JP2016002562A - レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの部材をレーザー溶接する場合において、各部材の隙間にレーザー光が差し込むことを確実に防止して、レーザー溶接の高速化を実現する。
【解決手段】第一の部材たる電池ケース２と第二の部材たる蓋部材３をレーザー溶接するためのレーザー溶接装置であって、電池ケース２と蓋部材３の境界部たる隙間１０にレーザー光を照射するためのレーザー照射手段２０である第一レーザー照射手段２０ａと、第一レーザー照射手段２０ａによるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側で、電池ケース２と蓋部材３にレーザー光を照射するための手段である第二レーザー照射手段２０ｂと、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法の技術に関し、より詳しくは、レーザー溶接の高速化を実現するための技術に関する。

従来、二つの部材をレーザー溶接するためのレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法が広く使用されている。
前記レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法を用いて二つの部材を溶接して製造される製品には、例えば、箱型の電池ケースと、蓋部材と、を備える二次電池があり、斯かる二次電池は、電池ケースの開口部に蓋部材をレーザー溶接することにより製造されるのが一般的である。
電池ケースの開口部に蓋部材をレーザー溶接する技術としては、例えば、以下に示す特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１に開示された従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置は、ケース（電池ケース）と封口板（蓋部材）にレーザー光を照射して両部材を溶接するものであり、レーザー光は、低密度レーザー光と高密度レーザー光から構成される。
特許文献１に開示された従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、低密度レーザー光を電池ケースと蓋部材および両部材の隙間に対して全体的に照射し、高密度レーザー光を低密度レーザー光の照射範囲の内側に存在する電池ケースと蓋部材に照射する構成としている。
そして、特許文献１に開示されたレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、電池ケースと蓋部材とを、高品質で安定して溶接することを可能にしている。

特開２０１２−１１０９０５号公報

特許文献１に開示された従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、低密度レーザー光は、高密度レーザー光による急激な温度変化を抑制するために照射されるものであり、素材を溶融させ、蒸発させることができるほどの強度で照射されるものではない。
このため、従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、溶融した素材を隙間に流入させるのに時間を要していた。
そして、従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、溶融した素材によって隙間を封止するのに時間を要するために、レーザー光（高密度レーザー光）の進行速度を速めた場合には、隙間にレーザー光が差し込むおそれがあった。
尚、以下では、隙間にレーザー光が差し込んで、溶接対象たるワークの内部あるいは裏側にレーザー光が到達する現象を、レーザー抜けと呼ぶ。

そして、特許文献１に開示された従来のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置では、溶接対象たるワークの内部あるいは裏側に保護すべき部位等がある場合には、レーザー抜けが生じない溶接速度に設定する必要があるため、レーザー溶接の高速化を図ることが困難であった。
このため、レーザー抜けを防止しつつ二つの部材をレーザー溶接する場合において、レーザー溶接の高速化を実現するレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法に係る技術の開発が望まれていた。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、二つの部材をレーザー溶接する場合において、各部材の隙間にレーザー光が差し込むことを確実に防止して、レーザー溶接の高速化を実現することができるレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、第一の部材と第二の部材をレーザー溶接するためのレーザー溶接装置であって、前記第一の部材と前記第二の部材の境界部にレーザー光を照射するための手段である第一のレーザー照射手段と、前記第一のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射するための手段である第二のレーザー照射手段と、を備えるものである。

請求項２においては、前記第一のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、かつ、前記第二のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における後側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射するための手段である第三のレーザー照射手段を備えるものである。

請求項３においては、一つのレーザー光源と回折光学素子を備え、前記第一のレーザー照射手段と、前記第二のレーザー照射手段を一体的に構成するものである。

請求項４においては、一つのレーザー光源と回折光学素子を備え、前記第一のレーザー照射手段と、前記第二のレーザー照射手段と、前記第三のレーザー照射手段を一体的に構成するものである。

請求項５においては、第一の部材と第二の部材をレーザー溶接するためのレーザー溶接方法であって、前記第一の部材と前記第二の部材の境界部にレーザー光を照射する第一レーザー照射工程と、前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射する第二レーザー照射工程と、を備えるものである。

請求項６においては、前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、かつ、前記第二レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における後側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射する第三レーザー照射工程を備えるものである。

請求項７においては、レーザー溶接の進行方向を９０度変更させつつレーザー溶接を行う部位が存在する場合において、前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光と、前記第二レーザー照射工程におけるレーザー光と、前記第三レーザー照射工程におけるレーザー光の照射パターンを、レーザー溶接の進行方向に対して前後左右に対称な配置とするものである。

請求項８においては、前記第一の部材が電池ケースで、前記第二の部材が蓋部材であり、前記電池ケースの開口部に前記蓋部材を溶接して前記開口部を封止する場合において、少なくとも前記開口部のコーナー部に、前記電池ケースと前記蓋部材の隙間を塞ぎつつ、前記蓋部材を支持する部位である支持部を設けるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、第二レーザー照射手段で照射するレーザー光で溶融させた素材によって第一の部材と第二の部材の隙間を埋めることができ、第一レーザー照射手段で照射するレーザー光が隙間を抜けて照射されることを防止できる。
これにより、レーザー溶接速度を高速化しても、レーザー抜けが生じることを確実に防止することができる。

