CN105499810B - 一种在电芯极片上的激光切割方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在电芯极片上的激光切割方法和装置，其中激光切割方法包括：选定被切割电芯极片并设置被切割电芯极片与外光路传导系统的相对位置；中央控制系统控制激光发生器发出激光；激光发生器发出的激光通过外光路传导系统进入振镜组；激光通过振镜组高速摆动使激光在被切割电芯极片上工作并形成单个切割点；中央控制系统继续控制激光发生器发出激光，使具有能量的激光通过外光路传导系统进入振镜组，激光通过振镜组高速摆动在并在被切割电芯极片上形成一条切割线。所述激光切割装置包括中央控制系统、激光发生器、外光路传导系统、振镜组和升降工作台。该种在电芯极片上的激光切割方法和装置具有工作效率高、加工质量好、环保节能等现有技术所不具备的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电性极片的切割加工领域，特别是一种在电芯极片上的激光切割方法和装置。
背景技术
电芯极片作为一种电池必备的材料，早已被广泛地应用在汽车、飞机、电子、新能源等各行各业。传统的电芯极片的加工方法普遍为采用刀切、模切对极片进行切割。传统的加工方法具有加工速度慢、加工效率低、加工精度差、产品质量差、对环境污染大等缺点，严重限制了本领域进一步发展的推广应用。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的技术方案以解决现存的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在电芯极片上的激光切割方法和装置，解决了现有技术存在的切割效率低、精度差、加工质量差、不环保等技术缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种在电芯极片上的激光切割方法，包括以下步骤，
选定被切割电芯极片并设置被切割电芯极片与外光路传导系统的相对位置；
通过中央控制系统控制激光发生器发出激光；
激光发生器发出的激光通过外光路传导系统进入振镜组；
激光通过振镜组高速摆动使激光在被切割电芯极片上工作并形成单个切割点；
中央控制系统继续控制激光发生器发出激光，使具有能量的激光通过外光路传导系统进入振镜组，激光通过振镜组高速摆动在并在被切割电芯极片上形成一条切割线。
作为上述技术方案的进一步改进，所述被切割电芯极片被激光切割过程中在其一侧设置吸嘴装置将切割产生的粉尘吸走。
作为上述技术方案的进一步改进，所述被切割电芯电芯极片为用于新能源汽车的动力电池或用于电子设备的锂电池或用于汽车用途的蓄电池或用于无人机的聚合物锂电池的极片。
作为上述技术方案的进一步改进，所述被切割电芯极片为包含涂覆、芯层和衬底的三层结构材料，且阴极极片有三种层次结构不同的区域，阳极极片有两种层次结构不同的区域。
作为上述技术方案的进一步改进，所述被切割电芯极片在不同材质部位有不同的切割速度，其中阴极三种区域对应的切割速度范围分别为500-1000mm/s、2000-4000mm/s、800-2000mm/s，阳极的两种区域对应的切割速度范围分别为500-2000mm/s、2000-4000mm/s。
作为上述技术方案的进一步改进，所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜和光学聚焦镜，由激光发生器射出的激光通过激光反射镜传导进激光扩束镜，被扩束后的激光通过振镜组的传导到光学聚焦镜，通过光学聚焦镜的聚焦，激光被聚焦在被切割电芯极片上，形成单个切割点。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间，所述实现激光切割光斑直径在10μm到100μm之间变化的方法可以是：按照激光照射到被切割电芯极片的方向，调节承载电芯极片样品的升降工作台偏离焦点位置，偏离焦点位置的距离应该在+20mm之间。
一种在电芯极片上的激光切割装置，包括中央控制系统、激光发生器、外光路传导系统、振镜组和升降工作台。
作为上述技术方案的改进，所述所述激光发生器为发出激光波长在193nm到1120nm之间的全固体脉冲激光发生器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器发出的激光脉冲重复频率在20kHz到500kHz之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器发出的激光脉冲单脉冲能量在0.2mJ到2mJ之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器发出的激光的切割速度小于切割光斑直径乘于脉冲重复频率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜和光学聚焦镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光反射镜是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光扩束镜的放大倍率在2倍到8倍之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学聚焦镜为远心镜头，光学聚焦镜的焦距在60mm到650mm之间。