CN115229337A - 用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法 - Google Patents

用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法，其中，激光焊接装置包括：激光焊接头；准直镜，设置在激光焊接头的光线路径上；驱动机构，与准直镜连接，驱动机构适于驱动准直镜沿激光焊接头的光线路径方向移动；振镜结构，适于接收通过准直镜的光线，并将光线照射在待加工工件上。通过驱动机构调节准直镜的位置，使得经过调节后的光束能够轻微发散或者聚焦。因此当准直镜的位置不同时，经过振镜结构照射在工件上的光线的焦点位置也不相同。根据电池中各材料的特性不同，通过调节准直镜的位置即可改变照射在待焊接工件上的光斑大小，不必在移动激光焊接装置和待焊接工件之间的相对位置，同时设备成本也较低。

Description

用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法
技术领域
本发明涉及电池生产设备技术领域，具体涉及一种用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法。
背景技术
随着激光焊接技术在锂电领域应用越来越广泛，激光搭载振镜实现高速焊接，提高了电池的生产效率，但是由于锂电各部件的材料和厚度的差异，需要用到的激光系统配置有较大差异。例如，在方形电池模组上汇流排和电芯极柱的焊接，以及镍片和汇流排的连接均采用了激光焊接工艺，且由于材料特性不同，需求的激光功率和加工光斑也不同。具体而言，镍片(FPC)为厚度在0.1mm至0.3mm的铜镀镍，焊接需要较小激光光斑进行焊接。若采用大光斑热则影响区较大，容易产生爆点、变形等问题，成型质量差，目前常用1000W，芯径14um的激光器来进行焊接。汇流排(Busbar)为厚度在2mm至3mm的3系铝合金，为保证一定的焊缝深宽比，需要相对较大激光光斑进行焊接。若采用小光斑焊接，由于焊缝深宽比较大，熔池停留时间较短，焊接过程熔池中的气体(主要为氢气)来不及溢出，最终造成焊缝气孔产生，影响焊接质量，目前常用6000W，芯径100um的激光器来进行焊接。
对于电池模组中，现有技术中通常采用以下方式对电池极柱、汇流排和镍片进行激光焊接：
1、双工位焊接，此种方式需要用到两套激光焊接系统，激光器、冷水机、焊接头、机台等占地面积较大，而且成本投入也相对较大；
2、环形光斑单工位焊接，此种方式焊接镍片时采用中心光焊接，焊接汇流时排采用环形光斑焊接。但是由于目前环形光斑激光技术难度较大，因此无论是进口设备还是国产设备均成本很高，相对于常规6kW激光器贵4至5倍；
3、单工位配合焊接头位置变化进行焊接，此种方式焊接镍片时采用焦点加工，焊接汇流排时采用离焦方式加工。因为采用振镜方式加工，焊接工件不能搭载同轴保护装置，仅能在焊接区加保护气和压紧工作进行作业。由于焊接时焊接头和工装位置相对固定，该方式变焦加工需要反复变动焊接头和工装相对位置，且调节量相对较大，加工程序相对复杂。
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模组的激光焊接设备成本高，加工工艺复杂的缺陷，从而提供一种用于电池加工的激光焊接装置及电池模组的生产方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于电池加工的激光焊接装置，包括：激光焊接头；准直镜，设置在激光焊接头的光线路径上；驱动机构，与准直镜连接，驱动机构适于驱动准直镜沿激光焊接头的光线路径方向移动；振镜结构，适于接收通过准直镜的光线，并将光线照射在待加工工件上。
可选地，准直镜的调节范围相对于初始位置在-2mm至+2mm的范围内。
可选地，驱动机构为电机。
可选地，激光焊接装置还包括反射镜，反射镜设置在准直镜和振镜结构之间，反射镜适于将通过准直镜的光线反射至振镜结构内。
可选地，激光焊接装置的参数为：功率在3000W至6000W的范围内，芯径为20um或者50um；准直镜焦距为100mm；聚焦焦距为254mm或者330mm。
本发明还提供了一种电池模组的生产方法，通过上述的激光焊接装置进行激光焊接，生产方法包括：根据待焊接工件的特性，通过驱动机构调整准直镜的位置。
可选地，生产方法还包括：焊接电芯极柱和汇流排，驱动机构驱动准直镜移动，以使光线在工件上离焦；焊接汇流排和镍片，驱动机构驱动准直镜移动回初始位置。
可选地，焊接电芯极柱和汇流排的焊接参数为：焊接功率在3000W至4500W的范围内，振镜结构的扫描速度在300mm/s至500mm/s的范围内。
可选地，焊接电芯极柱和汇流排的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.3mm至0.5mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.5mm的范围内，焊缝外径在10mm至15mm的范围内。
可选地，焊接汇流排和镍片的焊接参数为：焊接功率在800W至1500W的范围内，振镜结构的扫描速度在80mm/s至200mm/s的范围内。
可选地，焊接汇流排和镍片的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.1mm至0.2mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.2mm的范围内，焊缝外径在4mm至5mm的范围内。
本发明具有以下优点：
