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        藍色激光器在應用領域的發展更為深入——更高的功率和亮度支持新功能
        材料來源: 江蘇激光產業技術創新戰略聯盟           錄入時間:2022/4/18 10:06:47

        在藍色激光器上市的幾年里,它們展示了前所未有的材料加工能力。藍色激光為銅、鋁和其他反射金屬的焊接帶來了無與倫比的速度和質量,這些優勢正被應用于消費電子、電池制造和電子移動性生產。在功率和亮度方面的最新改進使藍色激光器能夠無縫地集成到標準掃描系統中,從而打開了更廣泛的應用范圍。

        第一臺與工業相關的藍色激光器于2017年發布。它很快證明了它在材料加工方面的獨特優勢。最初的產品展示了藍色激光器前所未有的能力,比其他解決方案更快更好地焊接銅,但相對較低的功率限制了其潛在的應用,F在,憑借1500瓦的功率和11毫米mrad的光束參數產品(BPP),藍色激光器已經達到了一個關鍵的里程碑:第一次,亮度高到足以與標準工業掃描系統集成。

        藍光激光器的采用是由兩個主要特性驅動的:吸收的基本物理特性和提供高功率密度的激光設計。銅吸收藍光的能力遠遠超過它吸收其他波長的能力,包括紅外和可見光。這直接導致了材料加工的性能優勢。但材料的加工性能不僅僅取決于波長的選擇;這取決于傳送到活動站點的功率密度。

        藍色激光器可實現的功率密度的持續增長導致其可處理的應用范圍相應增長。這些應用涵蓋從消費電子到電池制造到電子移動等一系列行業。每個應用空間都利用了藍光的基本物理特性和激光器的設計特點,帶來前所未有的生產力。

        電子消費品

        2014年,活躍的移動設備數量超過了全球人口。再加上電視機、筆記本電腦和其他消費品,就很容易明白為什么這個行業需要提高效率了。這些設備通常需要銅對銅、銅對鋼或鋼對鋼的連接。雖然通常不需要高功率,但這些應用需要一致的、扁平的接頭。一個200w, 15mm·mrad激光提供足夠的功率,以快速連接這些材料,并達到所需的均勻性。然而,一些消費電子產品的生產線使用掃描系統來提高效率。掃描系統將角度的變化(例如使用鏡面旋轉)轉換為輸出端位置的變化。' F-θ '掃描透鏡在保持光束質量的同時,也引入了不可避免的光束擴展。這降低了功率密度,200瓦的激光將不再滿足需要。

        最新發布的產品是1500 W、11 mm mrad藍色激光器,這是第一款能夠與此類掃描系統無縫集成的藍色激光器。例如,當與工業標準320 mm工作距離掃描儀(具有110×110 mm視場)集成時,藍色激光產生400µm光斑,其功率密度為快速生產無缺陷焊縫所需的功率密度。

        電池

        對清潔能源的日益重視推動了用于高密度便攜式儲能的可充電電池的生產。據Benchmark Mineral Intelligence分析師稱,鋰離子電池生產有望在2029年滿足3900萬輛電動汽車的需求。這些電池有不同的種類:圓柱形、袋狀和棱柱形設計。每一個都由相同的基本單元構成,一對電極由電解液隔開,夾在兩個薄金屬集電極箔之間。

        各種連接操作可能是必要的。例如,棱柱形或袋形電池可能需要將40或80個8µm厚的銅箔連接在一起。速度是關鍵,因為自動化工廠每天可能生產數十萬塊電池,但缺陷會降低產量,因此質量不能受到影響。如圖1a所示,藍色激光連接了42個沒有缺陷的箔材,這是超聲波連接的顯著改進,如圖1b所示。然后將箔片連接到一個更厚的Tab上,厚度為100或200微米。超聲波焊接需要一個與新尺寸相匹配的單獨焊接頭。藍色激光器沒有這樣的限制,甚至不需要兩個制造步驟,如圖1c和1d所示,激光在一個操作中連接箔和標簽。當焊接鋁時,藍色激光產生同樣的質量。

