张庆茂:中国激光产业现状与未来发展趋势

 

 

被誉为“最快的刀”、 “最准的尺”、“最亮的光”,激光如今已然成为支撑制造业迈向高端发展的重要技术,全球也已快速进入“光制造时代”。西方发达国家将激光制造列为“重新夺回制造业的国家战略”。而在中国,随着以“十四五”规划和2035年远景目标为指引的发展战略的不断落实,激光制造正加快推动中国制造业实现转型升级。同时,中国激光产业在迈向白金十年“质量”与“速度”并重的发展过程中,仍然面临着不小的挑战。

 

 

 

2022中国激光行业现状

 

十年来,中国制造业增加值从2012年的16.98万亿元增加到2021年的31.4万亿元,中国俨然成为全球第一制造大国。在此过程中,以激光为引领的高端制造技术无疑成为我国实现制造强国的重要支撑与手段。

 

近两年来,中国激光行业的国产化替代进程不断加快,且替代质量显著提升。无论高功率激光装备、光源(光纤激光器、超快激光器等)、光学器件和控制系统(芯片、控制软件和配件)、晶体材料等,国产占有率都在稳步提升,带动高新技术企业发展成长为支柱产业。

 

又如,极端制造是人类探索宇宙、改造世界、造福人类不可或缺的手段,集中表现为极高能量密度制造、极小尺度制造、极复杂巨系统制造、极高精度制造、近无缺陷制造等特点,涉及机械、材料、光学、物理、化学、力学、数学等多学科领域,集前瞻性、先导性和探索性的基础理论与工程技术于一体。

 

鉴于此,要持续探索和发展极端条件下的制造技术------激光先进制造技术,其中包括硬脆材料零件的制造;高熔点、高硬度材料零件的制造;微小结构尺寸零件的制造以及其它更多特殊领域等使用“光”制造手段进行嫁接的技术。

 

21世纪“光”技术势必将成为影响整个科学技术领域和高新科技产业最为重要的关键技术。随着“中国制造2025”战略规划不断推进,包括新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械和农业机械装备在内的10个重点领域获得了更多的发展助剂,从而也为激光技术的应用和发展提供了更大的动能。同时,中国各省市均大力支持发展“激光制造与增材制造”并出台了多项国家及区域重点发展政策。

 

2022年,中国激光产业尽管受到国内外经济大环境调整以及严重的疫情冲击带来的波动,致使激光行业的利润有所影响,但我国激光业界同仁在精准防疫抗疫的同时,紧紧围绕“构建以内循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局”重大强国战略,不断整合产业链,攻克关键技术,推进核心部件的国产化,探索激光的工业化应用,构建激光产业集群,优化激光产业发展的空间,扩大激光产业的规模,创新能力和服务能力进一步提升。光源技术实现了重大进展;激光装备水平由先前的跟跑逐渐在部分领域实现领跑;创新应用层出不穷;资本市场对中国激光产业投注的关注度持续升温,从而又诞生了一批上市企业。

 

 

激光行业存在的问题

 

当前,尽管中国激光行业已经取得了许多令世人瞩目的成就,但与欧美发达国家相比,依旧面临了不少严峻的挑战和瓶颈亟待攻克。在双碳目标的战略驱动下,全球产业链重构意味着全价值链的转型,急需进一步推动激光制造装备业迈向更高端,孕育更多原始创新和颠覆性技术,并且基础研究、应用技术研究和工程化技术开发应当更为有机紧密的结合起来。

 

 

市场环境

首先,环保风暴使得浙江、山东、天津等重要制造业省份部分企业停业整顿,增长放缓,需求降低。其次,受到中美贸易摩擦影响,较多外向型企业和与之配套的加工型企业订单不饱和。再次,由于关键核心元器件国产化、激光装备的门槛降低,行业涌入的新生力量爆发式增长,行业竞争进一步加剧。

 

 

技术

尽管核心的激光零部件逐步了国产化、但距完全替代还需一段时间,部分高端技术仍掌握在欧美国家。此外,众多企业的硬件解决方案具备较高的同质性,以低利润拼杀市场,很大程度上扼杀了创新能力。同时,设备的安全防护标准得不到执行,部分企业为了降低成本赢得市场,牺牲了安全性。未来,应当不断整合、积累和沉淀行业知识,将信息化技术、智能控制技术等融入装备中,加强数字化研发设计能力和生产流程的标准化,提高设备互联互通,数据互联等能力。

 

 

