JP2015107515A - 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】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ケースの開口部１ａの縁と蓋の縁との接触部１６にレーザ光６を照射することで、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、レーザ光の照射部の外側に沿って接触部の全周にわたって配置した排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａから排気を行うとともに、排気ノズルの下方に接触部の全周にわたって配置された給気ノズル１５から給気を行い、加工点より発生するプルーム７を全周にわたって加工点より外側へ向ける。【選択図】図２

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１０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１０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に端子１ｘ，１ｙが取り付けられた封口体である蓋を挿入している。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。

三つ目の課題として、非加工物の周囲を全周溶接しなければならない点がある。給気又は排気を一方向からのみ行うと、レーザ光の光路上にプルームが位置する点が必ず存在し、その点において加工が不安定となる。

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、
前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置した排気ノズルのから、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を行い、
前記排気ノズルの下方に前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置した給気ノズルの給気口から、前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて不活性ガスを供給する給気を行い、
前記排気ノズルの前記吸い込み口で排気を行うとともに、前記給気ノズルの前記給気口から、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて給気を行いつつ、前記蓋の前記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、前記蓋の前記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、レーザ溶接方法であることを特徴としている。

また、本発明の第２態様にかかるレーザ溶接方法は、前記給気ノズルの前記給気口から不活性ガスを、前記ケースの外側面に当って上側に向きを変えるように供給することにより、前記給気を行う、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。

更に、本発明の第３態様にかかるレーザ溶接方法は、前記排気ノズルのうちの長辺側の排気ノズルの長さが、前記ケースの長辺の長さより長く配置して、前記長辺側の排気ノズルの端の部分での吸引力と前記排気ノズルのうちの短辺側の排気ノズルでの吸引力とにより、前記レーザ光の走査する方向と外側の直角方向に近い角度に向かって前記プルームが吸引され続けて前記プルームが外側に傾斜する、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、前記接触部に前記レーザ光を照射するとき、前記接触部のうちの前記レーザ光を照射する位置に応じて、前記排気ノズルの前記吸い込み口からの前記排気と、前記給気ノズルの前記給気口からの前記給気とを、前記接触部の長辺側と短辺側とで個別的にオンオフ制御する、第１〜３態様のいずれか１つ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、前記蓋の前記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光照射装置と、
前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置しかつ前記ケース側に開口した吸い込み口を有して、前記吸い込み口により、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に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す排気ノズルと、
前記排気ノズルの下方に前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置され、かつ、前記ケース側に開口した給気口を有して、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて不活性ガスを供給する給気ノズルとを備えて、
前記排気ノズルの前記吸い込み口で排気を行うとともに、前記給気ノズルの前記給気口から、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて給気を行いつつ、前記レーザ光照射装置で前記レーザ光を前記接触部に照射する、レーザ溶接装置であることを特徴としている。

