LaVa-X推新型真空激光焊接方案，显著优化铜焊接的电流动性

汽车行业向电气化的技术发展提供了许多机会，但它也带来了一些挑战，比如铜材料的加工越来越多。而铜消耗量的增长，对连接工艺的自动化能力、连接质量和加工速度也提出了新的要求。

幸运的是，在这方面，激光焊接具有精度高、强度大、易于自动化等优点，潜力可谓巨大。真空激光焊接(下文将以LaVa-X的焊接方案为例)就更是能大展拳脚了，这种工艺使用低能量输入实现了高质量、大批量的输出，即便是焊接难熔材料——如电解韧度(ETP)铜也能轻松处理。

基于其本身的特性，铜材料目前成为了电池、电动机和电动汽车中的高性能电子产品的基本组成部分。而ETP铜由于其良好的可加工性以及良好的导电性，已在电气工程中确立了自己作为材料的地位。但问题在于，这些铜材料（比如ETP铜）只适合在非常有限的范围内进行焊接。

针对这些挑战，近日来自德国真空激光束焊接设备供应商LaVa-X的克里斯蒂安·奥滕（Christian Otten）博士展示了一种用于替代蓝色和绿色激光技术的方案，用于在电动汽车生产中的铜焊接操作，能够显著提升焊接效果，带来一系列加工处理优势。

激光焊接ETP铜存在哪些挑战？

到目前为止，用红外激光焊接铜时还存在着各种各样的挑战，例如重复输出稳定的质量、减少孔隙和飞溅形成率。

气孔的形成，是电解韧度(ETP)铜材料中常见的典型缺陷。小孔的形成也被绝缘层上的残留物所强化，这些残留物由于激光产生的热量而蒸发并溶解在熔池中。然而，由于熔体的低粘度而产生的强溅射是更大的问题。除了质量损失外，随之而来的飞溅现象还会进一步破坏绝缘层，造成短路等危害。此外，由于ETP铜的残余氧含量，在焊接过程中容易吸收氢，导致铜部件产生脆性甚至开裂。

在处理红外波长时，铜的高反射特性产生的热量也是一个问题。使用传统的红外激光焊接，由于铜具有高导热性，它会损失大量的能量。因此，许多公司近年来一直在寻找替代工艺，并专注于使用绿色和蓝色激光作为铜焊接的新解决方案。不过，利用这些方案进行材料加工在带来一系列优势的同时，也意味着公司要在昂贵的激光器之外注入高昂的投资成本。

真空激光焊接何以大展身手？

而之后LaVa-X团队发现，真空激光焊接（Laser welding in a vacuum）成为了一种既能提高质量，又能提高生产率的选择，而且其成本也得以显著降低。它往往使用的是红外激光，不过特别之处就在于整个过程是在真空中进行的。由于使用红外激光源进行熔岩焊接具有特殊的环境特性，因此铜焊接不再需要使用可见光范围内波长的激光，也就是蓝色和绿色的激光。

通过降低环境压力和蒸发温度，焊接过程的稳定大大提升，避免了飞溅、裂纹和气孔的形成。传统的红外激光铜焊接需要较高的激光功率进行深焊，而LaVa的焊接工艺显著提高了工艺效率，以至于能够达到≥1mm/1000W的焊接深度。

例如，厚度为6mm的铜板，其焊接功率约为6kW，可自由形成无气孔的基底。此外，处理后的焊缝结垢非常细，也没有喷射和粘附飞溅。根据目前的研究，12kW束流功率下ETP铜的最大焊接深度可达11mm。

下面的应用实例说明了激光真空焊接在电移动性部件连接中的优点：

①用于焊接电池组的铜母线：为了制造锂离子电池组，单个电池组焊接有所谓的电池组连接器，也被称为母线（busbars）。在加入单个锂离子电池时，必须注意确保电池的完整性不受损害，电池体加热不超过80℃。采用2kW单模光纤激光器在真空条件下(压力为20mbar)进行激光焊接，在50mm/s的焊接速度下，功率仅为1kW的Cu-ETP母线就能够实现几乎无气孔的焊接。

②用于焊接燃料电池的双极板：除了锂离子电池，燃料电池被认为是能源转型的关键技术，预计每年将生产数千万块燃料电池。也正因如此，外界对焊接工艺的成本效益要求越来越严格。然而，当使用传统的单模光纤激光器时，焊接速度大约为700毫米/秒，这种影响会导致焊缝质量不足。与传统的激光束焊接相比，熔岩焊接的优势在于其所需的能量可降低高达60%，这也使得焊接不易发生变形——这是它的一个主要优势，特别是对于通常用于双极板的80μm厚不锈钢箔。

在特有的大气环境下，激光真空焊接还可以实现无氧化物焊接，并通过改变保护气体成分的组成对熔体产生针对性的影响。采用熔岩焊接时，光束功率仅为150W，焊接速度可达900mm/s。据试验显示，大约100mbar的真空压力，可以在大约10秒内得到快速疏释。压力级系统的使用也推进了组件的连续流动，因此双极板可以几近于实时地进行高速焊接，无需再花时间去移除其他部件或者基底等。

③用于焊接电机的铜发卡（hairpins）：在电机定子中，单个导体的两端焊接成所谓的发卡。然而，传统的带绝缘涂层的ETP铜发卡激光焊接会产生许多气孔和飞溅。而对于ETP铜发卡的处理，LaVa的焊接方案会更具显著优势，激光束所需的能量可降低高达50%。通过降低蒸发温度，熔池温度降低并稳定下来，从而显著减少飞溅。此外，气孔的形成也减少了，因为熔体在真空中会更容易排出气体。举个例子，使用2kW单模光纤激光器在20mbar压力下进行熔接，熔接时间仅为3秒。最后，这样的处理方案还能显著减少能耗。