文/Coherent

電動汽車制造商面臨的壓力越來越大，他們需要在不斷優(yōu)化運營、削減成本的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量。這些努力對于電動汽車市場份額的必要擴張至關(guān)重要，尤其是在對總體擁有成本（TCO）高度敏感、且燃油車仍然普遍存在的大規(guī)模市場中。

圖1：焊接后的發(fā)卡式繞組。

對于電動汽車的電機生產(chǎn)優(yōu)化而言，其中一個重要的機會在于發(fā)卡式繞組的焊接，這一工藝對電機的可靠性和性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的機械剝除絕緣層的方法往往存在不足，會導致諸如表面損傷、刀具磨損以及生產(chǎn)延誤等工藝效率低下的問題，從而增加成本并影響工藝的可靠性。

激光剝除和清潔提供了一種變革性的替代方案，它可以克服機械剝除的局限性，同時能以更低的總體成本實現(xiàn)卓越的效果。本文將介紹Coherent創(chuàng)新的兩步式工藝，該工藝將CO2激光器和紫外（UV）激光器結(jié)合使用，以生產(chǎn)出潔凈且可直接用于焊接的發(fā)卡式繞組。實際展示的數(shù)據(jù)表明，這種方法為電動汽車制造商實現(xiàn)更高質(zhì)量的發(fā)卡電機焊接，提供了一種經(jīng)濟高效的新途徑。

發(fā)卡式繞組的難題

電動汽車電機中的繞組通常由單根銅線制成。這些銅線被彎曲成“U”形（因此得名“發(fā)卡式繞組”），然后放置到一個組件中。接下來，需要將相鄰的發(fā)卡式繞組的端部焊接在一起，以實現(xiàn)電氣連接，形成一個單一的連續(xù)繞組。此外，一些替代設(shè)計使用連續(xù)的扁平線，將其制成波浪狀圖案（稱為波浪繞組或 S 形繞組），然后在焊接之前插入定子槽中。

圖2：使用Coherent的 ARM 光纖激光器搭配 HIGHmotion 2D 掃描儀，對發(fā)卡式繞組對進行激光焊接。

所有電動機的繞組都帶有絕緣層。在發(fā)卡式繞組電機中，絕緣層需要更厚且更堅固，以適應(yīng)其緊湊的設(shè)計以及電動汽車通常所需的高電壓要求。

在焊接之前，必須從每個發(fā)卡式繞組的兩端去除少量的絕緣層。這對于確保高質(zhì)量的電氣和機械連接至關(guān)重要。

傳統(tǒng)上，這項任務(wù)主要使用機械方法來完成，也有使用紅外（1μm）脈沖激光器的單步激光工藝。機械剝除涉及使用切割工具直接接觸電線表面以刮掉絕緣層。盡管這些方法多年來一直是標準做法，但在快節(jié)奏的電動汽車生產(chǎn)中，它們面臨著重大挑戰(zhàn)。

例如，機械剝除所需的物理接觸，會從發(fā)卡式繞組上刮掉一層銅，留下有紋理的表面，從而導致繞組之間出現(xiàn)間隙和部件裝配問題，損害了焊接的完整性和一致性。此外，機械工具會出現(xiàn)磨損，導致工藝不一致、頻繁維護、計劃外停機以及潛在的生產(chǎn)中斷。這些問題因該工藝速度較慢而更加嚴重，難以滿足電動汽車大規(guī)模生產(chǎn)的高產(chǎn)量需求。

激光剝除技高一籌

激光可廣泛應(yīng)用于材料去除，包括絕緣層剝除。在絕緣層剝除應(yīng)用中，激光剝除具有以下優(yōu)勢：

● 更好的焊接質(zhì)量：在完全去除絕緣層且不損傷銅線的情況下，確保了表面潔凈，實現(xiàn)最佳焊接質(zhì)量。

● 減少維護和設(shè)備停機時間：不存在工具磨損，并且消除了機器卡住的任何可能性，從而保證了生產(chǎn)流程的不間斷。

● 提高產(chǎn)量：在送線的同時進行連續(xù)剝除，提高了生產(chǎn)效率。

● 增強一致性：由于沒有磨損或接觸，激光加工過程穩(wěn)定且可重復。

很明顯，激光加工可以帶來工藝改進。但真正的問題是“使用哪種激光最好？”換句話說，在眾多可能用于執(zhí)行此工藝的激光源和實施方案中，哪一種能夠在高質(zhì)量、高速度與低成本之間實現(xiàn)最佳平衡，以滿足大規(guī)模電動汽車電機生產(chǎn)應(yīng)用的需求呢？

優(yōu)化激光工藝

Coherent幾乎能提供所有類型的工業(yè)激光器，可以利用各種激光器客觀地研究這一應(yīng)用，而不會對某種技術(shù)存在任何固有偏好。

事實上，Coherent并沒有找到一種最適合發(fā)卡式繞組剝除絕緣層的激光器，而是開發(fā)出了一種雙激光器工藝，來實現(xiàn)優(yōu)化的剝除效果。這種方法以最具成本效益的方式，為客戶提供了目前最佳的焊前表面質(zhì)量。研究雙激光器工藝的主要動機，是為了克服單步激光剝除工藝的問題。

