圆柱电池的焊接设备的制作方法

1.本实用新型涉及锂电池设备技术领域，特别涉及一种圆柱电池的焊接设备。


背景技术：

2.在圆柱电池的组装过程中，需要将正极柱与正极集流盘进行焊接，传统的焊接方式包括电阻焊以及激光焊。目前的大尺寸圆柱电池，如4680电池的正极柱及正极集流盘均采用铝质，且正极柱的厚度一般为1至4毫米，远大于正极集流盘的0.1至0.4毫米。
3.采用电阻焊进行焊接时，由于粘针现象严重，需频繁擦针才能进行焊接生产，故难以实现量产化。而采用激光焊的方式进行焊接时，需要使激光穿透较厚的正极柱后将再在内部正极集流盘上形成熔池以将两者焊接在一起。但是，激光的功率无法精确控制，在保证穿透正极柱的前提下还不穿透正极集流盘，存在较大焊穿的风险。可见，现有的焊接方式均无法有效地应用于大尺寸圆柱电池的量产。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，提供一种便于实现量产的圆柱电池的焊接设备。
5.一种圆柱电池的焊接设备，包括：
6.转运装置，能够承载待焊接的圆柱电池，并带动所承载的圆柱电池依次途径焊接工位及检测工位；
7.超声波焊接装置，能够对进入所述焊接工位的圆柱电池进行超声波焊接，以将圆柱电池的正极集流盘焊接于正极柱；及
8.激光检测装置，包括激励光发生机构及检测机构，所述激励光发生机构能够向进入所述检测工位的圆柱电池的焊接处发射激励激光，所述检测机构能够向所述焊接处发出检测激光，并接收所述检测激光经所述焊接处反射形成的反射光信号。
9.在其中一个实施例中，所述转运装置包括转盘及旋转驱动件，所述转盘沿周向设置有多个用于固定圆柱电池的夹具，所述焊接工位及所述检测工位沿所述转盘的周向间隔设置，所述旋转驱动件能够驱动所述转盘绕轴线旋转，以带动每个所述夹具依次途径所述焊接工位及所述检测工位。
10.在其中一个实施例中，所述超声波焊接装置包括超声波发生器及长条形的焊棒，所述焊棒能够在所述超声波发生器的作用下振动，且所述焊棒能够沿位于所述焊接工位的圆柱电池的轴向插入圆柱电池的中心孔，直至将圆柱电池的正极集流盘抵持于正极柱。
11.在其中一个实施例中，还包括升降装置，所述升降装置能够驱动所述超声波焊接装置沿圆柱电池的轴向升降，以使所述焊棒插入所述中心孔或从所述中心孔内退出。
12.在其中一个实施例中，所述焊接工位设置有第一夹紧组件，所述第一夹紧组件能够沿径向夹紧进入所述焊接工位的圆柱电池。
13.在其中一个实施例中，所述检测工位设置有第二夹紧组件，所述第二夹紧组件能够沿径向夹紧进入所述检测工位的圆柱电池。
14.在其中一个实施例中，所述激励光发生机构及所述检测机构均位于圆柱电池的开口一侧，所述激光检测装置还包括平行设置的二向色镜及反射镜，所述检测激光能够穿过所述二向色镜并经所述反射镜反射后沿圆柱电池的中心孔射向所述焊接处，所述激励激光经所述二向色镜及所述反射镜反射后沿所述中心孔射向所述焊接处。
15.在其中一个实施例中，所述激励光发生机构及所述检测机构分别位于圆柱电池的两侧，所述激光检测装置还包括反射镜，所述检测激光能够经所述反射镜反射后沿圆柱电池的中心孔射向所述焊接处，由所述激励光发生机构发射的所述激励激光能够沿平行于圆柱电池的轴向的方向从底部射向所述焊接处。
16.在其中一个实施例中，所述激光检测装置还包括锁相放大器，所述激励光发生机构及所述检测机构均通过所述锁相放大器与所述处理器信号连接。
17.在其中一个实施例中，还包括筛选装置，所述筛选装置能够将被所述激光检测装置检测为不合格的圆柱电池从所述转运装置上剔除。
18.上述圆柱电池的焊接设备，在焊接工位内，超声波焊接装置能够对圆柱电池进行超声波焊接，以将正极集流盘焊接于正极柱。超声波焊接的过程中不会出现粘针的现象，也不易将正极集流盘焊穿。完成焊接的圆柱电池在转运装置的带动下进入检测工位，并由激光检测装置检测焊接处是否存在虚焊、弱焊，从而判断焊接后的圆柱电池是否合格。激光检测装置针对焊接处采用的是非接触式的检测方式，故无需进行装夹及牵引等操作，能够快速且有效地完成检测。而待焊接的圆柱电池则能够在转运装置的带动下不断进入焊接工位及检测工位，从而保证焊接及检测能够连续进行，方便实现量产。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型一个实施例中圆柱电池的焊接设备的俯视图；
21.图2为图1所示圆柱电池的焊接设备移除激光检测装置后的俯视图；
22.图3为图2所示圆柱电池的焊接设备的主视图；
23.图4为图1所示圆柱电池的焊接设备移除超声波焊接装置后的俯视图；
