一种激光切割系统及其切割方法与流程

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种激光切割系统及其切割方法。

背景技术：

随着消费市场需求的多样化，新能源行业越来越紧俏。锂电池因其具有髙能量、密度大、输出功率髙、循环使用寿命长、无环境污染等优点，被广泛应用于汽车、移动通讯设备和便携式电子设备等行业。在锂电池生产过程中，电池极片切割是一道极其重要的工序，只有将成卷的电池极片切割后，才可以与隔膜卷绕成形，做成电芯。

目前工业市场广泛采用的锂离子的电池极片的正极为铝箔，其负极为铜箔。正极的铝箔厚度大多在20μm左右，负极的铜箔厚度在12μm左右，铝箔和铜箔两面各有100μm左右的涂覆层。电池极片的传统加工方式是使用模切机、分条机等常规加工设备，这种传统的加工方式在加工过程中对设备会有磨损，需要定期更换刀模，加工成本较高，同时，电池极片会出现卷边、切割面不平滑，有毛刺等产品缺陷。现在市场上出现了纳秒光纤激光器的极片切割设备，解决了上述产品部分质量问题，由于激光加工是非接触加工，大大降低了设备耗材的成本，提高了加工效率，正在逐步被电池生产厂商认同。

现有切割方法：动力电池极片是将磷酸铁锂或钴酸铁锂材料均匀涂覆在铜箔(负极)和铝箔(正极)的两侧，然后通过切割设备将极片切割成特定的形状。目前，国内一些生产企业大多采用的是分条机、模切、冲切和滚切设备。采用这些设备切割电池极片时，切出来的极片毛刺比较多，切边掉粉严重，粉尘较多，极大地影响了电池极片的应用。此外，这些切割设备中的刀模需要频繁更换，不利于大规模连续化生产，同时也增加了设备后期的维护成本，此缺点严重限制了电池极片的生产和应用，延长了快速使用周期，加大了生产成本，造成浪费，亟需一种新的切割设备来替代它。

光纤激光器具有接近衍射极限的光束质量、高能量转换效率、高稳定性、几乎免维护、超长的适用寿命以及体积小等优点，已经广泛应用于激光切割、焊接和打标等工业制造领域。光纤激光设备采用光纤作为传导介质，激光器输出激光经过准直、扩束和聚焦之后，将光斑直径聚焦到数十个微米甚至几个微米，很适合于精细切割。光纤激光设备可以采用非接触式切割方式，切缝窄、热影响区小、切边光滑且切割速度快，其诸多优点恰好可以满足电池极片的快速切割和质量提升，是传统模切和滚切设备的理想替代设备。

但由于极片是复合材料制成，通常我们称其为‘三明治’材料，纳秒光纤激光切割属热加工，用纳秒光纤激光切割极片会出现涂覆层收缩的现象，切割部分中间的电极层会有裸露现象。随着动力电池容量越来越大，对电池极片要求也越来越高，这样的产品缺陷会给产品带来安全隐患，毛刺与粉尘容易刺穿隔膜，或者在充、放电时击穿隔膜，造成电池内部短路、发热产生高温甚至爆炸等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种解决电池极片出现卷边、切面不平滑，毛刺比较多、提高加工效率的激光切割系统及其切割方法。

本发明提供一种激光切割系统，其包括：振镜系统、可变反射镜、固定反射镜、第一激光器、第二激光器、以及控制系统，其中，控制系统均与第一激光器、第二激光器和可变反射镜连接。

本发明还提供一种激光切割方法，工件的切割区域包括：裸露区、涂覆层、连接左侧的裸露区和涂覆层的第一过渡区、以及连接右侧的裸露区和涂覆层的第二过渡区；其中，第一过渡区和第二过渡区均包括与涂覆层的连接圆弧段、以及均与裸露区连接的直线段；包括如下步骤：

第一步：控制系统内分别设定第一激光器和第二激光器的切割图形轨迹和切割参数；

第二步：控制系统预先发出信号使得可变反射镜处于水平0°位置；控制系统控制第一激光器发出激光，激光经振镜系统对工件的涂覆层进行切割；

第三步：第一激光器对涂覆层进行激光切割；切割结束之后，控制系统预先发出信号使得可变反射镜处于水平45°位置；

第四步：控制系统控制第二激光器发出激光，激光经固定反射镜和可变反射镜反射至振镜系统后对工件的第一过渡区的圆弧段和涂覆层交接处为激光开关起点，第二激光器对第一过渡区采用圆弧进行切割；