單步激光剝除，是在涂層吸收和底層銅吸收之間的一種折衷。光纖激光器接近 1μm的紅外波長不易被涂層吸收，從而導致在界面處產(chǎn)生熱量，使涂層剝落并形成空氣中的顆粒。這些顆粒會干擾入射的激光束，影響發(fā)卡式繞組的清潔度，并且可能會侵入到系統(tǒng)中，導致頻繁停機以清潔設(shè)備。此外，光纖激光器的穿透性紅外光束，無法完全去除銅表面的聚合物殘留。它可能會熔化銅線表面，并使銅表面暴露于絕緣聚合物成分，如氫和碳。這會污染銅表面，進而影響后續(xù)的焊接質(zhì)量。

Coherent基于雙激光器的發(fā)卡式繞組制備兩步工藝包括：

第一步：批量剝除——使用中功率CO2激光器快速去除大部分絕緣層。這種類型的激光器非常適合高通量的非金屬材料去除。

第二步：最終清潔——然后使用脈沖式低功率納秒UV固態(tài)激光器，去除任何存在的絕緣殘留物。這為焊接提供了潔凈的表面。UV固態(tài)激光器的短波長在高精度材料加工方面表現(xiàn)出色，尤其能有效去除包括聚合物、其他有機材料和銅在內(nèi)的各種材料。

對于第一步的批量剝除工藝，Coherent的 J-5-10.6μm激光器被證明是理想光源。雖然發(fā)卡式繞組絕緣層使用了多種不同材料（包括聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酯、聚酯亞胺、聚酰胺、聚醚醚酮、環(huán)氧樹脂和各種含氟聚合物），但所有這些材料都強烈吸收該激光器 10.6μm的輸出波長。而且，對于所有這些材料，在 10.6μm處的吸收率都高于Coherent其他可用的CO2激光波長，如 9.4μm和 10.2μm。

Coherent的 J-5-10.6μm激光器還具有理想的實用特性。它是一種完全密封的脈沖式CO2激光器，平均功率超過 400W，這意味著它可以進行高通量的剝除操作。此外，它采用獨立且緊湊的封裝，非常適合集成到自動化設(shè)備中。

對于第二步的最終清潔工藝，Coherent的Avia LX 355-30-60 HE 展示了恰到好處的輸出參數(shù)組合。這是一種三倍頻、二極管泵浦的固態(tài)激光器，在 355nm處輸出 30W的平均功率。最重要的是，它支持高達 300kHz的重復頻率運行，脈沖能量高達 500μJ。這使得它能夠以該應(yīng)用所需的速度進行高精度燒蝕。

Avia LX 355-30-60 HE也設(shè)計得易于集成。而且，它集成了Coherent的 PureUV™有源激光清潔引擎，可以實現(xiàn)超長的使用壽命和免維護運行。

焊接效果

Coherent應(yīng)用實驗室在確定上述兩步式組合工藝之前，研究了許多不同的工藝。對各種激光器進行了單獨和組合研究，包括CO2激光器、納秒脈沖紅外光纖激光器和納秒UV激光器。對處理后的絕緣發(fā)卡式繞組的結(jié)果進行了詳細分析，一旦確定了最有前景的激光源，就對特定的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。

作為測試的一部分，使用 X 射線光電子能譜（XPS）來分析表面化學性質(zhì)，以便對污染物進行表征和量化。正是在這個環(huán)節(jié)，Coherent發(fā)現(xiàn)兩步式激光剝除工藝（CO2激光器與UV激光器相結(jié)合），是在激光焊接前從銅表面去除所有殘留物的最有效方法。

圖3：CO2激光器、CO2激光器+納秒紅外光纖（FL）激光器和CO2激光器+納秒UV固態(tài)激光器三種絕緣層去除工藝的效果比較。

圖3中的一系列照片比較了使用CO2激光器、納秒紅外光纖（FL）激光器和納秒UV固態(tài)激光器的各種去除技術(shù)。在照片的上排，絕緣材料是聚酰胺（PA），下排的絕緣材料是聚醚醚酮（PEEK）。即使僅通過肉眼觀察也可以看出，在這兩種情況下，CO2激光器與UV激光器的組合效果都是最好的。實際焊接試驗也證實了這一點。

當然，最重要的指標是在去除絕緣層工藝之后獲得的焊接質(zhì)量。圖4展示了一系列焊接后的發(fā)卡式繞組的 X 射線圖像。這表明兩步式（CO2激光器 + UV激光器）工藝最終能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的焊接。兩步式CO2激光器 + UV激光器剝除工藝，通過在焊接前去除表面的聚合物殘留物，最大限度地減少了焊接氣孔。眾所周知，聚合物殘留物中含有氫、碳和其他有機元素，這些元素在液態(tài)時可能會進入熔池，然后在焊接凝固過程中形成氣孔，而氣孔會影響焊接的機械和電氣性能。

圖4：使用三種絕緣層去除方法的焊縫X射線圖像。CO2激光器 + UV固態(tài)激光器的組合，明顯呈現(xiàn)出了最高的焊接質(zhì)量（最少的氣孔含量）。

實際應(yīng)用

針對上述發(fā)卡式繞組焊接，Coherent提供從激光器到完整的即插即用子系統(tǒng)等任何產(chǎn)品，方便客戶進行系統(tǒng)集成；同時還可以在工藝開發(fā)方面提供支持，協(xié)助客戶快速將該工藝部署到生產(chǎn)過程中。