CN116060765A - 激光焊接方法、焊接系统、控制装置、程序产品和电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应件上的方法,其中,所述方法至少包括以下步骤:焊接步骤,在所述焊接步骤中,通过激光束将所述多层铝箔和沿所述多层铝箔的层叠方向处于所述多层铝箔下的对应件焊接而形成焊缝,其中,所述焊缝的沿所述焊缝形成时的进给方向的长度小于所述焊缝的横向于所述进给方向的宽度。本发明还涉及激光焊接系统、控制装置、计算机程序产品以及电池。本发明的优点在于:通过将焊接进给方向由传统焊缝的纵长方向改为窄短方向的特殊焊接轨迹,可以很方便的通过设置激光起光和收光处的能量缓升缓降来控制焊缝和箔材连接处的能量,从而降低熔合线上的裂纹。

Description

激光焊接方法、焊接系统、控制装置、程序产品和电池
技术领域
本发明涉及一种用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应件上的方法、一种激光焊接系统、一种用于激光焊接系统的控制装置、一种计算机程序产品和一种电池。本发明尤其涉及锂离子电池以及激光焊接领域。
背景技术
由于锂离子电池相较于其他电池在各个方面的优异性,锂离子电池在各个领域的应用越来越广。
在锂离子电池中,正极包括由钴酸锂(或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)及铝箔组成的电流收集极,而负极包括由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极。铝箔也用作正极的集流体。在此使用多层铝箔,以通过更多的层数获得更大的铝箔表面并从而在铝箔表面涂敷更多活性物质。为了制成电池,需要将多层铝箔与极柱有效连接。由于铝箔很薄,所以通常偏向于采用超声波焊接。但极柱的形状通常是不规则的,所以通常的做法是在铝箔和极柱之间增加一个转接片,其中,首先将多层铝箔和转接片通过超声波焊接连接,然后将不易形成焊接裂纹的转接片与极柱通过激光焊接连接。
但为了电芯的轻量化和超充,目前的需求是省去转接片,由此需要直接将多层铝箔与极柱焊接。但薄的铝箔在焊接过程中非常容易产生裂纹,尤其是在熔融区域的界面边缘处。这主要是因为:铝箔表面往往覆盖着Al2O3氧化层,该氧化层熔点和硬度都要远远高于母材纯铝,使得焊接过程中有部分氧化层来不及完全熔化并聚集在焊缝边缘,使得焊缝边缘硬度明显增加,从而容易开裂;铝箔厚度很薄,熔池热影响区附近的铝箔在高温作用下容易产生巨大变形,该过程产生的拉应力也会增加熔池开裂风险;焊接过程中激光能量输入带来的冷热不均和材料变形也会增加开裂风险。
此外,由于焊缝沿进给方向是长条形的,所以焊缝的熔池在垂直于进给方向的截面中为U形,也即熔池的边沿轮廓很陡峭,由此熔池边缘的铝箔变形严重,所产生的拉应力使得熔池熔合线极易产生连续裂纹。另一方面,焊缝沿着进给方向的长度较长,由此焊接热输入沿着激光束的进给方向不断累积,使得焊缝后段的变形越来越大,从而后段熔池开裂更加明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应件上的方法,使得能在焊接多层铝箔的情况下减少裂纹并提供高强度的优质焊缝。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应件上的方法,其中,所述方法至少包括以下步骤:
焊接步骤,在所述焊接步骤中,通过激光束将所述多层铝箔和沿所述多层铝箔的层叠方向处于所述多层铝箔下的对应件焊接而形成焊缝,其中,所述焊缝的沿所述焊缝形成时的进给方向的长度小于所述焊缝的横向于所述进给方向的宽度。在此,“对应件”尤其应理解为电池的要与多层铝箔焊接的任意构件。“层叠方向”尤其是理解为垂直于多层铝箔的伸展平面的方向,多层铝箔沿所述方向层叠。“沿所述多层铝箔的层叠方向处于所述多层铝箔下的对应件”尤其是理解为:对应件处于多层铝箔的最下层铝箔之下。“焊缝”尤其应理解为待焊接对象的由于焊接而发生固态-液态以及液态-固态转换的整个区域,而不是指激光束在多层铝箔上走过的轨迹。“所述焊缝形成时的进给方向”尤其应理解为在形成焊缝时激光束相对于待焊接对象、尤其是多层铝箔和对应件的进给方向。激光束相对于待焊接对象的进给有可能在待焊接对象固定不动的情况下仅由激光束沿进给方向的移动完成,也有可能由待焊接对象和激光束的组合进给运动完成,还有可能在激光束不动的情况下仅由待焊接对象沿进给方向的移动完成。“进给”尤其是理解为与激光束的振荡无关。
