導讀：激光焊接能夠焊接不同的材料并提高耐用性，使工程師能夠突破技術設計的界限。

激光焊接在電動汽車、航空航天、船舶和鐵路運輸、建筑、能源領域、半導體、消費電子產品、醫(yī)療設備制造等領域占有一席之地。即便是傳統(tǒng)焊接技術難以焊接的不同材料熔合，激光焊接的靈活性和精度也能輕松解決，甚至成為首選解決方案。這一過程通常稱為“異種焊接”，是實現現代工程目標的重要組成部分。

用于電動汽車（e-mobility）應用的電池和電氣元件的生產正在推動人們對銅和鋁等異種材料的激光焊接產生更大的興趣。（通快供圖） 

當選擇具有良好性能（例如導電性和導熱性、延展性、相對密度、熔點和硬度）的不同材料時，異種焊接可以實現更廣泛的設計自由度，但傳統(tǒng)上需要粘合劑或機械方法才能粘合在一起。

盡管該技術與傳統(tǒng)焊接有共同點，但它提供了增加設計自由度、材料組合種類的獨特機會，從而降低制造和裝配成本并提高組件或系統(tǒng)性能。

然而，焊接不同材料需要仔細考慮激光波長、平均功率、光束輪廓、脈沖寬度和峰值功率。激光系統(tǒng)參數還必須根據特定的材料組合和應用進行定制。

最重要且增長最快的應用領域是電動汽車電池和電氣元件的生產。近兩年對電動汽車 (EV) 的需求激增，而焊接異種材料是提高電動汽車效率和環(huán)保性的核心。

盡管異種焊接與傳統(tǒng)焊接有共同點，但優(yōu)化焊接質量和速度更具挑戰(zhàn)性。激光焊接系統(tǒng)的靈活性提供了獨特的解決方案，以擴大新的應用和機會。（通快供圖）

高功率和高亮度工業(yè)藍光激光技術的領先創(chuàng)新者NUBURU 的首席營銷和銷售官 Matthew Philpott 表示：“預計未來5~10年電動汽車的占比將超過 20%，消費電子產品的占比將在10%到15%之間?！?br/>

鋰離子(Li-ion)電池的制造需要能夠以箔到極耳或極耳到極耳的焊接方式將鋁與銅焊接。在圓柱形電池中，銅極耳必須焊接到鋼罐上。

在電池組制造中，電池通常已經組裝完畢，工程師必須實施連接電池的設計以提供最佳能量。目前的鋰離子電池由鍍鎳冷軋鋼制成。但是，將電阻較小的金屬（例如鋁或銅）焊接到鋰離子電池的標準不銹鋼端子上會降低其電阻，因此在熱損失中浪費的能量更少。

AMADA WELD TECH 產品工程和應用高級經理Mark L.Boyle表示：“電動汽車電池性能的增強是電動汽車銷量穩(wěn)定增長的一個主要因素。更好的性能部分源于異種金屬焊接的最新發(fā)展，它通過增加能量存儲、減小尺寸和保持可靠性來提高效率?！?br/>

此外，造船業(yè)提供了另一個例子，異種焊接正在帶來獨特的價值。該行業(yè)經常使用鋼鋁焊接口來優(yōu)化重量分布，從而降低CO₂排放并增強穩(wěn)定性。特別是，將鋼制船體焊接到鋁制上部結構可以減少自重。

藍光激光焊接銅片。綠光和藍光激光器通常更適合焊接高反射金屬（例如銅和鋁），可提供更低的熱輸入并提高 >1 μm 的工藝穩(wěn)定性。（NUBURU供圖）

“除了減少CO₂排放和能源消耗外，通過材料的智能布置還可以降低船舶的重心，從而提高運輸穩(wěn)定性?！睗h諾威激光中心金屬焊接和切割組研究員 Rabi Lahdo表示。

