CN110709203A - 使用蓝色激光焊接铜的方法和系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

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。

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。

本发明背景技术部分旨在介绍本领域的各个方面，其可以与本发明的实施例相关联。因此，本部分中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。

发明内容

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，本发明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至约250μm的光斑尺寸的聚焦光斑被引导到工件上；其中激光束的波长为约405nm至约500nm；其中无飞溅形成焊缝；并且，其中激光器不会使工件蒸发。

更进一步地，提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，该方法包括：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HAZ的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内。

此外，提供了具有以下特征中的一个或多个的这些焊缝、系统和方法：其中再固化区的硬度范围在铜基材料的硬度范围内；其中铜基材料、HAZ和再固化区的微观结构相同；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没有显示出焊缝中会指示焊缝存在缺点的可辨别的差异；并且其中相同的微观结构包括相似尺寸的晶体生长区域。

此外，提供了一种在铜基材料中形成完美焊缝的方法，该方法包括：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，所述再固化区的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内。

此外，提供了用具有波长范围为405nm至500nm的蓝色激光焊接铜，以及通过该焊接产生的焊缝和产品。

此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：其中以导通模式焊接铜；在焊接过程中以导通模式焊接铜而焊缝熔池没有蒸发；以导通模式焊接铜，产生类似于基底金属的微观结构，其晶体生长区域的尺寸与基材相似；以导通模式焊接铜，产生与热影响区(HAZ)中的基底金属相似的微观结构；以导通模式焊接铜，产生与焊珠(weldbead)中的基底金属相似的微观结构；以导通模式焊接铜，产生与热影响区中的基底金属相似的硬度；以导通模式焊接铜，产生与焊珠中的基底金属相似的硬度；焊接铜，其中焊缝中的微观结构与基底金属不同；焊接铜，其中HAZ中的微观结构与基底金属相似。

此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：以锁孔模式焊接铜；以锁孔模式焊接铜，其中焊接期间发生非常低的飞溅和焊接后在铜表面上观察到很少或没有飞溅；用500kW/cm²或更高的功率密度和能使锁孔保持打开的焊接速度焊接铜；用400kW/cm²或更高的功率密度和能使锁孔保持打开的焊接速度焊接铜；用100kW/cm²或更高的功率密度和足够快以防止过渡到锁孔焊接区域的焊接速度焊接铜；用预热焊接铜以改善焊接期间的穿透深度；用Ar-CO₂辅助气体焊接铜；用Ar-H₂辅助气体焊接铜；用Ar辅助气体焊接铜；用空气焊接铜；用He辅助气体焊接铜；用N₂辅助气体焊接铜；和用辅助气体焊接铜。

此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：激光功率从1Hz调制到1kHz；激光功率从1kHz调制到50kHz；使用拉长的蓝色激光光斑来保持锁孔打开；使用机器人以圆形、振荡或椭圆形的振荡运动快速移动光斑；使用安装在检流计上的镜子振荡平行于焊接方向的光斑；使用安装在检流计上的镜子振荡垂直于焊接方向的光斑；和使用安装在一对检流计上的一对镜子以圆形、振荡或椭圆形的振荡运动快速移动光斑。

另外，提供了一种在铜基材料中形成锁孔焊缝的方法，该方法包括：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；并且，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锁孔模式焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再固化区。

此外，提供了包括以下特征中的一个或多个的这些焊缝、方法和系统：其中，对于锁孔焊缝，激光功率小于1000kW；其中，对于锁孔焊缝，激光功率小于500kW；其中，对于锁孔焊缝，激光功率小于300kW；包括拉长激光束以抑制从锁孔飞溅；包括调制激光功率以抑制从锁孔飞溅；包括在焊接的锁孔模式期间快速扫描光束以抑制飞溅；包括在自动或手动启动焊接后快速降低激光功率；包括使用低气压来减少焊接过程中夹带的气体和飞溅；包括施加保护气体；包括施加选自由He、Ar、N₂组成的组的保护气体；包括施加选自由Ar-H₂、N₂、N₂-H₂组成的组的保护气体混合物；和，包括施加保护气体并向保护气体中添加氢以去除氧化物层并促进焊缝的润湿。

