用于激光焊接的方法和设备与流程

背景技术：

激光焊接是一种金属接合工艺，其中激光束被导向至金属工件堆，以提供能够在重叠的组成金属工件之间产生融合焊接接头的集中能量源。金属工件层可以相对于彼此堆叠和对齐，使得它们的接合表面重叠以在预期的焊接位置内建立接合界面。然后将激光束导向至工件堆叠的顶表面或顶表面附近。吸收激光束提供的能量而产生的热量将引发金属工件的熔化，并在工件堆叠内建立熔融焊池。熔融焊池穿过被激光束撞击的金属工件并进入下面的金属工件，以到达与所有已建立的接合界面相交的深度。

激光束在撞击工件堆叠的顶表面时快速产生熔融焊池。在熔融焊池形成并稳定后，激光束沿着工件堆的顶表面前进，同时跟踪预定的焊接路径。激光束的这种前进使熔融焊池沿着相对于工件堆叠的顶表面的相应路线平移，并在前进焊池的尾流中留下熔化的工件材料，该焊池包括来自工件堆叠中的金属工件层的材料。这种穿透的熔融工件材料冷却并固化以形成焊接接头，该焊接接头由来自金属工件的所有层的再固化材料组成。来自金属工件重叠层的材料的这种熔合形成焊接接头。

已知激光焊接产生的热量会作用于工件层使工件变形，并且由于热量和蒸汽会在工件之间产生局部材料空隙。局部材料空隙可表现为工件堆叠中的层之间的间隙和/或一个或多个工件中的空隙，影响焊接接头的使用寿命，并因此影响包括焊接接头的部件的使用寿命。当工件堆叠包括焊接到电池凸片的多个电池单元箔时，局部材料空隙的出现可能影响一个或多个电池单元箔与电池凸片之间的导电性。

技术实现要素：

描述了一种通过激光焊接机将多个电池单元箔接合到电池凸片的装置和相关方法。每个电池单元箔都配置为包括边缘的薄片，并且电连接到电池单元的正极或负极。电池凸片配置为包括边缘、第一表面以及与第一表面相对的第二表面的薄片。该接合方法包括将多个电池单元箔布置在堆叠中，其中电池单元箔的第一边缘平行设置。布置在堆叠中的电池单元箔定位成使得电池单元箔的第一边缘与电池凸片欠重叠。可以将压缩载荷施加到多个电池单元箔和电池凸片。激光焊接机执行焊接操作以形成焊接接头，该焊接接头机械和电气地接合电池单元箔和电池凸片。焊接操作包括激光焊接机将激光束施加到电池凸片的第二表面。在电池单元箔的第一边缘附近执行焊接操作，并且焊接接头形成在电池单元箔的第一边缘的1.5mm内。

本公开的一个方面包括平行布置电池单元箔的第一边缘，并且限定与由堆叠的电池单元箔限定的第一平面正交的第二平面。

本公开的另一方面包括平行布置电池单元箔的第一边缘，并且限定相对于由堆叠的电池单元箔限定的第一平面渐缩的第二平面。

本公开的另一方面包括多个单元箔，其包括设置在电池凸片最远处的底部单元箔，并且其中焊接操作在底部单元箔的第一边缘的1.5mm内执行。

本公开的另一方面包括将压缩载荷施加到多个电池单元箔和电池凸片，但不包括电池单元箔的位于电池凸片的一部分之下的部分。

本公开的另一方面包括一种用于将多个电池单元箔接合到电池凸片的设备，其中每个电池单元箔都配置为包括第一边缘的薄片，并且其中电池凸片配置为包括第二边缘的薄片。该设备包括激光焊接机和包括砧座、第一夹紧装置以及第二夹紧装置的夹紧机构。激光焊接机可操作来执行焊接操作，以形成接合电池单元箔和电池凸片的焊缝，包括将激光束导向至电池凸片的第二表面上，其中焊缝形成在电池单元箔的第一边缘的1.5mm内。

