CN109093252A - 焊接层压金属箔的方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊接层压金属箔(LMF)的方法，其通过将激光束从上金属板侧投射到夹在上金属板与下金属板之间的LMF上，并且将LMF激光焊接至上金属板和下金属板来焊接LMF。该方法包括：在激光焊接之前，在上金属板的上表面中形成孔，并且形成倒角部，使得孔的直径朝向上表面扩大；以及在激光焊接中，将用于热传导焊接的激光束投射到上金属板的倒角部上以形成熔池；并以圆圈投射激光束，以搅动熔池并使熔池在LMF的层压方向上增长，使得熔池到达下金属板。

Description

焊接层压金属箔的方法
技术领域
本公开内容涉及焊接层压金属箔的方法，并且更具体地涉及焊接夹在一对金属板之间的层压金属箔的方法。
背景技术
例如，二次电池和电容器通过用于电极的层压金属箔来收集电流，用于电极的层压金属箔被接合至用于电流收集的金属板。通常，通过焊接(冶金接合)或机械接合将由具有良好导电性的铝或铜制成的金属板和层压金属箔接合。当在这种情况下使用焊接时，与机械接合相比，可以减小接合后的电阻。
日本未审查专利申请公开第2015-217422号公开了焊接夹在一对金属板之间的层压金属箔的方法。具体地，通过使用第一激光束执行热传导焊接，在金属板的表面上形成熔池，然后将第二激光束和第三激光束投射到熔池上以执行小孔焊接(keyhole welding)。通过热传导焊接形成的熔池能够更有效地防止在小孔焊接期间形成焊接缺陷(例如，气泡)。
发明内容
发明人已经发现与焊接层压金属箔的方法有关的以下问题。
即，在日本未审查专利申请公布第2015-217422号中公开的焊接层压金属箔的方法由于执行小孔焊接而仍然存在如下问题：在焊接期间形成气泡，并且当气泡爆裂时产生飞溅。气泡可能残留在焊接部中，并且不利地对焊接部的疲劳强度、接触电阻等产生影响，并且飞溅物可能作为异物粘附并混合在焊接部中，从而导致不利影响。
已知的是，与使用小孔焊接的情况相比，热传导焊接可以更有效地防止气泡形成以及飞溅。然而，如日本未审查专利申请公布第2015-217422号中所描述的，仅通过简单地执行热传导焊接无法形成穿透用激光束照射的金属板的熔池。就是说，无法产生将一对金属板接合到层压金属箔所需的熔池。例如，当一对金属板和层压金属箔由具有高导热率的金属材料(例如，铝、铜或将它们作为主要成分包含的合金等)制成时，熔池的热量易于逸散，这尤其是一个问题。
鉴于这样的情况而作出了本公开内容。本公开内容的目的在于提供一种焊接层压金属箔的方法，该方法能够产生将一对金属板接合至层压金属箔所需的熔池，同时更有效地防止通过热传导焊接形成的气泡以及飞溅。
本公开内容的一个示例性方面是一种焊接层压金属箔的方法，该方法通过将激光束从上金属板侧投射到夹在上金属板与下金属板之间的层压金属箔上并且将层压金属箔激光焊接至上金属板和下金属板来焊接层压金属箔。该方法包括：
在激光焊接之前，在上金属板的上表面形成孔，并且形成倒角部，使得孔的直径朝向上表面扩大；以及在激光焊接中，将用于热传导焊接的激光束投射到上金属板的倒角部上以形成熔池；以及以圆圈投射激光束，以搅动熔池并且使熔池在层压金属箔的层压方向上增长，使得熔池到达下金属板。
在根据本公开内容的示例性方面的焊接层压金属箔的方法中，使用用于热传导焊接的激光束照射形成在上金属板中的孔的倒角部以形成熔池。薄的倒角部促进熔池的形成，同时更有效地防止通过热传导焊接形成气泡和飞溅。然后，以圆圈投射用于热传导焊接的激光束，以搅动熔池并且使熔池在层压金属箔的层压方向上增长，使得熔池到达下金属板。就是说，可以产生将一对金属板接合至层压金属箔所需的熔池，同时更有效地防止通过热传导焊接形成气泡和飞溅。
孔可以是通孔。
这样的构造促进孔的形成。
在激光焊接中，可以基于从熔池发射的热辐射光的强度对激光束的照射条件执行反馈控制。
这样的构造提高了焊接部的质量。
层压金属箔、上金属板和下金属板可以由将铝或铜作为主要成分包含的金属材料制成。本公开内容优选这样的构造。
根据本公开内容，可以提供一种焊接层压金属箔的方法，该方法能够产生将一对金属板接合至层压金属箔所需的熔池，同时更有效地防止通过热传导焊接形成气泡和飞溅。
根据下文给出的详细描述以及仅以示例的方式给出并且因此不被认为是限制本公开内容的附图，本公开内容的上述及其他目的、特征和优点将得到更充分地理解。
附图说明
图1是通过根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法来焊接层压金属箔的平面图；
图2是沿图1的线II-II取得的剖视图；
图3是示出根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的平面图和剖视图；
图4是示出根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的平面图和剖视图；
图5是示出根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的平面图和剖视图；
图6是示出用于根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的激光焊接装置的构造的框图；
图7是示出在根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法中使用的控制激光焊接的方法的流程图；以及
图8是示出在一次激光焊接中的热辐射光的接收光强度RL的在时间上的变化的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述应用本公开内容的具体实施方式。然而，本公开内容不限于以下实施方式。为了使描述清楚，下面的描述和附图被适当地简化。
第一实施方式
<焊接的层压金属箔的结构>
首先，将参照图1和图2描述通过根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法焊接的层压金属箔。
图1是通过根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法焊接的层压金属箔的平面图。图2是沿图1的线II-II取得的剖视图。如图1和图2所示，层压金属箔11夹在上金属板12与下金属板13之间，并在焊接部14处被焊接到上金属板12和下金属板13。
明显的是，图1和其他附图中所示的右手xyz正交坐标仅仅是为了便于描述部件的位置关系。通常，z轴正方向是竖直向上的，并且xy平面是水平面，这对于附图来说是共同的。在图1中，虽然为了便于理解而将上金属板12和下金属板13绘制成彼此偏移，但是它们实际上彼此重叠。
层压金属箔11是通过对从例如二次电池、电容器等中的电极(正极或负极)延伸的金属箔进行层压而形成的。层压金属箔11是通过对约30至100个金属箔进行层压而形成的，其中每一个金属箔具有例如约10μm至30μm的厚度。优选地，层压金属箔11由具有高导电性的金属材料(例如，铝、铜或以它们作为主要成分包含的合金)制成。
如图1所示，层压金属箔11的边缘的一部分被夹在一对上金属板12和下金属板13之间用于电流收集。换言之，层压金属箔11被上金属板12和下金属板13包裹。上金属板12和下金属板13中的每一个在xy平面图中都具有矩形形状，并且具有例如约1mm至1.5mm的厚度。就焊接部14的可焊性和电阻而言，上金属板12和下金属板13优选地由与层压金属箔11的金属材料种类相同的金属材料制成。具体地，当层压金属箔11由铝制成时，上金属板12和下金属板13优选地也由铝制成。当层压金属箔11由铜制成时，上金属板12和下金属板13优选地也由铜制成。
如图2所示，在焊接部14处，构成层压金属箔11的所有金属箔焊接至彼此，并且层压金属箔11被焊接至上金属板12和下金属板13。在图2的示例中，自上金属板12的上表面(上金属板12的在z轴正方向侧的表面)穿过层压金属箔11至下金属板13的内侧而形成焊接部14。也就是说，尽管在图2的示例中示出的是焊接部14未穿透后表面，但实际上它可以穿透后表面。
如后面将详细描述的，在通过根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法焊接的层压金属箔11中，通过以圆圈投射用于热传导焊接的激光束来形成焊接部14。由于使用热传导焊接，与使用小孔焊接的情况相比，可以更有效地防止形成气泡和飞溅。
当以圆圈来投射激光束时，熔池被搅动并且在其摇荡的同时在层压金属箔11的层压方向上增长，使得上金属板12、下金属板13和层压金属箔11能够接合。这促进了气泡的排出，从而更有效地防止气泡形成。
以这种方式，在通过根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法焊接的层压金属箔11中，在焊接部14处更有效地防止了气泡形成。
<焊接层压金属箔的方法>
接下来，将参照图3至图5来描述根据该实施方式的焊接层压金属箔的方法。图3至图5是示出根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的平面图和剖视图。在图3至图5的每一个图中，上图是平面图，而下图是剖视图。
首先，如图3所示，上金属板12位于上侧(z轴正方向侧)，下金属板13位于下侧(z轴负方向侧)，然后将层压金属箔11被放置在基部50的上表面(基部50的在z轴正方向侧的表面)上。例如，在上金属板12的上表面12a的焊接点处形成在xy平面图中具有圆形形状的孔12b。此外，以孔12b朝向上表面12a扩大的方式形成xy平面图中的环形倒角部12c。也就是说，在激光焊接之前，在上金属板12的上表面12a的焊接点中形成孔12b和倒角部12c。图3中所示的孔12b是通孔，但也可以替代为盲孔。然而，通孔是优选的，因为它更容易处理。例如，可以通过机械加工来形成倒角部12c。
另一方面，通过按压夹具60从上方按压由激光束LB照射的上金属板12的倒角部12c的边缘。因此，按压夹具60具有比上金属板12的倒角部12c尺寸更大的通孔61。以这种方式，层压金属箔11被夹在放置在基部50上的下金属板13与由按压夹具60按压的上金属板12之间。然后，如图3所示，沿着上金属板12的倒角部12c以圆圈投射用于热传导焊接的激光束LB。用于热传导焊接的激光束是具有不会导致形成小孔的能量密度的激光束。可以通过改变激光输出或光点直径来调节激光束LB的能量密度。
接下来，如图4所示，通过沿着相同的轨迹继续以圆圈来投射激光束LB，上金属板12的倒角部12c被熔化以形成熔池14a。在倒角部12c中，上金属板12的厚度沿朝向孔12b的方向减小。因此，即使使用用于热传导焊接的激光束LB，熔池14a也能够容易地穿透上金属板12。
应注意的是，激光束LB不一定要沿着相同的轨迹以圆圈投射，而只要将激光束LB投射到倒角部12c上即可。
此外，形成在倒角部12c中的熔池14a立即通过孔12b与层压金属箔11接触，并且层压金属箔11由于热传导而熔化。当激光束LB通过孔12b被直接投射到层压金属箔11上时，表面上的金属箔的温度急剧升高并且容易发生飞溅。在根据本实施方式的焊接层压金属箔的方法中，通过来自已经熔化了上金属板12的倒角部12c的熔池14a的热传导而不是通过直接将激光束LB投射到层压金属箔11上来熔化层压金属箔11。这更有效地防止了飞溅形成。
最终，如图5所示，通过沿着相同的轨迹继续以圆圈投射激光束LB来搅动熔池14a。搅动使得熔池14a摇荡并且在层压金属箔11的层压方向上增长，并且熔池14a到达下金属板13。结果，上金属板12和下金属板13可以被接合至层压金属箔11。由于当熔池14a在摇荡的同时增长时促进了气泡的排出，因此可以更有效地防止气泡形成。在与下金属板13的下表面接触的基部50的上表面中形成以盘状凹陷的凹部51，以便在熔池14a穿透时不会立即接触熔池14a。
之后，当激光束LB的投射结束时，熔池14a凝固，并且形成图1和图2所示的焊接部14。
应注意的是，激光LB不一定要沿着相同的轨迹以圆圈投射，而只要其被投射到熔池14a上即可。
在根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法中，用于热传导焊接的激光束LB被投射到上金属板12的孔12b的倒角部12c上，从而形成熔池14a。薄的倒角部12c促进熔池14a的形成，同时更有效地防止通过热传导焊接形成气泡和飞溅。另外，熔池14a通过孔12b立即与层压金属箔11接触，并且层压金属箔11可以通过热传导被熔化。就是说，通过来自熔池14a的热传导而不是直接用激光束LB照射层压金属箔11来熔化层压金属箔11。这更有效地防止了飞溅形成。
以圆圈投射用于热传导焊接的激光束LB使得熔池14a被搅动，并且在使得熔池14a摇荡的同时使熔池14a在层压金属箔11的层压方向上增长，以便其到达下金属板13。因此，可以在更有效地防止气泡和飞溅形成的同时将上金属板12和下金属板13接合至层压金属箔11。熔池14a的摇荡促进气泡的排出，从而更有效地防止了气泡形成。
如上所述，在根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法中，可以在更有效地防止通过热传导焊接形成气泡和飞溅的同时产生用于将一对金属板接合到层压金属箔所需的熔池14a。
<激光焊接装置的构造>
接下来，将参照图6描述用于根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的激光焊接装置。图6是示出用于根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法的激光焊接装置的构造的框图。如图6所示，用于根据第一实施方式的激光焊接层压金属箔的方法的激光焊接装置包括激光振荡器101、激光头LH、透镜L1、光接收传感器102和激光控制单元103。
激光振荡器101基于从激光控制单元103输出的控制信号利用激光输出来使激光束LB振荡。例如，当层压金属箔11的总厚度为约0.6mm至1.0mm，并且上金属板12和下金属板13的厚度约为1.0mm至1.5mm时，激光输出为约1000W至3000W。从激光振荡器101输出的激光束LB被输入到激光头LH。
