超声波焊接装置和制造金属箔垛的方法与流程

本发明涉及一种具有超声震荡单元和砧座的超声波焊接装置。此外，本发明涉及一种由金属箔制造金属箔垛的方法，尤其是用于锂离子电池的单池。

锂离子电池的单池具有一定数量的阴极和阳极。阴极和阳极在此通常借助金属箔形成，其中，阴极(阴极箔)和阳极(阳极箔)交替堆叠，并且其中，在阴极和阳极之间分别布置有分离器(分离箔)。阴极分别相互导电连接，并且尤其额外地与所谓的单池放电器(tab)连接。以类似的方式，阳极分别相互导电连接，并且尤其额外地与所谓的单池放电器(tab)连接。

阳极箔和阴极箔通常具有用阳极材料和/或阴极材料涂层的部段。为了使阳极箔和/或阴极箔相互连接，它们适宜地分别具有横向突出的并且未涂层的第二部段，其也称为旗状物并且配设用于与其他膜和必要时与单池放电器连接。

例如阳极的旗状物和/或阴极的旗状物连同相应的单池放电器一起或者在没有相应的单池放电器的情况下相互超声波焊接。然而这种通过超声波焊接的连接是比较不可靠的，换句话说不是抗疲劳的，因此彼此的连接在电池的使用寿命期间会松脱。

相对于此备选的是，借助激光束将金属箔在具有或者不具有单池放电器的情况下相互焊接。然而在此会在金属箔之间产生气泡和/或空腔，因此导电性相对较低和/或连接的牢固性降低。

由文献de102012018912a1已知用于制造薄膜垛的方法，其中，待接合的金属箔首先借助超声波焊接装置预固定和压实，然后借助激光焊接(激光束焊接)材料配合地相互连接。

然而在此，尤其由于用于激光束焊接的区域不十分清楚，所以激光束会在通过超声波焊接压实的区域外部作用。因此金属箔的连接比较不可靠，和/或连接的牢固性比较低，即金属箔彼此以及相对单池放电器的连接不是抗疲劳的。

本发明要解决的技术问题是提供一种特别适宜的、制造金属箔垛的方法，一种超声波焊接装置以及一种这样的金属箔垛。尤其应借助所述超声波焊接装置和/或借助所述方法实现金属箔相互的特别可靠的连接，并且优选额外地与单池放电器(或者说单池导体)的特别可靠的连接。

在超声波焊接装置方面，上述技术问题按照本发明通过权利要求1的特征解决。按照本发明在方法方面通过权利要求7的特征解决上述技术问题，在金属箔垛方面通过权利要求10的特征解决上述技术问题。本发明的有利设计方案和改进设计是从属权利要求的内容。在此，结合超声波焊接装置的介绍当然也适用于该方法以及金属箔垛，并且反之亦然。

超声波焊接装置用于将压花面引入金属箔垛中，所述金属箔垛尤其设置和构造用于锂离子电池的单池。超声波焊接装置具有砧座和也被称为电喇叭的超声震荡单元，其中，砧座或超声震荡单元具有一定数量的相对砧座的或超声震荡单元的工作面竖起(或者说突起、隆起)的第一凸起部。第一凸起部用于通过在超声波焊接过程期间压紧(压缩、压实)金属箔垛以形成压花面(或称为压印面)，尤其轨道状的压花面。

在超声波焊接过程期间，金属箔垛的重叠堆垛的金属箔借助凸起部彼此挤压并且金属箔垛在第一凸起部的区域中被压紧。以此方式在形成压花面的情况下将凹部压入金属箔垛中。

压花面在此定义一区域，在超声波焊接后借助激光束加载该区域，或者压花面定义一轨道，激光束沿该轨道移动以对金属箔进行激光束焊接。

在此，轨道状的面理解为长度大于宽度的面，并且尤其在其纵向沿预定的线(轨道)延伸。此外，一定数量的凸起部理解为一个单独的凸起部或多于一个的凸起部。

压花面在此不必须构造成相关联的。由于金属箔垛的压紧，所以在压花面的区域中在各个金属箔之间的距离减小，尤其构成零间隙。此外防止在激光束焊接时金属箔之间的空腔和相关的空气泡形成，或者至少明显降低其风险。此外由于压紧，所以金属箔垛的厚度(即金属箔垛在垂直于金属箔的方向上的尺寸)的波动在压花面的区域中减少。因此，对于后续的激光束焊接过程实现了在压花面上的均匀的条件，例如在激光束的穿透深度方面均匀的条件。

