CN103097073A - 激光切断方法 - Google Patents

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Abstract

通过对厚度和熔点互不相同的一对板材照射激光来进行切断的激光切断方法，该方法具备以下步骤：板材配置步骤，以使上述一对板材中的熔点低的板材的激光照射面的相反面比熔点高的板材的激光照射面的相反面突出的方式，并排地配置一对板材；焦点调整步骤，使激光的焦点位置对准于上述一对板材中的熔点高的板材的激光照射面的相反的背面；以及板材切断步骤，照射激光，保持相对于上述一对板材的激光的焦点位置并通过一系列动作切断上述一对板材。

Description

激光切断方法
技术领域
本发明涉及利用激光切断被加工物的激光切断方法。
背景技术
以往，已知一种对被加工物照射会聚的激光来熔化并切断被加工物的激光切断方法。在JP2001-176501A中公开了对一种对层叠型电池的电极进行激光切断的方法。在JP2001-176501A中，被加工物是在表面涂敷活性物质来构成电极的集电体。与通过冲压来进行切断的情况相比，在激光切断的情况下能够抑制由冲压型具的磨损等导致的产生毛刺。
发明内容
另外，一般地，在通过激光切断来切断厚度不同的一对板材的情况下，需要与板材的厚度相应地变更切断条件，以适应各板材的切断条件来进行激光切断。因此，为了连续地切断厚度不同的一对板材，有可能额外花费用于变更切断条件的时间。
本发明是着眼于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制切断时的毛刺高度，并且能够缩短厚度不同的一对板材的加工时间的激光切断方法。
为了达成上述目的，根据本发明的某个方式，通过对厚度和熔点各不相同的一对板材照射激光来进行切断的激光切断方法包括：以使一对板材中的熔点低的板材的激光照射面的相反面比熔点高的板材的激光照射面的相反面突出的方式，并排地配置一对板材，使激光的焦点位置对准于上述一对板材中的熔点高的板材的激光照射面的相反的背面，照射激光，并且在保持相对于一对板材的激光的焦点位置的同时通过一系列的动作进行切断。
下面，参照所附附图对本发明的实施方式、本发明的优点进行详细地说明。
附图说明
图1是表示使用本发明的一个实施方式的激光切断方法的激光切断装置的结构图。
图2是图1的激光切断装置中的加工头附近的放大图。
图3A是对本发明的一个实施方式的激光切断方法的板材配置步骤进行说明的图。
图3B是对本发明的一个实施方式的激光切断方法的焦点调整步骤进行说明的图。
图3C是对本发明的一个实施方式的激光切断方法的板材切断步骤进行说明的图。
图3D是对本发明的一个实施方式的激光切断方法的气体吹喷步骤进行说明的图。
图4是表示激光焦点位置的变化对毛刺高度的影响的曲线图。
图5A是表示激光焦点位置的变化对切口宽度的影响的曲线图。
图5B是说明切口宽度的图。
图6是表示辅助气体的气压的变化对最大毛刺高度的影响的曲线图。
具体实施方式
首先，参照图1和图2对作为被加工物的具有正极电极片11a和负极电极片12a的层叠型电池10进行说明。
将正极电极11和负极电极12隔着作为多孔质膜的隔膜(省略图示)进行层叠，并与电解质一起收纳到层压包15的内部，由此形成层叠型电池10。层叠型电池10是锂离子二次电池等层压型的电池。
正极电极11具备涂敷有正极活性物质(省略图示)的正极集电箔(省略图示)和与正极集电箔相接合的正极电极片11a。正极活性物质例如包括钴酸锂、锰酸锂等锂过渡金属氧化物。正极集电箔例如由铝等金属形成。
如图2所示，正极电极片11a是具有照射激光的激光照射面11b和激光照射面11b的相反面11c的板材。在此，正极电极片11a由比正极集电箔厚0.4[mm]的铝形成。
负极电极12具备涂敷有负极活性物质(省略图示)的负极集电箔(省略图示)和与负极集电箔相接合的负极电极片12a。负极活性物质例如包括硬碳、石墨等碳材料。负极集电箔例如由铜等金属形成。
如图2所示，负极电极片12a也同样是具有照射激光的激光照射面12b和激光照射面12b的相反面12c的板材。在此，负极电极片12a由比负极集电箔厚0.2[mm]的铜形成。
