CN114829057B

CN114829057B - 金属箔的焊接方法

Info

Publication number: CN114829057B
Application number: CN202080087830.6A
Authority: CN
Inventors: 松本畅康; 金子昌充; 西野史香; 梅野和行; 尹大烈
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2024-03-05
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: WO2021132682A1; JP7223171B2; JPWO2021132682A1; CN114829057A; US20220314367A1

Abstract

金属箔的焊接方法例如具备：重叠多个金属箔的第一工序；以及通过照射400nm以上且500nm以下的波长的激光而焊接所重叠的多个金属箔的第二工序。另外，在金属箔的焊接方法中，例如金属箔为铜箔。另外，在金属箔的焊接方法中，例如在第二工序中，通过使所重叠的多个金属箔与射出激光的激光装置的射出部进行相对运动，来形成线状的焊接部位。

Description

金属箔的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种金属箔的焊接方法。

背景技术

以往，作为金属箔的焊接方法已知通过使用特别的夹具来谋求飞溅的抑制、气孔的抑制的技术(例如，专利文献1)、通过组合多个光束来抑制气孔的技术(例如，专利文献2)等。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-30280号公报

专利文献2：日本特开2015-217422号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1、2这样的金属箔的焊接方法中，焊接的工夫、成本可能增大。

于是，本发明的课题的之一在于例如得到能够抑制工夫、成本的金属箔的焊接方法。

用于解决课题的方案

本发明的金属箔的焊接方法例如具备：重叠多个金属箔的第一工序；以及通过照射400nm以上且500nm以下的波长的激光，来焊接所重叠的所述多个金属箔的第二工序。

在所述金属箔的焊接方法中，也可以是，所述金属箔是铜箔。

在所述金属箔的焊接方法中，也可以是，在所述第二工序中，通过使所重叠的所述多个金属箔与射出所述激光的激光装置的射出部进行相对运动，来形成线状的焊接部位。

在所述金属箔的焊接方法中，也可以是，将焊接条件指标E设为下式(1)E＝(P-P₀)/v·d···(1)(在此，P是所述激光装置的激光的功率，P₀是在所重叠的所述多个金属箔与所述射出部相对静止的状态下所述激光贯通所重叠的所述多个金属箔时的该激光的功率的最小值，v是所重叠的所述多个金属箔与所述射出部之间的相对移动速度，d是激光的光点直径)时，在所述第二工序中，在该焊接条件指标E是下限值以上且小于上限值的焊接条件下执行焊接，所述下限值是指，成为所重叠的所述多个金属箔的与所述射出部相反一侧的面上出现焊接痕的状态的值，所述上限值是指，成为所述激光穿过所重叠的所述多个金属箔而开孔的状态的值。

在所述金属箔的焊接方法中，也可以是，作为如下微分值的斜率指标是3×10^-3以上且小于16×10^-3，所述微分值是指，功率密度的基于所重叠的所述多个金属箔与所述射出部之间的相对移动速度进行微分而得到的值，所述功率密度通过激光L的功率除以加工对象的表面上的激光的光点面积而得到。

在所述金属箔的焊接方法中，也可以是，所述斜率指标是6×10^-3以上且小于10×10^-3。

发明效果

根据本发明，能够得到例如能够抑制工夫、成本的金属箔的焊接方法。

附图说明

图1是表示实施方式的金属箔的焊接方法的流程图。

图2是实施方式的金属箔的焊接系统的例示性的示意图。

图3是表示相对于照射的激光的波长而言的各金属材料的光的吸收率的线图。

图4是将实施方式的金属箔的焊接方法中的激光的状态和与其对应的加工对象的熔融状态的截面示出的例示性的示意图。

图5是将比较例的金属箔的焊接方法中的激光的状态和与其对应的加工对象的熔融状态的截面示出的例示性的示意图。

图6是将实施方式的金属箔的焊接方法中的光学头与所重叠的多个金属箔之间的相对速度、激光的功率密度、以及焊接状态的关系示出的例示性的线图。

图7是将实施方式的金属箔的焊接方法中的焊接条件指标与焊接状态之间的关系示出的例示性的图。

图8是表示通过实施方式的金属箔的焊接方法在重叠的状态下被焊接的多个金属箔的表面的照片。

图9是表示通过实施方式的金属箔的焊接方法在重叠的状态下被焊接的多个金属箔的背面的照片。

图10是表示通过实施方式的金属箔的焊接方法在重叠的状态下被焊接的多个金属箔的焊接部位的截面的照片。

具体实施方式

以下，公开本发明的例示性的实施方式及变形例。以下所示的实施方式及变形例的结构、以及由该结构带来的作用及结果(效果)是一例。本发明通过以下的实施方式及变形例所公开的结构以外的结构也能够实现。另外，根据本发明，能够得到由结构得到的各种效果(也包含派生的效果)中的至少一个。

