JP2015147220A

JP2015147220A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2015147220A
Application number: JP2014019756A
Authority: JP
Inventors: 亮津久井; Akira Tsukui
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-08-20

Abstract

【課題】溶接不良を回避することができるとともに、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】回折光学素子によりレーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状に成形し、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に照射し、封止キャップ４は、封止キャップ４の周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を封止キャップ４に照射した場合に、成形されたレーザ光の０次光が照射される部分が当該０次光によりデフォーカス状態で照射されるような形状を有している、レーザ溶接方法。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

電池には、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、二次電池等がある。中でも、電気を駆動源として利用する車両に搭載される電源、或いはパソコンや携帯端末その他の電気製品等に用いられる電源として二次電池の重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池等の密閉型電池は、車両搭載用高出力電源として好ましい。

一般に、リチウムイオン二次電池は、正極シート、セパレータ、負極シートを捲回して電極体を作製する電極体作製工程と、当該電極体を電池ケースの中に収容し、電池ケースの開口部に封口体を嵌合する組み立て工程と、電池ケース内部に電解液を注入する電解液注入工程と、を経て製造される。

また、電解液注入工程では、封口体に設けられた注入口から電解液を注入した後、当該注入口に対して封止キャップをレーザ溶接する。具体的には、図７に示すように、封口体２０の注入口５０と封止キャップ４０との溶接部分に対してレーザ光を一周走査することにより、注入口５０を封止キャップ４０により封止する。この際、レーザ光の走査部分が一部重複するように、レーザ光は走査開始位置から一周走査した後、当該走査開始位置を超えて所定距離走査される。そのため、走査開始位置と走査終了位置との間には、レーザ光が２回走査されて２度溶接される部分（重複部分）が生じる。この２度溶接された部分において、ボイドやブローホール等の溶接不良が発生するという問題がある。なお、図７において、レーザ光の走査方向を矢印で示し、レーザ光が照射される部分をハッチングで示す。また、レーザ光が２回走査される部分（重複部分）を破線の四角で示す。

そこで、本願発明者は、回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ）等を用いてレーザ光を注入口と封止キャップとの溶接部分と略同形状となるように成形して照射すれば、レーザ光が２回走査されることによって生じる溶接不良を回避できることを見出した。
特許文献１には、棒状突起物をランド部にレーザ溶接する際に、棒状突起物がレーザ光によって熱的損傷を受けるのを防ぐため、レーザ光を円環状に照射する技術が記載されている。

特開２００１−１０５１６８号公報

しかしながら、注入口と封止キャップとの溶接部分の形状は環状であるため、回折光学素子を用いてレーザ光を当該環状となるように成形すると、原理上、当該環状の中心部分に０次光が発生する。そして、当該０次光により封止キャップの中央部分が溶融してしまう虞がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、溶接不良を回避することができるとともに、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができるレーザ溶接方法を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様にかかるレーザ溶接方法は、光学素子によりレーザ光をワークの周縁部の形状に成形し、成形されたレーザ光を前記ワークの前記周縁部に照射するものである。また、前記レーザ溶接方法において、前記ワークは、前記ワークの前記周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を前記ワークに照射した場合に、成形されたレーザ光の０次光が照射される部分が当該０次光によりデフォーカス状態で照射されるような形状を有している。

本発明の第１の態様にかかるレーザ溶接方法によれば、光学素子によりレーザ光をワークの周縁部の形状に成形し、成形されたレーザ光を前記ワークの前記周縁部に照射するため、ワークの周縁部を溶接する際にレーザ光を当該周縁部に重複して照射する必要がない。そのため、レーザ光が重複して照射されることによって生じる溶接不良を回避することができる。また、ワークは、ワークの周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光をワークに照射した場合に、成形されたレーザ光の０次光が照射される部分が当該０次光によりデフォーカス状態で照射される。そのため、０次光によって、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができる。よって、溶接不良を回避することができるとともに、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができる。

溶接不良を回避することができるとともに、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができるレーザ溶接方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとを示す斜視図である。本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとの溶接部分を示す上面図である。本発明の実施の形態１にかかる封止キャップの断面形状と、本発明の実施の形態１にかかるレーザ溶接方法において成形されたレーザ光の強度分布を説明する図である。０次光の発生を説明する模式図である。平板状の封止キャップ及び本発明の実施の形態１にかかる封止キャップに対してレーザ光を略円環状に成形して照射した場合における０次光照射部分の溶け込み深さを示すグラフである。従来のレーザ溶接方法を説明する、リチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとの溶接部分を示す上面図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池１００の斜視図である。図１に示すように、リチウムイオン二次電池１００は、電極体（図示省略）を収容する電池ケース１、封口体２、電極端子３、封止キャップ（ワーク）４等を備えている。

