CN116135398A - 改善方法、焊接方法、加工系统、控制装置、程序产品 - Google Patents

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CN116135398A CN202111355727.8A CN202111355727A CN116135398A CN 116135398 A CN116135398 A CN 116135398A CN 202111355727 A CN202111355727 A CN 202111355727A CN 116135398 A CN116135398 A CN 116135398A
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Abstract

本发明涉及一种用于对焊缝进行改善的改善方法，所述焊缝是电池的集流体的多层铝箔与所述电池的对应件焊接所形成的焊缝，其中，所述改善方法至少包括重熔步骤，在所述重熔步骤中，利用激光束以比焊接所述焊缝的热输入小的热输入将所述焊缝在所述多层铝箔的表面上的焊缝边缘重新熔化至少一次。本发明还涉及相应的焊接方法、激光加工系统、控制装置以及计算机程序产品。本发明的优点在于：通过以小功率对初始焊缝的熔合线进行重熔，可以降低新生成的焊缝的熔合线区域在凝固过程中的内应力，从而减少熔合线区域的裂纹；通过重复重熔，可以基于不断减小的焊接能量使裂纹的长度减小且不连续。

Description

改善方法、焊接方法、加工系统、控制装置、程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于对焊缝进行改善的改善方法、一种用于将电池的集流体的多层铝箔与所述电池的对应件焊接的焊接方法、一种激光加工系统、一种用于激光加工系统的控制装置、一种计算机程序产品。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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于对焊缝进行改善的改善方法，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，提供了一种用于对焊缝进行改善的改善方法，所述焊缝是电池的集流体的多层铝箔与所述电池的对应件焊接所形成的焊缝，其中，所述改善方法至少包括重熔步骤，在所述重熔步骤中，利用激光束以比焊接所述焊缝的热输入小的热输入将所述焊缝在所述多层铝箔的表面上的焊缝边缘重新熔化至少一次。
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。“焊缝”尤其应理解为通过激光束将多层铝箔与对应件焊接所形成的任意形式的焊缝、尤其是以传统方式形成的初始焊缝。可设想，所述焊缝是通过激光束在多层铝箔上的直线轨迹或锯齿形轨迹或其他轨迹等形成的焊缝。“所述焊缝在所述多层铝箔的表面上的焊缝边缘”尤其理解为：在所述多层铝箔的表面上焊缝的轮廓线或者说焊缝与铝箔母材的分界线或者说焊缝的焊趾，所述焊缝边缘尤其是限界了焊缝的宽度。“焊缝的宽度”尤其理解为焊缝的横向于激光束的进给方向的宽度。在每次重新熔化之后，尤其是在多层铝箔的表面上产生了焊缝的新的焊缝边缘。在此，“焊缝边缘”尤其始终是指处于焊缝与铝箔母材的分界处的两条线，而不表示在焊缝之内由于重新熔化而产生的线。“将所述焊缝在所述多层铝箔的表面上的焊缝边缘重新熔化”尤其是涵盖了：将焊缝的两条焊缝边缘的至少一部分重新熔化、尤其是将两条焊缝边缘全部重新熔化。应理解的是，在将焊缝边缘重新熔化时，激光束产生的熔池例如比所述焊缝边缘宽，由此焊缝边缘附近的区域也同时被熔化。此外应理解的是，在重新熔化之后还会发生熔化区域的凝固并由此形成新的焊缝边缘。
根据本发明的一个可选实施例，在所述重熔步骤中，利用激光束将所述焊缝在所述多层铝箔的表面上的焊缝边缘重新熔化多次，其中，在第一次重新熔化时所用的热输入比焊接所述焊缝的热输入小，而在第一次重新熔化之后的各次重新熔化所用的热输入与前次重新熔化相比减小，并且在每次重新熔化中是将前次重新熔化所形成的焊缝边缘重新熔化。“多次”尤其是理解为两次以上。每一次重新熔化尤其是均涉及焊缝在多层铝箔的表面上的两条焊缝边缘。
