使用激光减少焊接金属产生的危害副产物的方法和系统技术方案

一种用于将材料焊接在一起，不会产生危险量的金属粉末的可见光激光系统和操作。一种用于形成铝基材料的焊缝，而不会产生危险量的金属粉末的蓝色、蓝绿色和绿色激光系统和方法。一种用于将导电元件，特别是薄铝导电元件焊接在一起以用于储能装置，诸如电池组，而不会产生危险量的金属粉末的蓝色、蓝绿色和绿色激光系统和操作。系统和操作。系统和操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用激光减少焊接金属产生的危害副产物的方法和系统


[0001]本专利技术涉及改进的材料激光加工，特别是使用具有约350nm至约850nm以及更大波长的激光束的金属材料的激光接合。本专利技术减轻、减少和消除危害材料的形成，包括通过IR焊接技术形成的有害微粒。

技术介绍

[0002]金属(例如铝)的IR、超声波和电阻焊接会产生危害材料，包括危害颗粒。这些危害副产物的产生主要是由焊接成型不良、焊接质量差以及这些方法的焊接过程引起的。这些危害之一是产生铝粉末，例如金属铝、氧化铝、氢氧化铝。随着对此类焊缝和焊接的需求不断增加，来自这些材料(诸如铝粉末)的危害越来越受到关注。例如，这些需要并导致形成危害材料的问题的一个市场是不断增长的电动汽车市场的高性能电子产品领域。通常需要减少，优选减轻，更优选消除这种危害材料的形成的焊接技术，例如，特别需要该焊接技术为不断增长的汽车市场生产高性能电池和电子产品，同时保持速度和性能经济并满足该行业的焊接规范。
[0003]当使用1030nm的IR激光源时，金属(例如铝、铜)在该波长下的高反射率使得难以将功率耦合到材料中以加热和焊接它。例如，这种耦合功率的困难是由于室温下在1000nm处和大于1000nm的波长下的低吸收，例如铝(8％)、铜(5％)，这会阻止功率高效耦合到金属中。随着功率开始耦合到金属中并且金属开始加热，IR中的吸收迅速增加，导致直接进入蒸发和微粒生成的失控过程。
[0004]克服高反射率的一种方法是使用高功率水平(>1kW)IR激光来启动锁孔焊缝，锁孔焊缝然后将功率耦合到材料中。这种焊接方法的主要问题是，锁孔中的蒸汽会导致微爆炸，将熔融铝喷射到整个被焊接的部件上，或者微爆炸会导致完全穿过部件的孔被焊接。因此，研究人员不得不依靠快速调制激光功率来试图防止焊接期间的这些缺陷。已经发现缺陷是工艺本身的直接结果，当激光试图焊接金属时，它首先将其加热到熔点，然后迅速转变为使金属汽化。一旦金属汽化，锁孔被形成，并且激光耦合从最初的5％迅速上升到100％，这种转变发生得如此之快，以至于耦合进来的热量迅速超过了焊接部件所需的热量，从而导致所描述的微爆炸。
[0005]由IR焊接工艺引起的这些微爆炸和飞溅会产生金属粉尘。金属粉尘可能会带来健康问题、可能是易燃的、可能会带来爆炸风险，以及这些的组合和变化，以及其他有害影响。例如，铝粉尘是小的(例如，微米和亚微米尺寸)铝基微粒，诸如金属铝、氧化铝、氢氧化铝。吸入铝粉尘会导致健康问题，诸如金属烟雾热和肺纤维化。值得注意的是，铝粉尘是一种易燃固体，具有火灾危险。粒径小于约500μm的铝粉尘的存在会产生爆炸风险和危害。
[0006]在制造操作期间，铝细粉可能通过诸如研磨、锯切、切割、砂磨、IR激光焊接或刮擦等活动产生，并且它们中的至少一些细粉将足够细以潜在地是爆炸的。术语“粉尘”或“粉末”经常用于描述此类微粒。很难具体说明尺寸，但如果所有微粒都大于500μm，那么爆炸可能不会持续下去。然而，这种材料仍然是易燃固体。然而，更可能的是会产生更粗和更细的
材料的混合物，如果材料是420μm(40目)或更细，那么它就有爆炸的可能性。当达到它们的着火点时，较细的微粒很容易燃烧，并且也倾向于点燃较粗的微粒。在铝的情况下，如果在微粒以粉尘云的形式悬浮在空气中时发生点火，可能会导致爆炸，因为燃烧以极快的速度从一个微粒延伸到另一个微粒。
[0007]使用当前的红外激光方法和系统对金属(例如铝)进行激光焊接具有挑战性，并且由于金属的高反射率而存在问题。为了克服这个问题，IR激光在焊缝中具有不受控制的飞溅和不可预测的可变性，并产生金属粉末，例如铝基粉末。在试图控制生产铝粉末的危险中，需要大型、复杂和昂贵的空气处理和管理系统。虽然可能将铝基粉末从操作员移开，但该因素必须处理和处置危险的易燃粉末。因此，存在减少、优选减轻、更优选消除此类有害副产物粉末例如铝粉末的形成的重要且长期的需要。
[0008]铝焊接工艺的更困难之一是如何将铝箔堆叠彼此焊接和焊接到较厚的母线。今天，这不能用IR激光可靠地完成，也不能以产生制造商所需的焊缝质量的方式完成。因此，制造商依靠超声波焊接方法将这些箔片粘合在一起。这些超声波方法也不是最佳的并且是有问题的。例如，使用超声波焊接方法时，超声焊极(sonotrodes)会在生产期间磨损，从而导致工艺变化，从不完整的焊缝到留下碎屑(铝粉末)的焊缝。这些缺陷限制了制造良率、电池的内阻、所得电池的能量密度以及在许多情况下电池的可靠性。此外，这些过程会产生有害金属粉末，诸如铝基粉末。
[0009]除非另有明确规定，术语“铝基材料”应被赋予其最广泛的含义，包括铝、6061铝、1100铝、铝系列1100至7000、铝材料、铝金属、用铝电镀的材料、含有至少约10wt％铝至100wt％铝的金属材料、含有至少约10wt％铝至100wt％铝的金属和合金、含有至少约20wt％铝至100wt％铝的金属和合金、含有至少约10wt％铝至100wt％铝的金属和合金、含有至少约50wt％铝至100wt％铝的金属和合金、含有至少约70wt％铝至100wt％铝的金属和合金，以及含有至少约90wt％铝至100wt％铝的金属和合金。
[0010]除非另有明确规定，术语“激光加工”、“材料的激光加工”和类似的此类术语应被赋予其最广泛的含义，包括焊接、钎焊、熔炼、接合、退火、软化、增粘、表面重修、喷丸、热处理、熔合、密封和堆叠。
[0011]如本文所用，除非另有明确说明，“UV”、“紫外线”、“UV光谱”和“光谱的UV部分”和类似术语应被赋予其最广泛的含义，并且将包括波长为约10nm至约400nm，和10nm至400nm的光。
