CN102689094A - 对具有单个共同焊接截面的多板件工件堆叠结构的能束焊接 - Google Patents

对具有单个共同焊接截面的多板件工件堆叠结构的能束焊接 Download PDF

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Abstract

一种用于对多层板件工件堆叠结构进行能束焊接的方法，包括将第一板件定位为邻近第二板件，和将第三板件定位为邻近第二板件，从而限定出单个共同焊接界面。将能束引导到界面上直到沿界面形成熔接焊接部。第三板件可以限定出凸缘或接片部分。凸缘部分可以被置于沿界面直接接触第一板件，而接片部分可以插入到第二板件的槽口中以在界面处接触第一板件。能束可以是激光或离子束。较低熔化温度板件可以定位为比其他板件距能束源更远。经焊接的组件可以是电池模块，其具有作为互连构件和电池接片的板件。

Description

对具有单个共同焊接截面的多板件工件堆叠结构的能束焊接
技术领域
本发明涉及对多层工件堆叠结构进行能束焊接，即具有三层或更多层板件的工件堆叠结构，和涉及按照该方法构造的组件。
背景技术
激光焊接是广泛使用的商业过程，其中激光束照射工件堆叠结构的目标区域。电子束可以以相似的方式使用。被照射的材料由于激光束的强度而变为液化状态。在液化的材料冷却时形成熔接焊点或焊缝。能束焊接可被用于在典型的具有两层板件的工件堆叠结构中形成完全穿过一对邻近板件的厚度的熔接焊接。然而，在对具有三层或更多层板件的工件堆叠结构进行能束焊接时，尤其是在各种板件用不类似的材料构造时，会造成非最优的熔接焊接。
发明内容
公开本文一种方法用于到多层工件堆叠结构进行能束焊接。如在本文使用的，术语“能束焊接”是指使用激光束、电子束、或其他合适的集中能束形成熔接焊接部的过程。术语“多层工件堆叠结构”是指叠放了三层或更多层板件的堆叠结构，而不管板件的相对厚度如何。两件式工件堆叠结构的能束焊接通常通过形成穿过两层邻近板件的搭接接头而执行。然而，常规的搭接接头焊接技术可能难以在板件的数量超过两个时，尤其在板件用不同材料构造时执行。
另外，以通常的搭接连接方式堆叠或定位的(n)层板件的焊接(即板件相对于激光束的轴线垂直或略微成角度)形成(n-1)个不同的焊接界面。例如，四层堆叠板件(n＝4)形成三个不同的焊接界面，而单个焊接界面存在于常规的两件式工件堆叠结构(n＝2)中。本方法和其各种实施例有助于实现这种工件堆叠结构的有效能束焊接。
此处所述的板件在示例性实施例中可以用铜或铝构造。铜具有比铝(660℃)显著地更高的熔化温度(1080℃)。另外，一些板件可以相对于用在同一工件堆叠结构中的其他板件更薄。不同熔化温度和薄板件的存在可对成功的能束焊接带来独特的困难。这些困难也可通过本方法解决。
具体说，本文公开一种用于对多层工件堆叠结构进行能束焊接的方法。该方法包括将第一板件定位为邻近第二板件；和随后将第三板件定位为邻近第二板件，从而通过三个板件限定出单个共同焊接界面。随后通过将能束引导到该单个共同焊接界面上或沿该单个共同焊接界面引导而形成熔接焊接，持续经校准的时间。
在一个实施例中，第三板件可以沿其边缘中的一个限定出凸缘部分。在另一实施例中，第三板件可以限定出接片部分。凸缘部分可以被置于沿单个共同的焊接界面直接接触第一板件，通过将凸缘部分包在第一板件的边缘周围或通过将凸缘部分置于第一板件的表面上，这取决于实施例。接片部分可以插入到通过第二板件限定的槽口以便在单个共同焊接界面处接触第一板件。在另一实施例中，一些板件可以限定出允许第一和第三板件被置于彼此邻近的凹槽或切槽，而不管是否存在任何干涉板件。
多层板件工件堆叠结构可以可选地配置为电池模块。在这样的实施例中，第一板件可以是电池模块的导电总线或互连构件，且第二和第三板件可以是同一电池模块的不同电池接片。
