新基建助推光纖激光器進入20kW時

新基建進一步促進對于中厚金屬板材的使用，繼2019年開啟萬瓦激光加工元年之后，目前邁入20kW激光加工時代，光纖激光器朝著更高功率、更高光電轉(zhuǎn)化效率、更高加工效率、更低運營成本的方向發(fā)展，國內(nèi)外光纖激光器制造商積極推出更高功率產(chǎn)品?；?76nm高效能的技術(shù)路線有望成為萬瓦激光的主流路線，隨著新基建的深入，中厚板金屬加工未來預(yù)計有著巨大的潛力，在萬瓦激光的應(yīng)用上，中國激光有機會實現(xiàn)彎道超車，在激光器及激光加工設(shè)備上實現(xiàn)部分對西方發(fā)達國家技術(shù)的追趕和高性價比產(chǎn)品的超越。

【一、新基建助推光纖激光器進入20kW時代】

【1.1 新基建進一步促進中厚金屬板材的使用】

2020年上半年新冠疫情席卷中國，幸運的是疫情陸續(xù)得到有效的控制，并且在2020年4月中央啟動新基建政策帶動國內(nèi)經(jīng)濟的快速恢復(fù)，目前部分商業(yè)及工業(yè)廠房使用鋼結(jié)構(gòu)進行高效便捷搭建，這樣的鋼構(gòu)加工助推光加工進入更高功率更高效率的新階段，20kW因在上述中厚板的激光加工有著獨特的優(yōu)勢，從而引起了市場對20kW激光加工的一波熱潮。

【1.2 2019年開啟萬瓦激光加工元年，目前邁入20kW時代】

從市場反饋來看，奔騰激光、邦德激光20kW激光切割設(shè)備在積極的進行市場推廣，從筆者獲得的市場數(shù)據(jù)來看，2019年整個市場20kW激光切割設(shè)備投放量估計不超過10臺，2020年整個市場的投放量預(yù)計50－100臺之間，預(yù)計年增長率超過500％，奔騰激光獲得近50套20kW的激光切割機交付終端使用，邦德激光亦有數(shù)十臺20kW激光切割機訂單，同時大族激光、領(lǐng)創(chuàng)激光、亞威激光等其他大功率廠商亦在積極跟進，從光纖激光器制造商這塊，IPG目前是20kW及以上產(chǎn)品和工藝應(yīng)用最成熟的光纖激光器制造商，創(chuàng)鑫激光在2019年3月光博會展示25kW激光器的現(xiàn)場切割，引起了市場的一波轟動，nLIGHT、銳科激光、GW亦自2019年開始陸續(xù)推出20kW光纖激光器。

【二、光纖激光器的發(fā)展方向】

【2.1 光纖激光器的發(fā)展的三個階段】

光纖激光器在工業(yè)上的應(yīng)用歷經(jīng)了三個階段，2012年及以前主要的工業(yè)應(yīng)用在于十瓦級打標用脈沖光纖激光器，當時的激光打標機售價在十多萬元甚至更高；2012－2019年陸續(xù)在國內(nèi)規(guī)模化應(yīng)用千瓦級光纖激光器于薄板激光切割，主要是替代一部分沖床；2019年開始，以IPG、創(chuàng)鑫激光代表的光源制造商和大功率激光設(shè)備廠商開始推萬瓦激光器及相應(yīng)的激光切割設(shè)備，而2020年更是把萬瓦的工業(yè)應(yīng)用進一步提高到20kW光纖激光器的工業(yè)化應(yīng)用階段。

【2.2 更高功率、更高加工效率】

過去幾年內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的激光器功率不斷提高，從最開始的200W、500W、1kW、2kW、3kW到現(xiàn)在的6kW、12kW甚至部分客戶已經(jīng)開始使用的15kW、20kW。在一定范圍內(nèi)，激光加工效率一般隨著功率的提升呈現(xiàn)一定的非線性提高，如奔騰激光發(fā)布的20kW激光切割設(shè)備相比較15kW設(shè)備，平均加工效率提高50％以上，但是功率僅提高33％，呈現(xiàn)出隨著功率的提升，設(shè)備的效率功率提高比大于1，具體如下所示：

效率比＝Average（55％、45％、50％、67％、60％、76％）＋1＝1.58

功率比＝20000W/15000W＝1.33

效率功率比＝效率比/功率比＝1.58/1.33＝1.18

這意味著如果售價隨著功率的提高呈現(xiàn)出線性增加的話，那么使用越高功率的產(chǎn)品，其單位價格的加工效率越高，這將會助推激光器廠商不斷提高激光器功率，直至上述功率效率比小于1為止，當然實際市場功率還受激光器的能量密度（如20kW激光器對應(yīng)100um的輸出芯徑：能量密度為20kW／（π50um2）及工業(yè)電網(wǎng)負載承受等因素制約。

【2.3 更高功率、更低運營成本】

20kW激光切割14－30mm碳鋼：

【來源：創(chuàng)鑫激光官方公眾號】

如上所示，激光加工板材的每米運營成本一般隨著功率的提升呈現(xiàn)一定的非線性降低，如20kW激光切割相比較12kW，20kW的每米運營成本1.32元/米，12kW的每米運營成本3.05元/米，呈現(xiàn)出隨著功率的提升，設(shè)備的成本功率比大于1，具體如下所示：

成本比＝3.05（元/米）/1.32（元/米）＝2.31

功率比＝20000W/12000W＝1.66

成本功率比＝2.31/1.66＝1.39

這意味著如果售價隨著功率的提高呈現(xiàn)出線性增加的話，那么使用越高功率的產(chǎn)品，其單米運營成本越低，這將會助推激光器廠商不斷提高激光器功率，直至上述成本功率比小于1為止，同樣的實際市場功率還受激光器的能量密度及工業(yè)電網(wǎng)負載承受等因素制約。