電極体は、正極シートと負極シートとが、セパレータ（図示省略）を介して積層されたものである。また、電極体は、扁平形状に捲回されて、電池ケース１内に収容される。

電池ケース１は、扁平な箱状の部材である。そして、電池ケース１内部には、捲回された電極体と、非水電解液が収容されている。
また、電池ケース１は上面が開口されている。そして、封口体２は、電池ケース１の開口部に嵌合している。換言すれば、電池ケース１と封口体２とは、リチウムイオン二次電池１００の筐体を形成する。

また、封口体２には、電極端子３が取り付けられている。また、封口体２には、電池ケース１内部に電解液を注入するための注入口５が設けられている。
なお、電池ケース１と封口体２とは、金属製である。

電極端子３は、正極端子及び負極端子であり、封口体２に取り付けられている。また、電極端子３は、電池ケース１内部において、電極体と電気的に接続されている。電極端子３は導電性材料により形成されている。

封止キャップ４は、封口体２の注入口５にレーザ溶接される。これにより、注入口５を封止キャップ４により封止する。

図２は、リチウムイオン二次電池１００の注入口５と封止キャップ４とを示す斜視図である。また、図３は、リチウムイオン二次電池１００の注入口５と封止キャップ４との溶接部分を示す上面図である。本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法により成形されたレーザ光が照射される部分をハッチングで示す。また、当該成形されたレーザ光の０次光が照射される部分をハッチングで示す。
図２、図３に示すように、リチウムイオン二次電池１００の注入口５は、略円形形状となっている。また、封止キャップ４は、同様に、平面視略円形形状となっており、封止キャップ４の径は、当該注入口５の径よりも若干大きい。
また、封止キャップ４は、周縁部から中央部に向かうにつれて徐々に凹んだ形状を有している。換言すれば、封止キャップ４は、すり鉢状の形状を有している。
なお、当該注入口５の形状及び封止キャップ４の平面視形状は、略円形に限定されるものではなく、略三角形状、略四角形状、その他の多角形形状、楕円形状であってもよい。

また、封止キャップ４は、アルミ等のレーザ溶接可能な金属により形成されている。封止キャップ４に用いることのできる金属としては、熱可塑性を有し、電解液を透過させず、電解液に対して耐性を有する金属であればよい。
なお、封止キャップ４は、レーザ光に対して透過率の高い、レーザ光透過性樹脂により形成されていてもよい。封止キャップ４に用いることのできるレーザ光透過性樹脂としては、熱可塑性を有し、電解液を透過させず、電解液に対して耐性を有する樹脂であればよい。

そして、図３に示すように、封口体２の注入口５に封止キャップ４を嵌め、封止キャップ４の周縁部にレーザ光を照射することにより、注入口５に封止キャップ４を溶接する。これにより、注入口５が封止キャップ４により封止される。

次に、本実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池１００の製造方法について簡単に説明する。
まず、正極シート、セパレータ、負極シートを捲回して電極体を作製する（電極体作製工程）。次に、当該電極体を電池ケース１の中に収容し、電池ケース１の開口部に封口体２を嵌合する（組み立て工程）。次に、電池ケース１内部に注入口５から電解液を注入し、当該注入口５を封止キャップ４により封止する（電解液注入工程）。

また、電解液注入工程では、封口体２に設けられた注入口５から電解液を注入した後、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法により、当該注入口５に対して封止キャップ４をレーザ溶接する。

以下、図４を参照しながら、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法について説明する。図４の上側には、封止キャップ４の断面形状を示し、図４の下側には、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法におけるレーザ光の強度分布を示す。また、図４の下側において、縦軸はレーザ光の強度を示し、横軸は照射位置を示す。図４のレーザ光の強度分布において、横軸が示す照射位置は、図４の上側に示す封止キャップ４の幅方向における位置に対応している。

本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法においては、まず、光学素子によりレーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状に成形する。レーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状に成形する光学素子としては、例えば、回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ）、プリズム等を用いることができる。本実施の形態１では、回折光学素子を用いて、レーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状と略同形状となるように成形する。換言すれば、回折光学素子により、注入口５と封止キャップ４との溶接部分（被溶接部分）と略同形状となるようにレーザ光を成形する。即ち、回折光学素子により、レーザ光を略円環状に成形する。

