CN114833446A - 电池全激光焊接制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池全激光焊接制造方法，包括：步骤S1：将至少两个电芯进行配对，使不同电芯的相同极性极耳相对放置；步骤S2；将连接片和极耳进行装配，使得连接片压住极耳；步骤S3；对连接片施加压力，通过激光焊接将极耳和连接片熔合焊接；步骤S4：将极耳和连接片与端盖进行装配，通过激光焊接将连接片和端盖连接。上述生产工艺中，通过全激光焊接工艺完成极耳、连接片和端盖之间的连接，达到电芯工艺要求，这种电池制造方法减少了焊接设备的数量、降低生产设备的整体成本。同时，通过连接片夹住极耳整体全激光焊接的方式，省去了现有技术中极耳超声波预焊以及极耳与连接片的超声终焊工序，简化了电池生产的工艺。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种电池全激光焊接制造方法。
背景技术
随着新能源汽车行业的发展，对用于新能源汽车上的动力电池的要求越来越高，通过增加单个电芯容量的方法可以提高电池包的能量密度。对于方形锂离子电池，为避免增加单个电芯容量时，电芯厚度和极片长度增大而导致包覆困难和加剧变形的问题，行业内通常采用将铝壳内的单个电芯拆分成至少两个电芯装入铝壳的方法。现有技术中，双电芯方形锂离子电池生产工艺通常包括：叠片、热压、X-ray(X射线)检测、连接片与极耳超声波预焊、极耳裁切、连接片与极耳超声波终焊、连接片与端盖焊接、入壳、顶盖焊接等工序。
其中，在完成电芯极耳与连接片和端盖的装配工序中，分别需要先后完成极耳间超声预焊、极耳与连接片超声终焊和连接片与端盖激光焊接。上述电池制造工艺中，需要使用超声波焊接和激光焊接两种焊接工艺，需要配套多套焊接设备，且多个工序在不同的设备上进行，设备之间转换还需要其他辅助设备，使得生产设备整体成本较高，用地占用空间较大，且严重影响生产节拍，降低生产效率。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，克服现有技术中的电池制造过程中配套多种焊接设备实现极耳与连接片以及连接片和端盖之间的装配，从而提供一种简单高效的电池全激光焊接制造方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种电池全激光焊接制造方法，包括：步骤S1：将至少两个电芯进行配对，使不同电芯的相同极性极耳相对放置；步骤S2；将连接片和极耳进行装配，使得连接片压住极耳；步骤S3；对连接片施加压力，通过激光焊接将极耳和连接片熔合焊接；步骤S4：将极耳和连接片与端盖进行装配，通过激光焊接将连接片和端盖连接。其中，步骤S3的激光焊接和步骤S4的激光焊接在同一设备上进行。
可选地，步骤S3中的激光焊接参数为：激光器的组合选型为环形光斑激光器加振镜组合，焊接功率在2000W至6000W的范围内；和/或，焊接轨迹选为直径在1mm至5mm范围内的圆弧走鱼纹叠焊轨迹，并形成1至2道长在20mm至30mm范围内的直线焊缝；和/或，焊缝宽度在1mm至5mm的范围内；和/或，焊接速度在200mm/s至800mm/s的范围内。
可选地，在步骤S2中，连接片包括下连接片及上连接片，极耳放置在上连接片和下连接片之间，通过上连接片和下连接片夹住极耳进行装配。
可选地，在步骤S2中，下连接片和上连接片为一体结构并弯折成型，上连接片弯折后夹住极耳。
可选地，在步骤S2中，上连接片和下连接片为分体结构。
可选地，步骤S2和步骤S3在同一工位进行。
可选地，在步骤S4中，通过激光焊接将连接片与端盖的极柱连接。
可选地，通过激光焊接将连接片与端盖的极柱连接，包括将下连接片与端盖的极柱激光熔合焊接；或者包括将上连接片和下连接片与端盖的极柱一起激光熔合焊接；
可选地，在步骤S3中，正极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在1500W至3100W的范围内。
可选地，在步骤S3中，正极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在2100W至2600W范围内。
可选地，在步骤S3中，负极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在2400W至6000W的范围内。
