在銅焊接領(lǐng)域，藍(lán)光二極管激光首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅材料的熱傳導(dǎo)焊接。然而，藍(lán)光激光器的焊接技術(shù)在銅的深熔焊上仍存在一定的局限性。而紅外激光在此應(yīng)用中的表現(xiàn)也并不盡如人意。在此，Laserline提出將藍(lán)光與紅外二極管激光器結(jié)合，為銅焊接提供了全新的加工方式。這種全新的加工方式不僅適用于板材焊接，也可應(yīng)用于銅定子線圈的靜態(tài)焊接，突破了銅焊接領(lǐng)域的局限。

銅屬于高電導(dǎo)率金屬，因此它向來(lái)是最重要的導(dǎo)電材料之一。銅的電導(dǎo)率與銀幾乎相同，但價(jià)格卻遠(yuǎn)低于銀，因此在傳統(tǒng)工業(yè)中，幾乎所有的電線以及感應(yīng)線圈都會(huì)使用銅。由于龐大的電子消費(fèi)市場(chǎng)以及電動(dòng)汽車的迅猛增長(zhǎng)趨勢(shì)，銅的價(jià)值得到了顯著而飛速的提升。如今它被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)終端設(shè)備上的超扁平電池和其他可充電電池以及電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。

與此同時(shí)，它在發(fā)電站中的斷路器、有軌車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和一些工業(yè)傳動(dòng)執(zhí)行裝置中都扮演著不可或缺的角色。由此可見(jiàn)，銅元件從極薄的電線及銅箔到堅(jiān)固的板材及連接器，都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

對(duì)焊接技術(shù)的高需求

隨著銅在原材料中的地位日益重要，對(duì)于高效焊接技術(shù)的需求也隨之逐年增長(zhǎng)。在電氣工程中，許多元件都由銅制成，在整個(gè)使用周期內(nèi)要持續(xù)不斷地承受高強(qiáng)電流。這就要求其連接點(diǎn)具有較高熱穩(wěn)定性，因此焊接是最好的連接方式。在許多案例中，使用藍(lán)光激光器焊接，例如Laserline公司的LDMblue系列藍(lán)光激光器，加工結(jié)果都令人十分滿意。二極管激光器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在較高的焊縫容差率、非常穩(wěn)定的熔池等。此外，有色金屬對(duì)藍(lán)光激光的吸收率很高也是該產(chǎn)品的一大優(yōu)勢(shì)。

銅對(duì)于工業(yè)中常用的紅外激光在室溫下僅有5%的吸收率，因此難以通過(guò)熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)焊接。藍(lán)光二極管激光器首次實(shí)現(xiàn)了銅的熱傳導(dǎo)焊。因?yàn)殂~對(duì)藍(lán)光的高吸收率（>47%），焊接過(guò)程中熔化工件表面所需的能量更少。因此，相較于紅外激光，這樣的能量輸入方式更有利于實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)焊。因此，即便是極薄的銅元件也可以通過(guò)藍(lán)光二極管實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的焊接，它為銅材料焊接提供了全新的、有趣的加工方式。

重大挑戰(zhàn)——深熔焊

但是對(duì)于更厚的銅元件焊接，藍(lán)光二極管激光焊接仍存在局限性，因?yàn)閷?duì)于深熔焊來(lái)說(shuō)，形成小孔是必須的。
銅具有良好的熱傳導(dǎo)性，所以需要很高的激光強(qiáng)度才能形成小孔。簡(jiǎn)而言之，作用在局部銅工件上的能量會(huì)快速向整個(gè)工件傳導(dǎo)。使用500W藍(lán)光激光器對(duì)銅焊接時(shí)，焊深可達(dá)0.3mm-0.4mm；使用1000W時(shí)的焊深約為0.6mm-0.7mm；理論上，焊深會(huì)隨著激光功率的提升而增加。目前已有1500W激光器，更高功率的激光器正在研發(fā)中。然而，由于藍(lán)光二極管激光器的生產(chǎn)成本高于紅外激光器，針對(duì)深熔焊其加工效益比較低。

