新能源汽车利好-蓝光激光铜焊接

传统内燃机汽车一般有10至25公斤的铜含量。相比之下，纯电动汽车含铜量大大增加，约有90公斤的铜。从现在到2025年，预计会有上千万辆纯电动汽车生产与售出，这就需要大量的电动机，电池和传感器，并且需要大量的线束和终端，这一切都含有大量的铜。

工业蓝光激光是一种新技术，它使我们能够快速、高质量地加工铜质材料，不仅适用于纯电动汽车，还适用于各种消费和商业产品。蓝光激光（英语：Bluelaser），是指波长介于360到480纳米(nm)之间的激光。最新技术有所突破的蓝光激光，是波长在450纳米的激光，它的功率也达到了2000W。


“材料加工”一词含义很广，它包含很多种操作，如焊接、蚀刻、切割、电镀等，但最复杂的还首数焊接。焊接需要传递足够的能量来熔化一种或多种目标材料，但这种能量又能不过分强大使材料蒸发或遭受热损害。由于热力学和流体力学之间错综复杂的相互作用，提供合适水平的能量具有很大的挑战性。传统的焊接方式由于大量长期的经验现在技术上已经完全没有难度，但激光焊接还达不到这个程度。激光在不与零件和工具物理接触的情况下释放能量，可以轻松地处理不同材料，因此对于任何焊接应用而言，激光焊接都是有吸引力的选择。但是我们发现，红外（Infrared）激光几乎无法生产高质量的铜焊缝，因此制造商不得不寻找替代的焊接方法。

当2017年第一台工业蓝光激光器进入市场时，情况发生了变化。在随后的几年中，蓝色激光的功率和亮度都有所提高。然后在2020年初，蓝光激光达到了一个里程碑：集成到行业标准的光学扫描系统中后，其亮度足以焊接铜。这使制造商可以将高速，高质量的蓝色激光焊接纳入自动化生产线。而且，该技术的功率，亮度和效率会不断改善，这将增加蓝色激光可以解决的应用范围。

材料

在工业应用中，金、银和铜由于有良好的导电性和延展性，是非常好的材料。但铜比金更具导电性，并且几乎与银具有相同的延展性。高延展性使铜易于成型为各种形状，包括薄箔和长线。高导电率也就是低电阻，从而节约能量，少生废热。与此同时，铜的价格相比金银仅是九牛一毛，因此，铜是大多数电气应用的首选材料。铝的延展性和导电性不如铜，但价格更加便宜且重量轻，因此在某些应用中铝也是较好的选择。

这就是为什么铜和铝是电气系统（如电机，传感器，发电和传输设备）最常用的材料。对于电子产品而言，金和银也起着一定的作用，但是铜还是电路板之类产品的主要材料。

因此，对于制造企业而言，需要一种高速，高质量的方法来连接铜。

激光焊接的复杂性

激光焊接的第一步是将能量从光束转移到目标材料，传输的能量取决于激光的波长、目标材料的种类以及材料的固液状态。

现在最常见的激光焊接为二氧化碳激光焊，它的波长为10.6μm，属于红外线的一种。红外线（Infrared，IR）是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm（纳米）到1mm（毫米）之间。它是频率比红光低的不可见光。

如果使用传统红外激光器来焊接固态铜，我们发现仅有5％的能量产生作用，剩余的95%的能量都被浪费了。这是非常低效的，也是我们不愿意用红外激光焊接铜的最根本原因。也因为如此，红外激光焊接铜的过程往往运行不稳定，于是导致废品率很高。

但后来发现，波长为450nm的蓝光激光是一种理想的焊接有色金属特别是铜的方法。铜吸收蓝光的强度效率是吸收红外线的13倍。

下面两张图是不同材料对红外光、绿光、蓝光激光的吸收率实验，可以清楚看到铜对小波长的蓝光吸收率近乎70%，但对红外光吸收率只有5%。



第二个问题是，如果使用红外激光焊接，当固态铜吸收了足够多的能量而熔化后，由于液态铜比固态铜吸收红外能量的效率高出很多，红外激光的过高能量会在熔池中产生微型“爆炸”，从而降低接头的机械和电气完整性。虽然我们可以通过可调的激光光束使缺陷最小化，但很难彻底消除，而且也难以避免会增加处理时间。相比之下，液态铜和固态铜对蓝光的吸收率几乎相同，发起焊接（固态铜）的参数与维持焊接（液态铜）所需的参数相同，这就使工艺非常简单，可快速生产高质量的焊接效果。

蓝光激光的适用性

蓝光激光不仅适用于多种零件几何形状，而且适用于多种材料，比如铝、钢、镍甚至黄铜（铜和锌组成的合金）。在未来，相信蓝光激光的应用范围会非常广。


例如锂离子电池，它是由多层非常薄的铜箔和铝箔组成的。为了产生电荷，必须用电解质将箔与箔分开，但是要收集电荷，必须将箔的末端连接在一起。尽管超声波焊接（可以参考本人之前的文章“UltrasonicWelding-超声波金属焊接”）可以焊接这些箔，但是接头的质量较差。相比较而言，蓝光激光可以生成几乎无缺陷的箔焊缝。消费电子类零件面临类似的挑战，它们在相对较薄的铜材料之间实现电气和机械上的可靠连接方面也有很高的需求。在今年技术得到明显突破之前，仅仅是蓝光激光几年前的早期技术，500瓦的功率，就能够产生这种近乎无缺陷的焊接。

下图为超声波焊接下铜箔的样子：


下图为蓝光激光焊接后铜箔的样子


几年后的今天，蓝光激光器已经可以提供千瓦级的功率，以应对更复杂的制造几何形状要求。例如，锂离子电池中的薄箔连接到接线片，接线片连接到母线，还有母线连接到壳体，这些连接之前的功率级别是无法满足的。超声波焊接每种不同的焊接都需要专门的焊头，但是蓝光激光可以通过简单调整参数就能焊接所有几何形状。又例如，一些车企在其电动汽车应用中采用了热效率和电效率更高的条状绕线电机，这种电机需要将发夹线穿过定子或转子绕铁，但又必须将它们的相对端连接起来以形成闭环电路。蓝光激光在这种情况下可以在环境非常紧凑的情况生产出高质量的接头。

激光的输出功率是一项关键指标，除此之外，激光的亮度也非常重要。亮度是激光能量集中度的量度。它反映在被称为光束参数乘积（Beam-parameterproduct，BPP）的度量标准中，该度量实质上是激光束的物理尺寸和角度发散的乘积，是用来衡量激光光束质量的关键参数。BPP越小，光束“越紧”。如果两个激光器的输出功率相同，但是其中一个的BPP数值是另一个激光器的一半，则BPP较低的激光器的焊接速度会更快或更深，或者两者兼而有之。

2020年初，蓝色激光达到了技术上的里程碑：BPP为11毫米毫弧度（millimeter-milliradians）时，输出功率超过一千瓦。在这种亮度下，与符合行业标准的扫描系统集成后，蓝光激光已经可以焊接铜，在此之前，还有许多问题。

经过实验比较，与红外激光相比，使用蓝光激光焊接铜所需的总能量消耗大约会减少84%，而焊接金所需的总能量消耗会减少92%。以功率而言，一千瓦足够焊接铜，0.5千瓦足够焊接金，而换做红外激光，可能需要十千瓦。