CN114054949A - 激光加工方法、激光加工装置以及密闭型电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工方法、激光加工装置以及密闭型电池。在激光加工方法中，将包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的多个板状构件叠合，将激光束分路成第1分路激光束和第2分路激光束，使它们在并进的状态下对第1板状构件进行照射，使分路激光束在与分路激光束排列的方向交叉的方向上移动，来在第1板状构件形成线状的熔融部，在第2板状构件中，通过第1分路激光束形成的熔融部和通过第2分路激光束形成的熔融部相连，且熔融部不贯通第2板状构件，在这样的状态下将叠合的板状构件接合。

Description

激光加工方法、激光加工装置以及密闭型电池
技术领域
本公开涉及激光加工方法、激光加工装置以及密闭型电池。
背景技术
过去，作为激光加工方法已知各种方法。例如，作为将多个板状构件相互进行焊接的激光加工方法，已知在1点进行焊接的点焊、直线状或曲线状进行连续焊接的线焊等搭接激光焊接。
并且，这些激光焊接例如用在密闭型电池的制造中。在最近的密闭型电池的制造中，从电池外装罐的外侧照射激光束，在电池外装罐和从电池的电极导出的集电接头通过激光照射形成熔融部，来进行激光焊接(例如参考专利文献1以及2)。这样制造的密闭型电池用在电动工具、电动自行车、电动摩托车等中。
例如在专利文献1中，将电池外装罐和集电接头通过点焊进行接合。在图17A中示出专利文献1所记载的现有的激光加工方法的截面图。图17B是将熔融部13附近放大了的详细截面图，为了易于理解而将上下翻转。如图17A所示那样，在将集电接头12叠合(重ね合わせ)于电池外装罐5的底部的内表面的状态下，从电池外装罐5的底部的外侧照射激光束21，形成熔融部13。因而，将电池外装罐5和集电接头12通过点焊进行接合。如图17B所示那样，与电池外装罐5的板厚相比，熔融部13在附图上的左右方向的宽度大。为此，投入到熔融部13的激光束21的能量变大，熔融部13在附图上的上下方向的深度易于受到激光束21的输出的影响。在激光束21的输出高的情况下，熔融部13容易贯通集电接头12。若熔融部13贯通集电接头12，溅射物就会混入电池外装罐5的内部，有时会发生电池短路不良。
另外，例如在专利文献2中，为了防止专利文献1那样的溅射物混入，使用具有增大了的聚光性的光纤激光器来将聚光点直径缩小到电池外装罐5的板厚以下。如图18A所示那样，能通过形成细长的熔融部13来防止集电接头12的贯通。但由于集电接头12与电池外装罐5的边界处的熔融部13的宽度即接合宽度变窄，因此集电接头12与电池外装罐5的接合强度降低。为此，如图18B所示那样，通过将电池外装罐5和集电接头12以3根线进行线焊，来使接合强度增大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP专利第4547855号公报
专利文献2：JP专利第6512474号公报
发明内容
本公开的一个方式的激光加工方法如以下那样构成。将包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的多个板状构件叠合。接着，将激光束分路成第1分路激光束和第2分路激光束。接着，使第1分路激光束以及第2分路激光束在并进的状态下对第1板状构件进行照射。接着，在与第1分路激光束以及第2分路激光束排列的方向交叉的方向上使第1分路激光束以及第2分路激光束相对于第1板状构件相对移动，来形成沿着第1板状构件的表面的线状的熔融部。在第2板状构件中，通过第1分路激光束形成的熔融部和通过第2分路激光束形成的熔融部相连，且熔融部不贯通第2板状构件。因而，将叠合的各个板状构件通过线状的熔融部进行接合。
本公开的一个方式的激光加工装置具备激光振荡器、激光振荡控制部、激光分路光学系统、激光加工光学系统、工作台、工作台控制部和整体控制部。激光振荡器照射激光束。激光振荡控制部控制激光束的输出。激光分路光学系统将激光束分路成多个分路激光束。激光加工光学系统使分路激光束在相互并进的状态下对包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的作为照射对象的叠合板状构件的第1板状构件进行照射。工作台使叠合板状构件相对于激光束相对移动。工作台控制部控制工作台的动作。整体控制部同步控制工作台控制部和激光振荡控制部。因而，整体控制部控制工作台的动作和分路激光束的照射。其结果，照射分路激光束并使分路激光束在与分路激光束排列的方向交叉的方向上相对移动，形成沿着第1板状构件的线状的熔融部，通过一个分路激光束形成的熔融部和通过另一个分路激光束形成的熔融部在第2板状构件中相连，且熔融部不贯通第2板状构件。
本公开的一个方式的密闭型电池具有：电池外装罐；和叠合于电池外装罐的底面部的内表面且与电池外装罐在熔融部接合的集电接头。集电接头进入电池外装罐中的熔融部的外周部分。
本公开的一个方式的密闭型电池具有：电池外装罐；和叠合于电池外装罐的底面部的内表面且与电池外装罐在熔融部接合的集电接头。与电池外装罐中的熔融部的中央部分相比，在包围中央部分的外周部分，集电接头向电池外装罐进入得更高。
附图说明
图1A是现有的采用3根线的线焊的说明图。
图1B是现有的采用3根线的线焊的说明图。
图2是现有的采用3根线的线焊中的激光输出与接合强度的相关图。
图3是采用4根线的线焊的外观照片。
图4是采用4根线的线焊中的激光输出与接合强度的相关图。
图5是表示实施方式所涉及的密闭型电池的结构的示意截面图。
图6是实施方式所涉及的激光焊接装置的示意截面图。
图7是实施方式所涉及的激光焊接装置的激光加工光学系统的示意截面图。
图8是分路激光束的聚光点的示意图。