        圖1藍色激光將42個8μm的箔連接在一起,沒有任何缺陷(a)。類似幾何形狀的超聲波焊縫(b)。在一次操作中,藍色激光將70個8μm銅箔焊接到400μm銅片(c)上,并將這40個18μm鋁箔連接到600μm銅片上。

        藍色激光的速度和質量優勢也適用于將Tab連接到不銹鋼外殼上,用于圓柱形電池。最新發布的產品甚至可以連接毫米級厚度的銅(如母線)和毫米級厚度的不銹鋼(如電池外殼)?赡苄苑秶鐖D2a-c所示。替代方法,包括電阻、紅外激光、金屬惰性氣體(MIG)、鎢惰性氣體(TIG)和超聲波焊接,無法與藍色激光的速度和質量相匹配。同一臺藍色激光器只需調整工藝參數即可完成所有這些連接操作,從而使生產線既簡單又可靠。

        圖2 500瓦的藍色激光功率連接了多種無缺陷的材料,包括0.3毫米銅到0.3毫米不銹鋼(a);200μm銅/200μm銅/400μm銅(b);和四塊0.5毫米不銹鋼板(c)。

        電子交通

        電動汽車已經在市場上取得了令人矚目的進展,但更多的進展正在進行中。Bloomberg NEF預測,到2030年,將有超過1億輛電動汽車上路。電池是電動汽車的一部分,但只是一部分。最突出的另一個部件是電動機本身。

        Bar winding motors已成為電動汽車傳動系統的事實標準。它們取代了標準的導線繞組,采用了更高的填充系數設計,提高了電氣效率和熱傳導。它們是通過將預制銅線插入定子槽中制造的。預制件或多或少呈U形,因此當插入導線時,它們各自會留下兩個未連接的端部,從定子伸出。所有突出的電線都必須連接起來,而且速度和質量同樣重要。對于這種應用,將熱影響區降至最低也很重要,因為過多的熱量會降低絕緣性能。如圖3所示,藍色激光快速焊接1 mm×2 mm接頭,沒有缺陷,對組件的熱影響很小——所有這些都比TIG或高功率紅外激光替代品有所改進。

        圖3 Bar winding連接對于高填充系數電機至關重要,藍色激光器可以產生干凈的焊縫,比如這些1 mm/2 mm銅接頭。

        除了電池和電機,傳感器、電力電子和照明也都需要快速、高質量的金屬接頭。藍色激光的寬處理窗口能適用于這里的每一個系統。

        前方的藍天

        在短短幾年時間里,藍色激光器已經展示出前所未有的能力,可以快速生產出高質量的銅接頭。它還展示了鋁、不銹鋼、金和其他金屬的相同性能?捎幂敵龉β试黾恿艘粋數量級,可比功率的BPP提高了五倍。位于藍色激光器核心的氮化鎵二極管預計將沿著砷化鎵的路徑運行,效率將提高一倍左右。將其與不斷發展的系統設計相結合,就形成了一個不斷提高能力的路線圖。然而,單憑能力并不能保證適用性。任何在工廠尋找一席之地的產品都必須具備其他品質:可靠性、堅固性和價值。藍光激光器已經證明了其25,000小時的工作壽命。其核心的二極管預期壽命為65000小時,因此系統的可靠性不是偶然實現的。

        銅吸收的藍色能量比紅外多13倍,比藍色比綠色多20%。

        魯棒性也是由設計決定的。它從緊湊的外形因素開始;激光器安裝在一個小型獨立外殼中,交付光學元件的設計考慮了工廠環境。如果需要維修,藍色激光器設計用于“即插即用”模塊更換。高效的設計使藍色激光器成為一種經濟的選擇。

        在上市僅幾年后,藍色激光器已經在消費電子、電池制造和電子移動應用中展示了其應用價值。它的靈活性和性能使其非常適合各種領域。隨著藍色激光的能力不斷擴大,它可能會在航空航天、研究設施、醫療保健和其他領域得到應用。

        BPP越低,光斑尺寸越小,因此功率密度越高。這會導致更深的滲透和/或更快的焊接。

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