CN110936016A

CN110936016A - 用于激光焊接的方法和设备

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Publication number: CN110936016A
Application number: CN201910433686.6A
Authority: CN
Inventors: 陶武
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: CN110936016B; US11203085B2; US20200094351A1; DE102019115026A1

Abstract

本发明题为“用于激光焊接的方法和设备”。描述了用于经由激光焊机将第一工件接合到第二工件的装置和相关方法。这包括将第一工件和第二工件布置成叠堆，包括将第一工件的部分与第二工件的部分重叠。该激光焊机生成第一激光束并同时控制激光焊机以横穿设置在第一工件的顶部表面上的期望焊接路径。该激光装置生成第二激光束并同时控制激光焊机以穿过所述期望焊接路径。经由激光焊机生成第一激光束包括以脉冲操作并在第一功率水平下操作激光焊机。经由激光焊机生成第二激光束包括以连续操作并在第二功率水平下操作激光焊机。

Description

用于激光焊接的方法和设备

背景技术

激光焊接是一种接合工艺，其中激光束被引导至金属工件叠堆，以提供能够在重叠金属工件之间生成融合焊缝的浓缩能量源。该激光束将金属工件中的温度增加到与等离子体状态或液态相关联的水平，以实现融合焊接。激光焊接可采用传导焊接、过渡/键孔焊接和穿透/键孔焊接的形式，这取决于由激光束生成的焦点尺寸内所包含的功率密度。

金属工件的层可相对于彼此堆叠和对准，使得它们的结合表面重叠，以在预期焊接位点内建立结合界面(或多个结合界面)。然后，激光束被引导在工件叠堆的顶部表面处或附近。由激光束供应的能量吸收生成的热量引发金属工件的熔融，并且在工件叠堆内建立熔融的焊接池。熔融焊接池穿过由激光束照射的金属工件并进入下面的一个或多个金属工件中至与所建立的接合界面相交的深度。

激光束在照射工件叠堆的顶部表面时快速生成熔融的焊接池。在熔融焊接池形成并且稳定之后，激光束沿工件叠堆的顶部表面前进，同时跟踪预定的焊接路径。激光束的此类前进使熔融焊接池沿相对于工件叠堆的顶部表面的相应路线平移，并且在前进的焊接池之后留下熔化的工件材料，该焊接池包括来自工件叠堆中的金属工件层的材料。此类穿透熔融工件材料冷却并固化以形成焊缝，该焊缝由来自金属工件的所有层的再固化材料构成。来自金属工件的重叠层的材料的此类融合形成焊缝。

当激光束撞击或照射工件的顶部表面时，入射激光束的一部分可被反射、吸收或透射。入射激光束被反射、吸收和透射的部分的相对大小取决于工件的顶部面条件和材料特性。

已知来自激光焊接的热作用在工件层上，以使工件变形并且由于加热和蒸发而在工件之间生成局部材料空隙。局部材料空隙，可表现为工件叠堆中的层之间的间隙和/或表现为一个或多个工件中的空隙，可影响焊缝的使用寿命，并且从而影响包括焊缝的部件的使用寿命。当工件叠堆包括焊接到电池接片的电池单元箔时，局部材料空隙的出现可能影响一个或多个电池单元箔与电池接片之间的电传导率。

发明内容

本公开描述了一种用于经由激光焊机将第一工件连接到第二工件的装置和相关方法，其中第一工件和第二工件被构造作为片材，并且其中第一工件包括顶部表面和底部表面。该方法包括将第一工件和第二工件布置成叠堆，包括将第一工件的部分与第二工件的部分重叠。该激光焊机生成第一激光束并同时受控以横穿设置在第一工件的顶部表面上的期望焊接路径。该激光装置生成第二激光束并同时控制激光焊机以横穿设置在第一工件的顶部表面上的该期望焊接路径。经由激光焊机生成第一激光束包括以脉冲操作并在第一功率水平下操作激光焊机。经由激光焊机生成第二激光束包括以连续操作并在第二功率水平下操作激光焊机。

