【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的方法和用于执行这样的方法的设备。所公开的方法和设备特别适用于制造需要将许多次级部件接合至初级部件的装置的情境中，例如在电动交通工具电池组的部件之间形成电连接时。
技术介绍
1、即将实施的法规和不再使用化石燃料的转变，加大了人们对取代内燃机驱动交通工具的兴趣，特别是用电动交通工具取代前者。在这些交通工具中以便携式方式储存能量的各种方法中，电池技术似乎最有前途，特别是使用二次电池，其可以再次充电以重复使用(例如大型电池组中的各种锂离子电池)。电池组是相对复杂的结构，其需要在各种材料之间进行多次焊接，通常是焊接相似和不相似的金属接合(joint)，包括单个单元端片(celltab)到汇流条(busbar)/集电板接合、电池、容器和热管理系统之间的端子接合和接触点。就导电接合(例如，端片到汇流条、端子接合)而言，接合保持高导电尤为重要，这会受到接合的冶金学特性(例如晶粒结构、不同金属之间的金属间化合物的形成)和物理接合特性(例如氧化物的存在、腐蚀、机械损伤)的影响。接合过程中的热输入可以影响上述特性，还可以损坏或点燃电池单元中存在的化学物质。
2、在选择合适的焊接技术以接合电池组件的部件时，会考虑各种因素，包括所产生的接合特性、热输入、周期时间、机械输入、资本投资、自动化简易度和过程灵活性。激光焊接目前被视为在电池上形成导电接合的领先技术，因为它是非接触式(无机械输入)、高精度和可控(特别是关于激光束的定位和传递至焊接现场的热输入)的过程，而且有现成的可用自动化装备。然而
3、除了激光焊接之外，其他已知的焊接技术包括电阻点焊、超声波焊接、摩擦搅拌焊接和电子束焊接。电子束焊接属于更通用的电子束处理方法系列，该系列过程适用于诸如厚截面焊接和生产非常精细的表面特征的应用。电子束处理通常在一定程度的真空下进行，这可以防止电子散射并具有防止大气污染的优点。前人已经尝试过以电子束焊接的电连接：例如，us-b-9375804涉及袋式电池中锂离子电池连接件的电子束焊接，其中，使用(可选地主动冷却的)夹紧机构固持集电板的堆叠，并采用无氧气氛避免氧化物形成，以形成焊接部分。所述的焊接过程适用于电池单元生产中的箔片接合，但使用夹具实现箔片接合区域的“屏蔽”的方法不适用于接合不以合理速度或功率输入提供为堆叠的多个部件，或以任何大数量提供的多个部件。
4、认为利用电子束焊接不可行的一个特别原因是由于一种称为”隆起”(humping)的现象，其中，由于在电子束穿过期间的熔融材料的位移，焊缝会呈现出隆起或高度波纹化的表面。虽然这种现象可以有利地用于诸如表面雕刻(surfi-sculpt，参见ep-b-1551590)之类的电子束技术中，以对被处理工件的表面纹理化，但它通常不利于形成焊接，因为隆起的表面轮廓的发展通常是混乱的，这会导致受影响的焊接的特性之间存在很大的不一致。为了减轻隆起对于延长焊接的不利影响，有必要缓慢地形成这种焊接，而这会阻止电子束焊接以在一些部件之间形成大量焊接所需的速度操作，例如在电池组上焊接导电构件时。由于这些原因，电子束焊接通常被认为不适用于将制造复杂产品例如电池组件所需的大量部件焊接在一起。
5、鉴于已知的激光焊接和电子束焊接技术的缺点，需要一种能产生一致的、高质量的焊接以将大量部件高速接合在一起的方法。
技术实现思路
1、本专利技术的第一方面提供一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的方法，该方法包括：
2、(a)在限定待被焊接至第一次级部件的初级部件的相应部分的第一焊接路径上，通过电子束焊接形成第一焊接路径上的相应点焊位置处接合初级部件和第一次级部件的点焊；
3、(b)在限定待被焊接至第二次级部件的初级部件的相应部分的第二焊接路径上，通过电子束焊接形成第二焊接路径上的相应点焊位置处将初级部件和第二次级部件接合在一起的点焊；以及
4、以任何顺序重复步骤(a)和(b)中的每一者至少一次，以在第一焊接路径和第二焊接路径中的每一者上形成沿相应的焊接路径布置的相应的一组邻接点焊，其中，每个后续点焊在先前点焊中的一个或更多个正在凝固时形成，并且仅在与所述每个后续点焊邻接的任何现有点焊已经凝固之后形成。
5、已知的电子束焊接技术，例如us-b-9375804中公开的技术，由于上述有害的”隆起”效应而在速度上受到限制，然而电子束焊接具有几项特征，这些特征在制造包含彼此接合的多个部件的产品时非常有利，前提是它们能在这种情况下被充分利用。例如，电子束可以在很宽的功率范围内操作，并且比激光更不易被焊接材料反射：激光束通常以不可预测的方式被反射，而电子束可靠地将能量传递至电子束以可预测的方式入射之处，该可预测方式与表面的特性几乎无关。此外，由于使用电磁线圈操控电子束的能力，电子束可以非常快速地定位、穿过和聚焦。在将多个部件接合在一起时，这种使电子束快速定位、穿过和聚焦的能力特别理想，因为这减少了使电子束在不同焊接位置之间穿过所花费的时间，从而提高了可以获得的有效焊接速度。相比之下，基于激光的技术除了上述的速度障碍之外还有几个缺点，而克服这些限制将是有利的。激光还存在与材料相关的严重缺陷，因为诸如铜和铝的材料会反射激光辐射，而这会影响在穿透和整体质量方面的焊接一致性。此外，被反射的辐射的比例取决于光束的特定几何形状和被照射的表面，因此是不可预测的。这会导致所形成的焊接特性之间的显著不一致。
6、专利技术人已经意识到可以通过借助一系列点焊接合初级部件和次级部件，以减轻有害的”隆起”效应，点焊中的每一个在与其邻接的任何后续点焊产生之前均被允许凝固。当电子束聚焦到初级部件或待与其接合的次级部件上的点或“点焊位置”，然后在被照射区域由于入射电子束在点焊位置产生的热量开始熔融时保持基本静止，就会形成“点焊”。这会导致初级部件和/或次级部件的材料的熔融区域或熔融点的形成，其形状和尺寸与电子束的截面相对应(但不一定完全相等)。一旦电子束被移除，例如将其穿越到基本上不受现在已熔融的第一点的热影响的不同点，熔融材料将开始冷却和凝固，从而形成接合初级部件和次级部件的“点焊”。点焊与延长焊接(例如缝焊)不同，延长焊接是使电子束穿过待接合的部件而产生熔融材料的延长区域时所形成的。就从邻接点与缝焊形成的接合的纵向截面微观结构而言，可以看出，由邻接点形成的接合将具有许多可辨识的凝固边界，即，每个形成的点焊至少有一个凝固边界，而由缝焊形成的接合整体上只有围绕该缝的边界。
