JP2005040853A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内容物を収容した容器の溶接時に、溶接に起因する品質不良の発生を防止しつつ、レーザのエネルギ密度およびレーザの照射位置と内容物との間の距離を短縮できるレーザ溶接方法を提供することである。
【解決手段】 電極体３を収容した電池ケース１のフランジ部１ｂと蓋２とをレーザ溶接を用いて封止する。照射するレーザ５のエネルギ密度は、所望の溶接強度を確保するために十分な深さの溶接部６を生じさせる熱量を与えるように設定される。レーザ５の照射位置は、溶接のために与えた熱量が電極体３に伝導されても、電極体３が熱影響により変質しないように電極体３から距離Ｌｃだけ離れた位置に照射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、臨界温度以上に昇温されると変質する内容物を格納する容器を、当該内容物を変質させることなく溶接封止するレーザ溶接方法に関し、より特定的には、密閉型電池の電池ケースと蓋と溶接するレーザ溶接方法に関する。

ノート型パソコンや携帯電話を始めとする電子機器は、小型化、薄型化、および軽量化が求められている。これらの電子機器の電源として用いられるリチウムイオン電池などの二次電池も、電子機器と同様に小型化、薄型化、および軽量化が求められている。二次電池の代表例としては、鉛蓄電池やニッカド電池に対して高い体積エネルギ密度を有するリチウムイオン電池が挙げられる。

リチウムイオン電池は、一般的には、鉄やアルミニウム等の金属からなる電池ケースに電極体が封入された構造を有する。電極体は、リチウムイオンを吸蔵および放出する物質を含む正極および負極の間に絶縁体であるセパレータを挟んで渦巻状に巻回して構成される。

図１０に、上述の電池の側断面を模式的に示す。電池２００は、電池ケース１、蓋２、及び電極体３に大別される。電池ケース１は、電極体３の外形状に応じた内形状を有する収容部１ａと、当該収容部１ａの開口部の周囲に所定の幅Ｌで延在するフランジ部１ｂとを有する。なお、電池ケース１は、好ましくは、所定の板厚ｔ１を有する１枚の金属板をプレス加工して形成されるが、鋳造や機械加工によって製造されることもある。蓋２は好ましくは、所定の板厚ｔ２を有する金属板によって、電池ケース１のフランジ部１ｂの外形と概ね同形に構成される。

電池２００は、概ね以下に述べる手順で完成される。先ず、電池ケース１の収容部１ａに、電極体３が収容される。この場合、電極体３と収容部１ａの内周壁との間は、図１０に示すように所望の間隙ｇを有していても良いし、間隙無く密着しても良い。また、電極体３の上端は、フランジ部１ｂの上端より所定の高さだけ低く設定されていてもよいし、フランジ部１ｂの上端と同じ高さであってもよい。

次に、電池ケース１の収容部１ａに電極体３を収容した状態で、フランジ部１ｂの外形と概ね重なるように蓋２を電池ケース１の開口部に載置する。さらに、レーザ５をフランジ部１ｂと重なる部分の蓋２に照射して、フランジ部１ｂと蓋２とを開口部の周囲で連続的に溶接することにより電池ケース１の開口部を封止する。レーザ５は、所定の直径を有するスポット光であり、そのエネルギに応じて照射範囲に熱量を与える。離間距離Ｌｃは電極体３とレーザ５の照射範囲の中心との間の距離を示す。このため、フランジ部１ｂの幅Ｌは、電極体３から離間距離Ｌｃだけ離れた位置にレーザ５を照射可能な用に設定される。溶接部６は、レーザ５が照射されたことにより溶融され、再凝固した蓋２およびフランジ部１ｂの一部である（例えば、特許文献１参照）。

セパレータは、一般的にポリプロピレンなどの合成樹脂製であり、所定の温度よりも高温になると変質する。蓋２とフランジ部１ｂを溶接するために、レーザ５の照射範囲に与えられた熱量は、照射部の周囲に伝導される。伝導された熱量によってセパレータが加熱され、所定の臨界温度よりも高温になると、セパレータは変質し、溶融または破損する。

図１０に示したセパレータの変質部７は、溶接のために与えられた熱量によってセパレータが変質した範囲を示す。セパレータ変質部７において、セパレータが溶融または破損すると、正極と負極とが短絡するため、電池２００は不良品になってしまう。