更に、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と、
前記排気ノズルに連結されて前記排気ノズルを開閉する排気用流速調整バルブと、
前記給気ノズルに連結されて前記給気ノズルを開閉する給気用流速調整バルブと、
前記接触部に前記レーザ光を照射するとき、前記接触部のうちの前記レーザ光を照射する位置に応じて、前記排気用流速調整バルブと前記給気用流速調整バルブとをそれぞれ個別にオンオフ制御して、前記排気ノズルの前記吸い込み口からの前記排気と、前記給気ノズルの前記給気口からの前記給気とを個別に制御する制御部とを備える、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 本発明の第１実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋との溶接工程を示す上面図 本発明の第１実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋との溶接工程を示す断面図 本発明の第１実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋との溶接工程を示す断面図 本発明の第２実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋との溶接工程を示す上面図 本発明の第２実施形態にかかるレーザ溶接方法における、ケースと蓋とのコーナー部の溶接工程を示す上面図 本発明の第２実施形態にかかるレーザ溶接方法における、長辺側と短辺側との溶接工程を示す三面図 本発明の第３実施形態にかかるレーザ溶接方法における、右側の接触部でのケースと蓋との溶接工程を示す断面図 本発明の第３実施形態にかかるレーザ溶接方法における、左側の接触部でのケースと蓋との溶接工程を示す断面図 本発明の第３実施形態の変形例にかかるレーザ溶接方法における、右側の接触部でのケースと蓋との溶接工程を示す断面図 本発明の第３実施形態の前記変形例にかかるレーザ溶接方法における、左側の接触部でのケースと蓋と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。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１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の開口部１ａに蓋２を挿入して、開口部１ａの縁と蓋２の縁との接触部１６を全周にわたってレーザ溶接する溶接方法について、蓋２の平面に垂直方向のレーザ照射側から見た図である。また、図２における断面Ａ−Ａ’を図３に示す。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２及び図３において、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と、ケース１の開口部１ａ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１６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長辺側の排気ノズルである４−１と４−２と、短辺側の排気ノズルである４−３と、排気ノズル４−１、４−２及び４−３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、排気用流速調整バルブ２２を配置して、排気用流速調整バルブ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と排気用流速調整バルブ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。長辺側の排気ノズル４−１及び４−２と短辺側の排気ノズル４−３とは、基本的な構成及び働きは同様である。

図３に示すように、治具３の上面に排気ノズル４−１、４−２、４−３が空洞を介して配置されており、排気ノズル４−１、４−２、４−３の排気のための吸い込み口４−１ａ、４−２ａ、４−３ａ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４−２ａの高さ８に対して、排気ノズル４−２の吸い込み口４−２ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９が大きくなるような寸法に構成されている。このような構成の排気ノズル４−２を、吸い込み口４−２ａの上面の高さ１１が加工点の位置より少し高い位置、すなわち排気ノズル全体が加工点の位置より高い高さで配置している。

また、排気管５の先にある排気用流速調整バルブ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するとともに、開閉することによりオンオフ制御もできるようにしている。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吸い込み口４−１ａの周辺の雰囲気（空気）と一緒に吸い込み口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。

また、治具３のケース１の上面外側近傍、すなわち、各排気ノズル４−１、４−２、４−３の底面近傍の治具３の上面近傍には、図３に示すように、加工点に雰囲気ガスを供給する給気ノズル１５の給気口１５ａが、排気ノズル４−１、４−２と同様にレーザ光６の図２における接触部１６の外側に沿って形成されるように配置されている。各給気ノズル１５は、給気用流速調整バルブ２２を介してガス供給装置３０に接続され、ガス供給装置３０から給気用流速調整バルブ２２を介して給気ノズル１５の給気口１５ａから、加工点の外側から全周に亘って、不活性ガス、例えば窒素ガスなどの給気を行う。給気は、給気ノズル１５の給気口１５ａから蓋２の外側から蓋２の中央側に向けて不活性ガスを供給して、不活性ガスがケース１の外側面に当って上側に向きを変えるように供給することにより行う。また、給気用流速調整バルブ２２によって、所定の流速で給気するように調整するとともに、開閉することによりオンオフ制御もできるようにしている。このように不活性ガスを供給する給気により、レーザ照射時に加工点で酸化を防止することができる。

ケース１の縁と蓋２の縁との接触部１６に対して、蓋２の平面と垂直な方向から見たときに、ケース１及び蓋２の上方でかつ蓋２の中心から蓋２の外側（治具３側）に向って斜めに、レーザ光照射装置２１からレーザ光６を照射することで、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向って傾斜する軌道に沿って接触部１６にレーザ光６を順に照射する。接触部１６のうちのレーザ光６を照射した部分（加工点又は照射部）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、４−２、４−３の吸引力により、プルーム７は排気ノズル４−１、４−２、４−３の吸い込み口４−１ａ、４−２ａ、４−３ａ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が低下することがないため、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。

