JP2015047625A - レーザスポット溶接方法およびレーザスポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶け込み深さ（溶融深さ）の管理が容易であり、溶接スポット径（溶接面積）の調整を極めて容易にかつ正確に行うことができ、均質で安定したスポット溶接を行うことを可能にする。【解決手段】ファイバレーザ１２Ａを用いてスポット溶接する方法であって、ファイバレーザ１２Ａはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、ファイバレーザ１２Ａの照射位置を、例えばスポット溶接位置１４Ａを中心にして螺旋状に移動させたり、中心から次第に拡径するように螺旋を描きながら移動させることによって、適切な溶接面積となるように溶接する。【選択図】図１

Description

この発明は、レーザビームを用いて電極板とリードとを接続する場合などに好適なレーザスポット溶接方法と、この方法の実施に用いる溶接装置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、四角形の正・負電極板をセパレータを挟んで積層し、これら正・負電極板にそれぞれ一体に設けた多数のリード部分（電極リード）を中継電極に溶接し、この中継電極の一端を積層体より突出させ、この中継電極の突出部分を、ケースを貫通させて保持した外部接続電極に接続したものがある（特許文献１、段落００２８〜００２９）。この場合に中継電極の両端を、電極リードおよび外部接続電極にレーザビームを用いてスポット溶接することが開示されている。

またコインまたはボタン型の電池（電気化学セル）において、ケース（正極缶または負極缶）に外部端子をレーザ溶接法によりスポット溶接することが公知である（特許文献２、段落０００２）。ここには溶接点直径を電池直径で割った値を所定範囲にすることが提案されている。この場合に溶接点の直径は、ＹＡＧレーザを用いて出射エネルギーとパルス幅を変えることで制御している（段落００３２）。

さらに扁平型のリチウム電池において、その端子面にリード端子を固着したリード端子付き電池も公知である（特許文献３）。ここにはリード端子３および端子面の皮膜９の表面よりやや手前でレーザビーム１０がその焦点を結ぶようにしてビーム径を調整し、レーザ溶接による電池内部の発熱を最小限にする（第２頁右下欄、１５〜１９行）ことが開示されている。

特開２００７−２６９４５号公報 特開２００５−３２７６５６号公報 特開昭６２−２８３５５４号公報

特許文献１〜３に開示された方法は、いずれもレーザビームの出力エネルギーとビーム径を的確に設定することが必要であり、エネルギー密度が高すぎると電極やリードなどの被溶接物が飛散したり、被溶接物が薄い場合に穴が開いたりすることがあり得る。反対にエネルギー密度が低すぎると溶接強度や溶接面積が不足して十分な強度が得られないという問題が生じる。このため適切な溶接径（溶接面積）と溶け込み深さ（溶融深さ）となるようにレーザビーム径とエネルギー密度を設定するのが難しく手間が掛かるという問題が有る。

また従来広く用いられているＹＡＧレーザ、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザ、レーザダイオードでは、ビームの集光性が悪く、エネルギー密度が小さく、焦点深度が浅いから、これをスポット溶接に用いた場合には溶接強度が低下する恐れが生じる。そこで溶け込み部が十分な深さに達するようにすると、照射時間が長くなったり、スポット溶接径（溶接痕、溶接面積）が大きくなって溶接痕が目立つという問題もある。

図４は従来のスポット溶接の溶接痕を示す平面図(Ａ）とその溶け込み部を示す側断面図（Ｂ）である。スポット溶接の対象物１０は２枚の金属板１０ａ、１０ｂを重ねたものである。１２は前記ＹＡＧ、ＣＯ２レーザや半導体レーザが出力するレーザビームである。対象物１０の表面に導かれるレーザビーム１２は集光性が悪いから、同図（Ｂ）に示すように、先端の開き角θが大きい円錐形であり、溶接対象物表面の照射形状はスポット溶接位置の中心１４から半径方向に円形に広がっている（同図（Ａ））。この場合に形成される溶け込み部１６は上部が広がり底が尖った逆釣り鐘状であり、その場合の溶接痕１８は同図（Ａ）に示すように大径の円形となる。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、溶け込み深さ（溶融深さ）の管理が容易であり、溶接スポット径（溶接面積）の調整を極めて容易にかつ正確に行うことができ、均質で安定した溶接処理を行うことが可能になるレーザスポット溶接方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接用いるレーザスポット溶接装置を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、ファイバレーザを用いてスポット溶接する方法であって、前記ファイバレーザはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、前記ファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置を中心にして移動させつつ溶接することを特徴とするレーザスポット溶接方法、により達成される。

