激光切割装置、电芯生产线及激光切割方法

技术领域

本发明涉及电芯技术领域，具体涉及一种激光切割装置、电芯生产线及激光切割方法。

背景技术

在叠片式电池生产工艺中，需要将料带切割成极片，料带的极耳区和涂覆区的切割成型是其中的一个重要环节，现有技术在切割料带以形成极片的过程中，料带处于移动状态，而极片在连续走带的过程中位置容易移动，进而导致叠片后极片之间的对齐度差，造成极片不同区域切割质量不一致，降低电芯的生产良率。

发明内容

有鉴于此，本发明致力于提供一种激光切割装置，能够解决料带加工为极片的过程中，由于极片的位置发生移动而引发的质量问题；此外，本发明还提供一种具有上述激光切割装置的电芯生产线，以及一种应用上述激光切割装置或者电芯生产线的激光切割方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光切割装置，用于切割料带以形成极片，包括：

激光器，能够发射激光束；

光路转换组件，设置在所述激光器的激光发射路径上，且能够改变所述激光束的传播路径；

加工组件，至少设置有两组，且分别设置于所述激光束的不同传播路径上，以使得所述激光束能够在所述光路转换组件的作用下，传递至不同的所述加工组件，进而加工出不同的所述极片。

优选的，所述光路转换组件包括全反射镜和多个单轴振镜，多个所述单轴振镜和所述全反射镜沿所述激光束的发射方向依次设置，且多个所述单轴振镜和所述全反射镜的反射路径上分别设置有不同的加工组件。

优选的，所述单轴振镜的镜片的偏转角度为0°-5°时，所述激光束的传播路径不变；

所述单轴振镜的镜片的偏转角度为22°-45°时，所述激光束被所述单轴振镜反射至对应的所述加工组件。

优选的，所述加工组件包括：

整形件，用于将所述激光束整形为准直光束；

控制组件，能够调整所述准直光束的传播路径；

聚焦件，用于聚焦所述准直光束，以形成光斑并作用于所述料带上。

优选的，所述控制组件包括：

控制件，用于控制所述准直光束沿预设轨迹移动，并控制所述准直光束的扫描速率；

引导件，能够定位所述料带的表面的不同点，以形成所述预设轨迹。

优选的，所述控制件为双轴振镜，所述引导件包括视觉定位系统，所述视觉定位系统的视觉光路与所述双轴振镜同轴，以能够使所述视觉定位系统下的坐标转换为所述双轴振镜的双轴坐标系统下的坐标，以形成所述预设轨迹。

