hàn laser: Một công nghệ sản xuất cốt lõi trong ngành công nghiệp năng lượng mới

Nhu cầu mạnh mẽ về thiết bị hàn laser được thúc đẩy bởi thị trường pin điện đang bùng nổ.

Hàn laser nằm ở giữa của ngành và triển vọng tăng trưởng của nó tốt hơn so với thiết bị hàn laser cắt và đánh dấu, nằm ở giữa của chuỗi công nghiệp.

Thượng nguồn của chuỗi công nghiệp laser bao gồm vật liệu quang học, linh kiện và thiết bị quang học cũng như các bộ phận cơ khí. Giữa dòng bao gồm laser và thiết bị laser; Laser là thành phần cốt lõi của thiết bị laser và thiết bị xử lý laser chủ yếu bao gồm cắt laser, hàn laser và thiết bị đánh dấu bằng laser. Các lĩnh vực hạ nguồn chủ yếu bao gồm pin lithium, chất bán dẫn, quang điện và điện tử tiêu dùng.

Thị trường laser có tiềm năng lớn, với các ứng dụng chiếm ưu thế là laser sợi quang, trong khi laser trạng thái rắn phù hợp cho gia công vi mô chính xác. Theo Laserfocusworld, từ năm 2017 đến năm 2020, quy mô thị trường laser toàn cầu đã tăng từ 13,07 tỷ USD lên 16,01 tỷ USD, tốc độ CAGR là 13,37%. Để so sánh, quy mô thị trường laser Trung Quốc đã tăng từ 6,95 tỷ USD năm 2017 lên 10,91 tỷ USD vào năm 2020, tốc độ CAGR là 16,22%. Từ năm 2017 đến năm 2020, thị phần laser toàn cầu của Trung Quốc đã tăng từ 53,2% lên 68,1%. Năm 2020, laser công nghiệp chiếm 32,2% thị trường laser toàn cầu, khiến ngành công nghiệp trở thành lĩnh vực hạ nguồn chính của laser. Dựa trên môi trường khuếch đại, laser chủ yếu được phân loại thành laser sợi quang, laser trạng thái rắn (không bao gồm laser sợi quang), laser lỏng và laser khí. Vào năm 2020, laser sợi quang và laser trạng thái rắn lần lượt chiếm 52,7% và 16,7% thị phần ứng dụng laser công nghiệp, trong đó laser sợi quang thống trị các ứng dụng công nghiệp. So với laser sợi quang, laser trạng thái rắn có những ưu điểm như công suất cực đại cao và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt thấp, khiến chúng phù hợp cho gia công vi mô chính xác.

Laser YAG và laser sợi quang đều có điểm mạnh riêng. Laser YAG là laser trạng thái rắn dựa trên tinh thể YAG. Ưu điểm của laser YAG bao gồm: ① hàn đa điểm đồng thời hoặc phân chia theo thời gian; ② công suất đỉnh cao, thích hợp cho hàn điểm; ③ giá thấp, mang lại lợi thế về chi phí. So với laser sợi quang, laser YAG có một số khác biệt về chất lượng chùm tia và hiệu suất chuyển đổi quang điện. Tuy nhiên, do công suất cực đại của laser sợi quang thấp hơn nên chúng không có lợi thế đáng kể so với laser YAG trong hàn. Tùy thuộc vào tình huống ứng dụng cụ thể, cả laser YAG và laser sợi quang đều có thể được sử dụng để hàn pin điện.

Cắt, hàn và đánh dấu là những ứng dụng chính của laser công nghiệp. Vào năm 2020, cắt, hàn và đánh dấu lần lượt chiếm 40,62%, 13,52% và 12,6% thị trường ứng dụng laser. Sau khi trải qua sự tăng trưởng nhanh chóng từ năm 2014 đến năm 2017, thị trường thiết bị cắt laser ngày càng chứng kiến ​​sự cạnh tranh và hiện đang trong cuộc chiến khốc liệt về giá. Đánh dấu hiện là lĩnh vực ứng dụng laser trưởng thành và thị trường tương đối ổn định. Các ứng dụng hàn được hưởng lợi từ sự gia tăng của hàn laser cầm tay và chu kỳ thịnh vượng cao của pin điện hạ nguồn, đồng thời dự kiến ​​sẽ duy trì tốc độ tăng trưởng cao trong vài năm tới.

So với việc cắt và đánh dấu, hàn laser có yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Hàn laser có lịch sử phát triển tương đối ngắn hơn so với cắt và đánh dấu bằng laser, độ khó của quá trình cũng lớn hơn. Cắt laser và đánh dấu bằng laser sử dụng tia laser để phá hủy bề mặt hoặc cấu trúc tổng thể của vật liệu, trong khi hàn laser sử dụng tia laser để xử lý, làm tan chảy và tái tạo lại cấu trúc của vật liệu. Tái tạo vật liệu, so với phá hủy vật liệu đơn giản, đặt ra yêu cầu cao hơn về công nghệ xử lý và laser.