このため、従来のレーザ溶接方法は、レーザ５の照射位置とセパレータとの間の距離を十分に長くして、レーザの照射位置とセパレータとの間の蓋２および電池ケースの熱容量を増加させるとともに放熱される熱量を増加させ、セパレータへ伝導される熱量を抑制している。これにより、密封性および所望の溶接強度を確保するに十分な熱量を電池ケース１および蓋２へ与えても、セパレータが熱影響により変質しないようにしている。（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２１３２８６号公報 特開２０００−２９４２０２号公報

しかし、レーザ５の照射位置と電極体との間の距離Ｌｃが長いほど、セパレータへ伝導される熱量を低減できるが、同時にフランジ部１ｂの幅Ｌが長くなる。このため、電池ケース１の外形が大型化し、電池２００の体積エネルギ密度が低下してしまう。

電池ケース１の外形を小型化して、電池全体の容積を減少させるためには、フランジ部１ｂの幅Ｌは短いほうがよい。しかし、フランジ部１ｂの幅Ｌを短くした結果、レーザ５の照射位置とセパレータとの離間距離Ｌｃが短縮されると、セパレータへ伝導される熱量が増加して、セパレータの温度が臨界温度以上に達して変質するという問題が生じる。一方、セパレータの変質を防止するために、溶接のために与える熱量を減少させ過ぎると、溶接部の密封性が不十分になってしまう。

このように、溶接方法に関する品質不良（密封性不良、セパレータの変質）の原因は、レーザ５の照射によって与えられる熱量、および当該熱量のセパレータへの熱伝導が関連している。レーザ５の照射によって与えられ、セパレータに伝導される熱量は、蓋２、電池ケース１、電池ケース１と電極体３との間隙ｇおよびこれらの熱物性などが影響しており、これらの影響をすべて勘案して、溶接のために与える熱量および、レーザ５の照射位置を決定して、密閉性の不良およびセパレータへの熱影響を防止しつつ、体積エネルギ密度を向上させることは困難である。

それゆえに、本発明の目的は、容器を溶接するために与える熱量に起因する当該容器の内容物の変質を防止しつつ、レーザの照射位置と内容物との間の距離を短縮できるレーザ溶接方法を提供することである。

開口部を有する容器に、内容物を収容して、当該開口部を蓋で覆い、レーザを照射することで容器と蓋とを溶接し、当該開口部を封止するレーザ溶接方法であって、
レーザのエネルギ密度を制御することで、容器と蓋とを所望の強度で接合するエネルギ密度制御ステップと、
レーザを発生するレーザ発生ステップと、
レーザを照射することによって内容物に伝導される熱量を予め測定しておき、この熱量を基に内容物から離間距離だけ離れた位置にレーザを照射するレーザ照射ステップとを備える。

本発明によれば、照射するレーザのエネルギ密度および照射位置を制御することによって、内容物に伝導される熱量を抑制し、溶接に起因する品質（接合強度および内容物の性質）の不良の発生を防止しつつ、レーザの照射位置と内容物との間の距離を最適化できる。

本発明の実施の形態に係るレーザ溶接方法について具体的に説明する前に、まず本発明の基本概念を説明する。従来の技術で説明したように、電池ケースに蓋を溶接して作成される電池において、溶接方法に起因する品質不良の種類は、溶接部の密封性の不良と、溶接部からの熱影響によるセパレータの変質である。

熱影響によるセパレータの変質の原因は、レーザの照射範囲に与えられた熱量が伝導されて、セパレータが加熱されることである。具体的には、レーザの照射範囲に与えられる熱量が大きいほど熱伝導によってセパレータに伝導される熱量が大きくなり、セパレータの温度がより高くなる。また、レーザの照射位置とセパレータとの間の離間距離が短いほど、セパレータに対して伝導される熱量が大きくなり、セパレータの温度がより高くなる。つまり、セパレータに伝導される熱量には、レーザの照射によって与えられる熱量と、レーザの照射位置からセパレータまでの距離とがそれぞれ影響している。

ここで、レーザの照射範囲に与えられる熱量をＱｃとし、熱量Ｑｃが伝導された結果、レーザの照射範囲の中心から距離Ｌｃだけ離れた位置のセパレータが加熱されたときの温度をＴｃとして、溶接に起因する品質不良とこれらのパラメータとの関係を説明する。

電池ケース１と蓋２との間の密封性を確保するような大きさの溶接部６を生じさせるための必要最小限の熱量をＱｂとすると、溶接部に与える熱量Ｑｃは、式（１）で表される。

Ｑｃ＝Ｑｂ＋Ｑα … （１）
式（１）においてＱαは、電池ケース１と蓋２との間の密封性を確保するような大きさの溶接部６を生じさせるための必要最小限の熱量Ｑｂに対して余分に与えられる熱量である。

