CN100528453C - 不同金属薄板的焊接方法、双金属薄板接合元件、电气设备和电气设备组件 - Google Patents
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Abstract
提供了一种被接合的双金属薄板接合元件,以便保持良好的电性能。通过焊接并接合具有不同的熔点并具有柔性的正极端子(1)和负极端子(2)而形成薄板接合元件(10)。在正极端子(1)和负极端子(2)的重叠部分(9)设置通过例如激光焊接而形成的多个点状焊接区域(3)。焊接区域(3)通过从具有相对较低的熔点的正极端子(1)侧照射激光束而形成,并且该焊接区域(3)具有从正极端子(1)侧向着负极端子(2)逐渐变细的横截面形状。
Description
技术领域
本发明涉及一种用来照射激光束或电子束并利用此时产生的热来接合不同材料的金属薄板的焊接方法、由该方法接合的双金属薄板接合元件、使用该双金属薄板接合元件作为端子的电气设备和电气设备组件。
背景技术
通常,通过照射激光束来接合金属板的激光焊接是公知的。图1说明了激光焊接,图1A是透视图,而图1B是示出了沿纵向方向的焊接区域的截面图。此外,在日本专利未审公开No.300086/97中公开了这种激光焊接。
如图1A所示,通过把两块金属板101和102相互部分地重叠,并把激光束从上方照射到该重叠部分,完成激光焊接。也就是说,上金属板101在照射的激光束作用下被加热并局部熔化,且下金属板102也被局部熔化。这些熔化的金属相互混合在一起、冷却并硬化,从而形成焊接区域103。而且,通过在照射激光束时相对移动被焊接的材料(金属板101和102),使焊接区域103如所示的沿预定方向连续地形成。
焊接区域103具有纵横比相对较高的截面形状。而且,当两块金属板101和102由相互不同的材料制成时,如图1B所示的焊接区域103包括由混合两种熔融金属而被合金化的合金部分103a。以此方式,激光焊接利用照射的激光束的加热作用加热并焊接被焊接材料。此外,利用电子束的加热作用的电子束焊接方法被称为通过照射能量束来加热并熔化被焊接材料的方法。
例如,在公开号为2003-338275的日本专利中公开了用来把上述激光焊接技术应用到组装电池上的一个实例,将结合图2对该实例作如下说明。
组合电池151被例如作为用来驱动电动车和混合电动车(以下简称为“电动车”)的电机的电源。通过将多个薄板状电池单元103层叠起来,构成了组合电池151,以获得预定电压。一个薄板状电池单元103具有:由外封壳104气密地密封的发电单元105;和电连接内部发电单元105且从热密封的外封壳104的周边边缘延伸出来的正极端子108a(例如铝)和负极端子108b(例如铜或镍)。在示出的实施例中,相应薄板状电池单元103的正极端子108a和负极端子108b通过例如激光焊接而相互电连接,从而使薄板状电池单元103相互串联连接。
发明内容
然而,当使用上述激光焊接或电子束焊接来焊接不同的金属时,在焊接区域产生图1B中示出的合金部分。特别是,当例如电池端子的薄金属板被焊接时,绝大部分焊接区域变为合金。通常,在合金化部分处的电阻增加,这导致在连接部分降低电性能的可能性。
因此,本发明的一个目的是提供一种用来焊接不同金属薄板的方法,该方法能够接合用于电池端子的不同金属薄板,同时保持足够的电性能。而且,本发明的另一个目的是提供一种接合的双金属薄板接合元件,同时保持了足够的电性能,和一种使用该双金属薄板接合元件作为端子的电气设备,以及一种电气设备组件。
为了实现上述目的,在根据本发明的一种用来焊接不同的金属薄板的方法中,具有不同的熔点且柔性的第一和第二金属薄板相互部分地重叠,并把能量束照射到该重叠部分,以形成焊接区域,从而使该金属薄板相互接合。该方法具有以下步骤:从具有相对较低熔点的第一金属薄板侧照射能量束;和形成多个点状焊接区域作为上述的焊接区域。
