背景技术
发明领域
本发明涉及材料的激光加工，特别是使用具有约350nm至约500nm及更大波长的激光束进行的铜材料的激光接合。
由于高反射率、高导热率和高热容量，铜的激光焊接已被证明是非常具有挑战性的。已经开发了从超声波焊接到红外激光焊接的多种方法来焊接铜。然而，这些现有的铜焊接方法具有许多缺点和局限性。例如，存在这些限制的一个市场是用于不断增长的电动汽车市场的高性能电子领域。需要比现有技术所能获得的更高速且更好的焊缝质量，以为不断增长的汽车市场生产高性能电池和电子产品。
当使用1030nm的红外激光源时，铜在该波长下的高反射率使得难以将功率耦合到材料中以对其进行加热和焊接。克服高反射率的一种方法是使用高功率级(>1kW)IR激光来启动小孔焊缝(keyhole weld)，然后将功率耦合到材料中。这种焊接方法的问题之一是小孔中的蒸汽会导致微爆炸，将熔化的铜喷到被焊接的零件上，或者微爆炸会导致全熔透被焊接的零件的孔。因此，研究人员不得不依靠快速调制激光功率来尝试防止焊接过程中出现这些缺陷。已经发现缺陷是工艺本身的直接结果，当激光试图焊接铜时，它最初将其加热到熔点，然后它迅速转变为使铜汽化。一旦铜汽化，小孔形成，激光耦合从最初的5％迅速上升到100％；这种转变发生得如此之快，以至于耦合进来的热量迅速超过焊接零件所需的热量，导致所描述的微爆炸。
由于高反射率、高热导率、低汽化点和高热容量，用现有的红外激光方法和系统激光焊接铜是具有挑战性的，并且存在问题。已尝试使用红外激光焊接铜的多种方法，包括将红外激光与绿色激光结合、在焊接熔池中摆动光斑、在真空中操作以及以高频调制激光。虽然这些方法目前用于一些铜焊接应用，但它们往往具有狭窄的加工窗口(processing windows)、不受控制的飞溅和焊缝中不可预测的可变性，并且通常被证明不是理想的或最佳的。更困难的铜焊接工艺之一是如何将堆叠的铜箔相互焊接，以及将其焊接到较厚的母线；现在，这些操作无法通过IR激光可靠地完成，也无法以产生制造商所需的焊缝质量的方式完成。因此，制造商依赖超声波焊接方法将这些箔片粘合在一起。这些超声波方法也不是最佳的并且存在问题。例如，使用超声波焊接方法，超声波发生器会在生产过程中磨损，从而导致从不完整的焊缝到具有遗留碎屑的焊缝等工艺可变性。这些缺陷限制了产量、电池的内阻、所得电池的能量密度以及在许多情况下电池的可靠性。
除非另有明确提供，术语“铜基材料(copper based material)”应赋予其最广泛的可能含义，包括铜、铜材料、铜金属、用铜电镀的材料、含有至少约10重量％的铜至100％的铜的金属材料、含有至少约10重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金、含有至少约20重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金、含有至少约10重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金、含有至少约50重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金、含有至少约70重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金，以及含有至少约90重量％的铜至100重量％的铜的金属和合金。
术语“激光加工”、“材料的激光加工”和类似的此类术语，除非另有明确提供，否则应具有最广泛的可能含义，并包括焊接、钎焊、熔炼、接合、退火、软化、增粘、表面重修(resurfacing)、喷丸、热处理、熔合、密封和堆叠。
除非另有明确说明，本文所用的“UV”、“紫外线”、“UV光谱”和“光谱的UV部分”和类似术语应具有最广泛的含义，并且包括波长为约10nm至约400nm和10nm至400nm的光。
除非另有明确说明，本文所用的术语“可见光”、“可见光谱”和“光谱的可见部分”以及类似术语应具有最广泛的含义，并且包括波长为约380nm至约750nm和400nm至700nm的光。
除非另有明确说明，本文所用的术语“蓝色激光束”、“蓝色激光”和“蓝色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束的系统、激光束、提供(例如传播)激光束的激光源(例如激光和二极管激光(diode laser))，或波长为约400nm至约500nm的光。典型的蓝色激光的波长范围约为405-495nm。蓝色激光包括450nm、约450nm、460nm、约470nm的波长。蓝色激光的带宽可为大约10pm(皮米)到大约10nm、大约5nm、大约10nm和大约20nm，以及更大或更小的值。
除非另有明确说明，本文所用的术语“绿色激光束”、“绿色激光”和“绿色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束的系统、激光束、提供(例如传播)激光束的激光源(例如激光和二极管激光)，或波长为约500nm至约575nm的光。绿色激光包括515nm、约515nm、532nm、约532nm、550nm和约550nm的波长。绿色激光的带宽可以为约10pm到10nm、大约5nm、大约10nm和大约20nm，以及更大或更小的值。
除非另有明确说明，本文所用的术语如“至少”、“大于”也表示“不小于”，即，除非另有明确说明，否则此类术语不包括更小的值。
除非另有明确说明，本文所用的室温为25℃。并且，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，所有与温度相关、与压力相关或两者兼有的测试、测试结果、物理特性和值均在标准温度和压力下提供。
一般而言，除非另有说明，本文所用的术语“约”和符号“～”意在包含±10％的方差或范围、与获得所述值相关的实验或仪器误差，并且优选地包括这些之中更大的值。
除非另有说明，本文所使用的值范围的叙述、范围、从大约“x”到大约“y”，以及类似的此类术语和量化仅用作单独提及该范围内的独立值的简写方法。因此，它们包括落入该范围内的每个项目、特征、价值、数量或量。除非另有说明，本文所使用的范围内的每一个和所有单独的点都包含在本说明书中，并且是本说明书的一部分，就好像它们被单独叙述一样。
本发明背景部分旨在介绍可能与本发明相实施方式相关联的本领域的各个方面。因此，本节中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。
技术实现要素：
在金属焊接，特别是电子元件和电池的铜金属焊接中，对更好的焊缝质量、更快的焊接速度以及更高的可重复性、可靠性、更高的容差(tolerance)和更坚固的需求不断增加。在这些需求中，还包括需要一种改进的方法来将铜焊接到自身和其它金属上；并且，需要解决与焊接堆叠的铜箔，并将这些堆叠的铜箔焊接到更厚的铜或铝零件相关的问题。本发明通过提供在本文教导和公开的改进、制品、装置和工艺等解决了这些需求。
因此，提供了一种用于将复数片的铜箔激光焊接在一起的系统和方法，该方法包括以下步骤：将复数片的铜箔定位在焊接台中；其中箔片包含至少约50％的铜；对所述复数片的铜箔施加夹持力，以在所述焊接台中将多个箔片夹持在一起；在所述复数片的铜箔处沿着激光束路径引导蓝色激光束，其中所述激光束具有以下性质：(i)至少500瓦的功率；(ii)约44mmmrad(毫弧度)及以下的光束参量乘积；(iii)约400μm及以下的光斑尺寸；(iv)至少约为400kW/cm2的平均强度；(v)至少约800kW/cm2的峰值强度；蓝色激光束以焊接速度将所述复数片的铜箔搭接焊接在一起；以及，在沿着所述激光束路径的空间中提供非氧化光束清除气体，其中所述激光束在自由空间中从光学元件传到所述复数片的铜箔；其中，清除气体从所述激光束路径中去除羽状物质(plume material)并防止所述复数片的铜箔的氧化；其中焊接速度、夹持力和非氧化清除玻璃的流速是预先确定的，从而提供没有可见飞溅和可见孔隙的搭接焊缝。