目前，紅外激光器雖可用于銅的深熔焊，但技術(shù)上仍有較多不足，因?yàn)殂~對(duì)紅外激光的吸收率低，需要相當(dāng)高的能量輸入來(lái)熔化和穿透材料，所以工藝過(guò)程和最終結(jié)果都不理想。到目前為止，在所有使用紅外激光進(jìn)行銅深熔焊的實(shí)驗(yàn)中，都觀察到了極其不穩(wěn)定的熔池，這會(huì)導(dǎo)致氣孔和飛濺的產(chǎn)生，造成質(zhì)量不合格的焊縫。

藍(lán)光和紅外激光的復(fù)合焊

如此看來(lái)，單獨(dú)使用藍(lán)光激光或紅外激光都無(wú)法在銅的深熔焊中兼顧技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，這促使Laserline二極管激光專家嘗試另一種方法。不依賴于單一藍(lán)光或者紅外激光，Laserline研發(fā)了全新的復(fù)合焊。將LDMblue的藍(lán)光二極管激光與傳統(tǒng)LDM紅外激光通過(guò)特殊聚焦鏡片整合成一束激光（圖1）。其中，直徑1mm的藍(lán)光光斑中心覆蓋有直徑0.3mm的紅外光斑（圖2）。當(dāng)然，兩束激光也可根據(jù)需求分別使用，在加工同一部件時(shí)也可分別使用藍(lán)光及紅外激光（圖3）。

藍(lán)光與紅外激光的復(fù)合焊除了LDM型紅外激光器外，也可使用更大型的紅外激光系統(tǒng)（如Laserline LDF），現(xiàn)有的紅外二極管激光器設(shè)備均可升級(jí)為藍(lán)光與紅外激光復(fù)合應(yīng)用。

在焊接過(guò)程中，具有高吸收率的藍(lán)光激光首先被用于熔化工件表面，中心的紅外激光則用于打開(kāi)小孔，實(shí)現(xiàn)深熔焊。為了使熔池平穩(wěn)并穩(wěn)定整個(gè)焊接過(guò)程，小孔形成后，藍(lán)光激光依舊保持開(kāi)啟。為了消除銅遠(yuǎn)高于平均值的熱傳導(dǎo)率所帶來(lái)的影響，使用的紅外激光的輸出功率應(yīng)高于藍(lán)光激光功率的約2到5倍（取決于工藝要求）。

之前的復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)中所使用的紅外激光功率為1kW到5kW，仍低于基于純紅外激光的銅焊接所使用的功率。而復(fù)合焊過(guò)程中所需的藍(lán)光功率通常不超過(guò)1kW，有時(shí)甚至只需500W（焊接更薄的工件），雖然使用500W的純藍(lán)光焊接不足以實(shí)現(xiàn)深熔焊。即使單純從能量輸入的角度考慮，這種加工方式也顯然更高效。

高焊透深度、高穩(wěn)定性、高焊縫質(zhì)量

如果復(fù)合光束不能在焊接方面取得成功，那么這些效率上的優(yōu)勢(shì)就沒(méi)有多大用處。然而，所有基于這種新方法的試驗(yàn)證明，復(fù)合焊在焊接深度、工藝穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量方面都取得了前所未有的成果。

例如，在1kW藍(lán)光及3kW紅外的復(fù)合激光以2m/min的速度對(duì)1mm和2mm厚度的銅片疊焊試驗(yàn)中，焊接深度可達(dá)到1.45mm。在相同的速度下，將紅外激光功率提高到3.5kW或4kW時(shí)，焊接深度可達(dá)到1.91mm及2.36mm（圖4-6）。此外，在2mm厚度的銅板拼焊實(shí)驗(yàn)中，使用1kW藍(lán)光及3kW的紅外激光，2m/min的速度下，板材完全被焊透。