附图说明

图1是根据本发明的铜的无飞溅导通模式焊缝的实施例的照片。

图2是根据本发明的铜上的锁孔焊缝的实施例的照片。

图3是示出用于127μm厚铜的本发明实施例的穿透深度与速度的图，其中铜在至8m/min的速度时被完全穿透。

图4是示出用于254μm厚铜的本发明实施例的穿透深度与速度的图，其中铜在至0.5至0.75m/min的速度被完全穿透。

图5是示出本发明实施例的穿透深度与速度的图。

图6是示出本发明实施例的几种不同速度下的穿透深度的图。

图7是示出根据本发明的70μm厚铜箔上的导通模式焊缝的实施例的注释照片。

图8是根据本发明的锁孔模式焊缝横截面的实施例的注释照片。

图9是各种金属的吸收率曲线，并示出了IR激光器与可见激光器之间的吸收率差。

图10是根据本发明的传播到材料中的导通模式焊缝的实施例的示意图。

图11是根据本发明的传播到材料中的锁孔焊缝的实施例的示意图。

图12是用于根据本发明的激光焊接的部件保持器的实施例的透视图。

图12A是图12的部件保持器的剖视图。

图13是根据本发明的用于保持薄部件以进行搭接焊接的部件保持器的实施例的透视图。

图13A是图13的部件保持器的剖视图。

图14是根据本发明的用于导通模式焊缝的板上珠的实施例的照片。

图15是根据本发明的以导通焊接模式焊接的箔叠层的实施例的照片。

图16是根据本发明的用于锁孔模式焊缝的板上珠的实施例的照片。

图17是根据本发明的用锁孔模式焊接的40个铜箔叠层的实施例的照片。

图18是根据本发明的各功率水平和各速度的实施例的铜中的穿透深度的曲线图。

图19是根据本发明的用于执行本发明激光焊接方法的实施例的150瓦蓝色激光系统的实施例的示意图。

图20是使用两个150瓦蓝色激光系统来制造根据本发明的300瓦蓝色激光系统的实施例的示意性光线轨迹图。

图21是使用四个150瓦蓝色激光系统制造根据本发明的800瓦蓝色激光系统的实施例的示意性光线轨迹图。

具体实施方式

一般而言，本发明涉及用于焊接金属，特别是铜和铜基金属和合金的激光器、激光束、系统和方法。通常，本发明还涉及用于施加激光束、光束尺寸、光束功率的方法，用于保持部件的方法以及用于引入保护气体以防止部件氧化的方法。

在一个实施例中，本发明提供用于电子元件(包括电池)的铜基材料的高质量焊缝、高焊接速度和两者。在一个实施例中，本发明提供用于汽车电子元件(包括电池)的铜基材料的高质量焊缝、高焊接速度和两者。

在本发明的一个实施例中，高功率蓝色激光源(例如，～450nm)解决了现有铜焊接技术的问题。蓝色激光源提供蓝色激光束，在该波长下，铜的吸收率为～65％，使得能够在所有功率水平下将激光功率有效地耦合到材料中。该系统和方法在许多焊接技术，包括导通和锁孔焊接模式中提供稳定的焊接。该系统和方法最小化、减少并优选地消除蒸发、飞溅、微爆炸以及这些的组合和变化。

在一个实施例中，在功率水平范围为150瓦至275瓦、光斑尺寸为～200μm下的铜的蓝色激光焊接在所有功率范围内实现稳定的、低飞溅焊接。在该焊接系统和方法的一个实施例中，焊接处于导通模式，所得到的焊缝微观结构类似于基材。

优选地，在实施例中，激光波长可以在350nm至500nm的波长范围内，光斑尺寸(直径或横截面)可以在100微米(μm)至3mm的范围内，并且还可以考虑更大的光斑尺寸。光斑可以是圆形、椭圆形、线形、正方形或其他图案。优选地，激光束是连续的。在实施例中，激光束可以例如从约1微秒和更长时间脉冲。

转到图6，示出了在各种焊接速度下的穿透深度与功率的关系。使用实施例1中所述类型的系统进行焊接。对于没有辅助气体的激光束，275W功率下在500μm铜上制造焊缝。

图7的照片示出了在70μm厚的铜箔上的导电模式焊缝，示出了通过HAZ和焊缝的微观结构。使用示例1中描述的参数制造焊缝。通过第一横截面确定每个样品的穿透深度，然后蚀刻样品以显示焊缝和HAZ区域的微观结构。另外，其中一个样品被截取横截面，并且基底金属的维氏硬度(Vickers hardness)范围为133-141HV，焊珠的维氏硬度为约135HV，HAZ的维氏硬度范围为118-132HV。结论是基材、HAZ和焊珠(例如再固化区)的硬度接近原始材料。此外，导通模式焊珠、HAZ和基材的微观结构非常相似，微观结构仅有微小差异。当用激光或任何其他手段焊接时，以前从未在铜中观察到具有这些特性的焊缝。该焊接质量示于图7中，其中样品横向于焊缝截取横截面并被蚀刻以显示微观结构。

因此，本发明的实施例包括焊接铜基材料以获得以下焊缝的方法，以及所得到的焊缝本身。这些方法和焊缝包括将两种或更多种铜基材料焊接在一起，使得焊缝周围区域的材料具有以下硬度(如通过公认的硬度测试，例如维氏硬度、ASTM测试等测量)，其中焊珠硬度在基材的硬度范围内，焊珠硬度在基材硬度的1％以内，焊珠硬度(如再固化区)在基材硬度的5％以内和焊珠硬度在基材硬度的10％以内。这些方法和焊缝包括将两种或更多种铜基材料焊接在一起，使得在焊缝周围区域的材料具有以下硬度(如通过公认的硬度测试，例如维氏硬度、ASTM测试等测量)，其中HAZ硬度在基材硬度范围内，HAZ硬度在基材硬度的1％以内，HAZ硬度在基材硬度的5％以内，HAZ硬度在基材硬度的10％以内。这些方法和焊缝将包括将两种或更多种铜基材料焊接在一起，使得在焊缝周围的区域中基材、焊珠(例如，再固化区)和HAZ的微观结构是相同的，即，微观结构中没有暗示或显示焊缝区域中焊接结构的缺点或焊缝区域的缺点的可辨别差异。

