CN100438125C - 顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，包括如下步骤：一、采用自动压盖板设备将盖板压入电池壳内部，并将盖板压至壳口以下的一定深度h1；二、通过调整激光走速、激光打点频率、激光能量、光斑中心点位置和激光束的收束直径等参数进行激光焊接，使得焊接完毕后，壳口高出的部分熔融并且覆盖到盖板表面，使盖板和壳口熔接得更加紧密，并且熔池也容易达到电池壳外壁，消除内部应力F1。进而消除产生微裂缝的可能性，使电池顺利通过翻滚测试。实验也表明，本方法可以有效减少漏液的发生。

Description

顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法

技术领域：

本发明涉及一种改进的激光焊接方法，特别适用于锂离子顶焊式电池的外壳与盖板之间的激光焊焊接。

背景技术：

通常，顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接技术是用激光焊接的方式将盖板同壳口焊接为一体，起到密封电池的效果。激光焊接是用激光将待焊物件熔化，冷却凝固后将物件熔接在一起。图1中的椭圆是激光打到待焊物件上熔化、凝结后的焊点。采用脉冲激光连续焊接，使一个一个椭圆形焊点叠加，形成一道密封的焊缝。

目前用于顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接技术是一种采用盖板与壳口在同一平面上的激光焊接技术，如图2、图3所示。激光焊机通过调整激光走速、激光打点频率和激光能量来控制焊点的密度和焊点的熔池(所谓熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑)大小。

但是，由于焊接效果受到脉冲式激光走速、激光打点频率、激光能量和焊接位置不稳定的影响，经常造成电池在做翻滚跌落测试时和成品后出现局部焊缝漏液的问题，进而影响到电池的循环性能和其它电性能。这是因为，激光走速过大、激光打点频率过小、能量过小就会造成焊点之间的间隙过大(如图1中3所示)、焊点不牢固，并最终导致漏液；激光走速过小、激光打点频率过大、能量过大也会造成焊点过密，热量大量聚集，并最终焊穿待焊物件。

对于此问题，业内的一般防护或改进技术只是调整脉冲式激光的走速、能量和焦点位置等激光焊机本身的性能参数。但是，实践证明，这类改进方法不能很好地解决上述漏液率偏高的问题。

发明内容：

本发明的目的就是克服现有技术中的上述问题，降低电池漏液率。

为实现上述发明目的，本发明的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法包括如下步骤：一、采用自动压盖板设备将盖板压入电池壳内部，并将盖板压至壳口以下的一定深度；二、进行激光焊接，使得焊接完毕后，壳口高出的部分熔融并且覆盖到盖板表面。

在步骤二中，通过调整激光走速、激光打点频率、激光能量、激光光斑中心点位置和激光束的收束直径等参数进行激光焊接。

本发明还可以包括如下附加特征：所述的电池壳是指锂离子电池专用的铝壳或者钢壳。

所述的深度是盖板低于壳口的高度，在0.100mm～0.300mm之间。

焊接后熔池达到电池壳外壁，所述的熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑。

所述的激光走速是指激光的移动速度，激光走速设定在300mm/min～500mm/min之间。

所述的激光打点频率是指激光周期性打点的频率，激光打点频率设定在15Hz-20Hz。

所述的激光能量通过焊接电压调节，选取的电压范围：340V～420V。

所述的激光束的收束直径通过以下方法确定：熔池半径D/2与被熔融端面的厚度t满足：t＜D/2，其中，所述的熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑，被熔融端面的厚度即外壳壁厚；并且，激光束的收束直径d与被熔融端面的厚度t满足：d/2＜t。

所述收束直径d和熔池直径D的关系为：d＜0.5mm＜D。

激光光斑中心点与盖板和外壳结合面对齐。

由于采用上述方案，焊接完毕后，壳口高出的部分会熔融并且覆盖到盖板表面，使盖板和壳口熔接得更加紧密，并且熔池也容易达到电池壳外壁，消除内部应力F1。进而消除产生微裂缝的可能性，使电池顺利通过翻滚测试。

