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2023年度中国激光产业发展概况及机遇与挑战
发布时间:2024-04-02    来源:张庆茂教授   阅读次数:2389 分享到:
2023年激光产业现状与亮点
2023年中国全部工业增加值为39.9万亿元,占GDP 31.7%,制造业增加值占全球比重超过30%,连续14年位列全球第一,工业领域设备规模大、更新潜力足。在此过程中,激光制造技术作为制造业转型升级的新一代战略性支撑技术,对于新兴产业、未来产业具有重要应用价值,成为发展新质生产力的关键技术之一。

根据激光加工专委会统计,2023年中国激光产业的产值约为980亿元,较上年增幅达9%。 在激光 “黄金十年”的发展过程中,中国工业激光器与系统销售规模近十年的平均增速达到16%以上。过去的一年,受全球经济和地缘政治形势等因素的影响,激光行业面临了一些挑战,但危机中也蕴藏着大量机遇。

回顾不平凡的2023年,激光行业亮点频出:首先,光源的不断迭代突破给加工制造带来了新的发展机遇。例如,大功率光纤激光器核心技术不断突破,输出功率不断刷新;超快激光器领捷报频传,从几十瓦到千瓦级,光束质量持续优化,创新应用层出不穷。其次,激光装备水平由先前的跟跑并跑逐渐在部分领域实现领跑,新的智能化激光精密制造装备不仅促进我国传统制造产业的转型升级,并且大规模应用在新能源汽车、光伏、储能电池、氢能、通讯、以及医疗等热门赛道和新兴领域,推动了战略新型产业的可持续发展。此外,资本市场对中国激光产业的关注度仍然保持在高位,上市企业又新增了不少。

2023年,激光企业在投产扩产等方面也是动作频频,跑出“加速度”,拓充竞争优势。同时,“产学研用”端的融合发展与战略合作进一步深化,不少企业、院校、科研机构以及下游用户单位携手建立了激光联合实验室及研究中心,旨在面向国家重大战略需求,围绕船舶、核电、工程机械、航空航天等重装行业以及半导体、信息技术、3C电子、新能源、光伏等新兴高科技行业开展联合攻关,以解决重大工程问题,并在激光先进制造方面建立关键共性技术研发的创新体系。
激光行业存在的问题
2024年经济工作的总基调是坚持“稳中求进、以进促稳、先立后破”,这同样也是激光行业的行动纲领。受后疫情时代的国际政治和经济等因素影响,激光行业目前还是面临了一些问题与挑战。其中包括:如何在国内国际双循环的新发展格局下更好地满足与平衡国内市场与海外市场的需求;如何构建中国激光产业的高质量发展路径,并从创新导向、市场定位、产业协同、差异化竞争等维度探寻破“卷”之道,开拓更多激光高端应用新需求和“蓝海”市场;如何加强标准建设工作……

诚然,激光+应用空间巨大,今后要持续加强基础研究、核心技术和装备以及应用技术研究等领域的协同攻关,推进“产学研用”深度融合。同时,随着制造业不断向节能环保、绿色制造、高端化的方向转型升级,以激光为代表的高端智能制造技术必须符合新质生产力的要求。在“双碳目标”和“新旧动能转化”等战略目标驱动下,探索“光”制造技术与产业发展深度嫁接的新途径和新模式,开创激光应用新局面。