转到图8，图8是当在锁孔焊接模式下操作时观察到的500μm厚铜板样品的微观结构。在锁孔焊接过程中，蒸汽羽流清晰可见，熔融铜沿焊缝长度缓慢喷出。在焊接期间或焊接之后没有通常在用红外激光器焊接时观察到的因焊接过程产生飞溅的任何迹象。这表明一个稳定、控制良好的锁孔过程，其适用于对电气元件产生高质量的焊缝。如图8所示类型的具有非常高的质量和均匀性的锁孔模式焊缝横截面，可从低至800kW/cm²和更低的功率密度获得。再固化区[1]-[2]为442μm至301μm，HAZ[2]为1314μm。

本发明的一个实施例涉及使用可见激光系统将铜焊接到铜或其他材料的方法、装置和系统以实现包括对铜材料的有效传热速率，稳定的焊缝熔池的优点；特别是在导通模式或锁孔模式下具有这些优点。如图9所示，铜在蓝色波长范围内具有高吸收性。目前优选的蓝色激光束和激光束系统和方法以非常有效的方式将激光功率耦合到铜中。本发明的激光束系统和方法加热基材(待焊接的材料，例如铜)的速度比热可远离激光光斑传导的速度快。这为导通模式激光焊接提供了高效且优异的焊接性能，即激光束中的材料被快速加热到熔点并通过连续激光束保持在该熔点，从而形成稳定的焊珠。在本发明导通模式焊接中，金属快速熔化，但焊缝的穿透深度取决于到材料中并以球形进展到材料中的热扩散。这在图10中示出，图10示出了导通模式焊接1000的实施例的示意图，示出了具有箭头1004的焊缝的方向。激光束1001(例如，蓝色波长)聚焦在焊池1002上并保持焊池1002。焊池1002的后面是固体焊接材料1003。基材，例如铜金属或合金，位于焊缝下方。还使用保护气流1005。

本发明的一个实施例涉及用与蓝色激光系统对铜进行锁孔焊接。这些方法和系统为焊接厚铜材料以及铜箔的叠层(包括厚叠层)提供了新的可能性。当激光能量被如此快速地吸收以至于其熔化并蒸发被焊接的材料时，发生焊接的这种锁孔模式。汽化的金属在被焊接的金属中产生高压，在激光束可以传播并被吸收的地方打开一个孔或毛细管。一旦开始锁孔模式，就可以实现深穿透焊接。激光束的吸收率从铜中蓝色激光的初始吸收率65％变化到锁孔中的100％吸收率。高吸收率可归因于锁孔壁上的多次反射，激光束在锁孔壁上经历连续吸收。当与铜在蓝色波长下的高吸收率结合时，启动锁孔并保持其所需的功率显着低于使用IR激光器时所需的功率。转到图11，图11示出了锁孔模式焊缝2000的实施例的示意图，示出了具有箭头2007的焊缝的方向。在锁孔2006中存在金属/蒸汽等离子体。蓝色激光束2001产生等离子体云2002、焊池2003和固体焊接金属2004。还使用保护气流2005。

比较图11的锁孔焊缝和图10的导通模式焊缝，锁孔焊缝中的最终焊缝再固化区的壁比导通模式焊缝更垂直于部件或基材。

优选地，用于本系统和方法的实施例的高功率激光束(例如，可见光、绿色和蓝色激光束)被聚焦至约50μm或更大的光斑尺寸，或者具有通过系统中的光学器件被聚焦至约50μm或更大的光斑尺寸的能力，并且具有至少10W或更大的功率。包括蓝色激光束的激光束的功率可以是10W、20W、50W、100W、10-50W、100-250W、200-500W和1000W，考虑更高和更低的功率，和这些范围内的所有波长。这些功率和激光束的光斑尺寸(最长的横截面距离，对于圆而言其是直径)可以是约20μm至约4mm，小于约3mm，小于约2mm，约20μm至约1mm，约30μm至约50μm，约50μm至约250μm，约50μm至约500μm，约100μm至约4000μm，考虑更大和更小的光斑，和这些范围内的所有尺寸。激光束光斑的功率密度可以为约50kW/cm²至5MW/cm²，约100kW/cm²至4.5MW/cm²，约100kW/cm²至1000kW/cm²，约500kW/cm²至约2MW/cm²，大于约50kW/cm²，大于约100kW/cm²，大于约500kW/cm²，大于约1000kW/cm²，大于约2000kW/cm²，以及更高和更低的功率密度，和这些范围内的所有功率密度都。铜的焊接速度为约0.1mm/秒至约10mm/秒，以及取决于各种条件而具有更慢或更快的速度，和这些范围内的所有速度。速度取决于被焊接材料的厚度，因此对于10μm至1mm厚的铜，每厚度的速度(mm/秒/厚度)以mm计可以是例如0.1/秒至1000/秒。

本方法和系统的实施例可以使用一个、两个、三个或更多个激光束来形成焊缝。激光束可以聚焦在同一综合区域上以引发焊缝。激光束光斑可以重叠，并且可以同步(coincident)。多个激光束可以同时使用；并且同步和同时。可以使用单个激光束来引发焊缝，然后添加第二激光束。可以使用多个激光束来引发焊缝，然后使用较少的光束，例如单个光束，以继续焊缝。该多个激光束中的激光束可以是不同的功率或相同的功率，功率密度可以不同或相同，波长可以不同或相同，以及这些的组合和变化。附加激光束的使用可以是同时的，或是顺序的。也可以使用使用多个激光束的这些实施例的组合和变化。使用多个激光束可以抑制焊缝的飞溅，并且也可以在深穿透焊接方法中这样做。

