CN110116277A - 一种极耳激光切割方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池极耳加工技术领域，特别涉及一种极耳激光切割方法，包括以下步骤：获取待切割极耳和直线段的形状以及尺寸参数；对待切割极片进行传送；根据极耳和直线段的形状以及尺寸参数，叠加所述传送组件的传送速度，得到切割光束的扫描轨迹以及扫描速度，根据所述扫描轨迹以及扫描速度，控制切割光束对传送中的极片进行周期性的极耳切割；对极片进行周期性的直线段切割。本发明的发明目的在于提供一种极耳激光切割设备及其方法，采用本发明提供的技术方案解决了现有激光切割方法存在切割速度慢、效率低；切割不灵活、切割形状不可调；以及切割精度低的技术问题。

Description

一种极耳激光切割方法及其设备

技术领域

本发明涉及电池极耳加工技术领域，特别涉及一种极耳激光切割方法及其设备。

背景技术

新能源汽车以及移动设备都需要实现快充快放的能量传递，快充快放就需要电池有多个接触点进行充放电，即需要多个极耳。其中极耳是锂离子聚合物电池产品的一种组成部分，是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，作为电池正负两极进行充放电时的接触点。极耳并不是电池外部的导电铜片，而是电池内部的一种连接，属于极片的一部分。

市面上存在的极耳切割路径分为极耳区域以及相邻极耳之间的直线区域，当前的多极耳制造工艺主要采用激光切割成型，采用连续送料和激光飞行切割的手段实现极耳的快速成型。极耳切割路径的两区域无法实现持续在线切割，且不能在线变换切割形状，以及存在切割精度低的技术问题。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种极耳激光切割设备及其方法，采用本发明提供的技术方案解决了现有激光切割方法存在切割速度慢、效率低；切割不灵活、切割形状不可调；以及切割精度低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供一种极耳激光切割方法，用于完成极片上的极耳以及极耳之间的直线段(44)的切割；包括以下步骤：

S100、获取待切割极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数；

S200、对待切割极片(40)进行传送；

S300、根据极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数，叠加待切割极片的传送速度，得到切割光束的扫描轨迹以及扫描速度，根据所述扫描轨迹以及扫描速度，控制切割光束对传送中的极片(40)进行周期性的极耳切割；

S400、对极片(40)进行周期性的直线段(44)切割。

在步骤S300中,得到切割光束的扫描轨迹以及扫描速度；优选的，以极片的传送方向为X轴，垂直于传送方向为Y轴；所述光束的扫描轨迹和极耳的轮廓均分为X轴轨迹分量和Y轴轨迹分量；所述光束的Y轴轨迹分量与所述极耳的Y轴轨迹分量相对应；所述光束的X轴轨迹分量与所述极耳的X轴轨迹分量和所述传送组件(10)的传送轨迹的矢量和相对应。

在步骤S300中,得到所述切割光束的扫描轨迹以及扫描速度；优选的，所述光束的扫描速度与所述传送组件(10)的传送速度之间的矢量差的绝对值为切割速度，且维持在与所述极片(40)的材质相对应的切割速度阈值范围内。

在步骤S300中，根据所述扫描轨迹以及扫描速度，控制切割光束对传送中的极片(40)进行周期性的极耳切割；优选的，以所述极耳的起始点和直线段(44)的末端点沿传送方向的总长度为周期长度；所述周期长度在传送速度下所需的时间为周期时间；所述极耳的总长度在所述切割速度下所需的时间为第一切割时间；所述切割光束在所述周期时间内启动第一切割时间完成极耳切割，停止切割并跳回初始位置等待所述周期时间除所述第一切割时间外的剩余时间。

在步骤S400中，对极片(40)进行周期性的直线段(44)切割；优选的，以所述极耳的起始点和直线段(44)的末端点沿传送方向的总长度为周期长度；所述周期长度在传送速度下所需的时间为周期时间；所述直线段(44)的长度在传送速度下所需的时间为第二切割时间；切割光束在周期时间内启动第二切割时间完成直线段(44)切割，停止切割并等待所述周期时间除所述第二切割时间外的剩余时间。

优选的，所述切割光束对直线段(44)的切割起始点为所述极耳的末端点。

在步骤S100中，输入极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数优选的，所述极耳的形状呈“几”字形，且其轮廓由直线、折线和/或曲线组成。

