CN104174995B - 激光切割装置及激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在对层叠体进行激光切割时能够无损切断面品质地进行切割的激光切割装置。该激光切割装置在透镜（4）与层叠体（10）之间配置有腔室（5），该腔室（5）中设有：用于将激光（2）射入到腔室（5）内的透射窗（6）；用于将辅助气体（8）导入到腔室（5）内的气体送入口（7）；以及用于将激光（2）从腔室（5）射出并使辅助气体（8）从腔室（5）喷出的切口（9）。切口（9）具有效仿激光（2）进行扫描的区域而得到的形状，层叠体（10）在激光（2）的照射位置上的厚度因辅助气体（8）的喷出而减小。

Description

激光切割装置及激光切割方法

技术领域

本发明涉及激光切割装置及激光切割方法。

背景技术

近年来，随着便携式电子设备的需求增加，电池容量较大的锂离子电池等充电电池正被广泛使用，而为了使便携式电子设备获得更高的性能，要求充电电池具有高效率。另外，对于电动车、固定式锂离子蓄电池等用途，要求具有高输出的充电电池。

高输出锂离子电池多采用使薄板状的正极电极与薄板状的负极电极夹着隔膜交替层叠的结构。正极电极一般使用涂布有活性物质原材料的铝箔，负极电极一般使用涂布有活性物质原材料的铜箔。具体而言，在铝箔的规定位置上涂布活性物质，该涂布了活性物质的铝箔在经过了干燥工序、压缩工序等工序之后，利用模具进行冲压，从而切出规定形状的正极电极。同样，在铜箔的规定位置上涂布活性物质，该涂布了活性物质的铜箔在经过了干燥工序、压缩工序等工序之后，利用模具进行冲压，从而切出规定形状的负极电极。

层叠式锂离子电池中，层叠后的各正极电极各自的未涂布活性物质的接头部与集电连接用的板材焊接。同样，层叠后的各负极电极各自的接头部与集电连接用的板材焊接。因此，在将层叠后的各正极电极各自的接头部向集电连接用的板材折弯时，为了使它们的前端一致，需要将层叠后的各正极电极各自的接头部切齐。层叠后的各负极电极各自的接头部也同样需要切齐。但是，特别是层叠后的铝箔很难用模具来进行切割。因此，在层叠前的冲压工序中分别对薄板状的正极电极和薄板状的负极电极的接头部的长度进行调节，一片一片地进行切割。具体而言，在薄板状的正极电极和薄板状的负极电极夹着隔膜交替层叠而成的层叠体中，将该层叠体的上层部的正极电极和负极电极各自的接头部调节成比该层叠体的下层部的正极电极和负极电极各自的接头部要长。

图6中示出专利文献1所记载的激光加工装置61。

用于对被加工构件65进行加工的激光加工装置61包括：使激光振荡的振荡器62、具有电镜的电镜头63、以及将经振荡器62振荡后的激光传输到电镜头63的光纤64。

在被加工构件65的上侧配置有第一箱体67。在被加工构件65的下侧配置有第二箱体68。气瓶69向第一箱体67供气。该气体使用Ar气、N₂气或氧气等。吸引装置70从第二箱体68吸气。第一箱体67的内压被调整为正压，第二箱体68的内压被调整为低于第一箱体67内压的压力。

在对被加工构件65进行切断时，从气瓶69向第一箱体67送气，将第一箱体67的内压调整为正压，然后启动振荡器62使激光振荡。经振荡器62振荡后的激光经由光纤64传输至电镜头63。电镜头63透过透明的第一箱体67从上方向被加工构件65照射激光66，并且沿切割方向对该被加工构件65扫描激光66。

由此，将被加工构件65切割加工成所希望的形状。在被加工构件65的切割过程中，若在被加工构件65的局部出现激光66贯穿被加工构件65的背面的部分，则第一箱体67内的气体开始流向第二箱体68。