在开始提到的现有技术，即de102012018912a1中，用于压实的砧座和超声震荡单元的粗糙度尽可能小，以避免在压实期间损坏金属箔。在此对于10微米的金属箔厚度来说，粗糙部的厚度在0.1微米至1.0微米的范围中。相反，根据本发明有针对性地为激光束的输入形成确定的面。为了激光焊接而被激光束射到的面或激光沿着移动的面借助通过压实金属箔构成的凸起部，即通过借助凸起部压缩金属箔，在形成压花面的情况下定义或者说确定。在此，第一凸起部形成用于压花面的一种阴模。压花面以此形成在金属箔的下述区域中，即该区域布置在第一凸起部和与第一凸起部相对的超声震荡单元和/或与第一凸起部相对的砧座之间。

根据超声波焊接装置的一种有利的改进设计，若超声震荡单元具有第一凸起部，则砧座具有轮廓，所述轮廓是借助一定数量的相对砧座的工作面竖起的第二凸起部构造的。相对于此备选的是，砧座在其工作面中具有一个或者多个凹部，借助所述凹部形成所述轮廓，并且所述凹部相对于所述第一凸起部，尤其相对于其形状和布局相互对应。

若砧座具有第一凸起部，则超声震荡单元具有借助一定数量的相对超声震荡单元的工作面竖起的第二凸起部构造的轮廓。相对于此备选的是，超声震荡单元具有借助凹部形成的轮廓，所述轮廓相对于所述第一凸起部，尤其相对于其形状和布局相互对应。

在此，砧座和超声震荡单元这样彼此定向，即第一凸起部和第二凸起部在垂直于工作面的方向上彼此对置，即以彼此相对的位置布置。压花面以此引入金属箔的下述区域中，即该区域布置在第一凸起部和与第一凸起部相对第二凸起部之间。若该轮廓借助凹部形成，则砧座和超声震荡单元这样彼此定向，即第一凸起部和凹部在垂直于工作面的方向上彼此对置，即以彼此相对的位置布置。尤其，在超声波焊接过程期间，第一凸起部至少部分地在垂直于超声震荡单元和砧座的工作面的方向上咬合到相应的凹部中。以此方式将压花面在凹部中，即在超声震荡单元和/或砧座内部引入金属箔中。

相对于此备选的是，第一凸起部和第二凸起部参照平行于工作面的方向尤其格栅式相对第二凸起部错开。这也称为第一凸起部和第二凸起部的中间位置。因此在超声波焊接过程期间，压花面被引入金属箔的下述区域中，该区域布置在第一凸起部和与第一凸起部相对的工具，即超声震荡单元和/或砧座之间。在此，压花面布置在第二凸起部之间。尤其，第一凸起部至少部分地在垂直于超声震荡单元和砧座的工作面的方向上咬合在第二凸起部之间。第一凸起部和第二凸起部在此共同形成用于压花面的一种阴模。

为了砧座和超声震荡单元彼此定向，适宜地在超声震荡单元和砧座上都设置有参考点。针对金属箔的超声波焊接，这些参考点彼此定向，例如这样定向，即超声震荡单元的参考点与砧座的与此对应的参考点在垂直于工作面的共同方向上相互对齐。在此适宜的是，所述第一凸起部和轮廓相对于在相应的参考点方面以相对于参考点的确定的距离和确定的相对位置布置。相对于参考点备选的是也可以使用参考直线、参考曲线、参考面或其组合。

相较于砧座，超声震荡单元在其固体声导引和/或其振动特性方面具有比较高的要求。在定向时，超声震荡单元例如会受损或者错位。因此，优选砧座相对于超声震荡单元被定向。例如通过与参考点一致的合适的夹紧固定砧座。在此适宜的是，参考点相对于凸起部的公差和凸起部本身的(制造)公差选择为尽可能小。