本公开的一个方面包括经由激光焊机通过控制第一激光器生成第一激光束以具有设置在第一工件的顶部表面下方的焦点。

本公开的另一方面包括在占空比和功率水平下操作激光焊机，该占空比和功率水平是基于第一工件的顶部表面的反射率水平来确定的。

本公开的一个方面包括当第一工件是由铜制成的时在50％的占空比下操作激光焊机。

本公开的另一方面包括在占空比和功率水平下操作激光焊机，该占空比和功率水平是基于第一工件的顶部表面的吸收率来确定的。

本公开的另一方面包括与第二激光束相关联的第二功率水平小于与第一激光束相关联的第一功率水平。本公开的另一方面包括基于与第二工件的蒸发相关联的温度来选择与第二激光束相关联的第二功率水平。

本公开的另一方面包括第二工件为以堆叠布置的方式设置的多个铜片，其中该铜片包括电池电极。

本公开的另一方面包括设置在第一工件的顶部表面上的期望焊接路径和包括第一工件的部分重叠在第二工件的部分上的焊接路径。

本公开的另一方面包括在控制激光焊机横穿期望焊接路径之前将压缩载荷施加到第一工件和第二工件。

当结合附图时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点从以下对一些最佳模式的详细描述和用于实行如所附权利要求书中限定的本教导内容的其它实施方案中显而易见。

附图说明

现在将参考附图，通过示例的方式来描述一个或多个实施方案，其中：

图1根据本公开示意性地示出了用于焊接包括电池突片元件和多个堆叠电池单元箔元件的工件叠堆的布置结构的侧视图；

图2根据本公开示意性地示出了采用参考图1描述的激光焊接系统的实施方案的用于将第一工件接合到第二工件的焊接工艺；并且

图3根据本公开以图表形式示出了各种材料相对于波长(μm)的吸收率。

所述附图未必按比例绘制，并且呈现了如本文所公开的本公开的各种优选特征的略微简化的表示，包括(例如)特定尺寸、取向、位置和形状。与此类特征相关的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。

具体实施方式

如本文所述和所示，本发明所公开的实施方案的部件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下具体实施方式不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施方案。此外，虽然在以下描述中阐述了多个具体细节以便提供对本文所公开的实施方案的彻底理解，但在没有这些细节中的一些的情况下可实践一些实施方案。此外，为清楚起见，在相关领域中理解的特定技术材料未被详细描述，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图为简化形式并且未按精确的比例。为了方便和清楚起见，可采用方向术语(诸如顶部、底部、左、右、上、之上、上方、之下、下方、后方和前方)以有助于描述附图。这些和类似的方向术语为例示性的，并且不应理解为限制本公开的范围。此外，如本文所示和所述的本公开可在不含本文未具体公开的元件的情况下实施。

参考附图，其中类似的附图标号在整个若干附图中对应于类似或相似的部件，图1与本文公开的实施方案一致，示意性地示出了被构造用于在焊接位点22处作用在工件叠堆25上以生成焊缝26的激光焊机20和相关联焊接系统30的实施方案。激光焊机20的操作由控制器15来控制，该控制器15生成被传达到激光焊机20以实现操作的控制信号16。在该实施方案中，由于工件叠堆25的元件的端部终止在焊缝26处，所以焊缝26为邻接接合部。激光焊机20和相关联的焊接系统30在水平轴线12、竖直轴线11 和与它们正交的第三轴线13的背景下示出。

