电芯负极与汇流排的焊接结构和焊接方法

技术领域

本发明涉及动力电池包焊接技术领域，具体而言，涉及一种电芯负极与汇流排的焊接结构和焊接方法。

背景技术

在动力电池包领域，圆柱电芯以其自身力学性能好，技术成熟，成本低，以及较好的封闭性等特点，正越来越受到市场的关注。

圆柱电芯一般将钢制外壳作为负极，电芯过电流一般采用铜排，钢壳与铜排重叠搭接，再将钢壳与铜排通过焊接方式连接。

圆柱电芯尺寸小，导致能用于焊接的区域尺寸小，较特殊的铜排结构设计，对焊接位置的定位准确性和可靠性要求很高，否则很容易导致焊缝接头虚焊而功能失效。

另外，圆柱电芯的负极的材料厚度很薄，焊接热输入过大极易熔穿，导致电芯漏液、短路引发安全事故。

综合以上材料、结构设计、以及使用要求等累加因素，从而大大增加了焊接工艺的复杂和困难性，降低了焊接可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电芯负极与汇流排的焊接结构和焊接方法，能够增加焊接面积，提高焊接可靠性，解决虚焊问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种电芯负极与汇流排的焊接结构，用于实现电芯负极和汇流排的焊接，电芯具有电芯负极，电芯负极与汇流排至少部分叠置，电芯负极与汇流排在叠置区域焊接，焊缝轨迹为螺旋线。

作为一种实施方式，焊接结构的熔宽为b，焊深为s，电芯负极的料厚为t，b≥80％t，s≤t。

作为一种实施方式，80％t≤b≤200％t，20％t≤s≤90％t。

根据本发明的另一方面，提供了一种电芯负极与汇流排的焊接方法，包括：

将汇流排与电芯负极的焊接区进行叠置；

在叠置区域形成螺旋线状的焊缝轨迹；

按照螺旋线状的焊缝轨迹对汇流排与电芯负极进行焊接。

作为一种实施方式，焊接方式为激光焊接，焊缝轨迹的宽度L通过如下参数限定：

摆动频率设定为20Hz～40Hz，摆动振幅设定为1.0mm～2.0mm，焊接速度设定为20mm/s～35mm/s。

作为一种实施方式，激光焊接功率为700w～1200w。

作为一种实施方式，激光焊接的离焦量在距离焦点位置-1mm～1mm处。

作为一种实施方式，在将汇流排与电芯负极的焊接区进行叠置后的步骤之前还包括：

对电芯负极和汇流排的待焊接表面进行清洁。

作为一种实施方式，焊接方法还包括：

在进行焊接时，向焊接区域通入保护气。

作为一种实施方式，保护气的流量可调，保护气的流量为15L/min～25L/min。。

应用本发明的技术方案，电芯负极与汇流排的焊接结构，用于实现电芯负极和汇流排的焊接，电芯具有电芯负极，电芯负极与汇流排至少部分叠置，电芯负极与汇流排在叠置区域焊接，焊缝轨迹为螺旋线。由于采用了螺旋线作为焊缝轨迹，因此在进行焊接时，可以通过螺旋线状的焊缝轨迹来增加焊缝面积，进而增加有效焊接面积，提高焊接可靠性，解决虚焊问题，同时，在采用螺旋线作为焊缝轨迹之后，在拐角位置处能够形成圆弧过渡，避免了尖锐拐角，规避了由于激光束摆动在拐角处的降速而导致焊接热输入过大造成的击穿电芯负极的风险。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例的电芯负极与汇流排的焊接结构示意图；

图2示出了图1的D向的局部剖视结构示意图；

图3示出了本发明的实施例的电芯负极与汇流排的焊接方法的试片测试装置的结构示意图；

图4示出了本发明的实施例的电芯负极与汇流排的焊接方法流程图；

图5示出了本发明实施例的焊接方法的焊接功率、焊接速度和摆动频率与熔宽和熔深之间的关系曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、电芯；2、汇流排；3、焊缝轨迹；4、电芯负极；101、振镜焊接头；201、压紧块；301、吹气通孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合参见图1和图2所示，根据本发明的实施例，电芯负极与汇流排的焊接结构用于实现电芯负极4和汇流排2的焊接，电芯1具有电芯负极4，电芯负极4与汇流排2至少部分叠置，电芯负极4与汇流排2在叠置区域焊接，焊缝轨迹3为螺旋线。

