由于铜在常温下对近红外激光的吸收率非常低，所以在焊接过程中会将大部分入射激光反射掉，导致铜在激光焊接过程中的能量损耗严重、激光能量利用率低。同时，由于铜具有良好的导热性，导致其在激光焊接的过程中稳定性较差。这些原因使得铜在进行激光焊接时必须使用很高的输出能量才能获得相对合格的焊接质量。而且铜在进行激光焊接时还容易出现焊缝成形差、易变形、热裂纹、飞溅、气孔等焊接缺陷，这些因素都极大限制了紫铜激光焊接技术的研究与推广应用。本文针对铜的两大焊接难点进行总结，说明，并在后续总结铜的几种激光加工技术路线优劣势对比。
难点一：高热导率、散热快
难点二：高反材料、低激光吸收率
难点三：吸收率波动大
难点一：高热导率、散热快
热导率定义：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。
简单来说就是：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K(1℃)，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特/米·开（W/m·K）。
铜的热导率 401W/(m*K)，是铝的接近2倍，钢的5倍，高热导率意味着焊接过程，能量传导散失更快。举个例子：比如单位热输入是1000W，铜则散热400W，剩600W，铝剩800W左右，钢则有920W在加热母材，所以粗略算一下要实现同样的熔深，铜所需的激光功率是铝的两倍以上，铜的五倍以上。
高热导率在宏观上会导致虚焊（能量不足导致 熔深不足）、外观粗糙；微观上会导致热影响区过大（传导面积大，导致晶粒受热长大，导致性能衰减）。因此，在低能量密度的焊接过程中（例如电弧焊），通常需要进行预热，高能量密度的焊接工艺（激光、电子束焊接）则不需要，同时铜要实现与铝、钢同样的熔深往往需要更高的功率，这也加剧了铜的焊接不稳定性。
难点二：高反，低吸收率
当前因为高功率这块主要是光纤激光为主，同时光纤激光的国产化比较彻底，价格很美丽，所以业内大都使用红外激光（波段1030-1080nm）对铜进行焊接。室温下，起始阶段只有约3%的入射激光能被铜所吸收，其余皆被反射。
难点三：激光吸收率波动大
素材来源：Antoon Blom, Par Dunias, Piet van Engen, Willem Hoving, Janneke de Karmer, “process spread reduction of laser microspot welding of thin copper parts using real-time control” Proc. SPIE 4977. Photon Processing in Microelectronics and Photonics II, (17 October 2003);
在铜激光焊接过程中，随着材料温度的上升，其自身的热导率和吸收率都会变化。如图所示，室温下的固态纯铜，随着温度的上升，其吸收率从 3% 缓慢上升到 1250K 的 8% 左右，仅提高了5% ；同时热导率从最高的 401 W/m*K 缓慢降低到 330 W/(m*K)。即在固态时，纯铜保持着极低的激光吸收率和极高的导热效率，这使得激光加工过程极为困难，需要用到极高的激光束功率密度。但是在 1250~1350K 这个极小的温度区间，纯铜对光的吸收率突然“跳跃”到了 15% 左右 ；与此同时，其热导率也由原来的 330W/mK 陡降到160W/mK 左右。这意味着“光热转换”增加到了原来的一倍，而散热速度却降低了一倍，这使得在激光束功率密度相同的情况下，此区间内的热积累速度飙升数倍。综合热输入相当于提升到20%左右，同时铜吸收大量热量，蒸发出现匙孔，激光进入匙孔多次折射吸收，激光吸收率飙升到60%左右，如此大的热输入波动会导致铜熔池剧烈波动，产生飞溅、气孔等缺陷。（文章此段部分参考/顾正，上海瀚宇光纤通信技术有限公司 所发表的蓝光激光加工
）
高反导致缺陷：虚焊
素材来自通快：https://www.youtube.com/watch?v=aUsWFSOf95Y&t=71s
由于铜的高反、以及对激光的低吸收率，往往导致起始位置有一段会出现这样的现象：起始虚焊、有时在铜表面连焊印也没有；
原因在于：起始吸收率低，导致热输入小，铜吸收的热量很快通过热传导分散出去，在激光持续作用下，铜温度升高，吸收率随温度升高而升高，热量累积开始能够熔化一部分铜，出现热导焊，然后液态铜对激光吸收率进一步上升，热输入持续增大，开始出现匙孔，至此深熔焊才开始。
素材来自霍尔激光：
http://www.halllaser.com/lists/40.html
铜在焊接过程也会出现后半段虚焊，或者过程段焊，尤其是如IGBT母排多段焊接，会有个别焊缝虚焊，主要是因为铜是高反材料，加上不同位置的散热和激光入射角不同，导致铜对激光的吸收率有波动，尤其是功率密度较低时（大光斑、离焦量较大）非常容易导致热输入波动导致虚焊。
热导率过大导致缺陷：外观成形差
因为铜激光焊接过程中，由于铜在不同状态下（固态3%、液态15%、匙孔60%）对激光吸收率变化较大，导致焊接过程熔池剧烈波动，一般熔池波动如上图，出现波峰凸起，会很快冷却，来不及回流熔池，形成平滑过渡，导致外观缺陷较大，粗糙度过大。
热输入波动大所致缺陷：飞溅气孔
如图所示，剧烈的热输入波动会导致铜在热导焊和深熔焊周期性变化，会有部分区域熔深不足，同时会导致铜金属蒸汽蒸发量剧烈变化，使得匙孔内部周期性坍塌闭合，形成气孔和飞溅。
如视频所示，当深熔焊时，铜急剧上升的激光吸收率使得金属蒸发量剧增，出现飞溅，然后激光又打在熔池上，吸收率又回到20%左右，就会出现熔深交替深浅的情况，熔深不可控。
讨论完铜的激光焊接特点，后续会再更新当前针对铜的这几个焊接特点的几种激光焊接技术对比分析，敬请期待。
声明：
1、 本文素材部分来源于网络，如有侵权，请联系删除；
2、 随着锂电、光伏、激光器的发展、越来越多的工程师开始接触到激光，考虑到激光工艺是个极其依赖实操的技术，当前市面上缺乏相关的学习资料，本公众号旨在传播相关激光工艺应用的相关基础知识，推进行业向前发展，在此特向工艺同行呼吁，如有志同道合者，欢迎整理您的工艺经验、对激光的认识，联系我投稿，帮助更多的工艺同行，在此一并感谢；
