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解决方案

跨越广泛的激光焊接

星之球科技 来源:国际工业激光2020-08-02 我要评论(0 )   

享誉世界的德国慕尼黑光博会(LaserWorldofPhotonics)曾在2019年举办时在其横幅广告中打出“没有激光技术就没有电动汽车(ElectricVehicle)”。该横幅广告反映了激光现...

享誉世界的德国慕尼黑光博会(LaserWorldofPhotonics)曾在2019年举办时在其横幅广告中打出“没有激光技术就没有电动汽车(ElectricVehicle)”。


该横幅广告反映了激光现在在电动汽车制造中所起到的种种重要作用——从焊接和切割那些轻量化设计中使用的新材料,到加工其电机和电池的关键部件,激光的身影无处不在,组件的范围从电机中使用的“发卡”到用于构建电池的薄箔层,还有用于将电池连接在一起的许多母线和凸耳。


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上述部件通常使用“铜”制成,铜是一种以其出色的热和电性能而闻名的材料,然而由于其极高的反射率,已被证明特别难以通过激光来加工。但是随着激光技术的不断改善,近年来,已经出现了许多不同的红外、绿色和蓝色波长的激光解决方案,这些方案能够克服铜的高反特性,来处理这种具有挑战性的材料。


能量输出


正如材料加工领域的主导者光纤激光器制造商们所期望的那样,电动汽车的需求让本已应用广泛的光纤激光器进一步扩展了应用范围:将电动汽车中的铜加工应用涵盖进来之后,需求光纤激光器的需求显着增长。


然而,在电动汽车市场上的这一立足点上,光纤激光器并非一帆风顺,尤其由于光纤激光器使用红外波长的基本性质,在加工铜时特别容易受到铜的高反射特性的影响。


Trumpf汽车电动汽车行业经理JohannesBuehrle解释说:“红外波长对于焊接铜来说并不理想,因为它在室温下加工时会在材料表面产生极高(大约95%)的光反射。”当然它也有自身的特别之处,红外波长的优点是:就功率而言几乎不受任何限制。


当使用小的光斑尺寸时,可以让大功率红外激光在铜表面上产生非常高的亮度(每平方厘米在兆瓦范围内)。在这种亮度水平下,铜的反射率会降低到将激光能量耦合到材料中而不是将能量反射回去的程度。但是,与此相对的另一个问题是,当发生材料融合时,会通过多余的能量,让材料汽化并产生飞溅,并同时在焊接接头内部造成气泡缺陷,从而增加铜的电阻率。


然而,这些问题并没有阻止光纤激光器越来越多地被用在电动汽车的铜加工工艺中的脚步,正如Buehrle解释的那样,有多种方法可以解决这些问题,其中之一就是通过使用Trumpf的BrightLineWeld技术。


使用BrightLineWeld,可以让激光的功率同时耦合到芯光纤和环形光纤中,分别形成一个微小的斑点和一个较大的斑点。细小的斑点可用于穿透焊缝中所包括的铜材料的厚度,而较大的斑点可用于让焊缝小孔在表面保持敞开。像这样保持小孔打开,可以释放过程中产生的任何气体,从而减少飞溅物的形成和气泡的产生。


减少飞溅和高亮度光纤激光器产生气泡的另一种方法是,首先使用紧密聚焦的光斑穿透铜的表面,然后使用一种称为“摆动”的技术将光束横向移动到铜的材料表面。通过像这样左右移动光束“刺激”熔池,从而可以更好地控制焊接参数。


IPG Photonics UK销售总监MarkThompson表示:“摆动光束有利于平衡激光器的亮度和热输入。高亮度克服了表面反射率,打开了焊接锁眼。通过摆动来保持稳定的焊接锁孔,可减少焊接接头中的气孔,从而获得更好的焊接完整性。”


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圆形摆动焊接图案,可用于减轻大功率高亮度连续波光纤激光器焊接时的飞溅和缺陷