正极电极片11a和负极电极片12a的厚度和熔点互不相同。具体地说，负极电极片12a形成为比正极电极片11a薄。另外，与由铝形成的正极电极片11a相比，由铜等形成的负极电极片12a的熔点高。
将正极电极片11a和负极电极片12a平行地设置，使得激光照射面11b与激光照射面12b在同一水平面。换句话说，将正极电极片11a和负极电极片12a平行地设置，使得与熔点相对高的负极电极片12a的相反面12c相比，熔点相对低的正极电极片11a的相反面11c为向图中下方突出的状态。这些正极电极片11a和负极电极片12a相当于一对板材。
接着，参照图1和图2对使用本发明的实施方式所涉及的激光切断方法的激光切断装置100进行说明。
激光切断装置100对正极电极片11a和负极电极片12a照射会聚的激光而使它们熔化并进行切断。激光切断装置100具备载置层叠型电池10的载置台20、提供激光的激光提供装置30、照射激光的加工头40以及使加工头40在两个方向上移动的XY工作台50。
载置台20具有用于载置层叠型电池10的上表面21。载置台20形成为如下的尺寸：当载置有层叠型电池10时仅保持层压包15，使正极电极片11a和负极电极片12a暴露到外部。
激光提供装置30具备产生激光振荡的激光振荡器31和传输激光的光纤32。
激光振荡器31输出通过光纤自身振荡产生的光纤激光。由激光振荡器31振荡产生的激光是激光的能量分布为单模的高能量密度的单模光纤激光。单模光纤激光的光束质量高且聚光性优良，因此适于精细加工。
光纤32将激光振荡器31与加工头40相连接。激光振荡器31振荡产生的激光从光纤32中通过并传输到加工头40。
如图2所示，加工头40具备在主体41的内部同轴排列的准直透镜42和聚光透镜43。由光纤32传输来的激光当通过准直透镜42时成为平行光线，当通过聚光透镜43时向焦点会聚。在加工头40的前端形成喷嘴44，从喷嘴44向外部照射激光。
如图1所示，加工头40被保持在XY工作台50上。XY工作台50具备X轴51和Y轴52，其中，该X轴51使加工头40沿着正极电极片11a和负极电极片12a的宽度方向移动，该Y轴52使加工头40沿着正极电极片11a和负极电极片12a的长度方向移动。由此，加工头40能够一边保持相对于正极电极片11a和负极电极片12a的激光的焦点位置、一边进行平行移动。
在此，在将加工头40设置为能够沿着高度方向移动的情况下，加工头40的高度方向的移动误差有可能对激光的焦点位置造成影响。因此，加工头40被固定为不能沿着高度方向移动。由此，加工头40为固定光学系统，能够防止由于加工头40在高度方向移动时的移动误差导致激光的焦点位置发生偏离。另外，可以不设置用于使加工头40在高度方向移动的机构，因此能够简化设备，从而实现成本降低。
另外，激光切断装置100具备提供辅助气体的气体提供装置60，该辅助气体与激光同轴地喷向正极电极片11a和负极电极片12a。
气体提供装置60具备气罐61和配管62，该气罐61积存被压缩后的高压的气体，该配管62将气罐61与加工头40相连接。
在气罐61中填充有用于辅助激光切断的辅助气体。气罐61经由配管62与加工头40相连接，来对加工头40提供辅助气体。
在此，辅助气体是压缩空气。辅助气体被吹喷到要进行激光切断的部分，来吹散并去除熔化蒸发后的气体。由此，能够抑制熔化物附着到被加工部。根据要切断的材料的不同而选择性使用辅助气体。作为辅助气体，可以使用氧、氮或者氩等。
接着，主要参照图3A至图3D来说明激光切断装置100的激光切断方法。
首先，在载置台20的上表面21上载置层叠型电池10，以使正极电极片11a的激光照射面11b与负极电极片12a的激光照射面12b在同一水平面的方式来平行地排列配置一对板材(板材配置步骤#101)。在此，层叠型电池10形成为使激光照射面11b与激光照射面12b在同一水平面上，因此仅通过载置在载置台20的上表面21就完成配置。
接着，进行调整，以使从加工头40照射的激光的焦点位置与负极电极片12a的背面12c一致。即，使激光的焦点位置对准于正极电极片11a和负极电极片12a中的厚度薄的一方的激光照射面12b的相反的背面12c(焦点调整步骤#102)。通过在光轴方向(图2中的上下方向)上调整加工头40的固定位置，或者在光轴方向上调整聚光透镜43的固定位置，能够调整激光的焦点位置。在此，加工头40是固定光学系统，如果将层叠型电池10载置在载置台20的上表面21上，则激光的焦点位置对准负极电极片12a的背面12c。