第一凸起部、凹部和/或第二凸起部例如可以是金字塔形、半球形或半柱形。根据优选的设计方案，第一凸起部、凹部和/或第二凸起部是棱柱形或截顶方棱锥形。相应的棱形体例如具有三角形或梯形作为基本面，其中，棱形体平行于相应的工作面延伸。借助适当选择第一凸起部、凹部和/或第二凸起部的形状，可以设置或设置压花面，和相应地可以设置或设置金属箔的待借助激光束熔化的区域，该熔化区域尤其形成(激光)焊缝。以此可以例如根据期待的拉力和/或预先规定的坚固性，即连接的可靠性设置激光焊缝的布局，即位置以及走向。尤其棱柱形或者半球形的凸起部的延伸方向平行于超声震荡单元的振动方向或者相对于超声震荡单元的振动方向成角度地取向。然而优选的是凸起部的延伸方向横向于，即垂直于超声震荡单元的振动方向。

按照合适的设计方案，该第一凸起部、凹部和/或第二凸起部具有0.02毫米至1.0毫米之间，尤其0.05毫米至0.5毫米之间的高度。尤其根据待接合的金属箔的数量以及根据其厚度选择第一凸起部和/或第二凸起部的高度。尤其根据第一凸起部的高度选择凹部的高度。在此，高度理解为凸起部或凹部在垂直于相应工作面的方向上的尺寸。

尤其若借助超声波焊接装置将单池放电器(tab)固定，尤其附着在金属箔上，则根据适宜的改进设计，第二凸起部具有比第一凸起部更小的高度。在此情况中，第二凸起部尤其用于在超声波焊接过程期间固持单池放电器。例如第二凸起部的高度小于第一凸起部高度的一半，尤其小于第一凸起部高度的四分之一。

根据优选的设计方案，超声震荡单元具有多个彼此平行延伸的第一凸起部。在此，第一凸起部优选是棱柱形的，优选具有梯形作为基本面。在此，第二凸起部尤其具有比第一凸起部更小的高度，其中，第二凸起部构造成金字塔。例如构造成金字塔的第二凸起部布置成多排，其平行于棱柱形的第一凸起部延伸。在此，在平行于工作面和垂直于构造成棱柱的第一凸出部的延伸方向的方向上，有两排或三排第二凸起部分别布置在两个第一凸起部之间。因此，第一凸起部和第二凸起部在垂直于棱柱的延伸方向和平行于工作面的方向上尤其格栅式彼此错开地布置。

所述方法用于由金属箔制造金属箔垛，金属箔垛尤其用于锂离子电池的单池，所述单池例如构造成软包单池(或者说电池包)。在此，在第一步骤中制备上下堆叠的金属箔。尤其，所述金属箔构成(电池的)单池的阳极或阴极。

在第二步骤中，金属箔尤其在侧向突出的部段(也被称为相应的金属箔的旗状物)中借助超声波焊接装置在形成压花面的情况下压紧和相互固定。在此优选的是，超声波焊接装置是根据上述变型设计之一构造的。

在随后的第三步骤中，借助激光束将金属箔在压花面的区域中相互焊接。为此，如上所述，压花面被激光束加载或沿借助压花面定义的轨道移动。例如借助激光束产生点焊缝、自动点焊或连续的直线或曲线焊缝。例如额外地，激光用所谓的摆动功能(wobble-funktion)运行，使得焊缝比较宽并且激光束在较大的面上移动。

相应地，用于制造金属箔垛的装置包括超声波焊接装置，优选按照上述变型设计之一的超声波焊接装置，还包括产生激光束的激光设备，其中，所述激光设备适宜地相对于第一凸起部定向。尤其，所述装置因此用于执行所述方法。

根据合适的改进设计，在压紧期间，即在所述方法的第二步骤期间，电气的单池放电器固定在金属箔上。为此适宜的是，单池放电器与金属箔一起借助超声波焊接设备的砧座和超声震荡单元共同压紧。随后，以此固定的单池放电器借助激光束在压花面的区域中焊接在金属箔上。

相对于此备选的是，单池放电器仅在激光束焊接期间与金属箔焊接。在此，单池放电器优选位于压紧的区域上，即在金属箔的压花面的区域中。因此，避免或至少减少在激光束焊接期间金属箔垛和单池放电器之间形成空腔。

