CN107225323B

CN107225323B - 一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法

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Publication number: CN107225323B
Application number: CN201710341892.5A
Authority: CN
Inventors: 胡柳平; 王新龙; 白强; 邓彩珍; 冯建华; 黄再福; 王技科; 朱宇军; 黄星; 周和平
Original assignee: Shenzhen Mascot Cloud Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mascot Cloud Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: CN107225323A

Abstract

一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，包括如下步骤：（1）激光器选型：采用50‑150W的Fiber激光器作为焊接光源；（2）进行激光光学器件的配置；（3）焊接前对极耳、盖帽进行预处理；（4）盖帽与极耳位置对接，并合理选择焊接区域、对焊区进行压合的工艺方法；（5）采用有利于加强焊接强度的焊接轨迹：采用倒了角的矩形，2‑8个矩形拍成一定形状，采用呈螺旋线形填充的轨迹；（6）激光参数设置：功率40‑120W，频率60‑650KHz，脉宽20‑200ns；（7）焊接过程中采用吹气保护系统进行保护。

Description

一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地说，是涉及一种特别是18650、26650、32700电池行业的焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法。

背景技术

目前，市场上通常采用超声波焊接、电阻碰焊、YAG激光焊接工艺来焊接电池的盖帽内侧的极板与电芯的正极极耳。其中盖帽内侧的极板的材料是铝、铜或不锈钢（厚度不一），而电芯的正极极耳的材料是厚度0.08-0.15mm铝、镍带。

如图1所示，超声波摩擦焊的工作原理是通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于接触面的热量不能及时散发，聚集在焊区，致使两个焊接物的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。缺点是：焊接时需要很大的施工空间，而键盘的铝质组件是立体复合半封闭式的对铆工件，不允许有这么大的施工空间；超声波摩擦焊是双面接触式焊接，需要很强的应力，会直接将双侧的工件产生凹陷，严重影响外观；需要模具压合焊接，模具不很很小，很难满足键盘铝质组件对接面积只有2-3mm²的情况，且极易损坏模具；焊接速度慢，焊接一个5mm²面积需要4-10秒，且需要10-20秒钟进行装夹；难以实现对键盘铝质组件的自动化焊接。

如图2所示，电阻碰焊的工作原理是接触式加工，需要上下通电，在接触点形成电加热场从而形成焊接效果。缺点：出点比较大，出点容易断而造成虚焊、焊接不一致；电阻焊焊接时需要很大的施工空间，而键盘的铝质组件是立体复合半封闭式的对铆工件，不允许有这么大的施工空间；不适合焊接本身是储电放电的工件。

YAG激光点焊：非接触式焊接，依靠YAG激光器发射的脉冲激光点而形成焊接，焊斑最小可达0.4mm。缺点是：YAG焊接工艺适合焊单个的点、或者由单个的点形成的线条，不适合做大面积的焊接；YAG激光焊接厚度为0.4mm左右的高反铝质材料时，激光能量穿透后对底部1.8mm板材的穿透深度小，在焊接面积小于2mm²时焊接强度低，拉力小，往往小于10N；YAG整机占地面积大（整套系统约需3-5平方米），能耗高（约10KW），有耗材（氙灯、光纤、保护镜片、滤芯、水等），焊斑会随氙灯的衰减而变弱，从而导致焊点不一致，长期运行不稳定；焊接效率相对传统焊接高，但效率只有本工艺的20-50%。

发明内容

为了克服上述现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，包括如下步骤：

（1）激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源；

（2）进行激光光学器件的配置；

（3）焊接前对极耳、盖帽进行预处理；

（4）盖帽与极耳位置对接，并合理选择焊接区域、对焊区进行压合的工艺方法；

（5）采用有利于加强焊接强度的焊接轨迹：采用倒了角的矩形，2-8个矩形拍成一定形状，采用呈螺旋线形填充的轨迹；

（6）激光参数设置：功率40-120W，频率60-650KHz，脉宽20-200ns；

（7）焊接过程中采用吹气保护系统进行保护。

进一步地，步骤（2）中，采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25、30mm的振镜作为焊接光束运动组件，或采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格是F=100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330或350mm。

