CN113385814A - 多层极耳的激光焊接方法、激光焊接装置及锂电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及焊接技术领域，公开了一种多层极耳的激光焊接方法、激光焊接装置及锂电池。本申请中激光焊接方法包括以下步骤：包括：A、将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳依次贴合设置并紧固，第一极耳组和第二极耳组的相邻极耳之间间隙不大于0.1mm；其中，第一极耳组和第二极耳组分别由不同金属材质制成；B、通过激光束照射第一极耳组和第二极耳组的待焊接位置上且向待焊接位置吹入保护气体，以将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳焊接为一体的导电结构，本申请实现了多层异种金属材质极耳间的激光焊接，既保证了焊接质量，提高了企业生产效率，又降低了生产成本。
Description
技术领域
本申请涉及焊接技术领域，尤其涉及多层极耳的激光焊接方法、激光焊接装置及锂电池。
背景技术
极耳连接，尤其是锂电池极耳连接，对于整个锂电池制造工艺的安全可靠性起到关键的作用，激光焊接的应用可以有效的解决锂电池生产过程中极耳焊接的难题。激光焊接时利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效高精密焊接方法。激光焊接时激光材料加工技术的最广泛的应用之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复功率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小形零件的精密焊接中。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，原理可分为热传导型和深熔焊接，其中功率密度小于104～105w/cm2时为热传导焊接，此时熔深浅，焊接速度慢；功率密度大于105～107w/cm2时，金属表面受热作用下凹成“匙孔”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特性。发明人发现在锂电池制造工艺领域中，传统的极耳焊接只能实现最多两层铝极耳和两层铜极耳的激光焊接，且铜铝焊接时容易产生脆性相问题，无法实现三层铝极耳与三层铜极耳及更多层的铝极耳与铜极耳的可靠连接，使电池在结构设计方面极其复杂，制造加工难度大大提高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多层极耳的激光焊接方法、激光焊接装置及锂电池，本申请实现了多层异种金属材质极耳的激光焊接，既保证了焊接质量，提高了企业生产效率，又降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本申请的第一方面提供了一种多层极耳的激光焊接方法，包括：A、将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳依次贴合设置并紧固，所述第一极耳组和第二极耳组的相邻极耳之间间隙不大于0.1mm；其中，所述第一极耳组和第二极耳组分别由不同金属材质制成；B、通过激光束照射所述第一极耳组和第二极耳组的待焊接位置上且向所述待焊接位置吹入保护气体，以将所述第一极耳组和第二极耳组的多个极耳焊接为一体的导电结构。
本申请的第二方面提供了一种多层极耳的激光焊接装置，包括：光纤激光器；多自由度的机器人手臂，持有所述光纤激光器；控制系统，电性耦接所述光纤激光器及机器人手臂，以控制所述机器人手臂和光纤激光器执行如权利要求上述的多层极耳的激光焊接方法。
本申请的第三方面提供了一种锂电池，其特征在于，包括：由上述的多层极耳的焊接方法焊接得到的导电结构。
本申请实施例相对于现有技术而言，本申请实现了多层极耳的激光焊接，既保证了焊接质量，提高了企业生产效率，又降低了生产成本。
在第一方面的实施例中，所述焊接工艺参数包括：所述激光为连续波，所述激光波长为1064nm，所述激光的焊接功率为2000-2500W，焊接速度为20-45mm/s。
在第一方面的实施例中，所述焊接功率为2300W，所述焊接速度为30mm/s。
在第一方面的实施例中，所述多个第一极耳组为厚度0.2mm的铜极耳，所述第二极耳组为厚度0.4mm的铝极耳；所述待焊接位置为缝状，其焊接熔深为1.8mm。
在第一方面的实施例中，所述保护气体为氩气，所述氩气的气流速度为20L/min。