优选的，所述激光器为波长1030nm-1080nm区间的红外激光器，所述激光器的脉宽在150fs-10ns之间，输出光斑直径在5mm-10mm之间；

所述聚焦件为场镜，所述场镜的焦距在F390-F600之间；

所述双轴振镜的扫描速率在1000-30000mm/s之间，功率在50-1000W之间，脉宽在150fs～10ns之间，频率在100-50000KHz之间。

一种电芯生产线，包括上述任一项所述的激光切割装置。

优选的，包括放置所述料带的工作台，所述工作台通过负压吸附所述料带，以将所述料带固定到所述工作台上。

优选的，包括除尘装置，所述除尘装置包括多个吸尘口，且多个所述吸尘口环绕所述料带的待加工区域布置，以去除激光切割过程中的粉尘。

一种激光切割方法，用于切割料带以形成极片，采用上述任一项所述的激光切割装置，或者，上述任一项所述的电芯生产线，所述方法包括以下步骤：

将所述料带固定于工作台上，并使所述料带位于加工位置；

采用视觉定位系统形成预设轨迹；

利用光路转换组件控制所述激光束传递至不同的传播路径，并沿所述预设轨迹切割述所述料带，以形成多个所述极片。

优选的，所述激光束依次且连续对所述料带的极耳区和涂覆区切割。

优选的，所述双轴振镜控制所述准直光束沿预设轨迹移动，以在所述料带上形成切割轨迹，所述切割轨迹包括：

第一线段，与所述料带的长度方向平行；

第二线段，与所述第一线段的夹角大于等于90°且小于等于120°；

第三线段，与所述料带的长度方向平行；

第四线段，与所述第三线段的夹角大于等于90°且小于等于120°；

第五线段，与所述料带的长度方向平行；

第六线段，与所述料带的宽度方向平行；

第七线段，与所述料带的宽度方向平行；

第八线段，与所述料带的宽度方向平行。

优选的，所述切割轨迹任一段中的双轴振镜的扫描速率、激光功率和频率均单独可调。

优选的，所述激光束沿所述第六线段切割料带时，所述第六线段超出所述料带宽度方向上的第一边缘2-10mm；

所述激光束沿所述第七线段切割料带时，所述第七线段超出所述料带宽度方向上的第二边缘2-10mm。

优选的，所述第七线段的部分与所述第六线段重合，所述第七线段的其余部分与所述第八线段重合。

通过上述技术方案可以看出，本发明提供的激光切割装置，在切割料带以形成极片的过程中，利用光路转换组件改变激光束的传播路径，进而使得激光束进入不同的加工组件中，以作用于料带的不同待加工区域，并将料带切割为多个极片；上述过程中，利用光路转换组件改变激光束作用在料带上的位置，进而实现多个极片的切割，切割过程中，料带不需要移动，可避免切割过程中极片的位置发生变化，进而可有效提高极片之间的对齐度，进而提升了电芯的良品率。

附图说明

图1所示为本发明实施例中提供的一种激光切割装置的示意图；

图2所示为本发明实施例中提供一种激光切割方法切割料带的流程图；

图3所示为本发明实施例中提供的一种激光切割路径在料带上的切割示意图；

图4为图3的局部放大图。

在图1-图4中：

1-激光器，2-单轴振镜，3-全反射镜，4-整形件，5-控制件，6-视觉定位系统，7-聚焦件，8-吸尘口，9-工作台，10-料带，11-极耳，12-极片；

1001-极耳区，1002-涂覆区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种激光切割装置，用于切割料带10以形成极片12，包括激光器1、光路转换组件和加工组件，其中，激光器1能够发射激光束，光路转换组件设置在激光器1的激光发射路径(这里的激光发射路径指的是激光自激光器1沿发射方向传播的路径)上，且能够改变激光束的传播路径(这里的传播路径指的是激光自激光器1到料带10的待加工区域所经过的路径)，加工组件至少设置有两组，且分别设置于激光束的不同传播路径上，以使得激光束能够在光路转换组件的作用下传递至不同的加工组件，进而加工出不同的极片12。采用上述激光切割装置对料带10进行切割时，由激光器1发射的激光束在光路转换组件的作用下进入不同的加工组件中，进而切割料带10不同区域，形成多个极片12。

上述切割过程中，料带10在一个激光光源的作用下，被切割为多个极片12，有效简化了切割装置的结构，进而可降低切割成本；此外，利用光路转换组件改变激光束作用在料带10上的位置，进而实现多个极片12的切割，切割过程中，料带10不需要移动，可避免切割过程中极片12的位置发生变化，进而可有效提高极片12之间的对齐度，进而提升了电芯的良品率。

需要说明的是，加工组件的设置数量可根据需要进行适应性调整，本发明对此不作具体限定。示例性的，可根据一个加工周期中，所需要切割出的极片12的数量来选择加工组件的设置数量，例如，当需要在一个加工周期中切割出十六张极片12时，加工组件的设置数量应不少于十六组。

此外，在一些实施例中，激光器1采用波长在1030nm-1080nm区间的红外激光器1，且激光器1的脉宽在150fs-10ns之间，输出光斑直径在5mm-10mm之间。

进一步地，在一优选实施例中，激光束在加工组件的作用下对料带10的极耳区1001和涂覆区1002进行加工，极片12和极耳11的切割在一个切割工序中完成，有效减少了生产工序，进而能够提供生产效率。

进一步地，光路转换组件包括全反射镜3和多个单轴振镜2，多个单轴振镜2和全反射镜3沿激光束的发射方向依次设置，且多个单轴振镜2和全反射镜3的反射路径上分别设置有不同的加工组件。料带10切割过程中，通过调整单轴振镜2中镜片的角度，可控制激光束进入加工组件或者沿发射方向继续传播，进而达到改变激光束传播路径的目的。示例性的，如图1所示，光路转换组件包括沿激光束的发射方向依次设置的一个单轴振镜2和一个全反射镜3，加工组件设置有两组，且分别位于单轴振镜2和全反射镜3的反射路径上。料带10切割过程中，通过调整单轴振镜2中镜片的角度，使得从激光器1发出的激光束能够在单轴振镜2的反射作用下进入与之对应的加工组件，进而使得激光束能够在加工组件的作用下，对料带10进行切割，以形成一个极片12；切割完成后，再次调整单轴振镜2中的镜片的角度，使得激光器1发出的激光束通过，并照射在全反射镜3上，在全反射镜3的作用下，被反射至另一组加工组件，并在另一组加工组件的作用下，对料带10进行切割，以形成另一个极片12。