此外，提供的这些焊缝、激光系统和焊接方法具有以下一个或多个特征：其中所述光束是CW光束；其中所述光束是脉冲光束；其中所述光束具有约450nm的波长；其中，所述光学元件选自由透镜、光纤面(fiber face)和窗口组成的组；其中清除气体选自氩气、氩气-CO2、空气、氦气和氮气组成的组；其中，所述激光束没有摆动(wobbled)，从而提供无摆动的激光焊接工艺；其中，所述复数片的铜箔具有10至50片箔片；其中铜箔片具有约80μm至500μm的厚度；其中，复数片的铜箔中的每一个都具有约80μm至500μm的厚度；并且，其中焊接速度至少为10m/min。
此外，提供了一种用于将复数个金属片激光焊接在一起的系统和方法，该方法包括：将复数片的金属定位在焊接台中；对所述复数片的金属施加夹持力，以在所述焊接台中将多片金属夹持在一起；在所述复数片的金属处沿着激光束路径引导蓝色激光束，其中所述激光束具有以下特性：(i)至少500瓦的功率；(ii)约44mmmrad及以下的光束参量乘积；(iii)约400μm或以下的光斑尺寸；(iv)至少约为400kW/cm2的平均强度；(v)至少约800kW/cm2的峰值强度；以及，所述蓝色激光束以焊接速度将所述多复数片的金属焊接在一起；以及，在沿着所述激光束路径的空间中提供非氧化光束清除气体，其中所述激光束在自由空间中从光学元件传到所述复数片的铜箔；其中，清除气体从所述激光束路径中去除羽状物质并防止所述复数片的铜箔的氧化；其中焊接速度、夹持力和非氧化清除玻璃的流速是预先确定的，从而提供没有可见飞溅和可见孔隙的焊缝。
更进一步地，提供具有以下特征中的一个或多个的这些焊缝、激光系统和焊接方法：其中，焊接台在多片金属的下方具有气隙；其中，所述金属选自由铝、不锈钢、铜、铝基金属、不锈钢基金属、铜基金属、铝合金、不锈钢合金和铜合金组成的组；其中所述激光束的波长约为450纳米；其中所述激光束没有摆动，从而提供无摆动的激光焊接工艺；并且，其中所述焊缝选自由搭接焊缝、对接焊缝、堆焊焊缝(bead on plate weld)和传导模式焊缝(conduction mode weld)组成的焊缝的组。
此外，提供了将复数片的铜箔激光焊接在一起的系统和方法，该方法包括：将复数片的铜箔定位在焊接台中；其中箔片包含至少约50％的铜；其中所述铜箔具有约80μm至500μm的厚度；对所述复数片的铜箔施加夹持力，以在所述焊接台中将多个箔片夹持在一起；在所述复数片的铜箔处沿着激光束路径引导蓝色激光束，其中所述激光束具有以下特性：(i)至少600瓦的功率；(ii)约44mmmrad及以下的光束参量乘积；(iii)约200μm至约400μm的光斑尺寸；(iv)至少约为2.1MW/cm2的平均强度；(v)接近至少约4.5MW/cm2的峰值强度；蓝色激光束以至少为10m/min的焊接速度将所述复数片的铜箔焊接在一起；以及，在沿着所述激光束路径的空间中提供非氧化光束清除气体，其中所述激光束在自由空间中从光学元件传到所述复数片的铜箔；其中，清除气体从所述激光束路径中去除羽状物质并防止所述复数片的铜箔的氧化；其中焊接速度、夹持力和非氧化清除玻璃的流速是预先确定的，从而提供没有可见飞溅和没有可见孔隙的焊缝。
提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，该方法包括：将工件放置在激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料放置成与第二块铜材料接触；将蓝色激光束导向所述工件，从而在所述第一块铜基材料和所述第二块铜基材料之间形成焊缝；其中，所述焊缝包括HAZ和再凝固区；其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再凝固区的微观结构是相同的。
进一步提供了具有以下系统中的一个或多个的这些焊缝、系统和方法；其中相同的微观结构在焊缝中没有显示出表明焊缝薄弱的可辨别差异；其中所述相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域；其中，所述焊缝采用传导模式焊接形成；其中，所述焊缝采用小孔模式焊接(keyhole mode welding)形成；其中第一和第二件具有约10μm至约500μm的厚度；其中第一件包括复数层的铜箔；其中所述第一件为铜金属；其中所述第一件是铜合金，具有约10至约95重量百分比的铜；其中所述激光束作为功率密度小于800kW/cm2的聚焦光斑导向工件；其中所述激光束作为功率密度小于500kW/cm2的聚焦光斑导向工件；其中所述激光束作为功率密度为约100kW/cm2至约800kW/cm2的聚焦光斑导向工件；其中所述激光束作为功率密度大于100kW/cm2的聚焦光斑导向工件；其中所述激光束的功率小于500W；其中所述激光束的功率小于275W；其中所述激光束的功率小于150W；其中所述激光束具有150W至约750W范围内的功率；其中，所述激光束具有约200W至约500W范围内的功率；其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm光斑尺寸的聚焦光斑导向工件；其中所述激光束具有约405nm至约500nm的波长；其中形成的焊缝没有飞溅；并且，其中激光不使工件汽化。
还提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，该方法包括：将工件放置在激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料放置成与第二块铜材料接触；将蓝色激光束导向所述工件，从而在所述第一块铜基材料和所述第二块铜基材料之间形成焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区；其中HAZ的硬度范围在铜基材料的硬度范围内。
此外，还提供了具有以下一个或多个特征的这些焊缝、系统和方法：其中，所述再凝固区的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内；其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再凝固区的微观结构相同；其中相同的微观结构在焊缝中没有显示出表明焊缝薄弱的可辨别差异；其中相同的微观结构在焊缝中没有显示出表明焊缝薄弱的可辨别差异；且其中所述相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域。
进一步提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，该方法包括：将工件放置在激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料放置成与第二块铜材料接触；将蓝色激光束导向所述工件，从而在所述第一块铜基材料和所述第二块铜基材料之间形成焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区；其中所述再凝固区的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内。
此外，提供了用波长范围为405nm至500nm的蓝色激光焊接铜，以及通过该焊接产生的焊缝和产品。
此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：其中以传导模式焊接铜；以传导模式焊接铜，在焊接过程中没有熔池汽化；以传导模式焊接铜，产生类似于母材的微观结构，其晶体生长区域的尺寸与母材的尺寸相似；以传导模式焊接铜，在热影响区(HAZ)中产生类似于母材的微观结构；以传导模式焊接铜，在焊道(weld bead)中产生类似于母材的微观结构；以传导模式焊接铜，在热影响区产生与母材相似的硬度；以传导模式焊接铜，在焊道中产生类似于母材的硬度；焊接铜，其中焊道中的微观结构与母材的微观结构不同；焊接铜，其中HAZ中的微观结构与母材相似。