盈利能力

由于企业运营成本的增加,竞争加剧,使激光行业的整体销量上升的同时了引发了利润迅速下降。同时,行业的波段运行周期凸显,行业高速增长的趋势会逐步放缓。

 

 

中国激光产业未来发展趋势展望

 

展望未来中国激光产业的发展趋势,基本上还是呈现两极分化的方向。一方面是高功率趋势持续深化,激光设备的普及应用将会释放巨大需求。以激光为引领的光子制造技术在高端装备、航天航空、汽车、新基建、海洋装备、新能源/新材料、轨道交通、石油化工、光电显示、微电子制造、医疗医美、生命科学等行业的空间不可估量。

 

另外一方面是在高端制造业转型升级背景下,以微加工为代表的高端加工技术突飞猛进。激光精密加工和微细加工作为未来发展重点,其在电子、半导体、通讯、光存储、微机械制造、生物、环境等行业进一步推广和使用,将为传统加工方式创造前所未有的可能性。

 

“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出增强制造业竞争优势,推动制造业高质量发展。中国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。2045年能源先行实现碳中和,才能让建筑、交通、工业等其他产业,充分用“绿电”去实现碳中和。

 

2022年6月,习近平总书记亲临武汉了解湖北省光电子信息产业发展及核心技术攻关情况。他指出,光电子信息产业是应用广泛的战略高技术产业,也是中国有条件率先实现突破的高技术产业,随着产业持续发展壮大,突破“卡脖子”关键核心技术刻不容缓。武汉·中国光谷是中国激光和光电子技术的发源地和重要产业基地之一,当前已引领激光产业全面进入提质增效的新阶段,这无疑给“光”制造行业注入了振奋人心的能量和动力,为全国科技工作和科技创新进一步指明了方向。

 

 

下一代光源技术

光源方面,激光器的发展趋势整体归纳为:脉冲更短,波长更短、功率更高。目前,主导市场几类工业激光器包括光纤耦合的高亮度、高光束质量、高功率的半导体激光器(千瓦);高功率光纤激光器(最高已可达5万瓦);以超快脉冲皮秒和飞秒激光器为代表的超快激光器(万瓦、焦耳级),以及其他特殊波段的激光器。

 

未来五年内,市场增长最快的将是万瓦级的高功率光纤激光器。光纤激光器在5-10年依然是工业应用主流激光器,其在功能性及应用普遍性上具有坚实的地位。同时,超快激光器也定将迎来更多发展新动能。无论是针对传统产业的转型升级,亦或是新兴产业版块的培育,超快激光器都将发挥越来越重要的作用。这一领域的研发重点包括延伸更多新应用,提升超快激光器的输出功率和能量,不断改善光束工艺和质量,飞秒和皮秒激光光束的光纤传输,紫外和深紫外的频率转换;开发高功率和高能量的组件,过程监控和控制,以及进一步攻克光纤种子源、晶体光纤、泵浦源、保偏光纤、放大技术等领域的技术瓶颈。

图1. 超快激光全球市场规模

 

就光源领域看,今后亟需进一步提升激光器的稳定性、光束质量、运转寿命;减小激光器体积重量和生产成本,以及实现激光器半自动化和规模化生产。同时,需要加大开发各种激光合束技术(紫外激光、绿光、蓝光等)。此外,要加快研发更多高端型激光器,使它们能够在大型多维复杂曲面激光切割、中厚板的切割焊接需求、微纳尺度的制造和高反射材料加工等广泛的应用场景中都能大显身手。

 

 

激光制造装备

“光智造”时代已急速驶来!随着激光光源的持续突破,与数控机床、自动化设备、智能化技术进一步融合发展,激光智能装备在信息化、智能化、个性化、网络化、柔性化等方面正阔步前行。

 

未来,激光装备领域的突破方向则是要围绕效率、寿命、稳定性、成本等关键字不断发力。此外,要加紧攻关研发复杂构件的多维切割设备(加工铝合金、铜合金等);复杂结构的焊接设备:铜合金、铝合金、钛合金(同种异种材料焊接);激光切割、焊接一体装备,特别要关注复合焊接方法(不同光源的复合、加工方法的复合),以及焊接过程的监控体系与装备。

 

根据新能源汽车产业发展规划(2021—2035年),提出到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。从产业链看,能量密度更高、更安全、充电更快、成本更低始终是新能源产业发展的核心目标。交通领域未来主要实现零碳的手段就是“电气化”,未必所有交通工具全部是电动车,像公共交通、重卡、航空、轮船很可能未来使用的是氢能,但是电动车是未来交通运输零碳化的主力。