在第一方面的实施例中，焊接时所述激光束与所述待焊接位置的角度保持5度的倾斜角度。
在第一方面的实施例中，在所述步骤B之前，还包括以下步骤：对所述多个极耳的待焊接位置进行油污清洗。
在第一方面的实施例中，所述激光束通过光纤激光器产生。
附图说明
图1显示为本申请第一实施例中多层极耳的激光焊接方法的流程示意图；
图2显示为本申请第二实施例中多层极耳的激光焊接方法的流程示意图。
具体实施例
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施例，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施例加以实施或应用系统，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一器件相对于另一器件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它器件“下”的某器件则说明为在其它器件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90°或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。
虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
鉴于传统焊接方法无法实现异种金属材料的极耳的可靠连接，本申请实施例中提供多层极耳的激光焊接方法得以解决多层异种金属材质极耳间的激光焊接，如图1所示，展示了本申请第一实施例激光焊接的流程示意图。
上述多层极耳的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤101:将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳依次贴合设置并紧固，第一极耳组和第二极耳组的相邻极耳之间间隙不大于0.1mm；其中，第一极耳组和第二极耳组分别由不同金属材质制成。
锂电池结构中经常需要将两个或多个极耳组的多个极耳通过激光焊接的方式实现连接。在本实施例中，以两个极耳组(即第一极耳组和第二极耳组)的各三个极耳为例进行说明，具体地说，先将第一极耳组和第二极耳组的共六个极耳依次放置在自动夹具中，从下至上的顺序依次是第一极耳组的第一极耳、第二极耳和第三极耳，以及第二极耳组的第四极耳、第五极耳和第六极耳，以此顺序使得第一极耳至第六极耳各个极耳间互相贴合并夹紧，并且使得第一极耳组和第二极耳组的相邻的两个极耳之间的搭接间隙不大于0.1mm。其中极耳数量可以为其他数字，此处仅为举例说明。在本实施中，第一极耳组的各个极耳的材料优选为型号1020状态纯铜，且表面镀镍，厚度为0.2mm，第二极耳组的各个极耳的材料优选为型号1060纯铝，厚度为0.4mm。但可理解，各个极耳的材料和厚度均不局限于上述的型号，此处仅为举例说明。每个极耳组的极耳数量也可以四个及以上，此处并不对其进行限制。
步骤102:通过激光束照射第一极耳组和第二极耳组的待焊接位置上且向待焊接位置吹入保护气体，以将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳焊接为一体的导电结构。
具体地说，本实施例的激光焊接方法以型号IPG YLS-4000光纤激光器为热源，激光束通过光纤激光器产生。水冷机组同飞TFLW-2000WDR-03Z1-3385作为冷却装置，以型号Fanuc R-2000ic 210F工业机器人为载体搭载光纤激光焊接头。光纤激光焊接是一种高效、污染少的新型高附加值的焊接方式，可以在增强工业自动化能力的同时，也减少了对环境的污染，属于环境友好型的高科技加工方法。具体的焊接方法为：首先将光纤激光焊接头的位置调整到待焊接位置的正面位置，通过激光束照射第一极耳组的三层铜极耳和第二极耳组的三层铝极耳的待焊接位置上，且同时向待焊接位置吹入保护气体，在此优选采用氩气(Ar)作为保护气体来保护焊缝不被氧化(此处待焊接位置优选为缝状)，整个过程中激光束与待焊接位置的角度保持5度的倾斜角度，以防止激光产生高反射。但可理解，保护气体也可以是其他惰性气体，此处并不限制为氩气。其中在焊接时焊接方向从焊缝的左侧开始至右侧结束，焊缝由光纤激光焊接头一次性持续工作完成。光纤激光焊接头搭载在工业机器人手臂上，能在各方向上自由移动和旋转。
以上光纤激光焊接方法的工艺参数为：光纤激光为连续波，波长为1064nm，焊接激光功率2000-2500W，焊接速度为20-45mm/s。通过选用不同的激光功率进行焊接，获取如表一中所示的不同的激光功率对应的不同熔深。
