在現代工業(ye) 中，對薄金屬材料進行高效的加工和/或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領域中，材料或工藝的兼容性不足以進行常規的熱處理，例如焊接、硬釺焊和軟釺焊，或不希望使用粘合劑和機械緊固件。這種情況可能在儲(chu) 能行業(ye) 非常普遍，因為(wei) 作為(wei) 新興(xing) 動力電池行業(ye) 關(guan) 鍵部件的下一代電池，需要使用薄箔片來製造陰極和陽極。而在消費電子行業(ye) 中，高密度封裝和微型化不斷推動創新，也對傳(chuan) 統的連接技術提出挑戰。

從(cong) 激光器的角度來看，存在諸多挑戰，使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進行焊接，需要避免焊接穿孔、變形和彎曲，所有這些目標都需要仔細控製過程的熱輸入。在傳(chuan) 統的激光深熔焊接工藝中，克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高，基本難題之一是使用熱傳(chuan) 導焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳(chuan) 導焊接時，寬度較大、強度較弱的熱源往往會(hui) 產(chan) 生較高的熱輸入和熱影響區，因此通常不建議將其作為(wei) 解決(jue) 薄片金屬焊接問題的辦法。在深熔焊時，高集中、高強度的熱源可盡可能減小熔池，從(cong) 而有助於(yu) 控製熱輸入。因此，深熔焊接參數的調試對於(yu) 獲得高質量的結果至關(guan) 重要。

焊接時廣泛采用的一種方法是使用納秒（ns）脈衝(chong) 光纖激光器。這些短脈衝(chong) 、高峰值強度的激光器可能更適合於(yu) 打標、雕刻和其他材料去除過程，所以憑直覺判斷，它們(men) 用於(yu) 材料焊接過程時可能會(hui) 起相反的作用。但主振蕩功率放大器（MOPA）提供的脈衝(chong) 控製具有出色的參數靈活性，從(cong) 而實現了可能進行金屬接合的處理方式。納秒脈衝(chong) 光纖激光器以幾微焦到>1mJ的脈衝(chong) 能量運行，脈衝(chong) 持續時間範圍10-1000ns，並能達到>10kW的峰值功率，以高達4MHz的頻率運行，從(cong) 而明顯區別於(yu) 連續波（CW）等傳(chuan) 統激光器甚至準CW（QCW）長脈衝(chong) 激光器，但很多還是在這些範圍內(nei) 運行。

使用納秒微焊接作為(wei) 焊接工具適用於(yu) 多種應用，也適合於(yu) 克服從(cong) 箔材到異種金屬的焊接挑戰。薄金屬箔（<50μm）的接合尤其具有挑戰性，因為(wei) 它需要進行非常微妙的能量平衡，足以使金屬熔化，但又不能產(chan) 生顯著的汽化和等離子體(ti) 。箔材易於(yu) 使用搭接方式進行焊接，在這種工藝中，箔材之間緊密接觸是實現良好效果的必要條件，但這對夾具提出了重大挑戰。如今的電池生產(chan) 過程對多層箔材疊合焊接有許多嚴(yan) 格的要求，現有技術是超聲焊接，但製造商越來越希望使用激光焊接來提高生產(chan) 效率、質量並改進箔材堆疊限製。激光器可提供很多潛在解決(jue) 方案，但紅外（IR）納秒激光器已證明能夠使用200W-EP-Z激光器焊接多達20層以上銅箔或鋁箔，但消除該應用中的孔隙率具有高度的挑戰性。

納秒脈衝(chong) 光纖激光器的峰值功率較高，意味著可以較容易地以很小的平均功率進入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為(wei) 焊接的一種替代方法，將元件直接貼合在銅印刷電路板（PCB）軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經成功將厚達150μm的銅引線貼合到>60μm的沉積軌道上，而與(yu) FR4基板之間沒有任何明顯的分層。這為(wei) 熱敏元件或工作溫度可能超過傳(chuan) 統焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。

基於(yu) 貼合的挑戰，很難對箔材進行對接焊接。但這一點可以通過邊緣焊接技術來實現，即將兩(liang) 個(ge) 箔材夾緊在一起，用激光進行切割，通過所使用的參數使上下箔材的邊緣焊接在一起。隨後的重熔過程可顯著提高連接強度和質量，實現一致的抗拉強度。將10μm銅箔焊接到25μm鋁箔上，獲得了>2.5N的抗拉強度，而將50μm鋁箔焊接到50μm鋁箔上，獲得了>25N的抗拉強度（圖1）。

圖 1：激光微焊接的示例；將 25μm 鋁箔焊接到 25μm 鋁箔（左）和將 25μm 鋁箔焊接到 10μm 銅箔（右）。

另一個(ge) 主要的應用領域是將標準電池焊接起來形成更大的電池組，用於(yu) 電動工具、吸塵器、電動自行車和電動汽車等設備。要求很直接，就是需要產(chan) 生具有高導電性、高強度、高可靠性的焊縫，同時不會(hui) 燒穿電池觸點或在電池觸點上留下痕跡。材料範圍很廣，從(cong) 鋁和銅等純金屬到鍍鎳鋼和鍍鎳銅等塗層材料，這些材料能以所有想得到的組合進行接合，每種組合都會(hui) 提出獨特的挑戰。這些觸點接頭的厚度範圍通常在100-300μm內(nei) ，完全在納秒微焊接工藝的能力範圍內(nei) （圖2）。

圖 2：鍍鎳銅與(yu) 鍍鎳銅點焊焊縫的橫截麵。

熱輸入的控製對於(yu) 這些焊縫至關(guan) 重要，因為(wei) 電池中的焊接穿孔風險很大。納秒微焊接工藝為(wei) 焊縫設計提供了多種選擇，因為(wei) 使用振鏡光束傳(chuan) 輸係統可以采用螺旋焊接模式得到焊點。這樣就能根據應用定製每個(ge) 焊點，讓每個(ge) 焊縫的直徑和間距成為(wei) 焊接特定材料組合和厚度的關(guan) 鍵，從(cong) 而更好地控製每個(ge) 焊點的熱輸入。

這些激光器的平均功率很低，因此很難實現較高的生產(chan) 效率，但200W的激光器每秒可以焊接多達20個(ge) 直徑0.8mm的焊點（視材料和厚度而定），這一速度足以滿足多數應用的需求（圖3）。

圖 3：不同金屬電池的點焊示例。

該工藝的靈活性意味著通常可以考慮更多的焊縫形狀，能使用網格形狀高速覆蓋大麵積區域即是良好的例證。事實證明，該技術能以非常低的熱輸入有效地焊接各種不同的金屬。

圖 4：僅(jin) 用 1 秒左右的時間就對直徑 4mm、網格形狀的不同材料組 合完成了微焊接。

隨著技術的持續快速發展，如何改進製造工藝是需要持續應對的長期挑戰。

納秒微焊接技術隻是眾(zhong) 多光纖激光器製造工藝中的一種，光纖激光器製造工藝正越來越多地被用於(yu) 克服當今工業(ye) 製造業(ye) 麵臨(lin) 的挑戰，也是幫助實現當前技術革命的關(guan) 鍵。