CN106392327A - 金属板激光焊接夹具 - Google Patents

金属板激光焊接夹具 Download PDF

Info

Publication number
CN106392327A
CN106392327A CN201610620254.2A CN201610620254A CN106392327A CN 106392327 A CN106392327 A CN 106392327A CN 201610620254 A CN201610620254 A CN 201610620254A CN 106392327 A CN106392327 A CN 106392327A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
metallic plate
lower cavity
laser welding
cavity part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610620254.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106392327B (zh
Inventor
厄本·J·德索萨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Publication of CN106392327A publication Critical patent/CN106392327A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106392327B publication Critical patent/CN106392327B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
    • B23K37/0426—Fixtures for other work
    • B23K37/0435—Clamps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/18—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
    • B23K37/0408—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work for planar work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/235—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

公开了一种金属板激光焊接夹具。一种金属板激光焊接夹具包括：具有激光焊接部的激光波长透明体，并且激光焊接部包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板堆中的顶部金属板相互作用。

Description

金属板激光焊接夹具
技术领域
本公开涉及一种金属板激光焊接夹具以及一种使用该金属板激光焊接夹具来连接金属板的方法。
背景技术
激光焊接是用于通过使用激光束来连接多个金属板的技术。激光束提供聚集的热源，允许窄的、深的焊接以及高的加热速率和冷却速率。在许多应用中，为了形成适当的焊接，金属板必须沿着激光焊缝的整个长度对齐并且连续接触。为了实现对齐，已经设计了多种焊接夹具。
发明内容
公开了一种金属板激光焊接夹具。所述夹具包括具有激光焊接部的激光波长透明体。激光焊接部包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板相互作用。下腔部可具有沿其长度的轴向方向。下腔部具有沿其长度的轮廓。下腔部的轮廓沿着下腔部的轮廓的长度可以是不变的。下腔部的轮廓可以是大致半圆形轮廓。下腔部的轮廓可以是梯形轮廓。下腔部可具有包括突起的表面，所述突起的长度可以是大约0.1μm至大约0.015mm。金属板激光焊接夹具可包括接触激光焊接部的上实体部的表面的防反射材料。激光焊接部可包括低吸收性材料。
在另一实施例中，公开了一种金属板激光焊接夹具。所述激光焊接夹具可包括具有激光焊接部和多个围壁的激光波长透明体。激光焊接部可包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，所述下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板相互作用。激光焊接部还可包括从下腔部延伸至所述多个围壁中的一个或更多个的一个或更多个通道。下腔部和所述一个或更多个通道均可具有沿其长度的轮廓。下腔部和所述一个或更多个通道的轮廓可以是不变的。下腔部和所述一个或更多个通道均可具有沿其长度的轴向方向。下腔部和所述一个或更多个通道的轴向方向可以是对齐的。所述一个或更多个通道可包括一个或更多个互连通道。
根据本发明，提供了一种金属板激光焊接夹具，包括：激光波长透明体，具有激光焊接部和多个围壁，激光焊接部可包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，所述下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板相互作用；一个或更多个通道，从下腔部延伸至所述多个围壁中的一个或更多个。