以下所示的实施方式及变形例具备同样的结构。因而，根据各实施方式及变形例的结构，得到基于该同样的结构的同样的作用及效果。另外，以下，对这些同样的结构赋予同样的附图标记，并且有时省略重复的说明。

在本说明书中，为了区别部件、部位、工序等而权宜地赋予了序号，该序号并不表示优先级、顺序。

另外，在各图中，由箭头X表示X方向，由箭头Y表示Y方向，由箭头Z表示Z方向。X方向、Y方向及Z方向互相交叉，并且互相正交。需要说明的是，X方向也可称作长边方向、相对移动方向、或者扫描方向，Y方向也可称作短边方向或者宽度方向，Z方向也可称作厚度方向或者相对于表面(被照射面)垂直的垂直方向。

[第一实施方式]

[焊接方法及焊接系统]

图1是表示实施方式的金属箔的焊接方法的流程图。另外，图2是金属箔的焊接系统100的示意图。

如图1所示，在本实施方式中，首先，使多个金属箔重叠并临时固定(S1，第一工序)，之后，通过对在重叠的状态下临时固定的多个金属箔照射激光L来将该多个金属箔焊接(S2，第二工序)。需要说明的是，以下，将重叠的多个金属箔仅称作加工对象W。

如图2所示，在加工对象W中，各金属箔在Z方向上薄且沿X方向及Y方向延伸的状态下在Z方向上重叠。在本实施方式中，两个保持构件140在从Z方向的两侧以夹着的状态保持加工对象W。保持构件140也可称作固定夹具、固定装置。

金属箔作为一例是层叠型锂离子电池这样的二次电池的电极板，被焊接的加工对象W成为该电池的正极或负极的集电箔。在该情况下，金属箔的厚度是2～20[μm]程度，加工对象W的厚度例如是0.2[mm]程度。

在保持构件140设置有开口140a。从开口140a露出加工对象W的表面Wa。开口140a具有沿X方向延伸的狭缝状，换言之细长的长方形形状，或者带状的形状。在此，加工对象W的表面Wa经由开口140a而面向光学头120。另外，背面Wb是相对于表面Wa而与光学头120相反侧的面。

如图2所示，焊接系统100具备激光装置110、光学头120、将激光装置110与光学头120连接的光纤130、以及保持构件140。加工对象W通过使金属箔重叠多片而构成。各个金属箔的厚度例如为2～20[μm]，但不特别限定。另外，金属箔的片数例如为10～100，但不特别限定。金属箔包含铜、铝，但金属箔的材料不特别限定。

激光装置110构成为能够输出例如数kW功率的激光。例如，激光装置110也可以构成为在内部具备多个半导体激光元件，且作为该多个半导体激光元件的合计的输出能够输出数kW功率的多模式的激光。另外，激光装置110也可以具备光纤激光、YAG激光、碟片激光等各种各样的激光源。

光纤130将从激光装置110输出的激光导波，并使其向光学头120输入。

优选的是，保持构件140能够将加工对象W固定为彼此相邻的两个金属箔之间尽量没有间隙。

光学头120是将从激光装置110经由光纤130输入的激光L朝向加工对象W射出的光学装置。光学头120是射出部的一例。

光学头120具备准直透镜121和聚光透镜122。准直透镜121是用于使输入的激光为平行光的光学系统。聚光透镜122是用于将平行光化后的激光聚集并将其作为激光L向加工对象W照射的光学系统。光学头120向Z方向的相反方向射出激光L。激光L通过保持构件140的开口140a，向加工对象W的表面Wa照射。表面Wa也可称作被照射面。

焊接系统100构成为能够变更光学头120与加工对象W即保持加工对象W的保持构件140之间的相对位置。由此，在加工对象W的表面Wa上，激光L的照射位置移动。由此，激光L在表面Wa上扫描。

光学头120与加工对象W之间的相对移动能够通过单独移动光学头120、单独移动加工对象W(保持构件140)、或者移动光学头120及加工对象W这双方的移动机构(未图示)来实现。需要说明的是，在本实施方式中，光学头120与加工对象W在狭缝状的开口140a延伸的方向即X方向上相对移动。

[波长和光的吸收率、熔融状态]

