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

該橫幅廣告反映了激光現(xiàn)在在電動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)，在加工銅時特別容易受到銅的高反射特性的影響。

Trumpf汽車電動汽車行業(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會在材料表面產(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，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，與此相對的另一個問題是，當(dāng)發(fā)生材料融合時，會通過多余的能量，讓材料汽化并產(chǎn)生飛濺，并同時在焊接接頭內(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耦合到芯光纖和環(huán)形光纖中，分別形成一個微小的斑點(diǎn)和一個較大的斑點(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”的技術(shù)將光束橫向移動到銅的材料表面。通過像這樣左右移動光束“刺激”熔池，從而可以更好地控制焊接參數(shù)。

IPG Photonics UK銷售總監(jiān)MarkThompson表示：“擺動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，包括橫向擺動，圓形擺動或八字形。他說：“復(fù)雜的擺動模式可以改善焊接完整性。”同時他認(rèn)為：客戶可以自己確定和判斷哪種擺動方式可以在其應(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Jean Michel Pelaprat認(rèn)為，擺動技術(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，這就需要更長的時間。”他補(bǔ)充道，“時間就是金錢，生產(chǎn)時間更長的零件意味著它的成本會更高，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)用時所需的功率更少——根據(jù)Pelaprat的說法，功率幾乎降低了一個數(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)每個零件的成本。

Nuburu最初的目標(biāo)是使用激光焊接電動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)有多個銅箔，陽極側(cè)與鋁箔交錯。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，而且還會產(chǎn)生會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)用價值。使用Nuburu的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，一次最多可以將70個箔焊接在一起，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，對功率要求的降低還與焊接少量銅時的速度提高相吻合，Pelaprat表示：在銅的厚度為0.5mm時，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)際上它們會降低。

當(dāng)使用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器時，厚度更大的銅的焊接速度會降低，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?！?/p>

Nuburu還計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，它會從紅外轉(zhuǎn)換為綠色波長，”Buehrle解釋說。碟片激光器的優(yōu)點(diǎn)是其堅固的設(shè)計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€可以從單個激光源提供多個輸出，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。