第五步：在第二激光器切割第一过渡区完成后；第二激光器跳转切割与第一过渡区相连的裸露区，第二激光器对裸露区进行激光切割；

第六步：第二激光器切割裸露区完成后；第二激光器跳转到与裸露区相连的第二过渡区的直线段作为激光起点，第二过渡区与涂覆层交接的圆弧段作为激光关光位置，至此完成对电池极片的激光切割。

本发明还提供一种激光切割方法，工件的切割区域包括：裸露区、涂覆层、连接左侧的裸露区和涂覆层的第一过渡区、以及连接右侧的裸露区和涂覆层的第二过渡区；其中，第一过渡区和第二过渡区均包括与涂覆层的连接圆弧段、以及均与裸露区连接的直线段；包括如下步骤：

第一步：控制系统内分别设定第一激光器和第二激光器的切割图形轨迹和切割参数；

第二步：控制系统预先发出信号使得可变反射镜处于水平0°位置；控制系统控制第一激光器发出激光，激光经振镜系统对工件的涂覆层进行切割；

第三步：第一激光器对涂覆层进行激光切割；切割结束之后，控制系统预先发出信号使得可变反射镜处于水平45°位置；

第四步：控制系统控制第二激光器发出激光，激光经固定反射镜和可变反射镜反射至振镜系统后对工件的第二过渡区的圆弧段和涂覆层交接处为激光开关起点，第二激光器对第二过渡区采用圆弧进行切割；

第五步：在第二激光器切割第二过渡区完成后；第二激光器跳转切割与第二过渡区相连的裸露区，第二激光器对裸露区进行激光切割；

第六步：第二激光器切割裸露区完成后；第二激光器跳转到与裸露区相连的第一过渡区的直线段作为激光起点，第一过渡区与涂覆层交接的圆弧段作为激光关光位置，至此完成对电池极片的激光切割。

本发明采用的切割方式为前聚焦方式切割，现有的极片切割均采用的后聚焦切割方式，前聚焦相比于后聚焦，聚焦光斑更小，光斑处激光功率密度更大，能够提高切割速度，配合三轴振镜，切割范围大，能进行大幅面切割和小幅面批量切割，提高切割效率，节约成本。

附图说明

图1为本发明激光切割系统的结构示意图；

图2为本发明切割工件的示意图；

图3为本发明外轮廓切割轨迹图；

图4为本图3所示外轮廓的切割轨迹的组合示意图。

具体实施方式

图1和图2所示为本发明激光切割系统的结构示意图，本激光切割系统用于对工件2进行激光切割。

在本实施例中，工件2为电池极片，电池极片有三种情况：电池极片的两面都有涂覆层、电池极片的单面有涂覆层、只有电池极片没有涂覆层。每种情况的切割工艺及切割参数会不同。

如图2所示，工件2包括裸露区21、以及与裸露区21连接的涂覆层22。

裸露区21为电池极片的极耳部位，是直接裸露在外的铜箔或铝箔；涂覆层22为图2所示的阴影区。

本激光切割系统包括：振镜系统1、可变反射镜3、固定反射镜4、第一激光器5、第二激光器6、以及控制系统7，其中，第一激光器5为200w纳秒激光器，第二激光器6为50w皮秒激光器，控制系统7均与第一激光器5、第二激光器6和可变反射镜3连接。

其中，振镜系统1包括x振镜、y振镜、扫描电机和光学反射镜片，利用扫描电机带动光学镜片进行偏转式运动，将激光按照控制软件指定的轨迹进行定位切割。反射镜3为可变反射镜，可变反射镜3具有0°和45°两个位置，通过控制系统7控制该反射镜3的偏转角度。当控制系统7给第一激光器5出光信号时，预先发出信号使得可变反射镜处于水平0°位置，以便第一激光器5出光，第一激光器5发出的光线至振镜系统1，经振镜系统1的x振镜和y振镜后对工件2进行激光切割。当控制系统给第二激光器6出光信号时，预先发出信号使得可变反射镜处于水平45°位置，以便第二激光器6出光，第二激光器6发出的光线经可变反射镜3至振镜系统1，经振镜系统1的x振镜和y振镜后对工件2进行激光切割。