公开了一种激光焊接多个金属板的方法。所述方法可包括如下步骤：利用具有透明体和腔的夹具压紧多个金属板；使激光通过透明体和腔透射在所述多个金属板上以在所述多个金属板的焊接位置处形成焊缝。透明体是激光波长透明体。透射的步骤可从多个金属板形成液态金属飞溅。透射的步骤还可包括将液体金属飞溅容纳在腔中。透射的步骤可在腔中产生气体，并还包括从腔排出气体。排气的步骤可包括使气体通过一个或更多个通道从腔排出。
附图说明
图1描绘了根据一个或更多个实施例的激光焊接夹具和将被焊接的多个金属板的透视示意图；
图2A描绘了图1的激光焊接夹具的侧视图，描绘了可供选择的轮廓；
图2B描绘了图1的激光焊接夹具的侧视图，描绘了可供选择的轮廓和可供选择的板厚度；
图3描绘了根据一个或更多个实施例的具有腔和多个通道的夹具的透视示意图；
图4示出了图3的夹具的仰视图；
图5A示出了根据一个或更多个实施例的夹具和在相对侧上交叠的多个板的示意性侧视图；
图5B示出了根据至少一个实施例的夹具和在相同侧上交叠的多个板的示意性侧视图；
图6A示出了根据一个或更多个实施例的夹具的具有部分延伸通过下腔部的长度的腔的透视示意图；
图6B描绘了图6A的夹具的仰视图；
图6C描绘了图6A的夹具的包括多个通道的可选实施例的仰视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的多个实施例。然而，应当理解，公开的实施例仅仅为示例并且其它实施例可采取各种和可替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的各种特征可与一幅或更多幅其它附图中说明的特征结合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，可能期望与本申请的教导一致的特征的各种组合和变型用于特定应用或实施方式。
除非明确地指明以外，否则在本描述中指示尺寸或材料特性的所有数值量都应被理解为由词语“大约”来修饰，以描述本公开的最宽的范围。
首字母缩略词或其它缩写的首次限定适用于在说明书中所有后续使用的相同缩写，并且经适当的修改适用于最初限定的缩写的正常语法变化。除非明确地规定为相反的以外，否则属性的测量值通过与之前或之后说明同一属性相同的技术来确定。
激光焊接是用于使用激光束来连接多个金属板的高能过程。激光束目标在于焊接接合表面。在焊接接合的表面上，光能的聚集转化成热能。然后，出现表面熔化并且通过热传导而进行焊接接合。为了在特定应用中获得足够的机械焊接特性，金属板应沿着激光焊缝的整个长度连续接触并精确对齐，从而避免金属板之间的间隙，该间隙会导致焊接强度不足。已研发了多种激光焊接夹具来保持金属板彼此接触。示例性的激光焊接夹具是在第4,847,467号美国专利中的夹具，其公开的内容通过引用而包含于此。
先前设计的夹具具有多个缺点。例如，这些夹具不能应对焊接位置处形成的焊接飞溅(喷溅)。飞溅是指从焊接位置喷出的熔融金属液滴。因为飞溅的液滴会导致焊接缺陷，所以对减少在激光焊接期间(尤其是在脉冲激光焊接期间)的飞溅存在极大的兴趣。焊接缺陷可包括未焊满、咬边、密集气孔、弧坑、气孔或爆裂，全部的这些焊接缺陷都会对焊缝的机械特性有不利的影响。对于焊接飞溅的典型的建议性方案涉及降低功率、降低焊接温度、增大喷嘴距离(nozzle stand-off)、使激光束散焦、改变脉冲波形或调节气压以降低焊接的功率密度。然而，这些方案已被证明是不合适的，这是因为它们会限制可达到的焊接速度或焊透深度和/或导致仅部分防止喷溅形成。
先前设计的激光焊接夹具在焊接期间还不能充分地应对排气。在激光使焊接位置的金属材料和/或各种杂质蒸发时会形成气体。在焊接过程中诸如铝合金的某些物质会排出气体并会导致焊接位置处不令人期望的形成气泡、气孔和裂缝。这种形成由于潜在地损害焊接的质量因而是不希望的。
期望开发一种能应对焊接位置处的飞溅的形成和/或提供用于焊接位置的排气的激光焊接夹具。还将期望提供一种将允许激光束聚焦的灵活性增加的夹具，这将不会限制可达到的焊接速度或不需要降低功率密度。
根据一个或更多个实施例，提供了一种透明的激光焊接夹具，其包括具有激光焊接部的激光波长透明体(laser wavelength transparent body)。激光焊接部包括上实体部和下腔部。上实体部使激光波长透射至下腔部。下腔部在激光焊接过程中与金属板相互作用、使飞溅包含在腔部中和/或提供排气。在此公开的实施例还提供一种利用本公开的夹具进行激光焊接的过程。
图1描绘了具有激光波长透明体12的激光焊接夹具10的非限制性示例，该激光波长透明体12具有激光焊接部14。激光波长透明体12由使工作的激光波长能够通过激光焊接部14透射至焊接位置16的材料制成。对于不同激光的工作波长(operationalwavelength)，夹具10的激光波长透明体12可以是透明的。