在一个实施方案中，并且如本文所述，工件叠堆25包括设置在第二工件50的顶部上并以堆叠构型布置的第一工件40。在一个实施方案中，可操作激光焊机20以实现其焊接来生成焊缝26，其中焊接包括经由融合工艺以机械的方式和电的方式将第一工件40与第二工件50进行接合。在一个非限制性实施方案中，第一工件40被构造作为电池突片，并且第二工件50 被构造作为待焊接到第一工件40的单电池单元箔，其中可操作激光焊机20 以实现其焊接。在一个实施方案中，第二工件50被构造作为具有总预定义厚度55的多个堆叠电池单元箔50。通过激光焊机20的操作将堆叠电池单元箔50焊接到第一工件40。与激光焊机20的操作有关的细节是参考图2 进行描述的。在整个说明书中，术语“第一工件40”可与术语“电池突片 40”互换使用。同样，在整个说明书中，术语“第二工件50”可与术语 “电池单元箔50”互换使用。

在一个实施方案中，电池单元箔50为各个电池单元(未示出)的用作相应电池单元的阳极或阴极的电极的部分。在一个实施方案中，例如当被构造作为阴极时，电池单元箔50可全部或部分地由铜、镍或镀镍铜制成。另选地，电池单元箔50可全部或部分地由另一种材料制成。在一个实施方案中，电池单元箔50中的每个电池单元箔具有介于0.005毫米和0.02毫米之间的厚度。电池单元箔50中的每个电池单元箔被构造作为包括第一边缘51、第一顶部表面52和第二底部表面53的平面片材。电池单元箔50中的每个电池单元箔包括被称为结合表面的部分，即作为焊接位点22的一部分的表面部分。在焊接期间与电池突片40相邻的电池单元箔50中的一个电池单元箔包括结合表面部分，即底部表面53，该底部表面在形成工件叠堆 25时与电池突片40的相应结合表面部分43接触。

电池突片40被构造作为包括边缘41、包括结合表面部分43的第一底部表面以及与第一底部表面相反的第二顶部表面44的平面片材。在一个实施方案中，电池突片40可全部或部分地由铜或铝制成。在一个实施方案中，电池突片40具有0.2mm的厚度45，并且由镀镍铜制成。电池突片40 还可具有与电池组件内的机械、电气和封装功能相关的其它特征。在电池制造和组装期间，将电池突片40以机械的方式和电的方式接合到多个电池单元箔50以实现电流传输是有用的。

工件叠堆25包括由电池突片40和多个电池单元箔50构成的堆叠，诸如以参考图1所示的方式。在一个实施方案中，存在二十个电池单元箔50布置在工件叠堆25中。在该实施方案中，电池单元箔50的第一边缘51平行设置并被布置成邻接第二平面64，该第二平面64 与由多个堆叠的电池单元箔50限定的第一平面63正交。此外，工件叠堆25包括相对于多个电池单元箔50布置的电池突片40，使得电池突片40以预定义重叠部62定位在多个电池单元箔50的上方。重叠部62为工件叠堆25的位于电池突片40的边缘41与电池单元箔50的第一边缘51之间的部分。在一个实施方案中，沿水平轴线12测量的重叠部62的宽度为 3mm-4mm的数量级。

激光焊机20和相关联的焊接系统30作用在工件叠堆25上，以有利地经由融合将电池单元箔50以机械的方式和电的方式接合到电池突片40。激光焊机20为生成、聚焦和引导激光束21的固态设备，包括有利地设置成当工件叠堆25固定在焊接系统30中时将激光束21引导到电池突片40的顶部表面44。在一个实施方案中，激光焊机20可包括扫描光学激光头，该扫描光学激光头安装到机械臂(未示出)，以响应于已编程的输入来快速准确地将激光头传送到工件叠堆25上的预选焊接位置。该激光束21为固态激光束，并且特别是纤维激光束或盘式激光束，其工作波长在电磁光谱的近红外范围内(通常被认为是700nm至1400nm之间)。在一个实施方案中，该激光束可为已掺杂有稀土元素(例如铒、镱、钕、镝、镨、铥等) 的光纤或与光纤谐振器相关联的半导体。另选地，可采用盘式激光束，其包括任何激光束，其中增益介质为涂覆有反射表面并安装到散热器的镱掺杂的钇铝石榴石晶体的薄盘。激光束21照射在工件叠堆25的顶部表面44 上并赋予局部热量以实现融合焊接。

