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国产高功率连续绿光激光器的产业化之路

光电汇OESHOW

2023-09-28

导读：全球第三家推出高功率绿光激光器厂商

新能源应用发展

绿光激光器由于其短波长的工作特性，在激光精密加工、激光显示、生物医疗、微电子、信息存储、光学测量等领域有着重要的应用。在工业加工领域，由于不同的材料对不同波段激光的吸收率不同，总体趋势上来看，激光的波长越短，光子能量越大，高反金属材料的吸收越高。

铜是世界上应用量仅次于铁、铝的第三大金属，广泛应用于新能源汽车、航空航天、高速列车、智能终端产品、电子通讯等多个高端工业领域。目前大规模使用的1 μm波段红外光纤激光器，因对铜的吸收较弱，并且随着温度吸收率变化剧烈（4%-17%），在铜材料的加工上，存在飞溅大、气孔、裂纹、热影响大、熔深不可控等缺点。上述问题对于铜材料的各个应用领域都有很大负面影响，例如，在新能源汽车动力电池的加工中，飞溅物不仅会影响铜材料的焊接效率，还会影响电池的生产安全、性能和寿命。

在室温下，铜对近红外波长（约1 μm）的吸收率不到5%，相当于有95%的激光被反射。而铜对绿光波长（515 nm或532 nm）的吸收率超过40%，比近红外波段高了接近一个量级。与常见的1 μm波段近红外激光相比，绿光激光器的短波长天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具优势。特别是基于目前蓬勃发展的高功率光纤激光器技术的绿光光纤激光器，由于平均功率高、光束质量好，稳定性强等诸多优点，将会迎来广阔的应用前景。

国际形势多变，大国摩擦区域冲突频发，使得全球经济存在较多的不确定因素。国内经济运行，总体平稳，增速有所回落，导致新增产能需求变少。随着新能源行业的高速发展进入新阶段，对高质量，高稳定性，高效率的焊接光源的需求正在快速上升，国产化的千瓦级超高功率绿光激光器对我国的新能源行业的提效降本、高速发展具有重要意义。

千瓦连续绿光研究现状

近年来，商用的绿光激光器已经取得了较大的进展，德国通快公司和美国IPG公司分别通过碟片激光技术和光纤激光技术，获得超过3 kW和1 kW的超高功率绿光输出。

图1 公大激光1000 W单模连续绿光激光器

目前，高功率连续光纤绿光激光器，国内仅深圳公大激光能够批量供货。2022年6月，公大激光率先推出了可用于高反金属加工的500 W单模绿光激光器，该激光器已批量应用于动力电池制造焊接应用和3D打印领域。同年7月，公大激光完成了千瓦连续绿光原型样机。2023年9月，打磨了一年有余的1000 W单模连续绿光激光器正式推向市场，同时还有光纤耦合输出的1000 W/2000 W/3000 W 多模光纤绿光激光器一并推出，为高反材料焊接提供更专业的解决方案。

图2 公大激光 3000 W 多模连续绿光激光器

公大激光1000 W单模连续绿光器

公大激光1000 W单模连续绿光测试部分数据 PN:GCL-1000-F-S-W

图3 1000 W 单模光纤绿光24小时功率稳定性测试 ~0.4%@RMS

注：功率波动，主要受室内温度影响

图4 公大激光1000 W单模连续绿光输出光谱

图5 公大激光1000 W单模连续绿光光束质量测试 M2=1.07

（左）近场0.2 m输出光斑（右）远场2 m输出光斑

图6 公大激光1000 W单模连续绿光输出光斑测试结果

公大激光3000 W多模连续绿光

公大激光3000 W多模连续绿光测试部分数据产品PN:GCL-3000-B-I-W

图7 3000 W多模光纤绿光24小时功率稳定性

图8 3000 W多模连续绿光光束质量测试 M平方=14.8

图9 3000 W 多模绿光输出光斑3D图

典型焊接应用进展

高功率千瓦连续绿光，目前可以用在新能源汽车的动力电池焊接上。锂电池主要的焊接材料为铜和锂，主要可分为铜-铜，铜-铝，铝-铝等几种类型焊接。这些焊接需求，目前主要使用红外激光器。由于铜材料和铝材料对红外波长的吸收率低，常温下一般在2%-5%，吸收效率低、吸收不稳定，导致焊接熔池不稳定，容易出现较大飞溅、气孔、裂纹，还会形成比较大的热影响区，导致焊接效果和良率偏低，这是目前锂电池焊接的痛点问题。