每种激光的工作波长取决于激光增益介质。增益介质是由向激光系统提供能量的泵浦源(pump source)激发的材料。被激发的增益介质产生自发的和受激的光子发射，这致使光增益或光放大。增益介质的化学成分决定激光的工作波长。增益介质可包括诸如染料激光的液体，其中，染料的化学成分决定工作波长。该液体可以是有机化学溶剂，诸如包含染料(诸如香豆素、罗丹明、荧光素)的甲醇、乙醇、乙二醇。增益介质可包括诸如CO2、Ar、Kr的气体和/或诸如He-Ne的气体混合物。增益介质可以是诸如Cu、HeCd、HeHg、HeSe、HeAg或Au的金属蒸汽。增益介质可包括诸如晶体和玻璃的固体(通常掺杂有诸如Cr、Nd、Er或Ti离子的杂质)。固态晶体可包括YAG(钇铝柘榴石)、YLF(钇锂氟化物)、LiSAF(锂锶铝氟化物)或蓝宝石(氧化铝)。掺杂有杂质的固态增益介质的非限制性示例包括Nd:YAG、Cr:蓝宝石、Cr:LiSAF、Er:YLF、Nd:玻璃或Er:玻璃。增益介质可包括具有均匀的掺杂剂分布的半导体或具有不同掺杂剂水平的材料，其中，电子的运动导致激光作用。半导体增益介质的非限制性示例可包括InGaAs、GaN、InGaN或InGaAsP。
因为工作波长取决于增益材料的成分，所以不同类型的激光的工作波长明显不同。因此，夹具10由对于在特定应用中使用的激光的工作波长来说是可透射的材料形成。激光波长透明体12对于从大约238nm至大约10.6μm的一个或更多个激光波长来说可以是透明的。激光波长透明体12能够透射远紫外光谱、近紫外光谱、可见光谱、近红外光谱和/或远红外光谱中的激光波长。下面的表1列出了激光波长透明体12能够透射的示例性激光的工作波长。
表1：示例性的激光及其工作波长
对所使用的激光的工作波长来说是透明的任何材料可用于生产激光波长透明体12。示例性的非限制性材料可包括各种光学材料，诸如具有低折射率的硼硅酸盐玻璃或硼硅酸盐冕玻璃、石英(二氧化硅)、熔融石英(合成的非晶态二氧化硅)、红外级氟化钙、氟化镁、硒化锌、各种类型的陶瓷等。材料可以是非晶态的或晶态的。期望的是材料基本上不含各种杂质、裂纹、气泡和夹杂物(会干涉激光波长通过夹具10的透射率)。
材料可具有大约1.46至大约1.8或更高的高折射率均一性。折射率指当光经过光学材料时光变慢多少的比率。材料可以是相对较硬的，这是因为硬度在将材料制成特定形状期间会有影响，其不仅影响生产成本，还影响光学材料的耐久性。材料的硬度可以为根据莫氏硬度分度法的大约6-7或更大、根据努氏硬度测试测量的大约800kgf/mm2至820kgf/mm2、或者根据维氏硬度测试测量的大约950kgf/mm2至1000kgf/mm2或更大。材料应具有足够的硬度，使得夹具10能够在金属板18上反复地施加足够的压力以使其被恰当地焊接。相对硬度还影响材料的抗划伤性。材料可显示良好的抗划伤性、良好的耐机械冲击和热冲击性和/或具有总体上较高的损伤阈值。材料对辐射(尤其是紫外辐射)的累积性暴露可具有良好抗性。材料可以是热稳定的并具有在20℃时测量的大约0.54×10-6K-1至大约3.2×10-6K-1或更低的相对低的热膨胀系数。材料可具有在20℃时测量的大约1W/mK至大约1.46W/mK的导热系数。在一个或更多个实施例中，材料对各种化学物质(诸如氟)可具有良好的耐化学性。材料可具有相对低的密度，以至于不会致使夹具10太重。示例性的材料密度可以从大约1g/cm3或更低至大约3g/cm3或更高。
材料应对于所使用的激光的工作波长具有优异的透射率，诸如大约至少70％或更多、80％或更多、90％或更多、或者95％或更多。材料可具有低吸收系数，低吸收系数使材料适合于与高功率激光一起使用。材料的示例性的吸收系数可以为在190nm时测量的大约0.01cm-1至大约0.05cm-1，或者为在2800nm时测量的大约0.03cm-1至大约0.07cm-1。材料可具有更窄或更宽的波长范围，诸如从远紫外光谱至远红外光谱或这二者之间的任何期望范围。
取决于特定应用，激光波长透明体12和激光焊接部14可具有各种形状、尺寸和构造。激光波长透明体12和激光焊接部14的截面可以是但不限于正方形、矩形、三角形等。激光波长透明体12和激光焊接部14的截面可以是有角度的、规则的、不规则的等。激光波长透明体12和激光焊接部14可具有任何形状，只要夹具10能够透射激光波长即可。
在至少一个实施例中，如图1所描绘的，激光焊接部14包括上部20和下部22。上部20可以是实体的。上部20使激光波长透射至下部22。当激光束24接触夹具10时，激光束24与上部20的顶表面26相互作用。
下部22包括腔28以形成下腔部30。腔28位于焊接位置16之上。在至少一个实施例中，在一个腔28下方设置两个或更多个焊接位置16是可能的。或者，下腔部30可包括位于不止一个焊接位置16之上的不止一个腔28。
如在图1至图5中可以看到，下腔部30可具有沿其长度或其长度的一部分的轮廓。轮廓沿着下腔部30的长度限定将在夹具材料中形成的形状的外形。轮廓可具有任何的尺寸、形状和构造。轮廓可以是但不限于半圆形、半卵形、半椭圆形、正方形、梯形、三角形、矩形、类平行四边形、菱形、偏菱形、不规则四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形或具有不止十个侧边的形状。例如，轮廓可具有曲边侧并且成形为曲边矩形、曲边正方形、曲边梯形等。轮廓可具有圆形的边缘或尖的边缘。腔28的轮廓可有助于在准确性方面增加灵活性，从而激光束24必须被指向焊接位置16。例如，图1中描绘的半圆形轮廓、图2A中描绘的曲边矩形或图2B中描绘的梯形轮廓允许激光束24瞄准焊接位置16的不止一个点，同时实现得到的焊缝32的令人满意的质量。