盡管具有相似特性的材料通常會產生更可靠的焊接，但AMADA WELD TECH 等主要參與者收到越來越多的焊接異種材料的請求。

“在商業(yè)上，選擇不同的材料可能會降低制造成本并提高組件或設備的性能。”Mark L.Boyle說， “當這種情況發(fā)生時，異種金屬的選擇可以被用作市場上的競爭優(yōu)勢，以更低的價格提供更好的產品?！?br/>

挑戰(zhàn)和考慮因素

將鋼或銅等材料與鋁熔合時，材料熔點和熱膨脹系數的變化會導致中間脆性部分的形成，從而削弱焊接口強度。

“金屬具有不同的熔化和熔化溫度、不同的光吸收系數（尤其是在某些激光波長下）以及不同的熱擴散率。這導致很難同時將它們融化到適當的程度?！盢UBURU的Philpott說，“這種情況在高反射金屬中最為明顯，這些金屬對紅外線中的吸收系數可能大不相同?！?br/>

冷卻過程中不同的熱膨脹系數產生的應力場也會削弱焊縫，并可能導致焊接口失效。這些硬脆結構被稱為“金屬間相”，形成于焊縫金屬和母材之間的過渡區(qū)。這是一種可能困擾任何焊接方法的現象。

鋼和鋁異種焊接口的橫截面。（LZH供圖）

漢諾威激光中心接合與切割金屬小組負責人Sarah Nothdurft說：“金屬間相的形成，例如鋼-鋁體系的FeAl₂, Fe₂Al₅, FeAl₃ 和銅-鋁體系的Cu₉AL₄, CuAl₂, Cu₄Al₃，是由于元素的溶解度有限。與基材相比，此類相還表現出明顯更高的電阻率。”

仔細選擇激光器的操作參數，例如結合高焊接速度、低熱負荷和對熔化過程的精確控制，使工程師能夠緩解其中一些問題。

“雖然金屬間化合物的形成是不可避免的，但它們的脆性卻并非如此?！盜PG Photonics市場開發(fā)經理Alexei Markevitch說道，“正確的工藝配方可以最大限度地減少這些化合物的形成，并最大限度地提高其可塑性，從而產生結構健全、導電性更高、更穩(wěn)定的焊接口?！?/p>

焊接不同材料的應用

注意適當的混合比例和適當的搭配排列可以進一步增強異種焊接口的性能。例如，具有搭接焊接口的工字縫已被證明是有利的。在這種方法中，將鋼板放置在鋁板上。為了最大限度地減少金屬間相，焊接是穿過鋼板進行的，并且僅焊接到鋁板上。

漢諾威激光中心金屬焊接和切割組研究員Oliver Seffer表示：“由于鋁含量較低，最終的微觀結構中此類脆性相的比例相對較低?！?br/>

激光參數注意事項

激光技術的選擇取決于要焊接的材料。玻璃和金屬的異種焊接口可能需要 CO₂激光系統(tǒng)。焊接鋁硅酸鹽玻璃和各種金屬可能會受益于飛秒激光系統(tǒng)，而焊接鋁合金和技術玻璃通?？梢酝ㄟ^皮秒激光源獲得成功。

目標是最大限度地減少熱輸入、消除飛濺、提高工藝穩(wěn)定性并提供寬廣的工藝參數窗口，同時以盡可能高的速度進行焊接。

“雖然鋼合金在近紅外區(qū)域吸收良好，但即使是具有高反射率的金屬，例如鋁和銅，也大多采用1 μm激光加工。”IPG 的 Markevitch 說道， “這是因為吸收率取決于金屬溫度和相。在室溫下，銅和鋁在1μm處吸收約5%，在515nm處吸收40%至50%，而在藍光波長下的吸收率更高?！?br/>

