本文作者SPI Lasers 營(yíng)銷與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Jack Gabzdyl 博士，感謝分享！
在現(xiàn)代工業(yè)中，對(duì)薄金屬材料進(jìn)行高效的加工和/或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領(lǐng)域中，材料或工藝的兼容性不足以進(jìn)行常規(guī)的熱處理，例如焊接、硬釬焊和軟釬焊，或不希望使用粘合劑和機(jī)械緊固件。這種情況可能在儲(chǔ)能行業(yè)非常普遍，因?yàn)樽鳛樾屡d動(dòng)力電池行業(yè)關(guān)鍵部件的下一代電池，需要使用薄箔片來制造陰極和陽極。而在消費(fèi)電子行業(yè)中，高密度封裝和微型化不斷推動(dòng)創(chuàng)新，也對(duì)傳統(tǒng)的連接技術(shù)提出挑戰(zhàn)。從激光器的角度來看，存在諸多挑戰(zhàn)，使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進(jìn)行焊接，需要避免焊接穿孔、變形和彎曲，所有這些目標(biāo)都需要仔細(xì)控制過程的熱輸入。在傳統(tǒng)的激光深熔焊接工藝中，克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高，基本難題之一是使用熱傳導(dǎo)焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳導(dǎo)焊接時(shí)，寬度較大、強(qiáng)度較弱的熱源往往會(huì)產(chǎn)生較高的熱輸入和熱影響區(qū)，因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問題的辦法。在深熔焊時(shí)，高集中、高強(qiáng)度的熱源可盡可能減小熔池，從而有助于控制熱輸入。因此，深熔焊接參數(shù)的調(diào)試對(duì)于獲得高質(zhì)量的結(jié)果至關(guān)重要。焊接時(shí)廣泛采用的一種方法是使用納秒(ns)脈沖光纖激光器。這些短脈沖、高峰值強(qiáng)度的激光器可能更適合于打標(biāo)、雕刻和其他材料去除過程，所以憑直覺判斷，它們用于材料焊接過程時(shí)可能會(huì)起相反的作用。但主振蕩功率放大器(MOPA)提供的脈沖控制具有出色的參數(shù)靈活性，從而實(shí)現(xiàn)了可能進(jìn)行金屬接合的處理方式。納秒脈沖光纖激光器以幾微焦到>1mJ的脈沖能量運(yùn)行，脈沖持續(xù)時(shí)間范圍10 - 1000 ns，并能達(dá)到>10千瓦的峰值功率，以高達(dá)4MHz的頻率運(yùn)行，從而明顯區(qū)別于連續(xù)波(CW)等傳統(tǒng)激光器甚至準(zhǔn)CW (QCW)長(zhǎng)脈沖激光器，但很多還是在這些范圍內(nèi)運(yùn)行。使用納秒微焊接作為焊接工具適用于多種應(yīng)用，也適合于克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰(zhàn)。薄金屬箔(<50μm)的接合尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰M(jìn)行非常微妙的能量平衡，足以使金屬熔化，但又不能產(chǎn)生顯著的汽化和等離子體。箔材易于使用搭接方式進(jìn)行焊接，在這種工藝中，箔材之間緊密接觸是實(shí)現(xiàn)良好效果的必要條件，但這對(duì)夾具提出了重大挑戰(zhàn)。如今的電池生產(chǎn)過程對(duì)多層箔材疊合焊接有許多嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有技術(shù)是超聲焊接，但制造商越來越希望使用激光焊接來提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量并改進(jìn)箔材堆疊限制。激光器可提供很多潛在解決方案，但紅外(IR)納秒激光器已證明能夠使用200W-EP-Z激光器焊接多達(dá)20層以上銅箔或鋁箔，但消除該應(yīng)用中的孔隙率具有高度的挑戰(zhàn)性。納秒脈沖光纖激光器的峰值功率較高，意味著可以較容易地以很小的平均功率進(jìn)入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為焊接的一種替代方法，將元件直接貼合在銅印刷電路板(PCB)軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經(jīng)成功將厚達(dá)150μm的銅引線貼合到>60μm的沉積軌道上，而與FR4基板之間沒有任何明顯的分層。