由于采用了螺旋线作为焊缝轨迹3，因此在进行焊接时，可以通过螺旋线状的焊缝轨迹3来在有限的位置空间内增加焊缝面积，进而增加有效焊接面积，提高焊接可靠性，解决虚焊问题，使得焊缝接头强度最大化，同时，在采用螺旋线作为焊缝轨迹之后，在拐角位置处能够形成圆弧过渡，避免了尖锐拐角，规避了由于激光束摆动在拐角处的降速而导致焊接热输入过大造成的击穿电芯负极的风险。

在一个实施例中，螺旋线的相邻周期形成部分重叠结构，也即螺旋线的一个周期的末端部分与下一个周期的起始端部分形成交叉重叠，从而能够增大螺旋轨迹在回转拐角位置处的回转弧度，使得焊接过程中能够更加顺畅地通过回转位置，避免发生焊接降速。

在本实施例中，螺旋线为呈类似椭圆形的螺旋线，也即在一个螺旋线周期内，螺旋线的长度A和宽度B的比例A/B应该在一个预设范围内，该预设范围例如为1＜A/B≤10。

在一个实施例中，焊接结构的熔宽为b，焊深为s，电芯负极4的料厚为t，b≥80％t，s≤t。

在本实施例中，通过对薄板金属的汇流排和负极重叠进行螺旋线轨迹激光焊接，并通过各种参数控制，使得b≥80％t，s≤t，从而能够增加有限焊接面积，提高焊接强度，防止虚焊，还能够防止拐角降速导致击穿负极，防止焊穿。其中的电芯负极4的料厚t同时也作为负极钢壳的厚度使用。

在一个实施例中，80％t≤b≤200％t，20％t≤s≤90％t。

通过上述限定，可以对焊接结构的熔宽和焊深进行优化，从而优化焊缝热输入，同时保证焊接量，保证焊接可靠性。

结合参见图4所示，根据本发明的实施例，电芯负极与汇流排的焊接方法包括：将汇流排2与电芯负极4的焊接区进行叠置；在叠置区域形成螺旋线状的焊缝轨迹3；按照螺旋线状的焊缝轨迹3对汇流排2与电芯负极4进行焊接。

在本实施例中，可以在将汇流排2与电芯负极4的焊接区进行叠置之后，通过程序设定的方式设置螺旋线状的焊缝轨迹3，然后通过焊接装置对焊接轨迹进行控制，从而使得焊接装置焊接而成的焊接结构具有螺旋线状的焊缝轨迹3，满足汇流排2与电芯负极4之间的可靠焊接，简化了焊接工艺，降低了焊接难度，有效提高了焊接质量。

将汇流排2与电芯负极4的焊接区进行叠置后的步骤之前还包括：对电芯负极4和汇流排2的待焊接表面进行清洁。在进行焊接之前，需要对电芯负极4和汇流排2的待焊接表面进行清洁；然后通过工装压紧机构压住汇流排2与电芯负极4的焊接面，进一步的使其贴合，形成汇流排2与电芯负极4的重叠区域。

在电芯负极和汇流排重叠区域内进行焊接，焊缝轨迹3设置为螺旋线，即激光束以划椭圆线轨迹方式，由此，可以增加焊缝长度和焊接区域，来增加有限焊接面积，而且规避了激光束摆动在拐角处的降速导致焊接热输入过大造成的击穿电芯负极的风险。

本实施例的汇流排2与电芯负极4的重叠焊接，也是异种薄板金属之间的焊接，例如钢与铜、铝与铜的焊接等，本实施例中采用激光焊接方式进行上述焊接操作。其中激光焊接设备采用单模激光器和振镜焊接头。

在激光焊接过程中，振镜焊接头自身具有一定的摆动频率，因此能够更进一步增大焊接面积，提高焊接强度。

在一个实施例中，焊缝轨迹3的宽度L通过如下参数限定：摆动频率设定为20Hz～40Hz，摆动振幅设定为1.0mm～2.0mm，焊接速度设定为20mm/s～35mm/s。