請求項２においては、第三レーザー照射手段で照射するレーザー光で素材を十分に溶融させることができる。
これにより、レーザー溶接速度の高速化を図りつつ、十分な溶け込み深さを確保することができる。

請求項３においては、レーザー溶接速度の高速化を、簡易な構成のレーザー溶接装置によって実現することができる。

請求項４においては、十分な溶け込み深さを確保する可能なレーザー溶接装置を、簡易な構成によって実現することができる。

請求項５においては、第二レーザー照射工程で溶融させた素材によって第一の部材と第二の部材の隙間を埋めることで、第一レーザー照射工程で照射するレーザー光が隙間を抜けて照射されることを防止できる。
これにより、レーザー溶接速度を高速化しても、レーザー抜けが生じることを確実に防止することができる。

請求項６においては、第三レーザー照射工程で素材を十分に溶融させることができる。
これにより、レーザー溶接速度の高速化を図りつつ、十分な溶け込み深さを確保することができる。

請求項７においては、レーザー溶接速度の高速化を、簡易な構成のレーザー溶接装置によって実現することができる。

請求項８においては、コーナー部におけるレーザー抜けを確実に防止することができる。

レーザー溶接の対象ワークの一例たる二次電池を示す図、（ａ）斜視模式図、（ｂ）平面模式図。 二次電池のコーナー部におけるレーザー溶接状況を示す部分平面模式図。 二次電池のコーナー部における溶接前の部材の配置状況を示す模式図、（ａ）部分平面模式図、（ｂ）部分断面模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンを示す図、（ａ）主レーザー光と副レーザー光により構成する場合、（ｂ）主レーザー光、副レーザー光および追加レーザー光により構成する場合。 二次電池に対するレーザー光の照射状況を示す部分平面模式図、（ａ）本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法による場合、（ｂ）従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法による場合。 二次電池のレーザー溶接時における蒸発部の生成状況を示す平面模式図、（ａ）本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法の場合、（ｂ）従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法の場合。 二次電池に対するレーザー光の照射状況を示す部分断面模式図、（ａ）本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法による場合、（ｂ）従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法による場合。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置を構成する第一のレーザー照射手段を示す模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置による二次電池に対するレーザー光の照射状況を示す斜視模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置を構成する第二のレーザー照射手段（回折光学素子を有する場合）を示す模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンを示す図、（ａ）パターン１を示す図、（ｂ）パターン２を示す図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンを示す図、（ａ）パターン３を示す図、（ｂ）パターン４を示す図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンを示す図、（ａ）パターン５を示す図、（ｂ）パターン６を示す図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法によるレーザー溶接の実施状況を示す平面模式図。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるコーナー部に対するレーザー溶接の実施状況を示す模式図、（ａ）部分平面模式図、（ｂ）部分断面模式図。 レーザー抜けの防止状況を示す模式図、（ａ）支持部を有する場合、（ｂ）支持部がない場合。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法により溶接する対象である二次電池の構成について、図１〜図３を用いて説明をする。

図１（ａ）（ｂ）に示す如く、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法によりレーザー溶接を行い製造される二次電池１は、電池ケース２、蓋部材３、正極端子４、負極端子５等を備えている。

電池ケース２は、電極体（図示せず）と電解液（図示せず）を収容するための略直方体の容器であり、一つの面が開放され、開口部２ａが形成されている。
蓋部材３は、電池ケース２の開口部２ａを封止するための板状部材であり、開口部２ａの内周部の形状に略一致する外形形状を有し、かつ、大きさは開口部２ａの大きさに比して一回り小さく形成され、蓋部材３が開口部２ａの内側に収まるように構成している。
尚、本実施形態に示す二次電池１を構成する電池ケース２および蓋部材３は、いずれもアルミニウム製である。

二次電池１は、蓋部材３から外部に向けて突設される正極端子４と負極端子５を備えており、正極端子４は金具６を介して電極体の正極（図示せず）に電気的に接続され、負極端子５は金具７を介して電極体の負極（図示せず）に電気的に接続されている。また、二次電池１を構成する蓋部材３には、安全弁８および注液口９が形成されている。

図２に示す如く、電池ケース２の開口部２ａに蓋部材３を配置した状態では、開口部２ａと蓋部材３との間には、隙間１０が形成される。隙間１０は、各部品２・３の寸法公差に起因して生じるものであり、本実施形態に示す二次電池１では、０．５ｍｍ以下の微小な寸法で隙間１０が形成される。
二次電池１は、電池ケース２と蓋部材３という二つの部材をレーザー溶接し、開口部２ａを蓋部材３で封止することで製造され、レーザー溶接が完了した二次電池１において、隙間１０は、該隙間１０およびその周囲に溶け込んだビード１１により封止されている。

また、レーザー溶接は、隙間１０の延出方向に沿って行われ、二次電池１は、コーナー部１ａを備えている。このため、コーナー部１ａをレーザー溶接するときには、コーナー部１ａの両端部において、レーザー溶接の進行方向の向きが９０度変更される。
尚、本実施形態に示すコーナー部１ａにおける隙間１０はＲ形状を有しているが、二次電池１におけるコーナー部１ａの形状は、Ｒ形状でなくてもよい。
また、図２では、二次電池１における１箇所のコーナー部１ａを例示しているが、図１（ａ）（ｂ）に示すように、二次電池１には、平面視における二次電池１の４隅において合計４箇所のコーナー部１ａが備えられている。

