JP2015107514A - レーザ溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースと蓋との溶接を安定して高品質に実施することができるレーザ溶接方法及び装置を提供する。【解決手段】レーザ光６を蓋２の平面と垂直な方向から見たときに蓋の中央から蓋の外側に向って照射することで、蓋の平面と垂直な線に対して外側に向ってレーザ光を照射し、レーザ光の軌道の外側へ排気を行うプルーム方向制御用排気装置２４によりレーザ照射時に加工点より発生するプルーム７を加工点の外側へ向ける。【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、二つの長辺と二つの短辺とで構成する矩形枠の開口部を有する筒状体のケースの開口部に蓋を挿入して、開口部と蓋とを全周溶接するレーザ溶接方法及び装置に関するものである。

携帯機器等の駆動用電源として、高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液二次電池、又は、リチウムイオン二次電池に代表される非水系電解液二次電池などの密閉型二次電池が広く使用されている。また、電子機器のバックアップ電源等に電気二重層コンデンサが広く用いられている。近年、これらの密閉型二次電池又は電気二重層コンデンサは、ハイブリッド自動車又は電気自動車の電源として注目されており、高容量、高信頼性、低コストへの要望が、益々大きくなっている。

このような電池に代表されるエネルギデバイスは、ケースと封口板とを電解液が漏れないように封口板の外周を密閉する必要があり、低コストで安定した高品質の溶接技術が求められている。

電池のケースと封口板とを溶接することについては、熱源としての走査性、大気中での加工が可能な点、比較的短時間での深い溶込みが可能な点より、レーザ光を用いるのが一般的である。

ケースの内側と封口板外周との接合面にレーザ光を照射し、ケースと封口板との接合面を周回する軌道にレーザ光を走査して、封口板の全周をケースと溶接することにより、封口板の外周を密閉する。

電池の封口板を溶接する際、加工点にレーザ光を照射することにより、加工点より金属蒸気であるプルームが発生する。レーザ光の光路にプルームが存在すると、レーザ光がプルームによって吸収あるいは散乱し、加工点に到達するレーザパワーが低下して、溶込み深さが浅くなる、又は、溶接しなくなるという現象が発生し、溶接品質が安定しない。

プルームをレーザ光の光路外に向けることにより、加工を安定させる方法として、プルームをある方向に吸引することが考えられる。が、プルームの向きを制御する先行文献として、レーザ加工時に被加工物から発生する煙又は塵を吸込む集塵装置を従来の加工事例とする。

特許文献１によると、図８において、被加工物であるシート体５１は把持手段５２によって引張り力により把持されている。このように設置されたシート体５１に対してその厚み方向、すなわち上方から、レーザ加工手段５３によりレーザ光が照射される。一方、集塵装置５４は、レンズ５５とシート体５１との間に配置される加工領域の周囲を囲んで設けた筒体５６に備えられている。この筒体５６の側面には、吸引装置５７と連通する吸い込み口５８を備えており、またこの吸い込み口５８は、シート体５１の加工形状を変化させないように、シート体５１に対し、シートの厚み方向に隙間を設けている。

平面度保持手段６１の保持部材５９の形状は、図８に示すようにシート体５１と保持部材５９との角度を３０度にしている。保持部材５９が把持手段５２との干渉を避けるため、移動手段６０により移動した場合でも、吸い込み口５８と吸引装置５７の連結部の内径を保持部材５９がふさぐことがないように、移動手段６０の移動量と吸い込み口５８の形状を設定している。

これらにより、シート体５１の吸着動作を維持した状態で加工することができ、かつ、吸い込み口５８とシート体５１との隙間に平面度保持手段６１の保持部材５９を有しているため、外部からの空気の流入が少なく、シート体５１上に塵を残すことなく、効率の良い集塵が可能となる。また、シート体５１の端縁の加工時、平面度保持手段６１が移動手段６０により移動した場合でも、空気の流れが殆ど変化せずに安定した集塵をすることができる。