此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：以小孔模式焊接铜；以小孔模式焊接铜，其中焊接过程中飞溅极少，焊后铜表面几乎没有或没有飞溅；以500kW/cm2或更高的功率密度以及能够使小孔保持打开的焊接速度焊接铜；以400kW/cm2或更高的功率密度以及能够使小孔保持打开的焊接速度焊接铜；以100kW/cm2或更高的功率密度以及足够快以防止转换到小孔焊接方式的的焊接速度焊接铜；焊接铜时伴随预热，以提高焊接过程中的熔透深度；焊接铜时伴随Ar-CO2辅助气体；焊接铜时伴随Ar-H2辅助气体；焊接铜时伴随Ar辅助气体；焊接铜时伴随空气；焊接铜时伴随He辅助气体；焊接铜时伴随N2辅助气体；焊接铜时伴随辅助气体。
此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：激光功率从1Hz调制到1kHz；激光功率从1kHz调制到50kHz；使用拉长的蓝色激光点保持小孔打开；使用机器人以圆形、摆动或椭圆形摆动运动快速移动光斑；使用安装在检流计上的镜子使光斑平行于焊缝方向摆动；使用安装在检流计上的镜子使光斑垂直于焊缝方向摆动；并使用安装在一对检流计上的一对镜子以圆形、振荡或椭圆形振荡运动快速移动光斑。
还另外提供了一种在铜基材料中形成小孔焊缝的方法，该方法包括：将工件放置在激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料放置成与第二块铜材料接触；将蓝色激光束导向所述工件，从而在所述第一块铜基材料和所述第二块铜基材料之间形成小孔模式焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区。
此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：其中对于小孔焊缝，激光功率小于1000kW；其中对于小孔焊缝，激光功率小于500kW；其中对于小孔焊缝，激光功率小于300kW；包含拉长激光束以抑制来自小孔的飞溅；包括调制激光功率以抑制来自小孔的飞溅；包括在焊接的小孔模式期间快速扫描光束以抑制飞溅；包括在自动或手动开始焊接后迅速降低激光功率；包括使用低气压以减少焊接过程中的夹带气体和飞溅；包括施加保护气体；包括施加选自由He、Ar、N2组成的组的保护气体；包括施加选自由Ar-H2、N2、N2-H2组成的组的保护气体混合物；以及，包括施加保护气体和向保护气体中添加氢气以去除氧化层并促进焊缝的润湿。
附图说明
图1为根据本发明的铜的无飞溅传导模式焊缝的实施例的照片。
图2为根据本发明的铜上的小孔焊缝的实施例的照片。
图3为示出对于厚度为127μm的铜，本发明实施例的熔透深度与速度的关系的图表，其中铜以高达8m/min的速度被全熔透。
图4为示出对于厚度为254μm的铜，本发明实施例的熔透深度与速度的关系的图表，其中铜以高达0.5至0.75m/min的速度被全熔透。
图5为示出本发明的实施例的熔透深度与速度的关系的图表。
图6为示出了本发明的实施例在几种不同速度下的熔透深度的图表。
图7为示出了根据本发明的在厚度为70μm的铜箔上的传导模式焊缝的实施例的注释的照片。
图8为根据本发明的小孔模式焊缝横截面的实施例的注释的照片。
图9为各种金属的吸收曲线，显示了IR激光和可见光激光之间的吸收差异。
图10为根据本发明，传导模式焊缝延伸到材料中的实施例的示意图。
图11为根据本发明，小孔焊缝延伸到材料中的实施例的示意图。
图12为根据本发明的用于激光焊接的零件保持器的实施例的立体图。
图12A为图12的零件保持器的横截面图。
图13为根据本发明的用于保持薄零件以形成搭接焊缝的零件保持器的实施例的立体图。
图13A为图13的零件保持器的横截面图。
图14为根据本发明的传导模式焊缝的堆焊的实施例的照片。
图15为用根据本发明的传导焊接模式焊接的一叠箔片的实施例的照片。
图16为根据本发明的小孔模式焊缝的堆焊的实施例的照片。
图17为根据本发明的小孔模式焊接的一叠40个铜箔的实施例的照片。
图18为根据本发明的各种功率水平和各种速度的实施例在铜中的熔透深度图。
图19为用于执行根据本发明的本激光焊接方法的实施例的150瓦蓝色激光系统的实施例的示意图。
图20为根据本发明，使用两个150瓦蓝色激光系统制造300瓦蓝色激光系统的实施例的示意性光线轨迹图。
图21为根据本发明，使用四个150瓦蓝色激光系统制造800瓦蓝色激光系统的实施例的示意性光线轨迹图。
图22为根据本发明，使用100mm焦距透镜在600W下，对于包含95％环围功率的圆形孔径，光束焦散(beam caustic)半径(微米(μm))与焦点位移(μm)的关系图。
图23为根据本发明，铜110的堆焊(BOP)测试的实施例的图，示出了熔透(μm)与速度m/min之间的关系。
图24为根据本发明，铜110的对接焊缝测试的实施例的图，示出了熔透(μm)与速度m/min之间的关系。
图25为根据本发明的传导模式焊缝的实施例的图，示出了板厚度对熔透深度的影响。
图26为根据本发明，铝1100的BOP测试的实施例的图，示出了熔透(μm)与速度m/min之间的关系。
图27为根据本发明，铝110的对接焊缝测试的实施例的图，示出了熔透(μm)与速度m/min之间的关系。
图28为根据本发明，不锈钢304的BOP测试的实施例的图，示出了熔透(μm)与速度m/min之间的关系。
图29为小孔焊接的铜110板的实施例的纵向截面的实施例的照片，示出了全熔透区域的开始。
图30为根据本发明，以1.1m/min焊接的、具有最小孔隙率和飞溅的1.016mm厚的铜的实施例的照片。
图31示出了根据本发明，用600瓦和200μm光斑尺寸焊接的铜110的BOP测试的实施例的熔透深度(μm)和速度(m/min)之间的关系的图。
图32为根据本发明的四片不锈钢304的小孔搭接焊缝的实施例的照片。
图33为根据本发明的对多叠的铜110箔进行搭接焊接测试的实施例的图。
图34为根据本发明，用500瓦、400μm光斑蓝色激光焊接的多叠的40、10mm厚的铜110箔的实施例的照片。
具体实施方式
总体而言，本发明涉及用于焊接金属的激光、激光束、系统和方法，所述金属尤其为铝、不锈钢、铜、铝基金属、不锈钢基金属、铜基金属和这些金属的合金。总体而言，本发明还涉及激光束的施加方法、光束尺寸、光束功率、固定零件的方法和引入保护气体以辅助焊接过程的方法，包括防止零件的氧化和对羽状物的管理以防止羽状物干扰激光束。
在一个实施例中，本发明为许多领域中的铜基材料(包括电子元件，并且进一步包括电池)提供高质量的焊缝、高焊接速度以及两者。在一个实施例中，本发明为用于汽车部件(包括汽车电子部件，包括电池)的铜基材料提供高质量焊缝、高焊接速度以及两者。
在一个实施例中，本发明为许多领域中的不锈钢基材料(包括电子元件，并且进一步包括电池)提供高质量的焊缝、高焊接速度以及两者。在一个实施例中，本发明为用于汽车部件(包括汽车电子部件，包括电池)的不锈钢基材料提供高质量焊缝、高焊接速度以及两者。
在一个实施例中，本发明为许多领域中的铝基材料(包括为电子元件，并且进一步包括电池)提供高质量的焊缝、高焊接速度以及两者。在一个实施例中，本发明为用于汽车部件(包括汽车电子部件，包括电池)的铝基材料提供高质量焊缝、高焊接速度以及两者。
在本发明的一个实施例中，高功率蓝色激光源(例如，～450nm)解决了现有的铜焊接技术的问题。蓝色激光源提供蓝色激光束，在该波长下，铜的吸收率约为65％，从而能够在所有功率水平下将激光功率有效耦合到材料中。该系统和方法在许多焊接技术中提供稳定的焊接，包括传导和小孔焊接模式。该系统和方法最小化、减少并优选消除蒸发、飞溅、微爆炸以及这些的组合和变化。
在一个实施例中，在从150瓦到275瓦的功率水平下，以约200μm的光斑尺寸对铜进行的蓝色激光焊接在所有功率范围内实现了稳定、低飞溅的焊接。在该焊接系统和方法的一个实施例中，焊接处于传导模式，所得焊缝的微观结构类似于母材。
优选地，在实施例中，激光波长可以为从350nm到500nm，光斑尺寸(直径或横截面)可以在从100微米(μm)到3mm的范围内，并且还考虑了更大的光斑尺寸。光斑可以是圆形、椭圆形、线性、方形或其它图案。优选地，激光束是连续的。在实施例中，激光束可以是脉冲的，例如为从约1微秒和更长。
