【張慶茂】中國激光產業面臨的機遇與挑戰 20230906.pdf

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1、中國激光產業面臨的機遇與挑戰中國激光產業面臨的機遇與挑戰張慶茂中國光學學會激光加工專委會2023年9月6日深圳11.1.激光產業現狀激光產業現狀2.2.激光行業存在的問題激光行業存在的問題3.3.未來發展趨勢展望未來發展趨勢展望目目 錄錄1.1.激光產業現狀激光產業現狀目目 錄錄激光制造與增材制造激光制造與增材制造激光被譽為是“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”；全球進入“光制造時代”激光制造推動我國制造業轉型升級，2012年：16.98.萬億；2021年：31.4萬億，2022年：40萬億中國成為制造大國激光技術成為我國實現制造強國的重要支撐與手段：美國激光學會統計，美國制造業的GDP50%

2、與激光制造相關：世界科技強國競相發展的戰略性關鍵核心技術：德國德國工業2030戰略、美國先進制造業領導戰略2020年廣東省頒布廣東省培育激光與增材制造戰略性新興產業集群行動計劃（2021-2025年），到2025年，打造營收超1800億元的激光與增材制造戰略性新興產業集群。激光制造技術支撐了國家高端制造業的發展激光制造技術支撐了國家高端制造業的發展科技的發展推動了航空航天等領域的發展，助推科技的發展推動了航空航天等領域的發展，助推激光技術大激光技術大發展！發展！2010-2022年中國激光產業產值年中國激光產業產值/行業增長率行業增長率/GDP（激光加工專委會統計數據）（激光加工專委會統計數據

3、）中國激光產業盡管受到國內外經濟大環境調整帶來的波動，激光行業的利潤有所影響，中國激光產業盡管受到國內外經濟大環境調整帶來的波動，激光行業的利潤有所影響，仍以較高增長速度繼續發仍以較高增長速度繼續發展展激光“黃金十年”發展中，中國工業激光器與系統銷售規模近十年平均增速16%以上。戰略新興產業需求旺盛戰略新興產業需求旺盛6工業激光領域增長的核心驅動力在于激光工藝對傳統工藝的不斷滲透和替代。高功率的宏加工和精密微納加工兩個方向前進的步伐明顯加快2022年營收同比增(減）比率利潤同比增(減）比率大族激光149.61億-8.40%12.10億-39.35%華工科技101.67億+18.14%9.06億

4、+19.07%銳科激光31.89億-6.48%0.41億-91.38%杰普特11.73億-2.17%0.77億-15.99%深圳聯贏激光28.22億+101.642.67億+190.11海目星激光41.05億+106.893.8億+248.45利元亨激光42.04億+80.31%2.90億+36.35%德龍激光5.68億+3.480.67億-23.16長光華芯3.86億-10.131.19+3.42柏楚電子8.99億-1.54%4.86億-11.62%鉑力特9.18億66.32%0.8億249.14%中國激光產業現狀中國激光產業現狀-精彩紛呈精彩紛呈7光源技術有重大進展裝備水平跟跑、領跑創新應

5、用領跑世界資本青睞激光行業奔騰奔騰&創鑫創鑫60000W激光切割機全球首發激光切割機全球首發激光增材制造復雜結構激光坡口取代等離子坡口光纖芯片泵浦源8小到10W，大到200kW要多大，有多大功率定制最大單脈沖能量按需定制能量定制12m到800m按需定制芯徑定制高斯光、平頂光、環形光疊加光斑，按需定制光斑定制提 供 特 定 應 用 場 景 專 用 激 光 器 及 系 統 解 決 方 案提 供 特 定 應 用 場 景 專 用 激 光 器 及 系 統 解 決 方 案國產產業鏈情況光斑整形調制頻率2.2.激光行業存在的問題激光行業存在的問題目目 錄錄10激光行業存在的問題激光行業存在的問題局部軍事沖突

6、、國際政治新冠疫情影響高質量發展經濟轉型國際化需求國內需求淘汰落后產能新興產業正在崛起需求疲軟同質化競爭標準滯后創新力不強高端化、智能化、綠色化-加快實現高水平科技自立自強加強核心技術的研發構建創新研發團隊信息化國際化戰略清、認識明、布局優激光+X空間巨大加強基礎研究，走產學研之路；加強核心技術的攻關；走高質量發展之路；激光制造高端化、智能化、綠色化3.3.未來發展趨勢展望未來發展趨勢展望目目 錄錄世界格局與新工業革命密切相關The transition to new manufacturing processes in Europe to the US,about 1760 to 1840.

