大功率激光设备产业链开启进口替代.pdf

请仔细阅读本报告末页声明 证券研究报 告 | 行业专题研究 2018 年 06 月 14 日 通用机械 大功率激光设备产业链开启进口替 代 效率精度优势显现，激光加工开启工艺替代。 激光加工属于无接触加工，可通过调节激光束的能量、移动速度等方式实现多种加工目的。在高硬度、高脆性、高熔点等 特殊应用场景，激光加工的优势更得到突出体现。目前，激光加工主要包括 激光打标、激光切割、激光焊接 等， 由 于其生产效率高、生产环境要求低、 加工精度高等优势，激光加工将会逐步取代传统的等离子切割、火焰切割等工艺。 特别在传统金属 加工 领域，除了传统的金属切削机床外，激光加工与传统的冲床工艺在部分应用领域亦有所重叠，未来替代空间较大。 大功率激光设备国产化突破，性价比优势凸显开启进口替代。 光纤激光器是光纤激光设备的核 心零部件和主要成本来源 。 2016 年，本土激光器企业在低功率市场已占 85%，在中功率市场亦已占比近 60%，但在大 功率市场的占比尚不足 10%。和 2012 年相比， 2016 年进口中低功率光纤激光器降价超 50%，但高功率激光器价格稳中有升。伴随着 国产激光器主要企业如锐科激光 等的持续技术突破和产品创新，国产大功率激光器已经逐步覆盖了 1000W-10KW 功率范围，并在向更高功率的应用突破。我们认为，国产大 功率激光器正迎来进口替代 的拐点 ， 国产激光器的推出有望大幅降低激光设备原材料成本，对 IPG 等国际巨头形成价格冲击，从而降低下游应用成本，刺激下游应用需求快速提升，国产大功率激光设备行业有望复制中小功率激光设备的发展历程，成为激光设备行业新的增长极。 对标国外巨头，本土企业加速追赶。 激光发生器领域，美国 IPG 仍是全球龙头，公司近年来保持较高速增长，尤其是大功率连续波激光业务 2017年达到 8.67 亿美元，同比增长 50%， 但由于市场竞争激烈， IPG 中小功率激光器整体增长缓慢； 而 IPG 超过 40%的业务来源于中国市场，客观说明中国市场庞大的需求； 激光加工设备领域，德国通快作为全球龙头，2016 年营业额超过 30 亿欧元，但是公司在中国市场 的份额却因为大族等本土企业的快速崛起而呈现下降趋势。我们认为，随着本土激光设备特别是大功率激光设备产业链的逐步完善，占据市场、服务优势的本土企业将加速追赶国外巨头，重点关注锐科激光、大族激光、亚威股份等。 风险提示 ： 宏观经济增速不及预期，中低功率激光器市场竞争加剧，高功率激光器研发不及预期 。 增持 （ 首次 ） 行业 走势 作者 分析师 姚健 执业证书编号： S0680518040002 邮箱： yaojiangszq 联系人 彭元立 邮箱： pengyuanligszq -32%-16%0%16%32%2017-06 2017-10 2018-01 2018-06通用机械 沪深 3002018 年 06 月 14 日 P.2 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、激光加工发展迅速，逐步取代传统工艺 . 4 激光器基本工作原理与结构 . 4 技术优势突出，逐步替代传统工艺 . 6 产业链产值超过千亿，大功率激 光器步入高增长轨道 . 8 性价比提升带来材料加工工艺变革，替代空间较大 . 10 二、接棒中低功率，大功率激光器开启进口替代 . 11 光纤激光器主导激光器行业发展 . 11 国产化进程促激光器价格明显下 降 . 14 三、借鉴国外巨头发展模式，国产替代势在必得 . 16 高端激光制造主要分布在欧美日，技术积累雄厚 . 16 美国 IPG:全球光纤激光器寡头 . 16 德国通快 : 工业生产机床和激光领域的世界领导企业 . 18 四、本土 产业链崛起，替代趋势明确 . 19 锐科激光：国内光纤激光器龙头 . 19 大族激光：亚洲最大的精密激光加工企业 . 21 亚威股份：国内稀缺板材领域激光加工上市公司 . 23 五、风险提示 . 24 图表目录 图表 1：激光发生的基本原理 . 4 图表 2：激光器基本结构 . 4 图表 3：激光器的类型 . 5 图表 4：各类激光器的市场占有份额 . 5 图表 5：激光加工领域激光器的的功率区别 . 6 图表 6：激光加工应用领域与传统加工技术的特点分析 . 7 图表 7：国内激光器的市场竞争格局 . 8 图表 8：国内激光加工设备生厂商 . 8 图表 9：国外激光加工设备生厂商 . 9 图表 10：激光设备产业链分布 . 9 图表 11： 2013-2017 年全球工业激光器的市场规模（亿美元）及其增长 . 9 图表 12： 2013-2017 年全球光纤激光器市场规模 (亿美元）及其增长 . 9 图表 13：中国工业激光器系统收入（亿元）及其增长 . 