweile ein ausgereifter Laseranwendungsbereich und der Markt ist relativ stabil. Schweißanwendungen profitieren vom Aufstieg des handgeführten Laserschweißens und dem hohen Wohlstandszyklus nachgeschalteter Energiebatterien und werden voraussichtlich in den nächsten Jahren eine hohe Wachstumsrate beibehalten.

Im Vergleich zum Schneiden und Markieren stellt das Laserschweißen höhere technische Anforderungen. Das Laserschweißen hat eine vergleichsweise kürzere Entwicklungsgeschichte als das Laserschneiden und Markieren und auch die Prozessschwierigkeiten sind größer. Beim Laserschneiden und Lasermarkieren werden Laser verwendet, um die Oberfläche oder Gesamtstruktur eines Materials zu zerstören, während beim Laserschweißen Laser zum Bearbeiten, Schmelzen und Rekonstruieren der Struktur eines Materials verwendet werden. Die Materialrekonstruktion stellt im Vergleich zur einfachen Materialzerstörung höhere Anforderungen an die Laser- und Bearbeitungstechnik.

Im Vergleich zum herkömmlichen Schweißen bietet das Laserschweißen erhebliche Vorteile. Im Vergleich zum herkömmlichen Widerstandsschweißen, Lichtbogenschweißen und Elektronenstrahlschweißen bietet das Laserschweißen Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, minimale Verformung, weniger anspruchsvolle Anforderungen an die Schweißumgebung, hohe Leistungsdichte, Immunität gegenüber Magnetfeldern, Anwendbarkeit auf leitfähige Materialien, keine Notwendigkeit von Vakuumbedingungen und keine Erzeugung von Röntgenstrahlen während des Schweißprozesses. Es wird häufig in der High-End-Präzisionsfertigung eingesetzt, insbesondere in der Fahrzeug- und Batterieindustrie für neue Energieträger. Leistungsbatterien erfordern zahlreiche Schweißpunkte, sind komplex und erfordern eine hohe Präzision. Die einzigartigen Vorteile des Laserschweißens können die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konsistenz von Batterien erheblich verbessern, Kosten senken und die Lebensdauer verlängern.

Der Markt für Laserschweißgeräte verzeichnet ein rasantes Wachstum. Von 2016 bis 2020 wuchs die Größe des chinesischen Marktes für Laserausrüstung von 38,2 Milliarden Yuan auf 69,2 Milliarden Yuan, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 15,79 %. Im Gegensatz dazu wuchs die Größe des chinesischen Marktes für Laserschweißgeräte von 4,17 Milliarden Yuan auf 11,05 Milliarden Yuan, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 27,59 %, was darauf hindeutet, dass der Markt für Laserschweißgeräte schneller wächst als der Gesamtmarkt für Laserschweißgeräte.

Die schnelle Verbreitung neuer Energiefahrzeuge führt zu einer hohen Nachfrage nach dem Laserschweißen von Lithiumbatterien.

Laserschweißgeräte werden häufig in der Vorproduktions-, Mittelproduktions- und Postproduktionsphase der Herstellung von Lithiumbatterien eingesetzt. Da die Anforderungen an Energiedichte, Sicherheitsleistung und Produktionsautomatisierung bei Leistungsbatterien allmählich steigen, werden auch höhere Anforderungen an die Präzision, Sicherheit und Konsistenz der Produktionsausrüstung gestellt. Im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungsmethoden bieten Laser zahlreiche Vorteile, darunter hohe Präzision, hohe Geschwindigkeit und einfache Automatisierung. Die Herstellung von Lithiumbatterien besteht aus drei Teilen: Elektrodenherstellung (Vorproduktion), Zellmontage (Mitte der Produktion) und Nachbearbeitung (Postproduktion), die alle den Einsatz mehrerer Laserschweißgeräte beinhalten. Zu den spezifischen Laserschweißanwendungen in der Vorproduktions-, Zwischenproduktions- und Nachproduktionsphase der Herstellung von Lithiumbatterien gehören:

1) Vorproduktion: Vollautomatische Elektrodenschweiß- und -formmaschinen und Laserelektrodenformmaschinen in der Elektrodenfertigungsphase;

2) Mittlere Produktion: Explosionsgeschütztes Ventilschweißen, Elektrodenschweißen, Elektrodenstreifenschweißen, Adapterschweißen, Zellengehäuseschweißen und Schweißen der oberen Abdeckung;

3) Postproduktion: Schweißen des Moduladapters.

Mehrere namhafte Unternehmen haben ihren Einstieg in den 4680-Batteriemarkt angekündigt, der neue Wachstumschancen für Laserschweißgeräte eröffnen soll. Die 4680-Batterie nutzt die Tabless-Technologie und verfügt über zahlreiche Laschen sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode, was die Nachfrage nach Laserschweißgeräten im Vergleich zu prismatischen Batterien deutlich erhöht. Im ersten Quartal 2022 wird Teslas texanische Fabrik die ersten Model Y-Fahrzeuge ausliefern, die mit 4680-Batterien ausgestattet sind. Unterdessen plante Tesla beim Battery Day 2020, bis 2022 eine Batterieproduktionskapazität von 100 GWh zu erreichen; Unter Berücksichtigung von Bauverzögerungen wird die effektive Kapazität im Jahr 2022 jedoch auf etwa 5–10 GWh geschätzt. Neben Tesla haben auch Autohersteller wie BMW und führende Batteriehersteller wie Panasonic, LG und Samsung Pläne zur Entwicklung großer zylindrischer Batterien angekündigt.

