在現(xiàn)代工業(yè)中，對薄金屬材料進行高效的加工和/或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領(lǐng)域中，材料或工藝的兼容性不足以進行常規(guī)的熱處理，例如焊接、硬釬焊和軟釬焊，或不希望使用粘合劑和機械緊固件。這種情況可能在儲能行業(yè)非常普遍，因為作為新興動力電池行業(yè)關(guān)鍵部件的下一代電池，需要使用薄箔片來制造陰極和陽極。而在消費電子行業(yè)中，高密度封裝和微型化不斷推動創(chuàng)新，也對傳統(tǒng)的連接技術(shù)提出挑戰(zhàn)。
從激光器的角度來看，存在諸多挑戰(zhàn)，使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進行焊接，需要避免焊接穿孔、變形和彎曲，所有這些目標(biāo)都需要仔細(xì)控制過程的熱輸入。在傳統(tǒng)的激光深熔焊接工藝中，克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高，基本難題之一是使用熱傳導(dǎo)焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳導(dǎo)焊接時，寬度較大、強度較弱的熱源往往會產(chǎn)生較高的熱輸入和熱影響區(qū)，因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問題的辦法。在深熔焊時，高集中、高強度的熱源可盡可能減小熔池，從而有助于控制熱輸入。因此，深熔焊接參數(shù)的調(diào)試對于獲得高質(zhì)量的結(jié)果至關(guān)重要。
焊接時廣泛采用的一種方法是使用納秒（ns）脈沖光纖激光器。這些短脈沖、高峰值強度的激光器可能更適合于打標(biāo)、雕刻和其他材料去除過程，所以憑直覺判斷，它們用于材料焊接過程時可能會起相反的作用。但主振蕩功率放大器（MOPA）提供的脈沖控制具有出色的參數(shù)靈活性，從而實現(xiàn)了可能進行金屬接合的處理方式。納秒脈沖光纖激光器以幾微焦到>1mJ的脈沖能量運行，脈沖持續(xù)時間范圍10-1000ns，并能達到>10kW的峰值功率，以高達4MHz的頻率運行，從而明顯區(qū)別于連續(xù)波（CW）等傳統(tǒng)激光器甚至準(zhǔn)CW（QCW）長脈沖激光器，但很多還是在這些范圍內(nèi)運行。
使用納秒微焊接作為焊接工具適用于多種應(yīng)用，也適合于克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰(zhàn)。薄金屬箔（<50μm）的接合尤其具有挑戰(zhàn)性，因為它需要進行非常微妙的能量平衡，足以使金屬熔化，但又不能產(chǎn)生顯著的汽化和等離子體。箔材易于使用搭接方式進行焊接，在這種工藝中，箔材之間緊密接觸是實現(xiàn)良好效果的必要條件，但這對夾具提出了重大挑戰(zhàn)。如今的電池生產(chǎn)過程對多層箔材疊合焊接有許多嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有技術(shù)是超聲焊接，但制造商越來越希望使用激光焊接來提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量并改進箔材堆疊限制。激光器可提供很多潛在解決方案，但紅外（IR）納秒激光器已證明能夠使用200W-EP-Z激光器焊接多達20層以上銅箔或鋁箔，但消除該應(yīng)用中的孔隙率具有高度的挑戰(zhàn)性。
納秒脈沖光纖激光器的峰值功率較高，意味著可以較容易地以很小的平均功率進入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為焊接的一種替代方法，將元件直接貼合在銅印刷電路板（PCB）軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經(jīng)成功將厚達150μm的銅引線貼合到>60μm的沉積軌道上，而與FR4基板之間沒有任何明顯的分層。這為熱敏元件或工作溫度可能超過傳統(tǒng)焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。
基于貼合的挑戰(zhàn)，很難對箔材進行對接焊接。但這一點可以通過邊緣焊接技術(shù)來實現(xiàn)，即將兩個箔材夾緊在一起，用激光進行切割，通過所使用的參數(shù)使上下箔材的邊緣焊接在一起。隨后的重熔過程可顯著提高連接強度和質(zhì)量，實現(xiàn)一致的抗拉強度。將10μm銅箔焊接到25μm鋁箔上，獲得了>2.5N的抗拉強度，而將50μm鋁箔焊接到50μm鋁箔上，獲得了>25N的抗拉強度（圖1）。
圖 1：激光微焊接的示例；將 25μm 鋁箔焊接到 25μm 鋁箔（左）和將 25μm 鋁箔焊接到 10μm 銅箔（右）。
另一個主要的應(yīng)用領(lǐng)域是將標(biāo)準(zhǔn)電池焊接起來形成更大的電池組，用于電動工具、吸塵器、電動自行車和電動汽車等設(shè)備。要求很直接，就是需要產(chǎn)生具有高導(dǎo)電性、高強度、高可靠性的焊縫，同時不會燒穿電池觸點或在電池觸點上留下痕跡。材料范圍很廣，從鋁和銅等純金屬到鍍鎳鋼和鍍鎳銅等涂層材料，這些材料能以所有想得到的組合進行接合，每種組合都會提出獨特的挑戰(zhàn)。這些觸點接頭的厚度范圍通常在100-300μm內(nèi)，完全在納秒微焊接工藝的能力范圍內(nèi)（圖2）。
圖 2：鍍鎳銅與鍍鎳銅點焊焊縫的橫截面。
熱輸入的控制對于這些焊縫至關(guān)重要，因為電池中的焊接穿孔風(fēng)險很大。納秒微焊接工藝為焊縫設(shè)計提供了多種選擇，因為使用振鏡光束傳輸系統(tǒng)可以采用螺旋焊接模式得到焊點。這樣就能根據(jù)應(yīng)用定制每個焊點，讓每個焊縫的直徑和間距成為焊接特定材料組合和厚度的關(guān)鍵，從而更好地控制每個焊點的熱輸入。
這些激光器的平均功率很低，因此很難實現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，但200W的激光器每秒可以焊接多達20個直徑0.8mm的焊點（視材料和厚度而定），這一速度足以滿足多數(shù)應(yīng)用的需求（圖3）。
圖 3：不同金屬電池的點焊示例。
該工藝的靈活性意味著通?？梢钥紤]更多的焊縫形狀，能使用網(wǎng)格形狀高速覆蓋大面積區(qū)域即是良好的例證。事實證明，該技術(shù)能以非常低的熱輸入有效地焊接各種不同的金屬。
圖 4：僅用 1 秒左右的時間就對直徑 4mm、網(wǎng)格形狀的不同材料組 合完成了微焊接。
隨著技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，如何改進制造工藝是需要持續(xù)應(yīng)對的長期挑戰(zhàn)。
納秒微焊接技術(shù)只是眾多光纖激光器制造工藝中的一種，光纖激光器制造工藝正越來越多地被用于克服當(dāng)今工業(yè)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，也是幫助實現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)革命的關(guān)鍵。
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