实验也进一步表明，本方法可以有效减少漏液的发生。

附图说明：

图1为激光焊点示意图。

图2为锂离子电池结构示意图。

图3为图2中A的放大图像。

图4为图2中A的放大图像。

图5为图2中A的放大图像。

图6为图2中A的放大图像。

图7为图2中A的放大图像。

图8为图2中A的放大图像。

其中，1、椭圆形激光焊点；2、待焊物件；3、两焊点之间的漏焊部分；4、两焊点之间的重合部分；5、盖板；6、外壳；A为外壳和盖板的接合处。

具体实施方式：

一般情况下，当焊缝处的熔融金属凝固时，其体积收缩会受到焊接边界(焊缝与外壳和盖板的交界面)的限制而引起如图3中箭头F1，F2所示的内部应力，导致出现微裂纹，进而导致电池在跌落测试和长期使用过程中出现漏液的问题。

所以要降低电池的漏液率，就要消除或降低这一对内部应力。图4说明了：当熔融金属一侧达到盖板的外边缘凝固时，此边即可成为自由边界，因此就只剩下应力F2了。同图3所示的情况相比，此时只有一个应力F2，并且要小得多，因此产生微裂纹的可能性大大减少。可以显著地降低电池的漏液率。

基于此，本发明在现有激光焊技术的基础上，充分考虑到设备不稳定性等因素的存在。提出了以下技术方案：采用自动压盖板设备将盖板压入电池壳内部，并将盖板压至壳口以下的一定深度。再通过调整激光走速、激光打点频率、激光能量、光斑中心点位置和激光束的收束直径等参数进行激光焊接。焊接完毕后，壳口高出的部分(图6中的B)会熔融并且覆盖到盖板表面(图6中的C)，使盖板和壳口熔接得更加紧密，并且壳口高出部分变平，更容易传导热量，使壳口部分的熔池容易达到电池壳外壁，消除内部应力F1。进而消除产生微裂缝的可能性，使电池顺利通过翻滚测试。而当盖板比壳口高时(如图7、图8)，熔化的盖板部分C’会流延到壳口上，形成的B’会吸收部分热能，并且会阻碍热传导到壳口，使壳口部分的熔池难以到达壳口外壁。冷却后会产生一对较大的内部应力F1和F2，容易在强烈的撞击中产生微裂缝，进而导致漏液。

所述的激光焊接技术原理如下：

所述的电池外壳是指锂离子电池专用的电池壳或者钢壳。

所述的一定深度是盖板低于壳口的高度，指图5中的h1。一般h1在0.100mm～0.300mm之间。

所述的熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑。所述的激光走速是指激光的移动速度，一般激光走速设定在300mm/min～500mm/min之间，激光打点频率为：15Hz-20Hz。打点频率和激光走速一起影响到激光焊点的密度。如果焊点密度过小，激光焊点之间的空隙就变大了(图1中的3就会变大)，很容易漏液；如果焊点密度过大，就会造成热量聚集，焊坏料件。激光打点频率就是打一个焊点的时间的倒数，频率越高，焊点越密；频率越低，焊点越疏。

所述的激光能量一般通过焊接电压调节，选取的电压范围：340V～420V。

所述的激光光斑中心点位置和激光束的收束直径通过以下方法确定：

如图4所示，熔池半径(D/2)与被熔融端面的厚度t(外壳壁厚)满足：t＜D/2，以此来保证熔融金属凝固时只有一面受到约束，所以只产生熔池同壳口之间的内应力F2，可以缓和内部应力，防止微裂纹的产生。图4表明，虽然盖板同壳口仍然齐平，但只要熔池半径(D/2)与被熔融端面的厚度t(外壳壁厚)满足：t＜D/2，就可以缓和内部应力。但这种情况下操作十分困难，在实际中难以实现。

如图5所示为采用本发明的方案的情况，其中盖板下陷h1，比壳口低，激光光斑中心点应与盖板和外壳结合面对齐。虚线弧线为激光束的收束直径d。激光束的收束直径d要满足：d/2＜t，来保证激光光束打不到外壳外壁表面，以致不损伤电池外壳。