图9A是比较例1所涉及的利用1束分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图9B是比较例1所涉及的利用1束分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图10A是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图10B是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图11A是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接过程中的照射刚开始后的截面图。
图11B是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接过程中的键孔(keyhole)形成时的截面图。
图11C是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接过程中的熔融部前端的集电接头到达时的截面图。
图11D是实施方式所涉及的利用2束分路激光束的激光焊接过程中的键孔消灭时的截面图。
图12A是比较例2所涉及的利用2束非同时分路激光束的激光焊接过程的截面图。
图12B是比较例2所涉及的利用2束非同时分路激光束的激光焊接过程的截面图。
图12C是比较例2所涉及的利用2束非同时分路激光束的激光焊接过程的截面图。
图12D是比较例2所涉及的利用2束非同时分路激光束的激光焊接过程的截面图。
图13A是利用分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图13B是利用分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图13C是利用分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
图14A是实施方式所涉及的利用4束分路激光束的激光焊接过程的说明图。
图14B是实施方式所涉及的利用4束分路激光束的激光焊接过程的说明图。
图14C是实施方式所涉及的利用4束分路激光束的激光焊接过程的说明图。
图14D是实施方式所涉及的利用4束分路激光束的激光焊接过程的说明图。
图15是实施例中的利用4束分路激光束的激光输出与接合强度的相关图。
图16A是适合实施方式所涉及的激光加工方法的集电接头的截面图。
图16B是适合实施方式所涉及的激光加工方法的集电接头的截面图。
图16C是适合实施方式所涉及的激光加工方法的集电接头的截面图。
图17A是表示专利文献1所记载的现有的激光加工方法的图。
图17B是表示专利文献1所记载的现有的激光加工方法的图。
图18A是表示专利文献2所记载的现有的激光加工方法的图。
图18B是表示专利文献2所记载的现有的激光加工方法的图。
附图标记的说明
100 密闭型电池
200 激光焊接装置
1 正极板
2 负极板
3 隔板
4 卷绕体
5 电池外装罐
6 垫圈
7 上部绝缘板
8 下部绝缘板
9 熔融部
10 封口板
11 正极集电接头
12 负极集电接头
13、13a～b 熔融部
14 激光振荡器
15 激光振荡控制部
16 激光加工光学系统
17 激光分路光学系统
18 工作台
19 工作台控制部
20 整体控制部
21 激光束
21a～d 分路激光束
22、22a～d 聚光点
23 熔融流
24 集电接头扩散部
25a～b 键孔
43 熔融部
51 激光束
52 聚光点
53 熔融流
具体实施方式
(本公开的经过)
在使用了密闭型电池的制造方法中的现有的线焊(参考专利文献2)的情况下，焊接后的电池外装罐与集电接头的接合强度不满足目标值(不会出现电池外装罐与集电接头的接合脱落的接合强度的值)。
具体地，在使使用现有的激光焊接制造的密闭型电池以及密闭型电池组件(由多个密闭型电池构成的电池组)落下的情况下，该电池不满足正常状态(例如使用了电池的装置能实现正常的功能的状态)。若在各种落下试验中使电池在给定的条件下落下，电池外装罐和集电接头就会脱落。为了不出现这样的脱落，期望使接合强度相比于现有的激光焊接中的电池外装罐与集电接头的接合强度增大。例如使接合强度增大到现有的约1.5倍为好。
在图1A以及图1B中示出现有的采用3根线的线焊的说明图。如图1A所示那样，作为现有的方法而进行采用3根线的线焊。其结果，沿着电池外装罐5的表面形成3根线状的熔融部13。
如图1B的截面图所示那样，熔融部13贯通电池外装罐5，到达集电接头12。另外，集电接头12成为3层包覆件(镍/铜/镍)。
在图2中示出现有的采用3根线的线焊时的激光输出与接合强度的相关关系的图表。横轴表示激光输出(W)，纵轴表示电池外装罐5与集电接头12的接合强度。在图2中，为了说明而示出当前正谋求的接合强度的值即现行值、和设为使接合强度进一步增大的目标的值即目标值。另外，在图2中示出集电接头贯通区域。集电接头贯通区域是通过利用了该激光输出的照射形成的熔融部13贯通集电接头12的激光输出的范围。若使激光输出增加则接合强度也增加，但若过度地使激光输出增加，则激光输出就会到达集电接头贯通区域。在该情况下，熔融部13贯通集电接头12，在被熔融的集电接头12形成的溅射物混入电池外装罐5的内部，成为短路不良的原因。因而，在使激光输出增加的状态下也不能实现接合强度的目标值。
在图3中示出作为采用3根线的线焊的改善策略而研讨的采用4根线的线焊的外观照片。沿着电池外装罐5的表面形成4根线状的熔融部13。
另外，在图4中示出基于4根线的线焊时的激光输出与接合强度的相关关系的图表。横轴表示激光输出(W)，纵轴表示电池外装罐5与集电接头12的接合强度。如图4所示那样，即使使线状的熔融部13增加到4根线，最大接合强度也仅增加5％程度，不能实现接合强度的目标值。
另一方面，为了同时进行5根线的线焊，需要能实现进一步高的激光输出的激光装置。因而，在现有的激光加工方法的应用中，难以实现电池外装罐5与集电接头12的接合强度的目标值。为此，本发明的发明者们研讨了本公开的激光加工方法，作为能解决所述课题的激光加工方法。
本公开的目的在于，解决上述现有的课题，在2片以上的板状构件的搭接激光焊接中，不贯通最远离照射面的板状构件，使通过激光照射形成的熔融部处的接合强度增大。