基于上述极耳激光切割方法，本发明另一方面还提供一种极耳激光切割设备；包括用于传送所述极片(40)的传送组件(10)以及两组激光切割组件；两组所述激光切割组件沿所述传送组件(10)的传送方向依次悬置于所述传送组件(10)上方，分别为用于对所述极耳完成切割的极耳切割组件(20)和用于对所述直线段(44)完成切割的直线段切割组件(30)。

优选的，所述极耳切割组件(20)包括切割激光以及用于调整光束偏转的振镜系统；所述振镜系统包括X轴振镜组件(21)和Y轴振镜组件(22)。

由上可知，应用本发明提供的极耳激光切割设备及其方法可以得到以下有益效果：本方案设置两组激光切割组件，根据输入的极耳形状以及尺寸参数，通过设定的切割程序分别对极耳和极耳之间的直线段进行切割，在对极片进行在线且连续切割的基础上，还可实时变更图形参数，在高速下进行切割，切割精度可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例极耳激光切割设备结构示意图；

图2为本发明实施例极片结构示意图；

图3为本发明实施例极耳激光切割方法流程框图；

图4为本发明实施例极耳激光切割方法中光束轨迹示意图。

图中：10为传送组件，20为极耳切割组件，21为X轴振镜组件，22为Y轴振镜组件，30为直线段切割组件，40为极片，44为直线段，41为第一线段，42为第二线段，43为第三线段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

为了解决现有技术的问题，本发明实施例中提出了一种极耳激光切割设备及其方法，用于对电池极片上的极耳完成切割。在说明本发明实施例之前，先简单介绍现有极耳切割技术的现状，以帮助理解本发明实施例中的相关方案。

在电池极片的极耳切割技术中，主要采用以下三种：圆盘剪分切、模具冲切和激光切割。圆盘分切和模切都存在刀具磨损问题，容易引起工艺不稳定，导致极片裁切品质差，引起电池性能下降。圆盘分切和模切都存在刀具磨损问题，这容易引起工艺不稳定，导致极片裁切品质差，引起电池性能下降。激光切割具有生产效率高，工艺稳定性好的特点，已经在工业上应用于锂离子电池极片的裁切。

极耳是在电池极片的边缘处完成切割，切割后形成极耳以及相邻极耳之间的直线段，当前多极耳的切割工艺，极耳和直线段两区域采用相同的参数进行切割，无法实现在线切割，且不能在线变换切割形状，以及存在切割精度低的技术问题。

为此，本发明实施例中提供一种极耳激光切割设备，能够在极片传送过程中实现极耳在线切割，也能够对极耳的形状实现设定。具体方案如下所述：

请参见图1，本实施例提供的极耳激光切割设备，包括用于传送极片40的传送组件10以及两组激光切割组件。

其中两组激光切割组件沿传送组件10的传送方向依次悬置于传送组件10上方，分别为用于对极耳完成切割的极耳切割组件20和用于对直线段44完成切割的直线段切割组件30。

为了实现极耳的切割，极耳切割组件20包括切割激光以及用于调整光束偏转的振镜系统。其中振镜系统由X轴振镜组件21和Y轴振镜组件22组成，通过电脑控制器提供的信号驱动振镜组件，从而使得切割激光的光束在X-Y平面内实现偏转。通过持续控制振镜组件，使光束有规律的在X-Y平面内偏转，进而实现光束对极片40上极耳轮廓的切割。

激光切割的基本原理是利用高功率密度激光束照射被切割的电池极片40，使极片40很快被加热至很高的温度，迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点而形成孔洞，随着光束在极片40上的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对极片40的切割。

为了实现激光切割能量的调节，在本实施例中，振镜系统还包括用于对光束实现聚焦的前聚焦振镜组件和/或场镜聚焦振镜组件。

在本实施例中，极耳切割组件20完成极耳的切割，直线段切割组件30完成直线段44的切割，两组切割组件独立工作，互不干涉，不仅降低了极耳切割的控制难度，还提高了极耳切割效率。为了实现两组切割组件的独立控制，本实施例通过以下方法实现：

请参见图3，基于上述极耳激光切割设备，本发明实施例还提供一种极耳激光切割方法，包括以下步骤：

S100、输入极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数。

请参见图2，其中极耳的的轮廓呈“几”字形，由第一线段41、第二线段42和第三线段43组成，其第一线段41、第二线段42和第三线段43分别可以为直线、折线或曲线。尺寸参数包括第一线段41、第二线段42和第三线段43的线型、长度、弧度、倾斜度等，以及线段之间的连接处的折角和弧度角等。上述形状决定了极耳的轮廓，尺寸参数则决定了极耳的技术细节。