在一个或更多个实施例中，下腔部30可具有沿其长度的轴向方向。包括腔28的下腔部30可延伸至一个或更多个围壁(perimeter wall)34。腔28可延伸通过夹具10的整个长度。或者，腔28可仅延伸穿过夹具10的一部分，使得腔不延伸至任何围壁34。这种腔28可具有任意的轮廓，如上所列举的。例如，腔28可仅位于下腔部30的中央部分，并具有半圆形轮廓以形成能够在腔内容纳飞溅的圆顶，如图6A和图6B中所示的。
激光束24可以是产生点焊缝的点激光束，如图6A所描绘的。或者，激光束24可沿着金属板堆18的长度行进，如图1所描绘的。腔28具有容纳焊接位置16处的激光束24的宽度wl的尺寸。如图2A所示，腔28的宽度可以和与焊接位置16相互作用的激光束24的宽度wl一样。或者，如在图2B中可见的，腔的宽度可比与焊接位置16相互作用的激光束24的宽度wl宽。与焊接位置16相互作用的激光束24的宽度wl可计算为激光束24的焦点尺寸。激光束24的宽度wl的尺寸可以是从大约千分之几英寸至百分之几英寸、从大约0.1mm至大约0.8mm或大约0.2mm至大约0.4mm。
在至少一个实施例中，腔28具有超过焊接位置16处的焊缝的宽度ww的宽度wc。腔28的宽度wc可超过焊接位置16处的焊缝32的宽度ww大约1％至大约500％或更多、大约50％至大约250％、大约100％至大约175％。腔的宽度wc可以是焊接位置16处的焊缝32的宽度ww的大约1.5倍、2倍、5倍或10倍或者更多。焊缝32的宽度ww可以是大约0.2mm至2mm。腔28的宽度wc可以是大约0.3mm至20mm。或者，焊缝的宽度ww可超过焊接位置16处的腔的宽度wc大约小于1％至大约50％或更多。
腔具有这样的宽度wc和高度hc：它能防止飞溅的液滴33在焊接位置16形成未焊满、咬边、密集气孔、裂纹、弧坑、气孔或爆裂和/或提供足够的空间使得来自焊接位置16的气体可从焊缝32有效地释放。腔28可实现防止喷溅和排气的双重功能或仅实现这些功能中的一者。腔28的形状和尺寸将决定这一点。例如，形成在下腔部30的中央部分中的圆顶形的腔28(如图6A和图6B所描绘的)可防止喷溅形成，而延伸夹具10的整个长度的腔28(如图1至图5所描绘的)可防止喷溅并提供至少一个排气路径。
为了进一步促进排气，夹具10的下腔部30可包括一个或更多个通道36，通道36从下腔部30延伸至多个围壁34中的一个或更多个。一个或更多个通道36为在焊接位置16处形成的气体提供排出路径。一个或更多个通道36可为焊接位置16处形成的气体提供唯一的排出路径(诸如在图6C中)，或者还在气体可通过腔28排出时提供额外的排气通道(诸如在图1至图5中)。
一个或更多个通道36具有沿其长度的轮廓。一个或更多个通道36的轮廓可具有如上所述的腔轮廓的形状中的一种。一个或更多个通道36的轮廓可与腔28的轮廓基本上相同或不同。下腔部30的轮廓和一个或更多个通道36的轮廓可以是不变的，但不必须是不变的。在至少一个实施例中，通道36中的至少一些通道具有与其余通道36不同的轮廓。下腔部30和一个或更多个通道36均可具有沿其长度的轴向方向。下腔部30和一个或更多个通道36的轴向方向可以对齐但不必须对齐。在一个或更多个实施例中，一个或更多个通道36可包括一个或更多个互连通道38。互连通道38可与具有与互连通道38相同或不同的尺寸的多个额外的通道连接。互连通道38可形成格子(lattice)。在至少一个实施例中，如图4所描绘的，下腔部30的一部分可包括互连通道38，而另一部分可包括一个或更多个通道36。或者，整个下腔部30可包括互连通道38。或者，整个下腔部30可包括一个或更多个通道36。
为了提供工作波长的优异的透射率，可期望夹具的至少一些表面具有平滑表面(其为平坦的、没有脊、没有不平、没有突起、没有突变或没有隆起)。表面可以是粗糙的并包括长度可能为大约0.1μm至大约0.015mm的突起。在这个范围内的表面粗糙度在激光与夹具10的上部的顶表面26、腔的内表面27或这二者相互作用时尤其有用。在这个范围内的粗糙度提供基本上没有突起和杂质(会转移激光束、使激光束失焦或吸收激光束)的表面。可使用根据MIL-PRF-13830B的划痕-麻点性能标准(其通过引用而全部包含于此)来评定夹具的表面质量，并因此评定其粗糙度。在受控制的光照条件下，通过将被评定的表面上的划痕与一组标准划痕进行比较来确定划痕设计。麻点设计与表面中的小的凹点有关并被计算为以微米乘以10为单位的凹点的直径。因此，夹具表面应具有大约80-50的划痕-麻点标准(这被认为是标准质量)、大约60-40的划痕-麻点标准(这被认为是精度质量)或大约20-10的划痕-麻点标准(这被认为是高精度质量)。
因为所有的金属(尤其是诸如金、银、铜和铝)都会在某些程度上反光，所以金属板18会难以焊接，通常需要从高能尖脉冲获得极强的能量。选择具有较短的工作波长的激光(诸如1.06μm工作波长的Nd:YAG激光，其比诸如10.6μm的较长工作波长的CO2激光更易于被吸收)使得某些激光更适于焊接高反射性金属板18。此外，吸光材料(诸如石墨)可应用于焊缝32的接合表面以降低金属板18的反射性。吸光材料可被用作涂层。根据所使用的激光的工作波长来选择吸光涂层。示例性的吸光材料可具有在紫外光谱、可见光谱和红外光谱内的任何位置的峰值波长。
