جوشکاری لیزری: فناوری ساخت هسته در صنعت انرژی های جدید

تقاضای شدید برای تجهیزات جوش لیزری ناشی از پررونق بازار باتری های قدرت است.

جوشکاری لیزری در میانه صنعت قرار دارد و چشم انداز رشد آن بهتر از تجهیزات جوش لیزری برش و علامت گذاری است که در میانه زنجیره صنعتی قرار دارد.

بالادست زنجیره صنعت لیزر شامل مواد نوری، قطعات و تجهیزات نوری و قطعات مکانیکی است. جریان میانی از لیزر و تجهیزات لیزری تشکیل شده است. لیزرها اجزای اصلی تجهیزات لیزر هستند و تجهیزات پردازش لیزر عمدتاً شامل تجهیزات برش لیزری، جوشکاری لیزری و تجهیزات مارک لیزری است. بخش های پایین دستی عمدتاً شامل باتری های لیتیومی، نیمه هادی ها، فتوولتائیک ها و لوازم الکترونیکی مصرفی است.

بازار لیزر پتانسیل زیادی دارد، با استفاده از لیزرهای فیبر بر کاربردها، در حالی که لیزرهای حالت جامد برای ماشینکاری ریز دقیق مناسب هستند. با توجه به Laserfocusworld، از سال 2017 تا 2020، اندازه بازار لیزر جهانی از 13.07 میلیارد دلار به 16.01 میلیارد دلار افزایش یافته است که CAGR 13.37 درصد است. در مقایسه، اندازه بازار لیزر چین از 6.95 میلیارد دلار در سال 2017 به 10.91 میلیارد دلار در سال 2020 افزایش یافت که CAGR 16.22 درصد است. از سال 2017 تا 2020، سهم چین از بازار لیزر جهانی از 53.2 درصد به 68.1 درصد افزایش یافت. در سال 2020، لیزرهای صنعتی 32.2 درصد از بازار جهانی لیزر را به خود اختصاص دادند که بخش صنعتی را به بخش اصلی پایین دست لیزر تبدیل کرد. بر اساس محیط بهره، لیزرها عمدتاً به لیزرهای فیبری، لیزرهای حالت جامد (به استثنای لیزرهای فیبر)، لیزرهای مایع و لیزرهای گازی طبقه بندی می شوند. در سال 2020، لیزرهای فیبر و لیزرهای حالت جامد به ترتیب 52.7 درصد و 16.7 درصد از سهم بازار کاربرد لیزر صنعتی را به خود اختصاص دادند و لیزرهای فیبری بر کاربردهای صنعتی غالب بودند. در مقایسه با لیزرهای فیبر، لیزرهای حالت جامد دارای مزایایی مانند قدرت پیک بالا و ناحیه تحت تأثیر حرارت کم هستند که آنها را برای ریز ماشینکاری دقیق مناسب می کند.

لیزرهای YAG و لیزرهای فیبر هر کدام نقاط قوت خود را دارند. لیزرهای YAG لیزرهای حالت جامد بر پایه کریستال های YAG هستند. مزایای لیزر YAG عبارتند از: ① جوشکاری چند نقطه ای همزمان یا تقسیم زمانی. ② قدرت اوج بالا، مناسب برای جوشکاری نقطه ای؛ ③ قیمت پایین، ارائه مزیت هزینه. در مقایسه با لیزرهای فیبر، لیزرهای YAG تفاوت هایی در کیفیت پرتو و راندمان تبدیل فوتوالکتریک دارند. اما به دلیل پیک توان کمتر لیزرهای فیبر، مزیت قابل توجهی نسبت به لیزرهای YAG در جوشکاری ندارند. بسته به سناریوی کاربردی خاص، هم لیزرهای YAG و هم لیزرهای فیبر می توانند در جوشکاری باتری های قدرت استفاده شوند.