Thompson继续说,IPG的焊头可以使用多种焊接方式进行摆动,包括横向摆动,圆形摆动或八字形。他说:“复杂的摆动模式可以改善焊接完整性。”同时他认为:客户可以自己确定和判断哪种摆动方式可以在其应用的焊接质量和焊接速度之间提供适当的平衡。


IPG提供的具有内置摆动功能的焊头,可与单模高功率光纤激光器一起使用。Thompson解释:“这种结合可以针对大多数铜焊接应用进行优化。”IPG为电动汽车中的铜加工提供的单模光纤激光器的平均功率在150W至2kW之间。该功率范围通常用于焊接铜排,接线片,“发卡”和箔。


灿烂的蓝色


半导体激光器制造商Nuburu的共同创始人Jean Michel Pelaprat认为,摆动技术只是解决由使用红外激光器引起的问题的其中一种方法而已,他谈到,这种技术在一定程度上只适用于铜厚度超过1毫米的情况,如果所焊接的铜的厚度在1毫米以下,其作用性将大大减少。


Pelaprat说:“虽然摇摆可以很大程度地减少由红外波长吸收率差引起的问题,但要付出的代价是,由于焊缝需要多次重叠,因此必须以较慢的速度进行焊接,这就需要更长的时间。”他补充道,“时间就是金钱,生产时间更长的零件意味着它的成本会更高,但是不能保证完全没有缺陷。”


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使用蓝光半导体激光器焊接40个铜箔片


Nuburu的半导体激光器在蓝色波长(约450nm)下工作,这比在加工铜时在红外下工作的光纤激光器更具有优势。这是因为铜在蓝色波长下的吸收率为65%,而在红外波长下的吸收率为5%,蓝色波长是红外波长吸收率的13倍。与高功率红外激光器相比,更高的吸收率意味着进行铜焊接应用时所需的功率更少——根据Pelaprat的说法,功率几乎降低了一个数量级。功率的降低使得可以通过使用蓝色半导体激光器进行的热传导焊接来实现高质量、无缺陷的铜焊接,Pelaprat表示,这可以显着提高产量,进而降低了生产每个零件的成本。


Nuburu最初的目标是使用激光焊接电动汽车锂离子电池中的8至15μm厚的铜箔:在汽车电池内部,阴极侧有多个铜箔,阳极侧与铝箔交错。把铜箔用高质量的焊缝焊接起来至关重要。当前,该应用主要通过超声波焊接来进行,超声波焊接是一种接触工具,但由于其复杂的几何形状不仅让工艺受限于具体某种焊接方式,而且还会产生会污染电池单体的颗粒。


Pelaprat表示:“这种特殊的焊接不能用红外激光来完成。”另一方面,连续(CW)蓝光或绿光激光可以很轻松地焊接这些箔。这是它们巨大的优势,因为其可以让非接触式工具用于此过程,因此,使用大功率的蓝光半导体激光器焊接箔片具有巨大的应用价值。使用Nuburu的蓝光半导体激光器,一次最多可以将70个箔焊接在一起,然后再焊接到铜接线片上,此外,该激光器还可以用于焊接厚度不超过0.7mm的铜接线片和母线。


与红外纤维激光器相比,用蓝光半导体激光器进行加工时,对功率要求的降低还与焊接少量铜时的速度提高相吻合,Pelaprat表示:在铜的厚度为0.5mm时,焊接速度可提高八倍。


Pelaprat还指出,对于更大的厚度(约4mm或更高),通常尽管使用蓝光半导体激光器进行焊接的速度和质量实际上会比使用红外激光器进行焊接的速度和质量更快,但实际上它们会降低。


当使用蓝光半导体激光器时,厚度更大的铜的焊接速度会降低,目前市售的激光焊接系统并没有针对这种铜的焊接厚度。


“例如,对于5至8mm的厚母排的焊接,需要12至16kW的功率才能进行高速焊接。”Trumpf的Buehrle表示,目前尚无蓝色或绿色激光能够提供此功能。“对于这些焊接厚度,最好使用红外激光,因为虽然最初会在铜的表面经历高反射,但是一旦光束进入铜内部,它就可以以高功率穿透到底部从而完成焊接。”


