卢国杰，陈国宁
深圳市联赢激光股份有限公司
在汽车行业，为了降低和防止CO2排放，我们迫切需要开发和普及电动汽车。这类汽车的动力系统主要由马达线圈、BUSBAR、电池以及动力装置组成，其中各个主要部件大多采用纯铜制造。由于纯铜具有高热传导率和反射率高等特点，因此在焊接过程中，它往往难以熔合，容易产生变形，而且可能导致小孔不稳定。因此，要想成功制造出高质量的电动汽车，高速、高精度的纯铜加工（焊接）技术不可或缺。
为了实现纯铜加工，激光作为一种高效工具被持续应用。过去，激光加工主要依靠波长约为1 μm的近红外线激光。然而，这种激光在纯铜上的光吸收率极低，仅在10%以下，因此利用此类激光进行纯铜加工具有较高的不良率，相对困难。但是，当采用可见光区域波长约为500 nm的绿光激光时，光吸收率超过50%。而对于更短波长的450 nm左右的蓝光激光，吸收率更是高达60%。因此，通过利用这两种短波长激光，纯铜的加工变得更加容易。
深圳市联赢激光股份有限公司（以下简称“联赢激光”）一直致力于高功率高亮度蓝光激光器产品的研发，其产品合束技术包括基于T09封装蓝光的空间合束技术、偏振合束技术及波长合束技术。基于空间合束技术及偏振合束技术的蓝光激光器能够实1.5 kW400 μm及2 kW600 μm的输出。而基于空间合束技术、偏振合束技术及波长合束技术的产品则可以将亮度提升至2 kW400 μm。
联赢激光使用型号为UW1000-455的蓝光1 kW半导体激光器，搭配光学结像比是1:1的焊接头进行实验，针对铜材和铝材（3003）进行焊接能力、焊接质量的测试分析。
实验中使用0.8 mm厚的铜材，蓝光激光器设置在满功率正焦点位置，焊接辅助气体为压缩空气，流量统一为20 L/mm，对不同焊接速度下的焊接熔深进行测试分析得到：直线焊接速度5 mm/s时，焊接穿透0.8 mm厚的铜板；10 mm/s时，熔深均值达0.7 mm；15 mm/s时，熔深均值达0.35 mm，焊接熔深随着直线速度的增加而减少，如图1所示。
图1 蓝光1 kW在不同速度下的铜材焊接能力
实验使用1 mm厚的铝材，蓝光激光设置在满功率正焦点的位置，使用焊接辅助气体为氮气，流量统一为15 L/mm，对不同焊接速度下的焊接熔深进行测试分析：直线焊接速度10 mm/s时，熔深均值达0.42 mm；20 mm/s时，熔深均值达0.34 mm；30 mm/s时，熔深均值达0.31 mm，焊接熔深随着直线速度的增加而减少，铝材的焊接熔深较铜材更浅，如图2所示。原因主要是材料对蓝光激光吸收率的不同导致，蓝光激光对铜材的吸收率在40%~50%之间，对铝材的吸收率在10%~20%之间。
联赢激光在国内率先推出了“蓝光十光纤激光”的复合焊接方式，受蓝光半导体激光器本身的亮度限制，其加工能力有限，仅适用于0.5 mm或更薄铜材的焊接加工应用，且加工效率略低。联赢激光提出的“蓝光+光纤激光”的概念很好地弥补了蓝光激光器本身亮度的劣势，使其加工能力大幅度提升，突破4 mm厚度的铜材焊接加工应用。
除加工能力大幅度提升的优势外，蓝光光纤复合的方式还能大幅度降低焊接飞溅，其作用机理是：蓝光的高吸收率特性能使材料快速升温并维持稳定的熔池开口，高功率密度的光纤激光能实现匙孔焊接达到必要的额熔要求。
联赢激光用型号为UW-B4310M的蓝光光纤3+1复合激光器进行实验，其技术参数表如表1。该机型输出波长是455 nm蓝光激光+1080 nm近红外光纤激光，蓝光激光在CW输出功率最大1 kW，光纤芯径800 μm，NA0.22；近红外光纤激光在CW输出功率最大3 kW，光纤芯径50 μm，光束质量BPP<1.5 mm·mrad。
实验中加工对象是4 mm厚的铜材，蓝光激光和光纤激光均设置在满功率的状态，使用焊接辅助气体为压缩空气，流量统一20 L/mm，将焊接速度和离焦量设置为变量，对不同条件下的焊接熔深进行测试分析。在正焦点且直线焊接速度50 mm/s时，焊接熔深达2.4 mm；150 mm/s时，熔深达到1.7 mm；在正离焦的状态下，直线焊接速度50 mm/s时，焊接熔深达1.5 mm；150 mm/s时，熔深仍然能达到0.8 mm，焊接能力较单蓝光激光有巨大的提升，如图4所示。
图4 联赢激光UW-B4310M蓝光光纤复合焊接机紫铜焊接能力测试
焊接能力大幅度提升的原因在于单蓝光的亮度受限于前端的合束技术，无法耦合细光纤传输，导致终端的亮度低，仅能在低速的状态下实现热传导焊接，熔深浅，速度慢；但是结合光纤激光器高亮度特性的复合焊接技术，很好地弥补了蓝光亮度不足的问题，同时也解决了高亮度光纤激光器在焊接铜材时，吸收率剧变导致熔池不稳定而产生大量焊接不良的问题，蓝光光纤复合能大幅度的提高铜基材料的焊接工艺窗口，实现众多的铜基材料加工应用[1]。
联赢激光还使用了型号为UW-B6420M的蓝光光纤4+2复合激光器搭配专用的复合激光焊接头进行实验，针对中等厚度铜材进行焊接能力、焊接质量的测试分析，使用与UW-B4310M的同款激光焊接头，其外形如图5所示。
图5 联赢激光的蓝光光纤4+2复合激光器焊接能力测试(直线焊接速度100 mm/s)
实验中加工对象是8 mm厚的铜材，蓝光激光和光纤激光均设置在满功率的状态，使用焊接辅助气体为氮气，流量统一为20 L/mm，将焊接速度设置为变量，测试高速下的熔深及低速下的熔深最大值。在正焦点且直线焊接速度100 mm/s时，焊接熔深达4.4 mm，焊接外观平整，无炸点、空洞等不良，如图5所示；直线速度是10 mm/s时，最大熔深达到6.8 mm，首次突破6 mm，预计未来将实现更多的蓝光激光加工应用，如图6所示。
图6 联赢激光的蓝光光纤4+2复合激光器焊接能力测试(直线焊接速度10 mm/s)
鉴于当前蓝光激光在电动汽车的下一代电动机线圈铜角线焊接的光束质量（聚焦性能）欠佳，无法达到足够的功率密度，因此我们正在积极开发并推动混合激光系统的产品化，该系统将结合蓝光激光与近红外激光的优势。未来，我们期待通过提高蓝光激光的输出功率和优化光束质量，以实现仅使用蓝激光完成铜角线的焊接。
作者简介：
卢国杰，深圳市联赢激光股份有限公司副总经理、激光研究院副院长及激光器研发中心总监，专业从事激光焊接行业激光光学相关研发管理工作。
陈国宁，深圳市联赢激光股份有限公司激光器研发中心副总监，专业从事激光焊接行业硬件产品研发及管理工作。
参考文献：
1.SusumuTAKEDA.TheLatestTrendofHighPowerBlueLaserandtheApplication-DirectDiodeLaserProcessingContributestoCarbonNeutral-[J].JournalofSmartProcessingforMaterials,Environment,Energy,2023,12(2)
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