文/Coherent

电动汽车制造商面临的压力越来越大，他们需要在不断优化运营、削减成本的同时，提高产品质量。这些努力对于电动汽车市场份额的必要扩张至关重要，尤其是在对总体拥有成本（TCO）高度敏感、且燃油车仍然普遍存在的大规模市场中。

图1：焊接后的发卡式绕组。

对于电动汽车的电机生产优化而言，其中一个重要的机会在于发卡式绕组的焊接，这一工艺对电机的可靠性和性能至关重要。传统的机械剥除绝缘层的方法往往存在不足，会导致诸如表面损伤、刀具磨损以及生产延误等工艺效率低下的问题，从而增加成本并影响工艺的可靠性。

激光剥除和清洁提供了一种变革性的替代方案，它可以克服机械剥除的局限性，同时能以更低的总体成本实现卓越的效果。本文将介绍Coherent创新的两步式工艺，该工艺将CO2激光器和紫外（UV）激光器结合使用，以生产出洁净且可直接用于焊接的发卡式绕组。实际展示的数据表明，这种方法为电动汽车制造商实现更高质量的发卡电机焊接，提供了一种经济高效的新途径。

发卡式绕组的难题

电动汽车电机中的绕组通常由单根铜线制成。这些铜线被弯曲成“U”形（因此得名“发卡式绕组”），然后放置到一个组件中。接下来，需要将相邻的发卡式绕组的端部焊接在一起，以实现电气连接，形成一个单一的连续绕组。此外，一些替代设计使用连续的扁平线，将其制成波浪状图案（称为波浪绕组或 S 形绕组），然后在焊接之前插入定子槽中。

图2：使用Coherent的 ARM 光纤激光器搭配 HIGHmotion 2D 扫描仪，对发卡式绕组对进行激光焊接。

所有电动机的绕组都带有绝缘层。在发卡式绕组电机中，绝缘层需要更厚且更坚固，以适应其紧凑的设计以及电动汽车通常所需的高电压要求。

在焊接之前，必须从每个发卡式绕组的两端去除少量的绝缘层。这对于确保高质量的电气和机械连接至关重要。

传统上，这项任务主要使用机械方法来完成，也有使用红外（1μm）脉冲激光器的单步激光工艺。机械剥除涉及使用切割工具直接接触电线表面以刮掉绝缘层。尽管这些方法多年来一直是标准做法，但在快节奏的电动汽车生产中，它们面临着重大挑战。

例如，机械剥除所需的物理接触，会从发卡式绕组上刮掉一层铜，留下有纹理的表面，从而导致绕组之间出现间隙和部件装配问题，损害了焊接的完整性和一致性。此外，机械工具会出现磨损，导致工艺不一致、频繁维护、计划外停机以及潜在的生产中断。这些问题因该工艺速度较慢而更加严重，难以满足电动汽车大规模生产的高产量需求。

激光剥除技高一筹

激光可广泛应用于材料去除，包括绝缘层剥除。在绝缘层剥除应用中，激光剥除具有以下优势：

● 更好的焊接质量：在完全去除绝缘层且不损伤铜线的情况下，确保了表面洁净，实现最佳焊接质量。

● 减少维护和设备停机时间：不存在工具磨损，并且消除了机器卡住的任何可能性，从而保证了生产流程的不间断。

● 提高产量：在送线的同时进行连续剥除，提高了生产效率。

● 增强一致性：由于没有磨损或接触，激光加工过程稳定且可重复。

很明显，激光加工可以带来工艺改进。但真正的问题是“使用哪种激光最好？”换句话说，在众多可能用于执行此工艺的激光源和实施方案中，哪一种能够在高质量、高速度与低成本之间实现最佳平衡，以满足大规模电动汽车电机生产应用的需求呢？

优化激光工艺

Coherent几乎能提供所有类型的工业激光器，可以利用各种激光器客观地研究这一应用，而不会对某种技术存在任何固有偏好。

事实上，Coherent并没有找到一种最适合发卡式绕组剥除绝缘层的激光器，而是开发出了一种双激光器工艺，来实现优化的剥除效果。这种方法以最具成本效益的方式，为客户提供了目前最佳的焊前表面质量。研究双激光器工艺的主要动机，是为了克服单步激光剥除工艺的问题。

