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蓝色激光器在应用领域的发展更为深入——更高的功率和亮度支持新功能
材料来源: 江苏激光产业技术创新战略联盟           录入时间:2022/4/18 10:06:47

在蓝色激光器上市的几年里,它们展示了前所未有的材料加工能力。蓝色激光为铜、铝和其他反射金属的焊接带来了无与伦比的速度和质量,这些优势正被应用于消费电子、电池制造和电子移动性生产。在功率和亮度方面的最新改进使蓝色激光器能够无缝地集成到标准扫描系统中,从而打开了更广泛的应用范围。

第一台与工业相关的蓝色激光器于2017年发布。它很快证明了它在材料加工方面的独特优势。最初的产品展示了蓝色激光器前所未有的能力,比其他解决方案更快更好地焊接铜,但相对较低的功率限制了其潜在的应用。现在,凭借1500瓦的功率和11毫米mrad的光束参数产品(BPP),蓝色激光器已经达到了一个关键的里程碑:第一次,亮度高到足以与标准工业扫描系统集成。

蓝光激光器的采用是由两个主要特性驱动的:吸收的基本物理特性和提供高功率密度的激光设计。铜吸收蓝光的能力远远超过它吸收其他波长的能力,包括红外和可见光。这直接导致了材料加工的性能优势。但材料的加工性能不仅仅取决于波长的选择;这取决于传送到活动站点的功率密度。

蓝色激光器可实现的功率密度的持续增长导致其可处理的应用范围相应增长。这些应用涵盖从消费电子到电池制造到电子移动等一系列行业。每个应用空间都利用了蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点,带来前所未有的生产力。

电子消费品

2014年,活跃的移动设备数量超过了全球人口。再加上电视机、笔记本电脑和其他消费品,就很容易明白为什么这个行业需要提高效率了。这些设备通常需要铜对铜、铜对钢或钢对钢的连接。虽然通常不需要高功率,但这些应用需要一致的、扁平的接头。一个200w, 15mm·mrad激光提供足够的功率,以快速连接这些材料,并达到所需的均匀性。然而,一些消费电子产品的生产线使用扫描系统来提高效率。扫描系统将角度的变化(例如使用镜面旋转)转换为输出端位置的变化。' F-θ '扫描透镜在保持光束质量的同时,也引入了不可避免的光束扩展。这降低了功率密度,200瓦的激光将不再满足需要。

最新发布的产品是1500 W、11 mm mrad蓝色激光器,这是第一款能够与此类扫描系统无缝集成的蓝色激光器。例如,当与工业标准320 mm工作距离扫描仪(具有110×110 mm视场)集成时,蓝色激光产生400µm光斑,其功率密度为快速生产无缺陷焊缝所需的功率密度。

电池

对清洁能源的日益重视推动了用于高密度便携式储能的可充电电池的生产。据Benchmark Mineral Intelligence分析师称,锂离子电池生产有望在2029年满足3900万辆电动汽车的需求。这些电池有不同的种类:圆柱形、袋状和棱柱形设计。每一个都由相同的基本单元构成,一对电极由电解液隔开,夹在两个薄金属集电极箔之间。

各种连接操作可能是必要的。例如,棱柱形或袋形电池可能需要将40或80个8µm厚的铜箔连接在一起。速度是关键,因为自动化工厂每天可能生产数十万块电池,但缺陷会降低产量,因此质量不能受到影响。如图1a所示,蓝色激光连接了42个没有缺陷的箔材,这是超声波连接的显著改进,如图1b所示。然后将箔片连接到一个更厚的Tab上,厚度为100或200微米。超声波焊接需要一个与新尺寸相匹配的单独焊接头。蓝色激光器没有这样的限制,甚至不需要两个制造步骤,如图1c和1d所示,激光在一个操作中连接箔和标签。当焊接铝时,蓝色激光产生同样的质量。