[0012]如本文所用，除非另有明确说明，术语“可见”、“可见光谱”和“光谱的可见部分”和类似术语应被赋予其最广泛的含义，并且将包括波长为约380nm至约750nm，和400nm至700nm的光。
[0013]如本文所用，除非另有明确说明，术语“蓝色激光束”、“蓝色激光”和“蓝色”应被赋予其最广泛的含义，并且通常指的是提供激光束的系统、激光束、激光源，例如激光器和二极管激光器，它们提供例如传播激光束或具有约400nm至约500nm波长的光。典型的蓝色激光的波长范围为405nm至495nm，约405至约495nm。蓝色激光包括450nm、约450nm、460nm、约460nm、约470nm的波长。蓝色激光的带宽可以为约10pm(皮米)至约10nm、约5nm、约10nm和约20nm，以及更大和更小的值。
[0014]如本文所用，除非另有明确说明，术语“绿色激光束”、“绿色激光”和“绿色”应被赋
予其最广泛的含义，并且通常指的是提供激光束的系统、激光束、激光源，例如激光器和二极管激光器，其提供例如传播激光束或具有约500nm至约575nm波长的光。绿色激光包括515nm、约515nm、532nm、约532nm、550nm和约550nm的波长。绿色激光的带宽可以为约10pm至10nm、约5nm、约1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】1.一种在铝基材料中形成焊缝的方法，所述方法包括：a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铝基材料放置成与第二块铝材料接触；b.将蓝色激光束引导至所述工件，从而在所述第一块铝基材料和所述第二块铝基材料之间形成焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区；和，c.其中铝基材料、所述HAZ和所述再凝固区的微结构是相同的。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相同的微结构在所述焊缝中没有显示出表明所述焊缝中的弱点的可辨别的差异。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述相同的微结构包括相似尺寸的晶体生长区域。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊缝通过传导模式焊接形成。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块和所述第二块的厚度为约10μm至约1000μm。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块包括多层铝箔。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块是铝金属。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一块是铝合金，具有约10至约95wt％的铝。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有小于800kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有小于500kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有约100kW/cm2至约800kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有约800kW/cm2至约5MW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有大于100kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有小于500W的功率。15.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有小于275W的功率。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束具有小于750W的功率。17.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有在150W至约750W范围内的功率。18.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有在约200W至约1500W范围内的功率。19.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm的光斑尺寸的聚焦光斑被引导至所述工件。20.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有从约405nm至约500nm的波长。21.根据权利要求1所述的方法，其中所形成的所述焊缝是无飞溅的。22.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光不使所述工件汽化。23.一种在铝基材料中形成焊缝的方法，所述方法包括：a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铝基材料放置成与第二块铝材料接触；