“加熱金屬的所有吸收率都會增加，紅外在熔點處出現跳躍，”他說， “熔融金屬可以很好地吸收所有波長。因此，足夠高的紅外功率密度克服了高反射率?！?/p>

然而，在箔片的淺傳導焊接或涉及較厚材料的某些焊接幾何形狀中，使用高強度紅外激光可能會導致過熱、材料損壞或快速吸收轉變點處的工藝不穩(wěn)定。因此，在某些情況下，綠光或藍光激光器更適合銅的焊接，因為它們能提供較低的熱輸入，并能提高>1 μm的工藝穩(wěn)定性。

Rabi Lahdo表示，降低所需的輸出強度可以減弱熔池中的湍流，從而提高工藝穩(wěn)定性。 “工藝穩(wěn)定性的提高的同時，混合焊接口質量也會提高，飛濺物的形成會受到抑制。”

在較厚材料的鍵孔焊接中，從數百微米的微鍵孔開始，紅外激光器通常比綠光或藍光激光器更有效，因此輸入的熱量更少，同時焊接質量更好，速度更快。

可調模式光束激光器可以消除飛濺，同時快速實現異種材料的高質量焊接口。這些激光器發(fā)出封閉在可單獨控制的環(huán)形光束內的核心光束。使用紅外單模光束（上圖）可以實現熔化鋁和銅的母線焊接應用。但可調模式激光器（下圖）通過將單模光束封閉在外部環(huán)形光束內，表現出對飛濺的完全控制。此類系統(tǒng)能夠以 60 m/min 的速度進行無飛濺銅母線焊接，熔深 >0.65 mm。（IPG Photonics供圖）

位于加利福尼亞州圣克拉拉的通快激光技術中心的全球高級大客戶經理Ken Dzurko說：“高達2kW的單模光束亮度克服了光亮金屬的反射性，從而建立穩(wěn)定的小孔焊縫，其熔深可以比焊縫寬度深得多?！?br/>

“光束的快速振蕩抑制了金屬間化合物的形成，從而限制了焊接口處熔化階段的持續(xù)時間?！彼f，“此外，光束亮度高，可以提高焊接效率，大大減少熱影響區(qū)，從而以較低的平均輸入功率產生較高的焊接量?！?br/>

影響激光能量使用的另一個因素是金屬蒸氣羽流的光散射，它與波長的四次方成正比。1070nm激光的散射比515nm激光少18倍，比455nm激光少30倍。藍光和綠光激光在金屬蒸汽羽流中的高散射率很容易抵消它們在熔融材料中稍高的吸收率。

如今，大多數制造商選擇連續(xù)波1 μm激光器，這種激光器在加工速度、質量和降低成本方面處于領先地位。但所有波長都具有優(yōu)勢，具體取決于具體情況。例如，NUBURU的Philpott認為，在受益于吸收增加的應用中，將波長轉變?yōu)樗{光或綠光值得探討。

“藍光或綠光激光器的光束傳輸（例如掃描儀、加工頭、光束控制和其他輔助組件）與近紅外激光器使用的光束傳輸類似。”Philpott說，“因此，從紅外線轉換到藍光或綠光非常容易，管理羽流的方法也類似，因此不會因吸收或散射而造成問題?！?br/>

當今的激光系統(tǒng)在515nm 波長下的功率限制為3kW，在455nm波長下的功率限制為4kW。由于藍光激光器的光束質量有限，因此光束的聚焦性和加工效率也受到了限制。

“當使用可見光范圍內的激光束波長焊接銅時，特別是在藍光光譜中，目前缺乏足夠的激光束功率和所需的光束質量，”Rabi Lahdo說，“當使用激光二極管產生激光輻射時，實現高光束質量是最大的挑戰(zhàn)。此外，可見激光比紅外光源更容易損壞光學元件，從而縮短使用壽命并增加成本。”

