[发明专利]使用蓝色激光焊接铜的方法和系统

说明书

用于将材料焊接在一起的可见光激光系统和操作。蓝色激光系统对铜基材料形成基本上完美的焊缝。蓝色激光系统和操作用于焊接导电元件，特别是薄导电元件，导电元件和薄导电元件一起用于能量存储装置，例如电池组。

根据35U.S.C.§119(e)(1)，本申请要求于2017年1月31日提交的美国临时申请序列号62/452,598的申请日的权益，该临时申请的全部公开内容通过引用结合于此。

背景技术

技术领域

本发明涉及材料的激光加工，尤其涉及使用波长为约350nm至约500nm和更大的激光束来激光连接铜材料。

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有挑战性的。已经开发了许多方法，从超声波焊接到IR激光焊接，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，可以看到这些局限性的一个市场是用于不断增长的电子车辆市场的高性能电子产品领域。需要以更高速度获得比通过这些现有技术获得的焊接质量更好的焊接质量来为不断增长的汽车市场生产高性能电池和电子产品。

当在1030nm处使用IR激光源时，铜在该波长下的高反射率使得其难以将功率耦合到材料中以加热和焊接该材料。克服高反射率的一种方法是使用高功率水平(1kW)的IR激光器来启动锁孔焊接，然后锁孔焊接将功率耦合到材料中。除了其他方面，这种焊接方法的问题还在于，锁孔中的蒸汽可能导致微爆，将熔融铜喷射在正被焊接的部件上，或微爆可能导致完全穿过正被焊接的部件的孔。因此，研究人员不得不依靠在焊接期间快速调制激光功率来试图防止这些缺陷。已经发现，这些缺陷是该工艺本身的直接结果，随着激光器试图焊接铜，它最初将铜加热到熔点，然后它迅速转变成蒸发铜。一旦铜蒸发，会形成锁孔并且激光耦合从最初的5％快速上升到100％，这种转变发生得如此之快以至于耦合的热量迅速超过焊接部件所需的热量，导致所描述的微爆。

用现有的红外激光方法和系统来激光焊接铜，由于高反射率、高导热率、低蒸发点和高热容量而是有挑战性的，并且具有问题。已经尝试了许多方法来用IR激光器焊接铜，范围从将IR激光器与绿色激光器组合，在焊缝熔池中摆动光斑，在真空中操作和在高频率下调制激光器。虽然这些方法目前用于一些铜焊接应用，但它们往往在焊接中具有窄的加工窗口，不受控制的飞溅和不可预测的可变性，并且通常被证明不太理想或最佳。其中一个比较难的铜焊接过程是如何将铜箔叠层彼此焊接并将其焊接到较厚的母线。今天，这不能可靠地或以产生制造商所需的焊接质量的方式用红外激光器完成。因此，制造商依靠超声焊接方法将这些箔粘合在一起。这些超声方法也不是最佳的并且是有问题的。例如，采用超声焊接方法，超声波发生器(sonotrode)可能在生产期间磨损，导致从不完整的焊缝(weld)到具有留下残渣的焊缝的工艺变化。这些缺陷限制了制造产量，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。

除非另有明确规定，否则术语“铜基材料”应给出其最广泛的含义，并且包括：铜，铜材料，铜金属，用铜电镀的材料，含有至少约10％重量铜至100％铜的金属材料，含有至少约10％重量铜至100％重量铜的金属和合金，含有至少约20％重量铜至100％重量铜的金属和合金，含有至少约30％重量铜至100％重量铜的金属和合金，含有至少约50％重量铜至100％重量铜的金属和合金，含有至少约70％重量铜100％重量的铜的金属和合金，以及含有至少约90％重量铜至100％重量铜的金属和合金。

除非另有明确规定，否则术语“激光加工”、“材料的激光加工”和类似的这些术语应当给出其最广泛的含义，并且包括：焊接，钎焊(soldering)，熔炼，连接，退火，软化，增粘，表面重修，喷丸(peening)，热处理，熔合，密封和层叠。

如本文所用，除非另有明确说明，否则“UV”、“紫外光”、“UV光谱”和“光谱的UV部分”以及类似术语应给出其最广泛的含义，并且包括波长为约10nm至约400nm，和10nm至400nm的光。