根据本发明的一个可选实施例，在所述重熔步骤中，使所述激光束相对于所述多层铝箔沿着焊缝边缘移动或在焊缝边缘附近平行于焊缝边缘移动。显然，并不强制激光束的焦斑必须沿着焊缝边缘，而是焊缝边缘处于激光束的熔池之内就已足够。
根据本发明的一个可选实施例，通过与焊接所述焊缝相比减小所述激光束的激光功率和/或通过与焊接所述焊缝相比加快所述激光束相对于所述多层铝箔的移动速度来实现在所述重熔步骤中的热输入的减小。
根据本发明的一个可选实施例，每次重新熔化所形成的焊缝边缘相对于前次重新熔化所形成的焊缝边缘沿背离所述焊缝的方向偏移。
根据本发明的一个可选实施例，各次重新熔化所形成的焊缝边缘的长度彼此相等。在此，“相等”尤其应理解为涵盖绝对相等和大致相等，“大致相等”尤其是理解为偏差在±10％以内、尤其是±5％以内。
根据本发明的一个可选实施例，各次重新熔化时的熔池深度递次减小并且小于所述多层铝箔的厚度。
根据本发明的一个可选实施例，重新熔化的次数选择成使得所述焊缝在裂纹方面满足要求。
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。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于将电池的集流体的多层铝箔与所述电池的对应件焊接的焊接方法，其中，所述焊接方法包括：初始焊接步骤，在所述初始焊接步骤中，通过激光束将所述多层铝箔与所述对应件焊接而形成焊缝；改善步骤，在所述改善步骤中，针对所述焊缝执行前述用于对焊缝进行改善的改善方法。
根据本发明的一个可选实施例，在所述初始焊接步骤中，以所述激光束在所述多层铝箔的表面上的呈直线或曲线的轨迹形成所述焊缝。
根据本发明的一个可选实施例，以扫描振镜或固定式焊接头执行所述焊接方法。固定式焊接头尤其是指激光束并不相对于焊接头移动的焊接头。
根据本发明的一个可选实施例，在所述焊接方法之前，所述多层铝箔已经以超声波预焊接在一起。
根据本发明的第三方面，提供了一种激光加工系统，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，所述激光加工系统被配置成适于执行前述改善方法或前述焊接方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于激光加工系统的控制装置，其中，所述控制装置被配置成适于执行前述改善方法或前述焊接方法。
根据本发明的第五方面，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改善方法或前述焊接方法。
本发明的积极效果在于：通过以小功率对初始焊缝的熔合线进行重新熔化，可以降低新生成的焊缝的熔合线区域在凝固过程中的内应力，从而减少熔合线区域的裂纹；通过重复进行重熔，可以基于不断减小的焊接能量使裂纹的长度减小且不连续。
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以立体图示意性示出了激光加工系统的一个示例。
图3以示意性俯视图示出了焊缝的一个示例和焊缝上易于产生裂纹的区域。
图4以示意图示出了图3中的焊缝的熔池的截面。
图5以示意性俯视图示出了焊缝和按本发明对焊缝进行改善的一个示例。
图6以示意图示出了图5中的焊缝的熔池的截面。
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。
首先要指出的是，为了附图清楚简要，针对焊缝的焊缝边缘、裂纹、重新熔化所形成的焊缝边缘等特征，仅只对其中一个进行了标注。
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和处于所述多层铝箔10的最下层铝箔之下的对应件20、例如正极极柱焊接以形成焊缝30。
图2以示意图示出了激光加工系统40的一个示例。所述激光加工系统40例如用于焊接图1的焊缝和/或对图1的焊缝进行改善。所述激光加工系统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。所述激光加工系统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或固定式焊接头。
