一种动力电池封口的焊接方法与流程

本发明涉及激光加工方法，尤其涉及到动力电池的壳体与盖板的焊接方法。

背景技术：

参见图1，动力电池封口焊接是指将动力电池的盖20板和壳体10组合后进行焊接，焊缝结构为直角对接。动力电池封口的焊接轨迹一般为具有圆角的矩形轨迹。现有的焊接方式，焊接效率较低，如果将焊接速度提高到大于100mm/s时，则激光束50直接照射金属熔化剧烈，同时凝固速度快，焊接过程较易受工件间隙40中的杂质影响，从而存在焊缝小孔等质量缺陷，以及焊缝咬边、不平整等外观缺陷。可见，实有必要进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种动力电池封口的焊接方法，能够提高焊接效率，改善焊接质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种动力电池封口的焊接方法，采用连续输出激光器作为激光光源，采用摆动式焊接头作为激光出光头，采用直线电机运动平台驱动摆动式焊接头相对待焊接工件运动，来实施动力电池的壳体与盖板的焊接；其中，使摆动式焊接头沿焊缝中心线做单方向闭环运动，使摆动式焊接头出射的激光作用于待焊接工件的光斑循焊缝中心线做圆形摆动，从而使待焊接工件的焊接轨迹为循焊缝中心线的螺旋线。

其中，使光斑的线能量较低一侧在焊缝与盖板的结合侧；使光斑的线能量较高的一侧在焊缝与壳体的结合侧。

其中，使光斑的圆形摆动的旋转方向与摆动式焊接头的闭环运动的旋转方向相反。

其中，使摆动式焊接头的闭环运动形成一与动力电池封口相匹配的形状，若闭环运动是顺时针，则光斑的圆形摆动的旋转方向是逆时针；若闭环运动是逆时针，则光斑的圆形摆动的旋转方向是顺时针。

其中，使摆动式焊接头包括两个摆动电机，每个摆动电机上装有偏转镜片，在焊接时，使两个摆动电机带动偏转镜片做有规律的摆动，从而使摆动式焊接头出射的光斑做圆形摆动。

其中，使摆动式焊接头与出射的激光同轴地吹保护气，使保护气的气体流量控制在20-30l/min。

其中，使摆动式焊接头的运动速度控制在100-250mm/s。

其中，使摆动式焊接头出射的光斑做圆形摆动的直径控制在0.2-1.5mm。

其中，使摆动式焊接头出射的光斑做圆形摆动的频率控制在200-1000hz。

其中，在实施焊接前，进行以下预备动作：校准摆动式焊接头的垂直度；定位摆动式焊接头的焦点；调整摆动式焊接头的光斑摆动轨迹；以及调节摆动式焊接头的运行参数。

本发明的有益效果在于，通过连续输出激光器、摆动式焊接头以及直线电机运动平台，使待焊接工件的焊接轨迹为循焊缝中心线的螺旋线，能够提高焊接效率，改善焊接质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是动力电池封口结构的示意。

图2是本发明动力电池封口焊接轨迹的示意。

图3是本发明摆动式焊接头结构的示意。

图4是本发明光斑运动轨迹合成的示意。

其中，主要附图标记如下：10壳体20盖板30运动轨迹50激光60摆动式焊接头301焊缝中心线305运动方向501焊接轨迹505旋转方向61光纤62准直系统63x轴摆动电机64y轴摆动电机65聚焦系统。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参见图2至图4，图2是本发明动力电池封口焊接轨迹的示意。图3是本发明摆动焊接头结构的示意。图4是本发明光斑运动轨迹合成的示意。本发明提出一种动力电池封口的焊接方法，其是采用连续输出激光器做为激光光源，采用摆动式焊接头为激光出射头，采用直线电机运动平台驱动摆动式焊接头相对待焊接工件运动。其中，摆动式焊接头的运动轨迹30是沿着焊缝中心线301，循运动方向305做单方向闭环运动所形成的形成一与动力电池封口相匹配的形状。摆动式焊接头60出射的激光50作用于待焊接工件的光斑循焊缝中心线301做圆形摆动，从而使待焊接工件的焊接轨迹501为循焊缝中心线301的螺旋线。在本实施例中，由于动力电池封口的形状为矩形，因此运动轨迹30为矩形；在其他实施例中，若动力电池封口的形状为圆形，则运动轨迹30相应地为圆形。

