JP2015030011A - レーザ接合方法、密閉電池の製造方法、レーザ接合装置および密閉電池 - Google Patents

Abstract

【課題】容器の隅部で容器やレーザビームの保持機構を垂直軸回りに回転させる必要がなく、装置の小型化、簡素化が可能であり、処理効率と気密封止の信頼性を向上させることができ、さらにビームの走査速度を上げて処理時間の短縮化も可能とする。
【解決手段】ファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査させることによりシーム溶接する方法であって、ファイバーレーザ２０Ａはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、ファイバーレーザ２０Ａの照射位置を溶接予定ライン２２を横断させるように振動させつつシーム溶接する。
【選択図】図２

Description

この発明は、レーザビームを用いて金属製容器に蓋板などをシーム溶接する場合に用いるレーザシーム溶接方法と、この方法を用いた密閉電池の製造方法と、この方法の実施に用いるレーザシーム溶接装置と、この方法で作られた密閉電池とに関するものである。

近年、パソコンや携帯端末、その他の機器に用いる電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。特にリチウムイオン電池は軽量で高エネルギー密度であるため、電気自動車などの車両用としても適するものである。ここに密閉電池は、これを使用する機器に組み込む際にデッドスペースが少なく実装効率を高くでき、小型化にも適する角形の容器とすることが望まれている。

このような角形の容器を用いる場合は、長四角形の薄い箱型でその一端面を開口部としたアルミ合金製の容器に電池ユニットを収容した後、この開口部にアルミ合金製の蓋板を溶接して気密封止している。この場合に、上向きにした開口部の縁に蓋板の周縁を上から重ね、外周方向（横方向）からこの重ね面を指向してレーザビームを水平に照射することにより、この重ね部を外側から内側に（水平方向に）向かうように溶かし込む方法が公知である（特許文献１、２）。

また蓋板の周縁を上向きに折曲したフランジ状として、このフランジ部の外周面を容器の開口部内周面に嵌め込み、この嵌め込み部を指向して上方からレーザビームを照射することによって嵌め込み部に溶かし込み部を形成するものが公知である（特許文献３）。

特許文献１、２の方法では、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザを用いるが、これらのレーザビームは、集光性が悪く微小ビームスポットによる高パワー密度と深い焦点深度が得にくいものである。また特許文献３の方法では、溶接開始あるいは終了時にパルス波形（ＰＷ）を、その間では連続波形（ＣＷ）を用いるが、そのためにレーザダイオードを用いるものと説明されている（段落０００６参照）。すなわちレーザダイオードのビームで直接溶接するものである。しかしこのビームプロファイルはＹＡＧレーザやＣＯ２レーザと同様に集光性が悪く、エネルギー密度が低いものである。

特開２０１０−４０３９８号公報 特開平１１−７７３４７号公報 特開２０１１−２１２７１１号公報

図４の（Ａ）は従来の溶接方法を示す斜視図、同図（Ｂ）と（Ｃ）はそのレーザビームの照射方向を示す図である。また図５は上方から照射する場合の溶け込み部（溶融部）の形成例を示す断面図である。図４（Ａ）において符号１０は密閉電池の容器であり、アルミニューム製の薄い箱状でその一端面（図で上端面）が開口部１２となっている。符号１４は蓋板であり、同様にアルミニューム製の薄板を開口部を塞ぐ形状に形成したものである。

すなわちこの開口部１２の縁に載る大きさである。なおこの蓋板１４は下面（内面）周縁を段状に薄くして容器１０の開口端面を覆うようにフランジ状に延出させている。このフランジ部１６の下面と直角となる段部１８（後記する図５（Ａ）参照）が蓋板１４の下面周縁に形成され、この段部１８を容器１０の開口内周面（開口部１２の上縁内周面）に嵌め合わせて（嵌合して）位置決めしている。

この容器１０にリチウム・イオン電池などの密閉電池の電極、セパレータなどを収納し、蓋板１４で密閉封止し、蓋板１４に設けた注入口から電解液を注入する。すなわち、この蓋板１４を開口部１２に載せ段部１８を容器１０の開口内周面に嵌合した状態で、レーザビーム２０を照射して両者をレーザ接合により気密封止するものである。

この場合に、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、蓋板１４に対して垂直に上方からＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、半導体レーザなどを照射したり、同図（Ｃ）に示すように、開口部１２の周縁と蓋板１４のフランジ部１６とが接する接合面に向かって横から水平に照射する。図４（Ａ）で破線２２はレーザビームを上方から照射する場合の走査ラインである。

