本刊編譯整理

　　當(dāng)前，激光已成為電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域生產(chǎn)電池和電池芯的關(guān)鍵技術(shù)。事實(shí)上，一些應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，例如激光焊接、切割、剝離和清潔。在所有這些技術(shù)中，激光切割尤其需要應(yīng)對(duì)幾個(gè)面臨的問(wèn)題：高反材料（鋁和銅）的存在、極低的厚度（6-12 微米）、即時(shí)加工以及切割表面的高質(zhì)量。

　　基于這些考慮，本文討論了利用振鏡掃描儀和兩種不同的光纖激光源（單模恒定波和納秒脈沖波）對(duì)12 微米厚的鋁箔和6 微米厚的銅箔進(jìn)行遠(yuǎn)程切割的應(yīng)用。對(duì)比實(shí)驗(yàn)旨在了解工藝的可行性，并指出兩種不同激光的優(yōu)缺點(diǎn)。切割邊緣通過(guò)光學(xué)和掃描電鏡顯微鏡進(jìn)行分析，以確定切割質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還可以了解激光和振鏡掃描系統(tǒng)的極限。

　　導(dǎo)言

　　與交通有關(guān)的氣體排放是造成空氣污染的主要原因之一，也是導(dǎo)致全球變暖的主要因素之一：因此，私人和商業(yè)交通車(chē)輛的電氣化已成為未來(lái)趨勢(shì)。通過(guò)施行減少車(chē)輛對(duì)化石燃料依賴(lài)的政策，可以實(shí)現(xiàn)到2030 年將溫室氣體排放量至少減少55%，到2050 年實(shí)現(xiàn)氣候中和的目標(biāo)。為了評(píng)估車(chē)輛電氣化的真正可持續(xù)性，必須關(guān)注制造過(guò)程。低能耗、低碳足跡、無(wú)有毒和污染元素或副產(chǎn)品，已成為行業(yè)共識(shí)。當(dāng)前，激光材料加工在電池和電機(jī)制造中滲透率較高。

　　激光焊接用于電池單元和模塊不同元件的焊接、外部電池盒的密封以及電動(dòng)馬達(dá)定子上發(fā)卡的連接。激光切割則用于對(duì)構(gòu)成內(nèi)部電極和電池單元隔膜的箔片進(jìn)行加工，而激光剝離和拋光則用于去除待焊接件上的氧化物或發(fā)卡上的絕緣漆。

　　基于激光的加工工藝滿(mǎn)足了電池加工中許多苛刻的條件：高能量密度能夠保持較低的功耗，焊接和切割過(guò)程中不使用保護(hù)氣體或輔助氣體有助于減少排放，激光與加工部件之間沒(méi)有機(jī)械接觸，因此沒(méi)有磨損，從而降低了顆粒排放。

　　以上這些特點(diǎn)再加上高選擇性和靈活性，決定了激光加工的高質(zhì)量，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)部件制造時(shí)。其中，應(yīng)用于超薄鋁箔或銅箔（包括涂層和非涂層）的遠(yuǎn)程切割工藝就是一個(gè)恰當(dāng)例子，凸顯了激光技術(shù)在電池制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

　　在電池制造行業(yè)，鋰電池對(duì)切割質(zhì)量要求非常高，對(duì)毛刺、飛濺和熱影響區(qū)的容忍度低。事實(shí)上，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致電池性能下降、使用壽命縮短，甚至導(dǎo)致電池本身發(fā)生自燃或自爆等危險(xiǎn)。高速激光遠(yuǎn)程切割可以實(shí)現(xiàn)非常小的熱影響區(qū)，并將毛刺和飛濺物控制在可以接受范圍內(nèi)，成為了電池廠商的首選技術(shù)。