在此，说明金属材料的光的吸收率。图3是表示相对于照射的激光L的波长而言的各金属材料的光的吸收率的线图。图3的线图的横轴是波长，纵轴是吸收率。图3中，关于铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、银(Ag)、钽(Ta)及钛(Ti)，示出了波长与吸收率之间的关系。

根据材料不同而特性不同，但是关于图3所示的各金属，可理解为与使用普通的红外线(IR)激光L相比，使用蓝、绿激光L的能量的吸收率较高。该特征在铜(Cu)、金(Au)等中显著。

图4示出在本实施方式中以激光LA的波长向吸收率比较高的加工对象W照射了激光LA的情况下的该激光LA的状态(功率分布)、以及表示与其对应的加工对象W的熔融状态的截面。另一方面，图5示出在比较例中以激光LB的波长向吸收率低的加工对象W照射了激光LB的情况下的该激光LB的状态(功率分布)、以及表示与其对应的加工对象W的熔融状态的截面。

如图5所示，在向相对于使用波长而吸收率比较低的加工对象W照射了激光LB的情况下，大部分的光能量被反射，未对加工对象带来作为热的影响。因此，为了得到充分的深度的熔融区域需要施加比较高的功率。在该情况下，光束中心部由于被急剧投入能量，产生升华，形成键孔(keyhole)KH。附图标记Pa表示熔融区域。在形成这样的键孔KH及熔融区域Pa的熔融状态下，加工对象W是重叠的多个金属箔的情况下，可能引起加工对象W的熔断。

与此相对，如图4所示那样，在向相对于使用波长而吸收率比较高的加工对象W照射了激光LA的情况下，投入的能量大多被加工对象吸收，变换成热能。即，不需要施加过度的功率，因此不会伴随有键孔的形成，成为热传导型的熔融。在图4所示的情况下，熔融区域Pa比较广，得到热传导型的熔融状态。

于是，在本实施方式中，针对加工对象W，选择适宜波长的激光LA(L)，以使焊接部位成为图4所示那样的吸收率比较高的状态。需要说明的是，工序S2中的熔融区域Pa在被冷却固化后在加工对象W的表面Wa、背面Wb及截面中能够被视觉辨识为焊接痕。熔融区域Pa也可称作焊接金属、焊接部位。

从图3能够理解为：在加工对象W的材质为铜(Cu)、金(Au)等的情况下，换言之，在金属箔为铜箔、金箔的情况下，在第二工序中，具体而言，适宜使用300[nm]至600[nm]之间的波长的激光L，更适宜使用400[nm]至500[nm]之间的波长的激光L。

[焊接条件]

图6、7示出在各种条件下进行实验得到的结果。图6是表示光学头120与加工对象W的相对速度、照射的激光L的功率密度、以及加工对象W中的焊接状态之间的关系的线图。图6中的功率密度的单位是[MW/cm²]，相对速度的单位是[mm/s]。图7是表示焊接条件指标E(后述)与加工对象W中的焊接状态之间的关系的图。在此，功率密度是激光L的功率除以加工对象W的表面Wa上的激光L的光点面积得到的值。需要说明的是，以下，光学头120与加工对象W之间的相对速度仅称作相对速度，照射的激光L的功率密度仅称作功率密度。

在图6及图7的实验中，作为激光L而使用了波长450[nm]的蓝色激光。输出的功率的范围以100～500[W]变化，相对速度的范围以1～80[mm/s]变化。另外，加工对象W是铜板，铜板的厚度是0.2[mm]。需要说明的是，图6、7的实验是关于铜板而进行了的实验，确认到在若干条件中厚度相同的情况下，密接状态下重叠的多个铜箔与铜板成为大致相同的结果。

在图6、7中，所谓“熔断”，表示被照射的激光L穿过加工对象W而被该激光L开孔且加工对象W断裂了的情况。所谓“贯通焊接”，表示由激光L熔融的熔融区域Pa成为贯通了加工对象W的表面Wa与背面Wb之间状态且未开孔的情况。所谓“部分贯通”，表示由激光L熔融的熔融区域Pa在扫描区间中部分贯通加工对象W的表面Wa与背面Wb之间的状态，作为多个金属箔的焊接状态是不完全的状态。另外，所谓“非贯通”，表示由激光L熔融的熔融区域Pa未从加工对象W的表面Wa到达背面Wb的状态。加工对象W是重叠的多个金属箔，因此“贯通焊接”是期望的状态，“部分贯通”及“非贯通”是焊接不完全的状态，“熔断”是焊接不良的状态。

