CN104117776A - 高反射金属部件的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于激光技术领域，公开了高反射金属部件的激光焊接方法，用于焊接由高反射金属材料制成的第一连接件和第二连接件，其包括如下步骤：毛化处理步骤，对第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面进行毛化处理，并在第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面形成毛化结构和氧化薄膜层；装夹步骤，用夹具夹紧第一连接件和第二连接件；激光焊接步骤，采用激光焊接设备朝向毛化结构和氧化薄膜层照射激光，并使第一连接件与第二连接件连接形成一焊接组件；取出步骤，松卸夹具并取出焊接组件。其成功解决了现有采用激光焊接技术焊接高反射金属部件时激光反射率高、焊接能量高、焊接质量差的问题。

Description

高反射金属部件的激光焊接方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及高反射金属部件的激光焊接方法。
背景技术
国际油价的飞速上涨和全球气候的异常变化，导致人们对能源安全和环境保护均给予了高度重视，且人们已将能源危机和环境污染列为了两个需要解决的社会难题。而燃油汽车的大量应用已被视为造成能源危机和环境污染的主要原因之一，故，为了减少燃油汽车的应用，相关技术人员提出了大力发展电动车以采用电动车代替燃油汽车的方案，并取得了能源多样化、减少污染和提高能源利用率的效果。
电池是电动车的能源部件，其是影响电动车性能的关键部件。由于单体电池的容量有限，故，单体电池难以满足电动车的能源容量设计要求。而为了获得更高的能源容量，一般是通过将多个电池通过串联和/或并联连接成电池组的方式实现的。多个电池之间的串联和/或并联，一般通过在多个电池之间焊接电池连接片的方式实现。传统技术中，常采用电阻点焊的方法来进行焊接电池连接片与电池的电极片，但电阻点焊方法在具体应用中存在耗电量高、电极磨损严重等不足之处。
为了解决电阻点焊方法中存在的问题，现有技术中，提出了采用激光焊接方法代替电阻点焊的方法。然而现有采用激光焊接技术焊接电池连接片与电极片的方案，在具体应用中仍存在以下不足之处：电池正负极的材质一般为铜或铝、电池连接片的材质一般也为铜或铝，而由于铜和铝均具有反射率高、导热快的特点，故导致了激光焊接电池连接片与电极片操作过程比较困难，且焊接过程需要输出的能量较多，同时，容易造成由于不同位置反射率差异而引起的焊接差异(如焊穿、虚焊等不良现象)。
而为了降低铝材和铜材对激光的反射率，相关技术人员提出了在铝材和铜材上镀设一层镍的方案，其虽然起到了有效降低激光焊接过程中激光的反射率的效果，但是，其引发了以下两个问题的出现：一方面由于镀镍工序复杂、工序时间长，故，其复杂化了电池的串联、并联过程，延长了电池串联、并联生产时间；另一方面镍的材料成本较高，故导致了电池的串联、并联生产成本大幅度提升。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了高反射金属部件的激光焊接方法，其旨在解决现有激光焊接高反射金属部件反射率高、焊接能量高、焊接质量差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：高反射金属部件的激光焊接方法，用于焊接由高反射金属材料制成的第一连接件和第二连接件，其包括如下步骤：
毛化处理步骤，对所述第一连接件的焊接表面和/或所述第二连接件的焊接表面进行毛化处理，并在所述第一连接件的焊接表面和/或所述第二连接件的焊接表面形成可加大表面粗糙度的毛化结构和可提高激光吸收率的氧化薄膜层；
装夹步骤，用夹具夹紧固定所述第一连接件和所述第二连接件；
激光焊接步骤，采用激光焊接设备朝向所述毛化结构和所述氧化薄膜层照射激光进行焊接所述第一连接件和所述第二连接件，并使所述第一连接件与所述第二连接件连接形成一焊接组件；
取出步骤，松卸所述夹具并取出所述焊接组件。
具体地，所述第一连接片为用于串联和/或并联多个电池的电池连接片，所述第二连接件为各所述电池的电极片，所述毛化处理步骤为对所述电池连接片的焊接表面进行毛化处理，并在所述电池连接片的焊接表面上形成所述毛化结构和所述氧化薄膜层。