此时，利用吸引装置70来吸引第二箱体68内的气体，使得第一箱体67的内压与第二箱体68的内压之间的压差保持固定。由此，能够防止在被加工构件65的背面残留熔融金属这样的不良现象，从而防止切断面的品质下降。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011－125877号公报

发明内容

发明所要解决的问题

当被加工构件65是金属制的板材时，通过对被加工构件65照射激光66，使得一部分金属蒸发而形成称为小孔（keyhole）的孔部，激光66在该小孔的内壁发生反射，从而该激光66到达被加工构件65的厚度方向的深处。

但是，当被加工构件65是由多片金属箔层叠而成的层叠体时，通过对被加工构件65照射激光66而形成的孔部呈层叠状。由于在层叠后的金属箔之间形成了空气层，因此激光会发生散射而不会在该孔部的内壁发生反射。因而，激光66无法到达被加工构件65的厚度方向的深处。而且，因激光而发生熔融的金属有可能留在空气层中，从而遮挡了激光66。由此可知，现有技术无法用激光66来切断由多片金属箔层叠而成的层叠体。

本发明的目的在于提供一种能对层叠体进行激光切割而不会降低层叠体的切断面品质的激光切割装置及激光切割方法。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的激光切割装置的特征在于，包括：激光振荡器；对所述激光振荡器射出的激光进行扫描的激光扫描部；将由所述激光扫描部进行扫描的所述激光聚光到被加工构件的层叠体的激光照射面上的透镜、以及设置在所述透镜和所述层叠体之间的腔室，在所述腔室中，设置有：用于将所述激光射入到所述腔室内的透射窗、用于将辅助气体导入到所述腔室内的气体送入口、以及用于将所述激光从所述腔室射出且将所述辅助气体从所述腔室喷出的切口，所述切口具有效仿所述激光进行扫描的区域而得到的形状，所述层叠体在所述激光的照射位置上的厚度因所述辅助气体的喷出而减小。

本发明的激光切割装置中，所述切口的长边方向的长度也可以比所述激光进行扫描的区域的长边方向的长度要长。

本发明的激光切割装置中，所述切口的宽度也可以在所述切口的长边方向上发生变化。

本发明的激光切割装置中，所述层叠体也可以是由多片厚度为20μｍ以下的金属箔层叠而成。

本发明的激光切割方法的特征在于，包括以下工序：向配置在透镜和被加工构件的层叠体之间的腔室内导入辅助气体，并使所述辅助气体从所述腔室的切口向所述层叠体喷出的工序；使从激光振荡器射出的激光经过激光扫描部、所述透镜、所述腔室的透射窗和所述切口，聚光到所述层叠体的激光照射面上的工序；以及利用所述激光扫描部对聚光后的所述激光进行扫描来对所述层叠体进行切割加工的工序，所述切口具有效仿所述激光进行扫描的区域而得到的形状，在利用所述激光对所述层叠体进行切割加工的过程中，使所述辅助气体向所述层叠体喷出，使得所述层叠体在所述激光的照射位置上的厚度减小。

本发明的激光切割方法中，所述辅助气体的喷出范围的长边方向的长度也可以比所述激光进行扫描的区域的长边方向的长度要长。

本发明的激光切割方法中，所述辅助气体的喷出流量也可以在所述激光的扫描方向上发生变化。

本发明的激光切割方法中，所述层叠体也可以是由多片厚度为20μｍ以下的金属箔层叠而成。

发明效果

根据本发明，即使在没有与被加工构件的层叠体相接触的状态下，也可以利用从腔室的切口喷向层叠体的辅助气体来减小层叠体在激光照射位置上的厚度，并在此状态下，利用从腔室的切口照射到层叠体上的激光来对层叠体进行激光切割，从而能够无损切断面品质地对层叠体进行激光切割。