برش، جوشکاری و علامت گذاری عمده ترین کاربردهای پایین دستی لیزرهای صنعتی است. در سال 2020، برش، جوشکاری و علامت گذاری به ترتیب 40.62، 13.52 درصد و 12.6 درصد از بازار کاربرد لیزر را به خود اختصاص دادند. پس از تجربه رشد سریع از سال 2014 تا 2017، بازار تجهیزات برش لیزر شاهد رقابت فزاینده ای بوده و در حال حاضر در جنگ قیمتی شدید قرار دارد. علامت گذاری اکنون یک منطقه کاربردی لیزر بالغ است و بازار نسبتاً پایدار است. کاربردهای جوشکاری از افزایش جوشکاری لیزری دستی و چرخه رونق بالای باتری های پایین دستی بهره می برند و انتظار می رود در چند سال آینده نرخ رشد بالایی را حفظ کنند.

در مقایسه با برش و علامت گذاری، جوش لیزری دارای الزامات فنی بالاتری است. جوشکاری لیزر نسبت به برش و علامت گذاری لیزری سابقه توسعه نسبتاً کوتاه تری دارد و دشواری فرآیند نیز بیشتر است. برش لیزری و علامت گذاری لیزری از لیزر برای تخریب سطح یا ساختار کلی یک ماده استفاده می کند، در حالی که در جوشکاری لیزری از لیزر برای پردازش، ذوب و بازسازی ساختار یک ماده استفاده می شود. بازسازی مواد در مقایسه با تخریب ساده مواد، تقاضاهای بیشتری را برای لیزر و فناوری پردازش ایجاد می کند.

در مقایسه با جوشکاری سنتی، جوش لیزری مزایای قابل توجهی دارد. در مقایسه با جوشکاری مقاومتی سنتی، جوشکاری قوس الکتریکی و جوشکاری با پرتو الکترونی، جوش لیزری مزایایی مانند سرعت بالا، حداقل تغییر شکل، شرایط محیطی جوشکاری کمتر، چگالی توان بالا، مصونیت در برابر میدان‌های مغناطیسی، قابلیت کاربرد در مواد رسانا، عدم نیاز به شرایط خلاء و عدم تولید اشعه ایکس در طول فرآیند جوشکاری را ارائه می‌دهد. این به طور گسترده در تولید با دقت بالا، به ویژه در صنایع خودروهای انرژی جدید و باتری های قدرت استفاده می شود. باتری های قدرت شامل نقاط جوش متعددی هستند، پیچیده هستند و به دقت بالایی نیاز دارند. مزایای منحصر به فرد جوشکاری لیزری می تواند به طور قابل توجهی ایمنی باتری، قابلیت اطمینان، ثبات، کاهش هزینه ها و افزایش عمر مفید باتری را بهبود بخشد.

بازار تجهیزات جوش لیزری رشد سریعی را تجربه می کند. از سال 2016 تا 2020، اندازه بازار تجهیزات لیزر چین از 38.2 میلیارد یوان به 69.2 میلیارد یوان با CAGR 15.79 درصد افزایش یافت. در مقابل، اندازه بازار تجهیزات جوش لیزری چین از 4.17 میلیارد یوان به 11.05 میلیارد یوان با CAGR 27.59٪ افزایش یافت که نشان می دهد بازار تجهیزات جوش لیزر سریعتر از بازار کلی تجهیزات لیزر در حال رشد است.

نفوذ سریع وسایل نقلیه انرژی جدید باعث تقاضای زیاد برای جوشکاری لیزری باتری لیتیومی می شود.

تجهیزات جوش لیزری به طور گسترده در مراحل پیش تولید، اواسط تولید و پس از تولید باتری لیتیومی استفاده می شود. با افزایش تدریجی الزامات برای چگالی انرژی، عملکرد ایمنی و اتوماسیون تولید در باتری های قدرت، نیازهای بالاتری بر روی دقت، ایمنی و سازگاری تجهیزات تولید قرار می گیرد. در مقایسه با روش‌های پردازش سنتی، لیزرها مزایای متعددی از جمله دقت بالا، سرعت بالا و سهولت اتوماسیون را ارائه می‌دهند. تولید باتری لیتیومی شامل سه بخش است: ساخت الکترود (پیش تولید)، مونتاژ سلولی (میان تولید)، و پس از پردازش (پس از تولید)، که همه شامل استفاده از تجهیزات جوش لیزری متعدد است. کاربردهای خاص جوش لیزری در مراحل پیش تولید، اواسط تولید و پس از تولید باتری لیتیومی عبارتند از:

1) پیش تولید: دستگاه های جوشکاری و شکل دهی الکترود کاملاً خودکار و دستگاه های لیزری تشکیل الکترود در مرحله ساخت الکترود.

