新基建助推光纤激光器进入20kW时

新基建进一步促进对于中厚金属板材的使用，继2019年开启万瓦激光加工元年之后，目前迈入20kW激光加工时代，光纤激光器朝着更高功率、更高光电转化效率、更高加工效率、更低运营成本的方向发展，国内外光纤激光器制造商积极推出更高功率产品。基于976nm高效能的技术路线有望成为万瓦激光的主流路线，随着新基建的深入，中厚板金属加工未来预计有着巨大的潜力，在万瓦激光的应用上，中国激光有机会实现弯道超车，在激光器及激光加工设备上实现部分对西方发达国家技术的追赶和高性价比产品的超越。

【一、新基建助推光纤激光器进入20kW时代】

【1.1 新基建进一步促进中厚金属板材的使用】

2020年上半年新冠疫情席卷中国，幸运的是疫情陆续得到有效的控制，并且在2020年4月中央启动新基建政策带动国内经济的快速恢复，目前部分商业及工业厂房使用钢结构进行高效便捷搭建，这样的钢构加工助推光加工进入更高功率更高效率的新阶段，20kW因在上述中厚板的激光加工有着独特的优势，从而引起了市场对20kW激光加工的一波热潮。

【1.2 2019年开启万瓦激光加工元年，目前迈入20kW时代】

从市场反馈来看，奔腾激光、邦德激光20kW激光切割设备在积极的进行市场推广，从笔者获得的市场数据来看，2019年整个市场20kW激光切割设备投放量估计不超过10台，2020年整个市场的投放量预计50－100台之间，预计年增长率超过500％，奔腾激光获得近50套20kW的激光切割机交付终端使用，邦德激光亦有数十台20kW激光切割机订单，同时大族激光、领创激光、亚威激光等其他大功率厂商亦在积极跟进，从光纤激光器制造商这块，IPG目前是20kW及以上产品和工艺应用最成熟的光纤激光器制造商，创鑫激光在2019年3月光博会展示25kW激光器的现场切割，引起了市场的一波轰动，nLIGHT、锐科激光、GW亦自2019年开始陆续推出20kW光纤激光器。

【二、光纤激光器的发展方向】

【2.1 光纤激光器的发展的三个阶段】

光纤激光器在工业上的应用历经了三个阶段，2012年及以前主要的工业应用在于十瓦级打标用脉冲光纤激光器，当时的激光打标机售价在十多万元甚至更高；2012－2019年陆续在国内规模化应用千瓦级光纤激光器于薄板激光切割，主要是替代一部分冲床；2019年开始，以IPG、创鑫激光代表的光源制造商和大功率激光设备厂商开始推万瓦激光器及相应的激光切割设备，而2020年更是把万瓦的工业应用进一步提高到20kW光纤激光器的工业化应用阶段。

【2.2 更高功率、更高加工效率】

过去几年内工业应用的激光器功率不断提高，从最开始的200W、500W、1kW、2kW、3kW到现在的6kW、12kW甚至部分客户已经开始使用的15kW、20kW。在一定范围内，激光加工效率一般随着功率的提升呈现一定的非线性提高，如奔腾激光发布的20kW激光切割设备相比较15kW设备，平均加工效率提高50％以上，但是功率仅提高33％，呈现出随着功率的提升，设备的效率功率提高比大于1，具体如下所示：

效率比＝Average（55％、45％、50％、67％、60％、76％）＋1＝1.58

功率比＝20000W/15000W＝1.33

效率功率比＝效率比/功率比＝1.58/1.33＝1.18

这意味着如果售价随着功率的提高呈现出线性增加的话，那么使用越高功率的产品，其单位价格的加工效率越高，这将会助推激光器厂商不断提高激光器功率，直至上述功率效率比小于1为止，当然实际市场功率还受激光器的能量密度（如20kW激光器对应100um的输出芯径：能量密度为20kW／（π50um2）及工业电网负载承受等因素制约。

【2.3 更高功率、更低运营成本】

20kW激光切割14－30mm碳钢：

【来源：创鑫激光官方公众号】

如上所示，激光加工板材的每米运营成本一般随着功率的提升呈现一定的非线性降低，如20kW激光切割相比较12kW，20kW的每米运营成本1.32元/米，12kW的每米运营成本3.05元/米，呈现出随着功率的提升，设备的成本功率比大于1，具体如下所示：

成本比＝3.05（元/米）/1.32（元/米）＝2.31

功率比＝20000W/12000W＝1.66

成本功率比＝2.31/1.66＝1.39

这意味着如果售价随着功率的提高呈现出线性增加的话，那么使用越高功率的产品，其单米运营成本越低，这将会助推激光器厂商不断提高激光器功率，直至上述成本功率比小于1为止，同样的实际市场功率还受激光器的能量密度及工业电网负载承受等因素制约。