b.将蓝色激光束引导至所述工件，从而在所述第一块铝基材料和所述第二块铝基材料之间形成焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区；和c.其中所述HAZ的硬度范围在铝基材料的硬度范围内。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述再凝固区的硬度范围在所述铝基材料的硬度范围内。25.根据权利要求23所述的方法，其中铝基材料、所述HAZ和所述再凝固区的微结构是相同的。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述相同的微结构在所述焊缝中没有显示出表明所述焊缝中的弱点的可辨别的差异。27.根据权利要求26所述的方法，其中所述相同的微结构在所述焊缝中没有显示出表明所述焊缝中的弱点的可辨别的差异。28.根据权利要求26所述的方法，其中所述相同的微结构包括相似尺寸的晶体生长区域。29.根据权利要求23所述的方法，其中所述焊缝通过传导模式焊接形成。30.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块和所述第二块具有约10μm至约500μm的厚度。31.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块包括多层铝箔。32.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块是铝金属。33.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一块是铝合金，具有约10至约95wt％的铝。34.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有小于2000kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。35.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有小于500kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。36.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有约100kW/cm2至约4500kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。37.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有大于100kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。38.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有小于500W的功率。39.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有小于275W的功率。40.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有小于750W的功率。41.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有在150W至约750W范围内的功率。42.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有在约200W至约1500W范围内的功率。43.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有约50μm至约250μm的光斑尺寸的聚焦光斑被引导至所述工件。44.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束作为具有约100μm至约500μm的光斑尺寸的聚焦光斑被引导至所述工件。45.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光束具有约405nm至约500nm的波长。
46.根据权利要求23所述的方法，其中所形成的所述焊缝是无飞溅的。47.根据权利要求23所述的方法，其中所述激光不使所述工件汽化。48.一种在铝基材料中形成焊缝的方法，所述方法包括：a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铝基材料放置成与第二块铝材料接触；b.将蓝色激光束引导至所述工件，从而在所述第一块铝基材料和所述第二块铝基材料之间形成焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区；c.其中所述再凝固区的硬度范围在所述铜基材料的硬度范围内；和，d.其中所述铝基材料、所述HAZ和所述再凝固区的微结构是相同的。49.根据权利要求48所述的方法，其中所述相同的微结构在所述焊缝中没有显示出表明所述焊缝中的弱点的可辨别的差异。50.根据权利要求48所述的方法，其中所述相同的微结构在所述焊缝中没有显示出表明所述焊缝中的弱点的可辨别的差异。51.根据权利要求48所述的方法，其中所述相同的微结构包括相似尺寸的晶体生长区域。52.根据权利要求48所述的方法，其中所述焊缝通过传导模式焊接形成。53.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块和所述第二块的厚度为约10μm至约500μm。54.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块包括多层铝箔。55.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块是铝金属。56.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一块是铝合金，具有约10至约95wt％的铝。57.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为具有小于800kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。58.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为具有小于500kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。59.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为具有约100kW/cm2至约3000kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。