溶接部６における密封性の不良の原因は、レーザ５によって与えられる熱量が少ないために、溶接部６の溶融深さが電池ケース１と蓋２との間の密封性を確保するために必要な深さに達していないことである。つまり、溶接部６における密封性を確保するためには、Ｑαの値が０以上でなければならない。

Ｑαが大きくなるほど、溶接部の深さは深くなるが、一方、セパレータに伝導される熱量も増加し、セパレータの温度が所定の温度に達すると熱影響によってセパレータが変質してしまう。このため、セパレータに熱影響による変質を生じさせないＱαの許容最大値Ｑαｍａｘを特定して、ＱαをＱαｍａｘ以下にする必要がある。つまり、Ｑαの値が０以上かつＱαｍａｘ以下になるようにレーザの出力を制御すれば、溶接に起因する品質不良は防止できる。

上述したように、セパレータの熱影響による変質は、溶接部に与えられた熱量が熱伝導によってセパレータへ伝導されてセパレータの温度が上昇することに起因する。このため、セパレータが変質しない臨界温度をＴｂとすると、溶接部に与えられた熱量が伝導されたときのセパレータの温度を臨界温度Ｔｂ以下に保つ必要がある。このため、実際に溶接部に与えられた熱量が伝導されるときのセパレータの温度Ｔｃは、式（２）で表される。

Ｔｃ＝Ｔｂ−Ｔα … （２）
式（２）において、Ｔαは、臨界温度Ｔｂと実際の溶接時の温度Ｔｃとの差分である。熱影響によるセパレータの変質を防ぐためには、Ｔαの値は０以上にする必要がある。

また、溶接のために与えられる熱量がＱｂのとき、熱量Ｑｂが伝導された結果としてセパレータの温度が臨界温度Ｔｂになるような溶接部とセパレータとの離間距離をＬｂとすると、溶接部６とセパレータとの離間距離Ｌｃは、式（３）で表される。

Ｌｃ＝Ｌｂ＋Ｌα … （３）
式（３）において、Ｌαは、溶接のために与える熱量をＱｂとする場合に、熱影響によるセパレータの変質を生じることなく短縮可能な離間距離の長さを示している。換言すれば、ＱαおよびＴαの値を削減して０に近づけることによって、Ｌαを０に近づけ、離間距離Ｌｃの値をより小さくすることが可能になる。

なお、上述のごとく、電極体３は電池ケース１の収容部１ａの内周壁との間に間隙ｇを有する場合と、間隙無く密着する場合とがある。間隙ｇを有する場合、一般的に、電極体３と電池ケース１とが密着する場合と比較して、間隙ｇによって電極体３と電池ケース１との間の断熱性が高くなる。このため、収容部１ａの内周面と電極体３とが密着している場合と比較して、電極体３に伝導される熱量を抑制でき、ひいては離間距離Ｌｃを短縮できる。つまり、離間距離Ｌｃをより短縮するためには、間隙ｇを有する場合の方が適しているため、以下、間隙ｇを有する場合について説明する。

なお、電極体３と収容部１ａの内周壁とが密着している場合は、セパレータへの熱影響を防止するために、間隙ｇを有する場合と比較して、離間距離Ｌｃをより長く設定する必要があるが、照射するレーザのエネルギと離間距離Ｌｃの最適な関係を求める場合に本発明を適用できる。

本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接部の強度およびセパレータへの熱影響を評価して上記Ｑα、ＴαおよびＬαの値を最適化することにより、レーザ５の照射エネルギおよび照射位置を最適化するものである。また、レーザ５の照射エネルギおよび照射位置を最適化することにより、レーザ５の照射位置と内容物との距離を短縮し、ひいては、電池の体積エネルギ密度を増加させるものである。

本発明は、内容物を収容した容器をレーザ溶接するものならば、電池に限らず、例えばコンデンサなどを作成するためのレーザ溶接方法に用いられる。以下、密閉型電池を例に、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態）
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接方法を用いて作成される電池について説明する。図１は、本実施の形態に係るレーザ溶接方法で作成される電池１００の側断面を模式的に示す。電池１００は、電池ケース１、蓋２、及び電極体３に大別される。電池ケース１は、電極体３の外形状に応じた内形状を有する収容部１ａと、当該収容部１ａの開口部の周囲に所定の幅Ｌで延在するフランジ部１ｂとを有する。なお、電池ケース１は、好ましくは、所定の板厚ｔ１を有する１枚の金属板をプレス加工して形成されるが、鋳造や機械加工によって製造されることもある。蓋２は好ましくは、所定の板厚ｔ２を有する金属板によって、電池ケース１のフランジ部１ｂの外形と概ね同形に構成される。