So với hàn truyền thống, hàn laser có những ưu điểm vượt trội. So với hàn điện trở truyền thống, hàn hồ quang và hàn chùm tia điện tử, hàn laser mang lại những ưu điểm như tốc độ cao, biến dạng tối thiểu, yêu cầu môi trường hàn ít đòi hỏi hơn, mật độ năng lượng cao, miễn nhiễm với từ trường, khả năng ứng dụng vào vật liệu dẫn điện, không cần điều kiện chân không và không tạo ra tia X trong quá trình hàn. Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất có độ chính xác cao, đặc biệt là trong ngành công nghiệp xe năng lượng mới và pin điện. Pin điện liên quan đến nhiều điểm hàn, rất phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Những ưu điểm độc đáo của hàn laser có thể cải thiện đáng kể độ an toàn, độ tin cậy, tính nhất quán của pin, giảm chi phí và kéo dài tuổi thọ của pin.

Thị trường thiết bị hàn laser đang có sự tăng trưởng nhanh chóng. Từ năm 2016 đến năm 2020, quy mô thị trường thiết bị laser Trung Quốc đã tăng từ 38,2 tỷ nhân dân tệ lên 69,2 tỷ nhân dân tệ, với tốc độ CAGR là 15,79%. Ngược lại, quy mô thị trường thiết bị hàn laser của Trung Quốc đã tăng từ 4,17 tỷ nhân dân tệ lên 11,05 tỷ nhân dân tệ, với tốc độ CAGR là 27,59%, cho thấy thị trường thiết bị hàn laser đang tăng trưởng nhanh hơn thị trường thiết bị laser nói chung.

Sự thâm nhập nhanh chóng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới thúc đẩy nhu cầu hàn laser pin lithium tăng cao.

Thiết bị hàn laser được sử dụng rộng rãi trong các giai đoạn tiền sản xuất, giữa sản xuất và hậu sản xuất của quá trình sản xuất pin lithium. Khi các yêu cầu về mật độ năng lượng, hiệu suất an toàn và tự động hóa sản xuất trong pin điện tăng dần, nhu cầu cao hơn được đặt ra về độ chính xác, an toàn và tính nhất quán của thiết bị sản xuất. So với các phương pháp xử lý truyền thống, laser mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm độ chính xác cao, tốc độ cao và dễ tự động hóa. Quá trình sản xuất pin lithium bao gồm ba phần: chế tạo điện cực (tiền sản xuất), lắp ráp tế bào (giữa sản xuất) và xử lý sau (hậu sản xuất), tất cả đều liên quan đến việc ứng dụng nhiều thiết bị hàn laser. Các ứng dụng hàn laser cụ thể trong giai đoạn tiền sản xuất, giữa sản xuất và sau sản xuất của quá trình sản xuất pin lithium bao gồm:

1) Tiền sản xuất: Máy hàn và tạo hình điện cực hoàn toàn tự động và máy tạo hình điện cực laser trong giai đoạn chế tạo điện cực;

2) Sản xuất giữa kỳ: Hàn van chống cháy nổ, hàn điện cực, hàn dải điện cực, hàn bộ chuyển đổi, hàn vỏ tế bào và hàn vỏ trên;

3) Hậu kỳ: Đóng gói hàn bộ chuyển đổi mô-đun.

Một số công ty nổi tiếng đã tuyên bố gia nhập thị trường pin 4680, dự kiến ​​sẽ mở ra cơ hội tăng trưởng mới cho thiết bị hàn laser. Pin 4680 sử dụng công nghệ không cần bàn, có nhiều tab trên cả điện cực dương và âm, làm tăng đáng kể nhu cầu về thiết bị hàn laser so với pin lăng trụ. Trong quý đầu tiên của năm 2022, nhà máy ở Texas của Tesla sẽ giao những chiếc xe Model Y đầu tiên được trang bị pin 4680. Trong khi đó, tại Ngày Pin 2020, Tesla dự kiến ​​đạt công suất sản xuất pin 100 GWh vào năm 2022; tuy nhiên, xét đến tình trạng chậm trễ trong xây dựng, công suất hiệu dụng vào năm 2022 ước tính vào khoảng 5-10 GWh. Bên cạnh Tesla, các hãng ô tô như BMW và các nhà sản xuất pin hàng đầu như Panasonic, LG, Samsung cũng đã công bố kế hoạch phát triển pin hình trụ cỡ lớn.