固定反射镜4为固定45°反射镜，该固定反射镜4是用来反射第二激光器6发出的激光，与可变反射镜3结合使得第一激光器5和第二激光器6发出的激光在同一条光路上，以保证作用到工件上在同一个位置。

由于电池极片2有带涂覆层和不带涂覆层的情况，纳秒光纤激光器切割工艺中，纳秒光纤激光切割属热加工，用传统纳秒光纤激光器切割工艺切割带涂覆层的电池极片时会出现涂覆层收缩的现象，切割部分中间的电极层会有裸露现象，这样的产品缺陷会给产品带来安全隐患。所以通过优化纳秒激光器工艺参数获得相对较好的切割效果。另外，用第一激光器5切割不带涂覆层的极片(如：极耳)，激光直接作用在电池极片的耳部上，会很容易造成卷边、切割面不平滑，有毛刺等产品缺陷。因为电池极片的耳部为铜箔或铝箔，没有磷酸铁锂或钴酸铁锂涂覆层，主要用于对电池充放电，相对于有涂覆层的部分，耳部对激光的吸收率会更低。所以选择用第二激光器6来切割电池极片的极耳位置。

第二激光器6为皮秒激光器，在切割极耳等不带涂覆层的极片时，单独切割，再配合第一激光器5切割带涂覆层的极片和合理的工艺参数，很好的改善了切割效果，切口整齐，基本无毛刺和卷边现象。

控制系统7用于控制系统用来控制第一激光器5和第二激光器6的开关光和可变反射镜3的位置。

图3所示为激光切割工件的路径示意图，切割区域包括：裸露区21、涂覆层22、连接左侧的裸露区21和涂覆层22的第一过渡区23、以及连接右侧的裸露区21和涂覆层22的第二过渡区24。其中，第一过渡区23和第二过渡区24均包括与涂覆层22的连接圆弧段、以及均与裸露区21连接的直线段，圆弧段和对应的直线段连接。

由于极耳部位(裸露区21)和涂覆层22切割参数有所不同，如图4所示，把整个图形分成了四个部分，用不同的参数来进行切割：裸露区21作为a段，第一过渡区23作为b1段、第二过渡区24作为b2段、涂覆层22作为c段。

设定第一过渡区23的b1段设置在涂覆层22的左侧，第二过渡区24的b2段设置在涂覆层22的右侧。

切割顺序为：c-b1-a-b2：先用纳秒激光器5切割c段：以从c段左侧为激光起点开始出光为例，然后到c段右侧延长线处为激光关光点；再跳转到与右侧c段激光关光点延长线交接处的b1段延长线上，b1段交接处圆弧延长线为激光开关起点，用皮秒激光器6进行切割。切完b1段，跳转切割与b1直线相连的a段，激光切割a段结束，再跳转到与之相连的b2段直线处做为激光起点，b2段圆弧交接处延长线为激光关光位置，至此整个图形切割完毕。这是完整的极片激光切割顺序。

反之，从c段右侧为激光开光起点也是可以的，即切割顺序为：c-b2-a-b1：。针对a、b1、b2、c四个位置，用不同的激光器和切割参数来进行切割。

本发明还提供一种激光切割方法，当裸露区21为铜箔时，包括如下步骤：

第一步：控制系统7内分别设定第一激光器5和第二激光器6的切割图形轨迹和切割参数；

第二步：控制系统7预先发出信号使得可变反射镜3处于水平0°位置；控制系统7控制第一激光器5发出激光，激光经振镜系统1对工件的涂覆层22进行切割；

激光对涂覆层22具体切割顺序为：首先以涂覆层22的左侧为激光起点开始出光，然后到涂覆层22的右侧延长线处为激光关光点，完成对涂覆层22的激光切割。

第三步：第一激光器5对涂覆层22进行激光切割；切割结束之后，控制系统7预先发出信号使得可变反射镜3处于水平45°位置；

第四步：控制系统7控制第二激光器6发出激光，激光经固定反射镜4和可变反射镜3反射至振镜系统1后对工件的第一过渡区23的圆弧段和涂覆层22交接处为激光开关起点，第二激光器6对第一过渡区23采用圆弧进行切割；