可行的是，激光束照射到金属箔上，或者备选地激光束照射到单池放电器上。换句话说，在激光束焊接期间，或者单池放电器布置在激光设备和金属箔垛之间，或者金属箔垛布置在激光设备和单池放电器之间。

按照适宜的设计方案，为了压紧，超声波焊接装置的砧座的工作面被相对于超声波焊接装置的超声震荡单元的工作面定向。尤其，为此使用参考点，尤其超声震荡单元的参考点。

此外，为了借助激光束焊接金属箔，也即为了所述方法的第三步骤，激光设备相对于超声震荡单元这样定向，使得激光束到达压花面的区域或沿压花面被移动或移动。

根据有利的改进设计，根据上述方法制造金属箔垛和/或借助上述变型设计之一中的超声波焊接装置制造金属箔垛。尤其以此方式实现金属箔之间以及单池放电器在金属箔垛上比较可靠的材料配合的连接(接合)。

下面根据附图进一步阐述本发明的实施例。附图中：

图1示意性以立体图示出带有砧座和超声震荡单元的超声波焊接装置，其中，超声震荡单元在其工作面上具有相互平行延伸的第一凸起部，借助所述凸起部将压花面引入设置在超声震荡单元和砧座之间的金属箔垛中，

图2a至c以示意性俯视图示出超声震荡单元，分别具有不同设计的第一凸起部，

图3a至d以示意性俯视图示出砧座，分别具有借助第二凸起部形成的轮廓的不同变型，其中，第二凸起部相对于砧座的工作面竖起，

图4a以示意性前视图示出金属箔垛，其中，单池放电器布置在压花面上，并且其中，金属箔垛的金属箔以及单池放电器借助沿压花面移动的激光束相互材料配合地接合，

图4b以示意性俯视图示出金属箔垛和布置在其上的单池放电器，

图5a示意性以侧视图示出超声波焊接装置的备选的设计方案，其中，砧座具有第一凸起部，并且其中，超声震荡单元具有借助一定数量凹部形成的轮廓，以及

图5b示意性以侧视图示出超声波焊接装置的另外的备选的设计方案，其中，超声震荡单元具有第一凸起部，并且其中，砧座具有借助一定数量凹部形成的轮廓。

相应的部件和变量在所有附图中总是配设相同的附图标记。

图1示出超声波焊接装置2的局部，其具有超声震荡单元4以及砧座6。超声震荡单元4构造成t形，具有垂直边4a和相对于该垂直边横向延伸的水平边4b，其中，垂直边4a与未进一步示出的振荡器系统连接，借助该振荡器系统可以使超声震荡单元4在沿垂直边4a延伸的振动方向s上振动。例如超声震荡单元在此以2khz至40khz之间的频率振动。水平边4b的一个端侧面在此面对砧座6，其中，该端侧面形成超声震荡单元4的工作面4c。

超声震荡单元4在工作面4c上具有两个第一突起部8，所述工作面4c面对砧座6并且在超声波焊接过程期间，待加工的工件贴靠在该工作面4c上。砧座6具有轮廓，所述轮廓借助三个第二凸起部10形成，其中，第二凸起部10相对砧座6的工作面6a竖起。在此，第一凸起部8和第二凸起部10分别都相互平行并且构造成棱柱形，其中，棱柱分别具有梯形作为底面，并且其中，棱柱平行于工作面4c和/或6a延伸。在此，第一凸起部8和第二凸起部10横向于超声震荡单元4的振动方向s延伸。

超声震荡单元4和砧座6在此这样彼此定向，使得第一凸起部8和第二凸起部10在平行于相应的工作面4c和/或6a和垂直于棱柱的延伸方向的方向上，即在超声震荡单元4的振动方向s上格栅式彼此错开。

根据未进一步示出的变型设计，砧座6和超声震荡单元4这样彼此定向，使得第一凸起部8和第二凸起部10在垂直于工作面4c和6a延伸的方向上相互面对。换句话说，第一凸起部8和第二凸起部10相对于该方向以彼此相对的位置布置。

