激光焊接设备及其焊接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种激光焊接设备及其焊接方法。

背景技术：

铝合金电池的制造过程中，在往电池内注入电解液后，先将橡胶钉设置于注液孔内，再将盖帽设置于橡胶钉上，并通过激光将盖帽焊接于电池的壳体上，从而将电池密封。

传统的焊接设备一般通过脉冲氙灯激光器输出脉冲激光焊接盖帽，焊接速度一般较慢，能耗较高，且焊接设备体积较大，需要经常跟换耗材。随着新能源行业的发展，采用传统的脉冲氙灯激光器进行焊接已无法满足产能需求。光纤激光器可以连续不间断地输出激光进行焊接，焊接速度较快，能够满足产能的需求。但是，光纤激光器输出连续激光进行焊接的过程中，由于焊接热输入量较大，焊接热累积过多，焊接后容易出现焊缝穿孔，橡胶钉高温烧损的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种焊接质量较好的激光焊接设备及其焊接方法。

一种激光焊接设备，包括：

机架；

光纤激光器，设置于机架上；

控制器，设置于机架上，且所述控制器与所述光纤激光器相连接，所述控制器能够控制所述光纤激光器输出预设频率的脉冲激光；

焊接头，可移动地设置于机架上，所述焊接头与所述光纤激光器相连通，所述控制器能够控制所述焊接头运动；及

固定机构，设置于所述机架上，所述固定机构用于固定工件。

在其中一个实施例中，还包括三轴运动平台，所述三轴运动平台设置于机架上，所述焊接头设置于三轴运动平台上，所述控制器与所述三轴运动平台相连接，所述控制器通过控制所述三轴运动平台控制所述焊接头运动。

在其中一个实施例中，所述控制器为单片机，所述单片机输出电压脉冲信号，所述光纤激光器接收所述电压脉冲信号，并输出预设频率的脉冲激光。

一种如上述任意一项所述激光焊接设备的焊接方法，包括以下步骤：

将工件固定于固定机构上，调节焊接头与所述工件之间的相对位置；

控制器控制光纤激光器输出预设频率的脉冲激光，所述焊接头向所述工件出射所述脉冲激光以形成焊接熔池；

所述控制器控制所述焊接头按预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动。

在其中一个实施例中，所述光纤激光器的输出功率在焊接过程中由起始功率按预设比例逐渐减小到预设功率。

在其中一个实施例中，所述预设功率为所述起始功率60％-80％。

在其中一个实施例中，所述预设焊接速度为30mm/s-80mm/s。

在其中一个实施例中，所述工件为电池，所述电池包括壳体及盖帽，所述壳体开设有注液孔，所述盖帽穿设于所述注液孔内，所述固定机构包括夹具及压爪，所述夹具设置于所述机架上，所述压爪设置于所述夹具上，所述夹具用于夹持所述壳体，所述压爪用于压住所述盖帽。

在其中一个实施例中，所述控制器控制所述焊接头按预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动的步骤之前还包括：

所述控制器控制所述焊接头点焊所述盖帽，所述点焊完成之后，所述压爪松开所述盖帽。

在其中一个实施例中，所述控制器控制所述焊接头按预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动的步骤具体为：

所述焊接头开始运动时，所述焊接头偏离所述盖帽与所述注液孔侧壁之间的间隙，所述焊接头向所述间隙运动；

当所述焊接头运动到正对所述间隙时，所述焊接头的运动速度达到所述预设焊接速度，所述焊接头沿所述间隙的轨迹匀速运动；

当焊接完成之后，所述焊接头偏离所述间隙。

上述激光焊接设备及其焊接方法至少具有以下优点：

激光焊接设备焊接工件时，控制器控制光纤激光器输出预设频率的脉冲激光，相邻两个脉冲之间具有时间间隔，可以减少焊接热的积累，可以有效控制焊接热的输入量，避免焊接后出现焊缝穿孔的问题，焊接质量较好。并且，使用光纤激光器作为焊接光源，控制器可以控制光纤激光器输出较高频率的脉冲激光，激光焊接设备焊接速度快，生产效率较高。

附图说明

图1为一实施方式中电池的结构示意图；

图2为图1所示的电池的剖视图；

图3为一实施方式中激光焊接设备的结构示意图；

图4为一实施方式中焊接方法的流程示意图；

图5为光纤激光器输出的脉冲激光的示意图；

图6为光纤激光器的输出功率随焊接时间变化的示意图；

图7为预设焊接轨迹的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

请参阅图1及图2，一实施方式中的电池10，该电池10包括壳体110、密封钉120及盖帽130。壳体110开设有容纳腔112，容纳腔112用于容纳电解液。壳体110还开设有注液孔114，注液孔114与容纳腔112相连通，电解液通过注液孔114注入容纳腔112内。本实施方式中，注液孔114为阶梯孔，具有靠近容纳腔112的第一孔和远离容纳腔112的第二孔，第一孔孔径小于第二孔孔径。密封钉120为橡胶钉，密封钉120穿设于注液孔114的第一孔内。盖帽130穿设于注液孔114的第二孔内，通过将盖帽130与壳体110焊接在一起，从而将电池10密封。

请参阅图3，一实施方式中的激光焊接设备20，用于焊接工件，特别是用于将电池10的盖帽130焊接于电池10的壳体110上，以实现密封。激光焊接设备20焊接速度较快，焊接效率高，焊接质量好。具体到本实施方式中，激光焊接设备20包括机架(图未示)、光纤激光器210、三轴运动平台220、控制器230、焊接头240及固定机构250。