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括用于吹吸电芯极片被激光切割过程中的粉尘的吹吸嘴装置。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种在电芯极片上的激光切割方法和装置，所述方法和装置通过中央控制系统控制激光发生器产生激光经过外光路传导系统的传导最终对电芯极片进行激光切割，该种在电芯极片上的切割方法和装置在切割电芯极片过程中具有加工效率高、加工质量好、环保、节能优点。该种在电芯极片上的激光切割方法和装置解决了现有技术存在的切割效率低、精度差、加工质量差、不环保等技术缺陷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中在电芯极片上的激光切割方法和装置的原理示意图；
图2是本发明中在电芯极片上的激光切割方法的激光光斑分布与重叠效果示意图；
图3是本发明中在电芯极片上的激光切割方法的被切割电芯极片的材料组成示意图；
图4是本发明中在电芯极片上的激光切割方法的切割过程中焦点偏移效果示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合，参照图1-4。
一种在电芯极片上的激光切割方法，包括以下步骤，
选定被切割电芯极片16并设置被切割电芯极片16与外光路传导系统的相对位置；
通过中央控制系统10控制激光发生器11发出激光；
激光发生器11发出的激光通过外光路传导系统进入振镜组14；
激光通过振镜组14高速摆动使激光在被切割电芯极片16上工作并形成单个切割点；
中央控制系统10继续控制激光发生器11发出激光，使具有能量的激光通过外光路传导系统进入振镜组14，激光通过振镜组14高速摆动在并在被切割电芯极片上16形成一条切割线17。
优选地，所述被切割电芯极片16被激光切割过程中在其一侧设置吸嘴装置20将切割产生的粉尘吸走。
优选地，所述被切割电芯极片16为用于新能源汽车的动力电池或用于电子设备的锂电池或用于汽车用途的蓄电池或用于无人机的聚合物锂电池的极片。
优选地，所述被切割电芯极片16为包含涂覆、芯层和衬底的三层结构材料，且阴极极片有三种层次结构不同的区域，阳极极片有两种层次结构不同的区域。
优选地，所述被切割电芯极片16在不同材质部位有不同的切割速度，其中阴极三种区域对应的切割速度范围分别为500-1000mm/s、2000-4000mm/s、800-2000mm/s，阳极的两种区域对应的切割速度范围分别为500-2000mm/s、2000-4000mm/s。
优选地，所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜13和光学聚焦镜15，由激光发生器11射出的激光通过激光反射镜传导进激光扩束镜13，被扩束后的激光通过振镜组14的传导到光学聚焦镜15，通过光学聚焦镜15的聚焦，激光被聚焦在被切割电芯极片16上，形成单个切割点。
优选地，所述激光发生器11的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间，所述实现激光切割光斑直径在10μm到100μm之间变化的方法可以是：按照激光照射到被切割电芯极片16的方向，调节承载电芯极片样品的升降工作台18偏离焦点位置，偏离焦点位置的距离应该在+20mm之间。
一种在电芯极片上的激光切割装置，包括中央控制系统10、激光发生器11、外光路传导系统、振镜组14和升降工作台18。
优选地，所述所述激光发生器11为发出激光波长在193nm到1120nm之间的全固体脉冲激光发生器。
优选地，所述激光发生器11发出的激光脉冲重复频率在20kHz到500kHz之间。
优选地，所述激光发生器11发出的激光脉冲单脉冲能量在0.2mJ到2mJ之间。
优选地，所述激光发生器11的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间。
优选地，所述激光发生器11发出的激光的切割速度小于切割光斑直径乘于脉冲重复频率。
优选地，所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜13和光学聚焦镜15。
优选地，所述激光反射镜是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间。
优选地，所述激光扩束镜13的放大倍率在2倍到8倍之间。
优选地，所述光学聚焦镜15为远心镜头，光学聚焦镜15的焦距在60mm到650mm之间。
优选地，还包括用于吹吸电芯极片被激光切割过程中的粉尘的吹吸嘴装置20。
本发明涉及一种在电芯极片上的激光切割方法和装置，参照图1，图1中外光路传导系统，包括：第一激光反射镜12、第二激光反射镜19、激光扩束镜13及光学聚焦镜15，其中光学聚焦镜15为fθ聚焦镜。
在切割电芯极片时，首先，根据被切割材料(被切割电芯极片16)中的材料吸收特性选择相应波长的激光，根据被切割电芯极片16中的色素吸收谱线的特性，可选红外波段和可见波段的激光，出于需要商业化高功率高重复频率激光器的考虑，本实施例中选取了激光发生器11波长为1064nm的全固体调Q红外激光发生器。
激光脉冲重复频率的选取，主要根据激光发生器11输出特性可从20Hz到500kHz,考虑到作用在材料上的能量密度需求和控制系统速度的限制，激光脉冲重复频率优选于100kHz到300kHz。
