JP2010269339A - レーザー溶接方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】より低いエネルギー密度でレーザー光を照射することでスパッタや金属蒸気の発生を防止しつつ、効率的にレーザー溶接を実施することが可能なレーザー溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザー溶接方法が、表面粗さＲａが１．０μｍ以上の面を含む金属部材の前記面上にレーザー光を集光して照射スポットを形成し、照射スポットにおいて前記面を溶融させる工程１０２と、溶融した前記面に被着体の所定表面を接触させて、金属部材と被着体とを接合する工程１０３、を含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、金属部材をレーザー光により溶接して被着体と接合するレーザー溶接方法、及び、前記溶接方法により製造される接合体に関する。

従来、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属部材を溶接する際に、レーザー光を利用したレーザー溶接法が利用されている。この溶接法では、レーザー発振器で発振されたレーザー光線を集光レンズで適切なサイズに集光してエネルギー密度を高めることで、金属部材を溶融して溶接を行う。

金属部材を効率よく溶融するために、レーザー光の照射点におけるエネルギー密度は一定の数値以上に調節する必要があり、具体的には、３０ｋＷ／ｃｍ^２以上、又は、３００ｋＷ／ｃｍ^２以上といった数値が報告されている（特許文献１及び２を参照）。

特開２００５−２４６４５４号公報 特許第３８２８８０４号公報

しかしながら、前述した３０ｋＷ／ｃｍ^２以上という高いエネルギー密度でレーザー光を金属部材に照射すると、溶融した金属が周囲に飛散していわゆるスパッタが生じたり、金属が蒸発して金属の蒸気が生じる恐れが非常に高い。

スパッタが生じると、飛散した材料によって集光レンズ等の集光光学系に汚損や損傷を招いたり、得られた接合体に飛散物が付着してしまうという問題が生じる。特に、得られた接合体を電気やコンデンサ等の蓄電素子の部品として使用する場合、スパッタによる飛散物が当該蓄電素子の内部に混入すると、短絡やサイクル特性の劣化を引き起こすことになり好ましくない。

また、金属の蒸気が生じると、当該蒸気でレーザー光のエネルギーが吸収されてしまい、溶融のためのエネルギーが不足する恐れがある。

さらには、前述した３０ｋＷ／ｃｍ^２以上という高いエネルギー密度を達成するには、出力の大きいレーザー発振器を用いる方法や、焦点距離の短い集光光学系を用いて集光スポットの径を小さくする方法などが考えられるが、前者の方法は、エネルギーの利用量が増大するため経済的に好ましくなく、後者の方法は、焦点距離が短くなるため、スパッタによる集光光学系の汚損や損傷の危険性が高まる。

以上のとおり、レーザー溶接を行うには、照射点におけるレーザー光のエネルギー密度をできるだけ低減することが望まれていた。

しかしながら、当該エネルギー密度が低すぎると、金属部材が溶融しにくくレーザー溶接を効率的に実施できないという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、より低いエネルギー密度でレーザー光を照射することでスパッタや金属蒸気の発生を防止しつつ、効率的にレーザー溶接を実施することが可能なレーザー溶接方法、並びに、当該溶接方法により製造される接合体、及び、当該接合体を用いた蓄電素子を提供することを目的とする。

本発明者らが検討したところ、金属部材の表面を粗面化すると、照射点におけるレーザー光のエネルギー密度が低くても、金属部材が効率よく溶融することを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、表面粗さＲａが１．０μｍ以上の面を含む金属部材の前記面上にレーザー光を集光して照射スポットを形成し、前記照射スポットにおいて前記面を溶融させる溶融工程と、溶融した前記面に被着体の所定表面を接触させて、前記金属部材と前記被着体とを接合する接合工程、を含む、レーザー溶接方法である。

金属部材の表面を粗面化することで効率の良いレーザー溶融が可能になった理由は定かでないが、表面の微細な突起間でレーザー光が反射し表面近傍でエネルギーが増幅することに起因するものと推測される。

