CN116393821A - 一种极柱焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种极柱焊接装置，包括运动控制平台及系统、激光焊接头、工装夹具、激光器工装夹具用于固定并定位所要焊接的电池极柱与电池顶盖，工装夹具包括底座和盖板，底座包括定位孔，用于定位电池顶盖和极柱，盖板包含通孔，激光穿过盖板上的通孔，照射到待焊区域表面，激光器为中心+环形复合光斑激光器。

Description

一种极柱焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及极柱焊接装置及焊接方法，尤其的涉及如何利用点+环复合光斑实现极柱焊接良好熔深和熔宽的焊接工艺，以保证更好的焊缝成形、焊接质量及连接强度。

背景技术

随着新能源汽车的发展，锂电池应用也越来越广，锂电池在新能源汽车整车成本中占比30％-40％，是新能源汽车成本占比最大的部分，对新能源汽车的续航里程、整车寿命、安全性等关键指标均有非常重要影响，因此，提升动力电池性能是提升新能源汽车整体性能的关键。

激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。在锂电池整个产业链中，激光焊接主要应用在动力锂电池中游生产。作为一种高精密的焊接方式，极为灵活、精确和高效，能够满足电池生产过程中的性能要求，是锂电池制造过程中的首选，目前已经成为锂电生产线的标配设备。

电池的极柱即电池的正负极。目前锂电池的极柱焊接采用的方法是使用常规光纤激光器进行焊接，焊接时会存在以下几点问题：激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10⁴～10⁵W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10⁵～10⁷W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。使用常规激光器进行焊接，激光束将材料加热至汽化，逸出的金属蒸汽使熔池开始运动并使其加速，如果加速度过高，飞溅物会从后壁孔眼中脱落，形成我们肉眼可见的大量飞溅，使得焊缝表面质量下降，更会影响锂电池的安全性。

极柱通常含有绝缘塑胶，对工艺要求较高：能量输入过小，会导致焊缝极柱与顶盖的焊缝结合强度低，无法保证焊接质量；能量输入过大，容易烧损绝缘塑胶，对极柱造成破坏。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种极柱焊接装置及焊接方法，克服了现有技术的不足，设计合理。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种极柱焊接装置，包括运动控制平台及系统、激光焊接头、工装夹具、激光器工装夹具用于固定并定位所要焊接的电池极柱与电池顶盖，工装夹具包括底座和盖板，底座包括定位孔，用于定位电池顶盖和极柱，盖板包含通孔，激光穿过盖板上的通孔，照射到待焊区域表面，激光器为中心+环形复合光斑激光器。

一种极柱焊接方法，使用前述的激光焊接装置，包括如下步骤：

(1)通过工装夹具将极柱与顶盖固定装夹，并将其移动至预先设定位置；

(2)将激光焊接头定位到待焊接区域；

(3)确定焊接工艺参数，焊接预设轨迹。

优选地，极柱包括上层具有Hu高度的铝合金部分和下层具有Hd高度的塑胶部分，焊接的熔深Hg的范围为Hu/3≤Hg≤7Hu/9。

优选地，激光的中心点激光功率范围800-1200(W)、外侧环形激光功率范围800-1200(W)、焊接的离焦量Fc的取值为1mm-3mm、焊接速度60-100(mm/s)。

优选地，焊接的熔宽Wg与熔深Hg的比值范围为：1.25≤Wg/Hg≤2。

优选地，焊接的离焦量Fc的取值范围为：1.5mm≤Fc≤2.25mm。

优选地，外侧环形激光功率Ph和中心点激光功率Pc的比值的取值范围为：0.8≤Ph/Pc≤1.2。

优选地，当速度为60-80mm/s时，激光中心点的激光功率为800-1000(W)，外侧环形激光的功率为800-1000(W)；当速度为80-100mm/s，激光中心点的激光功率为1000-1200(W)，外侧环形激光的功率为1000-1200(W)，焊接之后有效熔深：600～1400μm；有效熔宽：1200～1800μm。

优选地，焊接轨迹采用圆形焊缝。

优选地，激光焊接头为同轴吹气型，运动控制平台为三轴龙门架平台，包含X、Y、Z三轴滑轨，激光焊接头安装于Z轴滑轨上，焊接过程中，X、Y轴协同运动，带动激光焊接头进行所需的轨迹运动，X、Y轴两滑轨或其中一根滑轨位于工件下方，带动激光头和工件联动来实现轨迹运动，盖板的通孔直径大于圆形焊缝的直径，焊接时，将电池极柱和顶盖装配好，通过定位孔，放置于工装夹具底座上，将工装夹具盖板压于顶盖上方，通过气缸压紧，极柱包括上层具有Hu高度的铝合金部分和下层具有Hd高度的塑胶部分，将激光焊接头定位到待焊区域，采用视觉检测系统识别定位极柱与顶盖的接缝。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种极柱焊接装置及焊接方法，通过使用中心+环形的复合光斑激光器，附加环形激光使孔洞开口扩大，金属蒸汽也因此更容易逸出朝向表面加速的金属熔融物因环形光束而偏转至熔池方向，不会产生飞溅物。因此，焊缝表面成形更加平滑美观，焊缝内部缺陷更少，焊缝连接强度和质量更好。

2、通过合理的设定焊接的熔深以不损害塑胶部分并保证强度；通过合理的设定离焦量，以使得激光输出能量的波动对熔深的变化的影响是较小的，操作员可以更容易的通过稳定的激光输出获得想要的熔深；通过合理的设定焊接的熔宽Wg和熔深Hg的比值，使得保证焊接的连接强度的同时避免影响非焊接区域和防止能量浪费。

3、通过合理的设定离焦量，以适当增加光斑直径、分散能量密度，设定1.5mm≤Fc≤2.25mm，以获得的有效的照射范围与连接强度较高的的合理熔宽的范围一致。合理设定环激光功率Ph和中心点激光功率Pc的比值Ph/Pc的取值范围为：0.8≤Ph/Pc≤1.2，以使得有效熔宽落入最优的熔宽范围，获得优良的焊接连接强度；合理的设定中心点激光和外侧环形激光的波长的差值，以提高焊接效率和能量利用率的同时不影响焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的焊接平台示意图；

图2是本发明的激光器连接关系示意图；

图3是本发明的工装夹具示意图；

图4是本发明的激光输入和焊缝示意图；

图5是本发明的极柱示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供了一种极柱焊接装置及焊接方法。

参见图1-2，一种极柱焊接装置，其特征在于，包括：运动控制平台及系统1、激光焊接头2、工装夹具3、激光器4。

所述激光焊接头为同轴吹气型，可以保证在任意焊接轨迹下都能对熔池进行有效保护，保护熔池不被氧化，减少焊缝内部缺陷，增加焊缝质量和连接强度，也使得焊缝成形更好、表面更有光泽。

所述运动控制平台为三轴龙门架平台，包含X、Y、Z三轴滑轨，激光焊接头安装于Z轴滑轨上。焊接过程中，X、Y轴协同运动，带动激光焊接头进行所需的轨迹运动。

可选的，X、Y轴两滑轨或其中一根滑轨可位于工件下方，带动激光头和工件联动来实现所需的轨迹运动。

参见图3-4，所述工装夹具用于固定并定位所要焊接的电池极柱与电池顶盖，保证接头处无明显错边和间隙。其包括：底座31和盖板32。

所述底座31包含定位孔，用于定位电池顶盖5上的极柱6。所述盖板32包含通孔，其直径大于圆形焊缝的直径。

焊接时，将电池极柱6和顶盖5装配好，通过定位孔，放置于工装夹具底座上，将工装夹具盖板压于顶盖上方，通过气缸或者其他机械结构压紧。激光穿过盖板上的通孔，照射到待焊区域表面。

本发明还提供一种极柱激光焊接方法，包括：

(1)通过工装夹具将极柱与顶盖固定装夹，并将其移动至预先设定位置。

(2)将激光焊接头定位到待焊接区域；

优选地，将激光焊接头定位到待焊区域，包括：采用视觉检测系统识别定位极柱与顶盖的接缝。

(3)确定焊接工艺参数，焊接预设轨迹。

由于对于极柱的焊缝S而言，焊接轨迹优选地采用圆形焊缝，优选地为1个圆形或者多个同心圆。一方面可以提高连接强度，另一方面可以增加极柱与顶盖的连接面积，进而增加电流通过面积。由于采用圆形或多个同心圆的预设轨迹，结合顶盖与极柱的圆柱型结构，发明人意识到采用点+环复合光斑可以较好的符合其结构形状和预设轨迹，增加其激光均匀加热的效果，提高其焊接效果，优选地，激光器为中心+环形复合光斑激光器。使用中心+环形的复合光斑相比普通光斑的激光，一方面可以抑制极柱的铝合金焊接过程中的飞溅产生，使得焊缝表面更加平滑美观；另一方面，可以减少极柱焊缝内部气孔和其他缺陷的产生，使得焊缝质量、以及强度更好。

以上是本发明的主要基础，接下来介绍本发明的主要工作：

对于极柱而言熔深是十分重要的，因为极柱通常包括上层具有Hu高度的铝合金部分7和下层具有Hd高度的塑胶部分8，对于极柱的焊接，技术人员期望的是熔深Hg稍小于铝合金的高度Hu(基础要求是Hg<Hu)，当Hg>Hu时，非常容易造成塑胶部分的烧毁，进而导致器件损坏，但Hg同时不能太小，如果太小则无法形成有效的连接。通常调整熔深的手段是通过调整激光功率，激光功率如果过大，会造成熔深较深，极柱接缝下方的塑胶烧损，使得极柱造成破坏；如果激光功率过小，会造成焊缝熔深过浅甚至未能形成有效的连接，使得强度得不到保障，优选地，为了到达良好的连接强度并且不损坏塑胶，我们通过模拟得到，优选地Hu/3≤Hg≤7Hu/9,为了增加连接强度，优选地范围也可以进一步限定在2Hu/3≤Hg≤7Hu/9，由于具有良好连接强度且不损害塑胶的熔深可选的范围很窄，因此，就需要焊接时将熔深控制在一个比较精确的范围，但是由于在激光焦点处能量较为集中，非常容易造成激光能量稍大就击穿塑胶，激光能量稍低就无法形成良好的连接，即激光能量的波动对焊接的熔深影响较大，容易造成焊毁、焊接不良等情况。此时，发明人发现，如果可以适当的调整激光焊接的离焦量，将激光的离焦量控制在一个小的特定区间，那么激光能量波动对熔深的影响将控制在一个较为稳定的范围。

设通常基础的焊接激光总输出功率为2000w，焊接速度为80mm/s，激光输出能量的波动上下限差值为200w，发明人模拟不同的离焦量情况下，离焦量对于熔深波动的影响值。离焦量设为Fc，熔深的波动值为Hgc，关系如下表1。

可知，当离焦量在1mm-3mm时，激光输出能量的波动对熔深的变化的影响是较小的，操作员可以更容易的通过稳定的激光输出获得想要的熔深。虽然在离焦量大于3mm时，熔深的波动也不大，但是，由于此时激光照射在熔接位置的激光过于分散，不利于能量的集中，不能起到良好的加热焊接效果。

同时，对于极柱的激光焊接而言，其激光的能量照射范围也很重要，如果照射的范围过窄，那么极柱将无法获得径向范围的高强度连接，而如果照射范围过宽，则有可能波及非焊接区域，离焊接点位置较远的区域的激光加热不仅没有必要，还可能会损伤其它的部件，并存在能量的浪费，为了获得高强度的连接，发明人通过模拟，计算熔宽对于连接强度的影响。设定熔深在Hg在1000μm时，熔宽Wg与Hg的比值对相对连接强度的影响，以Wg＝Hg时的断裂张力fn为基准，不同熔宽时断裂张力F的表现如下表2。

Wg/Hg	0.25	0.5	0.75	1	1.25	1.5	1.75	2	2.25	2.5	2.75	3
													F(fn)	0.37	0.60	0.81	1	1.17	1.30	1.37	1.49	1.53	1.56	1.58	1.59

基于此，可得当Wg/Hg的比值大于2后，其强度的提升就很缓慢了，如果此时还执着于扩大熔宽，则不仅容易影响其它区域同时焊接精度降低还会造成能量的浪费，因此，优选的Wg/Hg≤2,而在Wg<Hg时，其连接强度较低，同时为了获得一个优良的连接强度，优选地，Wg/Hg≥1.25,即，优选地，1.25≤Wg/Hg≤2。

为了达到上述熔宽，必须要激光的照射范围达到上述的范围，即激光照射范围与熔宽大体匹配，对于点+环复合光斑激光器而言，比如，光纤纤芯直径为50μm、环芯直径为150μm的激光输出，虽然其光斑的径向宽度较宽，但要达到上述的照射范围，依然需要较大的激光模场半径，一般的激光器难以直接满足，发明人意识到可以通过调整离焦量来获得需要的光斑照射范围，适当调整离焦量，以适当增加光斑直径、分散能量密度，为了获得上述的有效的照射范围，设定焊接激光中心点激光的功率为1000w，环形激光功率与中心激光功率大体接近，焊接速度为80mm/s，发明人通过模拟计算离焦量与有效照射范围直径L的关系，得到如下表3。

Fc(mm)	1	1.25	1.5	1.75	2	2.25	2.5	2.75	3
										L(Hg)	0.95	1.21	1.39	1.62	1.85	1.99	2.25	2.44	2.67

基于之前计算得到的优选1.25≤Wg/Hg≤2，基于上表可以得到，优选地离焦量Fc的取值范围优选地为：1.5mm≤Fc≤2.25mm，此时可以获得最优的有效照射范围，不浪费能量并获得较大的熔宽。

发明人意识到，对于有效照射范围内，虽然有效照射直径L范围内的表面都得到了照射，但不同径向位置处不同的光照强度依然会影响有效的熔宽，具体的表现为如果中心处的激光能量较强，而越往外侧，光照的能量越低，则在具体的有效照射范围的靠近外侧附近的位置处得不到有效的焊接，即有效熔宽实际变小了，这会影响焊接的强度，而采用点+环的复合光纤激光可以有效的解决外侧激光能量急剧变小的问题，但由于外侧激光所需照射的范围较宽，而中心激光作为主激光，点+环复合激光中的中心激光功率(即点激光功率)和外侧环激光灯功率的配比也相当重要，当外侧环激光的输出功率较小时则有效的熔宽会变小，若(外侧)环激光的输出能量比例较高，则熔深相对熔宽降低且会影响到非焊接区域且造成不必要的能量浪费。

发明人通过计算环激光功率Ph和中心点激光功率Pc的比值和有效熔池宽度来获得优选地Ph和Pc。设定采用纤芯直径为50μm、环芯直径为150μm，激光中心点功率为1000w，焊接速度为80mm/s时，计算Ph/Pc与有效熔宽与熔深比例Wg/Hg的关系，如下表4。

Ph/Pc	0.6	0.7	0.8	0.9	1	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5
											Wg/Hg	0.88	1.16	1.38	1.56	1.72	1.87	1.98	2.09	2.17	2.23

为了获得良好的连接强度，因此，希望1.25≤Wg/Hg≤2，因此，优选地，环激光功率Ph和中心点激光功率Pc的比值Ph/Pc的优选的取值范围为：0.8≤Ph/Pc≤1.2，以此来获得良好的极柱连接强度。

对于具体的实施方式可以如下：不同型号的电池极柱结构是不同的，优选实施例中选用的极柱，其铝合金部分高度在1.8～2.0mm、塑胶部分高度在3.0～3.2mm。为防止损伤塑胶，焊接熔深应保证小于1.8mm。

优选地，采用的点+环复合光斑激光器的输出光纤纤芯直径为50μm、环芯直径为150μm；可选的，纤芯直径为100μm、环芯直径为300μm。

速度的大小也会影响能量的输入，速度过小则会造成能量输了过大，烧损塑胶；速度过快会导致能量输入过小，无法足够强度的连接。

优选地，激光的中心点激光功率范围800-1200(W)、外侧环形激光功率范围800-1200(W)、离焦量Fc取值范围1mm-3mm、焊接速度60-100(mm/s)。当速度为60-80mm/s时，激光中心点的激光功率为800-1000(W)，外侧环形激光的功率为800-1000(W)；当速度为80-100mm/s，激光中心点的激光功率为1000-1200(W)，外侧环形激光的功率为1000-1200(W)。

优选地，激光的中心点激光功率范围800-1200(W)、外侧环形激光功率范围800-1200(W)、离焦量Fc取值范围1.5mm-2.25mm、焊接速度60-100(mm/s)。当速度为60-80mm/s时，激光中心点的激光功率为800-1000(W)，外侧环形激光的功率为800-1000(W)；当速度为80-100mm/s，激光中心点的激光功率为1000-1200(W)，外侧环形激光的功率为1000-1200(W)。

通过上述的工艺参数的具体设置，根据上述焊接工艺参数进行焊接，焊接之后可以达到有效熔深：600～1400μm；有效熔宽：1200～1800μm。

焊接过程可以保证无飞溅产生，焊缝成形均匀美观，亦可避免烧损塑胶绝缘体，保证了焊接的质量、强度及成形外观。

优选地，由于环形激光的作用是辅助加强外侧的焊接，其激光对应面积较大，且离高速保护气体较近，热量易散失，因此，其对激光的加热效应的需求较强(相较于中心点激光)，基于此，优选地外侧环形激光的中心波长λ2大于中心点激光的中心波长λ1，即λ2>λ1,以提高焊接效率有效熔宽以及能量利用率，同时，发明人意识到，由于中心和环形都是对同种材料的焊接，为了使得焊接过程中材料共振频率接近，避免飞溅过大，优选地，两种激光的中心波长的差值不能太大，经实验测得，当将两种激光的中心波长从相同开始逐步拉开差距时，两种激光的中心波长的差值在10nm以内时其飞溅量没有明显增加，当中心波长的差值从10nm逐步增加到20nm时，其飞溅量仅相对于差值10nm时的飞溅量增加15％左右，而从20nm开始，其飞溅量开始显著增加，当两者的中心波长的差值到达25nm时，其飞溅量相对于差值10nm时的飞溅量增加了约45％，这个趋势会随着两者中心波长的差值的增加继续的延续，基于此，优选地环形激光中心波长与中心点激光的中心波长的差值小于20nm，即λ2-λ1的值小于20nm。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种极柱焊接装置，包括运动控制平台及系统、激光焊接头、工装夹具、激光器，工装夹具用于固定并定位所要焊接的电池极柱与电池顶盖，工装夹具包括底座和盖板，底座包括定位孔，用于定位电池顶盖和极柱，盖板包含通孔，激光穿过盖板上的通孔，照射到待焊区域表面，激光器为中心+环形复合光斑激光器。

2.根据权利要求1的极柱焊接装置，激光焊接头为同轴吹气型，运动控制平台为三轴龙门架平台，包含X、Y、Z三轴滑轨，激光焊接头安装于Z轴滑轨上，焊接过程中，X、Y轴协同运动，带动激光焊接头进行所需的轨迹运动，X、Y轴两滑轨或其中一根滑轨位于工件下方，带动激光头和工件联动来实现轨迹运动，盖板的通孔直径大于圆形焊缝的直径，焊接时，将电池极柱和顶盖装配好，通过定位孔，放置于工装夹具底座上，将工装夹具盖板压于顶盖上方，通过气缸压紧，极柱包括上层具有Hu高度的铝合金部分和下层具有Hd高度的塑胶部分，将激光焊接头定位到待焊区域，采用视觉检测系统识别定位极柱与顶盖的接缝。

3.一种极柱焊接方法，使用权利要求1的极柱焊接装置，包括如下步骤：

(1)通过工装夹具将极柱与顶盖固定装夹，并将其移动至预先设定位置；

(2)将激光焊接头定位到待焊接区域；

(3)确定焊接工艺参数，焊接预设轨迹。

4.根据权利要求3的极柱焊接方法，极柱包括上层具有Hu高度的铝合金部分和下层具有Hd高度的塑胶部分，焊接的熔深Hg的范围为Hu/3≤Hg≤7Hu/9。

5.根据权利要求4的极柱焊接方法，激光的中心点激光功率范围800-1200(W)、外侧环形激光功率范围800-1200(W)、焊接的离焦量Fc的取值为1mm-3mm、焊接速度60-100(mm/s)。

6.根据权利要求5的极柱焊接方法，焊接的熔宽Wg与熔深Hg的比值范围为：1.25≤Wg/Hg≤2。

7.根据权利要求6的极柱焊接方法，焊接的离焦量Fc的取值范围为：1.5mm≤Fc≤2.25mm。

8.根据权利要求7的极柱焊接方法，外侧环形激光功率Ph和中心点激光功率Pc的比值的取值范围为：0.8≤Ph/Pc≤1.2。

9.根据权利要求8的极柱焊接方法，当速度为60-80mm/s时，激光中心点的激光功率为800-1000(W)，外侧环形激光的功率为800-1000(W)；当速度为80-100mm/s，激光中心点的激光功率为1000-1200(W)，外侧环形激光的功率为1000-1200(W)，焊接之后有效熔深：600～1400μm；有效熔宽：1200～1800μm。

10.根据权利要求9的极柱焊接方法，焊接轨迹采用圆形焊缝。

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