7、(wikipedia)英國，機械能英國，機械能美國，電能美國，電能第一次工業革命：蒸汽機的發明和改進，將人類推進到了蒸汽第一次工業革命：蒸汽機的發明和改進，將人類推進到了蒸汽時代，社會生產力極大發展，大規模制造時代，社會生產力極大發展，大規模制造第二次工業革命：第二次工業革命：電力的應用使人類進入電氣時代，大規模自動化制造電力的應用使人類進入電氣時代，大規模自動化制造第三次工業革命第三次工業革命（工業（工業4.0）未來未來極端智造極端智造百年未有之大變局科技必須自強自立百年未有之大變局科技必須自強自立激光與物質交互作激光與物質交互作用機理用機理激光熔池表激光熔池表/界面界面行為及潤濕機制行為及

8、潤濕機制激光制造構件控形激光制造構件控形控性及功能化控性及功能化習總書記指出：要加強技術研發攻關，掌握更多具有自主知識產權的核心技術，不斷延伸創新鏈、完善產業鏈，為推動我國光電子信息產業加快發展作出更大貢獻。激光高端裝備+智能制造生逢其時，機會良多對比物理切割力加工電切割電加工等離子切割等離子加工激光切割激光加工加工效率慢較慢快，適用于高速裁剪和鉆孔快，可以實現高速切割加工精度低慢高高可加工材料有限，通常用于金屬和硬質材料有限，通常用于金屬和不銹鋼適用于大多數材料，特別適用于金屬材料廣泛，包括金屬、塑料、紙張、陶瓷等加工靈活性低中等中等高，可進行二維、三維切割和雕刻環保節能較差較好較差，產生廢

9、氣廢水較好，能量效率高激光智造加工優勢，以激光切割為例加工精度加工精度加工尺度加工尺度/效率效率激激光光焊焊接接激光切割激光切割激光標記激光標記激光微納加激光微納加工（未來）工（未來）激光微納加激光微納加工（當前）工（當前）熱加工熱加工中低精度中低精度中低尺度中低尺度冷加工冷加工高精度高精度大尺度大尺度高效率高效率冷加工冷加工小尺度小尺度效率不高效率不高關注未來發展重點關注未來發展重點16未來3-5年將會成為新興技術的密集發展領域：信息與低碳、生物科技、智能電動汽車、航天四大領域新技術重點：6G通信新一代半導體材料數字免疫低碳技術腦機接口合成生物車路云一體化鈉離子電池小衛星國家重大發展戰略、區

10、域創新戰略、產業前沿“十四五”和2035年遠景目標綱要提出制造業高質量發展 我國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和光源技術光源技術-脈沖更短，波長更短、功率更高脈沖更短，波長更短、功率更高171、高功率光纖激光器（6萬瓦）2、半導體激光器（千瓦）3、超快激光器（萬瓦、焦耳級）4、特殊波段的激光器激光器的發展趨勢：微加工的激光波長選擇：近紅外（7701060nm）可見光（770390nm）紫外（200390nm）真空紫外（110200nm）極紫外（25110nm）、軟X射線(50eV10KeV)高能量長壽命高穩定性高環境適應性低成本焊接技術是新的增長點焊接技術是新的增長點一、新能

11、源汽車巨大需求2020年，我國新能源汽車銷量達136.7萬輛，同比增長10.9%，連續三年超過100萬輛；2022年，我國新能源汽車銷售688.7萬輛，同比增長93.4%，占到全球銷量的61.2%。新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的25.6%，提前三年完成2025年規劃目標。預計2023年中國新能源汽車銷量將達到900萬輛.寧德時代、比亞迪、中航鋰電、國軒高科、億緯鋰能等動力電池企業裝機量排 名全球前10，成為全球重要供應商二、工程機械的需求、新基建的需求可焊接的材料：金屬與金屬：同種、異種金屬與非金屬塑料與塑料玻璃（非晶態）與玻璃（非晶態）玻璃（非晶態）與硅（晶態）高反射材料銅、鎳、銀、率

12、等藍光、綠光以及復合焊接成為熱點和難點19激光焊接利用可聚焦高能量密度的激光激光作為熱源，實現同質或異質、等厚或不等厚材料熔化連接、成形制造結構產品的焊接技術。激光高方向性高方向性高單色高單色高相干性高相干性高亮度高亮度高強度高強度光準直光耦合光聚焦光作用激光焊接優勢：熱源加熱集中、材料熱損傷小、焊接變形小、非接觸焊接等焊接技術是新的增長點焊接技術是新的增長點201960年第一臺紅寶石激光器美國研制80年代，脈沖激光焊接電子封裝1962年激光焊接報道90年代，kW功率激光焊接汽車結構2000起大功率激光焊接A318.A380艦船、核電2010年起激光焊接快速發展宏觀制造微觀制造LASER（Li