10 图表 14： 2017 年激光加工领域产业链分布 . 10 图表 15：金 属切割机床与金属成形机床的消费额 . 11 图表 16：金属切割机床的产量（万台）及其增长 . 11 图表 17：金属成形机床的产量（万台）及其增长 . 11 图表 18：光纤激光器与传统激光器的比较 . 12 图表 19： 2013-2017 年全球光纤激光器各应用市场规模统计（亿美元） . 12 图表 20： 2017 年全球光纤激光器各应用市场结构 . 13 图表 21：大功率激光材料加工领域市场份额 . 13 图表 22：激光标记 /雕刻 +小功率激光材料加工领域市场份额 . 14 图表 23： 2012 年与 2016 年不同功率进口 IPG 光纤激光器价格对比（万元） . 14 图表 24： 2013-2016 年中国低功率光纤激光器（ 1500W）销售数量（台） . 15 图表 28：锐科激光和创鑫激光技术发展历程 . 16 图表 29： 2009-2017 年 IPG 营业收入及同比增长 . 17 图表 30： 2009-2017 年 IPG 净利润及同比增长 . 17 图表 31： 2010-2017 年 IPG 毛利率、净利率水平 . 17 图表 32： 2012-2017 年 IPG 在中国销售额以及占当年 IPG 营收比重 . 17 图表 33： 2017 年 IPG 分区域营业收入 . 17 图表 34： 2010-2016 年通快销售收入及同比增长 . 18 图表 35： 2010-2016 年通快净利润及同比增长 . 18 图表 36： 2014-2016 年通快在中国销售额以及占当年营收比例 . 18 图表 37： 2016 年通快分区域营业收入 . 18 图表 38：国内激光行业主要公司 . 19 图表 39：锐科激光发展历程 . 19 图表 40： 2014-2017 年锐科激光研发费用及占营收比例 . 20 图表 41： 2015-2017 年锐科激光主营业务收入及同比增速 . 20 图表 42： 2014-2017 年锐科激光归母净利润和同比增速 . 21 图表 43： 2014-2017 年锐科激光毛利率、净利率水平 . 21 图表 44： 2013-2017 年大族激光营业收入及同比增长 . 21 图表 45： 2013-2017 年大族激光归母净利润及同比增长 . 21 图表 46： 2015-2017 年大族激光主营业务收入构成 . 22 图表 47： 2013-2017 年大族激光毛利率、净利率水平 . 22 图表 48： 2013-2016 年大族激光小功率激光设备占比提升 . 22 图表 49： 2013-2016 年大族激光大、小功率激光设备毛利率水平 . 22 图表 50： 2013-2017 年大族激光研发费用及占营收比例 . 23 图表 51：近三年亚威股份激光领域投资标的 . 23 图表 52： 2013-2017 年亚威股份营业收入及同比增长 . 24 图表 53： 2017 年亚威股份主营业务收入构成 . 24 2018 年 06 月 14 日 P.4 请仔细阅读本报告末页声明 一、激光加工发展迅速，逐步取代传统工艺 激光器基本工作原理与结构 光 与物质 会 发生共振相互作用， 这种相互 作用中的受 激辐射过程 就是激光器的物理基础。受激辐射 的 概念是 由 爱因斯坦 于 1917 年 提出，是 指 高能量的原子在辐射场的激励下会 向 低能级跃迁并辐射出与辐射场光子性质一样的光子。 为 了实现受激辐射 ， 必须 要通过 泵浦 对发光物质输入能量造成原子内部的 粒子数 反转 。当 高于阈值功率进行泵浦时，就会产生频谱较窄的激光输出。 图表 1： 激光发生的基本原理 资料来源：国盛证券研究所整理 激光 产生的基本条件可归纳为： 形成粒子数反转、提供光反馈 、 满足激光 振荡 的阈值条件 ，因而 激光器通常也是 由 三部分构成，即 激光工作介质、泵浦源、 光学谐振腔 。 激光 工作介质是 实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。 泵浦源用来实现对光物质输入能量以实现 激励 。光学 谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 图表 2： 激光器基本结构 资料来源：国盛证券研究所整理 按照 激光工作介质的不同 ，激光器可以 分为 光纤 激光器 、固体激光器（ 晶体， 玻璃 ） 、 气体 激光器（ 原子气体 、 离子气体 、 分子气体 ）、半导体和 液体 激光器等。 