具体地，所述装夹步骤中，先使所述电池连接片以所述毛化结构和所述氧化薄膜层背对所述电极片的方式压于所述电极片上，然后再采用所述夹具分别夹持固定所述电池连接片和各所述电池。
更具体地，所述电池包括电极片和凸设于所述电极片上的极柱，所述电池连接片上贯穿设有多个供所述极柱穿设的避让孔，所述装夹步骤中，先将所述多个电池两两相对排列为两列，然后再将所述电池连接片搭架于所述两列电池上，并使所述电池连接片以所述毛化结构和所述氧化薄膜层背对所述电极片的方式压于所述电极片上、使所述极柱穿设于所述避让孔内，最后再采用所述夹具分别夹持固定所述电池连接片和各所述电池。
优选地，所述毛化结构为细条纹结构或网格结构。
优选地，所述毛化结构采用激光打标机进行打标毛化形成，所述氧化薄膜层由所述激光打标机激光打标过程中释放的热量氧化形成。
优选地，所述激光打标机采用交叉填充的方式形成所述网格结构。
优选地，所述激光打标机的额定输出功率为20W。
优选地，所述焊接步骤包括依次进行的第一焊接阶段、第二焊接阶段和第三焊接阶段，所述第二焊接阶段输出的激光功率为所述第一焊接阶段输出的激光功率的百分之七十，所述第三焊接阶段输出的激光功率为所述第一焊接阶段输出的激光功率的百分之四十。
优选地，所述第一连接件为由铜材或铝材制成，所述第二连接件为由铜材或铝材制成。
本发明提供的高反射金属部件的激光焊接方法，通过在激光焊接步骤之前先进行毛化处理步骤，以通过毛化处理步骤对第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面进行毛化处理并形成毛化结构和氧化薄膜层，这样，一方面通过毛化结构可有效加大第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面的表面粗糙度，从而可有效降低激光的反射率；另一方面通过氧化薄膜层可进一步提高第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面对激光的吸收率，从而使得焊接过程变得非常容易，且提高了焊接的质量良率和稳定性。同时，本发明相对于现有采用镀镍手段进行降低激光发射率的方案，可实现简化焊接工序、提高焊接效率和降低焊接成本的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电池连接片经毛化处理步骤后搭接于电池上的俯视示意图；
图2是本发明实施例提供的电池连接片激光焊接于电池上的主视示意图；
图3是本发明实施例提供的电池连接片的俯视示意图；
图4是图3中A-A的剖面示意图；
图5是本发明实施例提供的高反射金属部件的激光焊接方法的流程示意图；
100-电池连接片；   110-避让孔；   120-焊接表面；   121-毛化结构；
200-电池；         210-电极片；   220-极柱；       230-外壳；
240-绝缘密封垫；   300-焊点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1、图2和图5，本发明实施例提供的高反射金属部件的激光焊接方法，用于焊接由高反射金属材料制成的第一连接件和第二连接件，其包括如下步骤：
毛化处理步骤S1，对第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面进行毛化处理(加大表面粗糙度的处理)，并在第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面形成可加大表面粗糙度的毛化结构3和可提高激光吸收率的氧化薄膜层(图未示)，该步骤主要用于加大第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面的表面粗糙度，从而利于降低第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面的反射率；
装夹步骤S2，用夹具(图未示)夹紧固定第一连接件和第二连接件，该步骤主要用于锁紧固定第一连接件和第二连接件，从而利于防止激光焊接过程中第一连接件和第二连接件发生移位造成焊接质量下降的情形发生；