13、ght Amplification Stimulated Emission Radiation）1967年日本荒田連續激光焊020000400006000080000100000120000140000199520002005201020152020單模光纖多模光纖1966年激光焊美國焊接技術是新的增長點焊接技術是新的增長點21方形鋁殼電池方形鋁殼電池PARK焊接焊接鋰電池極片切割鋰電池極片切割鋰電池極片焊接鋰電池極片焊接激光清洗激光清洗激光極耳切割激光極耳切割激光隔離膜切割激光隔離膜切割氫能源雙極板焊接氫能源雙極板焊接太陽能電池板刻蝕太陽能電池板刻蝕負極極片切負極極片切割示意圖割示意圖極耳切

14、割示意圖極耳切割示意圖新能源汽車新能源汽車“刀片”電池“刀片”電池激光在新能源領域的應用激光在新能源領域的應用未來新能源車的輕量化和高安全性將帶來哪些需求？高強合金的采用？高亮度激光切割與焊接？軟包鋰電池焊接圓柱鋰電池焊接23下游供熱燃料百億百億“激光激光+”應用”應用固定式便攜式交通運輸其他應用產品產品電解槽激光應用電解槽激光應用堿性電解槽極框焊接；鎳極網切割/焊接；隔膜切割；極板清洗；PEM電解槽GDL裁切；極板流道刻槽；氣瓶金屬儲氫瓶焊接；IV型儲氫瓶塑料切割；產品產品燃料電池激光應用燃料電池激光應用雙極板石墨板毛化；復合板打標；鈦合金、不銹鋼極板清晰/切割/焊接/達標；膜電極碳紙切割、

15、CCM切割/賦碼電堆電堆賦碼激光在氫能領域應用氫能制儲運燃料電池上游中游電解水制氫化石原料制氫工業副產制氫新興制氫技術氫氣液氫儲運高壓儲運固態儲氫電力萬億萬億氫能產業氫能產業催化劑質子交換膜氣體擴散層氫氣雙極板膜電極電解質氣體循環系統電堆輔助系統氫燃料電池系統有機液態儲運氫能24超快激光焊接解決了電子產品的包裝材料不適合整體在高溫環境下進行焊接問題超快激光不透光陶瓷材料焊接長焦距綠光飛秒激光玻璃焊接北京工業大學激光工程研究院光學材料和金屬材料焊接蘇格蘭愛丁堡赫瑞瓦特大學超快激光產生的超短脈沖與材料相互作用時間極短，不會給周圍材料帶來熱影響，因此被稱為冷加工，可用于切割和焊接。25藍光激光焊接技

16、術藍光激光器功率密度較低，激光器功率較低導致焊接能力較弱主要適用薄銅材或銅箔焊接。藍光光斑能量分布使得材料的熔化更為穩定，焊接無飛濺，提高了加工成品的質量。高反材料對藍光吸收率比紅外光高很多發展時間技術發展2000 200720102020單一材料可成形性輕量結構性能提升多材料新結構多功能2007年德國Fraunhofer激光技術研究所ILT 獲SLM全球發明專利航空航天領域應用牽引26 金屬構件激光增材制造技術發展歷程及趨勢增材制造高質量高效率多材料多功能化等發展增材制造高質量高效率多材料多功能化等發展整體制造：基于材料-結構-工藝的設計與調控，實現復雜整體構件控形與控性一體化制造功能復合：

17、在增材制造復雜整體構件內，實現多功能復合，并發揮構件整體功效100m3D打印常見缺陷單純激光熔覆3D打印存在的難題：內部缺陷：氣孔、未熔合、裂紋和縮松等，影響力學性能和疲勞壽命內應力：嚴重影響零件幾何尺寸和力學性能，導致零件嚴重翹曲變形和開裂熱處理易析晶成品率低熱時間長效率低快速燒結燒結機理設計燒結模具優化燒結工藝等溫燒結實驗電熱耦合模型燒結溫度保溫時間升溫速率粘性流動機理析晶理論無壓放電等離子燒結復雜結構石英玻璃的快速燒結復雜結構石英玻璃的高溫拋光后處理復雜結構難拋光高溫拋光有限元模擬拋光機理商用石英玻璃拋光3D打印石英玻璃拋光驅動力拋光工藝表面輪廓數字化設計服務樹脂3D打印機雙碳目標的機遇

