高功率連續(xù)綠光激光器將給銅材料焊接加工帶來新的選擇

2023/9/16 來源：東莞市懿展精密五金制品有限公司

1. 材料vs.激光波長(zhǎng)

從1960年第一臺(tái)激光器誕生至今，經(jīng)過60余年的發(fā)展，激光作為一把最鋒利、最精細(xì)的刀，逐步應(yīng)用于我們的生活中。激光與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)治療及診斷、制藥科學(xué)相結(jié)合，在激光治療、激光手術(shù)、激光診斷 等方面已逐步滲透到日常生活中。在裝備制造領(lǐng)域，高功率激光設(shè)備在 航空、航天、汽車、高鐵、船舶等高端裝備制造領(lǐng)域的切割、焊接、測(cè)量、打標(biāo)等環(huán)節(jié)發(fā)揮著越來越重要的作用。在精細(xì)微加工方面，超短脈沖激光在光伏、液晶顯示、半導(dǎo)體、LED、OLED 等領(lǐng)域的鉆孔、刻線、劃槽、表面紋理化、表面改性、修整、清洗等環(huán)節(jié)發(fā)揮了不可替代的作用。隨著半導(dǎo)體泵浦技術(shù)的快速發(fā)展，1um波長(zhǎng)的近紅外激光器，經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在工業(yè)加工應(yīng)用中占據(jù)舉足輕重的地位。尤其是1um近紅外光纖激光器，因其功率覆蓋范圍廣、光束質(zhì)量?jī)?yōu)異，穩(wěn)定可靠等特性，成為目前應(yīng)用較多的激光器類型。

銅是世界上應(yīng)用量?jī)H次于鐵、鋁的第三大金屬。銅材料作為現(xiàn)代工業(yè)加工，應(yīng)用極為廣泛的金屬材料之一。銅產(chǎn)業(yè)鏈終端需求結(jié)構(gòu)涵蓋航空航天、高速列車、智能終端產(chǎn)品、電子通訊、汽車等30多個(gè)細(xì)分行業(yè)，是高端工業(yè)應(yīng)用的主要風(fēng)向標(biāo)。目前大規(guī)模使用的1微米波段的紅外光纖激光器，因?qū)︺~的吸收較弱，在銅材料的加工上，存在飛濺大，熔深不可控等不足之處。

圖1是常用金屬材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收曲線，可見不同金屬對(duì)激光的吸收率在不同波長(zhǎng)下有很大差別。圖2單獨(dú)針對(duì)金屬銅給出了不同波長(zhǎng)的吸收率對(duì)比曲線。在室溫下，銅對(duì)近紅外波長(zhǎng)（約1微米）吸收率不到5%，因此用紅外光來加工銅材效率極低，95%的激光會(huì)被反射掉同時(shí)還會(huì)對(duì)激光器本身產(chǎn)生損害；而銅對(duì)綠光波長(zhǎng)（515nm和532nm）吸收率高達(dá)40%以上。材料本身對(duì)激光波長(zhǎng)的選擇性決定了高反材料的精密加工的最理想波長(zhǎng)是短波長(zhǎng)（≤700nm）

圖1 不同金屬材料的吸收系數(shù)對(duì)比

圖2金屬銅對(duì)不同三種波長(zhǎng)的激光吸收率的對(duì)比

引自《綠光激光加工的新進(jìn)展》

相對(duì)于紫外激光波長(zhǎng)較短，目前材料科學(xué)的瓶頸限制，未能支持實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高功率紫外激光輸出，超過百瓦級(jí)的紫外激光器已極為罕見。反而，經(jīng)過各國(guó)科學(xué)家的努力，商用的綠光激光器近年取得較大的進(jìn)展。德國(guó)通快和美國(guó)IPG 分別通過，碟片激光技術(shù)和光纖激光技術(shù)，獲得超過3千瓦和1千瓦的超高功率綠光輸出。

在目前工業(yè)應(yīng)用兩個(gè)重要難題---銅材料的3D 打印及精密焊接應(yīng)用上，高功率連續(xù)綠光激光器，發(fā)揮著異常重要的作用。

2. 高功率綠光的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)