转向图6，示出了不同焊接速度下的熔透深度与功率的关系。使用实施例1中所述类型的系统进行焊接。在500μm铜上，以275W功率的激光束制造焊缝，没有辅助气体。
图7的照片示出了70μm厚铜箔上的传导模式焊缝，显示了通过HAZ和焊缝的微观结构。使用实施例1中描述的参数制造焊缝。每个样品的熔透深度首先通过横截面确定，然后蚀刻样品以显示焊缝和HAZ区域的微观结构。此外，对其中一个样品进行了剖切，整个母材的维氏硬度范围为133-141HV，焊道约为135HV，HAZ的范围为118-132HV。结论是母材、HAZ和焊道(例如再凝固区)的硬度接近原始材料。此外，传导模式焊道、HAZ和母材的微观结构非常相似，微观结构略有不同。当使用激光或任何其它方式焊接时，以前从未在铜中观察到具有这些特性的焊缝。这种焊接质量示于图7，其中样品被横向于焊缝剖开，并被蚀刻以显示微观结构。
因此，本发明的实施例包括焊接铜基材料以获得以下焊缝的方法，以及所得焊缝本身。这些方法和焊缝将包括将两个或多个铜基材料焊接在一起，以使得在焊缝周围的区域中材料的硬度如下(通过公认的和既定的硬度测试测量，例如维氏硬度、ASTM测试等)：当焊道硬度在母材硬度范围内时，焊道硬度在母材硬度的1％以内、焊道硬度(如再凝固区)在母材硬度的5％以内，以及焊道硬度在母材硬度的10％以内。这些方法和焊缝将包括将两个或多个铜基材料焊接在一起，以使得在焊缝周围的区域中材料的硬度如下(通过公认的和既定的硬度测试测量，例如维氏硬度、ASTM测试等)：当HAZ硬度在基材硬度范围内时，HAZ硬度在基材硬度的1％以内、HAZ硬度在基材硬度的5％以内，以及HAZ硬度在基材硬度的10％以内。这些方法和焊缝将包括将两个或多个铜基材料焊接在一起，以使得在焊缝周围的区域中，母材、焊道(例如再凝固区)和HAZ的微观结构是相同的，即在显微组织中没有可辨别的、表明或显示焊缝区域的焊接结构存在弱点或焊缝区域存在弱点的区别。
转向图8，其为厚度为500μm的铜板样品在小孔焊接模式下操作时观察到的微观结构。在小孔焊接过程中，蒸汽羽状物清晰可见，熔融铜沿着焊缝长度缓慢喷射。焊接中或焊接后没有任何来自焊接过程的飞溅物的迹象，这在使用IR激光焊接时通常会观察到。这表明稳定、控制良好的小孔工艺，其适用于在电子元件上创建高质量焊缝。可以由低至800kW/cm2和更低的功率密度得到具有非常高的质量和均匀性的小孔模式焊接横截面(如图8所示的类型)。再凝固区[1]–[2]为442μm至301μm，HAZ[2]为1314μm。
本发明的实施例涉及用于使用可见激光系统将铜焊接到铜或其它材料,以实现益处的方法、装置和系统，所述益处包括到铜材料的有效传热速率；稳定的熔池；以及尤其是在焊接的传导模式或小孔模式中具有这些优势。铜在蓝色波长范围内具有高吸收性，如图9所示。目前优选的蓝色激光束和激光束系统和方法以非常高效的方式将激光功率耦合到铜中。本激光束系统和方法加热母材(待焊接的材料，例如铜)的速度快于热量从激光光斑传导出去的速度。这为传导模式激光焊接提供了高效且出色的焊缝性质，即激光束中的材料被快速加热至熔点并通过连续激光束保持在熔点，从而形成稳定的焊道。在目前的传导模式焊接中，金属迅速熔化，但焊缝的熔透深度由热扩散到材料中决定，并以球形前进进入材料。这在图10中示出。图10示出了传导模式焊接1000的实施例的示意图，用箭头1004示出了焊缝的方向。激光束1001(例如蓝色波长)聚焦到并保持在焊接熔池1002上。熔池1002后方是实心焊接材料1003。母材(例如铜金属或合金)在焊缝下方。还使用保护气流1005。
本发明的一个实施例涉及使用蓝色激光系统对铜进行小孔焊接。这些方法和系统为焊接厚的铜材料以及堆叠的铜箔(包括厚的堆叠)开辟了新的可能性。当激光能量被吸收得如此之快，以至于熔化和汽化被焊接的材料时，就会发生这种小孔模式的焊接。蒸发的金属在被焊接的金属中产生高压，打开孔或毛细管，激光束可以在那里传送和被吸收。一旦启动小孔模式，就可以实现深熔焊。激光束的吸收从铜中蓝色激光的65％的初始吸收变为小孔中的100％吸收。高吸收可归因于小孔壁的多次反射，激光束在此处经历连续吸收。当结合铜在蓝色波长处的高吸收率时，启动和维持小孔所需的功率大大低于使用IR激光时的功率。转到图11，图11显示了小孔模式焊缝2000的实施例的示意图，用箭头2007示出了焊缝方向。小孔2006中有金属/蒸汽等离子体。蓝色激光束2002产生等离子体云2002、熔池2003和固体焊缝金属2004。还使用保护气流2005。
比较图11的小孔焊缝和图10的传导模式焊缝。与传导模式焊缝相比，小孔焊缝中最终焊缝再凝固区的壁更垂直穿过零件或母材。
优选地，用于本系统和方法的实施例的高功率激光束(例如，可见光、绿色和蓝色激光束)被聚焦，或者具有通过系统中的光学器件被聚焦的能力，并具有至少10W或更高的功率；所述聚焦为聚焦至约50μm的光斑尺寸。激光束(包括蓝色激光束)的功率可为10W、20W、50W、100W、10–50W、100–250W、200–500W，和1,000W，考虑更高和更低的功率，以及这些范围内的所有波长。这些功率和激光束的光斑尺寸(最长横截面距离，对于圆来说是直径)可以为约20μm至约4mm、小于约3mm、小于约2mm、约20μm至约1mm、约30μm至约50μm、约50μm至约250μm、约50μm至约500μm、约100μm至约4000μm，考虑更大的和更小的光斑，以及在这些范围内的所有尺寸。激光束光斑的功率密度可以为约50kW/cm2至5MW/cm2、约100kW/cm2至4.5MW/cm2、约100kW/cm2至1000kW/cm2、约500kW/cm2至2MW/cm2，大于约50kW/cm2、大于约100kW/cm2、大于约500kW/cm2、大于约1000kW/cm2，大于约2000kW/cm2，以及更高和更低的功率密度，以及这些范围内的所有功率密度。铜的焊接速度从约0.1毫米/秒到大约10毫米/秒，根据各种条件，焊接速度更慢和更快，以及这些范围内的所有速度。速度取决于被焊接材料的厚度，因此每单位厚度的速度(以mm表示)mm/秒/厚度可为对于10μm到1mm厚的铜的0.1/秒到1000/秒。
本方法和系统的实施例可以使用一个、两个、三个或更多个激光束来形成焊缝。激光束可以聚焦在相同的一般区域以起始焊缝。激光束光斑可以重叠，也可以重合。可以同时使用复数个激光束；并且重合和同时。可以使用单个激光束开始焊缝，然后添加第二个激光束。可以使用多个激光束以起始焊缝，然后使用较少的光束(例如单束)以继续焊缝。这复数个激光束中的激光束可以为不同功率或相同功率，功率密度可以不同或相同，波长可以不同或相同，以及这些的组合和变化。附加激光束的使用可以是同时的，也可以是顺序的。也可以使用利用复数个激光束的这些实施例的组合和变化。使用多个激光束可以抑制来自焊缝的飞溅，并且可以在深熔焊方法中做到这一点。
在实施例中，氢气(H2)可以与惰性气体混合以在焊接工艺期间从基材去除氧化物层。氢气流过焊缝区域。氢气还促进焊缝的润湿。氢气可以添加到保护气体中或与保护气体形成混合物，并作为保护气体的一部分应用于焊缝。这些混合物将包括，例如，Ar-H2、He-H2、N2-H2。
图18提供了激光系统配置和从127μm到500μm的材料厚度范围的各种实施例在铜上的熔透深度、激光束功率和焊接速度的示例。
用蓝色激光系统对铜、铜合金和其它金属进行传导模式焊接的方法
当应用于铜基材料时，本系统克服了与IR焊接相关的问题和困难。铜在当前激光束和光束光斑的蓝色波长下的高吸收率(65％)克服了材料的热扩散率，并且可以在相对较低的功率水平(约150瓦)下做到这一点。本蓝色激光束与铜的相互作用使铜很容易达到其熔点，允许宽加工窗口。
在一个实施例中，通过使用零件保持装置或夹具，执行稳定传导模式焊接并且以稳定且快速的速率获得高质量焊缝。