而且,用来形成多个点状焊接区域的步骤可包括用来沿一个方向并成直线地排列多个点状焊接区域的步骤,并且激光束或电子束可用作能量束。
在根据本发明的、能够由根据本发明的上述焊接方法制造的双金属薄板接合元件中,具有不同的熔点且柔性的第一和第二金属薄板相互部分地重叠,且在该重叠部分处形成多个点状焊接区域。这些点状焊接区域的截面形状从具有相对较低的熔点的第一金属薄板侧到第二金属薄板逐渐变细。
而且,第一金属薄板(低熔点部件)可由铝基材料制成,而第二金属薄板(高熔点部件)可由铜基材料制成。
在根据本发明的双金属薄板接合元件中,金属薄板借助多个所述点状焊接区域相互接合。因此,与金属薄板借助连续的焊接区域接合的常规构造相比,减少了焊接区域本身的总质量,即合金化材料的总质量,从而能够防止由合金化材料引起的任何的电阻增加。而且,金属薄板的紧密接合的表面中的焊接区域之间的区域具有金属薄板直接地且稳定地相互紧密接合的状态,从而能够防止任何的电阻增加。而且,由于点状焊接区域具有逐渐变细的截面形状,因而在金属薄板的紧密接合的表面上的焊接区域的横断面相对较小,从而能够使焊接区域之间的区域保持较大。
在根据本发明的焊接方法中,能够可靠地制造出根据本发明的上述双金属薄板接合元件。而且,与用来形成连续的焊接区域的常规结构相比,用来形成多个点状焊接区域的这种焊接方法可以减少用来形成这些焊接区域的能量需求。特别是,激光束从低熔点部件侧照射,这样与当从高熔点部件侧照射时相比,能够以较少的能量形成焊接区域。
而且,在根据本发明的电气设备中,由具有不同熔点且具有柔性的金属薄板制成的第一和第二端子从电气设备元件延伸出来。由与第二端子的材料大体上相同的材料的金属薄板制成的端子件部分地重叠在第一端子件上,并且在该重叠部分处形成有多个点状焊接区域,这些点状焊接区域的截面形状从第一端子或端子件中具有相对较低的熔点的一个部件到另一部件侧逐渐变细。
而且,在根据本发明的电气设备组件中,将两个或多个上述电气设备组装起来并相互电连接。通过把这些电气设备中的一个电气设备的端子件与另一电气设备的第二端子件接合,使这些电气设备相互电连接。此外,在根据本发明的另一电气设备组件中,将两个或多个上述电气设备组装并相互电连接,该电气设备的由具有不同的熔点并具有柔性的金属薄板制成的第一和第二端子从电气设备元件延伸出来。所述电气设备的第一端子和另一电气设备的第二端子相互部分地重叠,且在该重叠部分处形成有多个点状焊接区域。点状焊接区域的截面形状从具有相对较低的熔点的第一端子侧到第二端子侧逐渐变细。
如上所述,在根据本发明的用来焊接不同的金属薄板的方法中,多个点状焊接区域具有从一个薄板向着另一个薄板逐渐变细的截面形状,以致由合金化材料构成的焊接区域的总质量减小,并且保证了焊接区域之间金属薄板相互直接紧密接触的区域,从而金属薄板可以相互接合,同时保持足够的电性能。因此,可以通过这种焊接方法制造的根据本发明的双金属薄板接合元件具有足够保持的电性能。如果这种接合元件用作所述电气设备的端子,则可以提供在端子的连接部分具有足够保持的电性能的电气设备组件。
附图说明
图1A是用来说明激光焊接的透视图;
图1B是图1A的焊接区域沿其纵向方向的剖视图;
图2示出了常规组合电池的一个实例;
图3是透视图,示出了根据本发明的组合电池的一个实施例;
图4A是示出了图3的薄板接合元件的构造的放大视图,并且该图是薄板接合元件的局部剖视透视图;
图4B是图4A的薄板接合元件沿所示的Y方向截取的截面视图;
图5A示出了在端子的紧密接合表面处的焊接区域的形状,并示出了在本实施例中的构造;