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。在此以示意性俯视图示出了焊缝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。焊缝30的长度例如为20毫米至60毫米，宽度例如为2毫米至6毫米。焊缝30在此例如是长条形的。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走过呈直线的轨迹。但在此也可设想，根据可焊区域的形状和大小而定，采用其他轨迹，例如激光束430可除了沿进给方向的直线进给运动外还执行横向于进给方向的窄幅振荡运动。在图3中以箭头和符号V标明了激光束430的进给方向。在图3中还以斜阴影线标出了焊缝30上易于产生裂纹的区域340、也即初始的焊缝边缘300附近的区域。焊缝30具有两条初始的焊缝边缘300，但为了附图清楚简要，仅对其中一条进行了标注。在图4中以示意图示出了图3中的焊缝30的熔池的截面，在此同样以斜阴影线标出了易于产生裂纹的区域340。在图3中以点画线示意性示出了图4的截面。
图5以示意性俯视图示出了焊缝30和按本发明对焊缝30进行改善的一个示例。在此例如由图2的激光加工系统40执行用于对焊缝30进行改善的改善方法。用于对焊缝30进行改善的改善方法至少包括重熔步骤。在所述重熔步骤中，利用激光束430以比焊接所述焊缝30的热输入小的热输入将所述焊缝30在所述多层铝箔10的表面上的焊缝边缘重新熔化至少一次。焊缝30可以也由进行改善的激光加工系统40完成。在这种情况下，则激光加工系统40执行用于将电池的集流体的多层铝箔10与所述电池的对应件20焊接的焊接方法。所述焊接方法包括初始焊接步骤和改善步骤。首先在初始焊接步骤中，通过激光束430将多层铝箔10与对应件20焊接而形成焊缝30。图5中的初始的焊缝30尤其可以参见对图3和4的焊缝30的描述。然后在改善步骤中，执行前述的用于对焊缝30进行改善的改善方法。在此例如以扫描振镜或固定式焊接头执行所述焊接方法。但初始焊接步骤和改善步骤也可以是由不同的激光加工系统40完成的。在这种情况下，这两个激光加工系统40可能处于不同的工厂。
在此例如以图2的控制装置420来实施本发明的改善方法或焊接方法，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的激光加工系统40实施所述改善方法或焊接方法。
根据本发明的一个可选实施例，通过与焊接所述焊缝30相比减小所述激光束430的激光功率和/或通过与焊接所述焊缝30相比加快所述激光束430相对于所述多层铝箔10的移动速度来实现在所述重熔步骤中的热输入的减小。
根据本发明的一个示例性实施例，重新熔化所用的激光功率处于焊接所用的激光功率的5％至50％之间。与焊接时相比，在重新熔化时，激光束430除功率之外的其他参数、例如焦斑直径、进给速度等可以不变，但也可以发生改变。此外，在各次重新熔化中，也可以使激光束430的参数变化。例如焊缝30沿长度方向的后段由于热累积效应而可能具有更多裂纹，因此在各次重新熔化中，对焊缝边缘的后段可以采用与前段不同的激光束参数。
根据本发明的一个示例性实施例，在所述重熔步骤中，利用激光束430将所述焊缝30在所述多层铝箔10的表面上的焊缝边缘重新熔化多次，其中，在第一次重新熔化时所用的热输入比焊接所述焊缝30的热输入小，而在第一次重新熔化之后的各次重新熔化所用的热输入与前次重新熔化相比减小，并且在每次重新熔化中是将前次重新熔化所形成的焊缝边缘重新熔化。每次重新熔化尤其是至少等前次重新熔化的熔池凝固之后才进行。在图5中示出了将焊缝边缘重新熔化两次。在此以粗的黑实线表示初始的焊缝30，以稍细的虚线表示第一次重新熔化，以更细的虚线表示第二次重新熔化。在此标出了初始的焊缝边缘300、第一次重新熔化所形成的焊缝边缘311和第二次重新熔化所形成的焊缝边缘322。在图6中以示意图示出了图5的焊缝30的熔池的截面，该截面在图5中以点划线示意性示出。在此标出了初始的焊缝30、第一次重新熔化的熔池310和第二次重新熔化的熔池320。应理解的是，它们之间具有相互重叠。
根据本发明的一个示例性实施例，在所述重熔步骤中，使所述激光束430相对于所述多层铝箔10沿着焊缝边缘移动或在焊缝边缘附近平行于焊缝边缘移动。但也可设想重新熔化中激光束430在多层铝箔10的表面上的其他轨迹，例如附加于进给运动地还具有横向振荡运动，等等。
根据本发明的一个示例性实施例，每次重新熔化所形成的焊缝边缘相对于前次重新熔化所形成的焊缝边缘沿背离所述焊缝30的方向偏移。如图5所示，第二次重新熔化所形成的焊缝边缘322相对于第一次重新熔化所形成的焊缝边缘311沿背离所述焊缝30的方向偏移。这也可以看作是焊缝30的不断加宽。但也可设想，重新熔化所形成的焊缝边缘与焊缝30的初始的焊缝边缘300一致，即焊缝30的宽度不变。