焊接夹具用于在由激光束在零件中引起的热瞬变期间将要焊接的材料固定在适当位置。图12和12A的夹具分别为可用于搭接、对接甚至边缘焊缝的焊接夹钳的线性截面(linear section)的实施例的立体图和横截面图。焊接夹具4000具有底板或支撑结构4002。连接到底板4002的是两个夹钳构件或压紧件4001。压紧件4001具有搁置在基板4002的表面上的凸片和自由端，该自由端接触并固定要焊接的工件。在底板4002中，压紧件4001的自由端之间的区域处存在槽4003，例如2mm宽x2mm深。四个螺栓，例如4004，(也可使用其它类型的调节紧固装置)调整、拧紧并将夹钳固定在工件上，从而保持或固定工件。
该固定装置的优选材料是低热导率材料，例如不锈钢，因为它足够坚硬以施加在焊接期间将零件保持就位所需的夹紧压力。在实施例中，夹钳、基板和两者在焊接过程中可以对工件具有绝缘性能效果。将具有低热导率的材料用于固定装置可防止、最小化和减少沉积到零件中的热量被固定装置本身快速传导走。这在焊接铜等高导热材料时提供了额外的好处。因此，夹钳选用的材料、夹钳的宽度和零件下的间隙都是决定焊缝熔透深度、焊道宽度和焊道整体质量的参数。转到图14，示出了截面(蚀刻之后)，其中传导模式焊缝可以通过基材(例如工件中)的焊道的圆形形状6001来识别。由于当热量施加到零件的顶面时，铜或任何其他材料的热传递过程的各向同性特性，焊缝具有这种形状。
在优选实施例中，夹具4000的底板4002由不锈钢构建，在底板中切出2mm宽的间隙4003以定位在焊缝区域正下方并充满惰性气体，例如氩气、氦气或氮气(作为覆盖或保护气体)，从而最大限度地减少焊缝背面的氧化。覆盖气体可以是氢气和惰性气体的混合物。夹钳4001被设计成在距离底板4002中的间隙4003的边缘2mm处对待焊接零件施加压力。因此，在该实施例中，待焊接零件的6mm宽区域对激光光束开放(认识到激光束将与夹钳稍有距离)。夹钳的这种定位允许激光束轻松接近表面以及零件的紧密夹紧。这种类型的夹钳是将厚度从50μm到数毫米不等的两个箔片或铜片对接焊接在一起的首选方法。该夹具还适用于将两个较厚的铜板(范围从200μm到数毫米不等)搭接焊接在一起。夹紧压力的大小非常重要，根据激光功率的大小、焊接速度、零件的厚度和进行焊接的类型，夹紧螺栓的扭矩可能达到0.05牛顿-米(Nm)、高达3Nm或更高(对于更厚的材料而言)。该扭矩值高度依赖于螺栓尺寸、螺纹啮合以及螺栓中心到夹紧点的距离。
在一个实施例中，通过提供足够的夹紧力以防止零件在焊接过程中移动，同时最小化固定装置本身的寄生热损失，以获得高质量和优良的焊接。应当理解，图12和12A的夹具的实施例代表焊接夹具的直部分(straight portion)的横截面，可以设计成任何任意二维路径(例如，-S-、-C-、-W-等)以将任何类型的形状焊接在一起。在另一个实施例中，夹具可以在焊接过程中被预热或加热以增加焊接的速度或熔透深度，同时减少夹具的寄生热损失。将夹具加热到100℃时，可以将焊接速度、熔透深度和质量提高一到两倍(a factor or two)或更多。焊缝顶侧的保护气体从焊缝行进方向的前面纵向输送到焊缝行进方向的后面，如图10所示。堆焊传导模式焊缝如图14所示，其使用该夹具4000在厚度为254μm的铜板上进行。焊道的冻结图案示出了此类焊缝的典型球形熔化图案。
使用传导模式焊接工艺搭接焊接两个零件需要放置零件并保持紧密接触。这两个零件(统称为工件)可以被放置在一个固定装置中，优选为图13和图13A所示的类型；图13和图13A分别是夹具5000的立体图和截面图。夹具5000具有底板5003和两个夹钳5002。夹钳具有四个槽(例如5010)，其对应于压紧螺栓(例如5001)。通过这种方式，可以调整和固定夹钳相对于工件的位置、夹钳相对于彼此的位置，以及夹紧力或压力的大小。夹钳可以具有磁铁以帮助它们的定位和固定。夹钳5002具有用于输送保护气体的内部通道，例如5004。通道5004与保护气体出口例如5005流体连通。保护气体出口和保护气体通道形成夹钳内的保护气体输送系统。因此，气体输送系统是并且穿过沿着夹钳长度的一排孔，其输送惰性气体，例如氩气、氦气或氮气。氩气是优选的气体，因为它比空气重，会沉在零件上，取代氧气并防止上表面氧化。惰性气体中可加入少量氢气，以促进零件上氧化层的清除，促进零件在熔化过程中的润湿。
还有一个插入件5006，其用于迫使一叠箔片中的各个箔片保持并维持堆叠中的彼此接触。插入物5006可以拉伸并迫使箔片彼此紧密且均匀地接触。在图13和图13A的实施例中，插入件5006是倒V形。它可以是弯曲的、隆起的或其它形状，这取决于该叠箔片，以及单独的箔片的厚度。另外，在图13和图13A的实施例中，插入件5006与夹钳5002相邻但未被夹钳5002覆盖。插入件可以从夹钳的端部移除，或者夹钳中的一个或两个可以部分地覆盖插入件。
在优选实施例中，底板5000由不锈钢制成，夹钳5002也是如此。固定装置可由陶瓷或绝热材料制成。隆起5006提供来自焊缝底部的压力以保持重叠的板(两个、三个、十个等)紧密接触。在该实施例中，保护气体的装置以沿夹钳长度的一排孔的形式构建到夹钳(2)中，这些孔输送惰性气体，例如氩气、氦气或氮气。氩气是优选的气体，因为它比空气重，会沉在零件上，取代氧气并防止上表面氧化。底板5003中的插入隆起5006还可具有一系列通道、孔或槽，以将覆盖或保护气体输送到焊缝的背面以防止氧化。如图所示，夹具5000代表焊缝的直部分的横截面，并且可以设计成用于将任意形状焊接在一起的任意二维路径。在此应用中，螺栓的扭矩值可能很重要，具体取决于工件的性质；扭矩值太低(例如0.1Nm)时零件可能无法保持接触，太高的扭矩值>1Nm以及寄生传热降低了焊接过程的效率，降低了熔透和焊道宽度。
用蓝色激光系统，小孔模式焊接铜、铜合金和其它金属的方法
蓝色激光具有比IR激光(65％)高得多的吸收水平，并且可以在275瓦的相对低的功率水平下开始小孔焊缝(与IR系统启动小孔焊接过程所需的2,000至3,000W相比。启动后，IR系统将进一步面临失控(runaway)等问题)。由于蓝色激光系统启动小孔模式，吸收增加，现在它不是失控过程，因为它从65％增加到大约90％和100％。因此，本小孔焊接工艺具有与IR非常不同的吸收时间曲线。本蓝色小孔焊接工艺的从开始到推进焊缝的吸收时间曲线为35％或更少。使用现有的激光焊接系统实现启动蓝色激光焊接工艺并过渡到连续焊缝，而无需像使用IR激光时所需的那样快速改变激光的功率水平或焊接速度以防止飞溅。使用蓝色激光的小孔焊接开始时的高速视频显示了一个稳定的过程，能够焊接多层的铜箔和板，并且从小孔中喷出的飞溅极少甚至没有。两个小孔焊接的样品的横截面示于图16和17中，其中材料冻结图案明显不同于图14中所示的传导模式焊接的样品的形状。垂直于材料表面的材料冻结图案的形成，如图16和17所示，与传导模式焊缝不同，因为热传递沿贯穿零件表面并延伸到最终焊缝深度的小孔的整个长度发生。这与传导模式焊缝形成对比，在传导模式焊缝中，所有激光能量都沉积在材料表面。
类似于传导模式焊接工艺，小孔焊接工艺需要将零件固定在夹具中以防止焊接期间的任何移动。小孔模式通常用于搭接焊缝配置，其中小孔穿透零件，将一叠两个或多个零件焊接在一起(例如，如图17所示)。
图20的激光系统可产生275W蓝色激光束，光斑的功率密度为800kW/cm2。图20的激光系统具有第一激光模块1201和第二激光模块1202，激光束离开激光模块并遵循如光线轨迹1200所示的激光束路径。激光束通过转向镜1203、1205并通过聚焦透镜配置1205，其具有100mm聚焦透镜和100mm保护窗。配置1205中的聚焦透镜产生光斑1250。
图21所示的激光系统可用于创建400μm光斑或200μm光斑。图21的激光系统由4个激光模块1301、1302、1303、1304组成。激光模块中的每一个都可以是美国专利公开号2016/0322777中公开和教导的类型，其全部公开内容以引用方式并入本文。例如，模块可以是图19所示的类型，其中来自激光二极管子组件210、210a、201b、210c中的每一个的复合光束传播到带图案镜，例如225，其用于重定向来自四个激光二极管子组件的光束并将其组合成单个光束。偏振光束折叠组件227在慢轴上将光束对折，以使复合激光二极管光束的亮度加倍。望远镜组件(telescope assembly)228在慢轴上扩大组合激光束或压缩快轴以允许使用更小的透镜。该实施例中所示的望远镜228将光束扩大了2.6倍，将其尺寸从11毫米增加到28.6毫米，同时将慢轴的发散度减小了2.6倍。如果望远镜组件压缩快轴，那么它将是一个2倍望远镜，以将快轴从22毫米高度(总复合光束)降低到11毫米高度，从而得到11毫米×11毫米的复合光束。这是优选实施例，因为成本较低。非球面透镜229聚焦合成光束。