利用本发明的技术方案，通过驱动机构调节准直镜的位置，使得经过调节后的光束能够轻微发散或者聚焦。因此当准直镜的位置不同时，经过振镜结构照射在工件上的光线的焦点位置也不相同。根据电池中各材料的特性不同，通过调节准直镜的位置即可改变照射在待焊接工件上的光斑大小，不必在移动激光焊接装置和待焊接工件之间的相对位置，同时设备成本也较低。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的电池模组的激光焊接设备成本高，加工工艺复杂的缺陷。
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示出了本发明的激光焊接装置的实施例一的结构示意图；
图2示出了本发明的激光焊接装置的实施例二的结构示意图；
图3示出了本发明的电池模组生产方法中电芯极柱和汇流排的焊接示意图；以及
图4示出了本发明的电池模组生产方法中汇流排和镍片的焊接示意图。
附图标记说明：
10、准直镜；20、驱动机构；30、振镜结构；40、反射镜；100、电芯极柱；200、汇流排；300、镍片。
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，实施例一的用于电池加工的激光焊接装置包括激光焊接头、准直镜10、驱动机构20以及振镜结构30。其中，准直镜10设置在激光焊接头的光线路径上。驱动机构20与准直镜10连接，并且驱动机构20适于驱动准直镜10沿激光焊接头的光线路径方向移动。振镜结构30适于接收通过准直镜10的光线，并将光线照射在待加工工件上。
利用本实施例的技术方案，通过驱动机构20调节准直镜10的位置，使得经过调节后的光束能够轻微发散或者聚焦。因此当准直镜10的位置不同时，经过振镜结构30照射在工件上的光线的焦点位置也不相同。根据电池中各材料的特性不同，通过调节准直镜10的位置即可改变照射在待焊接工件上的光斑大小，不必在移动激光焊接装置和待焊接工件之间的相对位置，同时设备成本也较低。因此本实施例的技术方案解决了现有技术中的电池模组的激光焊接设备成本高，加工工艺复杂的缺陷。
需要在说明的是，上述各结构中，激光焊接头(图中未示出)发射出激光，激光通过准直镜10后被转换成平行光，平行光进入至振镜结构30后，通过振镜结构30聚到至待焊接工件上，从而进行激光焊接。
在图1所示的方位中，激光由激光焊接头从上至下射出，因此准直镜10设置在激光焊接头的下方位置。相应地，驱动机构20能够驱动准直镜10在上下方向进行移动。
当准直镜10相对于初始位置进行移动时，光束能够轻微发散或者聚焦，并且光束直径均需在振镜结构30的通光孔径范围内。关注后续通过振镜结构30后，照射在待焊接工件的表面上的光斑大小就会变化。根据待焊接材料的特性不同，通过调节准直镜10的位置，即可控制激光焊接装置作用在待焊接工件表面的光斑大小。
在本实施例的技术方案中，准直镜10的调节范围相对于初始位置在-2mm至+2mm的范围内。具体而言，准直镜10具有初始位置，也即0位置。因此准直镜10的调节量为相对于初始位置的两侧偏离2mm。通过上述的调整，振镜结构30在工件同一工作位置可实现-20mm至+20mm的离焦量变化，进而调节光斑大小。
当然，本领域技术人员可以根据实际工作情况，对准直镜10的调节量数值进行适配性地调整。
优选地，上述的驱动机构20为电机。当然，驱动机构20也可以选为其他常见的直线驱动结构。
如图1所述，在本实施例的技术方案中，激光焊接装置还包括反射镜40，反射镜40设置在准直镜10和振镜结构30之间，反射镜40适于将通过准直镜10的光线反射至振镜结构30内。
具体而言，本实施例中的激光焊接头竖直布置，并且发射的激光朝向下方，振镜结构30的通光孔为朝向水平方向，因此需要设置反射镜40对光线进行反射。反射镜40与水平方向呈夹角45°进行布置，反射镜40位于准直镜10的西方，并且位于振镜结构30的侧部。
优选地，激光焊接装置的参数可以选用为：功率为3000W，芯径为20um。
或者，激光焊接装置的参数可以选用为：功率在3000W至6000W的范围内，芯径为20um；
此外，激光焊接装置的焊接参数还包括：准直镜焦距为100mm；聚焦焦距为254mm或者330mm。
本领域技术人员可以根据待焊接工件的厚度，适配性地调节激光焊接装置的各个参数。
实施例二：
如图2所示，实施例二的激光焊接装置和上述的实施例一相比，区别在于没有设置反射镜40。具体而言，实施例二中的激光焊接头为水平布置，因此激光焊接头射出的激光可以通过准直镜后直接射入至反射镜40内，也即无需设置反射镜40。
如图3和图4所示，本实施例还提供了一种电池模组的生产方法，通过上述的激光焊接装置进行激光焊接。其中，生产方法包括：
根据待焊接工件的特性，通过驱动机构20调整准直镜10的位置。
具体而言，若待焊接工件需要激光光斑较小，则可以使得准直镜10保持在初始0位置。若待焊接工件需要激光光斑较大，则可以通过驱动机构20驱动准直镜相对于初始0位置移动一定距离。
如图3和图4所示，在本实例的技术方案中，生产方法还包括：
焊接电芯极柱100和汇流排200，驱动机构20驱动准直镜10移动，以使光线在工件上离焦；
焊接汇流排200和镍片300，驱动机构20驱动准直镜10移动回初始位置。
具体而言，利用上述的激光焊接装置，在不变动激光焊接头和保护气压紧工装相对位置前提下，能够实现电芯极柱100、汇流排200和镍片300三个工件的焊接。
此外，电芯极柱100、汇流排200和镍片300仅用一激光焊接装置，一套焊接程序即可实现三个工件的焊接，使得电池模组的焊接系统占地面积小，且设备成本低。