或者，在一个或更多个实施例中，可期望在夹具10的至少一个表面上设置一个或多个低吸收性、低折射性和/或防反射性层40或使夹具10的至少一些部分(诸如上部20、下部22、激光焊接部14或上述部分的组合)由具有低吸收性、低折射性和/或防反射性特性的材料制成，以获得优异的透射性(诸如超过大约90％)。图2B示出了接触激光焊接部14的上实体部20的表面的防反射材料层40。图3另一方面示出了包括低吸收性材料40的激光波长透明体12。低吸收性材料可具有大约0-50％的吸收性。制成激光焊接部14的材料的类型将确定对低吸收性、低折射性和/或防反射性的层的需求。具有低的折射率的材料(诸如氟化镁)可能不需要防反射层。在另一方面，诸如硒化锌的材料(其具有高的折射率)可能需要防反射层来获得高透射性。示例性的防反射性涂层可包括对激光焊接部14的工作波长具有小于0.25％至1.5％的反射率Rave的材料。
如上所述，夹具10足够硬以向金属板18提供足够的夹紧压力。如果金属板18对齐且被压紧为保持对齐，则产生足够的压力以在焊接位置16处产生基本上无间隙的连接。如果在焊接过程中金属板18保持对齐，则夹紧力是足够的。在焊接操作过程中金属板18缺少紧密接触会降低导电焊接的总面积，这是不利的，特别是在一些应用中。这些应用包括但不限于需要在大约10秒内以大约500安培充电而不产生局部瞬时热的事件(诸如，高电压电池的DC快速充电)的应用。如果在堆叠的激光焊接的板之间不出现大于大约50μm的间隙，则金属板18的堆基本上无间隙。对于预期的目的，大于大约50μm的间隙会导致沿着焊缝32的长度使焊缝32的机械性能降低以及受损的焊接质量。
金属板18可位于夹具10和基板42之间。基板42可由多种材料制成，诸如公开的用于金属板18自身的材料(下面提到的)。基板42可由需要比金属板18高的温度熔化的材料制成。基板42必须足够硬并具有抗温性以承受激光焊接过程而不会破裂。期望基板42是不变形的。基板42可附着到固定装置以在焊接过程中防止其移动并因此防止金属板18不对齐。
通过激光焊接连接的金属板18可具有多种尺寸。示例性的金属板18可具有小于大约0.2mm至大于大约0.8mm的厚度。金属板18可以是箔。夹具10可用于连接具有相同厚度的一个或更多个金属板18(如能从图1和图2A中观察到的)，或者可用于连接具有不同厚度的一个或更多个金属板18(如图2B和图3中所示出的)。夹具10还可用于微电子的微型焊接。因此，金属板18可具有微尺度级的尺寸。
取决于特定应用，金属板18的材料可不同。一个或更多个金属板18的示例性材料包括但不限于铝、银、金、铜、锡、镍、钛、诸如不锈钢的钢等，或者它们的合金。虽然提到的板18是作为金属板18，但预期夹具10能用在包含诸如热塑性塑料的其它材料的板的激光焊接过程中。
本公开的夹具10和相关方法可用于在各种应用(诸如医疗设备、生物科技、电子学、汽车工业、航空航天、替代能源/光电)中连接板18。夹具10的示例性使用可以是在高电压电池的极耳与极耳焊接和极耳与汇流条焊接中。夹具10的非限制性示例性使用可以是用于电池电动车辆的高电压电池中的电端子的激光焊接。预期使用本公开的夹具10将可对包括小于0.2mm的厚度的多个板18的金属板18堆进行激光焊接。由此产生的激光焊接电池单体极耳可替代电池超声波焊接的金属板堆。虽然在与超声波焊接比较时，本公开的方法可能需要相对较高的先期成本，但是本方法可由于较快和高度重复的激光束定位而导致较低的单位成本以及比超声波焊接低的维护成本。夹具10及其相关的使用方法也可用于燃料电池应用，诸如在焊接用于燃料电池的金属分隔件时。这种应用可能需要在大约0.15mm宽的区域上的窄的凹部进行焊接。
本公开还提供一种通过利用夹具10压紧金属板18来对多个金属板18进行激光焊接的方法，其中，夹具10具有激光波长透明体12和腔28。压紧的步骤可包括将多个金属板18放置在夹具10与一个或更多个基板42之间。该过程还包括使激光通过激光波长透明体12和腔28透射在金属板18上以在金属板18的焊接位置16处形成焊缝32的步骤。透射的步骤从多个金属板18形成液态金属飞溅33。该过程包括使液态金属飞溅33容纳在腔28中的步骤。透射的步骤还在腔28中产生气体。该方法还提供从腔28排出气体的步骤。排气的步骤可包括通过一个或更多个通道36或者一个或更多个互连通道38将气体从腔28排出。
该方法还可包括在使用夹具10的同时形成电池极耳和/或电池汇流条。图5A和图5B示出了通过使金属板18交叠而形成电池极耳。图5A示出了将被焊接的两个金属板18的相对端的交叠。图5B示出了将被焊接的两个金属板18的相同侧交叠。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，各个实现的实施例的特征可组合以形成本公开的进一步实施例。

Claims (10)

1.一种金属板激光焊接夹具，包括：
激光波长透明体，具有激光焊接部，并且
激光焊接部包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，所述下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板相互作用。
2.根据权利要求1所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部具有沿其长度的轴向方向。
3.根据权利要求1所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部具有沿其长度的轮廓。
4.根据权利要求3所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部的轮廓沿着下腔部的轮廓的长度是不变的。