需了解，上述实施例中仅是以一个单轴振镜2和一个全反射镜3为例，对本发明中的光路转换组件进行示例性说明，但本发明并不限制于此。例如，光路转换组件还可以包括十五个单轴振镜2和一个全反射镜3，此时，加工组件设置有十六组，且分别设置于十五个单轴振镜2和一个全反射镜3的反射路径上。

此外，上述的全反射镜3也可以由单轴振镜2代替，也即，光路转换组件包括多个单轴振镜2，而不设置全反射镜3；示例性的，光路转换组件包括十六个单轴振镜2，加工组件设置有十六组，且分别设置于十六个单轴振镜2的反射路径上。切割过程中，激光束在不同的单轴振镜2的作用下进入不同的加工组件中，进而作用于料带10的不同待加工区域。

上文中提到，通过调整单轴振镜2中镜片的角度，可控制激光束进入加工组件或者沿发射方向继续传播，在一优选实施例中，单轴振镜2的镜片的偏转角度为0°-5°时，激光束的传播路径不变；也即，当单轴振镜2的镜片的偏转角度为0°-5°时，从激光器1发出的激光束能够通过单轴振镜2所在区域，沿原来的方向继续传播。当单轴振镜2的镜片的偏转角度为22°-45°时，激光束被单轴振镜2反射至对应的加工组件。此外，在上述实施例的基础上，当光路变换组件包括全反射镜3时，全反射镜3采用45°全反射镜3。

在一些实施例中，加工组件包括整形件4、控制组件和聚焦件7，其中，整形件4用于将激光束整形为准直光束(准直光束指的是光束为平行光线)，控制组件能够调整准直光束的传播路径；聚焦件7用于聚焦准直光束，以形成光斑并作用于料带10上。料带10切割过程中，经单轴振镜2或者全反射镜3反射的激光束依次经过整形件4、控制组件和聚焦件7，并在料带10的待加工区域形成光斑以切割料带10；上述切割过程中，激光束在整形件4的作用下被整形成为准直光束，这使得作用于料带10上的光斑在移动过程中，其直径不会发生变化，进而提升料带10的切割精度。进一步优选的，在一些实施方式中，整形件4除了能够将激光束整形为准直光束外，还能够调整准直光束的直径，将其扩大至预设直径范围(例如10～30mm)，如此，在切割不同极片12的过程中，可有效避免由于光程变化导致的焦点尺寸的变化，进而保证极片12的一致性。

进一步地，控制组件包括控制件5和引导件，其中，控制件5用于控制准直光束沿预设轨迹移动，并控制准直光束的扫描速率；引导件，能够定位料带10的表面的不同点，以形成预设轨迹。当料带10固定于激光切割装置的加工位置后，利用引导件标记料带10表面的不同的点，根据料带10的位置形成预设轨迹，用以引导控制件5控制准直光束移动，进而使得形成于料带10上的光斑沿预设轨迹移动。

在一些实施例中，控制件5为双轴振镜，通过双轴振镜控制准直光束的移动，进而实现对料带10的切割。引导件包括视觉定位系统6(例如电荷耦合器件视觉定位系统6，即CCD视觉定位系统6)，视觉定位系统6的视觉光路与双轴振镜同轴，以能够使视觉定位系统6下的坐标转换为双轴振镜的双轴坐标系统下的坐标，以形成预设轨迹。具体的，料带10固定于加工位置后，视觉定位系统6在极片12的表面的不同位置标定多个点，并记录对应点的坐标；坐标的仿射变换，将视觉定位系统6下的坐标转换为振镜双轴坐标系统下的坐标，形成预设轨迹，进而完成极片12和极耳11同时切割，极片12一次成形。利用视觉定位系统6形成预设轨迹，可以有效避免由于料带10的位置偏差影响切割精度。

进一步的，在一些实施例中，利用双轴振镜的扫描速率在1000-30000mm/s之间，功率在50-1000W之间，脉宽在150fs～10ns之间，频率在100-50000KHz之间，以使得激光束能够对料带10的极耳区1001和涂敷区进行切割，并保证切割后极片12的成形质量。

