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激光行业深度研究报告:行业成长与破局

发布时间:2022-09-13 02:45:05 来源:欧宝娱乐官网客户端 作者:欧宝娱乐官网客户端下载

内容简介:  激光是通过人工方式,用光 或放电等强能量激发特定的物质而产生的光。原子中的电子吸收能量后从低能级跃 迁到高能级,再从高能级回落到低能级时,释放的能量以光子形式放出,产生准直、 单色、相干的定向光束。由于激光具有完全不同于普通光的性质,很快被广泛应用 于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等各个领域。  制造业复苏浪潮下,我国激光行业发展前景良好。当前我国制造业生产效率与制造 强国差距还较大。从人均产值看2020年我国制造业人均 产值为144万元/人,同期美国和韩国分别为325、269万元。叠加人口红利消失、劳...

  激光是通过人工方式,用光 或放电等强能量激发特定的物质而产生的光。原子中的电子吸收能量后从低能级跃 迁到高能级,再从高能级回落到低能级时,释放的能量以光子形式放出,产生准直、 单色、相干的定向光束。由于激光具有完全不同于普通光的性质,很快被广泛应用 于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等各个领域。

  制造业复苏浪潮下,我国激光行业发展前景良好。当前我国制造业生产效率与制造 强国差距还较大。从人均产值看2020年我国制造业人均 产值为144万元/人,同期美国和韩国分别为325、269万元。叠加人口红利消失、劳 动力成本抬高的剪刀差效应,这一轮制造业上行周期将着力解决效率不足的问题, 核心逻辑是用机器替代人力,提高机器使用率和自动化程度。我国先进制造业将实 现加速发展,激光行业潜在的替代空间广阔。

  受益于制造业投资的回升,2020年度,80%的激光上市公司收入保持增长。其中增 速较高的公司,例如赛腾股份、帝尔激光与柏楚电子等,都是偏应用层面的,为客 户提供解决方案,直接受益于下游扩产或技术路演的改变。

  激光器是激光设备的核心部件。激光器的主要原材料为激光晶体、芯片、特种光纤 等激光材料和元器件,因此产业链上游为光学材料、光学元器件、数控系统等制造 商。激光器组装成激光设备后可以完成多种激光加工工作,例如打标、切割、焊接、 清洗和熔覆等,应用服务面非常广泛,包括汽车、钢铁、石油、造船、航空航天等 多个领域。既可用于传统加工行业,又可进军高新技术行业,为光伏电池、锂电池 等新能源技术的实现提供支撑。

  光学部件由海外巨头垄断,其余部件市场供应充足。激光器的直接材料在其生产成本构成中占比较高,对激光器的生产有较大影响。上业中,光学部件行业集中 度较高,生产的核心技术主要由OSRAM、JDSU、Dilas等海外龙头掌握。由于光学 部件的厂商对技术的控制极大影响其下游激光器和激光设备产品的质量,目前光学 部件主要从国外进口,国外厂商竞争格局较好。而机械部件、电控部件、气动部件 等原材料准入门槛低,技术性较弱,行业竞争较为充分。

  部分本土激光器厂商完成向上整合,打通中上游产业链。以锐科激光、创鑫激光为 代表的国内激光器领先企业通过持续专研、整合产业链资源等方式,已实现部分关 键元器件的自主配套生产。目前,锐科实现了增益光纤、泵浦源、 合束器、光纤光栅和传输光缆的部分或全部自产。中上游的打通降低了本土激光器 厂商对于进口元器件的依赖度。

  在数控系统领域,柏楚电子市占率国内企业第一。在中低功率市场领域,国产激光运动控制系统已占据主导地位,而柏楚电子在中低功率市占率60%, 其产品在稳定性、可靠性、精度、速度、易用性等方面占优。在高功率激光切割系 统控制领域,国际厂商占据优势,主要知名企业包括德国倍福、德国PA、西门子等, 柏楚高功率产品的技术指标和使用性能为国内领先水平。18年公司在国内高功率激 光切割控制系统领域的市场占有率约9%。考虑到19年和20年公司总线系统销售数量 分别增长319%和212%,我们预计公司20年高功率系统市占率有望超过20%。

  激光器是激光的发生装置,其中最重要的光学系统有三大功能部件。激励源(泵浦 源):用于将增益物质中的粒子从基态能级提升到激发态能级,提供光源;工作介 质(增益物质):吸收泵浦源提供的能量后将光放大;谐振腔:泵浦光源与增益介 质之间的回路,通过两个镜面间的不断反射,控制激光输出。

  光纤激光器是目前的主流激光器。按照增益介质的不同,激光器主要可以分为液体、 气体、固体激光器,其中YAG固体激光器、CO2激光器先后占据主流。从90年代后 期开始,光纤激光器逐渐成为激光产业研究和应用的主流,在激光器市场销售占比 从2009年的14%增长到2018年的52%。

  光纤激光器的主流地位源自其光电效率高、光束质量好。光纤激光器是指用掺稀土 元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,典型的光纤激光器光学系统由泵浦源、增益 光纤、光纤光栅、信号/泵浦合束器及激光传输光缆等光学器件材料通过熔接形成全 光纤激光器。光纤激光器与其它激光器相比,具有光电转换效率高、结构简单、光 束质量好等特点。

  光纤激光器市场规模持续提升,中国成为全球最大市场。场销售收入已经达到全球的45%,是全球最大的销售市场。2020年国内光纤器市场 规模达94.2亿元,同比增长14%,中国市场进一步扩张。受到汇率波动、贸易战、 国产化替代和价格战等因素影响,2019年IPG在中国这一最大市场上的营收同比下 降了21.9%,2020年也仅同比增长2.11%,而国产6kW以上的激光器开始逐步参与 竞争。巨大的国内市场和海外企业优势的削弱,为国产替代创造机遇。