　　此外，現(xiàn)代振鏡掃描儀可實(shí)現(xiàn)很高的切割速度，而且相對(duì)容易改變切割路徑，這使得激光遙感切割成為加工不同形狀產(chǎn)品的最通用技術(shù)之一。Berhe 等人提出了頂部、切口、間隙和毛刺寬度的數(shù)學(xué)模型，并確定了影響切割效率的主要物理現(xiàn)象和變量。Lutey 等人使用5 種不同激光源對(duì)LiFePO4 進(jìn)行切割，然后使用數(shù)值方法計(jì)算了作為工藝參數(shù)函數(shù)的燒蝕深度。Demir 和Previtali 比較了綠激光和紅外激光的切割質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)脈沖激光在兩種情況下都會(huì)引起局部加熱。如前所述，在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，判斷切割質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)力與熱影響區(qū)有關(guān)。Schmieder 研究了熱影響區(qū)的特征與脈沖寬度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)如果工藝參數(shù)正確，熱影響區(qū)在切割過(guò)程中明顯小于燒蝕材料的寬度。

　　根據(jù)Lutey 等人的研究，如果切割方法得當(dāng)，熱影響區(qū)幾乎不會(huì)受到化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。脈沖激光源經(jīng)常被用于切割電池電極。納秒脈沖激光是最常被提及的工業(yè)用途主流解決方案，而皮秒脈沖激光則被認(rèn)為是進(jìn)一步提高加工質(zhì)量的一種方法。

　　這種應(yīng)用通常被稱(chēng)為“切口”，因?yàn)槠淠康氖窃谶吘壣闲纬扇俗中蔚倪B續(xù)圖案，以便更好地與電池盒部件連接。在這種情況下，主要挑戰(zhàn)是在切割過(guò)程中盡量減少對(duì)未涂層材料的熱損傷，并使邊緣鋒利、無(wú)毛刺、無(wú)飛濺。這些特性必須通過(guò)在自動(dòng)生產(chǎn)線上以1-3 米/ 秒的速度傳送的連續(xù)箔片上進(jìn)行即時(shí)切割來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一要求意味著激光和箔片之間的相對(duì)掃描速度高達(dá)20 米/ 秒。目前，還沒(méi)有研究涉及超高速下的箔片切割質(zhì)量評(píng)估。

　　Luetke 等人使用兩種不同的激光束源：連續(xù)波（CW）激光束源和納秒脈沖波（PW）激光束源，對(duì)銅箔和鋁箔（厚度分別為6 微米和12 微米）進(jìn)行激光切割研究。切割速度低于5 米/ 秒。目前還沒(méi)有更多的文獻(xiàn)涉及更高速度切割用于電池生產(chǎn)的無(wú)涂層鋁箔或銅箔。對(duì)此，本研究的目標(biāo)是對(duì)速度高達(dá)20 米/ 秒以上的CW 和PW 遠(yuǎn)程切割進(jìn)行比較。切割質(zhì)量通過(guò)光學(xué)和掃描電鏡觀察進(jìn)行評(píng)估。

　　實(shí)驗(yàn)

　　6 微米厚的純銅箔和12 微米厚的純鋁箔樣品，被夾緊并拉伸在一個(gè)設(shè)計(jì)合理的夾具上。該夾具可確保銅箔具有良好的平整度，并且在切割過(guò)程中不會(huì)發(fā)生試樣與底面的接觸。材料被小心放置在激光束焦平面的對(duì)應(yīng)位置，并以不同的工藝參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)度為15 毫米的平行切割（圖1）。

　　每個(gè)試樣最多進(jìn)行10 次切割，以防止箔片在切割過(guò)程中出現(xiàn)變形和翹曲。隨后兩次切割之間的距離固定為5 毫米，以防止熱相互作用。為了保證整個(gè)過(guò)程中的切割速度恒定，避免受加減速影響，切割路徑被分為三部分：初始部分長(zhǎng)15 毫米，不發(fā)射激光，以達(dá)到目標(biāo)速度；中心部分長(zhǎng)15毫米，發(fā)射激光，以達(dá)到恒定速度；最后部分長(zhǎng)15 毫米，不發(fā)射激光，以降低切割速度。

