JP2016030280A - Method and apparatus for laser welding of metal foil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多数積層された金属箔をレーザ光を用いて溶接するレーザ溶接方法及び装置に関する。 The present invention relates to a laser welding method and apparatus for welding a plurality of laminated metal foils using laser light.
近年、民間旅客機のバッテリが発熱して出火する事故が相次いで発生している。このバッテリはリチウムイオン電池であり、複数の電池セルのうちの1つに電気的短絡が発生して熱暴走を起こし、他の電池セルに波及したことにより出火したとの報告がなされている。 In recent years, there have been a series of accidents in which private passenger aircraft batteries generate heat and catch fire. This battery is a lithium ion battery, and it has been reported that an electrical short circuit occurred in one of a plurality of battery cells to cause a thermal runaway, and the fire broke out when it spread to other battery cells.
この事故を起こしたリチウムイオン電池を含む従来の積層型リチウムイオン電池では、その多数の電極集電箔相互の接合、並びに電極集電箔及び電極タブ間の接合に超音波接合法が用いられている。 In the conventional laminated lithium ion battery including the lithium ion battery which caused this accident, an ultrasonic bonding method is used for joining the many electrode current collector foils and between the electrode current collector foil and the electrode tab. Yes.
超音波接合法は、積層可能な箔数に限度があり(40枚程度)、しかも、その枚数が増えると、特に上層部分が接合時の圧力で異常に圧縮され、さらにその縁部が振動によって剥がれ易くなり切れ易くなる。縁部が切れると、電極集電箔部分に過電流が流れて高熱が発生し、事故の原因となる。 The ultrasonic bonding method has a limit to the number of foils that can be laminated (about 40 sheets). Moreover, when the number of foils increases, the upper layer part is compressed abnormally by the pressure at the time of joining, and the edge part is further affected by vibration. It becomes easy to peel off and easily cut. When the edge is cut, an overcurrent flows through the electrode current collector foil and high heat is generated, causing an accident.
超音波接合法を用いることなく、レーザ溶接により積層箔及び集電箔を溶接する方法が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2)。
There has been proposed a method of welding a laminated foil and a current collector foil by laser welding without using an ultrasonic bonding method (for example,
特許文献1には、正極板及び負極板がセパレータを介して積層又は捲回されてなる電極群を用意し、電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続し、電極群を電池ケース内に収容し、リードの他端を封口板に当接させて、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するファイバーレーザ光を連続的に走査しながらリード側から照射することによって、リードの他端を封口板にレーザ溶接し、封口板によって、前池ケースの開口部を封口する密閉型二次電池の製造方法が開示されている。
In
特許文献2には、溶接台上に重ねて配置された複数枚の金属箔をレーザ光で相互に溶接する金属箔溶接方法として、重ねて配置された複数枚の金属箔上に向かって圧力気体を局所的に噴射しつつ一方向に相対移動することによりこの圧力気体による圧迫される部位を一方向へ相対移動させ、複数枚の金属箔上において圧力気体の噴射により圧迫されている部位に向かってレーザ光を照射しつつこのレーザ光の照射位置を一方向へ移動させることにより複数枚の金属箔を相互に溶接する金属箔溶接方法が開示されている。 In Patent Document 2, as a metal foil welding method in which a plurality of metal foils arranged on a welding table are welded to each other with laser light, a pressure gas is applied onto the plurality of metal foils arranged in a stack. The portion compressed by the pressure gas is relatively moved in one direction by relatively moving in one direction while locally injecting, and toward the portion compressed by the injection of pressure gas on a plurality of metal foils. A metal foil welding method is disclosed in which a plurality of metal foils are welded to each other by moving the irradiation position of the laser light in one direction while irradiating the laser light.