 

激光作为一种先进的“光”制造工具,具有热影响区小、能量密度高、焊接速度快、加工精度高、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化、安全程度高等优势,被广泛应用在锂电生产流程的前、中、后段。同时,在“双碳”背景下,加快发展新能源是我国能源绿色低碳转型的必然选择。而激光加工作为一种灵活便捷的加工方法,彰显优异的经济和社会效益,且绿色环保,无疑也是实现绿色低碳循环经济的理想解决方案。据相关数据统计,激光技术在动力电池制程中发挥核心作用,如果以激光设备占整线价值量投资比例为30%计算,2025 年激光锂电设备的需求规模约为430亿元,市场空间巨大。

 

 

图2. 左-动力电池顶盖激光焊接站  右-新能源汽车电池箱盖激光清洗站

 

另外,激光焊接自动化成套设备在消费电子行业的发展空间巨大,应用范围包括手机、电脑、平板、智能穿戴行业等,如软包电池、纽扣电池、手机天线、手机弹片、连接器、指纹识别器等。鉴于消费电子产业链条涵盖二十几个工艺,因此对包括激光焊接、激光切割、激光清洗、激光微结构、激光增材制造电极、激光标记、激光掺杂等在内的“光”制造装备的需求量处于持续上升中。

图3. 纽扣电池PACK自动装配线

 

激光技术和装备在光伏行业的机遇也同样光明。根据交大的预测:到2030年我国光伏和风电装机规模将达18万亿千瓦,到2050年至2060年达到50万亿千瓦至60万亿千瓦。

 

在光伏行业降本增效的主旋律下,各光伏制造企业对制造加工的要求越发提升,传统的机械加工手段在精度、加工效率、可靠性、适用范围等诸多方面开始难以适应新的生产要求。相较之下,激光加工是激光应用中最具发展前途的领域之一,将激光技术导入光伏行业,有助于优化生产工艺,实现电池光电转换效率的提升,促进光伏行业降本增效。激光技术将成为光伏发电产业中不可或缺以及无法替代的一个重要生产工艺,并将成为快速实现目前光伏发电产业光伏元件制作技术革新最为重要的动力源泉。

 

诚然,21世纪是光子世纪,光科学、光技术和光产业成为影响整个科学领域和高新科技产业的更大促进因素。光技术已经成为全球高端产业的驱动引擎。以光为核心的全球产业竞争格局已经形成。谁能在光技术和光产业发展过程中抢得先机,谁就将占据未来国际科技和全球经济竞争的制高点。针对激光加工领域,未来要在原创性技术、颠覆性技术和升级换代的关键技术等方面不断发力:围绕光产业、光市场、光技术、光人才、光教育及光文化这六大“光”内涵及相关产业链上的核心要素持续攻坚克难。

图4. “光”产业链

 

 

注重工艺研究

在创新工艺技术的研究层面,未来的攻关方向主要包括如下几点:激光与物质的相互作用——系统研究不同激光特性物质的行为;缺陷产生、控制的机理与方法;组织、界面、性能、结构一致性的调控方法。另外,功能化超精密激光制造是热点和难点,该领域的关键字包括:超精细、超精密、低损伤和高效率。

 

 

激光创新应用

 

航空工业上的多种激光应用

《中国制造2025》提出:要加快航空航天、船舶制造等行业生产设备的智能化改造;同时,航空工业对零部件的加工及性能要求向来严格苛刻,由此对先进制造技术提出了更高的要求。“光”加工作为高端制造技术无疑为航空航天产业加薪添柴。这把“最快的刀”、和“最准的尺”,这束“最亮的光”已经在航空工业领域寻觅到广阔的应用场景,例如:航空发动机激光切割、飞机蒙皮激光切割、铝合金内隔板激光焊接、电子器件激光焊接、仪表壳体激光焊接、机身结构件激光焊接、发动机激光打冷却孔、涡轮发动机壳体激光修复、涡轮叶片的激光打孔、飞机铝合金壁板双光束激光填丝焊接、光纤陀螺仪激光密封焊接等等。

 
 

 
 

图5. 左—飞机铝合金壁板双光束激光填丝焊接;右—光纤陀螺仪激光密封焊接

 

 

