公开了一种用于将金属箔(22)堆叠激光深熔焊接到金属片(24)的方法。该方法独立地调整聚焦中心光束的功率和聚焦环形光束的功率，以形成穿过所有箔(22)和片(24)的焊接(34)。环形光束提供足够的功率，以将金属加热到大约熔化温度，加宽锁孔的开口，并稳定熔池。中心光束提供足够的额外功率以形成锁孔。环形光束的功率比中心光束的功率持续更长的时间。形成多个这样的焊接以提供机械强度和导电性。样的焊接以提供机械强度和导电性。样的焊接以提供机械强度和导电性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光焊接堆叠箔
[0001]优先权
[0002]本申请要求于2020年3月24日提交的美国专利申请序列号16/828,194的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。
[0003]本专利技术一般涉及使用激光辐射的聚焦光束的焊接。本专利技术特别涉及使用聚焦中心光束和聚焦环形光束焊接金属箔堆叠。
技术介绍
[0004]激光辐射光束越来越多地用于切割、钻孔、焊接、标记和划线由多种材料(包括金属和金属合金)制成的工件。传统的机械加工会产生不想要的缺陷，例如当加工工件受到应力时可传播的微裂纹，从而降低和削弱加工工件。激光加工使这种不需要的缺陷最小化，通常更清洁，并产生更小的热影响区。激光加工使用聚焦激光光束来产生精确的切割和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。
[0005]在激光焊接中，聚焦的激光束精确地定位每个焊点或焊缝，同时最大限度地减少平行加热。区分两种主要的激光焊接状态是有用的。导电焊接在较低的激光功率和较低的功率密度下发生。吸收的激光功率加热辐射的材料，熔化每个待连接部分中的材料，这些材料流动、混合然后固化。深熔焊接(keyhole welding)在较高的激光功率和较高的功率密度下发生，足以蒸发一些辐射的材料。汽化材料对周围熔化材料的压力打开了穿过熔化材料的通道，具有特征性的窄而深的轮廓，这允许激光束的深度穿透。成品深熔焊接通常比导电焊接更窄、更深、更牢固。然而，在熔融材料的热的和动态的池中保持稳定的锁孔(keyhole)可能是困难的。
[0006]锂离子电池是便携式电子设备、电动汽车和大多数其他当代可充电电气设备的关键使能技术。电池的每个电池单元包括两叠薄金属箔，它们浸入电解液中。金属通常是铝或铜，并且箔的典型厚度约为10微米(μm)。每个箔堆叠中通常有20至40个单独的箔。箔堆叠可以卷成圆柱体或平躺。电解液是溶解在溶剂中的锂盐。每个箔堆叠电连接到从电池单元突出的金属片用于电连接。根据电气设备的电压和电流要求，多个电池单元串联和/或并联电连接以形成电池。多个电池可以串联和/或并联电连接，以形成电池组。
[0007]堆叠中的每个箔与相应片的机械连接和电气连接对于电池的完整性、可靠性和性能至关重要。然而，将多个薄金属箔连接到厚得多的金属片是一个挑战，尤其是当箔堆叠和片由不同材料制成时。完成的接头必须坚固、耐用，并具有低电阻。使用精密电阻焊接，但对于这些具有高导电性的金属，依赖于界面电阻，并且这些金属的高导热性意味着必须施加大量电流。使用超声波焊接，但需要对要连接的零件进行机械压缩，这必须在任何组装之前进行连接。铝具有在这种非激光工艺中必须被破坏的耐用氧化物层。由于这些原因，激光焊接是优选的，提供精确的功率输送以最小化总的热积累。深熔激光焊接可以在箔堆叠和片的整个厚度上形成牢固的焊接。一些电池设计包括附加的箔到片接头，用于连接电池内的
电池单元，这也受益于深熔激光焊接。
[0008]深熔激光焊接时的一个问题是，由于蒸汽压力、蒸汽流引起的剪切应力、蒸发引起的反冲以及材料在熔池周围的快速循环(这克服了熔融材料的表面张力)，熔融材料从熔池中喷出。这种喷射材料的液滴，称为“飞溅物”，在金属表面重新聚集，从而造成污染。这种喷射使已完成焊接的顶面和底面上的材料丢失，从而削弱已完成焊接。当深熔激光焊接时的另一个问题是由于形成和保持锁孔所涉及的复杂动力学，穿透深度不一致。
[0009]需要一种快速、简单和可靠的工艺将金属箔堆叠激光焊接到金属片上，从而产生干净一致的焊接。该工艺必须在每个箔堆叠和片的整个厚度上产生牢固的接头，其间电阻低。优选地，该工艺不会增加每个焊接的成本，并且将与大批量自动化制造兼容。
[0010]专利技术概述
[0011]在一方面，依照本专利技术的一种将多个铜箔激光焊接到铜片上的方法包括将所述箔组装成堆叠，并压缩所述箔堆叠和所述片以形成工件。将激光辐射的聚焦光束引导到待焊接位置处的工件表面。所述聚焦光束包括中心光束和同心环形光束。将所述环形光束的功率斜升到第一功率，并维持第一时间，足以将待焊接位置处的工件表面加热到至少1100开尔文(K)。将所述中心光束的功率斜升到第二功率，并在待焊接位置处的工件表面达到1100开尔文之后，所述中心光束达到第二功率。维持所述中心光束的功率第二时间，足以熔穿所有箔和片，从而形成连接所有箔和片的焊接。
[0012]在另一方面，依照本专利技术的一种将多个铝箔激光焊接到铝片上的方法包括将所述箔组装成堆叠，并压缩所述箔堆叠和所述片以形成工件。将激光辐射的聚焦光束引导到待焊接位置处的工件表面。所述聚焦光束包括中心光束和同心环形光束。将所述环形光束的功率斜升到第一功率，同时将所述中心光束的功率斜升到第二功率。维持所述环形光束的功率第一时间。维持所述中心光束的功率第二时间，然后将所述中心光束的功率斜降。所述第一时间长于所述第二时间。所述第二时间足以熔穿所有箔和片，从而形成连接所有箔和片的焊接。
[0013]附图简述