本公开的另一方面包括焊接接头，该焊接接头包括多个电池单元箔，其中每个电池单元箔片都配置为包括第一边缘和电池凸片的薄片，其中电池凸片配置为包括第一表面、与第一表面相对的第二表面以及第二边缘的薄片。电池单元箔布置在堆叠中，电池单元箔的第一边缘平行设置，并且电池单元箔布置在堆叠中使得电池单元箔的第一边缘位于电池凸片的一部分之下。通过向多个电池单元箔和电池凸片施加压缩载荷并通过激光焊接机执行焊接操作将电池单元箔接合到电池凸片，从而形成接合电池单元箔和电池凸片的焊接接头。焊接操作包括将激光束导向至电池凸片的第二表面上，其中焊接接头形成在电池单元箔的第一边缘的1.5mm内。

本公开的另一方面包括由铜或铝制成的电池凸片。

本公开的另一方面包括由铜或铝制成的电池单元箔。

本公开的另一方面包括每个电池单元箔都具有0.02mm的厚度。

本公开的另一方面包括焊接接头是对接接头。

本公开的另一方面包括焊接接头是圆角接头。

当结合附图时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点从以下对如所附权利要求中限定的用于执行本发明的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性示出了根据本公开的用于焊接工件堆叠的布置的侧视图，该工件堆叠包括电池凸片元件和多个堆叠的电池单元箔元件；

图2示意性地示出了根据本公开的用于焊接工件堆叠的布置的等轴测图，该工件堆叠包括电池凸片元件和多个堆叠的电池单元箔元件以实现对接接头；

图3图示性的示出了根据本公开的最终对接接头的侧视图，该对接接头包括焊接到多个堆叠的电池单元箔元件的电池凸片元件；以及

图4示意性地示出了根据本公开的用于将第一凸片元件焊接到多个堆叠的第二凸片元件以实现圆角接头的布置的侧视图；

图5图示性的示出了根据本公开的最终角接头的侧视图，该角接头包括焊接到多个堆叠的电池单元箔元件的电池凸片元件；

图6示意性地示出了根据本公开的用于将第一凸片元件焊接到多个堆叠的第二凸片元件以实现锥形角接头的布置的侧视图；

附图不一定按比例绘制，并且呈现如本文所公开的本公开的各种优选特征的略微简化的表示，包括诸如特定尺寸、方向、位置以及形状。与这些特征相关的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。

具体实施方式

如本文所描述和示出的，所公开的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图是简化的形式，并不是精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以采用诸如顶部、底部、左侧、右侧、上侧、上方、上面、下方、下面、后方以及前方的方向术语来帮助描述附图。这些和类似的方向术语是说明性的，不应解释为限制本公开的范围。此外，如本文所示和所述的本公开内容可以在缺少本文未具体公开的要素的情况下实施。

参照附图，其中相同的附图标记在若干附图中对应于相同或相似的部件，与本文公开的实施例一致的图1、2以及3示意性地示出了激光焊接机20和相关联的焊接系统30的实施例，其配置为沿着焊接路径22作用在工件堆叠25上以产生焊接接头26。在该实施例中，最终的焊接接头26是对接接头，因为工件堆叠25的元件的端部终止于焊接接头26。激光焊接机20和相关的焊接系统30在水平轴12、垂直轴11以及与两者正交的第三轴13的背景下示出。在各个附图中，相同的标号表示相同的元件。

在一个实施例中，并且如本文所述，工件堆叠25包括布置为堆叠配置的多个电池单元箔50和电池凸片40，其中可以操作激光焊接机20以实现其焊接。焊接包括通过熔合工艺将多个电池单元箔50机械和电气地接合到电池凸片40。

电池单元箔50是各个电池单元(未示出)的电极的一部分，其用作相应电池单元的正极或负极。在一个实施例中，电池单元箔50可以全部或部分地由铜、镍或镀镍铜制成，例如当配置为负极时。在一个实施例中，电池单元箔50可以全部或部分地由铝制成，例如当配置为正极时。在一个实施例中，每个电池单元箔50的厚度在0.005mm和0.02mm之间，并且堆叠的电池单元箔50具有总预定厚度55。每个电池单元箔50都配置为包括边缘51、第一顶表面52和第二底表面53的平面薄片。每个电池单元箔50都包括称为接合表面的部分，即，作为焊接路径22的一部分的表面部分。在焊接期间与电池凸片40相邻的电池单元箔50中的一个包括接合表面部分，该接合表面部分在工件堆叠25形成时与电池凸片40的相应接合表面部分43接触。