接着，通过中央控制系统10使激光发生器11出激光，激光通过外光路传导系统激光进入振镜组14，即：激光首先通过第一激光反射镜12，改变激光传输方向进入第二激光反射镜19，再把激光传导进扩束镜13，其中，第一激光反射镜12、第二激光反射镜19镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射镜的反射角度在10度到45度之间；激光扩束镜13为2到8倍的可变倍数扩束镜，根据激光聚焦原理，扩束倍数越大，焦点处最小光斑的直径越小；被扩束后的激光通过振镜组14的传导到光学聚焦镜15上，通过光学聚焦镜15的聚焦功能，激光被聚焦在被切割电芯极片16上，形成单个标记点，接着调节升降工作台18可以使被标记电芯极片16上下移动，从而可选择正焦标记和偏焦标记。
最后，通过在中央控制系统10中对激光发生器11和振镜组14的参数设置，使具有一定能量的激光通过振镜组14的高速摆动在被切割电芯极片16上形成一条切割线。同时，切割过程中一旁的吹吸嘴装置20可以清除切割所产生的粉尘、避免污染环境，更加环保。
本切割方法的光斑分布示意图如图2所示，图中为激光光斑21半径大小r；两光斑之间的重叠22长度δ。重叠度为重叠长度与光斑直径的比值，可换算成1-切割速度/(光斑直径×脉冲重复频率)。重叠度越大，切缝越平滑，重叠度趋近于零时切缝锯齿状明显。为了避免出现光点重叠度不够而导致的切割强度不够切不穿的情况，激光切割的每个单点间的距离22应小于光斑直径。
在激光切割中，用脉冲激光器获得的熔池是通过熔点重复形成的。激光每个脉冲切割点互相部分重叠，每两个切割点之间相互重叠且距离相等，距离应该小于光斑直径，当大于光斑直径，即在脉冲激光切割中无足够的重叠时，会出现两个问题：首先，工件截面会出现锯齿形，熔深不均匀，切割强度不够；其次，在切割过程中常常由于初始激光结构在熔池形成气泡形式的缺陷，若气泡的深度扩展到整个熔池区厚度，则会出现不穿或挂渣很严重现象，当重叠度足够时随后的脉冲可将缺陷区重新熔化，将整个切割路径都完整的切断，形成一个平滑的切割面。切割速度由脉冲重复频率的上限及可接受的重叠共同决定。激光切割速度应该小于标记光斑直径乘于脉冲重复频率。在确定了重叠度以后，激光脉冲重复频率直接决定了加工速度，重复频率越高，加工速度越快。
不同的材质以及材料厚度对切割参数的要求不同，要想达到良好的切割效果，需要在材料的不同区域调整加工速度。如图3所示，被切割电芯极片16分几个不同的区域。阴极材料的衬底和涂覆层为LiFePO4的化合物材料，中间芯层为Al，芯片的三个区域zone1、zone2、zone3分别表示三层结构、去掉涂覆层、去掉涂覆层和芯层；阳极材料的衬底和涂覆层为石墨烯，中间芯层为Cu，芯片的两个区域zone4、zone5分别表示三层结构、去掉涂覆层。于是方波型的切割线需要经过五个不同的区域，经过实验测试可得，想要得到最佳的切割效果，区域zone1、zone2、zone3、zone4、zone5对应的切割速度范围分别为500-1000mm/s、2000-4000mm/s、800-2000mm/s、500-2000mm/s、2000-4000mm/s。
由于激光切割的单点激光光斑21是由单一一个激光脉冲作用在被切割材料16上形成的。激光切割的单点激光光斑21的直径大小是由扩束镜13，光学聚焦镜15，升降工作台18决定的。其中，扩束镜13调节的扩束倍数越大，焦点处光斑的直径越小，反之则相反；所选取的光学聚焦镜15的焦距越大，焦点处光斑的直径越大，反之则相反；调节升降工作台18的升降，使被标记塑料16表面在焦点位置时，光斑的直径最小，当偏离焦点位置后，无论是上升还是下降，光斑的直径都开始变大，偏离焦点位置越大，光斑的直径越大。
对于扩束镜13，优选的扩束倍率在2到8倍之间；光学聚焦镜15的优选焦距在60mm到300mm之间；对激光标记光斑尺寸，通过调节扩束镜13倍率，选取光学聚焦镜15焦距，和改变距焦点位置可以实现切割光斑直径从6μm到10mm,但考虑到激光器输出能量的限制，光斑直径优选于10μm到100μm之间，即：激光光斑直径在10μm到100μm之间；升降工作台18的离焦距离优选于+20mm之间。如图4所示，激光焦点相对于电芯极片中间芯层处有三种位置：负离焦、正焦、正离焦。经测试可得，当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，负离焦-30μm到-10μm可达到最佳切割效果，且此时激光焦点偏离最易产生粉尘的芯层处，切割过程产生粉尘也较小。
本发明根据电芯极片中的材料吸收特性选择相应波长的激光，对激光光斑尺寸、激光脉冲重复频率和切割速度三个参数综合考虑统一设置，使激光每个脉冲光点之间有一定的重叠度，从而保证合理的切割强度。同时，调节激光焦点位置达到最优化的离焦状态，使其在被切割材料上单点的能量密度达到一个使材料完全切开，但又不伤害到切线周边，而且产生最小粉尘的一个值。通过一套外光路整形传导系统和软件振镜控制系统，把设置好的激光按一定速度和重复频率作用到电芯极片上，产生一条边缘光滑毛刺极小的切割线。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (18)
1.一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：包括以下步骤，
选定被切割电芯极片(16)并设置被切割电芯极片(16)与外光路传导系统的相对位置；
通过中央控制系统(10)控制激光发生器(11)发出激光；