首先焊接汇流排200和电芯极柱100，由于汇流排200的厚度较厚，为保证一定的焊缝深宽比，需要相对较大激光光斑进行焊接。因此在本实施例中，驱动机构20先驱动准直镜10移动，以使光线在工件上离焦，离焦量在-20mm至+20mm之间进行调整。
优选地，焊接电芯极柱100和汇流排200的焊接参数为：焊接功率在3000W至4500W的范围内，振镜结构30的扫描速度在300mm/s至500mm/s的范围内。
优选地，焊接电芯极柱100和汇流排200的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.3mm至0.5mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.5mm的范围内，焊缝外径在10mm至15mm的范围内。
并且优选地，上述的螺旋半径为双向。
然后焊接汇流排200和镍片300，由于镍片的厚度较薄，因此需要较小的激光光斑进行焊接。因此使驱动机构20驱动准直镜10移动回0初始位置，以减小激光光斑在镍片300上的大小。
优选地，焊接汇流排200和镍片300的焊接参数为：焊接功率在800W至1500W的范围内，振镜结构的扫描速度在80mm/s至200mm/s的范围内。
优选地，焊接汇流排200和镍片300的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.1mm至0.2mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.2mm的范围内，焊缝外径在4mm至5mm的范围内。
并且优选地，上述的螺旋半径为双向。
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 (11)

1.一种用于电池加工的激光焊接装置，其特征在于，包括：
激光焊接头；
准直镜(10)，设置在所述激光焊接头的光线路径上；
驱动机构(20)，与所述准直镜(10)连接，所述驱动机构(20)适于驱动所述准直镜(10)沿激光焊接头的光线路径方向移动；
振镜结构(30)，适于接收通过所述准直镜(10)的光线，并将光线照射在待加工工件上。
2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述准直镜(10)的调节范围相对于初始位置在-2mm至+2mm的范围内。
3.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述驱动机构(20)为电机。
4.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接装置还包括反射镜(40)，所述反射镜(40)设置在所述准直镜(10)和所述振镜结构(30)之间，所述反射镜(40)适于将通过所述准直镜(10)的光线反射至所述振镜结构(30)内。
5.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接装置的参数为：
功率在3000W至6000W的范围内；
芯径为20um或者50um；
准直镜焦距为100mm；
聚焦焦距为254mm或者330mm。
6.一种电池模组的生产方法，其特征在于，通过如权利要求1至5中任一项的激光焊接装置进行激光焊接，所述生产方法包括：
根据待焊接工件的特性，通过所述驱动机构(20)调整所述准直镜(10)的位置。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法还包括：
焊接电芯极柱(100)和汇流排(200)，所述驱动机构(20)驱动所述准直镜(10)移动，以使光线在工件上离焦；
焊接所述汇流排(200)和镍片(300)，所述驱动机构(20)驱动所述准直镜(10)移动回初始位置。
8.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，焊接所述电芯极柱(100)和所述汇流排(200)的焊接参数为：焊接功率在3000W至4500W的范围内，所述振镜结构(30)的扫描速度在300mm/s至500mm/s的范围内。
9.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，焊接所述电芯极柱(100)和所述汇流排(200)的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.3mm至0.5mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.5mm的范围内，焊缝外径在10mm至15mm的范围内。
10.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，焊接所述汇流排(200)和所述镍片(300)的焊接参数为：焊接功率在800W至1500W的范围内，所述振镜结构的扫描速度在80mm/s至200mm/s的范围内。
11.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，焊接所述汇流排(200)和所述镍片(300)的焊接参数为：焊接轨迹为用螺旋，螺旋半径在0.1mm至0.2mm的范围内，螺旋间距在0.1mm至0.2mm的范围内，焊缝外径在4mm至5mm的范围内。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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