CN115283868A - 一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将电芯的极耳和和电池顶盖的极柱位置固定；步骤2：将极耳超声焊接面正上方放置在在超声波焊接机下进行超声波焊接，使得多层极耳在焊印处形成整体；步骤3：将电芯的正极极耳和负极极耳分别与顶盖正极极柱底部和顶盖负极极柱底部对齐，基于往复式焊接方式将正负极极耳分别焊接在顶盖正负极极柱底部，并在焊接过程中采用吹保护气进行保护；步骤4：焊接完成后，将物料取下，对焊缝表面进行清理并质检。与现有技术相比，本发明具有提高焊接强度和焊缝的韧性、大幅减少焊接面气孔的产生以及有利于焊缝形成光滑外观等优点。

Description

一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法
技术领域
本发明涉及极耳与极柱焊接技术领域，尤其是涉及一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法。
背景技术
电池是一种为动力工具提供动力来源的电源，其具备寿命长、实用安全、容量大、体积小和重量轻等优点被广泛应用于多个领域中，锂离子电池作为新能源中的一种，广泛应用于生活中，而铝壳电池因为其安全方面的优势成为锂离子电池中应用最广泛的电池型号之一。
现有铝壳电池在制作过程中采用超声波焊接极耳后直接与极柱焊接，节约了连接片的材料成本同时结构简单化优化工艺流程为了充分利用铝壳内的空间，提高电池容量减低了制造工艺难度，但是与原来极耳与连接片超声波焊接相比，铝箔超声平焊后自身的特点使其焊接工作仍然要困难很多，常因激光能量密度较高，热输入过大等原因，导致焊缝外观质量差有爆点，在焊缝内部容易出现焊接气孔等缺陷，影响极耳焊接后剥离强度及电流内阻，即正常极耳超声平焊接后采用激光焊接一条直线或者一个圆圈，如图3所示，这样会产生气孔，在表面时会产生爆点，在焊缝内部容易出现熔池与周边超声后的极耳断开和焊接熔池内部气孔，特别是内部极耳断裂严重影响极耳焊接后剥离强度及电流内阻，如图7所示。
为了提高铝箔超声平焊接后激光焊接的质量，找到一种适合的激光焊接方式及参数，降低焊接气孔增强焊接强度及降低内阻，是现在铝箔超声平焊接及激光焊接极柱的发展方向之一。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种解决焊接铝箔超声后激光焊接气孔的工艺技术。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将电芯的极耳和和电池顶盖的极柱位置固定；
步骤2：将极耳超声焊接面正上方放置在在超声波焊接机下进行超声波焊接，使得多层极耳在焊印处形成整体，即电芯正极极耳超声波焊接处和电芯负极极耳超声波焊接处；
步骤3：将电芯的正极极耳和负极极耳分别与顶盖正极极柱底部和顶盖负极极柱底部对齐，基于往复式焊接方式将正负极极耳分别焊接在顶盖正负极极柱底部，并在焊接过程中采用吹保护气进行保护；
步骤4：焊接完成后，将物料取下，对焊缝表面进行清理并质检。
所述的步骤1中，极耳夹具定位精度具体为极耳高度方向≤0.5mm和极耳宽度方向≤±0.5mm。
所述的极耳与极柱配合的间隙小于极耳厚度的5％。
所述的步骤3中，在极耳超声焊接面正上方进行往复式激光焊接的路径长度范围为5mm～20mm，往复式激光焊接的路径包括直线和圆形。
所述的步骤3中，激光焊接的功率为单次焊接能量的60％～80％。
所述的步骤3中，焊缝重叠比例为40％～70％。
所述的步骤3中，焊接速度为60～90mm/min。
所述的步骤3中，离焦量为0.8mm。
所述的步骤3中，采用的保护气体为气流量为23L/min的99.9％纯氮气，以降低焊缝的气孔大小和比例。
所述的步骤4中，质检包括拉力与金相测试。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1、本发明在铝壳电池在制作过程中，将极耳通过超声波焊接后再与极柱激光焊接，通过合理的往复式低功率重复焊接搭配合理的焊接速度、离焦量以及适当的吹气速度，能将焊接的温度降到最低的需要量，通过往复式焊接将热影响区金相变化范围小，减少因热传导导致超声区域气孔，从而减少极耳内阻，增大剥离力，得到的焊缝面面光滑，且机械性能优异；