24.图5为图4所示圆柱电池的焊接设备的主视图；
25.图6为图1所示圆柱电池的焊接设备中激光检测装置的模块示意图；
26.图7为本实用新型另一个实施例中激光检测装置的模块示意图；
27.图8为圆柱电池的剖视图；
28.图9为图8所示圆柱电池进行超声波焊接时的场景简化示意图。
具体实施方式
29.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型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实用新型。但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”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”、“上”、“下”、“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。
35.请参阅图1，本实用新型一个实施例中的圆柱电池的焊接设备10包括转运装置100、超声波焊接装置200及激光检测装置300。
36.转运装置100能够承载待焊接的圆柱电池20，并带动所承载的圆柱电池20依次途径焊接工位及检测工位。进入焊接工位的圆柱电池20能够由超声波焊接装置200进行超声波焊接，而焊接完成的圆柱电池20则能够在转运机构100的带动下进入检测工位，并由激光检测装置300检测焊接处是否存在虚焊、弱焊，从而判断焊接后的圆柱电池20是否合格。
37.如图8所示，圆柱电池20包括壳体21、电芯22及正极集流盘23。其中，壳体21为一端开口的圆柱形结构，其底部设置有正极柱24，正极柱24与壳体21之间形成绝缘。电芯22由负极片、正极片以及隔膜卷绕成型，一般大致呈圆柱状，且中心位置具有沿轴向延伸的中心孔201。电芯22采用全极耳设计，正极片的边缘留白，电芯22卷绕完成之后将对端面进行揉平处理以将正极片的边缘压平，故电芯22整个端面都相当于极耳。
38.正极集流盘23设置于电芯22与壳体21的底部之间，并与电芯22的正极片通过焊接
的方式连接。而超声波焊接装置200在上述焊接工位对圆柱电池20进行超声波焊接的目的，便是将正极集流盘23焊接于正极柱24上。正极集流盘23一般由铝成型，可起到收集并传导电流的作用。如此，正极柱24便可作为圆柱电池20的正极端子。
39.焊接工位及检测工位一般沿转运装置100的转运路径间隔设置。转运装置100能够做间歇运动，每运行一次可将一个圆柱电池20移出焊接工位移出并将另一个圆柱电池20移入焊接工位。与此同时，还可将一个圆柱电池20移出检测工位移出并将另一个完成焊接的圆柱电池20移入检测工位。转运装置100每次停顿的时间不小于完成一次焊接或一次检测所需时间，具体以两者中时长较长的一个为准，以保证有充足的时间对圆柱电池20进行焊接及检测。
40.此外，转运装置100的两端还能够分别与两条流水线30对接，从而使圆柱电池的焊接设备10分别与电池生产的上一道工序及下一道工序实现衔接。上一道工序输出的圆柱电池20能够有其中一条流水线30输送至上料工位并由转运装置100承接；而完成焊接及检测的圆柱电池20则能够由转运装置100转运至下料工位并由另一条流水线30承接，并向下一道工序输送。
41.请一并参阅图3，在本实施例中，转运装置100包括转盘110及旋转驱动件120，转盘110沿周向设置有多个用于固定圆柱电池20的夹具(图未示)，焊接工位及检测工位沿转盘110的周向间隔设置，旋转驱动件120能够驱动转盘110绕轴线旋转，以带动每个夹具依次途径焊接工位及检测工位。
42.夹具能够对圆柱电池20起到一定的固定作用，从而减轻转运过程中的晃动，进而避免圆柱电池20收到损伤。随着转盘110旋转，夹具及其内的圆柱电池20能够沿圆弧形的转运路径移动。通过将转运装置100的转运路径设置成圆弧形，有利于进行结构布局，从而使圆柱电池的焊接设备10更紧凑。
43.具体的，旋转驱动件120可以是伺服电机。圆柱电池的焊接设备10还包括固定平台400，转盘110的底部设置有转轴130，转轴130穿过固定平台400并与转盘110转动连接。转轴130远离转盘110的一端设置有从动齿轮131，伺服电机驱动的驱动端设置有与从动齿轮131啮合的主动齿轮121。