図２に示すように、レーザ光６の二つの長辺１ｂと二つの短辺１ｃの接触部１６の外側に沿って排気ノズル４−１、４−２、４−３をそれぞれ配置し、排気ノズル４−１、４−２、４−３の吸い込み口４−１ａ、４−２ａ、４−３ａから排気を行うことにより、加工点より発生するプルーム７を全周にわたって加工点より外側へ向けることが可能となり、全周にわたってケース１と蓋２との安定した溶接が実現できる。

前記第１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として説明する前に、まず、給気を行わない例を比較例１として、説明する。

［比較例１］
図２及び図３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、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、まず、治具３及び排気ノズル等の構成について、図２と図３とに基づいて説明する。治具３は、図２と図３とに示すように、二つの長辺と二つの短辺とのそれぞれ四つの辺に接する四つのブロックから構成されている。長辺側のブロックの上方には、吸い込み口４−１ａと４−２ａの高さ８が１０ｍｍ、排気ノズル４−１と４−２の吸い込み口４−１ａと４−２ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９が３０ｍｍ、長辺と平行する長さ１０が１５０ｍｍの排気ノズル４−１と４−２を、吸い込み口４−１ａと４−２ａとの下面の高さ１３が加工点の位置より５ｍｍ高い位置に配置する。また、短辺側のブロックの上方には、吸い込み口４−３ａの高さ８が１０ｍｍ、排気ノズル４−３の吸い込み口４−３ａと逆方向の奥の排気管５側の高さ９が３０ｍｍ、短辺と平行する長さ１７が長さ３０ｍｍの排気ノズル４−２を、吸い込み口４−３ａの下面の高さ１３が加工点の位置より５ｍｍ高い高さで配置する。各排気ノズル４−１、４−２及び４−３と治具３との間は空気が流れるように空洞とし、排気管５の先にある排気用流速調整バルブ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。この比較例１では、給気ノズル１５からのガスの給気はしなかった。

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、レーザ光照射装置２１から、図３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５度として走査を行い、レーザ光６の加工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、接触部１６の全周において接触部１６の外側の方向へ向いていた。

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。ビードの乱れの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。

前記第１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。

給気ノズル１５から窒素ガスの給気を行う以外は、比較例１と同様の構成で同様な溶接を行った。

図３において、ガス供給装置３０から給気ノズル１５に供給される窒素ガスは、給気ノズル１５の元にある給気用流速調整バルブ２９によって流速が調整されている。すなわち、給気ノズル１５から噴射される窒素ガスの流速が全周にわたって１〜２ｍ／ｓとなるように給気用流速調整バルブ２９で調整し、レーザ光６が接触部１６を全周する間中、窒素ガスの吹き付けを行った。このときのレーザ光６の照射点（加工点）から発生するプルーム７を観察したところ、接触部１６の全周において、プルーム７は接触部１６の外側の方向へ向いていたが、蓋２の平面と垂直な線とプルーム７との傾斜角度１４は、比較例１より大きくなっていた。

給気ノズル１５からの窒素ガスの吹き付けによりプルーム７がより外側に傾く理由として、以下のようなことが考えられる。排気ノズル４−１と給気ノズル１５との給排気部を拡大した図を図４に示す。この図４において、給気ノズル１５の給気口１５ａの中心を、溶接されるケース１の加工点の高さより低く配置することにより、給気ノズル１５の給気口１５ａから左の方向へ向かって給気される窒素ガスの半分以上は、ケース１の外側面に当って上側に向きを変えるように配置している。排気により外側へ傾いていたプルーム７に、前記上向きの窒素ガスが接触すると、排気ノズル４−１によって、吸い込み口４−１ａの周辺の空気と一緒に吸い込み口４−１ａ内に吸引されて排気される。この結果、排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａの流量が増え、プルーム７の吸引力が増すことにより、プルーム７は更に外側へ傾く。なお、給気ノズル１５の上方向きに流れる窒素ガスは、そのまま加工点付近の外側を流れ、加工時の酸化を防止する。