しかしながら、特許文献1及び2に記載されたごとき従来技術のレーザ溶接によって電極集電箔及び電極タブを溶接すると、溶けた金属が飛散して粒状に固まるいわゆるスパッタが発生したり、小空気孔であるブローホールが箔内部に発生する可能性があった。電池セル生産において、箔内にスパッタやブローホールが発生することは全く許されない。
However, when the electrode current collector foil and the electrode tab are welded by laser welding of the prior art as described in
また、従来技術のレーザ溶接によって電極集電箔及び電極タブを溶接すると、電極集電箔及び電極タブの密着が不安定となり易く、箔に穴開きが生じることにより、確実な接合が難しかった。 Further, when the electrode current collector foil and the electrode tab are welded by laser welding according to the prior art, the close contact between the electrode current collector foil and the electrode tab tends to be unstable, and a hole is formed in the foil, so that reliable bonding is difficult.
従って、本発明の目的は、スパッタやブローホールの発生を抑制できる金属箔のレーザ溶接方法及び装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal foil laser welding method and apparatus capable of suppressing the occurrence of spatter and blow holes.
本発明の他の目的は、多層の電極集電箔の接合並びにこれら電極集電箔及び電極タブを安定して確実に接合することのできる金属箔のレーザ溶接方法及び装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for laser welding metal foils that can join multi-layer electrode current collector foils and can stably and reliably bond these electrode current collector foils and electrode tabs. .
本発明のさらに他の目的は、箔内にスパッタやブローホールが存在せず、しかも箔に穴開きのない積層型電池セルを容易に量産することができる金属箔のレーザ溶接方法及び装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a metal foil laser welding method and apparatus capable of easily mass-producing laminated battery cells that are free of spatter and blowholes in the foil and have no holes in the foil. There is to do.
本発明によれば、積層された複数枚の金属箔を加圧固定する箔溶接用治具と、レーザ光を金属箔の溶接個所に印加して溶接するレーザ溶接手段と、溶接する際に金属箔の溶接部に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備えた金属箔のレーザ溶接装置が提供される。箔溶接用治具は、押さえ側治具部材と受け側治具部材とを備えている。押さえ側治具部材は、溶接個所に対応して設けられレーザ光が通る少なくとも1つの貫通穴を有している。受け側治具部材は、押さえ側治具部材の貫通穴の下側の開口に嵌合可能な突起部を有している。 According to the present invention, a foil welding jig for pressurizing and fixing a plurality of laminated metal foils, laser welding means for applying a laser beam to a welded portion of the metal foil and welding, and metal during welding There is provided a metal foil laser welding apparatus comprising gas supply means for supplying an inert gas to a welded portion of a foil. The foil welding jig includes a pressing side jig member and a receiving side jig member. The holding side jig member has at least one through hole which is provided corresponding to the welding location and through which the laser beam passes. The receiving-side jig member has a protrusion that can be fitted into the opening below the through hole of the holding-side jig member.
押さえ側治具部材の下側の開口と受け側治具部材の突起部との間に溶接すべき積層金属箔を挟み込み、押さえ側治具部材及び受け側治具部材間を固定することにより加圧した状態で、貫通穴を通して積層金属箔にレーザ光を照射して溶接を行う。箔溶接用治具により加圧固定され積層金属箔の箔同士が隙間なく密着した状態でレーザ溶接されるため、箔内にスパッタやブローホールが発生せず、穴開きも発生しない。従って、積層された複数の金属箔について、信頼性の非常に高い溶接を行うことが可能となる。また、100枚という非常に多数枚の金属箔を確実にかつ素早く接合することができるため、容易に量産が行える。 The laminated metal foil to be welded is sandwiched between the lower opening of the holding side jig member and the protrusion of the receiving side jig member, and the pressing side jig member and the receiving side jig member are fixed by fixing. In a pressed state, welding is performed by irradiating the laminated metal foil with laser light through the through hole. Laser welding is performed in a state where the laminated metal foils are pressed and fixed by a foil welding jig without any gaps, so that no spatters or blow holes are generated in the foil, and no holes are generated. Therefore, it is possible to perform highly reliable welding on the plurality of laminated metal foils. Further, since a very large number of 100 metal foils can be reliably and quickly joined, mass production can be easily performed.