机架用于承载激光焊接设备20的其他零部件。光纤激光器210设置于机架上，光纤激光器210用于输出激光。三轴运动平台220设置于机架上。三轴运动平台220包括支撑杆222、安装板224及滑块226，支撑杆222的一端可滑动地设置于机架上，支撑杆222为两个，两个支撑杆222间隔设置。安装板224的两端分别可滑动地设置于两个支撑杆222上。滑块226可滑动地设置于安装板224上。

控制器230设置于机架上。控制器230分别与光纤激光器210以及三轴运动平台220相连接。控制器230能够控制光纤激光器210的输出功率，以及控制光纤激光器210输出预设频率的脉冲激光。控制器230还可以控制三轴运动平台220运动。控制器230可以为单片机，控制器230也可以是软件控制的d/a输出卡。具体到本实施方式中，控制器230为单片机，单片机可以输出可调制波形的模拟量电压脉冲信号，光纤激光器210接收电压脉冲信号，能够输出相应功率以及预设频率的脉冲激光。

焊接头240设置于滑块226上，三轴运动平台220的运动能够带动焊接头240运动。焊接头240与光纤激光器210相连通，光纤激光器210输出的脉冲激光能够通过焊接头240射出，从而将工件进行焊接。固定机构250设置于机架上，固定机构250用于固定工件。具体到本实施方式中，固定机构250包括夹具252及压爪254，夹具252设置于机架上，夹具252用于夹持固定电池10。压爪254设置于夹具252上，压爪254用于压住盖帽130。

请一并参阅图4，本发明还提供一种焊接方法。为实现该焊接方法，其采用上述激光焊接设备20。该焊接方法具体包括如下步骤：

步骤s110：将工件固定于固定机构250上，调节焊接头240与工件之间的相对位置。

具体地，工件为电池10。在焊接前，通过注液孔114向容纳腔112内注入电解液，然后将橡胶钉安装于注液孔114的第一孔内，将盖帽130设置于注液孔114的第二孔内。将电池10的壳体110固定于夹具252上，压爪254压住盖帽130，从而将电池10固定于固定机构250上。控制器230控制三轴运动平台220运动，带动焊接头240运动，使焊接头240运动到电池10的上方。

步骤s120：控制器230控制光纤激光器210输出预设频率的脉冲激光，焊接头240向工件出射脉冲激光以形成焊接熔池。

具体地，控制器230为单片机，控制器230输出可调制波形的模拟量电压脉冲信号，光纤激光器210接收电压脉冲信号，输出相应功率以及预设频率的脉冲激光。脉冲激光传输到焊接头240后，焊接头240向电池10出射脉冲激光以形成焊接熔池。

请一并参阅图5，本实施方式中，光纤激光器210的功率为500-2000w。为了在较短的时间内熔融电池10以形成焊接熔池，光纤激光器210的输出功率较高。例如，可以为1500w。同时，为了获得较高的焊接速度，脉冲激光的预设频率较高。具体地，其中t1为激光脉冲宽度，范围为1-20ms，t2为脉冲时间间隔，范围为1-10ms。脉冲激光的预设频率最高可以为500hz。

请一并参阅图6，由于焊接前电池10呈常温状态，焊接一定深度的焊缝需要较高的激光功率。随着焊接的进行，电池10的温度升高，焊接一定深度的焊缝需要的激光功率会降低。因此，光纤激光器210的输出功率在焊接过程中由起始功率按预设比例逐渐减小到预设功率。具体地，预设功率可以为起始功率的60％-80％。

本实施方式中，在上述步骤s120之后，上述方法还包括：控制器230控制焊接头240点焊盖帽130，点焊完成之后，压爪254松开盖帽130。具体地，在盖帽130焊接之前，可以通过点焊将盖帽130固定于电池10的壳体110上。点焊完成之后，此时就无需压爪254压住盖帽130，可以移开压爪254，方便进行后续的焊接。

步骤s130：控制器230控制焊接头240按预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动。

具体地，三轴运动平台220的运动，进而带动焊接头240运动，焊接头240按预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动，从而可以将盖帽130焊接于壳体110上，从而将电池10密封。其中，预设焊接速度可以为30-80mm/s。

请一并参阅图7，由于三轴运动平台220启动和停止时的加减速会造成焊接头240的运动速度不一致。因此，本实施方式中，在焊接头240开始运动时，焊接头240偏离盖帽130与注液孔114的侧壁之间的间隙300，焊接头240未对准该间隙300，焊接头240与该间隙300具有一定距离。当焊接头240运动到正对该间隙300时，焊接头240的运动速度达到预设焊接速度，焊接头240沿该间隙300的轨迹匀速运动。当焊接完成之后，焊接头240偏离该间隙300，且焊接头240减速运动到停止，光纤激光器210停止工作。焊接头240焊接盖帽130时为匀速运动，可以保证焊接后焊缝形态的一致性。具体到本实施方式中，预设焊接轨迹大致为“α”形。

上述激光焊接设备20及其焊接方法至少具有以下优点：

焊接头240出射的激光为脉冲激光，相邻两个脉冲之间具有时间间隔，可以减少焊接热的连续积累，可以有效控制焊接热的输入量，避免由于焊接高温造成的焊接后焊缝穿孔，以及密封钉120被烧损的问题，焊接质量较好。使用光纤激光器210为焊接光源，控制器230可以控制光纤激光器210输出较高频率的脉冲激光，激光焊接设备20焊接速度快。光纤激光器210的输出功率随着焊接时间的增加而递减，能够进一步降低焊接热的输入量，控制电池10的温度。预设焊接轨迹大致为“α”形，可以保证焊接后焊缝形态的一致性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。