Лазерная сварка: основная технология производства в новой энергетической отрасли

Высокий спрос на оборудование для лазерной сварки обусловлен бурно развивающимся рынком аккумуляторов.

Лазерная сварка находится в середине отрасли, и перспективы ее роста лучше, чем у оборудования для лазерной сварки и резки, которое находится в середине производственной цепочки.

Восходящая цепочка лазерной промышленности включает оптические материалы, оптические компоненты и оборудование, а также механические детали. Средний поток состоит из лазеров и лазерного оборудования; Лазеры являются основными компонентами лазерного оборудования, а оборудование для лазерной обработки в основном включает оборудование для лазерной резки, лазерной сварки и лазерной маркировки. Секторы переработки в основном включают литиевые батареи, полупроводники, фотоэлектрические устройства и бытовую электронику.

Рынок лазеров имеет большой потенциал: в приложениях доминируют волоконные лазеры, а твердотельные лазеры подходят для прецизионной микрообработки. По данным Laserfocusworld, с 2017 по 2020 год объем мирового рынка лазеров увеличился с 13,07 млрд долларов США до 16,01 млрд долларов США, среднегодовой темп роста составил 13,37%. Для сравнения, размер китайского лазерного рынка вырос с 6,95 млрд долларов США в 2017 году до 10,91 млрд долларов США в 2020 году, среднегодовой темп роста составил 16,22%. С 2017 по 2020 год доля Китая на мировом лазерном рынке выросла с 53,2% до 68,1%. В 2020 году на долю промышленных лазеров пришлось 32,2% мирового лазерного рынка, что сделало промышленный сектор основным сектором переработки лазеров. В зависимости от усиливающей среды лазеры в основном подразделяются на волоконные лазеры, твердотельные лазеры (за исключением волоконных лазеров), жидкостные лазеры и газовые лазеры. В 2020 году на волоконные лазеры и твердотельные лазеры приходилось 52,7% и 16,7% рынка промышленных лазерных приложений соответственно, при этом волоконные лазеры доминировали в промышленных приложениях. По сравнению с волоконными лазерами твердотельные лазеры имеют такие преимущества, как высокая пиковая мощность и малая зона термического влияния, что делает их пригодными для прецизионной микрообработки.

У YAG-лазеров и волоконных лазеров есть свои сильные стороны. YAG-лазеры представляют собой твердотельные лазеры на основе кристаллов YAG. К преимуществам YAG-лазеров относятся: ① многоточечная сварка одновременно или с разделением по времени; ② высокая пиковая мощность, подходит для точечной сварки; ③ низкая цена, обеспечивающая экономическое преимущество. По сравнению с волоконными лазерами YAG-лазеры имеют некоторые различия в качестве луча и эффективности фотоэлектрического преобразования. Однако из-за меньшей пиковой мощности волоконных лазеров они не имеют существенного преимущества перед YAG-лазерами при сварке. В зависимости от конкретного сценария применения для сварки силовых аккумуляторов могут использоваться как YAG-лазеры, так и волоконные лазеры.

Резка, сварка и маркировка являются основными областями применения промышленных лазеров. В 2020 году на резку, сварку и маркировку пришлось 40,62%, 13,52% и 12,6% рынка лазерных приложений соответственно. После быстрого роста с 2014 по 2017 год на рынке оборудования для лазерной резки наблюдается растущая конкуренция, и в настоящее время он находится в ожесточенной ценовой войне. Маркировка в настоящее время является развитой областью применения лазеров, и рынок относительно стабилен. Сварочные применения получают выгоду от развития ручной лазерной сварки и быстрого развития аккумуляторных батарей, и ожидается, что в ближайшие несколько лет они сохранят высокие темпы роста.

По сравнению с резкой и маркировкой, к лазерной сварке предъявляются более высокие технические требования. Лазерная сварка имеет относительно более короткую историю развития, чем лазерная резка и маркировка, а сложность процесса также выше. Лазерная резка и лазерная маркировка используют лазеры для разрушения поверхности или общей структуры материала, а лазерная сварка использует лазеры для обработки, плавления и восстановления структуры материала. Реконструкция материала по сравнению с простым разрушением материала предъявляет более высокие требования к лазеру и технологиям обработки.