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見られなかった。所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察されたが、その発生数は、比較例１に比較すると少なくなっていた。これは、排気のみでなく窒素ガスの給気を同時に行うことにより、排気ノズル４−１への排気量が多くなり、加工点から発生するプルーム７がより一層排気ノズル４−１の方向へ吸引されたためだと考えられる。ビードの乱れの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、実施例１では、給気ガスとして窒素ガスを用いているが、アルゴンガスなどの加工に応じたその他のガスを用いても、同様の効果が得られる。また、流速についても非加工物の材料又は大きさに応じて最適な値に設定すればよく、特に制限されるものではない。

このように前記第１実施形態によれば、給気ノズル１５から不活性ガスの給気を行うことにより、排気だけの場合よりも、接触部１６の全周において、プルーム７が、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向ってより大きく傾斜させることができる。この結果、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１６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。

以下は、前記第１実施形態の効果が優れていることをより理解しやすくするため、排気ノズル４−１と４−２と４−３との排気を停止した比較例２について、説明する。

［比較例２］
比較例１と同様の構造でかつレーザ光６の照射時に排気ノズル４−１と４−２と４−３との排気を停止して、比較例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、接触部の全体に亘って安定した溶接が出来なかった。

なお、前記第１実施形態において、接触部１６にレーザ光６を照射するとき、接触部１６のうちのレーザ光６を照射する位置に応じて、排気ノズル４−１，４−２，４−３の吸い込み口４−１ａ，４−２ａ，４−３ａからの排気と、給気ノズル１５の給気口１５ａからの給気とを、接触部１６の長辺側と短辺側とで個別的にオンオフ制御するようにしてもよい。これについて、以下、第２実施形態及び第３実施形態として、詳しく説明する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるレーザ溶接方法及び装置について説明する。

図５は、ケース１の長辺１ｂに接する治具を、長辺側の治具３−１と３−２とし、同様にケース１の短辺１ｃに接する治具を、短辺側の治具３−３として、それぞれ区別している。長辺側の治具３−１と３−２上に配置した長辺側のノズル４−１と４−２との長さを、ケース１の長辺１ｂの長さより長くして、ケース１の長辺１ｂの両端部から長辺側のノズル４−１と４−２の端の部分がそれぞれはみ出るように配置する。そうすることにより、図６に示すように接触部１６のコーナー部をレーザ光６が走査する際のプルーム７の方向は、ケース１の長辺（接触部１６の長辺）より長い排気ノズル４−１又は４−２の端の部分での吸引力と短辺側の排気ノズル４−３での吸引力とにより、レーザ光６の走査する方向と外側の直角方向（走査方向と直交する直角方向でかつ外側の方向）に近い角度（図６では右下方向）に向かって吸引され続ける。そのため、接触部１６の直線部１６ａのみでなくコーナー部１６ｂでも、プルーム７が、レーザ光６の進行方向に対して常に接触部１６の外側（図６の右下方向）に向く（外側に傾斜する）。

図７の（ｂ）と（ｃ）とは、それぞれ、図７の（ａ）の長辺側の接触部１６と短辺側の接触部１６とに対するレーザ光６の照射角度を示している。蓋２の中心から外側に向って接触部１６にレーザ光６を照射するため、長辺側の接触部１６を照射するときの角度をθ_１とし、短辺側の接触部１６を照射するときの角度をθ_２とすると、θ_１＜θ_２が成り立つ。且つ長辺側の排気ノズル４−１がケース１の長辺側の長さより長いため、短辺側の接触部１６をレーザ光６が走査する場合のプルーム７は、長辺側の接触部１６を走査するときよりよりも、大きく外側に傾く。このため、全周にわたって、プルーム７がレーザ光６と干渉することがより低減され、溶接が更に安定する。