図３（ａ）（ｂ）には、コーナー部１ａをレーザー溶接する前の状態における電池ケース２と蓋部材３の配置状況を示している。
レーザー溶接前の電池ケース２と蓋部材３には隙間１０が形成されているため、隙間１０に対してレーザー光が照射された場合には、レーザー抜け（電池ケース２の内部にまでレーザー光が到達する）が生じるおそれがあり、電池ケース２の内部に収容された電極体（図示せず）を損傷するおそれがある。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法は、このような電池ケース２と蓋部材３という二つの部材を、レーザー抜けを防止しながらレーザー溶接して二次電池１を製造するための技術である。
尚、本実施形態では、レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法の溶接対象たる二つの部材が、二次電池１を構成する電池ケース２と蓋部材３である場合を例示しているが、本発明に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法の適用対象たるワークを二次電池に限定するものではない。本発明に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法は、二つの部材をレーザー溶接して製造される種々のワークに対して広く適用することが可能である。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンについて、図４〜図７を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、レーザー照射手段によって、図４（ａ）に示すように、少なくとも主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２を組み合わせた照射パターンでレーザー光を照射して、レーザー溶接を行う構成としている。

主レーザー光Ｓ１は、該主レーザー光Ｓ１で付与する熱量によって、素材を十分に溶融させて、必要な溶け込み深さを確保するために照射される主要なレーザー光である。
副レーザー光Ｓ２は、主レーザー光Ｓ１の照射位置に対して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側に照射されるレーザー光を含んでいる。

主レーザー光Ｓ１は、図５（ａ）に示すように、電池ケース２と蓋部材３の境界部である隙間１０を狙って照射され、主レーザー光Ｓ１で付与する熱量によって、隙間１０周辺の素材を十分に溶融して、隙間１０周辺における素材の溶け込み深さが確保される。

主レーザー光Ｓ１に対して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側に照射される副レーザー光Ｓ２は、主レーザー光Ｓ１が照射される位置よりも前方の隙間１０に、溶融させた素材を供給するために照射されるレーザー光であり、副レーザー光Ｓ２によって、隙間１０周辺の素材が溶融される。

図５（ｂ）には、従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンを例示している。
従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンは、図５（ｂ）に示すように、主レーザー光Ｓ１のみを備える構成であった。このような照射パターンの場合、隙間１０と重なる位置に主レーザー光Ｓ１を配置し、主レーザー光Ｓ１により溶融された素材が隙間１０に溶け込むのを待って、レーザー溶接の進行方向Ｘに主レーザー光Ｓ１の照射位置を変位させることによって、レーザー溶接が行われる。
このような従来の照射パターンでは、レーザー溶接により形成されるビード１１の先端部に主レーザー光Ｓ１が位置する構成となるため、レーザー溶接の進行速度（即ち、主レーザー光Ｓ１の照射位置の変位速度）を大きくすると、隙間１０にレーザー光が差し込むおそれがあった。

一方、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、図４（ａ）および図５（ａ）に示すような照射パターンでレーザー光を照射することにより、主レーザー光Ｓ１の前方で、副レーザー光Ｓ２によって、電池ケース２や蓋部材３を溶融させるとともに、溶融させた素材を隙間１０に供給して埋めることができる。
このように、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２を組み合わせた照射パターンを採用することにより、隙間１０にレーザー光が差し込むこと（レーザー抜け）を防止することができ、ひいては、レーザー溶接速度の高速化を実現することができる。

また、図４（ａ）に示すように、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける主レーザー光Ｓ１よりも後方の素材に対しても、さらに副レーザー光Ｓ２を照射する構成とすることが好ましい。

従来のレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、隙間１０上に主レーザー光Ｓ１を配置すると、レーザー抜けを起こすおそれがあったため、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、隙間１０から離間させた位置に複数の主レーザー光Ｓ１・Ｓ１・・・を照射する構成とする場合があった。このような場合、図７（ｂ）に示すように、複数の蒸発部１２・１２・・・が離間して形成され、隙間１０の周辺における素材の溶け込み部Ｍの深さを十分に確保することができなかった。

一方、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、図６（ａ）に示すように、隙間１０上に主レーザー光Ｓ１を照射し、かつ、主レーザー光Ｓ１の進行方向Ｘにおける後側に副レーザー光Ｓ２を照射することで、一体的な蒸発部１２を広範囲に形成することができる。そして、主レーザー光Ｓ１の後側に副レーザー光Ｓ２を照射することで、図７（ａ）に示すように、隙間１０の周囲における素材の溶け込み部Ｍの深さを十分に確保することができる。
本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１の後側に副レーザー光Ｓ２を照射するように構成することで、溶接品質の向上を図ることができる。

さらに、図４（ｂ）に示す如く、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２だけでなく、さらに追加レーザー光Ｓ３を照射する構成とすることが好ましい。