2) تولید متوسط: جوشکاری دریچه ضد انفجار، جوش الکترود، جوشکاری نوار الکترود، جوشکاری آداپتور، جوشکاری پوشش سلولی و جوشکاری پوشش بالایی.

3) پس از تولید: جوشکاری آداپتور ماژول بسته.

چندین شرکت معروف ورود خود را به بازار باتری 4680 اعلام کرده اند که انتظار می رود فرصت های رشد جدیدی را برای تجهیزات جوش لیزری ایجاد کند. باتری 4680 از فناوری میز استفاده می کند که دارای زبانه های متعدد در هر دو الکترود مثبت و منفی است که به طور قابل توجهی تقاضا برای تجهیزات جوش لیزری را در مقایسه با باتری های منشوری افزایش می دهد. در سه ماهه اول سال 2022، کارخانه تسلا در تگزاس اولین خودروهای مدل Y مجهز به 4680 باتری را تحویل خواهد داد. در همین حال، در روز باتری 2020، تسلا قصد داشت تا سال 2022 به ظرفیت تولید باتری 100 گیگاوات ساعت برسد. با این حال، با توجه به تاخیرهای ساخت و ساز، ظرفیت موثر در سال 2022 تقریباً 5 تا 10 گیگاوات ساعت برآورد شده است. علاوه بر تسلا، خودروسازانی مانند BMW و تولیدکنندگان برجسته باتری مانند پاناسونیک، ال‌جی و سامسونگ نیز برنامه‌های خود را برای توسعه باتری‌های استوانه‌ای بزرگ اعلام کرده‌اند.

نفوذ خودروهای انرژی نو به خودروهای بنزینی سنتی در حال افزایش است. با بهره مندی از پیشرفت در فناوری باتری، پیشرفت در فناوری هوشمند، و توسعه زیرساخت ها، همراه با سیاست های مطلوب دولت چین، فروش خودروهای انرژی جدید در چین به سرعت رشد کرده است. از سال 2017 تا 2021، CAGR فروش خودروهای انرژی نو در چین به 54.9٪ رسید. از سال 2017 تا نیمه اول سال 2022، ضریب نفوذ وسایل نقلیه انرژی جدید در چین به سرعت از 2.8٪ به 21.56٪ افزایش یافت.

بازار باتری های برق چین به سرعت در حال رشد است. در سال 2017، تولید باتری برق چین و ظرفیت نصب شده به ترتیب 44.5 گیگاوات ساعت و 36.2 گیگاوات ساعت بود. در سال 2021، این ارقام به ترتیب به 219.7 گیگاوات ساعت و 154.5 گیگاوات ساعت رسید. از سال 2017 تا 2021، CAGR برای تولید باتری برق 49.06٪ و CAGR برای ظرفیت نصب شده 43.73٪ بود. با توجه به اتحاد نوآوری صنعت باتری‌های خودروی چین، پیش‌بینی می‌شود که تولید باتری برق و ظرفیت نصب شده در چین در سال 2022 به ترتیب به 429.5 گیگاوات ساعت و 229.9 گیگاوات ساعت برسد.