  低功率光纤激光器基本实现国产替代,竞争转向中高功率产品段。光纤激光器按照 激光灯工作模式,主要分为脉冲光纤激光器和连续光纤激光器,按输出激光功率大 小可分为低、中、高三档。在低功率光纤激光器上,近年来国产品牌出货迅猛,出 货量从2013年的1.3万台上升至2019年的12万台,CAGR超过45%。市占率在2019 年达到99%,基本完成国产替代。

  在中高功率光纤激光器上,技术不断成熟推动国产率提升。2013-2019年中功率光 纤激光器市场出货量保持15%以上增长,国产市占率持续提升,2019年达到56.7%。 2019年高功率产品国产出货量近4000台,国产化率达到56%,主要得益于国内以锐 科和创鑫为代表的厂商在3-6KW功率产品上的技术成熟与产能提升。

  激光加工优势突出,已成一门重要制造工艺。激光加工是利用高强度的激光束,经 光学系统聚焦后,通过激光束与加工工件的相对运动来实现对工件的加工,对材料 进行打孔、切割、焊接、熔覆等。相对于传统加工工艺,激光加工具有适用对象广、 材料变形小、加工精度高、低能耗、污染小、非接触式加工、自动化加工等优点, 目前已成为一种新型制造技术和手段。

  激光加工对传统加工的加速替代,使得激光设备市场规模迅速扩大。激光加工作为 能够在多领域替代传统机械加工的新型加工技术,在加工材料的材质、形状、尺寸 和加工环境等方面有着较大的自由度,能够较好地解决不同材料的加工、成型和精 炼等技术问题,目前已经在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等领 域越来越多地取代传统制造技术。这一替代效应使得2010-2018年我国激光设备市 场经历了持续的高速增长,增速长期位于20%以上的高位,总销售收入在2018年达 到605亿元。2019年增速略有放缓,2020年达到692亿元。

  激光技术的日渐成熟,使其应用场景不断扩宽。近年来,由于激光加工独特的柔性 和生产效率,精密激光制造和服务技术日益成熟。激光加工设备应用范围从传统的 大型制造业,如汽车、电子、航空航天行业,逐渐深化到精密加工制造行业,如汽 车轻量化、动力电池、OLED、消费电子脆性材料等。

  工业应用是激光加工的主要方向。就全球市场而言,2019年全球激光器最大应用市 场为激光材料加工与光刻市场,销售收入达60.3亿美元,占激光器总销售收入的 40.6%,其次是通信和光存储市场,销售额39.8亿美元,占比27.1%。随后分别是科研与军事、医疗与美容等市场。就中国市场而言,2020年我国工业领域激光设备销 售收入达到432.1亿元,占国内激光设备总收入的65.8%。信息领域激光设备占比居 第二,销售收入约152.2亿元,仅为工业领域收入的1/3左右。

  切割和焊接在工业激光设备中占比较大,重要性日益提升。激光切割、激光打标和 激光焊接并称激光加工技术的三驾马车,是近年来激光在工业领域较为成熟和广泛 的应用,2019年在我国工业激光设备中的占比分别为39%、19%、12%,合计达70%。 激光打标应用最早,技术最成熟,近年来份额快速下滑,而切割与焊接则份额提升。 激光切割工作台规格较少,具备相对标准的特征。激光焊接发展时间短,工艺难度 大于切割和打标,标准化程度低,自动化设计难度大。

  激光切割性能好,引发金属加工业技术革命。激光切割是利用激光束高功率密度的 性质,将激光汇聚到很小的光点上并照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、 烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而将工件割开。 和传统切割工艺相比,激光切割具有切割速度快、表面光滑美观、工件变形小、无 工具磨损、清洁污染小等优势,可用于加工多种材料,如金属、塑料、玻璃皮革、 木材、纤维等。激光切割因其适用材料范围广、加工精度高的特质,尤其适合于汽 车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种 不允许焊接污染和变形的器件的精细加工。

  高功率激光器的普及,使得激光切割设备不断突破厚度极限。2015年以前,高功率 激光器在我国产销量极低,激光切割在应用上长期存在厚度的限制。传统上认为火 焰切割能切割的板材厚度范围最广,在50mm以上速度优势明显,适合于精度要求 不高的厚板和特厚板加工;等离子切割在30-50mm区间速度优势明显,不适于加工 特别薄的板材(<2mm);而激光切割多使用千瓦级激光器,在10mm以下速度和 精度优势明显。近年来,随着高功率激光器的逐渐普及,激光切割设备开始逐渐向 中厚板市场渗透。

  伴随功率提高,设备的可切割厚度和效率齐升。据创鑫激光官网,2万瓦激光切割机 将碳钢和不锈钢的最优切割厚度分别突破至50mm和40mm。考虑到钢板一般按厚度 分为薄板(60mm), 万瓦级设备已能完成对于中薄板和绝大部分厚板的切割工作,激光切割设备的应用 场景不断向中厚板领域延伸。除了提高切割材料厚度上限外,激光器高功率化还使 得切割效率不断提升。例如在50mm碳钢切割上,3万瓦激光切割机效率较2万瓦切 割机效率可提高88%。

  率激光切割机(2kW)10万元。虽然购入成本更加昂贵,但激光切割机可以凭借高 生产效率摊薄固定成本,通过高良率节约物料、人工成本,并且无需后续矫直、打 磨等,后处理工序减少,以此抵消高额的投资成本,其投资回报周期在2年以内。

