專利名稱：超聲波焊頭、具有超聲波焊頭的超聲波焊接設(shè)備及使用該超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊頭及焊接設(shè)備，尤其涉及一種應(yīng)用于電池極耳焊接領(lǐng)域的超聲波焊頭及超聲波焊接設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種焊接電池極耳的方法，尤其涉及一種使用超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法。
背景技術(shù)：
一般而言，電池的組成主要包括電池殼體、電池芯、電池芯蓋。其中，電池芯主要由電解液與電池芯結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，而電池芯結(jié)構(gòu)主要由正極、負(fù)極、隔離膜等材料構(gòu)成，電解液則充斥在電池殼體與電池芯結(jié)構(gòu)之間。其中，隔離膜將電池芯結(jié)構(gòu)中的正極與負(fù)極隔開， 防止短路。將電池芯結(jié)構(gòu)置入電池殼體中，再將電池芯蓋與電池殼體以焊接等方式密合后， 最后將電解液注入電池內(nèi)，即完成電池的主要制造流程。具體來說，隨著對于能源的不同需求，人們開發(fā)出了許多不同種類的電池，如鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等。其中鋰離子電池因其優(yōu)越的性能(如電壓高、比能量大、 循環(huán)壽命長、安全性能好等)而得到人們廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池又可分為多種，如鋰鈷電池(LiCoO2)、鋰錳電池(LiMnO2)、鋰鎳電池(LiNiO2)及磷酸鐵理電池(LiFePO4)等，上述分類是根據(jù)鋰離子電池正極材料的不同而做出的。目前，電池的形狀一般分為圓柱型(Cylinder)與方型(Prismatic)兩種形狀， 而電池的形狀涉及到電池芯結(jié)構(gòu)的制成與設(shè)計。針對圓柱型電池，其電池芯結(jié)構(gòu)通常為卷繞體，而對于方型電池，其電池芯結(jié)構(gòu)通常為疊片體。疊片體的制程主要有三種Z字型疊片法、隔離膜制袋法、隔離膜切片法。下面以Z字型疊片法為例，對疊片體的制程進行一下簡要的說明，該方法的主要流程為首先，配制用于形成電極表面的活性材料層的懸浮液，將懸浮液涂覆到電極的主表面上，然后經(jīng)過干燥并壓制以制造電池的正極極片和負(fù)極極片。將正極極片和負(fù)極極片相互配合使得活性材料層相互面對，同時在正極極片和負(fù)極極片之間放置一具有彈性薄膜特性的隔離膜。沿著正極極片和負(fù)極極片的標(biāo)記區(qū)域?qū)⒄龢O極片和負(fù)極極片彎曲成垂直截面為Z字形。由于隔離膜具有彈性薄膜特性且夾在正極極片和負(fù)極極片之間，因此，隔離膜也被彎曲成與正極極片和負(fù)極極片相同的形狀。以上即為Z字型疊片法的主要制程。對于電池內(nèi)部一般采用疊片技術(shù)，將電池的正極極片和負(fù)極極片疊成疊片體，其中一種疊片方式可將正極極片之極耳和負(fù)極極片之極耳都置于同方向，位于左右兩側(cè)。由于多片正極極片之極耳必須彼此間電性相連，而多片負(fù)極極片之極耳必須彼此間電性相連，故常用的連接方法主要為超聲波焊接法。當(dāng)超聲波作用于金屬片表面時，會產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產(chǎn)生局部高溫。由于產(chǎn)生的高溫一時還不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個金屬片的焊接部位的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互作用有個適宜值，能量超過適宜值時，被焊物的熔解量就大，且易產(chǎn)生變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每Imm 的最佳壓力之積。
