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新能源應(yīng)用發(fā)展

綠光激光器由于其短波長(zhǎng)的工作特性，在激光精密加工、激光顯示、生物醫(yī)療、微電子、信息存儲(chǔ)、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在工業(yè)加工領(lǐng)域，由于不同的材料對(duì)不同波段激光的吸收率不同，總體趨勢(shì)上來(lái)看，激光的波長(zhǎng)越短，光子能量越大，高反金屬材料的吸收越高。銅是世界上應(yīng)用量?jī)H次于鐵、鋁的第三大金屬，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、航空航天、高速列車(chē)、智能終端產(chǎn)片、電子通訊等多個(gè)高端工業(yè)領(lǐng)域。目前大規(guī)模使用的1 微米波段紅外光纖激光器，因?qū)︺~的吸收較弱，并且隨著溫度吸收率變化劇烈（4%-17%），在銅材料的加工上，存在飛濺大、氣孔、裂紋、熱影響大、熔深不可控等缺點(diǎn)。上述問(wèn)題對(duì)于銅材料的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有很大負(fù)面影響，例如，在新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的加工中，飛濺物不僅會(huì)影響銅材料的焊接效率，還會(huì)影響電池的生產(chǎn)安全、性能和壽命。

在室溫下，銅對(duì)近紅外波長(zhǎng)（約1 μm）的吸收率不到5%，相當(dāng)于有95%的激光被反射。而銅對(duì)綠光波長(zhǎng)（515nm或532 nm）的吸收率超過(guò)40%，比近紅外波段高了接近一個(gè)量級(jí)。與常見(jiàn)的1微米波段近紅外激光相比，綠光激光器的短波長(zhǎng)天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具優(yōu)勢(shì)。特別是基于目前蓬勃發(fā)展的高功率光纖激光器技術(shù)的綠光光纖激光器，由于平均功率高、光束質(zhì)量好，穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)際形勢(shì)多變，大國(guó)摩擦區(qū)域沖突頻發(fā)，使得全球經(jīng)濟(jì)存在較多的不確定因素。國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，總體平穩(wěn)，增速有所回落，導(dǎo)致新增產(chǎn)能需求變少。隨著新能源行業(yè)的高速發(fā)展進(jìn)入新階段，對(duì)高質(zhì)量，高穩(wěn)定性，高效率的焊接光源的需求正在快速上升，國(guó)產(chǎn)化的千瓦級(jí)超高功率綠光激光器對(duì)我國(guó)的新能源行業(yè)的提效降本、高速發(fā)展具有重要意義。

千瓦連續(xù)綠光研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，商用的綠光激光器已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，德國(guó)通快公司和美國(guó)IPG公司分別通過(guò)碟片激光技術(shù)和光纖激光技術(shù)，獲得超過(guò)3kW和1kW的超高功率綠光輸出。

圖-1 公大激光1000W單模連續(xù)綠光激光器

目前，高功率連續(xù)光纖綠光激光器，國(guó)內(nèi)僅深圳公大激光能夠批量供貨。2022年6月，公大激光率先推出了可用于高反金屬加工的500W單模綠光激光器，該激光器已批量應(yīng)用于動(dòng)力電池制造焊接應(yīng)用和3D打印領(lǐng)域。同年7月，公大激光完成了千瓦連續(xù)綠光原型樣機(jī)。2023年9月，打磨了一年有余的1000W單模連續(xù)綠光激光器正式推向市場(chǎng)，同時(shí)還有光纖耦合輸出的1000W/2000W/3000W 多模光纖綠光激光器一并推出，為高反材料焊接提供更專(zhuān)業(yè)的解決方案。

圖-2 公大激光 3000W 多模連續(xù)綠光激光器

公大激光1000W單模連續(xù)綠光器

公大激光1000W單模連續(xù)綠光測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù) PN:GCL-1000-F-S-W

圖-3 1000W 單模光纖綠光24小時(shí)功率穩(wěn)定性測(cè)試 ~0.4%@RMS 注：功率波動(dòng)，主要受室內(nèi)溫度影響。

圖-4 公大激光1000W單模連續(xù)綠光輸出光譜

圖-5 公大激光1000W單模連續(xù)綠光光束質(zhì)量測(cè)試 M平方=1.07

a近場(chǎng)0.2m 輸出光斑 b 遠(yuǎn)場(chǎng)2m 輸出光斑

圖-6 公大激光1000W單模連續(xù)綠光輸出光斑測(cè)試結(jié)果

公大激光3000W多模連續(xù)綠光

公大激光3000W多模連續(xù)綠光測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù) 產(chǎn)品PN: GCL-3000-B-I-W