  在中厚板切割行业,切割30mm中厚板的数控机床的平均单价为100万元/台,其性能 对应一台140万元的高功率激光切割机(12kW)。同样由于更高质量的切割成果和 更低的损耗,使用激光切割机后每年可新增收入15-75万元。切割市场行情高涨时, 一年即可收回初期多投入的40万元购置成本。

  有效的性能替代和价格替代下,激光切割设备加速侵吞传统切割市场。2013年我国 金属切削机床销量为72.90万台,同年激光切割设备刚刚起步,销量仅有0.27万台。 6年间金属切削机床销量呈下跌趋势,而激光切割设备则加速增长。到2020年,金 属切削机床销量降至44.60万台,激光切割设备销量升至5.50万台。金属切削机床销 量对激光切割设备的比值从2013年的270迅速下滑至2020年的8。

  薄板切割的激光替代基本完成,高功率中厚板切割成长迅速。从2015-2019年钢板 库存(重量)情况看,薄板、中板、厚板和中厚板的占比分别为6%、43%、37%、 14%。可以近似地认为我国售出的金属切削机床中有6%用于薄板切割,可由中低功 率激光切割设备(<2kW)进行替代;有80%用于中厚板切割,可由高功率激光切 割设备(>2kW)替代。在国家统计局提供的金属切削机床销量基础上,我们测算出用于薄板和中厚板切割的传统机床销量,并分别与中低功率和高功率激光切割设 备销量对比,观察薄板和中厚板切割领域激光设备的替代情况。

  根据我们的测算结果,在薄板切割领域,中低功率激光切割机已基本完成对传统机 床的替代。薄板切削机床与中低功率激光切割机的比值从2013年的39.76下降至 2020年的0.64。目前,中低功率激光切割机销量已实现反超,薄板切割工作基本上 均已采用激光加工工艺。

  而在中厚板切割领域,高功率激光切割机的替代也在逐渐加速。2013年,每卖出365 台中厚板传统切削机床才能卖出1台对应性能的激光切割机。2020年,高功率激光 切割机对中厚板切割市场的替代份额迅速上升至1/27。从迅速成长的替代份额看, 高功率激光切割机有望复制中低功率激光切割机在薄板切割中的扩张路径,打开中 厚板切割的广阔市场。

  整体上激光切割设备对传统数控机床替代程度有加深的趋势,在薄板和中厚板切割 领域,替代效应的强弱略有差距。接下来,我们希望就薄板切割和中厚板切割两个 细分市场,测算未来三年中低功率和高功率激光切割机的更新替代需求,并以此作 为激光切割市场空间的保守估计。

  已淘汰的薄板切削机床和中低功率激光切割机都会释放相应更新需求,为未来中低 功率激光切割机市场容量的重要组成部分。在更新替代需求测算上,遵循如下假设:

  (1)由于薄板切削机床与中功率激光切割机的比值近几年来呈不断下降的趋势, 2020年降至0.64。认为未来三年薄板激光切割势头不减,该比值每年以0.05的速度 匀速下降。并且,旧薄板切削机床所释放的更新需求按这一比值在新传统切割机和 激光切割机之间分配。

  (2)激光切割机平均每3-5年更新一次。传统切割机更新年 限更长,一般为8-10年。

  从测算结果看,2021-2023年中低功率激光切割机的更新替代需求分别达到5.11、 5.83和6.52万台(CAGR=13.66%),仅这一需求就创造了可观的市场容量。2015 年以来,更新需求呈不断上涨的趋势,其中替代需求的贡献度维持在70%以上。对 比中低功率激光切割机更新需求与销量,发现销量增长主要由对已达到使用年限的 传统切割设备的替代所驱动。

  高功率激光切割机更新需求除来自本身已淘汰的存量设备外,还来自旧的中厚板切 削机床。2020年中厚板切削机床销量与高功率激光切割机销量的比值为27.45,若比 值下降趋势不变,可以合理假设该比值此后每年以5.00的速度匀速下降。其余假设 与测算中功率激光切割机更新替代需求时所用的假设一致。

  从测算结果看,2021-2023年高功率激光切割机的更新替代需求分别达到1.64、2.11 和2.92万台(CAGR=30.06%),将推动销量的不断上涨。替代需求的高占比表明, 对旧传统加工设备的更新是高功率激光切割设备市场需求增长的主要因素。

  2021-2023年,激光切割机更新替代需求可分别达到6.75、7.94和9.44万台(CAGR= 17.95%)。中功率激光切割机的平均单价为20万元,高功率平均单价为60万元,在 此基础上所测算出的未来三年更新市场规模可分别达到200.47、242.97和305.58亿 元,CAGR为21.97%。在更新替代效应的作用下,激光切割机销量还将维持中高速 增长,激光切割市场不断扩容,为其上游激光器行业创造巨大需求空间。

  激光焊接性能卓越,是高端精密制造的主流选择。激光焊接利用高能量密度的激光 束辐射加热工件表面,表面热量经由热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、 能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。作为一种现代 焊接技术,激光焊接具有熔深大、速度快、变形小、对焊接环境要求不高、功率密 度大等优势,不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件,焊接 过程中不产生X射线,因此被广泛应用于高端精密制造领域,尤其是动力电池、新能 源汽车和3C消费电子行业。