附图说明

图1是本发明实施方式的激光切割装置的立体图。

图2（a）是本发明实施方式中的腔室的俯视图，图2（b）是该腔室A-AA处的剖视图。

图3（a）是本发明实施方式中的激光照射部的沿B-BB的俯视图，图3（b）是其侧视图。

图4（a）是表示本发明实施方式中的切口宽度与辅助气体喷出流量之间关系的比较例的说明图，图4（b）和图4（c）是表示切口宽度与辅助气体的喷出流量之间关系的实施例的说明图。

图5是表示本发明实施方式中在激光切割时的层叠体状态的图。

图6是专利文献1所记载的激光加工装置的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

其中，对相同的结构要素标注相同标号，并省略重复说明。另外，为了理解方便，附图示意性地示出各结构要素的主体。

为制图方便，所图示的各结构要素的厚度、长度、个数等与实际并不相同。

在以下实施方式中所示的各构成要素的材质、形状、尺寸等仅仅是一个示例，并不是特别限定，在实质上不脱离本发明效果的范围内可以进行各种变更。

图1示出本实施方式中的激光切割装置。

该激光切割装置包括：使激光振荡的激光振荡器1、对激光振荡器1射出的激光2进行扫描的激光扫描部3、将由激光扫描部3进行扫描的激光2聚光到作为被加工构件的层叠体10的激光照射面上的透镜4、以及配置在透镜4与层叠体10之间的腔室5。

本实施方式的层叠体10由正极电极的接头部的铝箔或负极电极的接头部的铜箔层叠而成，并对层叠5～50片厚度为10～20μｍ的铝箔或厚度为5～15μｍ的铜箔的情况进行说明。

激光扫描部3也可以使用例如电扫描仪。利用电扫描仪能够容易地从上方对层叠体10照射激光2，并沿切断方向对该层叠体10扫描激光2。

透镜4也可以使用fθ透镜。通过使用fθ透镜能够容易地将被电扫描仪反射而偏向的激光2聚光到层叠体10的激光照射面即上表面上。

透过透镜4的激光2经过腔室5而照射到层叠体10上。

如图2（a）、图2（b）所示，在腔室5的透镜4一侧设有透射窗6。在腔室5的层叠体10一侧设有切口9。从透射窗6射入的激光2从腔室5的切口9射出，并照射到层叠体10上。切口9的形状效仿激光进行扫描的区域的形状。从而，无需移动腔室5就能沿着切割方向扫描激光2。

从气体送入口7向该腔室5导入辅助气体8。

腔室5的内部为双重结构。具体而言，形成有与气体送入口7连通的压力稳定化流路21、和与切口9连通的气体喷出流路22，且压力稳定化流路21与气体喷出流路22通过节流孔23相连接。通过将腔室5的内压调整为正压，使得辅助气体8从切口9向层叠体10的切割部喷出。

另外，优选层叠体10保持固定，例如，如图1所示，也可以使用以上下夹持的方式压住层叠体10的夹具11。利用该夹具11，能够以层叠体10在与切割方向垂直的方向上展开而不产生褶皱的状态对层叠体10进行固定。

以下，对本实施方式的激光切割装置的具体例进行详细说明。

此外，本发明不限于以下的具体例。

激光振荡器1具有在其内部对激光进行平行校准的功能，从激光振荡器1的出射口射出平行的激光2。本实施方式中，作为激光振荡器1使用波长为1070nm、最大输出为3kW、连续振荡的单模光纤激光器。单模光纤激光器能够使焦点深度较深，且聚焦光斑直径较小。