超聲波焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導(dǎo)電性好、電阻系數(shù)極低或近乎零、焊接時間短、不需任何助焊劑，氣體，焊料、無火花、接近冷態(tài)加工；缺點是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊點位不能太大、需要加壓。當(dāng)然將正極極片之極耳和負(fù)極極片之極耳連接在一起的方式還有鎖螺絲法和鉚接法。目前的電池芯外殼包裝技術(shù)可粗分為兩種，一種軟包法，一種為硬殼法。如果對于電池內(nèi)部采用疊片技術(shù)，通過超聲波焊接將正極極片之極耳焊接在一起，且同樣對于負(fù)極極片之極耳也用超聲波焊接焊接在一起，則會涉及到將多層極耳焊接在一起的問題。目前所使用的超聲波焊接設(shè)備主要為超聲波焊頭為網(wǎng)狀多點型的焊接設(shè)備。研究表明，如果所焊接的極耳過多(如超過60片)，尤其是負(fù)極極片之極耳過多則會產(chǎn)生超聲波焊負(fù)極焊不牢的問題，這主要是因為負(fù)極材料通常是銅鍍鎳，對于這種負(fù)極因為有兩種金屬，要焊在一起比較困難。此外，更重要的原因是目前超聲波焊頭的結(jié)構(gòu)還存在一定的缺陷，研究表明，網(wǎng)狀多點型之超聲波焊頭一般進行超聲波焊接時都焊得牢，但一旦遇到疊片數(shù)量太多之疊片體，焊接該數(shù)量之負(fù)極極片之極耳時就會有焊不牢之問題。有鑒于此，有必要對現(xiàn)有的超聲波焊頭的結(jié)構(gòu)予以改進，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種超聲波焊頭，利用本發(fā)明涉及的超聲波焊頭對多片電池的極耳進行焊接時，能夠?qū)⒍嗥瑯O耳牢固的焊接在一起，解決了多片極耳時焊不牢的問題，且由于本發(fā)明涉及的超聲波焊頭的頂部為一平面，故在焊接時不會壓穿任何一片極耳，對極耳起到了保護作用。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有所述超聲波焊頭的超聲波焊接設(shè)備，所述超聲波焊接設(shè)備利用所述超聲波焊頭進行焊接，不但能夠?qū)⒍嗥瑯O片的極耳焊接在一起， 而且不會壓穿任何一片極耳。本發(fā)明還提供了一種利用上述超聲波焊接設(shè)備對電池極耳進行焊接的方法，該方法不但能夠?qū)⒍嗥瑯O片的極耳焊接在一起，而且不會壓穿任何一片極耳。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明的一種超聲波焊頭，所述焊頭自其底部向頂部呈漸縮錐形結(jié)構(gòu)，且焊頭頂部為一平面。作為本發(fā)明的進一步改進，所述錐形為多棱錐形。作為本發(fā)明的進一步改進，所述頂部平面呈四邊形。作為本發(fā)明的進一步改進，所述四邊形的邊長范圍為0. 8^1. 2mm。作為本發(fā)明的進一步改進，所述焊頭自底部至頂部的高度范圍為1.8 2.0mm。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明的一種超聲波焊接設(shè)備包括上模塊，所述上模塊上設(shè)置有凸臺，所述凸臺上分布有若干超聲波焊頭。作為本發(fā)明的進一步改進，所述若干超聲波焊頭呈兩排平行設(shè)置，且每排包括7 個焊頭，或者所述超聲波焊頭呈三排平行設(shè)置，且每排包括5個焊頭。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明的一種超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法， 該方法包括如下步驟
a.提供一定數(shù)量的堆疊在一起的帶有金屬極耳的極片；
b.操作所述焊接設(shè)備，使設(shè)備的若干超聲波焊頭壓緊所述金屬極耳；
c.啟動焊接設(shè)備，使所述一定數(shù)量的金屬極耳焊接在一起，所述金屬極耳的焊接區(qū)域根據(jù)所述若干焊頭所圍成的區(qū)域來確定。作為本發(fā)明的進一步改進，所述一定數(shù)量的范圍為6(Γ200個。作為本發(fā)明的進一步改進，步驟a中所述金屬極耳上鍍有另一種金屬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明涉及的超聲波焊頭是錐形結(jié)構(gòu)，且所述超聲波焊頭的頂部為平面，所以利用本發(fā)明的超聲波焊頭進行焊接時，能夠一次性焊接更多層極耳，也使由復(fù)合金屬層構(gòu)成的極耳更容易焊接在一起，且能夠保證不會壓穿任何一片極耳，又可達到焊接牢固的功效。此外，還能夠保證焊接后內(nèi)阻無任何變化。


圖1為本發(fā)明的超聲波焊頭的一具體實施方式
的側(cè)視圖； 圖2為圖1中所示超聲波焊頭的俯視圖3為本發(fā)明的超聲波焊頭的的另一具體實施方式
的俯視圖； 圖4為本發(fā)明的超聲波焊接設(shè)備一具體實施方式
的立體圖； 圖5為圖4中所示的超聲波焊接設(shè)備的側(cè)視圖； 圖6為圖4中所示的超聲波焊頭的局部放大圖； 圖7為圖4中所示的超聲波焊頭的仰視圖8為本發(fā)明一具體實施方式
