傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車一般有10 至25公斤的銅含量。相比之下，純電動(dòng)汽車含銅量大大增加，約有90公斤的銅。從現(xiàn)在到2025年，預(yù)計(jì)會(huì)有上千萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車生產(chǎn)與售出，這就需要大量的電動(dòng)機(jī)，電池和傳感器，并且需要大量的線束和終端，這一切都含有大量的銅。

工業(yè)藍(lán)光激光是一種新技術(shù)，它使我們能夠快速、高質(zhì)量地加工銅質(zhì)材料，不僅適用于純電動(dòng)汽車，還適用于各種消費(fèi)和商業(yè)產(chǎn)品。藍(lán)光激光（英語(yǔ)：Blue laser），是指波長(zhǎng)介于360到480納米(nm)之間的激光。最新技術(shù)有所突破的藍(lán)光激光，是波長(zhǎng)在450納米的激光，它的功率也達(dá)到了2000W。

“材料加工”一詞含義很廣，它包含很多種操作，如焊接、蝕刻、切割、電鍍等，但最復(fù)雜的還首數(shù)焊接。焊接需要傳遞足夠的能量來(lái)熔化一種或多種目標(biāo)材料，但這種能量又能不過(guò)分強(qiáng)大使材料蒸發(fā)或遭受熱損害。由于熱力學(xué)和流體力學(xué)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，提供合適水平的能量具有很大的挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的焊接方式由于大量長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)在技術(shù)上已經(jīng)完全沒有難度，但激光焊接還達(dá)不到這個(gè)程度。激光在不與零件和工具物理接觸的情況下釋放能量，可以輕松地處理不同材料，因此對(duì)于任何焊接應(yīng)用而言，激光焊接都是有吸引力的選擇。但是我們發(fā)現(xiàn)，紅外（Infrared）激光幾乎無(wú)法生產(chǎn)高質(zhì)量的銅焊縫，因此制造商不得不尋找替代的焊接方法。

當(dāng)2017年第一臺(tái)工業(yè)藍(lán)光激光器進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，情況發(fā)生了變化。在隨后的幾年中，藍(lán)色激光的功率和亮度都有所提高。然后在 2020年初，藍(lán)光激光達(dá)到了一個(gè)里程碑：集成到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)掃描系統(tǒng)中后，其亮度足以焊接銅。這使制造商可以將高速，高質(zhì)量的藍(lán)色激光焊接納入自動(dòng)化生產(chǎn)線。而且，該技術(shù)的功率，亮度和效率會(huì)不斷改善，這將增加藍(lán)色激光可以解決的應(yīng)用范圍。

材料

在工業(yè)應(yīng)用中，金、銀和銅由于有良好的導(dǎo)電性和延展性，是非常好的材料。但銅比金更具導(dǎo)電性，并且?guī)缀跖c銀具有相同的延展性。高延展性使銅易于成型為各種形狀，包括薄箔和長(zhǎng)線。高導(dǎo)電率也就是低電阻，從而節(jié)約能量，少生廢熱。與此同時(shí)，銅的價(jià)格相比金銀僅是九牛一毛，因此，銅是大多數(shù)電氣應(yīng)用的首選材料。鋁的延展性和導(dǎo)電性不如銅，但價(jià)格更加便宜且重量輕，因此在某些應(yīng)用中鋁也是較好的選擇。

這就是為什么銅和鋁是電氣系統(tǒng)（如電機(jī)，傳感器，發(fā)電和傳輸設(shè)備）最常用的材料。對(duì)于電子產(chǎn)品而言，金和銀也起著一定的作用，但是銅還是電路板之類產(chǎn)品的主要材料。

因此，對(duì)于制造企業(yè)而言，需要一種高速，高質(zhì)量的方法來(lái)連接銅。

激光焊接的復(fù)雜性

激光焊接的第一步是將能量從光束轉(zhuǎn)移到目標(biāo)材料，傳輸?shù)哪芰咳Q于激光的波長(zhǎng)、目標(biāo)材料的種類以及材料的固液狀態(tài)。

現(xiàn)在最常見的激光焊接為二氧化碳激光焊，它的波長(zhǎng)為10.6μm，屬于紅外線的一種。紅外線（Infrared ，IR）是頻率介于微波與可見光之間的電磁波，波長(zhǎng)在760nm（納米）到1mm（毫米）之間。它是頻率比紅光低的不可見光。

如果使用傳統(tǒng)紅外激光器來(lái)焊接固態(tài)銅，我們發(fā)現(xiàn)僅有5％的能量產(chǎn)生作用，剩余的 95%的能量都被浪費(fèi)了。這是非常低效的，也是我們不愿意用紅外激光焊接銅的最根本原因。也因?yàn)槿绱?，紅外激光焊接銅的過(guò)程往往運(yùn)行不穩(wěn)定，于是導(dǎo)致廢品率很高。