可选地，在步骤S3中，负极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在3800W至4800W的范围内。
可选地，电芯的正极极耳的材料为铝，厚度在0.5mm至2.0mm的范围内，电芯的负极极耳的材料为铜，厚度在0.5mm至2.0mm的范围内。
可选地，在步骤S2中，对连接片施加压力，包括通过施压机构对连接片施加压力，压力值在500N至1500N的范围内。
可选地，压力值在500N至1000N的范围内。
可选地，压紧机构包括底座和设置在底座上方的压板，极耳和连接片置于底座和压板之间，其中，压板和底座之间设置有调节螺栓，旋转调节螺栓以调节压板对连接片施加的压力。
可选地，压板设置有吹气通道，吹气通道适于与外部气源连通，进行步骤S4时，通过吹气通道吹入保护气体。
本发明具有以下优点：
利用本发明的技术方案，电芯进行配对后，将极耳放置在下连接片上，然后上连接片夹持住极耳，对上连接片施加压力，通过激光焊接将连接片和极耳焊接与熔合。最后通过激光焊接将连接片和端盖焊接熔合。上述生产工艺中，通过全激光焊接工艺即完成极耳与连接片，连接片和端盖的装配，且在同一台设备中完成，减少了焊接设备的数量，以及生产设备的整体成本和占用空间。电池极耳与连接片、连接片与端盖之间通过全激光焊接的装配方法或工艺，简化了电池的制造工序，降低了设备成本，提升了场地的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明的电池全激光焊接制造方法的实施例一的流程示意图；
图2示出了图1中制造方法的步骤S1的工艺示意图；
图3示出了图1中制造方法的步骤S2中连接片与极耳的装配示意图；
图4示出了图1中制造方法的步骤S2中连接片与电芯和极耳的装配示示意图；
图5示出了图4中A处放大示意图；
图6示出了图1中制造方法的步骤S3的工艺示意图；
图7示出了图1中制造方法的步骤S4的工艺示意图；
图8示出了图5中B处放大示意图；
图9示出了本发明的电池的制造方法中施压机构的结构示意图；
图10示出了图9中施压机构的剖视示意图；
图11示出了本发明的电池全激光焊接制造方法的实施例二的步骤S2的工艺示意图；
图12示出了图11中C处放大示意图；
图13示出了本发明的电池的全激光焊接制造方法的实施例二的步骤S3的工艺示意图；以及
图14示出了图13中D处放大示意图。
附图标记说明：
10、电芯；11、极耳；20、连接片；21、下连接片；22、上连接片；30、端盖；40、施压机构；41、底座；42、压板；421、吹气通道；43、调节螺栓。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
如图1所示，实施例一的电池的制造方法包括以下步骤：
步骤S1：将至少两个电芯10进行配对，使不同电芯10的相同极性极耳11相对放置；
步骤S2；将连接片20和极耳11进行装配，其中，连接片20包括下连接片21及上连接片22，极耳11放置在下连接片21上，上连接片22正朝向下连接片21压住极耳11；
步骤S3；对上连接片22施加压力，通过激光焊接将极耳11和上连接片22与下连接片21焊接熔合在一起；
步骤S4：将极耳11和连接片20与端盖30进行装配，通过激光焊接将连接片20和端盖30连接。
利用本实施例的技术方案，在对电芯10进行配对后，将极耳11放置在下连接片21上，然后放置或者装配上连接片22夹住极耳11，对上连接片22施加压力，通过激光焊接将极耳11和上连接片22与下连接片21焊接熔合在一起。再通过激光焊接将连接片20和端盖30焊接在一起。上述生产工艺中，只需通过激光焊接即可完成极耳11、连接片20和端盖30的连接，减少了焊接工艺的种类，以及降低了生产设备的整体成本和提高了场地空间利用率。同时，电池极耳与连接片、连接片与端盖之间通过全激光焊接的装配方法或工艺，简化了电池的制造工序。
申请人在生产过程中发现，激光焊接属于高温熔化被焊接物，因此需要保证激光焊接将极耳11与连接片20焊透，但又不能切断极耳11，并且不影响极耳11的电导通率，以及过流面积。
此外，激光焊接的熔高导致极耳11与连接片20的高度变化值，需与超声焊接工艺导致的变化值相当。即当两个电芯10进行对折合心时，不能因极耳11与连接片20高度变化，导致尺寸干涉。
上述两个问题是将激光焊接应用在极耳11和连接片20中需要克服的主要技术难题。申请人经研究后确定出合适的激光焊接工艺参数，能够有效的解决该技术难题，本实施例中，步骤S2的激光焊接的工艺参数具体如下：