图5B示出了在端子的紧密接合表面处的焊接区域的形状,并示出了对照实例中的常规构造;
图6示出了在端子之间产生间距的情形;
图7是用来说明形成于焊接区域的表面上的凹坑的截面图;
图8示出了焊接区域布置的改进实例;和
图9是透视图,示出了根据本发明的薄板状电池单元的一个实施例。
符号说明
1正极端子
1a正极端子件
2负极端子
3焊接区域
3a熔融部分
3b凹坑
4外封壳
7焊接区域之间的区域
9重叠部分
10,10a薄板接合元件
20,21薄板状电池单元
50,51组合电池
具体实施方式
现在,将结合附图说明本发明的一个实施例。图3是透视图,示出了根据本发明的组合电池的一个实施例。
如图3所示,组合电池50是通过串联连接多个薄板状电池单元20(电气设备)而构成的电气设备组件。在图3中,薄板状电池单元20示出为成直线排列,但在需要时这些电池单元20可以相互重叠。
一个薄板状电池单元20具有未示出的由外封壳4气密地密封的发电单元(电气设备元件),并且与内部发电单元电连接的正极端子1和负极端子2从外封壳4的周边延伸出来。而且,在示出的薄板接合元件10中,正极端子1和负极端子2借助焊接而相互接合,并且相互电连接。在本实施例中,薄板状电池单元20通过薄板接合元件10而相互电连接。而且,正极端子1和负极端子2均从薄板状电池单元20的两侧延伸出来,沿所示的X方向延伸。
正极端子1由铝制成,而负极端子2由铜制成。端子1和2均具有例如大约数百微米的厚度。端子1和2具有某种程度的柔性,使得例如当薄板状电池单元20相互重叠以适应时,端子1和2可以弯曲,以便于可靠地电连接薄板状电池单元20,而不会使端子折叠或破裂。
而且,用于正极端子1的材料不受特定限制,只要它是铝、铝合金或借助于对它们施加氧化铝膜处理或树脂涂层而获得的铝基材料即可。用于负极端子1的材料不受特定限制,只要它是铜、铜合金或通过用金属(例如镍)对它们进行电镀而获得的铜基材料即可。
现在将结合图4更详细地说明薄板接合元件10。图4是放大视图,示出了图3的薄板接合元件的构造,图4A是薄板接合元件的局部剖视透视图,而图4B是该薄板接合元件沿所示的Y方向截取的截面视图。
正极端子1和负极端子2重叠,在重叠部分9相互紧密接触,并且正极端子1位于上侧。以此方式,由于实现这种紧密接触的状态,因而电流流动通过这个紧密接合的表面。而且,通过激光焊接形成多个点状焊接区域3,这些焊接区域3在重叠部分9上沿所示的Y方向按预先布置的间距排列。在本实施例中,虽然多个焊接区域9沿一直线形成,但是在需要时,它们可以沿两条或多条直线形成。
一个焊接区域3具有从上方的正极端子1向下方的负极端子2逐渐变细的楔形。在图4中,焊接区域3的顶侧示出为熔融部分3a,并且至少焊接区域3的熔融区域3a及其邻近区域被合金化。在本实施例中,焊接区域3的顶部未到达负极端子2的底面。然而,本发明不限于此,并且该顶部可到达负极端子2的底面。而且,可以根据薄板接合元件10需要的预定接合强度,不同地改变焊接区域3的数量和布置间距。
如图4B所示,焊接区域3相互间隔开,从而使正极端子1和负极端子2在紧密接合的终端表面上、即在定位于焊接区域3之间的区域7内直接相互接触。
在如上述构造的根据本发明的薄板接合元件10中,对点状焊接区域3进行点焊以便接合所述端子,从而可以获得以下优点。
首先,将结合图5比较本实施例中的构造与如图1所示的常规构造。这里,图5示出了在端子的紧密接触表面的焊接区域的形状,图5A示出了在本实施例中的构造,而图5B示出了对照实例中的常规构造。