应当理解，在500瓦和200μm光斑处，功率密度>1.6MW/cm2，这基本上高于该波长下的小孔焊接阈值。在此功率密度下，即使是蓝色激光也有可能在焊缝中产生飞溅和气孔。然而，由于吸收得到很好的控制，抑制、控制或消除飞溅的能力是可能的。抑制飞溅的第一种方法是在飞溅过程一旦开始后降低功率水平，同时保持焊接速度恒定。抑制飞溅的第二种方法是拉长焊接熔池，使保护气体和汽化金属从小孔中排出，从而产生无飞溅、无缺陷的焊缝。抑制飞溅的第三种方法是使用安装在一组检流计马达上的一组反射镜或机器人来摆动蓝色激光束。抑制飞溅的第四种方法是降低焊接环境的压力，包括使用真空。最后，抑制飞溅的第五种方法是调制激光束功率至在1Hz至1kHz的范围内或高达50kHz。优选地，焊接参数被优化以最小化工艺中的飞溅。
一般而言，本发明的实施例涉及材料的激光加工，激光加工通过将预选的激光束波长与待加工的材料相匹配以具有高的或增加的材料吸收率水平，以及尤其是使用材料对其具有高吸收率的激光束以激光焊接材料。
本发明的一个实施例涉及使用具有波长为350nm至700nm的可见激光束的激光束来焊接或以其他方式通过激光加工接合对这些波长具有更高吸收率的材料。尤其地，激光束波长是基于待激光加工的材料预先确定的，以具有至少约30％、至少约40％、至少约50％和至少约60％或更多以及约30％至约65％、约35％至85％、约80％、约65％、约50和约40％的吸收。因此，例如，具有约400nm至约500nm波长的激光束用于焊接金、铜、黄铜、银、铝、镍、这些金属的合金、不锈钢和其它金属、材料和合金。
优选使用波长例如约405至约495nm的蓝色激光焊接材料(例如金、铜、黄铜、银、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和其它材料)、镀材料和合金，因为材料在室温下的高吸收率，例如大于约50％的吸收率。本发明的几个优点之一是预选波长激光束(例如蓝色激光束)的能力，其能够在激光操作(例如焊接过程)期间更好地将激光能量更好地耦合到材料中。通过更好地将激光能量耦合到被焊接的材料，可以大大减少并优选消除失控过程的概率。更好地耦合激光能量还允许使用较低功率的激光，从而节省成本。更好的耦合还提供更好的控制、更高的容差，从而提供更好的焊缝再现性。这些在IR激光和IR激光焊接操作中没有的功能对于其中包括电子和电力存储领域的产品的其它产品非常重要。
在一个实施例中，使用以CW模式操作的蓝色激光。在许多应用中，CW操作可比脉冲激光更受欢迎，因为它能够快速和完全地调制激光输出并在反馈回路中控制焊接过程，从而产生具有最佳机械和电气特性的高度可重复的过程。
本发明的一个实施例中涉及一个、两个或更多个部件的激光加工。部件可由吸收激光束的任何类型的材料制成，例如激光束能量、塑料、金属、复合材料、无定形材料和其它类型的材料。在一个实施例中，激光加工涉及将两个金属部件焊接在一起。在一个实施例中，激光加工涉及将两个金属部件焊接在一起。
在一个实施例中，提供了工具、系统和方法，其中激光焊接操作选自自熔焊接、激光混合焊接、小孔焊接、搭接焊接、角焊接、对接焊接和非自熔焊接组成的组。
激光焊接技术可用于许多不同的情况，特别是在需要焊接以形成电连接的情况下，特别是电力存储装置，例如电池。通常，本激光焊接操作和系统的实施例包括可见波长，优选蓝色波长，激光可以是自生(autogenous)的，这意味着仅使用基材，并且在小孔焊接、传导焊接、搭接焊接、角焊接和对接焊接中很常见。激光焊接可以是非自生(non-autogenous)的，其中将填充材料添加到熔池中以“填充”间隙或在焊道中形成凸起的焊缝以提高强度。激光焊接技术还将包括激光材料沉积(“LMD”)。
本激光焊接操作和系统的实施例包括可见波长(优选为蓝色波长)的激光，其可以是混合焊接，其中电流与激光束结合使用以提供填充材料的更快速进给。激光混合焊接根据定义是非自生焊接。
优选地，在一些实施例中，主动焊缝监视器(active weld monitor)，例如照相机，可以用于在运行中检查焊缝质量。这些监视器可以包括例如X射线检查和超声波检查系统。此外，可以利用在线波束分析(on stream beam analysis)和功率监控来充分了解系统特性和操作特性。
本激光系统的实施例可以是将新颖的激光系统和方法与传统的铣削和加工设备相结合的混合系统。通过这种方式，可以在制造、建造、修补或其它过程中添加和移除材料。在美国专利申请序列号14/837,782中公开并教导了本发明人中的一人或多人发明的使用激光系统的其它实施例的此类混合系统的示例，其全部公开内容通过引用并入本文。
通常，在实施例中，激光焊接使用非常低的气体流量来保持光学器件清洁、使用气刀来保持光学器件清洁，或使用惰性环境来保持光学器件清洁。激光焊接可以在空气、惰性环境或其它受控环境(例如N2)中进行。
本发明的实施例可以在焊接铜材料中具有很大的优势，这些焊接铜材料将包括铜、纯铜、铜合金以及所有具有足够铜量以在蓝色激光波长(优选约400nm至约500nm)中具有约40％至75％吸收的所有材料。
有两种优选的自熔焊接模式以及它们产生的自熔焊缝，它们是用本激光系统和工艺的实施例执行的，传导焊缝和小孔焊缝。传导焊缝是指使用低强度(<100kW/cm2)的激光束将两块金属焊接在一起。在这里，两块金属可以相互对接，在一侧重叠以及完全重叠。传导焊缝往往不像小孔焊缝那样深入熔透，它通常会为对接焊缝产生特征性的“球形”焊缝，这种焊缝非常坚固。然而，在相对较高的激光束强度(>500kW/cm2)下会发生小孔焊缝，这种焊缝可以深入材料，并且在材料重叠时通常会熔透多层材料。蓝色激光源从传导模式过渡到小孔模式的确切阈值尚未确定，但小孔焊缝在材料顶部具有特征性的“v”形，几乎平行的再冷冻材料通道深入穿透材料中。小孔工艺依靠激光束从金属熔池侧面的反射将激光能量传输到材料深处。虽然这些类型的焊缝可以用任何激光进行，但预计蓝色激光将具有比红外激光显著更低的启动这两种焊缝类型的阈值。
考虑使用蓝色激光操作焊接这些材料来焊接电镀材料，包括电镀材料的蓝色激光焊接，例如电镀了铜的材料、电镀了铂的材料，和电镀了其它导电材料的材料。
铜的焊接工艺需要将功率有效地耦合到零件中，并且焊接工艺需要稳定并且能够产生低孔隙率、低飞溅的焊缝。本发明实现了这些和其它目的。与红外激光(<5％)相比，蓝色激光的波长被铜高度吸收(65％)，从而满足了这些要求的第一部分。第二个要求不仅取决于激光吸收，还取决于加工斜率(processing ramp)或时间曲线、夹具、光束曲线和质量以及零件上使用的夹紧压力。本实施例提供：利用蓝色激光作为热源，小孔模式和传导模式焊缝都是可能的。传导模式焊接在过程中不会产生任何飞溅或零件中的孔隙。焊接的小孔模式将允许更大的熔透。本高功率蓝色CW激光源的实施例非常适用于焊接铜零件，零件中具有极低孔隙率，工艺过程中飞溅极低。
使用600瓦的蓝色激光，对1mm厚的铜板的全熔透，堆焊试验的表面上残留有微不足道的飞溅(nominal spatter)。600瓦的CW激光聚焦到大约200μm的光斑尺寸，导致零件表面的平均强度为2.1MW/cm2。该强度远高于在零件中启动和维持小孔所需的功率密度。在焊接过程中，小孔迅速形成，一旦达到全熔透，熔池就会呈现出非常稳定的表面，表明随着焊接的进行，熔池中的湍流较低。在很宽的焊接速度范围内观察到稳定的焊接过程，伴随Ar-CO2保护气体，其用于抑制焊接过程中的表面氧化等。这种产生稳定小孔焊缝的能力可归因于铜在蓝色中的高吸收率等。蓝色激光在焊接过程中被小孔壁均匀吸收，然而，当熔池中的湍流导致小孔不稳定时，热输入得以保持，小孔保持稳定。