根据本发明的一个可选实施例,所述焊缝沿所述焊缝的宽度方向看是长条形的。“长条形”例如理解为长宽比为4:1以上的形状。
根据本发明的一个可选实施例,以所述激光束相对于所述多层铝箔的表面走过锯齿形的轨迹,用于形成所述焊缝。
根据本发明的一个可选实施例,以沿所述进给方向的扫描和所述激光束的横向于所述进给方向的振荡的组合来形成所述焊缝。所述振荡尤其是垂直于所述进给方向。
根据本发明的一个可选实施例,所述电池是锂离子电池。
根据本发明的一个可选实施例,所述对应件是所述电池的正极极柱。
根据本发明的一个可选实施例,所述焊缝的所述长度为2毫米至6毫米。
根据本发明的一个可选实施例,所述焊缝的所述宽度为20毫米至60毫米。
根据本发明的一个可选实施例,所述激光束的焦斑在所述多层铝箔上的平均移动速度为2米/秒以上。
根据本发明的一个可选实施例,就所述焊缝的长度方向而言,所述激光束的功率在所述焊缝的两端比在所述焊缝的中间低。在此,“两端”例如理解为:从所述焊缝的所述长度的最外端点出发,各占所述焊缝的所述长度的例如1/3或1/4的区域。
根据本发明的一个可选实施例,所述激光束的功率在所述焊缝的所述两端分别朝所述两端的端点线性下降。
根据本发明的一个可选实施例,所述焊接步骤以激光高频振荡连续扫描方式进行。
根据本发明的一个可选实施例,所述焊接步骤借助扫描振镜执行。
根据本发明的第二方面,提供了一种激光焊接系统,至少包括:用于产生激光束的激光装置;至少用于控制所述激光装置的控制装置;其中,所述激光焊接系统被配置成适于执行前述方法。
根据本发明的第三方面,提供了一种用于激光焊接系统的控制装置,其中,所述控制装置被配置成适于执行前述方法。
根据本发明的第四方面,提供了一种计算机程序产品,其中,所述计算机程序产品包括计算机程序指令,所述计算机程序指令在被处理器执行时实施前述方法。
根据本发明的第五方面,提供了一种电池,其中,所述电池的集流体的多层铝箔以前述方法焊接。
本发明的积极效果在于:通过采用激光束焊接进给方向由传统焊缝的纵长方向改为窄短方向的特殊焊接轨迹,可以很方便的通过设置激光起光和收光处的能量缓升缓降来控制焊缝和箔材连接处的能量,从而降低熔合线上的裂纹。该焊接轨迹最终可以将熔池形状从“U形”优化成“V形”,释放了焊缝热影响区的应力,同时由于熔池上部开口变大,易于气体逸出,降低气孔率。
附图说明
下面,通过参看附图更详细地描述本发明,可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括:
图1以示意性的局部剖视图示出了电池的一个示例。
图2示意性示出了激光焊接系统的一个示例。
图3示意性示出了焊缝的整体形状。
图4以对多层铝箔的俯视视角示意性示出了按传统方法的激光束轨迹。
图5以对多层铝箔的俯视视角示意性示出了按本发明的方法的激光束轨迹的一个示例。
图6示意性示出了按图5所示的轨迹形成的焊缝的熔池在截面中的形状。
图7示意性示出了激光束轨迹和焊缝形状的另一个示例。
图8示意性示出了激光束轨迹的又一个示例。
图9示意性示出了激光束的功率分布与激光束的轨迹的对应关系的一个示例。
图10以放大图示出了图9的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白,以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,而不是用于限定本发明的保护范围。
图1以示意性的局部剖视图示出了电池的一个示例。所述电池在此示例性地是锂离子电池。但显然本发明的思想也可应用于其他类型的电池、例如钠离子电池,而不是仅局限于锂离子电池。此外,本发明的思想不局限于方壳电池,同样适用于软包电池、圆柱电池或者其他结构的电池的类似焊缝形式。所述锂离子电池的电芯例如由铝箔-隔膜-铜箔的多重层叠结构形成,在这些层叠结构之间夹杂有为制造电池所需的其他物质,这些对于本领域技术人员充分已知,对此不详细赘述。这些铝箔层例如在所述电芯的一端突出,并且通过超声波预焊接形成正极集流体。所述正极集流体例如包括20至130层不等的多层铝箔10。所述电池的正极例如还包括正极极柱和正极极耳等。正极集流体一般需要与正极极柱连接,在某些情况下也可能需要与正极极耳或电池的其他构件连接。这样的连接通常通过焊接来完成,其中,例如需要通过激光束430将所述多层铝箔10和沿所述多层铝箔10的层叠方向处于所述多层铝箔10下的对应件20、例如正极极柱焊接而形成焊缝30。