例如，激光头LH是能够扫描的Galvano扫描激光头。如图6所示，激光头LH包括分色镜DM、反射镜M1和透镜L2。分色镜DM反射激光束LB并透射热辐射光。激光束LB由分色镜DM和反射镜M1反射，由透镜L2收集，然后从激光头LH辐射。从激光头LH辐射的激光束LB被投射到层压金属箔11以及上金属板12和下金属板13中的要被焊接的点上，以形成熔池14a。作为示例，例如，当层压金属箔11的总厚度为约0.6mm至1.0mm，并且上金属板12和下金属板13的厚度为约1.0mm至1.5mm时，投射到熔池14a上的激光束LB的光斑直径是约0.4mm到1.2mm。该激光束LB以约20mm/s至50mm/s的扫描速度围绕直径为2mm至4mm的边缘外周投射约4至20次。
在本激光焊接装置中，基于从熔池14a发射的热辐射光(返回光)TR的接收光强度来反馈控制激光输出。因此，如图6所示，从熔池14a发射的热辐射光TR经由激光头LH通过透镜L1被收集，然后由光接收传感器102检测。更具体地，在激光头LH中，热辐射光TR经由透镜L2通过反射镜M1反射，通过分色镜DM透射，然后被透镜L1收集。
由激光束LB照射的熔池14a的温度越高，由光接收传感器102检测到的热辐射光TR的接收光强度变得越高。
激光控制单元103基于由光接收传感器102检测到的热辐射光TR的接收光强度来执行对激光振荡器101的反馈控制。具体地，激光控制单元103向激光振荡器101输出用于控制激光输出以及激光振荡器101中的激光振荡的开始和停止的控制信号。
激光控制单元103包括计算单元(例如，CPU(中央处理单元))、存储单元(例如，存储各种控制程序和数据的RAM(随机存取存储器)以及ROM(只读存储器))，尽管它们未在附图中示出。
下面将描述通过激光控制单元103控制激光焊接的方法的细节。
<控制激光焊接的方法>
在下文中，将参照图7和图8描述在根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法中使用的控制激光焊接的方法。图7是示出在根据第一实施方式的焊接层压金属箔的方法中使用的控制激光焊接的方法的流程图。图8是示出在一次激光焊接中的热辐射光的接收光强度RL的在时间上的变化的曲线图。图8中的实曲线是热辐射光的接收光强度RL的在标准时间上的变化图案。
图8中所示的罗马数字III、IV和V分别意指图3、图4和图5。即，图3、图4和图5所示的熔池14a的状态分别大致对应于图8的曲线图中所示的III、IV和V的范围。
在图7所示的流程图的描述中，也将适当地参照图6所示的激光焊接装置的构造。
首先，如图7所示，激光控制单元103以预定的初始激光输出使激光振荡器101振荡，并且开始用激光束LB照射层压金属箔11以及上金属板12和下金属板13(步骤ST1)。然后，如图8的曲线图所示，由光接收传感器102检测到的热辐射光TR的接收光强度RL开始增大。该阶段与图3相对应。
当然，在激光束LB的照射开始之前，还设置了除激光输出以外的照射条件。例如，设置激光束LB的光斑直径和照射时间，并且当扫描激光束LB时设置扫描速度，扫描次数等。例如，这些设置被存储在激光控制单元103的存储单元中。
接下来，如图7所示，激光控制单元103根据由光接收传感器102检测到的热辐射光TR的接收光强度RL来计算变化率ΔRL(步骤ST2)。变化率ΔRL指示在每预定时间的接收光强度RL的变化量。
接下来，激光控制单元103确定变化率ΔRL是否小于预定的变化率ΔRL的上限值ΔRLU(步骤ST3)。在激光束LB的照射开始之前，上限值ΔRLU被存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当变化率ΔRL大于或等于如图8的曲线图中虚曲线A所示的上限值ΔRLU时(步骤ST3否)，激光控制单元103减小激光输出，使得变化率ΔRL变得小于上限值ΔRLU(步骤ST4)。当变化率ΔRL大于或等于上限值ΔRLU时，熔池14a的温度急剧升高，使得容易发生飞溅并且箔容易破损。箔的破损是指当熔池14a凝固和收缩时金属箔在焊接部14的界面处破损的现象。在激光束LB的照射开始之前，将激光输出的减小值存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当变化率ΔRL小于上限值ΔRLU时(步骤ST3是)，激光控制单元103不改变激光输出，并且确定变化率ΔRL是否大于预定的变化率ΔRL的下限值ΔRLL(步骤ST5)。在激光束LB的照射开始之前，下限值ΔRLL被存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当变化率ΔRL等于或小于如图8的曲线图中的虚曲线B所示的下限值ΔRLL(步骤ST5否)时，激光控制单元103增大激光输出，使得变化率ΔRL变得大于下限值ΔRLL(步骤ST6)。