在实施例中，氢气H₂可以与惰性气体混合以在焊接过程中从基材除去氧化物层。氢气在焊缝区域上方流过。氢气还促进焊缝的润湿。氢气可以添加到保护气体中或与保护气体形成混合物，并作为保护气体的一部分施加到焊缝上。这些混合物包括例如Ar-H₂、He-H₂、N₂-H₂。

图18提供了用于激光系统配置和材料厚度范围为127μm至500μm的各种实施例的铜上的穿透深度、激光束功率和焊接速度的示例。

用蓝色激光系统对铜、铜合金和其他金属进行导通模式焊接的方法

当应用于铜基材料时，本发明的系统克服了与IR焊接相关的问题和困难。铜在本发明的激光束和光束光斑的蓝色波长下的高吸收率(65％)克服了材料的热扩散性，并且在相对低的功率水平～150瓦下也可以这样做。本发明的蓝色激光束与铜的相互作用使得铜易于到达其熔点并允许宽的加工窗口。

在一个实施例中，通过使用部件保持装置或固定装置，执行稳态导通模式焊接，并且以稳定且快速的速率获得高质量焊缝。

焊接固定装置用于在由激光束在部件中引起的热瞬态期间将待焊接的材料保持在适当位置。图12和图12A分别是透视图和剖视图，其中的固定装置是可用于搭接、对接和甚至边缘焊接的焊接夹具的线性部分的实施例。焊接固定装置4000具有底板或支撑结构4003。附接到底板4003的是两个夹具构件或者压紧件4001。压紧件4001具有搁置在底板4002的表面上的凸片和接触并保持待焊接的工件的自由端。在底板4002中，在用于压紧件4001的自由端之间的区域中存在例如2mm宽×2mm深的槽。四个螺栓，例如4004，(也可以使用其他类型的调节紧固装置)将夹具调整、拧紧并保持在工件上，从而保持或固定工件。

用于该固定装置的优选材料是低热导率材料，例如不锈钢，因为它足够硬以在焊接期间施加将部件保持在适当位置所需的夹紧压力。在实施例中，夹具、底板和两者可以在焊接过程中具有绝缘性质或对工件有影响。对固定装置使用具有低热导率的材料防止、最小化和减少沉积到部件中的热被固定装置本身快速传导走。当焊接诸如铜的高热导率材料时，这提供了额外的益处。因此，选择用于夹具的材料，夹具的宽度和部件下方的间隙都是决定焊缝的穿透深度、焊珠的宽度和焊珠的整体质量的参数。转到图14，示出了横截面(在蚀刻之后)，其中导通模式焊缝可以通过基材(例如工件)中的焊珠的圆形形状6001来识别。焊缝采用这种形状，是因为当在部件的顶部表面施加热时，铜或任何其他材料中的传热过程具有各向同性的性质。

在一个优选实施例中，固定装置4000的底板4002由不锈钢构成，在底板上切入2mm宽的间隙4003，使其位于焊缝区正下方，并用惰性气体如氩气、氦气或氮气(作为覆盖气体或保护气体)充满，以使焊缝背面的氧化最小化。覆盖气体可以是氢气和惰性气体的混合物。夹具4001被设计成在距离底板4002中的间隙4003的边缘2mm处对待焊接的部件施加压力。因此，在该实施例中，待焊接部件的6mm宽区域对激光束是打开的(认识到激光束离固定装置有一点距离)。夹具的这种定位允许激光束容易接近部件的表面以及紧密夹具。这种类型的固定装置是将两个厚度为50μm至几mm的铜箔或铜板对接焊接在一起的优选方法。该固定装置还适用于将两个200μm至几mm的较厚的铜板搭接焊接在一起。夹紧压力的大小非常重要，并且根据激光功率大小、焊接速度、部件厚度和执行的焊接类型，夹紧螺栓对于较厚的材料可以扭矩到0.05牛顿-m(Nm)，直至3Nm或更多。该扭矩值高度取决于螺栓尺寸、螺纹啮合以及从螺栓中心到夹紧点的距离。

在一个实施例中，通过提供足够的夹紧力以防止焊接期间部件的移动同时最小化到固定装置本身的寄生热损失来获得高质量和优异的焊缝。应该理解的是，图12和图12A中的固定装置的实施例表示焊接固定装置的直线部分的横截面，并且可以被设计成任何任意的2-D路径(例如，-S-、-C-、-W-等)，用于将任何类型的形状焊接一起。在另一个实施例中，固定装置可以被预热或在焊接过程中被加热，以增加焊缝的穿透速度或深度，同时减少到固定装置的寄生热损失。当加热到100℃时，固定装置可以将焊接速度或穿透深度和质量提高一倍或两倍或更多倍。如图10所示，用于焊缝顶侧的保护气体从焊缝行进方向的前部纵向递送到焊缝行进方向的后部。导通模式焊缝的板上的珠如图14所示，导通模式焊缝用该固定装置4000在254μm厚的铜片上进行。焊珠的冻结图案示出了这种焊缝特有的球形熔化图案。