光纤 激光器 是 指主要 利用掺稀土元素玻璃光纤 作为增益介质，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，因此 只初态外来光子 21hv E E=激发态粒子终态基态粒子2E1E发射光子 21hv E E=光学谐振腔全反射镜 输出反射镜工作物质泵浦源激光输出2018 年 06 月 14 日 P.5 请仔细阅读本报告末页声明 需要 加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 固体 激光器 是通过把能够产生受激辐射作用的 金属离子掺入晶体或玻璃基质中 构成发光中心而制成的。 气体激光器 是指 以气体 作为 工作 物质的 激光器 ， 利用 气体 原子 、 离子 或者 分子 的能级 跃迁 而 产生激光 ，而 自由电子激光器 和 其他激光器 的 基本原理 略有不同 ， 是通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。 图表 3： 激光器的类型 资料来源：国盛证券研究所整理 光纤激光器应用于激光加工优势更明显，将成为市场主流。 光纤激光器结构小巧， 性能稳定，工作效率高，工作寿命时间长且不易受外界干扰，易操作与 维护 ，应用便捷，光纤激光器的输出功率一般在 0.5kw-20kw 之间，可以广泛应用于打孔，切割，医疗器械，激光通讯等行业。 气体激光器（典型代表 CO2激光器） 光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作 ，输出功率一般在 1kw-20kw 之间，广泛应用于 材料加工 、 科学研究 、 检测国防等方面 。在材料加工领域，中小功率的光纤激光器对气体激光器的市场冲击最大。固体激光器 体积大，易受到外界振动、温度变化等因素干扰，稳定性差 、 难维护且维护成本高，但输出峰值功率可以很高，光束质量好，性噪比高 ， 脉冲峰值功率可高达 109 W，连续输出功率（典型代表 YAG 激光器）的输出功率一般在 0.5kw-5kw 之间。高功率峰值的固体激光器在军事领域中有着独特的应用，可以用于惯性约束激光聚变中。因此，随着光 纤激光器的技术越来越成熟，光纤激光器的连续输出功率与峰值功率的指标不断突破，市场上的价格越来趋于稳定， 激光加工使用光纤激光器将成为未来主流趋势。 图表 4：各类激光器的市场占有份额 资料来源： OFWEEK， 国盛证券研究所整理 光纤激光器43%CO2激光器20%半导体激光器19%固体激光器18%2018 年 06 月 14 日 P.6 请仔细阅读本报告末页声明 高功率应用场景多使用光纤激光器。 光纤激光器与固体激光器相比，在工业加工的很多便利性，但由于其高功率的技术门槛较高，目前仍然存在一定的技术发展空间。光纤激光器与气体激光器相比，最大的特点就是在工业应用中效率高且加工便捷性高，寿命时间长，在很多需应用高功率激光器的特殊应用领域中，一般都采用光纤激光器。而中低功率的激光器就可以按照实际需求采用气体激光器或固体激光器。 激光器功率的高低并无固定区分，不同 应用领域 激光器有不同分类。 对于激光加工应用场景，业界一般定义功率低于 100W 为低功率激光器，这种低功率光纤激光器的市场几乎被国内厂商占据；功率位 于 100W-1000W 之间为中功率激光器，中功率光纤激光器的国产化率正快速提升， 2016 年国产中功率光纤激光器的渗透力已经达到 58%；功率大于 1000W 为高功率激光器， 由于 技术研发瓶颈之高，原材料 性能 要求苛刻，此前高功率光纤激光器基本被 美国 IPG等公司占据，也是目前国产化最为关键的领域。 图表 5：激光加工领域激光器的的功率区别 资料来源： OFWEEK， 国盛证券研究所整理 连续激光器多应用于切割加工，脉冲激光器多应用于打孔加工。 按照激光器的运转方式以及输出信号的特征，激光器可以分为 连续激光器与脉冲激光器 。脉冲是指隔一段相同时间发出信号（电波、机械波、光波等信号），因此影响脉冲特点的因素有相隔时间与发射信号的时间，按照这个可以继续将脉冲区分为单次脉冲信号与重复脉冲信号。脉冲激光的峰值功率与平均功率是脉冲激光工业应用中非常注重的两个指标。峰值功率是指单脉冲能量与脉冲宽度（ 通常是指激光功率维持在 峰值功率一半之上 所持续的时间 的持续时间）的商；平均功率是指单脉冲能量与重复频率的乘积（每秒钟发射激光脉冲的次数）。连续激光是指激光泵浦源持续提供能量，长时间的产生激光输出，从而得到连续激光。因为脉冲输出的特征，连续激光器更适用于连续工作的场景，比如激光切割，激光焊接等，而脉冲激光器利用其高峰值功率的特性多应用于激光打孔，激光快速成型等领域。 技术 优势突出 ，逐步替代传统工艺 激光光束拥有高单色 性， 高相干性 ， 高方向 性 以及高 亮度 （ 高功率） 等 性质特点，目前已经应用于各行各业 。