第２の目的は、
ファイバレーザビームをスポット溶接位置に照射してスポット溶接するためのレーザスポット溶接装置であって；
レーザビームの出力を制御するためのレーザ制御信号、スポット溶接位置およびスポット溶接位置内でのレーザビームの振動モードを設定するスキャン制御信号、および溶接対象物の搬送位置を示す搬送制御信号、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シングルモードかつ連続波形である所定出力のファイバレーザを射出ヘッドから所定タイミングで出力するファイバレーザビーム出力ユニットと；
このファイバレーザビームを前記スキャン制御信号に基づいて前記スポット溶接位置でこのスポット溶接位置を中心としてレーザビームを所定の振動モードに従って振動させつつスポット溶接す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スポット溶接装置、により達成される。

この発明で用いるファイバ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（大きい）特性を持つ。このため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。

ここに溶け込み深さは、溶接対象物（被溶接物）の条件（材質や熱伝導性など）とビーム出力の大きさに依存すると考えられるが、ファイバレーザはビーム径が小さく局部的急速加熱が可能であるから、主として材質とビーム出力により溶け込み深さを設定することができる。このため溶け込み深さを高精度に管理することが可能である。

図３はこの図２の場合と対比するために、ファイバレーザのレーザビーム１２Ａを移動させずに、中心１４Ａに固定して照射する場合を示す。同図の（Ａ）は平面図、（Ｂ）は溶け込み部１６Ｂを示す側断面図（Ｂ）である。このようにファイバレーザは集光性が良くエネルギー密度が高いので、溶接痕１８Ｂの径が小さく、溶け込み部（溶融部）１６Ｂが細いテーパ状で深くなる。従って溶け込み部１６Ｂの深さを適切にするために出力エネルギーを設定すると、溶け込み部１６Ｂの径が過少になり、十分な接合強度が得られないことになる。

このようにファイバレーザを用いて従来と同様にビーム位置を固定してスポット溶接する場合は、ビーム径が小さいために溶け込み部１６Ｂと溶接痕１８Ｂの径（スポット溶接部の径、溶接面積）が極めて小さくなり、十分な強度が得られない可能性が生じる。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スポット溶接位置（中心位置）を中心にして予め設定した範囲内で移動（振動）させることにより、溶接範囲従って溶接スポット径（溶接面積）を広げるものである。

このように、ビーム出力を適切に設定することにより溶け込み深さを適切かつ均一に管理することができ、照射位置の振動範囲を適切に設定することにより溶接スポット径を管理することができる。このため溶接強度が大きく均質で安定したスポット溶接を行うことが可能になる。

またファイバレーザの出力を増やして溶け込み深さを適切な範囲内で深くすることにより、溶接範囲（従って溶接スポット径）を小さくすることができ、十分な溶接強度を確保しつつ溶接痕を小さくすることができる。ここに用いるファイバレーザは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、定価格化、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（請求項５の発明）によれば、請求項１の方法に用いるレーザスポット溶接装置が得られる。

この発明の一実施例を示すレーザスポット溶接装置を示す概念図 本発明によるスポット溶接の溶接痕を示す平面図（Ａ）と、その溶け込み部を示す側断面図（Ｂ） ファイバレーザで従来法によりスポット溶接した時の溶接痕を示す参考平面図（Ａ）と、その溶け込み部を示す参考側断面図 従来のレーザスポット溶接の溶接痕を示す平面図（Ａ）とその溶け込み部を示す側断面図（Ｂ）

この発明で用いるファイバレーザは、その照射位置をスポット溶接位置を中心にして螺旋状に移動させることができる（請求項２）。例えば溶接位置の中心から外側に向かって拡径する螺旋を描きながら照射位置を移動させることが望ましい（請求項３）。中心から溶融させれば、中心部が溶融開始してその熱がその周囲に拡散しながら溶融部がその周囲に広がってゆき、溶融が円滑に進行する。

またファイバレーザの照射範囲は円形としてもよいが、長方形などの角形であっても良い。レーザビームは長方形の長辺に沿って往復移動しながら短辺方向にジグザグ状に移動させてもよい。レーザビームは常にスポット溶接の中心を通って径方向に往復させても良いが、結果的に照射範囲の中心がスポット溶接の中心に一致するようにしても良く、本発明はこのようなものを含む。

またファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置の中心で照射密度を増やすようにしても良い（請求項４）。たとえば中心を通り直径方向に移動すると共に、中心の回りに周方向に移動させるように照射位置を移動させる。この場合には照射位置が中心を通る度に中心が加熱されて中心から容易に溶融が始まって行くから、前記中心から外側に向かって螺旋状に移動させる場合とほぼ同様な効果が得られる。

本発明の溶接装置において、スキャンモータはガルバノスキャナーとすることができる（請求項６）。このガルバノスキャナーは、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、コンピュータからなる主制御手段が設定する溶接条件により所定の信号ｐ、ｑ，ｒを出力する。すなわち、制御ユニットは、主制御手段が出力するスポット溶接位置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ｒを出力する（請求項７）。