特開２００２−９６１８９号公報

しかしながら、特許文献１に示される従来技術をケースと封口板との溶接時におけるプルームの吸引に適用する場合、以下に示すような課題がある。

一つ目の課題として、封口板には端子又は注液口を塞ぐ封栓などの突起が構造上存在するため、非加工物の全ての加工点において安定したプルームの方向の制御が困難なことである。特許文献１によると、被加工物であるシート体５１は把持手段５２によって引張り力により把持されているため、シート体５１は平面であり、シート体５１上の加工点と吸い込み口５８の相対位置はシート体５１のどの位置であっても維持される。

一方、例えばリチウムイオン電池を例にとると、図１に示すように筒状体のケース１に端子１ｘ，１ｙが取り付けられた封口体である蓋２を挿入している。このような非加工物が凹凸のある構造であると、加工位置によって加工点と吸い込み口５８の相対位置を同じにしても、非加工物の凹凸構造の影響を受けて吸引状態が変化するため、非加工物の全ての加工位置において、同様の吸引状態を実現するのが困難となり、プルームを安定してレーザ光の光路外に向けることが難しい。

二つ目の課題として、レーザ光を非加工物の真上から照射した場合、プルームも加工点の真上に発生するため、レーザ光の光路からプルームを完全に外すことが困難である。例え加工点の上部の側面からの吸引力を上げても、プルームの上部は吸い込み口の方向に向くが、プルームの下部、すなわち加工点のすぐ上部付近のプルームはレーザ光の光路を塞ぐため、レーザ光がプルームによって吸収あるいは散乱の影響を完全に除去することは難しい。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、ケースと蓋との溶接を安定して高品質に実施することができるレーザ溶接方法及び装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様にかかるレーザ溶接方法は、開口部が二つの長辺と二つの短辺とで構成する矩形枠である筒状体のケースの前記開口部に蓋を挿入して、前記開口部の縁と前記蓋の縁との接触部を全周にわたってレーザ溶接する溶接方法において、
前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側から前記蓋の外側に向けてプルーム方向制御用排気装置で排気を行い、
前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側の上方から前記蓋の外側に向って前記接触部にレーザ光を照射することで、前記蓋の平面と垂直な線に対して外側に向って傾斜する軌道に沿って前記レーザ光を前記接触部に順に照射し、
レーザ照射時に前記接触部のうちの前記レーザ光が照射された加工点より発生するプルームを、前記プルーム方向制御用排気装置による排気により、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、レーザ溶接方法であることを特徴としている。

本発明の第２態様にかかるレーザ溶接方法は、前記ケースに接して前記ケースを保持する治具の上面から前記排気装置の排気ノズルの吸い込み口の下端までの距離が、前記治具の前記上面からレーザ加工端面である前記ケースと前記蓋の上面までの距離よりも大きく設定した状態で、前記排気装置により、前記レーザ加工端面よりも上方で排気を行うことにより、前記プルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、第１態様に記載のレーザ溶接方法であることを特徴としている。

また、本発明の第３態様にかかるレーザ溶接方法は、前記排気ノズルの下側に加工点周辺の空気を引き込むための隙間を開けるように配置して前記排気ノズルの吸い込み口近辺の流速を上げる、第１又は２態様に記載のレーザ溶接方法であることを特徴としている。

更に、本発明の第４態様にかかるレーザ溶接方法は、前記排気ノズルの前記吸い込み口の開口部の面積が、前記開口部と逆方向の前記排気ノズルの奥側の面積よりも小さくなっていることにより、前記排気ノズルの前記吸い込み口近辺の流速を上げる、第２又は３態様に記載のレーザ溶接方法であることを特徴としている。

また、本発明の第５態様にかかるレーザ溶接装置は、開口部が二つの長辺と二つの短辺とで構成する矩形枠である筒状体のケースの前記開口部に蓋を挿入して、前記開口部の縁と前記蓋の縁との接触部を全周にわたってレーザ溶接するレーザ溶接装置において、
前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側の上方から前記蓋の外側に向って前記接触部にレーザ光を照射することで、前記蓋の平面と垂直な線に対して外側に向って傾斜する軌道に沿って前記レーザ光を前記接触部に順に照射するレーザ発振器と、
前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側から前記蓋の外側に向けて排気して、レーザ照射時に前記接触部のうちの前記レーザ光が照射された加工点より発生するプルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外すプルーム方向制御用排気装置と、
を備える、レーザ溶接装置であることを特徴としている。