本公开的一个方式的激光加工方法包含如下工序。将包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的多个板状构件叠合。接着，将激光束分路成第1分路激光束和第2分路激光束。接着，使第1分路激光束以及第2分路激光束在并进的状态下对第1板状构件进行照射。接着，在与第1分路激光束以及第2分路激光束排列的方向交叉的方向上使第1分路激光束以及第2分路激光束相对于第1板状构件相对移动，来形成沿着第1板状构件的表面的线状的熔融部。在第2板状构件中，通过第1分路激光束形成的熔融部和通过第2分路激光束形成的熔融部相连，且熔融部不贯通第2板状构件。因而，将叠合的各个板状构件通过线状的熔融部进行接合。
另外，也可以，所分路的激光束的聚光点间隔是通过所分路的1束激光束形成的熔融部处的接合宽度以上且熔融宽度以下。
另外，也可以，将激光束分路成包含多个第1分路激光束以及第2分路激光束的组的多个分路激光束。也可以，使各个分路激光束在并进的状态下对第1板状构件进行照射。也可以，在第1板状构件中，一个组中的分路激光束与相邻的另一个组中的分路激光束的间隔比第1分路激光束与第2分路激光束的间隔大。
另外，关于所分路的激光束的相邻的聚光点的间隔为通过所分路的1束激光束形成的熔融部处的接合宽度以上且熔融宽度以下。另一方面，也可以为通过所分路的1束激光束形成的熔融部处的熔融宽度以上。
另外，也可以照射分路激光束，使得通过分路激光束形成的熔融部相对于第1板状构件的表面的中心位置相互成为点对称或线对称。
另外，也可以第2板状构件是抑制激光束的吸收的铜系材料。
本公开的一个方式的激光加工装置具备激光振荡器、激光振荡控制部、激光分路光学系统、激光加工光学系统、工作台、工作台控制部和整体控制部。激光振荡器照射激光束。激光振荡控制部控制激光束的输出。激光分路光学系统将激光束分路成多个分路激光束。激光加工光学系统使分路激光束在相互并进的状态对作为照射对象的叠合板状构件的第1板状构件进行照射，该作为照射对象的叠合板状构件包含配置于叠合方向的一端侧的所述第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件。工作台使叠合板状构件相对于激光束相对移动。工作台控制部控制工作台的动作。整体控制部同步控制工作台控制部和激光振荡控制部。因而，整体控制部控制工作台的动作和分路激光束的照射。其结果，照射分路激光束并使分路激光束在相对于分路激光束排列的方向交叉的方向上相对移动，形成沿着第1板状构件的线状的熔融部，通过一个分路激光束形成的熔融部和通过另一个分路激光束形成的熔融部在第2板状构件中相连，且熔融部不贯通第2板状构件。
另外，激光分路光学系统也可以具备将激光束分路成多个分路激光束的衍射光学元件(DOE)。
本公开的一个方式的密闭型电池具有：电池外装罐；和叠合于电池外装罐的底面部的内表面且与电池外装罐在熔融部接合的集电接头。集电接头进入电池外装罐中的熔融部的外周部分。
本公开的一个方式的密闭型电池具有：电池外装罐；和叠合于电池外装罐的底面部的内表面且与电池外装罐在熔融部接合的集电接头。与电池外装罐中的熔融部的中央部分相比，在包围中央部分的外周部分，集电接头向电池外装罐进入得更高。
根据本公开所涉及的激光加工方法以及激光加工装置，在2片以上的板状构件的搭接激光焊接中，能不使最远离照射面的板状构件贯通地使通过激光照射形成的熔融部处的接合强度增大。
以下基于附图详细说明实施方式所涉及的密闭型电池的制造方法中的激光加工方法以及激光加工装置。
另外，本实施方式所涉及的激光加工方法并不限定于以下的实施方式所涉及的密闭型电池。即，以下，作为激光加工方法以及激光加工装置的一实施例，以密闭型电池的制造方法进行说明。另外，能在不脱离起到本公开的效果的范围的范围内适宜变更。进而，还能进行与其他实施方式的组合。
(实施方式所涉及的密闭型电池)
首先详细说明实施方式所涉及的密闭型电池100。
在图5中示出实施方式所涉及的密闭型电池100的结构的示意截面图。密闭型电池100具备电池外装罐5、垫圈6、封口板10、绝缘板7、绝缘板8、卷绕体4、正极板1、负极板2、隔板3、正极集电接头11和负极集电接头12。电池外装罐5具备开口部。开口部被封口板10封口。在开口部与封口板10之间配置垫圈6，通过将垫圈6压缩来将封口板10固定于开口部。在电池外装罐5内收容多个卷绕体4、绝缘板7、绝缘板8和电解液。卷绕体4在电池外装罐5内被绝缘板7以及绝缘板8夹住。卷绕体4具备正极板1、负极板2和隔板3，正极板1和负极板2通过隔板3被卷绕。从卷绕体4的任意一方的极板(例如正极板1)导出正极集电接头11。另外，从另一方的极板(例如负极板2)导出负极集电接头12。在正极集电接头11和封口板10设置熔融部9。通过熔融部9将正极集电接头11和封口板10接合。在负极集电接头12和电池外装罐5设置熔融部13。通过熔融部13将负极集电接头12和电池外装罐5接合。
以下说明密闭型电池100的制造方法中的激光焊接。
首先，将正极板1以及负极板2通过隔板3进行缠绕或层叠，形成卷绕体4。接着，在卷绕体4的各个极板1、2连接各个集电接头11、12的一端。接着，将卷绕体4收容于电池外装罐5内。接着，将集电接头12的另一端叠合于电池外装罐5的内表面底面部。接着，图5中虽未示出，但将激光束分路成多个分路激光束。接着，以比电池外装罐5的板厚小的聚光点直径将分路激光束照射到电池外装罐5的外侧底面的大致中央，并使分路激光束对电池外装罐5进行扫描。其结果，在电池外装罐5形成线状的熔融部13，能将电池外装罐5和位于其内部的集电接头12通过激光焊接接合。另一方面，将集电接头11的另一端叠合于封口板10，与电池外装罐5同样地照射封口板1。其结果，在封口板10形成线状的熔融部9，能将封口板10和集电接头11通过激光焊接接合。
(实施方式所涉及的激光加工装置)
接着，作为实施方式所涉及的激光加工装置的示例而详细说明激光焊接装置200。
在图6示出实施方式所涉及的激光焊接装置200。图6中的X、Y方向分别是沿着电池外装罐5的底面的方向，是相互正交的方向，Z方向是将电池外装罐5和集电接头12叠合的方向，是与X方向以及Y方向正交的方向。