发明者们基于实验结果进行锐意研究，在图6的线图中发现了：

(1)非贯通及部分贯通的区域Anl(第一不可区域)与贯通焊接的区域Ao(良好区域)能够由1次函数的边界线B2区分；

(2)熔断的区域An2(第二不可区域)与贯通焊接的区域Ao(良好区域)能够由1次函数的边界线B1区分；以及

(3)边界线B1与边界线B2通过图6的纵轴中的共用的截距I₀。

需要说明的是，截距I₀的值是例如约0.32[MW/cm²]。

于是，将图6的边界线B1、B2的斜率、即功率密度的增量相对于相对速度的增量之比、换言之功率密度的基于相对速度进行微分的微分值称作“斜率指标(S)”，显然能够由斜率指标S的大小(Smin＜S＜Smax)来设定区域Ao的范围。在图6中边界线B2对应于Smin，Smin是约2×10^-3[(MW/cm²)/(mm/s)]。边界线B1对应于Smax，Smax是约16×10^-3[(MW/cm²)/(mm/s)]。在图6中，区域Ao内黑圆点所示的表示进行了实验的条件的数据点T的坐标是(40，0.5)。

在图7中，斜率指标S为0以上且小于2×10^-3的情况是非贯通，由记号“×”表示。斜率指标S为2×10^-3以上且小于3×10^-3的情况是部分贯通，由记号“Δ”表示。斜率指标S为3×10^-3以上且小于6×10^-3的情况是贯通焊接，由记号“○”表示。斜率指标S为6×10^-3以上且小于10×10^-3的情况是在贯通焊接中尤其良好的焊接状态，由记号“◎”表示。斜率指标S为10×10^-3以上且小于16×10^-3的情况是贯通焊接，由记号“○”表示。斜率指标S为16×10^-3以上的情况是熔断，由记号“×”表示。

上述的基于图6及图7的斜率指标S的范围的设定与以下的式(1)的焊接条件指标E的范围的设定等价。即，发明者们确认到：

E＝(P-P₀)/v·d···(1)

在此，P是基于激光装置110的激光的功率，P₀是重叠的多个金属箔(加工对象W)与光学头120(射出部)相对静止的状态下激光L贯通所重叠的多个金属箔的该激光的功率的最小值，v是重叠的多个金属箔与光学头120之间的相对移动速度(相对速度)，d是激光L的表面Wa中的光点直径(直径)，在设为上述式(1)时，在工序S2中的焊接以焊接条件指标E为下限值Emin以上且小于上限值Emax的焊接条件执行的情况下，成为全部贯通焊接，即区域Ao。在此，下限值Emin是成为在重叠了的多个金属箔(加工对象W)的背面Wb上以微小尺寸出现焊接痕的状态的常数(恒定值)。另外，上限值Emax是激光L穿过重叠了的多个金属箔(加工对象W)而开孔的状态的常数(恒定值)。需要说明的是，激光的功率P是功率密度乘以该光点的面积而得到的值。因而，焊接条件指标E与斜率指标S、即图6的线图的斜率对应。换言之，焊接条件指标E是斜率指标S的函数。另外，最小值P₀与截距I₀对应。最小值P₀(截距I₀)根据环境条件、加工对象W的物质特性而为不同的值。

图8是表示通过实施方式的金属箔的焊接方法在重叠了的状态下进行焊接后的多个金属箔(加工对象W)的表面Wa的照片，图9是表示与图8相同的多个金属箔的背面Wb的照片，图10是表示相同的多个金属箔的焊接部位(熔融区域Pa)的截面的照片。如图8～10所示那样，根据本实施方式，成功地实现了在表面Wa及背面Wb上不存在孔、破裂的良好的重叠焊接。

如以上说明那样，在本实施方式中，金属箔的焊接方法具备：重叠多个金属箔的第一工序(S1)；以及通过照射400[nm]以上且500[nm]以下的波长的激光L，来焊接所重叠的多个金属箔(加工对象W)的第二工序(S2)。

根据这样的方法，例如能够通过照射的激光L的波长的适当的设定来执行热传导型的焊接，因此能够得到不存在孔、破裂的良好的焊接状态。另外，由此，与以往方法相比，能够抑制多个金属箔的焊接所需的成本、工夫。

另外，在本实施方式中，金属箔为铜箔。

通过照射波长为400[nm]以上且500[nm]以下的激光L进行焊接而能够得到良好的焊接状态这样的效果在加工对象W为铜的情况、即金属箔是铜箔的情况下，更为显著。

另外，在本实施方式中，在工序S2(第二工序)中，使所重叠的多个金属箔(加工对象W)与射出激光L的光学头120(射出部)进行相对运动，由此形成线状的焊接部位(熔融区域Pa)。

