2017年，瑞银证券（UBS Securities）的研究分析师拆解了世界上第一辆大众市场电动汽车雪佛兰博尔特和欧洲销量最高的内燃机汽车大众高尔夫。当瑞银团队比较两款汽车的材料成分时，他们揭示了汽车行业光电子技术的最大新兴机遇之一。

研究发现，汽车之间重量的最大偏差集中出现在铝、铜、电池活性材料和稀土材料上。例如，博尔特汽车有373磅的铝，比高尔夫汽车的214磅多出74%；博尔特汽车有200磅的铜，比高尔夫汽车的110磅多出82%。

博尔特汽车的电力推进以及支撑电动汽车所需的轻量化，是其与内燃机汽车之间差异的主要因素。铜在电迁移率（e迁移率）中占主导地位，因为它是仅次于银的第二大导电金属。事实上，在博尔特汽车的铜材总重量中有73磅是来自电池。同时，铝是最轻的金属之一，这对最大限度地扩大电动汽车的续航里程至关重要。

电动汽车中铜和铝的日益普及为激光焊接提供了重要机会，尤其是钎焊和焊接电池组。激光制造商Coherent相干公司精密制造战略营销总监Jeff Franks表示，单电池就代表了电动汽车的最大潜力。然而，以色列激光器制造商Civan Lasers市场经理Ami Spira则警告说，在电动汽车制造商广泛采用激光器之前，激光器需要克服加工过程中产生的气孔和飞溅、热收缩引起的裂纹以及高速焊接引起的驼峰等问题。

部分原因是因为铜和铝具有较高的导热性和较低的吸收率。Ami Spira表示，这些材料特性导致较低的表面张力和粘度，从而使得熔池的流动性较大和不稳定性，结果就是会导致最终焊缝的变形和缺陷。

蓝光激光器问世

在瑞银团队拆卸博尔特和高尔夫时，总部位于德国的半导体激光器制造商Laserline认为这将预示汽车行业将迎来生产模式的改变。“之后，内燃机汽车领域一些非常有前途的项目被不少公司放弃了，所有人都开始关注电动汽车。”Laserline销售总监Markus Rüring说。

作为回应，该公司推出了一种新蓝光激光器，功率为500W，为60mm·mrad。毫弧度是一种角度测量，用于测量激光束直径如何随距离光圈的增加而增加，并有助于确定激光可聚焦在焊缝上的能量密度。

图 1：铜对蓝光激光的吸收是其对红外光吸收的数倍

自首次推出蓝光激光器以来，Laserline已将其技术的功率容量提高到2kW，并将光束参数积（BPP）降低到20mm·mrad。事实证明，蓝光激光器不仅适用于铜与铜的焊接，还适用于铜与不锈钢、铜与镀镍钢以及铜与铝的焊接。

NUBURU的联合创始人兼首席营销和销售官Jean-Michel Pelaprat表示，蓝光是电动汽车焊接应用的理想波长，因为它在常用金属中具有很高的吸收率。例如，铜对蓝光的吸收率是对红外线吸收率的13倍。对于铝，吸收差异也要提升3倍。因此，蓝光激光器可提供铜和铝的高速无飞溅焊接。蓝光还解决了红外光源的固有问题，包括飞溅、缺陷和速度慢。

然而铜的高吸收率加上其高导热性，对深入材料的能力提出了挑战。这可以通过更紧密聚焦的光束来解决，但增加的强度会引入飞溅问题。Rütering说，Laserline并没有缩小蓝光激光的焦点，而是倾向于在表面应用更适中的能量密度，从而减少焊接飞溅甚至没有飞溅。该公司的目标是进一步提高蓝光激光器的输出功率，保持中等光斑尺寸并有足够的功率储备，以比溶解到材料中更快的速度提供能量，提高整体工艺效率，实现更快的焊接。

在Laserline将蓝光激光器引入电动汽车市场两年后，NUBURU推出了自己的产品。2019年，这家总部位于美国科罗拉多州的制造商推出了500W蓝光半导体激光器，最初设计用于制造锂电池。据Pelaprat称，从那时起，NUBURU又推出了几款激光焊接设备，用于电池以外的电动汽车应用中的铜焊接，例如发卡电机和电力电子元件焊接。

红外激光器

大约两年前，IPG Photonics及其位于美国爱荷华州达文波特的激光自动化集团IPG Genesis 进入电动汽车制造市场，专注于两种技术。第一种技术涉及使用1070nm红外激光稳定焊接铜和铝。第二种技术采用可调节模式光束激光器，用于在电动机绕组、电池外壳和电池模块的焊接过程中减少飞溅。

图 2：铜和铝在电动汽车中的普及应用将为激光焊接提供机会

IPG材料加工应用高级总监Leonid Lev表示，IPG电池焊接解决方案通常包括实时焊接深度测量，以确保正确熔入电池端子。激光正在挑战用于电池组连接应用的传统引线键合技术。引线键合使用超声波技术将铜线连接到电池端子和母线。

高达5kW功率的单模光纤激光器提供了另一种在电池和母线之间建立冶金结合的方法。也可以使用功率高达6kW的多模光纤激光器。Leonid Lev说，当前电池激光焊接系统比引线键合快约2倍，下一代激光系统可提供更高的生产力。

为了使电动汽车的激光焊接更具成本效益，IPG Genesis专注于光束监控、连续激光焊接、改进激光与自动化机器和生产线的集成以及焊后控制技术。然而这一目标仍面临着挑战，包括新电池设计的出现、电池制造工艺的可变性以及阻碍激光功率密度的物理限制。