拥抱新机遇 “激”发新动能

工业激光领域增长的核心驱动力在于激光工艺对传统工艺的不断渗透和替代。高功率的宏加工和精密微纳加工两个方向前进的步伐明显加快。高效定制化制造、跨尺度极端制造、精密调控制造将成为中国激光制造业未来的必然趋势。同时,激光产业全球化趋势愈发明显,国内企业参与全球化竞争势在必行,高质量发展是唯一途径,不断创新是取胜的法宝,高端化、智能化、绿色化、国际化是全面融合全球激光产业的必然选择。
中国激光产业需要在细处求精益、在宽处谋布局、在高处争独到。首先,积极构建产业链、依托链主企业、延申产业链、建立创新联盟,形成规模效应。其次,瞄准国家重大需求,构建新的增长点。例如,2023年发布的《制造业可靠性提升实施意见》中指出,要重点提升工业母机用数控系统、大功率激光器、激光焊接与切割等设备的可靠性水平,这无疑将为中国的制造业以及激光产业的发展注入新的活力。第三,要注重标准体系的完善与制定,以及专利池的建立。加强知识产权保护是未来国家高质量经济发展的重要战略,保护知识产权,就是保护可持续的科技创新。最后,要拥抱全光制造的时代,推动激光+多学科交叉融合方面的发展进程,包括物理学、光学、电子学、材料科学、通信和信息技术、自动化智能化和AI技术等。一方面,持续推动1+N(激光+应用)的拓展,另一方面加快激光与其他学科及新兴技术的融合,彰显1+1>N的效果,朝着打造更强大、更全面的新型“光”智造技术的征程阔步前行。

另外,“新质生产力”是时下制造业高度关注的焦点,其核心要义是通过整合科技创新资源,积极培育战略性新兴产业,前瞻布局未来产业,开辟发展新领域新赛道,塑造发展新动能新优势。其中,聚焦的新一代信息技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保、民用航空、船舶与海洋工程装备等8大新兴产业,也都是与激光技术能够形成高度嫁接的领域。

光源、装备和工艺领域的发展动能和趋势

光源方面,激光器的发展方向整体归纳为: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(最高可达150KW);以超快脉冲皮秒和飞秒激光器为代表的超快激光器(千瓦、焦耳级),以及其他特殊波段的激光器(医疗美容等场景)。今后,激光器的发展要围绕高能量、长寿命、光束质量、高稳定性、高环境适应性、能量调控、低成本等关键字,在核心工艺和材料、器件、系统集成等环节继续攻关和发力,突破更多技术瓶颈,延伸更多新应用,并为特定应用场景开发更多专用高端型激光器及系统解决方案。

此外,超快激光提供了前所未有的极端制造与精密制造潜力,在攻克常规工艺难以实现的高、精、尖、硬、难等加工瓶颈方面独树一帜,该领域还将迎来更多发展新动能。未来,激光微纳加工的整体发展趋势是将实现大尺寸、高精度和高效率加工;在保证高精度的同时,确保长期可靠性。

同时,还要积极探索皮秒、飞秒等超快激光技术在电池制备、封装;5G天线材料(LCP和MPI)加工;电磁屏蔽功能复合材料;高频高精电路板制备;微波介质陶瓷加工;复合材料、异种材料的焊接,以及其它碳纤维复合材料的精密加工领域的技术研发和应用拓展。

激光焊接方兴未艾,前景可观

2023年,新能源汽车、动力电池等相对成熟的新能源赛道迎来重新洗牌。新能源汽车是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向,也是我国汽车产业高质量发展的战略选择。数据显示,2023年我国新能源汽车产销分别为958.7万辆和949.5万辆,同比分别增长35.8%和37.9%。同年,我国电动载人汽车、锂电池和太阳能电池等“新三样”产品合计出口1.06万亿元,出口增长近30%,首次突破万亿元大关。在庞大的市场需求下,产业制造技术方面需不断迭代、创新和突破。预计中国动力电池未来3年新增产能2200GWh,带动激光焊接设备需求约500亿。

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)。今后,需要进一步拓展激光焊接技术的应用场景,攻克相关工艺和技术难点:如高反射材料铜、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。

从激光焊接技术的工程化应用来看,通常要综合考虑几个方面的技术实现要素,首先是激光能量产生要素,包含激光器技术、核心光学元件、光束输出控制等;其次是激光焊接质量控制要素,包括激光焊接头、焊接工艺优化控制、光、丝、气联合控制、焊接寻位与焊缝跟踪、在线质量监控与评估技术、AI技术等;同时,必须做好激光焊接装备的系统设计和集成,最后是终端焊接产品的生产质量保障要素,包含激光焊接规范与标准、焊接质量控制、焊接产品服役性能保障等。