接着，在从加工头40照射激光的状态下驱动XY工作台50，使加工头40进行平行移动。具体地说，一边保持对于正极电极片11a和负极电极片12a的激光的焦点位置、一边移动加工头40。在此，激光的输出被设定为300[W(瓦)]。
参照图1，加工头40沿着X轴51的方向移动，来连续地对正极电极片11a和负极电极片12a进行激光切断(板材切断步骤#103)。由此，将正极电极片11a和负极电极片12a切断成为期望的长度。
此时，与从加工头40照射的激光一起，将来自气体提供装置60的辅助气体向正极电极片11a和负极电极片12a吹喷(气体吹喷步骤#104)。在使辅助气体的提供条件保持固定的状态下连续地对正极电极片11a和负极电极片12a进行激光切断。以1.5[MPa]的压力来提供辅助气体。
正极电极片11a和负极电极片12a中因照射激光而熔化的部分的熔化金属(切断生成物)被辅助气体吹散。由此，能够抑制金属熔化物附着于切断部。
此外，在本实施方式中连续地进行激光切断意味着，在使激光的输出和辅助气体的提供条件保持固定状态下的一系列动作过程中，来切断正极电极片11a和负极电极片12a。
下面，参照图4至图6说明本发明的实施方式所涉及的激光切断方法的作用。
在图4中，横轴是将激光照射面11b和激光照射面12b设为零时的激光的焦点位置[mm]，纵轴是由于进行激光切断而产生的毛刺的高度[μm]。图4中的点划线表示激光的焦点位置为-0.2[mm]时。
正极电极片11a形成为比正极集电箔厚，负极电极片12a形成为比负极集电箔厚。因此，与对正极集电箔和负极集电箔进行激光切断的情况相比，在对正极电极片11a和负极电极片12a进行激光切断的情况下容易产生毛刺。
图4的曲线中的两条曲线分别表示与正极电极片11a和负极电极片12a的激光的焦点位置对应的毛刺高度[μm]。如图4所示，当正极电极片11a的激光的焦点位置从0[mm]变为-0．5[mm]左右时，毛刺高度为零，高度最小。另一方面，当负极电极片12a的激光的焦点位置为-0.2[mm]左右时，毛刺高度最小。
在此，使焦点位置对准负极电极片12a的背面12c，因此焦点对准自从激光照射面12b偏离了负极电极片12a的厚度量的-0.2[mm]的位置。根据图4的曲线可知，关于正极电极片11a和负极电极片12a这两者，激光的焦点位置为-0.2[mm]时的毛刺高度被抑制得最小。
这是由于，与使激光焦点位置对准于正极电极片11a和负极电极片12a的上表面的情况相比，通过使激光的焦点位置对准于负极电极片12a的背面12c能够抑制在正极电极片11a与负极电极片12a的板厚间发生激光散射。
由此，能够抑制散射的激光超过需要地熔化正极电极片11a和负极电极片12a而使切断面粗糙。因而，能够抑制切断正极电极片11a和负极电极片12a时产生的毛刺的高度。
基于以上说明，在使激光的焦点位置对准于负极电极片12a的背面12c的情况下，能够对于正极电极片11a和负极电极片12a二者来将毛刺高度抑制到最小。由此，能够在使激光的焦点位置保持固定的状态下连续地对厚度互不相同的正极电极片11a和负极电极片12a进行激光切断。因而，不需要在激光切断的中途变更激光的切断条件，能够使对厚度不同的正极电极片11a和负极电极片12a的加工时间缩短。
另外，如图4中的点线所示，关于正极电极片11a，在激光的焦点位置为-0.6[mm]至0.4[mm]的范围内能够将毛刺高度抑制在容许范围内，当超过该范围时，毛刺高度急剧变大，从而不能将毛刺高度抑制在容许范围内。如果不能将毛刺高度抑制在容许范围内，则有可能无法切断正极电极片11a。基于该结果，能够考虑使正极电极片11a的板厚的厚度为0.4[mm]时的激光的焦点位置的裕度(以下称为“焦点裕度”)为-0.6[mm]至0.4[mm]的范围，焦点裕度的宽度为1.0[mm]。