船舶及工程机械激光坡口取代等离子坡口

当前,激光坡口切割也是一大热点,国内已陆续有不少企业开始投入研发并取得了显著成效。激光加工是热变形最小、切口质量最佳的一种新型坡口加工手段,在高功率激光装备上配备坡口切割功能,能够灵活地将传统切割、焊接、铣削等多道工序完成的坡口加工一次完成,大幅提高加工效率、提升产品质量、提高工件精度,以及节省资源和成本,对于推动应用行业的技术创新和装备升级大有裨益。激光坡口切割目前主要应用于造船业、工程机械等大型机械制造业中。在新基建的驱动下,大幅面的坡口激光切割装备将在中国工程机械行业得到普遍应用,并将为传统替代进程加添砝码。

 

 

激光清洗

激光清洗不产生有毒气体和噪音, 对人体和环境无害,具有不损伤基底、效率高、机动灵活、容易实现自动化等优点。当前,激光清洗在航天航空、船舶制造、汽车制造、钢铁制造、轨道交通、电子行业、文物清洗等产业板块中的应用价值不断提升。

图6. 激光清洗示例(左上-激光除锈;右上-激光除油;左下-激光除漆;右下-激光除渣)

 

 

焊接的巨大需求

激光焊接优势显著,例如热影响区小;能量密度高;材料契合度高;非接触式加工;加工效率高;自动化集成等。目前激光可焊接的材料包括:金属与金属(同种、异种);金属与非金属;塑料与塑料;玻璃(非晶态)与玻璃(非晶态);玻璃(非晶态)与硅(晶态)……

 

然而,未来要进一步拓展激光技术的应用场景,亟需攻克一些工艺和技术难点:高反射材料铜、镍、银、率等蓝光、绿光以及复合焊接;超薄、超厚及异种材料和脆性材料的激光焊接等等。

 

 

激光超高速熔覆

对于激光修复市场而言,超高速激光熔覆当前作为一项替代电镀的新型技术,其效率相较传统激光熔覆提高10-20倍,并带来成本的大幅降低,同时也能够为绿色制造再添新动能。该领域未来要针对高等级材料+激光表面强化技术以及高等级材料+激光修复技术之间展开更多的工艺和应用研究。

 

 

图7. 左—激光对油压缸柱塞的熔覆修复;右—Ф650×1630mm柱塞激光淬火,材质为ZG310-570;表面硬化深度≥1.5mm , 处理部位表面硬度≥HRC58

 

 

激光3D打印

激光增材制造(或称激光3D打印)技术是融合了激光、计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识体系的综合性技术。鉴于激光能量的密度高、柔性化程度较高,它在增材制造领域所应用的范围也较为广泛,已从一般的原型制造逐渐拓展到航空航天(飞机支架、燃料连接器、摇臂杆……)、汽车(空心支架、制动钳、复合设计……)、医学医疗(颅骨、髋关节植入、修复……)、工程(液压组件、热交换器、修补……)、轨道交通等高端装备制造行业,更成为制造业向智能化快速转型的核心加工要素。

 

未来,金属激光增材制造技术的发展趋势归纳如下:

Ø 材料层次——高熔点、高硬度合金的金属构件制造;单一合金或多种合金的混合、多层次的直接制造;

Ø 性能层次——高精度、高性能--大应力、大载荷以及复杂的应力和服役条件、梯度功能等;

Ø 设备及制造方法层次——大型复杂件、小型复杂件;激光增材制造技术与传统技术的融合;高效率高寿命低成本人性化。

 

 

中国激光行业的未来

激光作为一种灵活的高科技工具,将在未来全产业链升级换代中起到核心动能的作用。因此,要大力推动激光与更多下游行业的结合,交融及高位嫁接,使激光技术全方位对接各细分行业的多元化和创新型应用;此外,还应当挖掘激光+机器视觉、激光+工业机器人、激光+3D打印、激光+互联网或大数据等领域的潜力。同时,要全力关注产业链、创新链、人才链的紧密整合,持续解决行业发展的共性问题。全产业链条的创新布局无疑是未来核心的发展方向。

 

激光行业还有一些值得关注的趋势包括:激光增材技术发展多元化及复合化、零件加工质量逐步提高、制造速度和生产能力提升、复合光源挑战高反射材料等等。

 

当前,激光产业的全球化才刚刚开始,中国激光产业深度参与的全球化才是真正的全球化。近两年,中国激光产业将在扩大内循环,促进国际国内双循环的征程中,继续拓充新的竞争优势,产业链优化升级,聚焦高端制造,支撑国家重大发展战略产业链的布局。

 


本文作者:张庆茂,中国光学学会激光加工专委会主任。以上文章内容来自激光界订阅。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在7日内与本平台联系(邮箱:2900646553@qq.com),我们将在第一时间给予处理!

 

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