索尼|蓝色高功率激光源，用于电子移动性及其他领域的处理解决方案( 二 ) 索尼

图3 通过在1mm厚的铜ETP（a）热传导模式焊接上应用450nm激光波长，通过高速摄像显示不同的可访问工艺状态；（b）具有可见marangoni效应的热传导模式焊接（c）匙孔焊接模式
3.1.热传导焊接
在热传导模式下，表面温度介于铜的熔化温度（Tcu>1090°C）和蒸发温度之间。对熔池的主要影响是液态铜的表面张力，没有外部压力的影响。
3.2.具有可见Marangoni效应的热传导模式焊接
随着激光功率的增加，铜的表面温度升高，由于其温度依赖性，导致熔池中心的表面张力降低。熔池上方的温度梯度会产生marangoni效应，从而使熔池表面在中心位置（液态铜表面张力最低的位置）膨胀。
3.3.匙孔焊接
随着激光功率的增加，铜被蒸发，形成一个匙孔。锁孔的压力主导着整个过程，导致熔池的动态更高。值得注意的是，在从热传导模式焊接到匙孔焊接的整个过程中，以及使用高速摄像技术，都无法观察到飞溅。
3.4.穿透深度
由于铜的高导热性，工件几何形状以及作为散热器的性能对焊缝几何形状的形成有影响。例如，通过在1 mm厚的铜ETP上使用速度在50-200 mm/s之间的板上焊珠进行穿透深度评估（图4）。

图4 （a）铜ETP的功率穿透深度，通过使用df=0.6 mm的光斑尺寸，为1 mm 。
在1100W激光功率以下，热传导模式焊接模式占主导地位，焊接宽度和深度之间的纵横比低于1:1 。在热传导状态下，激光功率的微小增加（例如200 W）可以使速度加倍。从热传导模式到匙孔焊接模式的转变在熔深上几乎不可见。铜被蒸发，激光功率超过1100-1200W ，形成一个匙孔。这可以通过热传导模式和匙孔焊接模式下蓝色激光波长的相似吸收水平来解释。
在厚度为1 mm的铜ETP上，随着激光功率进一步增加到1500 W以上，热积累效应增加，直到铜片以约1600 W的功率焊接通过。
3.5.应用
通过热传导模式焊接到匙孔焊接模式之间的焊接区域的可访问性，例如在圆柱形电池单元上的新应用是可能的（图5）。为了最大限度地减少铜（电气标签）和镀镍钢（圆柱形电池）之间的混合，并实现高接合宽度，接合过程中使用了热传导模式焊接。铜以单道次和圆形几何形状熔化，形成约800μm的接合宽度。

图5 焊接圆柱形电池芯，样品视图（左）和横截面（右）
横截面显示铜和钢之间没有明显的混合。由于缺少锁孔，焊接过程的低熔池动态导致液态铜扩散到电解槽的镍涂层。这创造了一个强大的机械结合和高电互连面积，同时最大限度地减少了铜和钢之间的金属间化合物。
通过改变激光功率来控制熔池动态会导致铜和铝之间的不同混合状态。
在图6中，左侧描绘了浅熔池，而随着激光功率的增加，两种熔体之间可以实现扭曲，同时最小化熔体之间的实际扩散（图6 ，右侧）。

图6 Al和Cu互连不同熔化状态的横截面。
由于蓝色激光波长吸收水平的增加具有高度稳定性，因此可以在不出现飞溅的情况下形成均匀的焊缝，这一点已通过高速摄像技术得到验证。
3.6.过程稳健性
为了评估匙孔焊接模式的间隙桥接能力，以不同间隙尺寸的重叠结构焊接2x 0.5 mm厚的Cu ETP板。使用间隔片产生间隙，不使用保护气体。结果和横截面如图7所示。对于0.2–0.3 mm之间的间隙（相对于板材厚度的60%间隙），焊道仍然完全成形，没有缺陷。通过将间隙尺寸增加到0.5 mm（与板材厚度有关的间隙为100%），在焊道长度上可以看到两个缺陷，显示出一些咬边。然而，仍有70%的焊道长度完全成形且无缺陷，填补了间隙。