با هدایت بازار پررونق خودروهای انرژی جدید، شرکت های باتری لیتیومی در حال افزایش ظرفیت تولید خود هستند. طبق آمار ناقص Battery Network، در نیمه اول سال 2022، شرکت‌های باتری لیتیومی مانند CATL، BYD، Sunwoda، Zhongchuang Innovation Aviation، و EVE Energy به‌طور متوالی چندین پروژه ساخت‌وساز جدید را با مجموع سرمایه‌گذاری بیش از 439.133 میلیارد یوان و ظرفیت تولید سالانه 1069 پروژه اعلام کردند. ظرفیت تولید تک فاز پایگاه های جدید شرکت های پیشرو باتری های برق تقریباً همگی بالای 10 گیگاوات ساعت است. گسترش شرکت های باتری لیتیومی نیز تقاضای بیشتری برای تجهیزات باتری لیتیومی را به همراه خواهد داشت.

باتری‌های برق: انتظار می‌رود تقاضا برای تجهیزات جوش لیزری جدید تا سال 2025 به 22.1 میلیارد یوان برسد. طبق داده‌های GGCI، پیش‌بینی می‌شود که محموله‌های باتری برق جهانی در سال 2025 به 1550 گیگاوات ساعت و در سال 2030 به 3000 گیگاوات ساعت برسد. 60.9٪، 58.4٪ و 75.3٪ از کل جهانی به ترتیب. پیش‌بینی‌های محافظه‌کارانه نشان می‌دهد که سهم چین در سال‌های 2025 و 2030 در 55 درصد باقی خواهد ماند. سرمایه‌گذاری تخمینی به ازای هر گیگاوات ساعت ظرفیت باتری جدید برق در سال‌های 2025 و 2030 به ترتیب 350 میلیون یوان و 300 میلیون یوان است. علاوه بر این، با توجه به دفترچه لیزر Lianying، تجهیزات جوش لیزری 5٪ -15٪ از ساخت خط تولید باتری های برق را تشکیل می دهند. بر اساس این مفروضات، تقاضای جدید برای تجهیزات جوش لیزری با 10٪ در سال 2025 به 22.138 میلیارد یوان و در سال 2030 به 23.925 میلیارد یوان با CAGR 41.01٪ از سال 2021 تا 2025 خواهد رسید.

صنعت تجهیزات لیزر پراکنده است و به تولید کنندگان لیزر مزیت بیشتری می دهد.

بازار تجهیزات لیزر داخلی نسبتاً پراکنده است و شرکت های لیزر را به دنبال توسعه متمایز می کند.

لیزر Lianying و لیزر Raycus به ترتیب دارای مزایای رقابتی قوی در لیزرهای YAG و لیزرهای فیبر هستند. در لیزرهای YAG در مقایسه با لیزر هان و HGLaser، لیزر Lianying دارای مزیت قابل توجهی در کنترل انرژی است که برای دستیابی به نتایج جوشکاری بهتر مفید است. در لیزرهای فیبر پیوسته، لیزر Raycus و لیزر Chuangxin دارای مشخصات فنی پیشرو هستند و لیزر Raycus سهم بیشتری از بازار را در اختیار دارد. در لیزرهای فیبر پالسی، مشخصات فنی JPT پیشرفته تر است و آن را در خط مقدم داخلی قرار می دهد.

بازار داخلی تجهیزات لیزر پراکنده است و پنج شرکت برتر (CR5) تنها 22 درصد را به خود اختصاص داده اند. کاربردهای پایین دستی متعددی برای لیزرها و بیش از 300 شرکت داخلی تجهیزات پردازش لیزر وجود دارد که بیشتر آنها در مقیاس کوچک هستند. در سال 2021، پنج شرکت برتر در بازار تجهیزات لیزر چین عبارتند از Han's Laser، HGLaser، Hymuxing، Lianying Laser و Yawei، با سهم بازار به ترتیب 14، 3، 2، 2 درصد و 1 درصد، در مجموع 22 درصد. به طور کلی، تمرکز بازار تجهیزات لیزر چین کم است.

