藍光(guang)激光焊接銅(tong)（高(gao)反光金屬）極(ji)具(ju)優勢(shi)
如(ru)今(jin)，工(gong)業激光在(zai)材(cai)料(liao)加(jia)工、消(xiao)費電子(zi)、汽(qi)車製(zhi)造和國(guo)防領(ling)域具有重要應用(yong)，如焊接、切(qie)割和(he)熔(rong)覆(fu)等(deng)。與(yu)傳(chuan)統的材料處(chu)理相比，它(ta)們更快、更靈活(huo)、更(geng)精確(que)、更清(qing)潔(jie)，且不需要(yao)冷(leng)卻(que)液(ye)或(huo)溶(rong)劑(ji)，因此(ci)不(bu)會留(liu)下(xia)顆(ke)粒殘(can)留物，避免了額(e)外(wai)的(de)清洗(xi)工序。
這些(xie)特性使得激光非常適(shi)合切割(ge)和焊接。但(dan)是，目(mu)前(qian)流(liu)行(xing)的紅(hong)外激光（波長1 µm）以(yi)及(ji)二(er)氧(yang)化碳(tan)激光器（波長10.6 µm），對(dui)常(chang)見波(bo)長反(fan)射(she)率高的材料不奏(zou)效或者不能(neng)焊接，尤(you)其是(shi)金(jin)、銀、銅等有(you)色(se)金屬(shu)，限(xian)製了(le)激光在電池、電子和電動汽車(che)方麵的應用。
2017年(nian)以來，一(yi)種藍光激光器逐(zhu)漸(jian)引(yin)起(qi)了人們(men)的注(zhu)意(yi)，450 nm藍(lan)光激光對常見波長反射率高的材料的吸(xi)收率非(fei)常高。若是相同(tong)的應用，原本(ben)幾(ji)千瓦(wa)的紅外激光器功(gong)率，切換(huan)到藍光時(shi)隻需要500 W，並(bing)且(qie)解(jie)決(jue)了紅外激光焊接時“大量(liang)飛濺汙(wu)染(ran)”的問(wen)題(ti)。
金屬材料的低光學(xue)吸收(shou)率
在焊接領域，激光的精度和靈(ling)活性(xing)明顯優(you)於(yu)其它焊接方法。激光焊接具有高功率(lv)密度特點，可在指定的、非常小的區域(yu)熔化目標(biao)材料，形成尺(chi)寸(cun)精(jing)確和美觀(guan)的焊縫(feng)，且熱影(ying)響(xiang)區小，不會影響材料性能。但是，金屬材料的光學吸收性能差(cha)，在一定程度(du)上(shang)會抵(di)消上述優點，例如在1080nm波長附(fu)近，銅的輻(fu)射能量吸收率隻(zhi)有5%
吸收率低意味著需(xu)要大(da)量額外的激光能量來產生熔池(chi)。然(ran)而一旦熔池形(xing)成，吸收率就(jiu)會突(tu)然增高，導致(zhi)工藝過(guo)程窗口非常狹(xia)窄(zhai)、材料熔穿。因此，過程(cheng)中(zhong)激光功率和焊接速度必(bi)須達成微(wei)妙的平(ping)衡。
采(cai)用藍光激光器對銅進(jin)行導熱焊接。這(zhe)是用紅外激光不可能實(shi)現(xian)的。
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即便如此，熔池本身(shen)也不穩(wen)定(ding)，容易產(chan)生(sheng)大量飛(fei)濺(jian)。因為(wei)局(ju)部瞬(shun)時蒸(zheng)發會產生微小的爆(bao)破(po)，導致微粒從(cong)焊縫中飛濺出來(lai)，影響焊縫質量。避(bi)免(mian)該問題的方法是通(tong)過改(gai)變焊接參(can)數，例如設置(zhi)“Wobbing”運動，即(ji)走(zou)軌(gui)跡(ji)時激光束繞(rao)著(zhu)軌跡上的每(mei)個點(dian)做(zuo)微小擺(bai)動。這種(zhong)非線(xian)性的運動方(fang)式，可(ke)減(jian)少(shao)“飛濺”問題的嚴(yan)重(zhong)程度，但無法根(gen)本消除，還(hai)降(jiang)低(di)了焊接速(su)度。
采用藍光進行深(shen)熔焊，無飛濺。這是放大200倍的截(jie)麵(mian)。
藍光激光焊接可有效(xiao)解決上述問題。藍光的波長約(yue)為450 nm，銅金屬對藍光的吸收率可達65%。高吸收率大大增(zeng)加了工藝(yi)過程窗(chuang)口(kou)，可通過參數控(kong)製對焊接效果(guo)進行細(xi)微調(diao)整。藍光焊接可以用在傳導(dao)焊和匙(shi)孔(kong)焊兩種方式(shi)下，均可實現“無飛濺焊接”。除(chu)了質(zhi)量上的提(ti)升(sheng)，藍光焊接銅金屬還具有明(ming)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(nan)題上，也證明了其優勢。許多(duo)電子應用需要將(jiang)銅和不鏽鋼，以及銅和鋁連(lian)接起來。不同金屬吸收光輻射的方式不同，熔化溫(wen)度也不同。