18、與挑戰：雙碳目標的機遇與挑戰：光伏產業-機遇根據交大的預測根據交大的預測：2030年年，18萬萬億千瓦，億千瓦，2050年年，50萬萬億千瓦億千瓦；2060，60萬萬億千瓦。億千瓦。全球排名TOP10光伏組件的企業，我國家占了8家。具體的舉措10月24日中共中央、國務院下發關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見開展低碳零碳負碳和儲能新材料、新技術、新裝備攻關。新能源：未來將以風能、光伏、氫能為主構建一個新能源體系交通領域未來主要實現零碳的手段就是“電氣化”，未必所有交通工具全部是電動車，像公共交通、重卡、航空、輪船很可能未來使用的是氫能，但是電動車是未來交通運輸的零碳化的主力

19、。20352035年碳達峰、年碳達峰、20602060年碳中和年碳中和29超快激光新動能超快激光新動能5G天線材料-LCP和MPI-皮秒（飛秒）紫外電池制備、封裝-皮秒綠光和紫外電磁屏蔽材料-復合材料-皮秒（飛秒紫外）高頻高精度電路板的制備-皮秒或者飛秒微波介質陶瓷的加工-皮秒或者飛秒玻璃/玻璃、玻璃/陶瓷、陶瓷/陶瓷等的焊接-皮秒或者飛秒關注關注CFRP復合材料的應用和精密加工復合材料的應用和精密加工30脆性材料和柔性材料是未來最重要的兩大類基礎材料，由于其材料本身“硬”、“脆”、“柔”、“薄”的特性使激光微納加工成為升級替代傳統工藝的利器，將成為最重要的加工方式之一。材料的多樣性材料的多樣

20、性31激光清洗激光清洗激光除銹激光除漆激光除油激光除渣特殊場合的清洗：文物、放射性物質等不同材料激光清洗有不同的清洗策略：表面無損傷、無組織的演變；替代傳統的高污染、有損傷的清洗方法不同材料激光清洗有不同的清洗策略：表面無損傷、無組織的演變；替代傳統的高污染、有損傷的清洗方法 中國：加強“從0到1“基礎研究工作方案面向國家重大需求，對關鍵核心技術中的重大科學問題給予長期支持：3D打印和激光制造32激光在核工業的應用 銳科100kW激光器可應用在核工業中，遠程切割具有放射性的管道，對管道進行拆除 遠程對放射性材料表面進行清洗，去除表層強放射性物質高鐵轉向架激光除漆成都鐵路局大功率檢修基地激光清洗

21、項目33鑄鐵大型熱軋輥激光合金化低等級材料+激光表面強化技術高等級材料+激光表面強化技術高等級材料+激光修復技術激光對油壓缸柱塞的熔覆修復6501630mm柱塞激光淬火，材質為ZG310-570；表面硬化深度1.5mm，處理部位表面硬度HRC58 激激光多場復合再制造技術光多場復合再制造技術34特種車輛齒輪表面強化項目矩形花鍵齒42CrMo漸開線花鍵齒40Cr球銷20CrMo創新、融合、引領創新、融合、引領國家戰略：光子產業是應用廣泛的戰略高科技產業，現代產業體系的“關鍵少數”，技術壁壘高、產業帶動性強、頭雁效應明顯，是新一輪科技革命必爭之域。我國激光產業正處于“換道超車”的白金十年，也是我國

22、在通向科技強國道路上的一個重大時代機遇。習近平總書記強調：光電子信息產業是應用廣泛的戰略高技術產業，也是我國有條件率先實現突破的高技術產業。高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任未來發展要從重視“數量”轉向提升“質量”未來發展要從重視“數量”轉向提升“質量”規模擴張”轉向“結構升級”規模擴張”轉向“結構升級”滿足“最大”轉向追求“最強”。滿足“最大”轉向追求“最強”。36感謝寧波材料所李琳院士、巴頓焊接研究院董春林、哈爾感謝寧波材料所李琳院士、巴頓焊接研究院董春林、哈爾濱工業大學李俐群教授等多位專家，銳科激光、聯贏激光、創濱工業大學李俐群教授等多位專家，銳科激光、聯贏激光、創鑫激光、華日激光公司等提供了豐富的專業材料、數據和指導鑫激光、華日激光公司等提供了豐富的專業材料、數據和指導!