  激光焊接设备在各细分领域渗透率提升,市场规模逐年攀升。2013-2018年,受益 于激光技术进步和激光器价格下降,激光焊接设备在各行业渗透率不断提高,叠加 下游新能源汽车、锂电池、显示面板,手机消费电子等领域需求旺盛,国内激光焊 接设备市场规模快速增长,年复合增长率高达41.53%。2019年我国宏观经济压力加 大,受中美贸易摩擦、新能源汽车补贴退坡、消费电子周期等影响,焊接设备市场 规模增速放缓。此次制造业处于上行周期,下游多个重要领域回暖,激光焊接市场 有望出现向上拐点。

  在低端加工市场以性价比取胜,高端制造上突破传统焊接工艺局限。激光焊接在低 端和高端加工市场上均有广泛应用。其中,在低端市场的主要产品为手持激光焊, 机器小巧、操作方便,可以实现复杂不规则的焊接工序,主要用于焊接3mm以下金 属和非金属的板材,应用领域为钣金、厨具、卫浴、五金等轻工行业。在高端市场 上满足下游厂商对于自动化、安全性、精密性、产品良率、加工效率等的需求,具 有传统焊接工艺无法企及的焊接效果,多用于动力电池、汽车、消费电子行业。

  高焊接效率,低人力成本,手持激光焊经济效益显现。从采购成本看,一台手持激 光焊约为3万元,是一台传统电弧焊的10倍有余。但激光焊的焊接效率约为电弧焊的 3倍,若项目产能需要3台电弧焊,则1台激光焊就可以满足全部工作量,所需要的劳 动力数量也为传统工艺下的1/3,可以极大节省人力成本。以一个需要3台电弧焊(对 应1台激光焊)的项目为例,采用激光焊可使年均总成本下降7.4万元,经济效益显 著。此外,激光焊能量损失小,满足节能环保要求,在焊接效果及接头质量上也表 现更优。

  在手持激光焊市场空间测算上,认为替代效应是该市场扩张的核心因素。从设备特 性和下游应用看,手持激光焊主要占据的是传统氩弧焊的市场份额。我们测算未来 10年手持激光焊对氩弧焊的替代规模,并采用如下假设:

  (1)根据中国电焊机行业协会,主要企业电焊机产销基本平衡,我们用电焊机产量 近似替代销量,并假定未来10年,电焊机产销增速维持2015-2019年的复合增速不 变,为13.53%。这一处理的目的主要在于剔除2020年疫情期间电焊机产销短期异常 值的影响。

  (3)根据草根调研数据,2020年约有10%的氩弧焊被激光焊所替代,并假设未来 替代比率以每年0.5pct的速度提高。

  (4)目前一台激光焊平均单价为3万元。由于激光器单价下降与手持激光焊工艺日 趋成熟,预计未来激光焊单价以每年5%的速度下降。

  从测算结果看,到2025年,手持激光焊的市场规模可以达到33.06亿元,2030年达 到57.91亿元。2019至2025年,市场规模复合增速为14.91%;2025-2030年,增速 为11.86%。目前,手持激光焊所使用的激光器多在1-3kW,这一市场的增长将为中 低功率激光器创造可观的下游需求,锐科激光等国内激光器企业可以在这一领域实 现收入的快速提升。

  和激光切割相比,激光焊接标准化程度更低,通用性差。由于焊接工件种类繁多, 焊接材料及部位多种多样,焊接速度、强度要求不一,往往需要设计定制化的设备。 激光切割机在各应用领域通用性强,差异性弱,而激光焊接机在各下游市场则具有 专用性,依用途不同还会采取不同焊接方式,例如汽车车身的焊接多采用钎焊,而 医疗器械的焊接则多采用热传导或激光传导焊接。

  因此,在对高端加工领域激光焊接设备的市场规模测算上,我们采取细分市场逐一 测算规模的策略。目前,激光焊接的主要应用行业为动力电池、汽车和消费电子三 大板块。基本测算思路是通过下游应用行业的固定资产投资额,结合激光焊接设备 在其中的比重,对未来10年各领域激光焊接设备需求市场进行估计。

  动力电池由于焊接部位多、焊接难度大、精度要求高,传统焊接方式难以满足要求, 而激光焊接技术由于焊材损耗小、被焊接工件变形小、性能稳定易操作、焊接质量 及自动化程度高,运用于动力电池焊接领域可大大提高电池的安全性、可靠性,延长电池使用寿命。激光焊接作为一个将正负极材料、隔膜和电解液等原材料化零为 整的融合制造过程,是整个动力电池生产流程中的关键工艺。

  据测算,到2025年,动力电池激光焊的市场规模可以达到55.85亿元,2030年达到 105.46亿元。2020至2025年,市场规模复合增速为16.26%;2025-2030年,增速为 13.56%。

  汽车制造业是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业。激光技术主要用 于汽车白车身顶盖焊接、多联齿轮焊接、安全气囊点火器焊接、传感器焊接、电池 阀焊接等。激光焊接运用于汽车,可以用更多的冲压件代替铸造件,减少搭接宽度 和一些加强部件,实现汽车轻量化,达到节能减排的目的;提高车身的装配精度, 使车身的刚度提升,从而提高车身的安全性;降低车身制造过程中的冲压和装配成 本,减少车身零件的数目并提高车身一体化程度等。

  同样,我们假定未来10年汽车制造业固定资产投资额复合增速维持2015-2019年的 水平不变,为3.75%,剔除2020年疫情期间固定资产投资额短期异常值的影响。根 据焊接之家,在汽车制造业,制造装备投资一般占固定资产投资25%,其中焊接设 备又占制造装备投资的10%,由此可以测算出每年汽车焊接设备投资额。2020年, 激光焊接渗透率为20%,不妨假定渗透率以每年0.5pct的速度提高。