追加レーザー光Ｓ３は、主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２によって形成される蒸発部１２をより確実に連続させるために照射されるレーザー光であり、主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２の間を狙って照射される。尚、追加レーザー光Ｓ３の照射強度は、副レーザー光Ｓ２と同程度とすることが好ましい。

レーザー溶接においては、レーザー光の照射により溶融している部位のほうが、溶融していない部位に比してエネルギー吸収率が高くなるため、素材が溶融している部位にレーザー光を照射することで、より効率よくレーザー溶接を進展させることができるという特性がある。このため、副レーザー光Ｓ２と主レーザー光Ｓ１の間に追加レーザー光Ｓ３を照射し、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３の照射部位を連続させることによって、レーザー光の照射部位全体を高温に維持することが可能になり、エネルギー吸収率を高めることで、素材の溶融をより短時間で効率よく行うことが可能になる。
そして、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法では、追加レーザー光Ｓ３を配置することで、素材を溶融させるのに要する時間が短縮され、レーザー溶接のさらなる高速化を図ることができるとともに、十分な溶け込み深さを得られるようになるため、溶接品質のさらなる向上を図ることができる。
尚、ここで言う「各レーザー光Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３の照射部位を連続させる」状態とは、レーザー光が照射された結果として素材に生じる蒸発部１２が連続する程度に、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３の照射部位が隣接している状態を指し、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３による照射範囲同士が必ずしも接していることを要しない。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置について、図８〜図１０を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置は、二つの部材をレーザー溶接するための装置であり、レーザー光を照射するための手段であるレーザー照射手段を備えている。
そして、レーザー溶接装置では、複数のレーザー照射手段を同時に組み合わせて使用することによって、例えば、図４（ａ）に示すような照射パターンで、レーザー光を照射することができるように構成される。

図８には、第一の実施形態に係るレーザー照射手段２０を示している。
レーザー照射手段２０は、レーザー発振器２１、ガルバノスキャナ２２、光ファイバー２３等を備えている。
レーザー発振器２１から発せられたレーザー光は、光ファイバー２３を通じてガルバノスキャナ２２に入射される。

ガルバノスキャナ２２は、高速かつ正確な位置にレーザー光を走査するための装置であり、一対の反射鏡（ガルバノミラー）２２ａ・２２ｂを備えている。
各反射鏡２２ａ・２２ｂは、図示しないモーター軸上に支持されており、モーターを駆動することによって、各反射鏡２２ａ・２２ｂの反射角を高速で変更し、これにより、レーザー光を高速で走査することを実現している装置である。
ガルバノスキャナ２２の入力側には、コリメートレンズ２６が配置されている。コリメートレンズ２６は、入力光（レーザー光）を平行光にして、ガルバノミラー２２ａ・２２ｂに送るためのレンズである。

また、ガルバノスキャナ２２の出力側には、Ｆθレンズ２４および保護レンズ２５が配置されている。Ｆθレンズ２４は、レーザー光の走査速度が一定となるように補正するためのレンズである。

レーザー照射手段２０では、ガルバノスキャナ２２の反射鏡２２ａ・２２ｂの角度をそれぞれ独立して変更しつつ、レーザー光を反射させることで、Ｆθレンズ２４で走査速度を補正しながら、二次電池１上にレーザー光を走査し、図９に示すように、二次電池１の溶接部位に対して（即ち、隙間１０に沿って）精度良く位置決めしつつレーザー光を照射する構成としている。

レーザー照射手段２０は、レーザー光の種類ごとに、仕様の異なるものが準備される。
本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置では、主レーザー光Ｓ１に対応する第一のレーザー照射手段２０である第一レーザー照射手段２０ａと、副レーザー光Ｓ２に対応する第二のレーザー照射手段２０である第二レーザー照射手段２０ｂと、を少なくとも備える構成としている。
また、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置では、第一レーザー照射手段２０ａと第二レーザー照射手段２０ｂだけでなく、追加レーザー光Ｓ３に対応する第三のレーザー照射手段２０である第三レーザー照射手段２０ｃ、を備える構成とすることが好ましい。

例えば、図４（ａ）に示すようなレーザー光の照射パターンを実現するためには、複数（ここでは８個）の各レーザー照射手段２０ａ・２０ｂを組み合わせてレーザー溶接装置を構成し、主レーザー光Ｓ１の照射位置には第一レーザー照射手段２０ａによってレーザー光を照射し、副レーザー光Ｓ２の照射位置には第二レーザー照射手段２０ｂによってレーザー光を照射する。

また、図４（ｂ）に示すようなレーザー光の照射パターンを実現するためには、さらに第三レーザー照射手段２０ｃを追加して、複数（ここでは９個）の各レーザー照射手段２０ａ・２０ｂ・２０ｃを組み合わせてレーザー溶接装置を構成し、追加レーザー光Ｓ３の照射位置には第三レーザー照射手段２０ｃによってレーザー光を照射する。