参见图4，该摆动式焊接头60包括与激光光源相连的光纤61，准直系统62，x轴摆动电机63，y轴摆动电机64以及聚焦系统65。其中，x轴摆动电机63和y轴摆动电机64可以带动焊接头60内部的偏转镜片(图未示出)摆动，从而控制光斑在一定范围内摆动。

另外，焊接头60具有与激光50同轴输出的保护气吹气装置(图未示出)，保护气通常为氮气或氩气，气体流量控制在20-30l/min。

在实施焊接时，焊接头60安装在三轴直线电机运动平台(图未示出)上，工件(即壳体10和盖板20)固定在夹具(图未示出)上。由直线电机运动平台驱动焊接头60，按照图2所示的运动轨迹30运动，实施焊接，焊接头60的运动速度控制在100-250mm/s。

并且，在焊接过程中，焊接头60内部的偏转镜片摆动，使激光50作用于待焊接工件的光斑循焊缝中心线301做圆形摆动，从而使待焊接工件的焊接轨迹501为循焊缝中心线301的螺旋线(参见图3)。在本实施例中，光斑循焊缝中心线301做圆形摆动的直径控制在0.2-1.5mm，摆动频率控制在200-1000hz。

值得一提的是，焊接头60由直线电机运动平台驱动，循逆时针方向形成运动轨迹30。同时，由焊接头60产生的激光50的光斑的摆动轨迹的旋转方向505是一致地采用顺时针方向。在其他实施例中，如果焊接头60由直线电机运动平台驱动，循顺时针方向形成运动轨迹30。那么，由焊接头60产生的激光50的光斑的摆动轨迹的旋转方向505则是一致地采用逆时针方向。也即，运动方向305的旋转方向与光斑的摆动轨迹的旋转方向505是相反的。以下，对本发明的这种运动方向305与旋转方向505相反的工作原理，予以详细说明。

在一个直径为1mm的圆形摆动周期内，假设光斑的圆周摆动速度为v1，角速度为ω，焊接头60的直线运动速度为v2，激光50的光斑在工件平面内的运动速度参数方程为:

vx＝v1sin(wt)+v2vy＝v1cos(wt)

其中，vx、vy为光斑合成运动的分速度。当运动方向305与摆动式焊接头60的运动方向平行时，光斑在焊缝中心线301上下两侧的运动速度不同，则单位时间内，光斑在焊缝中心线301上的位移也不同。光斑在焊缝中心线301上下两侧的运动轨迹的弧长分别为：

其中，l1位于光斑运动较快的一侧，l2位于光斑运动较慢的一侧。如此一来，会造成焊缝中心线301上下两侧单位长度内吸收的激光能量不同。进一步的，在单个摆动周期t内，光斑在焊缝中心线301上下两侧摆动，其平均线能量相差为e:

其中，p为激光功率，n为激光吸收百分比，t为摆动周期，l1和l2分别为焊缝中心线301上下两侧的光斑运动轨迹的弧长。

例举一：激光全部被吸收，即n＝1；激光功率p＝3000w；摆动周期t＝0.00125s(对应的频率为800hz)；摆动直径d＝0.3mm；平台运动速度v2＝200m/s；则l1＝0.5580mm，l2＝0.4006mm，平均线能量相差e＝1.32j/mm；其中，l1侧对应平均线能量e1＝3.3602j/mm，l2侧对应平均线能量e2＝4.6805j/mm，e1:e2＝71.79％。