Sự thâm nhập của phương tiện sử dụng năng lượng mới vào phương tiện chạy xăng truyền thống đang ngày càng gia tăng. Hưởng lợi từ những tiến bộ trong công nghệ pin, cải tiến công nghệ thông minh và mở rộng cơ sở hạ tầng, cùng với những chính sách thuận lợi từ chính phủ Trung Quốc, doanh số bán xe sử dụng năng lượng mới ở Trung Quốc đã tăng trưởng nhanh chóng. Từ năm 2017 đến năm 2021, tốc độ CAGR của doanh số bán xe sử dụng năng lượng mới ở Trung Quốc đạt 54,9%. Từ năm 2017 đến nửa đầu năm 2022, tỷ lệ thâm nhập của phương tiện sử dụng năng lượng mới ở Trung Quốc tăng nhanh từ 2,8% lên 21,56%.

Thị trường pin điện của Trung Quốc đang phát triển nhanh chóng. Năm 2017, công suất sản xuất và lắp đặt pin điện của Trung Quốc lần lượt là 44,5 GWh và 36,2 GWh. Vào năm 2021, những con số này lần lượt đạt 219,7 GWh và 154,5 GWh. Từ năm 2017 đến năm 2021, CAGR của sản xuất pin điện là 49,06% và CAGR của công suất lắp đặt là 43,73%. Theo Liên minh đổi mới công nghiệp pin điện ô tô Trung Quốc, công suất lắp đặt và sản xuất pin điện của Trung Quốc dự kiến ​​​​sẽ lần lượt đạt 429,5 GWh và 229,9 GWh vào năm 2022.

Được thúc đẩy bởi thị trường xe sử dụng năng lượng mới đang bùng nổ, các công ty sản xuất pin lithium đang mở rộng năng lực sản xuất. Theo thống kê chưa đầy đủ từ Battery Network, trong nửa đầu năm 2022, các công ty pin lithium như CATL, BYD, Sunwoda, Zhongchuang Innovation Aviation và EVE Energy liên tiếp công bố nhiều dự án xây dựng mới, với tổng vốn đầu tư vượt quá 439,133 tỷ nhân dân tệ và công suất sản xuất hàng năm là 1069 GWh (một số dự án không tiết lộ số tiền đầu tư và công suất). Công suất sản xuất một pha tại các cơ sở mới của các công ty pin điện hàng đầu gần như đều trên 10 GWh. Sự mở rộng của các công ty pin lithium cũng sẽ mang lại nhiều nhu cầu hơn về thiết bị pin lithium.

Pin điện: Nhu cầu về thiết bị hàn laser mới dự kiến sẽ đạt 22,1 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025. Theo dữ liệu của GGCI, các lô hàng pin điện toàn cầu dự kiến sẽ đạt 1550 GWh vào năm 2025 và 3000 GWh vào năm 2030. Từ năm 2018 đến năm 2021, các lô hàng pin điện của Trung Quốc chiếm lần lượt 61,3%, 60,9%, 58,4% và tương ứng là 75,3% tổng số toàn cầu. Các dự báo thận trọng chỉ ra rằng thị phần của Trung Quốc sẽ vẫn ở mức 55% vào năm 2025 và 2030. Mức đầu tư ước tính cho mỗi GWh công suất pin điện mới vào năm 2025 và 2030 lần lượt là 350 triệu RMB và 300 triệu RMB. Hơn nữa, theo bản cáo bạch của Lianying Laser, thiết bị hàn laser chiếm 5% -15% trong việc xây dựng dây chuyền sản xuất pin điện; chiếm 10%, dựa trên những giả định này, nhu cầu mới về thiết bị hàn laser được dự đoán sẽ đạt 22,138 tỷ RMB vào năm 2025 và 23,925 tỷ RMB vào năm 2030, với tốc độ CAGR là 41,01% từ năm 2021 đến năm 2025.

Ngành công nghiệp thiết bị laser bị phân mảnh, mang lại lợi thế lớn hơn cho các nhà sản xuất laser.

Thị trường thiết bị laser trong nước tương đối phân tán, khiến các công ty laser phải tìm kiếm sự phát triển khác biệt.

Lianying Laser và Raycus Laser sở hữu lợi thế cạnh tranh mạnh mẽ tương ứng về laser YAG và laser sợi quang. Trong laser YAG, so với Laser và HGLaser của Han, Lianying Laser có lợi thế đáng kể trong việc kiểm soát năng lượng, giúp đạt được kết quả hàn tốt hơn. Trong laser sợi quang liên tục, Raycus Laser và Chuangxin Laser có thông số kỹ thuật hàng đầu, trong đó Raycus Laser chiếm thị phần cao hơn. Đối với laser sợi quang dạng xung, các thông số kỹ thuật của JPT tiên tiến hơn, khiến JPT dẫn đầu trong nước.