　　本次實(shí)驗(yàn)中使用的激光系統(tǒng)：配備Scanlab Intelliscan20 掃描儀和Quioptiq 熔融石英F-theta 鏡頭的nLight Alta1200W 單模（連續(xù)波）；配備Raylase Superscan II-10 掃描儀和Linos F-theta 鏡頭的IPG YLPN-2-20 × 500-300（納秒脈沖波）。表1 總結(jié)了這兩種裝置的特點(diǎn)。

　　對(duì)CW 和PW 設(shè)置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以確定宏觀缺陷和切割質(zhì)量，并評(píng)估主要工藝窗口。在鋁和銅金屬箔上測(cè)試了相同的參數(shù)集。在CW設(shè)置中，激光功率從170W到1000W不等，切割速度從1-15m/s 不等。在PW 設(shè)置中，切割速度在0.2-21m/s 之間變化，脈沖持續(xù)時(shí)間保持不變，30ns。

　　結(jié)果與討論

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出了導(dǎo)致良好切割和宏觀缺陷的特定工藝參數(shù)條件。下文將對(duì)四種情況進(jìn)行討論：鋁材CW 切割、銅材CW 切割、鋁材PW 切割和銅材PW 切割。

　　連續(xù)波激光切割鋁材

　　圖2 顯示了在鋁材上采用連續(xù)波激光切割的典型質(zhì)量示例。無(wú)論選擇何種特定參數(shù)，都能明顯看到薄層的分解金屬。在切割效果良好的情況下[ 圖2(c)]，分解層平直、分布均勻且非常?。?10 微米）。這種情況下的最佳比能量為0.33焦/ 厘米。如果該參數(shù)低于臨界值，則會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)切割或無(wú)切割現(xiàn)象。如果比能量更高，則會(huì)出現(xiàn)不同的行為。圖2(a) 顯示，由于速度較低，比能量增加會(huì)導(dǎo)致分解層厚度增加。

　　如果激光功率大和切割速度低導(dǎo)致比能量增加[ 圖2(b)]，則切口寬度和分解層厚度都會(huì)增加。如果比能量較高，特別是由于激光功率增加就會(huì)出現(xiàn)飛濺，切口也會(huì)變得不規(guī)則和不平直[ 圖2(d)]。這是由于高功率密度和高速產(chǎn)生的湍流共同作用的結(jié)果：液滴從切割區(qū)噴出并立即分解，使切割邊緣變得非常不規(guī)則。

　　凝固飛濺物所在區(qū)域的寬度通常約為250 微米。值得注意的是，在對(duì)鋁材的連續(xù)波激光切割過(guò)程中，在鋁箔的反面沒(méi)有觀察到渣滓形成。事實(shí)上，通過(guò)比較切割的正面和背面，可以看出熔融材料并沒(méi)有從鋁箔的背面噴出，而是均勻地附著在兩面。

　　連續(xù)波激光切割銅材

　　據(jù)報(bào)道，銅是一種對(duì)工藝參數(shù)變化特別敏感的材料，微小的變化都會(huì)導(dǎo)致切割質(zhì)量的顯著變化。造成這種現(xiàn)象的主要因素有兩個(gè)：對(duì)紅外線輻射的高反射率和高熱傳導(dǎo)系數(shù)。下文的討論證實(shí)了這一行為。圖3 顯示了對(duì)銅材的典型連續(xù)波激光切割質(zhì)量示例。在切割質(zhì)量較好的情況下[ 圖3(b)]，切割邊緣相當(dāng)平直。

　　這一條件對(duì)應(yīng)的最佳比能量為0.44 焦/ 厘米。該值比鋁的測(cè)量值高出30%， 盡管銅的厚度要低得多，但由于熔化溫度較高，反射率較高，因此需要更多的比能量。如果比能量更高，在這種情況下也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。圖3(a)顯示，低速導(dǎo)致的比能量增加會(huì)導(dǎo)致不均勻的熱量積聚，從而在切割邊緣產(chǎn)生間歇性駝峰。

