在过去的五年中，电动汽车已成为全球汽车行业最重要的发展趋势。由于高性能、驾驶舒适性、易操作性、降低维护需求和环境因素，对电动汽车的需求正在显著增加。立法也正在推动交通电气化1，而电动汽车不再是汽车市场的利基市场。

汽车行业的OEM、供应商和机器制造商的任务之一，是从供应链中创建可靠的技术，并加快电气元件的生产。这包括处理与电气化动力总成相关的生产的所有方面。最大的挑战之一是电动动力总成中的部件和材料是全新的，或者以不同于汽车行业惯例的方式使用。例如，高容量电池或合适的电动机所需的产量，不仅在汽车工业中是前所未有的，而且大体上在任何行业中都是。

关键部件

最重要的部件是电池，单个电池组装成电池模块，然后组装为电池组。需要可靠的电池管理系统，以及用于将电池集成在车体中的电池及模块的壳体。需要各种其他电气部件，例如充电系统、转换器和传感器系统，来为电池充电并管理汽车内部的电力。

除了电池外，还需要电动驱动器在行驶中提供动力。电动驱动有许多不同的设计，从混合驱动（电动驱动器直接集成到变速箱中的驱动概念）到四轮驱动，其中四个电动驱动器安装在车轮附近。

这些部件的共同之处在于，之前它们在汽车中不存在，因此对这些部件没有实质性的积累经验。这些部件中的主要材料之一是铜。

所有这些零件的生产都包含许多挑战和大量机会，因为制造流程没有事先定义的黄金标准。创新的空间很大：激光作为一种非常灵活的工具，可以成为电动汽车的关键。使用激光，可以满足生产率和质量方面的新要求，并可以从目前的小批量生产，扩大到不久的将来所需的大批量生产。

激光的可能性

电动汽车市场可能的激光应用数量和生产部件的数量在增加。特别是在动力电气、动力总成和电池制造领域，激光器能够以最小的热量输入实现快速焊接和切割。但是，每个领域的要求都有很大差异。直接敷铜（DBC）板上的电子触点的焊接需要精确的焊接深度、最小的飞溅和热输入，因为周围的部件非常接近焊接位置，如果该过程缺乏稳定性将被破坏。在电气动力总成中，发卡的焊接需要高激光功率和焊接速度，并具有最少的微孔和飞溅，以产生良好的电性能。在电池触点中预先设定了相同的要求，其中精确的焊接性能是高质量和高生产率的关键因素。同样，电动汽车组件这些领域中的大多数激光应用包含由铜制成的部件，这是绿光波长激光器的首选领域（见图1）。

铜的最大优点是其高导电性和导热性，这也是焊接的最大挑战。铜的热传导比常用钢材高十倍，需要非常强的能量输入。这可以通过激光解决，因为这种技术在小的相互作用区域上贡献了高能量强度。然而，导致高导电性的类似材料特性也导致高反射率。激光以光的形式将能量传递到工件上，通常在近红外光谱中。反射金属和大多数透明材料通常仅吸收一小部分红外激光，这对红外激光器提出了挑战。

只有约5％的激光能量可用于加热铜焊接中的材料。2由于从室温开始加热材料，并且材料对激光的吸收低，因此需要高强度来启动焊接过程。室温下的铜表面反射几乎所有的激光功率到周围，包括光学元件。虽然这在能量转移方面的效率非常低，但这也可能损坏敏感部件。在熔化温度下，对红外激光束的吸收随温度升高上升到超过15％，但这种转变难以控制。3该过程需要高强度来启动，但随着吸收的增加，材料可能会过热。因此，导热焊接不能很好地再现。另一方面，深熔焊接受到损害，特别是在焊接缺陷（例如熔体喷射）导致的低进料速率下。4并且，由于与钢相比铜较低的表面张力和粘度，熔池更不稳定。

绿光激光的功能和优点

铜对绿光激光（515nm）的吸收率为35~40％，因此焊接过程可以非常稳定，而没有初始吸收和过热的问题。参数很容易找到，并且不需要诸如摆动之类的加工策略。德国通快公司的绿光激光器基于碟片激光技术，系统已准备好用于工业用途。激光由光纤引导，易于集成到机器中。

由于铜对绿光激光束的良好吸收，在导热焊接模式下可以重复焊接均匀的箔，以及厚度达0.4mm的小型铜部件。在没有锁孔和由此产生的熔体动力学的情况下，已经展示了用绿光激光是实现的完全没有飞溅的铜焊（见图2）。高速视频影像证明了这点，人们可以在没有运动的情况下看到完美光滑的熔体表面。使用类似的红外激光器，不可能对铜进行可重复的导热焊接，因为吸收与温度有关，并且该过程很容易从热传导焊接转变为深熔焊接。根据焊接模式，铜箔未连接上或损坏。

使用红外激光束焊接不可能在熔化和蒸发温度之间保持过程温度恒定。由于工艺稳定性和高吸收，绿光波长可以实现高进给速率，从而减少热传导和热膨胀造成的热损耗。采用绿光激光的热传导焊接是电池箔焊接，以及连接电气组件中小铜部件的首选（图3）。

对于非常热敏感的部件如DBC板，或在热敏环境中焊接，推荐使用毫秒脉冲绿光激光器。脉冲模式为热工艺管理提供了更多可能性。脉冲暂停有效地降低零件和周围材料上的热应力。通过增加绿光激光器的脉冲重叠，可以轻松处理高达0.1mm的间隙。每次脉冲后材料都会冷却，因此热输入可以减少。与红外激光器相比，使用绿光激光束进行焊接不会产生脉冲间冷却，以及缺乏温度相关吸收的问题。

也可以焊接较厚的铜元件以获得更高的电流（见图4）。可以焊接表面质量高，厚度高达0.8mm的铜。最大焊接深度取决于零件的热容。小部件或更薄的板更容易焊接，因为对周围材料的热传导是有限的。这是一个材料问题，与波长无关。

通过表面涂层、氧化或其他表面处理，可以增强红外激光束的吸收。5使用绿光波长激光进行焊接时不需要对铜进行涂覆。无论表面状况如何，即使在室温下吸收现象也能有效地开始。使用抛光、砂磨、酸蚀和氧化表面进行的测试，显示出非常相似的焊接结果。绿光激光受表面状况的影响较小（见图5）。氧化或抛光表面可以用相同的参数焊接。

结论

由于电动汽车，铜焊已成为汽车行业最重要的研究课题之一。需要新技术来实现铜的低飞溅、高质量焊接。已经证明使用绿光波长激光器是铜焊接的理想方法。在焊接电池和电子设备中的电气元件时，铜表面瞬间吸收结合稳定的工艺是很大的优势。由于没有飞溅，甚至可以焊接预组装的电子元件，而没有短路的风险。现在可提供平均功率为400W，峰值功率为4kW的工业脉冲激光器，以及功率高达1kW的连续波（CW）激光器。采用这种技术克服了激光焊接铜的挑战。

参考文献

1. See https://bloom.bg/2Pn2YfK. 

2. J. Bliedtner, H. Müller, and A. Barz, Lasermaterialbearbeitung Grundlagen – Verfahren –Anwendungen – Beispiele, Hanser, Munich, Germany (2013).

3. S. Amorosi, T. C. Sidler, R. P. Salathe, H. P. Schwob, and J. Hertzberg, Proc. SPIE, 5063, 1, 1–7 (2003). 

4. A. Heider et al., Phys. Procedia, 41, 112–118 (2013). 

5. S. Engler, R. Ramsayser, and R. Proprame, Phys. Procedia, 12, 342–349 (2011).