また、本発明の第６態様にかかるレーザ溶接装置は、前記ケースに接して前記ケースを保持する治具をさらに備え、
前記排気装置は、前記ケース側に開口した吸い込み口を有する排気ノズルを備え、
前記治具の上面から前記排気ノズルの前記吸い込み口の下端までの距離が、前記治具の前記上面からレーザ加工端面である前記ケースと前記蓋の上面までの距離よりも大きく設定して、前記排気装置により前記レーザ加工端面よりも上方で排気を行うことにより、前記プルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、第５態様に記載のレーザ溶接装置であることを特徴としている。

本発明の前記態様によれば、ケース（例えば二次電池のケース）の開口部の縁と蓋（例えば封口板）の縁との接触部を溶接する溶接工程において、全ての加工点において安定した高品質及び高速の密封溶接を実現できる。また、例えば、蓋が凹凸がある構造体であっても、同様に高品質の溶接を実現することができる。そのため、例えば、高容量及び高信頼性で低コストである二次電池、又は、同様の構造である電気二重層コンデンサを始めとした電子部品等の製造を可能とする。

筒状体のケースに端子が取り付けられた封口体である蓋を挿入した図 矩形枠である筒状体のケースの開口部に蓋を挿入した状態を示す上面図 矩形枠である筒状体のケースの開口部に蓋を挿入した状態を示す断面図 本発明の実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋の溶接工程を示す上面図 本発明の前記実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋の溶接工程を示す断面図 本発明の前記実施形態の第１変形例にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋の溶接工程を示す断面図 本発明の前記実施形態の第２変形例にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋の溶接工程を示す断面図 本発明の前記実施形態の第３変形例にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋の溶接工程を示す断面図 従来のケースと蓋の溶接工程を示す断面図 従来のレーザ加工機の集塵装置の構成を示す側面図

以下、本発明の実施の形態にかかるレーザ溶接方法及び装置について、図面を参照しながら説明する。説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示し、一部の説明を省略する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態における、開口部１ａが二つの長辺１ｂと二つの短辺１ｃとで構成する矩形枠である筒状体のケース１の開口部１ａに蓋２を挿入した状態を示している。ケース１を上面から見た図が図２Ａであり、図２Ａの図中のＡ−Ａ’の断面の上部（蓋２の近辺）を図２Ｂに示している。図３Ａは、図２Ａにおけるケース１の開口部１ａの縁と蓋２の縁との接触部を全周にわたってレーザ溶接している状態の上面図である。ただし、治具３にはハッチングを付して、他の部材と容易に区別可能として図示している。図３Ａ中のＢ−Ｂ’の断面の上部（蓋２の近辺）を図３Ｂに示す。

ケース１に蓋２を挿入したものを治具３によって位置規制する。治具３は、中央に開口部３ａを貫通形成した長方形板状部材で構成され、開口部３ａ内にケース１を嵌合してケース１の長手方向及び幅方向の側面の下部に当接して位置規制する。治具３の高さは、下記する排気ノズル４，４−１を配置するための空間を確保するため、ケース１の高さより低く構成されている。このとき、治具３がケース１の長手方向の両側面及び幅方向の両側面を、ケース１の内側方向に向けて外側からそれぞれ押すことにより、ケース１と蓋２との隙間が長手方向及び幅方向においてなるべく小さくなるように規制を行う。

治具３の上には、レーザ溶接の加工点（接触部のうちのレーザ光が照射された位置）より発生するプルーム７及び加工（レーザ照射）後に加工点の上方に漂う煙又は塵を吸引して排気するための短辺側の排気ノズル４及び長辺側の排気ノズル４−１と、排気ノズル４及び４−１から吸引されたプルーム７及び煙及び塵を集塵装置２０へと導く排気管５とが配置されている。排気管５の途中には、流速調整バルブ２２を配置して、流速調整バルブ２２によって所定の流速となるように調整することができる。ここで、集塵装置２０と流速調整バルブ２２と排気管５とでプルーム方向制御用排気装置２４の一例を構成している。短辺側の排気ノズル４と長辺側の排気ノズル４−１とは、基本的な構成及び働きは同様であるため、以降は代表して、長辺側の排気ノズル４−１について説明する。従って、排気ノズル４−１についての説明は、同時に、排気ノズル４についても説明していることになる。