表一焊缝的不同工艺参数
表二焊缝的最佳工艺参数
熔深如果太小(当低于六层极耳厚度时)便无法焊接所有六层极耳，熔深如果太大也会造成不必要的激光能量损耗，因此熔深的大小以刚刚好烧穿六层极耳厚度为较理想的熔深状态，根据0.2mm厚度铜极耳以及三层0.4mm厚度铝极耳可计算被焊接物的总厚度为1.8mm，由此可知表二中三层铝极耳与三层铜极耳在上表中的最佳工艺参数下可以达到理想的熔深状态，而且热影响区很小，组织致密，强度符合设计要求。本实施例的多层极耳的激光焊接方法降低了异种金属焊接时产生的脆性相问题，实现了多层异种金属材质极耳的激光焊接，既保证了焊接质量，提高了企业生产效率，又省去了巴片的使用，有效降低了产品的重量和生产成本。
本申请的第二实施例涉及一种多层极耳的激光焊接方法。第二实施例与第一实施例大致相同，主要区别之处在于：在本申请第二实施例中，步骤101和步骤102之间还包括步骤1011:对第一极耳组和第二极耳组的多个极耳的待焊接位置进行油污清洗。简单来说，待焊接位置如果存在油污等，在进行焊接时会对激光产生反射，对焊接质量会产生不良影响，通常会对待焊接位置提前进行清洗。例如在焊接前将焊缝周围50mm处的油污采用酒精清洗干净，这样可以减少其对激光的反射，增加工件对光的吸收率，增加熔深，保证焊接质量。
本申请的第三实施例涉及一种多层极耳的激光焊接装置，该装置包括光纤激光器；多自由度的机器人手臂，机器人手臂持有光纤激光器；该装置还包括控制系统，控制系统电性耦接光纤激光器及机器人手臂，以控制机器人手臂和光纤激光器执行上述实施例的多层极耳的激光焊接方法。该激光焊接装置的焊接自动化程度高，保证焊接质量的同时，提高了企业生产效率，降低了生产成本。
本申请的第四实施例涉及一种锂电池，该锂电池包括由上述实施例的多层极耳的焊接方法焊接得到的导电结构。由上述焊接方法焊接得到的导电结构的焊接质量较高，且重量更轻，成本较低。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将第一极耳组和第二极耳组的多个极耳依次贴合设置并紧固，所述第一极耳组和第二极耳组的相邻极耳之间间隙不大于0.1mm；其中，所述第一极耳组和第二极耳组分别由不同金属材质制成；
B、通过激光束照射所述第一极耳组和第二极耳组的待焊接位置上且向所述待焊接位置吹入保护气体，以将所述第一极耳组和第二极耳组的多个极耳焊接为一体的导电结构。
2.根据权利要求1所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺参数包括：所述激光为连续波，所述激光波长为1064nm，所述激光的焊接功率为2000-2500W，焊接速度为20-45mm/s。
3.根据权利要求2所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接功率为2300W，所述焊接速度为30mm/s。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，所述第一极耳组为厚度0.2mm的铜极耳，所述第二极耳组为厚度0.4mm的铝极耳；所述待焊接位置为缝状，其焊接熔深为1.8mm。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，所述保护气体为氩气，所述氩气的气流速度为20L/min。
6.根据权利要求1所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，焊接时所述激光束与所述待焊接位置的角度保持5度的倾斜角度。
7.根据权利要求1所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤B之前，还包括以下步骤：对所述多个极耳的待焊接位置进行油污清洗。
8.根据权利要求1所述的多层极耳的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束通过光纤激光器产生。
9.一种多层极耳的激光焊接装置，其特征在于，包括：
光纤激光器；
多自由度的机器人手臂，持有所述光纤激光器；
控制系统，电性耦接所述光纤激光器及机器人手臂，以控制所述机器人手臂和光纤激光器执行如权利要求1至8中任一项所述的多层极耳的激光焊接方法。
10.一种锂电池，其特征在于，包括：由如权利要求1至8中任一项所述的多层极耳的激光焊接方法焊接得到的导电结构。
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