提供以下实施例以说明本激光系统和操作的各种实施例，特别是用于焊接组件的蓝色激光系统，包括电子存储设备中的组件。这些实施例是为了说明的目的，可以是预言性的，并且不应被视为并且不以其他方式限制本发明的范围。
实施例1
激光源是功率为0-275瓦的高功率蓝色直接二极管激光。光束通过1.25X扩束器传送并由100mm非球面透镜聚焦。工件上的光斑直径为200μm x 150μm，在最大功率下产生的功率密度为1.2MW/cm2。使用不锈钢夹具将样品固定到位，并使用He、Ar、Ar-CO2和氮气进行测试，所有这些都是有益的，Ar-CO2获得了最佳结果。
实施例1A
使用实施例1的系统，初始测试结果在铜表面上以150瓦的功率水平产生了高质量的传导模式焊缝。进行了一系列堆焊(BOP)测试以表征由高功率蓝色激光源产生的焊缝。图1示出了传导模式焊缝的雪佛龙形图案，该焊缝的独特特性包括：焊接过程中无飞溅，微观结构与母材相似，焊缝硬度与母材相似。图1示出了在70μm厚的铜箔上使用150瓦的蓝色激光焊接时形成的BOP。
实施例1B
使用实施例1的系统，将激光的功率输出按比例缩放至275瓦导致功率密度增加至1.2MW/cm2，这对于在铜中起始小孔焊接而言是足够的功率密度。图2示出了500μm厚的铜样品上的小孔焊缝示例。在小孔过程中，小孔中产生的蒸汽压力迫使熔融铜从焊道中流出。这可以在图2中看出，其中喷出的铜沿焊道边缘分布。这种喷射过程是稳定的，不会导致材料中发生微爆炸，因此不会产生使用IR激光源焊接铜时观察到的飞溅图案。
实施例1C
使用实施例1的系统，对厚度在127-500μm范围内的铜进行焊接实验。图3-5总结了这些BOP测试的结果。图3示出了在275W下高达9m/min的全熔透，随后熔透深度随速度下降，正如预期的那样。图4示出了BOP结果，在无辅助气体的情况下，全熔透高达0.6m/min，而使用Ar-CO2保护气体时，全熔透高达0.4m/min。图5示出了275W下500μm铜的熔透深度与速度的关系。
实施例2
图13和13A的固定装置5000用于成功搭接焊接一叠2个铜箔，厚度为178μm，采用传导模式焊缝。当加热到100℃时，夹具会导致焊接速度和质量提高一到两倍或更多，因为在焊接过程中加热零件所损失的能量现在由预热提供。焊缝顶部的保护气体从焊缝行进方向的前部传送到焊缝行进方向的后部，如图10所示。
实施例3
使用夹具5000以传导模式焊缝将两个125μm厚的铜板搭接焊接在一起。该焊缝示于图15的横截面照片中。
实施例4
使用图13和图13A所示的固定装置5000。将一叠40个10μm厚的铜箔焊接在一起，没有气孔和缺陷。该焊缝的横截面示于图17。焊接该堆叠取决于箔片的制备方式、箔片的夹紧方式以及施加到夹具上的扭矩大小。箔片被剪切和压平，然后用酒精清洁以去除任何制造或处理油，最后堆叠在夹具中。夹紧螺栓5001的扭矩为1Nm，以确保零件在焊接过程中牢固固定到位。用于焊接这些零件的激光由图19所示的四个150瓦激光组成，其如图21所示光学地组合，以创建一个500瓦的激光系统。该激光产生400μm光斑，平均功率密度为400kW/cm2，峰值功率密度足以启动小孔焊接过程。
实施例5
通过用600瓦蓝色激光对1mm厚的铜板的第一全熔透，堆焊(BOP)焊缝，对本激光束焊接技术的实施例进行评估，微不足道的飞溅残留在表面上。600瓦的CW激光聚焦到大约200μm的光斑尺寸，导致零件表面的平均强度为2.1MW/cm2。该强度远高于在零件中启动和维持小孔所需的功率密度。在焊接过程中，观察到小孔迅速形成，一旦实现全熔透，熔池呈现出非常稳定的表面，表明随着焊接的进行，熔池中的湍流较低。在较宽的焊接速度范围内观察到稳定的焊接过程，并使用AJ-CO2保护气体来抑制焊接过程中的表面氧化。这种创建稳定小孔焊缝的能力可归因于铜在蓝色中的高吸收率以及激光束的均匀性和高质量。蓝色激光在焊接过程中被小孔壁均匀吸收，然而，当熔池中的湍流导致小孔不稳定时，热输入得以保持，小孔保持稳定。
实施例6
本发明的实施例将本高功率可见光激光(特别是蓝色激光、蓝绿色激光和绿色激光)用于工业应用，例如焊接。在这些工艺的实施例中使用500-600瓦的功率水平和200-400μm的光斑尺寸。这些实施例的波长在蓝色范围内。对于无氧铜(OFC)上的400和200μm光斑尺寸，在较宽的速度范围内观察到铜的稳定传导模式焊接。这种焊接模式无飞溅且完全致密，整个焊接零件没有气孔迹象。在仅200μm的光斑尺寸的铜中观察到稳定的小孔模式焊接，但是对于Inconel和不锈钢等传导率较低的材料，即使是400μm的光斑尺寸也可以实现小孔焊缝。对焊接过程的建模显示，与不锈钢相比，焊接铜时熔池的形状和尺寸存在显著差异。导热系数较低的不锈钢呈现出经典的泪滴形熔池，然而，对于与焊接不锈钢样品时使用的功率水平相同的功率水平，具有高导热性的铜呈现出尺寸小得多的圆形熔池。
实施例7
使用蓝色、蓝绿色或绿色激光束进行金属的激光焊接而不使光束摆动。这些焊缝具有较深的熔透。因此，使用这些激光束提供了金属(包括铜箔和铜板)的无摆动焊接。在铝、不锈钢、铜、铝基金属、不锈钢基金属、铜基金属和这些金属的合金上提供无摆动焊接。
在这种无摆动激光焊接的实施例中，蓝色激光焊接是在厚度小于1mm的铜上进行的，并且使用波长为450nm的蓝色激光束。
在这种无摆动激光焊接的实施例中，蓝色激光焊接是在厚度小于1mm的铝上进行的，并且使用波长为450nm的蓝色激光束。
在这种无摆动激光焊接的实施例中，蓝色激光焊接是在厚度小于1mm的不锈钢上进行的，并且使用波长为450nm的蓝色激光束。
实施例8
具有四个200瓦蓝色激光模块的600瓦激光提供波长为450nm的激光束的实施例。如图19所示，激光二极管是单独准直的，光束发散是圆形的，导致每个模块的光束参数乘积为22mm mrad。来自四个蓝色激光模块的激光束在水平方向和垂直方向上都被光学剪切，以填充直径为100mm的聚焦光学器件的孔径，如图21所示。这种复合光束(450nm)的光束参数乘积为44mm mrad，适合发射(launch)至400μm光纤中。对于实施例8A至8K和9，没有使用光纤并且该蓝色激光束通过自由空间传送到工件。
这些实施例使用具有4'x6'光具座的光学面包板，其允许将实时光束诊断集成到设置中。复合输出光束用1％光束采样器进行采样，一部分光束被发送到远场轮廓相机(far-field profile camera)和功率计。远场由与焊接透镜相同焦距的透镜产生，无论是100mm F/1透镜还是200mm F/2透镜。两个透镜都是来自ThorLabs的BK7非球面。透镜欠填充(underfilled)至约80毫米，工件上的光斑对于100毫米FL透镜而言约为200μm，对于200毫米FL透镜而言约为400μm。
光束焦散是通过将Ophir光束轮廓仪平移通过设置的光束采样臂中的100mm FL透镜的焦点，并在95％环围功率点处测量光束的直径来测量的。光束焦散图如图22所示。该测量表明100毫米FL镜头的焦深相对较短。
Fanuc6轴机器人(FANUC M-16iB)用于移动样品通过自由空间光束焦点，覆盖气体由安装在机器人适配器上的3/8\"直径分布器管提供，并沿焊缝的方向引导。
实施例8A至8K和9使用图12和12A所示类型的焊接夹具的实施例。焊接夹具是焊接过程的一部分，在焊接高导热材料时，它会影响可实现的熔透深度、焊接速度以及两者。图12和12A是焊接夹具的实施例的图。在一个实施例中，使用铝(6061系列)。在另一个实施例中，使用不锈钢(316)。铝焊接夹具往往会迅速带走零件的热量，而不锈钢夹具则允许大部分热量留在零件内。两种材料均采用不同的夹持样品(例如工件、零件)的方法进行评估。惰性气体(例如氩气-CO2)流过放置在夹具中的零件顶部，以抑制焊接过程中零件的任何氧化。小间隙4003位于样品中心下方，以最大程度地减少堆焊处的散热，并允许将辅助气体添加到焊缝的背面。