2021年第十四屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)展覽會(huì)上，德國(guó)通快首發(fā)了旗下3千瓦高功率連續(xù)綠光碟片激光器。該產(chǎn)品平均輸出功率高達(dá)3千瓦，代表了目前綠激光系列中的最強(qiáng)功率，非常適合銅、鋁等高反材料的焊接工作。特別是在以新能源汽車動(dòng)力電池為代表的鋰電行業(yè)，通快綠光激光器（1000-3000W）可實(shí)現(xiàn)多達(dá)120層的銅箔焊接，幾乎無飛濺，熔深精確可控。此外高功率綠光在純銅材料3D 打印應(yīng)用上也有著突出優(yōu)勢(shì)。而目前國(guó)內(nèi)在高功率綠光激光器上尚屬空白。

2.1 高反金屬焊接

由于銅材料出眾的導(dǎo)電性，鋰電行業(yè)尤其是新能源汽車動(dòng)力電池中大量使用銅材料。目前主流還是使用大功率的紅外光纖激光器去做銅的焊接。相比于紅外波段，用綠光做銅的焊接效率會(huì)更高，而且?guī)缀鯖]有飛濺。而飛濺對(duì)電池加工來說是致命的，飛濺物會(huì)影響電池的生產(chǎn)安全、性能和壽命。

圖3在小孔形成過程中，銅從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)時(shí)，對(duì)紅外激光的吸收變化情況

引自《綠光激光加工的新進(jìn)展》

圖3給出了銅對(duì)1064nm紅外激光的吸收情況。從圖3中可以看出，隨著熔化溫度的從0增長(zhǎng)到1400K的過程中，銅對(duì)紅外光的吸收緩慢的從5%-漲到10% 左右 ；當(dāng)銅達(dá)到熔點(diǎn)（1400K）之后，銅對(duì)紅外波段激光的吸收率會(huì)從10%階躍式的升至17% 左右，然后隨著溫度繼續(xù)升高，吸收率會(huì)緩慢增長(zhǎng)。這種在熔點(diǎn)前后，吸收率的驟變會(huì)導(dǎo)致一些熔化的材料以飛濺的形式排出，還會(huì)導(dǎo)致小孔塌陷，使整個(gè)工藝不得不重新開始。特別是鋰電池的后道工藝焊接，焊接的良品率對(duì)電池的成本具有直接的影響。

圖4 ：銅在固態(tài)和熔融狀態(tài)下對(duì)不同波段激光的吸收情況

（圖片來源：S. Kohl，德國(guó)光子技術(shù)研究所）

圖4給出了銅對(duì)不同波長(zhǎng)（紅外，綠光和藍(lán)光）在不同溫度下的吸收曲線。圖中綠色線條代表的就是銅分別在20℃（固態(tài)）和1600℃（熔融態(tài)）對(duì)綠光的吸收率。在室溫20℃，銅處于固態(tài)的時(shí)候，對(duì)綠光波段的吸收率為40%左右，而在溫度升至1600℃，銅處于熔融狀態(tài)后，吸收率反而下降了5%左右。即銅融化后對(duì)綠光的吸收是略有下降。這一特性有助于在加工銅時(shí)獲得穩(wěn)定的小孔，并能達(dá)到幾乎是零飛濺。這是綠光激光相對(duì)于紅外激光焊接的明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 純銅材料3D 打印

銅材料由于其優(yōu)異的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用高端制造。例如航空航天、高速列車、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，在純銅材料3D 打印技術(shù)上，存在直接應(yīng)用需求。

圖5純銅材料3D打印樣品

引自《綠光激光加工的新進(jìn)展》

金屬材料3D打印的激光光源，目前主要使用1um 近紅外單模光纖激光器。1um 近紅外單模光纖激光器由于銅材料的吸收系數(shù)上，存在吸收系數(shù)較低，并且隨溫度影響較大的缺點(diǎn)，導(dǎo)致打印樣品致密度較低，而且過程穩(wěn)健性差。綠色激光，作為高反金屬材料3D打印的最佳光源，進(jìn)行純銅材料3D 打印，可以良好的解決相關(guān)問題，實(shí)現(xiàn)大于99.95%的致密度。