図３Ｂに示すように、治具３の上面に排気ノズル４−１が密接して配置されており、排気ノズル４−１の排気のための吸い込み口４−１ａは、接触部側、すなわち、ケース１側に向いている。ここでは、一例として、治具３のケース１から見て外側に、吸い込み口４−１ａの高さ８と、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９とが同じ寸法に構成されている。このような構成の排気ノズル４−１を、吸い込み口４−１ａの上面の高さ１１が加工点の位置より少し低い位置、すなわち排気ノズル全体が加工点の位置より低い高さで配置し、排気ノズル４−１と治具３との間は空気が流れないように密接して配置し、排気管５の先にある流速調整バルブ２２によって、下記の作用効果を達成可能な程度の所定の流速で排気するように調整している。このように構成することにより、排気ノズル４−１は、加工点より発生するプルーム７及び加工後に加工点上方に漂う煙又は塵を周辺の雰囲気（空気）一緒に吸い込み口４−１ａに吸引することにより、加工（レーザ照射）時に発生するプルーム７を吸い込み口４−１ａの方向へ向けるように方向制御することができる。

ケース１と蓋２との接触部に対して、ケース１及び蓋２の上方でかつケース１の中心側（蓋２の中心側）の位置から、外（治具３）側に向かって斜めに、レーザ発振器２１からレーザ光６を照射する。具体的には、蓋２の平面と垂直な方向から見たときに、蓋２の中心から蓋２の外側に向かって接触部にレーザ光６を照射することで、蓋２の平面と垂直な線に対して所望の傾斜角度１２で（外側に向かって）傾斜する軌道に沿ってレーザ光６を順に照射する。接触部のうちのレーザ光６を照射した部分（加工点）では、レーザ光６の照射によりケース１と蓋２との加工点部分での温度が上昇して溶融を始める。このとき、加工点から加工点の上方に向けて、ケース１と蓋２とのプラズマ状態であるプルーム７が炎状に発生する。しかしながら、排気ノズル４−１の吸引力により、プルーム７は排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの方向に向いて傾斜させられて、レーザ光６の軌道から外れる。そのため、レーザ光６が、プルーム７に干渉せずに加工点まで到達し、プルーム７による吸収あるいは散乱よって加工点に到達するレーザ光のパワー低下を極めて少なくすることで、安定した照射が可能となり、ケース１と蓋２との溶接品質が安定する。

このように前記実施形態によれば、ケース（例えば二次電池のケース）１の縁と蓋（例えば封口板）２の縁との接触部を溶接する溶接工程において、全ての加工点においてプルーム７のレーザ光６の干渉を抑制することができて、安定した高品質及び高速の密封溶接を実現できる。また、たとえ蓋２が凹凸がある構造体であっても、同様に高品質の溶接を実現することができる。そのため、例えば、高容量及び高信頼性で低コストである二次電池、又は、同様の構造である電気二重層コンデンサを始めとした電子部品等の製造を可能とする。

（実施形態の第１変形例）
また、前記実施形態の第１変形例として、図４に示すように、治具３と排気ノズル４−１との間に矩形枠状の高さ調整部材１４をケース１の周囲に配置して、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの下端を、図３Ｂと比較して、加工面であるケース１と蓋２との上面より高くするようにしてもよい。言い換えれば、ケース１に接してケース１を保持する治具３の上面から排気ノズル５の吸い込み口４−１ａの下端までの距離が、治具３の上面からレーザ加工端面であるケース１と蓋２の上面までの距離よりも大きく設定してもよい。また、高さ調整部材１４のケース１側の側面は、吸い込み口４−１ａの開口面とほぼ同一とすることにより、排気ノズル４−１と治具３との間では、空気が流れないようにしている。