44.超声波焊接装置200能够将高频振动波传递到正极集流盘23及正极柱24的表面，在加压的情况下，正极集流盘23及正极柱24相接触的表面将相互摩擦从而形成熔合。由此可见，在对圆柱电池20进行超声波焊接的过程中不需要激光穿透壳体21，也不需要通过焊针将正极集流盘23及正极柱24的结合处熔化。因此，焊接过程中既不会出现粘针的现象，也不会将正极集流盘23焊穿，故便于实现圆柱电池20的量产。
45.由于受到圆柱电池20的结构限制，故传统的超声波焊头无法达到需要焊接的位置并施加足够的压力。为了匹配圆柱电池20的特殊结构，请一并参阅图2及图3，在本实施例中，超声波焊接装置200包括超声波发生器210及焊棒220，焊棒220呈长条形，且焊棒220能够在超声波发生器210的作用下振动。
46.具体的，超声波发生器210一般可以产生20khz的高频电磁波，通过换能器(图未示)能够将上述高频电磁波转化为高频超声波并驱动变幅杆230进行高频振动，换能器还能够将水平机械振动方向转化为旋转振动，从而使得焊棒220能够进行高频扭转运动。
47.焊棒220在焊接工位沿圆柱电池20的轴向，即图3所示的上下方向延伸，圆柱电池
20的壳体21的开口朝上。如图9所示，在对位于焊接工位的圆柱电池20进行焊接时，焊棒220能够沿轴向插入中心孔201，直至将圆正极集流盘23抵持于正极柱24。如此，焊棒220便可通过高频扭转运动将高频振动波传递到正极集流盘23及正极柱24，并对正极集流盘23及正极柱24施加沿圆柱电池20轴向的压力。
48.焊接完成后，焊棒220便从中心孔201内退出。此时，圆柱电池20便可继续随转运装置100转运，进而移出焊接工位并向检测工位转移，而下一个圆柱电池20则进入焊接工位。超声波焊接装置200重复上述流程，便可连续对多个圆柱电池20实现焊接。
49.进一步的，在本实施例中，圆柱电池的焊接设备10还包括升降装置500，升降装置500能够驱动超声波焊接装置200沿圆柱电池20的轴向升降，以使焊棒220插入中心孔201或从中心孔201内退出。
50.具体的，超声波焊接装置200可通过沿图3所示上下方向延伸的滑轨(图未示)安装于固定平台400上，升降装置500能够驱动超声波焊接装置200沿滑轨滑动以使焊棒220沿上下方向周期性的往复移动。升降装置500驱动超声波焊接装置200向下移动时，可使焊棒220从壳体21的开口插入中心孔201；升降装置500驱动超声波焊接装置200向上移动，则可使焊棒220从中心孔201内退出。
51.需要指出的是，在其他实施例中，超声波焊接装置200可在上下方向上保持位置不变，而通过驱动焊接工位上的圆柱电池20上下移动来使焊棒220插入中心孔201或从中心孔201内退出。
52.具体在本实施例中，焊接工位设置有第一夹紧组件600，第一夹紧组件600能够沿径向夹紧进入焊接工位的圆柱电池20。第一夹紧组件600可由两个相对设置的夹块及能够驱动夹块相互靠近或远离的驱动件构成，两个夹块相互靠近可将圆柱电池20沿径向夹紧。如此，在超声波焊接装置200启动对圆柱电池20的焊接时，第一夹紧组件600能够有效地防止圆柱电池20整体发生位移，从而能够保证焊接的精度。
53.请一并参阅图4及图5，激光检测装置300包括激励光发生机构310及检测机构320。
54.激励光发生机构310能够向进入检测工位的圆柱电池20的焊接处发射激励激光。具体的，激励激光可以是ndyag激光，波长为532nm。当激励激光照射到被圆柱电池20的焊接处附近时，能够激励焊接处并使其发生机械振动。检测机构320能够向焊接处发出检测激光，并接收检测激光经焊接处反射形成的反射光信号。具体的，检测激光可以是hene激光，波长为632nm。检测激光照射焊接处时，焊接处的机械振动将会影响反射光信号的波形，焊接处的振动状态发生变化时，反射光信号的波形也将随之发生变化。因此，反馈到检测机构320的反射光信号携带有焊接处的振动信息。
55.在接收到反射光信号后，通过对反射光信号进行分析，便可对焊接处的焊接质量进行检测。进一步的，激励光发生机构310、检测机构320还可与外接的处理器330信号连通，处理器330可以是集成信号处理系统的电脑终端。而且，处理器330能够根据反射光信号对焊接处进行检测。具体的，处理器330能够对反射光信号进行频谱分析，从而得到焊接处机械振动的振幅和相位。通过对多个圆柱电池20的频谱参数进行对比，便可判断当前被检圆柱电池20的焊接处是否符合要求。焊接处是否符合要求的圆柱电池20被判定为合格，而焊接处不符合要求的圆柱电池20则被判定为不合格。
56.可见，激光检测装置300在对圆柱电池20的焊接处进行检测时，采用的是非接触式
