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享譽(yù)世界的德國慕尼黑光博會(huì)(LaserWorldofPhotonics)曾在2019年舉辦時(shí)在其橫幅廣告中打出“沒有激光技術(shù)就沒有電動(dòng)汽車（ElectricVehicle）”。

該橫幅廣告反映了激光現(xiàn)在在電動(dòng)汽車制造中所起到的種種重要作用——從焊接和切割那些輕量化設(shè)計(jì)中使用的新材料，到加工其電機(jī)和電池的關(guān)鍵部件，激光的身影無處不在，組件的范圍從電機(jī)中使用的“發(fā)卡”到用于構(gòu)建電池的薄箔層，還有用于將電池連接在一起的許多母線和凸耳。

上述部件通常使用“銅”制成，銅是一種以其出色的熱和電性能而聞名的材料，然而由于其極高的反射率，已被證明特別難以通過激光來加工。但是隨著激光技術(shù)的不斷改善，近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同的紅外、綠色和藍(lán)色波長的激光解決方案，這些方案能夠克服銅的高反特性，來處理這種具有挑戰(zhàn)性的材料。

能量輸出

正如材料加工領(lǐng)域的主導(dǎo)者光纖激光器制造商們所期望的那樣，電動(dòng)汽車的需求讓本已應(yīng)用廣泛的光纖激光器進(jìn)一步擴(kuò)展了應(yīng)用范圍：將電動(dòng)汽車中的銅加工應(yīng)用涵蓋進(jìn)來之后，需求光纖激光器的需求顯著增長。

然而，在電動(dòng)汽車市場上的這一立足點(diǎn)上，光纖激光器并非一帆風(fēng)順，尤其由于光纖激光器使用紅外波長的基本性質(zhì)，在加工銅時(shí)特別容易受到銅的高反射特性的影響。

Trumpf汽車電動(dòng)汽車行業(yè)經(jīng)理JohannesBuehrle解釋說：“紅外波長對于焊接銅來說并不理想，因?yàn)樗谑覝叵录庸r(shí)會(huì)在材料表面產(chǎn)生極高（大約95%）的光反射?！碑?dāng)然它也有自身的特別之處，紅外波長的優(yōu)點(diǎn)是：就功率而言幾乎不受任何限制。

當(dāng)使用小的光斑尺寸時(shí)，可以讓大功率紅外激光在銅表面上產(chǎn)生非常高的亮度（每平方厘米在兆瓦范圍內(nèi)）。在這種亮度水平下，銅的反射率會(huì)降低到將激光能量耦合到材料中而不是將能量反射回去的程度。但是，與此相對的另一個(gè)問題是，當(dāng)發(fā)生材料融合時(shí)，會(huì)通過多余的能量，讓材料汽化并產(chǎn)生飛濺，并同時(shí)在焊接接頭內(nèi)部造成氣泡缺陷，從而增加銅的電阻率。

然而，這些問題并沒有阻止光纖激光器越來越多地被用在電動(dòng)汽車的銅加工工藝中的腳步，正如Buehrle解釋的那樣，有多種方法可以解決這些問題，其中之一就是通過使用Trumpf的BrightLineWeld技術(shù)。

使用BrightLineWeld，可以讓激光的功率同時(shí)耦合到芯光纖和環(huán)形光纖中，分別形成一個(gè)微小的斑點(diǎn)和一個(gè)較大的斑點(diǎn)。細(xì)小的斑點(diǎn)可用于穿透焊縫中所包括的銅材料的厚度，而較大的斑點(diǎn)可用于讓焊縫小孔在表面保持敞開。像這樣保持小孔打開，可以釋放過程中產(chǎn)生的任何氣體，從而減少飛濺物的形成和氣泡的產(chǎn)生。

減少飛濺和高亮度光纖激光器產(chǎn)生氣泡的另一種方法是，首先使用緊密聚焦的光斑穿透銅的表面，然后使用一種稱為“擺動(dòng)”的技術(shù)將光束橫向移動(dòng)到銅的材料表面。通過像這樣左右移動(dòng)光束“刺激”熔池，從而可以更好地控制焊接參數(shù)。

IPGPhotonicsUK銷售總監(jiān)MarkThompson表示：“擺動(dòng)光束有利于平衡激光器的亮度和熱輸入。高亮度克服了表面反射率，打開了焊接鎖眼。通過擺動(dòng)來保持穩(wěn)定的焊接鎖孔，可減少焊接接頭中的氣孔，從而獲得更好的焊接完整性?！?/p>

圓形擺動(dòng)焊接圖案，可用于減輕大功率高亮度連續(xù)波光纖激光器焊接時(shí)的飛濺和缺陷

Thompson繼續(xù)說，IPG的焊頭可以使用多種焊接方式進(jìn)行擺動(dòng)，包括橫向擺動(dòng)，圓形擺動(dòng)或八字形。他說：“復(fù)雜的擺動(dòng)模式可以改善焊接完整性?！蓖瑫r(shí)他認(rèn)為：客戶可以自己確定和判斷哪種擺動(dòng)方式可以在其應(yīng)用的焊接質(zhì)量和焊接速度之間提供適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