このように構成することにより、吸い込み口４−１ａにプルーム７をより一層吸引し易くなり、プルーム７が排気ノズル４−１側により一層傾き、溶接品質がより安定する。

（実施形態の第２変形例）
更に、前記実施形態の第２変形例として、図５に示すように、排気ノズル４−１の下側に、すなわち、排気ノズル４−１の下面と治具３の上面との間に、加工点周辺の空気を引き込むための隙間２３を開けるように、図示しない支持部材等で排気ノズル４−１を支持するように構成してもよい。

このように構成することにより、排気ノズル４−１で吸引される空気の量が多くなり、排気ノズル４−１での吸い込み口近辺の流速を上げることができ、加工時に発生するプルームを吸い込み口４−１ａの方向へ向けることが容易となる。

（実施形態の第３変形例）
また、前記実施形態の第３変形例として、図６に示すように、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの開口部の高さ又は面積が、開口部と逆方向の排気ノズル４−１の奥側の高さ又は面積よりも小さく構成するようにしてもよい。

このように構成することにより、排気ノズル４−１での吸い込み量を多くし且つ吸い込み口近辺の流速を上げることが可能となり、加工時に発生するプルーム７を吸い込み口４−１ａの方向へ向けることがより容易となる。

前記実施形態おいて、具体的な実施例にかかるレーザ溶接方法及び装置について、実施例１として説明する。

図２において、長辺１ｂが１５０ｍｍ、短辺１ｃが３０ｍｍ、板厚０．６ｍｍのアルミニウムからなるケース１に、板厚１．５ｍｍのアルミニウムからなる蓋（封口板）２を挿入する。

次に、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ケース１の外寸より僅かに大きな矩形の開口部３ａを有する、例えば銅などの金属から構成される治具３に、ケース１を挿入する。図示はしていないが、このとき治具３はケース１を蓋２側へ押す機構を持ち、ケース１を押すことにより、ケース１と蓋２との隙間がなるべく小さくなるようにしている。

次に、排気を開始する。ここで、図３Ａにおいて、ケース１の開口部１ａの長辺１ｂ側の排気ノズル４−１について、以下説明する。治具３のケース１から見て外側に、吸い込み口４−１ａの高さ８が１０ｍｍ、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９が１０ｍｍ、長辺１ｂと平行する長さ１０が２００ｍｍの排気ノズル４−１を、吸い込み口４−１ａの上面の高さ１１が加工点の位置より２ｍｍ低い位置、すなわち排気ノズル全体が加工点の位置より低い高さで配置し、排気ノズル４−１と治具３との間は空気が流れないように密接して配置し、排気管５の先にある流速調整バルブ２２によって１〜５ｍ／ｓ程度の流速で排気するように調整した。

次に、スポット径が０．５ｍｍである３ｋＷのファイバーレーザによるレーザ光６を、レーザ発振器２１から、図３Ｂの紙面の奥側から手前側の方向に１５０ｍｍ／ｓの速度でケース１の開口部１ａの矩形に沿って走査した。このとき、レーザ光６とケース１と蓋２との加工点から蓋２の平面と垂直な線との傾斜角度１２を、１度、３度、５度、１０度、１５度の５種類の傾斜角度として、それぞれの傾斜角度で、５つのケース１と蓋２とに対してそれぞれ走査を行った。それぞれの傾斜角度１２のときの、レーザ光６の照射点から発生するプルーム７を観察したところ、プルーム７は、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの方向へ向いていた。

溶接後、それぞれの傾斜角度１２でのケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、全溶接箇所にピット及びスパッタ痕等の不安定箇所は見られなかったが、所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察された。傾斜角度１２が小さくなるほどビードの乱れが多くなる傾向があるが、何れの箇所も断面を観察すると、溶込み形状及び深さに大きな変化はなく、溶接としては安定していることが分かった。

なお、本実施例１では、ケース１と蓋２との金属材料がアルミニウムの事例を示したが、これらの金属材料は、溶接可能な組合せであれば特に制限されるものではなく、勿論同種金属の溶接であってもよい。