图2以示意图示出了激光焊接系统40的一个示例。所述激光焊接系统40例如用于焊接图1所示的电池的正极集流体的多层铝箔10。所述激光焊接系统40例如包括:用于产生激光束430的激光装置410;至少用于控制所述激光装置410的控制装置420。所述激光焊接系统40还可以包括用于承放待焊接对象(即多层铝箔10和对应件20)的承放台(在图2中以一平面示意性示出)和/或用于夹持待焊接对象的夹具等。所述承放台和/或所述夹具可以是固定的也可以是能移动的。控制装置420必要时也能够控制承放台和/或夹具的移动。所述激光装置410例如可以包括扫描振镜、尤其是可以包括PFO(Programming FocusOptical,可编程聚焦光学系统)。
在焊接图1所示的电池的集流体的多层铝箔10时,通常采用如图3所示的焊缝30(此处的长宽比例仅是为了清楚,实际中宽度可能比长度小的多)。为了形成这样的焊缝30,一般使激光束430相对于多层铝箔10走过如图4所示的呈直线的轨迹340,图3和4例如是对多层铝箔10的俯视。在图4中,焊缝30形成时的进给方向310例如是按箭头所示的从左到右的方向。由于焊缝30的横向于进给方向310的宽度很窄,所以所形成的熔池在截面中大致呈U形,例如如图1所示。熔池的截面在此是指垂直于焊缝30的进给方向310的截面,在图4中以点画线示意性示出了截面。由于常见的铝箔厚度在8至13微米之间,所以很容易在焊缝30的就宽度方向而言的两端出现裂纹。
图5示意性示出了在本发明的用于将电池的集流体的多层铝箔10焊接在对应件20上的方法中激光束430在多层铝箔10的表面上走过的轨迹340的一个示例。显然,图5例如同样是对多层铝箔10的俯视。在图5中,焊缝30形成时的进给方向310例如是按箭头所示的从下到上的方向,而焊缝30的宽度方向以及激光束430的振荡方向是左右方向。在此可看到,所述焊缝30的沿所述焊缝30形成时的进给方向310的长度320小于所述焊缝30的横向于所述进给方向310的宽度330。所述长度320可以比传统焊缝、例如图4的焊缝的沿上下方向的宽度大,例如大致为其2倍。
在此例如以图2的控制装置420来实施本发明的方法,在所述控制装置420中例如存在相应的计算机程序产品,所述计算机程序产品包括计算机程序指令,所述计算机程序指令在被处理器执行时会控制图2的激光焊接系统40实施所述方法。
图6示意性示出了按图5所示的轨迹340形成的焊缝30的熔池在截面中的形状。该截面在图5中同样以点划线示意性示出。熔池在截面中大致呈V形并且V形的两边之间围成钝角角度。由此在焊缝30的就长度方向而言的两端有充足的区域来进行激光束430的功率调制,以减少两端的裂纹。同时,在熔池上部的开口变大,易于气体逸出,并且由于焊缝30的长度320很短,所以焊缝30沿长度方向的热输入差异很小,由此进一步减少裂纹。
根据本发明的一个示例性实施例,所述焊缝30沿所述焊缝30的宽度方向看是长条形的。长条形可以是长方形(如图5所示)、长椭圆、长菱形(如图7所示)等。在此也可以设想可能的任意其他形状。
根据本发明的一个示例性实施例,如图5所示,以所述激光束430相对于所述多层铝箔10的表面走过锯齿形的轨迹340,用于形成所述焊缝30。但也可设想类似于螺旋线形的轨迹340(如图8所示)或适宜的其他轨迹。
根据本发明的一个示例性实施例,以沿所述进给方向310的扫描和所述激光束430的横向于所述进给方向310的振荡的组合来形成所述焊缝30。在此,沿所述进给方向310的扫描以及激光束430的振荡例如仅通过移动激光束430来进行。但也可设想,所述激光束430相对于多层铝箔10的扫描和振荡由激光束430和待焊接对象的组合运动完成。待焊接对象的运动例如通过工作台和/或夹具的运动实现。例如,沿所述进给方向310的扫描可以完全由待焊接对象的运动实现。
根据本发明的一个示例性实施例,所述焊接步骤以激光高频振荡连续扫描方式进行。在此,激光束430针对所述振荡的速度分量显著地高于针对所述扫描的速度分量。
根据本发明的一个示例性实施例,所述焊接步骤借助扫描振镜执行。由此所述扫描和所述振荡仅通过由扫描振镜移动激光束430来实现。
根据本发明的一个示例性实施例,所述焊缝30的所述长度320为2毫米至6毫米;和/或,所述焊缝30的所述宽度330为20毫米至60毫米。但是显然,根据电池的实际要求和可用于焊接的空间的实际情况,所述焊缝30的所述长度320和所述焊缝30的所述宽度330能够选择其他的适宜的数值。
根据本发明的一个示例性实施例,所述激光束430的焦斑在所述多层铝箔10上的平均移动速度为2米/秒以上。由此线能量热输入以及整体热输入得到明显降低,从而有效减少了裂纹。但也可设想其他的平均移动速度,例如0.5米/秒至1米/秒。