IPG提供的具有內(nèi)置擺動(dòng)功能的焊頭，可與單模高功率光纖激光器一起使用。Thompson解釋：“這種結(jié)合可以針對大多數(shù)銅焊接應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化?！盜PG為電動(dòng)汽車中的銅加工提供的單模光纖激光器的平均功率在150W至2kW之間。該功率范圍通常用于焊接銅排，接線片，“發(fā)卡”和箔。

燦爛的藍(lán)色

半導(dǎo)體激光器制造商N(yùn)uburu的共同創(chuàng)始人JeanMichelPelaprat認(rèn)為，擺動(dòng)技術(shù)只是解決由使用紅外激光器引起的問題的其中一種方法而已，他談到，這種技術(shù)在一定程度上只適用于銅厚度超過1毫米的情況，如果所焊接的銅的厚度在1毫米以下，其作用性將大大減少。

Pelaprat說：“雖然搖擺可以很大程度地減少由紅外波長吸收率差引起的問題，但要付出的代價(jià)是，由于焊縫需要多次重疊，因此必須以較慢的速度進(jìn)行焊接，這就需要更長的時(shí)間?！彼a(bǔ)充道，“時(shí)間就是金錢，生產(chǎn)時(shí)間更長的零件意味著它的成本會(huì)更高，但是不能保證完全沒有缺陷?！?/p>

使用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器焊接40個(gè)銅箔片

Nuburu的半導(dǎo)體激光器在藍(lán)色波長（約450nm）下工作，這比在加工銅時(shí)在紅外下工作的光纖激光器更具有優(yōu)勢。這是因?yàn)殂~在藍(lán)色波長下的吸收率為65%，而在紅外波長下的吸收率為5%，藍(lán)色波長是紅外波長吸收率的13倍。與高功率紅外激光器相比，更高的吸收率意味著進(jìn)行銅焊接應(yīng)用時(shí)所需的功率更少——根據(jù)Pelaprat的說法，功率幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級。功率的降低使得可以通過使用藍(lán)色半導(dǎo)體激光器進(jìn)行的熱傳導(dǎo)焊接來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、無缺陷的銅焊接，Pelaprat表示，這可以顯著提高產(chǎn)量，進(jìn)而降低了生產(chǎn)每個(gè)零件的成本。

Nuburu最初的目標(biāo)是使用激光焊接電動(dòng)汽車鋰離子電池中的8至15μm厚的銅箔：在汽車電池內(nèi)部，陰極側(cè)有多個(gè)銅箔，陽極側(cè)與鋁箔交錯(cuò)。把銅箔用高質(zhì)量的焊縫焊接起來至關(guān)重要。當(dāng)前，該應(yīng)用主要通過超聲波焊接來進(jìn)行，超聲波焊接是一種接觸工具，但由于其復(fù)雜的幾何形狀不僅讓工藝受限于具體某種焊接方式，而且還會(huì)產(chǎn)生會(huì)污染電池單體的顆粒。

Pelaprat表示：“這種特殊的焊接不能用紅外激光來完成。”另一方面，連續(xù)（CW）藍(lán)光或綠光激光可以很輕松地焊接這些箔。這是它們巨大的優(yōu)勢，因?yàn)槠淇梢宰尫墙佑|式工具用于此過程，因此，使用大功率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器焊接箔片具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。使用Nuburu的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，一次最多可以將70個(gè)箔焊接在一起，然后再焊接到銅接線片上，此外，該激光器還可以用于焊接厚度不超過0.7mm的銅接線片和母線。

與紅外纖維激光器相比，用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器進(jìn)行加工時(shí)，對功率要求的降低還與焊接少量銅時(shí)的速度提高相吻合，Pelaprat表示：在銅的厚度為0.5mm時(shí)，焊接速度可提高八倍。

Pelaprat還指出，對于更大的厚度（約4mm或更高），通常盡管使用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器進(jìn)行焊接的速度和質(zhì)量實(shí)際上會(huì)比使用紅外激光器進(jìn)行焊接的速度和質(zhì)量更快，但實(shí)際上它們會(huì)降低。

當(dāng)使用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器時(shí)，厚度更大的銅的焊接速度會(huì)降低，目前市售的激光焊接系統(tǒng)并沒有針對這種銅的焊接厚度。

