本文作者SPI Lasers 營銷與業務發展副總裁 Jack Gabzdyl 博士，感謝分享！
在現代工業中，對薄金屬材料進行高效的加工和/或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領域中，材料或工藝的兼容性不足以進行常規的熱處理，例如焊接、硬釺焊和軟釺焊，或不希望使用粘合劑和機械緊固件。這種情況可能在儲能行業非常普遍，因為作為新興動力電池行業關鍵部件的下一代電池，需要使用薄箔片來製造陰極和陽極。而在消費電子行業中，高密度封裝和微型化不斷推動創新，也對傳統的連接技術提出挑戰。
從激光器的角度來看，存在諸多挑戰，使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進行焊接，需要避免焊接穿孔、變形和彎曲，所有這些目標都需要仔細控制過程的熱輸入。在傳統的激光深熔焊接工藝中，克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高，基本難題之一是使用熱傳導焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳導焊接時，寬度較大、強度較弱的熱源往往會產生較高的熱輸入和熱影響區，因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問題的辦法。在深熔焊時，高集中、高強度的熱源可儘可能減小熔池，從而有助於控制熱輸入。因此，深熔焊接參數的調試對於獲得高質量的結果至關重要。
焊接時廣泛採用的一種方法是使用納秒(ns)脈衝光纖激光器。這些短脈衝、高峰值強度的激光器可能更適合於打標、雕刻和其他材料去除過程，所以憑直覺判斷，它們用於材料焊接過程時可能會起相反的作用。但主振盪功率放大器(MOPA)提供的脈衝控制具有出色的參數靈活性，從而實現了可能進行金屬接合的處理方式。納秒脈衝光纖激光器以幾微焦到>1mJ的脈衝能量運行，脈衝持續時間範圍10 - 1000 ns，並能達到>10千瓦的峰值功率，以高達4MHz的頻率運行，從而明顯區別於連續波(CW)等傳統激光器甚至準CW (QCW)長脈衝激光器，但很多還是在這些範圍內運行。
使用納秒微焊接作為焊接工具適用於多種應用，也適合於克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰。薄金屬箔(<50μm)的接合尤其具有挑戰性，因為它需要進行非常微妙的能量平衡，足以使金屬熔化，但又不能產生顯著的汽化和等離子體。箔材易於使用搭接方式進行焊接，在這種工藝中，箔材之間緊密接觸是實現良好效果的必要條件，但這對夾具提出了重大挑戰。如今的電池生產過程對多層箔材疊合焊接有許多嚴格的要求，現有技術是超聲焊接，但製造商越來越希望使用激光焊接來提高生產效率、質量並改進箔材堆疊限制。激光器可提供很多潛在解決方案，但紅外(IR)納秒激光器已證明能夠使用200W-EP-Z激光器焊接多達20層以上銅箔或鋁箔，但消除該應用中的孔隙率具有高度的挑戰性。
納秒脈衝光纖激光器的峰值功率較高，意味著可以較容易地以很小的平均功率進入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為焊接的一種替代方法，將元件直接貼合在銅印刷電路板(PCB)軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經成功將厚達150μm的銅引線貼合到>60μm的沉積軌道上，而與FR4基板之間沒有任何明顯的分層。這為熱敏元件或工作溫度可能超過傳統焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。
基於貼合的挑戰，很難對箔材進行對接焊接。但這一點可以通過邊緣焊接技術來實現，即將兩個箔材夾緊在一起，用激光進行切割，通過所使用的參數使上下箔材的邊緣焊接在一起。隨後的重熔過程可顯著提高連接強度和質量，實現一致的抗拉強度。將10μm銅箔焊接到25μm鋁箔上，獲得了> 2.5 N的抗拉強度，而將50μm鋁箔焊接到50μm鋁箔上，獲得了> 25 N的抗拉強度。
激光微焊接的示例；將25μm鋁箔焊接到25μm鋁箔（左）和將25μm鋁箔焊接到10μm銅箔（右）
另一個主要的應用領域是將標準電池焊接起來形成更大的電池組，用於電動工具、吸塵器、電動自行車和電動汽車等設備。要求很直接，就是需要產生具有高導電性、高強度、高可靠性的焊縫，同時不會燒穿電池觸點或在電池觸點上留下痕跡。材料範圍很廣，從鋁和銅等純金屬到鍍鎳鋼和鍍鎳銅等塗層材料，這些材料能以所有想得到的組合進行接合，每種組合都會提出獨特的挑戰。這些觸點接頭的厚度範圍通常在100 - 300μm內，完全在納秒微焊接工藝的能力範圍內。
鍍鎳銅與鍍鎳銅點焊焊縫的橫截面
熱輸入的控制對於這些焊縫至關重要，因為電池中的焊接穿孔風險很大。納秒微焊接工藝為焊縫設計提供了多種選擇，因為使用振鏡光束傳輸系統可以採用螺旋焊接模式得到焊點。這樣就能根據應用定製每個焊點，讓每個焊縫的直徑和間距成為焊接特定材料組合和厚度的關鍵，從而更好地控制每個焊點的熱輸入。
這些激光器的平均功率很低，因此很難實現較高的生產效率，但200 W的激光器每秒可以焊接多達20個直徑0.8毫米的焊點（視材料和厚度而定），這一速度足以滿足多數應用的需求。
僅用1秒左右的時間對直徑4mm、網格形狀的不同材料組合完成了微焊接
該工藝的靈活性意味著通常可以考慮更多的焊縫形狀，能使用網格形狀高速覆蓋大面積區域即是良好的例證。事實證明，該技術能以非常低的熱輸入有效地焊接各種不同的金屬。
僅用1秒左右的時間對直徑4mm
隨著技術的持續快速發展，在更小的尺寸上作業提出了製造工藝需要持續應對的長期挑戰。
納秒微焊接技術只是眾多光纖激光器製造工藝中的一種，光纖激光器製造工藝越來越多用於克服當今工業製造業面臨的挑戰，是幫助實現當前技術革命的關鍵。
關於司浦愛激光技術
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