即ち、本発明の第一の実施形態に係るレーザー溶接装置は、第一の部材たる電池ケース２と第二の部材たる蓋部材３をレーザー溶接するための装置であって、電池ケース２と蓋部材３の境界部たる隙間１０にレーザー光を照射するためのレーザー照射手段２０である第一レーザー照射手段２０ａと、第一レーザー照射手段２０ａによるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側で、電池ケース２と蓋部材３にレーザー光を照射するための手段である第二レーザー照射手段２０ｂと、を備えるものである。
このような構成により、第一レーザー照射手段２０ａで照射するレーザー光で溶融させた素材によって電池ケース２と蓋部材３の隙間１０を埋めることができ、第二レーザー照射手段２０ｂで照射するレーザー光が隙間１０を抜けて照射されること（即ち、レーザー抜け）を防止でき、これにより、レーザー溶接速度を高速化しても、レーザー抜けが生じることを確実に防止することができる。

また、本発明の第一の実施形態に係るレーザー溶接装置は、第一レーザー照射手段２０ａによるレーザー光（主レーザー光Ｓ１）の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側で、かつ、第二レーザー照射手段２０ｂによるレーザー光（副レーザー光Ｓ２）の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける後側で、電池ケース２と蓋部材３に追加レーザー光Ｓ３を照射するための手段である第三レーザー照射手段２０ｃを備えるものである。
このような構成により、第三レーザー照射手段２０ｃで照射するレーザー光で素材を十分に溶融させることができ、これにより、レーザー溶接速度の高速化を図りつつ、溶接部位における素材の十分な溶け込み深さを確保することができる。

また、図１０には、レーザー照射手段の別実施形態を示している。
図１０に示す第二の実施形態に係るレーザー照射手段３０は、レーザー発振器２１、ガルバノスキャナ２２、光ファイバー２３等を備えるとともに、コリメートレンズ２６と回折光学素子３１を備える構成としている。
ガルバノスキャナ２２の入力側には、コリメートレンズ２６と回折光学素子３１が配置され、ガルバノスキャナ２２の出力側には、Ｆθレンズ２４および保護レンズ２５が配置されている。

レーザー照射手段３０では、コリメートレンズ２６でレーザー光の光束を平行に調整した後、レーザー光を回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）３１に通すことで、レーザー光の照射パターンを調整する。
そして、レーザー照射手段３０では、回折光学素子３１によって照射パターンを調整した後のレーザー光がガルバノスキャナ２２に入射されるように構成している。

即ち、レーザー照射手段３０では、図１０に示すように、一つのレーザー発振器２１から出力された一筋のレーザー光が、コリメートレンズ２６及び回折光学素子３１を通すことによって、複数筋のレーザー光に分光され、複数筋のレーザー光を、ガルバノスキャナ２２及びＦθレンズ２４を通して、二次電池１の溶接部位に対して（即ち、隙間１０に沿って）照射する構成としている。

そして、回折光学素子３１で、レーザー光を、主レーザー光Ｓ１および副レーザー光Ｓ２にそれぞれ対応するレーザー光に分光することで、一つのレーザー照射手段３０によって、第一レーザー照射手段２０ａと第二レーザー照射手段２０ｂと同じ機能を実現することができる。

即ち、レーザー照射手段３０は、一つのレーザー照射手段３０で、複数種類のレーザー照射手段２０ａ・２０ｂを、複数個備えているのと同等の機能を実現することができ、レーザー溶接装置の簡易化および低コスト化を図ることができる。
尚、ここでは、主レーザー光Ｓ１と副レーザー光Ｓ２に対応したレーザー光に分光することが可能な回折光学素子３１を例示しているが、回折光学素子３１の構成を調整することによって追加レーザー光Ｓ３に対応するレーザー光も併せて出力させることが可能である。
即ち、一つのレーザー発振器２１と回折光学素子３１を備える一つのレーザー照射手段３０で、三つのレーザー照射手段２０ａ・２０ｂ・２０ｃを有するのと同等の機能を果たすように構成することが可能である。

即ち、本発明の第二の実施形態に係るレーザー溶接装置は、一つのレーザー光源たるレーザー発振器２１と回折光学素子３１を備え、第一レーザー照射手段２０ａと、第二レーザー照射手段２０ｂを一体的に構成するものである。
このような構成により、レーザー溶接速度の高速化を、簡易な構成のレーザー溶接装置によって実現することができる。

また、本発明の第二の実施形態に係るレーザー溶接装置は、一つのレーザー光源たるレーザー発振器２１と回折光学素子３１を備え、第一レーザー照射手段２０ａと、第二レーザー照射手段２０ｂと、第三レーザー照射手段２０ｃを一体的に構成するものである。
このような構成により、溶接部位において素材の十分な溶け込み深さを確保することが可能なレーザー溶接装置を、簡易な構成によって実現することができる。

このように、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置は、複数のレーザー照射手段２０・２０・・・を個別に備える構成を採用することができ、あるいは、回折光学素子３１を備えたレーザー照射手段３０によって、複数のレーザー照射手段２０・２０・・・の機能を実現する構成を採用することもできる。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法におけるレーザー光の照射パターンのバリエーションについて、図１１〜図１３を用いて説明をする。
尚、以下に示すレーザー光の各照射パターンを実現するにあたり、レーザー溶接装置の構成（より詳しくは、採用するレーザー照射手段の構成）は、複数のレーザー照射手段２０・２０・・・を備える構成、あるいは一つのレーザー照射手段３０を備える構成、のいずれであってもよい。