图5的焊接效果如图6所示，其中盖板下陷h1，比壳口低。阴影B是被熔化的壳口部分，阴影C是被熔化的B凝固在盖板上的部分。

所以取收束直径、外壳壁厚和熔池直径的关系为d/2＜t＜D/2。一般外壳壁厚t≈0.25mm，所以d＜0.5mm＜D。

再回头看图3，由于其中盖板同壳口齐平，并且熔池半径D/2＞壳壁厚度t，所以会产生一对内部应力：F1为熔池同外壳产生的内应力；F2为熔池同盖板产生得内应力。

所述的翻滚测试是指用1m的翻滚箱，将电池放入进行测试，每翻滚10次后，停止机器，取出电池检查壳口处的焊缝是否漏液。如果出现漏液情况，即可停止测试；否则一直翻滚500次后结束。

实例一：用自动压盖板机将盖板压入壳口以下0.1mm左右，再将电池在同一焊接参数下焊接，激光走速为400mm/min，激光打点频率为18Hz，焊接电压为380V。根据公式：d＜0.5mm＜D，设收光光速直径为0.45mm，调整好焦距。焊接电池，并将电池做翻滚实验。

比较例一：将盖板压平至壳口，焊接参数按照实例一中的参数调整。焊接电池，并且做翻滚试验。

比较例二：用自动压盖板机压盖板，使盖板比壳口高出0.1mm左右，焊接参数按照实例一中的参数调整。焊接电池，并且做翻滚试验。如图7、8所示，其中盖板比壳口高出h2。虚线弧线为激光束的收束直径d。阴影C’是被熔化的壳口部分，阴影B’是被熔化的凝固在盖板上的部分。

以下是三组电池的翻滚测试的数据：

上述实验结果表明，盖板比壳口低时焊接效果较好。

实例二：调整盖板不同的下陷深度，按实例一的步骤试验。不同下陷深度电池各做100支，并做400次翻滚实验。

以下是不同下陷深度的电池数据结果：

盖极下陷深度	400次翻滚测试后漏液情况
		下陷0-0.09mm	15％漏液
下陷0.1-0.19mm	0％漏液
		下陷0.2-0.29mm	0％漏液
下陷0.3mm以上	3％

由此可以得出盖板下陷一定深度对电池的焊接是有好处的。进一步的实验表明，优选下陷深度在0.1～0.3mm之间。

Claims (10)

1、顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是包括如下步骤：

一、将盖板压入电池壳内部，并将盖板压至壳口以下的一定深度(h1)；

二、进行激光焊接，使得焊接完毕后，壳口高出的部分熔融并且覆盖到盖板表面。

2、如权利要求1所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：在步骤二中，通过调整激光走速、激光打点频率、激光能量、激光光斑中心点位置或/和激光束的收束直径参数进行激光焊接。

3、如权利要求1所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述的电池壳是指锂离子电池专用的铝壳或者钢壳，将盖板压入电池壳内部的设备是自动压盖板设备。

4、如权利要求1或2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述的深度(h1)是盖板低于壳口的高度，在0.100mm～0.300mm之间。

5、如权利要求1或2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：焊接后熔池达到电池壳外壁，所述的熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑。

6、如权利要求2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述的激光走速是指激光的移动速度，激光走速设定在300mm/min～500mm/min之间，激光打点频率为：15Hz-20Hz。

7、如权利要求2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述的激光能量通过焊接电压调节，选取的电压范围为340V～420V。

8、如权利要求2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述的激光束的收束直径通过以下方法确定：

熔池半径D/2与被熔融端面的厚度t满足：t＜D/2，其中，所述的熔池是激光焊将待焊物件熔融冷却后所产生的熔坑，被熔融端面的厚度即外壳壁厚；并且，

激光束的收束直径d与被熔融端面的厚度t满足：d/2＜t。

9、如权利要求8所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：所述收束直径d和熔池直径D的关系为：d＜0.5mm＜D。

10、如权利要求2所述的顶焊式锂离子电池的盖板与壳口的焊接方法，其特征是：激光光斑中心点与盖板和外壳结合面对齐。

Images