高速激光切割超薄金属箔比较研究

当前，激光已成为电动汽车领域生产电池和电池芯的关键技术。事实上，一些应用已经实现了工业化，例如激光焊接、切割、剥离和清洁。在所有这些技术中，激光切割尤其需要应对几个面临的问题：高反材料（铝和铜）的存在、极低的厚度（6-12微米）、即时加工以及切割表面的高质量。

基于这些考虑，本文讨论了利用振镜扫描仪和两种不同的光纤激光源（单模恒定波和纳秒脉冲波）对12微米厚的铝箔和6微米厚的铜箔进行远程切割的应用。对比实验旨在了解工艺的可行性，并指出两种不同激光的优缺点。切割边缘通过光学和扫描电镜显微镜进行分析，以确定切割质量。同时，通过实验还可以了解激光和振镜扫描系统的极限。

 

导言

与交通有关的气体排放是造成空气污染的主要原因之一，也是导致全球变暖的主要因素之一：因此，私人和商业交通车辆的电气化已成为未来趋势。通过施行减少车辆对化石燃料依赖的政策，可以实现到2030年将温室气体排放量至少减少55%，到2050年实现气候中和的目标。为了评估车辆电气化的真正可持续性，必须关注制造过程。低能耗、低碳足迹、无有毒和污染元素或副产品，已成为行业共识。

当前，激光材料加工在电池和电机制造中渗透率较高。激光焊接用于电池单元和模块不同元件的焊接、外部电池盒的密封以及电动马达定子上发卡的连接。激光切割则用于对构成内部电极和电池单元隔膜的箔片进行加工，而激光剥离和抛光则用于去除待焊接件上的氧化物或发卡上的绝缘漆。

基于激光的加工工艺满足了电池加工中许多苛刻的条件：高能量密度能够保持较低的功耗，焊接和切割过程中不使用保护气体或辅助气体有助于减少排放，激光与加工部件之间没有机械接触，因此没有磨损，从而降低了颗粒排放。

以上这些特点再加上高选择性和灵活性，决定了激光加工的高质量，尤其是在电动汽车部件制造时。其中，应用于超薄铝箔或铜箔（包括涂层和非涂层）的远程切割工艺就是一个恰当例子，凸显了激光技术在电池制造领域的优势。

在电池制造行业，锂电池对切割质量要求非常高，对毛刺、飞溅和热影响区的容忍度低。事实上，这些缺陷会导致电池性能下降、使用寿命缩短，甚至导致电池本身发生自燃或自爆等危险。高速激光远程切割可以实现非常小的热影响区，并将毛刺和飞溅物控制在可以接受范围内，成为了电池厂商的首选技术。

此外，现代振镜扫描仪可实现很高的切割速度，而且相对容易改变切割路径，这使得激光遥感切割成为加工不同形状产品的最通用技术之一。Berhe等人提出了顶部、切口、间隙和毛刺宽度的数学模型，并确定了影响切割效率的主要物理现象和变量。Lutey等人使用5种不同激光源对LiFePO4进行切割，然后使用数值方法计算了作为工艺参数函数的烧蚀深度。

 

Demir和Previtali比较了绿激光和红外激光的切割质量，强调脉冲激光在两种情况下都会引起局部加热。如前所述，在电动汽车应用中，判断切割质量的主要驱动力与热影响区有关。Schmieder研究了热影响区的特征与脉冲宽度的关系，发现如果工艺参数正确，热影响区在切割过程中明显小于烧蚀材料的宽度。

根据Lutey等人的研究，如果切割方法得当，热影响区几乎不会受到化学和微观结构变化的影响。脉冲激光源经常被用于切割电池电极。纳秒脉冲激光是最常被提及的工业用途主流解决方案，而皮秒脉冲激光则被认为是进一步提高加工质量的一种方法。

这种应用通常被称为“切口”，因为其目的是在边缘上形成人字形的连续图案，以便更好地与电池盒部件连接。在这种情况下，主要挑战是在切割过程中尽量减少对未涂层材料的热损伤，并使边缘锋利、无毛刺、无飞溅。这些特性必须通过在自动生产线上以1-3米/秒的速度传送的连续箔片上进行即时切割来实现。这一要求意味着激光和箔片之间的相对扫描速度高达20米/秒。目前，还没有研究涉及超高速下的箔片切割质量评估。