激光束的一个基本属性为其单色性质(即，单个波长)和方向性，该基本属性导致光束的最小限度的或窄的趋异度。因此，激光束可非常明显地聚焦。激光束的高功率密度、强度和窄焦距的组合可导致激光束21照射的材料的熔融或蒸发。激光束21由激光焊机20的光束发生器经由使用镜子或光纤技术的光束转向来引导至处理光学装置。该处理光学装置使激光束集中并将其聚焦，其中焦距与特定过程相适应。

术语“控制器”和相关术语诸如控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语是指(一个或多个)专用集成电路(ASIC)、(一个或多个)电子电路、(一个或多个)中央处理单元的一种或多种组合，例如，存储器和储存装置形式的微处理器和相关联的(一个或多个)非暂时性存储器部件(只读、可编程只读、随机访问、硬盘驱动器等)。所述非暂时存储器部件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、(一个或多个)组合逻辑电路、(一个或多个)输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路以及其它部件的形式储存机器可读指令，其可由一个或多个处理器以提供所描述的功能。(一个或多个)输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监视来自传感器的输入的相关装置，其中此类输入在以预设采样频率或响应于触发事件而被监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指可包括校准和查找表的控制器可执行指令集。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光学波导的光信号等等。该数据信号可包括离散的、模拟的或数字化的模拟信号，该信号表示来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信。术语“信号”是指物理上可识别的指示器，其传达信息并且可为合适的波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，诸如能够穿过介质的DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等。

激光焊机20被构造用于相对于焊接系统30移动，包括横穿设置在第一工件40的顶部表面44上的期望焊接路径24，该期望焊接路径24与第三轴线13平行并垂直于水平轴线12和竖直轴线11。在一个实施方案中，激光焊机20用于生成激光束21，该激光束21沿焊接路径24施加到工件叠堆 25的顶部表面44上，该焊接路径24由工件叠堆25的第一端部23与工件叠堆25的第二端部(未示出)之间的线性行进限定。激光束21在距电池单元箔50的第一边缘51预定距离处被引导在电池突片40的顶部表面44 处。

在一个实施方案中，焊接系统30包括机构31，该机构31由砧座32、第一夹具33和第二夹具34构成，该砧座32、第一夹具33和第二夹具34 有利地布置成向电池突片40和多个电池单元箔50施加压缩力以机械地夹紧工件叠堆25并因此将工件叠堆25保持在适当位置，以实现用激光焊机 20进行融合焊接。由第一夹具33和第二夹具34的分离形成狭槽65，并且狭槽65也位于砧座32中。狭槽65平行于期望焊接路径24，并且在水平方向上的宽度具有2mm的数量级。在一个实施方案中，并且如图所示，电池突片40与多个电池单元箔50重叠，使得电池突片40和多个电池单元箔50 都夹在第一夹具33与砧座32之间，并且电池突片40和多个电池单元箔50 都夹在第二夹具34与砧座32之间。可制造电池突片40的铜具有包括光纤激光束的低吸收率、高导热率、以及处于熔融状态时的低粘度的物理属性。铜的一个物理属性为其表面吸收率在熔融之后趋于增加。铜的熔点为 1084℃、沸点为2927℃、车载热导率为401W/mK、比热为0.38J/gK、熔化热为13.05k J/mol、汽化热为300.3k J/mol。

图3以图形方式示出了针对与参考水平轴线302示出的波长(μm)有关的多种材料的参考竖直轴线304示出的吸收率的大小。这包括与直接二极管激光器310、光纤激光器311、Nd:YAG激光器312和CO2激光器313 相关联的波长。材料包括铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)，、钼(Mo)不锈钢和软钢。如图所示，在与所列出的激光器相关联的波长下，铜的吸收率小于0.05。