前記第２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２として説明する。

ケース１の長辺１ｂに接する長辺側の治具３−１と３−２との上に配置した長辺側の排気ノズル４−１と４−２の長さ１０を、ケース１の長辺１ｂの長さ１５０ｍｍよりも長い２００ｍｍとした以外は、実施例１と同様の構成で同様な溶接を行った。

溶接後、コーナー部１６ｂにおけるケース１と蓋２との溶接部を観察したところ、４箇所のコーナー部１６ｂの全てにおいて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。また、表面上のビードの乱れも観察されなかった。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかるレーザ溶接方法及び装置について説明する。

図２及び図３に示す蓋２には、図１に示すように、実際には、端子１ｘ，１ｙ及び注液口を塞ぐ封栓（図示せず）などの突出した構造体が構成されている。図３において右側の接触部１６でケース１と蓋２とを溶接する際、対向する左側の接触部１６で排気及び給気を行うと、蓋２に構造体がある箇所と、構造体がない箇所とにおいて、排気する流速に分布が生じ、全周にわたって安定した溶接ができなくなる場合がある。

従って、図２の右側の接触部１６でケース１と蓋２とを溶接するときに、左側の接触部１６では排気、又は、排気及び給気をせず、溶接している側だけで排気、又は、排気及び給気を行う方が、加工点の気流をより制御し易い。

このため、例えば、制御部２８の制御の下にレーザ光照射装置２１からレーザ光を接触部１６に照射して溶接するとき、少なくとも、４個の排気用流速調整バルブ２２と４個の給気用流速調整バルブ２９とを制御部２８で個別に開閉制御するようにすればよい。好ましくは、制御部２８で、レーザ光照射装置２１と、集塵装置２０と、排気用流速調整バルブ２２と、プルーム方向制御用排気装置２４と、給気用流速調整バルブ２９と、ガス供給装置３０とをそれぞれ動作制御するようにして、前記した所望の動作を行わせるようにすることができる。

このように制御部２８で少なくとも、４個の排気用流速調整バルブ２２と４個の給気用流速調整バルブ２９とを個別に制御すれば、接触部１６の長辺側と短辺側とで個別的にオンオフ制御することができる。

すなわち、例えば、図８Ａに示すように、右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときに、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行いつつ、左側の接触部１６においてケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で閉じて排気を停止する。このとき、左側の接触部１６においてケース１の左側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、右側の接触部１６においてケース１側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で閉じて給気を停止する。

この結果、右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するとき、左側の接触部１６においてケース１の左側の給気ノズル１５から給気された不活性ガスが、ケース１の外側面に当って上側に向きを変えたのち、右側の接触部１６で排気されている排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａに吸い込まれて排気される。この際、右側の接触部１６の加工点で発生するブルーム７を、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向って確実に傾斜させるように作用する。

また、図８Ｂに示すように、レーザ光６が接触部１６を半周して左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行いつつ、右側の接触部１６においてケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で閉じて排気を停止する。このとき、右側の接触部１６においてケース１の右側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、左側の接触部１６においてケース１側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で閉じて給気を停止する。

この結果、左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するとき、右側の接触部１６においてケース１の右側の給気ノズル１５から給気された不活性ガスが、ケース１の外側面に当って上側に向きを変えたのち、左側の接触部１６で排気されている排気ノズル４−２の吸い込み口４−２ａに吸い込まれて排気される。この際、左側の接触部１６の加工点で発生するブルーム７を、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向って確実に傾斜させるように作用する。

このように動作させることにより、図８Ａの右側の接触部１６でケース１と蓋２とを溶接するときに、左側の接触部１６では排気をせず、溶接している側だけで排気を行うことができ、また、図８Ｂの左側の接触部１６でケース１と蓋２とを溶接するときに、右側の接触部１６では排気をせず、溶接している側だけで排気を行うことができて、加工点の気流を、より制御し易くなる。よって、溶接する側が、溶接する側と対向する側の排気の影響を全く受けないので、蓋２の構造物の構成に関係無く、特に、長辺１ｂ側の接触部１６の溶接を安定して行うことができる。