激光对第一过渡区23具体切割顺序为：第二激光器6跳转到与涂覆层22右侧的激光关光点延长线和第一过渡区23延长线的交接处，第一过渡区23的圆弧段和涂覆层22的延长线交接处作为激光开关起点，第二激光器6对第一过渡区23进行激光切割。

第五步：在第二激光器6切割第一过渡区23完成后；第二激光器6跳转切割与第一过渡区23相连的裸露区21，第二激光器6对裸露区21进行激光切割；

第六步：第二激光器6切割裸露区21完成后；第二激光器6跳转到与裸露区21相连的第二过渡区24的直线段作为激光起点，第二过渡区24与涂覆层22交接的圆弧段作为激光关光位置，至此完成对电池极片的激光切割。

本发明还提供一种激光切割方法，当裸露区21为铜箔时，包括如下步骤：

第一步：控制系统7内分别设定第一激光器5和第二激光器6的切割图形轨迹和切割参数；

第二步：控制系统7预先发出信号使得可变反射镜3处于水平0°位置；控制系统7控制第一激光器5发出激光，激光经振镜系统1对工件的涂覆层22进行切割；

激光对涂覆层22具体切割顺序为：首先以涂覆层22的右侧为激光起点开始出光，然后到涂覆层22的左侧延长线处为激光关光点，完成对涂覆层22的激光切割。

第三步：第一激光器5对涂覆层22进行激光切割；切割结束之后控制系统7预先发出信号使得可变反射镜3处于水平45°位置；

第四步：控制系统7控制第二激光器6发出激光，激光经固定反射镜4和可变反射镜3反射至振镜系统1后对工件的第二过渡区24的圆弧段和涂覆层22交接处为激光开关起点，第二激光器6对第二过渡区24采用圆弧进行切割；

激光对第二过渡区24具体切割顺序为：第二激光器6跳转到与涂覆层22左侧的激光关光点延长线和第二过渡区24延长线的交接处，第二过渡区24的圆弧段和涂覆层22的延长线交接处作为激光开关起点，第二激光器6对第二过渡区24进行激光切割。

第五步：在第二激光器6切割第二过渡区24完成后；第二激光器6跳转切割与第二过渡区24相连的裸露区21，第二激光器6对裸露区21进行激光切割；

第六步：第二激光器6切割裸露区21完成后；第二激光器6跳转到与裸露区21相连的第一过渡区23的直线段作为激光起点，第一过渡区23与涂覆层22交接的圆弧段作为激光关光位置，至此完成对电池极片的激光切割。

当裸露区21为铝箔时，其与铜箔的切割方法相同，都是采用双激光器系统，切割图形也是一样的，不同的是切割参数的区别，具体如下所示：

激光工艺参数说明：

切割速度：切割时振镜运行的速度，速度越快，激光脉冲停留的时间越短，热量散发越快，反之，速度越慢，激光停留作用时间越长，热量堆积不易散发。

空跳速度：激光器不出光，在完成空跳运动时振镜运行的速度。

激光q频率：是指脉冲激光器每秒发出的脉冲数，相同时间下，频率越高，单脉冲能量越小，激光的破坏力也越小，此时激光主要体现为热能。

脉冲宽度：是指单个脉冲持续的时间，脉冲宽度越小，激光持续时间越短，峰值功率越高，激光的破坏力越大。反之，脉冲宽度越大，激光持续时间越长，峰值功率越低，激光主要体现为热能。

激光功率：激光器的输出功率。

开光延时：将激光起点与振镜运动起点相结合的调节时间，激光开光前振镜系统提前或延后的时间。

关光延时：将激光尾点与振镜运动尾点相结合的调节时间，激光关光前振镜提前或延后的时间。

拐弯延时：在图形轨迹拐角处，使振镜运动至曲线到位的调节时间。

跳转延时：空跳后，使振镜运动至静止到位的调节时间。

正负极片中铝箔和铜箔的厚度以及反射率，还有涂覆层的厚度不同。所用的切割工艺参数不同。

当裸露区21为铝箔时，激光切割的参数如表1：

表1裸露区为铝箔时，激光切割的参数

当裸露区21为铜箔时，激光切割的参数如表2：

表2裸露区为铜箔时，激光切割的参数

本发明由于第一过渡区23和第二过渡区24分别和涂覆层22交接圆弧段较短，如果采用直角切割，会因为第二激光器6的开关光延时、拐弯延时和跳转延时造成切割效果很差，甚至切不下来的情况，所以把直角改成圆弧切割，并且延长切割线，这样就使得在切割时，激光切完涂覆层22跳到第一过渡区23或第二过渡区24时晚一点关光而又在跳到裸露区21时早一点开光，进而解决了上述问题。