激光扫描部3使用电扫描仪，该电扫描仪具有使激光2反射并偏向的X轴方向用电镜和Y轴方向用电镜。利用该电扫描仪，能够在任意轨道上照射激光2。

透镜4使用fθ透镜，该fθ透镜能够将由激光扫描部3（电扫描仪）控制了照射方向的激光2的焦点聚焦在同一平面上。在本实施方式中，fθ透镜的焦距为255mm。

图2（a）是腔室5的俯视图，图2（b）是腔室5的剖视图。详细而言，图2（b）表示沿着图2（a）所示的A-AA线的截面。

选择腔室5的外壁构件的原材料及厚度，以使得能够承受导入了辅助气体8后的腔室5的内压。另外，在腔室5的不会与激光干涉的位置上还至少具有一个气体送入口7。

选择透射窗6的原材料及厚度，以使得能够承受导入了辅助气体8后的腔室5的内压。另外，对于透射窗6，选择能够使具有激光2的波长的光透过的原材料。例如，在本实施方式中，也可以使用能够使波长为1070nm的光透过的合成石英。

为了使腔室5的内压保持在规定的压力，设置有具有足够大管径的气体送入口7。另外，虽然未图示，但为了使腔室5的内压保持在规定的压力，优选气体送入口7具有调节器的功能。

图3（a）是表示激光照射部的俯视图，图3（b）是表示激光照射部的主视图。图3（a）示出沿着图3（b）所示的B-BB线切断而得到的腔室5的截面。图3（a）中用箭头E示出激光2的扫描方向。

如图3（a）所示，切口9的位置与要被激光2切断的层叠体10的切割部的位置对齐。另外，切口9的长边方向的长度C比激光进行扫描的区域的长边方向的长度要长。即，切口9的长边方向的长度C比层叠体10的切割部的长度D要长。具体而言，切口9比层叠体10的切断部的前方长出长度C1，且比层叠体10的切断部的后方长出长度C2。由此，即使没有与层叠体10相接触，也能够利用辅助气体8可靠地对层叠体10进行按压。

切口9的宽度J会影响从切口9喷出的辅助气体8的流量。即，通过在切口9的长边方向上改变切口9的宽度J，能够局部地改变从切口9喷出的辅助气体的流量。

图4（a）～图4（c）中示出切口9的宽度J与辅助气体的喷出流量之间的关系。

如图4（a）所示，若切口9的宽度J固定，则辅助气体的喷出流量在切口9的长边方向上也是固定的。另一方面，如图4（b）和图4（c）所示，当切口9的宽度在切口9的长边方向上发生变化时，在切口9的宽度较窄的部位，辅助气体的喷出流量变少，在切口9的宽度较宽的部位，辅助气体的喷出流量变多。本实施方式中，为了减少激光照射开始位置上的辅助气体喷出流量，并使辅助气体的喷出流量随着接近激光照射结束位置而增加，采用图4（b）所示的形状来作为切口9的形状。激光照射开始位置的切口9的宽度为0.5mm，激光照射结束位置的切口9的宽度为1.0mm。

另外，本实施方式中，正极电极的接头部的铝箔或负极电极的接头部的铜箔层叠而构成层叠体10。具体而言，由5～50片厚度为10～20μｍ的铝箔层叠而成，或者由5～50片厚度为5～15μｍ的铜箔层叠而成。

辅助气体使用N₂气、Ar气等惰性气体、或者为了将氧化反应产生的热量用于切断的能量而使用氧气等。本实施方式中，切断铝箔时使用N₂气，切断铜箔时使用氧气。

如图3（b）所示，将切口9与层叠体10之间的距离F设为1mm。夹具11是例如以朝向下侧的夹具11的方向用加压力K对上侧的夹具11进行加压，从而从上下方向上对层叠体10进行按压并固定的夹具，在层叠体10的上侧和下侧分别设有使层叠体10上要用激光2进行扫描的切割部露出来的开口部。

根据图2所示的结构，在激光照射开始之前，从气体送入口7送入到腔室5内的辅助气体8被导入到压力稳定化流路21中，通过节流孔23而移动到气体喷出流路22中，然后从切口9喷出。通过使辅助气体8通过节流孔23，使得该辅助气体8以气压分布均匀的状态移动到气体喷出流路22中。本实施方式中，从切口9喷出的辅助气体的流量在激光的扫描方向上发生变化。具体而言，辅助气体8的喷出流量在层叠体10的切割开始部较少，在层叠体10的切割结束部较多。从激光振荡器1射出的激光2经过激光扫描部3后发生偏向，然后通过透镜4、腔室5的透射窗6和切口9，照射到被加工构件即层叠体10上。

