电子束焊接方法和设备与流程

本发明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。

背景技术：

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，由于激光束是光辐射，其必须在源头直接进行机械操控，或使用镜子、光纤和其他光学介质偏转。此外，当光束被偏转到新位置时，必须使用光学透镜的机械移动以进行聚焦，这限制了激光束点在焊接开始前“稳定”的能力。

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、本发明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、发明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该焊接路径上形成的该组点焊一旦全部形成就是邻接的，并且因此一起形成将次级部件接合至初级部件的延长焊接。形成了一组邻接的点焊不一定意味着该路径上的所有点焊彼此邻接——例如，在一些优选实施方式中，点焊位置可以沿着线或曲线布置，使得每个点焊仅与其任一侧的两个点焊邻接(端部处的点焊除外，在线具有分离的端部的情况下，端部的点焊将仅与一个其他点焊邻接)。虽然每个次级部件将通过至少一个相应的焊接路径接合至初级部件，该方法并不排除一些或全部次级部件通过多个焊接路径接合至初级部件的可能性，这些焊接路径可以依完全相同的原理形成为相同方法的一部分。尽管该方法需要将至少两个次级部件焊接至初级部件，但是它能将任何更多数量的次级部件接合至初级部件。

8、虽然在通过激光焊接执行时以上述限定方式形成多组点焊会导致有效焊接速度显著降低(因为需要在每次将激光束移动到下一个待形成的点焊的点焊位置时物理地移动用于引导该激光束的透镜或其他光学基础设施)，但是不会显著阻碍本发明可达到的焊接速度。这是因为电子束是由电磁场操控，该电磁场例如由电线圈产生，通过控制产生电磁场的电流，几乎可以立即改变电子束，而无需物理地移动诸如透镜或其他光学结构之类的设备。确实，因为使电子束在点焊位置之间穿过所花费的时间相对较少(与形成每个点焊所花费的时间相比)，已经发现与传统的基于激光的技术相比，根据本发明的方法在将多个次级部件接合至初级部件时明显更快。与跨位置阵列将多个次级部件激光焊接至初级部件相比，这些因素导致显著的速度优势，特别是考虑到在焊接一般电动交通工具电池组中可能存在的数量高达3,000个的单元时。

9、如下文将说明的，由每一组邻接点焊形成的焊接区域可以是直线、z字形、圆形或其他形式，以接合每个部件的工件。

10、该方法可以包括执行：在步骤(a)或(b)的第一迭代中焊接的次级部件上形成第一点焊与在步骤(a)或(b)下一次重复时返回至该次级部件之间，使电子束穿越到一个或更多个其他次级部件。例如，可以访问四十个点焊位置，以在每个点焊位置形成相应点焊，然后返回至该第一焊接路径(例如，以形成与在第一焊接路径上形成的第一点焊邻接的点焊)。由于电子束的穿越速度可以非常快，因此可以充分利用电子束以依次形成数千个部件的点焊。典型的点凝固时间可以约为10毫秒，但电子束可以以接近10,000米每秒的速度穿过，而在每个点的访问时间仅为0.25毫秒，以熔融0.1到1毫米的深度到铜至钢中(例如铜单元端片/集电板至钢单元外壳)，而且对于铜至铝也有类似速度(例如铜单元端片/集电板至铝汇流条)，但是使用功率更高的电子束。在一个部件上的熔融区域正在凝固时，电子束可以访问许多其他部件。由于上述的较低的穿过和聚焦速度，使用激光的相似技术并不可行。

11、如上所述，步骤(a)和(b)可以以任何顺序重复。因此，两个或更多个点焊可以紧地连续形成在同一焊接路径上，或者可以形成在同一次级部件上的不同焊接路径上，前提是它们形成在彼此之间有足够间距的位置，以免对尚未凝固的先前点焊产生热影响，例如，其中各点焊位置的间距大于1毫米。激光也有与材料相关的严重缺点，因为诸如铜和铝的材料反射激光辐射，而这影响在穿透和整体质量方面的焊接一致性。