圖6. 純銅材料3D打印光源效果對(duì)比 （引自3D Science Valley）

3. 公大激光的高功率連續(xù)單模綠光

深圳公大激光有限公司主要從事“先進(jìn)短波長(zhǎng)光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是一家專注于中高功率短波長(zhǎng)（綠光和紫外）光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。目前主要產(chǎn)品有50-500W高功率單模綠光激光器和100-1000W MOPA單模脈沖光纖激光器。

公大激光一直專注于高功率短波長(zhǎng)光纖激光器的研發(fā)，并率先在國(guó)內(nèi)推出了可用于高反金屬3D 打印及精密焊接的500W 單模綠光激光器： GCL-500 。GCL-500綠光激光器采用全光纖基頻加腔外倍頻的方案，獲得了最高超過500W的單模連續(xù)綠光輸出，填補(bǔ)了該類型產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的空白。

圖7. 500W 連續(xù)綠光輸出功率測(cè)試

測(cè)量的主要激光特性見下：

（1） GCL-500基本參數(shù)

NO.	基本參數(shù)Characteristic	單位Unit	最小值Min.	典型值Typ.	最大值Max.	測(cè)試值
1	工作模式Mode of Operation	-	連續(xù)/調(diào)制
2	偏振態(tài)Polarization State	-	線偏振Linear
3	中心波長(zhǎng)Wavelength	nm	531	532	533	532.1
4	調(diào)制頻率	kHz			5	5
6	偏振消光比Polarization Ratio	dB	20			22
7	平均光功率Nominal Average Output Power	W	500		550	530
9	功率穩(wěn)定性Power Stability RMS	%		1	2	0.27
10	光束質(zhì)量Beam Quality（M2）		-	1.1	1.2	1.08
11	輸出光斑直徑Beam Diameter	mm	2	3	4	2.9
12	光斑圓度Beam Circularity	%	90	95	100	0.95

表1  GCL-500 基本參數(shù)

（2） 功率-基頻曲線

圖8  500W 連續(xù)綠光-倍頻功率和效率曲線

（3） 功率穩(wěn)定性

圖9 24小時(shí)功率穩(wěn)定性測(cè)試曲線

（4） 輸出光束質(zhì)量

圖10  530W功率輸出，GCL-500光束質(zhì)量M²測(cè)試結(jié)果

（5） 輸出光斑能量分布

圖11  530W功率輸出，GCL-500輸出光斑測(cè)試結(jié)果-距離輸出端口2m位置

4. 致力于短波長(zhǎng)高功率激光器的先進(jìn)應(yīng)用

GCL-500連續(xù)單模綠光激光器的輸出功率穩(wěn)定性良好，光束質(zhì)量?jī)?yōu)異，對(duì)高反材料尤其是銅的高吸收率，使其有望應(yīng)用于純銅材料的3D打印。通過進(jìn)一步增加空間調(diào)制器，還可以獲得高速調(diào)制頻率的脈沖綠光，這使得它在高反材料的精密切割和焊接上也具有廣泛的應(yīng)用前景。

GCL-500連續(xù)單模綠光激光器，采用自由空間輸出，有利于保證優(yōu)異的光束質(zhì)量。該激光器也可以提供耦合至光纖的柔性傳輸方式，更方便地匹配自動(dòng)化控制，應(yīng)用于高反材料焊接工藝。激光焊接工藝經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的摸索表明，采用不同能量分布的輸出光斑（光束整形），可獲得更優(yōu)的焊接效果。另外，基于公大激光的GCL-500單模塊單模綠光激光器，也可以進(jìn)行多模塊空間或者光纖合束。一方面，可獲得靈活光束能量分布的綠光輸出；另一方面，可以獲得數(shù)千瓦級(jí)乃至上萬瓦的連續(xù)光纖綠光輸出，為高質(zhì)量、高效率、高良率的激光焊接提供核心的高功率短波長(zhǎng)光源。

連續(xù)高功率綠光激光器，可在銅材料的加工應(yīng)用上，提供一種有效的解決方案，有望在純銅3D打印及高反金屬精密焊接上大放異彩。