連續(xù)波和長(zhǎng)脈沖（>ms脈沖）紅外激光器，被廣泛用于焊接不銹鋼（1-4）、銅和鋁（5）板中，這些材料的厚度通常從 50 μm到幾毫米不等。然而，使用傳統(tǒng)的搭接激光焊接方法很難焊接厚度小于 50 μm的超薄高反射金屬箔，如鋁和銅。這是因?yàn)楹附尤鄢氐纳疃确浅ｋy控制，它需要大于一個(gè)箔的厚度，并小于兩個(gè)箔的厚度。在低功率密度下，鋁箔的反射率太高（對(duì)于 1 μm激光，R=80%）而無法焊接；而在高功率密度下，鋁箔會(huì)迅速吸收大部分能量（成為 1 μm激光的高吸收體），隨之生成的等離子體會(huì)使熔融材料大量汽化而難以焊接薄箔。

因此，為了抑制等離子體的形成，薄金屬箔的焊接速度和激光參數(shù)（平均功率和峰值功率等）都需要更加精確的控制。其次，超薄金屬箔對(duì)熱量非常敏感，由于其重量輕、熱誘導(dǎo)的表面張力大的特點(diǎn)，很容易發(fā)生變形。所以一個(gè)良好的工藝需要足夠高的峰值功率來熔化金屬，并盡可能降低激光總平均功率以減少熱影響。

我們發(fā)現(xiàn)，在對(duì)超薄高反射金屬箔進(jìn)行焊接時(shí)，通快 TruPulse nano 脈沖光纖激光器是一個(gè)很好的工具，它可以在很低的激光平均功率下提供高達(dá)數(shù)十千瓦的峰值功率（與 CW 激光相比）。此外，它還能提供非常寬范圍的激光脈寬（波形）和很寬泛的峰值功率調(diào)節(jié)范圍。

邊緣微激光焊接技術(shù)

激光搭焊是一種針對(duì)厚度在 50 μm以上的薄金屬箔進(jìn)行焊接的傳統(tǒng)方法。薄金屬箔搭焊的典型問題包括箔的過度變形、箔層之間缺乏緊密接觸和高殘余應(yīng)力。因此，搭焊不適合超薄金屬箔的焊接，特別是對(duì)紅外光存在高反射率的金屬箔，如鋁箔和銅箔。

我們使用一種可以同時(shí)切割和焊接超薄金屬箔的新方法來焊接鋁箔或銅箔：用夾具將兩片超薄金屬箔精密固定，將納秒脈沖光纖激光器產(chǎn)生的激光光束照射到堆疊的金屬箔上，切割出一條穿過金屬箔的切縫。切割所使用的激光參數(shù)可以使材料在切口中心汽化，由于高斯光束的輪廓特性，切口邊緣的材料溫度稍低，因而部分切口邊緣的液態(tài)金屬可能會(huì)在從切口中噴出前重新凝固，從而將這兩片薄箔部分凝固在一起。

這種初步的切割/凝固產(chǎn)生的焊縫有較多的空隙缺陷，為了提高焊接質(zhì)量，需要用第二或第三道激光束來重新熔化和固化邊緣。因?yàn)榍懈詈蟛牧系膫?cè)壁變得比較粗糙，因而使得材料對(duì)紅外激光的吸收效率變得更高，所以設(shè)置第二道激光束的參數(shù)時(shí)，可以將激光的峰值功率密度設(shè)得較低。這樣，材料既可以吸收激光，也可以避免材料溫度過高汽化并抑制等離子體，讓熔化的材料保持在焊縫處固化而形成連續(xù)的焊縫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用于測(cè)試的焊接系統(tǒng)配置了 TruPulse 2007 nano 脈沖光纖激光器，該激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間在 10~250 ns范圍內(nèi)，峰值功率可達(dá) 25 kW。激光的可調(diào)節(jié)參數(shù)范圍寬，開始能以高峰值功率模式進(jìn)行切割，然后立即切換至低峰值功率模式進(jìn)行焊接。