12、一旦所有需要的点焊都形成，一组邻接点焊将沿着焊接路径中的每一个延伸，以形成延伸线(或区域)，初级部件和相应的次级部件沿着(或跨越)该延伸线(或区域)由所产生的焊接接合在一起。由于每个后续的点焊只能在与其邻接的点焊或每个(如果有)其他点焊已经凝固后形成，所以不会发生前述的在使用电子束形成延长焊接时因为同时熔融材料的对应区域而产生的”隆起”效应。以这种方式减轻”隆起”效应大幅提高了所得焊接的一致性，因为各个点焊以可靠、一致的方式形成和凝固，并且不易受到与延长焊接中的隆起相关的那种混乱行为的影响。所产生的一致性的改进在所产生的焊接旨在用作将电池单元接合至集电器的电连接时特别有益，因为这将有助于确保从使用中的每个单元汲取基本相同的电流，从而提高单元和电池组件整体的性能和寿命。

13、由于次级部件中的每一个接合至相同的初级部件，该方法产生复杂的产品，其中，每个次级部件通过相应的焊接(或多个焊接，因为每个次级部件可以通过多个焊接接合至初级部件，并且每个焊接均由各自的焊接路径限定)接合至初级部件。如上所述，并且如下文的进一步说明，由组装的初级部件和次级部件形成的产品可以是用于电动交通工具的电池组件。例如，次级部件可以是电单元，每个电单元都焊接至诸如集电器的初级部件。然而，本发明的优点不限于此情境，因为其达到的高焊接速度和一致的、高质量的接合在需要将多个次级部件接合至初级部件的任何设置中都是有益的。

14、在优选实施方式中，每个焊接路径均包括相应的多个区段，每个区段包括相应的多个点焊位置，其中，形成点焊的顺序使得在每个区段内，该区段中的每个后续点焊仅在该区段中的先前点焊或每个先前点焊皆已凝固后形成。在这些实施方式中，每个区段限定了不同的空间区域，该空间区域中包含相应的多个点焊位置。虽然每个焊接路径的一些区段是不同的空间区域，但它们可以部分地彼此交叠，或者可以邻接(使得它们不交叠地接触)或彼此横向间隔开(使得两个相邻的区段被中间的空间区域分隔)，前提是在焊接路径的点焊位置处形成的点焊形成上述限定的邻接组。以这种方式将焊接路径划分为一些区段提供了一种有效的方式，可以使每个焊接路径的点焊以所需的方式产生，即在先前形成的点焊正在凝固时形成每个点焊，但所形成的点焊不与尚未凝固的任何其他点焊邻接，同时不需要在完成所述的焊接路径之前使电子束穿越到另一个焊接路径上。不同于使电子束在不同焊接路径之间穿过以形成连续焊点，电子束可以简单地在同一焊接路径的不同区段之间穿过。这减少了电子束为了完成焊接路径而需要穿过的总距离，并且因此减少了形成焊接路径所花费的时间。例如，焊接路径可以具有被分成多个区段的圆圈的形式。为了形成由此焊接路径所限定的焊接，可以使电子束从一个区段穿越到下一个区段(例如以顺时针方式)，在每一区段中形成一个点焊，然后穿越到下一区段。在每一区段形成一个点焊后，电子束将返回第一区段，然后在该区段内尚未形成点焊的下一个点焊位置处形成点焊。

15、从刚才描述的“圆形环圈”示例可以看出，在焊接路径被分成多个区段的实施方式中，特别优选地形成点焊的顺序为：在任何一区段中形成点焊之后，紧接的下一个点焊形成在区段中的不同区段中。然而，这并非绝对必要，因为可以在同一区段中连续形成两个或更多个点焊，只要它们不与尚未凝固的先前点焊邻接形成即可。

16、在优选实现方式中，每个焊接路径限定线或环圈。在本文中，用语“线”涵盖具有两个不同端点的任何路径，包括笔直的路径(例如由多个区段相连直线形成的路径，例如z字形)。例如，直线和曲线都符合此限定。“环圈”则是闭合路径，例如诸如圆形或正方形的形状的周缘。

17、优选地，焊接路径中的至少一些，更优选为所有焊接路径，具有彼此相同的形状。在这些实施方式中，具有相同形状的焊接路径的取向可以不同，或者，每个焊接路径可以具有相同的取向。特别是在接合大量完全相同的部件的情况下，有利的是用于接合它们的各自工件的形状或“式样(motif)”图案是相同的，即使式样的取向可能基于工件的不同旋转位置而改变，例如，在部件是布置在电池托架中的各个单元的情况下。形成具有相同形状的焊接路径中的一些或所有可能是有利的，因为其确保了由所得焊接形成的接合的特性是一致的。这在焊接旨在形成电连接(例如将电单元连接至集电器的电连接)的情况下特别有益。