また本発明は、前記レーザー溶接方法により形成された接合体、及び、前記接合体を含んで構成された蓄電素子にも関する。

本発明のレーザー接合方法によれば、レーザー光が照射される金属部材表面の表面粗さＲａを１．０μｍ以上に予め調整しておくことによって、照射スポット内でのレーザー光のエネルギー密度が、例えば３０ｋＷ／ｃｍ^２未満と極めて低いものであっても、効率よく金属部材の表面を溶融し、効率的なレーザー接合を実現することができる。これにより、スパッタや金属蒸気の発生を抑制することができるので、レーザー溶接装置の集光光学系に汚損や損傷が生じる問題や、溶融のためのレーザーエネルギーが不足する問題を回避することができる。

特に、得られた接合体を電池やコンデンサ等の蓄電素子の部品として使用する場合、スパッタによる飛散物が当該蓄電素子の内部に混入する可能性が低減されるので、それによる短絡やサイクル特性の劣化が発生しにくく、信頼性の高い蓄電素子を提供することが可能になる。

本発明の一実施形態により製造した接合体の拡大断面図 本発明の一実施形態における溶融工程を示す拡大断面図 本発明の一実施形態における電極の構成図 本発明の一実施形態における電極群の斜視図 図４に示すＩｂ領域における縦断面図 本発明の一実施形態における集電板の構成図。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図。 本発明のレーザー溶接方法の手順を示すフローチャート 本発明の一実施例におけるレーザー照射後の集電板の裏側の平面図 本発明の一実施例における集電板の表面粗さＲａと照射スポット内のエネルギー密度との関係を示すグラフ 本発明の一実施例における集電板の表面粗さＲｚと照射スポット内のエネルギー密度との関係を示すグラフ

図７に基づいて本発明のレーザー溶接方法を具体的に説明する。図７は、本発明のレーザー溶接方法の手順を示すフローチャートである。

本発明のレーザー溶接方法では、まず、準備工程１０１で、表面粗さＲａが１．０μｍ以上の面を含む金属部材を準備する。

金属部材は、レーザー光を照射することで表面を溶融するための部材であり、少なくとも被着体と接合される表面が、金属から構成されていれば特に限定されない。レーザー溶接に適した金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鋼鉄等が挙げられる。好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される部材である。

上記アルミニウム合金は特に限定されないが、ＪＩＳ１０００系、ＪＩＳ３０００系、ＪＩＳ５０００系又はＪＩＳ６０００系のいずれかが好ましい。前記金属部材にアルミニウム合金を使用すると、レーザー溶接時にスパッタや金属蒸気が発生しやすいため、本発明のレーザー溶接方法を適用し、低いエネルギー密度のレーザー光を用いて溶接する意義が特に大きい。

金属部材において、少なくとも、レーザー光を照射して被着体と接触させるべき面を、表面粗さＲａが１．０μｍ以上に調節する。前記面以外の表面粗さについて限定せず、１．０μｍ以上でもよいし、１．０μｍ未満でもよい。なお、Ｒａの測定機器については後述する。

前記面の表面粗さが１．０μｍ未満であると、例えば３０ｋＷ／ｃｍ^２未満というような低いエネルギー密度では、効率的に金属表面を溶融させることができない。

表面粗さＲａの上限は特に限定されないが、Ｒａがあまり大きくなると、特に金属部材が薄物である場合に、金属表面が溶融した際に金属部材の変形や欠損等の問題が生じる恐れがあるので、例えば５０μｍ以下程度が好ましい。

なお、表面粗さはＲｚで表示することもできる。ＲａとＲｚには相関関係があり、Ｒａが１．０μｍ以上１０μｍ以下の場合、Ｒｚは概ね１０μｍ以上５０μｍ以下である。

通常の平滑な金属表面の表面粗さＲａは０．３〜０．５μｍ程度なので、本発明では、金属部材の表面粗さＲａが１．０μｍ以上になるように、金属部材の表面を粗くする前処理を行う。そのような処理としては、ブラスト処理が簡便で好ましいが、これに限定されない。通常の研磨処理を適用することもできる。ブラスト処理は、無機物等の微粒子を部材表面に吹き付けて、部材表面を粗くする方法である。