中的超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的平面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述，但這些實施例并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)實施例所作出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。超聲波焊接法是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個金屬表面相互摩擦，瞬間產(chǎn)生高溫，進而形成分子層之間的熔合，使之焊接在一起。故超聲波焊接可以將多層極耳溶解后合為一體，其優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、 導(dǎo)電性好、電阻系數(shù)極低或近乎零、焊接時間短、不需任何助焊劑，氣體，焊料、無火花、接近冷態(tài)加工；缺點是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊點位不能太大、需要加壓。如圖1所示，本發(fā)明的實施例中將超聲波焊頭100設(shè)計成方錐形，其高度hi范圍為1.8 2.0mm。將超聲波焊頭設(shè)計成方錐形結(jié)構(gòu)，是因為從焊頭的加工、使用壽命以及使用效果來看，方錐形結(jié)構(gòu)是最為理想的結(jié)構(gòu)。方錐形的焊頭在焊接電池極耳時，能夠嵌入多層電池極耳，且焊頭嵌入的椎體高度達到1/3左右。如圖2所示，本實施例的方錐形焊頭的頂部為長方形平面101，具有長方形平面的超聲波焊頭因頂部為平面故不會壓穿任何一片電池極耳，又可達到焊接牢固的功效。如圖3所示的另一實施例，與上一實施例的主要區(qū)別在于本實施例將超聲波焊頭200的頂部設(shè)計成正方形平面202，所述正方形平面的邊長h2范圍為0. 8^1. 2mm。此邊長范圍所決定的頂部平面的面積為本實施例的優(yōu)選范圍，因為如果頂部平面面積太大會出現(xiàn)焊不牢的現(xiàn)象，面積太小又會容易折斷。為了更好的理解本發(fā)明的超聲波焊接設(shè)備，下面結(jié)合具體實施例進行詳細(xì)說明。超聲波焊接設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由氣壓傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器、換能器及工具頭和機械裝置等組成。以下主要介紹設(shè)置有超聲波焊頭的上模塊。如圖4所示，本實施方式中超聲波焊接設(shè)備包括上模塊1，所述上模塊呈兩旁挖掉的圓柱狀，所述上模塊的兩側(cè)設(shè)置有凸臺11，所述凸臺上分布有若干超聲波焊頭111。如圖5所示，在本實施例中，所述若干超聲波焊頭的數(shù)量為14，且所述超聲波焊頭分為相同數(shù)量的兩排，即2X7個，各超聲波焊頭之間等間距排列。各超聲波焊頭的頂部表面與中間間隔的表面構(gòu)成一矩形112，所述矩形的寬為W，長為L，則所述矩形的面積為 WXL，亦為實際焊接的面積，焊接后電池極耳會依W XL的焊接面積而溶接在一起。在實踐中，實際的焊接面積依據(jù)產(chǎn)品的過電流需求，對應(yīng)到電池極耳所需的寬度來決定。所需焊接面積換算出來后，才決定要幾排幾個超聲波焊頭去形成這樣的面積。在其它實施例中，還可設(shè)置每排5個，共3排的超聲波焊頭的排列方式。如圖6所示，為本實施例涉及的超聲波焊頭的局部放大圖，所述超聲波焊頭為自底部向頂部呈漸縮的方錐形，頂部為平面，由此超聲波焊頭焊接的電池極耳能夠牢固的焊接在一起，且由于超聲波焊頭的頂部為平面，故電池極耳不會被壓穿，得到了很好的保護， 且方錐形的超聲波焊頭能夠焊接多層電池極耳。但應(yīng)當(dāng)說明的是，方錐形的超聲波焊頭并不是對本發(fā)明的限制，凡具有類似結(jié)構(gòu)特征的焊頭，如頂部為平面的多棱錐(如三棱錐、五棱錐、六棱錐等)均屬于本發(fā)明的保護范圍。實驗表明，三棱錐形超聲波焊頭在焊接時，較易發(fā)生極耳壓穿現(xiàn)象；五棱錐形和六棱錐形的焊接效果都不如方錐形超聲波焊頭，因此方錐形是最為理想的超聲波焊頭結(jié)構(gòu)。如圖7所示，所述超聲波焊接設(shè)備的上模塊底部還設(shè)有一個盲孔12，所述盲孔將上模塊與超聲波焊接設(shè)備的其他部件連接在一起。本發(fā)明還提供了一種利用所述超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法，下面結(jié)合具體實施方式