  测算结果显示,到2025年,汽车激光焊的市场规模可以达到74.94亿元,2030年达 到100.09亿元。2020至2025年,市场规模复合增速为9.88%;2025-2030年,增速 为5.96%。

  近年来,随着消费电子市场竞争愈发激烈,电子产品制造业对产品也提出了更高的 要求。传统的加工方式容易导致产品质量不稳定、零件熔毁、难以形成正常熔核, 成品率低。激光加工在产品的体积优化以及品质提升方面起到了重大的作用,使产 品更轻巧纤薄,稳固性强。目前,激光焊接主要应用于电子产品的PCB、壳体、屏 蔽罩、USB接头、导电贴片等,具有热变形小、作用区域和位置精确可控、焊接品 质高、能实现异种材料焊接、易于实现自动化等优势。

  通过对低端制造以及高端制造各细分领域的市场规模测算,认为到2025年,激光焊 接设备市场规模可以达到192.01亿元,2030年达到329.86亿元。2020至2025年, 市场规模复合增速为15.87%;2025-2030年,增速为11.43%。对照Ofweek提供的 2020年以前市场规模数据,我们的测算与其差额均在10亿元以内,测算结果较为可 靠稳健,具有一定现实依据。

  其中,2030年以前,激光焊接设备最大消费市场为汽车行业,2030年变为动力电池 行业,二者为激光焊接设备创造的市场容量均超过100亿元。2025年以前,市场增 长最快的是手持激光焊,2025年以后变为消费电子激光焊。整体来看,高端制造领 域是激光焊的主战场,其市场规模占比始终在80%以上,多采用高功率激光器,将 从需求端倒逼激光器的高功率化进程,为激光器行业发展提供庞大市场容量。

  激光清洗性能出色,在环保和高精细化上尤为突出。激光清洗技术是利用纳秒或皮 秒级的脉冲激光辐照待清洗的工件表面,使得工件表面瞬间吸收聚焦的激光能量, 形成急剧膨胀的等离子体,使其表面的油污、锈斑、粉尘渣、涂层、氧化层或膜层 等发生气化或剥离,从而高效地清除表面附着物的清洁方式。传统工业清洗方法包 括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。和这些方法相比,激光清洗机具有环 保无污染、维护成本低、定位精确、自动化程度高等优势。

  朝大型化、高功率方向发展,着力扩大应用范围。目前,激光清洗主要应用在微电 子、文物保护、模具清洗、表面处理等领域,未来主要攻克方向是飞机、桥梁、船 舶、航天器等大型装备领域。眼下制约激光清洗发展的主要因素之一是高功率清洗 设备制造技术不成熟,对大型装备的清洗效率低下。现在市场上普及的激光清洗设 备多为手持式,在小型模具清洗上较为灵活。随着清洗设备逐渐朝大型化、高功率 方向发展,激光清洗有望打开大型装备清洗市场,成为未来激光应用市场的重要增长点。

  提高效率与性价比是开拓激光清洗蓝海市场的关键。据国际咨询机构Markets and markets数据,2019年,全球工业清洗市场规模为468亿美元。就激光清洗这一分支, Reportlinker数据显示,2019年全球激光清洗市场规模为6.14亿美元,到2023年这 一数值预计将达到7.24亿美元。虽然激光清洗设备拥有市场规模不断上升的前景, 但其当前渗透率还极低,仅为1.31%。影响激光清洗普及的因素除了功率外,还有 设备的性价比。激光器的降价、激光清洗技术的日趋成熟,以及环保政策的鼓励推 进,为激光清洗突破当前技术与成本的局限创造了可能。

  激光熔覆有望替代传统涂层制备工艺。激光熔覆技术是利用高能激光束辐照,通过 迅速熔化、扩展和凝固的方式,在基材表面形成一层具有特殊性能的材料,以弥补 基体所缺少的高性能。传统涂层制备工艺,如硬铬电镀、热喷涂、堆焊都有各自的 缺陷。硬铬电镀是当前耐蚀、耐磨涂层制备最常用的技术之一,但是耗能较大;热 喷涂加工过程中粉末材料与气体消耗较大,材料利用率最大只有50%左右;堆焊常 用来生产高质量、坚固的涂层,但涂层一般过厚而耗费大量材料。激光熔覆能克服 上述不足,实现节能环保、高效精准、经济省材的涂层制备工作。

  大型化以提升效率,小型化以提升精度。激光熔覆目前多应用于航空航天、石油勘探、煤炭开采、电力行业等领域。上述领域对零部件性能要求高,零部件长期处于 恶劣的工作环境中,容易因发生严重腐蚀、磨损而报废失效。未来激光熔覆的发展 主要朝向两条路径:第一是实现大面积熔覆,伴随高功率激光器的研制和激光光学 系统的设计,现阶段无法克服的大面积熔覆工艺问题有望在未来得到解决;第二是 精细化原位修复,鉴于越来越多的原位修复需求出现,激光熔覆技术可以开辟新的 加工分支,生产高功率、小型化、精准修复的设备。

  高速激光熔覆完成一次技术突破,国产设备高功率进程加快。自2017年我国机械总 院引进一台德国弗劳恩霍夫激光技术研究所研发的高速激光熔覆设备,高速激光熔 覆技术便引起了全行业关注,在我国实现了迅速发展。同功率条件下,高速激光熔 覆单位时间的熔覆面积是传统激光熔覆的近10倍,极大提高加工效率与精度。