По сравнению с традиционной сваркой лазерная сварка имеет существенные преимущества. По сравнению с традиционной контактной сваркой, дуговой сваркой и электронно-лучевой сваркой лазерная сварка имеет такие преимущества, как высокая скорость, минимальная деформация, менее строгие требования к среде сварки, высокая плотность мощности, невосприимчивость к магнитным полям, применимость к проводящим материалам, отсутствие необходимости в условиях вакуума и отсутствие генерации рентгеновских лучей в процессе сварки. Он широко используется в высокоточном производстве, особенно в производстве новых энергетических транспортных средств и аккумуляторных батарей. Силовые батареи включают в себя множество точек сварки, сложны и требуют высокой точности. Уникальные преимущества лазерной сварки позволяют значительно повысить безопасность, надежность и стабильность работы аккумуляторов, снизить затраты и продлить срок их службы.

Рынок лазерного сварочного оборудования переживает бурный рост. С 2016 по 2020 год объем китайского рынка лазерного оборудования вырос с 38,2 млрд юаней до 69,2 млрд юаней, при этом среднегодовой темп роста составил 15,79%. Напротив, объем китайского рынка оборудования для лазерной сварки вырос с 4,17 млрд юаней до 11,05 млрд юаней, при этом среднегодовой темп роста составил 27,59%, что указывает на то, что рынок оборудования для лазерной сварки растет быстрее, чем общий рынок лазерного оборудования.

Быстрое внедрение новых энергетических транспортных средств приводит к высокому спросу на лазерную сварку литиевых батарей.

Оборудование для лазерной сварки широко используется на подготовительном, среднем и постпроизводственном этапах производства литиевых батарей. Поскольку требования к плотности энергии, показателям безопасности и автоматизации производства в аккумуляторных батареях постепенно возрастают, более высокие требования предъявляются к точности, безопасности и стабильности производственного оборудования. По сравнению с традиционными методами обработки лазеры обладают многочисленными преимуществами, включая высокую точность, высокую скорость и простоту автоматизации. Производство литиевых батарей состоит из трех этапов: изготовление электродов (предварительное производство), сборка элементов (промежуточный этап производства) и постобработка (постпроизводственный этап), причем все они включают применение нескольких устройств для лазерной сварки. Конкретные применения лазерной сварки на предварительном, среднем и постпроизводственном этапах производства литиевых батарей включают:

1) Подготовка производства: Полностью автоматизированные машины для электродной сварки и формовки, а также машины для лазерной формовки электродов на этапе изготовления электродов;

2) Среднее производство: сварка взрывозащищенных клапанов, электродная сварка, сварка электродной ленты, сварка адаптера, сварка корпуса ячейки и сварка верхней крышки;

3) Последующая обработка: сварка адаптера модуля упаковки.

Несколько известных компаний объявили о своем выходе на рынок аккумуляторов 4680, который, как ожидается, откроет новые возможности роста для оборудования для лазерной сварки. В аккумуляторе 4680 используется бестабличная технология с многочисленными выступами как на положительных, так и на отрицательных электродах, что значительно увеличивает спрос на оборудование для лазерной сварки по сравнению с призматическими батареями. В первом квартале 2022 года завод Tesla в Техасе поставит первые автомобили Model Y, оснащенные 4680 аккумуляторами. Между тем, на Battery Day 2020 Tesla планировала достичь мощности по производству аккумуляторов в 100 ГВтч к 2022 году; однако, учитывая задержки в строительстве, эффективная мощность в 2022 году оценивается примерно в 5-10 ГВтч. Помимо Tesla, о своих планах по разработке больших цилиндрических батарей объявили такие автопроизводители, как BMW, и ведущие производители аккумуляторов, такие как Panasonic, LG и Samsung.