電池ケース１および蓋２は、所望の強度、形状安定性、耐腐食性、耐溶剤性、および生産性が得られる金属でできている。例えば、鉄、アルミニウム、亜鉛、チタン、あるいはこれらの合金が考えられるが、加工性および経済性の面からステンレス鋼が好ましい。電極体３は、正極および負極をセパレータを挟んで渦巻状に巻回したものである。

電極体３は、リチウムイオンを吸蔵および放出する物質を含む正極および負極の間に絶縁体であるセパレータを挟んで渦巻状に巻回して構成される。電極体３と収容部１ａの内周壁との間は、図１に示すように所望の間隙ｇを有していても良いし、間隙無く密着しても良い。また、電極体３の上端は、フランジ部１ｂの上端より所定の高さだけ低く設定しても良いし、フランジ部１ｂの上端と同じ高さであっても良い。

離間距離Ｌｃは、レーザ５の照射範囲の中心から電極体３までの距離である。離間距離Ｌｃは、後述する実験により、溶接部６を生じさせるためにレーザ５の照射範囲に与えられる熱量が電極体３のセパレータに伝導されても、セパレータの温度がセパレータを変質させない臨界温度Ｔｂに達しないような距離に設定される。

フランジ部１ｂの長さＬは、少なくとも電極体３から離間距離Ｌｃだけ離れた位置にレーザ５の照射範囲が確保できる長さに設定される。

この電池１００は、以下のように、作成される。まず、電極体３が、電池ケース１の収容部１ｂに収容される。電極体３の正極および負極は、リード線を介して、電池ケース１に設けられる端子（図示せず）にそれぞれ接続される。蓋２は、電池ケース１の開口部を塞ぎ、かつ折りフランジ部１ｂに接するように電池ケース１に載置される。

さらに、フランジ部１ｂと接する部分の蓋２に対して、レーザ５が照射される。レーザ５の照射範囲付近は、レーザ５によって加熱されて溶融される。溶融される範囲は、レーザ５のエネルギ密度によって変化し、レーザ５の照射範囲よりも小さい場合もあれば、大きい場合もある。溶融された範囲は、レーザ５の照射エネルギの低下または停止によって、融点以下の温度になると凝固して溶接部６を生じる。その結果、フランジ部１ｂと蓋２とが溶接される。レーザ５の照射位置を移動させて、フランジ部１ｂに沿って連続的に溶接部６を生じさせることにより、フランジ部１ｂと蓋２との間を密閉する。

図２を参照して、溶接部６の溶融幅Ｗおよび溶融深さＤについて説明する。溶融幅Ｗは、レーザ５が照射された蓋２の表面における溶接部６の幅である。溶融幅Ｗは、レーザ照射装置のファイバの直径、結像比および焦点位置などの光学的設定でおおむね決まる。実際には、レーザ５の照射エネルギを大きくすると、レーザ５の照射範囲に与えられる熱量が増加するため、熱伝導によって照射範囲の周囲が加熱され、溶融幅Ｗは長くなる。

溶融深さＤは、レーザ５が照射された溶接部６の深さである。レーザの照射エネルギを大きくするほど、与えられる熱量が増加するため、溶融深さＤが深くなる。なお、後述する実験において、溶融深さＤが、蓋２の板厚ｔ２の１．２倍以上であれば電池ケース１と蓋２との間の密封が安定して行われることを見出した。

レーザ５は、照射範囲の単位面積あたりのレーザのエネルギを示すエネルギ密度が調節可能に発生されて蓋２に照射される。レーザ５の種類は、好ましくはＹＡＧレーザであるが、炭酸ガスレーザや半導体レーザであっても構わない。ＹＡＧレーザは、ファイバによる伝送が可能なため、出力の制御および加工面での照射面積を小さくすることが容易である点で好ましい。