考虑到蓝光激光器由于其较高的吸收率而需要的功率较小的特点,因此Pelaprat预计将需要1至2kW之间的蓝色二极管激光器来处理更大厚度的铜。目前,Nuburu提供150W和500W的蓝光二极管激光器——后者已于2019年早些时候在美国西部光电展(PhotonicsWest)推出。Pelaprat保证,不久之后还将发布千瓦级的激光器。他确认说:“每年我们将进一步增加力量。”


Nuburu还计划在未来通过减小光斑尺寸来提高其激光器的亮度,Pelaprat说这将使他们的产品能够焊接更大厚度的铜,或者在焊接较小厚度的铜时提高速度。此外,他解释说,Nuburu激光器中使用的由氮化镓制成的蓝色二极管的效率逐年提高,因此,将来也有望获得具有更高效率的蓝光半导体激光器。


半导体激光器制造商Laserline在2019年2月份宣布,其LDMblue激光器现在能够提供高达1kW的输出功率,但是该激光器目前的目标是厚度不超过0.5mm的铜焊接。


除了具有更高输出功率的蓝光半导体激光器外,Laserline还计划推出一种混合激光器,该激光器能够使用蓝光和红外波长的组合来焊接更大厚度的铜。


走向绿光


在材料厚度较低且对热量输入进行控制的需求较高的情况下,与其使用大功率红外激光器(根据上述Buehrle的说法,这种激光器在进行薄厚度铜的受控焊接深度方面上的适用性十分局限)——Trumpf子公司SPI开发了一种使用100W脉冲光纤激光器的纳秒级焊接工艺,该工艺可以在0.3mm厚的铜制接头中实现出色的焊接效果。


该技术可以制作多个光斑,以便使用螺旋光斑将焦点适当地粘合到聚焦区域。但是,此过程的一个问题是,虽然对热量的输入和渗透的控制非常高,但由于使用的平均功率较低,因此导致焊接时间可能非常缓慢。为了在0.2至0.5mm的深度焊接此类铜片,Trumpf开发了自己的解决方案,该解决方案使用连续绿光激光器进行热传导或深熔焊。与蓝光激光相似,波长为515nm的绿光激光被铜高度吸收——室温下约有40%的功率被铜吸收。激光还可用于焊接电池单元中的铜箔层。


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绿光激光器因其特性特别适合处理高反金属


“我们的绿光激光器基于我们的红外碟片激光器技术。但是,当光离开谐振器时,它会从红外转换为绿色波长,”Buehrle解释说。碟片激光器的优点是其坚固的设计可以防止任何背向反射的辐射去损坏激光器的光学系统,这一点是光纤激光器的潜在问题。


此外,Beuhrle继续说,“我们在紧凑的结构中提供了绿色激光器,类似于光纤激光器,但绿光激光器具有集成冷却功能。”它们还可以从单个激光源提供多个输出,而光纤激光器需要外部组件来提供此功能。


Trumpf的连续绿光激光器——TruDisk1020,既能提供1kW的功率,又能提供2mm.mrad的光束参数乘积,根据Buehrle的说法,这意味着可以将50µm的光纤连接到激光器,使其适合于扫描应用。他补充说,在实验室中,他们的绿光激光器已经在以更高的功率工作。


Buehrle认为,尽管红外光纤和碟片激光技术适用于涉及更大厚度的铜的电动汽车应用领域,但对于拉片和箔焊接而言,绿色激光具有优势,并且是更好的解决方案。


他说:“我认为,将来对于厚度小于4mm的铜,绿光激光将是首选解决方案。


未来将需要具有更高激光功率的绿色激光器,以便焊接厚度超过1mm,这是1kW绿色激光器的当前极限。当功率高达3kW之后,绿光激光便可以适用于以任意速度焊接厚度超过1mm的铜。

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