参照图5（a）～图5（d）对本实施方式的激光加工装置的动作进行说明。为了便于理解，图5（a）中仅示出了激光2、辅助气体8和层叠体10。另外，图5（b）～图5（d）中仅示出了激光2和层叠体10。

图5（a）示出了层叠体10在激光照射开始时的状态。如上所述，在激光照射开始之前，辅助气体8被导入腔室5内，腔室5的内压变成正压，由此从切口9喷出辅助气体8。激光扫描部3使激光2沿着箭头E所示的方向进行扫描，辅助气体8喷出到被激光2扫描的激光扫描区域上。图5（a）中，辅助气体8的箭头是对辅助气体8的喷出流量进行示意性的表示。箭头越长表示辅助气体8的喷出流量越多，箭头越短表示辅助气体8的喷出流量越少，辅助气体8的喷出流量在激光2的扫描方向E上是会变化的。具体而言，在激光照射开始位置上，辅助气体8的喷出流量较少，在激光照射结束位置上，辅助气体8的喷出流量较多。

通过使切口9对着激光扫描轨道，能够使辅助气体8被喷出到激光扫描区域上。由此，能够在以非接触的方式按压层叠体10的同时利用激光2来进行切断加工。为了很好地切断层叠体10，需要使层叠体10的厚度小于用于维持加工性的焦点深度。另外，为了有效地排出熔融金属而不残留在金属箔之间的空气层中，需要将金属箔之间的空气层的宽度控制在最小限度。因此，本实施方式中，辅助气体8以能够非接触地按压层叠体10并使层叠体10的厚度减少的流量从切口9喷出。从而，能够使层叠体10的厚度小于用于维持加工性的焦点深度。此外，还能有效地排出熔融金属而不残留在金属箔之间的空气层中。

此外，本实施方式中，如上所述，由于辅助气体8的喷出范围的长边方向的长度比激光扫描区域的长边方向的长度要长，因此，即使在没有接触层叠体10的情况下，也能够利用辅助气体8来可靠地按压层叠体10。

图5（b）示出激光照射开始位置附近的部位被切割的情况。激光照射开始位置附近为层叠体10的端部，是热逃逸较小的部位。但是，层叠体10在激光照射开始时处于金属箔开始熔融的状态，因此，要去除的熔融金属较少，辅助气体8的流量不大也没有问题。熔融金属m被辅助气体8吹散，从层叠体10的背面向下方排出。

图5（c）示出切割进行至层叠体10的中央部时的状态。虽然在层叠体10的中央部热逃逸会增多，但更多的热量被存储，从而使得金属箔的熔融量增加。因此，与激光照射开始位置相比，需要增加辅助气体8的流量。

图5(d)示出切割进行至激光照射结束位置的状态。激光照射结束位置为层叠体10的端部，是储热量最大的部位，因此金属箔的熔融量达到最大。另外，在已切割的区域中，辅助气体8从层叠体10的激光照射面向着层叠体10的背面方向穿过切割槽，因此不再对层叠体10施加压力。在激光照射结束位置的附近，辅助气体8能够按压层叠体10的未切割区域的面积较小，非接触方式的按压力变小，因此，辅助气体8的流量需要进一步增加。由此，能够维持以非接触方式按压层叠体10的压力，并且能够去除因激光照射而产生的熔融金属。

如上所述，根据本实施方式，利用辅助气体能够以非接触的方式按压层叠体10，并且使层叠体10在激光2的照射位置上的厚度减小。从而，能够使层叠体10的厚度小于用于维持加工性的焦点深度，还能有效地排出熔融金属而不残留在金属箔之间的空气层中。因而，能够对层叠体10进行激光切割而无损切断面的品质。而且，能够利用辅助气体来去除切断面的毛刺和粘渣等，能够提高切断面的品质。

