多波长复合技术可以改善深熔焊接质量？正解！

文 / 姚新宇，深圳市联赢激光股份有限公司工艺工程师

激光焊接已在各行各业得到广泛应用，焊接材料也更多样化，材料的不同焊接特性以及产品精度差使得常规激光焊接存在一些难以解决的工艺问题，比如装配间隙大，焊接飞溅、内部气孔、焊道裂纹、焊接熔池不稳定等。这些工艺问题采用新工艺“多波长复合焊接”技术能够得到很好的解决。

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多波长复合焊接原理

光纤激光在焊接中常进行深熔焊接。深熔焊要求光斑功率密度极高，焊接形成匙孔，形成深宽比大的熔池，但为满足高功率密度，一般光斑较小，对配合间隙要求较高，且深熔焊焊接形成匙孔时大量高压金属蒸汽释放，易产生飞溅、爆点，熔池温度高且内部流动剧烈，熔池波动明显。

半导体激光在焊接中常进行热导焊接。热导焊接一般光斑较大，形成熔池较宽，对配合间隙要求较低，由于热导焊接不形成匙孔，所以焊接过程中熔池温度较低，熔池流动性好，焊接过程不产生明显熔池波动，焊接无飞溅，焊缝平整美观，但热导焊无法形成匙孔，不适合需要深熔焊的产品。

多波长激光复合焊接技术是通过多波长复合焊接头将红外激光与蓝光/半导体激光复合在一起（如图1），使两束激光的轴线在空间上重合，红外激光进行深熔焊接，蓝光/半导体激光具备预热缓冷的作用，并适度进行热传导焊接。

图1 红外激光与蓝光/半导体激光的多波长焊接示意图

复合焊接头利用波长合束技术使两种波长的光在合束后聚焦于同一点进行焊接。激光头设置调节机构，可使两个波段的焦点在X-Y平面及Z轴方向可调，根据不同的焊接工艺可调节相对离焦量或两焦点光斑的同心度。

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多波长复合焊接优势

多波长复合焊接技术具有以下优势：能够降低材料吸收阈值，加工能力更可控；能够减少激光焊接缺陷 ( 气孔、裂纹 )，提高焊缝强度；能够大幅减少焊接飞溅；能够改善焊缝成型质量；能够大幅提升生产效率等。

近年来，随着新能源汽车、航空航天等制造业的高速发展，市场对铝合金需求量逐年递增。在市场庞大需求的推动下，铝合金高效、优质焊接技术研究越来越受到国内外同行的关注。

通过外观对比图分析（图2）发现，光纤-半导体多波长更利于铝合金激光焊接。焊缝外观表面更加均匀，焊接效果更加稳定，焊接存在的缺陷要明显少于单波长。在形貌特征上产生的飞溅附着物明显少于单波长。

图2 焊接外观对比图

在激光加工应用中，金属的激光吸收率对于加工应用来说，具有决定性的意义。激光器的激光光源种类不同，他们的应用范围就不同，加工对象和所达目的也不同。大量实践数据表明，红外激光器在许多工业运用领域表现出色，但在常规高反金属的加工方面并不理想，而常规高反材料如铜材在蓝色波段下却有极高的激光吸收率，能达到红外光的10-20倍。

铜材作为常规高反材料中最重要的一员，也是工业领域最常见的金属材料之一，因其极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于各行各业。为打破铜材对红外光吸收率极差、极易形成焊接飞溅和气孔等加工难题，可采用光纤与蓝光双波长复合进行焊接。

图3可以看出光纤-蓝光多波长复合焊接可以提高焊道熔深熔宽，抑制焊接飞溅，焊道外观光滑，表面均匀，焊道一致性好。

图3 单光钎焊接紫铜（上）和光纤 - 蓝光多波长复合焊接紫铜（下）

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多波长复合焊接应用

（1）电芯顶盖

多波长复合焊接技术能够大幅提升焊接速度，改善焊接质量，典型应用为顶盖焊接通过半导体激光复合焊接技术将焊接速度由传统光纤激光焊接的70 mm/s提升至200 mm/s，目前量产最高速度可达250 mm/s。

单波长焊接外观跟焊接参数存在密切的关系，越靠近焦点，功率密度越高，焊接外观越粗糙；光纤-半导体多波长焊接在深熔焊过程中，半导体激光有稳定熔池的作用，即使在焦点也能获得较好的外观（图4）。

图4 单光纤焦点焊接顶盖外观（左）和光纤 - 半导体多波长焦点焊接顶盖外观（右）

如图5所示，单波长高速焊接顶盖，焊道底部存在较多气孔，光纤-半导体多波长复合高速焊接顶盖焊道内部气孔大大减小。

图5 单光纤高速焊接顶盖底部气孔（左）和光纤-半导体多波长高速焊接顶盖底部气孔（右）

（2）电芯注液孔

近年来，随着电池生产商对设备的生产效率及整体成本有了更高的要求，注液孔密封焊接采用连续焊接工艺取代传统脉冲激光焊接工艺的步伐日益加快，而在连续焊接工艺中，光纤-半导体复合激光焊接显示出较高的焊接效率和极优的焊接质量（图 6）。