激光焊接步骤S3，采用激光焊接设备(图未示)朝向毛化结构3和氧化薄膜层照射激光进行焊接第一连接件和第二连接件，并使第一连接件与第二连接件连接形成一焊接组件，该步骤主要用于将第一连接件和第二连接件焊接为一体；
取出步骤S4，松卸夹具并取出焊接组件。
当完成取出步骤S4后，可按毛化处理步骤S1、装夹步骤S2、激光焊接步骤S3和取出步骤S4的顺序循环操作，以进行第一连接件和第二连接件的大批量焊接生产。
本发明提供的高反射金属部件的激光焊接方法，通过在激光焊接步骤S3之前先进行毛化处理步骤S1，以通过毛化处理步骤S1对第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面进行毛化处理并形成毛化结构3和氧化薄膜层，这样，一方面通过毛化结构3可有效加大第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面的表面粗糙度，从而可有效降低激光的反射率；另一方面通过氧化薄膜层可进一步提高第一连接件的焊接表面和/或第二连接件的焊接表面对激光的吸收率，从而使得焊接过程变得非常容易，且提高了焊接的质量良率和稳定性。同时，本发明相对于现有采用镀镍手段进行降低激光发射率的方案，可实现简化焊接工序、提高焊接效率和降低成本的效果。
优选地，第一连接件为由铜材或铝材制成，第二连接件为由铜材或铝材制成。这样，在激光焊接第一连接件和第二连接件前，先进行毛化处理步骤S1，其取得的降低激光反射率、提高激光吸收率、提高激光焊接质量和提高激光焊接稳定性的效果更明显。
请再参照图1至图5，作为本发明的一具体实施例，第一连接片为用于串联和/或并联多个电池200的电池连接片100，第二连接件为电池200的电极片210。采用电池连接片100进行串联和/或并联多个电池200时，是将电池连接片100搭架于各电池200上，并朝向电池连接片100的焊接表面照射激光进行激光焊接的。本实施例中，毛化处理步骤S1具体为对电池连接片100的焊接表面120进行毛化处理，并在电池连接片100的焊接表面120上形成毛化结构121和氧化薄膜层。其由于只对电池连接片100的焊接表面120进行毛化处理步骤S1，故在保证高焊接效率和高焊接质量的前提下，可缩短毛化处理步骤S1的工序时间，利于提高电池200与电池连接片100的焊接效率。
具体地，参照图1，装夹步骤S2中，先使电池连接片100以毛化结构121和氧化薄膜层背对电极片210的方式压于电极片210上，然后再采用夹具分别夹持固定电池连接片100和各电池200。这样，可实现电池连接片100和电池200的夹紧固定，并可避免毛化结构121和氧化薄膜层并遮挡，便于进行激光焊接步骤S3时激光可朝向毛化结构121和氧化薄膜层照射。
参照图1至图4，电池200包括外壳230、凸设于外壳230上的绝缘密封垫240、凸设于绝缘密封垫240上的电极片210和凸设于电极片210上的极柱220，电池连接片100上贯穿设有多个供极柱220穿设的避让孔110。装夹步骤S2中，先将多个电池200两两相对排列为两列，然后再将电池连接片100搭架于两列电池200上，并使电池连接片100以毛化结构121和氧化薄膜层背对电极片210的方式压于电极片210上、使极柱220穿设于避让孔110内，最后再采用夹具分别夹持固定电池连接片100和各电池200。极柱220具体可由铝或铜材料制成；绝缘密封垫240主要用于绝缘电极片210和外壳230，其具体可由塑料制成；电极片210具体可由铜材料制成，电池连接片100具体可由铜材料制成。电池连接片100结构的具体设计，主要用于保证电池连接片100可搭接于各电池200的电极片210上。具体应用中，电池连接片100的结构可根据电池200的数量和电池200的结构形状进行优化设计，本实施例，电池200设有四个极柱220和两个电极片210，每两个极柱220凸设于一个电极片210上，且电池200共设有八个，八个电池200以两两相对排为两列；电池连接片100上对应设有十六个供极柱220穿设的避让孔110，且十六个避让孔110以两两相对排列为四列两个相对的避让孔110之间的间距分别与电池200上同一电极片210上的两个极柱220的之间的间距相等，各两相对避让孔110之间的表面即为电池连接片100的焊接表面120。具体安装时，电池连接片100搭架于两列电池200上，且各电池200之靠近其排列中分线的两个极柱220分别穿设于电池连接片100的避让孔110内，电池连接片100抵压于各电池200之靠近其排列中分线的电极片210上。当然了，具体应用中电池200的数量也可为其他数值，电池200上的极柱220也可为其他数值(如两个等)。