這為熱敏元件或工作溫度可能超過傳統(tǒng)焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。基于貼合的挑戰(zhàn)，很難對(duì)箔材進(jìn)行對(duì)接焊接。但這一點(diǎn)可以通過邊緣焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，即將兩個(gè)箔材夾緊在一起，用激光進(jìn)行切割，通過所使用的參數(shù)使上下箔材的邊緣焊接在一起。隨后的重熔過程可顯著提高連接強(qiáng)度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一致的抗拉強(qiáng)度。將10μm銅箔焊接到25μm鋁箔上，獲得了> 2.5 N的抗拉強(qiáng)度，而將50μm鋁箔焊接到50μm鋁箔上，獲得了> 25 N的抗拉強(qiáng)度。激光微焊接的示例；將25μm鋁箔焊接到25μm鋁箔（左）和將25μm鋁箔焊接到10μm銅箔（右）另一個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域是將標(biāo)準(zhǔn)電池焊接起來形成更大的電池組，用于電動(dòng)工具、吸塵器、電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車等設(shè)備。要求很直接，就是需要產(chǎn)生具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高可靠性的焊縫，同時(shí)不會(huì)燒穿電池觸點(diǎn)或在電池觸點(diǎn)上留下痕跡。材料范圍很廣，從鋁和銅等純金屬到鍍鎳鋼和鍍鎳銅等涂層材料，這些材料能以所有想得到的組合進(jìn)行接合，每種組合都會(huì)提出獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這些觸點(diǎn)接頭的厚度范圍通常在100 - 300μm內(nèi)，完全在納秒微焊接工藝的能力范圍內(nèi)。熱輸入的控制對(duì)于這些焊縫至關(guān)重要，因?yàn)殡姵刂械暮附哟┛罪L(fēng)險(xiǎn)很大。納秒微焊接工藝為焊縫設(shè)計(jì)提供了多種選擇，因?yàn)槭褂谜耒R光束傳輸系統(tǒng)可以采用螺旋焊接模式得到焊點(diǎn)。這樣就能根據(jù)應(yīng)用定制每個(gè)焊點(diǎn)，讓每個(gè)焊縫的直徑和間距成為焊接特定材料組合和厚度的關(guān)鍵，從而更好地控制每個(gè)焊點(diǎn)的熱輸入。這些激光器的平均功率很低，因此很難實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，但200 W的激光器每秒可以焊接多達(dá)20個(gè)直徑0.8毫米的焊點(diǎn)（視材料和厚度而定），這一速度足以滿足多數(shù)應(yīng)用的需求。僅用1秒左右的時(shí)間對(duì)直徑4mm、網(wǎng)格形狀的不同材料組合完成了微焊接該工藝的靈活性意味著通常可以考慮更多的焊縫形狀，能使用網(wǎng)格形狀高速覆蓋大面積區(qū)域即是良好的例證。事實(shí)證明，該技術(shù)能以非常低的熱輸入有效地焊接各種不同的金屬。僅用1秒左右的時(shí)間對(duì)直徑4mm隨著技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，在更小的尺寸上作業(yè)提出了制造工藝需要持續(xù)應(yīng)對(duì)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。納秒微焊接技術(shù)只是眾多光纖激光器制造工藝中的一種，光纖激光器制造工藝越來越多用于克服當(dāng)今工業(yè)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，是幫助實(shí)現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)革命的關(guān)鍵。作為通快集團(tuán)全資子公司的司浦愛激光技術(shù)（SPI Lasers）一直是光纖激光器技術(shù)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。我們?yōu)榭蛻籼峁V泛的行業(yè)應(yīng)用和材料加工工藝。我們的激光技術(shù)讓生產(chǎn)更簡(jiǎn)單、工藝更完備、產(chǎn)品更優(yōu)質(zhì)。公司成立于2000年，位于英國南安普敦的公司總部同時(shí)設(shè)有研發(fā)中心和生產(chǎn)設(shè)施。我們的產(chǎn)品銷往全球，并在北美和亞洲地區(qū)設(shè)有辦事處，為本地客戶提供銷售和服務(wù)支持。
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