蓝光+红外复合焊接技术

蓝光+红外复合焊接技术

蓝光发展的必然性.

在激光加工应用中，金属的激光吸收率对于加工应用具有决定性意义。随着市场对铜、铝及其合金等高反材料切割的需求不断增长，蓝色激光器广泛应用于铜等金属的微加工领域。铜、金等材料由于反射率高，对红外及其他波长激光的吸收率极低，同时还具有良好的导热性。当激光照射到这些材料上时，大部分能量会被反射，被照射的部分能量会很快转移到周围。这使得铜、铝和合金等材料的激光切割极其困难甚至不可能加工。

图中为不同材料对不同波长激光的吸收率对比。不同类型的激光光源有不同的应用范围、加工对象和用途。大量实际数据表明，红外激光源在许多工业应用中表现良好，但在高反射金属加工中并不理想。高反材料在蓝色激光源发出的蓝光波段具有极高的激光吸收率，可以达到铝、铜等常见高反材料红外光的8-10倍。

蓝色激光的基本特性 来源

蓝色激光源是一种半导体激光源。按照标准封装形式，半导体激光器主要有单管式、棒式、堆叠阵列式等。

左上图为半导体激光器的单管结构。每个激光源都是一个独立的单元。由于不受热串扰影响，因此散热特性好，寿命长，可连续工作长达20万小时；发光宽度一般为5um-10um。目前商用的9xx单管半导体激光源最大功率可达15w。右上图为一维单管阵列半导体激光器Bar结构。一般来说，Bar的每个单管都会按照一定的间隔排列，Bar中的单管数量可以是19根、24根、49根。每个Bar相当于多个单管排列封装起来。一般情况下，Bar的宽度为1厘米，因此也称为厘米Bar，近年来研究并使用了Mini-Bar，主要由5个单管发光单元组成。目前德国DILAS生产的高功率红光激光模组就是采用这款Mini-Bar开发的。目前单条输出功率可以达到1000W，商用条功率可以做到200W输出，需要水冷。下面两张图是二维单管阵列半导体激光器芯片。由于发光点比条形和单管更多，因此具有更高的输出功率。目前德国DILAS生产的堆叠阵列最大功率为8000W。由于堆叠阵列中的发光点排列更加紧凑，因此散热要求非常高。

作为半导体激光器，其工作原理是内部半导体材料中的电子发生跃迁，激发光子辐射，从而引起光振荡和放大。激光器产生激光的基本条件是：激发源、增益介质、稳定的谐振腔。蓝光的产生也是通过将单个二极管组合成条形，然后组合成堆栈，最后合成为激光器来完成的。

从焊缝表面形貌可以清楚地看出，铜“喜爱”蓝光。焊缝光滑、均匀，无缺陷或凹凸不平。这种光滑的表面形貌表明铜材料在焊接过程中能够很好地结合在一起，并在冷却后形成连续均匀的界面。这种光滑均匀的焊缝表面不仅提高了焊接接头的强度，而且使整个焊缝区域更加美观。

靠近-红外波长 - 2000W 蓝色波长 - 500W

图为母材和焊接接头的拉伸曲线。可以看出，基材的抗拉强度约为300 MPa。采用红外光纤激光焊接时，在最佳工艺参数下，焊接接头的抗拉强度为156 MPa，约为母材的50%，伸长率约为母材的55%。采用蓝光半导体激光焊接时，在最佳工艺参数下，焊接接头抗拉强度为246 MPa，比红外光纤激光焊接接头提高约30%，延伸率提高约40% 。

采用近红外光纤激光焊接时，在功率2000W、焊接速度20mm/s的条件下，焊缝横截面如左图所示。可以看出，焊缝呈圆锥形，焊缝前部宽度较宽，焊缝后部宽度较窄，焊缝两侧存在相对弯曲，变形较大。这是因为铜对近红外波长激光的吸收率较低，仅为4%，需要较高的激光功率才能达到铜的熔点。较高的激光能量输入会导致材料变形更大。采用蓝光半导体激光焊接时，在功率500W、焊接速度20mm/s的条件下，焊缝横截面如右图所示。可以看出，焊缝呈梯形，焊缝前部宽度较窄，焊缝后部宽度较宽，焊缝两侧没有明显的弯曲，变形较小。这是因为铜对蓝光波长激光的吸收率很高，达到40%，只需要较低的激光功率就可以达到铜的熔点。较低的激光能量输入使得上层材料在吸收激光能量后能够快速将激光能量传输到下层材料，从而在较低的激光能量输入下获得更宽的焊缝背宽和更小的材料变形。