受け側治具部材は、突起部の中央部をそれぞれ通り受け側治具部材の厚み方向に伸長する穴と、穴と連通するガス供給通路とを有することが好ましい。これにより、金属箔の溶接部の下部から不活性ガスを供給することができる。 The receiving-side jig member preferably has a hole that passes through the central portion of the protrusion and extends in the thickness direction of the receiving-side jig member, and a gas supply passage that communicates with the hole. Thereby, an inert gas can be supplied from the lower part of the welding part of metal foil.
ガス供給手段は、溶接部の上方から所定角度傾斜して溶接部に向かって不活性ガスを吹き出すと共に、ガス供給通路を介して溶接部の下方から不活性ガスを供給するように構成されていることが好ましい。このように積層金属箔の溶接部の表側及び裏側に不活性ガスが接触しているため、溶接部の表側及び裏側の酸化を防止でき、発生したススも不活性ガス流によって確実に除去される。 The gas supply means is configured to incline a predetermined angle from above the welded portion and blow out the inert gas toward the welded portion and supply the inert gas from below the welded portion through the gas supply passage. It is preferable. Thus, since the inert gas is in contact with the front side and the back side of the welded portion of the laminated metal foil, oxidation of the front side and the back side of the welded portion can be prevented, and the generated soot is reliably removed by the inert gas flow. .
レーザ溶接手段は、半導体レーザ光源と、半導体レーザ以外のレーザ光源と、半導体レーザ光源からのレーザ光及び半導体レーザ以外のレーザ光源からのレーザ光を重畳してハイブリッドレーザ光を生成する重畳部とを備えており、ハイブリッドレーザ光が金属箔の溶接個所に印加されるように構成されていることが好ましい。これにより、被溶接体の温度管理が容易になる。 The laser welding means includes a semiconductor laser light source, a laser light source other than the semiconductor laser, and a superimposing unit that generates a hybrid laser light by superimposing the laser light from the semiconductor laser light source and the laser light from the laser light source other than the semiconductor laser. It is preferable that the hybrid laser beam is configured to be applied to the welded portion of the metal foil. Thereby, temperature management of a to-be-welded body becomes easy.
本発明によれば、さらに、積層された複数枚の金属箔を溶接する金属箔のレーザ溶接方法が提供される。この方法においては、溶接個所に対応して少なくとも1つの貫通穴が設けられている押さえ側治具部材と、押さえ側治具部材の貫通穴の下側の開口にそれぞれ嵌合可能な突起部が設けられている受け側治具部材とを備えた箔溶接用治具を用い、押さえ側治具部材の下側の開口と受け側治具部材の突起部との間に溶接すべき積層された複数枚の金属箔を挟み込んで固定し、溶接部に不活性ガスを供給すると共に、レーザ光を貫通穴を通して溶接部に照射することにより溶接を行う。 According to the present invention, there is further provided a metal foil laser welding method for welding a plurality of laminated metal foils. In this method, there are provided a pressing side jig member provided with at least one through hole corresponding to the welded portion, and a protrusion that can be fitted to the opening below the through hole of the pressing side jig member. A foil welding jig provided with a receiving jig member provided is used, and is laminated between the lower opening of the holding jig member and the protrusion of the receiving jig member. A plurality of metal foils are sandwiched and fixed, an inert gas is supplied to the welded portion, and welding is performed by irradiating the welded portion with laser light through a through hole.
溶接部に不活性ガスを供給する際に、溶接部の上方から所定角度傾斜して溶接部に向かって不活性ガスを吹き出すと共に、溶接部の下方から溶接部に不活性ガスを供給することが好ましい。 When supplying the inert gas to the welded portion, the inert gas is blown toward the welded portion at a predetermined angle from above the welded portion, and the inert gas is supplied to the welded portion from below the welded portion. preferable.