Luetke等人使用两种不同的激光束源：连续波（CW）激光束源和纳秒脉冲波（PW）激光束源，对铜箔和铝箔（厚度分别为6微米和12微米）进行激光切割研究。切割速度低于5米/秒。目前还没有更多的文献涉及更高速度切割用于电池生产的无涂层铝箔或铜箔。对此，本研究的目标是对速度高达20米/秒以上的CW和PW远程切割进行比较。切割质量通过光学和扫描电镜观察进行评估。

 

实验

6微米厚的纯铜箔和12微米厚的纯铝箔样品，被夹紧并拉伸在一个设计合理的夹具上。该夹具可确保铜箔具有良好的平整度，并且在切割过程中不会发生试样与底面的接触。材料被小心放置在激光束焦平面的对应位置，并以不同的工艺参数进行长度为15毫米的平行切割（图1）。

 

图1：最佳比能量：CW(a)和PW(b)

每个试样最多进行10次切割，以防止箔片在切割过程中出现变形和翘曲。随后两次切割之间的距离固定为5毫米，以防止热相互作用。为了保证整个过程中的切割速度恒定，避免受加减速影响，切割路径被分为三部分：初始部分长15毫米，不发射激光，以达到目标速度；中心部分长15毫米，发射激光，以达到恒定速度；最后部分长15毫米，不发射激光，以降低切割速度。

本次实验中使用的激光系统：配备Scanlab Intelliscan 20扫描仪和Quioptiq熔融石英F-theta镜头的nLight Alta 1200W单模（连续波）；配备Raylase Superscan II-10扫描仪和Linos F-theta镜头的IPG YLPN-2-20 × 500-300（纳秒脉冲波）。表1总结了这两种装置的特点。

 

表1：激光源和光学器件的详细特性

对CW和PW设置进行了实验，以确定宏观缺陷和切割质量，并评估主要工艺窗口。在铝和铜金属箔上测试了相同的参数集。在CW设置中，激光功率从170W到1000W不等，切割速度从1-15m/s不等。在PW设置中，切割速度在0.2-21m/s之间变化，脉冲持续时间保持不变，30ns。

 

结果与讨论

实验结果指出了导致良好切割和宏观缺陷的特定工艺参数条件。下文将对四种情况进行讨论：铝材CW切割、铜材CW切割、铝材PW切割和铜材PW切割。

 

连续波激光切割铝材

图2显示了在铝材上采用连续波激光切割的典型质量示例。无论选择何种特定参数，都能明显看到薄层的分解金属。在切割效果良好的情况下[图2(c)]，分解层平直、分布均匀且非常薄（<10微米）。这种情况下的最佳比能量为0.33焦/厘米。如果该参数低于临界值，则会出现不连续切割或无切割现象。如果比能量更高，则会出现不同的行为。图2(a)显示，由于速度较低，比能量增加会导致分解层厚度增加。

 

图2：对铝材CW切割示例：(a)过度再固化和浮渣：P=660W、速度4m/s；(b)切口过大：P=1000W、速度=4m/s；(c)良好切割：P=500W、速度=15m/s；(d)飞溅：P=1000W、速度=15 m/s

如果激光功率大和切割速度低导致比能量增加[图2(b)]，则切口宽度和分解层厚度都会增加。如果比能量较高，特别是由于激光功率增加就会出现飞溅，切口也会变得不规则和不平直[图2(d)]。这是由于高功率密度和高速产生的湍流共同作用的结果：液滴从切割区喷出并立即分解，使切割边缘变得非常不规则。

凝固飞溅物所在区域的宽度通常约为250微米。值得注意的是，在对铝材的连续波激光切割过程中，在铝箔的反面没有观察到渣滓形成。事实上，通过比较切割的正面和背面，可以看出熔融材料并没有从铝箔的背面喷出，而是均匀地附着在两面。

 

连续波激光切割铜材

据报道，铜是一种对工艺参数变化特别敏感的材料，微小的变化都会导致切割质量的显著变化。造成这种现象的主要因素有两个：对红外线辐射的高反射率和高热传导系数。下文的讨论证实了这一行为。图3显示了对铜材的典型连续波激光切割质量示例。在切割质量较好的情况下[图3(b)]，切割边缘相当平直。

 