此外，在一些实施例中，聚焦件7为场镜，且场镜的加工范围大于极片12的尺寸范围，优选的，场镜的焦距在F390-F600之间。

本发明还提供了一种电芯生产线，其包括激光切割装置。由于电芯生产线包括上述的激光切割装置，所以电芯生产线由激光切割装置带来的有益效果可参见上述内容，在此不再赘述。

在一些实施例中，如图1所示，电芯生产线包括放置料带10的工作台9，工作台9通过负压吸附料带10，以将料带10固定到工作台9上。具体地，将料带10放置于工作台9上，并通过负压将料带10固定到工作台9上，在整个切割过程中，整个切割过程中，工作台9上料带10均处于固定状态，不产生任何移动，这样能够提升激光束对料带10的切割精度，提升极片12之间的对齐度，进而提升了电芯的良率。进一步优选的，工作台9可移动设置，如此，在上料或者下料的过程中，通过移动工作台9，使其脱离激光切割装置的加工范围，可有效提高上料或者下料时的作业空间，进而提高上料或者下料的便捷性，同时，也能够避免上料或者下料过程中，因误碰而导致激光切割装置损坏。示例性的，工作台9在驱动电机(如直线电机或者步进电机)的作用下移动，且移动速度为1m/s～4m/s。

进一步地，电芯生产线包括除尘装置，该除尘装置包括多个吸尘口8，且多个吸尘口8环绕料带10的待加工区域布置，以去除激光切割过程中产生的粉尘，提高切割质量。示例性的，如图1所示，任一加工组件的加工区域的两侧及下方均设置有吸尘口8，进而保证切割过程中产生的粉尘能够被快速去除。更进一步地，多个吸尘口8与同一负压驱动(例如风机)连通，进而简化除尘装置，降低设备成本。

此外，本发明还提供了一种激光切割方法，其采用上述的激光切割装置或者电芯生产线。基于此，由上述激光切割装置或者电芯生产线带来的有益效果可参见上述内容，在此不再赘述。

在一些实施例中，激光切割方法包括以下步骤：将料带10固定于工作台9上，并使料带10位于加工位置；采用视觉定位系统6形成预设轨迹；利用光路转换组件控制激光束传递至不同的传播路径，并沿预设轨迹切割料带10，以形成多个极片12。具体的，利用工作台9将料带10固定于激光切割装置的加工位置后，采用视觉定位系统6在极片12的表面的不同位置标定多个点，并记录对应点的坐标；坐标的仿射变换，将视觉定位系统6下的坐标转换为振镜双轴坐标系统下的坐标，形成预设轨迹；然后，调整激光切割装置的光路转换组件，使激光束进入沿激光发射方向的第一组加工组件，并在料带10的初始加工区域形成光斑，利用控制组件控制激光束的移动轨迹，使形成于料带10上的光斑沿预设轨迹移动，进而切割料带10的极耳区1001和涂敷区，以形成一个极片12；之后，再次调整光路转换组件，使得激光束进入沿激光发射方向的第二组加工组件，并在料带10的第二加工区域形成光斑，利用控制组件控制激光束的移动轨迹，使形成于料带10上的光斑沿预设轨迹移动，进而切割料带10的极耳区1001和涂敷区，以形成另一个极片12，重复该步骤中的相关操作，直至激光束进入沿激光发射方向的最后一组加工组件并完成切割(或者激光束将工作台9上料带10全部切割完成)；此时，关闭激光器1，将已经切割完成的极片12转移，并处理切割废料，同时使工作台9返回上料位置，开始下一个加工周期的切割。

进一步的，上述切割过程中，激光束依次且连续对料带10的极耳区1001和涂覆区1002切割。具体地，激光束依次对极耳区1001及涂覆区1002切割，指的是激光束先切割极耳区1001再切割涂覆区1002，经过上述两个步骤的切割，加工出一个设置有极耳11的极片12；然后在切割料带10下一位置的极耳区1001与涂覆区1002，再加工出一个设置有极耳11的极片12，重复上述操作以在料带10上切割出多个设置有极耳11的极片12。使用激光束对极耳区1001的切割路径和涂覆区1002的切割路径为连续路径，即激光束对极耳区1001切割路径的末端为对涂覆区1002切割路径的始端，也就是说，激光束切割完极耳区1001后立马切割涂覆区1002，如此设置切割路径能够提升激光束切割料带10的效率。