  此外,国产激光熔覆设备高功率进程也在逐渐加快。中科中美历经两年自主研发, 先后在国内首家推出2kW、4kW、6kW等中高功率的高速激光熔覆设备。目前,激 光熔覆在大部分应用场景已能完成对传统涂层制备的性能替代,但在性价比上还有 一定成长空间,未来若能实现有效的成本控制,替代效应下市场规模的增长值得期 待。

  新一轮价格战在大功率连续激光器领域爆发。1996年IPG推出了10W工业级光纤激 光器和脉冲光纤激光器,用于打标和微加工,销售额超过100万美元。2007年国内 锐科激光和创鑫激光成立,并在5年时间内突破光纤激光器技术壁垒,2013年掀起小功率脉冲激光器价格战。

  激光器价格下降,提高激光设备性价比,激光设备抢占传统市场。对比2015-2020 年光纤激光器平均单价与激光设备市场规模趋势,发现二者呈现此消彼长的关系, 即激光器价格下降,利于下游激光设备扩大市场。2018年以来,光纤激光器功率段 上移,但平均单价并无上涨趋势,表明高功率激光器降价幅度较大。

  高功率激光器降价,尤其助于打开切割、焊接等高端加工市场。激光器在不同下游 的需求整体呈金字塔形。顶端为军工、医疗、科研行业,对激光器性能有较高要求, 对价格不敏感;中端为高端制造、汽车、五金行业,多使用中高功率激光器,强调 激光器的性价比;低端为一般制造行业,偏好价格低廉的低功率激光器,可选择的 激光器厂商多,竞争充分。高功率激光器价格下降后,高端激光加工设备可以加快 对传统加工设备的替代。据此前测算,高端加工市场中短期内最有发展潜力的切割 和焊接市场未来3年复合增速分别可达到21.97%和18.96%。而激光器厂商也将受益 于下游需求的扩大,实现产能和销量的迅速增长。

  国内企业在劳动力成本和售后服务上更具优势。目前激光器的生产由于工艺复杂、步骤繁琐,仍然主要依赖技术工人的组装,因此激光器行业具有劳动密集型属性。 2020年IPG所有员工中制造人员占比达到75%,且主要来自于美国、俄罗斯、德国 等劳动力成本较高的地区,相比国内企业而言在劳动力成本方面具有一定劣势。国 内企业售后体系完善,响应速度快。锐科基本形成了覆盖全国,辐射全球的服务体 系,并提出“8小时内提出解决方案,48小时内工程师现场维修”的承诺。

  近年来国内主要激光器公司均通过向上游垂直整合,提高核心零部件自制率,以此 降低成本,保证生产的独立性和稳定性。锐科激光通过技术研发和并购,掌握增益 光纤、泵浦源、传输光缆、合束器等关键零部件的生产技术,零部件自制率水平位 列国内第一。虽然掌握技术,但受限于公司产能,目前公司部分元器件仍需要外购。

  零部件成本降低是近年来锐科降本增利的重要原因。2016-2017年公司光纤激光器主要原材料的价格呈明显的下降趋势,推动公司毛利 率显著提升。零部件成本的降低一方面归功于自产率提升,另一方面也有国内光纤 激光器配套元器件生产企业增加、元器件采购价格下降的因素。

  接下来,我们测算锐科在当前盈利水平下自制率提升所能带来的成本下降幅度。锐 科各零部件当前自制率与理想自制率的数据均是对产业链上下游调研大致估测。零 部件的外购成本自锐科激光招股书与创鑫激光招股书综合整理得到。自制成本数据 除部分取自锐科激光招股书外,其余由相关元器件主要厂商毛利率情况推测而知。 2020年度,锐科激光总营业成本为16.43亿元,假定各零部件成本占总成本比重维持 2017年(招股书所披露的最近年份)的水平不变,可以近似获得当前自制率下的各 零部件成本。理想自制率下的各零部件成本则由表格中的模型严格推算得到。

  据测算,在理想自制率下,零部件总成本较当前可下降20.25%。其中,泵浦源成本 下降幅度最大,为36.30%。零部件自制率的提高可以成为未来锐科控制成本的重要 手段。

  此外,我们还进行了不同自制率下,毛利率对于价格和销量的敏感性分析。价格战 会使激光器价格发生下调,同时下游应用市场的扩张也会带来销量的上涨。在敏感 性分析中,我们选择的基期为2020年度,并做出如下假定:

  (1)营业成本中,直接材料成本占比为80%,制造费用成本占比为12%,直接人工 成本占比为8%。

  (2)直接材料成本与销量同比例增长;直接人工成本与销量成比例增长,增速为后 者的1/2;制造费用成本不随销量的变动而变动。

  结果显示,若维持当前自制率,当价格下调10%时,公司毛利率水平在20%左右, 与当前29.07%的毛利率之间存在较大差距;当价格下调20%时,公司毛利率水平仅 有10%;当价格下调30%时,公司毛利率接近0,生产经营面临较大风险。若提高自 制率到理想水平,当前价格与销量下的毛利率可达到43.43%,高于当前毛利率超过 14 pct;即便价格下调20%,毛利率也高于当前水平;当价格下调30%时,毛利率 仍有20%左右。因此,加快垂直整合,提高核心零部件自制率,是锐科等激光器厂 商短期内实现降本增利的最主要手段,也是国内厂商在价格战中取得优势的关键。

