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    藍光激光焊接銅(高反光金屬)極具優勢

    作者:西安鈞同  來源:西安鈞同   更新時間:2021-05-09  閱讀數:26

    藍光激光焊接銅(高反光金屬)極具優勢

        如今,工業激光在材料加工、消費電子、汽車制造和國防領域具有重要應用,如焊接、切割和熔覆等。與傳統的材料處理相比,它們更快、更靈活、更精確、更清潔,且不需要冷卻液或溶劑,因此不會留下顆粒殘留物,避免了額外的清洗工序。

         這些特性使得激光非常適合切割和焊接。但是,目前流行的紅外激光(波長1 μm)以及二氧化碳激光器(波長10.6 μm),對常見波長反射率高的材料不奏效或者不能焊接,尤其是金、銀、銅等有色金屬,限制了激光在電池、電子和電動汽車方面的應用。

        2017年以來,一種藍光激光器逐漸引起了人們的注意,450 nm藍光激光對常見波長反射率高的材料的吸收率非常高。若是相同的應用,原本幾千瓦的紅外激光器功率,切換到藍光時只需要500 W,并且解決了紅外激光焊接時大量飛濺污染的問題。

       金屬材料的低光學吸收率

       在焊接領域,激光的精度和靈活性明顯優于其它焊接方法。激光焊接具有高功率密度特點,可在指定的、非常小的區域熔化目標材料,形成尺寸精確和美觀的焊縫,且熱影響區小,不會影響材料性能。但是,金屬材料的光學吸收性能差,在一定程度上會抵消上述優點,例如在1080nm波長附近,銅的輻射能量吸收率只有5%。

        吸收率低意味著需要大量額外的激光能量來產生熔池。然而一旦熔池形成,吸收率就會突然增高,導致工藝過程窗口非常狹窄、材料熔穿。因此,過程中激光功率和焊接速度必須達成微妙的平衡。

    采用藍光激光器對銅進行導熱焊接。這是用紅外激光不可能實現的。

     

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    即便如此,熔池本身也不穩定,容易產生大量飛濺。因為局部瞬時蒸發會產生微小的爆破,導致微粒從焊縫中飛濺出來,影響焊縫質量。避免該問題的方法是通過改變焊接參數,例如設置“Wobbing”運動,即走軌跡時激光束繞著軌跡上的每個點做微小擺動。這種非線性的運動方式,可減少飛濺問題的嚴重程度,但無法根本消除,還降低了焊接速度。

     


    采用藍光進行深熔焊,無飛濺。這是放大200倍的截面。

        藍光激光焊接可有效解決上述問題。藍光的波長約為450 nm,銅金屬對藍光的吸收率可達65%。高吸收率大大增加了工藝過程窗口,可通過參數控制對焊接效果進行細微調整。藍光焊接可以用在傳導焊和匙孔焊兩種方式下,均可實現無飛濺焊接。除了質量上的提升,藍光焊接銅金屬還具有明顯的速度優勢,比紅外激光焊接快5倍。

        除銅外,其它金屬采用藍光焊接也有這樣的優點。另外,藍光激光在焊接不同類金屬的難題上,也證明了其優勢。許多電子應用需要將銅和不銹鋼,以及銅和鋁連接起來。不同金屬吸收光輻射的方式不同,熔化溫度也不同。

        對藍光波長的高吸收率可對焊接參數進行調整。焊接不同金屬的一個常見問題是金屬間化合物的合金部分,該區域經常表現出較弱的機械和電學特性。而藍光激光焊接可最大限度地減少金屬間化合物的形成,比紅外焊接多了一個質量優勢。

                            激光器中的可靠的藍色氮化鎵二極管

        藍光激光焊接的優勢來源于材料對450 nm波長吸收的物理特性。這些固有的物理特性提高了藍光的焊接效率,缺點是功率低。據了解,目前世界上最高功率的藍光激光器是1500 W。尚需要開發高功率藍光激光器的關鍵技術,例如制造可靠的藍色氮化鎵(GaN)二極管、耦合和組合光學。

    1962年發明的二極管激光器,具有操作簡單和體積小的特點。單個激光二極管的功率受到有源面積大小的限制,因此被限制在相對較低的輸出功率。但通過將許多單個二極管的輸出組合起來,能夠獲得高功率的合成激光輸出。

        受紅外直接二極管激光器(IR direct diode lasers )開發方法的啟發,受益于固態照明技術(solid-state lighting )及其相關技術的進步,工程師設計了一個集成了藍色二極管激光器輸出模塊的系統,創造出了適合工業應用的高質量、高功率和高亮度的光纖耦合激光器。輸出光束由快軸和慢軸準直器微光學(fast-axis and slow-axis collimator micro-optics ),與傳統的非球面的和偏光的宏觀光學( aspheric, and polarizing macro-optics)相結合。最終將單光束耦合在200 μm纖芯的光纖內??紤]耦合和傳輸損失,光效率仍接近95%。

     

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                                      藍光激光器的應用

         鋰離子電池通過將多個薄銅片和鋁片相鄰地分層來實現高能量密度。多層電極片的連接和電池極耳的焊接,都可以使用藍光激光器焊接。其比常規的超聲波焊接和紅外激光焊接速度更快,藍光激光器一致性更好,尤其是無飛濺污染。因為紅外激光焊接的飛濺污染物會迅速降低電池性能。

     


    上圖顯示了4010μm厚的銅箔采用藍光焊接后的截面,無缺陷焊縫。

        焊接速度和質量在其它消費電子應用上也同樣重要。在許多消費電子產品中,銅必須連接到鋁甚至不銹鋼上。焊接不同的材料往往會產生金屬化合物區域——組成和結構不同的區域,金屬間化合物會降低電傳導質量和焊縫機械強度。采用藍光焊接比現有技術更有優勢。

        藍光激光也適用于電子產品的大批量制造,例如手機、平板電腦、計算機等任何以銅為主要元件的應用中。藍光激光在焊接銅、不銹鋼和鋁方面已經證明了其優勢。事實上,藍光激光也適用于薄金屬之間的低/無缺陷快速連接。

    可以想象,隨著更高功率藍光激光器的出現,新的應用也會隨之出現。對于藍光激光器來說,它的優勢與材料對光波吸收的物理特性相關,其它波長激光無法替代,未來可期。

     

     

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