　　這是由于銅的傳熱系數(shù)較高，導(dǎo)致加熱前沿的傳播速度快于切割速度。如果激光功率大和切割速度低導(dǎo)致比能量較高[ 圖3(c)]，就會(huì)出現(xiàn)切口寬度和分解層厚度增加的現(xiàn)象，這與鋁的情況非常相似，而且容易形成燒傷。

　　如果比能量較高，特別是由于激光功率的增加，就會(huì)出現(xiàn)飛濺，切口也會(huì)變得不規(guī)則[ 圖 3(d)]。這是由于高功率密度和高速產(chǎn)生的湍流造成的，液滴從切割區(qū)噴出并立即分解，使切割邊緣變得非常不規(guī)則。

　　脈沖波激光切割鋁材

　　圖4 顯示了PW 在鋁材上切割的典型質(zhì)量示例。試樣以相同的脈沖頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間切割，只改變平均功率，因此每次試驗(yàn)的峰值功率Pmax 都不同。在切割效果良好的情況下[ 圖 4(b)]，可檢測(cè)到微小的分解，切割邊緣呈規(guī)則的直角。這種情況下的最佳峰值功率為1.7 千瓦。如果降低切割速度，切割邊緣就會(huì)積聚更多的分解材料，切割質(zhì)量也會(huì)變差[ 圖4(a)]。另一方面，峰值功率的增加往往會(huì)促進(jìn)切口的飛濺和燒傷，導(dǎo)致整體切割質(zhì)量急劇下降[圖4(c) 和圖4(d)]。

　　脈沖波激光切割銅材

　　圖5 顯示了PW 切割銅的典型質(zhì)量示例。試樣以相同的脈沖頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間切割，只改變平均功率，因此每次試驗(yàn)的峰值功率Pmax 都不同。在切割效果良好的情況下[ 圖5(b)]，可檢測(cè)到微小的分解，切割邊緣呈規(guī)則的直角。這種情況下的最佳峰值功率為1.3 千瓦。如果降低切割速度，切割邊緣上會(huì)積聚更多的再分解材料，由于形成明顯的再分解液滴，切割質(zhì)量會(huì)變差[ 圖5(a)]。另一方面，峰值功率的增加往往會(huì)促進(jìn)切口的飛濺和燒傷，在這種情況下，整體切割質(zhì)量也會(huì)急劇下降[ 圖5(c)和5(d)]。

　　特別是，圖5(c) 還顯示了與熱影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的顏色變化：這是由于銅在高溫下氧化所致。通過(guò)比較CW 切割和PW 切割，可以發(fā)現(xiàn)：由于振鏡的尺寸和質(zhì)量較小，PW 切割可以實(shí)現(xiàn)更高的切割速度；由于光斑尺寸較小，PW 切割的切口也較小；在PW 應(yīng)用中，能獲得良好切割質(zhì)量的最低切割速度要低得多（0.2 米/ 秒對(duì)2 米/ 秒）。如圖6 所示，在CW 應(yīng)用中，尤其是在極高切割速度下的邊緣質(zhì)量更有規(guī)律。

　　結(jié)論

　　本文對(duì)用于電池生產(chǎn)的超薄鋁箔和銅箔的連續(xù)波和脈沖波遠(yuǎn)程切割進(jìn)行了比較。研究的主要成果如下：為了達(dá)到良好的切割質(zhì)量，必須在相當(dāng)小的工藝窗口內(nèi)仔細(xì)選擇工藝參數(shù)；對(duì)CW和PW激光源的高速切割質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估；與PW 切割相比，CW 切割不會(huì)產(chǎn)生鋁渣；如果切割速度低于2 米/ 秒，則CW 切割無(wú)法在兩種材料上實(shí)現(xiàn)良好的切割質(zhì)量；PW 激光器在兩種材料上都能以較低的速度獲得較好的切割質(zhì)量；大氣污染對(duì)PW 切割的影響很大，尤其是對(duì)銅的影響。

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