次に、溶融工程１０２で、表面粗さＲａが１．０μｍ以上の面にレーザー光を集光して照射スポットを形成し、前記照射スポットにおいて前記面を溶融させる。

レーザー溶接で使用されるレーザー光としては、半導体レーザー光、ＹＡＧレーザー光、炭酸ガスレーザー光等が挙げられるが、スパッタの発生量が少ないため半導体レーザー光が好ましい。金属部材を構成する金属がアルミニウムやアルミニウム合金である場合には、半導体レーザーが適しており、鉄や鋼鉄の場合には、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザーが適している。

溶融する金属表面がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される場合、上記半導体レーザー光の波長は７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。この波長域では、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなる表面での光吸収率が高いため、効率良くレーザー溶接を実施することができる。より好ましい波長域は、８００ｎｍ以上９５０ｎｍ以下である。

溶融する金属表面が鉄から構成される場合、レーザー光は、半導体レーザー光又はＹＡＧレーザー光が好ましい。加工性の点では、波長１．１μｍ程度のＹＡＧレーザー光が特に好ましい。

レーザー溶接では、金属表面が溶融するよう照射スポット内においてレーザー光のエネルギー密度を十分高める必要があるが、照射スポット内でのエネルギー密度が高すぎると、溶融時のスパッタや金属蒸気が発生しやすく、それによりレーザー溶接装置の集光光学系の汚損又は損傷が生じたり、溶融のためのエネルギーが不足する恐れがある。また、得られた接合体を電池やコンデンサ等の蓄電素子に使用する場合、スパッタによる飛散物の混入を原因とする短絡やサイクル特性の劣化が生じる可能性も高い。本発明では、金属部材の表面を粗くすることで、照射スポット内でのエネルギー密度が例えば３０ｋＷ／ｃｍ^２未満と従来法よりも低い場合であっても、効率的に金属表面を溶融することができ、上述した不具合を回避することができる。しかも、低エネルギーでの溶融が可能になるので、エネルギーコストの観点からも好ましい。

照射スポット内でのエネルギー密度の下限は、レーザー光の波長や金属部材表面の組成、あるいは照射時間等により影響され得るが、例えば１０ｋＷ／ｃｍ^２以上であれば、本発明のレーザー溶接方法を実施することが可能である。好ましくは、２０ｋＷ／ｃｍ^２以上である。

金属表面を溶融させる際には、次の接合工程が速やかに実施できるよう、図２で示すように金属表面に被着体を接触させておくか、又は、近接させておくことが好ましい。

次に、接合工程１０３では、溶融した前記面に被着体の所定表面を接触させて、前記金属部材と前記被着体とを接合する。これにより接合体が製造される。

使用する被着体は、金属部材の表面と接触させる前記所定表面が金属から構成されるものがよい。特に金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される時には、被着体の所定表面もアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されることが、接合強度が向上するため好ましい。各々のアルミニウム又はアルミニウム合金は同一の組成を持つものでもよいし、異なる組成を持つものでもよい。

特に、被着体は、金属箔体であることが好ましい。金属箔体は、金属のみから構成されるフィルムであってよいし、支持体である樹脂フィルムの片面又は両面に金属層が形成された積層フィルムであってもよい。金属箔体の厚みは特に限定されないが、およそ６μｍ〜１００μｍ程度であってよい。

本発明の溶接方法により得られた接合体では、金属部材と被着体との接合部Ｊの周囲において金属部材表面の表面粗さが１．０μｍ以上であるので、従来の接合方法により得られた接合体と区別することができる。

以上により得られた接合体を、蓄電素子の部品として使用する場合の実施形態を以下に説明する。

本実施形態における接合体では、被着体として金属箔体を使用し、金属箔体の端縁を金属部材に接合する。図１は、金属部材５、６の表面に、被着体である金属箔体２、３の端縁を接合した状態を示した拡大断面図である。金属部材５、６は、アルミニウム合金からなる集電板であり、金属箔体２、３は、アルミニウム合金箔からなる集電体である。

図２は、レーザー溶接を行う際のレーザーの入射方向を示した拡大断面図である。レーザー光は、金属部材５の接合表面５Ａに対し反対の面５Ｂ側から照射し、接合表面５Ｂ上で照射スポットを形成する。

以下は蓄電素子がコンデンサである場合について説明する。図３は、アルミニウム箔からなる一対の電極２、３の構成を示す平面図である。図４は、コンデンサ中の巻回した電極群を示す斜視図で、図５は、図４に示すＩｂ領域における縦断面図である。図６は、金属部材５である集電板の構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。