如图6所示那样，激光焊接装置200具备激光振荡器14、激光振荡控制部15、激光分路光学系统17、激光加工光学系统16、工作台18、工作台控制部19和整体控制部20而构成。
激光振荡器14照射激光束21。激光振荡器14例如是光纤激光振荡器。激光振荡器14例如对激光输出1kW、激光波长1070nm的激光进行振荡。另外，激光振荡器14并不限定于这样的规格。
激光振荡控制部15控制从激光振荡器14照射的激光束21的照射(接通/断开)以及激光束21的输出。通过进行输出控制，能照射为了使电池外装罐5和集电接头12熔融所需的输出的激光束21。例如，通过激光振荡控制部15的输出控制能进行照射，使得电池外装罐5和集电接头12熔融，且所形成的熔融部13不贯通集电接头12。
在激光分路光学系统17入射从激光振荡器14照射的激光束21，通过该光学系统将激光束21分路成2束以上的分路激光束。在图6中示出通过激光分路光学系统17将激光束21分路成2束分路激光束21a、21b的情况。分路激光束21a、21b在Y方向上排列。在激光分路光学系统17中，也可以使用衍射光学元件(DOE)来将激光束21分路。另外，例如能通过进行DOE(衍射光学元件)的分路图案设计来在任意的位置以任意的强度使激光束21分路。激光分路光学系统17内置于激光加工光学系统16内。
从激光振荡器14照射的激光束21经过光纤而入射到激光加工光学系统16。通过内置于激光加工光学系统16内的激光分路光学系统17来将激光束21分路成分路激光束21a、21b。激光加工光学系统16将分路激光束21a、21b聚光，使分路激光束21a、21b在并进的状态下对电池外装罐5进行照射。在图6中，分路激光束21a、21b在Y方向上排列，向Z方向照射。另外，通过分路激光束21a、21b形成于电池外装罐5的底面的聚光点22a、22b也在Y方向上排列。例如，能通过激光加工光学系统16将分路激光束21a、21b的聚光点聚光到电池外装罐5的板厚(Z方向上的截面的厚度)以下。另外，例如激光加工光学系统16能对电池外装罐5的外侧底面的大致中央的大约中心位置照射分路激光束21a、21b。另外，在通过激光分路光学系统17将激光束21分路成3束以上的分路激光束的情况下，激光加工光学系统16能进行照射，使得各个分路激光束的聚光点位于Y方向的同一直线上。
使工作台18搭载照射对象物并移动。如图6所示那样，工作台18例如搭载电池外装罐5和集电接头12，使电池外装罐5和集电接头12在X方向上移动。
工作台控制部19控制工作台18的动作。能通过工作台控制部19控制例如工作台18的移动距离、移动速度和移动开始的定时。
整体控制部20同步控制工作台控制部19和激光振荡控制部15，由此来控制工作台18的动作和分路激光束21a、21b的输出。能照射分路激光束21a、21b，并通过工作台18使电池外装罐5和集电接头12相对于激光加工光学系统16在与分路激光束21a、21b排列的方向交叉且正交的方向上移动。所谓分路激光束21a、21b排列的方向，是指将形成于电池外装罐5的底面的聚光点22a、22b连起来的直线上的方向。如图6所示那样，在本实施方式中，分路激光束21a、21b在Y方向上排列，通过工作台18使密闭型电池100在X方向上移动。其结果，分路激光束21a、21b形成沿着电池外装罐5的X方向的线状的熔融部13，熔融部13在集电接头12相互相连，且熔融部13不贯通集电接头12。通过线状的熔融部13将电池外装罐5和集电接头12接合。
另外，在以上的说明中，说明了激光焊接装置200的照射对象物是密闭型电池100的电池外装罐5以及集电接头12的情况，但照射对象物并不限定于此。例如，也可以将多个板状构件叠合作为照射对象物。另外，作为板状构件的形状，作为整体并不限定于是平面。只要是在与构件的厚度方向正交的面方向上扩展且能在照射对象的区域将各个构件相互叠合的构件即可。例如也可以在筒的圆盘状的端面重叠配置板状构件，将筒和板状构件作为照射对象物。另外，1个板状构件例如可以如包覆件、层叠材料那样具有多个层。
另外，在以上的说明中，通过激光分路光学系统17将激光束21分路成2束分路激光束21a、21b，但并不限于该情况。也可以将激光束21分路成2束以上例如4束分路激光束。
另外，并不将激光焊接装置200中的移动要素限于工作台18，例如，也可以相对于静止的工作台18使激光加工光学系统16移动。另外，例如，也可以使工作台18以及激光加工光学系统16这两者相互相对地移动。另外，移动并不限于1轴方向的移动，例如可以是XY平面内的移动。
另外，在以上的说明中，分路激光束21a、21b排列的方向、和使电池外装罐5以及集电接头12移动的方向正交，但并不限于该情况。使分路激光束21a、21b在与分路激光束21a、21b排列的方向交叉的方向上相对于电池外装罐5以及集电接头12相对的地移动即可。例如，可以使电池外装罐5等在相对于分路激光束21a、21b排列的方向即Y方向具有90°以外的角度的方向上移动。
(实施方式所涉及的激光加工方法)
接着，详细说明实施方式所涉及的激光加工方法。
本实施方式所涉及的激光加工方法包含如下工序。将包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的多个板状构件叠合。接着，将激光束分路成第1分路激光束和第2分路激光束。接着，使第1分路激光束以及第2分路激光束在并进的状态下对第1板状构件进行照射。接着，在与第1分路激光束以及第2分路激光束排列的方向交叉的方向上使第1分路激光束以及第2分路激光束相对于第1板状构件相对移动，来形成沿着第1板状构件的表面的线状的熔融部。在第2板状构件中，通过第1分路激光束形成的熔融部和通过第2分路激光束形成的熔融部相连，且熔融部不贯通第2板状构件。因而，将叠合的各个板状构件通过线状的熔融部进行接合。
在本实施方式中，电池外装罐5的底部与第1板状构件对应，集电接头12与第2板状构件对应。另外，通过激光焊接装置200进行激光加工方法。另外，通过激光分路光学系统17将激光束21分路，通过激光加工光学系统16对电池外装罐5进行照射，通过整体控制部20使电池外装罐5和集电接头12相对于激光束21移动。以下说明本实施方式。
(激光束的分路)