此外,要加快推动及拓展新一代激光焊接技术在航空航天、海洋装备、汽车、核电、工程机械等行业领域的应用场景,并加快研发更多降本提质增效的激光复合焊接装备与技术。

 激光在新能源及氢能领域的应用

鉴于新能源汽车相关部件等制造工艺复杂,其质量直接决定车辆的性能,从而对其制造技术和装备提出严格的要求。激光作为先进的“光”制造工具,彰显精密可控性,对加工材料的普适性,与智能技术的良好融合性等优势,近年来在新能源行业大展身手。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。

当前,激光在新能源领域的应用场景越来越广泛,包括新能源动力电池焊接、电动汽车三电系统的关键零部件加工、极片&极耳切割、激光清洗、激光隔离膜切割、氢能源双极板焊接、太阳能电池板刻蚀等。

氢能作为新能源新兴赛道也在快速崛起,无论是电解槽、燃料电池亦或制储运等环节,在生产制造过程中都要大量应用激光切割、焊接、清洗等技术和设备。以金属双极板生产为例,激光焊接具备焊接质量好、省料成本低、生产率高、非接触式加工密封性好等优势,是实现双极板批量、低成本制造的重要手段,且能提高燃料电池产品的可靠性和稳定性。根据《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》数据显示,高性价比的双极板支撑燃料电池汽车的产业化。到 2050 年,燃料电池汽车保有量达到 500 万辆左右,双极板需求量 15-25亿片。诚然,万亿氢能产业正在撬动百亿‘激光+’应用。

激光医疗的中国发展机遇

除了工业领域的广泛用途外,得益于激光技术在医疗板块展现的应用范围广、精确度高、见效快、安全可靠、副作用小等优势,使激光在医疗大健康等领域大有可为,被应用于皮肤、眼科、口腔、心血管、泌尿、妇科、神经外科、肿瘤、光动力和医美等多个临床科室,逐渐发展为现代医学的重要分支。根据国泰君安证券和欧瑞统计,全球激光医疗设备市场突破1000亿,中国激光医疗行业规模突破300亿。激光医疗领域未来的发展趋势将是“技术+设备+疗法”并驾齐驱。

未来,金属激光增材制造技术的发展趋势归纳如下: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;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;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。

总体而言,要迈向基于材料-结构-工艺的设计与调控,实现复杂整体构件控形与控性一体化制造,以及在增材制造复杂整体构件内,实现多功能复合,并发挥构件整体功效。         

多能场激光复合表面改性技术利用激光和其他能场的优势,可弥补单一激光加工的不足,已成为激光制造技术的重要发展方向之一,在航空、航天、能源、化工、船舶等高端装备关键部件的改性与再制造以及结构极端制造领域应用前景广阔,能大幅提升产品的性能、寿命并且实现提质降本增效。其主要包括激光+超音速复合制造、激光+电磁场复合制造、激光+超声能场复合制造、激光+电化学复合制造等。

未来,还需要探索从光加工与其他工艺之间的复合制造技术,包括多光束复合激光焊接、激光增/等/减复合制造、激光+清洗复合制造、激光+抛光复合制造等,持续突破非接触光加工的局限。


创新·融合·引领—跨越发展 再攀新峰

光子产业是应用广泛的战略高科技产业,是现代产业体系的“关键少数”,技术壁垒高、产业带动性强、头雁效应明显,是新一轮科技革命必争之域。光技术向所有产业全面融合并促进创新和提升,成为全球高端产业的驱动引擎,更是传统产业提升的重要手段。

我国激光产业正处于“换道超车”的白金十年,今后一定要在原创性技术、颠覆性技术和升级换代的关键技术等方面不断发力;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。发展要从重视“数量”转向提升“质量”;规模扩张”转向“结构升级”;满足“最大”转向追求“最强”,打造真正的创新力和智造力,通过持续创新实现新旧动能转换。

此外,要以战略新兴产业的发展为依托,围绕制约我国经济发展的瓶颈,协同攻关,将最新科技发展成果转化为激光行业强大的支撑力,从产业转型升级的角度,在支柱产业领域创造更多的激光高端应用新需求,共同开创新时代、新技术,新应用、新产业背景下的“光”制造行业的发展新格局,并携手共建开放、合作、共融,共通的生态圈。

内容来源:整理自激光加工专业委员会主任张庆茂发表的《中国激光产业的机遇与挑战》主旨报告
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