使用导通模式焊接过程对两个部件进行搭接焊接需要将部件紧密接触放置并保持。两个部件(统称为工件)可以放置在固定装置中，优选是图13和图13A中所示类型的固定装置中，图13和图13A分别是固定装置5000的透视图和剖视图。固定装置5000具有底板5003和两个夹具5002。夹具具有对应于压紧螺栓例如5001的四个槽例如5010。以这种方式，可以调节和固定夹具相对于工件的位置、相对于彼此的位置，以及夹紧力或压力的大小。夹具可以具有磁性以帮助它们定位和固定。夹具5002具有用于输送保护气体的内部通道，例如5004。通道5004与保护气体出口(例如5005)流体连通。保护气体出口和保护气体通道来自夹具内的保护气体递送系统。因此，气体递送系统是且穿过沿着夹具的长度的一排孔，其递送惰性气体，例如氩气、氦气或氮气。氩气是优选的气体，因为它比空气重，并且会沉积在部件上，排出氧气并防止上表面氧化。可以向惰性气体中加入少量氢气，以促进部件上氧化物层的清除，并促进焊接过程中部件的润湿。

还存在插入件5006，其用于迫使箔叠层中的各个箔在叠层中保持并维持彼此接触。插入件5006可以拉伸并迫使箔彼此紧密且均匀地接触。在图13和图13A的实施例中，插入件5006是倒V形。它可以是弯曲的、隆起的或其他形状，这取决于箔的叠层和它们各自的厚度。另外，在图13和图13A的实施例中，插入件5006与夹具5002相邻但未被夹具5002覆盖。插入件可从夹具的端部移除，或者夹具中的一个或两个可部分地覆盖插入件。

在优选的实施例中，底板5000由不锈钢制成，夹具5002也是如此。固定装置可由陶瓷或绝热材料制成。隆起5006从焊缝底部提供压力以保持重叠板(两个、三个、几十个等)紧密接触。在该实施例中，保护气体的设置以沿着夹具长度的一排孔的形式构建在夹具(2)中，所述一排孔递送惰性气体，例如氩气、氦气或氮气。氩气是优选的气体，因为它比空气重，并且会沉积在部件上、排出氧气并防止上表面氧化。底板5003中的插入隆起5006还可以具有一系列通道、孔或槽，以将覆盖气体或保护气体递送到焊缝的后侧以防止氧化。如图所示，固定装置5000表示焊缝的直线部分的横截面，并且可以设计成任意的2-D路径，用于将任意形状焊接在一起。在这种应用中，用于螺栓的扭矩值可能很重要，取决于工件的性质，扭矩值太低，例如0.1Nm，部件可能不会保持接触，扭矩值太高>1Nm，寄生热传递降低了焊接过程的效率，减少了穿透和焊珠宽度。

用蓝色激光系统焊接铜、铜合金和其他金属的锁孔模式的方法

蓝色激光的光具有比IR激光(65％)高得多的吸收水平，并且可以以275瓦的相对低的功率水平启动锁孔焊接(与IR系统启动锁孔焊接过程所需的2000至3000W相比。启动时，除了其他问题外，IR系统还将面临失控问题。)随着用蓝色激光系统启动锁孔模式，吸收率增加，现在吸收率不是失控的过程，因为它从65％增加到约90％并增加到100％。因此，本发明的锁孔焊接过程具有与IR非常不同的吸收率时间曲线。本发明的蓝色锁孔焊接过程从起始到焊接前进具有吸收率时间曲线(35％或更少)。使用本发明的激光焊接系统可以实现蓝色激光焊接过程的启动和向连续焊接的转换，而无需如在使用IR激光器预防飞溅时所需的必须快速改变激光的功率水平或焊接速度。当使用蓝色激光器时，锁孔焊接开始时的高速视频显示出稳定的工艺，能够焊接多层铜箔和板，而从锁孔喷出的飞溅很少甚至没有飞溅。两个锁孔焊接样品的横截面显示在图16和图17中，其中材料冻结图案与图14中所示的导通模式焊接样品的形状明显不同。如图16和图17所示，形成垂直于材料表面的材料冻结图案与导通模式焊缝不同，因为热传递沿着锁孔的整个长度发生，热传递穿透部件的表面并延伸到最终焊缝深度。这与导通模式焊缝形成对比，导通模式焊缝中所有激光能量都沉积在材料表面上。

锁孔焊接过程类似于导通模式焊接过程，需要将部件保持在固定装置中以防止焊接期间的任何移动。锁孔模式通常用于搭接焊接配置，其中锁孔穿通部件，将两个或更多个部件的叠层焊接在一起(例如，如图17所示)。

图20的激光系统可以产生275W的蓝色激光束，其光斑处的功率密度为800kW/cm²。图20的激光系统具有第一激光模块1201和第二激光模块1202，激光束离开激光模块并遵循如光线轨迹1200所示的激光束路径。激光束通过转向镜1203、1205并通过聚焦透镜配置1205，聚焦透镜配置1205具有100mm聚焦透镜和100mm防护窗口。配置1205中的聚焦透镜产生光斑1250。