7、对于待被接合至初级部件的每个次级部件，限定相应的焊接路径，该焊接路径包括该组点焊位置，最终将在每个点焊位置处形成相应的点焊。每个焊接路径可以是连续路径，并且限定待在相应的次级部件与初级部件之间形成的焊接的形状。每个焊接路径的点焊位置被布置成使得在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个焊接路径包括相应的多个区段，每个区段包括相应的多个所述点焊位置，其中，形成所述点焊的顺序使得在每个区段内，所述区段中的每个后续点焊仅在所述区段中的所述先前点焊或每个先前点焊皆已凝固后形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，形成所述点焊的所述顺序使得在所述区段中的任何一者中形成点焊后，紧接的下一个点焊形成在所述区段中的不同区段中。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个焊接路径限定线或环圈。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述焊接路径中的至少一些焊接路径，优选为全部焊接路径，具有彼此相同的形状。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，接合所述初级部件和所述第二次级部件的所述点焊中的至少一些点焊在接合所述初级部件和所述第一次级部件的所述点焊中的最后点焊已经形成之前形成。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，步骤(a)和(b)被交替重复，以使得所述第一焊接路径上的每个后续点焊在
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所形成的所述后续点焊中的至少一个点焊，优选为每个点焊，邻接已经凝固的相应的先前点焊，优选为与该先前点焊部分交叠。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述次级部件中的一些或全部是用于交通工具电池的电池单元，并且所述初级部件是集电器。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，待焊接至所述初级部件的次级部件的数量为至少10个，优选地为至少100个，更优选地为至少1000个。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述电子束焊接是使用在点焊位置之间穿过时保持开启的电子束而进行的。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述电子束焊接是以至少500毫米每秒即500毫米/秒，优选地为至少1000毫米/秒，更优选地为至少2000毫米/秒的有效焊接速度而进行的。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述电子束焊接是在真空条件下，优选地在小于10-2毫巴(mbar)的压力下，更优选地在小于10-3毫巴的压力下而进行的。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，除了所述第一次级部件和第二次级部件之外，所述多个次级部件还包括一个或更多个附加次级部件，并且其中，对于所述一个或更多个附加次级部件中的每一个，所述方法还包括：
15.一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的设备，所述设备包括：
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述电子束操纵模块包括透镜线圈组件，所述透镜线圈组件能够被控制以将所述电子束聚焦到待形成所述点焊的所述点焊位置上。
17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，所述电子束操纵模块包括偏转线圈组件，所述偏转线圈组件能够被控制以使所述电子束在待形成所述点焊的区域中穿过。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的设备，其中，所述电子束操纵模块包括消散器线圈组件，所述消散器线圈组件能够被控制以改变所述电子束的截面的形状和/或尺寸。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的设备，其中，所述控制器还被配置成执行根据权利要求2至14中任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个焊接路径包括相应的多个区段，每个区段包括相应的多个所述点焊位置，其中，形成所述点焊的顺序使得在每个区段内，所述区段中的每个后续点焊仅在所述区段中的所述先前点焊或每个先前点焊皆已凝固后形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，形成所述点焊的所述顺序使得在所述区段中的任何一者中形成点焊后，紧接的下一个点焊形成在所述区段中的不同区段中。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个焊接路径限定线或环圈。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述焊接路径中的至少一些焊接路径，优选为全部焊接路径，具有彼此相同的形状。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，接合所述初级部件和所述第二次级部件的所述点焊中的至少一些点焊在接合所述初级部件和所述第一次级部件的所述点焊中的最后点焊已经形成之前形成。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，步骤(a)和(b)被交替重复，以使得所述第一焊接路径上的每个后续点焊在形成在所述第二焊接路径上的至少所述先前点焊已经凝固之前形成，并且反之亦然。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所形成的所述后续点焊中的至少一个点焊，优选为每个点焊，邻接已经凝固的相应的先前点焊，优选为与该先前点焊部分交叠。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述次级部件中的一些或全部是用于交通工具电池的电池单元，并且所述初级部件是集电器。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，待焊接至所述初级部件的次级部件的数量为至少10个，...
【专利技术属性】
技术研发人员：科林·奈杰尔·里布顿，维塔利斯·杰菲莫夫斯，
申请(专利权)人：TWI有限公司，
类型：发明
国别省市：
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