新能源應用發展

綠光激光器由於(yu) 其短波長的工作特性，在激光精密加工、激光顯示、生物醫療、微電子、信息存儲(chu) 、光學測量等領域有著重要的應用。在工業(ye) 加工領域，由於(yu) 不同的材料對不同波段激光的吸收率不同，總體(ti) 趨勢上來看，激光的波長越短，光子能量越大，高反金屬材料的吸收越高。銅是世界上應用量僅(jin) 次於(yu) 鐵、鋁的第三大金屬，廣泛應用於(yu) 新能源汽車、航空航天、高速列車、智能終端產(chan) 片、電子通訊等多個(ge) 高端工業(ye) 領域。目前大規模使用的1 微米波段紅外光纖激光器，因對銅的吸收較弱，並且隨著溫度吸收率變化劇烈（4%-17%），在銅材料的加工上，存在飛濺大、氣孔、裂紋、熱影響大、熔深不可控等缺點。上述問題對於(yu) 銅材料的各個(ge) 應用領域都有很大負麵影響，例如，在新能源汽車動力電池的加工中，飛濺物不僅(jin) 會(hui) 影響銅材料的焊接效率，還會(hui) 影響電池的生產(chan) 安全、性能和壽命。

在室溫下，銅對近紅外波長（約1 μm）的吸收率不到5%，相當於(yu) 有95%的激光被反射。而銅對綠光波長（515nm或532 nm）的吸收率超過40%，比近紅外波段高了接近一個(ge) 量級。與(yu) 常見的1微米波段近紅外激光相比，綠光激光器的短波長天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具優(you) 勢。特別是基於(yu) 目前蓬勃發展的高功率光纖激光器技術的綠光光纖激光器，由於(yu) 平均功率高、光束質量好，穩定性強等諸多優(you) 點，將會(hui) 迎來廣闊的應用前景。國際形勢多變，大國摩擦區域衝(chong) 突頻發，使得全球經濟存在較多的不確定因素。國內(nei) 經濟運行，總體(ti) 平穩，增速有所回落，導致新增產(chan) 能需求變少。隨著新能源行業(ye) 的高速發展進入新階段，對高質量，高穩定性，高效率的焊接光源的需求正在快速上升，國產(chan) 化的千瓦級超高功率綠光激光器對我國的新能源行業(ye) 的提效降本、高速發展具有重要意義(yi) 。

千瓦連續綠光研究現狀

近年來，商用的綠光激光器已經取得了較大的進展，德國通快公司和美國IPG公司分別通過碟片激光技術和光纖激光技術，獲得超過3kW和1kW的超高功率綠光輸出。

圖-1 公大激光1000W單模連續綠光激光器

目前，高功率連續光纖綠光激光器，國內(nei) 僅(jin) 深圳公大激光能夠批量供貨。2022年6月，公大激光率先推出了可用於(yu) 高反金屬加工的500W單模綠光激光器，該激光器已批量應用於(yu) 動力電池製造焊接應用和3D打印領域。同年7月，公大激光完成了千瓦連續綠光原型樣機。2023年9月，打磨了一年有餘(yu) 的1000W單模連續綠光激光器正式推向市場，同時還有光纖耦合輸出的1000W/2000W/3000W 多模光纖綠光激光器一並推出，為(wei) 高反材料焊接提供更專(zhuan) 業(ye) 的解決(jue) 方案。

