传统的汽车含有20到50磅的铜。相比之下，电动汽车含有约180磅铜，到2027年，预计将有2700万辆电动汽车上路。要组装大量的电动机、电池和传感器，还要连接大量的铜线、导线和端子。

一项名为工业蓝色激光的新技术使组装商能够快速、高质量地加工所有的铜，不仅适用于电动汽车，也适用于各种消费和商业产品。

“材料加工”这个总称描述了一系列的操作，包括蚀刻、切割和覆层。然而，焊接可以说是最复杂的。焊接需要提供足够的能量来熔化目标材料，但不需要太多的能量使材料蒸发或遭受热损伤。由于热力学力和流体力学力的复杂相互作用，要提供合适的能量水平是很有挑战性的——“适居带”。激光在零件和工具之间没有物理接触的情况下传递能量，而且它们可以很容易地为不同的任务重新配置，所以它们是任何焊接应用的一个有吸引力的选择。但是，红外激光几乎不能生产高质量的铜焊缝，所以制造商不得不满足于替代连接方法。

2017年，当第一台工业蓝色激光器上市时，情况发生了变化。在这期间，蓝色激光的功率和亮度增加了。然后，在2020年初，蓝色激光达到了一个里程碑:当集成到行业标准的光学扫描系统时，亮度足以焊接铜。这使得制造商能够将高速、高质量的蓝色激光焊接纳入自动化生产线。此外，该技术的功率、亮度和效率在未来只会增加，这将增加蓝色激光可以解决的应用范围。

材料的选择

铜比黄金更具导电，几乎是韧性，以金属的分数分数。当然，高延展性允许铜容易地成形为各种形状因子，包括薄箔和长线。高电导率直接转化为电气应用的高性能，其中电阻将能量转化为废热。因此，铜是大多数电气应用的首选材料。铝不像铜一样韧性或导电，但它既便宜，更轻，所以对于一些应用，铝是合理的替代方案。

铜和铝是最常用的电气系统材料，如电机、传感器、发电和传输设备。对于电子学来说，金和银至少在微尺度上也有作用，但铜在电路板级别及以上又是主要材料。

因此，对于制造商来说，拥有一种高速、高质量的连接铜和铝的方法至关重要。

焊接的复杂性

这听起来很简单，但激光焊接的第一步是将能量从光束转移到目标材料。传输的能量量取决于激光的波长、目标材料的成分和材料的状态。固体铜只吸收约5%的能量从传统的红外激光器。这意味着有很多“额外的”能量传递到工件，这当然是低效的。然而，真正的问题是当铜吸收了足够的能量来熔化时。

熔化的铜比固体铜吸收更多的IR能量。通过熔化的铜，“额外”能量现在在熔池中产生微型爆炸，降低了关节的机械和电气完整性。对于一些特定的几何形状，引入非线性曝光图案或“摆动”光束可以最小化（虽然不是消除）缺陷，但这增加了处理时间。

这些问题不是蓝色激光的问题。铜吸收蓝光的能力是吸收红外的13倍。同样重要的是，液态和固态铜吸收蓝光的比例几乎相同。启动焊缝的适当暴露参数与维持焊缝所需的参数相同，这必然会导致快速生产高质量焊缝的宽工艺窗口。

蓝色的价值

广泛的过程窗口有什么意义？这意味着蓝色激光为各种几何形状产生高质量，快速的焊缝。此外，铜的吸收优势延伸到其他材料，例如铝，钢，镍甚至黄铜。因此，蓝色激光器不仅解决了各种部分几何形状，还提供了广泛的材料。

例如，锂离子电池是由多层薄铜箔和铝箔组成的电池。为了产生电荷，箔片必须被电解液隔开，但为了收集电荷，箔片的两端必须连接在一起。超声波焊接虽然可以焊接这些箔片，但接头质量较差。蓝色激光产生无缺陷的箔焊。消费电子产品的组装也面临着类似的挑战，需要在相对较薄的铜元件之间进行可靠的电气和机械连接。蓝光激光器的早期型号能产生高达500瓦的功率，能够产生这样无缺陷的接头。

仅仅几年后，蓝色激光就可以提供千瓦级的能量，用于处理更广泛的制造几何形状。例如，锂离子电池中的薄箔连接标签，标签连接母排，母排连接机箱。超声波焊接将需要一个独特的焊接头为每个阶段，但蓝色激光可以焊接所有的几何图形，只有一个简单的调整曝光参数。

快速增长的电动汽车市场是建立在铜的框架之上的。蓝色激光焊接的效率带来的不仅仅是速度和质量，它还带来了新的形式因素的可能性。例如，一些原始设备制造商在他们的电动汽车应用中采用了热电效率高的棒形绕组电机。这些电机需要插入发夹线通过定子或转子铁，但这些发夹的两端必须连接，以创建一个连续的电路。蓝色激光焊接快速生产高质量的接头在紧凑的形式因素。

自动化生产

激光功率输出是一个关键的指标，但激光亮度可能更为重要。亮度是激光能量浓度的衡量标准。它反映在称为光束参数产品（BPP）的度量中，这基本上是激光束物理尺寸和角度发散的乘积。BPP越小，“更紧”的光束。如果两个激光器具有相同的输出功率，但是一个具有BPP的一半是另一个的，具有较低的BPP的激光将焊接更快，或更深，或两者。

2020年初，蓝色激光达到了里程碑式的成就:BPP为11毫米-毫radians，输出功率超过1千瓦。在这种亮度下，蓝色激光与工业标准扫描系统集成后，现在可以焊接铜。

扫描仪通常由称为“F-Theta”镜头的光学元件构建，因为它们将激光束输入角度的变化转换为目标材料上的光束位置的变化。这些镜头最大化给定场的光束均匀性。例如，标准扫描仪将输入的角变化转换为150×150毫米，320毫米的光束平移。然而，这些镜片也固定地降低了光束浓度 - 它们展开了光束。当光束展开时，可以减少它可以提供的能量密度。过去，当与扫描仪集成时，蓝色激光器没有足够高的BPP，以保持焊接铜所需的能量密度。

现在，蓝色激光的亮度已经超过了这个门槛:蓝色激光可以与扫描系统无缝集成，为广泛的应用带来了速度、质量和效率的结合。

想了解更多信息，请拨打Nuburu电话720-767-1400或访问www.nuburu.net.．

编者按:应用经理Matthew Finuf、应用工程师Eric Boese和市场开发经理Andrew Dodd也对本文做出了贡献。