电池凸片40配置为平面薄片，其包括边缘41、包括接合表面部分43的第一底表面42，以及与第一表面42相对的第二顶表面44。在一个实施例中，电池凸片40可以全部或部分地由铜或铝制成。在一个实施例中，电池凸片40的厚度为0.2mm，并且由镀镍铜制成。电池凸片40还可以具有与其在电池组件内的机械、电气和封装功能相关的其他特征。在电池制造和组装期间，将电池凸片40机械和电气地结合到多个电池单元箔50以实现电流传输是有用的。

工件堆叠25包括由电池凸片40和多个电池单元箔50组成的堆叠，例如以参照图1所示的方式。在一个实施例中，有20个电池单元箔50布置在工件堆叠25中。在该实施例中，电池单元箔50的第一边缘51平行设置并且布置成邻接与由多个堆叠的电池单元箔50限定的第一平面63正交的第二平面64。此外，工件堆叠25包括相对于多个电池单元箔50布置的电池凸片40，使得电池凸片40以预定重叠62位于多个电池单元箔50的上方。

激光焊接机20和相关的焊接系统30作用在工件堆叠25上，以通过熔合有利地将电池单元箔50机械和电气地结合到电池凸片40。激光焊接机20是产生、聚焦和导向激光束21的固态装置，包括有利地设置成当工件堆叠25固定在焊接系统30中时，将激光束21导向至电池凸片40的顶表面44。在一个实施例中，激光焊接机20可以包括安装在机械臂(未示出)上的扫描光学激光头，以响应于编程输入，快速且准确地将激光焊接机20运送到工件堆叠25上的预选焊接位置，从而形成焊接接头26。激光束21是固态激光束，特别是以电磁波谱的近红外范围(通常被认为是700nm至1400nm)的波长工作的光纤激光束或盘式激光束。在一个实施例中，激光束可以是掺杂有稀土元素(例如铒、镱、钕、镝、镨、铥等)的光纤或与光纤谐振器相关联的半导体。或者，可以采用盘式激光束，其包括激光束，其中增益介质是镱掺杂的钇铝石榴石晶体的薄盘，该薄盘涂覆有反射表面并安装到散热器。激光束21撞击在工件堆叠25的第一工件40的顶表面44上并且施加局部热量以实现融合焊接。在一个实施例中，可以将激光束21控制到-1.5mm的散焦距离或焦点，即在第一工件40的顶表面44下方1.5mm的散焦距离，伴随的束斑直径为0.6mm。本文所述的示例激光功率水平和占空比可以专门选择用于铜，并且可以基于激光焊接机20焊接的工件所选材料的物理特性来调节。

焊接系统30包括由砧座32、第一夹具33以及第二夹具34组成的夹紧机构31，该第一夹具33和第二夹具34有利地布置成向电池凸片40和多个电池单元箔50施加压缩力，以便机械地夹紧工件堆叠25并因此将其保持在适当位置，从而实现与激光焊接机20的熔焊。第一和第二夹具33、34可以是单独的元件，或者可选地，是单一的元件。砧座32包括沿着焊接路径22直接位于工件堆叠25下方的切口部分，这允许激光束21穿过其中，同时避免工件堆叠25焊接到砧座32上。

焊接过程包括将多个电池单元箔50排列成堆叠，以预定重叠62将电池凸片40排列在多个电池单元箔50之上以形成工件堆叠25，以及通过夹紧机构31夹紧工件堆叠25的元件。激光焊接机20用于产生激光束21，该激光束21沿着焊接路径22施加到工件堆叠25的顶部，该焊接路径22由工件堆叠25的第一端23和工件堆叠25的第二端24之间的线性行进限定。激光束21在焊接路径22处施加到电池凸片40的顶表面44，该焊接路径22与多个电池单元箔50的边缘51相距预定距离65，以形成焊接接头26。在一个实施例中，焊接路径22距多个电池单元箔50的边缘51的预定距离65为1.5mm。激光焊接机20横穿路径，以沿着工件堆叠25的第一端23和工件堆叠25的第二端24之间的焊接路径22移动激光束21，从而产生焊接接头26。参照图3图示性的示出了形成为电池凸片40和多个堆叠的电池单元箔50之间的对接接头的最终焊接接头26的示例。