レーザ５は、パルス波、連続波およびパルス波と連続波のハイブリッドのいずれであってもよい。連続波の場合は、照射面積と照射位置の移動速度から単位面積あたりのエネルギを計算すればよい。なお、パルスＹＡＧレーザは、１０ｍｓ以下の短時間でピークパワーを得ることができるため、短時間で照射範囲に所定の熱量を与えることができる。レーザの照射時間が短い方が、照射中に照射範囲の周囲に伝導される熱量を抑制できるため、パルスＹＡＧレーザは、より少ない熱量で電池ケース１と蓋２とを溶接できる点で、さらに好ましい。

図３は、所定の間隔でパルスレーザを照射して電池ケース１と蓋２とを溶接した電池１００を蓋２側から見た図である。パルスレーザの１回の照射によって生じた各溶接部６は、蓋２の表面においておおむね円形をしている。溶接部６を蓋２の外周に沿って、互いに重なりながら連続して生じさせることにより、開口部を密封する。

図４を参照して、溶接部６の重なりの程度について説明する、図４は、各溶接部６のほぼ中心を通る線分（図３のＡ１−Ａ２）に沿った溶接部６の断面図である。図４において、Ｗは、１つのパルスレーザによって生じた溶接部６の溶融幅Ｗである。また、ｂは、隣り合う２つの溶接部６の間隔である。溶接部６の重なりの程度は、上記ａおよびｂから以下の式（４）で算出されるパルス重なり率ＯＬで表される。

ＯＬ（％）＝（Ｗ−ｂ）÷Ｗ×１００ …（４）
また、溶融部６の溶融深さは、レーザ５の照射範囲のおおむね中央において最大となる。図４における最大溶融深さＤ１は、パルス毎に生じた溶接部６の溶融深さのうち、最も深い溶融深さを示す。重なり溶融深さＤ２は、互いに隣り合う２つの溶接部６の重なる範囲において、最も深い溶融深さの値である。電池ケース１の開口部の周囲に連続して形成された溶接部６全体で電池ケース１と蓋２との間を封止するためには、重なり溶融深さＤ２は少なくとも、蓋２の板厚ｔ２よりも深い必要がある。

最大溶融深さＤ１、差なり溶融深さＤ２、およびパルス重なり率ＯＬとの関係について、最大溶融深さＤ１を蓋２の板厚ｔ２の１．２倍にする場合、パルス重なり率ＯＬが少なくとも３０％であれば、重なり溶融深さＤ２が蓋２の板厚ｔ２よりも深くなることを見出した。

なお、パルス重なり率が大きいほど、照射されたレーザの単位面積あたりのエネルギが増加するため、パルス毎のエネルギ密度が同じでも、熱影響によるセパレータの変質が生じやすくなる。例えば、１５００Ｊ／ｃｍ 以下のパルスＹＡＧレーザを照射して、溶接幅Ｗを６００μｍ以下とし、最大溶融深さＤ１に対する溶融幅Ｗの割合が１から５の範囲となる条件では、重なり率ＯＬが７０％を超えると、単位面積あたりの照射エネルギが大きくなり、セパレータに熱影響による変質が生じることを見出した。

図５に、レーザの照射位置と電極体３との離間距離を固定して、セパレータを変質させることなく蓋２と電池ケース１とを封止できる熱量Ｑｃを与えるレーザ５のエネルギ密度の範囲を求めるべく実施した実験結果を示す。同実験において、蓋２として板厚０．２ｍｍ、縦６０ｍｍ、横３５ｍｍの長方形のステンレス鋼製の板材が用いられた。電池ケース１は、蓋２と同一の板厚のステンレス鋼板を絞り加工して作成された。フランジ部１ｂの長さＬを５ｍｍとし、フランジ部１ｂの外形が蓋２の外形と重なるように収容部１ａおよびフランジ部１ｂを形成した。

電極体３として、リチウム含有コバルト酸化物を用いた正極と、有機高分子化合物を用いた負極とでポリプロピレン製のセパレータを挟み、渦巻状に巻回したものを用いた。この時、電極体３からフランジ部１ｂの根本（収容部１ａの外壁面におけるフランジ部１ｂとの当接部）までの距離は１ｍｍとした。つまりフランジ部の外周端から電極体３間での長さを、６ｍｍに設定した。

電極体３を電池ケース１に収容して、電極体３の正極および負極と電池ケース１に形成した２つの端子とをそれぞれリード線で接続した。そして、蓋２を電池ケース１のフランジ部１ｂの外形が重なるように載置して、治具で固定した。