优选地，毛化结构121为细条纹结构或网格结构。细条纹结构或网格结构均可达到提高表面粗糙度的目的，且细条纹结构或网格结构的结构均比较简单、易于加工成型，其利于简化毛化结构121的加工过程。
优选地，毛化结构121采用激光打标机(图未示)进行打标毛化形成，氧化薄膜层由激光打标机激光打标过程中释放的热量氧化形成。采用激光打标机进行打标毛化形成毛化结构121，其加工效率高、加工精度高。采用激光打标机进行打标毛化，其对电池连接片100的厚度带来的影响很小，具体地，本实施例，毛化处理步骤S1中电池连接片100的厚度的变化值在0.02mm以下，即毛化处理步骤S1之后的电池连接片100的厚度比毛化处理步骤S1之前的电池连接片100的厚度减小不到0.02mm。
优选地，参照图1，激光打标机采用交叉填充的方式形成网格结构，这样，可使网格结构的网格线条数量较多，从而利于毛化结构121对电池连接片100焊接表面120的粗糙化效果。
优选地，激光打标机的额定输出功率为20W，这样，激光打标机的输出功率较高，利于提高毛化处理的效率。更为优选地，本实施例，激光打标机的光束质量因子接近于1，这样,利于保证激光打标机输出的激光光束质量，从而利于减小毛化处理步骤S1中激光的反射率和提高毛化处理步骤S1的效率。
作为本发明的一优选实施例，毛化处理步骤S1中，激光打标机的各项工艺参数设置如下：激光波长为1070nm，打标速度为1800mm/s，空跳速度为5000mm/s，Q频率(光子频率)为25KHz，Q释放时间为2us，激光开延时为-50us，激光关延时为130us，走笔延时为150us，跳转延时为200us，拐弯延时为10us，填充线间距为0.02mm，填充角度为单向，填充方式为交叉填充。
优选地，激光焊接步骤S3包括依次进行的第一焊接阶段、第二焊接阶段和第三焊接阶段，第二焊接阶段输出的激光功率为第一焊接阶段输出的激光功率的百分之七十，第三焊接阶段输出的激光功率为第一焊接阶段输出的激光功率的百分之四十。第一焊接阶段输出的激光功率最高，这样，可在较短的时间内克服高反射金属材质对激光的高反射，使其快速进入熔化状态，当电池连接片100的焊接表面120产生熔化现象后即开始进入第二焊接阶段；本实施例，将第二焊接阶段输出的激光功率设为第一焊接阶段输出的激光功率的70％，此时，由于电池连接片100的焊接表面120已经开始熔化，其焊接表面120温度上升，其对激光的反射显著降低，故而不需要太高的能量，从而利于减少激光能量的输出，此外，第二焊接阶段为产生焊点300深度的焊接阶段，具体应用中可通过调节此阶段激光的脉宽长度和输出功率大小(如调节该焊接阶段输出的激光功率占额定输出功率的百分比)满足不同的焊点300深度设计要求；将第三焊接阶段输出的激光功率为第一焊接阶段输出的激光功率的40％，这样，该阶段输出的激光功率较低，从而利于使最终焊接形成的焊点300外观更加平滑，从而利于提高焊点300的美观性。
优选地，激光焊接步骤采用的激光焊接设备的额定输出功率为12KW，输出的激光波长为1064nm，第一焊接阶段输出的激光功率与激光焊接设备的额定输出功率的相等，即第一焊接阶段输出的激光功率为激光焊接设备的额定输出功率的100％，第二焊接阶段输出的激光功率为激光焊接设备的额定输出功率的70％，第三焊接阶段输出的激光功率为激光焊接设备的额定输出功率的40％。
本发明实施例提供的高反射金属部件的激光焊接方法，在进行毛化处理步骤S1之前，电池连接片100的焊接表面120比较光滑平整且具有一定的光泽，其对激光的反射接近于镜面反射，反射率极高；而在毛化处理步骤S1之后，电池连接片100的焊接表面120的表面粗糙度加大了，且失去了光泽，其中毛化结构121的形成可有效降低电池连接片100的焊接表面120对激光的反射率；氧化薄膜层的形成可进一步提高对激光的吸收率，从而使得焊接过程变得非常容易，且提高了焊接的质量和稳定性。通过比对具体焊接结果，采用本发明实施例激光打标粗糙化后的电池连接片100进行焊接电池200，可使使用的激光能量比采用未进行激光打标粗糙化过的电池连接片100进行焊接电池200使用的激光能量降低30％，极大地节省了激光能量。