ここではまず、レーザー光の照射パターンが、図１１（ａ）に示すような（パターン１）である場合について、説明をする。
図１１（ａ）に示す（パターン１）では、第一の部材たる電池ケース２と第二の部材たる蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置し、隙間１０と重なる位置に主レーザー光Ｓ１の照射位置を配置して、レーザー溶接を行う構成としている。
そして（パターン１）の照射パターンでは、レーザー溶接の進行方向Ｘを基準として、主レーザー光Ｓ１よりも前方の電池ケース２と蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２を配置し、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２の配置を略Ｖ字状とすることによって、主レーザー光Ｓ１よりも前方の隙間１０に、より速やかに溶融した素材を流入させることができる。
このため、（パターン１）を採用した場合には、副レーザー光Ｓ２および主レーザー光Ｓ１の移動速度を速くすることができ、レーザー溶接速度の高速化が図られる。

尚、（パターン１）では、隙間１０と重なる位置に、主レーザー光Ｓ１を１点だけ照射する構成としているが、図１１（ｂ）の（パターン２）に示す如く、主レーザー光Ｓ１を複数点（本実施形態では４点）照射する構成としてもよい。
この場合、（パターン１）を採用した場合に比して、副レーザー光Ｓ２および主レーザー光Ｓ１の移動速度をさらに速くすることができ、さらなるレーザー溶接速度の高速化を実現することができる。

次に、レーザー光の照射パターンが、図１２（ａ）に示すような（パターン３）である場合について、説明をする。
図１２（ａ）に示す（パターン３）では、第一の部材たる電池ケース２と第二の部材たる蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置し、隙間１０と重なる位置に主レーザー光Ｓ１の照射位置を配置している。
そして（パターン３）では、レーザー溶接の進行方向Ｘを基準として、主レーザー光Ｓ１よりも前方の電池ケース２と蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置するとともに、主レーザー光Ｓ１よりも後方の電池ケース２と蓋部材３にも副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置し、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２を略Ｘ字状の配置で照射する構成としている。
このような構成により、主レーザー光Ｓ１の照射位置よりも前方の隙間１０に対して、溶融した素材を速やかに流入させるとともに、溶融した素材を、主レーザー光Ｓ１よりも後方の副レーザー光Ｓ２・Ｓ２で、主レーザー光Ｓ１が通過した後に継続して加熱することができる。このような構成により、隙間１０における素材の溶け込み量を確実に確保して、溶接品質の向上を図ることができる。
即ち、（パターン３）では、レーザー溶接の高速化を図りつつ、レーザー溶接における溶接品質の向上も図ることができる。

尚、（パターン３）では、隙間１０と重なる位置に、主レーザー光Ｓ１を１点だけ照射する構成としているが、図１２（ｂ）の（パターン４）に示す如く、主レーザー光Ｓ１を複数点（本実施形態では４点）照射する構成としてもよい。
この場合、（パターン３）を採用した場合に比して、副レーザー光Ｓ２および主レーザー光Ｓ１の移動速度をさらに速くすることができ、レーザー溶接速度のさらなる高速化を実現することができる。

次に、レーザー光の照射パターンが、図１３（ａ）に示すような（パターン５）である場合について、説明をする。
図１３（ａ）に示す（パターン５）では、電池ケース２と蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置し、隙間１０と重なる位置に主レーザー光Ｓ１を配置し、進行方向Ｘを基準として、主レーザー光Ｓ１より前方の電池ケース２と蓋部材３の両方に副レーザー光Ｓ２・Ｓ２の照射位置を配置するとともに、主レーザー光Ｓ１より後方の電池ケース２と蓋部材３にも副レーザー光Ｓ２・Ｓ２を配置し、各レーザー光Ｓ１・Ｓ２の照射位置を略Ｘ字状に配置する構成としている。
そして（パターン５）を採用した場合には、副レーザー光Ｓ２と主レーザー光Ｓ１の間において、さらに追加レーザー光Ｓ３の照射位置を配置する構成としている。

尚、（パターン５）では、隙間１０と重なる位置に、主レーザー光Ｓ１を１点だけ照射する構成としているが、図１３（ｂ）の（パターン６）に示す如く、主レーザー光Ｓ１を複数点（本実施形態では４点）照射する構成としてもよく、この場合、（パターン５）を採用した場合に比して、副レーザー光Ｓ２および主レーザー光Ｓ１の移動速度をさらに速くすることができ、レーザー溶接速度のさらなる高速化を実現することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、副レーザー光Ｓ２と主レーザー光Ｓ１の間に追加レーザー光Ｓ３を配置することで、素材を溶融させるのに要する時間が短縮され、レーザー溶接の高速化を実現するとともに、十分な溶け込み深さが得られるようになるため、溶接品質の向上も実現することができる。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法について、図１４〜図１６を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法は、第一の部材と第二の部材をレーザー溶接する方法であって、本実施形態では、図１４に示すように、電池ケース２の開口部２ａと蓋部材３との間で形成される略矩形の隙間１０に沿って、レーザー光の照射位置を略矩形に走査することで、開口部２ａに蓋部材３をレーザー溶接するものであり、レーザー溶接の開始位置に終了位置を重複させることで、矩形状で無端のビード１１を形成してレーザー溶接する構成としている。
尚、ここでは、回折光学素子３１を備えて構成される第二の実施形態に係るレーザー溶接装置を用いて、レーザー溶接を行う場合を例示して説明をする。