また、スポット径、形状、レーザ出力、及び、溶接速度等の条件は、溶接する金属部材の材料、表面状態、板厚、及び、治具を含めた総熱容量に依存するため、上記に限った内容ではない。勿論、ケース、蓋、排気ノズルのサイズ、及び、排気流速も、上記に限った内容ではない。

本実施例では、レーザ発振器２１としてファイバーレーザを用いたが、高出力が得られるディスクレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、又は、半導体レーザ等の他のレーザを用いても、同様の効果が得られる。

前記実施形態の第１変形例おいて、具体的な実施例にかかるレーザ溶接方法及び装置について、実施例２として説明する。

排気ノズル４−１の治具３からの高さ以外は、実施例１と同様に溶接を行った。

図４に示すように、治具３の上方に実施例１で示した排気ノズル４−１を、加工点から排気ノズル３の底までの高さ１３が５ｍｍとなるように配置し、排気ノズル４−１と治具３の間は空気が流れないように高さ調整部材１４を配置し、排気管５の先にある流速調整バルブ２２によって１〜５ｍ／ｓ程度の流速となるように調整した。

傾斜角度１２を、１度、３度、５度、１０度、１５度の５種類の傾斜角度として、それぞれの傾斜角度で、５つのケース１と蓋２とに対してそれぞれ走査を行った。それぞれの傾斜角度１２のときの、レーザ光６の照射点から発生するプルーム７を観察したところ、プルーム７は、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの方向へ向いており、法線とプルーム７との角度傾斜１５は実施例１と比較して大きかった。これは、以下の理由からと思われる。すなわち、実施例１は、排気ノズル４−１が加工点より下にあり、排気ノズル４−１での吸引力が十分にプルーム７に伝わらなかった。これに対して、実施例２では、排気ノズル４−１を加工点より上にすることで、排気ノズル４−１からの吸引力をプルーム７に十分に伝わるようになったためだと考えられる。

溶接後、それぞれの傾斜角度１２でのケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、全溶接箇所にピット及びスパッタ痕等の不安定箇所は見られなかったが、所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察された。但し、どの傾斜角度１２においても、実施例１よりもビードの乱れの発生頻度が少なくなっていた。傾斜角度１２が小さくなるほどビードの乱れが多くなる傾向があるが、何れの箇所も断面を観察すると、溶込み形状及び深さに大きな変化はなく、実施例１と同様に、溶接としては安定していることが分かった。

前記実施形態の第２変形例おいて、具体的な実施例にかかるレーザ溶接方法及び装置について、実施例３として説明する。

排気ノズル４−１と治具３との間に空気の流れが出来るように空洞すなわち隙間２３としたこと以外は、実施例２と同様の溶接を行った。

図５に示すように、治具３の上方に、加工点から排気ノズル４−１の底までの高さ１３が５ｍｍとなるように、図示しない支持部材等で排気ノズル４−１を支持して配置し、排気ノズル４−１と治具３との間は、空気が流れるように隙間２３とし、排気管５の先にある流速調整バルブ２２によって１〜５ｍ／ｓ程度の流速となるように調整した。

傾斜角度１２を１度、３度、５度、１０度、１５度の５種類の傾斜角度として、それぞれの傾斜角度で、５つのケース１と蓋２とに対してそれぞれ走査を行った。それぞれの傾斜角度１２のときの、レーザ光６の照射点から発生するプルーム７を観察したところ、プルーム７は、排気ノズル４−１吸い込み口４−１ａの方向へ向いており、法線とプルームとの角度１５は実施例２と比較して大きかった。これは、以下の理由からと思われる。すなわち、実施例２は、排気ノズル４−１と治具３の間に高さ調整部材１４があり、この部分を流れる空気がないため、排気ノズル４−１で吸い込む空気の量が少ない。このため、プルーム７を吸い寄せる吸引力が不足していた。これに対して、実施例３では、排気ノズル４−１と治具３との間を空洞にして隙間２３を形成することにより、排気ノズル４−１で吸い込む空気の量が多くなり、プルーム７を吸い寄せる吸引力が増加したためだと考えられる。