半導体レーザ光源からのレーザ光と固体レーザ光源からのレーザ光とを重畳し、重畳して得たハイブリッドレーザ光を溶接部に照射することも好ましい。これにより、被溶接体の温度管理が容易になる。 It is also preferable to superimpose a laser beam from a semiconductor laser light source and a laser beam from a solid-state laser light source, and irradiate the welded portion with a hybrid laser beam obtained by the superimposition. Thereby, temperature management of a to-be-welded body becomes easy.
本発明によれば、箔内にスパッタやブローホールが発生せず、穴開きも発生しない。従って、積層された複数の金属箔について、信頼性の非常に高い溶接を行うことができる。また、100枚という非常に多数枚の金属箔を確実にかつ素早く接合することができるため、箔内にスパッタやブローホールが存在せず、しかも箔に穴開きのない積層型電池セルを容易に量産することができる。 According to the present invention, no spatter or blow hole is generated in the foil, and no hole is generated. Therefore, it is possible to perform highly reliable welding on the laminated metal foils. In addition, since a large number of metal foils, such as 100, can be reliably and quickly joined, it is easy to create a stacked battery cell that does not have any spatter or blowholes in the foil and has no holes in the foil. Can be mass-produced.
さらに、箔溶接用治具の内部裏側に不活性ガスの流通路が設けられ、被溶接体の溶接部の裏側にこの不活性ガスが当たるように構成されているため、被溶接体の溶接部裏側の酸化を防止でき、発生したススも不活性ガス流によって確実に除去される。 Furthermore, since the flow path of the inert gas is provided on the inner back side of the jig for foil welding, and the inert gas hits the back side of the welded portion of the welded body, the welded portion of the welded body The backside oxidation can be prevented and the generated soot is reliably removed by the inert gas flow.
以下、本発明に係る金属箔のレーザ溶接装置の実施形態を、図を参照して説明する。 Embodiments of a metal foil laser welding apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態における金属箔のレーザ溶接装置100の構成を示しており、図2は箔溶接用治具10の構成を示しており、図3は箔溶接用治具10の押さえ側治具部材10aと受け側治具部材10bとを重ね合わせた状態を示しており、図4は受け側治具部材10bの構成を示している。
FIG. 1 shows the configuration of a metal foil
図1に示すように、金属箔のレーザ溶接装置100は、積層された複数枚の金属箔(被溶接体A)を加圧固定する箔溶接用治具10と、レーザ光を金属箔の溶接個所に印加し溶接するレーザ溶接手段と、溶接個所に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備えている。図1中の被溶接体Aは、例えば、リチウムイオン電池の正極及び負極並びに電極タブを構成する多数の金属箔の積層体である。
As shown in FIG. 1, a metal foil