在本实施例的构造中,位于重叠部分9处的焊接区域3的总面积(总质量)本身小于示出于图5B的构造中的焊剂区域103的总面积,从而可以抑制由合金化的焊接区域3引起的电阻增加,并提高重叠部分9的电性能。而且,焊接区域之间、正极端子1和负极端子2通过它直接接触的区域7形成于焊接区域3之间,且电流可以在不增加电阻的该区域中传导,从而与示出于图5B的构造相比,保持了较好的电性能。由于所述端子借助焊接区域之间的区域7的上侧和下侧上的焊接区域3而相互接合,因而正极端子1和负极端子2充分紧密地相互接触,从而在端子之间几乎不产生间距且可以传导足够的电流。
此外,如图6所示,如果施加了意外的外力,或端子1和2本身翘曲,而在正极端子1和负极端子2之间产生间距,则在本实施例中示出的构造中,焊接区域3之间的区域7处于稳定且紧密接触的状态,使得与示出于图5B的构造相比,电性能更难变差。因此,如在本实施例中示出的,通过多个点状焊接区域3接合所述端子是有效的,特别在端子1和2具有柔性时。因此,本发明适合用来接合例如具有200微米厚度并且柔性的端子。
而且,将端子的紧密度保持在如图6所示的状态下的区域示出为由图5中的虚线包围的区域。而且,当端子1和2被构造成沿示出的X方向(见图3)延伸时,很可能发生上述问题。为了有效地防止上述问题,优选的是,焊接区域3的布置方向是近似垂直于X方向的方向(示出的Y方向)。如果多个焊接区域3沿示出的X方向排列,则可能的是,在图6示出的状态下,载荷将集中在位于端侧的一个焊接区域3上,并且该焊接区域3可能会断裂。因此,考虑到有效提高接合中的机械强度,优选的是,沿示出的Y方向排列多个焊接区域3。
此外,由于以下原因,与示出于图5B的构造(或示出于图1的构造)相比,在点焊了若干点状焊接区域3的本实施例的构造中,能够有效地提高接合的机械强度。通常,如图7所示,在由激光焊接或电子束焊接形成的焊接区域的表面侧上,容易产生凹坑3b。因此,如图1所示的直线的焊接区域103自然具有连续的凹坑。这种连续的凹坑导致该凹坑上的应力集中,这可能导致机械强度降低。同时,在本实施例的构造中,点状焊接区域3是点焊的且凹坑不相互连续,这几乎不造成由应力集中引起的机械强度的下降。这意味着,即使使用小量的焊接区域3,也能够有效地提高机械强度。
下面将结合图4再次说明用来生产本实施例中的薄板接合元件10的上述方法。
首先,如图4所示,正极端子1和负极端子2以正极端子1位于上侧的方式相互重叠。这里,如上所述,正极端子1由铝(具有大约660℃的熔点)制成,而负极端子2由铜(具有大约1080℃的熔点)制成。以此方式,优选的是,具有相对较低的熔点的正极端子1被布置在上侧,以便更容易地形成具有上述截面形状的焊接区域3。
然后,把激光束从正极端子1的上方照射到重叠部分9。而且,适当地把激光束的照射量(照射时间和照射强度)调节到某一程度,使得即将形成的焊接区域3的顶部不达到负极端子2的底面。通过激光束照射,上方的正极端子1被局部熔化,且下方的负极端子2也被熔化。这些熔化的金属相互混合、冷却并硬化,从而成为一个焊接区域3。焊接区域3的至少一个顶侧(熔融部分3a侧)由通过混合两种金属而获得的合金组成。
由于具有较低熔点的正极端子1将以相对较少的热量开始熔化,因而优选的是,从正极端子1那侧照射激光束,以便减少焊接需要的能量。而且,由于具有较高熔点的负极端子2被布置在下侧,因此焊接区域3,尤其是嵌入负极端子2的部分(熔融部分3a)的横断面变得相对较小,以致焊接区域3的整个横截面形状向着负极端子2侧逐渐变细。以此方式,优选的是,焊接区域3的截面形状是锥形的,从而加宽了位于所述端子的紧密接合表面上的、焊接区域之间的区域7。
然后,使重叠的正极端子1和负极端子2沿示出的Y方向以预定间隔相对移动,并再次照射激光束以便形成下一个焊接区域3。此后,重复相似步骤,形成多个焊接区域3,从而制造出本实施例中的薄板接合元件10。
