重磅推出铜焊接宝典

制造商正在寻求高效、可行且易于实现自动化，以充分满足电动交通动力电子设备组件质量和数量方面日益严苛的要求。此外，还涉及构建和连接技术。常用的铜连接工艺由于循环时间长以及焊接质量不足而存在局限性。飞溅、热输入等干扰因素可能造成周边部件损坏，因此激光技术对于动力电子设备组件焊接来说至关重要。此外，焊接深度的波动也可能带来问题。激光技术具有灵活性和自动化的特性，已成为了传统焊接技术的一种良好替代方案；并且完全能够满足客户对于产能和质量的需求。可是由于目前红外激光难以对高反射材料铜进行焊接。特别是在焊接深度较小（< 1 mm）的小型零件领域，近红外激光无法精确控制焊接熔深和质量。

然而，光束源的新发展正在改变这一局面：能够与绿色波长更好地耦合的激光目前可用于工业领域，它具有足够大的功率，可提高生产效率，同时几乎实现无飞溅加工。对于应用来说，绿光的功率仍然有限（例如大组件尺寸和焊接深度，>1 mm），BrightLine Weld 则使红外激光技术提高了激光-材料耦合性能，从而大大提高生产力和质量。

随着需求日益增长，电动交通领域的动力电子设备制造商正面临着采用可自动化的、更高效的生产工艺的挑战。传统工艺已经无法满足阻力、超声波焊接等要求。例如，其中涉及到内部直接铜结合接点（DCB）的焊接和逆变器和控制单元的外部汇流排的焊接。当涉及内部触点时，对于特定解决方案，逆变器 IGBT 模块铜触点焊接有以下要求：

必须避免出现飞溅现象，从而在使用过程中避免元件受到损坏或造成短路。

必须进一步缩短循环时间。

当焊接汇流排的外部触点时，传统工艺不再能够满足高电导率（即接触电阻低）的要求，且机械强度较高。此外还有一个原则性问题，电动交通部件的制造商需要的安装空间比以前更小，这就意味着模块设计必须比传统的螺丝接头更为紧凑。

在上述要求的驱使下，出现了一种面向未来的工艺：激光技术。一般的激光焊接可采用单面装配，这意味着可以最大限度地利用安装空间。

利用激光焊接技术，可以精确、清洁地以非接触方式连接触点。然而，铜焊接过程中强红外激光的低能量输入也会限制加工速度和焊接质量。具有绿光的新型工业用光束源（脉冲或 CW），以及红外激光（BrightLine Weld）技术的进一步发展大大改变了这些界限：我们对这些技术进行了测试，结果表明，目前它们代表了满足行业需求的高效、高质量的解决方案。

绿光尤其适用于焊接深度较小的小型部件（<1 mm，要实现理想的无飞溅加工，焊接深度应≤0.5 mm），如 DCB。

借助这一技术，您可以在 t<0.1 s的条件下将平均触点连接至DCM。对于焊接深度较大的大型元件，如 IGTB 模块，将近红外连续波激光与 BrightLine Weld 相结合，是技术层面非常理想而又经济实用的方法。其进给率可达到≥ 0.07 m/s。

连接触点时，激光技术的应用首先对产量产生了积极的影响，对铜连接的质量也有较大的积极影响。激光技术既适用于 DCB 电路板，也适用于汇流排上的外部铜触点。

采用绿色激光焊接的陶瓷基覆铜板（DCB）

利用 TruDisk 6001、BrightLine Weld 和近红外波长，在动力电子设备的 IGBT 模块及其外部铜触点上进行几乎无飞溅的焊接连接

用绿色波长（脉冲：TruDisk 421或CW：TruDisk 1020）焊接电源和信号引脚，在室温和反光的裸表面上，能量输入（吸收）与目前标准的红外激光器相比要好 8 倍。

与近红外激光相比，铜在室温下对绿色波长激光的吸收率要高得多

它几乎可以实现无飞溅焊接，深度可达 0.7 mm，重现性高：铜-铜连接的测试结果表明，与红外激光器相比，飞溅减少了 97%，从而降低了短路造成的错误率，并减少了对材料和镜片的污染。

红外激光与绿色激光在相同能量密度下对于焊接铜的对比

绿光 VS 近红外

绿光与红外激光点焊比较，绿光的再现性更强

对于峰值脉冲功率为 4 kW，脉冲能量为 40 J的脉冲焊接或 1 kW的连续波焊接，在绿色波长下进行的测试还表明，铜对绿色激光的吸收率得到了改善，从而使焊缝宽度保持恒定，焊接深度恒定，同时减少了气孔数量。这些特点对于焊接 DCB 尤其重要。该工艺还允许较大的工艺窗口和公差；结果重现性较高。