5.根据权利要求3所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部的轮廓是大致半圆形的轮廓。
6.根据权利要求3所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部的轮廓是梯形的轮廓。
7.根据权利要求1所述的金属板激光焊接夹具，其中，下腔部和/或上实体部具有包括多个突起的表面，所述多个突起的长度在大约0.1μm至大约0.015mm的范围内。
8.根据权利要求1所述的金属板激光焊接夹具，还包括接触激光焊接部的上实体部的表面的防反射材料。
9.根据权利要求1所述的金属板激光焊接夹具，其中，激光焊接部包括低吸收性材料。
10.一种金属板激光焊接夹具，包括：
激光波长透明体，具有激光焊接部和多个围壁，激光焊接部包括上实体部，所述上实体部用于将激光波长透射至下腔部，所述下腔部用于在激光焊接操作过程中与金属板相互作用；
一个或更多个通道，从下腔部延伸至所述多个围壁中的一个或更多个。
CN201610620254.2A 2015-07-30 2016-08-01 金属板激光焊接夹具 Active CN106392327B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/813,343 US9770790B2 (en) 2015-07-30 2015-07-30 Metal sheet laser welding clamp
US14/813,343 2015-07-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106392327A true CN106392327A (zh) 2017-02-15
CN106392327B CN106392327B (zh) 2020-06-02

Family

ID=57796031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610620254.2A Active CN106392327B (zh) 2015-07-30 2016-08-01 金属板激光焊接夹具

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9770790B2 (zh)
CN (1) CN106392327B (zh)
DE (1) DE102016112708A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107144987A (zh) * 2017-05-25 2017-09-08 东莞合安机电有限公司 一种fpc保压压头
CN110364678A (zh) * 2018-04-10 2019-10-22 通用汽车环球科技运作有限责任公司 制造锂金属负极的方法
CN110421268A (zh) * 2018-04-30 2019-11-08 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于制造锂金属负电极的方法和系统

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190012175A (ko) * 2016-04-29 2019-02-08 누부루 인크. 반도체 패키징, 자동차 전기 장치, 배터리 및 기타 부품에 대한 가시 레이저 용접 방법
JP6818575B2 (ja) * 2017-02-06 2021-01-20 三菱電機株式会社 メッキ鋼板の重ね溶接方法
US10547043B2 (en) 2017-07-18 2020-01-28 Ford Global Technologies, Llc Weld patterns for battery assembly joints
FR3073324B1 (fr) * 2017-11-08 2019-10-25 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede utilisant un laser pour le soudage entre deux materiaux metalliques ou pour le frittage de poudre(s), application a la realisation de plaques bipolaires pour piles pemfc
WO2020025132A1 (en) 2018-08-01 2020-02-06 Toyota Motor Europe Method of high speed laser welding a first and a second metal sheet with clamping the sheets
US20220055148A1 (en) * 2020-08-19 2022-02-24 Transportation Ip Holdings, Llc Welding window device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070084551A1 (en) * 2005-10-19 2007-04-19 Toyoto Jidosha Kabushiki Kaisha Method and apparatus for laser welding thermoplastic resin members