当变化率ΔRL等于或小于下限值ΔRLL时，容易由于不充足的热量输入而发生未熔合。在激光束LB的照射开始之前，将激光输出的增大值存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当变化率ΔRL大于下限值ΔRLL时(步骤ST5是)时，激光控制单元103在不改变激光输出的情况下确定接收光强度RL是否超过目标值RLE(步骤ST7)。在激光束LB的照射开始之前，目标值RLE被存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当接收光强度RL等于或小于目标值RLE时(步骤ST7否)时，由于熔池14a尚未充分形成，激光控制单元103在不改变激光输出的情况下返回至步骤ST2以再次根据由光接收传感器102检测到的热辐射光TR的接收光强度RL来计算变化率ΔRL。就是说，激光控制单元103重复步骤ST2至ST7，并且以使得下限值ΔRLL<变化率ΔRL<上限值ΔRLU的关系被满足的方式来控制激光输出，直到在图8的曲线图中接收光强度RL超过目标值RLE为止。该阶段与图3和图4相对应。
如图8的曲线图所示，当接收光强度RL超过目标值RLE时(步骤ST7是)，由于熔池14a已经充分形成，因此激光控制单元103不改变激光输出，并且确定自从变化率ΔRL超过目标值ΔRLE之后是否已经经过了预定的保持时间(步骤ST8)。在激光束LB的照射开始之前，保持时间被存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当保持时间尚未过去时(步骤ST8否)，重复步骤ST8。就是说，在图8的曲线图中，激光控制单元103在不改变激光输出的情况下继续投射激光束LB，直到保持时间过去。该阶段与图5相对应。
当保持时间已经过去时(步骤ST8是)，对于激光束LB的照射时间T，激光控制单元103确定图8的曲线图中所示的下限值Tmin<照射时间T<上限值Tmax的关系是否被满足(步骤ST9)。在激光束LB的照射开始之前，下限值Tmin和上限值Tmax被存储在例如激光控制单元103的存储单元中。
当不满足下限值Tmin<照射时间T<上限值Tmax的关系时(步骤ST9否)，激光控制部103结束激光LB的照射并确定需要检查激光焊接装置以及焊接部的质量(步骤ST10)。这是因为当照射时间T等于或小于下限Tmin时，照射时间太短，而当照射时间T等于或大于上限Tmax时，照射时间太长，并且因此可能出现某种异常。
当满足下限值Tmin<照射时间T<上限值Tmax的关系时(步骤ST9是)，激光控制单元103确定成功完成焊接，并且结束激光束LB的照射。
如上所述，使用由光接收传感器102检测的热辐射光TR的接收光强度RL对激光输出进行的反馈控制可以提高焊接部14的质量。
在图7所示的示例中，激光输出作为激光束LB的照射条件被反馈控制，但是也可以对其他照射条件(例如，照射时间)进行反馈控制。
根据所描述的本公开内容，将显而易见的是，可以以许多方式改变本公开的实施方式。这样的改变不应被认为是背离本公开内容的主旨和范围，并且对于本领域的技术人员显而易见地，所有这些修改旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种焊接层压金属箔的方法，其通过将激光束从上金属板侧投射到夹在所述上金属板与下金属板之间的层压金属箔上，并且将所述层压金属箔激光焊接至所述上金属板和所述下金属板来焊接所述层压金属箔，所述方法包括：
在激光焊接之前，在所述上金属板的上表面中形成孔，并且形成倒角部，使得所述孔的直径朝向所述上表面扩大；以及
在所述激光焊接中，
将用于热传导焊接的激光束投射到所述上金属板的倒角部上以形成熔池；以及
以圆圈投射所述激光束，以搅动所述熔池并且使所述熔池在所述层压金属箔的层压方向上增长，使得所述熔池到达所述下金属板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔是通孔。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述激光焊接中，基于从所述熔池发射的热辐射光的强度来对所述激光束的照射条件执行反馈控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述层压金属箔、所述上金属板和所述下金属板由将铝或铜包含作为主要成分的金属材料制成。
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