圖-2 公大激光 3000W 多模連續綠光激光器

公大激光1000W單模連續綠光器

公大激光1000W單模連續綠光測試部分數據 PN:GCL-1000-F-S-W

圖-3 1000W 單模光纖綠光24小時功率穩定性測試 ~0.4%@RMS 注：功率波動，主要受室內(nei) 溫度影響。

圖-4 公大激光1000W單模連續綠光輸出光譜

圖-5 公大激光1000W單模連續綠光光束質量測試 M平方=1.07

a近場0.2m 輸出光斑 b 遠場2m 輸出光斑

圖-6 公大激光1000W單模連續綠光輸出光斑測試結果

公大激光3000W多模連續綠光

公大激光3000W多模連續綠光測試部分數據 產(chan) 品PN: GCL-3000-B-I-W

圖-7 3000W多模光纖綠光24小時功率穩定性

圖-8 3000W多模連續綠光光束質量測試 M平方=14.8

圖-9 3000W 多模綠光輸出光斑3D 圖

典型焊接應用進展

高功率千瓦連續綠光，目前可以用在新能源汽車的動力電池焊接上。鋰電池主要的焊接材料為(wei) 銅和鋰，主要可分為(wei) 銅-銅，銅-鋁，鋁-鋁等幾種類型焊接。這些焊接需求，目前主要使用紅外激光器。由於(yu) 銅材料和鋁材料對紅外波長的吸收率低，常溫下一般在2%-5%，吸收效率低、吸收不穩定，導致焊接熔池不穩定，容易出現較大飛濺、氣孔、裂紋，還會(hui) 形成比較大的熱影響區，導致焊接效果和良率偏低，這是目前鋰電池焊接的痛點問題。雖然紅外激光器經過多次優(you) 化，特別環形光斑連續高功率激光器的出現，加上對焊接材料表層鍍鎳鍍鋅等工藝步驟，在一定程度上緩解了部分高反材料焊接問題。在鋰電池的多層級耳和銅的焊接，以及銅跟鋁的異種金屬材料焊接上，目前使用紅外激光進行焊接，良率較低。終端反饋，未來主流的46係大圓柱電池，全極耳焊接使用紅外激光焊接，在測試線上的良率隻有不到80%；采用高功率綠光激光器進行焊接，則良率可以做到95%以上。為(wei) 了獲得更高的焊接效率和更優(you) 的焊接效果，公大激光推出了1000-3000W 的高功率連續綠光，今年9月份左右正式交付市場應用。

圖-10 常用金屬吸收譜：綠光VS近紅外激光

部分高功率綠光焊接案例見下：

（1）大圓柱電池負極集流盤焊接，焊接方式：銅-銅箔疊焊；焊接材料：0.2mm紫銅和30層6um銅箔：

a正麵焊接效果 b 背麵撕裂後效果

圖-11大圓柱電池負極集流盤焊接

（2）銅-鋁焊接：蓋帽極柱焊接，焊接方式：銅-鋁拚焊；焊接材料：紫銅蓋帽和鋁極柱：

a正麵焊接效果 b 截麵金相效果

圖-12 蓋帽極柱焊接

（3）方殼電池極轉接片焊接，焊接方式：銅-銅拚焊，焊材：1mm厚度紫銅：

a正麵焊接效果 b 截麵金相效果

圖-13 方殼電池極轉接片焊接

（4）多層極耳與(yu) 方殼電池極柱焊接，焊接方式：鋁箔-鋁疊焊，焊材：50層正極耳（超聲波預焊）和方殼電池正極柱3mm：

a正麵焊接效果 b 截麵金相效果

圖-14 多層極耳（鋁）與(yu) 方殼電池極柱（鋁）焊接

（5）多層極耳與(yu) 方殼電池極柱焊接，焊接方式：銅箔-銅 疊焊，焊材：50層負極耳（超聲波預焊）和方殼電池負極柱3mm，焊接結果見下：

a正麵焊接效果 b 截麵金相效果

圖-15 多層極耳（銅）與(yu) 方殼電池極柱（銅）焊接

綠激光3D打印

2023年6月28日，在增材製造產(chan) 業(ye) 發展（廣州）論壇暨2023年增材製造產(chan) 業(ye) 年會(hui) 上，工業(ye) 和信息化部裝備工業(ye) 發展中心總工程師左世全表示，現代化產(chan) 業(ye) 體(ti) 係的核心樞紐和製高點是工業(ye) 母機，工業(ye) 母機分增材製造、減材製造和等材製造。增材製造作為(wei) 工業(ye) 母機的一個(ge) 重點發展方向和領域，也是我們(men) 製造強國的重點領域和方向，加快增材製造的發展是推進製造業(ye) 高端化、智能化、綠色化發展的重要基礎。未來五年增材製造的產(chan) 業(ye) 規模有望突破千億(yi) ，從(cong) 目前的測算，如果按年均增長率25%估算，到2027年大概能到千億(yi) 規模。

2023年發布的幾款折疊屏旗艦手機，以及消費電子龍頭蘋果，開始使用3D打印設備進行精密零部件加工，標誌著金屬3D打印設備開始進入萬(wan) 億(yi) 消費電子市場的設備供應鏈。隨著，金屬3D打印使用範圍不斷拓展，應用場景增加，單位成本的逐步下降，金屬3D打印設備未來空間巨大。

德國通快是當前全球唯一推出高功率綠激光金屬3D打印設備的廠家，采用通快的高功率碟片連續綠光激光器。但由於(yu) 激光器和設備價(jia) 格昂貴，應用推廣進展緩慢。IPG的高功率QCW千瓦光纖綠光激光器，可用作3D高反金屬材料3D打印光源。

公大激光成為(wei) 全球第三家推出高功率綠光激光器廠商，2022年開始推出500W單模連續綠光，2023年9月推出單模和多模千瓦連續綠光激光器，用於(yu) 高反射材料（純銅、銅合金、鋁合金等）、貴金屬（金、銀）的綠光3D打印。綠激光3D打印設備，幾乎可以覆蓋所有常用金屬材料的3D打印需求，包括紅外金屬3D打印設備的所有類型材料。特別是純銅材料的3D打印，我們(men) 進行了大量的驗證和測試，目前純銅材料3D打印樣件的致密度可以達到99.5%以上，打印樣件的機械強度、導熱率、導電率的物料參數基本與(yu) 壓鑄樣件相當。

圖-17 純銅3D打印樣件

圖-18 鈦合金3D打印樣件