蓝光+红外复合焊接的必要性

对于红外：对于高反材料的焊接，红外激光加工蒸汽压力较高，飞溅明显，熔池波动剧烈。

关于蓝光

单个半导体芯片的功率较低。在相同纤芯直径下，可耦合进来的光束数量是固定的，因此整体功率密度必须较低。因此蓝光只能作为辅助功能。

蓝光+红外复合优点：

（1）基于有色金属尤其是Cu对蓝光波长吸收率的大幅提高，可以利用低功率蓝光有效加工Cu基材料；

（2）基于蓝光激光器的功率放大原理，蓝光光源的能量分布更加均匀，在实现加工区域的均匀性和抑制因能量分布不均匀引起的飞溅方面具有独特的优势；

（3）从目前蓝光技术的发展来看，千瓦级的技术水平和成本已经较高。与相对成熟的光纤激光器相结合，可以大大改善加工场景和效率。

蓝光+红外复合实现

下面对双波长同轴系统的光路图进行详细说明。该系统通过精密的光学镜片镀膜技术设计了独特的光路。其核心思想是通过特定的光学透镜排列和镀膜设计，使两束不同波长的光线同时进入并聚焦在母材上。这种光路设计的优点是可以将不同波长的光束会聚到同一焦点，从而实现双波长或多波长的并行处理。此外，这种设计还可以提高光学系统的稳定性和可靠性，因为所有光学元件都位于同一轴上，减少了误差和畸变。在实现这一设计的过程中，关键技术包括光学镜片的精确选材、精确组装和精确镀膜。首先，需要选择具有所需光学特性的透镜，以便正确引导和聚焦不同波长的光。其次，这些透镜需要以高精度的方式组装在一起，以确保光线的精确对准。最后，还需要采用精密的镀膜技术，确保镜片能够准确地反射和透射所需的光线。总的来说，双波长同轴系统的光路设计是一项创新技术，可以实现不同波长光的并行处理，提高光学系统的稳定性和可靠性。这一设计是通过精密的光学镜片镀膜技术和高精度组装技术实现的，为各种应用提供了技术支持。

蓝光+红外复合应用

1）方壳电池极柱焊接

电池极柱是连接电池内外的关键部件。极柱焊接是动力电池盖板生产过程中不可缺少的环节。为了保证优良的电气性能，铜、铝合金是极焊常用的材料。采用蓝光复合焊接技术，可获得优良的焊接质量。

2）方壳电池软连接

适配器焊接工艺是动力电池生产中的关键步骤。其目的是将电池组极耳与顶盖极柱可靠连接。然而，由于由多层箔制成的极耳无法直接与电极实现高质量连接，因此需要适配器技术。近年来，随着蓝光相关技术的不断发展，该工艺取得了一定的突破，有望引领动力电池生产工艺的技术创新。在传统的激光焊接技术中，由于多层箔片的特殊结构，极耳和极柱之间无法实现高质量的连接。因此需要适配器焊接技术来解决这一问题。适配器焊接技术通过在极耳和极柱之间设置适配器，实现极耳和极柱之间的可靠连接。随着蓝光相关技术的不断发展，这一工艺已经取得了一定的突破。蓝光相关技术是一种新型焊接技术，具有速度快、精度高、成本低等优点。在动力电池的生产中，采用蓝光相关技术可以实现极耳与极柱之间的高质量连接，提高电池的能量密度和安全性。总之，适配器焊接工艺是动力电池生产中的关键步骤。随着蓝光相关技术的不断发展，该工艺已取得一定突破，有望引领动力电池生产工艺的技术创新。

3) 扁线电机

目前用于焊接扁铜线的激光技术主要采用红外激光器，但由于铜对红外激光的吸收率很低，因此在焊接过程中需要高功率的激光器，这使得设备成本较高。另外，大功率焊接会产生过多的热量，非常容易损坏扁铜线的漆包层。同时，焊接过程中产生的飞溅较大，飞溅物会飞散到电机内部，导致产品性能下降。然而，采用蓝光复合焊接技术可以降低设备使用的功率，显着减少焊接飞溅，提高产品质量。这种新型焊接技术不仅降低了设备成本，而且提高了焊接效率和质量。因此，蓝光复合焊接技术是一种更具吸引力和可读性的焊接方法。

4) 铜/黄铜散热器

铜因其良好的散热性能且成本比金、银低而被广泛应用于散热器行业。由于铜对红外光的吸收率非常差，因此其焊接通常需要非常高的激光功率密度。焊接过程中，极高的功率密度可以形成匙孔焊接，但液态铜的流动特性导致匙孔开口快速闭合。小孔内的高压气体很容易打开小孔开口，形成焊接飞溅，严重导致焊孔缺陷。

前景

未来，随着材料科学和微纳制造技术的不断发展，蓝色激光器将不断得到改进和优化。预计未来将出现更高效的蓝色激光器，输出功率更高、尺寸更小、成本更低，可以满足更多领域的应用需求。同时，随着人工智能和机器学习技术的不断发展，蓝色激光器的智能化也将成为未来的重要趋势之一。通过引入人工智能技术，可以实现激光器的智能控制和优化，提高其性能和效率。总之，作为近年来发展迅速的新型激光器，蓝色激光器的发展充满挑战和机遇。随着技术的不断进步和应用需求的不断增长，蓝色激光器将不断改进和优化，为人类社会的发展做出更多贡献。