図５はレーザビーム２０を上方から照射する場合の溶け込み部（溶融部）２４の形成状況を示す断面図である。同図（Ａ）は照射位置が適正である場合を、同図（Ｂ）と（Ｃ）は、それぞれ照射位置が不適切である場合を示している。この場合にはレーザビーム２０は、フランジ部１６の下面と段部１８が交わる直交部２６付近に向かって上方から垂直に照射するのが望ましい。この位置であれば溶け込み部２４は段部１８表面とフランジ部１６下面の両面に到達するから、気密封止の信頼性が向上するものである。

すなわち同図（Ｂ）のように、レーザビーム２０の照射位置（破線ａはこのレーザビーム２０の中心位置を示す。）が、段部１８の位置（一点鎖線ｂで示す。図４の走査ライン２２に対応する位置。）よりも内側になると、溶け込み部２４が直交部２６を含む範囲が過少になるため、溶接範囲が狭くなるからである。同様に同図（Ｃ）のように、レーザビーム２０の照射位置（破線ａ）が、段部１８の位置（一点鎖線ｂ）よりも外側になると、溶け込み部２４には水平なフランジ部１６の下面だけが主として含まれ、垂直な段部１８の面がほとんど含まれなくなるからである。

特許文献１、２に開示された方法は、レーザビームを容器の外側から水平に照射するため、容器の４隅付近で容器あるいはレーザビーム照射ヘッドを回転させる必要がある。この回転のために、これらの保持機構（搬送ステージ）は垂直軸回りに回転動作する必要が生じ、装置が複雑になり、搬送動作が複雑になる。このため処理時間（タクト）が長くなる、という問題が有る。

特許文献３に開示された方法は、嵌め合い部に上方から垂直にレーザビームを照射するものであるから、通常レーザビーム照射ヘッドを水平面上でＸ−Ｙ移動するだけで済むが、蓋板周縁を上向きに折り返したフランジの幅を小さくすると嵌め合い部の長さ（深さ）が小さくなり、溶け込み深さが不適当であると溶接が不完全になる部分が発生したり、溶接屑が容器内に飛散することがあり得る。このため気密封止の信頼性低下を招いたり、電池の不良発生原因となる可能性が有る。

さらにこれら従来の方法では，ＹＡＧ、ＣＯ２、レーザダイオードの出力レーザを直接用いるが、これらのビームの集光性が悪くエネルギー密度が低いため、ビームの走査速度を低くする必要がある。このため溶接速度が遅くなり処理時間がさらに長くなるという問題もある。またこれらのレーザを用いた場合、前記図５（Ｂ）、（Ｃ）に示したようにビーム照射位置が不正確であると、溶け込み部２４が直交部２６からズレることがあり溶接信頼性が低下する恐れが有りうる。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、容器の隅部で容器やレーザビームの保持機構を垂直軸回りに回転させる必要がなくなり、従って装置の小型化、簡素化が可能であり、タクトの短縮により処理効率の向上が可能であり、気密封止の信頼性を向上させることができ、さらにビームの走査速度を上げて処理時間の短縮化も可能であるレーザシーム溶接方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法を用いて電池の信頼性を向上させることができる密閉電池の製造方法を提供することを第２の目的とする。さらにこの方法の実施に用いるレーザシーム溶接装置を提供することを第３の目的とする。さらにまたこの方によって製造された密閉電池を提供することを第４の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、ファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査させることによりシーム溶接する方法であって、前記ファイバーレーザはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、前記ファイバーレーザの照射位置を前記溶接予定ラインを横断させるように振動させつつシーム溶接することを特徴とするレーザシーム溶接方法、により達成される。

第２の目的は、請求項１のレーザシーム溶接方法を用いて密閉電池の容器開口に嵌め合い構造の蓋板をレーザシーム溶接する方法であって、蓋板の内面周縁を段状に薄くして容器の開口端面を覆うようにフランジ状に延出させ、蓋板の内面周縁の段部を容器の開口内周面に嵌め合わせて、前記蓋板の外表面側からこの嵌め合わせ面を溶接予定ラインとし、この溶接予定ラインを横断するようにファイバーレーザの照射位置を振動させつつファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査し、溶接ビードの溶け込み深さを嵌め合い面に達する深さにすることを特徴とする密閉電池の製造方法、により達成される。