需要说明的是，使用激光束依次切割涂覆区1002和极耳区1001，当使用激光束切分涂覆区1002后，切割后的部分与料带10分离，可能会导致该部分错位，这样再使用激光束对极耳区1001切割时可能导致实际切割路线与预定路线有偏差，导致切割后的极片12间的对齐度差，降低电芯的生产良率。而使用激光束依次切割极耳区1001和涂覆区1002，这样在使用激光束切割过程中，保证料带10定位精准，从而提升极片12的对齐度，提升电芯的生产良率。

在一些实施例中，双轴振镜控制准直光束沿预设轨迹移动，以在料带10上形成切割轨迹，切割轨迹为图3及图4所示的轨迹，包括第一线段、第二线段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段及第八线段。第一线段与料带10的长度方向平行；第二线段与所述第一线段的夹角大于等于90°且小于等于120°；第三线段与料带10的长度方向平行；第四线段与所述第三线段的夹角大于等于90°且小于等于120°；第五线段与料带10的长度方向平行；第六线段与料带10的宽度方向平行；第七线段与料带10的宽度方向平行；第八线段与料带10的宽度方向平行。其中，在图3及图4中，第一线段为A点到B点、第二线段为B点到C点、第三线段为C点到D点、第四线段为D点到E点、第五线段为E点到F点、第六线段为F点到G点、第七线段为G点到H点、第八线段为H点到F点，其中一个切割轨迹中的F点与下一切割轨迹中的A点重合。

具体的，其中第一线段、第二线段、第三线段、第四线段及第五线段用于在料带10上切割出极耳11的轮廓，第六线段、第七线段及第八线段用于切割料带10的涂覆区1002以形成极片12，第一线段到第八线段为在料带10上的一个切割周期，以实现一个极片12的切割加工。其中，第一线段和第五线段切割的是涂覆区1002与极耳区1001的交界位置，且均与料带10的长度方向平行；第三线段为对极耳11的切割线，第三线段也与料带10的长度方向平行；第二线段和第四线段为相对于料带10的长度方向倾斜的斜线段，且第二线段和第四线段关于第三线段的垂直平分线对称设置；第六线段、第七线段及第八线段均与料带10的宽度方向平行。

此外，切割轨迹还可以以其他的方式设置，例如：第一线段至第五线段的设置方式不变，将第六线段为F点到H点、第七线段为H点到G点、第八线段为G点到F点，如此也能实现对料带10的切割。

进一步优选的，切割轨迹任一段中的双轴振镜的扫描速率、激光功率和频率均单独可调。如此，激光束在切割料带10的涂覆区1002和极耳区1001时，可以采用扫描速率、激光功率和频率，进而保证涂覆区1002和极耳区1001的切割质量的一致性。

在一些实施例中，激光束沿第六线段切割料带10时，第六线段超出料带10宽度方向上的第一边缘2-10mm；激光束沿第七线段切割料带10时，第七线段超出料带10宽度方向上的第二边缘2-10mm。具体地，其中第一边缘指的是在料带10宽度方向上涂覆区1002远离极耳区1001的边缘，相应的第二边缘指的是在料带10宽度方向上极耳区1001远离涂覆区1002的边缘。在此保证第六线段超出料带10宽度方向上的第一边缘2-10mm，且第七线段超出料带10宽度方向上的第二边缘2-10mm，如此设置，保证极片12的底边和极耳11废料段能完全被切断，保证极片12的切割成形质量。

示例性的，第六线段超出料带10宽度方向上的第一边缘的距离为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm；相应的，第七线段超出料带10宽度方向上的第二边缘的距离为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm。

在一些实施例中，第七线段的部分与第六线段重合，第七线段的其余部分与第八线段重合。具体地，第六线段用于对涂覆区1002进行切割，第七线段用于对第六线段切割位置对应的极耳区1001进行切割，由于第六线段的与料带10的长度方向垂直，第七线段需要返回极耳区1001的顶端，在此将第七线段的部分与第六线段重合，一是避免激光束切割料带10的其他区域，二是能缩短激光束返回极耳区1001的距离。同理，第八线段是为了由极片12区的顶部返回第六线段的起点位置(也就是第五线段的终点位置)，为了避免激光束切割料带10的其他区域，且缩短激光束返回极耳区1001的距离，第八线段与第七线段的部分区域重合。其中，第七线段的距离等于第六线段与第八线段的距离之和。

以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

还需要指出的是，在本发明的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

应当理解，本发明实施例描述中所用到的限定词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于更清楚地阐述技术方案，并不能用于限制本发明的保护范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。