本実施形態に係るコンデンサは、アルミニウム箔からなる一対の電極２、３を捲回することにより構成される。図３に示すように、電極２、３の両面の幅方向一端には、活性炭とバインダーを主体とした分極性電極層２２、３２が塗布され、他端には、アルミニウム箔の露出領域２１、３１が形成されている。一対の電極を積層する際には、電極２の上面、及び、電極２と電極３との間にセパレータ４を配置し、さらに、電極２におけるアルミニウム箔の露出領域２１と、電極３におけるアルミニウム箔の露出領域３１はそれぞれ上方向又は下方向を向く方向で、分極性電極層３２、２２とは重ならないように積層される。この積層体を捲回することにより図４及び５に示す捲回体が形成される。図４において電極群１の上部は陽極たる電極２のアルミニウム箔の露出領域２１から構成され、電極群１の下部は陰極たる電極３のアルミニウム箔の露出領域３１から構成される。セパレータ４としてはポリプロピレンやクラフト紙等を使用できる。

本実施形態に係るコンデンサでは、電極群１の上部の端面と下部の端面それぞれに、図６に示すような、円板状のアルミニウム合金からなる集電板５、６が接合される。図１に示すとおり、陽極たる電極２の集合体の端面と集電板５が接合しており、陰極たる電極３の集合体の端面と集電板６が接合している。

電極群１は捲回体でなく、所定のサイズとした第一の電極、セパレータ、第二の電極、及び、セパレータを複数組積層した積層体でもよい。この場合のアルミニウム集電板の形状は円板状ではなく、積層体の端面形状に合わせて、例えば長方形とすることができる。

図６に示すようにアルミニウム集電板５には、上下に貫通する孔が開いていてもよい。また、多数の孔が開いていてもよい。よって、アルミニウム集電板はパンチングメタルやラスメタルでもよい。更に、アルミニウム箔２１、３１や分極性電極層２２、３２を形成した電極層そのものに、１個又は多数の孔を開けることもできる。いずれも、電極群１と集電板５、６とを接合した後に、電解液が電極群に充分浸透することを目的とするものである。

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

以下では、アルミニウム集電板の表面を半導体レーザー光を用いて溶融した場合の実験例を示す。アルミニウム集電板としては、表面加工処理を施して表面粗さＲａが１．０μｍ以上に調節したものと、表面粗さＲａが１．０μｍ未満のものとを使用し、両アルミニウム集電板表面の溶融量が一定量に達するのに要した、半導体レーザー光のエネルギー密度を比較した。アルミニウム集電板５の溶融量が一定量に達したか否かは、レーザーが入射する側の面５Ｂとは反対の集電板裏面５Ａに形成される溶融部を観察し、その形状から決定した。更に、当該溶融部によりアルミニウム集電板の裏面と集電箔の端縁との接合が可能であることを確認して決定した。レーザー照射後の集電板裏面を撮影した写真を図８に示す。図８で示されるように集電板裏面に溶融部が形成される。具体的な手順を以下で説明する。

アルミニウム集電板５は、アルミ１０５０合金製からなり、直径２８ｍｍ、厚み０．８ｍｍの円形の板であり、中央に直径６ｍｍの孔が開いている（図６）。このアルミニウム集電板５に対してブラスト処理を行い、表面粗さＲａを１μｍ（Ｒｚが１０μｍ）、２μｍ（Ｒｚが２０μｍ）、３μｍ（Ｒｚが３０μｍ）、又は、１０μｍ（Ｒｚが５０μｍ）に調整して４種類の集電板を作製した。なお、未処理のアルミニウム集電板として、表面粗さＲａが０．３μｍ（Ｒｚが３μｍ）、又は、０．５μｍ（Ｒｚが５μｍ）のものを使用した。