【2.4 产品价格持续降低】

除了性能不断提高之外，价格呈现出不断下降的趋势，所有的功率段产品均呈现出下降趋势，如下图所示，自2016年以来，不同功率段皆呈现出每年价格下降幅度在20％以上。

2012年以来不同功率激光器价格下降幅度：

随着光纤激光器市场规模的不断扩大、激光产业链的不断成熟，激光器的核心器件国产化率不断提高，激光器的成本不断下降。如下图所示，泵浦的单瓦成本自2015年以来每年的成本下降幅度均超过20％，市场规模的扩大和产业链的不断细化使得激光器的原材料材料呈现出不断下降的趋势。泵浦源的供应商Dilas

Coherent、NLIGHT、JDSU逐渐切换至自制或者星汉激光、长光华芯、凯普林激光、江苏天元等制造商。目前国内的光纤激光器上游的核心器件基本实现全国产化，降低了器件成本，进一步加速产能扩张，使得产品具备持续降价的潜力。

2015年以来单瓦成本走势：

规模化是中国制造最大的红利，也使得目前中国作为全球制造中心的地位不断巩固和提高。随着规模化，营业成本的各项子科目的边际成本持续降低。原材料的采购由于更大规模的采购使得更有议价权；各类设备、场地的利用率得以提高从而降低各项折旧摊销、场地、水电等费用；更高生产制造利用效率从而降低产品的制造费用。通过规模化，优化企业运行效率，从而降低产品的成本。

随着激光器的器件的成本降低到一定阶段，通过规模化的降本将会遇到一定的瓶颈，自动化将是进一步降低激光器及器件的一种可靠方式，根据目前的市场来看，部分泵浦源的封装开始探索使用自动化或半自动化产线进行装配，激光器自动化组装目前在国内尚无具体实施，部分海外激光器厂商在进行一定程度上定制化智能产线进行标准化组装。

【2.5 更高效率、更低成本——976nm高效能泵浦技术路线有望成为万瓦主流技术路线】

1）976nm泵浦方案节能特性明显

根据IPG的基于976nm泵浦的激光器对比分析

【来源：IPG官方公众号】

节约金额计算按照：电费单价：1元／度；占空比：70％；激光器运行时间：18小时／天

2）976nm泵浦方案更少泵浦功率更短光纤，成本降低10％

【来源：IPG官方公众号】

【三、20kW时代已来，市场空间巨大】

【3.1 金属板材市场空间巨大】

【数据来源：国家统计局】

从统计数据来看，4mm－60mm的占比超过全部板材的50％，20kW的激光切割将会进一步对中厚板的传统加工方式、低功率的激光加工进行替代。

数控火焰／等离子切割机市场规模：

根据市场的数据，2014－2019年，数控火焰及等离子切割机的需求量持续增加，每年新增的设备超过3万台，而且市场已有存量设备近15万台，未来的替代空间巨大。

【3.2 20kW激光加工对于等离子的优势明显】

20KW激光切割VS等离子切割：

300A等离子与20kW激光切割碳钢加工成本对比：

备注：Q235碳钢按4400元／吨，材料密度：7.85g／cm3；厚度≥20mm碳钢：等离子切割割缝5－6mm，激光切割割缝1.5mm左右。

【来源：创鑫激光官方公众号】

【3.3 国内外20kW激光器制造商】

20kW激光切割有着巨大的性能优势和综合经济效益，20kW高效能光纤激光器的开发亦成为光纤激光器制造商的核心突破点，除全球知名光纤激光器制造商IPG之外，创鑫激光亦在积极推广20kW光纤激光器，锐科激光及nLIGHT亦在陆续推出20kW光纤激光器产品，其中IPG、GW的20kW产品目前使用976nm泵浦技术方案，IPG产品基于12个1800瓦单模块进行合束而成的20kW，GW产品基于7个3000瓦单模块进行合束而成的20kW产品。

【总结】

笔者认为，随着激光器技术及产业链的持续进步，激光加工逐渐迈入20kW时代，光纤激光器朝着更高功率、更高光电转化效率、更高加工效率、更低运营成本的方向发展，国内外光纤激光器制造商积极推出更高功率产品，基于976nm高效能的技术路线有望成为万瓦激光的主流路线，随着新基建的深入，中厚板金属加工未来预计有着巨大的潜力，在万瓦激光的应用上，中国激光有机会实现弯道超车，在激光器及激光加工设备上实现部分对西方发达国家技术的追赶和高性价比产品的超越。

责任编辑：xj