在本实施例中，由于焊缝轨迹3整体呈现为螺旋线，且为回环式螺旋线，因此，需要合理设定激光焊接器进行焊接时的摆动频率和摆动幅度，既需要考虑激光焊接能够提供充足的焊接热，使得汇流排2与电芯负极4之间得到充分的焊接，又需要考虑避免激光焊接过程中的移动速度过慢导致的焊接热输入过大，造成击穿电芯负极4的问题。通过将激光焊接参数设定为前述范围，能够实现激光焊接的摆动频率、摆动振幅以及焊接速度的优化匹配，使得焊接速度与摆动频率和摆动振幅能够相关联，而非单一的设定各个参数。在设定的摆动频率和摆动幅度下，选择与之匹配的焊接速度，可以保证电芯负极与汇流排重叠区域内焊缝单位面积的能量密度，既能够保证焊接质量，避免发生虚焊的问题，又能够有效避免发生击穿电芯负极4的问题，有效保证焊接质量。

在进行螺旋线的宽度限定时，也需要综合考虑上述的参数，使得各个参数之间的关系形成良好的匹配，从而控制电芯负极4与汇流排2的有效焊接面积和热输入大小，以获得较优的焊接质量和焊接效率。

在一个实施例中，激光焊接功率为700w～1200w。

在一个实施例中，激光焊接的离焦量在距离焦点位置-1mm～1mm处。通过设置合适的离焦量，能够有效防止单位面积焊缝热输入过大造成的击穿电芯负极的问题，保证焊接的可靠性。

焊接方法还包括：在进行焊接时，向焊接区域通入保护气。保护气采用氮气、氩气或氦气等惰性气体。

在一个实施例中，保护气的流量可调，保护气的流量为15L/min～25L/min。

保护气种类采用氮气，也可采用纯氩或氦气等惰性气体，依据吹气方式，吹气结构不一，气体流量可依据实际情况进行调整；在一个实施例中，保护气通过吹气孔吹入，流量控制在15L/min～25L/min。

结合参见图5所示，提供了在摆动振幅和离焦量两个参数因子固定的情况下，焊接功率、焊接速度和摆动频率与熔宽和熔深之间的关系曲线图。

从图5中可以看出，焊接功率在700W～1200W区间时，熔宽、熔深与摆动频率与焊接速度呈反相关趋势。

摆动频率在20Hz～40Hz区间或焊接速度在20mm/s～35mm/s区间时，熔宽、熔深与焊接功率呈正相关。

焊接功率，焊接速度和摆动频率分别在以上设定区间内，熔宽可达0.8t～2t，熔深可达0.2t～t，可以提供足够的焊接强度。

结合参见图3所示，本发明还提供了一种上述的焊接方法的验证过程，采用试片进行焊接效果的验证。具体的焊接验证过程如下(LB为激光焊接光束)：

选用单模激光焊接设备对铜与钢的薄板异种金属进行焊接，其中激光焊接设备采用振镜焊接头101进行焊接；

将铜试片A与钢试片B进行组装，重叠搭接，铜试片A在上，钢试片B在下也可以全是铜或者全是钢，上下位置关系可以置换；组装前，利用无水酒精进行擦拭材料表面进行清洁；

通过压紧块201将铜试片A与钢试片B压合固定；

设置振镜焊接头101的螺旋摆动模式，其中焊缝长度设定9mm，摆动频率设定30Hz，摆动振幅设定为1.5mm，焊接速度25mm/s～35mm/s；

设定离焦量F，离焦量调试至0mm～1mm位置；

设定激光焊接功率800W～1000W；

开启保护气氮气，氮气通过吹气通孔301吹入，流量控制在15L/min～25L/min；

利用以上设备、工装定位方式以及参数组合，对铜试片A与钢试片B进行焊接，焊接区域达9mmx3mm，焊缝剥离后母材撕裂，而且钢试片背侧无焊穿，因此有效验证了本申请的焊接方法的有效性，在保证焊接质量的基础上，避免了焊接热输入过大造成的击穿现象。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。