进一步地，步骤（3）中，带状极耳的预处理：裁断整齐，若外观有明显凹凸则需要压平，若无明显凹凸则无需压平。

进一步地，步骤（3）中，盖帽的预处理：盖帽内侧的基板一般是冲压成型的，若与极耳接触的焊接表面有明显凹凸则需要剔除；若表面无明显凹凸则无需压平处理。

进一步地，步骤（4）中，盖帽是冲压成型且局部镂空的，极耳与盖帽的搭接处必须避开镂空区域，选择相对平整或上凸、面积较大的区域；安装固定盖帽的治具应能够固定盖帽的角度，治具顶有压块，压块能够将极耳充分地压合到盖帽上；治具不会遮挡激光，且留出的区域比焊接轨迹大0.3mm以上。

进一步地，步骤（7）中，采用Ar2、N2或空气进行气体保护。

进一步地，步骤（7）中，焊接时用100-150度的热风对焊接区域进行预热。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

本发明的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法利用FIBER激光器产生的高能量密集度的激光光束，通过合理的光学器件，将能量稳定的输出到焊接处，焊透上层极耳；通过振镜的运动，把设定的图形作用到工件上，巧妙形成一定面积的焊痕，同时利用高速焊接时能量堆垒可形成熔深比较深的熔池，在吹惰性气体气保护工艺的配合下，就完成了牢固、可靠的焊接。

本工艺方法作用下整个焊点的拉拔力、耐弯折、撕裂口粘连性好等实验数据优越于YAG焊接工艺；采用FIBER激光器作为焊接光源，比YAG灯泵浦激光器运行更稳定；比超声波、电阻碰焊、YAG焊接工艺更快的速度；加工空间上比超声波、电阻碰焊小；加工速度是超声波、YAG的3-10倍；能耗比YAG小约8-10倍；综合减低运营成本3-8倍。社会效益大。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是超声波摩擦焊的工作原理示意图；

图2是电阻碰焊的工作原理示意图；

图3是本发明焊接轨迹示意图；

图4-6是本发明的螺旋线形填充的三种具体方式的轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法包括如下步骤：

1、激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源，激光器可以是MOPA、调Q、QCW准连续脉冲等类型，但不宜使用YAG、直接半导体等类型激光。

2、进行激光光学器件的配置,重点注意事项：

2.1、采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25、30mm的振镜作为焊接光束运动组件。

2.2、采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格可以是：F=100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330、350mm等。

本配置可以有效减少高能量密集与较高功率场合结合在一起时，激光在大范围内光点一致、焦深一致，焦深不随时间、环境温度变化而变化的情况。

注意事项：第2.2项的工艺可减少焦点随加工时间变长、透镜温度升高而产生焦距变短的现象；若采用普通的K9材质的场镜往往会有大范围内焦深随时间、环境温度变化而变化的情况，易造成焊接不稳定、不一致现象。

3、焊接前对极耳、盖帽进行预处理：

3.1、带状极耳的预处理：裁断整齐，若外观有明显凹凸则需要压平，若无明显凹凸则无需压平。

3.2、盖帽的预处理：盖帽内侧的基板一般是冲压成型的，若与极耳接触的焊接表面有明显凹凸则需要剔除；若表面无明显凹凸则无需压平处理。

4、盖帽与极耳的位置对接，并合理选择焊接区域、对焊区进行压合的工艺方法。

4.1盖帽是冲压成型且局部镂空的，极耳与盖帽的搭接处必须避开镂空区域，选择相对平整或上凸、面积较大的区域为佳；反之，若选择的是下凹、面积较小的区域，则焊接强度差、效果不理想。

4.2、安装固定盖帽的治具最好能够固定盖帽的角度（不会再旋转），治具顶有压块，压块能够将极耳充分地压合到盖帽上。

4.3、治具不会遮挡激光，且留出的区域比焊接轨迹大0.3mm以上。

5、采用有利于加强焊接强度的焊接轨迹的工艺方法

控制软件设定了激光的特色后，一但开启就会发出相应的光束。该光束在极耳上如何排布、形成多大面积的图案，有无填充、密度、方向、及填充形式直接影响了焊接效果。

经我们多次实验获得数据如下：

5.1、一般采用倒了角的矩形，2-8个矩形拍成一定形状，倒了角的焊圈的强度比较大，拉拔力一般会高于10N，在12-18N；反之，如果不倒角，则焊圈强度小、拉拔力小、容易断裂，如图3所示。