本发明把直角改成圆弧切割，并且延长切割线，是想说明是由于延长切割线使得激光的出光轨迹(即切割图形)得以延长或缩短，开关光的早晚是通过延长或缩短切割图形交接位置处的延长线来得到的，而不仅仅是通过激光开关光延时得到；因为如果只是通过激光开关光延时来控制激光开关光的话，参数调节起来比较麻烦，需要反复尝试来匹配切割图形和其他切割参数。而如果从图形上稍微有所变动，就可以减少很多参数上的调整，从而降低工艺参数调试难度。

本发明图形的调整就是“把直角切割改为圆弧切割，并且延长切割线”，这就是涂覆层22和第一过渡区23和第二过渡区24交接的位置，两部分均会延长出一段来，其实涂覆层22和裸露区21交接处也是有延长线，只是图形重合，没有涂覆层22和第一过渡区23和第二过渡区24交接交接看的直观。因为这样延长切割线的话，延长出的部分，激光就会比不延长多出光一小段，这就相当于激光早一点出光、晚一点关光。切完c段，跳到b段时，交接处b段圆弧延长线也延长一部分，这是从涂覆层22到第一过渡区23时激光出光的位置，多出的一段就是相当于激光提前出光。这样处理就能保证不会出现各段之间由于切割参数的不同而导致极片切不掉的现象。而参数中的激光开光延时和关光延时是用来调试不同材料切割时的切割效果的，和激光切割速度、q频率等相匹配，从而得到好的切割效果。

所以切铝箔和铜箔时，所用的激光开关光延时有所区别，切铝箔时裸露区和第一过渡区23和第二过渡区24开关光延时都是0，这是因为与其他切割参数相匹配的结果，不是说切铝箔时这部分不提前开光和延迟关光，而是通过延长线实现了提前开光和延迟关光。

关于延长线的长度，可以根据延长线长度和切割速度得出切割这段延长线所需要的时间t，这个时间t要大于激光开关光延时的时间，但不能过长，会影响切割效率。

简而言之就是，激光开关光延时，是用来保证切割切割效果的，和激光切割速度、q频率等相匹配，从而得到好的切割效果。而延长各交接处的切割线，是为了保证所要得到的极片能够完整的切割下来。如果不延长切割线，在不同段交接处切换激光器和参数时，由于激光的延时问题，会出现极片不能完全切掉的现象出现。

本发明采用的切割方式为前聚焦方式切割(即：聚焦透镜安装在振镜系统之前，聚焦透镜置于扩束镜和振镜系统中间位置，这样的切割方式激光在未通过振镜时完成聚焦，而后再通过振镜系统控制出光轨迹，能得到大幅面的作用范围)，与现有的极片切割均采用的后聚焦切割方式(即：聚焦透镜安装在扫描振镜之后，激光在通过聚焦透镜后直接作用到工件上)，前聚焦相比于后聚焦，聚焦光斑更小，光斑处激光功率密度更大，能够提高切割速度，配合三轴振镜，切割范围大，能进行大幅面切割和小幅面批量切割，提高切割效率，节约成本。

本发明根据电池极片涂覆层的情况采用纳秒+皮秒双激光器同光路切割，并且切割方式采用的是前聚焦方式切割。前聚焦相比于现有的后聚焦切割方式，聚焦光斑更小，光斑处激光功率密度更大，能够提高切割速度，配合三轴振镜，切割范围大，能进行大幅面切割和小幅面批量切割，提高切割效率，节约成本。并且皮秒激光器解决了纳秒激光器在切割不带涂覆层的极片时极容易出现缺陷的现象，再配合合理的工艺参数，很好的改善了切割效果，切口整齐，基本无毛刺和卷边现象。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。