虽然红外激光器经过多次优化，特别环形光斑连续高功率激光器的出现，加上对焊接材料表层镀镍镀锌等工艺步骤，在一定程度上缓解了部分高反材料焊接问题。在锂电池的多层级耳和铜的焊接，以及铜跟铝的异种金属材料焊接上，目前使用红外激光进行焊接，良率较低。终端反馈，未来主流的46系大圆柱电池，全极耳焊接使用红外激光焊接，在测试线上的良率只有不到80%；采用高功率绿光激光器进行焊接，则良率可以做到95%以上。为了获得更高的焊接效率和更优的焊接效果，公大激光推出了1000-3000 W 的高功率连续绿光，今年9月份左右正式交付市场应用。

图10 常用金属吸收谱：绿光VS近红外激光

部分高功率绿光焊接案例见下：

大圆柱电池负极集流盘焊接，焊接方式：铜-铜箔叠焊；焊接材料：0.2 mm紫铜和30层6 μm铜箔：

（左）正面焊接效果（右）背面撕裂后效果

图11 大圆柱电池负极集流盘焊接

铜-铝焊接：盖帽极柱焊接，焊接方式：铜-铝拼焊；焊接材料：紫铜盖帽和铝极柱：

（左）正面焊接效果（右）截面金相效果

图12 盖帽极柱焊接

方壳电池极转接片焊接，焊接方式：铜-铜拼焊，焊材：1 mm厚度紫铜：

（左）正面焊接效果（右）截面金相效果

图13 方壳电池极转接片焊接

多层极耳与方壳电池极柱焊接，焊接方式：铝箔-铝叠焊，焊材：50层正极耳（超声波预焊）和方壳电池正极柱3 mm：

（左）正面焊接效果（右）截面金相效果

图14 多层极耳（铝）与方壳电池极柱（铝）焊接

多层极耳与方壳电池极柱焊接，焊接方式：铜箔-铜叠焊，焊材：50层负极耳（超声波预焊）和方壳电池负极柱3 mm，焊接结果见下：

（左）正面焊接效果（右）截面金相效果

图15 多层极耳（铜）与方壳电池极柱（铜）焊接

绿激光3D打印

2023年6月28日，在增材制造产业发展（广州）论坛暨2023年增材制造产业年会上，工业和信息化部装备工业发展中心总工程师左世全表示，现代化产业体系的核心枢纽和制高点是工业母机，工业母机分增材制造、减材制造和等材制造。增材制造作为工业母机的一个重点发展方向和领域，也是我们制造强国的重点领域和方向，加快增材制造的发展是推进制造业高端化、智能化、绿色化发展的重要基础。未来五年增材制造的产业规模有望突破千亿，从目前的测算，如果按年均增长率25%估算，到2027年大概能到千亿规模。

2023年发布的几款折叠屏旗舰手机，以及消费电子龙头苹果，开始使用3D打印设备进行精密零部件加工，标志着金属3D打印设备开始进入万亿消费电子市场的设备供应链。随着，金属3D打印使用范围不断拓展，应用场景增加，单位成本的逐步下降，金属3D打印设备未来空间巨大。

德国通快是当前全球唯一推出高功率绿激光金属3D打印设备的厂家，采用通快的高功率碟片连续绿光激光器。但由于激光器和设备价格昂贵，应用推广进展缓慢。IPG的高功率QCW千瓦光纤绿光激光器，可用作3D高反金属材料3D打印光源。

公大激光成为全球第三家推出高功率绿光激光器厂商，2022年开始推出500 W单模连续绿光，2023年9月推出单模和多模千瓦连续绿光激光器，用于高反射材料（纯铜、铜合金、铝合金等）、贵金属（金、银）的绿光3D打印。绿激光3D打印设备，几乎可以覆盖所有常用金属材料的3D打印需求，包括红外金属3D打印设备的所有类型材料。特别是纯铜材料的3D打印，我们进行了大量的验证和测试，目前纯铜材料3D打印样件的致密度可以达到99.5%以上，打印样件的机械强度、导热率、导电率的物料参数基本与压铸样件相当。