5.2、采用呈螺旋线形填充的轨迹，具体工艺细节及效果如下：

5.2.1、当极耳厚度在0.08-0.12mm时，采用0.07-0.1mm间距的螺旋线形的比较合适。若过密则容易造成极耳直接烧坏。此焊接过程对功率、接触面非常敏感，因此，需要将激光的功率、频率、脉宽等参数设置到单位面积能量比较低的阶段。

5.2.2、当极耳厚度在0.13-0.16mm时，可采用密度0.04-0.08mm间距的螺旋线形。

5.2.3、当极耳厚度在0.16-0.2mm时，可采用密度0.03-0.06mm间距的螺旋线形，如图4所示。

5.3、其他形状。采用外角圆滑的其他图形时（或填充），要根据产品常用拉扯方向的拉力适当予以填充，否则容易焊接过度导致、强度不够，拉拔力不达标。本形状或填充的一致性不好。

6、激光参数设置与工艺重点列表：

6、激光光学光路位置拾取的方法。

7、其他配套工艺方法

7．1、焊接过程中吹气保护系统的工艺方法。

焊接时需要对焊区进行保护气体覆盖（直接吹气或形成保护气体池），气体种类以及用气方式下表：

种类	吹气方式	吹气气压	时长	注意事项
					Ar2	对吹或保护池	0.05-10bar	同步
N2	对吹或保护池	0.05-4bar	同步	气压过大易形成氮化铝、不牢固
					空气	对吹	0.05-2bar	同步	有助于带走烟雾，增加光的通透；气压过大易氧化过大、焊接不牢固

若不吹气体，当焊点不密集时(间距＞10mm)可以用于焊接，但飞溅物容易伤害镜头；当焊点密集时，烟尘容易阻碍激光透射，会影响焊接效果。

7.2、预热工艺

焊接时用100-150度的热风对焊接区域进行预热，有利于上表面吸收激光。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。

Claims

1.一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源；

(2)进行激光光学器件的配置；

(3)焊接前对极耳、盖帽进行预处理；

(4)盖帽与极耳位置对接，并合理选择焊接区域、对焊区进行压合的工艺方法；

(5)采用有利于加强焊接强度的焊接轨迹：采用倒了角的矩形，2-8个矩形排成一定形状，或采用呈螺旋线形填充的轨迹；

(6)激光参数设置：功率40-120W，频率60-650KHz，脉宽20-200ns；

(7)焊接过程中采用吹气保护系统进行保护；

其中，步骤(4)中，盖帽是冲压成型且局部镂空的，极耳与盖帽的搭接处必须避开镂空区域，选择相对平整或上凸、面积较大的区域；安装固定盖帽的治具应能够固定盖帽的角度，治具顶有压块，压块能够将极耳充分地压合到盖帽上；治具不会遮挡激光，且留出的区域比焊接轨迹大0.3mm以上。

2.根据权利要求1所述的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：步骤(2)中，采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25、30mm的振镜作为焊接光束运动组件，或采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格是F＝100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330或350mm。

3.根据权利要求1所述的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：步骤(3)中，带状极耳的预处理：裁断整齐，若外观有明显凹凸则需要压平，若无明显凹凸则无需压平。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：步骤(3)中，盖帽的预处理：盖帽内侧的基板是冲压成型的，若与极耳接触的焊接表面有明显凹凸则需要剔除；若表面无明显凹凸则无需压平处理。

5.根据权利要求1所述的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：步骤(7)中，采用Ar₂或N₂进行气体保护。

6.根据权利要求1所述的一种焊接锂电池盖帽与极耳的工艺方法，其特征在于：步骤(7)中，焊接时用100-150度的热风对焊接区域进行预热。