图4示意性地示出了工件堆叠425的另一个实施例，该工件堆叠425可以通过激光焊接工艺有利地接合，该激光焊接工艺采用参照图1描述的激光焊接机20和相关联焊接系统30的实施例。工件堆叠425包括多个电池单元箔450，这些电池单元箔450设置在堆叠中，电池凸片440以预定重叠462设置在多个电池单元箔450之上，以形成工件堆叠425。每个电池单元箔450都配置为包括边缘451的平面薄片。在该实施例中，电池单元箔450的第一边缘451平行设置并且布置成邻接与由多个堆叠的电池单元箔450限定的第一平面463正交的第二平面464。此外，工件堆叠425包括相对于多个电池单元箔450布置的电池凸片440，使得电池凸片440以预定重叠462位于多个电池单元箔450的上方。在一个实施例中，预定重叠462为4mm。工件堆叠425配置为电池凸片440和多个堆叠的电池单元箔450之间的搭接接头，并且由于电池凸片440的端部延伸超过多个堆叠的电池单元箔450的端部，因此在执行焊接工艺之后，所得的焊接接头426是圆角接头。工件堆叠425的元件通过夹紧机构(未示出)的实施例夹紧。激光焊接机20用于产生施加到工件堆叠425的顶表面上的激光束21。激光束21以从多个电池单元箔450的边缘451到由激光焊接机20的激光束21产生的焊接路径422的预定距离465施加到电池凸片440的顶表面。在一个实施例中，从焊接接头426到多个电池单元箔450的边缘451的预定距离465是1.5mm。参照图5图示性的示出了形成为电池凸片440和多个堆叠的电池单元箔450之间的角接头的最终焊接接头426的示例。

图6示意性地示出了工件堆叠625的另一个实施例，该工件堆叠625可以通过激光焊接工艺有利地接合，该激光焊接工艺采用参照图1描述的激光焊接机20和相关联焊接系统30的实施例。工件堆叠625包括以堆叠形式设置的多个电池单元箔650。电池凸片640以预定重叠662设置在多个电池单元箔650的上方，以形成工件堆叠625。每个电池单元箔650都配置为包括边缘651的平面薄片。电池单元箔650中的一个被指示为具有边缘部分653的底部单元箔652，其中底部单元箔652是设置在电池凸片640最远处的电池单元箔650中的一个。

在该实施例中，电池单元箔650的边缘651以锥形布置平行设置，该锥形布置形成与由多个堆叠的电池单元箔650限定的第一平面663成钝角667的第二平面664。在一个实施例中，第一平面和第二平面663、664之间的钝角667可以是135度。此外，工件堆叠625包括相对于多个电池单元箔650布置的电池凸片640，使得电池凸片640以预定重叠662位于多个电池单元箔650的上方，该预定重叠662在一个实施例中为4mm。预定重叠662是从底部单元箔652的边缘部分653定义和测量的。

工件堆叠625配置为电池凸片640和多个堆叠的电池单元箔650之间的搭接接头，并且由于电池凸片640的端部641延伸超过多个堆叠的电池单元箔650的端部，因此在执行焊接工艺之后，所得的焊接接头是圆角接头。工件堆叠625的元件通过夹紧机构(未示出)的实施例夹紧。激光焊接机20用于产生沿着焊接路径422施加到工件堆叠625的顶表面上的激光束21。激光束21沿着焊接路径622在距底部单元箔652的边缘部分653预定距离665处施加到电池凸片640的顶表面，以形成焊接接头626。在一个实施例中，从焊接路径622到底部单元箔652的边缘部分653的预定距离665是1.5mm。在一些实施例中，工件堆叠625的锥形布置可用于降低堆叠的电池单元箔650未对准的可能性，并且还降低孔隙率和相邻电池单元箔650之间形成间隙的可能性。

总的来说，局部材料空隙，其可表现为工件堆叠中的层之间的间隙和/或一个或多个工件中的空隙，可以影响焊接接头的使用寿命，因此可以影响包括焊接接头的部件的使用寿命。当工件堆叠包括焊接到电池凸片的多个电池单元箔时，局部材料空隙的出现可能影响一个或多个电池单元箔与电池凸片之间的导电性。本文所述的概念，包括工件堆叠的布置和相关的激光焊接工艺，减少了局部材料空隙和/或间隙的出现，从而减少了零件之间的可变性，实现了设计意图的电导率水平，并提高了使用寿命。

具体实施方式和附图是对本发明的支持和描述，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施本发明的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实施所附权利要求中限定的本发明的各种替代设计和实施例。