MFC：高亮度光纤激光用于铜焊接

随着电池新技术的发展以及电池容量变得更高，对相应连接技术的需求也逐渐增加。虽然软焊仍然是用于消费电子产品中低功率应用的主要技术，但在高传输电流，或是在接头高荷载和动态荷载应力的情况下，则必须应用焊接技术。电动汽车产业尤其推动了这一趋势，汽车行业及其供应商正在为电力存储和线路传输应用等大批量生产作业寻找坚固而高效的工艺。

过去，由于材料的物理性能，激光技术在焊接铜和铜合金时会受到限制。 如今，高功率和高亮度的光纤激光器的出现一一克服了这些限制，通过新型和合适的加工技术，可以在高效的焊接工艺中打造出稳定、无缺陷的接头。

图1：通过高速的光束摆动工艺实现无缺陷的铜焊接

通过高速视频评估显示，稳定的工艺可在不到1ms的时间内建立。对于连续波（cw）焊接操作而言，这个障碍必须在焊接开始时就予以克服。匙孔焊接工艺建立后，便会提供恒定的高吸收率。而对于脉冲操作则必须在每个脉冲开始时将其克服。

表1：在不同状态下，铜对近红外激光辐射的吸收率。

使用这些单模光纤激光器和低阶模高亮度激光器，可以达到高于108W/cm²的功率密度，甚至在几百瓦的功率下也能够实现可靠的耦合。与功率相当的普通多模激光器相比，这些激光器的强度高达五十倍（见表2）。IPG提供 YLR系列的单模光纤激光器，其功率从100W至1000 W不等，并配有19”的紧凑型机架；此外公司还提供功率高达10 kW的YLS系列光纤激光器（图2）。 这两个系列的整体效率都达到40％。

表2：激光器的功率密度取决于光斑直径

图2：高功率单模光纤激光器：风冷机架式YLR-1000-SM （左）以及3kW系统型YLS-3000-SM（右）。

图3：加工速度对焊缝质量和焊缝深度的影响

通过这种摆动技术，仅使用1kW功率的单模光纤激光器便能实现高达1.5mm焊接深度的高质量铜焊缝。与焊接速度相关的焊接深度可以得到轻松控制，而不影响焊接质量。同样的技术也能够应用于高亮度多模激光器。使用一款功率为6kW，光束质量为2 mm mrad的光纤激光器测试后显示，实现了5mm焊缝深度的高质量焊接。

光束的动态控制可以通过传统的扫描振镜或新型的摆动头实现，摆动头结合了经过验证的焊接头与扫描振镜的性能优势。两个振镜能够灵活地使用各种预先编程的图形和形状，例如圆形、线条或“8字形”，以及一定尺寸内可自由编程的图形和形状。其主要优点之一是能使用标准的聚焦镜而不是f-theta场镜可以在较低的焦点偏移水平下承受更高的功率密度，同时，常规的横向气帘和防护窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列摆动焊接头可以在高达1 kHz的摆动频率下工作，并且可轻松集成到各种加工系统中（图4）。这些焊接头可承受的激光功率高达12 kW。

图4：IPG 推出的FLW-D30和FLW-D50系列摆动焊接头

提供最佳结果的频率设置取决于光斑尺寸、摆动直径（以及由此得出的圆形光束速度vc）和线性焊接速度。图5显示了在恒定的焊接速度、激光功率和频率，但摆动直径不同的工艺条件下的焊缝表面。光斑尺寸在焦距f = 300mm处约为30μm。激光功率保持为恒定的1kW，而线性焊接速度设定为1m/min。如果没有摆动运动，这些参数将导致非常不稳定的工艺，例如：过热的熔池和气孔。

图5：摆动幅度对焊缝宽度和质量的影响

图6：铜的摆动焊接：单模光束的模拟路径和实际路径; 光斑尺寸d =30μm，振幅为600μm

图7：摆动幅度对焊缝横截面的影响

即使加工头没有发生任何移动，也可以用高频光束运动来实现静态“点”焊。 重叠点焊或用于电机的扁平接线端部焊接可以通过小圆形或短线形光束的高重复运动实现。图8显示的是通过准静态焊接工艺被焊接在一起的三个扁平接线端部的焊缝横截面。

图8：三个扁平铜线的焊接

通过使用单模激光器减小光斑尺寸，可以绕过吸收率问题，但同时，集中的能量输入一方面会导致产生小而弱的焊点，另一方面则会导致熔体过热。这个问题的解决方案和连续激光器所用的工艺一样简单，可以在准连续（QCW）激光器上使用相同的摆动技术。

高频光束运动使得激光光束在相对较短的脉冲时间内移动相对较长的距离。这意味着在一个脉冲期间我们实现了准连续焊接，例如，在600Hz摆动频率下的20ms长的脉冲实现由十二个旋转的光束组成的圆形焊点或短线焊。通过向线性焊缝逐个添加脉冲能够使铜焊接具有高焊接质量、低平均功率以及相应的低投资成本。各个脉冲之间的凝固和重熔不会产生诸如气孔、强烈的飞溅或不均匀的焊透深度等焊接缺陷

摆动直径确定了焊缝尺寸和焊缝深度。图9显示的是高速视频下的线性脉冲焊缝前五个焊点的静态照片。各个焊点有好的一致性，焊点质量和稳定性均与材料表面无关。除此之外，热输入要小得多，因此采用脉冲光纤激光器很容易对关键电气元件进行焊接。