使用蓝色激光焊接铜的方法和系统技术方案

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。

Method and system of welding copper by blue laser

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用蓝色激光焊接铜的方法和系统根据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。
技术介绍

本专利技术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。如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“可见”、“可见光谱”和“光谱的可见部分”以及类似术语应给出其最广泛的含义，并且包括波长为从约380nm至约750nm，和400nm至700nm的光。如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光”和“蓝色”应给出其最广泛的含义，并且通常是指提供激光束的系统、激光束、激光源，例如提供例如传播激光束或波长为约400nm至约500nm的光的激光器和二极管激光器。如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”、“绿色激光”和“绿色”应给出其最广泛的含义，并且通常是指提供激光束的系统、激光束、激光源，例如，提供例如传播激光束或波长为约500nm至约575nm的光的激光器和二极管激光器。如本文所用，除非另有明确说明，否则诸如“至少”、“大于”的术语也意味着“不小于”，即，除非另有明确说明，否则这些术语排除下限值。通常，除非另有说明，否则如本文所用的术语“约”和符号“～”意味着包括±10％的变化或范围，与获得所述值相关的实验或仪器误差，和优选地，这些中的较大者。本专利技术
技术介绍
部分旨在介绍本领域的各个方面，其可以与本专利技术的实施例相关联。因此，本部分中的前述讨论提供了用于更好地理解本专利技术的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。
技术实现思路
金属焊接中，特别是用于电子元件和电池的铜金属焊接中，对于更好的焊接质量、更高速度的焊接以及更高的再现性、可靠性、更高的公差和更好的的坚固性，有着长期存在的、增加的和未实现的需求。包括在这些需求中，需要一种改进的方法来将铜焊接到其自身和其他金属上；并且，需要解决与焊接铜箔叠层并将这些叠层焊接到较厚的铜或铝部件相关的问题。除了其他方面外，本专利技术尤其通过提供本文教导和公开的制品、装置和工艺来解决这些需求。因此，提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，所述方法包括：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与第二块铜基材料接触放置；在所述工件上引导蓝色激光束，由此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和再固化区；其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再固化区的微观结构是相同的。还提供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没有显示出焊缝中会指示焊缝存在缺点的可辨别的差异；其中相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域；其中焊缝通过导通模焊接形成；其中焊缝通过锁孔模式焊接形成；其中第一块和第二块的厚度为约10μm至约500μm；其中第一块包括多层铜箔；其中第一块是铜金属；其中第一块是铜合金，含有约10至约95重量％的铜；其中激光束作为功率密度小于800kW/cm2的聚焦光斑被引导到工件；其中激光束作为功率密度小于500kW/cm2的聚焦光斑被引导到工件；其中激光束作为功率密度为约100kW/cm2至约800kW/cm2的聚焦光斑被引导到工件；其中激光束作为功率密度大于100kW/cm2的聚焦光斑被引导到工件；其中激光束的功率小于500W；其中激光束的功率小于275W；其中激光束的功率小于150W；其中激光束的功率范围为150W至约750W；其中激光束的功率范围为约200W至约500W；其中激光束作为具有约50μm至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，所述方法包括：/na.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料与第二块铜基材料接触放置；/nb.在所述工件上引导蓝色激光束，由此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和再固化区；和/nc.其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再固化区的微观结构是相同的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170131 US 62/452,5981.一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，所述方法包括：
a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料与第二块铜基材料接触放置；
b.在所述工件上引导蓝色激光束，由此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和再固化区；和
c.其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再固化区的微观结构是相同的。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相同的微观结构没有显示出所述焊缝中指示所述焊缝存在缺点的可辨别的差异。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊缝通过导通模式焊接形成。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块和所述第二块的厚度为约10μm至约500μm。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块包括多层铜箔。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块是铜金属。


8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块是铜合金，具有约10至约95重量百分数的铜。


9.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为功率密度小于800kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


10.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为功率密度小于500kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


11.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为功率密度为约100kW/cm2至约800kW/cm2的聚焦光斑被引导至所述工件。


12.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为功率密度为约800kW/cm2至约5MW/cm2的聚焦光斑被引导至所述工件。


13.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为功率密度大于100kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


14.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的功率小于500W。


15.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的功率小于275W。


16.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的功率小于150W。


17.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的功率在150W至约750W的范围内。


18.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的功率在约200W至约500W的范围内。


19.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm的光斑尺寸的聚焦光斑被引导到所述工件。


20.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束的波长为约405nm至约500nm。


21.根据权利要求1所述的方法，其中无飞溅形成所述焊接。


22.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光不会使所述工件蒸发。


23.一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，所述方法包括：
a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铜基材料与第二块铜基材料接触放置；
b.在所述工件上引导蓝色激光束，由此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和再固化区；和
c.其中所述HAZ的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内。


24.根据权利要求23所述的方法，其中所述再固化区的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内。


25.根据权利要求23所述的方法，其中所述铜基材料、所述HAZ和所述再固化区的微观结构是相同的。


26.根据权利要求25所述的方法，其中所述相同的微观结构没有显示出所述焊缝中指示所述焊缝存在缺点的可辨别的差异。


27.根据权利要求26所述的方法，其中所述相同的微观结构没有显示出所述焊缝中指示所述焊缝存在缺点的可辨别的差异。


28.根据权利要求26所述的方法，其中所述相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域。


29.根据权利要求23所述的方法，其中所述焊缝通过导通模式焊接形成。


30.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块和所述第二块的厚度为约10μm至约500μm。


31.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块包括多层铜箔。


32.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块是铜金属。


33.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块是铜合金，具有约10至约95重量百分数的铜。


34.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为功率密度小于2000kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


35.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为功率密度小于500kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


36.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为功率密度为约100kW/cm2至约4500kW/cm2的聚焦光斑被引导至所述工件。


37.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为功率密度大于100kW/cm2的聚焦光斑被引导到所述工件。


38.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束的功率小于500W。


39.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束的功率小于275W。


40.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束的功率小于150W。


41.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束的功率在150W至约750W的范围内。


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【专利技术属性】
技术研发人员：马修·芬纽夫，威廉·C·格雷，罗伯特·D·弗里茨，马克·泽迪克，
申请(专利权)人：努布鲁有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US