在小孔焊接模式下焊接时会产生强烈的羽状物。由于羽状物中的原子和离子很容易吸收450μm的光，因此应该管理并最好抑制这种羽状物。一个3/8\"直径的管式喷射器用于通过跨零件顶部输送50scfh的氩气或氩气-CO2来抑制羽状物。可以使用各种气体进行或制造焊缝，以控制羽状物并避免零件氧化，所述气体包括氩气、氩气-CO2、空气、氦气和氮气。优化焊接工艺等的目标是以尽可能高的速度实现最大的熔透。实施例8A至8K中提供的数据使用氩气作为保护气体。在其它激光焊接和加工应用中(例如对焊)羽状物管理是可取的，并且是优选的。
对于实施例8A至8F的500瓦焊接测试，使用200毫米焦距透镜将光束聚焦到400μm光斑尺寸，导致平均强度为约400kW/cm2，以及峰值强度接近800kW/cm2。
对于实施例8G至8K的600瓦焊接测试，使用100mm焦距透镜将光束聚焦到200μm光斑尺寸，导致平均强度约为2.1MW/cm2并且峰值强度接近4.5MW/cm2。
实施例8A
使用实施例8的激光、工艺和设置，使用500瓦、400μm的光斑，和400kW/cm2的平均功率密度，用铜(OFC)、不锈钢(304)和铝(1100系列)进行和评估堆焊。样品均用剪切机切成10毫米x45毫米大小，并在加工前用丙酮清洗。表面处理(surface finish)由McMaster Carr提供，较薄的样品看起来像轧制处理(rolled finish)，较厚的样品看起来像铣削处理(milled finish)。对于给定的板厚，这些评估表征了实施例8的焊接工艺的全熔透能力。
使用实施例8的激光、工艺和设置，用厚度范围为80μm至500μm的无氧铜(99.99％-110)样品进行堆焊评估。图23示出了在焊接样品的背面观察到全熔透焊道时的焊接速度。
在评估之前用丙酮擦拭样品，并用扭矩为1Nm的螺栓夹紧在夹具中。固定装置和样品与光束法线成20度角，以防止背向反射至激光，导致200毫米FL透镜的光斑伸长至400μm x 540μm。光束角为从光束法线到要焊接的零件的后侧(trailing side)。由于零件强度较低，样品的这种倾斜很可能会降低可以达到的最大焊接速度。焊接顺序是命令机器人平移零件，零件和激光束之间有足够的距离以确保机器人达到编程速度，激光在焊接夹具穿过激光束的位置时启动。零件以恒定速度平移穿过光束，一旦到达焊接夹具的末端，激光束就会关闭，并命令机器人返回其原始位置。对样品进行横剖、抛光和蚀刻以显示微观结构。所有焊缝都显示出球形的熔化-冻结图案(melt-freeze pattern)，表明是传导模式焊缝。
实施例8B
使用实施例8和8A的激光、工艺和设置，还评估了样品的对接焊接。零件的制备与实施例8A相同，并以相同的夹紧力夹紧。剪切产生的试样边缘是对接焊件的基础。这些测试的一些结果示于图24中。焊接速度是两个零件可以通过焊接零件背面显示的全熔透焊缝连接的速度。在焊接过程中或焊接的零件上没有观察到飞溅，表明是传导模式焊接过程。
实施例8C
在评估实施例8A的铜110系列样品期间，观察到作为样品厚度的函数的焊缝熔透深度的依赖性。图25示出了熔透深度如何随着铜样品厚度的增加而降低。这种依赖性是由于零件的更高热质量和铜的高导热性，使得热量可以从焊道迅速散失。这部分是因为铜的高导热性和在焊接过程中有效散热激光能量的能力。从图25可以看出，在给定速度下，当材料厚度增加两倍时，熔透深度可以减少四倍以上。顶部外壳的熔透深度不会像其它两种情况那样显著降低，因为它的速度要低得多，而且它使铜散热激光能量的能力饱和。因此，在使用传导模式工艺设计铜焊接工艺时，应考虑待焊接零件的有限厚度。
实施例8D
使用实施例8和8A的激光、工艺和设置，焊接和评估铝1100系列样品。制备铝1100系列样品，并如实施例8A的铜零件，将其安装在焊接夹具中。焊接过程类似于实施例8A的铜焊接过程，仅改变了机器人速度。如图26所示的焊接速度对应在该厚度的零件的背面观察到全熔透的焊道的情况。在焊接过程中没有观察到熔池的飞溅。
实施例8E
使用实施例8和8A的激光、工艺和设置，对并排放置在焊接夹具中的两个铝1100样品进行对接焊缝和焊接测试。样品是用剪切机准备的，两个边缘在进行焊接之前没有特殊的准备。在焊接之前用丙酮擦拭样品。除了焊接速度外，焊接过程与展示物8A中对铜零件的描述相同。绘制的最终焊接速度是跨被焊接的样品的整个长度获得全熔透焊道的速度。该数据的概要示于图27。
实施例8F
使用实施例8和8A的激光、工艺和设置，对304不锈钢样品进行BOP焊缝和焊接测试。将样品切割成适合夹具的10毫米x45毫米尺寸，用丙酮擦拭，并调整机器人速度，直到在测试样品上获得全熔透焊缝。同样，在经焊接的样品中没有发现飞溅或气孔。该试验的结果示于图28。
实施例8G
进行了600瓦系统和实施例8的工艺的焊缝和评估。100mm焦距透镜用于将光束聚焦到200μm光斑尺寸，导致平均强度约为2.1MW/cm2，峰值强度接近4.5MW/cm2。制造了一系列焊缝，并在这一更高的功率级别和较短焦距的透镜(100mm)下进行测试，以进一步评估和说明该激光在不同速度下的熔透能力。在这些测试中，平均强度为2.1MW/cm2，该功率密度完全符合蒸发铜并形成小孔的要求。该零件倾斜20度，将有效功率密度降低至1.4MW/cm2，该强度足以在铜、铝和不锈钢中启动小孔焊接模式。
铜中的小孔工艺的第一个指示是在焊接过程中飞溅的显著增加。在监控熔池的同时使用同轴摄像机(on-axis camera)观察这种飞溅。对焊缝样品进行横剖、抛光和蚀刻，显示出小孔焊缝典型的的微观结构冻结图案。在光束没有全熔透零件的地方，横截面也显示出大量的孔隙。然而，光束全熔透的部分显示出微不足道的孔隙。
实施例8H
使用实施例8和8G的激光、工艺和设置，在500μm厚的铜110板上进行小孔模式焊缝的纵向横剖，以确定沿焊缝整个长度的孔隙，如图29所示的照片。图片右侧焊缝的第一厘米显示出大量的孔隙，并且没有熔透样品。随着焊接过程中零件的热量积聚，小孔过程全熔透铜板。该结果表明，如果允许小孔过程稳定，则有可能产生具有微不足道的飞溅和孔隙率的焊缝。
实施例8I
使用实施例8和8G的激光、工艺和设置，并基于实施例8H的结果进行焊接和测试，其中在移动零件之前首先允许小孔稳定。通过让激光束在零件上停留一小段时间来改进焊接过程，然后机器人加速，将小孔拖过零件。经过一系列令停留时间在0.6秒到1.5秒之间变化的测试后，0.6秒的停留时间获得了优选的结果。图30是在样品上停留0.6秒，然后以1.1m/min的速度平移样品的情况下进行的铜110的堆焊焊缝的横截面照片。以该速度执行一系列焊接，以验证过程是稳定的且控制良好。所有样品都表现出相似的结果、非常低的孔隙率和非常稳定的小孔焊缝。
实施例8J
使用实施例8和8G的激光、工艺和设置，在一系列不同厚度的铜110材料上制备并评估焊缝。在图31中绘制出了每个样品的全熔透所达到的最大焊接速度。小孔模式焊接、平移模式焊接和传导模式焊接都可以在这些焊接速度下观察到。结果是与500瓦、400μm系统相比，焊接速度和熔透深度显著增加。
实施例8K
使用实施例8和8G的激光、工艺和设置，焊接和评估不锈钢样品。结果是四片304不锈钢板以1.2m/min的速度搭接焊接。图32所示的横截面示出了小孔焊接的样品的经典轮廓。小孔底部的孔隙可能是由堆叠中的第三片和第四片之间的间隙引起的。通过优化该焊接工艺可以消除这种孔隙。
实施例9
使用实施例8和8A的激光、工艺和设置，对多叠的无氧铜箔进行一系列测试，以确定单次可以搭接焊接多少片箔片。实验设置与实施例8相同，但现在更换了夹具，并在零件中心下方的间隙中使用了一个小钢插件。将箔片固定到位，与光束法线成20度角的样品伴随着Ar-CO2保护气体通过光束。这些测试的结果总结在图33中(高达一叠40个箔片)。两个不同的透镜配置在大范围的箔厚度和堆叠中使用时的效果非常好。
图34是40个铜箔成功焊接的示例照片，顶部表面无孔隙且无飞溅。这叠箔片用500瓦和200毫米FL透镜焊接，其对应于400微米的光斑尺寸。焊接速度为0.5m/min。片材的夹紧方式会影响焊缝质量，对片材的良好和始终如一的夹紧提供始终如一的高质量焊接。
标题和实施例
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