图9示意性示出了激光束的功率分布与激光束430的轨迹340的对应关系的一个示例,其中,在图10中以放大图示出图9的曲线图。纵坐标代表激光功率。根据本发明的一个示例性实施例,就所述焊缝30的长度方向而言,所述激光束430的功率在所述焊缝30的两端(即0至L1和L2至L3的区域)比在所述焊缝30的中间(即L1至L2的区域)低。
根据本发明的一个示例性实施例,所述激光束430的功率在所述焊缝30的所述两端分别朝所述两端的端点线性下降。在此可设想,在激光束430的起光处(如0至L1)功率的斜率较缓,而在激光束430的收光处(如L2至L3)功率的斜率较陡。但在此也不应局限于线形下降,而是也可以根据实际需要而采用其他形式的下降。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式,但它们仅仅是为了解释的目的而给出的,而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下,各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (10)

1.一种用于将电池的集流体的多层铝箔(10)焊接在对应件(20)上的方法,其中,所述方法至少包括以下步骤:
焊接步骤,在所述焊接步骤中,通过激光束(430)将所述多层铝箔(10)和沿所述多层铝箔(10)的层叠方向处于所述多层铝箔(10)下的对应件(20)焊接而形成焊缝(30),其中,所述焊缝(30)的沿所述焊缝(30)形成时的进给方向(310)的长度(320)小于所述焊缝(30)的横向于所述进给方向(310)的宽度(330)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,
所述焊缝(30)沿所述焊缝(30)的宽度方向看是长条形的;和/或
以所述激光束(430)相对于所述多层铝箔(10)的表面走过锯齿形的轨迹(340),用于形成所述焊缝(30);和/或
以沿所述进给方向(310)的扫描和所述激光束(430)的横向于所述进给方向(310)的振荡的组合来形成所述焊缝(30)。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,
所述电池是锂离子电池;和/或
所述对应件(20)是所述电池的正极极柱。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其中,
所述焊缝(30)的所述长度(320)为2毫米至6毫米;和/或
所述焊缝(30)的所述宽度(330)为20毫米至60毫米;和/或
所述激光束(430)的焦斑在所述多层铝箔(10)上的平均移动速度为2米/秒以上。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其中,
就所述焊缝(30)的长度方向而言,所述激光束(430)的功率在所述焊缝(30)的两端比在所述焊缝(30)的中间低;
所述激光束(430)的功率在所述焊缝(30)的所述两端分别朝所述两端的端点线性下降。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其中,
所述焊接步骤以激光高频振荡连续扫描方式进行;和/或
所述焊接步骤借助扫描振镜执行。
7.一种激光焊接系统(40),至少包括:
用于产生激光束(430)的激光装置(410);
至少用于控制所述激光装置(410)的控制装置(420);
其中,所述激光焊接系统(40)被配置成适于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.一种用于激光焊接系统(40)的控制装置(420),其中,
所述控制装置(420)被配置成适于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.一种计算机程序产品,其中,
所述计算机程序产品包括计算机程序指令,所述计算机程序指令在被处理器执行时实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
10.一种电池,其中,所述电池的集流体的多层铝箔(10)以根据权利要求1至6中任一项所述的方法焊接。
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