CN101077624A (zh) * 2007-06-08 2007-11-28 江苏大学 一种激光塑料焊接新方法
CN201009053Y (zh) * 2007-03-08 2008-01-23 天津力神电池股份有限公司 锂离子电池激光焊接夹具
KR20080056399A (ko) * 2006-12-18 2008-06-23 코닉시스템 주식회사 불활성 가스 분위기 형성장치 및 이를 이용한 레이저어닐링 장치
DE102011005665A1 (de) * 2011-03-16 2012-09-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Keramische Druckmesszelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS607739A (ja) * 1983-06-27 1985-01-16 Nec Corp 半導体装置の製造方法
US4744627A (en) * 1986-11-03 1988-05-17 General Electric Company Optical fiber holder
US4847467A (en) 1988-08-19 1989-07-11 Colt 7 Inc. Laser welding clamp
US4959522A (en) * 1990-01-12 1990-09-25 Chrysler Corporation Transparent pressure foot
US5049720A (en) * 1990-08-24 1991-09-17 Fmc Corporation Laser welding apparatus with sky window
US6524433B2 (en) * 1998-05-11 2003-02-25 Theodore J. Sweeney, Jr. Self-dispensing fastener for photocuring adhesive
FR2806532B1 (fr) 2000-03-16 2002-05-31 Cit Alcatel Procede de raccordement des lamelles d'une electrode a une borne d'un generateur electrochimique et generateur en resultant
WO2001072412A1 (de) * 2000-03-28 2001-10-04 Laser- Und Medizin-Technologie Gmbh Berlin Verfahren und vorrichtung zum aufbau und untersuchung von substanzbibliotheken
JP2005129851A (ja) * 2003-10-27 2005-05-19 Disco Abrasive Syst Ltd レーザ光線を利用した加工方法
DE102005017807B4 (de) * 2005-04-18 2007-07-26 Siemens Ag Stellantrieb zur Betätigung eines Kraftstoffeinspritzventils, umfassend einen Deckel zur Abdeckung einer Kontaktierungs- und/oder Abdichtungsanordnung
US20090217997A1 (en) 2005-05-04 2009-09-03 Alan Feinerman Thin welded sheets fluid pathway
DE102009053261A1 (de) * 2009-11-11 2011-05-12 Jenoptik Automatisierungstechnik Gmbh Vorrichtung zum Punktschweißen mit Laserstrahl

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070084551A1 (en) * 2005-10-19 2007-04-19 Toyoto Jidosha Kabushiki Kaisha Method and apparatus for laser welding thermoplastic resin members
KR20080056399A (ko) * 2006-12-18 2008-06-23 코닉시스템 주식회사 불활성 가스 분위기 형성장치 및 이를 이용한 레이저어닐링 장치
CN201009053Y (zh) * 2007-03-08 2008-01-23 天津力神电池股份有限公司 锂离子电池激光焊接夹具
CN101077624A (zh) * 2007-06-08 2007-11-28 江苏大学 一种激光塑料焊接新方法