还公开一种经焊接的组件。经焊接的组件包括第一板件、定位为邻近第一板件的第二板件和定位为邻近第二板件的第三板件。具有单个共同焊接界面的工件堆叠结构通过第一、第二和第三板件限定。熔接焊接使用能束形成，其将第一、第二和第三板件沿单个共同焊接界面连结。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是示例性电池模块形式的多层板件工件堆叠结构的示意性端视图，其中工件堆叠结构具有在电池模块一侧上的单个共同焊接界面。
图2是在一个实施例中的多层板件工件堆叠结构的示意性侧视图，所述工件堆叠结构具有限定出用于形成单个共同焊接界面的凸缘部分的板件。
图3是在另一实施例中的多层板件工件堆叠结构的示意性侧视图，具有带槽口的板件，槽口用于接收另一板件的接片部分，以形成单个共同焊接界面。
图4是多层板件工件堆叠结构的示意性侧视图，其具有限定出另一凸缘部分的板件。
图5是在又一实施例中的经焊接的多层板件工件堆叠结构的示意性平面图，其具有带凹槽的板件，用于形成单个共同焊接界面。
图6是描述用于对多板件工件堆叠结构进行能束焊接的方法的流程图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记指示相同的部件，在图1中显示了经焊接的组件10作为可以用在汽车、工业、家庭或各种其他应用的类型的示例性电池模块。用多层板件叠放或工件堆叠结构构造的其他多件式组件，即三层或更多板件，可以经由本方法形成，图1的电池模块仅出于说明的目的而被使用。
示例性的电池模块可以配置为是可充电的锂离子聚合物电池，但其并不限于这样的设计。在一个实施例中，电池模块可以配置为提供电压输出，其足够用于对混合动力电动车(HEV)、电动车(EV)、增程式电动车(EREV)等上的一个或多个牵引电动机(未示出)提供电力，例如大约300到400VDC或更高，取决于应用情况。这种水平对于仅电(EV)推进模式来说是常见的。
电池模块可以包括一个或多个电化学电池电芯(未示出)，其具有板件116和18，例如在所示实施例中的电极延伸部或电池接片。板件116、18可以定位为在电池壳体中彼此邻近，出于简明的目的在图1中仅示出了所述壳体的上部分或互相连接的板19。互相连接板19可以限定出板件116和18可延伸穿过的孔15。在一个实施例中，板件116和18可以由不同于互相连接构件20的材料构造。
任何数量的板件(不管经焊接的组件10的属性如何)可以“堆叠”或以其他方式定位为彼此邻近，以形成单个共同焊接界面25，即使存在一个或多个其他焊接界面125也是如此。用于实现其的两种可行示例性构造是开槽的设计-即经焊接的组件10的一侧11上所示的常规工件堆叠结构222(更多的详细内部描述参见图3)，和法兰板设计——侧13上所示工件堆叠结构122(也参见图2)，且限定出单个共同焊接界面25。
具有任一设计的板件116、18可以能束焊接到另一板件12，例如图1所示的示例性电池实施例的导电总线或互连构件20的一部分。在可行实施例中，板件12可以连结到另一板件14，例如互相连接构件20的底面。出于简明的目的，本文描述了三件式工件堆叠结构122和222，即板件12、116和18，但是多于三个的板件可以用于形成工件堆叠结构122、222，如本领域技术人员所理解的。
参见图2，工件堆叠结构122可以使用图1的一侧13上所示的法兰设计形成。工件堆叠结构122可以包括板件116和18，且每一个的一部分定位为邻近板件12，以限定单个共同焊接界面25。如在本文使用的，该术语是指每一个板件116、18和12共享或共同的焊接界面。板件12可以在一些构造方面比板件116和18实质地更厚，例如在板件12是图1的互相连接构件20的一部分且板件116和18是电池接片时。
能束源24(例如掺杂钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)类型的激光装置、红外线激光装置、电子束枪、或其他合适的能束源定位为邻近工件堆叠结构122，例如在板件12、18和16的共同端部26。能束源24产生从共同端部26照射工件堆叠结构122目标区域的能束27。
在图2所示的实施例中，板件18可以置于紧邻板件12。板件16可以具有凸缘部分78，其可以绕板件18的边缘21弯曲，如所示的，以由此在或沿单个共同焊接界面25倚靠或直接地接触板件12。这样的实施例允许形成单个共同焊接界面25而没有板件18的形成或成形。再次地，板件12、16和18可以是任何经焊接的组件的一部分，而不仅仅是图1所示的示例性经焊接的组件10的一部分。凸缘部分78的另一可行构造参考图4在下文描述。
参见图3，替换的工件堆叠结构222可以包括板件118，其限定出开口或槽口31。替换地构造的板件216的接片部分37可以插入到槽口31中，直到接片部分37在单个共同焊接界面25处倚靠或接触板件12。从共同端部26的角度看，因此如图2所示的实施例那样限定出单个共同焊接界面25。
在给定板件具有比另一板件更高的熔化温度的实施例中，具有较低熔化温度的板件可以被置于进一步远离能束源24，例如距具有较低熔化温度的板件一距离或尺寸(箭头33)。例如，板件216在其用铜(具有大约1080℃的熔化温度)构造时可以在板件118用铝(具有大约660℃的熔化温度)构造时距板件118一距离(箭头33)。
这种相对定位可以允许来自能束(箭头27)的焊接能量焊接板件118而总的能量保持很高。在能束的能量在工件堆叠结构222中消耗时，可以使用较少量的能束的能量将板件216焊接到板件12。通过部分地基于板件216、118和12的构造材料仔细选择所述尺寸(箭头33)，且通过沿单个共同焊接界面25(而不是如跨多个不同焊接界面的搭接接头那样)从共同端部26形成熔接焊接部，能束焊接能有效地用于工件堆叠结构222。
参见图4，另一工件堆叠结构322可以用板件12、18和替代地构造的板件316形成。板件316限定出凸缘部分178，该凸缘部分可以包围板件12的边缘23。能束源24将能束(箭头27)引导到单个共同焊接界面25中。小间隙50可以存在于板件18的边缘21和凸缘部分178之间，以允许能束27到达单个共同焊接界面25，所述单个共同焊接界面可以是板件12、18和316相遇的点或区域。间隙50的尺寸在图4中出于清楚说明的目的而被夸大，间隙50的实际尺寸可能随设计变化。
参见图5，多个板件12、416和218的平面图显示了此外的另一可行实施例。板件12、218和416可以如所示地构造，且随后堆叠以形成工件堆叠结构422。板件218和416可以限定凹槽60，例如通过冲压或切削并取出材料而形成的矩形或正方形凹槽。如图5所示，板件416可以在邻近板件12的顶部堆叠并由此定位为和其邻接，且板件218也可以类似地在板件416的顶部堆叠。能束源24可被控制为将能束(箭头27)引导到通过板件12、218和416限定的单个共同焊接界面25处。这可以发生在所示的对接焊过程中。替换地，能束源24可以定位为将能束沿垂直于工件堆叠结构422的平面的方向引导到单个共同焊接界面25中，即搭接接头焊接。凹槽60的大小和形状可以取决于应用情况而变化。
参见图6，用于对多层板件工件堆叠结构进行能束焊接的方法100在步骤102开始。在该步骤中，第一板件定位为邻近第二板件。例如，在图2和4所示的实施例中，板件12可以置于邻近板件18。在图3所示的实施例中，板件12可以置于邻近板件118。方法100随后前进到步骤104。在图5所示的实施例中，板件12可以置于邻近板件416。