溶接後、それぞれの傾斜角度１２でのケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、全溶接箇所にピット及びスパッタ痕等の不安定箇所は見られなかったが、所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察された。但し、どの傾斜角度１２においても、実施例２よりもビードの乱れの発生頻度が更に少なくなっていた。傾斜角度１２が小さくなるほどビードの乱れが多くなる傾向があるが、何れの箇所も断面を観察すると、溶込み形状及び深さに大きな変化はなく、実施例２と同様に溶接としては安定していることが分かった。

前記実施形態の第３変形例おいて、具体的な実施例にかかるレーザ溶接方法及び装置について、実施例４として説明する。

排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さを変更したこと以外は、実施例３と同様の溶接を行った。

図６に示すように、治具３の上方に、吸い込み口４−１ａの高さ８が１０ｍｍ、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９が１５、２０、２５及び３０ｍｍとした、吸い込み口４−１ａの高さより大きな４種類の排気ノズル４−１を用い、加工点から排気ノズル４−１の底までの高さ１３が５ｍｍとなるように配置し、排気ノズル４−１と治具３の間は隙間２３を形成して、空気が流れるように空洞とし、排気管５の先にある流速調整バルブ２２によって１〜５ｍ／ｓ程度の流速となるように調整した。

傾斜角度１２を、１度、３度、５度、１０度、１５度の５種類の傾斜角度として、それぞれの傾斜角度で、５つのケース１と蓋２とに対してそれぞれ走査を行った。それぞれの傾斜角度１２のときの、レーザ光６の照射点から発生するプルーム７を観察したところ、プルーム７は、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの方向へ向いており、法線とプルーム７との角度１５は実施例３と比較して若干大きかった。これは、以下の理由からと思われる。すなわち、実施例３は、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さが吸い込み口４−１ａと同じ１０ｍｍであった。これに対して、本実施例４では、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さが吸い込み口４−１ａより高く、排気ノズル全体でより多くの量の空気を吸い込むことができ、且つ吸い込み口４−１ａの断面積が小さいため、吸い込む流速が速く、よりプルーム７を吸い込み口側に吸い寄せることができたためだと考えられる。

溶接後、それぞれの傾斜角度１２でのケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、全溶接箇所にピット及びスパッタ痕等の不安定箇所は見られなかったが、所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察された。但し、どの傾斜角度１２においても、実施例２よりもビードの乱れの発生頻度が更に少なくなっていた。傾斜角度１２が小さくなるほどビードの乱れが多くなる傾向があるが、何れの箇所も断面を観察すると、溶込み形状及び深さに大きな変化はなく、実施例３と同様に溶接としては安定していることが分かった。また、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａと逆方向の奥の排気管５側の高さが高い方が、よりビードの乱れが少なくなる傾向を示し、２０ｍｍ以上ではビードの乱れが見られなくなるため、吸い込み口４−１ａの高さの倍以上が好ましい。

［比較例１］
前記実施形態及び前記実施例と比較するため、排気ノズル４，４−１を有していない比較例にかかるレーザ溶接方法及び装置について、比較例１として説明する。

図７に示すように、ケース１と蓋２の加工点から真上から、すなわち図３における傾斜角度１２が０度になるように非加工物の位置を変更して、図５に示すような実施例１と同様の溶接を行った。

レーザ光６の照射点から発生するプルーム７を観察したところ、プルーム７は、照射点より真上に向いていた。溶接後、ケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、全溶接箇所にピット及びスパッタ痕等の不安定箇所は数多く見られ、更に多くの箇所で表面上のビードの乱れが観察された。何れの箇所も断面を観察すると、ピット及びスパッタ痕の箇所において溶込み形状及び深さに大きな変化が見られ、軌道全体に亘って安定した溶接が出来なかった。

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかるレーザ溶接方法及び装置によれば、高品質且つ低コストで金属製のケースと蓋との溶接を可能とする。そのため、本発明にかかるレーザ溶接方法及び装置によれば、携帯電話又はデジタルカメラなどの携帯機器用駆動電源、あるいは電子機器のバックアップ電源等を低コストで提供することができる。更には、本発明にかかるレーザ溶接方法及び装置は、高出力を必要とするハイブリッド自動車又は電気自動車の電源を低コストで提供する際にも適用することができる。