根据本发明的一个示例性实施例，各次重新熔化所形成的焊缝边缘的长度彼此相等。但也可设想，每次重新熔化所形成的焊缝边缘与前次相比稍微缩短(参见图5)或稍微变长，等等。
根据本发明的一个示例性实施例，如图6所示，各次重新熔化时的熔池深度递次减小并且小于所述多层铝箔10的厚度。
根据本发明的一个示例性实施例，重新熔化的次数选择成使得所述焊缝30在裂纹方面满足要求。
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)

1.一种用于对焊缝(30)进行改善的改善方法，所述焊缝(30)是电池的集流体的多层铝箔(10)与所述电池的对应件(20)焊接所形成的焊缝(30)，其中，所述改善方法至少包括以下步骤：
重熔步骤，在所述重熔步骤中，利用激光束(430)以比焊接所述焊缝(30)的热输入小的热输入将所述焊缝(30)在所述多层铝箔(10)的表面上的焊缝边缘重新熔化至少一次。
2.根据权利要求1所述的改善方法，其中，
在所述重熔步骤中，利用激光束(430)将所述焊缝(30)在所述多层铝箔(10)的表面上的焊缝边缘重新熔化多次，其中，在第一次重新熔化时所用的热输入比焊接所述焊缝(30)的热输入小，而在第一次重新熔化之后的各次重新熔化所用的热输入与前次重新熔化相比减小，并且在每次重新熔化中是将前次重新熔化所形成的焊缝边缘重新熔化；和/或
在所述重熔步骤中，使所述激光束(430)相对于所述多层铝箔(10)沿着焊缝边缘移动或在焊缝边缘附近平行于焊缝边缘移动；和/或
通过与焊接所述焊缝(30)相比减小所述激光束(430)的激光功率和/或通过与焊接所述焊缝(30)相比加快所述激光束(430)相对于所述多层铝箔(10)的移动速度来实现在所述重熔步骤中的热输入的减小。
3.根据权利要求2所述的改善方法，其中，
每次重新熔化所形成的焊缝边缘相对于前次重新熔化所形成的焊缝边缘沿背离所述焊缝(30)的方向偏移；和/或
各次重新熔化所形成的焊缝边缘的长度彼此相等；和/或
各次重新熔化时的熔池深度递次减小并且小于所述多层铝箔(10)的厚度；和/或
重新熔化的次数选择成使得所述焊缝(30)在裂纹方面满足要求。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的改善方法，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。
5.一种用于将电池的集流体的多层铝箔(10)与所述电池的对应件(20)焊接的焊接方法，其中，所述焊接方法包括以下步骤：
初始焊接步骤，在所述初始焊接步骤中，通过激光束(430)将所述多层铝箔(10)与所述对应件(20)焊接而形成焊缝(30)；
改善步骤，在所述改善步骤中，针对所述焊缝(30)执行根据权利要求1至4中任一项所述的用于对焊缝(30)进行改善的改善方法。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其中，
在所述初始焊接步骤中，以所述激光束(430)在所述多层铝箔(10)的表面上的呈直线或曲线的轨迹形成所述焊缝(30)。
7.根据权利要求5或6所述的焊接方法，其中，
以扫描振镜或固定式焊接头执行所述焊接方法；和/或
在所述焊接方法之前，所述多层铝箔(10)已经以超声波预焊接在一起。
8.一种激光加工系统(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，所述激光加工系统(40)被配置成适于执行根据权利要求1至4中任一项所述的改善方法或根据权利要求5至7中任一项所述的焊接方法。
9.一种用于激光加工系统(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4中任一项所述的改善方法或根据权利要求5至7中任一项所述的焊接方法。
10.一种计算机程序产品，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4中任一项所述的改善方法或根据权利要求5至7中任一项所述的焊接方法。
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