但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光激光是一種理想的焊接有色金屬特別是銅的方法。銅吸收藍(lán)光的強(qiáng)度效率是吸收紅外線的 13倍。

下面兩張圖是不同材料對(duì)紅外光、綠光、藍(lán)光激光的吸收率實(shí)驗(yàn)，可以清楚看到銅對(duì)小波長(zhǎng)的藍(lán)光吸收率近乎70%，但對(duì)紅外光吸收率只有 5%。

第二個(gè)問(wèn)題是，如果使用紅外激光焊接，當(dāng)固態(tài)銅吸收了足夠多的能量而熔化后，由于液態(tài)銅比固態(tài)銅吸收紅外能量的效率高出很多，紅外激光的過(guò)高能量會(huì)在熔池中產(chǎn)生微型“爆炸”，從而降低接頭的機(jī)械和電氣完整性。雖然我們可以通過(guò)可調(diào)的激光光束使缺陷最小化，但很難徹底消除，而且也難以避免會(huì)增加處理時(shí)間。相比之下，液態(tài)銅和固態(tài)銅對(duì)藍(lán)光的吸收率幾乎相同，發(fā)起焊接（固態(tài)銅）的參數(shù)與維持焊接（液態(tài)銅）所需的參數(shù)相同，這就使工藝非常簡(jiǎn)單，可快速生產(chǎn)高質(zhì)量的焊接效果。

藍(lán)光激光的適用性

藍(lán)光激光不僅適用于多種零件幾何形狀，而且適用于多種材料，比如鋁、鋼、鎳甚至黃銅（銅和鋅組成的合金）。在未來(lái)，相信藍(lán)光激光的應(yīng)用范圍會(huì)非常廣。

例如鋰離子電池，它是由多層非常薄的銅箔和鋁箔組成的。為了產(chǎn)生電荷，必須用電解質(zhì)將箔與箔分開，但是要收集電荷，必須將箔的末端連接在一起。盡管超聲波焊接（可以參考本人之前的文章“ Ultrasonic Welding - 超聲波金屬焊接”）可以焊接這些箔，但是接頭的質(zhì)量較差。相比較而言，藍(lán)光激光可以生成幾乎無(wú)缺陷的箔焊縫。消費(fèi)電子類零件面臨類似的挑戰(zhàn)，它們?cè)谙鄬?duì)較薄的銅材料之間實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械上的可靠連接方面也有很高的需求。在今年技術(shù)得到明顯突破之前，僅僅是藍(lán)光激光幾年前的早期技術(shù)， 500瓦的功率，就能夠產(chǎn)生這種近乎無(wú)缺陷的焊接。

下圖為超聲波焊接下銅箔的樣子：

下圖為藍(lán)光激光焊接后銅箔的樣子

幾年后的今天，藍(lán)光激光器已經(jīng)可以提供千瓦級(jí)的功率，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的制造幾何形狀要求。例如，鋰離子電池中的薄箔連接到接線片，接線片連接到母線，還有母線連接到殼體，這些連接之前的功率級(jí)別是無(wú)法滿足的。超聲波焊接每種不同的焊接都需要專門的焊頭，但是藍(lán)光激光可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整參數(shù)就能焊接所有幾何形狀。又例如，一些車企在其電動(dòng)汽車應(yīng)用中采用了熱效率和電效率更高的條狀繞線電機(jī)，這種電機(jī)需要將發(fā)夾線穿過(guò)定子或轉(zhuǎn)子繞鐵，但又必須將它們的相對(duì)端連接起來(lái)以形成閉環(huán)電路。藍(lán)光激光在這種情況下可以在環(huán)境非常緊湊的情況生產(chǎn)出高質(zhì)量的接頭。

激光的輸出功率是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，除此之外，激光的亮度也非常重要。亮度是激光能量集中度的量度。它反映在被稱為光束參數(shù)乘積（Beam-parameter product，BPP ）的度量標(biāo)準(zhǔn)中，該度量實(shí)質(zhì)上是激光束的物理尺寸和角度發(fā)散的乘積，是用來(lái)衡量激光光束質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。BPP越小，光束“越緊”。如果兩個(gè)激光器的輸出功率相同，但是其中一個(gè)的BPP數(shù)值是另一個(gè)激光器的一半，則BPP較低的激光器的焊接速度會(huì)更快或更深，或者兩者兼而有之。

2020 年初，藍(lán)色激光達(dá)到了技術(shù)上的里程碑：BPP為11毫米毫弧度（millimeter-milliradians）時(shí)，輸出功率超過(guò)一千瓦。在這種亮度下，與符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的掃描系統(tǒng)集成后，藍(lán)光激光已經(jīng)可以焊接銅，在此之前，還有許多問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，與紅外激光相比，使用藍(lán)光激光焊接銅所需的總能量消耗大約會(huì)減少84%，而焊接金所需的總能量消耗會(huì)減少 92%。以功率而言，一千瓦足夠焊接銅， 0.5千瓦足夠焊接金，而換做紅外激光，可能需要十千瓦。