首先，参考图7以及图8来详细说明激光束的分路。在图7示出实施方式所涉及的激光焊接装置200的激光加工光学系统16的示意截面图。在图8示出分路激光束21a～21d的聚光点的示意图。
在图7示出激光焊接装置200中的激光加工光学系统16的附近的详细图。在图7中，激光束21入射到激光加工光学系统16，通过激光分路光学系统17而被分路成4束分路激光束21a～21d。分路激光束21a～21d以在Y方向上排列的状态在Z方向上对电池外装罐5进行照射。
在图8中示出分路激光束21a～21d的聚光点22a～22d。分路激光束21a～21d通过激光加工光学系统16而分别聚光成聚光点直径
Figure BDA0003193912230000131
的4点聚光点22a～22d。聚光点22a～22d位于Y方向的同一直线上。各聚光点22a～22d的激光束强度相等。在本实施方式中，使电池外装罐5和集电接头12相对于分路激光束21a～21d在与聚光点22a～22d排列的Y方向正交的X方向上移动。
如图8所示那样，将聚光点22a与聚光点22b之间的点间距设为P1，将聚光点22b与聚光点22c之间的点间距设为P2，将聚光点22c与聚光点22d之间的点间距设为P3。点间距P1和点间距P3相等。另一方面，点间距P1以及点间距P3比点间距P2小。在本实施方式中，P1和P3是100μm，P2是800μm，全宽度是(P1+P2+P3)是1mm。
以窄的点间距P1相邻的分路激光束21a以及分路激光束21b形成分路激光束的1个组。同样地，以窄的点间距P3相邻的分路激光束21c以及分路激光束21d形成分路激光束的另1个组。即，4束分路激光束形成2个组(21a与21b的组、21c与21d的组)。另外，一组与另一组的间隔即点间距P2设定得比一组中的分路激光束间的点间距(例如点间距P1或P3)大。另外，所谓一组与另一组的间隔是一组的分路激光束与另一组的分路激光束之间的最小的距离。
以下详细说明一组的分路激光束21a、21b。另外，在以下的说明中，有将一组的分路激光束称作第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b的情况。另外，关于一组的分路激光束21a、21b的说明也适用于另一组的分路激光束21c、21d。
(利用2束分路激光束的激光焊接)
使激光束21以点间距P1分路，使用第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b的组来同时进行激光焊接。参考图9A、图9B、图10A以及图10B来详细说明进行激光焊接的方法。在图9A中，作为比较例1而示出利用1束激光束51的激光焊接后的熔融截面图。在图9B中示出图9A的实际的截面图的照片。在图10A中示出本实施方式中的利用2束分路激光束21a、21b的激光焊接后的熔融截面图。在图10B中示出图10A的实际的截面图的照片。
在图9A以及图9B所示的比较例1中，电池外装罐5的板厚是300μm，集电接头12的板厚是100μm。激光束51在聚光点52聚光成聚光点直径
Figure BDA0003193912230000141
将电池外装罐5在附图上的上表面作为激光束51的照射面，将激光束51向Z方向照射。通过键孔激光焊接，电池外装罐5和集电接头12熔融，在电池外装罐5和集电接头12形成熔融部43。在熔融部43产生向Z方向的负的方向的熔融流53，被熔融的电池外装罐5以及被熔融的集电接头12混在一起。在合适的激光条件下，能不使熔融部43贯通集电接头12地进行激光焊接。电池外装罐5的照射面中的熔融部43的宽度(以下称作熔融宽度)是120μm。另外，集电接头12与和集电接头12相邻的电池外装罐5的边界处的熔融部43的宽度(以后称作接合宽度)是50μm。
在图10A所示的实施方式中，与比较例1同样，电池外装罐5的板厚是300μm，集电接头12的板厚是100μm。另一方面，激光束21被分路成在Y方向上排列的第1分路激光束21a和第2分路激光束21b，在各个聚光点22a以及聚光点22b聚光成聚光点直径
Figure BDA0003193912230000151
聚光点直径
Figure BDA0003193912230000152
比电池外装罐5的板厚300μm小。另外，该聚光点22a与聚光点22b的点间距P1是100μm。
通过使2束分路激光束21a、21b在Y方向上排列的状态下对电池外装罐5在Z方向上照射，电池外装罐5和集电接头12熔融。在集电接头12、集电接头12与电池外装罐5的边界形成相连的熔融部13。通过分路激光束21a、21b的同时照射，熔融部13的温度变得比图9A的熔融部43的温度高。另外，熔融部13的熔融体积变得比图9A的熔融部43的熔融体积大。所谓熔融体积是熔融部13或熔融部43的体积。在熔融部13产生向Z方向的负的方向、Y方向的正或负的方向以及X方向的正或负的方向错乱的熔融流23。由于熔融部13的温度高，熔融部13的熔融体积大，因此熔融流23比图9A的熔融部流53大，出现熔融流23的区域也变大。通过熔融流23，被熔融的电池外装罐5以及被熔融的集电接头12混在一起。因而，使集电接头12中的熔融部13的接合宽度扩大。熔融部13的接合宽度是150μm，成为比较例1的接合宽度的3倍。若接合宽度变大，电池外装罐5与集电接头12的接合强度就会增大。因而，通过1束激光束21，使用2束分路激光束21a、21b来进行照射，由此增大接合强度。
另一方面，与比较例1同样，熔融部13不贯通集电接头12。为此，能防止由被熔融的集电接头12形成的溅射物混入电池外装罐5的内侧的空间。因而，能抑制密闭型电池100的短路不良。
另外，如图10B所示那样，熔融流23的结果是集电接头12的一部分向电池外装罐5扩散，形成集电接头扩散部24。
通过集电接头扩散部24的形成，构成集电接头12的材料在熔融部13的外周部分从集电接头12进入电池外装罐5的区域内。例如集电接头12可以是镍、铜和镍的3层包覆件。在该情况下，集电接头12的镍以及/或者铜通过激光照射而熔融，通过熔融流23进入电池外装罐5的区域内。其结果，在电池外装罐5的区域内形成具有镍以及/或者铜的集电接头扩散部24。由于构成集电接头12的材料具有高的电气导电性，因此熔融部13中的电池外装罐5的导电性增大。因而，在密闭型电池100中，电流从集电接头12向电池外装罐5的流动变得良好。
