導(dǎo)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(shù)設(shè)計(jì)的界限。

激光焊接在電動汽車、航空航天、船舶和鐵路運(yùn)輸、建筑、能源領(lǐng)域、半導(dǎo)體、消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備制造等領(lǐng)域占有一席之地。即便是傳統(tǒng)焊接技術(shù)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工程目標(biāo)的重要組成部分。

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

當(dāng)選擇具有良好性能（例如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、延展性、相對密度、熔點(diǎn)和硬度）的不同材料時(shí)，異種焊接可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的設(shè)計(jì)自由度，但傳統(tǒng)上需要粘合劑或機(jī)械方法才能粘合在一起。

盡管該技術(shù)與傳統(tǒng)焊接有共同點(diǎn)，但它提供了增加設(shè)計(jì)自由度、材料組合種類的獨(dú)特機(jī)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(xì)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(shù)還必須根據(jù)特定的材料組合和應(yīng)用進(jìn)行定制。

最重要且增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域是電動汽車電池和電氣元件的生產(chǎn)。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(diǎn)，但優(yōu)化焊接質(zhì)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(dú)特的解決方案，以擴(kuò)大新的應(yīng)用和機(jī)會。（通快供圖）

高功率和高亮度工業(yè)藍(lán)光激光技術(shù)的領(lǐng)先創(chuàng)新者NUBURU 的首席營銷和銷售官 Matthew Philpott 表示：“預(yù)計(jì)未來5~10年電動汽車的占比將超過 20%，消費(fèi)電子產(chǎn)品的占比將在10%到15%之間。”

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(jīng)組裝完畢，工程師必須實(shí)施連接電池的設(shè)計(jì)以提供最佳能量。目前的鋰離子電池由鍍鎳?yán)滠堜撝瞥?。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(biāo)準(zhǔn)不銹鋼端子上會降低其電阻，因此在熱損失中浪費(fèi)的能量更少。

AMADA WELD TECH 產(chǎn)品工程和應(yīng)用高級經(jīng)理Mark L.Boyle表示：“電動汽車電池性能的增強(qiáng)是電動汽車銷量穩(wěn)定增長的一個(gè)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。”

此外，造船業(yè)提供了另一個(gè)例子，異種焊接正在帶來獨(dú)特的價(jià)值。該行業(yè)經(jīng)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(qiáng)穩(wěn)定性。特別是，將鋼制船體焊接到鋁制上部結(jié)構(gòu)可以減少自重。

藍(lán)光激光焊接銅片。綠光和藍(lán)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(yùn)輸穩(wěn)定性。”漢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(chǎn)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(shè)備的性能?！盡ark L.Boyle說， “當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，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(jià)格提供更好的產(chǎn)品?！?br/>

挑戰(zhàn)和考慮因素

將鋼或銅等材料與鋁熔合時(shí)，材料熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)的變化會導(dǎo)致中間脆性部分的形成，從而削弱焊接口強(qiáng)度。

“金屬具有不同的熔化和熔化溫度、不同的光吸收系數(shù)（尤其是在某些激光波長下）以及不同的熱擴(kuò)散率。這導(dǎo)致很難同時(shí)將它們?nèi)诨竭m當(dāng)?shù)某潭??！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(shù)可能大不相同。”

冷卻過程中不同的熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生的應(yīng)力場也會削弱焊縫，并可能導(dǎo)致焊接口失效。這些硬脆結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fù)責(zé)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(xiàn)出明顯更高的電阻率。”

仔細(xì)選擇激光器的操作參數(shù)，例如結(jié)合高焊接速度、低熱負(fù)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。”IPG Photonics市場開發(fā)經(jīng)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(chǎn)生結(jié)構(gòu)健全、導(dǎo)電性更高、更穩(wěn)定的焊接口?！?/p>

焊接不同材料的應(yīng)用

注意適當(dāng)?shù)幕旌媳壤瓦m當(dāng)?shù)拇钆渑帕锌梢赃M(jìn)一步增強(qiáng)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(jìn)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(jié)構(gòu)中此類脆性相的比例相對較低?！?br/>

激光參數(shù)注意事項(xiàng)

激光技術(shù)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(shù)玻璃通常可以通過皮秒激光源獲得成功。

目標(biāo)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(shù)窗口，同時(shí)以盡可能高的速度進(jìn)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?！盜PG 的 Markevitch 說道， “這是因?yàn)槲章嗜Q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(lán)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(diǎn)處出現(xiàn)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。”

