雷射銲接溯源擴大應用

[作者 陳念舜]

因應近年來3C、電動車新品需求逐年普及，促使有色金屬和大功率雷射加工等相關應用隨之成長，造就其中核心的光纖/半導體雷射源及模組架構不斷推陳出新。但台廠技術能量與成本競爭力仍有落差，如今則可望迎接國際節能減碳的潮流而帶來轉機。

回顧雷射加工產業雖然曾在金融海嘯期間遭遇低潮，但到了2011~2018年間、因為電動車和金屬積層製造技術製造發展，驅動其穩定成長的契機，直到中美半導體科技戰與COVID-19疫情期間更加碼推廣。

根據OPTECH最新統計，全球雷射加工市場從2021年的14,730億成長至2022年的16,420億，複合成長率為11.46%；預測到了2026年將達到23,190 億，複合年增長率為9.02%。且依台灣海關進出口統計數據，2021年全台雷射源及加工設備相關進出口總值約為7.17億美元，其中進口比重占80%，高功率應用又約占56%，主要用於切割與銲接。預估到了2027年台灣雷射切割、銲接設備產值，可望突破400億元，其中銲接應用產值占比可望突破50%，達到200億。

尤其看好現今電動車鈑金加厚、高反射鋁、銅等異質接合金屬材料的比例提升，以及馬達及充電樁的銅質材料等需求；加上5G引領的散熱技術變革，散熱板必須變得越來越薄等需求。預估未來在台灣1~3kW高功率雷射源價格應會逐步穩定，並趨於飽和，轉而投入6~10kW大功率雷射市場，由目前主流的近紅外光（IR）雷射製程波段移至藍光波段的趨勢已現。

舉例來說，目前在車輛電機系統中，主要用於馬達定子中連接的銅線圈即屬於難銲材料，倘若銅線圈間連接不佳，就可能會導致增加連接電阻，從而影響馬達導電性能，所以業者在銲接過程中，必須確保馬達定子不受高熱。但因為傳統氬弧或等離子銲接技術會產生過高熱量，可能會損壞周邊組件，留下不需要的孔隙，而影響馬達電性表現。

以及電動車最重要的鋰電池，通常由單獨圓柱型電池芯組成，再將電池組銲接在一起，以增加電容量。上方銲接片通常採用鍍鎳銅片，用於傳導電能；下方柱體則為鋼質，作為儲能應用。但因為兩種材料對於雷射吸收率及熔點有別，必須精準控制能量銲接，以免穿透太深會破壞電池本體，並降低電池組性能；若穿透深度不足時，也將難以銲穿銅片，或在銅、鋼之間形成金屬化合物，將增加傳導電阻，劣化電能傳導效率。

DDL半導體雷射源崛起　推進大功率雷射加工應用

工研院南分院副經理宋育誠進一步剖析目前大功率光纖雷射源市場，主要可分為中間採用不同增益介質/元件的脈衝型（Pluse Fiber laser）、連續型（CW）光纖雷射為主流，在台灣各有搏盟、?杰等廠商投入開發，已達到一定產能，未來會朝向更高功率發展。。

至於結構相對簡單的直驅式半導體（Direct Diode Output System；DDL）輸出雷射源，雖然被喻為下世代雷射代表之一，將電能直接轉化為光能量輸出，減少了複雜的共振腔和反射組件系統的光學設計，能源轉換率可達40%~50%、<4mm．mrad雷射品質也已逐步改善，因此可有效降低耗電量及生產成本。

但仍處於起步階段，有待持續提升功率及品質，並加入有助於穩定及更多附加功能的智慧化元素來提升競爭力；在應用上，則要求以低成本達到高效率。

南分院現也開發出整合工研院DDL陣列模組技術與台製雷射泵浦產品、直驅電路模組，打造首部自主開發的6kW大功率雷射光源，並導入智慧監控與強化關鍵零組件自製能力；建立雷射測試平台，並完成加工品質驗證，主要用於熱處理（軟、硬化）、銲接等需求，並有眾多輔導實績範例。有別於傳統用烤箱加熱完整工件，以火焰加熱將更難以手動控制強度、速度與溫度；也不像高周波感應加熱，須要考慮後處理及高能耗問題。

【欲閱讀更豐富的內容，請參閱請參閱 2023 年1 月(第88期)】網站智動化Smart Auto雜誌】