另外，在通过集电接头扩散部24的形成而构成集电接头12的材料从集电接头12进入电池外装罐5的区域内的情况下，与熔融部13的中央部分相比，在熔融部13的外周部分更多的构成集电接头12的材料进入。其结果，集电接头扩散部24是与熔融部13的中央部分相比而在熔融部13的外周部分在Z方向的相反方向上到达更高的高度。根据这样的结构，在密闭型电池100中，电流从集电接头12向电池外装罐5的流动进一步变得良好。
接下来参考图11A～图11D来详细说明激光焊接方法。在图11A～图11D中示出利用具有点间距P1的2束分路激光束21a、21b的组的激光焊接过程的截面图。
在图11A示出第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b的照射刚开始后的熔融截面图。第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b在以窄的点间距P1并进的状态下进行照射。由于第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b的聚光点直径小到
Figure BDA0003193912230000161
因此在熔融部13a、13b的内部打开被称作键孔25a、25b的细长的孔。第1分路激光束21a以及第2分路激光束21b在该孔中传播，熔融部13a、13b细长地向Z方向生长。
在图11B进一步示出键孔25a、25b在Z方向上生长的状态下的熔融截面图。在熔融部13a与熔融部13b之间，熔融热蓄积，熔融效率增大。为此，熔融部13a向熔融部13b侧扩展，熔融部13b向熔融部13a侧扩展，在电池外装罐5的附图上的上表面附近，熔融部13a和熔融部13b相连。所谓“相连”是指通过分路激光束21a形成的熔融部13a和通过分路激光束21b形成的熔融部13b连续，在其间没有边界。
在图11C示出熔融部13a、13b的前端分别到达集电接头12的状态下的熔融截面图。在熔融部13a、13b的前端产生在Z方向的负的方向以及Y方向的正或负的方向上错乱的熔融流23，被熔融的电池外装罐5以及被熔融的集电接头12混在一起。因而，熔融部13a和熔融部13b相连。
在图11D中示出键孔25a、25b变浅的状态下的熔融截面图。激光照射结束，键孔25a、25b变浅而消灭。另外，由于激光照射的结束，电池外装罐5的附图上的上表面被冷却，熔融部13a、13b中的温度梯度变大。因而，由于Z方向的负的方向的熔融流23变强，因此电池外装罐5和集电接头12更加混在一起，能使集电接头12中的熔融部13a、13b的接合宽度扩大。因而，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大。
接着，作为实施方式的比较例2，参考表示激光焊接过程的截面图的图12A以及图12B来详细说明不是同时而是依次照射激光束形成熔融部的情况。
在图12A示出第1束激光束21a(为了与第1分路激光束建立关系而设为相同的参考附图标记21a)的照射后的熔融截面。将激光束21a单独对电池外装罐5进行照射，在电池外装罐5和集电接头12形成熔融部13a。
接着，如图12B所示那样，在从第1束激光束21a起在Y方向上错开了100μm的聚光点22b位置，对电池外装罐5照射第2束激光束21b(为了与第2分路激光束建立关系而设为相同的参考附图标记21b)。在照射激光束21b时，熔融部13a已经固化。为此，与用第1束激光束21a形成的熔融部13a独立地形成基于激光束21b的熔融部13b。
如图12C所示那样，各个熔融部13a、13b并不相连，形成被分成2条的熔融部13a、13b。由于以接合宽度50μm焊接2处，因此合计的接合宽度成为100μm。因而，电池外装罐5与集电接头12的接合强度未增大。因而，为了使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大，同时照射激光束21a、21b较好。
另外，如图12D所示的熔融截面那样，通过激光束21a、21b形成的各个熔融部13a、13b并不相连，形成被分成2条的熔融部13a、13b。
如上述那样，同时照射以点间距P1分路的2束分路激光束21a、21b较好。为此，参考图13A～图13C来详细说明点间距P1。在图13A～图13C中示出利用分路激光束的激光焊接后的熔融截面图。
在图13A中示出通过1束激光束21形成的熔融部13的单独接合宽度JW(JoiningWidth)以及单独熔融宽度MW(Melting Width)。所谓熔融部13的单独接合宽度JW，是指在与激光扫描方向正交的方向上集电接头12与和集电接头12相邻的电池外装罐5的边界处的熔融部13的宽度。所谓熔融部13的单独熔融宽度MW，是指在与激光扫描方向正交的方向上照射面即电池外装罐5在附图上的上表面处的熔融部13的宽度。在图13A中，单独接合宽度JW是50μm，单独熔融宽度MW是120μm。
通过1束激光束21，使用2束分路激光束21a、21b进行照射，由此能使基于熔融部13的接合宽度以及电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大。例如，如图13B所示那样，以单独接合宽度JW以下的点间距P1(例如30μm)，通过分路激光束21a、21b形成相连的熔融部13。基于熔融部13的接合宽度成为80μm。
另外，例如，如图13C所示那样，以单独熔融宽度MW以上的点间距P1(例如150μm)，形成熔融部13不相连而保持分离不变的2条熔融部13a、13b。另外，由于熔融部13a、13b的接合宽度分别是50μm，因此合计接合宽度成为100μm。
为此，通过将点间距P1设为单独接合宽度JW以上且单独熔融宽度MW以下，熔融部13相连，能使基于熔融部13的接合宽度以及电池外装罐5与集电接头12的接合强度进一步增大。例如，如图10A所示那样，基于熔融部13的接合宽度成为150μm。