另一方面，如图4中的虚线所示，关于负极电极片12a，在激光的焦点位置为-0.4[mm]至0.2[mm]的范围内能够将毛刺高度抑制在容许范围内，如果超过该范围则毛刺高度急剧变大，从而不能将毛刺高度抑制在容许范围内。如果不能将毛刺高度抑制在容许范围内，则有可能无法切断负极电极片12a。基于该结果，能够考虑使负极电极片12a的板厚的厚度为0.2[mm]时的焦点裕度为-0.4[mm]至0.2[mm]的范围，焦点裕度的宽度为0.6[mm]。
在此，焦点裕度的宽度随着电极片的熔点和板厚发生变化。具体地说，电极片的熔点越高且板厚越厚，越难以切断，因此焦点裕度的宽度变窄。
在本实施方式的情况下，正极电极片11a的焦点裕度的宽度比负极电极片12a的焦点裕度的宽度宽。因而，在负极电极片12a的焦点裕度的范围内进行激光切断的情况下，能够使正极电极片11a的板厚比当前的0.4[mm]厚。
具体地说，焦点裕度的宽度与板厚是成比例关系，因此当将正极电极片11a的焦点裕度的宽度从1.0[mm]变为0.6[mm]时，能够将正极电极片11a的板厚变厚至1.67(=1.0/0.6)倍。即，能够将正极电极片11a的板厚变厚至0.67[mm](=0.4[mm]×1.67)。
因而，在正极电极片11a用铝形成、负极电极片12a用铜形成的情况下，当在负极电极片12a的焦点裕度的范围进行激光切断时，即使将正极负极片11a的板厚的厚度变厚至负极电极片12a的板厚的厚度的3.3(=0.67[mm]/0.2[mm])倍，也能够在抑制毛刺高度并且切断正极电极片11a。
这样，在通过一系列动作对熔点不同的两种板材进行激光切断的情况下，能够与熔点高的板材的焦点裕度的宽度相应地设定熔点低的板材的板厚的厚度的最大值。
在图5A中，横轴是将激光照射面11b和激光照射面12b设为零时的激光的焦点位置[mm]，纵轴是与激光的焦点位置的变化对应的切口宽度[μm]。
如图5B所示，切口宽度是在激光切断中切下的部分的宽度。切口宽度越小，进行激光切断时的熔化金属的生成量越少，越能够进行高精度的加工。
图5A的曲线上的标记(plot)表示相对于激光的焦点位置的负极电极片12a的切口宽度[mm]。激光的焦点位置为0[mm]的状态是激光的焦点位置对准于负极电极片12a的激光照射面12b的状态。如图5A所示，当激光的焦点位置为0[mm]时，切口宽度大约为45[μm]，宽度较大。当切口宽度变大时，认为散射的激光超出需要地熔化负极电极片12a，切断面粗糙，因此毛刺高度变高。
与此相对地，当激光的焦点位置为-0.2[mm]时，负极电极片12a的切口宽度最小。这与使激光的焦点对准于负极电极片12a的相反面12c时一致。由此，当使激光的焦点位置对准于负极电极片12a的激光照射面12b的相反面12c时，能够使负极电极片12a的切口宽度最小。
在图6中，横轴是由气体提供装置60提供的辅助气体的气压[MPa]，纵轴是与气压的变化对应的最大毛刺高度[μm]。
一般地，在铝的激光切断中，与氧气相比更适合惰性气体，在铜的激光切断中适合氧气。由此，当对铝制的正极电极片11a和铜制的负极电极片12a连续进行加工时，期望在中途变更辅助气体的种类、压力等条件。
与此相对地，在本实施方式所涉及的激光切断方法中，作为单一的辅助气体，使用至少被高压压缩成为1.5[MPa]以上的空气。图6的曲线中的标记表示使气压从1.5[MPa]变为2．0[MPa]时的最大毛刺高度[μm]。图6的曲线中的涂白的标记表示铝制的正极电极片11a的最大毛刺高度，涂黑的标记表示铜制的负极电极片12a的最大毛刺高度。
根据图6的曲线可知，如果将气压设定为至少1.5[MPa]以上，则能够对于铝制的正极电极片11a和铜制的负极电极片12a二者抑制最大毛刺高度。由此，即使使用压缩空气来作为辅助气体，也能够抑制在铜制的负极电极片12a中产生毛刺。
认为这是由于通过将压缩空气变为高压来使所提供的氧气的绝对量増加。另外，空气中大约80%是作为惰性气体的氮，因此能够抑制在铝制的正极电极片11a中产生毛刺。并且，压缩空气为1.5[MPa]以上的高压，因此通过吹喷压缩空气能够吹散铝或者铜的熔化金属，从而能够抑制在激光切断时产生毛刺。
基于以上说明，不变更辅助气体的条件，就能够以相同的条件连续地对正极电极片11a和负极电极片12a进行加工。通过使用单一的辅助气体，能够缩短加工时间，并且能够简化设备。另外，与使用稀有气体等的情况相比，通过使用压缩空气能够抑制经营成本。