同時(shí)，焊接過(guò)程和焊縫表面效果也十分出色：無(wú)論是疊焊還是拼焊，都形成了十分平穩(wěn)的熔池，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的飛濺，焊縫也非常平滑（圖7），并且焊縫邊緣沒(méi)有缺陷（圖8）。該工藝正在為實(shí)現(xiàn)超過(guò)3mm的焊接深度進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

但是目前，紅外激光在銅的深溶焊上仍無(wú)法避免飛濺問(wèn)題和偶爾蒸汽毛細(xì)孔的崩塌問(wèn)題，加工工藝仍不夠穩(wěn)定。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，目前正在進(jìn)一步從光斑大小、保護(hù)氣以及進(jìn)給速率等因素進(jìn)行工藝研究。然而，對(duì)于3mm以下的焊接現(xiàn)在已相對(duì)成熟。此工藝完全穩(wěn)定且適用于批量生產(chǎn)。

銅極耳焊接的成套解決方案

毫無(wú)疑問(wèn)，Laserline的復(fù)合焊方案，不僅為傳統(tǒng)板材及更厚材料焊接提供了全新的可能性，也非常適用于電機(jī)中定子線圈的焊接。例如，使用5kW紅外激光焊接極耳時(shí)，熔池不穩(wěn)定，且會(huì)產(chǎn)生大量飛濺，工件冷卻后無(wú)法使用（圖9）。

對(duì)比持續(xù)300ms的紅外激光，持續(xù)200ms的復(fù)合激光能產(chǎn)生示范性的焊接效果，僅有極少的飛濺（圖10、圖11）。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，可以進(jìn)一步穩(wěn)定焊接質(zhì)量。同時(shí)，還可以選用脈沖紅外二極管激光器對(duì)連接處進(jìn)行必要的祛涂層處理，其加工結(jié)果也令人滿意：可以均勻祛除涂層，加工速度適用于批量生產(chǎn)（圖12-14）。

例如，對(duì)于PE-THEIC-PA涂層材料的祛除，Laserline公司LDFpulse脈沖激光器的祛除速率可達(dá)142mm2/s。對(duì)于其他材料，其祛除速度甚至可達(dá)280mm2/s。因此，二極管激光技術(shù)現(xiàn)在為極耳的焊接提供了全新的解決方案。對(duì)于復(fù)合光束鎖孔焊接的頂部涂層預(yù)先祛除，它也是強(qiáng)有力的工具。

結(jié)論

總而言之，最新的技術(shù)進(jìn)步為激光銅焊接領(lǐng)域開(kāi)辟了新的選擇，拓寬了該領(lǐng)域的邊界。過(guò)去無(wú)法通過(guò)合適的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的工藝直到最近，才不成問(wèn)題，并且加工效果非常出色。目前還無(wú)法確鑿地預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年，激光銅焊接領(lǐng)域會(huì)有怎樣的發(fā)展。針對(duì)不同的工藝參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，可以根據(jù)藍(lán)光和紅外光復(fù)合激光方案創(chuàng)造出新的應(yīng)用選項(xiàng)，尤其是可以在厚度超過(guò)3mm的板材上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接工藝。

對(duì)此，將LDMblue藍(lán)光激光系統(tǒng)與極其強(qiáng)大的Laserline LDF系列紅外激光系統(tǒng)相結(jié)合，可以生成非常有意思的組合。LDF系列激光器目前已經(jīng)可以提供高達(dá)45kW的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率。雖然銅焊接幾乎不會(huì)用到這么高的功率，但它表明，復(fù)合光束理念可提供很多進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)會(huì)。這也包括相關(guān)工藝領(lǐng)域的應(yīng)用，比如熔覆，在銅基板上進(jìn)行銅熔覆，這方面可以開(kāi)展很有前景的試驗(yàn)。這是復(fù)合光束方案的進(jìn)一步應(yīng)用領(lǐng)域，在不久的將來(lái)可能會(huì)得到更大發(fā)展。