(利用4束分路激光束的激光焊接)
接下来详细说明4束分路激光束21a～21d的激光焊接。如前述的图8所示那样，在使分路激光束21a～21d在并进的状态下进行照射。在图14A～图14D中示出利用4束分路激光束的激光焊接过程的说明图。
在图14A中示出利用该4束光束的熔融截面模型。4束分路激光束21a～21d成为具有窄的点间距的2个组，与该窄的点间距相比2个组的间隔更大。因而，在相互分离的位置得到2个相连的熔融部13，将电池外装罐5和集电接头12在2处进行激光焊接。为此，能使接合强度增加。
在图14B中示出从电池外装罐5的底面来看的外观熔融模型。通过在相对于电池外装罐5的表面的中心位置点对称或线对称的位置进行焊接，并使该2处分离，还能使接合扭矩强度增加。
在图14C中示出实际的熔融截面照片，在图14D中示出实际的外观照片。可知如用上述的模型估计的那样。即，根据本实施方式所涉及的激光加工方法，能通过1个分路激光束的组形成相连的熔融部13，且不贯通集电接头12，扩大集电接头12与电池外装罐5的边界处的接合宽度。
如上述的说明那样，照射具有窄的点间距P1、P3以及宽的点间距P2的4束分路激光束21a～21d即可。另外，可以将点间距P1、P3设为通过1束激光束21形成的熔融部13的单独接合宽度JW以上且在同条件下形成的单独熔融宽度MW以下。在该情况下，形成相连的熔融部13，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大。此外，也可以将点间距P2设为单独熔融宽度MW以下。因而，如图14A所示那样，在相互分离的位置得到2个相连的熔融部13，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度进一步增大。
(实施例)
对使用实施方式所涉及的激光加工方法焊接的密闭型电池100进行接合强度评价。在图15示出激光输出与接合强度的相关关系的图表。横轴表示激光输出(W)，纵轴表示电池外装罐5与集电接头12的接合强度。根据图15，不使集电接头12贯通，能实现接合强度的目标值，能确认本实施方式所涉及的激光加工方法的有效性。另外，实际使用本实施方式所涉及的激光加工方法作成密闭型电池100，用密闭型电池100单体以及密闭型电池组件进行给定的落下试验的结果，在所焊接的部分没有脱落而维持正常状态，能确认本实施方式所涉及的激光加工方法的有效性。
(集电接头的材质)
说明本实施方式所涉及的激光加工方法的集电接头12的材质。通常使用镍制的集电接头12，对激光束21吸收性良好且容易熔融。但在本实施方式所涉及的激光加工方法中，进行照射以使得熔融部13不贯通具有增大的吸收性的集电接头12是困难的。为此，作为集电接头12的材质，使用抑制激光束21的吸收的材料例如铜系那样的材料较好。
例如使用图16A～图16C所示那样的集电接头12较好。图16A的集电接头是铜制。另外，图16B的集电接头是镍与铜的2层包覆件，图16C的集电接头是镍、铜与镍的3层包覆件。不管哪种，激光都止于集电接头12的铜部分，能防止贯通。
另外，在以上的激光加工方法的说明中，将激光束的照射对象物是密闭型电池100中的电池外装罐5(第1板状构件的一例)以及集电接头12(第2板状构件的一例)的情况作为示例，但并不限定于此。例如也可以将3片以上的板状构件叠合来作为照射对象物。另外，作为板状构件的形状，作为整体而并不限定于是平面。只要是在与构件的厚度方向正交的面方向上扩展且能在照射对象的区域使各个构件相互叠合的构件即可。例如可以在筒的圆盘状的端面重叠配置板状构件，将筒和板状构件作为照射对象物。另外，也可以在第1板状构件与第2板状构件之间配置其他板状构件。另外，1个板状构件例如可以如包覆件、层叠材料那样具有多个层。另外，1个板状构件例如可以如包覆件、层叠材料那样具有多个层。
(效果)
根据实施方式所涉及的激光加工方法，分路激光束21a、21b在并进的状态下进行照射。另外，使电池外装罐5相对于分路激光束21a、21b在与分路激光束21a、21b排列的方向交叉的方向上移动。其结果，形成沿着电池外装罐5的表面的线状的熔融部13a、13b。因此，能通过激光焊接形成熔融部13，实现电池外装罐5与集电接头12的接合。
另外，通过2束分路激光束形成的熔融部13a、13b在集电接头12中相连。通过形成在集电接头12中相连的熔融部13a、13b，与使用1束激光束21进行了照射的情况相比，熔融体积变大，形成大的熔融流23。通过熔融流23，被熔融的电池外装罐5以及集电接头12混在一起，从而能使集电接头12与和集电接头12相邻的电池外装罐5的边界处的熔融部13的接合宽度扩大。因而，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大。
另外，通过分路激光束21a、21b的照射，分别形成不贯通集电接头12的熔融部13a、13b。因而，能防止溅射物向电池外装罐5内混入。
进行照射，使得第1分路激光束21a与第2分路激光束21b的点间距P1成为单独接合宽度JW以上且单独熔融宽度MW以下较好。因而，用2束分路激光束21a、21b形成的熔融部13a、13b在集电接头12中相连，集电接头12中的接合宽度进一步扩大，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度进一步增大。
可以将激光束21分路成包含分路激光束21a、21b的组的多个分路激光束。各个组的间隔可以比第1分路激光束21a与第2分路激光束21b的点间距P1大。例如，可以如点间距P2那样取得通过各个组形成的线状的熔融部13不相连那样的间隔。因而，形成多个线状的熔融部13，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大。
也可以为点间距P1成为单独接合宽度JW以上且单独熔融宽度MW以下，点间距P2为单独熔融宽度MW以上。例如能通过2束分路激光束2la、21b在集电接头12形成相连的熔融部13，另外在其他分离的位置也通过分路激光束21c和21d同样地在集电接头12形成相连的熔融部13。能在相互分离的位置得到2个相连的熔融部13。因而，集电接头12中的接合宽度的合计值进一步扩大，能使电池外装罐5与集电接头12的接合强度进一步增大。
