在藍(lán)色激光器上市的幾年里，它們展示了前所未有的材料加工能力。藍(lán)色激光為銅、鋁和其他反射金屬的焊接帶來(lái)了無(wú)與倫比的速度和質(zhì)量，這些優(yōu)勢(shì)正被應(yīng)用于消費(fèi)電子、電池制造和電子移動(dòng)性生產(chǎn)。在功率和亮度方面的最新改進(jìn)使藍(lán)色激光器能夠無(wú)縫地集成到標(biāo)準(zhǔn)掃描系統(tǒng)中，從而打開了更廣泛的應(yīng)用范圍。

第一臺(tái)與工業(yè)相關(guān)的藍(lán)色激光器于2017年發(fā)布。它很快證明了它在材料加工方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。最初的產(chǎn)品展示了藍(lán)色激光器前所未有的能力，比其他解決方案更快更好地焊接銅，但相對(duì)較低的功率限制了其潛在的應(yīng)用?，F(xiàn)在，憑借1500瓦的功率和11毫米mrad的光束參數(shù)產(chǎn)品（BPP），藍(lán)色激光器已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑：第一次，亮度高到足以與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)掃描系統(tǒng)集成。

藍(lán)光激光器的采用是由兩個(gè)主要特性驅(qū)動(dòng)的：吸收的基本物理特性和提供高功率密度的激光設(shè)計(jì)。銅吸收藍(lán)光的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它吸收其他波長(zhǎng)的能力，包括紅外和可見光。這直接導(dǎo)致了材料加工的性能優(yōu)勢(shì)。但材料的加工性能不僅僅取決于波長(zhǎng)的選擇；這取決于傳送到活動(dòng)站點(diǎn)的功率密度。

藍(lán)色激光器可實(shí)現(xiàn)的功率密度的持續(xù)增長(zhǎng)導(dǎo)致其可處理的應(yīng)用范圍相應(yīng)增長(zhǎng)。這些應(yīng)用涵蓋從消費(fèi)電子到電池制造到電子移動(dòng)等一系列行業(yè)。每個(gè)應(yīng)用空間都利用了藍(lán)光的基本物理特性和激光器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，帶來(lái)前所未有的生產(chǎn)力。

電子消費(fèi)品

2014年，活躍的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量超過(guò)了全球人口。再加上電視機(jī)、筆記本電腦和其他消費(fèi)品，就很容易明白為什么這個(gè)行業(yè)需要提高效率了。這些設(shè)備通常需要銅對(duì)銅、銅對(duì)鋼或鋼對(duì)鋼的連接。雖然通常不需要高功率，但這些應(yīng)用需要一致的、扁平的接頭。一個(gè)200w, 15mm·mrad激光提供足夠的功率，以快速連接這些材料，并達(dá)到所需的均勻性。然而，一些消費(fèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線使用掃描系統(tǒng)來(lái)提高效率。掃描系統(tǒng)將角度的變化(例如使用鏡面旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)換為輸出端位置的變化。' F-θ '掃描透鏡在保持光束質(zhì)量的同時(shí)，也引入了不可避免的光束擴(kuò)展。這降低了功率密度，200瓦的激光將不再滿足需要。

最新發(fā)布的產(chǎn)品是1500 W、11 mm mrad藍(lán)色激光器，這是第一款能夠與此類掃描系統(tǒng)無(wú)縫集成的藍(lán)色激光器。例如，當(dāng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)320 mm工作距離掃描儀（具有110×110 mm視場(chǎng)）集成時(shí)，藍(lán)色激光產(chǎn)生400μm光斑，其功率密度為快速生產(chǎn)無(wú)缺陷焊縫所需的功率密度。

電池

對(duì)清潔能源的日益重視推動(dòng)了用于高密度便攜式儲(chǔ)能的可充電電池的生產(chǎn)。據(jù)Benchmark Mineral Intelligence分析師稱，鋰離子電池生產(chǎn)有望在2029年滿足3900萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的需求。這些電池有不同的種類：圓柱形、袋狀和棱柱形設(shè)計(jì)。每一個(gè)都由相同的基本單元構(gòu)成，一對(duì)電極由電解液隔開，夾在兩個(gè)薄金屬集電極箔之間。

各種連接操作可能是必要的。例如，棱柱形或袋形電池可能需要將40或80個(gè)8μm厚的銅箔連接在一起。速度是關(guān)鍵，因?yàn)樽詣?dòng)化工廠每天可能生產(chǎn)數(shù)十萬(wàn)塊電池，但缺陷會(huì)降低產(chǎn)量，因此質(zhì)量不能受到影響。如圖1a所示，藍(lán)色激光連接了42個(gè)沒(méi)有缺陷的箔材，這是超聲波連接的顯著改進(jìn)，如圖1b所示。然后將箔片連接到一個(gè)更厚的Tab上，厚度為100或200微米。超聲波焊接需要一個(gè)與新尺寸相匹配的單獨(dú)焊接頭。藍(lán)色激光器沒(méi)有這樣的限制，甚至不需要兩個(gè)制造步驟，如圖1c和1d所示，激光在一個(gè)操作中連接箔和標(biāo)簽。當(dāng)焊接鋁時(shí)，藍(lán)色激光產(chǎn)生同樣的質(zhì)量。