بازار داخلی پردازش کلان لیزر با تعداد زیادی شرکت رقیب بزرگ است. حوزه ریز پردازش دقیق دارای موانع تکنولوژیکی بالایی است که در نتیجه شرکت‌های رقیب کمتری در زیربخش‌های خود ایجاد می‌کنند. پردازش لیزر بر اساس اندازه محصولات فرآوری شده به دو دسته اصلی تقسیم می شود: پردازش ماکرو و پردازش ریز دقیق. پردازش ماکرو عمدتاً کاربردهای ضخیم‌تر ورق‌های فلزی مانند خودروسازی و کشتی‌سازی را هدف قرار می‌دهد، در حالی که ریزپردازش دقیق در زمینه‌هایی با نیازهای دقت بالا، مانند نیمه‌رساناها، نمایشگرها، محصولات 3C و دستگاه‌های پزشکی متمرکز است. با توجه به بازار بزرگ‌تر پردازش کلان، این بخش با شرکت‌هایی مانند Han's Laser و HGLaser (هر دو با درآمد بیش از 5 میلیارد یوان) و Lianying Laser و Haimuxing (با درآمد بین 500 میلیون تا 1 میلیارد یوان) بسیار رقابتی است. در بخش ریزپردازش دقیق، لیزر هان، به عنوان یک تولید کننده پیشرو تجهیزات پردازش لیزر، در پردازش دقیق در زمینه هایی مانند باتری های لیتیومی فتوولتائیک، نیمه هادی ها، نمایشگرها و محصولات 3C مشارکت دارد. به طور کلی، بخش ریز پردازش دقیق به دلیل موانع تکنولوژیکی بالا، شرکت های رقیب نسبتاً کمتری در زیربخش های خود دارد. در مورد لیزر، شرکت هایی با درآمد 20 میلیارد یوان و لیزر Chuangxin هر دو در زمینه لیزر فیبر متمرکز هستند.

سه عامل رقابتی کلیدی: ادغام عمودی در بالادست، سرمایه‌گذاری بالا در تحقیق و توسعه، و تامین امنیت مشتریان اصلی پایین‌دستی.

تولید داخلی لیزر کلید کاهش هزینه است. لیزرها جزء اصلی تجهیزات لیزر هستند. عملکرد لیزر به طور مستقیم بر کیفیت و اثربخشی تجهیزات پردازش لیزر تأثیر می گذارد. شرکت های تجهیزاتی که می توانند لیزر را در خانه تولید کنند، نه تنها هزینه ها را کاهش می دهند، بلکه انعطاف پذیری بیشتری در سفارشی سازی دارند. این انعطاف‌پذیری در توانایی تکرار راه‌حل‌های طراحی با انعطاف‌پذیری بیشتر بر اساس نیازهای پایین‌دست، امکان برقراری ارتباط و تعامل بین لیزر و تجهیزات لیزر را نشان می‌دهد. این امر امکان بازخورد به موقع و هموار نیازهای مشتریان پایین دستی را برای تحقیق و توسعه و بهبود لیزرها و فناوری‌های پردازش فراهم می‌کند که منجر به یک اثر هم افزایی یکپارچه قدرتمند می‌شود. شرکت‌های پیشرو در زمینه تجهیزات لیزر مانند لیزر هان، HGLaser، Hymustar و Lianying Laser همگی به تولید نسبی لیزرهای داخلی دست یافته‌اند، به طوری که لیزر Lianying دارای نرخ تولید داخلی نسبتاً بالایی است که به 77.7 درصد در سال 2019 رسیده است.

نتیجه گیری

نفوذ سریع وسایل نقلیه انرژی جدید به خودروهای بنزینی سنتی باعث شده است که تولید کنندگان عمده باتری های قدرت به طور مداوم ظرفیت تولید خود را افزایش دهند و تقاضا برای تجهیزات جوش باتری های برقی را افزایش دهند.

جوشکاری لیزری یکی دیگر از کاربردهایی است که به سرعت در حال رشد به دنبال علامت گذاری و برش لیزری است. جوش لیزری را می توان به طور گسترده در صنایع خودروسازی، باتری لیتیومی، 3C و صنایع هوافضا استفاده کرد. در حال حاضر، نرخ نفوذ آن هنوز نسبتاً پایین است، که نشان دهنده پتانسیل رشد قابل توجهی برای صنعت جوش لیزری است، که انتظار می رود به بازاری قابل مقایسه با برش لیزری تبدیل شود.