次に、図４に示すように、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に対してフォーカス状態となるように照射する。具体的には、具体的には、キーホール溶接程度のエネルギーでレーザ光が封止キャップ４の周縁部に照射されるように、焦点距離を調節してレーザ光を照射する。
なお、回折光学素子の出射側に３Ｄ−ガルバノスキャナを配置し、当該３Ｄ−ガルバノスキャナにより、レーザ光の焦点距離を調節することができる。

回折光学素子を用いて、レーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状と略同形状に成形する際、図５に示すように０次光が発生する。そして、回折光学素子を用いて成形したレーザ光を封止キャップ４の周縁部に照射されると、当該レーザ光の０次光が封止キャップ４の中央部に照射される。封止キャップが平面視略円形形状の平板である場合、当該封止キャップの周縁部に成形されたレーザ光をフォーカス状態で照射すると、当該封止キャップの中央部に０次光もフォーカス状態で照射されてしまう。そのため、当該封止キャップの意図しない箇所が不要に溶融してしまう。

本実施の形態１にかかる封止キャップ４は、周縁部から中央部に向かうにつれて徐々に凹んだ形状を有している。そのため、図４に示すように、封止キャップ４の周縁部に成形されたレーザ光をフォーカス状態で照射すると、封止キャップ４の中央部に０次光はデフォーカス状態で照射される。換言すれば、封止キャップ４は、封止キャップ４の周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を封止キャップ４に照射した場合に、封止キャップ４の中央部が成形されたレーザ光の０次光によりデフォーカス状態で照射されるような形状を有している。これにより、封止キャップ４の意図しない箇所が不要に溶融してしまうのを防ぐことができる。

なお、封止キャップ４の周縁部から中央部が凹む深さは、封止キャップ４の周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を封止キャップ４に照射した場合に、封止キャップ４の中央部に照射される０次光のエネルギーによって封止キャップ４の中央部が溶融しない深さであればよい。

ここで、フォーカス状態とは、レーザ光の光束径が最も細くなる部分が照射される状態を意味する。
また、デフォーカス状態とは、レーザ光の光束径が最も細くなってから再度広がった部分が照射される状態を意味する。

図６を参照して、実施の形態１にかかる封止キャップ、平面視略円形形状の平板状の封止キャップに対してレーザ光を円環状に成形して照射した場合における０次光照射部分の溶け込み深さについて説明する。図６において、縦軸は、０次光照射部分の溶け込み深さ（μｍ）を示す。なお、溶け込み深さは、マイクロスコープを用いて計測した。

また、レーザ溶接機としては、ファイバーレーザ溶接機を用い、光源としては、マルチレーザ（５ｋＷ）を用いた。また、当該ファイバーレーザ溶接機の３Ｄ−ガルバノスキャナの光源側に回折光学素子を配置した。また、レーザ溶接の前に、注入口５に対して封止キャップ４を仮止め溶接（４点スポット溶接）した。

図６に示すように、平面視略円形形状の平板状の封止キャップでは、中央部が約４μｍ溶融してしまうのに対し、本実施の形態１にかかる封止キャップ４では、中央部に溶融が発生した形跡は見られなかった。

以上に説明した実施の形態１にかかるレーザ溶接方法によれば、回折光学素子によりレーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状に成形し、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に照射するため、封止キャップ４の周縁部を溶接する際にレーザ光を当該周縁部に重複して照射する必要がない。そのため、レーザ光が重複して照射されることによって生じる溶接不良を回避することができる。また、封止キャップ４は、封止キャップ４の周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を封止キャップ４に照射した場合に、成形されたレーザ光の０次光が照射される部分が当該０次光によりデフォーカス状態で照射される。そのため、０次光によって、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができる。よって、溶接不良を回避することができるとともに、意図しない箇所が不要に溶融することを防ぐことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１電池ケース
２封口体
３電極端子
４封止キャップ（ワーク）
５注入口

Claims

光学素子によりレーザ光をワークの周縁部の形状に成形し、
成形されたレーザ光を前記ワークの前記周縁部に照射し、
前記ワークは、前記ワークの前記周縁部が焦点位置となるように、成形されたレーザ光を前記ワークに照射した場合に、成形されたレーザ光の０次光が照射される部分が当該０次光によりデフォーカス状態で照射されるような形状を有している、レーザ溶接方法。