作者：深圳公大激光供稿

　　綠光激光器由于短波長的工作特性，在激光精密加工、激光顯示、生物醫(yī)療、微電子、信息存儲、光學(xué)測量等領(lǐng)域的重要性和作用越來越顯著。在工業(yè)加工領(lǐng)域，由于不同材料對不同波段激光的吸收率不同，激光波長越短，光子能量越大，高反金屬材料的吸收越高。

　　銅是世界上應(yīng)用量僅次于鐵、鋁的第三大金屬，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、航空航天、高速列車、智能終端產(chǎn)品、電子通訊等多個高端工業(yè)領(lǐng)域。目前，業(yè)界大規(guī)模使用的是1μm 波段紅外光纖激光器，但對銅的吸收率偏低，并且會隨著溫度的變化發(fā)生劇烈波動（4%-17%）。因此，當(dāng)紅外光纖激光器應(yīng)用于銅材料加工時，會存在飛濺、氣孔、裂紋、熱影響區(qū)大、熔深不可控等缺點。

　　上述問題對于銅材料的各個應(yīng)用領(lǐng)域都有很大的負(fù)面影響，例如在新能源汽車動力電池的加工中，飛濺物不僅會影響銅材料的焊接效率，還會影響電池的生產(chǎn)安全、性能和壽命。在室溫下，銅對近紅外波長（約1μm）的吸收率不到5%，相當(dāng)于有95% 的激光被反射。而銅對綠光波長（515nm 或532nm）的吸收率超過40%，比近紅外波段高了接近一個量級。

　　與常見的1μm 波段近紅外激光相比，綠光激光器的短波長天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具優(yōu)勢。特別是基于目前蓬勃發(fā)展的高功率光纖激光器技術(shù)的綠光光纖激光器，由于平均功率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，將會迎來廣闊的應(yīng)用前景。

　　未來，隨著新能源行業(yè)的高速發(fā)展進(jìn)入新階段，對高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高效率的焊接光源的需求正在快速上升，國產(chǎn)化的千瓦級超高功率綠光激光器對我國的新能源行業(yè)的提效降本、高速發(fā)展具有重要意義。

　　千瓦連續(xù)綠光研究現(xiàn)狀

　　近年來，商用的綠光激光器已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，德國通快公司和美國IPG 公司分別通過碟片激光技術(shù)和光纖激光技術(shù)，獲得超過3kW和1kW的超高功率綠光輸出。目前，高功率連續(xù)光纖綠光激光器，國內(nèi)僅深圳公大激光能夠批量供貨。2022 年6 月，公大激光率先推出了可用于高反金屬加工的500W 單模綠光激光器，該激光器已批量應(yīng)用于動力電池制造焊接應(yīng)用和3D打印領(lǐng)域。同年7月，公大激光完成了千瓦連續(xù)綠光原型樣機(jī)。9 月，公司打磨了一年有余的1000W 單模連續(xù)綠光激光器正式推向市場，同時還有光纖耦合輸出的1000W/2000W/3000W 多模光纖綠光激光器一并推出，為高反材料焊接提供更專業(yè)的解決方案。

　　典型焊接應(yīng)用進(jìn)展

　　目前，高功率千瓦連續(xù)綠光可以用在新能源汽車的動力電池焊接上。鋰電池主要的焊接材料為銅和鋁，主要可分為銅- 銅，銅- 鋁，鋁- 鋁等幾種類型的焊接。在過去，業(yè)界主要使用紅外激光器來應(yīng)對焊接任務(wù)。由于銅、鋁材料對紅外波長的吸收率很低，常溫環(huán)境下只有在2%-5%，吸收率低、吸收不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊接熔池不穩(wěn)定，出現(xiàn)飛濺、氣孔、裂紋，形成較大的熱影響區(qū)，導(dǎo)致焊接效果和良率偏低，這是當(dāng)前鋰電池焊接的痛點問題。雖然紅外激光器經(jīng)過多次優(yōu)化，特別環(huán)形光斑連續(xù)高功率激光器的出現(xiàn)，加上對焊接材料表層鍍鎳鍍鋅等工藝步驟，在一定程度上緩解了部分高反材料焊接問題。