例举二：激光全部被吸收，n＝1；激光功率p＝3000w；摆动周期t＝0.005s(对应的频率为200hz)；摆动直径d＝1mm；平台运动速度v2＝200m/s；则l1＝1.9232mm，l2＝1.2969mm，平均线能量相差e＝1.88j/mm；其中，l1侧对应平均线能量e1＝3.8998j/mm，l2侧对应平均线能量e2＝5.7802j/mm，e1:e1＝67.47％。

由上述例举可见，如果运动方向305为逆时针进行旋转，则光斑的摆动轨迹的旋转方向505应当为顺时针；如果运动方向305为顺时针进行旋转，光斑摆动轨迹的旋转方向505应当为逆时针。也即，始终保持线能量较低一侧(l1侧，即图3中的焊缝中心线301的上侧)在焊缝40与盖板20的结合侧(参见图1)，从而达到消除咬边的目的。同时也可保证线能量较高的一侧(l2侧，即图3中的焊缝中心线301的下侧)在焊缝40与壳体10的结合侧(参见图1)，从而达到光滑包边的效果。

具体而言，该焊接方法在实施焊接之前，进行以下预备动作：

步骤一，校准摆动式焊接头60的垂直度。具体地，该焊接头60为摆动式焊接头，其装有两个摆动电机，摆动电机上装有偏转镜片。螺旋焊接时，两个摆动电机带动偏转镜片做有规律的摆动，使得激光束50形成一个圆形摆动轨迹。另外，该焊接头60可以同轴吹保护气。同轴吹保护气可以确保焊接效果的一致性。

这一校准的过程具体包括：使焊接头60在z1高度出光，在工件平面上打一个点p，然后调整ccd中的显示的十字架与焊点重合；将焊接头60高度调到z2，观察ccd中的十字架与焊点p是否重合，如果不重合，说明焊接头60不垂直，需调整焊接头60角度，直至ccd中的十字架与焊点重合。焊接头垂直度会直接影响焊缝一致性。

步骤二，定位摆动式焊接头60的焦点。具体地，在焊接头60下斜置一块钢板，以一定速度和功率焊接一条直线，然后观察直线焊缝上的熔宽和熔深，在熔深最大处，即为焦点。

步骤三，调整摆动式焊接头60的光斑摆动轨迹。具体地，运动轨迹30为闭合式的，如果运动方向305为逆时针方向，光斑的旋转方向505保持顺时针方向；如果运动方向305为顺时针方向，光斑的旋转方向505保持逆时针方向。

步骤四，调节摆动式焊接头的运行参数。具体包括：激光功率、焊接速度(即前述的平台运动速度v2)、离焦量、保护气流量、圆周摆动直径和圆周摆动频率等参数。

举例而言，激光功率3500w，焊接速度200mm/s，离焦量+3mm，保护气为氩气或氮气，流量为30l/min，圆周摆动直径选择为0.3mm，圆周摆动频率选择为500hz。假设n＝1，则l1＝0.5639mm，l2＝0.3188mm,平均线能量相差e＝4.7720j/mm。其中，焊缝40靠近盖板20侧的平均线能量e1＝6.2068j/mm，焊缝40靠近壳体10侧的平均线能量e2＝10.9788j/mm，e1:e2＝56.53％。

本发明的有益效果包括：1、通过调整光斑的摆动直径、摆动频率和摆动方向(即旋转方向505)，使待焊接工件的焊接轨迹501为循焊缝中心线301的螺旋线，可以消除动力电池封口焊缝的咬边，光滑焊缝。另外，由于加入摆动，熔池深宽比降低，可以将焊缝由v字形，调整为u字形，焊缝成型效果更佳，不会因焊缝过深导致金属飞溅进入电池壳体内部，影响焊缝性能，这一特性在电池壳体10、盖板20越薄时，效果越明显。2、通过光斑摆动，可消除焊接气孔，减少工件(壳体10和盖板20)间杂质造成的飞溅孔洞，提高焊接良率。3、通过摆动式焊接头60同轴输出保护气体，能够防止工件的金属氧化，使焊缝外观光亮。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述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；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。