本发明实施例提供的高反射金属部件的激光焊接方法的焊接对象为电池连接片100和电池200；当然了，具体应用中，本发明实施例提供的高反射金属部件的激光焊接方法也可应用于其它由铜或铝等高反射金属材质制成的部件的激光焊接中，如由铜或铝制成的接头形式部件的对接激光焊接或搭接激光焊接等，这样，也可获得降低激光反射率、提高激光焊接熔深、提高激光焊接效率和提高激光焊接稳定性的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高反射金属部件的激光焊接方法，用于焊接由高反射金属材料制成的第一连接件和第二连接件，其特征在于：包括如下步骤：
毛化处理步骤，对所述第一连接件的焊接表面和/或所述第二连接件的焊接表面进行毛化处理，并在所述第一连接件的焊接表面和/或所述第二连接件的焊接表面形成可加大表面粗糙度的毛化结构和可提高激光吸收率的氧化薄膜层；
装夹步骤，用夹具夹紧固定所述第一连接件和所述第二连接件；
激光焊接步骤，采用激光焊接设备朝向所述毛化结构和所述氧化薄膜层照射激光进行焊接所述第一连接件和所述第二连接件，并使所述第一连接件与所述第二连接件连接形成一焊接组件；
取出步骤，松卸所述夹具并取出所述焊接组件。
2.如权利要求1所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述第一连接片为用于串联和/或并联多个电池的电池连接片，所述第二连接件为各所述电池的电极片，所述毛化处理步骤为对所述电池连接片的焊接表面进行毛化处理，并在所述电池连接片的焊接表面上形成所述毛化结构和所述氧化薄膜层。
3.如权利要求2所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述装夹步骤中，先使所述电池连接片以所述毛化结构和所述氧化薄膜层背对所述电极片的方式压于所述电极片上，然后再采用所述夹具分别夹持固定所述电池连接片和各所述电池。
4.如权利要求3所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述电池包括电极片和凸设于所述电极片上的极柱，所述电池连接片上贯穿设有多个供所述极柱穿设的避让孔，所述装夹步骤中，先将所述多个电池两两相对排列为两列，然后再将所述电池连接片搭架于所述两列电池上，并使所述电池连接片以所述毛化结构和所述氧化薄膜层背对所述电极片的方式压于所述电极片上、使所述极柱穿设于所述避让孔内，最后再采用所述夹具分别夹持固定所述电池连接片和各所述电池。
5.如权利要求1至4任一项所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述毛化结构为细条纹结构或网格结构。
6.如权利要求5所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述毛化结构采用激光打标机进行打标毛化形成，所述氧化薄膜层由所述激光打标机激光打标过程中释放的热量氧化形成。
7.如权利要求6所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述激光打标机采用交叉填充的方式形成所述网格结构。
8.如权利要求6所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述激光打标机的额定输出功率为20W。
9.如权利要求1至4任一项所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述焊接步骤包括依次进行的第一焊接阶段、第二焊接阶段和第三焊接阶段，所述第二焊接阶段输出的激光功率为所述第一焊接阶段输出的激光功率的百分之七十，所述第三焊接阶段输出的激光功率为所述第一焊接阶段输出的激光功率的百分之四十。
10.如权利要求1至4任一项所述的高反射金属部件的激光焊接方法，其特征在于：所述第一连接件为由铜材或铝材制成，所述第二连接件为由铜材或铝材制成。
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