图21中所示的激光系统可以用于产生400μm光斑或200μm光斑。图21的激光系统由4个激光模块1301、1302、1303、1304组成。激光模块各自可以是美国专利公开号2016/0322777中公开和教导的类型，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。例如，模块可以是图19中所示的类型，其中来自激光二极管子组件210、210a、201b、210c中的每个的复合光束传播到图案化镜，例如225，所述图案化镜用于将来自四个激光二极管子组件的光束重定向并组合成单个光束。偏振光束折叠组件227将光束在慢轴上对半折叠，以使复合激光二极管光束的亮度加倍。望远镜组件228或者在慢轴上扩展组合的激光束，或者压缩快轴以能够使用更小的透镜。在该示例中示出的望远镜228将光束扩展2.6倍，将其尺寸从11mm增加到28.6mm，同时将慢轴的发散减小相同的倍数2.6倍。如果望远镜组件压缩快轴，那么它将是2倍望远镜，将快轴从22mm高度(总复合光束)减小到11mm高度从而得到11mm×11mm的复合光束。这是优选的实施例，因为成本较低。非球面透镜229聚焦复合光束。

应当理解，在500瓦和200μm光斑下，功率密度>1.6MW/cm²，其大大高于该波长下的锁孔焊接阈值。在该功率密度下，即使是蓝色激光也有可能在焊缝中产生飞溅和孔隙。然而，由于很好地控制了吸收率，因此可以抑制、控制或消除飞溅。抑制飞溅的第一种方法是一旦飞溅过程开始就降低功率水平，同时保持焊接速度恒定。抑制飞溅的第二种方法是延长焊缝熔池，以使保护气体和汽化金属从锁孔中排出，产生无飞溅、无缺陷的焊缝。抑制飞溅的第三种方法是使用安装在一组检流计电动机上的一组镜子或机器人来摆动蓝色激光束。用于抑制飞溅的第四种方法是降低焊接环境的压力，包括使用真空。最后，用于抑制飞溅的第五种方法是在1Hz至1kHz或高达50kHz的范围内调制激光束功率。优选地，优化焊接参数以使工艺期间的飞溅最小化。

总体而言，本发明的实施例涉及材料的激光加工，通过将预选的激光束波长与待加工的材料匹配以使材料具有高或增加水平的吸收率的激光加工，特别是使用材料对其具有高吸收率的激光束对所述材料进行的激光焊接。

本发明的一个实施例涉及使用具有350nm至700nm波长的可见激光束的激光束通过激光加工焊接或以其他方式连接对这些波长具有较高吸收率的材料。具体地，基于待激光加工的材料预先确定激光束波长，以具有至少约30％、至少约40％、至少约50％和至少约60％、或更多，以及约30％至约65％、约35％至85％、约80％、约65％、约50％和约40％的吸收率。因此，例如，具有约400nm至约500nm波长的激光束用于焊接金、铜、黄铜、银、铝、镍，这些金属的合金，不锈钢和其他金属、材料和合金。

使用蓝色激光(例如，约405至约495nm波长)焊接材料，例如金、铜、黄铜、银、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和其他材料、镀材料和合金是优选的，因为这些材料在室温下具有高吸收率，例如吸收率大于约50％。本发明的几个优点之一是能够预选激光束波长(例如蓝色激光束)，这能够在激光操作(例如焊接过程)期间更好地将激光能量耦合到材料中。通过更好地将激光能量耦合到被焊接的材料，大大减少了并且优选地消除了失控过程的可能性。激光能量的更好耦合还允许使用更低功率的激光器，这提供了成本节约。更好的耦合还提供更好的控制、更高的公差，从而提供更大的焊接再现性。在红外激光器和红外激光焊接操作中都没有发现的这些特征，对于电子和能量储存领域的产品，以及其他产品都很重要。

在一个实施例中，使用以CW模式操作的蓝色激光器。CW操作在许多应用中都优于脉冲激光器，因为其能够快速和完全调制激光输出并控制反馈回路中的焊接过程，从而产生具有最佳机械和电气特性的高度可重复工艺。

在一个实施例中，本发明涉及一个、两个或更多个组件的激光加工。这些组件可以由吸收激光束(例如激光束能量)的任何类型的材料、塑料、金属、复合材料、无定形材料和其他类型的材料制成。在一个实施例中，激光加工涉及将两个金属部件钎焊在一起。在一个实施例中，激光加工涉及将两个金属组件焊接在一起。

在一个实施例中，提供了工具、系统和方法，其中激光焊接操作选自自生焊接、激光混合焊接、锁孔焊接、搭接焊接、角焊接、对接焊接和非自生焊接。

激光焊接技术可用于许多不同的情况，特别是需要焊接以形成电连接的情况，尤其是能量储存装置，例如电池。一般而言，本发明的激光焊接操作和系统的实施例包括可见波长(优选蓝色波长)激光，其可以是自生的，这意味着仅基材被使用并且这些基材在锁孔焊接、导通焊接、搭接焊接、角焊接和对接焊接中是常见的。在将填充材料添加到熔池中以“填充”间隙或者在焊缝中产生凸起的珠以提高强度的情况下，激光焊接可以是非自生的。激光焊接技术还包括激光材料沉积(“LMD”)。

本发明的激光焊接操作和系统的实施例包括可见波长(优选蓝色波长)激光，其在电流与激光束结合使用的情况下可以是混合焊接，以提供填充材料的更快速进给。根据定义，激光混合焊接是非自生的。