１ ケース
１ａ 開口部
１ｂ 長辺
１ｃ 短辺
１ｘ，１ｙ 端子
２ 蓋（封口板）
３ ケースを規制する治具
３ａ 開口部
４，４−１ 排気ノズル
４−１ａ 吸い込み口
５ 排気管
６ レーザ光
７ プルーム
８ 排気ノズルの吸い込み口の高さ
９ 排気ノズルの吸い込み口と逆方向の奥の排気管側の高さ
１０ 排気ノズルの長辺と平行する長さ
１１ 排気ノズルの吸い込み口の上面の高さ
１２ 照射点の法線方向とレーザ光との傾斜角度
１３ 加工点から排気ノズルの底までの高さ
１４ 排気ノズルと治具の間の高さ調整部材
１５ 照射点の法線方向とプルームとの角度
２０ 集塵装置
２１ レーザ発振器
２２ 流速調整バルブ
２３ 隙間
２４ プルーム方向制御用排気装置
５１ シート体
５２ 把持手段
５３ レーザ加工手段
５４ 集塵装置
５５ レンズ
５６ 筒体
５７ 吸引装置
５８ 吸い込み口
５９ 保持部材
６０ 移動手段
６１ 平面度保持手段

Claims (6)

1. 開口部が二つの長辺と二つの短辺とで構成する矩形枠である筒状体のケースの前記開口部に蓋を挿入して、前記開口部の縁と前記蓋の縁との接触部を全周にわたってレーザ溶接する溶接方法において、
   前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側から前記蓋の外側に向けてプルーム方向制御用排気装置で排気を行い、
   前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側の上方から前記蓋の外側に向って前記接触部にレーザ光を照射することで、前記蓋の平面と垂直な線に対して外側に向って傾斜する軌道に沿って前記レーザ光を前記接触部に順に照射し、
   レーザ照射時に前記接触部のうちの前記レーザ光が照射された加工点より発生するプルームを、前記プルーム方向制御用排気装置による排気により、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、レーザ溶接方法。
2. 前記ケースに接して前記ケースを保持する治具の上面から前記排気装置の排気ノズルの吸い込み口の下端までの距離が、前記治具の前記上面からレーザ加工端面である前記ケースと前記蓋の上面までの距離よりも大きく設定した状態で、前記排気装置により、前記レーザ加工端面よりも上方で排気を行うことにより、前記プルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記排気ノズルの下側に加工点周辺の空気を引き込むための隙間を開けるように配置して前記排気ノズルの吸い込み口近辺の流速を上げる、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記排気ノズルの前記吸い込み口の開口部の面積が、前記開口部と逆方向の前記排気ノズルの奥側の面積よりも小さくなっていることにより、前記排気ノズルの前記吸い込み口近辺の流速を上げる、請求項２又は３に記載のレーザ溶接方法。
5. 開口部が二つの長辺と二つの短辺とで構成する矩形枠である筒状体のケースの前記開口部に蓋を挿入して、前記開口部の縁と前記蓋の縁との接触部を全周にわたってレーザ溶接するレーザ溶接装置において、
   前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側の上方から前記蓋の外側に向って前記接触部にレーザ光を照射することで、前記蓋の平面と垂直な線に対して外側に向って傾斜する軌道に沿って前記レーザ光を前記接触部に順に照射するレーザ発振器と、
   前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の中央側から前記蓋の外側に向けて排気して、レーザ照射時に前記接触部のうちの前記レーザ光が照射された加工点より発生するプルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外すプルーム方向制御用排気装置と、
   を備える、レーザ溶接装置。
6. 前記ケースに接して前記ケースを保持する治具をさらに備え、
   前記排気装置は、前記ケース側に開口した吸い込み口を有する排気ノズルを備え、
   前記治具の上面から前記排気ノズルの前記吸い込み口の下端までの距離が、前記治具の前記上面からレーザ加工端面である前記ケースと前記蓋の上面までの距離よりも大きく設定して、前記排気装置により前記レーザ加工端面よりも上方で排気を行うことにより、前記プルームを、前記加工点から前記加工点の外側の上方に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す、請求項５に記載のレーザ溶接装置。

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