DE102011005665A1 (de) * 2011-03-16 2012-09-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Keramische Druckmesszelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107144987A (zh) * 2017-05-25 2017-09-08 东莞合安机电有限公司 一种fpc保压压头
CN107144987B (zh) * 2017-05-25 2019-12-20 东莞市弟兄电子有限公司 一种fpc保压压头
CN110364678A (zh) * 2018-04-10 2019-10-22 通用汽车环球科技运作有限责任公司 制造锂金属负极的方法
CN110364678B (zh) * 2018-04-10 2022-08-12 通用汽车环球科技运作有限责任公司 制造锂金属负极的方法
CN110421268A (zh) * 2018-04-30 2019-11-08 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于制造锂金属负电极的方法和系统
CN110421268B (zh) * 2018-04-30 2021-08-20 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于制造锂金属负电极的方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106392327B (zh) 2020-06-02
US9770790B2 (en) 2017-09-26
US20170028515A1 (en) 2017-02-02
DE102016112708A1 (de) 2017-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106392327A (zh) 金属板激光焊接夹具
KR101484914B1 (ko) 박막 전지 기판 컷팅 및 제조 프로세스
US8703362B2 (en) Micromachined electrolyte sheet, fuel cell devices utilizing such, and micromachining method for making fuel cell devices
EP2078320B1 (en) Micromachined electrolyte sheet, fuel cell devices utilizing such, and micromachining method for making fuel cell devices
US6174620B1 (en) Prismatic sealed battery and method of manufacturing the same
JP5677130B2 (ja) リチウムイオン二次電池用外装缶
CN114131187A (zh) 利用激光焊接用光纤的激光装置及利用其的激光焊接方法
CN104384718A (zh) 一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法
JP4789434B2 (ja) 密閉型電池及びその製造方法
KR101240453B1 (ko) 이차전지 전극의 용접 장치 및 방법
CN107649784A (zh) 用于动力电池焊接的双光束激光焊接设备及方法
CN111313052B (zh) 一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法
CN109079324A (zh) 白铜的激光焊接方法
Patwa et al. Investigation of different laser cutting strategies for sizing of Li-Ion battery electrodes
Han et al. Universal strategies for enhancing the laser energy loading capability of pulse compression gratings
KR20210034963A (ko) 원통형 이차전지의 제조방법
CN112635702A (zh) 一种去除极片部分涂层的方法及装置
CN220636613U (zh) 一种带助焊涂层的焊接组件
Deyra et al. 180 W single-mode laser operation of an Yb: YAG thin disk using a robust direct-bonding process
CN201820997U (zh) 玻璃封离式co2激光器
CN117961275A (zh) 一种带助焊涂层的焊接组件及焊接组件制备方法
JPS61280680A (ja) 半導体装置の製造方法
Kitajima et al. Kerr-lens mode-locked Yb: Lu2O3 ceramic thin-disk laser
Qi et al. High power continuous-wave Yb: Y2O3 ceramic disc laser
CN111478167A (zh) 一种带有V型腔的全固态准三能级228.5nm脉冲激光器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant