CN117754133A - 多层铝箔的激光焊接方法、电池、焊接系统和控制装置 - Google Patents

多层铝箔的激光焊接方法、电池、焊接系统和控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于将电池的集流体的多层铝箔(10)焊接在对应结构(20)上的方法，所述方法至少包括：激光焊接操作，所述激光焊接操作至少包括：通过激光脉冲以点焊方式将所述多层铝箔(10)和在所述多层铝箔(10)的层叠方向上处于所述多层铝箔(10)之下的所述对应结构(20)焊接在一起的点焊操作。此外，还提出了一种相应的电池、一种相应的激光焊接系统(40)、一种相应的用于激光焊接系统(40)的控制装置(430)以及一种相应的计算机程序产品。根据本发明的某些示例性实施例，可以降低裂纹、特别是连贯性裂纹，对多层铝箔的超声波预焊工艺的容忍度高和提高焊接强度等。

Description

多层铝箔的激光焊接方法、电池、焊接系统和控制装置
技术领域
本发明涉及电池领域、尤其是锂离子电池领域，具体地涉及一种用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应结构上的方法、一种相应的激光焊接系统、一种相应的用于激光焊接系统的控制装置以及一种相应的计算机程序产品。
背景技术
近年来，随着电池技术的发展，人们在电池的轻量化和高效能方面提出了越来越高的要求。尤其是由于锂离子电池相较于其它类型的电池在多个方面展现出的优异特性，锂离子电池目前备受关注，在各个领域的应用也越来越广泛。
对于锂离子电池，通常使用多层铝箔或多层铜箔作为集流体。该集流体能够将涂覆在铝箔或铜箔上的活性材料产生的电流汇集起来而形成较大的电流。在此，由集流体形成的电流通过电池的极柱向外输出。为此，在集流体与极柱之间需要形成电连接。具体地讲，在锂离子电池中，通常使用多层铝箔作为正极的集流体，而通常使用多层铜箔作为负极的集流体。
在此使用多层铝箔，目的是通过更多的层数获得更大的铝箔表面，从而可在铝箔表面涂覆更多活性物质。
由于极柱的特殊构造，无法对集流体的多层铝箔和极柱进行超声波焊接。为了实现多层铝箔与极柱之间的有效电连接，目前经常采用的措施是在多层铝箔与极柱之间设置转接片。在此，一方面通过超声波焊接将多层铝箔与转接片连接，另一方面通过激光焊接将转接片与极柱连接，从而实现多层铝箔与极柱的间接连接。然而，这不仅对电池的轻量化产生不利影响，还增大了电流的传输电阻，即降低了电池的性能。
目前，有人试图提出取消转接片而通过激光焊接将多层铝箔直接焊接到极柱上的技术方案，但在这种焊接过程中尤其在熔合区域的边界处非常容易产生裂纹，该裂纹会极大地降低过电流(超充)能力及焊缝强度，从而严重影响电池的性能。原因在于，用于集流体的铝箔的厚度很薄，熔池热影响区域附近的铝箔在高温作用下容易产生变形并且在变形过程中会产生叠加的拉应力，而熔融的铝的流动性能较差，所形成的液态薄膜的抗拉能力减弱，由此在拉应力的作用下很容易开裂。此外，铝箔表面通常会覆盖有Al2O3氧化膜，该氧化膜的熔点和硬度均远大于母材纯铝的熔点和硬度，从而，在焊接过程中至少部分氧化膜不能完全熔化且会聚集在焊缝边缘处，这导致焊缝边缘的硬度明显增大，从而容易产生裂纹。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。
特别是，连续的长条形的焊缝的熔池的边沿轮廓很陡峭，因此熔池边缘的铝箔变形严重，所产生的拉应力会使得熔池熔合线极易产生连续的裂纹。另一方面，连续的长条形的焊缝的长度较长，因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。
因此，还需要进行持续的改进。
发明内容
鉴于上述缺点之一和/或本文未提及到、但现有技术中可能存在的其它缺点，本发明的目的在于，提供一种改进的用于将电池的集流体的多层铝箔焊接在对应结构上的方法、一种相应的激光焊接系统、一种相应的用于激光焊接系统的控制装置以及一种相应的计算机程序产品。
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结构上的方法，所述方法至少包括：激光焊接操作，所述激光焊接操作至少包括：通过激光脉冲以点焊方式将所述多层铝箔和在所述多层铝箔的层叠方向上处于所述多层铝箔之下的所述对应结构焊接在一起的点焊操作。这意味着，不管采用了何种连接方式，至少使用了点焊。
根据本发明的一个可选的实施例，所述电池是锂离子电池。
根据本发明的一个可选的实施例，所述对应结构是所述电池的正极极柱。
根据本发明的一个可选的实施例，所述对应结构由铝制成。
根据本发明的一个可选的实施例，所述激光焊接操作还包括：以连续激光焊接方式将所述多层铝箔和所述对应结构焊接在一起的连续焊接操作。连续焊接操作与点焊操作可以根据需要灵活地组合。
根据本发明的一个可选的实施例，通过同轴光纤以环芯可调焊接技术执行所述点焊操作和/或所述连续焊接操作，其中，所述同轴光纤包括内芯光纤和环绕着所述内芯光纤布置的环形光纤而使得能够通过调节所述内芯光纤和/或所述环形光纤传输的能量密度对所述激光焊接操作进行控制。
根据本发明的一个可选的实施例，所述内芯光纤用于增加熔池深度，所述环形光纤相对于所述内芯光纤以相对较低的能量密度在所述内芯光纤的照射区域周围形成相对较浅和较宽的焊接区域。
根据本发明的一个可选的实施例，所述点焊操作包括利用所述环形光纤执行的预热操作和随后使用所述同轴光纤执行的激光点焊。
根据本发明的一个可选的实施例，所述点焊操作包括利用所述同轴光纤执行的激光点焊和随后利用所述环形光纤执行的缓冷操作。
根据本发明的第二方面，提供了一种电池，包括：多层铝箔；和在所述多层铝箔的层叠方向上处于所述多层铝箔之下的对应结构；其中，所述多层铝箔通过根据上述任一示例性实施例所述的方法焊接在所述对应结构上。
根据本发明的第三方面，提供了一种激光焊接系统，包括：用于产生激光束的激光装置；和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上述任一示例性实施例所述的方法。
根据本发明的第四方面，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根据上述任一示例性实施例所述的方法。
根据本发明的第五方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括或存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实施根据上述任一示例性实施例所述的方法。
根据本发明的某些示例性实施例，可以降低裂纹、特别是连贯性裂纹，对多层铝箔的超声波预焊工艺的容忍度高和提高焊接强度等。
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以示意性立体图示出了激光焊接系统的一个示例性实施例。
图3示意性地示出了多层铝箔上的连续的、长条形焊缝。
图4以对多层铝箔的俯视视角示意性地示出了连续激光焊接时的激光束轨迹。
图5以与图3类似的俯视图示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于将电池的集流体的多层铝箔焊接到对应结构上的方法的原理图。
图6示意性地示出了沿图5中的剖切线A-A所作的经过焊点的剖视图。
图7、图8、图9示出了根据本发明的不同的示例性实施例的焊点与连续焊缝的组合布局方式。
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。
在开始描述之前，首先需要说明的是，在对各个实施例的描述中，“上”、“下”等方位或位置关系是相对于附图所示的方位或位置关系而言的，仅是为了便于描述和简化说明，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，因此不能简单地、不加区分地理解为对本发明的限制，除非技术上必须如此。
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。但本领域技术人员可以理解，本发明的思想也可应用于其它类型的电池、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、圆柱电池或者其它结构的电池的类似焊缝结构。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它物质，这些对于本领域技术人员充分已知，且本发明的重点也不在于此，因此对此不再赘述。这些铝箔层通常轧制而成，非常薄。在电池中多层铝箔例如在电芯的一端突出，并且例如可通过超声波预焊接形成正极集流体。所述正极集流体包括任何合适数量的、例如20至130层的多层铝箔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它器件连接。这样的连接通常通过焊接来完成。具体地讲，通过激光束将所述多层铝箔10和在所述多层铝箔10的层叠方向上处于所述多层铝箔10之下的对应结构20(通常为铝)、例如正极极柱焊接而形成焊缝30。
图2以示意性立体图示出了激光焊接系统40的一个示例性实施例。所述激光焊接系统40例如用于将图1所示的电池的正极集流体的多层铝箔10焊接到对应结构20上。所述激光焊接系统40例如包括：用于产生激光束410的激光装置420；至少用于控制所述激光装置420的控制装置430。所述激光焊接系统40还可以包括用于承载待焊接对象(即多层铝箔10和对应结构20)的承载台(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。所述承载台和/或所述夹具可以是固定的，也可以是能移动的。控制装置430必要时也能够控制承载台和/或夹具的动作。所述激光装置420例如可以包括扫描振镜、尤其是可以包括PFO(Programming Focus Optical，可编程聚焦光学系统)。
目前，在将图1所示的电池的集流体的多层铝箔10焊接到对应结构20上时，通常仅采用如图3所示的焊缝30(此处的长宽比例仅是为了清楚起见，实际中宽度可能比长度小得多)。为了形成这样的焊缝30，一般使激光束410相对于多层铝箔10走过如图4所示的呈直线的轨迹310，图3和4例如是多层铝箔10的俯视图。为了清楚起见，省去了位于多层铝箔10下方的可能伸出到多层铝箔10的边缘之外的对应结构20。在图4中，焊缝30形成时的进给方向320(即激光头相对于工件的总体行进方向)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320的宽度很窄，所以所形成的熔池的横截面大致呈U形，例如如图1所示。熔池的横截面在此是指焊缝30的垂直于进给方向320的横截面，在图4中以点画线示意性示出了横截面平面。由于常见的铝箔厚度在8至13微米之间，结合背景技术部分的描述可知，很容易在焊缝30的就宽度方向而言的两端出现裂纹。
图5以与图3类似的俯视图示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于将电池的集流体的多层铝箔10焊接到对应结构20上的方法的原理图。
如图5所示，采用激光点焊方式进行焊接，即，使用激光脉冲进行焊接而形成焊点50，通过这些焊点50将电池的集流体的多层铝箔10连接到对应结构20上。图6示意性地示出了沿图5中的剖切线A-A所作的经过焊点50的剖视图。
如图6所示，实际中发现，裂纹510仅在各个焊点50的某一深度位置处环绕各个焊点50的外周边界出现。因此，不会在剥离测试受力方向上形成连续的裂纹，增加了剥离强度。
本领域技术人员还可以理解，相对于图3和图4所示的仅具有连续的长条形的焊缝30而言，使用点焊可以增加单位焊接区域内的受力面积，从而也可增加剥离强度。而且，在图3和图4所示的仅具有连续的长条形的焊缝30的情况下，一旦在焊缝的外周边缘出现了裂纹，各层铝箔均会很容易地被剥离，且整个撕开过程快速且难以终止。而采用点焊后，各个焊点的焊接强度是独立的，从而可有效地提高焊接强度。
而且，这种点焊方式对多层铝箔10的超声波预焊工艺的容忍度高。换言之，超声波预焊工艺中即使出现了较大的间隙，也不会显著影响后续焊接的焊接强度。
此外，相对于连续的激光焊接，使用激光脉冲焊接也可显著减少整体的热输入，从而也可降低铝箔在高温作用下的变形，进而也可降低裂纹、特别是连贯性裂纹的产生。
以上简单地总结了本发明采用点焊方式的优点，但本领域技术人员可以理解，实际优点可能并不止于此。无论如何，本发明的点焊方式充分考虑了多层铝箔10的特性和激光焊接的特性并对它们进行了良好匹配，之前没有任何人意识到这一点。
如图5所示，示出了多排的焊点50，且每个焊点50之间彼此分离而不接触。具体地，图5中包括三横排的焊点50，这些焊点50大致均匀地分布在焊接区域520内。图5中用虚线框530示意性地示出了焊接区域520。“焊接区域”可以理解为各个焊接部位、例如各个焊点50的最外边缘所限定的区域。
图5中也仅是示意性地示出了焊点50的布局的一个示例，实际中可以根据具体情况、例如焊接区域等设计焊点50的布局。例如，实际中如果发现过流面积不够，可在确定的焊接区域内增加焊点的数量、即密度来满足要求。
而且，本领域技术人员可以理解，图5中的焊接区域虽然仅使用了焊点50进行焊接，然而，实际中并不局限于此。例如，也可以使用连续激光焊接(即，图3和图4的连续的激光焊缝)与激光脉冲点焊(图5)的组合将多层铝箔10与对应结构20焊接在一起。特别地，如果增加焊点50后仍发现过流面积不够，可以补充进行连续激光焊接，以满足需求。
本领域技术人员可以理解，实际中焊接区域哪怕只有一个部位采用了点焊而其它部位仍为连续焊接或其它焊接(或其它可能的连接)方式，也可使现有技术中所存在的问题有所减轻，因此，本发明并不对焊点的数量进行限制。
图7、图8、图9示出了根据本发明的不同的示例性实施例的焊点50与连续焊缝30的组合布局方式，实际中并不局限于此。
尤其是对于点焊，可以采用本申请人的“环芯可调焊接”技术(英文：BrightLineWelding)进行焊接。本申请人有相关的专利来保护该技术。环芯可调焊接采用“二合一”光纤，激光源同时将激光导入内芯光纤和环绕着内芯光纤布置的环形光纤，两束激光在加工区域共同作用，能够在激光束的横截面内对能量密度进行调节，例如在激光束的横截面内对中心和外环(例如圆形环)的能量密度进行调节。
根据本发明的一个示例性实施例，当使用环芯可调焊接技术时，可以使内芯光纤负责增加熔池深度，环形光纤以较低的能量密度在内芯光纤照射区域的周围附加性地形成浅而宽的焊接区域，从而实现了预热缓冷的同等作用，进而减少焊接后铝箔收缩产生的裂纹。
根据本发明的一个示例性实施例，当使用环芯可调焊接技术时，可以利用环形光纤在焊接前预焊一次，然后再进行正式焊接，即至少再使用内芯光纤进行焊接。利用环形光纤进行焊前预热，可以减少裂纹。
根据本发明的一个示例性实施例，当使用环芯可调焊接技术时，可在焊接之后再利用环形光纤进行焊接，从而实现了焊接后缓冷的过程，可减少裂纹。
此外，可例如以图2的控制装置430来实施本发明的方法，在所述控制装置430中例如包含或存储有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能够控制图2的激光焊接系统40实施上述方法。计算机程序产品可以是计算机可读程序载体。
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 (11)

1.一种用于将电池的集流体的多层铝箔(10)焊接在对应结构(20)上的方法，所述方法至少包括：
激光焊接操作，所述激光焊接操作至少包括：通过激光脉冲以点焊方式将所述多层铝箔(10)和在所述多层铝箔(10)的层叠方向上处于所述多层铝箔(10)之下的所述对应结构(20)焊接在一起的点焊操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述电池是锂离子电池；和/或
所述对应结构(20)是所述电池的正极极柱；和/或
所述对应结构(20)由铝制成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
所述激光焊接操作还包括：以连续激光焊接方式将所述多层铝箔(10)和所述对应结构(20)焊接在一起的连续焊接操作。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，
通过同轴光纤以环芯可调焊接技术执行所述点焊操作和/或所述连续焊接操作，其中，所述同轴光纤包括内芯光纤和环绕着所述内芯光纤布置的环形光纤而使得能够通过调节所述内芯光纤和/或所述环形光纤传输的能量密度对所述激光焊接操作进行控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
所述内芯光纤用于增加熔池深度，所述环形光纤相对于所述内芯光纤以相对较低的能量密度在所述内芯光纤的照射区域周围形成相对较浅和较宽的焊接区域。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，
所述点焊操作包括利用所述环形光纤执行的预热操作和随后使用所述同轴光纤执行的激光点焊。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，
所述点焊操作包括利用所述同轴光纤执行的激光点焊和随后利用所述环形光纤执行的缓冷操作。
8.一种电池，包括：
多层铝箔(10)；和
在所述多层铝箔(10)的层叠方向上处于所述多层铝箔(10)之下的对应结构(20)；
其中，所述多层铝箔(10)通过根据权利要求1-7中任一项所述的方法焊接在所述对应结构(20)上。
9.一种激光焊接系统(40)，包括：
用于产生激光束(410)的激光装置(420)；和
至少用于控制所述激光装置(420)的控制装置(430)；
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1-7中任一项所述的方法。
10.一种用于激光焊接系统(40)的控制装置(430)，其中，
所述控制装置(430)被配置成适于执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。
11.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括或存储有计算机程序指令，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1-7中任一项所述的方法。
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