  多模激光器由多个单模激光器组成,总功率与单模的功率和数量成正比。同等功率 下,若用单模对多模进行技术性迭代,可以大大减少元器件用量,起到压缩成本的 作用。假设一台3kW多模激光器由三台1kW单模激光器通过合束组成,则其含有的 光纤光栅的数量至少为6个(每台单模激光器的谐振腔均由2个光纤光栅组成);掺 杂光纤也至少包含三根。若激光器的实际运转机制为多级放大系统,则需用的元器件数量还会更多。而对于一台3kW单模激光器,其本身不再拆解为更小的激光器单 元,所用的光纤光栅、增益光纤也为多模激光器的1/3。激光器内部使用的其他元器 件也会幅度不一地减少,从而显著压缩激光器的体积与成本。

  高功率单模激光器对有源光纤技术要求较高。尽管单模激光器较多模在成本上优势 明显,但在高功率产品制造上,目前多模合束工艺还是更为普遍的选择。这主要是 因为单模激光器对于所使用的掺杂有源光纤技术要求更高,使得高功率单模激光器 在生产上具备更大难度。单模激光器中采用的是纤芯直径较小的单模光纤,将单模 系统提升到较高功率时可能导致光纤中激光功率密度(即单位光纤体积内的功率) 提高,热负载增加,引发许多非线性光学效应,使得光纤更容易受损而烧坏。

  除了可以有效压缩成本外,单模激光器性能更佳,在切割、焊接等领域效率更高。在高功率光纤激光器中,单模系统亮度更高,可以聚焦至几微米到最高的强度;焦 深更大,最适合远程加工。在切割应用中,光纤激光器的聚焦光斑会显著影响切割 质量,而单模焦点处能量密度更高,光束质量更优,切割效率和效果都好于多模。 据创鑫激光对单模5kW和双模6kW的比较分析,单模可将1-4mm薄板不锈钢切割效 率提高8%-87%,将1-2mm碳钢薄板切割效率提高60%,并节省能耗25%。

  在焊接应用中,单模激光焊接具有更大的熔深、更大的深宽比、更小的热影响区, 且焊缝上下宽度差小(更接近矩形焊缝形貌)。同时,和多模激光器相比,单模在 焊接紫铜等高反材料时表现出良好的适应性,不容易因高反射率而对激光器产生不 可逆的破坏;在铝合金焊接上可以有效减少熔化时间,避免焊缝产生气孔和裂纹。

  单模功率的提升,还可以促进超高功率激光器的研发和制造。目前国内最高功率的 单模光纤激光器可以达到6kW,随着光纤和激光器制造工艺的不断升级,这一功率 上限还可以被不断突破,推进高功率激光器领域单模取代多模的进程。激光器的少 模块化趋势将帮助企业有效抑制成本,提高产品质量和效能。并且单模块功率越大, 在集成万瓦超高功率激光器时所需的模块就越少,结构更紧凑,合束效率更高,性 能更稳定。而超高功率激光器的推出将拓宽下游应用领域,扩大下游需求,有利于 激光器企业的成长。

  较国外产品,国产激光器单瓦成本下降更快,国产化程度不断加深。目前,IPG激 光器已基本实现自产,以激光芯片为例,2020年激光芯片成本较2009年降幅高达 85%,年复合降速为15.84%。这一零部件成本的下降一方面是由于自制率的提升, 另一方面是因为激光芯片属于集成电路,存在摩尔定律现象,集成度不断提升的同 时成本不断下降。但据我们的测算,国产激光器单瓦成本下降更快,激光器国产化 程度不断加深。

  测算中使用的国产与进口激光器均价取自《2020中国激光产业发展报告》,并选取 锐科和IPG作为国产和海外厂商的代表。在各个功率段,我们假设厂商仅销售该功率 段的产品,并用连续激光器业务收入除以单瓦均价,将销售额折算为销售瓦数。最 后,用业务成本除以销售瓦数即可得到各功率段下的单瓦成本。2020年IPG连续激光器营业收入为48.75亿元, 公司综合毛利率为44.89%,由此我们推算IPG连续激光器收入成本为26.27亿元。

  从测算结果看,在千瓦级高功率激光器领域,国产品牌较进口单瓦成本的降幅随瓦 数的增加而提高。在6kW激光器上单瓦成本降幅最大,为27.27%。但在10kW激光 器上单瓦成本降幅仅有7.85%,表明在万瓦级激光器领域,国外品牌工艺优势更大, 缩小了海内外单瓦成本的差距。

  各功率段国产化率普遍提升,中高端市场进口品牌仍占优。国产激光器单瓦成本低, 以其高性价比在绝大多数下游应用场景实现对进口产品的有效替代,各功率段激光 器的国产化率不断提高。但据光电汇光子产业研究中心的调研结果,在高功率的切 割、焊接、清洗、熔覆等领域,进口品牌拥有更高的市占率和客户认可度。这主要 是因为IPG、相干等国外公司能基于更长时间的技术和经验积累,为客户提供完整、 可靠的光学解决方案,解决加工工艺上的难题。

  以激光切割为例,激光切割解决方案的关键在于光纤激光器和匹配的切割头。在光 纤激光器方面,IPG采用了侧抽运双包层专利技术,以简洁的机制、极高的效率将多 模二极管光转换为单模光纤激光器的光。而在包层抽运中,则采用了多模抽运光纤 和单模掺杂芯光纤实现“全光纤”结构,大幅提高了激光光束质量和效率。从器件 稳定性看,IPG的单芯结二极管寿命超过10万小时。在切割头方面,涉及镜片镀膜 工艺、光路设计、冷却系统和电机定位,每一项都是精密技术。