パルスＹＡＧレーザ照射装置の光学的な設定は、ファイバ直径Ｆを４００μｍ、結像比を１：１（スポット光の直径：４００μｍ）、および焦点位置を蓋２の表面とした。そして、レーザのスポット光の中心を蓋２の外周から０．４ｍｍ内側の位置に沿って移動させながら、パルスＹＡＧレーザを重なり率６０％で照射した。つまり、本実験においては、レーザの照射範囲（スポット光）の中心と電極体３との間の離間距離Ｌｃは５．６ｍｍに設定されている。

照射するレーザのエネルギ密度を変更して、上記の手順で電池を作成した。作成した各電池について、溶接部６の溶融幅Ｗおよび溶融深さＤを測定するとともに、密封性およびセパレータへの熱影響の有無を検査した。溶接部６の溶融幅Ｗおよび溶融深さＤは、溶接部６の表面および断面において測定された。電池ケース１と蓋２との間の密封性については、溶接後に蓋２に穴をあけて圧縮空気を電池内部に送り込み、２ｋｇｆ／ｃｍ の空気圧で溶接部が破壊されない場合は、密封性が良好であると判断した。セパレータへの熱影響の有無は、セパレータを観察して、変質が見られたものを熱影響ありと判断した。

図５に示すように、１３００Ｊ／ｃｍ 未満のエネルギ密度でレーザ５を照射した場合、溶接部の密封性が不良であった。また、この場合のセパレータへの熱影響は観察されなかった。つまり、溶接部６に与えられた熱量Ｑｃは溶接部６において密封性を確保できる溶融深さＤを与える必要最小限の熱量Ｑｂよりも小さい。すなわち、上述の式１におけるＱαは負の値になっている。

１３００Ｊ／ｃｍ 以上、１５００Ｊ／ｃｍ 以下のエネルギ密度でレーザ５を照射した場合、溶接部の密封性が良好であり、かつセパレータへの熱影響も観察されなかった。つまり、１３００Ｊ／ｃｍ 以上、１５００Ｊ／ｃｍ 以下の範囲内のエネルギ密度のレーザ５を照射することによって与えられる熱量Ｑｃは、Ｑｂ以上であり、つまりＱαの値は０以上になる。

溶接部６において密封できる溶接部６を生じさせる必要最小限の熱量Ｑｂを与える、すなわちＱα＝０となるようなレーザ５のエネルギ密度は、１２００Ｊ／ｃｍ から１３００Ｊ／ｃｍ の間であるということが分かる。

また、本実験において、溶融深さＤが蓋２の板厚ｔ２の１．２倍以上の場合には、密封性は良好であった。

また、１３００Ｊ／ｃｍ 以上、１５００Ｊ／ｃｍ 以下の範囲のエネルギ密度でレーザ５を照射した場合には、セパレータの熱影響による変質が見られなかったことから、１５００Ｊ／ｃｍ 以下のエネルギ密度でレーザ５を照射した場合、セパレータの温度は臨界温度Ｔｂに達していないことが分かる。つまり、上述の式（１）においてＱαは、セパレータに熱影響による変質を生じさせないＱαの許容最大値Ｑαｍａｘ以下である。

次に、１６００Ｊ／ｃｍ 以上のエネルギ密度でレーザ５を照射した場合、セパレータの熱影響が見られた。つまり、レーザによって与えられる熱量の増大とともに、セパレータに伝導される熱量も増大し、セパレータの温度Ｔｃが臨界温度Ｔｂよりも高くなっておいることが分かる。また、このときのＱαは、セパレータに熱影響による変質を生じさせないＱαの許容最大値Ｑαｍａｘよりも大きい値になっている。

以上のように、本実験において設定した離間距離Ｌｃにおいては、１３００Ｊ／ｃｍ 以上、１５００Ｊ／ｃｍ 以下のエネルギ密度でレーザ５を照射することにより、セパレータに熱影響による変質を生じさせることなく、溶接部の密封性を確保できる溶接を実施することができる。

また、本実験における離間距離Ｌｃにおいて、セパレータの温度が臨界温度Ｔｂに達する熱量Ｑｃ（つまり、式２におけるＱα＝Ｑαｍａｘ）を与えるレーザ５のエネルギ密度は、１５００Ｊ／ｃｍ 以上１６００Ｊ／ｃｍ 未満の範囲内であることが分かる。このため、照射するレーザのエネルギ密度を、１５００Ｊ／ｃｍ 以下に設定した場合、Ｑαの値は、確実にＱαｍａｘより小さくなる。つまり、エネルギ密度１５００Ｊ／ｃｍ 以下のレーザを照射した場合、熱伝導によって加熱されたセパレータの温度は、臨界温度Ｔｂよりも低くなっている。このため、照射するレーザのエネルギ密度を、１５００Ｊ／ｃｍ 以下に設定した場合、セパレータに熱影響を与えることなく、離間距離Ｌｃを本実験において設定した値（５．６ｍｍ）よりも短縮することが可能であることが分かる。