第３の目的は、
ファイバーレーザビームを溶接予定ラインに沿って走査してシーム溶接するためのレーザシーム接合装置であって；
レーザビームの出力を制御するためのレーザ制御信号、レーザビームのスキャン制御信号、および搬送制御信号、を出力する制御ユニットと；
前記レーザ制御信号に基づいて所定出力のレーザビームを射出ヘッドから所定タイミングで出力するファイバーレーザビーム出力ユニットと；
前記射出ヘッドに設けられ、このレーザビームを前記スキャン信号に基づいて前記溶接予定ラインを横断させるように振動させつつ前記溶接予定ラインに沿って移動させるスキャンモータと；
前記搬送制御信号に基づいて前記射出ヘッドおよび溶接対象物の少なくとも一方を搬送する搬送手段と；
を備えることを特徴とするレーザシーム溶接装置、により達成される。

第４の目的は、開口部を有する金属容器と、この金属容器内に収容されセパレータを挟んで対向する正極および負極を有する電池ユニットと、前記開口部にファイバーレーザによりシーム溶接される蓋板と、前記電池ユニットに接続された外部接続端子とを備える密閉電池であって、前記蓋板の内面周縁が段状に薄くされて容器の開口端面を覆うようにフランジ状に延出し、蓋板の内面周縁の段部が容器の開口内周面に嵌め合されてこの嵌め合わせ面が溶接予定ラインとされ、前記蓋板の外表面側からこの溶接予定ラインを横断するように振動するファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査し、溶接ビードの溶け込み深さを嵌め合い面に達する深さとされていることを特徴とする密閉電池、により達成される。

この発明で用いるファイバーレーザはシングルモードかつ連続波形であるから、集光性が良く微小ビームスポットが可能であり、微小スポットによる高パワー密度と焦点深度が深い特性を持つ。このため溶接痕の幅（ビード幅）が細く、溶け込み深さが大きい高アスペクト比（溶け込み部の縦横比率）の溶接が可能である。ここに溶け込み幅が小さく深さが大きいため、ビームの走査位置を溶接位置に高精度に制御する必要が生じる。

そこでこの発明（請求項１に記した第１の発明）では、このビームの照射位置を溶接予定ラインを横断させるように振動（あるいは移動）させながら走査することにより、溶接位置の制御精度を過度に高くする必要性を無くし、装置の複雑化を防ぎつつ溶接予定ラインに沿った正確な溶接を可能にするものである。また高パワー密度であるため、レーザ出力を低くすることができ、装置の小型化、低価格化、省エネルギー化が図れる可能性が有る。一方従来のＹＡＧ、ＣＯ２レーザや、レーザダイオードを用いる方法では、ビームのエネルギー密度が低いため、ビームの走査速度を低くする必要があるが、本発明によれば溶接速度を上げて処理時間の短縮化が可能である。

第２の発明によれば、この方法を用いた密閉電池の製造方法が得られる。第３の発明によれば、この方法の実施に直接用いるレーザシーム溶接装置が得られる。さらに第４の発明によれば、この方法により製造される密閉電池が得られる。

この発明の一実施例を示すレーザシーム溶接装置を示す概念図 蓋板の平面図（Ａ）と、そのレーザ照射位置を示すＰ矢視部の拡大図（Ｂ、Ｃ） 溶け込み部形状を示す断面図 電池容器と蓋板の斜視図（Ａ）と、従来のレーザシーム溶接法を示す図 従来方法による溶け込み部の形状を示す断面図

この発明で用いるファイバーレーザは、溶接予定ラインに沿って中心が移動するループを描きながら移動させることができる（請求項２）。また溶接予定ラインを横断するようにジグザグ状に移動（振動）させることもできる（請求項３）。請求項５のレーザシーム溶接装置において用いるスキャンモータは、ガルバノスキャナが好ましい（請求項６）。このガルバノスキャナは、ビームのスキャン速度が、ＹＡＧレーザやＣＯ２レーザなどを用いた従来の走査速度に比べて圧倒的に早いものであり、例えば２０００ｍｍ／ｓｅｃ（出願人の製品仕様）である。

また制御ユニットは、主制御手段が出力するシーム溶接予定ラインの座標データと振動モードを示すデータとに基づいてにスキャン制御信号ｐを出力し、主制御手段が出力するビーム強度データおよびビームの移動速度に基づいてレーザ制御信号ｑを出力し、主制御手段が出力する溶接対象物の相対移動データに基づいて溶接対象物を搬送する搬送制御信号ｒを出力するように構成することができる（請求項７）。

なお本明細書において「電池」は、所定の電気エネルギーを取り出しうる蓄電装置をいい、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、その他の二次電池あるいは電気二重層キャパシタなどのキャパシタ（物理電池）を含む。