圖1藍(lán)色激光將42個(gè)8μm的箔連接在一起，沒(méi)有任何缺陷（a）。類似幾何形狀的超聲波焊縫（b）。在一次操作中，藍(lán)色激光將70個(gè)8μm銅箔焊接到400μm銅片（c）上，并將這40個(gè)18μm鋁箔連接到600μm銅片上。

藍(lán)色激光的速度和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)也適用于將Tab連接到不銹鋼外殼上，用于圓柱形電池。最新發(fā)布的產(chǎn)品甚至可以連接毫米級(jí)厚度的銅（如母線）和毫米級(jí)厚度的不銹鋼（如電池外殼）?？赡苄苑秶鐖D2a-c所示。替代方法，包括電阻、紅外激光、金屬惰性氣體（MIG）、鎢惰性氣體（TIG）和超聲波焊接，無(wú)法與藍(lán)色激光的速度和質(zhì)量相匹配。同一臺(tái)藍(lán)色激光器只需調(diào)整工藝參數(shù)即可完成所有這些連接操作，從而使生產(chǎn)線既簡(jiǎn)單又可靠。

圖2 500瓦的藍(lán)色激光功率連接了多種無(wú)缺陷的材料，包括0.3毫米銅到0.3毫米不銹鋼（a）；200μm銅/200μm銅/400μm銅（b）；和四塊0.5毫米不銹鋼板（c）。

電子交通

電動(dòng)汽車已經(jīng)在市場(chǎng)上取得了令人矚目的進(jìn)展，但更多的進(jìn)展正在進(jìn)行中。Bloomberg NEF預(yù)測(cè)，到2030年，將有超過(guò)1億輛電動(dòng)汽車上路。電池是電動(dòng)汽車的一部分，但只是一部分。最突出的另一個(gè)部件是電動(dòng)機(jī)本身。

Bar winding motors已成為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。它們?nèi)〈藰?biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線繞組，采用了更高的填充系數(shù)設(shè)計(jì)，提高了電氣效率和熱傳導(dǎo)。它們是通過(guò)將預(yù)制銅線插入定子槽中制造的。預(yù)制件或多或少呈U形，因此當(dāng)插入導(dǎo)線時(shí)，它們各自會(huì)留下兩個(gè)未連接的端部，從定子伸出。所有突出的電線都必須連接起來(lái)，而且速度和質(zhì)量同樣重要。對(duì)于這種應(yīng)用，將熱影響區(qū)降至最低也很重要，因?yàn)檫^(guò)多的熱量會(huì)降低絕緣性能。如圖3所示，藍(lán)色激光快速焊接1 mm×2 mm接頭，沒(méi)有缺陷，對(duì)組件的熱影響很小——所有這些都比TIG或高功率紅外激光替代品有所改進(jìn)。

圖3 Bar winding連接對(duì)于高填充系數(shù)電機(jī)至關(guān)重要，藍(lán)色激光器可以產(chǎn)生干凈的焊縫，比如這些1 mm/2 mm銅接頭。

除了電池和電機(jī)，傳感器、電力電子和照明也都需要快速、高質(zhì)量的金屬接頭。藍(lán)色激光的寬處理窗口能適用于這里的每一個(gè)系統(tǒng)。

前方的藍(lán)天

在短短幾年時(shí)間里，藍(lán)色激光器已經(jīng)展示出前所未有的能力，可以快速生產(chǎn)出高質(zhì)量的銅接頭。它還展示了鋁、不銹鋼、金和其他金屬的相同性能?？捎幂敵龉β试黾恿艘粋€(gè)數(shù)量級(jí)，可比功率的BPP提高了五倍。位于藍(lán)色激光器核心的氮化鎵二極管預(yù)計(jì)將沿著砷化鎵的路徑運(yùn)行，效率將提高一倍左右。將其與不斷發(fā)展的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，就形成了一個(gè)不斷提高能力的路線圖。然而，單憑能力并不能保證適用性。任何在工廠尋找一席之地的產(chǎn)品都必須具備其他品質(zhì)：可靠性、堅(jiān)固性和價(jià)值。藍(lán)光激光器已經(jīng)證明了其25,000小時(shí)的工作壽命。其核心的二極管預(yù)期壽命為65000小時(shí)，因此系統(tǒng)的可靠性不是偶然實(shí)現(xiàn)的。

銅吸收的藍(lán)色能量比紅外多13倍，比藍(lán)色比綠色多20%。

魯棒性也是由設(shè)計(jì)決定的。它從緊湊的外形因素開始；激光器安裝在一個(gè)小型獨(dú)立外殼中，交付光學(xué)元件的設(shè)計(jì)考慮了工廠環(huán)境。如果需要維修，藍(lán)色激光器設(shè)計(jì)用于“即插即用”模塊更換。高效的設(shè)計(jì)使藍(lán)色激光器成為一種經(jīng)濟(jì)的選擇。

在上市僅幾年后，藍(lán)色激光器已經(jīng)在消費(fèi)電子、電池制造和電子移動(dòng)應(yīng)用中展示了其應(yīng)用價(jià)值。它的靈活性和性能使其非常適合各種領(lǐng)域。隨著藍(lán)色激光的能力不斷擴(kuò)大，它可能會(huì)在航空航天、研究設(shè)施、醫(yī)療保健和其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。

BPP越低，光斑尺寸越小，因此功率密度越高。這會(huì)導(dǎo)致更深的滲透和/或更快的焊接。

來(lái)源：Photonics Views - 2020 - Pelaprat - Blue Lasers Move Deeper Into Applications，DOI: 10.1002/phvs.202000032