更好的焊接

为了应对使用红外光激光焊接铜时产生的飞溅和其他挑战，Coherent相干公司开发了可调环形模式(ARM)光纤激光器，它将中心光束嵌入到环形光束中。除了控制飞溅外，该技术还可以通过对激光的两束光束进行独立调制来实现更好的焊接准备。

“环形光束起到了预热铜的作用，这提高了材料对红外波长的吸收，使高亮度中心光束能够毫不费力地耦合到铜中，”该公司的Jeff Franks说，“ARM技术提供了精确而稳定的熔深控制，这对于所有电动汽车的电池焊接应用至关重要，包括深孔铜焊接和薄箔铜焊接。”

2021年，Coherent相干公司推出了支持具有极高亮度（标称0.6 BPP）的中心光束CSM-ARM 激光器。CSM-ARM专为焊接薄导电材料而设计，光斑尺寸小于多模设备，旨在减少薄导电材料加工时（如铜和铝或箔堆叠）的发热。

Civan Lasers推出了另一种基于相干光束组合(CBC)和光学相控阵技术(OPA)的光束控制解决方案。“相干光束组合是单个种子信号的并行放大，它允许相干重组将输出功率提升到串联放大器无法获得的程度，”公司的Spira说，“通过单独调节2D输出阵列的相位，光学相控阵技术支持任意光束整形、实时光束校正和聚焦控制。”

图 3：蓝光二极管激光在焊接铜时可实现高速无飞溅焊接

CBC-OPA组合可实现高水平的光束控制，包括易于设计的光束形状、400Hz至50MHz的频率调节、形状排序以及将单模光束的大焦深移动到高达50MHz。这种动态梁技术适用于电池冷却器制造中的搭接焊接。钎焊目前用于重叠焊接，但较大的组件会影响成本并为相干光束组合创造机会。

Civan Lasers的技术使用绿光和蓝光激光焊接深度超过1mm铜时也很有用。动态光束可以通过将高功率与光束整形相结合来改善焊接，这种组合通过改进熔池控制达到深度渗透。该公司技术的另一个机会是焊接涂有保护电子元件免受腐蚀和潮湿材料的零件。受控金属间化合物混合允许制造商通过动态光束技术跳过焊前去除涂层的步骤。

Spira说，在电动汽车制造商更广泛地采用相干光束组合技术前，模拟和监控技术需要进一步改进。模拟将减少工艺的开发时间，实时监控将使用户能够在焊接过程中改变激光器的参数，因为激光器可以控制在兆赫频率。这将彻底改变以往的焊接方式。

监控光束

电动汽车制造应用通常需要焊接高反射率或异种材料，这一要求也为激光束测量提供商（例如Ophir-Spiricon）创造了机会。“加入这些材料所需的功率密度范围比其他材料更严格，”Ophir业务发展经理John McCauley说，“这就是汽车制造商仔细研究光束诊断产品的原因，以更好地确保他们的激光器随着时间的推移能够始终如一地运行。”

图 4：对于同一激光器，相干光束组合可以实现多种配置。该技术允许激光发射的相干

复合，将输出功率提升到串联放大器无法达到的程度

例如，激光束焦点从指定位置的偏移会由于光束尺寸的轻微增加而导致焊接熔深损失。这可以通过跟踪此类变化的激光监控系统得以避免。McCauley表示，关于哪种激光波长最适合焊接铜电池组件的争论使公司处于一个十字路口。该公司是否应该增强现有的用于测量红外激光的产品，还是转而专注于适应绿光和蓝光激光解决方案？

超越电池

虽然电池组的焊接和钎焊应用为光子解决方案提供了极具吸引力的潜力，但激光制造商也看到了解决其他电动汽车零件加工问题的机会。一个例子是电动汽车动力电池模组中的核心部件——发卡电机。

更具体地说，Laserline看到了针对具有高横截面（例如每个引脚8mm2）的发卡电机激光焊接解决方案的潜力。Rütering说，公司目前没有为这种应用提供蓝光二极管激光器，但相信这样的解决方案可以通过能够提供3kW~4 kW输出系统来实现。蓝光激光还可以在连接电动汽车以外的各种电动机中的细线方面发挥更大的作用，例如汽车挡风玻璃雨刷器、电动车窗、天窗和座椅。

Civan Lasers的Spira同样看到了激光在发卡电机焊接中的潜力。模块零件由镀铜制成，在将发卡焊接在一起前，涂层需要被部分去除。如果改进的激光加工系统可以帮助焊接涂层触点，将消除去除涂层的步骤。Civan Lasers的光束控制技术可以帮助适应目标焊接位置从发卡转移到发卡的过程。

Jeff Franks谈到，激光焊接在电池封装以外仍有进一步发展的空间。许多汽车供应商一直在为电动汽车平台改造牵引电机技术。然而这些改装电机的机会正在迅速发展，并不是所有的新配置都适合激光焊接。同时，其他电子动力总成组件例如功率控制单元、电池管理系统和逆变器，将需要新的轻量化解决方案，而激光焊接将会为此做出贡献。

除了电池，IPG Genesis的Lev认为定子发卡绕组的激光焊接正迅速成为标准方法，取代TIG（钨极惰性气体）焊接等替代方法。他说，电动汽车中激光解决方案的下一个未开发机会是定子层压、切割和焊接。