图1蓝色激光将42个8μm的箔连接在一起,没有任何缺陷(a)。类似几何形状的超声波焊缝(b)。在一次操作中,蓝色激光将70个8μm铜箔焊接到400μm铜片(c)上,并将这40个18μm铝箔连接到600μm铜片上。

蓝色激光的速度和质量优势也适用于将Tab连接到不锈钢外壳上,用于圆柱形电池。最新发布的产品甚至可以连接毫米级厚度的铜(如母线)和毫米级厚度的不锈钢(如电池外壳)。可能性范围如图2a-c所示。替代方法,包括电阻、红外激光、金属惰性气体(MIG)、钨惰性气体(TIG)和超声波焊接,无法与蓝色激光的速度和质量相匹配。同一台蓝色激光器只需调整工艺参数即可完成所有这些连接操作,从而使生产线既简单又可靠。

图2 500瓦的蓝色激光功率连接了多种无缺陷的材料,包括0.3毫米铜到0.3毫米不锈钢(a);200μm铜/200μm铜/400μm铜(b);和四块0.5毫米不锈钢板(c)。

电子交通

电动汽车已经在市场上取得了令人瞩目的进展,但更多的进展正在进行中。Bloomberg NEF预测,到2030年,将有超过1亿辆电动汽车上路。电池是电动汽车的一部分,但只是一部分。最突出的另一个部件是电动机本身。

Bar winding motors已成为电动汽车传动系统的事实标准。它们取代了标准的导线绕组,采用了更高的填充系数设计,提高了电气效率和热传导。它们是通过将预制铜线插入定子槽中制造的。预制件或多或少呈U形,因此当插入导线时,它们各自会留下两个未连接的端部,从定子伸出。所有突出的电线都必须连接起来,而且速度和质量同样重要。对于这种应用,将热影响区降至最低也很重要,因为过多的热量会降低绝缘性能。如图3所示,蓝色激光快速焊接1 mm×2 mm接头,没有缺陷,对组件的热影响很小——所有这些都比TIG或高功率红外激光替代品有所改进。

图3 Bar winding连接对于高填充系数电机至关重要,蓝色激光器可以产生干净的焊缝,比如这些1 mm/2 mm铜接头。

除了电池和电机,传感器、电力电子和照明也都需要快速、高质量的金属接头。蓝色激光的宽处理窗口能适用于这里的每一个系统。

前方的蓝天

在短短几年时间里,蓝色激光器已经展示出前所未有的能力,可以快速生产出高质量的铜接头。它还展示了铝、不锈钢、金和其他金属的相同性能。可用输出功率增加了一个数量级,可比功率的BPP提高了五倍。位于蓝色激光器核心的氮化镓二极管预计将沿着砷化镓的路径运行,效率将提高一倍左右。将其与不断发展的系统设计相结合,就形成了一个不断提高能力的路线图。然而,单凭能力并不能保证适用性。任何在工厂寻找一席之地的产品都必须具备其他品质:可靠性、坚固性和价值。蓝光激光器已经证明了其25,000小时的工作寿命。其核心的二极管预期寿命为65000小时,因此系统的可靠性不是偶然实现的。

铜吸收的蓝色能量比红外多13倍,比蓝色比绿色多20%。

鲁棒性也是由设计决定的。它从紧凑的外形因素开始;激光器安装在一个小型独立外壳中,交付光学元件的设计考虑了工厂环境。如果需要维修,蓝色激光器设计用于“即插即用”模块更换。高效的设计使蓝色激光器成为一种经济的选择。

在上市仅几年后,蓝色激光器已经在消费电子、电池制造和电子移动应用中展示了其应用价值。它的灵活性和性能使其非常适合各种领域。随着蓝色激光的能力不断扩大,它可能会在航空航天、研究设施、医疗保健和其他领域得到应用。

BPP越低,光斑尺寸越小,因此功率密度越高。这会导致更深的渗透和/或更快的焊接。

(文章转载自网络,如有侵权,请联系删除)


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