[0014]包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方式的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。
[0015]图1A是局部横截面的侧视图，示意性地示出了用于实施本专利技术的激光焊接方法的激光焊接设备的一个优选实施例，该设备包括产生至少两束激光辐射的激光源、光纤和聚焦透镜。
[0016]图1B是示意性地示出图1A的光纤的细节的横截面图，其具有用于引导中心光束的中心芯和用于引导环形光束的环形芯。
[0017]图2是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本专利技术的激光焊接方法，使用图1A和1B的设备将铜箔堆叠焊接到铜片上。
[0018]图3A是平面图，并且图3B是使用图2的本专利技术方法制造的铜工件中的焊接的放大平面图，照片显示了箔堆叠的表面，该表面是焊接期间的前表面。
[0019]图4是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本专利技术的激光焊接方法，使用图1A和1B的设备将铝箔堆叠焊接到铝片上。
[0020]图5A是使用图4的本专利技术方法制造的铝工件中的焊接的平面图，该照片显示了箔堆叠的表面，该表面是焊接期间的前表面。
[0021]图5B是图5A的工件中的焊接的平面图，该照片显示了片的表面，该该表面是焊接期间的背面。
[0022]图6是使用图4的本专利技术方法制造的铝工件中的焊接的平面图，该照片显示了片的表面，该表面是焊接期间的前表面。
[0023]专利技术详述
[0024]现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1A和1B示意性地示出了在本专利技术的激光焊接方法中使用的设备10。激光源12通过光纤14将至少两束激光辐射递送到聚焦透镜16。光纤14包括用于引导激光辐射的中心光束的中心芯40。中心芯40具有同心低折射率包层42，光纤14还包括用于引导激光辐射的环形光束的环形芯44。环形芯44同心地位于低折射率包层42和低折射率包层46之间。激光源12被配置为将中心光束递送到本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种将多个铜箔激光焊接到铜片上的方法，包括以下步骤：将所述箔组装成堆叠，并压缩所述箔堆叠和所述片以形成工件；将激光辐射的聚焦光束引导到待焊接位置处的工件表面，所述聚焦光束包括中心光束和同心环形光束；将所述环形光束的功率斜升到第一功率；维持所述环形光束的功率第一时间，足以将待焊接位置处的工件表面加热到至少1100开尔文；将所述中心光束的功率斜升到第二功率，在待焊接位置处的工件表面达到1100开尔文之后，所述中心光束达到第二功率；和维持所述中心光束的功率第二时间，足以熔穿所有箔和片，从而形成连接所有箔和片的焊接。2.如权利要求1所述的方法，其中在维持所述环形光束的功率的步骤期间，所述环形光束的功率维持在第一功率。3.如权利要求1所述的方法，其中在维持所述环形光束的功率的步骤期间，调制所述环形光束的功率。4.如权利要求1至3所述的方法，其中在维持所述中心光束的功率的步骤期间，所述中心光束的功率维持在第二功率。5.如权利要求1至3所述的方法，其中在维持所述中心光束的功率的步骤期间，调制所述中心光束的功率。6.如前述任一权利要求所述的方法，其中在将所述中心光束的功率斜升的步骤期间，将所述环形光束的功率斜降到第三功率。7.如权利要求6所述的方法，其中所述环形光束的功率在第二时间期间维持在所述第三功率。8.如权利要求6所述的方法，其中在第二时间期间调制所述环形光束的功率。9.如权利要求6至8所述的方法，其中所述第三功率在约700瓦和约1300瓦之间。10.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述第一功率在约1350瓦和约1650瓦之间。11.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述第二功率在约1300瓦和约1600瓦之间。12.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述第一时间的持续时间在约0.2毫秒和约10毫秒之间。13.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述第二时间的持续时间在约0.1毫秒和约5毫秒之间。14.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述聚焦光束以80度和90度之间的入射角被引导到所述工件表面上。15.如前述任一权利要求所述的方法，其中20至100个箔焊接到所述片上。16.如前述任一权利要求所述的方法，其中每个箔的厚度在约5微米和约15微米之间。17.如前述任一权利要求所述的方法，其中多次重复引导聚焦光束、斜升环形光束的功率、保持环形光束的功率、斜升中心光束的功率和保持中心光束的功率的步骤，以在多个位置形成多个焊接。18.如前...
【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：可利雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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