2、本发明在焊接时采用气流量23L/min的99.9％纯氮气吹保护气进行保护，能有效降低焊缝的气孔大小和比例，实现了大幅减少气孔的产生。
附图说明
图1为本发明的电芯极耳超声波焊接示意图。
图2为本发明的电池顶盖示意图。
图3为现有技术中的电芯和顶盖激光焊接单线焊接示意图。
图4为本发明的电芯和顶盖激光焊接往复线焊接示意图。
图5为本发明的电芯和顶盖激光焊接圆形焊接示意图。
图6为本发明的电芯和顶盖激光焊接双圆形焊接示意图。
图7为现有激光焊接单线焊接金相中的气孔裂纹示意图。
图8为本发明的往复双焊线金相示意图1。
图9为本发明的往复双焊线金相示意图2。
其中：1、电芯，11、电芯正极极耳超声波焊接处，12、电芯负极极耳超声波焊接处，2、电池顶盖，21、顶盖正极极柱底部，22、顶盖负极极柱底部，31、正极极耳激光单线焊接焊印，32、负极极耳激光单线焊接焊印，34、正极极耳激光直线往复焊接焊印，35、负极极耳激光直线往复焊接焊印，41、正极极耳激光焊接圆形往复焊接焊印，42、负极极耳激光焊接圆形往复焊接焊印，51、正极极耳激光焊接双圆形往复焊接焊印，52、负极极耳激光焊接双圆形往复焊接焊印。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：如图1～2所示，进行焊接前的准备：准备需要焊接的电芯1和电池顶盖2；
步骤2：对电芯1的极耳进行超声波焊接：将电芯1的正负极极耳在超声波焊接机下进行超声波焊接，使得多层极耳结构在焊印处焊成一个整体，即电芯正极极耳超声波焊接处11和电芯负极极耳超声波焊接处12；
步骤3：电芯1的极耳与电池顶盖2进行激光焊接：将超声波焊接后的电芯1的正级极耳和负极极耳分别与顶盖正极极柱底部21和顶盖负极极柱底部22对齐，再采用激光焊接进行焊接；
步骤4：焊接完成后，将物料取下，对焊缝表面进行清理并质检，质检包括拉力与金相测试。
在本实施例中，极耳夹具定位精度具体为极耳高度方向≤0.5mm和极耳宽度方向≤±0.5mm；
极耳与极柱配合的间隙小于0.02mm，以确保极耳和极柱相对位置准确及重叠后压紧无间隙；
在极耳超声焊接面正上方进行激光焊接为往返式复焊接，路径如图4～6所示，激光焊接的路径包括但不限于直线和圆两种方式，当激光焊接的路径为直线时，分别形成了正极极耳激光直线往复焊接焊印34和负极极耳激光直线往复焊接焊印35，当激光焊接的路径为圆形时，分别形成了正极极耳激光焊接圆形往复焊接焊印41和负极极耳激光焊接圆形往复焊接焊印42，或者正极极耳激光焊接双圆形往复焊接焊印51和负极极耳激光焊接双圆形往复焊接焊印52；
激光焊接的功率为单次焊接能量(1200w)的66.67％，即800w；
焊缝重叠比例为40％；
焊接速度为70mm/s；
离焦量为0.8mm；
采用的保护气体为气流量23L/min的99.9％纯氮气；
在800w的低功率下，焊件表面达到铝的熔点660℃的时间较慢，在表面气化前，极耳内部已经达到熔点，有利形成良好的熔融焊接；
将焊接速度控制在70mm/s左右，因为当焊接速度低于60m/s时，焊接速度过慢，熔融时间长，容易在焊缝中形成纵向热裂纹，当焊接速度高于110m/s时，焊接速度过快，熔融时间短，焊缝中容易出现横向热裂纹；
焊接表面的能量密度较大，容易产生热应力，导致焊接熔融时表面金属液体的溅射发生爆点，因此焊接时采用气体保护，以减少飞溅，有利于焊缝的形成光滑外观，如图8～9所示。
离焦量对焊缝成形质量有较大的影响，本发明采用正离焦的形式，焊接时，能量密度较高的激光束会聚集在待焊工件外表面，使得铝箔表面功率快速融化，改变铝箔对激光高反射的特性减少，促进对激光的吸收率，能产生稳定的焊接匙孔，促使激光的能量向熔池深度传递，提高焊接强度和焊缝的韧性，避免铝锂合金内部的能量过大，引起合金元素气化和熔融下漏，导致焊缝严重下塌，强度大大降低，再配合800w功率和70mm/s的焊接速度能有效减少因气孔带来焊缝上表面的塌陷和底部的驼峰，焊缝表面平滑，机械性能好；