【2.4 產(chǎn)品價格持續(xù)降低】

除了性能不斷提高之外，價格呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，所有的功率段產(chǎn)品均呈現(xiàn)出下降趨勢，如下圖所示，自2016年以來，不同功率段皆呈現(xiàn)出每年價格下降幅度在20％以上。

2012年以來不同功率激光器價格下降幅度：

隨著光纖激光器市場規(guī)模的不斷擴大、激光產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，激光器的核心器件國產(chǎn)化率不斷提高，激光器的成本不斷下降。如下圖所示，泵浦的單瓦成本自2015年以來每年的成本下降幅度均超過20％，市場規(guī)模的擴大和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷細化使得激光器的原材料材料呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。泵浦源的供應(yīng)商Dilas

Coherent、NLIGHT、JDSU逐漸切換至自制或者星漢激光、長光華芯、凱普林激光、江蘇天元等制造商。目前國內(nèi)的光纖激光器上游的核心器件基本實現(xiàn)全國產(chǎn)化，降低了器件成本，進一步加速產(chǎn)能擴張，使得產(chǎn)品具備持續(xù)降價的潛力。

2015年以來單瓦成本走勢：

規(guī)模化是中國制造最大的紅利，也使得目前中國作為全球制造中心的地位不斷鞏固和提高。隨著規(guī)模化，營業(yè)成本的各項子科目的邊際成本持續(xù)降低。原材料的采購由于更大規(guī)模的采購使得更有議價權(quán)；各類設(shè)備、場地的利用率得以提高從而降低各項折舊攤銷、場地、水電等費用；更高生產(chǎn)制造利用效率從而降低產(chǎn)品的制造費用。通過規(guī)?；?，優(yōu)化企業(yè)運行效率，從而降低產(chǎn)品的成本。

隨著激光器的器件的成本降低到一定階段，通過規(guī)?；慕当緦龅揭欢ǖ钠款i，自動化將是進一步降低激光器及器件的一種可靠方式，根據(jù)目前的市場來看，部分泵浦源的封裝開始探索使用自動化或半自動化產(chǎn)線進行裝配，激光器自動化組裝目前在國內(nèi)尚無具體實施，部分海外激光器廠商在進行一定程度上定制化智能產(chǎn)線進行標準化組裝。

【2.5 更高效率、更低成本——976nm高效能泵浦技術(shù)路線有望成為萬瓦主流技術(shù)路線】

1）976nm泵浦方案節(jié)能特性明顯

根據(jù)IPG的基于976nm泵浦的激光器對比分析

【來源：IPG官方公眾號】

節(jié)約金額計算按照：電費單價：1元／度；占空比：70％；激光器運行時間：18小時／天

2）976nm泵浦方案更少泵浦功率更短光纖，成本降低10％

【來源：IPG官方公眾號】

【三、20kW時代已來，市場空間巨大】

【3.1 金屬板材市場空間巨大】

【數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局】

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，4mm－60mm的占比超過全部板材的50％，20kW的激光切割將會進一步對中厚板的傳統(tǒng)加工方式、低功率的激光加工進行替代。

數(shù)控火焰／等離子切割機市場規(guī)模：

根據(jù)市場的數(shù)據(jù)，2014－2019年，數(shù)控火焰及等離子切割機的需求量持續(xù)增加，每年新增的設(shè)備超過3萬臺，而且市場已有存量設(shè)備近15萬臺，未來的替代空間巨大。

【3.2 20kW激光加工對于等離子的優(yōu)勢明顯】

20KW激光切割VS等離子切割：

300A等離子與20kW激光切割碳鋼加工成本對比：

備注：Q235碳鋼按4400元／噸，材料密度：7.85g／cm3；厚度≥20mm碳鋼：等離子切割割縫5－6mm，激光切割割縫1.5mm左右。

【來源：創(chuàng)鑫激光官方公眾號】

【3.3 國內(nèi)外20kW激光器制造商】

20kW激光切割有著巨大的性能優(yōu)勢和綜合經(jīng)濟效益，20kW高效能光纖激光器的開發(fā)亦成為光纖激光器制造商的核心突破點，除全球知名光纖激光器制造商IPG之外，創(chuàng)鑫激光亦在積極推廣20kW光纖激光器，銳科激光及nLIGHT亦在陸續(xù)推出20kW光纖激光器產(chǎn)品，其中IPG、GW的20kW產(chǎn)品目前使用976nm泵浦技術(shù)方案，IPG產(chǎn)品基于12個1800瓦單模塊進行合束而成的20kW，GW產(chǎn)品基于7個3000瓦單模塊進行合束而成的20kW產(chǎn)品。

【總結(jié)】

筆者認為，隨著激光器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)進步，激光加工逐漸邁入20kW時代，光纖激光器朝著更高功率、更高光電轉(zhuǎn)化效率、更高加工效率、更低運營成本的方向發(fā)展，國內(nèi)外光纖激光器制造商積極推出更高功率產(chǎn)品，基于976nm高效能的技術(shù)路線有望成為萬瓦激光的主流路線，隨著新基建的深入，中厚板金屬加工未來預(yù)計有著巨大的潛力，在萬瓦激光的應(yīng)用上，中國激光有機會實現(xiàn)彎道超車，在激光器及激光加工設(shè)備上實現(xiàn)部分對西方發(fā)達國家技術(shù)的追趕和高性價比產(chǎn)品的超越。

責任編輯：xj