优选地，在一些实施例中，主动(active)焊接监控器(例如，相机)可用于在运行中检查焊接的质量。这些监控器可包括例如X射线检查和超声检查系统。此外，可以利用流式波束分析和功率监控来充分了解系统特性和操作特性。

本发明激光系统的实施例可以是将新型激光系统和方法与传统铣削和机械加工设备相结合的混合系统。以这种方式，可以在制造、建造、修补或其他工艺中添加和去除材料。在美国专利申请序列号14/837,782中公开和教导了使用由本申请发明人中的一个或多个人发明的激光系统的其他实施例的这种混合系统的示例，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。

通常，在实施例中，激光焊接使用非常低流量的气体来保持光学器件清洁，使用空气刀来保持光学器件清洁或使用惰性环境来保持光学器件清洁。激光焊接可以在空气、惰性环境或其他受控环境(例如N₂)中进行。

本发明的实施例可以在焊接铜材料方面发现很大的优势，所述铜材料包括铜、纯铜、铜合金和具有足够量铜以在蓝色激光波长(优选约400nm至约500nm)中具有约40％至75％吸收率的所有材料。

存在两种优选的自生焊接模式，以及它们产生的自生焊缝，它们利用本发明的激光系统和工艺的实施例，导通焊接和锁孔焊接来执行。导通焊接是指使用低强度(<100kW/cm²)的激光束将两块金属焊接在一起。这里，所述两块金属可以彼此对接，与一侧重叠和完全重叠。导通焊接往往不像锁孔焊接那样穿透那么深，并且其通常产生对接焊接的特征性“球形”焊接接头，非常坚固。然而，在相对高的激光束强度(>500kW/cm²)下发生锁孔焊缝，该焊缝可以深入穿透到材料中，并且当材料重叠时通常穿通多层材料。对于蓝色激光源，尚未确定从导通模式转换到锁孔模式的确切阈值，但是锁孔焊缝在材料顶部具有特征性的“v”形状，深入穿透到材料的再冷冻材料具有近平行通道。锁孔工艺依赖于来自金属熔池边的激光束的反射，以将激光能量传递到材料深处。虽然这些类型的焊接可以用任何激光器进行，但是预期蓝色激光器将比红外激光器具有用于启动这两种焊接类型的更低的阈值。

考虑使用蓝色激光操作的电镀材料的焊接以焊接这些材料，包括电镀材料的蓝色激光焊接，例如用铜电镀的材料、用铂电镀的材料和用其他导电材料电镀的材料。

提供以下示例以说明本发明的激光系统和操作的各种实施例，特别是用于焊接组件的蓝色激光系统，所述组件包括电子存储装置中的组件。这些示例用于说明目的，可以是预示性的，并且不应视为，也不以其他方式限制本发明的范围。

示例1

激光源是能够为0-275瓦的高功率蓝色直接二极管激光器。光束通过1.25倍光束扩展器递送，并由100mm非球面透镜聚焦。工件上的光斑直径为200μm×150μm，在最大功率时产生功率密度1.2MW/cm²。使用不锈钢固定装置将样品保持在适当位置，并使用He、Ar、Ar-CO₂和氮气进行测试，所有这些气体都是有益的，使用Ar-CO₂获得最佳结果。

示例1A

使用示例1的系统，在铜表面上，初始测试结果在150瓦功率水平下产生高质量导通模式焊缝。进行了一系列板上珠(BOP)测试以表征由高功率蓝色激光源产生的焊缝。图1示出了导通模式焊缝的人字形图案，该焊缝的独特特征包括：在焊接过程中没有飞溅，微观结构类似于基材，焊缝的硬度与基材类似。图1显示了在70μm厚的铜箔上用150瓦的蓝色激光焊接时形成的BOP。

示例1B

使用示例1的系统并将激光器的功率输出调整至275瓦，可将功率密度增加至1.2MW/cm²，这是足以在铜中开始锁孔焊接的功率密度。图2示出了500μm厚的铜样品上的锁孔焊缝的示例。在锁孔工艺期间，锁孔中产生的蒸汽压力迫使熔融铜从焊珠中流出。这可以在图2中看到，图2中喷出的铜排列在焊珠的边缘。该喷射工艺是稳定的，并且不会在材料中导致微爆炸，因此它不会产生在用红外激光源焊接铜时观察到的飞溅图案。

示例1C

使用实施例1的系统，对厚度为127-500μm的铜进行焊接实验。图3至图5总结了这些BOP测试的结果。图3示出了在275W下直至9m/min的全焊透，随后如预期那样穿透深度随着速度下降。图4显示了无辅助气体时直至0.6m/min的全焊透和使用Ar-CO₂覆盖气体时直至0.4m/min的全焊透的BOP结果。图5显示了在275W下500μm铜的穿透深度与速度的关系。

示例2

图13和图13A的固定装置5000用于成功搭接焊接2个厚度为178μm的铜箔叠层，具体导通模式焊缝。当加热到几百℃时，固定装置导致焊接速度和质量提高一倍或两倍或更多，因为在焊接期间加热部件所损失的能量现在由预热提供。如图10所示，用于焊缝顶侧的保护气体在焊缝行进方向的前面被递送到焊缝行进方向的后面。