上下相叠的金属箔12被引入砧座6和超声震荡单元4之间。借助上下相叠的金属箔12形成的金属箔垛14尤其用于锂离子电池的未进一步示出的单池，例如单池构造成所谓的软包单池。在使用超声波焊接装置2时，即在超声波焊接金属箔12期间，金属箔12在形成压花面16的情况下借助第一凸起部8压实(压缩)。尤其在图4a和4b中可以比较清楚地看到的压花面16设计成轨道式的。第一凸起部8连同第二凸起部10一起在此形成用于压紧金属箔垛14的阴模。在压紧时引入金属箔垛14的压花面16定义了一区域和/或轨道，其用于在激光束焊接过程(激光焊接过程)期间的激光束18，如图4a所示。在此，由于借助在超声波焊接过程导致在压花面16的区域中金属箔垛16的压实，所以避免或至少减少了金属箔12之间形成空腔并且实现了用于激光束焊接的保持不变的(均匀的)条件。以此方式可以实现金属箔12彼此特别可靠的连接。

金属箔仅部段式支承在砧座6的工作面6a上。图1中所示的金属箔12的部段设置用于相互接合，其也被称为旗状件。除旗状件外的金属箔12以未示出的方式定位在支架上。

在图2a至2c中以俯视图示出超声震荡单元4，分别具有彼此不同的设计的第一凸起部8。在此，分别形成三排第一凸起部8，它们垂直于超声震荡单元4的振动方向s延伸。根据未进一步示出的设计，第一凸起部8的排平行于超声震荡单元4的振动方向s延伸或者相对于超声震荡单元4的振动方向s成角度地延伸。

三排第一凸起部8在此彼此间隔地布置。在图2a中，在上方示出的第一凸起部8的排具有两个位于外部的构造成金字塔的第一凸起部8和一个布置在其间的棱柱形的凸起部8，其基础面构造成三角形。中间的排在此借助唯一的棱柱形的第一凸起部8形成，第三排构造具有三个第一凸起部8，其中，两个外部的凸起部分别构造成截顶方棱锥，布置在其间并且从其中截顶方棱锥延伸至该排的另一个棱台的第一凸起部8构造成具有梯形作为基本形状的棱柱。

在图2b所示的超声震荡单元4的设计方案中，中间和下方所示的排与根据图2a的设计方案的中间和下方的排一致。

超声震荡单元4的设计方案的上方所示的排与其第三排第一凸起部8类似地形成，因此有两个位于外部的棱台形的第一凸起部8和一个布置在其间的棱柱形的第一凸起部8。

与图2a和2b的设计方案不同的是，图2c的超声震荡单元4的设计方案在上方所示的第一凸起部8的排中具有三个凸起部8，凸起部8分别构造成具有梯形作为基本面的棱柱，其中，这三个棱柱沿共同的方向延伸。

在图2a至2c的设计方案中的棱柱在端侧相对于其向工作面4c的延伸方向是倒角的。

在图3a至3d中示出相对砧座6的工作面6a竖起的第二凸起部10的不同变型设计。在此，根据图3a至3c，借助第二凸起部10分别形成四排，它们彼此平行地延伸并格栅式相对于根据图2a至2c的变型设计之一的借助超声震荡单元4的第一凸起部8形成的排错开。换句话说，在垂直于工作面4c、6a的方向上第一凸起部8不与第二凸起部10重叠。

在图3a中，四排分别借助唯一的棱柱形第二凸起部10形成。在图3b中，四排分别通过多个金字塔形的第二凸起部10形成，其中，金字塔分别具有正方形的底面，并且其中，相应排的金字塔这样并排布置，使所有金字塔的底面形状的对角线之一位于共同的直线上。

在砧座6的图3c中所示的变型中，四排第二凸起部10同样借助具有正方形底面的金字塔形成。然而在此，金字塔这样布置成排，即所有金字塔的底面的两个相对的侧面在两个相互平行的直线上延伸。

在图3d中示出砧座6的另外的设计方案，其中，第二凸起部10分别构造成金字塔。金字塔形的第二凸起部10布置成十二排，其中，这十二排分成四组，每组三排。在此，这四组彼此间隔开地布置。在每组中，金字塔彼此棋盘形地布置。沿平行于振动方向s和平行于工作面4c和/或6a的直线，根据图1至2c的设计方案之一构造的超声震荡单元4的第一凸起部8和第二凸起部10彼此以3：1的比例格栅式错开。换句话说，沿该方向交替布置一个第一凸起部8和三个第二凸起部10。