なお、前記第３実施形態の変形例としては、以下のような構成及び動作とすることもできる。

例えば、図９Ａに示す右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行うとともに給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２と給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９とを制御部２８で閉じて排気と給気とを停止する。また、図９Ｂに示すように、レーザ光６が接触部１６を半周して左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行うとともに給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２と給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９とを制御部２８で閉じて排気と給気とを停止する。

このように構成すれば、溶接する側が、溶接する側と対向する側の排気と給気との影響を受けないので、蓋２の構造物の構成に関係無く、長辺１ｂ側の接触部１６の溶接を更に安定させることができる。

前記第３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３として説明する。

図８Ａに示すように、右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときに、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行いつつ、左側の接触部１６においてケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で閉じて排気を停止する。このとき、左側の接触部１６においてケース１の左側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、右側の接触部１６においてケース１側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で閉じて給気を停止する。

この結果、右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するとき、左側の接触部１６においてケース１の左側の給気ノズル１５から給気された不活性ガスが、ケース１の外側面に当って上側に向きを変えたのち、右側の接触部１６で排気されている排気ノズル４−１の吸い込み口４−１ａに吸い込まれて排気される。この際、加工点で発生するブルーム７を、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向って確実に傾斜させるように作用する。

また、図８Ｂに示すように、レーザ光６が接触部１６を半周して左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行いつつ、右側の接触部１６においてケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で閉じて排気を停止する。このとき、右側の接触部１６においてケース１の右側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、左側の接触部１６においてケース１側の給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で閉じて給気を停止する。

この結果、左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するとき、右側の接触部１６においてケース１の右側の給気ノズル１５から給気された不活性ガスが、ケース１の外側面に当って上側に向きを変えたのち、左側の接触部１６で排気されている排気ノズル４−２の吸い込み口４−２ａに吸い込まれて排気される。この際、加工点で発生するブルーム７を、蓋２の平面と垂直な線に対して外側に向って確実に傾斜させるように作用する。

このように給排気を動作制御すること以外は、実施例１と同様に、接触部１６の全周でケース１と蓋２とを溶接した。

ケース１の長辺１ｂ側の接触部１６を溶接中にプルーム７を観察した結果、揺れが少なくプルーム７が安定しているように見えた。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見られなかった。所々に表面上の僅かなビードの乱れが観察されたが、その発生数は実施例１に比較すると更に少なくなっていた。これは、実施例１（図３）では常に両側の排気ノズル４−１と４−２が動作していて、溶接と対向する側の排気がプルーム７を照射点側に僅かに引き戻されることが、蓋２の構造物によって影響するのに対し、本実施例３では、溶接する側が、溶接する側と対向する側の排気の影響を全く受けないので、蓋２の構造物の構成に関係無く、長辺１ｂ側の接触部１６の溶接が安定したためだと考えられる。ビードの乱れの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。

前記第３実施形態の変形例において、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。

図９Ａに示す右側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行うとともに給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２と給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９とを制御部２８で閉じて排気と給気とを停止する。また、図９Ｂに示すように、レーザ光６が接触部１６を半周して左側の接触部１６においてケース１と蓋２とを溶接するときには、左側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−２の排気用流速調整バルブ２２を制御部２８で開いた状態で排気を行うとともに給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９を制御部２８で開いた状態で給気を行いつつ、右側の接触部１６では、ケース１側の排気ノズル４−１の排気用流速調整バルブ２２と給気ノズル１５の給気用流速調整バルブ２９とを制御部２８で閉じて排気と給気とを停止すること以外は、実施例３と同様に、接触部１６の全周でケース１と蓋２とを溶接した。