图2示意性地示出了采用参考图1描述的激光焊接系统20的实施方案的用于将第一工件接合到第二工件的焊接工艺200。以非限制性示例的方式，焊接工艺200包括接合参考图1描述的工件叠堆25的元件，其包括电池突片40以预定义的重叠部62堆叠在多个电池单元箔50的上方，并且以包括形成狭槽65的方式夹紧在砧座32与第一夹具33和第二夹具34中的每一者之间。

焊接工艺200包括确定工件叠堆25的从上部工件40(即电池突片40 形式的第一工件)的顶部表面44暴露于激光束21的部分的吸收率的大小 (步骤202)。成品铜表面具有非常小的纤维激光束吸收率。然而，需要高激光功率来传导热以将电池突片焊接到箔，这可在焊接中引起飞溅和气孔。局部材料空隙，可表现作为工件叠堆中的层之间的间隙和/或表现作为一个或多个工件中的空隙，可影响焊缝的使用寿命，并因此影响包括焊缝的部件的使用寿命。

激光焊机20的操作被控制以生成第一激光束，同时，同时地控制激光焊机20以横穿第一工件40的顶部表面44上的期望焊接路径24(步骤 204)。生成第一激光束包括以脉冲操作并在第一功率水平下操作激光焊机 20，同时控制激光焊机20以横穿第一工件40的顶部表面44上的该期望焊接路径24。在一个实施方案中，脉冲操作包括在50％ON/OFF占空比下操作激光焊机20。在一个实施方案中，脉冲操作包括以占空比在4200W的激光功率水平下操作激光焊机20，该占空比具有重复执行的0.5msON时间 /0.5msOFF时间。在一个实施方案中，激光束被控制到-1.5mm的散焦距离或焦点，即，在第一工件40的顶部表面44下方1.5mm处的散焦距离，伴随的束斑直径为0.6mm。本文所述的示例激光功率水平和占空比可具体选择以与铜一起使用，并且可基于所选材料的物理属性来调节，以用于要由激光焊机20焊接的工件。包括该激光功率水平和占空比的脉冲操作是基于第一工件40的顶部表面44的的吸收率的大小来选择的例示性示例，该第一工件40暴露于激光束21以改变其表面条件，具体地为其吸收率和/或反射率。

激光焊机20的操作被控制以生成第二激光束，同时，同时地控制激光焊机20以横穿第一工件40的顶部表面44上的期望焊接路径24(步骤 206)。生成第二激光束包括以连续操作并在第二功率水平下操作激光焊机 20，同时控制激光焊机20以横穿第一工件40的顶部表面44上的期望焊接路径24。该连续操作包括在100％ON占空比下操作激光焊机20。在一个实施方案中，该连续操作包括在100％ON占空比下以3800W的激光功率水平来操作激光焊机20。在一个实施方案中，激光束被控制到-1.5mm的散焦距离或焦点，即在第一工件40的顶部表面44下方1.5mm处的散焦距离，伴随的束斑直径为0.6mm。

包括该激光功率水平的连续操作是基于第一工件40和第二工件50的物理属性来选择的例示性示例，该第一工件40和第二工件50暴露于来自激光束21的热以改变它们的状态，具体地为从固态到熔融或液态，其中选择限制以避免达到蒸发状态，该蒸发状态可导致在焊接路径24中生成空隙。因此，本文所述的示例性激光功率水平可具体地选择以与铜一起使用，并且可基于所选材料的物理属性来调节，以用于要由激光焊机20焊接的工件。有利地进行连续操作(步骤206)，其中激光束21的功率水平低于与脉冲操作相关的功率水平(步骤204)。