在输入过程中可以根据生产以及电池设计需要进行调整，例如常规的极耳形状呈矩形，与直线段44组成矩形波形。

由于规则形状的多极耳切割在目前电池领域中为使用最为广泛的形状，例如矩形、梯形或四个顶角为圆角的梯形。在本实施例中，以上述矩形波形为例对本实施例提供的极耳激光切割方法做详细说明，即第一线段41、第二线段42和第三线段43均为直线，且依次连接形成矩形。

S200、将待切割极片40放置于传送组件10上进行传送。

在传送过程中，为了确保极耳的切割精度，极片40须与传送组件10之间同步传送，不能出现超前或延后等现象，并且极片40须与传送方向平行，不能出现夹角。上述传送要求应与传送组件10的结构特征结合设计，在此不做阐述。

S300、根据极耳和直线段44的形状以及尺寸参数，叠加传送组件10的传送速度，得到极耳切割组件20的光束的扫描轨迹以及扫描速度，极耳切割组件20根据扫描轨迹控制切割激光对传送中的极片40进行周期性的极耳切割。

在该步骤中，以传送组件10的传送方向为X轴，垂直于传送方向为Y轴。光束的扫描轨迹和极耳的轮廓均分为X轴轨迹分量和Y轴轨迹分量。

其中光束的Y轴轨迹分量与极耳的Y轴轨迹分量相对应；光束的X轴轨迹分量与极耳的X轴轨迹分量和传送组件10的传送轨迹的矢量和相对应。

同理，光束的扫描速度与传送组件10的传送速度之间的矢量差的绝对值为切割速度。

由于锂离子电池极片40是双面涂层以及中间集流体金属层的结构，而且涂层与金属箔材之间性质差异大，对激光作用的响应也不相同。激光作用在负极石墨层或正极活物质层时，由于它们具有很高的激光吸收率，导热系数也很低。因此，涂层需要相对较低的熔化和汽化激光能量，而金属集流体对激光具有反射作用，并且热传导快，因此金属层的熔化和汽化激光能量升高。当激光作用在石墨层时，由于材料的特性，石墨主要发生汽化，当激光侵入到金属铜箔时，铜箔开始发生熔化，形成熔池。工艺参数不合适时，可能出现问题：切边涂层脱落，露出金属箔材；切边周围出现大量切屑异物。这些都会导致电池出现性能下降、安全性品质问题。因此，当采用激光切割时，需要根据活物质材料和金属箔材的特性，优化合适的工艺参数，才能既完全切割极片40，又形成良好的切边质量，不产生金属切屑杂质残留。当激光功率太低或者扫描速度太快时，极片40不能完全切开，而当功率太高或扫描速度太低时，激光对材料作用区域变大，切缝尺寸更大。

因此，激光能量和切割速度是极耳切割的两个主要工艺参数，对切割质量影响巨大。为此，上述振镜系统中，为了实现光束聚焦达到调节激光能量，振镜系统还包括前聚焦振镜组件和/或场镜聚焦振镜组件；此外，还需对极耳的切割速度进行设置限定在一点阈值范围内。该阈值范围需与极片40的材质相对应。

在极耳切割过程中，振镜系统中X轴振镜组件21和Y轴振镜组件22驱动切割激光的光束在极片40所在平面上偏转，其偏转路径与步骤S100中输入的极耳形状略微不同。相同的是，光束的Y轴轨迹分量与极耳的Y轴轨迹分量相对应；不同的是，光束的X轴轨迹分量则与极耳的X轴轨迹分量和传送组件10的传送轨迹的矢量和相对应。

具体如下所述：

一、在第一线段41的切割中，由于第一线段41在X轴轨迹分量为0，在Y轴轨迹分量为其长度，且方向向上，因此光束在对第一线段41完成切割时，光束的X轴轨迹分量为传送组件10的传送轨迹，光束的Y轴轨迹分量为第一线段41的长度，且方向向上。

同理，光束的扫描速度为传送组件10的传送速度与切割速度之间的矢量和。由于切割速度的X轴分量为0，Y轴分量为设定的阈值范围内的速度值，且方向向上。为此光束的X轴速度分量为传送速度，Y轴速度分量为设定的切割速度值，两者合并得到光束的扫描速度，其为倾斜于传送方向。