  锐科激光等国内企业奋起直追,在中高端市场广泛布局。锐科通过自主研发、技术 创新和产业并购等方式,逐渐提高自制率,有望实现与IPG相同的快速发展模式,通 过规模降低成本,形成规模、性价比和品牌优势向下挤压,扩大低端市场份额。同时,锐科在中高端市场也进行广泛布局,通过技术追赶、本土优势和组织优势向上 延伸,力图打破IPG等海外厂商的技术壁垒,参与中高端市场份额。近年来,锐科激 光器的应用场景不断外扩,打标、切割、焊接、清洗、熔覆、精密加工均可实现, 基本覆盖了IPG的工业应用领域。

  锐科产品种类丰富,在齐全度上已经与IPG比肩。公司主要产品包括10W至2000W 的脉冲光纤激光器;10W至30000W的连续光纤激光器;75W至450W的准连续光纤 激光器;80W至8000W的直接半导体激光器等。超快激光器方面主要产品包括100W 红外皮秒激光器、50W绿光皮秒激光器、30W紫外皮秒激光器、20W飞秒激光器、 266nm激光器、2mJ大能量激光器等。IPG的激光器产品结构则包括连续激光器、脉 冲激光器、准连续激光器。

  纵向深耕切割和焊接,有效突破通讯、先进科学和医疗。根据美国IPG公司的预测, 未来高功率切割和焊接、医疗、遥感、非金属材料微加工将成为新的增长点,到2023 年高功率切割和焊接将成为激光设备的最大应用领域。抢占高端市场需要在切割和 焊接方案提供上深入耕耘,提高激光加工性能和替代性。

  成本与价格两端双重发力,毛利率稳中求升。毛利=价格-成本,毛利的变化取决于 成本和价格的变化。成本变化分为缓慢下降和大幅下降。前者一般由采购价格下降、 自动化程度、管理水平及核心元器件自制比率提升导致,而后者需要依赖公司在核 心元器件或工艺方面的技术突破。在高功率激光器领域,提高自制率、用单模取代 多模是短期降低成本、提高毛利的主要方式。随着激光行业的不断发展,未来行业 或部分企业出现革命性技术创新,则能带来成本更大幅度的下降。

  价格变化也分为缓慢下降和大幅下降。同功率激光器随着成熟度、下游客户结构、 消费结构、使用需求等变化价格缓慢下降。而如果市场竞争加剧,公司进行主动调 价,打价格战,会使得价格大幅下降。价格战期间,成本压得更低的企业能提高低 端市场占有率。对于中高端市场,还要依靠技术进步提高产品质量,与进口品牌形 成竞争。两类市场份额的同步提高,将利于企业培育品牌,构筑护城河,进一步提高议价权,使得价格战后高功率激光器价格降幅减慢,甚至走平和略有回调,保证 长期高毛利率的维持。

  柏楚电子是国内激光切割控制系统领域龙头,从2012年起深耕该领域,各方面技术 保持国内领先,与国外同行相比已基本接近,同时产品可用性更优。2019年在国内 中低功率、高功率激光切割控制系统中市场份额分别达到60%和10%。2020年公司 实现归母净利润3.71亿元,同比增长50.46%。

  轻资产、重研发,盈利能力强。公司将资源投入技术含量较高的关键环节,而将其 余环节外包,采取轻资产的运营模式,保障了公司较强的盈利能力。2016年至2020 年,公司实现了5年5倍业绩增长,营业收入由1.22亿元增长至5.71亿元,净利润由 0.75亿元增长至3.71亿元。在整体业务规模快速增长的同时,公司毛利率与净利率 实现了高位稳定,分别保持80%和60%左右。

  光纤激光器龙头,产品线布局全面。锐科激光是国内光纤激光器龙头,2020年国内市占率达到24.40%,仅次于IPG。公司产品主要包括连续和脉冲光纤激光器两大类, 覆盖10W低功率到30KW超高功率。2020年营收23.17亿元,同比增加15%,在疫情 的影响下仍保持一定韧性。

  零部件自制比例高,随市占率提升利润率有望重回高点。锐科激光通过自主研发和 垂直整合,实现关键零部件自产,在2016-2018年实现了盈利能力的大幅提高,2018 年净利率达到30%。受行业竞争加剧影响,18H2以来激光器企业盈利能力普遍受到 影响,但公司通过工艺进步、自制率提升,当前利润率有探底回升的趋势。

  公司成立于2004年,是国内首批成立的光纤激光器制造商,主要产品为光纤激光器 和直接半导体激光器。公司致力于成为 国产超高功率工业激光器开拓者。2019年,国内最高功率5000W单模块连续光纤激 光器、首款35000W多模连续光纤激光器上市。2020年,推出国产首台40000W光纤 激光器、国产首款EtherCAT总线型万瓦激光器。

  IPG由其董事长兼首席执行官Valentin Gapontsev博士于1990年创立的,2006年在 纳斯达克上市,是全球第一家实现光纤激光器产业化的企业。2020年,IPG实现营 业利润82.83亿元,是全球最大的光纤激光器厂商。但近几年受到国产厂商的冲击, 其中国市占率持续下降。

  受益于自产零部件和产品大功率导向,公司毛利率长期维持高水准。IPG2004年毛 利率30%,通过向上垂直整合,零部件100%自制。2010年毛利率达到54%,之后 整合并购超快、紫外等激光器,进行横向扩张,毛利率长期维持在54%左右。IPG 生产最广泛的光纤激光器组合,用于工业、半导体、仪器仪表、医疗、科学、国防 和娱乐应用。在高端加工领域,IPG凭借技术、品牌和质量形成护城河,充分享受大 功率激光细分行业高毛利的红利,盈利水平较高。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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