根据用来制造薄板接合元件10的上述方法,即用来接合端子的焊接方法,足够形成具有上述截面形状的焊接区域3。而且,可以形成多个点状焊接区域3,从而,与如结合图1说明的、用来持续地照射激光束的方法相比,可以减少形成焊接区域3所需的能量。特别地,低熔点部件(正极端子1)位于上侧,并且从熔点部件侧照射激光束,因此,与当激光束从高熔点部件侧照射时相比,能够以较少的能量形成焊接区域3。此外,由于焊接区域3的顶侧是锥形的,因而焊接区域3具有极好的形状。
例如,在上述焊接方法中,YAG(钇铝石榴石)激光可用作激光束。而且,除了激光焊接外,利用电子束的电子束焊接也可使用。
而且,焊接区域3的布置不限于图4示出的布置。如图8所示,沿示出的X方向以预定的间隔布置的两行焊接区域3可以以交错方式布置,以使得它们沿示出的Y方向以大约所述间距的一半相互错开。在这种构造中,加宽了邻近焊接区域3的紧密接合的表面(在焊接区域之间的区域7,见图4),这有利于提高电性能和机械强度。
此外,在示出于图3的组合电池50中,一个薄板状电池单元20的正极端子1和另一薄板状电池单元20的负极端子2直接相互接合,且它们的接合元件构成薄板接合元件10。然而,本发明不限于此,并且可以是图9示出的情况。图9是透视图,示出了根据本发明的薄板状电池单元的一个实施例,并示出了薄板状电池单元相互接合的组合电池的情形。
各薄板状电池单元21(电气设备)以类似于图3中的薄板状电池单元20的方式构造,除了薄板状电池单元21在负极端子2侧上具有薄板接合元件10a。也就是说,在薄板状电池单元21中,由与正极端子1的材料相同的材料制成的正极端子件1a与图3中的薄板状电池单元20的负极端子2通过上述焊接方法接合起来。此外,正极端子1和正极端子件1a的材料不必需要严格相同,只要这些材料选自在不引起下述的电腐蚀问题的范围内的大体相同或同类材料即可。
在用来接合由不同材料制成的正极端子件1a和负极端子2的、例如薄板接合元件10a的结构中,不同金属相互接触,这可能引起发生电腐蚀现象并腐蚀端子部件的问题,例如当水通过结露进入两个部件之间时。为防止这种问题,本发明的申请人已在之前的申请(申请号为38141/03的日本专利申请)中提出,气密地密封正极端子件1a和负极端子2的重叠部分,例如通过使用树脂材料。
以此方式,在不透气密封的情况下,优选的是,在连接薄板状电池单元21的步骤之前,将薄板接合元件10a预先形成为单个薄板状电池单元21,并且气密地密封重叠部分,以改善可使用性。然后,把一个薄板状电池单元21的薄板接合元件10a的正极端子件1a与另一薄板状电池单元21的正极端子1接合起来,从而使薄板状电池单元21可以相互电连接。以此方式,当由同类材料制成的端子相互接合时,上述的电腐蚀问题很少发生,因而在薄板状电池单元21相互接合后,不需要用于不透气密封的步骤。也就是说,在示出于图9的薄板状电池单元21中,薄板接合元件10a在薄板状电池单元21为单个元件的状态下形成,从而能够执行用来防止电腐蚀的气密密封的步骤,且具有良好的可使用性。此外,当形成组合电池51时,可将同类的端子(正极端子件1a和正极端子1)相互连接,使得可使用性良好,这是本发明的一个优点。而且,当将正极端子件1a和正极端子1相互接合时,可以使用例如激光焊接的各种现有技术的接合方法。
已经结合薄板状电池单元和通过组装上述薄板状电池单元而形成的组合电池的实例说明了本发明。然而,本发明可以合适地用来接合从不同于电池的、例如电容的电气设备元件延伸出来的端子。例如,该电气设备元件可以是双层电容器、电解质电容器等等。本发明可以合适地应用到具有由不同金属制成的两个薄片状端子的电气设备。因此,所述电气设备不限于薄板状电池单元,并且可以是各种元件,例如其中有容纳在罐状部件中的发电单元的电池,或有薄片状端子从其引出的电容器。