図１において符号１００はファイバーレーザを用いたレーザビーム発生手段であり、この手段１００に備える駆動手段１０２の出力に基づいて、シングルモードかつ連続波形のレーザ２０Ａを射出可能である。このファイバーレーザ２０Ａのレーザビーム発生手段１００は、複数個のレーザダイオード（ＬＤ）１０４（１〜ｎ）が出力するレーザを光ファイバー１０６により集合して全反射ミラーであるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）１０８、アクティブファイバー（共振器）１１０、出力ミラーであるＦＢＧ１１２に導く。ＦＢＧ１０８、１１２はファイバーコア内に書き込まれたブラッグ・グレーティングである。

ここにＦＢＧ１０８は高反射率（ＨＲ、Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）であり、ＦＢＧ１１２は低反射率（ＬＲ、Ｌｏｗ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）である。各ＬＤ１０４が出力するレーザはアクティブファイバー１１０内で共振して同位相かつ所定波形となり、シングルモードかつ連続波形のレーザビーム２０ＡとなってＦＢＧ１１２から出力される。

このレーザビーム２０Ａは光ファイバー１１４によって射出ヘッド１１６に導かれ、溶接対象物である密閉電池の容器１０に嵌合された蓋板１４（図４、５）に上面から照射される。ここに射出ヘッド１１６と蓋板１４の相対位置が制御ユニット１１８および搬送手段１２０（図１）によって制御され、レーザビーム２０Ａは所定の溶接予定ライン（走査ライン）２２に沿って走査されてシーム溶接される。

制御ユニット１１８は、コンピュータＰＣからなる主制御手段１２２が出力するシーム溶接予定ラインの座標データと振動モードを示すデータとに基づいてスキャン制御信号ｐを出力し、主制御手段１２２が出力するビーム強度データおよびビームの移動速度、あるいは被溶接物の材質や熱伝導性などとに基づいてレーザ制御信号ｑを出力し、溶接対象物の相対移動データに基づいて溶接対象物を搬送する搬送制御信号ｒを出力する。

搬送手段１２０は、容器１０に蓋板１４を載せた溶接対象物を射出ヘッド１１６下方の所定位置に順次移動させるものであり、サーボモータにより駆動される。この搬送手段１２０は、制御ユニット１１８が出力する搬送制御信号ｒに基づいて溶接する容器１０を一つずつ射出ヘッド１１６の下に搬送する。すなわち一つの溶接対象物に対してシーム溶接が完了するまで所定位置に保持し、溶接が完了すると、次の溶接対象物をこの溶接位置に移動させる。搬送手段１２０は、容器１０に換えて射出ヘッド１１６を移動させるものであっても良い。

また射出ヘッド１１６にはスキャンモータ１１６Ａが内蔵され、集光レンズ１１６Ｂを介して射出するレーザビームを、溶接予定ライン２２を横断する方向に振動させつつ溶接予定ライン２２に沿って移動（スキャン、走査）させるように偏向する。スキャンモータ１１６Ａは、例えばガルバノスキャナとすることができる。このガルバノスキャナー１１６Ａは、レーザビームに対して直交する平面上でビーム方向をＸ−Ｙ方向に偏向させるミラーを、可変磁針形あるいは可変コイル形のガルバノメータ（検流計）の可動部に固定した構造のものである。このスキャンモータ１１６Ａは、主制御手段１２２が出力する溶接予定ライン２２のデータと振動モードを示すデータとに基づいて、前記制御ユニット１１８が出力するスキャン制御信号ｐにより制御される。

ここにスキャン制御信号ｐは、レーザビーム２０Ａを溶接予定ライン２２を横断する方向に振動させつつ移動するものであり、例えば図２（Ｂ）に示すように、溶接ライン２２に沿ってコイル状に螺旋を描くようにスキャンする。また図２（Ｃ）に示すようにジグザグに振動させるようにスキャンするものであっても良い。

前記駆動手段１０２は、前記ＬＤ１０４を駆動するものである。すなわち各ＬＤ１０４は制御ユニット１１８が出力するレーザ制御信号ｑによって制御され、所定のビーム強度データとビーム移動速度とに対応する出力としたシングルモードかつ連続波形のレーザビーム２０Ａを射出ヘッド１１６に出力する。

ここに用いるシングルモードかつ連続波形のレーザビーム２０Ａは前記したように集光性が良く、微小ビームスポットとなり、エネルギー密度が大きく焦点深度が深い。このため、このレーザビーム２０Ａを螺旋状あるいはジグザグ状に振動させた場合には、図３に示すように、溶け込み部２４Ａの断面（溶接予定ライン２２に直交する面での断面）はほぼ長四角形となる。