图3：对铜材CW切割示例：(a)过度再固化和浮渣：P=330W、速度=2.6m/s；(b)良好切割：P=660W、速度=15m/s；(c)最大切口和燃烧：P=1000W、速度=4m/s；(d)飞溅：P=1000 W、速度=15m/s

这一条件对应的最佳比能量为0.44焦/厘米。该值比铝的测量值高出30%，尽管铜的厚度要低得多，但由于熔化温度较高，反射率较高，因此需要更多的比能量。如果比能量更高，在这种情况下也会出现不同的结果。图3(a)显示，低速导致的比能量增加会导致不均匀的热量积聚，从而在切割边缘产生间歇性驼峰。

这是由于铜的传热系数较高，导致加热前沿的传播速度快于切割速度。如果激光功率大和切割速度低导致比能量较高[图3(c)]，就会出现切口宽度和分解层厚度增加的现象，这与铝的情况非常相似，而且容易形成烧伤。

如果比能量较高，特别是由于激光功率的增加，就会出现飞溅，切口也会变得不规则[图 3(d)]。这是由于高功率密度和高速产生的湍流造成的，液滴从切割区喷出并立即分解，使切割边缘变得非常不规则。

 

脉冲波激光切割铝材

图4显示了PW在铝材上切割的典型质量示例。试样以相同的脉冲频率和脉冲持续时间切割，只改变平均功率，因此每次试验的峰值功率Pmax都不同。在切割效果良好的情况下[图 4(b)]，可检测到微小的分解，切割边缘呈规则的直角。这种情况下的最佳峰值功率为1.7千瓦。

 

图4：对铝材PW切割示例：(a)过度再固化和浮渣：速度=4m/s，Pmax = 1.7kW；(b)良好切割：速度=21m/s，Pmax =1.7kW；(c)燃烧：速度=8m/s，Pmax= 8.3kW；(d)飞溅：速度=21m/s，Pmax = 7.5kW

如果降低切割速度，切割边缘就会积聚更多的分解材料，切割质量也会变差[图4(a)]。另一方面，峰值功率的增加往往会促进切口的飞溅和烧伤，导致整体切割质量急剧下降[图4(c)和图4(d)]。

 

脉冲波激光切割铜材

图5显示了PW切割铜的典型质量示例。试样以相同的脉冲频率和脉冲持续时间切割，只改变平均功率，因此每次试验的峰值功率Pmax都不同。在切割效果良好的情况下[图5(b)]，可检测到微小的分解，切割边缘呈规则的直角。这种情况下的最佳峰值功率为1.3千瓦。

 

图5：对铜材PW切割示例：(a)过度分解和渣滓：速度= 4m/s，Pmax=5kW；(b)切割良好：速度=21m/s，Pmax=1.3kW；(c)燃烧：速度=4m/s，Pmax=8.3kW；(d)飞溅：速度=21m/s，Pmax=5kW。

如果降低切割速度，切割边缘上会积聚更多的再分解材料，由于形成明显的再分解液滴，切割质量会变差[图5(a)]。另一方面，峰值功率的增加往往会促进切口的飞溅和烧伤，在这种情况下，整体切割质量也会急剧下降[图5(c)和5(d)]。

 

图6：优质切割样品的扫描电镜分析

特别是，图5(c)还显示了与热影响区相对应的颜色变化：这是由于铜在高温下氧化所致。通过比较CW切割和PW切割，可以发现：由于振镜的尺寸和质量较小，PW切割可以实现更高的切割速度；由于光斑尺寸较小，PW切割的切口也较小；在PW应用中，能获得良好切割质量的最低切割速度要低得多（0.2米/秒对2米/秒）。如图6所示，在CW应用中，尤其是在极高切割速度下的边缘质量更有规律。

 

结论

本文对用于电池生产的超薄铝箔和铜箔的连续波和脉冲波远程切割进行了比较。研究的主要成果如下：为了达到良好的切割质量，必须在相当小的工艺窗口内仔细选择工艺参数；对CW和PW激光源的高速切割质量进行了评估；与PW切割相比，CW切割不会产生铝渣；如果切割速度低于2米/秒，则CW切割无法在两种材料上实现良好的切割质量；PW激光器在两种材料上都能以较低的速度获得较好的切割质量；大气污染对PW切割的影响很大，尤其是对铜的影响。

作者：Alessandro Ascari、Caterina Angeloni、Erica Liverani、Alessandro Fortunato

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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