激光 加工 主要 是指利用 高能量 激光束 与 物质的 相互作用的 特性， 使得 物质本 身特性发生变化 从而对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、精准打孔及微加工等。 低功率激光器 中功率激光器 高功率激光器 100W 1000W 2018 年 06 月 14 日 P.7 请仔细阅读本报告末页声明 图表 6：激光 加工 应用 领域与传统加工技术的特点分析 激光 加工技术 及其 特点 传统 加工技术 及其 特点 激光 打标 激光束与物质表面作用，物质的蒸发露出深层物质，从而刻出精美的图案； 特点：工作稳定，使用寿命长，转换效率高，打印线条细。 气动 打标机 气动 打标主要指通过 电脑控制，打印针在压缩空气作用下做高频冲击运动，从而在工件上打印出有一定深度的标记，标记特点：有较大深度 电 腐蚀打标机 电腐蚀主要打印固定不变的商标，利用 化学试剂， 就像盖章一样，但是打印内容变化不方便 电磁 打标机 利用电磁线圈产生磁场带动合金打标头运动，在工作表面形成深浅不一的凹坑，从而形成标识信息； 性价比高，但 图案 精美度一般 激光切割 利用 高能量的激光束进行切割； 特点：效率最快，切割精度最高，切割厚度一般较小 等离子体 切割 等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属部分或局部熔化 (和蒸发 )，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。切割 精准度不如激光切割 火焰 切割机 利用燃气配氧气或者汽油配氧气进行金属材料切割的一种切割设备，切割厚度 较大 。 主要用于重工业。无法切割不锈钢以及很多有色金属 激光焊接 利用高能量的激光脉冲对材料进行局部加热，将材料熔化后形成特定熔池； 特点：焊缝质量高，无气孔 电子束焊 电子束焊接技术是将高能电子束作为加工热源，用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属使其快速熔融，然后迅速冷却来达到焊接的目的。电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量 电阻点焊 电阻点焊指利用电流通过焊件及接触处产生的电阻热作为热源将局部加热，同时加压进行焊接的方法。 缺点 是 电容量大， 需 接入大容量电网 激光打孔 利用高功率密度激光束照射材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞。 特点：速度快，效率高 机械钻孔 指用 机械钻头在 材料上加工出孔的操作 。 缺点是 需要 与材料接触， 加工质量较差，效率较低， 且 小孔加工几乎无能为力。 冲压打孔 借助于冲压设备的动力 ， 使板料在模具里直接受到变形力并进行变形 ，从而实现 打孔的目的。缺点 是打孔 直径较宽，加工小孔几乎无能为力。 激光快速成型 根据计算机设计出的模型立体图，直接制造出模型 。 优点：缩短工作时间、节省制模费用，可以加工形状复杂的精度模具 车削、钻削 等 “ 去除法 ” 加工典型代表 ， 需要 进行 复杂的 机械 切削加工 冲压、铸造等 采取模具 进行成型 ， 对模具的精度 要求 比较高。 激光热处理 以高能量激光束快速扫描工件，使材料温度升高到相变点以上，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。 电子束热处理 利用高能量密度的电子束加热，进行表面淬火的 技术。 资料来源：网络 资料， 国盛证券研究所整理 激光 加工 属于无接触加工，可通过调节激光束的能量、移动速度等方式实现多种加工目的。在 高硬度、高脆性、高熔点等传统接触式加工方式较难处理的特殊材料方面 更能凸显出激光加工的巨大优势 。激光 加工主要应用于 激光 打标 、 激光切割、 激光 焊接。 由于其 加工 的 生产效率高， 生产 环境 要求 低， 加工 精度高等 优势 ， 激光加工将会逐步取代 传统的等离子切割、火焰切割和冲床等工艺。 2018 年 06 月 14 日 P.8 请仔细阅读本报告末页声明 产业链产值超过千亿，大功率激光器步入高增长轨道 激光加工设备行业庞大且应用广泛，从激光产业的产业链分布可以看出，激光产业链主要包括：上游主要是激光元 器件 以及 激光器 ， 国外主要的 厂商 有 美国 的 IPG 公司、英国 的 SPI 公司 ， 国内 的主要有 锐科 股份 、 创鑫激光 等；中游主要 包含 激光加工设备制造业， 国外企业主要有 德国 通快、 日本 AMADA、意大利 PRIMA， 国内的厂商主要有大族激光 、 华工科技 、 亚威股份、德龙激光 ；下游应用行业，主要包括激光加工在汽车、钢铁、船舶、航 空航天、消费电子、高端材料、半导体加工、机械制造、医疗美容、电子工业等行业中的应