根据以上的实施方式，发挥以下所示的效果。
与使激光焦点位置对准于正极电极片11a和负极电极片12a的上表面的情况相比，通过使激光的焦点位置对准于与正极电极片11a相比板厚薄、熔点高的负极电极片12a的相反面12c，能够抑制正极电极片11a与负极电极片12a的板厚间的激光散射。
由此，能够抑制散射的激光超过需要地熔化正极电极片11a和负极电极片12a而使切断面粗糙，并且能够连续地对厚度互不相同的正极电极片11a和负极电极片12a进行激光切断。因而，能够抑制切断时的毛刺高度，并且能够使厚度不同的正极电极片11a和负极电极片12a的加工时间缩短。
以上，通过特定的实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施方式。对于本领域技术人员来说，在本发明的技术范围内能够对上述实施方式施加各种修正或者变更。
例如，在上述本发明的实施方式中，通过驱动XY工作台50使加工头40进行移动，但也可以固定加工头40，使载置台20相对于加工头40进行平行移动。
关于以上说明，通过引用以2010年10月19日为申请日的日本特愿2010-234722号的内容而将其编入本发明。

Claims (7)

1.一种激光切断方法，通过对厚度和熔点互不相同的一对板材(11a、12a)照射激光来进行切断，该方法包括以下步骤：
板材配置步骤，以使上述一对板材(11a、12a)中的熔点低的板材(11a)的激光照射面(11b)的相反面(11c)比熔点高的板材(12a)的激光照射面(12b)的相反面(12c)突出的方式，并排地配置上述一对板材(11a、12a)；
焦点调整步骤(#102)，使激光的焦点位置对准于上述一对板材(11a、12a)中的熔点高的板材(12a)的激光照射面(12b)的相反面(12c)；以及
板材切断步骤(#103)，照射激光，并且在保持相对于上述一对板材(11a、12a)的激光的焦点位置的同时通过一系列动作来切断上述一对板材(11a、12a)。
2.根据权利要求1所述的激光切断方法，其特征在于，
与上述一对板材(11a、12a)中的熔点高的板材(12a)的焦点裕度相应地设定熔点低的板材(11a)的板厚的最大值，熔点高的板材(12a)的焦点裕度的宽度越窄，熔点低的板材(11a)的板厚的最大值越小。
3.根据权利要求2所述的激光切断方法，其特征在于，
上述一对板材(11a、12a)中的熔点低的板材(11a)是铝板，熔点高的板材(12a)是铜板，
将熔点低的板材(11a)的板厚的最大值设定为熔点高的板材(12a)的板厚的3.3倍。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的激光切断方法，其特征在于，
在上述焦点调整步骤之前，还具备板材配置步骤(#101)，在该板材配置步骤中，以使上述一对板材(11a、12a)各自的上述激光照射面(11b、12b)为同一面的方式，并排地配置上述一对板材。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光切断方法，其特征在于，
还具备气体吹喷步骤(#104)，在该气体吹喷步骤中，为了辅助利用激光进行的切断，在照射激光的同时向上述一对板材(11a、12a)吹喷辅助气体，
在提供上述辅助气体的状态下连续地切断上述一对板材(11a、12a)。
6.根据权利要求5所述的激光切断方法，其特征在于，
在使上述辅助气体的提供条件保持固定的状态下连续地切断上述一对板材(11a、12a)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的激光切断方法，其特征在于，
上述一对板材(11a、12a)中的熔点低的板材(11a)是层叠型电池(10)的正极电极片(11a)，熔点高的板材(12a)是上述层叠型电池(10)的负极电极片(12a)，
上述正极电极片(11a)和上述负极电极片(12a)形成为比形成上述层叠型电池(10)的电极的集电箔厚。
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