然而，在箔片的淺傳導(dǎo)焊接或涉及較厚材料的某些焊接幾何形狀中，使用高強(qiáng)度紅外激光可能會導(dǎo)致過熱、材料損壞或快速吸收轉(zhuǎn)變點(diǎn)處的工藝不穩(wěn)定。因此，在某些情況下，綠光或藍(lán)光激光器更適合銅的焊接，因?yàn)樗鼈兡芴峁┹^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(qiáng)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(shí)，混合焊接口質(zhì)量也會提高，飛濺物的形成會受到抑制?！?br/>

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

可調(diào)模式光束激光器可以消除飛濺，同時(shí)快速實(shí)現(xiàn)異種材料的高質(zhì)量焊接口。這些激光器發(fā)出封閉在可單獨(dú)控制的環(huán)形光束內(nèi)的核心光束。使用紅外單模光束（上圖）可以實(shí)現(xiàn)熔化鋁和銅的母線焊接應(yīng)用。但可調(diào)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(nèi)，表現(xiàn)出對飛濺的完全控制。此類系統(tǒng)能夠以 60 m/min 的速度進(jìn)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(shù)中心的全球高級大客戶經(jīng)理Ken Dzurko說：“高達(dá)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。”

“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(shí)間。”他說，“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(chǎn)生較高的焊接量?！?br/>

影響激光能量使用的另一個(gè)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(lán)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(shù)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(zhì)量和降低成本方面處于領(lǐng)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(rèn)為，在受益于吸收增加的應(yīng)用中，將波長轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)光或綠光值得探討。

“藍(lán)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?！盤hilpott說，“因此，從紅外線轉(zhuǎn)換到藍(lán)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。”

當(dāng)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(lán)光激光器的光束質(zhì)量有限，因此光束的聚焦性和加工效率也受到了限制。

“當(dāng)使用可見光范圍內(nèi)的激光束波長焊接銅時(shí)，特別是在藍(lán)光光譜中，目前缺乏足夠的激光束功率和所需的光束質(zhì)量，”Rabi Lahdo說，“當(dāng)使用激光二極管產(chǎn)生激光輻射時(shí)，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)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(xué)元件，從而縮短使用壽命并增加成本?！?br/>

盡管面臨挑戰(zhàn)，Philpott預(yù)計(jì)，隨著藍(lán)光二極管的可用性和性能不斷提高，焊接性能和價(jià)值也將進(jìn)一步提高。

“在光學(xué)器件設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)運(yùn)行激光器不會帶來可靠性或成本風(fēng)險(xiǎn)，”他說， “盡管如此，客戶在使用某個(gè)激光器供應(yīng)商的產(chǎn)品時(shí)可能會遇到光學(xué)器件壽命短的問題；但是，如果制造商在發(fā)布產(chǎn)品之前沒有對光學(xué)器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)尿?yàn)證，那么任何波長的產(chǎn)品都可能出現(xiàn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苼砗附愉X和銅。在過去的十年中，芯環(huán)光束輪廓和功能更強(qiáng)大的掃描系統(tǒng)的發(fā)展顯著提高了混合焊接口的質(zhì)量和潛力。

在銅和鋁的小孔焊接過程中，小孔在高速焊接時(shí)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(chǎn)生質(zhì)量極佳的焊縫，但會進(jìn)一步減慢焊接過程。 

消除高速焊接時(shí)的飛濺的第三種方法是使用可調(diào)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(qiáng)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_(dá)300μm。

“芯環(huán)光纖激光器的使用是紅外異種激光焊接的一個(gè)活躍的發(fā)展領(lǐng)域，受到所有主要參與者的追捧，”IPG Photonics 市場開發(fā)經(jīng)理Markevitch 說，“選擇具有單模核心的 AMB 激光器是因?yàn)槠涠喙δ苄?、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(jìn)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(lán)光激光器無法達(dá)到相同的處理速度和質(zhì)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(xiàng)挑戰(zhàn)。焊接熔深不足可能會導(dǎo)致較高的電阻和較低的機(jī)械強(qiáng)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(zāi)隱患。

“母線搭接焊接口的典型材料厚度為200至300μm，小于1mm。”Markevitch說，“緊鄰薄搭接焊接口下方的是熱敏有機(jī)電解質(zhì)，在>60°C時(shí)可能會分解?！?br/>

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(jī)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(shí)時(shí)無損焊縫深度測量。這樣就可以采取糾正措施，以達(dá)到恒定的熔透深度。

歸根結(jié)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(shù)控制范圍的高亮度激光器、光束整形策略和過程中驗(yàn)證工具（如 OCT），以便定制所需的時(shí)間、溫度和空間控制，從而實(shí)現(xiàn)特定的焊接目標(biāo)?！蓖旒す饧夹g(shù)中心的全球高級大客戶經(jīng)理 Ken Dzurko說。

（本文作者：Marie Freebody，《激光制造網(wǎng)》編輯老One編譯）