Thị trường thiết bị laser trong nước còn phân mảnh, trong đó top 5 (CR5) chỉ chiếm 22%. Có rất nhiều ứng dụng tiếp theo cho laser và hơn 300 công ty thiết bị xử lý laser trong nước, hầu hết đều có quy mô nhỏ. Năm 2021, năm công ty hàng đầu trên thị trường thiết bị laser Trung Quốc là Han's Laser, HGLaser, Hymuxing, Lianying Laser và Yawei, với thị phần lần lượt là 14%, 3%, 2%, 2% và 1%, tổng cộng là 22%. Nhìn chung, mức độ tập trung của thị trường thiết bị laser Trung Quốc vẫn ở mức thấp.

Thị trường xử lý vĩ mô laser trong nước rất lớn, có nhiều công ty cạnh tranh; lĩnh vực xử lý vi mô chính xác có rào cản công nghệ cao, dẫn đến có ít công ty cạnh tranh hơn trong các phân ngành của lĩnh vực này. Xử lý laser được chia thành hai loại chính dựa trên kích thước của sản phẩm được xử lý: xử lý vĩ mô và xử lý vi mô chính xác. Xử lý vĩ mô chủ yếu nhắm đến các ứng dụng kim loại tấm dày hơn như ô tô và đóng tàu, trong khi xử lý vi mô chính xác tập trung vào các lĩnh vực có yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như chất bán dẫn, màn hình, sản phẩm 3C và thiết bị y tế. Với thị trường xử lý vĩ mô lớn hơn, lĩnh vực này có tính cạnh tranh cao, với các công ty như Han's Laser và HGLaser (cả hai đều có doanh thu vượt quá 5 tỷ RMB) và Lianying Laser và Haimuxing (với doanh thu từ 500 triệu đến 1 tỷ RMB). Trong lĩnh vực xử lý vi mô chính xác, Han's Laser, với tư cách là nhà sản xuất thiết bị xử lý laser hàng đầu, đã tham gia xử lý chính xác trong các lĩnh vực như pin lithium quang điện, chất bán dẫn, màn hình và các sản phẩm 3C. Nhìn chung, lĩnh vực xử lý vi mô chính xác có ít công ty cạnh tranh hơn trong các phân ngành của nó do các rào cản công nghệ cao. Về laser, các công ty có doanh thu 20 tỷ RMB và Chuangxin Laser đều tập trung vào lĩnh vực laser sợi quang.

Ba yếu tố cạnh tranh chính: hội nhập dọc thượng nguồn, đầu tư R&D cao và đảm bảo có được các khách hàng lớn ở hạ nguồn.

Sản xuất tia laser trong nhà là chìa khóa để giảm chi phí. Laser là thành phần cốt lõi của thiết bị laser. Hiệu suất của tia laser ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả của thiết bị xử lý laser. Các công ty thiết bị có thể tự sản xuất tia laser không chỉ giảm chi phí mà còn linh hoạt hơn trong việc tùy chỉnh. Tính linh hoạt này thể hiện ở khả năng lặp lại các giải pháp thiết kế linh hoạt hơn dựa trên nhu cầu tiếp theo, cho phép giao tiếp và tương tác giữa tia laser và thiết bị laser. Điều này cho phép phản hồi kịp thời và suôn sẻ về các yêu cầu của khách hàng ở hạ nguồn đối với hoạt động nghiên cứu, phát triển cũng như cải tiến công nghệ laser và xử lý, mang lại hiệu quả tổng hợp mạnh mẽ. Các công ty thiết bị laser hàng đầu như Han's Laser, HGLaser, Hymustar và Lianying Laser đều đã đạt được mục tiêu sản xuất một phần laser trong nội bộ, trong đó Lianying Laser có tỷ lệ sản xuất nội bộ tương đối cao, đạt 77,7% vào năm 2019.

Phần kết luận

Sự thâm nhập nhanh chóng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới vào các phương tiện chạy xăng truyền thống đã khiến các nhà sản xuất pin điện lớn không ngừng mở rộng năng lực sản xuất, thúc đẩy nhu cầu về thiết bị hàn ắc quy điện.

Hàn laser là một ứng dụng đang phát triển nhanh chóng khác sau việc đánh dấu và cắt laser. Hàn laser có thể được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, pin lithium, 3C và hàng không vũ trụ. Hiện tại, tỷ lệ thâm nhập của nó vẫn còn tương đối thấp, cho thấy tiềm năng tăng trưởng đáng kể của ngành hàn laser, dự kiến ​​sẽ phát triển thành một thị trường có thể so sánh với cắt laser.