Das Eindringen neuer Energiefahrzeuge in traditionelle Benzinfahrzeuge beschleunigt sich. Dank der Fortschritte in der Batterietechnologie, Verbesserungen bei der intelligenten Technologie und dem Ausbau der Infrastruktur sowie der günstigen Politik der chinesischen Regierung sind die Verkäufe von Fahrzeugen mit neuer Energie in China schnell gestiegen. Von 2017 bis 2021 erreichte die CAGR der Verkäufe von Fahrzeugen mit neuer Energie in China 54,9 %. Von 2017 bis zum ersten Halbjahr 2022 stieg die Durchdringungsrate von Fahrzeugen mit neuer Energie in China rasch von 2,8 % auf 21,56 %.

Chinas Markt für Strombatterien wächst rasant. Im Jahr 2017 beliefen sich Chinas Produktion und installierte Kapazität für Strombatterien auf 44,5 GWh bzw. 36,2 GWh. Im Jahr 2021 erreichten diese Zahlen 219,7 GWh bzw. 154,5 GWh. Von 2017 bis 2021 betrug die CAGR für die Produktion von Strombatterien 49,06 % und die CAGR für die installierte Kapazität 43,73 %. Nach Angaben der China Automotive Power Battery Industry Innovation Alliance werden Chinas Produktion und installierte Kapazität für Strombatterien im Jahr 2022 voraussichtlich 429,5 GWh bzw. 229,9 GWh erreichen.

Angetrieben durch den boomenden Markt für neue Energiefahrzeuge erweitern Lithiumbatterieunternehmen ihre Produktionskapazitäten. Laut unvollständigen Statistiken von Battery Network kündigten Lithiumbatterieunternehmen wie CATL, BYD, Sunwoda, Zhongchuang Innovation Aviation und EVE Energy im ersten Halbjahr 2022 nacheinander mehrere neue Bauprojekte mit einer Gesamtinvestition von über 439,133 Milliarden Yuan und einer jährlichen Produktionskapazität von 1069 GWh an (bei einigen Projekten wurden Investitionsbeträge und -kapazitäten nicht bekannt gegeben). Die einphasige Produktionskapazität der neuen Stützpunkte führender Energiebatterieunternehmen liegt fast alle über 10 GWh. Die Expansion der Lithiumbatterieunternehmen wird auch zu einer höheren Nachfrage nach Lithiumbatterieausrüstungen führen.

Energiebatterien: Die Nachfrage nach neuen Laserschweißgeräten wird bis 2025 voraussichtlich 22,1 Milliarden Yuan erreichen. Laut GGCI-Daten werden die weltweiten Energiebatterielieferungen im Jahr 2025 voraussichtlich 1550 GWh und im Jahr 2030 3000 GWh erreichen. Von 2018 bis 2021 machten Chinas Energiebatterielieferungen 61,3 %, 60,9 %, 58,4 % bzw. 75,3 % der weltweiten Gesamtzahl. Konservative Prognosen deuten darauf hin, dass Chinas Anteil im Jahr 2025 und 2030 bei 55 % bleiben wird. Die geschätzte Investition pro GWh neuer Batteriekapazität beträgt 2025 und 2030 350 Mio. RMB bzw. 300 Mio. RMB. Darüber hinaus machen Laserschweißgeräte laut dem Prospekt von Lianying Laser 5–15 % des Baus von Produktionslinien für Energiebatterien aus; Unter Berücksichtigung dieser Annahmen von 10 % wird die neue Nachfrage nach Laserschweißgeräten im Jahr 2025 voraussichtlich 22,138 Milliarden RMB und im Jahr 2030 23,925 Milliarden RMB erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 41,01 % von 2021 bis 2025.

Die Laserausrüstungsindustrie ist fragmentiert, was Laserherstellern einen größeren Vorteil verschafft.

Der inländische Markt für Laserausrüstung ist relativ fragmentiert, was Laserunternehmen dazu veranlasst, eine differenzierte Entwicklung anzustreben.

Lianying Laser und Raycus Laser verfügen über starke Wettbewerbsvorteile bei YAG-Lasern bzw. Faserlasern. Bei YAG-Lasern hat der Lianying-Laser im Vergleich zu Han's Laser und HGLaser einen erheblichen Vorteil bei der Energiekontrolle, was sich positiv auf die Erzielung besserer Schweißergebnisse auswirkt. Bei kontinuierlichen Faserlasern verfügen Raycus Laser und Chuangxin Laser über führende technische Spezifikationen, wobei Raycus Laser einen höheren Marktanteil hält. Bei gepulsten Faserlasern sind die technischen Spezifikationen von JPT fortschrittlicher, wodurch das Unternehmen im Inland führend ist.