18、接合初级部件和第二次级部件的点焊中的至少一些可以在接合初级部件和第一次级部件的点焊中的最后点焊已经形成之前形成。在此情况下，在完成任一焊接路径之前，电子束将在第一次级部件与第二次级部件之间穿过(可能经由其他附加次级部件，前提是存在其他附加次级部件)。

19、在某些优选实施方式中，步骤(a)和(b)被交替重复，以使得第一焊接路径上的每个后续点焊在形成在第二焊接路径上的至少先前点焊已经凝固之前形成，并且反之亦然。

20、在某些优选实施方式中，所形成的后续点焊中的至少一个点焊，更优选为每个点焊，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。这使得将次级部件接合至初级部件的焊接以有序方式形成，这提高了次级部件与初级部件之间的接合的一致性。这也可以导致所述的焊接路径的点焊中的至少一些按照它们沿着焊接路径布置的顺序而形成。

21、如上所述，上述方法的优选应用是电动交通工具电池组的部件的接合，例如从单元到集电板和端片所需的各种电连接，以及集电板到汇流条的连接；散热器连接；和机械连接。在这种情况下，能特别突显本发明的优点。因此，在优选实施方式中，次级部件中的一些或所有是用于交通工具电池的电池单元，并且初级部件为集电器。在电动交通工具的整个电池组中，可以将电池组提供为多个群，包括模块化方式的初级部件(集电器)和次级部件(电池单元)，其中，不同的模块电互连且由电池管理系统控制。

22、因此，出于前述原因，本发明使得能够将非常大量的次级部件快速接合至初级部件，待焊接至初级部件的次级部件的数量优选地为至少10个，更优选地为至少100个，最优选地为至少1000个。由于本发明出于前述原因实现了高焊接速度，所以通过本发明的方法制造每个部件组件所节省的总体时间将随着待接合至初级部件的次级部件的数量而增加。

23、由于可用于执行本发明的方法的电子束可以非常快速地穿过，因此没有特别要求在穿过期间降低电子束功率，并且优选地，可以使电子束保持“开启”，虽然功率当然可以调整以适应不同的材料类型和工件厚度。因此，优选地，使用在点焊位置之间穿过时保持开启的电子束以执行电子束焊接。例如，电子束的功率可以在穿过时保持基本恒定，或至少保持在某个非零水平。因为电子束可以非常快速地穿过，所以电子束在“开启”时穿过几乎不会导致功率浪费，并且不会有使在电子束在点焊位置之间穿过所沿的路径上的材料熔融的风险。

24、如上所述，已发现根据本发明的方法达到了非常高的焊接速度，因此电子束焊接优选地以至少500毫米每秒即500毫米/秒，更优选地以至少1000毫米/秒，最优选地以至少2000毫米/秒的有效焊接速度进行。有效焊接速度是通过将沿至少两个邻接点焊所覆盖的任何给定焊接路径的距离除以形成该数量的点焊所需的时间来计算的。如下文中参照示例的说明，沿两个或更多个邻接点焊所覆盖的焊接路径的距离不一定是沿每个单独点焊所覆盖的焊接路径的距离之和，因为邻接点焊可能彼此部分交叠(其程度取决于点焊的大小及其沿焊接路径的间距)。在许多应用中，为了可行的接合过程，理想情况下产生的接合必须是连续的且具有一致的接合模式。例如，与激光焊接相比，激光电流计(galvanometer)需要大约1毫秒才能稳定下来，因此在绝对最佳的情况下，在10毫秒内不可能创建超过10个点，使最快的有效焊接速度达到200毫米每秒，即使不考虑因点交叠而“损失”的距离。激光的这种稳定/速度限制意味着以与本文公开的电子束方法类似的方式施用激光在工业上是不可行的，因为与形成连续缝相比没有优势。

25、在优选实现方式中，电子束焊接在真空条件下，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。在这些条件下进行焊接避免了大气对电子的显著散射，从而最大限度地提高了将功率传递至电子束聚焦区域的效率，并允许更精确地控制电子束的轮廓和尺寸。还可以防止大气中的物质对熔融材料和所产生的焊接造成污染。

