CN108064193A - 用于激光焊接的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种激光焊接系统(1)。所述激光焊接系统包括:激光源(3),所述激光源构造成产生激光束;光束变更装置(5),所述光束变更装置构造成将激光束分割成相对于彼此以预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线的中心(c)等距的至少两个热源点(30),所述圆形焊接线与待焊接对象同心;旋转装置(14),所述旋转装置构造成使得所述至少一组两个热源点或所述待焊接对象旋转;和控制装置(12),所述控制装置配置为将所述旋转装置控制成使得所述至少一组至少两个热源点扫描基本上整个所述圆形焊接线。
Description
技术领域
本公开涉及用于焊接的系统和方法,并且更具体地涉及使用光学元件来形成多个热源点的激光焊接。
背景技术
在电子装置如电池、燃料电池等的制造中,构件设计常常涉及通过焊接将各种部件(例如,两个或更多个薄金属板)组装在一起。
典型地,金属板被定位在一起并且安置在焊接台架上。然后可使用焊接设备(例如,激光焊、电子束/等离子焊、电弧焊设备和/或其它类似设备)来执行焊接操作。
例如,在封闭电池(例如,锂离子电池)的注入孔(注液孔)时,可将电池的内部部分组装或安置在外壳内,将罩盖焊接到位,经由注入孔提供电解质,且然后通过将罩帽激光焊接成覆盖电池外壳中的注入孔来封闭注入孔。
该激光焊接操作使用沿罩帽的外周——通常为圆形外周——扫描的单点激光器来执行,并且导致向周围的电池罩盖大量传热(例如,经由传导)。这样传递的热会引起不期望的效应,例如,电池内的电解质的气化和电池内含物的加压。这又会导致有缺陷的焊接和将来的焊接失效。
JP2013-127906公开了一种具有容器、热输入部和盖子的二次电池。容器具有设置有开口的壁部并且收纳电极体和电解液。热输入部包括沿开口的边缘设置在壁面的外表面上并且沿远离开口移动的方向布置的部分,并且设置在壁部上。盖子固定在壁部上而与热输入部重叠并且封闭开口。热输入部具有包封开口的第一部分和在与第一部分相比靠近边缘的位置包封开口的第二部分,热输入部在第二部分中比在第一部分中深。
JP2012-169254公开了一种二次电池,该二次电池包括容器和密封盖子,容器具有供电解质注入的注液孔并且收纳经注液孔注入的电解质及电极体,密封盖子固定在容器上并且封闭注液孔。容器具有在注液孔周围的预定区域中沿注液孔的外缘平行延伸的多个沟槽,并且密封盖子设置在所述多个沟槽上以便封闭注液孔并且固定在容器上。
发明内容
根据本公开的实施例,提供了一种激光焊接系统。所述激光焊接系统包括:激光源,所述激光源构造成产生激光束;光束变更装置,所述光束变更装置构造成将激光束分割成至少两个热源点,所述至少两个热源点相对于彼此以预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线的中心等距,所述圆形焊接线与待焊接对象同心;旋转装置,所述旋转装置构造成使得所述至少两个热源点或所述待焊接对象旋转;和控制装置,所述控制装置配置为将所述旋转装置控制成使得所述至少两个热源点扫描基本上整个所述圆形焊接线。
通过提供这种构型,能将被焊接部由激光照射的时间大幅缩短例如高达400%,并且因此能显著限制由于长时间加热而引起的被焊接对象周围区域内的升温。通过限制这种升温,例如,能限制或甚至消除电池内部的电解质的气化,从而防止归因于这些效应的焊接缺陷。
所述至少两个热源点可沿从所述圆形焊接线的中心通过的对角线(斜线)彼此相对地定位。
所述预定角度可以是180度。
所述光束变更装置可构造成分割所述激光束以产生至少两组的两个热源点,所述至少两组中的第二组的两个热源点相对于所述至少两组中的第一组的两个热源点偏离90度。
所述旋转装置可构造成使所述至少一组热源点旋转至少90度但不超过180度。
所述旋转装置可与所述光束变更装置可操作地连接以使得所述光束变更装置旋转。
所述旋转装置可构造成使所述待焊接对象旋转至少90度但不超过180度。
所述光束变更装置可包括衍射光学元件,例如衍射光栅。
所述待焊接对象可以是电池的电解质注入孔罩帽。
所述至少一组两个热源点可在不被反射镜反射的情况下传送到所述待焊接对象。
根据本公开的其它方面,提供了一种用于激光焊接的方法。所述方法包括将激光束分割成至少两个热源点,所述至少两个热源点相对于彼此以预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线的中心等距,所述圆形焊接线与待焊接对象同心;以及使所述至少两个热源点围绕所述圆形焊接线的中心旋转,或者使所述待焊接对象旋转,以使得所述至少两个热源点扫描基本上整个所述圆形焊接线。
通过提供这种方法,能将被焊接部由激光照射的时间大幅缩短例如高达400%,并且因此能显著限制由于长时间加热而引起的被焊接对象周围区域内的升温。通过限制这种升温,例如,能限制或甚至消除电池内部的电解质的气化,从而防止归因于这些效应的焊接缺陷。
所述至少两个热源点可沿从所述圆形焊接线的中心通过的对角线彼此相对地定位。
所述分割可产生至少两组的两个热源点,所述至少两组中的第二组的两个热源点相对于所述至少两组中的第一组的两个热源点偏离90度。
所述至少两个热源点或所述待焊接对象可旋转至少90度但不超过180度。
所述分割可包括使所述激光束穿过衍射光学元件,例如衍射光栅。所述衍射光学元件可例如旋转以使得所述热源点旋转。
根据本公开的又一些实施例,可提供一种根据上述方法焊接的电池的电解质注入孔罩帽。
预期可将上述要素和说明书中的各要素进行组合,除非另有抵触。
应理解的是,前文的大体描述和下文的详细描述都只是示例性和说明性的,而并非对要求保护的本公开的限制。
结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本公开的实施例,并连同说明一起用于解释本公开的原理。
附图说明
图1A示出典型的现有技术焊接廓形;
图1B示出可进行焊接的示例性对象;
图2示出根据本公开的实施例的示例性焊接系统;
图3示出根据本公开的实施例的示例性焊接廓形;
图4示出根据本公开的实施例的示例性焊接廓形的旋转;以及
图5示出根据本公开的实施例的用于焊接的示例性流程图。
具体实施方式
现在将详细说明本公开的示例性实施例,其示例在附图中示出。只要有可能,所有附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的零部件。
图1A示出用于将电解质注入孔罩帽36焊接在如图1B所示的电池的罩盖38上的现有焊接技术。如上所述,使用单点激光器,并且围绕待焊接部件的圆周的360度扫描该单点。在这种焊接期间,过量的热传递到周围区域并且会发生电解质气化。
当发生电解质气化时,内部压力蓄积会导致明显的焊接缺陷。这些缺陷会引起电池的后续问题。
图2示出根据本公开的实施例的构造成解决上述问题的示例性焊接系统1。焊接系统1可包括激光源3、准直器4、光束变更器5、旋转单元14和控制器12。本领域的技术人员将理解,可存在更多或更少的构件而不脱离本公开的范围(例如,保护性玻璃罩盖120、聚焦透镜125等)。
激光源3包括用于提供激光束的任何合适的装置,例如激光振荡器。激光源3可提供适于焊接与对象2相关联的材料的任何波长和能量水平的激光。例如,合适的激光源包括红宝石激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、气体激光器(氦、氮、二氧化碳)等。
准直器4能可选地设置在焊接系统1内,并且可构造成准直由激光源3提供的激光。例如,由激光源3提供的激光可穿过传送介质(例如,光纤)到达期望位置。在离开传送介质后,激光可经由准直器4进行准直以在经过另外的光学元件——例如,光束变更器5——之前合意地排列光波并收窄光束。准直器4因此可以是任何透镜、反射镜或用于对激光进行准直的其它适当元件。
光束变更器5可包括能够将由激光源3提供的激光束分割成期望数量的输出激光束和/或将通过该分割形成的至少一组60的两个热源点30成形为期望廓形的一个或多个光学元件。例如,光束变更器5可包括被制造成将由激光源3提供的入射激光束分割成至少一组60的两个热源点30的一个或多个衍射光学元件(例如,衍射光栅),例如,由TOPAG出品的FBS-Gauss-to-Top Hat Focus Beam Shaper(FBS-高斯-大礼帽聚焦光束成形器)。本领域技术人员将认识到该装置仅仅是示例性的。
图3示出根据本公开的实施例的示例性焊接廓形。组60的两个热源点30可成预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线9的中心C等距。例如,两个热源点可沿对角线D彼此相对地定位,这种对角线D从中心C通过。在这种构型中,组60的两个热源点30之间可存在180度的分离(即,预定角度为180度)。
根据一些实施例,至少两个这样的具有两个热源点30的组60(即,共4个热源点)可例如由在如图3所示的正方形廓形的四个角部处提供热源点30的光束变更器5产生。在这种情况下,例如,可在第一组60热源点的热源点30与第二组60’热源点的热源点30’之间提供90度的分离。本领域的技术人员将认识到,本公开不限于两个、四个或甚至六个热源点,并且可使用允许围绕圆形焊接线9的中心C旋转的任何合适的构型。
返回图2,旋转单元14可构造成使得热源点30围绕圆形焊接线9的中心C旋转以便扫描焊接线9而执行焊接操作。因此,旋转单元14可包括构造成协作地引起期望旋转的任何合适的装置或装置组合,例如马达、带、链等的。
例如,旋转单元14可与控制器12通信并且与光束变更器5连结以使得热源点30可绕对象2的焊接线9旋转。
可替代地或附加地,如本领域的技术人员将认识到,旋转单元14可构造成使对象2旋转,使得即使在热源点30保持静止不动的情况下热源点30也扫描焊接线9。在这种实施例中,对象2可安装在例如旋转平台18或其它合适的台架上,并且旋转单元14可使这种台架18旋转以使焊接线9接收热源点30的照射。
重要的是,虽然将控制器12作为与旋转单元14分开的构件进行论述,但是本领域的技术人员将认识到,控制器12可与旋转单元14集成为一体(即,单个结构)或可与旋转单元14分开设置。本领域的技术人员还将认识到,控制器12的一些部分可与旋转单元14一起呈现,而控制器12的其它部分在远离旋转单元14的位置实现。
图4示出根据本公开的实施例的示例性焊接廓形的旋转。旋转单元14可构造成使成组60的热源点30旋转例如180度。在提供单个组60的两个热源点30时可以就是这种情况。在另一示例中,在提供两个组60的热源点30的情况下,旋转单元14可使每个组60旋转90度,这足以用于扫描焊接线9。本领域技术人员将认识到,通过限制热源点的旋转,对象2被照射的时间缩短,由此减弱了对象2在焊接线9周围的区域的关联升温。
控制器12可包括能够产生命令并将命令发送给旋转单元14以完成期望的焊接任务的任何合适的控制装置。例如,控制器12可包括基于PIC的控制器、基于RISC的控制器等。控制器12还可配置成与一种或多种网络——例如,LAN、WAN、因特网等——交互以便经由所述网络接收指令。
另外,旋转单元14可包括设计成以自动方式执行其预期操作的一个或多个元件。例如,可设置一个或多个伺服电机(未示出)且其构造成旋转和/或以其它方式操纵光束变更器5以便在焊接期间执行期望的旋转操作。控制器12可用于向这些元件提供指令以便实现这种自动化。
图5是描述根据本公开的实施例的示例性方法的框图500。根据本公开的方法,可将来自激光源3的激光束提供给光束变更器3并且分割成至少两个热源点(步骤505)。例如,在光束变更器包括衍射光学元件的情况下,衍射光学元件可构造成在圆形焊接线9上的第一点提供第一热源点30并且在圆形焊接线9上的第二点提供第二热源点,这两个热源点相对于彼此以预定角度定位并且还与圆形焊接线的中心等距。例如,在使用180度的预定角度的情况下,可画出将这两个点连接的对角线D,该对角线D从圆形焊接线9的中心C通过。
类似地,在提供第二组的两个热源点30的情况下,可将第一组的热源点与第二组的热源点分开90度。此外,可画出将第二组的两个点连接的对角线D,该对角线D从圆形焊接线9的中心C通过。
然后控制器12可提供使得热源点绕圆形焊接线9旋转的指令(步骤510)。例如,旋转元件14可引起光束变更器5的旋转,使得热源点30围绕中心C旋转以经过焊接线9。可替代地,控制器12可提供使旋转元件14让对象2旋转的指令,以使得热源点30照射焊接线9的圆周。
通过提供这些系统和方法,完成绕焊接线9的焊接的时间可缩短200%至400%,由此节省能量和金钱。另外,可蓄积在对象2的焊接线9周围的区域中的废热可由于缩短的加热时间而减少。这又降低了电池内部的电解质气化的风险。
本领域的技术人员将认识到,可对本文中描述的结构和方法作出变更。例如,虽然已使用一个或两个热源点组论述了示例性实施例,但本领域的技术人员将认识到,可根据焊接任务实施三个、四个或更多个热源点组。
另外,虽然在附图中将由旋转单元14实施的旋转显示为顺时针旋转,但本领域的技术人员将认识到,能以等同的效能实施逆时针旋转。
在本说明书全文(包括权利要求书)中,术语“包括”应当理解为与“包括至少一个”同义,除非另外指明。此外,在本说明书(包括权利要求书)中记载的任何范围应当理解为包括其端值,除非另外指明。用于所描述要素的具体值应当理解为处于本领域的技术人员已知的可接受的制造或产业公差内,并且术语“基本上”和/或“大约”和/或“大体”的任何使用应当理解为意味着落入这些可接受的公差内。
在提及任何国家标准、国际标准或其它标准主体的标准(例如,ISO等)的情况下,这种提及意指截至本申请的优先权日的由国家或国际标准主体定义的标准。任何后续对这些标准的实质性改变并非意在修改本公开和/或权利要求的范围和/或定义。
尽管已参考特定实施例描述了本公开,但是应理解,这些实施例仅仅是例述了本公开的原理和应用。
应将本说明书和示例视为仅为示例性的,而本发明的真正范围由所附权利要求指明。
Claims (17)
1.一种激光焊接系统,包括:
激光源,所述激光源构造成产生激光束;
光束变更装置,所述光束变更装置构造成将所述激光束分割成至少两个热源点,所述至少两个热源点相对于彼此以预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线的中心等距,所述圆形焊接线与待焊接对象同心;
旋转装置,所述旋转装置构造成使得所述至少两个热源点或所述待焊接对象旋转;和
控制装置,所述控制装置配置为将所述旋转装置控制成使得所述至少两个热源点扫描基本上整个所述圆形焊接线。
2.根据权利要求1所述的激光焊接系统,其中,所述至少两个热源点沿从所述圆形焊接线的中心通过的对角线彼此相对地定位。
3.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述预定角度为180度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述光束变更装置构造成分割所述激光束以产生至少两组的两个热源点,所述至少两组中的第二组的两个热源点相对于所述至少两组中的第一组的两个热源点偏离90度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述旋转装置构造成使所述至少两个热源点旋转至少90度但不超过180度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述旋转装置与所述光束变更装置可操作地连接以使得所述光束变更装置旋转。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述旋转装置构造成使所述待焊接对象旋转至少90度但不超过180度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述光束变更装置包括衍射光学元件,优选地为衍射光栅。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述待焊接对象包括电池的电解质注入孔罩帽。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接系统,其中,所述至少一组两个热源点在不被反射镜反射的情况下传送到所述待焊接对象。
11.一种用于激光焊接的方法,包括:
将激光束分割成至少两个热源点,所述至少两个热源点相对于彼此以预定角度定位并且在径向上与圆形焊接线的中心等距,所述圆形焊接线与待焊接对象同心;以及
使所述至少两个热源点围绕所述圆形焊接线的中心旋转,或者使所述待焊接对象旋转,以使得所述至少两个热源点扫描基本上整个所述圆形焊接线。
12.根据权利要求1所述的方法,其中,所述至少两个热源点沿从所述圆形焊接线的中心通过的对角线彼此相对地定位。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的方法,其中,所述分割产生至少两组的两个热源点,所述至少两组中的第二组的两个热源点相对于所述至少两组中的第一组的两个热源点偏离90度。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法,其中,所述至少两个热源点或所述待焊接对象旋转至少90度但不超过180度。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法,其中,所述分割包括使所述激光束穿过衍射光学元件,优选地为衍射光栅。
16.根据权利要求15所述的方法,包括使所述衍射光学元件旋转。
17.一种根据如权利要求11-16中任一项所述的方法焊接在电池外壳上的、电池的电解质注入孔罩帽。
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