本实施例中激光器的组合选型为环形光斑激光器加振镜组合，焊接功率在2000W至6000W的范围内，并且焊接功率优选为4000W。
本实施例中的焊接轨迹选为直径在1mm至5mm范围内的圆弧走鱼纹叠焊轨迹，并形成1至2道长在20mm至30mm范围内的直线焊缝，优选地，焊接轨迹为直径2mm的圆弧走鱼纹叠焊轨迹，并形成2道30mm的直线焊缝。
本实施例中的焊缝宽度在1mm至5mm的范围内，优选地，焊缝宽度为3mm。
本实施例中的焊接速度在200mm/s至800mm/s的范围内，优选地，焊接速度为300mm/s。
通过上述的焊接工艺参数，对极耳11和连接片20进行焊接后，申请人对电芯10的性能进了测试，电芯10的电导通指标(电池充放电流)具体为：持续放电电流电芯460A，极芯230A，过流面积2*30＝60平方毫米。由此可以看出，本实例中通过全激光焊接对极耳11、连接片20和端盖30进行制造，在简化了制造工艺的基础上，电池的性能没有降低。
如图2所示，在上述的步骤S1中，需要对两个电芯10进行配对。在进行电芯10配对时，两个电芯10被摆放至平铺状态，并且相对设置，以便下一道工序中将极耳11和连接片20进行连接。在进行电芯10配对时，两个电芯10的极耳11相对设置，并且两个电芯10的正极极耳对应设置，两个电芯10的负极极耳对应设置。
进一步地，电芯10的配对可以采用搬运机构和翻转机构实现。
如图3和图4所示，在上述的步骤S2中，需要设置两个连接片20与电芯10配合。其中一个连接片20为正极连接片，另一个连接片20为负极连接片。正极连接片与电芯10的正极极耳配合，负极连接片与电芯10的负极极耳配合。
进一步地，正极连接片和负极连接片的结构相同，其都包括一个下连接片21和一个上连接片22。在进行步骤S2时，将极耳11放置在下连接片21上，然后将上连接片22朝向下连接片放置在极耳11正上面，使得极耳11被夹在下连接片21和上连接片22之间。
进一步地，如图3至图5所示，本实施例中的下连接片21和上连接片22为一体结构。结合图5可以看到，上连接片22向外弯折后，位于极耳11的正上方，并且当上连接片22弯折至与下连接片21平行时，即可将极耳11压住。
进一步地，结合图4和图5还可以看到，下连接片21和上连接片22上均设置有连接孔。当上连接片22压住极耳后，两个连接孔重合，可用于上下连接片之间的装配和定位，或者保证装配方向，亦也可用于避开端盖的某个位置，例如注液孔位置。
如图4所示，在上述的步骤S2中，在对极耳11和连接片20进行焊接时，需要对上连接片22施加压力，并使得下连接片21和上连接片22夹紧极耳。申请人在生产过程中发现，将极耳11与连接片20通过激光焊接进行连接，因电芯10比较厚，极耳11层数多，激光焊接过程中需要想办法将松散的极耳11之间的空气排除掉，以减少激光焊接爆点，导致焊接不良。因此该步骤的目的在于，尽可能的排空连接片20和极耳11之间的空气，从而提高激光焊接的效果。
进一步地，在上述的步骤S3中，正极极耳与正极连接片激光焊接连接，负极极耳与负极连接片激光焊接连接。
如图5和图6所示，在上述的步骤S4中，先将端盖30置于预定工位，然后将焊接完成的电芯10和连接片20由上自下置于端盖30上，将连接片20放置在端盖30上。然后通过激光焊接将端盖30的极柱与连接片20连接在一起，从而完成电芯10、连接片20和端盖30的装配工序。
在一些未示出的实施方式中，也可以将焊接完成的电芯10和连接片20置于预定工位，端盖30由下自上放置在连接片20的下方位置。
优选地，在步骤S2中，通过机构或者装置对上连接片22进行施压。预压机构可以对上连接片22施加压力，从而使上连接片22朝向下连接片21压紧。施压机构或者装置可以为常规的机械手、推板等机构。
优选地，步骤S3和步骤S4在同一工位进行。具体而言，由于本实施例中，极耳11和连接片20之间通过激光焊接连接，连接片20和端盖30之间通过激光焊接连接，因此步骤S3和步骤S4可以在同一个激光焊接工位进行，从而使得工艺设备的整体占用空间更小，布局更为紧凑。
当然，步骤S3和步骤S4也可以在不同的激光焊接工位分别进行。
优选地，步骤S3中，正极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在1500W至3100W的范围内，优选2100W至2600W。