在步骤104，方法100可以包括将第三板件定位为邻近第一板件。例如，在图2所示的实施例中，板件116的凸缘部分78可以置于邻近板件12，而在图3的实施例中，板件216的接片部分37可以插入到板件118的槽口31中，且由此置于邻近板件12。在图4的实施例中，凸缘部分178可以通过将凸缘部分178包围或定位在板件12的边缘23周围而被置于邻近板件12。在图5的实施例中，板件218可以由于板件416中凹槽60的存在而被置于邻近板件12。即板件416中的凹槽60从板件12和218之间移除了足够量的介入材料，由此在单个共同焊接界面25处将这些板件置于彼此邻近。方法100随后前进到步骤106。
步骤106可以包括将能束27(参见图2和3)引导到单个共同焊接界面25，持续充分的时间，以在或沿单个共同焊接界面25形成熔接焊接部。工件堆叠结构122、222、322和422的可能的各种材料构造分别如上所述。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于使用能束源对多层板件工件堆叠结构进行能束焊接的方法，包括：
将第一板件定位为邻近第二板件；
将第三板件定位为邻近第二板件，从而通过第一、第二和第三板件在工件堆叠结构中限定出单个共同焊接界面；
将能束源定位为邻近第一、第二和第三板件的共同端部；和
将来自能束源的能束引导到单个共同焊接界面上，持续充分的时间，以沿单个共同焊接界面形成熔接焊接部。
2.如权利要求1所述的方法，其中第三板件限定出凸缘部分和槽口中的一个，所述凸缘部分和槽口中的一个接收第二板件的接片部分，且其中将第三板件定位为邻近第二板件包括以下相应的一个步骤：
将凸缘部分沿单个共同焊接界面置于直接接触第一板件；和
将接片部分插入到槽口从而接片部分沿单个共同焊接界面接触第一板件。
3.如权利要求2所述的方法，包括凸缘部分，其中将凸缘部分置于直接接触第一板件包括将凸缘部分绕第一板件和第二板件中的一个的边缘包围。
4.如权利要求1所述的方法，其中引导能束包括引导激光束和离子束中的一种。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定第二板件和第三板件中哪一个具有相对于另一个更高的熔化温度；
将具有更高的熔化温度的板件定位为距能束源第一距离；和
将具有较低熔化温度的板件定位为距能束源第二距离，其中第一距离小于第二距离。
6.一种使用能束源对电池模块进行能束焊接的方法，其中电池模块包括互连构件，第一电池接片和第二电池接片，方法包括：
将互连构件定位为邻近第一电池接片；
将第二电池接片定位为邻近第一电池接片从而通过互连构件、第一电池接片和第二电池接片限定出单个共同焊接界面；
将能束源定位为邻近互连构件、第一电池接片和第二电池接片的共同端部，和
将来自能束源的能束引导到所述焊接界面上，持续充分的时间，以沿单个共同焊接界面形成熔接焊接部。
7.如权利要求6所述的方法，其中第一电池接片限定出凸缘部分和槽口中的一个，且其中将第二电池接片定位为邻近第一电池接片包括以下相应的一个步骤：
将凸缘部分沿单个共同焊接界面置于直接接触互连构件；和
将接片部分插入到槽口从而接片部分沿单个共同焊接界面接触互连构件。
8.如权利要求6所述的方法，其中引导能束包括引导激光束和离子束中的一种。
9.如权利要求8所述的方法，包括引导激光束，其中引导激光束包括引导以下之一：掺杂钕的钇铝石榴石(Nd：钇铝石榴石)类型的激光和红外线激光装置。
10.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
确定第一和第二电池接片哪一个具有更高的熔化温度；
将具有更高的熔化温度的电池接片定位为距能束源第一距离；和
将具有较低熔化温度的电池接片定位为距能束源第二距离，其中第一距离小于第二距离。
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