傳統內燃機汽車一般有10 至25公斤的銅含量。相比之下，純電動汽車含銅量大大增加，約有90公斤的銅。從現在到2025年，預計會有上千萬輛純電動汽車生產與售出，這就需要大量的電動機，電池和傳感器，并且需要大量的線束和終端，這一切都含有大量的銅。

工業藍光激光是一種新技術，它使我們能夠快速、高質量地加工銅質材料，不僅適用于純電動汽車，還適用于各種消費和商業產品。藍光激光（英語：Blue laser），是指波長介于360到480納米(nm)之間的激光。最新技術有所突破的藍光激光，是波長在450納米的激光，它的功率也達到了2000W。

“材料加工”一詞含義很廣，它包含很多種操作，如焊接、蝕刻、切割、電鍍等，但最復雜的還首數焊接。焊接需要傳遞足夠的能量來熔化一種或多種目標材料，但這種能量又能不過分強大使材料蒸發或遭受熱損害。由于熱力學和流體力學之間錯綜復雜的相互作用，提供合適水平的能量具有很大的挑戰性。傳統的焊接方式由于大量長期的經驗現在技術上已經完全沒有難度，但激光焊接還達不到這個程度。激光在不與零件和工具物理接觸的情況下釋放能量，可以輕松地處理不同材料，因此對于任何焊接應用而言，激光焊接都是有吸引力的選擇。但是我們發現，紅外（Infrared）激光幾乎無法生產高質量的銅焊縫，因此制造商不得不尋找替代的焊接方法。

當2017年第一臺工業藍光激光器進入市場時，情況發生了變化。在隨后的幾年中，藍色激光的功率和亮度都有所提高。然后在 2020年初，藍光激光達到了一個里程碑：集成到行業標準的光學掃描系統中后，其亮度足以焊接銅。這使制造商可以將高速，高質量的藍色激光焊接納入自動化生產線。而且，該技術的功率，亮度和效率會不斷改善，這將增加藍色激光可以解決的應用范圍。

材料

在工業應用中，金、銀和銅由于有良好的導電性和延展性，是非常好的材料。但銅比金更具導電性，并且幾乎與銀具有相同的延展性。高延展性使銅易于成型為各種形狀，包括薄箔和長線。高導電率也就是低電阻，從而節約能量，少生廢熱。與此同時，銅的價格相比金銀僅是九牛一毛，因此，銅是大多數電氣應用的首選材料。鋁的延展性和導電性不如銅，但價格更加便宜且重量輕，因此在某些應用中鋁也是較好的選擇。

這就是為什么銅和鋁是電氣系統（如電機，傳感器，發電和傳輸設備）最常用的材料。對于電子產品而言，金和銀也起著一定的作用，但是銅還是電路板之類產品的主要材料。

因此，對于制造企業而言，需要一種高速，高質量的方法來連接銅。

激光焊接的復雜性

激光焊接的第一步是將能量從光束轉移到目標材料，傳輸的能量取決于激光的波長、目標材料的種類以及材料的固液狀態。

現在最常見的激光焊接為二氧化碳激光焊，它的波長為10.6μm，屬于紅外線的一種。紅外線（Infrared ，IR）是頻率介于微波與可見光之間的電磁波，波長在760nm（納米）到1mm（毫米）之間。它是頻率比紅光低的不可見光。

如果使用傳統紅外激光器來焊接固態銅，我們發現僅有5％的能量產生作用，剩余的 95%的能量都被浪費了。這是非常低效的，也是我們不愿意用紅外激光焊接銅的最根本原因。也因為如此，紅外激光焊接銅的過程往往運行不穩定，于是導致廢品率很高。

但后來發現，波長為450nm的藍光激光是一種理想的焊接有色金屬特別是銅的方法。銅吸收藍光的強度效率是吸收紅外線的 13倍。

下面兩張圖是不同材料對紅外光、綠光、藍光激光的吸收率實驗，可以清楚看到銅對小波長的藍光吸收率近乎70%，但對紅外光吸收率只有 5%。

第二個問題是，如果使用紅外激光焊接，當固態銅吸收了足夠多的能量而熔化后，由于液態銅比固態銅吸收紅外能量的效率高出很多，紅外激光的過高能量會在熔池中產生微型“爆炸”，從而降低接頭的機械和電氣完整性。雖然我們可以通過可調的激光光束使缺陷最小化，但很難徹底消除，而且也難以避免會增加處理時間。相比之下，液態銅和固態銅對藍光的吸收率幾乎相同，發起焊接（固態銅）的參數與維持焊接（液態銅）所需的參數相同，這就使工藝非常簡單，可快速生產高質量的焊接效果。

藍光激光的適用性

藍光激光不僅適用于多種零件幾何形狀，而且適用于多種材料，比如鋁、鋼、鎳甚至黃銅（銅和鋅組成的合金）。在未來，相信藍光激光的應用范圍會非常廣。

例如鋰離子電池，它是由多層非常薄的銅箔和鋁箔組成的。為了產生電荷，必須用電解質將箔與箔分開，但是要收集電荷，必須將箔的末端連接在一起。盡管超聲波焊接（可以參考本人之前的文章“ Ultrasonic Welding - 超聲波金屬焊接”）可以焊接這些箔，但是接頭的質量較差。相比較而言，藍光激光可以生成幾乎無缺陷的箔焊縫。消費電子類零件面臨類似的挑戰，它們在相對較薄的銅材料之間實現電氣和機械上的可靠連接方面也有很高的需求。在今年技術得到明顯突破之前，僅僅是藍光激光幾年前的早期技術， 500瓦的功率，就能夠產生這種近乎無缺陷的焊接。

下圖為超聲波焊接下銅箔的樣子：

下圖為藍光激光焊接后銅箔的樣子

幾年后的今天，藍光激光器已經可以提供千瓦級的功率，以應對更復雜的制造幾何形狀要求。例如，鋰離子電池中的薄箔連接到接線片，接線片連接到母線，還有母線連接到殼體，這些連接之前的功率級別是無法滿足的。超聲波焊接每種不同的焊接都需要專門的焊頭，但是藍光激光可以通過簡單調整參數就能焊接所有幾何形狀。又例如，一些車企在其電動汽車應用中采用了熱效率和電效率更高的條狀繞線電機，這種電機需要將發夾線穿過定子或轉子繞鐵，但又必須將它們的相對端連接起來以形成閉環電路。藍光激光在這種情況下可以在環境非常緊湊的情況生產出高質量的接頭。

激光的輸出功率是一項關鍵指標，除此之外，激光的亮度也非常重要。亮度是激光能量集中度的量度。它反映在被稱為光束參數乘積（Beam-parameter product，BPP ）的度量標準中，該度量實質上是激光束的物理尺寸和角度發散的乘積，是用來衡量激光光束質量的關鍵參數。BPP越小，光束“越緊”。如果兩個激光器的輸出功率相同，但是其中一個的BPP數值是另一個激光器的一半，則BPP較低的激光器的焊接速度會更快或更深，或者兩者兼而有之。

2020 年初，藍色激光達到了技術上的里程碑：BPP為11毫米毫弧度（millimeter-milliradians）時，輸出功率超過一千瓦。在這種亮度下，與符合行業標準的掃描系統集成后，藍光激光已經可以焊接銅，在此之前，還有許多問題。

經過實驗比較，與紅外激光相比，使用藍光激光焊接銅所需的總能量消耗大約會減少84%，而焊接金所需的總能量消耗會減少 92%。以功率而言，一千瓦足夠焊接銅， 0.5千瓦足夠焊接金，而換做紅外激光，可能需要十千瓦。