図１において符号１００はファイバ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１２Ａを射出可能である。このファイバレーザ１２Ａ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（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１２ＡとなってＦＢＧ１１２から出力される。

このレーザビーム１２Ａは光ファイバ１１４によって出射ヘッド１１６に導かれ、スポット溶接対象物（例えば密閉電池の容器に嵌合された蓋板など）に上面から照射される。ここに出射ヘッド１１６と溶接対象物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、レーザビームは所定のスポット溶接位置（溶接の中心位置）１４Ａに相対移動されてスポット溶接される。

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が出力するスポット溶接位置１４Ａの座標データとレーザビームを振動させる振動モード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、密閉電池の電極と外部電極のスポット溶接部などの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に基づいて溶接対象物を一つずつ射出ヘッド１１６の下に搬送する。例えば一つの溶接対象物に対してスポット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、溶接対象物を移動させるの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を通して射出するレーザビーム１２Ａをスポット溶接位置１４Ａを中心にして所定範囲内で移動（振動）させる。スキャンモータ１１６Ａは、例えばガルバノスキャナーとすることができる。このガルバノスキャナーは、レーザビーム１２Ａ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が出力するスポット溶接位置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。

ここに振動モードを示すデータは、レーザビーム１２Ａがスポット溶接位置１４Ａを中心にしてスポット溶接範囲で移動（振動）させるモードを設定するものである。例えば図２（Ａ）に示すように、レーザビーム１２Ａがスポット溶接位置１４Ａを中心にして、コイル状に螺旋を描くように移動するモードを設定する。この場合、レーザビーム１２Ａは、中心１４Ａから外側に向かって拡径するように螺旋状に移動させるのがよい。

中心１４Ａ側から溶融させることにより、その熱が周囲に伝達するから周囲の溶融が円滑に進むと考えられるからである。１８Ａはこの場合の溶接痕であり、前記図４（Ａ）に示した溶接痕１８とほぼ同径の円形である。一方溶け込み部１６Ａの形状はファイバレーザの集光性が良いので、側面視（図２（Ｂ））でほぼ四角に近い略円筒形である。このため金属板１０ａと１０ｂの接合面における溶融面積（溶接面積）が増大し、溶接強度が増大する。

スキャン制御信号ｐに含む振動モードを示すデータは、溶融部１６Ａを平面視で円形にするものに限られず、長方形などの角形であっても良い。この場合レーザビーム１２Ａは、長方形の長辺に沿って往復移動しながら短辺方向にジグザグ状に移動させてもよい。レーザビームは常にスポット溶接の中心を通って径方向に往復させても良いが、結果的に照射範囲の中心がスポット溶接の中心に一致するようにしても良い。

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。

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１６Ａの深さを設定することになり、またスキャン制御信号ｐが設定する振動幅が主としてこの溶け込み部１６Ａの直径（あるいは範囲）を設定することになる。従って溶け込み部１６Ａの深さと径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、適切なスポット溶接が可能である。

１０ 溶接対象物
１２ ＹＡＢレーザなどのレーザビーム
１２Ａ ファイバレーザのレーザビーム
１４、１４Ａ スポット溶接の中心
１６、１６Ａ 溶け込み部（溶融部）
１８、１８Ａ 溶接痕
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 出射ヘッド
１１６Ａ スキャンモータ
１１８ 制御ユニット
１２０ スキャン手段
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 (7)

1. ファイバレーザを用いてスポット溶接する方法であって、
   前記ファイバレーザはシングルモードかつ連続波形のレーザとし、前記ファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置を中心にして移動させつつ溶接することを特徴とするレーザスポット溶接方法。
2. ファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置を中心にして螺旋状に移動させる請求項１のレーザスポット溶接方法。
3. ファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置の中心から外側に向かって拡径する螺旋を描きながら移動させる請求項２のレーザスポット溶接方法。
4. ファイバレーザの照射位置をスポット溶接位置の中心で照射密度を大きくするように移動させる請求項１のレーザスポット溶接方法。
5. ファイバレーザビームをスポット溶接位置に照射してスポット溶接するためのレーザスポット溶接装置であって；
   レーザビームの出力を制御するためのレーザ制御信号、スポット溶接位置およびスポット溶接位置内でのレーザビームの振動モードを設定するスキャン制御信号、および溶接対象物の搬送位置を示す搬送制御信号、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シングルモードかつ連続波形である所定出力のファイバレーザを射出ヘッドから所定タイミングで出力するファイバレーザビーム出力ユニットと；
   このファイバレーザビームを前記スキャン制御信号に基づいて前記スポット溶接位置でこのスポット溶接位置を中心としてレーザビームを所定の振動モードに従って振動させつつスポット溶接す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スポット溶接装置。
6. スキャンモータは、ガルバノスキャナーである請求項５のレーザスポット溶接装置。
7. 制御ユニットは、主制御手段が出力するスポット溶接位置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のレーザスポット接合装置。

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