Проникновение новых энергетических транспортных средств в традиционные бензиновые автомобили ускоряется. Благодаря достижениям в области аккумуляторных технологий, усовершенствованиям в интеллектуальных технологиях и расширению инфраструктуры, а также благоприятной политике китайского правительства, продажи новых энергетических транспортных средств в Китае быстро выросли. С 2017 по 2021 год среднегодовой темп продаж автомобилей на новых источниках энергии в Китае достиг 54,9%. С 2017 года по первую половину 2022 года уровень проникновения транспортных средств на новых источниках энергии в Китае быстро увеличился с 2,8% до 21,56%.

Рынок аккумуляторов в Китае быстро растет. В 2017 году производство и установленная мощность аккумуляторов в Китае составили 44,5 ГВтч и 36,2 ГВтч соответственно. В 2021 году эти показатели достигли 219,7 ГВтч и 154,5 ГВтч соответственно. С 2017 по 2021 год среднегодовой темп роста производства аккумуляторов составил 49,06%, а среднегодовой темп роста установленной мощности — 43,73%. По данным Инновационного альянса индустрии автомобильных аккумуляторов Китая, в 2022 году производство и установленная мощность аккумуляторов в Китае, по прогнозам, достигнут 429,5 ГВтч и 229,9 ГВтч соответственно.

Под влиянием быстро развивающегося рынка транспортных средств на новых источниках энергии компании, производящие литиевые аккумуляторы, расширяют свои производственные мощности. Согласно неполной статистике Battery Network, в первой половине 2022 года такие компании, производящие литиевые батареи, как CATL, BYD, Sunwoda, Zhongchuang Innovation Aviation и EVE Energy, последовательно объявили о нескольких новых строительных проектах с общим объемом инвестиций, превышающим 439,133 млрд юаней, и годовой производственной мощностью 1069 ГВтч (некоторые проекты не раскрывают суммы инвестиций и мощность). Однофазная производственная мощность новых баз ведущих производителей аккумуляторов почти у всех превышает 10 ГВтч. Расширение производства литиевых батарей также приведет к увеличению спроса на оборудование для литиевых батарей.

Силовые батареи: ожидается, что к 2025 году спрос на новое оборудование для лазерной сварки достигнет 22,1 млрд юаней. По данным GGCI, мировые поставки энергетических батарей, по прогнозам, достигнут 1550 ГВтч в 2025 году и 3000 ГВтч в 2030 году. С 2018 по 2021 год поставки силовых батарей в Китай составляли 61,3%, 60,9% 58,4% и 75,3% от общемирового объема соответственно. Консервативные прогнозы показывают, что доля Китая останется на уровне 55% в 2025 и 2030 годах. Предполагаемые инвестиции на ГВтч мощности новых аккумуляторных батарей в 2025 и 2030 годах составят 350 миллионов юаней и 300 миллионов юаней соответственно. Кроме того, согласно проспекту компании Lianying Laser, на оборудование для лазерной сварки приходится 5–15% строительства линий по производству аккумуляторов; Если принять 10%, исходя из этих предположений, новый спрос на оборудование для лазерной сварки, по прогнозам, достигнет 22,138 миллиардов юаней в 2025 году и 23,925 миллиардов юаней в 2030 году, при этом среднегодовой темп роста составит 41,01% с 2021 по 2025 год.

Индустрия лазерного оборудования фрагментирована, что дает производителям лазеров большее преимущество.

Внутренний рынок лазерного оборудования относительно фрагментирован, что побуждает лазерные компании искать дифференцированное развитие.

Lianying Laser и Raycus Laser обладают сильными конкурентными преимуществами в производстве YAG-лазеров и волоконных лазеров соответственно. В YAG-лазерах, по сравнению с Han's Laser и HGLaser, Lianying Laser имеет значительное преимущество в контроле энергии, что полезно для достижения лучших результатов сварки. В области непрерывных волоконных лазеров Raycus Laser и Chuangxin Laser имеют ведущие технические характеристики, при этом Raycus Laser занимает более высокую долю рынка. Технические характеристики импульсных волоконных лазеров JPT более продвинуты, что ставит их на передовые позиции внутри страны.