圖-7 3000W多模光纖綠光24小時(shí)功率穩(wěn)定性

圖-8 3000W多模連續(xù)綠光光束質(zhì)量測(cè)試 M平方=14.8

圖-9 3000W 多模綠光輸出光斑3D 圖

典型焊接應(yīng)用進(jìn)展

高功率千瓦連續(xù)綠光，目前可以用在新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池焊接上。鋰電池主要的焊接材料為銅和鋰，主要可分為銅-銅，銅-鋁，鋁-鋁等幾種類(lèi)型焊接。這些焊接需求，目前主要使用紅外激光器。由于銅材料和鋁材料對(duì)紅外波長(zhǎng)的吸收率低，常溫下一般在2%-5%，吸收效率低、吸收不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊接熔池不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)較大飛濺、氣孔、裂紋，還會(huì)形成比較大的熱影響區(qū)，導(dǎo)致焊接效果和良率偏低，這是目前鋰電池焊接的痛點(diǎn)問(wèn)題。雖然紅外激光器經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，特別環(huán)形光斑連續(xù)高功率激光器的出現(xiàn)，加上對(duì)焊接材料表層鍍鎳鍍鋅等工藝步驟，在一定程度上緩解了部分高反材料焊接問(wèn)題。在鋰電池的多層級(jí)耳和銅的焊接，以及銅跟鋁的異種金屬材料焊接上，目前使用紅外激光進(jìn)行焊接，良率較低。終端反饋，未來(lái)主流的46系大圓柱電池，全極耳焊接使用紅外激光焊接，在測(cè)試線(xiàn)上的良率只有不到80%；采用高功率綠光激光器進(jìn)行焊接，則良率可以做到95%以上。為了獲得更高的焊接效率和更優(yōu)的焊接效果，公大激光推出了1000-3000W 的高功率連續(xù)綠光，今年9月份左右正式交付市場(chǎng)應(yīng)用。

圖-10 常用金屬吸收譜：綠光VS近紅外激光

部分高功率綠光焊接案例見(jiàn)下：

（1）大圓柱電池負(fù)極集流盤(pán)焊接，焊接方式：銅-銅箔疊焊；焊接材料：0.2mm紫銅和30層6um銅箔：

a正面焊接效果 b 背面撕裂后效果

圖-11大圓柱電池負(fù)極集流盤(pán)焊接

（2）銅-鋁焊接：蓋帽極柱焊接，焊接方式：銅-鋁拼焊；焊接材料：紫銅蓋帽和鋁極柱：

a正面焊接效果 b 截面金相效果

圖-12 蓋帽極柱焊接

（3）方殼電池極轉(zhuǎn)接片焊接，焊接方式：銅-銅拼焊，焊材：1mm厚度紫銅：

a正面焊接效果 b 截面金相效果

圖-13 方殼電池極轉(zhuǎn)接片焊接

（4）多層極耳與方殼電池極柱焊接，焊接方式：鋁箔-鋁疊焊，焊材：50層正極耳（超聲波預(yù)焊）和方殼電池正極柱3mm：

a正面焊接效果 b 截面金相效果

圖-14 多層極耳（鋁）與方殼電池極柱（鋁）焊接

（5）多層極耳與方殼電池極柱焊接，焊接方式：銅箔-銅 疊焊，焊材：50層負(fù)極耳（超聲波預(yù)焊）和方殼電池負(fù)極柱3mm，焊接結(jié)果見(jiàn)下：

a正面焊接效果 b 截面金相效果

圖-15 多層極耳（銅）與方殼電池極柱（銅）焊接

綠激光3D打印

2023年6月28日，在增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展（廣州）論壇暨2023年增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)上，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心總工程師左世全表示，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的核心樞紐和制高點(diǎn)是工業(yè)母機(jī)，工業(yè)母機(jī)分增材制造、減材制造和等材制造。增材制造作為工業(yè)母機(jī)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向和領(lǐng)域，也是我們制造強(qiáng)國(guó)的重點(diǎn)領(lǐng)域和方向，加快增材制造的發(fā)展是推進(jìn)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。未來(lái)五年增材制造的產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破千億，從目前的測(cè)算，如果按年均增長(zhǎng)率25%估算，到2027年大概能到千億規(guī)模。

2023年發(fā)布的幾款折疊屏旗艦手機(jī)，以及消費(fèi)電子龍頭蘋(píng)果，開(kāi)始使用3D打印設(shè)備進(jìn)行精密零部件加工，標(biāo)志著金屬3D打印設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入萬(wàn)億消費(fèi)電子市場(chǎng)的設(shè)備供應(yīng)鏈。隨著，金屬3D打印使用范圍不斷拓展，應(yīng)用場(chǎng)景增加，單位成本的逐步下降，金屬3D打印設(shè)備未來(lái)空間巨大。

德國(guó)通快是當(dāng)前全球唯一推出高功率綠激光金屬3D打印設(shè)備的廠家，采用通快的高功率碟片連續(xù)綠光激光器。但由于激光器和設(shè)備價(jià)格昂貴，應(yīng)用推廣進(jìn)展緩慢。IPG的高功率QCW千瓦光纖綠光激光器，可用作3D高反金屬材料3D打印光源。

公大激光成為全球第三家推出高功率綠光激光器廠商，2022年開(kāi)始推出500W單模連續(xù)綠光，2023年9月推出單模和多模千瓦連續(xù)綠光激光器，用于高反射材料（純銅、銅合金、鋁合金等）、貴金屬（金、銀）的綠光3D打印。綠激光3D打印設(shè)備，幾乎可以覆蓋所有常用金屬材料的3D打印需求，包括紅外金屬3D打印設(shè)備的所有類(lèi)型材料。特別是純銅材料的3D打印，我們進(jìn)行了大量的驗(yàn)證和測(cè)試，目前純銅材料3D打印樣件的致密度可以達(dá)到99.5%以上，打印樣件的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率的物料參數(shù)基本與壓鑄樣件相當(dāng)。

圖-17 純銅3D打印樣件

圖-18 鈦合金3D打印樣件