離間距離Ｌｃをより短縮するためには、例えば、レーザのエネルギ密度を１３００Ｊ／ｃｍ に固定して、レーザ５の照射位置を変更して本実験と同様の実験を行うことにより、セパレータに熱影響を与える離間距離Ｌｃの範囲を求めることができる。

なお、レーザのエネルギ密度を１２００Ｊ／ｃｍ から１３００Ｊ／ｃｍ の間でより細かく変更して実験を実施することにより、Ｑαをより小さくするレーザのエネルギ密度を求めることができる。

また、離間距離Ｌｃの値を変更して本実験と同様の実験を行うことにより、所望のＬｃの値に対して品質不良を生じることなく、溶接を行うためのレーザ５のエネルギ密度の範囲を求めることができる。

（実施例１）
図６に、蓋２の板厚を変えて、エネルギ密度と密封性およびセパレータへの熱影響との関係を求めるべく上記の実験と同様の条件で実施した実験結果を示す。図６に示すように、蓋２の板厚に対して、溶接部の溶融深さが１．２倍以上であれば、溶接部の密封性が確保されることが分かる。また、１５００Ｊ／ｃｍ 以下のエネルギ密度でレーザを照射した場合、それぞれの板厚の蓋２に対して、セパレータへの熱影響は生じなかった。

（実施例２）
図７に、レーザ照射装置のファイバの径を６００μｍに変更して実施例１と同様の条件で実施した実験結果を示す。１５００Ｊ／ｃｍ 以下の各エネルギ密度でレーザを照射した場合、それぞれ記載した板厚の蓋２に対して、良好な密封性を得、かつ熱影響によるセパレータの変質は生じなかった。

なお、本実施の形態では、ステンレス鋼製の電池ケースおよび蓋を溶接する場合について述べたが、ニッケルメッキされた鉄およびアルミニウムを用いて同様の実験を行った。結果、照射したレーザの波長における吸収率の差に起因して、溶融深さについて差が生じたが、上述の実施例と同様の結果が得られた。

また、本実施の形態では、蓋２にレーザ５を照射する場合について述べたが、フランジ部１ｂにレーザ５を照射することとしてもよい。

また、本実施の形態では、図１に示すような構造の電池１００において、蓋２にレーザを照射する場合について説明したが、図８（Ａ）に示すように、電池ケース１のフランジ部１ｂと蓋２との境目を含む端面に向けて、レーザを照射して溶接してもよい。また図８（Ｂ）に示すように、フランジ部１ｂにレーザを照射してもよい。これらの場合も、本実施の形態と同様の実験を実施して、レーザのエネルギ密度および溶接部とセパレータとの間の距離を決定すればよい。

また、本発明の実施の形態では、電池ケース１と蓋２とを溶接することにより接合することとした。これに代えて、加熱または加熱後に冷却することにより接触するものを接合する接合剤８を電池ケース１のフランジ部１ｂと蓋２との間に配置して、レーザを照射して接合剤８を加熱することにより、電池ケース１と蓋２とを接合することとしてもよい。接合剤８は、例えば、半田などの金属、および熱硬化性接着剤などである。上記のような接合剤を用いる場合でも、接合のために与える熱量の過不足により、接合強度の不足またはセパレータへの熱影響が生じる。このため、本実施の形態と同様の実験により、接合のために与える熱量を与える最適なレーザ照射条件を求めることができる。

また、本実施の形態に係るレーザ溶接方法は、図１および図８に示した構造の電池に限らず、例えば、図９（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示す構造の電池についても同様の実験によって、最適なレーザ照射条件を求めることができ、実験を実施した結果、本実施の形態と同様の結果が得られた。

なお、本実施の形態において、エネルギ密度および離間距離Ｌｃは、ポリプロピレン製のセパレータを含む内容物を収容したステンレス鋼製の電池ケース１と蓋２とを溶接する場合の最適値を求めたものである。しかしながら、他の材質の電池ケース、蓋、および挿入物においても、同様の実験によって本発明に係るレーザ溶接方法を実施するための、最適なレーザ照射条件を求めることができる。従って、ポリプロピレン以外の内容物を挿入したステンレス鋼以外の電池ケースと蓋とを内容物に熱影響を与えることなく溶接する技術概念は、本発明の技術思想に含まれる。