盡管面臨挑戰(zhàn)，Philpott預計，隨著藍光二極管的可用性和性能不斷提高，焊接性能和價值也將進一步提高。

“在光學器件設計公差范圍內運行激光器不會帶來可靠性或成本風險，”他說， “盡管如此，客戶在使用某個激光器供應商的產品時可能會遇到光學器件壽命短的問題；但是，如果制造商在發(fā)布產品之前沒有對光學器件進行適當的驗證，那么任何波長的產品都可能出現這種情況?！?br/>

激光系統(tǒng)專業(yè)化

連續(xù)波光纖激光器可以通過對光束輪廓進行適當的控制來焊接鋁和銅。在過去的十年中，芯環(huán)光束輪廓和功能更強大的掃描系統(tǒng)的發(fā)展顯著提高了混合焊接口的質量和潛力。

在銅和鋁的小孔焊接過程中，小孔在高速焊接時會變得不穩(wěn)定。消除這種不穩(wěn)定性的方法之一是放慢焊接速度，但這通常并不可取。而另一種方法是使用振鏡向激光束增加擺動以攪拌熔池。這改善了熔體流中的對流，以防止小孔塌陷。它通常會產生質量極佳的焊縫，但會進一步減慢焊接過程。 

消除高速焊接時的飛濺的第三種方法是使用可調節(jié)模式光束 (AMB) 激光器，該激光器發(fā)射由環(huán)形光束包圍的核心光束。核心光束功率和強度決定了小孔的穿透深度，而環(huán)形光束的能量則穩(wěn)定了小孔，以最大限度地減少或完全消除不良的飛濺、裂紋和孔隙率。

最小的纖芯是直徑為14 μm的單模光束。多模纖芯的直徑通常為50或100μm，環(huán)形光束的直徑通?？蛇_300μm。

“芯環(huán)光纖激光器的使用是紅外異種激光焊接的一個活躍的發(fā)展領域，受到所有主要參與者的追捧，”IPG Photonics 市場開發(fā)經理Markevitch 說，“選擇具有單模核心的 AMB 激光器是因為其多功能性、高焊接速度以及最大限度地減少脆性金屬間化合物形成的固有能力?！?br/>

一臺3千瓦單模核心 AMB 激光器在環(huán)形激光器中的附加功率為3千瓦，能夠以60米/分鐘的速度進行無飛濺銅母線焊接，穿透力大于0.65毫米。

Markevitch說，目前的商用綠光或藍光激光器無法達到相同的處理速度和質量。但正如他指出的那樣，焊接一致性仍然會受到材料之間的間隙變化或材料污染的影響。隨著母線厚度減小的趨勢，夾緊和固定成為一項挑戰(zhàn)。焊接熔深不足可能會導致較高的電阻和較低的機械強度，而過度熔深或刺穿可能會使電動汽車電池單元存在火災隱患。

“母線搭接焊接口的典型材料厚度為200至300μm，小于1mm?！盡arkevitch說，“緊鄰薄搭接焊接口下方的是熱敏有機電解質，在>60°C時可能會分解。”

鋁的熔化溫度為660°C，銅的熔化溫度為1085°C，鋼合金的熔化溫度為1500°C。熔化溫度截然不同的兩種金屬需要在不損壞下面的含有易燃有機凝膠的鋰鹽或電池元件（例如密封件、墊圈和隔板）的情況下熔化。

基于光譜過程發(fā)射或OCT的在線過程控制可以提供實時無損焊縫深度測量。這樣就可以采取糾正措施，以達到恒定的熔透深度。

歸根結底，沒有單一的最佳解決方案可以解決所有不同的焊接挑戰(zhàn)?！爸匾氖且幸惶淄暾墓ぞ甙?，包括具有寬參數控制范圍的高亮度激光器、光束整形策略和過程中驗證工具（如 OCT），以便定制所需的時間、溫度和空間控制，從而實現特定的焊接目標。”通快激光技術中心的全球高級大客戶經理 Ken Dzurko說。

（本文作者：Marie Freebody，《激光制造網》編輯老One編譯）