　　在鋰電池的多層極耳和銅的焊接，以及銅- 鋁的異種金屬材料焊接上，使用紅外激光進(jìn)行焊接的良率較低。終端反饋，未來主流的46 系大圓柱電池，全極耳焊接使用紅外激光焊接，在測試線上的良率只有不到80%； 采用高功率綠光激光器焊接，良率可以達(dá)到95%以上。為了獲得更高的焊接效率和更優(yōu)的焊接效果，公大激光推出了1000W-3000W 的高功率連續(xù)綠光，并于今年9 月左右正式交付市場應(yīng)用。

　　部分高功率綠光焊接案例見下：

　　1. 大圓柱電池負(fù)極集流盤焊接，焊接方式：銅- 銅箔疊焊；焊接材料：0.2mm 紫銅和30 層μm 銅箔：（圖3）2.銅-鋁焊接：蓋帽極柱焊接，焊接方式：銅-鋁拼焊；焊接材料：紫銅蓋帽和鋁極柱：（圖4）

　　3. 方殼電池極轉(zhuǎn)接片焊接，焊接方式：銅- 銅拼焊，焊材：1mm 厚度紫銅：（圖5）

　　4. 多層極耳與方殼電池極柱焊接，焊接方式：鋁箔-鋁疊焊，焊材：50 層正極耳（超聲波預(yù)焊）和方殼電池正極柱3mm：（圖6）

　　5. 多層極耳與方殼電池極柱焊接，焊接方式：銅箔-銅疊焊，焊材：50 層負(fù)極耳（超聲波預(yù)焊）和方殼電池負(fù)極柱3mm，焊接結(jié)果見下：（圖7）

　　綠激光3D 打印

　　在今年6 月舉行的增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展（廣州）論壇暨2023 年增材制造產(chǎn)業(yè)年會上，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心總工程師左世全表示，現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的核心樞紐和制高點是工業(yè)母機(jī)，工業(yè)母機(jī)分增材制造、減材制造和等材制造。增材制造作為工業(yè)母機(jī)的一個重點發(fā)展方向和領(lǐng)域，也是我國向“制造強(qiáng)國”發(fā)展的重點領(lǐng)域和方向，加快增材制造發(fā)展是推進(jìn)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。未來五年增材制造的產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破千億，從目前的測算來看，如果按年均增長率25% 估算，到2027 年大概能到千億規(guī)模。

　　從今年各大主機(jī)廠發(fā)布的幾款折疊屏旗艦手機(jī)看，以及消費電子龍頭蘋果公司也開始使用3D 打印設(shè)備進(jìn)行精密零部件加工，標(biāo)志著金屬3D 打印設(shè)備開始進(jìn)入萬億消費電子市場的設(shè)備供應(yīng)鏈。隨著金屬3D 打印使用范圍的不斷拓展，應(yīng)用場景的增加，單位成本的逐步下降，金屬3D 打印設(shè)備的未來空間巨大。

　　公大激光成為全球第三家推出高功率綠光激光器廠商，于去年開始推出500W 單模連續(xù)綠光，并在今年9 月推出單模和多模千瓦連續(xù)綠光激光器，用于高反射材料（純銅、銅合金、鋁合金等）、貴金屬（金、銀）的綠光3D打印。

　　綠激光3D 打印設(shè)備，幾乎可以覆蓋所有常用金屬材料的3D 打印需求，包括紅外金屬3D 打印設(shè)備的所有類型材料。特別是針對純銅材料的3D 打印，公大激光進(jìn)行了大量的驗證和測試，目前純銅材料3D 打印樣件的致密度可以達(dá)到99.5% 以上，打印樣件的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率的物料參數(shù)基本與壓鑄樣件相當(dāng)。

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