對藍光波長的高吸收率可對焊接參數(shu)進行調整。焊接不同金屬的一個(ge)常見問題是金屬間(jian)化合物的合金部(bu)分(fen)，該(gai)區域經常表現出較弱(ruo)的機械(xie)和電學特(te)性。而(er)藍光激光焊接可最大限度地減少金屬間化合物(wu)的形成(cheng)，比紅外焊接多了一個質量優勢。
激光器中的可靠的藍色氮(dan)化镓二極管
藍光激光焊接的優勢來源於材料對450 nm波長(zhang)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(que)點是功率低。據(ju)了解，目前世(shi)界上最(zui)高功率的藍光激光器是1500 W。尚需要開(kai)發高功率藍光激光器的關(guan)鍵(jian)技術(shu)，例如製造可靠(kao)的藍色氮化镓(GaN)二極管(guan)、耦(ou)合和組合光學。
1962年發(fa)明的二極管激光器，具有操(cao)作(zuo)簡單(dan)和體積小的特點。單個激光二極管的功率受(shou)到(dao)有源麵積(ji)大小的限製，因(yin)此被限製在相對較(jiao)低的輸出功率。但通過將許(xu)多單個二極管的輸(shu)出(chu)組(zu)合起來，能夠(gou)獲(huo)得(de)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(fa)的啟發，受益於固(gu)態照(zhao)明技(ji)術（solid-state lighting ）及其相(xiang)關技術的進步(bu)，工程師設計了一個集(ji)成了藍色二極管激光器輸出模(mo)塊的係統(tong)，創(chuang)造(zao)出了適合工業(ye)應用的高質量、高功率和高亮(liang)度的光纖(xian)耦合激光器。輸出光束(shu)由(you)快(kuai)軸(zhou)和慢(man)軸準直(zhi)器微光學（fast-axis and slow-axis collimator micro-optics ），與傳統的非球(qiu)麵的和偏(pian)光的宏(hong)觀光學（ aspheric, and polarizing macro-optics）相結合。最終(zhong)將單光束耦合在200 µm纖芯的光纖內(nei)。考(kao)慮(lv)耦合和傳輸損(sun)失(shi)，光效率仍接近(jin)95%
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藍光激光器的應用
鋰離(li)子電池通過將多個薄銅片和鋁片相鄰地分層(ceng)來實現高能量密(mi)度。多層電極片的連接和電池極耳(er)的焊接，都(dou)可以使(shi)用藍光激光器焊接。其(qi)比常規(gui)的超(chao)聲(sheng)波焊接和紅外激光焊接速度更快，藍光激光器一致性更好(hao)，尤其是無(wu)“飛濺汙染”。因為紅外激光焊接的飛濺汙染物會(hui)迅(xun)速降低電池性能。
上圖(tu)顯(xian)示了40層10µm厚(hou)的銅箔采用藍光焊接後(hou)的截麵，無缺陷焊縫。
焊接速度和質量在其它消費(fei)電子應用上也(ye)同樣重要。在許多消費電子產品中，銅必須(xu)連接到鋁甚(shen)至(zhi)不鏽鋼上。焊接不同的材料往往(wang)會產生金屬化合物區域——組成和結(jie)構(gou)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(qiang)度。采用藍光焊接比現有技術更有優勢。
藍光激光也適用於電子產品的大批(pi)量製造，例如手機、平板(ban)電腦(nao)、計(ji)算(suan)機等任(ren)何(he)以銅為主(zhu)要元件的應(ying)用中。藍光激光在焊接銅、不鏽鋼和鋁(lv)方麵已(yi)經證(zheng)明了其優勢。事(shi)實上，藍光激光也適用於薄(bao)金屬之間的低/無缺陷快速連接。
可以想(xiang)象(xiang)，隨著更高功率藍光激光器的出現，新的應用也會隨(sui)之(zhi)出現。對於藍光激光器來說(shuo)，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(dai)，未來可期。
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