优选地，在步骤S3中，负极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在2400W至6000W的范围内，优选3800W至4800W。
优选地，电芯的正极极耳的材料为铝，厚度在0.5至2.0mm的范围内，所述电芯10的负极极耳的材料为铜，厚度在0.5mm至2.0mm的范围内。
优选地，在步骤S3中，通过施压机构对连接片施加压力，对连接片施加的压力，压力参考值在500N至1500N的范围内，优选500N至1000N。
如图9所示，在本实施例的技术方案中，在步骤S4中，通过施压机构40对上连接片22施加压力。具体而言，施压机构40能够对翻折后的上连接片22施加朝向下方的压紧力，从而尽可能排空连接片20与极耳11之间的空气，保证激光焊接的质量。施压机构40并排设置有多个，进而可以对多组电芯10进行处理。
如图10所示，在本实施例的技术方案中，施压机构40包括底座41和设置在底座41上方的压板42，极耳11和连接片20置于底座41和压板42之间。其中，压板42和底座41之间设置有调节螺栓43，旋转调节螺栓43以调节压板42对连接片20施加的压力。
具体而言，压板42上设置有安装孔，底座41的上表面设置有螺纹孔。调节螺栓43穿过安装孔后，下端旋入至螺纹孔内。通过旋转调节螺栓43，即可调节调节螺栓43与螺纹孔之间的相对位置，从而调节压板42对连接片20施加的压紧力。
进一步地，在底座41和压板42的四角处均设置有上述的调节螺栓43。
如图10所示，在本实施例的技术方案中，压板42设置有吹气通道421，吹气通道421适于与外部气源连通，进行步骤S4时，通过吹气通道421吹入保护气体。具体而言，在进行步骤S4之前，先使吹气通道421连接保护气。从图10可以看到，在压板42的两侧均设置有吹气通道，因此在激光焊接时，保护气由压板42的两侧进气，在中部从下往上吹。保护气能够减少焊渣飞溅并将焊渣从连接片20上吹起，通过激光焊接设备外置的气刀机构将焊渣进行处理。
当然，施压机构40也可以选用其他常规工装，例如通过油缸或者液压缸驱动的压板。
实施例二
如图11至14所示，本申请的电池全激光焊接制造方法的实施例二和上述的实施例一相比，区别在于，连接片20的结构有所不同。具体而言，实施例二中的下连接片21和上连接片22为分体结构，二者为两个独立的片状结构。在进行步骤S2时，先放置好下连接片21，然后将极耳11放置在下连接片21上，然后将上连接片22由上自下放在极耳11上，并使得上连接片22压住极耳11。
根据上述描述，本专利申请具有以下优点：
1、电芯配对前极耳不用超声预焊，通过对连接片施加压力使得连接片压住极耳；
2、连接片能完全覆盖极耳，压紧极耳的同时能起到保护的作用，进一步阻止灰尘和焊渣进入；
3、在一个工位完成整个装配过程：实现极耳与连接片，连接片与端盖的全激光熔合焊接，设备布局紧凑，大幅节约开发成本，同时提升焊接效率。
4、通过设置上下连接片并与极柱熔合焊接，可进一步减小连接片的厚度，一般只需要现有连接片厚度的1/2即可，且极耳可通过上下连接片一起导电，增大了过流面积；
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (17)
1.一种电池全激光焊接制造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将至少两个电芯(10)进行配对，使不同所述电芯(10)的相同极性极耳(11)相对放置；
步骤S2；将连接片(20)和极耳(11)进行装配，使得连接片(20)压住所述极耳(11)；
步骤S3；对所述连接片(20)施加压力，通过激光焊接将所述极耳(11)和所述连接片(20)熔合焊接；
步骤S4：将所述极耳(11)和所述连接片(20)与端盖(30)进行装配，通过激光焊接将所述连接片(20)和所述端盖(30)连接，
其中，所述步骤S3的激光焊接和所述步骤S4的激光焊接在同一设备上进行。
2.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述步骤S3中的激光焊接参数为：
激光器的组合选型为环形光斑激光器加振镜组合，焊接功率在2000W至6000W的范围内；和/或，
焊接轨迹选为直径在1mm至5mm范围内的圆弧走鱼纹叠焊轨迹，并形成1至2道长在20mm至30mm范围内的直线焊缝；和/或，
焊缝宽度在1mm至5mm的范围内；和/或，
焊接速度在200mm/s至800mm/s的范围内。