单步激光剥除，是在涂层吸收和底层铜吸收之间的一种折衷。光纤激光器接近 1μm的红外波长不易被涂层吸收，从而导致在界面处产生热量，使涂层剥落并形成空气中的颗粒。这些颗粒会干扰入射的激光束，影响发卡式绕组的清洁度，并且可能会侵入到系统中，导致频繁停机以清洁设备。此外，光纤激光器的穿透性红外光束，无法完全去除铜表面的聚合物残留。它可能会熔化铜线表面，并使铜表面暴露于绝缘聚合物成分，如氢和碳。这会污染铜表面，进而影响后续的焊接质量。

Coherent基于双激光器的发卡式绕组制备两步工艺包括：

第一步：批量剥除——使用中功率CO2激光器快速去除大部分绝缘层。这种类型的激光器非常适合高通量的非金属材料去除。

第二步：最终清洁——然后使用脉冲式低功率纳秒UV固态激光器，去除任何存在的绝缘残留物。这为焊接提供了洁净的表面。UV固态激光器的短波长在高精度材料加工方面表现出色，尤其能有效去除包括聚合物、其他有机材料和铜在内的各种材料。

对于第一步的批量剥除工艺，Coherent的 J-5-10.6μm激光器被证明是理想光源。虽然发卡式绕组绝缘层使用了多种不同材料（包括聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酯、聚酯亚胺、聚酰胺、聚醚醚酮、环氧树脂和各种含氟聚合物），但所有这些材料都强烈吸收该激光器 10.6μm的输出波长。而且，对于所有这些材料，在 10.6μm处的吸收率都高于Coherent其他可用的CO2激光波长，如 9.4μm和 10.2μm。

Coherent的 J-5-10.6μm激光器还具有理想的实用特性。它是一种完全密封的脉冲式CO2激光器，平均功率超过 400W，这意味着它可以进行高通量的剥除操作。此外，它采用独立且紧凑的封装，非常适合集成到自动化设备中。

对于第二步的最终清洁工艺，Coherent的Avia LX 355-30-60 HE 展示了恰到好处的输出参数组合。这是一种三倍频、二极管泵浦的固态激光器，在 355nm处输出 30W的平均功率。最重要的是，它支持高达 300kHz的重复频率运行，脉冲能量高达 500μJ。这使得它能够以该应用所需的速度进行高精度烧蚀。

Avia LX 355-30-60 HE也设计得易于集成。而且，它集成了Coherent的 PureUV™有源激光清洁引擎，可以实现超长的使用寿命和免维护运行。

焊接效果

Coherent应用实验室在确定上述两步式组合工艺之前，研究了许多不同的工艺。对各种激光器进行了单独和组合研究，包括CO2激光器、纳秒脉冲红外光纤激光器和纳秒UV激光器。对处理后的绝缘发卡式绕组的结果进行了详细分析，一旦确定了最有前景的激光源，就对特定的工艺参数进行了优化。

作为测试的一部分，使用 X 射线光电子能谱（XPS）来分析表面化学性质，以便对污染物进行表征和量化。正是在这个环节，Coherent发现两步式激光剥除工艺（CO2激光器与UV激光器相结合），是在激光焊接前从铜表面去除所有残留物的最有效方法。

图3：CO2激光器、CO2激光器+纳秒红外光纤（FL）激光器和CO2激光器+纳秒UV固态激光器三种绝缘层去除工艺的效果比较。

图3中的一系列照片比较了使用CO2激光器、纳秒红外光纤（FL）激光器和纳秒UV固态激光器的各种去除技术。在照片的上排，绝缘材料是聚酰胺（PA），下排的绝缘材料是聚醚醚酮（PEEK）。即使仅通过肉眼观察也可以看出，在这两种情况下，CO2激光器与UV激光器的组合效果都是最好的。实际焊接试验也证实了这一点。

当然，最重要的指标是在去除绝缘层工艺之后获得的焊接质量。图4展示了一系列焊接后的发卡式绕组的 X 射线图像。这表明两步式（CO2激光器 + UV激光器）工艺最终能够实现更优质的焊接。两步式CO2激光器 + UV激光器剥除工艺，通过在焊接前去除表面的聚合物残留物，最大限度地减少了焊接气孔。众所周知，聚合物残留物中含有氢、碳和其他有机元素，这些元素在液态时可能会进入熔池，然后在焊接凝固过程中形成气孔，而气孔会影响焊接的机械和电气性能。

图4：使用三种绝缘层去除方法的焊缝X射线图像。CO2激光器 + UV固态激光器的组合，明显呈现出了最高的焊接质量（最少的气孔含量）。

实际应用

针对上述发卡式绕组焊接，Coherent提供从激光器到完整的即插即用子系统等任何产品，方便客户进行系统集成；同时还可以在工艺开发方面提供支持，协助客户快速将该工艺部署到生产过程中。