的检测方式，无需进行装夹及牵引等操作，故无需设置极耳来作为夹的持点位，适用于本实施例中采用全极耳形式的圆柱电池20。而且，由于不对焊接处施加作用力，故还能够有效地避免焊点在检测过程中被破坏。
57.具体在本实施例中，圆柱电池的焊接设备10，还包括筛选装置(图未示)，筛选装置能够将被激光检测装置300检测为不合格的圆柱电池20从转运装置100上剔除。筛选装置可以采用分拣机械手，处理器330在判断圆柱电池20为不合格时，还能够控制筛选装置将其剔除并落入废料收集柜(图未示)中。
58.具体在本实施例中，检测工位设置有第二夹紧组件700，第二夹紧组件700能够沿径向夹紧进入检测工位的圆柱电池20。第二夹紧组件700的结构一般与第一夹紧组件700的结构相同，能够对检测工位的圆柱电池20起到较好的固定作用，从而避免因圆柱电池20在检测过程中整体发生移动而使检测结果存在较大的误差，有助于提升检测精度。
59.请参阅图6，在本实施例中，激励光发生机构310及检测机构320均位于圆柱电池10的开口一侧，激光检测装置300还包括平行设置的二向色镜340及反射镜350。检测激光能够穿过二向色镜340并经反射镜350反射后沿圆柱电池的中心孔201射向焊接处，激励激光经二向色镜340及反射镜350反射后沿中心孔201射向焊接处。
60.具体的，激励光发生机构310及检测机构320均位于圆柱电池10如图6所示的上侧，二向色镜340及反射镜350均相对于圆柱电池10的轴线倾斜设置，一般呈45度。二向色镜340能够允许入射的检测激光发生透射，而使激励激光发生反射。
61.检测机构320一般能够沿平行于圆柱电池10径向的方向发射检测激光，而激励光发生机构310能够沿平行于圆柱电池10的轴向发射激励激光，检测机构320横向布置，而激励光发生机构310则可以竖向布置。检测激光在穿过二向色镜340并经反射镜350后方向发生90度的偏转，并最终由中心孔201射向焊接处。而且，反射光信号能够沿原路返回至检测机构320。
62.激，激励激光经过二向色镜340及反射镜350的两次反射后能够平移一定距离，并同样由中心孔201射向焊接处。如此设置，激励光发生机构310及检测机构320位于圆柱电池10的同侧，且其发射端均无需与圆柱电池10的开口对齐。这样，能够有效利用空间且方便对圆柱电池的焊接设备10进行合理的结构布局，从而使得圆柱电池的焊接设备10的结构更紧凑。
63.请参阅图7，在另一个实施例中，激励光发生机构310及检测机构320分别位于圆柱电池20的两侧，激光检测装置300还包括反射镜350，检测激光能够经反射镜350反射后沿圆柱电池20的中心孔201射向焊接处，由激励光发生机构310发射的激励激光能够沿平行于圆柱电池20的轴向的方向从底部射向焊接处。
64.同样的，检测光发生机构320能够沿平行于圆柱电池10的径向的方向发射检测激光，反射镜350也可以45度倾斜设置于圆柱电池20的开口附近。激励光发生机构310及检测机构320则分别位于圆柱电池10如图7所示的下侧及上侧，检测激光经反射镜350反射后能够发生90度的偏转，并最终由中心孔201射向焊接处，而激励光发生机构310发射的激励激光则直接穿透壳体21并射向焊接处。如此设置，对圆柱电池的焊接设备10的空间要求相对较高，但可减少部分元件，从而使激光检测装置300的结构得到简化。
65.此外，在本实施例中，激光检测装置300还包括锁相放大器360，激励光发生机构
310及检测机构320均通过锁相放大器360与处理器330信号连接。锁相放大器360能够从干扰较大的环境中分离出特定载波频率信号，从而能够降低环境因素对检测结果产生的干扰，有利于提升检测精度。
66.上述圆柱电池的焊接设备10，在焊接工位内，超声波焊接装置200能够对圆柱电池20进行超声波焊接，以将正极集流盘23焊接于正极柱24。超声波焊接的过程中不会出现粘针的现象，也不易将正极集流盘23焊穿。完成焊接的圆柱电池20在转运装置110的带动下进入检测工位，并由激光检测装置300检测焊接处是否存在虚焊、弱焊，从而判断焊接后的圆柱电池20是否合格。激光检测装置300针对焊接处采用的是非接触式的检测方式，故无需进行装夹及牵引等操作，能够快速且有效地完成检测。而待焊接的圆柱电池20则能够在转运装置100的带动下不断进入焊接工位及检测工位，从而保证焊接及检测能够连续进行，方便实现量产。
67.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。
68.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。