就通过照射波长为400[nm]以上且500[nm]以下的激光L进行焊接而能够得到良好的焊接状态这样的效果而言，在通过使所重叠的多个金属箔(加工对象W)与射出激光L的光学头120(射出部)进行相对运动而形成线状的熔融区域Pa的情况下，能够得到该效果。

另外，在本实施方式中，在焊接条件指标E为下式(1)

E＝(P-P₀)/v·d···(1)

时，在工序S2中，在该焊接条件指标E为下限值Emin以上且比上限值Emax小的焊接条件下执行焊接，其中，所述下限值Emin是指，成为在加工对象W的与光学头120相反一侧的背面Wb出现焊接痕的状态的值，所述上限值Emax是指，成为激光L穿过加工对象W而开孔的状态的值。

根据这样的方法，例如通过以满足式(1)的方式设定各条件，能够得到良好的焊接状态。即，例如能够更迅速或更容易地执行在工序S2中能够得到良好的焊接状态这样的各条件的设定、变更。

以上，例示了本发明的实施方式，但上述实施方式是一例，并不意在限定发明的范围。上述实施方式能够以其他各种各样的形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、组合、变更。另外，各结构、形状等规格(构造、种类、方向、型号、大小、长度、宽度、厚度、高度、数量、配置、位置、材质等)能够适当变更而实施。

例如，多个金属箔不限定于铜箔。另外，在重叠的状态下焊接后的多个金属箔也能够应用于电池的电极以外的用途。

另外，也可以是，在对加工对象进行激光扫描时，通过公知的振动(wobbling)、横摆(weaving)、输出调制等来进行扫描，调节熔池的表面积。

另外，加工对象也可以是如带镀层的金属板那样在金属的表面存在薄的其他金属层的加工对象。

产业上的可利用性

本发明能够利用于金属箔的焊接。

附图标记说明

100…焊接系统

110…激光装置

120…光学头(射出部)

121…准直透镜

122…聚光透镜

130…光纤

140…保持构件

140a…开口

An1…区域(第一不可区域)

An2…区域(第二不可区域)

Ao…区域(良好区域)

B1…边界线

B2…边界线

d…光点直径

Emin…下限值

Emax…上限值

E…焊接条件指标

I₀…截距

KH…键孔

L，LA，LB…激光

P…(激光的)功率

P₀…(贯通加工对象的激光的功率的)最小值

Pa…熔融区域(焊接部位、焊接痕)

S…斜率指标

Smin…(斜率指标的)下限值

Smax…(斜率指标的)上限值

S1…工序(第一工序)

S2…工序(第二工序)

v…移动速度(相对移动速度)

W…加工对象

Wa…表面

Wb…背面

X…方向(长边方向、相对移动方向、扫描方向)

Y…方向(短边方向、宽度方向)

Z…方向(厚度方向或与照射面垂直的垂直方向)。

Claims

1.一种金属箔的焊接方法，其中，

所述金属箔的焊接方法具备：

重叠多个金属箔的第一工序；以及

通过照射400nm以上且500nm以下的波长的激光，来焊接所重叠的所述多个金属箔的第二工序，

在所述第二工序中，通过使所重叠的所述多个金属箔与射出所述激光的激光装置的射出部进行相对运动，来形成线状的焊接部位，

将焊接条件指标E设为下式(1)时，在所述第二工序中，在该焊接条件指标E是下限值以上且小于上限值的焊接条件下执行焊接，所述下限值是指，成为所重叠的所述多个金属箔的与所述射出部相反一侧的面上出现焊接痕的状态的值，所述上限值是指，成为所述激光穿过所重叠的所述多个金属箔而开孔的状态的值，

E＝(P-P₀)/v·d…(1)

其中，P是所述激光装置的激光的功率，P₀是在所重叠的所述多个金属箔与所述射出部相对静止的状态下所述激光贯通所重叠的所述多个金属箔时的该激光的功率的最小值，v是所重叠的所述多个金属箔与所述射出部之间的相对移动速度，d是激光的光点直径。

2.一种金属箔的焊接方法，其中，

所述金属箔的焊接方法具备：

重叠多个金属箔的第一工序；以及

作为如下微分值的斜率指标是3×10^-3以上且小于16×10^-3，所述微分值是指，功率密度的基于所重叠的所述多个金属箔与所述射出部之间的相对移动速度进行微分而得到的值，所述功率密度通过激光(L)的功率除以加工对象的表面上的激光的光点面积而得到。

3.根据权利要求2所述的金属箔的焊接方法，其中，

所述斜率指标是6×10^-3以上且小于10×10^-3。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属箔的焊接方法，其中，

所述金属箔是铜箔。