本発明に係るレーザ溶接方法を用いて作成される電池の断面を示す図 図１に示した溶接部の溶融幅および溶融深さを示す図 パルスレーザを用いて製作した図１に示した電池を、蓋の方向から見た図 図３に示した溶接部の断面図 パルスレーザを用いて作成した電池におけるレーザのエネルギ密度とセパレータへの熱影響および溶接部の密封性の関係を示す表 異なる板厚の蓋に対する、４００μｍのファイバから照射するレーザの最適エネルギ密度の例を示す表 異なる板厚の蓋に対する、６００μｍのファイバから照射するレーザの最適エネルギ密度の例を示す表 レーザの照射位置を変更した、レーザ溶接方法の例 電池ケースと蓋とを重ね合わせる部分の形状を変更した電池の例 従来のレーザ溶接方法を用いて作成される電池の断面図

符号の説明

Ｄ 溶融深さ
Ｄ１ 溶融最大深さ
Ｄ２ 重なり部溶融深さ
Ｗ 溶融幅
Ｔ１ フランジ部の板厚
Ｔ２ 蓋の板厚
Ｌ フランジ部の長さ
Ｌｃ レーザの照射範囲の中心と電極体との離間距離
１ 電池ケース
１ａ 収容部
１ｂ フランジ部
２ 蓋
３ 電極体
５ レーザ
６ 溶接部
７ セパレータの変質部
８ 接合剤
１００、２００ 電池

Claims (17)

1. 開口部を有する容器に、内容物を収容して、当該開口部を蓋で覆い、レーザを照射することで容器と蓋とを溶接し、当該開口部を封止するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザのエネルギ密度を制御することで、前記容器と前記蓋とを所望の強度で接合するエネルギ密度制御ステップと、
   前記レーザを発生するレーザ発生ステップと、
   前記レーザを照射することによって前記内容物に伝導される熱量を予め測定しておき、この熱量を基に前記内容物から離間距離だけ離れた位置に前記レーザを照射するレーザ照射ステップとを備える、レーザ溶接方法。
2. 前記エネルギ密度制御ステップは、前記容器と前記蓋とを所望の強度で接合する最小の熱量を与えるべく前記レーザのエネルギ密度を制御することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記離間距離は、前記レーザを照射することによって前記内容物に伝導される熱量に基づいて前記内容物の所望の性質が失われない最小限の離間距離に設定されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記容器および前記蓋の材質が金属であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記レーザ照射ステップは、前記蓋に前記レーザを照射し、レーザの照射位置から前記容器と前記蓋とが接する面までの蓋の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記レーザ照射ステップは、前記容器に前記レーザを照射し、レーザの照射位置から前記容器と前記蓋とが接する面までの前記容器の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記レーザエネルギ密度は、１５００Ｊ／ｃｍ 以下であることを特徴とする、請求項５および請求項６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
8. 前記レーザの照射により前記容器および前記蓋が溶融され、前記レーザ照射後に凝固した溶接部の溶融幅は、０．６ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記溶接部の溶融深さに対する溶融幅の割合は、１以上５以下であることを特徴とする、請求項８に記載のレーザ溶接方法。
10. 前記金属は、ステンレス鋼であることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記レーザは、ＹＡＧレーザであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
12. 前記レーザをパルス駆動するパルス駆動ステップをさらに有する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記レーザを前記容器の開口部に沿って移動させるレーザ移動ステップをさらに備える、請求項１２に記載のレーザ溶接方法。
14. 前記エネルギ密度制御ステップは、蓋の厚さの１．２倍以上の溶融深さの溶接部を生じさせるように前記レーザのエネルギ密度を制御し、
    前記レーザ照射ステップは、前記蓋に レーザを照射し、
    前記レーザ移動ステップは、パルス重なり率が３０％以上になるように、前記レーザを移動させることを特徴とする、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
15. 前記レーザを連続駆動する連続駆動ステップをさらに有する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
16. 前記レーザをパルス駆動と連続駆動のハイブリッドで駆動するハイブリッド駆動ステップをさらに有する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
17. 前記レーザを前記容器の開口部に沿って移動させるレーザ移動ステップをさらに備える、請求項１５および請求項１６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。

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