二、在第二线段42的切割中，由于第二线段42在X轴轨迹分量为第二线段42的长度，且方向与传送方向相反，在Y轴轨迹分量为0，因此光束在对第二线段42完成切割时，光束的X轴轨迹分量为传送组件10的传送轨迹与第二线段42的X轴轨迹分量的矢量和，即传送轨迹与第二线段42长度之间差值的绝对值，且方向背向传送方向，光束的Y轴轨迹分量为0。

同理，光束的扫描速度为传送组件10的传送速度与切割速度之间的矢量和。由于切割速度的X轴分量为设定的阈值范围内的速度值，Y轴分量为0。为此光束的X轴速度分量为传送速度与设定的切割速度值之间差值的绝对值，Y轴速度分量为0，两者合并得到光束的扫描速度，其为平行于传送方向。

在此需要说明的是，光束的X轴轨迹分量和X轴速度分量分别为传送轨迹与第二线段42长度之间差值的绝对值以及传送速度与设定的切割速度值之间差值的绝对值。

为此，根据其差值大小，光束在X轴速度分量的方向分为三种情况：

若设定的切割速度值与传送速度相等，光束的X轴速度分量则为0，此时，光束在X轴上静止，极片40在传送组件10的带动下自动完成第二线段42的切割；

若设定的切割速度值大于传送速度，光束的X轴速度分量则背向传送速度，此时，光束在X轴上背向传送速度偏移；

若设定的切割速度值小于传送速度，光束的X轴速度分量则与传送速度同向，此时，光束在X轴上顺着传送速度偏移。

三、在第三线段43的切割中，由于第三线段43在X轴轨迹分量为0，在Y轴轨迹分量为第三线段43的长度,且方向向下，因此光束在对第三线段43完成切割时，光束的X轴轨迹分量为传送组件10的传送轨迹，光束的Y轴轨迹分量为第三线段43的长度，且方向向下。

同理，光束的扫描速度为传送组件10的传送速度与切割速度之间的矢量和。由于切割速度的X轴分量为0，Y轴分量为设定的阈值范围内的速度值。为此光束的X轴速度分量为传送速度，Y轴速度分量为设定的切割速度值，两者合并得到光束的扫描速度，其为倾斜于传送方向。

综上，光束的扫描轨迹如图4所示，根据切割速度与传送速度之间的差值，光束的扫描轨迹分为五种结果，分为倒V字形、梯形、又字形、三角形和倒梯形。其中倒V字形为切割速度与传送速度相等；梯形为切割速度小于传送速度；又字形、三角形和倒梯形则为切割速度大于传送速度，且根据不同差值得到的三种光束扫描轨迹。

完成上述计算后，振镜系统驱动X轴振镜组件21和Y轴振镜组件22控制光束完成上述动作，对传送中的极片40完成极耳切割。

本实施例以极耳沿传送方向的宽度以及极耳之间的直线段44为一个周期长度，周期长度在传送速度下所需的时间为周期时间。

需要注意的是，光束在完成第一线段41、第二线段42和第三线段43所需的总时间，该总时间为第一切割时间，等于切割速度完成极耳总长度所需时间，需小于上述周期时间，切割激光在周期时间内启动第一切割时间完成极耳切割，停止切割并跳回初始位置等待周期时间处第一切割时间外的剩余时间，实现周期性的极耳切割。

另外，电芯的相邻极耳之间存在变间距的情况，即极耳之间的直线段44长度并非固定值，为此，周期长度并非固定值，其根据直线段的长度发生变化，周期时间同样根据直线段的长度发生变化。在此基础上，本实施例提供的切割方法在切割过程中，还需实时计算输入的极耳形状中的直线段44长度，计算得到周期长度和周期时间，以便调整极耳切割组件20停止切割并跳回初始位置后需等待的剩余时间，实现周期性的极耳切割。

S400、完成极耳切割后，直线段切割组件30启动对极片40进行周期性的直线段44切割。

直线段切割组件30为固定悬置于传送组件10上方，通过传送组件10带动极片40，直线段切割组件30即可完成直线段44切割。其中直线段切割组件30的切割起始点为极耳的末端点，极耳切割组件20的切割结束点。对于首极耳之前的直线段，直线段切割组件30的切割起始点并非极耳切割组件20的切割结束点，