激光发生器(11)发出的激光通过外光路传导系统进入振镜组(14)；
激光通过振镜组(14)传导到光学聚焦镜(15)上，通过光学聚焦镜(15)聚焦在被切割电芯极片(16)上，形成单个标记点，调节升降工作台可以使被标记电芯极片上下移动，从而可选择正焦标记和偏焦标记；
中央控制系统(10)继续控制激光发生器(11)发出激光，使具有能量的激光通过外光路传导系统进入振镜组(14)，激光通过振镜组(14)高速摆动在并在被切割电芯极片(16)上形成一条切割线(17)。
2.根据权利要求1所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述被切割电芯极片(16)被激光切割过程中在其一侧设置吸嘴装置(20)将切割产生的粉尘吸走。
3.根据权利要求1所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述被切割电芯极片(16)为用于新能源汽车的动力电池或用于电子设备的锂电池或用于汽车用途的蓄电池或用于无人机的聚合物锂电池的极片。
4.根据权利要求1所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述被切割电芯极片(16)为包含涂覆、芯层和衬底的三层结构材料，且阴极极片有三种层次结构不同的区域，阳极极片有两种层次结构不同的区域。
5.根据权利要求4所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述被切割电芯极片(16)在不同材质部位有不同的切割速度，其中阴极三种区域对应的切割速度范围分别为500-1000mm/s、2000-4000mm/s、800-2000mm/s，阳极的两种区域对应的切割速度范围分别为500-2000mm/s、2000-4000mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜(13)和光学聚焦镜(15)，由激光发生器(11)射出的激光通过激光反射镜传导进激光扩束镜(13)，被扩束后的激光通过振镜组(14)的传导到光学聚焦镜(15)，通过光学聚焦镜(15)的聚焦，激光被聚焦在被切割电芯极片(16)上，形成单个标记点。
7.根据权利要求1所述的一种在电芯极片上的激光切割方法，其特征在于：所述激光发生器(11)的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间，实现所述激光切割光斑直径在10μm到100μm之间变化的方法是：按照激光照射到被切割电芯 极片(16)的方向，调节承载电芯极片样品的升降工作台(18)偏离焦点位置。
8.一种实施权利要求1-7任一项所述在电芯极片上的激光切割方法的激光切割装置，其特征在于：包括中央控制系统(10)、激光发生器(11)、外光路传导系统、振镜组(14)和升降工作台(18)，所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜(13)和光学聚焦镜(15)，电芯极片放置于所述升降工作台18上，并可随所述升降工作台上下移动。
9.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光发生器(11)为发出激光波长在193nm到1120nm之间的全固体脉冲激光发生器。
10.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光发生器(11)发出的激光脉冲重复频率在20kHz到500kHz之间。
11.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光发生器(11)发出的激光脉冲单脉冲能量在0.2mJ到2mJ之间。
12.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光发生器(11)的激光切割光斑直径在10μm到100μm之间。
13.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光发生器(11)发出的激光的切割速度小于切割光 斑直径乘于脉冲重复频率。
14.根据权利要求8所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述外光路传导系统包括激光反射镜、激光扩束镜(13)和光学聚焦镜(15)。
15.根据权利要求14所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光反射镜是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间。
16.根据权利要求14所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述激光扩束镜(13)的放大倍率在2倍到8倍之间。
17.根据权利要求14所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述光学聚焦镜(15)为远心镜头，光学聚焦镜(15)的焦距在60mm到650mm之间。
18.根据权利要求8所述的一种激光切割装置：还包括用于吹吸电芯极片被激光切割过程中的粉尘的吹吸嘴装置(20)。
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