“例如，對于5至8mm的厚母排的焊接，需要12至16kW的功率才能進(jìn)行高速焊接?！盩rumpf的Buehrle表示，目前尚無藍(lán)色或綠色激光能夠提供此功能?！皩τ谶@些焊接厚度，最好使用紅外激光，因?yàn)殡m然最初會(huì)在銅的表面經(jīng)歷高反射，但是一旦光束進(jìn)入銅內(nèi)部，它就可以以高功率穿透到底部從而完成焊接?！?/p>

考慮到藍(lán)光激光器由于其較高的吸收率而需要的功率較小的特點(diǎn)，因此Pelaprat預(yù)計(jì)將需要1至2kW之間的藍(lán)色二極管激光器來處理更大厚度的銅。目前，Nuburu提供150W和500W的藍(lán)光二極管激光器——后者已于2019年早些時(shí)候在美國西部光電展（PhotonicsWest）推出。Pelaprat保證，不久之后還將發(fā)布千瓦級的激光器。他確認(rèn)說：“每年我們將進(jìn)一步增加力量。”

Nuburu還計(jì)劃在未來通過減小光斑尺寸來提高其激光器的亮度，Pelaprat說這將使他們的產(chǎn)品能夠焊接更大厚度的銅，或者在焊接較小厚度的銅時(shí)提高速度。此外，他解釋說，Nuburu激光器中使用的由氮化鎵制成的藍(lán)色二極管的效率逐年提高，因此，將來也有望獲得具有更高效率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器制造商Laserline在2019年2月份宣布，其LDMblue激光器現(xiàn)在能夠提供高達(dá)1kW的輸出功率，但是該激光器目前的目標(biāo)是厚度不超過0.5mm的銅焊接。

除了具有更高輸出功率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器外，Laserline還計(jì)劃推出一種混合激光器，該激光器能夠使用藍(lán)光和紅外波長的組合來焊接更大厚度的銅。

走向綠光

在材料厚度較低且對熱量輸入進(jìn)行控制的需求較高的情況下，與其使用大功率紅外激光器（根據(jù)上述Buehrle的說法，這種激光器在進(jìn)行薄厚度銅的受控焊接深度方面上的適用性十分局限）——Trumpf子公司SPI開發(fā)了一種使用100W脈沖光纖激光器的納秒級焊接工藝，該工藝可以在0.3mm厚的銅制接頭中實(shí)現(xiàn)出色的焊接效果。

該技術(shù)可以制作多個(gè)光斑，以便使用螺旋光斑將焦點(diǎn)適當(dāng)?shù)卣澈系骄劢箙^(qū)域。但是，此過程的一個(gè)問題是，雖然對熱量的輸入和滲透的控制非常高，但由于使用的平均功率較低，因此導(dǎo)致焊接時(shí)間可能非常緩慢。為了在0.2至0.5mm的深度焊接此類銅片，Trumpf開發(fā)了自己的解決方案，該解決方案使用連續(xù)綠光激光器進(jìn)行熱傳導(dǎo)或深熔焊。與藍(lán)光激光相似，波長為515nm的綠光激光被銅高度吸收——室溫下約有40%的功率被銅吸收。激光還可用于焊接電池單元中的銅箔層。

綠光激光器因其特性特別適合處理高反金屬

“我們的綠光激光器基于我們的紅外碟片激光器技術(shù)。但是，當(dāng)光離開諧振器時(shí)，它會(huì)從紅外轉(zhuǎn)換為綠色波長，”Buehrle解釋說。碟片激光器的優(yōu)點(diǎn)是其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)可以防止任何背向反射的輻射去損壞激光器的光學(xué)系統(tǒng)，這一點(diǎn)是光纖激光器的潛在問題。

此外，Beuhrle繼續(xù)說，“我們在緊湊的結(jié)構(gòu)中提供了綠色激光器，類似于光纖激光器，但綠光激光器具有集成冷卻功能?！彼鼈冞€可以從單個(gè)激光源提供多個(gè)輸出，而光纖激光器需要外部組件來提供此功能。

Trumpf的連續(xù)綠光激光器——TruDisk1020，既能提供1kW的功率，又能提供2mm.mrad的光束參數(shù)乘積，根據(jù)Buehrle的說法，這意味著可以將50μm的光纖連接到激光器，使其適合于掃描應(yīng)用。他補(bǔ)充說，在實(shí)驗(yàn)室中，他們的綠光激光器已經(jīng)在以更高的功率工作。

Buehrle認(rèn)為，盡管紅外光纖和碟片激光技術(shù)適用于涉及更大厚度的銅的電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域，但對于拉片和箔焊接而言，綠色激光具有優(yōu)勢，并且是更好的解決方案。

他說：“我認(rèn)為，將來對于厚度小于4mm的銅，綠光激光將是首選解決方案。

未來將需要具有更高激光功率的綠色激光器，以便焊接厚度超過1mm，這是1kW綠色激光器的當(dāng)前極限。當(dāng)功率高達(dá)3kW之后，綠光激光便可以適用于以任意速度焊接厚度超過1mm的銅。