同极耳切割组件20，直线段切割组件30同样需要在周期时间内完成直线段44切割，直线段切割组件30的启动时间为第二切割时间，为直线段44长度在传送速度下的传送时间，同样的，直线段切割组件30的启动时间取决于直线段44的长度以及传送组件的传送速度，在直线段44长度不固定的情况下，直线段切割组件30的启动时间以及完成后停止切割的等待剩余时间均为变动的，需根据输入的极耳形成计算获得。综上所述，本实施例设置两组独立工作的激光切割组件，其中极耳切割组件完成极耳的切割，在步骤S100中输入极耳的形状和尺寸参数，根据步骤S300中提供的切割方法即可完成不同形状及尺寸的极耳的切割，再由步骤S400完成极耳之间直线段的切割，极耳和直线段分开独立切割，不仅降低了整个切割过程的控制难度，还能同时完成极耳和直线段的切割，提高了切割效率，对极片实现在线且连续切割。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种极耳激光切割方法，用于完成极片上的极耳以及极耳之间的直线段(44)的切割；其特征在于：包括以下步骤：

S100、获取待切割极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数；

S200、对待切割极片(40)进行传送；

S300、根据极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数，叠加待切割极片(40)的传送速度，得到切割光束的扫描轨迹以及扫描速度，根据所述扫描轨迹以及扫描速度，控制切割光束对传送中的极片(40)进行周期性的极耳切割；

S400、对极片(40)进行周期性的直线段(44)切割。

2.根据权利要求1所述的极耳激光切割方法，在步骤S300中,得到切割光束的扫描轨迹以及扫描速度；其特征在于：以所述极片的传送方向为X轴，垂直于传送方向为Y轴；所述光束的扫描轨迹和极耳的轮廓均分为X轴轨迹分量和Y轴轨迹分量；所述光束的Y轴轨迹分量与所述极耳的Y轴轨迹分量相对应；所述光束的X轴轨迹分量与所述极耳的X轴轨迹分量和所述传送组件(10)的传送轨迹的矢量和相对应。

3.根据权利要求2所述的极耳激光切割方法，在步骤S300中,得到所述切割光束的扫描轨迹以及扫描速度；其特征在于：所述光束的扫描速度与所述极片的传送速度之间的矢量差的绝对值为切割速度，且维持在与所述极片(40)的材质相对应的切割速度阈值范围内。

4.根据权利要求3所述的极耳激光切割方法，在步骤S300中，根据所述扫描轨迹以及扫描速度，控制切割光束对传送中的极片(40)进行周期性的极耳切割；其特征在于：以所述极耳的起始点和直线段(44)的末端点沿传送方向的总长度为周期长度；所述周期长度在传送速度下所需的时间为周期时间；所述极耳的总长度在所述切割速度下所需的时间为第一切割时间；切割光束在所述周期时间内启动第一切割时间完成极耳切割，停止切割并跳回初始位置等待所述周期时间除所述第一切割时间外的剩余时间。

5.根据权利要求3所述的极耳激光切割方法，在步骤S400中，对极片(40)进行周期性的直线段(44)切割；其特征在于：以所述极耳的起始点和直线段(44)的末端点沿传送方向的总长度为周期长度；所述周期长度在传送速度下所需的时间为周期时间；所述直线段(44)的长度在传送速度下所需的时间为第二切割时间；切割光束在周期时间内启动第二切割时间完成直线段(44)切割，停止切割并等待所述周期时间除所述第二切割时间外的剩余时间。

6.根据权利要求5所述的极耳激光切割方法，其特征在于：切割光束对直线段(44)的切割起始点为所述极耳的末端点。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的极耳激光切割方法，在步骤S100中，获取极耳和直线段(44)的形状以及尺寸参数；其特征在于：所述极耳的形状呈“几”字形，且其轮廓由直线、折线和/或曲线组成。

8.一种用于权利要求1-6中任一项所述的极耳激光切割方法的切割设备；其特征在于：包括用于传送所述极片(40)的传送组件(10)以及两组激光切割组件；两组所述激光切割组件沿所述传送组件(10)的传送方向依次悬置于所述传送组件(10)上方，分别为用于对所述极耳完成切割的极耳切割组件(20)和用于对所述直线段(44)完成切割的直线段切割组件(30)。

9.根据权利要求8所述的切割设备，其特征在于：所述极耳切割组件(20)包括切割激光以及用于调整光束偏转的振镜系统；所述振镜系统包括X轴振镜组件(21)和Y轴振镜组件(22)。