示例3

使用固定装置5000将两个125μm厚的铜板搭接焊接在一起，具有导通模式焊缝。该焊缝显示在图15的横截面照片中。

示例4

使用图13和图13A中所示的固定装置5000，焊接40个10μm厚的铜箔叠层，没有孔隙且没有缺陷。该焊缝的横截面示于图17中。焊接该叠层取决于如何制备箔，如何夹紧箔以及将多少扭矩施加到夹具上。将箔剪切并压平，然后用酒精清洁以去除任何制造或处理油并最终层叠在固定装置中。夹紧螺栓5001被扭矩至1Nm，以确保在焊接过程中将部件牢固地保持在适当位置。用于焊接这些部件的激光器由四个图19中所示的150瓦激光器组成，任选地如图21所示进行组合，以创建一个500瓦的激光系统。该激光器产生400μm光斑，平均功率密度为400kW/cm²，峰值功率密度足以启动锁孔焊接过程。

标题和实施例

应当理解，在本说明书中使用标题是为了清楚的目的，而不是以任何方式进行限制。因此，标题下描述的工艺和公开内容应该在本说明书完整的上下文中阅读，包括各种示例。本说明书中标题的使用不应限制本发明提供的保护范围。

应注意，不需要提供或解决作为本发明的实施例的主题或与本发明的实施例相关联的新颖和突破性过程、材料、性能或其他有益特征和特性的基础理论。然而，在本说明书中提供了各种理论以进一步推进该领域的技术。除非另有明确说明，否则在本说明书中提出的理论决不限制、约束或缩小要求保护的发明所提供的保护范围。可以不需要或实践这些理论来利用本发明。还应理解，本发明可以导致新的、迄今未知的理论来解释本发明的方法、物品、材料、装置和系统的实施例的功能特征；这种后来发展的理论不应限制本发明所提供的保护范围。

除了本文阐述的那些之外，本说明书中阐述的系统、设备、技术、方法、活动和操作的各种实施例可以用于各种其他活动和其他领域。另外，这些实施例例如可以与以下一起使用：将来可能开发的其他设备或活动；基于本说明书的教导，可以部分地修改的现有设备或活动。此外，本说明书中阐述的各种实施例可以以不同和各种组合一起彼此使用。因此，例如，本说明书的各种实施例中提供的配置可以彼此一起使用；并且，本发明所提供的保护范围不应限于在特定实施例，特定实施例、示例或特定图中的实施例中阐述的配置或布置。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以不同于本文具体公开的形式的其他形式实施。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。

Claims (83)

1.一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。

42.根据权利要求23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。

43.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm光斑尺寸的聚焦光斑被引导到所述工件。

44.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有约100μm至约500μm光斑尺寸的聚焦光斑被引导到所述工件。

45.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束的波长为约405nm至约500nm。

46.根据权利要求23所述的方法，其中无飞溅形成所述焊缝。

47.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光不蒸发所述工件。

48.一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；

c.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；和

d.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。

49.根据权利要求48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。

50.根据权利要求48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。

51.根据权利要求48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。

52.根据权利要求48所述的方法，其中所述焊缝通过导通模式焊接形成。

53.根据权利要求48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。

54.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块包括多层铜箔。

55.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块是铜金属。

56.根据权利要求48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。

57.根据权利要求48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。

58.根据权利要求48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。

59.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为功率密度为约100kW/cm²至约3000kW/cm²的聚焦光斑被引导到所述工件。

60.根据权利要求48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。

61.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束的功率小于500W。

62.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束的功率小于275W。

63.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束的功率小于150W。

64.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束的功率在150W至约750W的范围内。

65.根据权利要求48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。

66.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm光斑尺寸的聚焦光斑被引导到所述工件。

67.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束的波长为约405nm至约500nm。

68.根据权利要求48所述的方法，其中无飞溅形成所述焊缝。

69.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光不会蒸发所述工件。

70.一种在铜基材料中形成锁孔焊缝的方法，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；和

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锁孔模式焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再固化区。

71.根据权利要求70所述的方法，其中所述激光的功率小于1000kW。

72.根据权利要求70所述的方法，其中所述激光的功率小于500kW。

73.根据权利要求70所述的方法，其中所述激光的功率小于300kW。

74.根据权利要求70所述的方法，包括延长所述激光束以抑制从所述锁孔飞溅。

75.根据权利要求70所述的方法，包括调制激光功率以抑制从所述锁孔飞溅。

76.根据权利要求70所述的方法，包括在所述锁孔模式焊接期间快速扫描所述光束以抑制飞溅。

77.根据权利要求70所述的方法，包括在所述焊接开始之后快速降低所述激光的功率，其中所述降低的方法能是自动或手动的。

78.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括在所述焊接过程中使用低气压来减少夹带的气体和飞溅。

79.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加保护气体。

80.根据权利要求1、23或70的方法，包括施加选自由He、Ar、N₂组成的组中的保护气体。

81.根据权利要求1、23或70的方法，包括施加选自由Ar-H₂、N₂、N₂-H₂组成的组中的保护气体混合物。

82.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加保护气体并向所述保护气体中添加氢气以去除氧化物层并促进所述焊缝的润湿。

83.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括将第二激光束引导到与所述激光束相同的区域以形成所述焊缝。

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