26、如上所述，该方法适用于将任意多个数量的次级部件焊接至初级部件。因此，在优选实施方式中，除了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，对于一个或更多个附加次级部件中的每一个，该方法还包括：(c)在限定待被焊接至该相应附加次级部件的该初级部件的相应部分的相应焊接路径上，通过电子束焊接形成相应焊接路径上的相应点焊位置处将初级部件和相应附加次级部件接合在一起的点焊；其中，在对其他附加次级部件执行时，步骤(c)以相对于步骤(a)和(b)以及步骤(c)的任何顺序重复至少一次，以在该相应焊接路径上形成沿该相应焊接路径布置的一组邻接点焊，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，并且仅在与其邻接的任何现有点焊已经凝固之后形成。由于步骤(a)、(b)和(c)以任意顺序重复，第一次级部件和第二次级部件与该附加次级部件或每个附加次级部件的焊接路径的点焊可以以任意顺序形成(但每个点焊不能与尚未凝固的任何先前点焊邻接形成)。

27、本发明的第二方面提供一种将多个次级部件电子束焊接至初级部件的设备，该设备包括：

28、电子束源，其被配置成在使用时产生用于电子束焊接的电子束；

29、部件固持器，其适用于在使用时将次级部件固持在用以焊接至该初级部件的位置上；

30、电子束操纵模块，其能够操作成控制该电子束的路径，以将初级部件和次级部件焊接在一起；以及

31、控制器，其被配置成操作该电子束操纵模块执行以下步骤：

32、(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；

33、(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接合初级部件和第二次级部件的点焊；以及

34、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。

35、该电子束操纵模块可以是至少能影响方向的任何装置或装置组。其还能控制沿电子束聚焦的路径的距离和/或电子束的截面形状和尺寸。通常，这些功能将由在电子束附近产生磁场的电线圏执行，以根据需要控制电子束的参数。该控制器例如可以是计算机。w0-a-2013/186523描述了适用于根据本发明实施方式的设备和方法的电子束源的示例。

36、优选地，电子束操纵模块包括透镜线圈组件，透镜线圈组件能够被控制以将电子束聚焦到待形成点焊的点焊位置上。由于点焊位置通常与电子束源的距离不同，因此以此方式聚焦电子束，使得能够控制电子束，以使其截面面积在每个点焊位置均相同。这使点焊能以高度的一致性形成。

37、在优选实施方式中，电子束操纵模块包括偏转线圈组件，偏转线圈组件能够被控制以使电子束在待形成点焊的区域中穿过。使用此线圈组件使电子束穿过可以涉及改变通过线圈的电流，以改变线圈所产生的电磁场的强度和/或几何形状，从而改变电子束移动通过电磁场的轨迹。

38、有利地，电子束操纵模块可以包括消散器(stigmator)线圈组件，消散器线圈组件能够被控制以改变电子束的截面的形状和/或大小。这允许控制电子束形成的点焊的尺寸(因为点焊的尺寸受电子束截面的形状和大小影响)，也允许在表面几何形状、电子束与表面之间的入射角度或其他参数在一些点焊位置之间发生变化时，控制电子束达到点焊的一致形成。

39、上述线圈组件中的每一个都可以构造成优化它们可以被调整的速度，例如使用铁氧体磁芯以避免涡电流。它们可以由高频响应电流放大器驱动，并且可以被恒定地调整以在工件处提供最佳电子束强度。

40、控制器还可以被配置成操作电子束操纵模块以执行上述有关本发明第一方面的任何可选步骤。

41、本发明的第三方面提供一种初级部件和至少两个次级部件的焊接组件，其中，每个次级部件通过一组或更多组邻接点焊而接合至初级部件。这样的组件可以通过上文所限定的根据本发明第一方面的方法与其任何优选特征而制造。在根据本发明第三方面的组件中，就由邻接点焊相对于缝焊所形成的接合的纵向截面微观结构而言，可以看出由邻接点焊形成的接合将具有多个可辨识的凝固边界，即所形成的每个点焊均有至少一个凝固边界，而由缝焊形成的接合将仅具有围绕缝整体的边界。