本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、先述した（パターン１）〜（パターン６）の照射パターンを選択することができる。
例えば、（パターン１）〜（パターン４）を選択した場合、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１を照射する第一レーザー照射工程と、副レーザー光Ｓ２を照射する第二レーザー照射工程と、を備えるように構成される。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１を照射する第一レーザー照射工程と、副レーザー光Ｓ２を照射する第二レーザー照射工程と、を備えるように構成することで、レーザー抜けを確実に防止して、レーザー溶接の高速化を図ることができる。

また、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、（パターン５）および（パターン６）を選択した場合、主レーザー光Ｓ１を照射する第一レーザー照射工程と、副レーザー光Ｓ２を照射する第二レーザー照射工程に加えて、さらに、追加レーザー光Ｓ３を照射する第三レーザー照射工程と、を備えるように構成される。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、主レーザー光Ｓ１を照射する第一レーザー照射工程と、副レーザー光Ｓ２を照射する第二レーザー照射工程と、さらに、追加レーザー光Ｓ３を照射する第三レーザー照射工程と、を備えるように構成することで、レーザー抜けを確実に防止して、レーザー溶接の高速化を図るとともに、溶接品質の向上を図ることができる。

即ち、第一の部材たる電池ケース２と第二の部材たる蓋部材３をレーザー溶接する方法であって、電池ケース２と蓋部材３の境界部にレーザー光（主レーザー光Ｓ１）を照射する第一レーザー照射工程と、第一レーザー照射工程における主レーザー光Ｓ１の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、電池ケース２と蓋部材３にレーザー光（副レーザー光Ｓ２）を照射する第二レーザー照射工程と、を備えるものである。
このような構成により、第二レーザー照射工程で溶融させた素材によって電池ケース２と蓋部材３の隙間１０を埋めることで、第一レーザー照射工程で照射するレーザー光が隙間１０を抜けて照射されること（即ち、レーザー抜け）を防止でき、これにより、レーザー溶接速度を高速化しても、レーザー抜けが生じることを確実に防止することができる。

また、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法は、第一レーザー照射工程におけるレーザー光（主レーザー光Ｓ１）の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける前側で、かつ、第二レーザー照射工程におけるレーザー光（副レーザー光Ｓ２）の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向Ｘにおける後側で、電池ケース２と蓋部材３にレーザー光（追加レーザー光Ｓ３）を照射する第三レーザー照射工程を備えるものである。
このような構成により、第三レーザー照射工程で素材を十分に溶融させることができ、これにより、レーザー溶接速度の高速化を図りつつ、溶接部位における素材の十分な溶け込み深さを確保することができる。

二次電池１のように、コーナー部１ａを有するワークにレーザー溶接を行う場合、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法では、図１５に示すように、コーナー部１ａにおいて電池ケース２と蓋部材３をレーザー溶接するときに、レーザー溶接装置によるレーザー光の照射パターンをＲ形状に沿って回転させることなく（即ち、レーザー照射手段３０を回転させることなく）レーザー溶接の進行方向Ｘを９０度方向転換して、レーザー溶接を行う構成としている。
このようなレーザー溶接方法は、図１２、図１３に示す（パターン３）〜（パターン６）のように、レーザー光の照射パターンを、レーザー溶接の進行方向Ｘに対して前後左右に対称形に構成した場合において、特に有効である。

例えば仮に、コーナー部１ａをレーザー溶接するときにレーザー照射手段３０を回転させる構成とした場合、レーザー照射手段３０の回転動作と変位動作を同期させる必要が生じるため、レーザー溶接の高速化を阻害する要因となる。

一方、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法のように、レーザー照射手段３０を回転させることなくレーザー照射手段３０をレーザー溶接の進行方向Ｘに変位させる構成では、コーナー部１ａをレーザー溶接するときに、レーザー照射手段３０の変位速度を減速させる必要がないため、レーザー溶接の高速化に有利である。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法は、レーザー溶接の進行方向を９０度変更させつつレーザー溶接を行う部位が存在する場合、即ちコーナー部にレーザー溶接を行う場合において、第一レーザー照射工程におけるレーザー光（主レーザー光Ｓ１）と、第二レーザー照射工程におけるレーザー光（副レーザー光Ｓ２）と、第三のレーザー照射工程におけるレーザー光（追加レーザー光Ｓ３）の照射パターンを、（パターン３）〜（パターン６）に示す如く、レーザー溶接の進行方向Ｘに対して前後左右に対称な配置とするものである。
このような構成により、レーザー溶接速度の高速化を、簡易な構成のレーザー溶接装置によって実現することができる。

また、本実施形態に示すレーザー溶接方法では、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、コーナー部１ａにレーザー光を照射するときに、レーザー抜けが生じることを防止するために、コーナー部１ａに支持部１３を配置した状態で、レーザー溶接を行う構成としている。