也可以对电池外装罐5的表面的中心位置照射分路激光束21a～21d，以使得通过照射形成的多个熔融部13相互成为点对称或线对称。另外，也可以将各个熔融部13分离。因而，能使接合扭矩强度增大。
集电接头12的材料可以是抑制激光束21的吸收的铜系材料。集电接头12不吸收激光束21的能量，能抑制熔融，熔融部13不贯通集电接头12。因而，能防止溅射物向电池外装罐5内混入。
根据实施方式所涉及的激光焊接装置200，能通过整体控制部20控制工作台18的动作和分路激光束21a～21d的照射。具体地，能照射分路激光束21a～21d，并使密闭型电池100在与分路激光束21a～21d排列的方向交叉的方向上移动。其结果，形成沿着电池外装罐5的线状的熔融部13，熔融部13在集电接头12相连，且熔融部13不贯通集电接头12。因而，集电接头12中的接合宽度扩大，使电池外装罐5与集电接头12的接合强度增大，并且能防止溅射物向电池外装罐5内混入。
另外，在激光分路光学系统17中，可以使用衍射光学元件(DOE)来将激光束21分路。根据这样的结构，能进行分路图案设计，能在任意的位置以任意的强度使激光束21分路。
根据实施方式所涉及的密闭型电池100，通过集电接头扩散部24的形成，构成集电接头12的材料在熔融部13的外周部分从集电接头12进入电池外装罐5的区域内。由于构成集电接头12的材料具有高的导电性，因此熔融部13中的电池外装罐5的导电性增大。根据这样的结构，电流从集电接头12向电池外装罐5的流动变得良好。
另外，与熔融部13的中央部分相比，在熔融部13的外周部分，构成集电接头12的材料从集电接头12向电池外装罐5的区域内进入得更高。根据这样的结构，电流从集电接头12向电池外装罐5的流动进一步变得良好。
另外，在本实施例中，以密闭型电池的事例进行了说明，在2片以上的板状材料的搭接激光焊接中，在采用通过焊接形成的熔融部不贯通的焊接来进一步使接合强度增大时，成为有效的手段。
另外，卷绕体4并不限于正极板以及负极板隔着隔板缠绕的结构，也可以是层叠的结构。
另外，通过适宜组合上述各种实施方式当中任意的实施方式，能起到各自所具有的效果。
产业上的可利用性
本公开所能适用的密闭型电池对其种类并没有特别限制，除了锂离子二次电池以外，还能适用于镍氢电池或镍镉电池(nickel-cadmium battery)等。另外，并不限于圆筒型二次电池，还能适用于方形二次电池或一次电池。

Claims (8)

1.一种激光加工方法，
将包含配置于叠合方向的一端侧的第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件的多个板状构件叠合，
将激光束分路成第1分路激光束和第2分路激光束，
使所述第1分路激光束以及所述第2分路激光束在并进的状态下对所述第1板状构件进行照射，
使所述第1分路激光束以及所述第2分路激光束相对于所述第1板状构件在与所述第1分路激光束以及所述第2分路激光束排列的方向交叉的方向上相对移动，来形成沿着所述第1板状构件的表面的线状的熔融部，
在所述第2板状构件中，通过所述第1分路激光束形成的所述熔融部和通过所述第2分路激光束形成的所述熔融部相连且所述熔融部不贯通所述第2板状构件的状态下，将叠合的各个所述板状构件通过线状的所述熔融部进行接合。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，
将所述激光束分路成包含所述第1分路激光束以及所述第2分路激光束的多个组的多个分路激光束，
使各个所述分路激光束在并进的状态下对所述第1板状构件进行照射，
在所述第1板状构件中，一个所述组中的所述分路激光束与相邻的另一个所述组中的所述分路激光束的间隔比所述第1分路激光束与所述第2分路激光束的间隔大。
3.根据权利要求2所述的激光加工方法，其中，
照射所述分路激光束，以使得通过所述分路激光束形成的所述熔融部相对于所述第1板状构件的表面的中心位置相互成为点对称或线对称。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的激光加工方法，其中，
所述第2板状构件是抑制所述激光束的吸收的铜系材料。
5.一种激光加工装置，具备：
照射激光束的激光振荡器；
控制所述激光束的输出的激光振荡控制部；
将所述激光束分路成多个分路激光束的激光分路光学系统；
使所述分路激光束在相互并进的状态下对作为照射对象的叠合板状构件的第1板状构件进行照射的激光加工光学系统，其中所述叠合板状构件包含配置于叠合方向的一端侧的所述第1板状构件和配置于另一端侧的第2板状构件；
使所述叠合板状构件相对于所述激光束相对移动的工作台；
控制所述工作台的动作的工作台控制部；和
同步控制所述工作台控制部和所述激光振荡控制部的整体控制部，
所述整体控制部控制所述工作台的动作和所述分路激光束的照射，以使得照射所述分路激光束并使所述分路激光束在与所述分路激光束排列的方向交叉的方向上相对移动，形成沿着所述第1板状构件的线状的熔融部，通过一个所述分路激光束形成的所述熔融部和通过另一个所述分路激光束形成的所述熔融部在所述第2板状构件中相连，且所述熔融部不贯通所述第2板状构件。
6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其中，
所述激光分路光学系统具备：将所述激光束分路成多个所述分路激光束的衍射光学元件即DOE。
7.一种密闭型电池，具有：
电池外装罐；和
叠合于所述电池外装罐的底面部的内表面且与所述电池外装罐通过熔融部接合的集电接头，
所述集电接头进入所述电池外装罐中的所述熔融部的外周部分。
8.一种密闭型电池，具有：
电池外装罐；和
叠合于所述电池外装罐的底面部的内表面且与所述电池外装罐通过熔融部接合的集电接头，
与所述电池外装罐中的所述熔融部的中央部分相比，在包围所述中央部分的外周部分，所述集电接头向所述电池外装罐进入得更高。
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