アルミニウム集電板の表面粗さＲａ及びＲｚは、下記測定装置及び測定ソフトを使用して測定した。Ｒａは算術平均粗さにより算出した値であり、Ｒｚは十点平均粗さにより算出した値である。
測定装置：株式会社キーエンス製 超深度形状測定顕微鏡ＶＫ−８５００
測定ソフト：同社製 画像計測・解析ソフトＶＫ−Ｈ１Ｗ
これらのアルミニウム集電板に対し、エンシュウ株式会社製の半導体レーザー装置Ｌ１システムを用いて、波長９４０ｎｍの半導体レーザー光を集電板表面に照射した。半導体レーザーのレーザー出力を１．８ｋＷ〜０．４ｋＷまで展開させ、集電板裏面に一定量の溶融部を形成できたレーザー出力の最低値を決定した。なお、レーザー光の照射時間は０．４秒に設定した。

（評価）
決定したレーザー出力値と照射スポットの面積から、照射スポット内におけるエネルギー密度を算出し、このエネルギー密度と集電板の表面粗さＲａ及びＲｚの関係をそれぞれ、図９及び図１０に示した。

さらに、この溶融部に集電箔の捲回体の端縁を溶接して、集電体と集電箔が接合することを確認した。なお、集電箔は、アルミ１０８５合金製で、厚み１５μｍ、幅１２４ｍｍ、長さ１ｍに調整して使用した。その集電箔上に、厚み３０８μｍ、幅１１０ｍｍ、長さ１ｍに調整したタピルス株式会社製のポリプロピレン製の不織布（品番：Ｐ０４０ＳＷ−ＯＣＳ）を重ね、それを巻いて巻回体を作製した。巻回体の両端部は、不織布が露出せず集電箔のみで構成されるように作製した。この巻回体は、捲回式の蓄電素子を想定したものであり、この捲回体の端縁と集電体を接合した。

図９より、集電板の表面粗さＲａが１．０μｍ以上であると、照射スポット内におけるエネルギー密度が３０ｋＷ／ｃｍ^２未満でレーザー溶接が可能であるが、逆にＲａが１．０μｍ未満であると、レーザー溶接を行うのに格段に大きいエネルギー密度が必要であることが分かる。

以上により、表面を粗面化した金属部材にレーザー光を照射すると、表面加工処理を施さない金属部材を用いた従来法と比較して、より低いエネルギー密度を持つレーザー光によりレーザー溶接を実現できることが確認された。低いエネルギー密度を適用すると、溶融時のスパッタや金属蒸気の発生を防ぐことができるため、レーザー溶接装置の集光光学系に汚損又は損傷が生じたり、溶融のためのレーザーエネルギーが不足する恐れがない経済的に好ましいレーザー溶接方法を提供することができる。

また、上記レーザー溶接方法を電池やコンデンサ等の蓄電素子の製造時に使用する場合、スパッタによる飛散物の混入を原因とする短絡やサイクル特性の劣化を引き起こさない、信頼性の高い蓄電素子を提供できる。

本発明は、レーザー溶接一般に使用することができるが、特に、リチウムイオン二次電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、アルミ電解コンデンサの製造時に適用できる。

１ 電極群
２ 第一の電極
３ 第二の電極
４ セパレータ
５ 第一の集電板または金属部材
６ 第二の集電板
７ レーザー光

Claims (9)

1. 表面粗さＲａが１．０μｍ以上の面を含む金属部材の前記面上にレーザー光を集光して照射スポットを形成し、前記照射スポットにおいて前記面を溶融させる溶融工程と、
   溶融した前記面に被着体の所定表面を接触させて、前記金属部材と前記被着体とを接合する接合工程、を含む、レーザー溶接方法。
2. 前記レーザー光が、半導体レーザー光である、請求項１に記載のレーザー溶接方法。
3. 前記照射スポット内において、前記レーザー光のエネルギー密度が３０ｋＷ／ｃｍ^２未満である、請求項１又は２に記載のレーザー溶接方法。
4. 前記金属部材の前記面が、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー溶接方法。
5. 前記被着体が金属箔体であり、前記所定表面が前記金属箔体の端縁である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー溶接方法。
6. 前記金属箔体の所定表面が、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される、請求項５に記載のレーザー溶接方法。
7. 前記金属箔体が、樹脂フィルムと、その表面に形成された金属層とからなる積層体である、請求項５又は６に記載のレーザー溶接方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザー溶接方法により形成された接合体。
9. 前記接合体を含んで構成された蓄電素子。