支持部１３は、少なくともコーナー部１ａを包含する範囲において、電池ケース２の内面から内側に向けて、隙間１０の幅以上の高さ（厚み）で膨出させて設けられる部位であり、少なくともコーナー部１ａにおける隙間１０を封止することができるように配置される。
レーザー光の照射パターンが主レーザー光Ｓ１に先行する副レーザー光Ｓ２を備える場合、照射位置がコーナー部１ａに差し掛かると、図１５（ａ）に示すように、主レーザー光Ｓ１に先行する副レーザー光Ｓ２が、必ず隙間１０を横切ることになる。
このため、コーナー部１ａにおいては、レーザー抜けを生じるおそれがあるが、コーナー部１ａにおける隙間１０を下方から支持部１３で封止する構成とすることで、隙間１０に入射したレーザー光は支持部１３に当たるため、コーナー部１ａにおけるレーザー抜けを容易かつ確実に防止することができる。

このような支持部１３は、レーザー溶接の開始点として選択する部位に適している。
支持部１３が無い場合、レーザー溶接を行う際の開始点は、電池ケース２及び蓋部材３を選択する必要があり、開始点に選択した電池ケース２あるいは蓋部材３を溶融させて隙間１０を封止した後に、隙間１０に沿って、主レーザー光Ｓ１を進行させる構成としている。

一方、支持部１３が有る場合、レーザー溶接を行う際の開始点として電池ケース２あるいは蓋部材３を選択する必要がなく、最初から隙間１０上に主レーザー光Ｓ１を配置することができ、隙間１０の下方に位置する支持部１３にレーザー光を当てつつ、その周囲の電池ケース２及び蓋部材３を溶融させることで、その後隙間１０に沿ってレーザー溶接を進行させることができる。
従って、支持部１３を設けた場合には、レーザー照射手段３０の変位距離を短くすることができ、レーザー溶接の高速化する場合に有利である。

尚、支持部１３に態様は、例えば、図１６（ａ）に示すコーナー部１ａのケースの壁面に段差を形成して設ける態様や、あるいは、コーナー部１ａにケースの壁面から内側向きに突出する部材を付設して設ける態様等、種々の態様を採用することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法は、電池ケース２の開口部２ａに蓋部材３を溶接して開口部２ａを封止する場合において、少なくともコーナー部１ａにおいて、電池ケース２と蓋部材３の隙間１０を塞ぎつつ、蓋部材３を支持する部位である支持部１３を設けるものである。
このような構成により、コーナー部１ａにおけるレーザー抜けを確実に防止することができる。

１ 二次電池
１ａ コーナー部
２ 電池ケース（第一の部材）
２ａ 開口部
３ 蓋部材（第二の部材）
１０ 隙間
１３ 支持部
２０ レーザー照射手段
２０ａ 第一レーザー照射手段
２０ｂ 第二レーザー照射手段
２０ｃ 第三レーザー照射手段
３１ 回折光学素子
Ｓ１ 主レーザー光
Ｓ２ 副レーザー光
Ｓ３ 追加レーザー光

Claims (8)

1. 第一の部材と第二の部材をレーザー溶接するためのレーザー溶接装置であって、
   前記第一の部材と前記第二の部材の境界部にレーザー光を照射するための手段である第一のレーザー照射手段と、
   前記第一のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射するための手段である第二のレーザー照射手段と、
   を備える、
   ことを特徴とするレーザー溶接装置。
2. 前記第一のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、かつ、前記第二のレーザー照射手段によるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における後側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射するための手段である第三のレーザー照射手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接装置。
3. 一つのレーザー光源と回折光学素子を備え、
   前記第一のレーザー照射手段と、
   前記第二のレーザー照射手段を一体的に構成する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー溶接装置。
4. 一つのレーザー光源と回折光学素子を備え、
   前記第一のレーザー照射手段と、前記第二のレーザー照射手段と、前記第三のレーザー照射手段を一体的に構成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー溶接装置。
5. 第一の部材と第二の部材をレーザー溶接するためのレーザー溶接方法であって、
   前記第一の部材と前記第二の部材の境界部にレーザー光を照射する第一レーザー照射工程と、
   前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射する第二レーザー照射工程と、
   を備える、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
6. 前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における前側で、かつ、前記第二レーザー照射工程におけるレーザー光の照射位置に比して、レーザー溶接の進行方向における後側で、前記第一の部材と前記第二の部材にレーザー光を照射する第三レーザー照射工程を備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザー溶接方法。
7. レーザー溶接の進行方向を９０度変更させつつレーザー溶接を行う部位が存在する場合において、
   前記第一レーザー照射工程におけるレーザー光と、前記第二レーザー照射工程におけるレーザー光と、前記第三レーザー照射工程におけるレーザー光の照射パターンを、
   レーザー溶接の進行方向に対して前後左右に対称な配置とする、
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザー溶接方法。
8. 前記第一の部材が電池ケースで、前記第二の部材が蓋部材であり、
   前記電池ケースの開口部に前記蓋部材を溶接して前記開口部を封止する場合において、
   少なくとも前記開口部のコーナー部に、
   前記電池ケースと前記蓋部材の隙間を塞ぎつつ、前記蓋部材を支持する部位である支持部を設ける、
   ことを特徴とする請求項５〜請求項７の何れか一項に記載のレーザー溶接方法。

Images