CO₂激光器+单模纳秒激光器实现两步发卡绝缘层剥离工艺，助力电动机效率提升

生产电动机和发电机的定子时，发卡发挥至关重要的作用。发卡是涂有有机绝缘层的矩形铜线，与圆形和柔性绝缘铜线相比，具有更高的槽满率和电机效率等优点。

但是发卡线圈偏厚，对传统绕组技术和绝缘材料的剥离提出了挑战。另外，在定子组装之后需要大量的焊接工作来连接发卡。

为了实现发卡端部的高效和高质量焊接，必须保证铜线表面清洁且无残留物。发卡表面的清洁度直接影响焊接质量和电机的综合性能。因此，在发卡生产过程中需要使用一个非常重要的工艺——发卡绝缘层剥离，以去除矩形铜型材上的绝缘或瓷质材料。Novanta在发卡绝缘层剥离工艺领域，与许多行业领先企业均有合作，应用要求通常包括在尺寸约为 3mm x 1.5mm 的矩形铜型材的所有四个侧面剥去大约 30mm 的部分，并且发卡绝缘层剥离工艺需要在较短的处理周期内完成，通常小于 1.5 秒。

材料及波长

为了确定发卡绝缘层剥离工艺的最佳方法，必须深入分析材料及其对市场中的工业激光器波长的吸收光谱。发卡中常用的绝缘材料包括聚酰胺 (PA)、聚醚 (PE) 和聚酰亚胺 (PI) 等有机复合材料，以纯铜为基材。该工艺的目标是有效去除整个有机绝缘层，同时保证基材无损伤。

通过分析，我们发现有机绝缘层在远红外光谱内的较长波长处表现出显著的吸收特性。因此，我们认为
CO₂

激光器是去除铜线绝缘层的最佳解决方案。我们的 Synrad

CO₂

激光器有9.3μm、10.2μm 和 10.6μm三种波长选项，提供与不同绝缘材料的吸收曲线一致的多种光谱范围。

此外，这些激光器在纯铜基材上表现出高反射率，确保有效去除绝缘层，同时最大限度地降低变色或表面改性的风险。虽然

CO₂
激光器可有效去除大部分绝缘材料，反射铜表面上可能会残留厚度为 1-2μm 的薄残留物，仅靠远红外辐射无法有效消除该残留层。因此，我们在第二个工艺步骤中采用低功率纳秒光纤激光器，以确保完全去除该残留层。该光纤激光器在基材中具有更好的吸收特性，能够实现彻底剥离，同时保护铜表面免受过度加热和表面改性的影响。

虽然还可以使用多个短脉冲激光器或单个更强的光纤激光器进行激光消融等备选方法来去除绝缘层，但我们采用的两步工艺在有效性、质量和处理速度方面具有突出优势。

前者实际的消融过程通常无法满足速度要求，并且无法区分绝缘材料和基材；另一方面，使用单个更强的光纤激光器会给基材带来更严重的热损伤和表面改性。

此外这两种替代方案都需要在激光源上投入较高的成本，因此，两步法仍然是发卡绝缘层剥离工艺的理想解决方案，在效率、质量和成本效益之间能达到良好的平衡。

设备

为了实现两步发卡绝缘层剥离工艺，设备至少需要两个激光器和两个基于振镜电机的扫描头。我们的测试表明，第一步可以使用工作波长为10.6μm 的 400W 连续波
CO₂激光器，例如 Novanta Firestar i401。将激光聚焦到 >300μm 的中等光斑直径可得到出色的结果。第二步需要使用焦斑较小的 200W 单模纳秒激光器。通过将发卡以 45° 角定位在3轴扫描振镜下方，可以实现两侧的最佳清洁效果。

根据这些研究成果和要求，我们开发了一个子系统，可最大限度地减少整体设备的复杂性和尺寸。Novanta Chameleon扫描振镜具有独特设计的外壳，可容纳两个3轴扫描振镜电机，采用主-辅控制器架构。这种独立的扫描振镜可以根据不同的波长和焦距尺寸进行定制，同时保持完全相同的工作距离。当 Novanta ASC 控制器、一台 Novanta Firestar i401

CO₂
激光器和一台工业级 200W 纳秒单模光纤激光器结合使用时，可实现 75% 的工作区域重叠。同时，两个波长可以分别独立使用达到高效加工效果。

Novanta 双波长解决方案，使用我们的 Chameleon 配置

应用示例

我们对四种不同的发卡设计激光清洁过程前后都进行了分析。这些发卡铜线具有不同的绝缘层材料和厚度。此外，我们还使用 ATR 红外光谱仪测量了四个样本的吸光度。结果表明，使用波长 9.3μm 的CO₂
激光器处理所有样本的绝缘层时，吸光度显著增加。因此我们采用该激光器配置处理所有发卡样本。

不同绝缘涂层和绝缘厚度的应用样本

上图清晰展示了绝缘层厚度具有很大差异的各种材料。不过我们发现厚度对初始去涂层步骤的工艺参数仅产生有限的影响，并且对该步骤中的残留层没有显著的影响。

应用样本及其在红外光谱中的吸光度

在此处陈述的所有实验中，我们均使用了 400 WCO₂
激光器和 200W 纳秒光纤激光器组合。两个波长的工作距离均设置为360mm，其结果是CO₂
激光器的光斑直径约为400μm，光纤激光器的光斑直径约为40μm。重叠区域允许两项激光加工同时运行。在这些应用示例中，我们使用双向光栅扫描消融 5x20 mm² 区域。根据每个发卡不同的绝缘材料、厚度和发卡直径，我们分别调整了CO₂
和光纤激光器的参数，以实现最佳的清洁效果。尽管激光器参数不同，但剥离工艺整体时间保持一致，所有应用样本均可在小于 1.0 秒的处理周期内完全消融。

剥离处理后的发卡绝缘区域，分别为CO₂
激光器消融区域和
CO₂
+光纤激光器消融区域展示

为了更直观地分析各个工艺步骤，我们首先使用
CO₂激光器照射 5x25 mm² 区域，以去除绝缘层。随后，使用光纤激光器处理 5x20 mm² 区域。上图展示了清洁后的发卡区域，左侧显示仅使用
CO₂激光器处理后的区域，右侧显示了使用光纤激光器作为第二个工艺步骤处理后的区域。

应用样本和使用
CO₂
或
CO₂

+ 光纤激光源的绝缘层去除量

上图可以看出，无论绝缘层之前的总厚度如何，CO₂激光工艺都可以去除大部分绝缘层，残留大约 1-2μm。然后，采用光纤激光器作为第二个清洁步骤可以完全去除剩余的 1μm 厚的绝缘层。