すなわちレーザ制御信号ｑが設定するビーム出力強度データは、主としてこの溶け込み部２４Ａの深さを設定することになり、また振動モードで設定する振動幅が主としてこの溶け込み部２４Ａの幅を設定することになる。従って溶け込み部２４Ａの深さと幅が適切になるようにこれらのデータを設定することにより、適切な溶接が可能である。またレーザビーム２０Ａは溶接予定ライン２２を横断して振動しているので、常に直交部２６を含むように溶け込み部２４Ａを形成することができる。このため気密封止溶接の信頼性が向上する。

１０ 気密電池の容器
１２ 容器の開口部
１４ 蓋板
１８ 嵌め合わせ面（溶接予定ライン）
２０、２０Ａ レーザビーム
２２ 溶接予定ライン
２４、２４Ａ 溶け込み部（溶融部）
２６ 直交部
１００ レーザビーム発生手段
１０２ 駆動手段
１０４ レーザダイオード（ＬＤ）
１１６ 射出ヘッド
１１８ 制御ユニット
１２０ 搬送手段
１２２ 主制御手段
ｐ スキャン制御信号
ｑ レーザ制御信号
ｒ 搬送制御信号

Claims (8)

1. ファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査させることによりシーム溶接する方法であって、
   前記ファイバーレーザはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、前記ファイバーレーザの照射位置を前記溶接予定ラインを横断させるように振動させつつシーム溶接することを特徴とするレーザシーム溶接方法。
2. ファイバーレーザの照射位置を溶接予定ラインに沿って中心が移動するループを描きながら移動させる請求項１のレーザシーム溶接方法。
3. ファイバーレーザの照射位置を溶接予定ラインを横断するジグザグ状に移動させる請求項１のレーザシーム溶接方法。
4. 請求項１のレーザシーム溶接方法を用いて密閉電池の容器開口に嵌め合い構造の蓋板をレーザシーム溶接する方法であって、
   蓋板の内面周縁を段状に薄くして容器の開口端面を覆うようにフランジ状に延出させ、蓋板の内面周縁の段部を容器の開口内周面に嵌め合わせて、前記蓋板の外表面側からこの嵌め合わせ面を溶接予定ラインとし、この溶接予定ラインを横断するようにファイバーレーザの照射位置を振動させつつファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査し、溶接ビードの溶け込み深さを嵌め合い面に達する深さにすることを特徴とする密閉電池の製造方法。
5. ファイバーレーザビームを溶接予定ラインに沿って走査してシーム溶接するためのレーザシーム接合装置であって；
   レーザビームの出力を制御するためのレーザ制御信号、レーザビームのスキャン制御信号、および搬送制御信号、を出力する制御ユニットと；
   前記レーザ制御信号に基づいて所定出力のレーザビームを射出ヘッドから所定タイミングで出力するファイバーレーザビーム出力ユニットと；
   前記射出ヘッドに設けられ、このレーザビームを前記スキャン信号に基づいて前記溶接予定ラインを横断させるように振動させつつ前記溶接予定ラインに沿って移動させるスキャンモータと；
   前記搬送制御信号に基づいて前記射出ヘッドおよび溶接対象物の少なくとも一方を搬送する搬送手段と；
   を備えることを特徴とするレーザシーム溶接装置。
6. スキャンモータは、ガルバノスキャナである請求項５のシーム溶接装置。
7. 制御ユニットは、主制御手段が出力するシーム溶接予定ラインの座標データと振動モードを示すデータとに基づいてにスキャン制御信号を出力し、主制御手段が出力するビーム強度データおよびビームの移動速度に基づいてレーザ制御信号を出力し、主制御手段が出力する溶接対象物の搬送データに基づいて溶接対象物を搬送する搬送制御信号を出力する請求項５のシーム接合装置。
8. 開口部を有する金属容器と、この金属容器内に収容されセパレータを挟んで対向する正極および負極を有する電池ユニットと、前記開口部にファイバーレーザによりシーム溶接される蓋板と、前記電池ユニットに接続された接続端子とを備える密閉電池であって、
   前記蓋板の内面周縁が段状に薄くされて容器の開口端面を覆うようにフランジ状に延出し、蓋板の内面周縁の段部が容器の開口内周面に嵌め合されてこの嵌め合わせ面が溶接予定ラインとされ、前記蓋板の外表面側からこの溶接予定ラインを横断するように振動するファイバーレーザを溶接予定ラインに沿って走査し、溶接ビードの溶け込み深さを嵌め合い面に達する深さとされていることを特徴とする密閉電池。

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