用于铜的绿色连续波激光焊接：无论是在表面（a），还是在纵切面（b），都可以看到均匀的焊接过程。

制造商通常使用螺丝接头来连接 IGBT 模块的外部铜触点与汇流排。但螺丝接头对逆变器的电感值、大小和电阻都有负面影响。通快和英飞凌一起，对使用 BrightLine Weld 的红外激光对动力电子设备交/直流侧触点的焊接进行了研究（尤其是在减少飞溅和防止爆孔方面）。

因为用激光焊接铜时，一大明显的故障模式是所谓的爆孔，它会在焊缝中产生反复出现的孔洞，使工件无法使用。

通常，当以小于 5 m/min的焊接速度进行加工时，且当辐照度或通量超过临界值时，即当选定的焦距过小或施加的焊接功率过大时，就会出现爆孔和飞溅的情况，导致出现一系列与流体和能量动力学相关的不稳定环境。在以往，生产厂家通过以高进给率焊接的方式来消除爆孔和飞溅现象。随着进给率的增大，目前已消除了爆孔的问题。然而，焊接过程中仍会出现飞溅，无法完全消除这一现象。由于在高进给率下熔池的运动也是动态的，因此焊缝（尤其是在深溶焊时）不是很均匀。

另一种焊接工艺是振荡技术（摆动），在此过程中，激光束以圆形路径在工件上移动。这样提高了焊缝和工艺质量。

焊缝中的爆孔（俯视图）

然而一般来说，采用振荡技术时的生产率比同类的线性焊接技术要低 3 到 5 倍。BrightLine Weld 测试结果表明，该技术的质量和能源效率较高，即进给率高，互相之间并不矛盾。

焊缝中的爆孔（横截面）

BrightLine Weld 是一种新型光束控制技术：一大重要元件是通快获专利的二合一激光光缆（LLK）。工艺中涉及到两根同轴排列的 LLK。光缆内部是被环形光纤包围着的核心光纤。利用光束源的光学元件（一种 TruDisk 碟片激光器），激光可同时进入核心光纤和环形光纤。可以自由选择两种光纤之间的功率分布（10 到 90%），并可根据实际应用对其进行调整。因此可以进一步提高焊缝质量。在组件的加工区域，两束激光重叠，可以单独设置各激光的辐照度。对于路径速度特别高的小路径几何形状，建议使用可编程聚焦光学器件（PFO，镜面扫描仪系统）。

BrightLine Weld 的原理：光束源同时将激光导入核心光纤（1）和环形光纤（2）。可自由选择功率分布。两束激光在加工区域重叠。

通过适当地调整核心光纤和环形光纤之间的功率分布，可以改变红外激光输入到铜中的能量，并对焊接熔池动态性能产生积极影响。

使用带有 PFO 33 振镜头的 TruDisk 6001 激光器进行的测试表明，BrightLine Weld 将飞溅量减少了 2-4 倍。

使用 BrightLine Weld 激光技术焊接的裸铜上的触点连接。

使用 BrightLine Weld 激光技术焊接的镀锡铜上的触点连接。

激光焊接也使单面装配成为了可能。因此无需使用大法兰，可将逆变器的尺寸减小约 5%。其带来积极影响还包括：电感值更低，开关速度更快，且与传统的螺丝接头相比，电阻提高了约 20%。

使用 BrightLine Weld 获得的结果对直缝和 C 形焊缝而言都具有相同的高质量。焊接速度高达 16 m/min，焊接深度达 3 mm。如果使用BrightLine Weld振荡激光束，速度可能会降低，但与不采用 BrightLine Weld 的激光焊接相比，飞溅量会减少 2 到 4 倍，因此总共减少 8 倍。

两个激光焊接触点和一个螺丝触点的实测电阻。激光焊接触点的电阻可降低 20%。

对于电动交通领域中的动力电子设备组件，新型激光和激光工艺可以对铜触点进行灵活的非接触式焊接，减少飞溅，提高质量，并缩短加工时间。

对组件本身及其周围环境产生的热应力和机械应力也更小。此外，激光技术可以在安装空间较小的情况下进行焊接，从而简化了设计，并提高了电子效率。

通快（中国）有限公司 

地址：江苏省太仓市南京东路68号

邮编：215400
电话：+86-512-53287700   

传真：+86-512-53287751
邮箱：info@cn.trumpf.com

网址：www.trumpf.cn