在未示出的另外的变型设计中，第一凸起部8和/或第二凸起部10是半球形或者圆柱形，尤其半圆柱形的。

图2a至2c和3a至3d中所示的第一凸起部8和其中所示的第二凸起部10在此具有0.05毫米至0.5毫米之间的高度。在此，图3b至3d的第二凸起部10具有比第一凸起部更小的高度。图3d中所示的第二凸起部10具有小于图2a至2c的第一凸起部的高度的四分之一的高度。

此外，超声震荡单元4以及砧座6分别有两个参考点r1和r2或者说r1'和r2'，借助所述参考点，砧座6被相对于超声震荡单元4定向。在此，在定向的状态中，参考点r1与参考点r1'对应，类似地参考点r2与参考点r2'对应。

因此，相互对应的参考点r1和r1'或r2和r2'分别布置在共同的直线上，所述直线在垂直于工作面4c和6a的方向上延伸。

如图4a和4b可见，金属箔垛14支承在单池放电器20上。在此，单池放电器20位于压紧的区域上，即在金属箔垛14的压花面16的区域中。引入金属箔垛14中的压花面16定义用于激光束18的区域或轨道，使得在激光束焊接过程期间借助激光束18将金属箔12相互接合以及将金属箔垛14与单池放电器20接合。因此由于激光束18的作用，金属箔12相互熔融并且与单池放电器20熔融。相互熔融的区域b尤其形成焊缝并且为了更好的可见性而以阴影示出。此外，对于激光束焊接过程，产生激光束18的激光设备22相对于超声震荡单元4定向，使得激光束18沿压花面16移动。

在未进一步示出的变型中，单池放电器20在压紧金属箔12期间已经通过超声波焊接过程固定、尤其附着在金属箔垛16上，并且随后在焊接金属箔12期间借助激光束18在压花面16区域中焊接到金属箔垛16上。

根据图4a的未进一步示出的替选方案，金属箔垛14同样支承在单池放电器20上，其中，单池放电器20支承在压紧的区域上，即支承在金属箔垛14的压花面16的区域中。然而相较于图4a中所示的变型，激光设备22这样定向，即激光束18到达单池放电器20。在此，激光设备20这样定向，即激光束18在金属箔垛14的压花面16的区域中作用。单池放电器20布置在激光设备22和金属箔垛14之间。

总之，在用于制造金属箔垛14的方法中，在第一步骤中制备上下相叠的金属箔12。在第二步骤中，借助根据图1至3的设计方案之一构造的超声波焊接装置2在形成压花面16的情况下压紧金属箔12，其中，为此，超声波焊接装置2的砧座6的工作面6a相对于超声震荡单元4的工作面4a定向。在第三步骤中，借助激光束18在压花面16的区域中将金属箔12相互焊接，其中，产生激光束18的激光设备22相应地相对于超声震荡单元2定向。

在图5a和5b中分别示出超声波焊接装置2的备选的设计方案。在此，根据图5a的变型设计，砧座6具有第一凸起部8。超声震荡单元4具有借助一定数量的凹部11形成的轮廓。按照图5b，超声震荡单元4具有第一凸起部8，砧座6具有借助相对于第一凸起部8对应的凹部11形成的轮廓。

本发明不局限于上述实施例。相反地，本领域技术人员也可以导出本发明的其他变型设计，而不脱离本发明的内容。尤其地，所有与实施例关联地/随实施例说明的单个特征也可以以其他方式结合，而不脱离本发明的内容。

附图标记列表：

2超声波焊接装置

4超声震荡单元

4a超声震荡单元的垂直边

4b超声震荡单元的水平边

4c超声震荡单元的工作面

6砧座

6a砧座的工作面

8第一凸起部

10第二凸起部

11凹部

12金属箔

14金属箔垛

16压花面

18激光束

20单池放电器

22激光设备

b熔融的区域

r1、r1'、r2、r2'参考点

s超声震荡单元的振动方向