ケース１の長辺１ｂ側の接触部１６を溶接中にプルーム７を観察した結果、実施例３と比較して更に揺れが少なく、プルーム７が安定しているように見えた。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見られなかった。また、表面上のビードの乱れも観察されなかった。これは、溶接する側が、溶接する側と対向する側の排気と給気との影響を受けないので、蓋２の構造物の構成に関係無く、長辺１ｂ側の接触部１６の溶接が更に安定したためだと考えられる。ビードの乱れの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、実施例１〜４のそれぞれでは、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、実施例１〜４のそれぞれでは、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。

さらに、実施例１〜４のそれぞれでは、レーザ光照射装置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。

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（例えば、封口板）
３，３−１，３−２，３−３ ケースを規制する治具
３ａ 開口部
４−１，４−２，４−３ 排気ノズル
４−１ａ，４−２ａ，４−３ａ 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 排気ノズルと治具の間の部材
１４ 照射点の法線方向とプルームとの傾斜角度
１５ 給気ノズル
１５ａ 給気口
１６ 接触部
２０ 集塵装置
２１ レーザ光照射装置
２２ 排気用流速調整バルブ
２４ プルーム方向制御用排気装置
２８ 制御部
２９ 給気用流速調整バルブ
３０ ガス供給装置
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、
   前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置した排気ノズルの吸い込み口から、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を行い、
   前記排気ノズルの下方に前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置した給気ノズルの給気口から、前記蓋の平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて不活性ガスを供給する給気を行い、
   前記排気ノズルの前記吸い込み口で排気を行うとともに、前記給気ノズルの前記給気口から、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて給気を行いつつ、前記蓋の前記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、前記蓋の前記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、レーザ溶接方法。
2. 前記給気ノズルの前記給気口から不活性ガスを、前記ケースの外側面に当って上側に向きを変えるように供給することにより、前記給気を行う、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記排気ノズルのうちの長辺側の排気ノズルの長さが、前記ケースの長辺の長さより長く配置して、前記長辺側の排気ノズルの端の部分での吸引力と前記排気ノズルのうちの短辺側の排気ノズルでの吸引力とにより、前記レーザ光の走査する方向と外側の直角方向に近い角度に向かって前記プルームが吸引され続けて前記プルームが外側に傾斜する、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記接触部に前記レーザ光を照射するとき、前記接触部のうちの前記レーザ光を照射する位置に応じて、前記排気ノズルの前記吸い込み口からの前記排気と、前記給気ノズルの前記給気口からの前記給気とを、前記接触部の長辺側と短辺側とで個別的にオンオフ制御する、請求項１〜３のいずれか１つ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、前記蓋の前記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光照射装置と、
   前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置しかつ前記ケース側に開口した吸い込み口を有して、前記吸い込み口により、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に向けて傾斜させて前記レーザ光の前記軌道から外す排気ノズルと、
   前記排気ノズルの下方に前記接触部の外側に沿って全周にわたって配置され、かつ、前記ケース側に開口した給気口を有して、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて不活性ガスを供給する給気ノズルとを備えて、
   前記排気ノズルの前記吸い込み口で排気を行うとともに、前記給気ノズルの前記給気口から、前記蓋の前記平面と垂直な方向から見たときに前記蓋の外側から前記蓋の中央側に向けて給気を行いつつ、前記レーザ光照射装置で前記レーザ光を前記接触部に照射する、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と、
   前記排気ノズルに連結されて前記排気ノズルを開閉する排気用流速調整バルブと、
   前記給気ノズルに連結されて前記給気ノズルを開閉する給気用流速調整バルブと、
   前記接触部に前記レーザ光を照射するとき、前記接触部のうちの前記レーザ光を照射する位置に応じて、前記排気用流速調整バルブと前記給気用流速調整バルブとをそれぞれ個別にオンオフ制御して、前記排気ノズルの前記吸い込み口からの前記排気と、前記給気ノズルの前記給気口からの前記給気とを個別に制御する制御部とを備える、請求項５に記載のレーザ溶接装置。

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