虽然上述未说明详细构造,但是容纳在薄板状电池单元20中的发电单元可以是正极侧上的活性电极和负极侧上的活性电极经由一隔板(separator)层叠的叠层式的,或者是薄线卷式的,其中带状的正极侧活性电极和带状的负极侧活性电极经由一隔板层叠、卷绕并随后压缩成扁平状(未示出)。各种发电单元可包括锂离子二次电池,该锂离子二次电池可以例如被构造成使得正极板(通过在铝箔的两个表面上均施加例如锂锰复合氧化物和钴酸锂的正极活性材料而形成)和负极板(通过在铜箔的两个表面上均施加能够掺杂锂或去掺杂锂的碳材料而形成)由一隔板彼此相对,并使正负极板浸在包含锂盐的电解液中。此外,发电单元可以是镍金属氢化物电池、镍镉蓄电池、锂金属一次/二次电池、锂聚合物电池等。
Claims (11)
1.一种用来焊接不同金属薄板的方法,该方法是:部分重叠具有不同熔点并具有柔性的第一和第二金属薄板,并把能量束照射到该重叠部分以形成焊接区域,以便所述金属薄板相互接合,该方法具有以下步骤:从具有相对较低的熔点的所述第一金属薄板侧照射能量束;和形成多个点状焊接区域作为所述焊接区域。
2.根据权利要求1所述的用来焊接不同金属薄板的方法,其中用来形成多个所述点状焊接区域的所述步骤包括沿一个方向并成直线排列多个所述点状焊接区域的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的用来焊接不同金属薄板的方法,其中所述能量束是激光束或电子束。
4.一种双金属薄板接合元件,其中具有不同熔点并具有柔性的第一和第二金属薄板相互部分地重叠,并在该重叠部分处形成多个点状焊接区域,并且其中所述点状焊接区域的横截面形状从具有相对较低的熔点的所述第一金属薄板侧到所述第二金属薄板逐渐变细。
5.根据权利要求4所述的双金属薄板接合元件,其中所述点状焊接区域沿一个方向并成直线排列。
6.根据权利要求5所述的双金属薄板接合元件,其中所述第一金属薄板除去所述重叠部分的剩余部分和所述第二金属薄板除去所述重叠部分的剩余部分分别沿近似垂直于所述一个方向的方向延伸。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的双金属薄板接合元件,其中所述第一金属薄板由铝基材料制成,且所述第二金属薄板由铜基材料制成。
8.一种电气设备,其中由具有不同熔点并具有柔性的金属薄板制成的第一和第二端子从电气设备元件延伸出来,并且其中由与所述第二端子的材料大体上相同材料的金属薄板制成的端子件部分地重叠在所述第一端子上,并且在该重叠部分处形成有多个点状焊接区域,并且其中所述点状焊接区域的横截面形状从具有相对较低的熔点的所述第一端子和所述端子件中的一个部件到所述第一端子和所述端子件中的另一部件侧逐渐变细。
9.根据权利要求8所述的电气设备,其中所述电气设备元件是用于电池的发电单元,该发电单元由叠层膜制成的外封壳气密地密封。
10.一种电气设备组件,其中将两个或多个根据权利要求8的电气设备组装起来并相互电连接,并且其中通过将所述电气设备中的一个的所述端子件与所述电气设备中的另一个的所述第二端子相接合,使所述电气设备相互电连接。
11.一种电气设备组件,其中,将两个或多个电气设备组装起来并相互电连接,该电气设备的由具有不同的熔点并具有柔性的金属薄板制成的第一和第二端子从电气设备元件延伸出来,其中所述电气设备中的一个的所述第一端子和所述电气设备中的另一个的所述第二端子相互部分地重叠,并且在该重叠部分处形成有多个点状焊接区域,并且其中所述点状焊接区域的横截面形状从具有相对较低的熔点的所述第一端子侧到所述第二端子侧逐渐变细。
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