电池|蓝色高功率激光源，用于电子移动性及其他领域的处理解决方案激光器

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江苏激光联盟导读：
据悉，本文回顾了蓝色激光焊接在电池制造和电池模块互连方面的最新应用结果。

【电池|蓝色高功率激光源，用于电子移动性及其他领域的处理解决方案】摘要
近几年来，由于对可移动应用的需求不断增加，利用450nm波长的蓝色激光器对铜元件进行激光加工变得非常重要。高吸收水平允许采用新的工艺方法，但以前受到蓝色激光系统有限功率水平的限制。随着450 nm波长的多千瓦蓝光激光系统的可用性，进一步扩大了铜组件的应用范围。从热传导焊接到匙孔焊接的工艺阶段可以精确调整。然而，这些过程阶段的特性与红外激光源已知的常规行为不同。在这篇文章中，研究了与红外光源相比的特性和差异。这是通过高速摄像对过程阶段进行评估，以及对过程稳健性（例如电池应用示例中的间隙桥接性）进行调查来实现的。此外，我们将回顾蓝色激光焊接在电池制造和电池模块互连方面的最新应用结果。这包括铜对铜连接的焊接结果，以及不同材料的组合。
1.介绍
在过去的几年里，对储能的需求不断增加，加上车辆电气化，增加了对铜焊接解决方案的需求。激光加工具有无接触加工的优点，并在时间和空间上高度控制能量沉积，这对于电池等温度敏感元件尤为重要。由于常规使用的近红外激光波长为1μm ，铜的吸收率较低，因此激光光斑尺寸必须高度聚焦，以实现瞬间形成匙孔，并通过匙孔中的多次反射增加吸收。对于铜的近红外激光焊接，不可能采用无匙孔的热传导方式焊接，而采用有匙孔的深熔方式时，由于近红外激光吸收对匙孔的几何形状和稳定性的依赖，导致了飞溅的发生。波长为450 nm的二极管激光器解决了近红外激光器的吸收受限和工艺稳定性问题。
使用450 nm的波长，铜的吸收可以增加10倍以上（图1），这允许新的工艺阶段，例如在铜上进行热传导模式焊接。然而，铜的高导热性需要高功率水平来补偿热损失，并实现显著的熔体体积。这是通过使用蓝色激光棒结构实现的， 19英寸机架激光系统的功率水平为1500W 。在本文中，我们将评估使用蓝色千瓦级激光系统进行铜焊接时的不同可用工艺阶段，并对其应用前景进行展望。

图1 不同材料对波长的吸收。
2.实验装置
在试验过程中，使用了两种不同的激光系统，蓝色二极管激光器LDMblue1000-40和LDM1500-60 。两个系统都位于一个19°机架中，高度为7个单元（图2），通过光纤耦合。

图2 激光源LDMblue1000-40和1500-60 ，具有与19英寸7单元高度相同的几何形状系数。
表1总结了激光源的特性。根据激光功率等级，激光光纤纤芯在400μm到600μm之间变化。
表1 实验中使用的激光源概述。
在试验过程中，采用了一种光学装置，该装置带有一个1:1成像的固定光学装置。
3.过程阶段
为了评估450 nm波长激光焊接过程中的不同工艺阶段，在厚度为1 mm的Cu-ETP上使用不同的激光进行板上焊珠焊接，通过高速摄像对熔体动态进行分析（图3）。

图3 通过在1mm厚的铜ETP（a）热传导模式焊接上应用450nm激光波长，通过高速摄像显示不同的可访问工艺状态；（b）具有可见marangoni效应的热传导模式焊接（c）匙孔焊接模式
3.1.热传导焊接
在热传导模式下，表面温度介于铜的熔化温度（Tcu>1090°C）和蒸发温度之间。对熔池的主要影响是液态铜的表面张力，没有外部压力的影响。
3.2.具有可见Marangoni效应的热传导模式焊接
随着激光功率的增加，铜的表面温度升高，由于其温度依赖性，导致熔池中心的表面张力降低。熔池上方的温度梯度会产生marangoni效应，从而使熔池表面在中心位置（液态铜表面张力最低的位置）膨胀。
3.3.匙孔焊接
随着激光功率的增加，铜被蒸发，形成一个匙孔。锁孔的压力主导着整个过程，导致熔池的动态更高。值得注意的是，在从热传导模式焊接到匙孔焊接的整个过程中，以及使用高速摄像技术，都无法观察到飞溅。