另外，以上所说明的实施方式是一个示例，在不实质脱离本发明效果的范围内可以进行各种改变。例如，本实施方式中，使用了连续振荡的单模光纤激光器作为激光振荡器1，但激光振荡器并不限于单模光纤激光器。也可以根据层叠体的材料、厚度、金属箔的层叠片数，从YAG激光器、CO₂激光器等中选择波长最合适的激光器。另外，振动模式也不限于连续振荡，也可以是脉冲振荡。透镜4等光学元器件也可以根据动作距离、聚光光斑直径、加工范围来进行变更。另外，本实施方式中，说明了层叠体10由正极电极的接头部的铝箔或负极电极的接头部的铜箔层叠而成，且由5～50片厚度为10～20μｍ的铝箔或厚度为5～15μｍ的铜箔层叠而成的情况，但金属箔的厚度和金属箔的层叠片数会根据电池的规格发生变化，金属箔的厚度和金属箔的层叠片数并不限于本实施方式的例子。另外，本实施方式的激光加工装置不仅仅适用于制造层叠型电池，也适用于制造例如层叠型电容器。另外，本实施方式中，以直线状方式来切割层叠体10，但激光切割形状也可以是曲线状或圆形状。切口9的形状只要效仿激光进行扫描的区域的形状即可。

工业上的实用性

本发明能够适用于对层叠型电池制造或层叠型电容器制造等中所使用的金属箔进行切割。

标号说明

1激光振荡器

2激光

3激光扫描部

4透镜

5腔室

6透射窗

7气体送入口

8辅助气体

9切口

10层叠体

11夹具

21压力稳定化流路

22气体喷出流路

23节流孔

Claims (4)

1.一种激光切割装置，其特征在于，包括：

激光振荡器；

对从所述激光振荡器射出的激光进行扫描的激光扫描部；

将由所述激光扫描部进行扫描的所述激光聚光到被加工构件的层叠体的激光照射面上的透镜；以及

设置在所述透镜与所述层叠体之间的腔室，

所述腔室中设有：用于将所述激光射入到所述腔室内的透射窗；用于将辅助气体导入到所述腔室内的气体送入口；以及用于使所述激光从所述腔室射出并使所述辅助气体从所述腔室喷出的切口，

所述切口具有效仿所述激光进行扫描的区域而得到的形状，

所述切口的长边方向的长度比所述激光进行扫描的区域的长边方向的长度要长，

所述切口的宽度在所述切口的长边方向上发生变化，

所述层叠体在所述激光的照射位置上的厚度因所述辅助气体的喷出而减小。

2.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，

所述层叠体由多片厚度为20μm以下的金属箔层叠而成。

3.一种激光切割方法，其特征在于，包括以下工序：

将辅助气体导入到配置在透镜与被加工构件的层叠体之间的腔室内，并使所述辅助气体从所述腔室的切口向所述层叠体喷出的工序；

使从激光振荡器射出的激光经由激光扫描部、所述透镜、所述腔室的透射窗和所述切口聚光到所述层叠体的激光照射面上的工序；以及

通过利用所述激光扫描部对聚光后的所述激光进行扫描，来对所述层叠体进行切割加工的工序，

所述切口具有效仿所述激光进行扫描的区域而得到的形状，

所述辅助气体的喷出范围的长边方向的长度比所述激光进行扫描的区域的长边方向的长度要长，

所述辅助气体的喷出流量在所述激光的扫描方向上发生变化，

在利用所述激光对所述层叠体进行切割加工的过程中，通过将所述辅助气体向所述层叠体喷出，使得所述层叠体在所述激光的照射位置上的厚度减小。

4.如权利要求3所述的激光切割方法，其特征在于，

所述层叠体由多片厚度为20μm以下的金属箔层叠而成。