Отечественный рынок лазерного оборудования фрагментирован: на пятерку лидеров (CR5) приходится лишь 22%. Существует множество последующих применений лазеров и более 300 отечественных компаний по производству оборудования для лазерной обработки, большинство из которых являются небольшими по масштабу. В 2021 году в пятерку крупнейших компаний на китайском рынке лазерного оборудования вошли Han's Laser, HGLaser, Hymuxing, Lianying Laser и Yawei с долями рынка 14%, 3%, 2%, 2% и 1% соответственно, что в сумме составляет 22%. В целом концентрация китайского рынка лазерного оборудования остается низкой.

Внутренний рынок лазерной макрообработки огромен, на нем представлено множество конкурирующих компаний; область прецизионной микрообработки имеет высокие технологические барьеры, в результате чего в ее подсекторах конкурирует меньше компаний. Лазерная обработка делится на две основные категории в зависимости от размера обрабатываемых изделий: макрообработка и прецизионная микрообработка. Макрообработка в основном ориентирована на изделия из более толстого листового металла, такие как автомобилестроение и судостроение, тогда как прецизионная микрообработка сосредоточена в областях с высокими требованиями к точности, таких как полупроводники, дисплеи, продукты 3C и медицинские устройства. Учитывая более крупный рынок макрообработки, этот сектор является высококонкурентным: в нем присутствуют такие компании, как Han's Laser и HGLaser (обе с доходом, превышающим 5 миллиардов юаней), а также Lianying Laser и Haimuxing (с доходом от 500 миллионов до 1 миллиарда юаней). В секторе прецизионной микрообработки Han's Laser, как ведущий производитель оборудования для лазерной обработки, занимается прецизионной обработкой в ​​таких областях, как фотоэлектрические литиевые батареи, полупроводники, дисплеи и продукты 3C. В целом, в секторе прецизионной микрообработки относительно меньше конкурирующих компаний в своих подсекторах из-за высоких технологических барьеров. Что касается лазеров, компании с доходом в 20 миллиардов юаней и Chuangxin Laser сконцентрированы в области волоконных лазеров.

Три ключевых конкурентных фактора: вертикальная интеграция в сфере добычи, высокие инвестиции в исследования и разработки и привлечение крупных клиентов в сфере переработки и переработки.

Собственное производство лазеров является ключом к снижению затрат. Лазеры являются основным компонентом лазерного оборудования. Производительность лазера напрямую влияет на качество и эффективность оборудования для лазерной обработки. Компании-производители оборудования, которые могут самостоятельно производить лазеры, не только сокращают затраты, но и имеют большую гибкость в настройке. Эта гибкость проявляется в возможности более гибкого повторения проектных решений в зависимости от последующих потребностей, обеспечивая связь и взаимодействие между лазером и лазерным оборудованием. Это позволяет своевременно и плавно учитывать требования последующих клиентов к исследованиям, разработкам и совершенствованию лазеров и технологий обработки, что приводит к мощному комплексному синергетическому эффекту. Ведущие компании по производству лазерного оборудования, такие как Han's Laser, HGLaser, Hymustar и Lianying Laser, добились частичного собственного производства лазеров, при этом Lianying Laser имеет относительно высокий уровень собственного производства, достигнув 77,7% в 2019 году.

Заключение

Быстрое проникновение транспортных средств на новых источниках энергии в традиционные бензиновые автомобили побудило крупных производителей аккумуляторных батарей постоянно расширять свои производственные мощности, что привело к увеличению спроса на сварочное оборудование для аккумуляторных батарей.

Лазерная сварка — еще одно быстрорастущее применение после лазерной маркировки и резки. Лазерная сварка может широко использоваться в автомобильной промышленности, производстве литиевых аккумуляторов, 3C и аэрокосмической промышленности. В настоящее время уровень его проникновения все еще относительно низок, что указывает на значительный потенциал роста индустрии лазерной сварки, которая, как ожидается, вырастет в рынок, сопоставимый с рынком лазерной резки.