Der inländische Markt für Lasergeräte ist fragmentiert, wobei die Top 5 (CR5) nur 22 % ausmachen. Es gibt zahlreiche nachgelagerte Anwendungen für Laser und über 300 inländische Unternehmen für Laserbearbeitungsgeräte, von denen die meisten kleine Unternehmen sind. Im Jahr 2021 waren Han's Laser, HGLaser, Hymuxing, Lianying Laser und Yawei die fünf größten Unternehmen auf dem chinesischen Laserausrüstungsmarkt mit Marktanteilen von 14 %, 3 %, 2 %, 2 % bzw. 1 %, also insgesamt 22 %. Insgesamt bleibt die Konzentration des chinesischen Laserausrüstungsmarktes gering.

Der inländische Markt für Laser-Makrobearbeitung ist groß und es gibt viele konkurrierende Unternehmen. Der Bereich der Präzisionsmikrobearbeitung weist hohe technologische Hürden auf, was dazu führt, dass es in seinen Teilsektoren weniger konkurrierende Unternehmen gibt. Die Laserbearbeitung wird je nach Größe der bearbeiteten Produkte in zwei Hauptkategorien unterteilt: Makrobearbeitung und Präzisionsmikrobearbeitung. Die Makrobearbeitung zielt hauptsächlich auf dickere Blechanwendungen wie den Automobil- und Schiffbau ab, während sich die Präzisionsmikrobearbeitung auf Bereiche mit hohen Präzisionsanforderungen konzentriert, wie etwa Halbleiter, Displays, 3C-Produkte und medizinische Geräte. Angesichts des größeren Makroverarbeitungsmarktes ist dieser Sektor hart umkämpft, mit Unternehmen wie Han's Laser und HGLaser (beide mit Umsätzen über 5 Milliarden RMB) sowie Lianying Laser und Haimuxing (mit Umsätzen zwischen 500 Millionen und 1 Milliarde RMB). Im Bereich der Präzisionsmikrobearbeitung ist Han's Laser als führender Hersteller von Laserbearbeitungsgeräten an der Präzisionsbearbeitung in Bereichen wie photovoltaischen Lithiumbatterien, Halbleitern, Displays und 3C-Produkten beteiligt. Insgesamt gibt es im Bereich der Präzisionsmikrobearbeitung aufgrund der hohen technologischen Hürden relativ wenige konkurrierende Unternehmen in seinen Teilsektoren. Bei Lasern sind Unternehmen mit einem Umsatz von 20 Milliarden RMB und Chuangxin Laser beide auf den Bereich Faserlaser konzentriert.

Drei wichtige Wettbewerbsfaktoren: vertikale Integration im Upstream-Bereich, hohe F&E-Investitionen und die Gewinnung großer Downstream-Kunden.

Die Eigenproduktion von Lasern ist der Schlüssel zur Kostensenkung. Laser sind die Kernkomponente von Lasergeräten. Die Leistung des Lasers wirkt sich direkt auf die Qualität und Effektivität von Laserbearbeitungsgeräten aus. Ausrüstungsunternehmen, die Laser selbst herstellen können, senken nicht nur die Kosten, sondern verfügen auch über eine größere Flexibilität bei der Anpassung. Diese Flexibilität manifestiert sich in der Fähigkeit, Designlösungen flexibler auf der Grundlage nachgelagerter Anforderungen zu iterieren und so die Kommunikation und Interaktion zwischen dem Laser und der Laserausrüstung zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine zeitnahe und reibungslose Rückmeldung nachgelagerter Kundenanforderungen an die Forschung und Entwicklung sowie die Verbesserung von Lasern und Bearbeitungstechnologien, was zu einem starken integrierten Synergieeffekt führt. Führende Laserausrüstungsunternehmen wie Han's Laser, HGLaser, Hymustar und Lianying Laser haben alle eine teilweise Eigenproduktion von Lasern erreicht, wobei Lianying Laser eine relativ hohe Eigenproduktionsrate aufwies und 2019 77,7 % erreichte.

Abschluss

Die schnelle Durchdringung von Fahrzeugen mit neuer Energie in herkömmlichen Benzinfahrzeugen hat dazu geführt, dass große Hersteller von Leistungsbatterien ihre Produktionskapazitäten kontinuierlich erweitern, was die Nachfrage nach Schweißgeräten für Leistungsbatterien in die Höhe treibt.

Das Laserschweißen ist nach dem Lasermarkieren und -schneiden eine weitere schnell wachsende Anwendung. Laserschweißen kann in der Automobil-, Lithiumbatterie-, 3C- und Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet eingesetzt werden. Derzeit ist die Durchdringungsrate noch relativ gering, was auf ein erhebliches Wachstumspotenzial für die Laserschweißindustrie hinweist, die sich voraussichtlich zu einem mit dem Laserschneiden vergleichbaren Markt entwickeln wird.