對發(fā)明進行詳細(xì)的描述。如圖8所示，表示的是利用所述超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的示意圖，為了突出本發(fā)明的技術(shù)特點，現(xiàn)僅給出超聲波焊接設(shè)備的部分結(jié)構(gòu)，即上模塊2，所述上模塊上設(shè)有超聲波焊頭21。上模塊的下方為若干堆疊成的待焊接電池極耳3，所述電池極耳放置于超聲波焊接設(shè)備的下模塊4上，所述下模塊的作用為配合上模塊將待焊接電池極耳固定住。焊接時，將超聲波焊接設(shè)備按照圖示中箭頭的方向壓緊電池極耳，啟動超聲波焊接設(shè)備，各電池極耳之間在高頻振動波和壓力作用下相互摩擦，形成分子層之間的融合，進而焊接在一起。
所述若干電池極片的數(shù)量的范圍為6(Γ200個，故各極片之極耳數(shù)量的范圍亦為 60 200個。本實施例中電池極耳包括電池內(nèi)正極極片之極耳和負(fù)極極片之極耳。其中，正極極片之極耳由單一金屬構(gòu)成，而負(fù)極極片之極耳由兩種金屬構(gòu)成，如負(fù)極極片之極耳為鍍有金屬鎳的銅片，可稱銅鍍鎳極耳。下面，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對方錐形超聲波焊頭的技術(shù)效果進行進一步說明。實驗一
準(zhǔn)備70片銅鍍鎳極耳，記為A組，準(zhǔn)備同樣的70片銅鍍鎳極耳，記為B組。將A組銅鍍鎳極耳用傳統(tǒng)的網(wǎng)狀多點型超聲波焊頭進行焊接，將B組用上述實施方式中的方錐形超聲波焊頭進行焊接。待焊接完畢，對已焊接在一起的A組銅鍍鎳極耳施加相反方向的拉力， 對B組銅鍍鎳極耳進行同樣的操作，得到如下實驗結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種超聲波焊頭，其特征在于所述焊頭自底部向頂部呈漸縮錐形結(jié)構(gòu)，且焊頭頂部為一平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波焊頭，其特征在于所述錐形為多棱錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波焊頭，其特征在于所述頂部平面呈四邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波焊頭，其特征在于所述四邊形的邊長范圍為 0. 8 1. 2mmο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波焊頭，其特征在于所述焊頭自底部至頂部的高度范圍為 1. 8^2. 0_。
6.一種設(shè)置有如權(quán)利要求廣5任一項所述的超聲波焊頭的超聲波焊接設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括上模塊，所述上模塊上設(shè)置有凸臺，所述凸臺上分布有若干超聲波焊頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波焊接設(shè)備，其特征在于所述若干超聲波焊頭呈兩排平行設(shè)置，且每排包括7個焊頭，或者所述超聲波焊頭呈三排平行設(shè)置，且每排包括5個焊頭。
8.一種采用如權(quán)利要求6所述的超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法，其特征在于， 該方法包括如下步驟a.提供一定數(shù)量的堆疊在一起的帶有金屬極耳的極片；b.操作所述焊接設(shè)備，使設(shè)備的若干超聲波焊頭壓緊所述金屬極耳；c.啟動焊接設(shè)備，使所述一定數(shù)量的金屬極耳焊接在一起，所述金屬極耳的焊接區(qū)域根據(jù)所述若干焊頭所圍成的區(qū)域來確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法，其特征在于所述一定數(shù)量的范圍為6(Γ200個。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法，其特征在于步驟a 中所述金屬極耳上鍍有另一種金屬。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波焊頭，所述超聲波焊頭自底部向頂部呈漸縮錐形結(jié)構(gòu)，且焊頭頂部為一平面。本發(fā)明還涉及一種設(shè)置有所述超聲波焊頭的超聲波焊接設(shè)備。利用本發(fā)明的超聲波焊接設(shè)備進行焊接時，能夠一次性焊接多層極耳，且能夠保證不會壓穿任何一片極耳，又可達到焊接牢固的功效。此外，還能夠保證焊接后內(nèi)阻無任何變化。本發(fā)明還提供了一種利用所述超聲波焊接設(shè)備焊接電池極耳的方法。
文檔編號B23K20/10GK102513686SQ201110395148
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者曾裕, 黃仁治 申請人:冠碩新能源(香港)有限公司, 蘇州冠碩新能源有限公司