国产千瓦级连续光纤绿光产业化之路

　　作者：深圳公大激光供稿

　　绿光激光器由于短波长的工作特性，在激光精密加工、激光显示、生物医疗、微电子、信息存储、光学测量等领域的重要性和作用越来越显著。在工业加工领域，由于不同材料对不同波段激光的吸收率不同，激光波长越短，光子能量越大，高反金属材料的吸收越高。

　　铜是世界上应用量仅次于铁、铝的第三大金属，广泛应用于新能源汽车、航空航天、高速列车、智能终端产品、电子通讯等多个高端工业领域。目前，业界大规模使用的是1μm 波段红外光纤激光器，但对铜的吸收率偏低，并且会随着温度的变化发生剧烈波动（4%-17%）。因此，当红外光纤激光器应用于铜材料加工时，会存在飞溅、气孔、裂纹、热影响区大、熔深不可控等缺点。

　　上述问题对于铜材料的各个应用领域都有很大的负面影响，例如在新能源汽车动力电池的加工中，飞溅物不仅会影响铜材料的焊接效率，还会影响电池的生产安全、性能和寿命。在室温下，铜对近红外波长（约1μm）的吸收率不到5%，相当于有95% 的激光被反射。而铜对绿光波长（515nm 或532nm）的吸收率超过40%，比近红外波段高了接近一个量级。

　　与常见的1μm 波段近红外激光相比，绿光激光器的短波长天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具优势。特别是基于目前蓬勃发展的高功率光纤激光器技术的绿光光纤激光器，由于平均功率高、光束质量好、稳定性强等诸多优点，将会迎来广阔的应用前景。

　　未来，随着新能源行业的高速发展进入新阶段，对高质量、高稳定性、高效率的焊接光源的需求正在快速上升，国产化的千瓦级超高功率绿光激光器对我国的新能源行业的提效降本、高速发展具有重要意义。

　　千瓦连续绿光研究现状

　　近年来，商用的绿光激光器已经取得了较大的进展，德国通快公司和美国IPG 公司分别通过碟片激光技术和光纤激光技术，获得超过3kW和1kW的超高功率绿光输出。目前，高功率连续光纤绿光激光器，国内仅深圳公大激光能够批量供货。2022 年6 月，公大激光率先推出了可用于高反金属加工的500W 单模绿光激光器，该激光器已批量应用于动力电池制造焊接应用和3D打印领域。同年7月，公大激光完成了千瓦连续绿光原型样机。9 月，公司打磨了一年有余的1000W 单模连续绿光激光器正式推向市场，同时还有光纤耦合输出的1000W/2000W/3000W 多模光纤绿光激光器一并推出，为高反材料焊接提供更专业的解决方案。

　　典型焊接应用进展

　　目前，高功率千瓦连续绿光可以用在新能源汽车的动力电池焊接上。锂电池主要的焊接材料为铜和铝，主要可分为铜- 铜，铜- 铝，铝- 铝等几种类型的焊接。在过去，业界主要使用红外激光器来应对焊接任务。由于铜、铝材料对红外波长的吸收率很低，常温环境下只有在2%-5%，吸收率低、吸收不稳定，导致焊接熔池不稳定，出现飞溅、气孔、裂纹，形成较大的热影响区，导致焊接效果和良率偏低，这是当前锂电池焊接的痛点问题。虽然红外激光器经过多次优化，特别环形光斑连续高功率激光器的出现，加上对焊接材料表层镀镍镀锌等工艺步骤，在一定程度上缓解了部分高反材料焊接问题。

　　在锂电池的多层极耳和铜的焊接，以及铜- 铝的异种金属材料焊接上，使用红外激光进行焊接的良率较低。终端反馈，未来主流的46 系大圆柱电池，全极耳焊接使用红外激光焊接，在测试线上的良率只有不到80%； 采用高功率绿光激光器焊接，良率可以达到95%以上。为了获得更高的焊接效率和更优的焊接效果，公大激光推出了1000W-3000W 的高功率连续绿光，并于今年9 月左右正式交付市场应用。

　　部分高功率绿光焊接案例见下：

　　1. 大圆柱电池负极集流盘焊接，焊接方式：铜- 铜箔叠焊；焊接材料：0.2mm 紫铜和30 层μm 铜箔：（图3）2.铜-铝焊接：盖帽极柱焊接，焊接方式：铜-铝拼焊；焊接材料：紫铜盖帽和铝极柱：（图4）

　　3. 方壳电池极转接片焊接，焊接方式：铜- 铜拼焊，焊材：1mm 厚度紫铜：（图5）

　　4. 多层极耳与方壳电池极柱焊接，焊接方式：铝箔-铝叠焊，焊材：50 层正极耳（超声波预焊）和方壳电池正极柱3mm：（图6）

　　5. 多层极耳与方壳电池极柱焊接，焊接方式：铜箔-铜叠焊，焊材：50 层负极耳（超声波预焊）和方壳电池负极柱3mm，焊接结果见下：（图7）

　　绿激光3D 打印

　　在今年6 月举行的增材制造产业发展（广州）论坛暨2023 年增材制造产业年会上，工业和信息化部装备工业发展中心总工程师左世全表示，现代化产业体系的核心枢纽和制高点是工业母机，工业母机分增材制造、减材制造和等材制造。增材制造作为工业母机的一个重点发展方向和领域，也是我国向“制造强国”发展的重点领域和方向，加快增材制造发展是推进制造业高端化、智能化、绿色化发展的重要基础。未来五年增材制造的产业规模有望突破千亿，从目前的测算来看，如果按年均增长率25% 估算，到2027 年大概能到千亿规模。

　　从今年各大主机厂发布的几款折叠屏旗舰手机看，以及消费电子龙头苹果公司也开始使用3D 打印设备进行精密零部件加工，标志着金属3D 打印设备开始进入万亿消费电子市场的设备供应链。随着金属3D 打印使用范围的不断拓展，应用场景的增加，单位成本的逐步下降，金属3D 打印设备的未来空间巨大。

　　公大激光成为全球第三家推出高功率绿光激光器厂商，于去年开始推出500W 单模连续绿光，并在今年9 月推出单模和多模千瓦连续绿光激光器，用于高反射材料（纯铜、铜合金、铝合金等）、贵金属（金、银）的绿光3D打印。

　　绿激光3D 打印设备，几乎可以覆盖所有常用金属材料的3D 打印需求，包括红外金属3D 打印设备的所有类型材料。特别是针对纯铜材料的3D 打印，公大激光进行了大量的验证和测试，目前纯铜材料3D 打印样件的致密度可以达到99.5% 以上，打印样件的机械强度、导热率、导电率的物料参数基本与压铸样件相当。