這種邊緣焊接方法可分為兩個(gè)步驟（見圖1）。第一步是對(duì)準(zhǔn)備好的兩個(gè)薄金屬箔用較高峰值功率的激光進(jìn)行切割和部分預(yù)焊。其結(jié)果是兩個(gè)金屬箔以較小的強(qiáng)度部分地連接在一起。第二步是用較低峰值功率的激光來重熔焊接，以增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度。

圖1：邊緣焊接示意圖（1）高峰值功率切割（2）低峰值功率的重熔焊接

加工激光束切口位置應(yīng)當(dāng)靠近夾具以達(dá)到更好的散熱效果，并防止切割過程（燒蝕）中等離子體噴射所導(dǎo)致的箔片翹曲。兩個(gè)金屬箔可以被展開因而呈現(xiàn)對(duì)接焊形狀（見圖 2 到圖 4）。

實(shí)驗(yàn)的激光束光斑大小約為 127 μm，第二道激光相對(duì)第一道激光偏移了 100 μm。通過控制偏移量可以控制輸入的激光總能量，從而達(dá)到熱量控制以減小樣品變形。實(shí)驗(yàn)采用的樣品為鋁箔（厚度分別為 50 μm、25 μm和 10 μm）和銅箔（厚度為 10 μm）。所有樣品的焊縫長(zhǎng)度均為 15 mm，并使用拉伸強(qiáng)度測(cè)試儀來評(píng)估焊道的拉伸強(qiáng)度。

鋁箔焊接

 圖 2 顯示了 25 μm鋁箔與 25 μm鋁箔焊接（左）及其無間斷焊縫在光學(xué)顯微鏡下的照片。該工藝沒有使用保護(hù)氣體，第一步用高峰值功率激光切割，材料汽化有飛濺；但第二步用低峰值功率激光焊接時(shí)，基本沒有觀察到等離子飛濺。該樣品的焊縫非常光滑，沒有斷續(xù)的焊珠或氣孔，而且變形很小。

圖2：25μm鋁箔與25μm鋁箔的焊接（左）及其~50μm的無間斷焊縫（右）

表1是第二步焊接過程中的激光參數(shù)。對(duì)于所有厚度的箔片，我們都采用了相同的平均功率（70W）和峰值功率（10.6kW），但不同厚度箔片都有相對(duì)應(yīng)的最佳焊接速度。較慢的焊接速度所導(dǎo)致的主要缺陷是：焊珠上的氣孔和間斷的焊縫。氣孔的形成，是因?yàn)楸砻鎻埩Υ螅�熔融金屬在再凝固過程中凝結(jié)不均勻所造成的；而間斷焊縫的形成，是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)（HAZ）過大，使得箔片變形翹曲所導(dǎo)致的。當(dāng)焊接速率較快時(shí)，因?yàn)榧す獾哪芰棵芏炔蛔愣�形成間斷的焊縫，從而削弱了焊接強(qiáng)度。

本次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在給定的激光功率下，若要達(dá)到最佳焊接質(zhì)量，50 μm、25 μm和 10μ m箔片焊接的最佳焊接線速度分別為 10 mm/s、25 mm/s和 35 mm/s。所有的樣品都使用了相同的激光切割參數(shù)（平均功率為 70 W，峰值功率為 10.6 kW），所有樣品的焊縫長(zhǎng)度均為 15 mm。

表1：第二步焊接過程中的激光參數(shù)，優(yōu)化后的焊接速度可以達(dá)到最佳焊接質(zhì)量和強(qiáng)度

一般來說，為了確保激光焊接有足夠的穿透深度，搭焊的激光峰值/平均功率是和材料厚度成比例的。但對(duì)邊緣焊接技術(shù)，我們可用相同的平均功率（70W）和峰值功率（相同的脈沖寬度和脈沖頻率）來處理所有厚度（10~50μm）的箔片組合。

第一步的激光切割使兩個(gè)箔片的側(cè)壁整齊地疊加并暴露在外，同時(shí)切割也使箔片側(cè)壁無論厚度如何都變得更粗糙，而粗糙度又增加對(duì)紅外光的吸收率。事實(shí)上，用于焊接箔片的脈沖能量只有大約一半照射到箔片邊緣（見圖 1，步驟 2），其余的激光脈沖能量都穿過了切口。我們用聚焦光束的部分尾部能量（不是中間的峰值能量）來熔焊箔片。圖3是采用邊緣微焊接法焊接的最薄鋁箔片（10 μm）的光學(xué)顯微鏡圖。該焊縫（寬度 20 μm）干凈無缺陷。右上角的照片是一張斷裂樣品圖，在上下兩片箔片邊緣都能看到熔化的焊縫。這種焊縫形狀是典型的低峰值功率激光的熔焊。