当工件叠堆包括焊接到电池突片上的多个电池单元箔时，局部材料空隙的出现可影响一个或多个电池单元箔与电池突片之间的电传导率。本文所述的概念，包括工件叠堆的布置以及包括具有本文所述脉冲激光功率的预焊接步骤的相关联激光焊接工艺，可改变铜突片的表面状况，从而使该铜突片在后续激光焊接工艺期间更容易吸收激光能量，并减少局部材料空隙和/或间隙的发生从而减少了零件间的可变性，实现了设计意图的导电率水平，并且改善使用寿命。

具体实施方式以及附图或图支持和描述本教导内容，但本教导内容的范围仅由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于执行本教导内容的一些最佳模式和其它实施方案，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本教导内容的各种另选设计和实施方案。

Claims

1.一种用于经由激光焊机将第一工件接合到第二工件的方法，其中所述第一工件和所述第二工件被构造作为片材，并且其中所述第一工件包括顶部表面和底部表面，所述方法包括：

将所述第一工件和所述第二工件布置成叠堆，包括将所述第一工件的部分与所述第二工件的部分重叠；

经由所述激光焊机生成第一激光束并同时控制所述激光焊机以横穿设置在所述第一工件的所述顶部上的期望焊接路径；以及

经由所述激光焊机生成第二激光束并同时控制所述激光焊机以横穿设置在所述第一工件的所述顶部表面上的所述期望焊接路径；

其中经由所述激光焊机生成所述第一激光束包括以脉冲操作并在第一功率水平下操作所述激光焊机；并且

其中经由所述激光焊机生成所述第二激光束包括以连续操作并在第二功率水平下操作所述激光焊机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中经由所述激光焊机生成所述第一激光束包括控制所述第一激光束以具有设置在所述第一工件的所述顶部表面下方的焦点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中以脉冲操作并在第一功率水平下操作所述激光焊机包括在占空比和功率水平下操作所述激光焊机，所述占空比和所述功率水平是基于所述第一工件的所述顶部表面的反射率水平来确定的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在基于所述第一工件的所述顶部表面的反射率确定的占空比和功率水平下操作所述激光焊机包括当所述第一工件是由铜制造的时以50％的占空比来操作所述激光焊机。

5.根据权利要求1所述的方法，其中以脉冲操作并在第一功率水平下操作所述激光焊机包括在占空比和功率水平下操作所述激光焊机，所述占空比和所述功率水平是基于所述第一工件的所述顶部表面的吸收率水平来确定的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中设置在所述第一工件的所述顶部表面上的所述期望焊接路径包括这样的焊接路径，所述焊接路径包括所述第一工件的重叠到所述第二工件的所述部分上的所述部分。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括在控制所述激光焊机横穿所述期望焊接路径之前将压缩载荷施加到所述第一工件和所述第二工件。

8.根据权利要求1所述的方法，其中与所述第二激光束相关联的所述第二功率水平小于与所述第一激光束相关联的第一功率水平。

9.根据权利要求1所述的方法，其中基于与所述第二工件的蒸发相关联的温度来选择与所述第二激光束相关联的所述第二功率水平。

10.一种用于接合第一金属工件和第二金属工件的设备，其中所述第一金属工件和所述第二金属工件被构造作为片材，并且其中所述第一金属工件包括顶部表面和底部表面，所述设备包括：

激光焊机；和

控制器，其中所述控制器可操作地连接到所述激光焊机；

其中所述第一金属工件和所述第二金属工件被布置成叠堆并被定位成使得所述第一金属工件的部分重叠所述第二金属工件的部分；

其中所述控制器被构造用于控制所述激光焊机以生成第一激光束并同时控制所述激光焊机以横穿设置在所述第一金属工件的所述顶部表面上的期望焊接路径；

其中所述控制器被构造用于控制所述激光焊机以生成第二激光束并同时控制所述激光焊机以横穿设置在所述第一金属工件的所述顶部表面上的所述期望焊接路径；

其中所述第一激光束包括以脉冲操作并在第一功率水平下操作的所述激光焊机；并且

其中所述第二激光束包括以连续操作并在第二功率水平下操作的所述激光焊机。