图6 脉冲激光焊接注液孔（左）和光纤-半导体复合激光焊接注液孔（右）

经过大量的实验测试，在注液孔密封焊接工序采用光纤-半导体复合焊接工艺在多方面均优于单波长光纤激光焊接（表 1）。

表1 注液孔密封焊接工序各方面性能参数

（3）电芯转接片

转接片焊接是动力电池电芯生产流程中极为重要的一道工序（图7），起到连接盖板及电芯的作用，焊缝质量直接影响整个电芯的性能：首先焊缝为了保证过电流能力需要达到一定的面积，因此便会要求焊缝结合面达到一定的宽度。

图7 单光纤焊接铜极转接片（左）和光纤-蓝光复合焊接铜极转接片（右）

其次焊接不能残留飞溅物，避免因particle引起电池内部短路，影响电池安全性能。

（4）电池模组

模组连接片是连接单个电芯的桥梁（图8），为了保证足够的过流能力需要连接处有足够的宽度以及较低的气孔率，得益于复合焊接优质的焊缝成型以及更少的气孔倾向，复合激光焊接技术目前在动力电池模组连接片工序焊接也有所应用。

图8 单光纤焊接模组连接片（左）和光纤 - 半导体复合焊接模组连接片（右）

模组外框一般采用5系铝合金+6系铝合金进行组合焊接保证外框强度，常规光纤激光焊接易产生严重飞溅、较多气孔、裂纹、焊缝外观粗糙、一致性差等问题，采用光纤-半导体复合焊接能大幅改善焊缝成型质量，减少裂纹倾向，提高模组外框的可靠性。

动力电池模组生产段对焊接可靠性要求极高，采用复合焊接技术减少气孔及裂纹倾向，改善焊缝成型外观是较好的解决方案。

（5）发卡电机

现有的扁铜线激光焊接方法采用红外激光进行焊接，由于铜材对于红外激光的吸收率极低，焊接需要用到大功率激光器，导致设备成本较高，大功率焊接投入热量较高，极易损伤扁铜线漆包层，同时焊接过程中飞溅较大，飞溅物散落在电机内部导致性能降低。

而采用光纤-蓝光复合焊接技术，能减少设备使用功率，并大幅减少焊接飞溅，提升产品质量（图9）。

图9 单光纤焊接电机发卡（左）和光纤-蓝光复合焊接电机发卡（右）

（6）铜镀锡采集线

在新能源行业中，为了提高电池模组在各种环境的适应能力，防止产品氧化腐蚀，影响产品的性能，一般在外部导电材料选择有镀层的铜材，常见材料为铜镀镍，铜镀锡。

铜镀锡由于铜和镍的熔点相差较大，在采用激光焊时，易导致镀锡层汽化严重，影响熔池稳定性，导致焊缝外观一致性差，易产生焊孔缺陷，而使用光纤-蓝光复合后，能大幅提高焊接稳定性，改善焊接质量（图10）。

图10 单光纤焊接铜镀锡采集线（左）和光纤-蓝光复合焊接铜镀锡采集线（右）

（7）散热片焊接

铜材因为良好的散热性能，相对金、银更低的成本，在散热器行业得到广泛的使用。由于铜材对红外光的吸收率极差，因此其焊接通常需要很高的激光功率密度。

在焊接过程中，极高的功率密度能够形成匙孔焊接，但液体铜材的流动特性使形成的匙孔开口快速闭合，匙孔内部的高压气体极易将匙孔开口冲开，形成焊接飞溅，严重的导致焊孔缺陷；而光纤-蓝光复合焊接无明显飞溅，焊道平稳，焊缝外观一致性良好（图11）。

图11 单光纤焊接散热片（左）和光纤-蓝光复合焊接散热片（右）

（8）黄铜焊接

黄铜是由铜和锌所组成的合金，黄铜有较强的耐磨性能，常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。

黄铜由于含有大量的锌，采用近红外波段的光纤焊接时，由于大量锌元素的汽化，焊接过程伴随着大量的飞溅，熔池难以维持稳定的状态，易产生焊孔缺陷（图12）。采用光纤-蓝光复合焊接能大幅改善黄铜焊接质量，目前已在五金等行业的黄铜样件中获得应用。

图12 单光纤焊接黄铜（左）和光纤-蓝光复合焊接黄铜（右）

光纤-半导体多波长复合焊接工艺在电芯顶盖、极柱、防爆片等产品线处于大批量量产状态，光纤 - 蓝光多波长复合焊接工艺在电芯转接片产品线处于小批量量产状态，同时，多波长焊接工艺在电芯注液孔焊接、发卡电机扁铜线焊接、五金黄铜焊接方面取得工艺突破，有望实现产线批量生产。

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小结

随着激光器及智能制造的不断突破，激光焊接技术得到了高速发展，激光器波段覆盖面更广，光束质量飞速提升，给多波长复合焊接提供了更多的工艺方向，但目前蓝光激光器光纤纤径大、激光主机功率低限制了多波长复合技术的应用。提高蓝光激光器的功率密度，是复合焊接工艺发展的关键。

作者简介

姚新宇，深圳市联赢激光股份有限公司，激光工艺研发中心新能源项目组激光焊接工艺工程师，主要负责新能源汽车，新能源动力电池相关焊接工艺研究等开发工作。

封面来源：包图网

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