3.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述连接片(20)包括下连接片(21)及上连接片(22)，所述极耳(11)放置在所述上连接片(22)和所述下连接片(21)之间，通过所述上连接片(22)和所述下连接片(21)夹住所述极耳(11)进行装配。
4.根据权利要求3所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述下连接片(21)和所述上连接片(22)为一体结构并弯折成型，所述上连接片(22)弯折后夹住所述极耳(11)。
5.根据权利要求3所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述上连接片(22)和所述下连接片(21)为分体结构。
6.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述步骤S3和所述步骤S4在同一工位进行。
7.根据权利要求3所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过激光焊接将所述连接片(20)与所述端盖(30)的极柱连接。
8.根据权利要求7所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述通过激光焊接将所述连接片(20)与所述端盖(30)的极柱连接，包括将所述下连接片(21)与所述端盖(30)的极柱激光熔合焊接；或者包括将所述上连接片(22)和下连接片(21)与所述端盖(30)的极柱一起激光熔合焊接。
9.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中，正极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在1500W至3100W的范围内。
10.根据权利要求9所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中，正极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在2100W至2600W范围内。
11.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中，负极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在2400W至6000W的范围内。
12.根据权利要求11所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中，负极极耳的激光焊接参数为：焊接功率在3800W至4800W的范围内。
13.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述电芯(10)的正极极耳的材料为铝，厚度在0.5mm至2.0mm的范围内，所述电芯(10)的负极极耳的材料为铜，厚度在0.5mm至2.0mm的范围内。
14.根据权利要求1所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述连接片(20)施加压力，包括通过施压机构(40)对所述连接片(20)施加压力，压力值在500N至1500N的范围内。
15.根据权利要求14所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述压力值在500N至1000N的范围内。
16.根据权利要求14所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述施压机构(40)包括底座(41)和设置在所述底座(41)上方的压板(42)，所述极耳(11)和所述连接片(20)置于所述底座(41)和所述压板(42)之间，其中，所述压板(42)和所述底座(41)之间设置有调节螺栓(43)，旋转所述调节螺栓(43)以调节所述压板(42)对所述连接片(20)施加的压力。
17.根据权利要求16所述的电池全激光焊接制造方法，其特征在于，所述压板(42)设置有吹气通道(421)，所述吹气通道(421)适于与外部气源连通，进行所述步骤S4时，通过所述吹气通道(421)吹入保护气体。
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