60.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束作为具有大于100kW/cm2的功率密度的聚焦光斑被引导至所述工件。61.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有小于500W的功率。62.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有小于275W的功率。63.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有小于750W的功率。64.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有在150W至约750W范围内的功率。65.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有在约200W至约1500W范围内的功率。66.根据权利要求48所述的方法，其中将所述激光束作为具有约50μm至约250μm的光斑尺寸的聚焦光斑引导至所述工件。67.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光束具有约405nm至约500nm的波长。
68.根据权利要求48所述的方法，其中所形成的所述焊缝是无飞溅的。69.根据权利要求48所述的方法，其中所述激光不使所述工件汽化。70.一种在铝基材料中形成锁孔焊缝的方法，所述方法包括：a.将工件放入激光系统中；其中所述工件包括将第一块铝基材料放置成与第二块铝材料接触；和，b.将蓝色激光束引导至所述工件，从而在所述第一块铝基材料和所述第二块铝基材料之间形成锁孔模式焊缝；其中所述焊缝包括HAZ和再凝固区。71.根据权利要求70所述的方法，其中激光功率小于1000kW。72.根据权利要求70所述的方法，其中激光功率小于500kW。73.根据权利要求70所述的方法，其中激光功率小于300kW。74.根据权利要求70所述的方法，包括延长所述激光束以抑制锁孔的飞溅。75.根据权利要求70所述的方法，包括调制激光功率以抑制锁孔的飞溅。76.根据权利要求70所述的方法，包括在锁孔焊接模式期间快速扫描所述光束以抑制飞溅。77.根据权利要求70所述的方法，包括在开始焊接之后迅速降低激光功率，其中降低的方法能是自动的或手动的。78.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括在焊接过程期间使用低大气压力来减少夹带的气体和飞溅。79.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加保护气体。80.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加选自He、Ar、N2的保护气体。81.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加选自Ar
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H2、N2、N2‑
H2的保护气体混合物。82.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括施加保护气体并向所述保护气体添加氢气以去除氧化物层和促进所述焊缝的润湿。83.根据权利要求1、23或70所述的方法，包括将第二激光束引导至与形成所述焊缝的所述激光束相同的区域。84.根据权利要求1至83中任一项所述的方法，其中所述激光束作为散焦光斑被引导至所述工件。85.根据权利要求1至83中任一项所述的方法，其中所述激光束穿过多个重叠路径。86.根据权利要求1至83中任一项所述的方法，其中所述激光束穿过多个偏移路径。87.根据权利要求1至86中任一项所述的方法，其中所述激光束的波长在约500nm至约575nm的范围内。88.根据权利要求1至86中任一项所述的方法，其中所述激光束的波长范围选自约450nm、约460nm、约470nm、约515nm、约532nm、约550nm。89.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中不形成粒度小于约500μm的铝粉尘。90.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中不形成粒度小于500μm的铝粉尘。91.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中不形成粒度小于约420μm的铝粉尘。92.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中不形成粒度小于420μm的铝粉尘。93.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中铝粉尘的任何形成都在NFPA
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(2019年修订版)设定的限度之内或低于所述限度。94.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中产生低于爆炸水平的气载的铝粉尘的量。95.根据权利要求1至92中任一项所述的方法，其中产生少量的气载的铝粉尘，其中所述量选自小于100g、小于50g、小于20g、小于1g、小于100mg、小于50mg、小于5mg和小于1mg、小于0.1mg、小于0.001mg、约50g至约1g、约1g至约50mg、约70mg至20mg和约1mg至约0.1mg。96.根据权利要求87至95中任一项所述的方法，其中所述铝粉尘包括铝、氧化铝和氢氧化铝中的一种或多种。97.根据权利要求1至96中任一项所述的方法，其中在1mm长度的焊缝形成期间...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修，
申请(专利权)人：努布鲁有限公司，
类型：发明
国别省市：