同时，铝锂合金是典型的共晶型合金，膨胀系数大，熔焊时容易产生热裂纹，本发明通过合理的往复式低功率重复焊接搭配合理的焊接速度、离焦量以及适当的吹气速度，实现了大幅减少气孔的产生，如图8～9所示。
进行验证测试，准备测试用的箔材材料，箔材材料的要求如表1所示：
表1正极极耳超声波焊接箔材材料要求表
Figure BDA0003766966550000051
对电芯(1)的极耳进行超声波焊接，采用的设备为6000W DP直压式极耳超声平焊接机，6000W DP直压式极耳超声平焊接机的参数如表2所示：
表2 6000W DP直压式极耳超声平焊接机的参数表
Figure BDA0003766966550000052
Figure BDA0003766966550000061
采用3000w光纤激光器+摆动准直头焊进行激光焊接，正极激光焊接参数如表3所示：
表3正极激光焊接参数表
Figure BDA0003766966550000062
焊接后进行拉力与金相测试，测试结果如表4和表5所示：
表4正极超声焊接拉力表
Figure BDA0003766966550000063
Figure BDA0003766966550000071
表5正极激光焊接拉力表
Figure BDA0003766966550000072
Figure BDA0003766966550000081
如图8～9所示的往复双焊线金相，观察可得到焊接处表面光滑，气孔比例减少了90％，因此可以证明，本发明有利于焊缝形成光滑外观，有效降低焊缝的气孔大小和比例。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将电芯(1)的极耳和和电池顶盖(2)的极柱位置固定；
步骤2：将极耳超声焊接面正上方放置在在超声波焊接机下进行超声波焊接，使得多层极耳在焊印处形成整体，即电芯正极极耳超声波焊接处(11)和电芯负极极耳超声波焊接处(12)；
步骤3：将电芯(1)的正极极耳和负极极耳分别与顶盖正极极柱底部(21)和顶盖负极极柱底部(22)对齐，基于往复式焊接方式将正负极极耳分别焊接在顶盖正负极极柱底部，并在焊接过程中采用吹保护气进行保护；
步骤4：焊接完成后，将物料取下，对焊缝表面进行清理并质检。
2.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤1中，极耳夹具定位精度具体为极耳高度方向≤0.5mm和极耳宽度方向≤±0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的极耳与极柱配合的间隙小于极耳厚度的5％。
4.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，在极耳超声焊接面正上方进行往复式激光焊接的路径长度范围为5mm～20mm，往复式激光焊接的路径包括直线和圆形。
5.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，激光焊接的功率为单次焊接能量的60％～80％。
6.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，焊缝重叠比例为40％～70％。
7.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，焊接速度为60～90mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，离焦量为0.8mm。
9.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中，采用的保护气体为气流量为23L/min的99.9％纯氮气，以降低焊缝的气孔大小和比例。
10.根据权利要求1所述的一种超声波焊接后的铝箔极耳与极柱激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤4中，质检包括拉力与金相测试。
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