圖3：10 μm 和 10 μm鋁箔的無縫焊接。圖中插入的照片（右上角）為拉拔試驗(yàn)后，上下箔片的斷裂痕跡，顯示為熔焊的圖像。

鋁箔和銅箔的焊接

這種邊緣微焊接方法也被廣泛用于新能源汽車電池中的超薄鋁箔和銅箔之間的異種金屬焊接。圖 4 為 25 μm鋁箔與 10 μm銅箔的焊接，在這個(gè)焊接中，將鋁箔放置到銅箔之上，使用同鋁箔焊接（Al-Al，25μm）相同的激光參數(shù)。但與鋁箔焊接不同的是，第一步切割對(duì)鋁箔和銅箔的邊緣都進(jìn)行了修整，但兩個(gè)箔片幾乎沒有接合，即重鑄的金屬焊珠相對(duì)較少。第二步（焊接）對(duì)接合邊緣起著至關(guān)重要的作用。通過第二步激光熔焊，我們通常還可以看到有不少氣孔缺陷，或沿著焊縫有間斷性的焊接。

為了消除這些缺陷，需要重復(fù)第二步激光焊接，以進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量。通常情況下，可以按需增加激光重復(fù)次數(shù)來提高接合質(zhì)量�？梢哉f，對(duì)高質(zhì)量的異種薄金屬材料進(jìn)行焊接，非常具有挑戰(zhàn)性。然而使用這種新工藝，完全可以實(shí)現(xiàn)超薄異種金屬箔焊接。

表 2 總結(jié)了同種金屬箔和異種金屬箔焊縫的抗拉強(qiáng)度測(cè)量。異種金屬焊縫（Al-Cu）的強(qiáng)度比同種金屬焊縫的強(qiáng)度要低得多。這是因?yàn)殂~箔表面有較大的熱影響區(qū)（見圖4），從而降低了焊接強(qiáng)度。

通常由于紅外激光在銅箔表面（側(cè)壁）的吸收率較低，而銅箔的熱導(dǎo)率又比較高，從而需要較高的激光功率密度焊接，這就導(dǎo)致銅箔上的熱影響區(qū)較大。為了提高鋁銅箔焊縫的強(qiáng)度，應(yīng)該使用更好的散熱夾具以防止出現(xiàn)較大的熱影響區(qū)；同時(shí)，需要進(jìn)一步研究與優(yōu)化第二步焊接激光的偏移量及峰值功率密度。

表2：金屬箔焊接的抗拉強(qiáng)度（焊縫長(zhǎng)度為15mm）

總結(jié)

利用 TruPulse nano 脈沖光纖激光器，成功地將邊緣微焊接技術(shù)應(yīng)用于焊接同種或異種超薄鋁箔（厚度 50 μm、25 μm和 10 μm）和銅箔（10 μm）的工藝中。首先將高峰值功率密度激光束用于切割堆疊的金屬箔（第一步），然后用較低峰值功率密度的光束焊接金屬箔的邊緣（第二步），此焊縫形態(tài)為熱傳導(dǎo)焊接型。雖然金屬箔片接頭的抗拉強(qiáng)度不如母材，但基于箔片厚度，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 2.5~27N。實(shí)驗(yàn)焊接樣品的焊縫非常光滑，沒有斷續(xù)的焊縫和氣孔，金屬箔片基本沒有變形。

超薄箔片焊接的應(yīng)用范圍包括：新能源汽車行業(yè)中的鋰離子電池、醫(yī)療和電氣工業(yè)中的催化轉(zhuǎn)換器及真空絕緣技術(shù)，以及壓力傳感器的應(yīng)用與包裝。面對(duì)具體的工業(yè)應(yīng)用，需要更進(jìn)一步地研究和優(yōu)化工藝。