レーザ溶接手段は、複合レーザ光源20と、一端がこの複合レーザ光源20にそれぞれ光学的に連結された光ファイバ21及び22と、光ファイバ21及び22の他端に光学的に連結された出射ユニット23とを備えている。複合レーザ光源20は、半導体レーザ光源と、YAGレーザ光源とを備えている。光ファイバ21は、半導体レーザ光源からのレーザ光を出射ユニット23に導き、光ファイバ22はYAGレーザ光源からのレーザ光を出射ユニット23に導くように構成されている。出射ユニット23は、これら半導体レーザ光及びYAGレーザ光を光学的に重畳してハイブリッドレーザ光を生成する重畳部であり、重畳された半導体レーザビーム24及びYAGレーザビーム25は被溶接体Aに同時に照射される。
The laser welding means includes a composite
本実施形態では、半導体レーザ光とYAGレーザ光とによって、ハイブリッドレーザ溶接が行われる。半導体レーザビーム24は低出力で比較的広いビーム幅を有しており、被溶接体Aを加熱して一定温度に維持するために使用される。YAGレーザビーム25は高出力で狭いビーム幅を有しており、被溶接体Aの必要箇所を溶融して実際に溶接を行うために使用される。このようなハイブリッドレーザ溶接を行うことによって、被溶接体Aの温度管理を容易に行うことができる。
In the present embodiment, hybrid laser welding is performed using semiconductor laser light and YAG laser light. The
箔溶接用治具10は、図2に示すように、押さえ側治具部材10aと、受け側治具部材10bとを備えている。
As shown in FIG. 2, the
押さえ側治具部材10aは、水平部分と垂直部分とがL字形の断面を有するように連結された形状に形成されている。この水平部分のレーザ溶接を行うべき複数の部分には、上下方向に貫通する長円形状の複数の貫通穴11がそれぞれ設けられている。各貫通穴11の下側開口は上側開口より狭くなるように絞り込まれている。押さえ側治具部材10aには、さらに、この押さえ側治具部材10aを受け側治具部材10bに固定するための複数(図の例では2つ)のボルト貫通穴12が設けられている。これらボルト貫通穴12に治具部材固定ボルト18が挿通され、受け側治具部材10bのボルト穴12aに螺合するように構成されている。押さえ側治具部材10a及び受け側治具部材10b間に被溶接体Aを挟んで治具部材固定ボルト18を受け側治具部材10bのボルト穴12aに螺合させることにより、押さえ側治具部材10a及び受け側治具部材10bを互いに固定し、被溶接体Aを固定及び加圧することができる。
The holding
受け側治具部材10bには、その上面から上方へ突出しており押さえ側治具部材10aの複数の貫通穴11の下側の開口内にそれぞれ嵌合可能な複数の長円環形状の突起部13と、複数の突起部13の中央部をそれぞれ通りこの受け側治具部材10bの上下方向(厚み方向)に伸長する複数の長円形状穴14と、受け側治具部材10bの長さ方向に伸長しており、複数の長円形状穴14と連通するガス供給通路15と、受け側治具部材10bを作業台1(図5参照)に取り付けるための取り付けボルト17用の貫通穴16と、上述したボルト穴12aとを備えている。突起部13の突出高さhは、被溶接体Aの厚さの15〜25%程度であることが望ましい。具体的には、厚さ20μmのアルミニウム箔100枚を溶接する場合は突起部13の高さが0.5mm、厚さ10μmの銅箔100枚を溶接する場合は突起部13の高さが0.25mmであることが望ましい。また、ガス供給通路15は、受け側治具部材10bの長さ方向に貫通して形成され、両端に配管を取り付けるための雌ネジ部が設けられている。このガス供給通路15は、図示の例では丸型管路となっているが、角型管路等の他の形状の管路であっても良い。また、図3に示すように、各突起部13の外周形状は、貫通穴11の内径よりやや小さく形成されており、貫通穴11に嵌合して係止可能となっている。
The receiving-
図5は箔溶接用治具10を実際に使用する形態を示している。同図に示すように、複数枚の金属箔を溶接する際には、積層した複数枚の金属箔を箔溶接用治具10の押さえ側治具部材10aと受け側治具部材10bとの間に挟み込み、治具部材固定ボルト18を締めることによって加圧固定する。
FIG. 5 shows a form in which the
ガス供給手段は、ガス供給源30と、一端がこのガス供給源30に接続され、他端が不活性ガスを吹き出すためのガスノズル31に接続された、不活性ガスを供給するための上方供給路32と、一端がこのガス供給源30に接続され、他端が受け側治具部材10bに接続された、不活性ガスを供給するための下方供給路33とを備えている。このガス供給手段は、溶接する際に、溶接部の上方から所定角度θ2(例えば、θ2=60度)で溶接部に向かって不活性ガスを吹き出すと共に、ガス供給通路15を介して溶接部の下方から不活性ガスを供給するように構成されている。
The gas supply means includes a
被溶接体Aとしては、積層型リチウムイオン電池が考えられる。積層型リチウムイオン電池は、一般に、正極集電箔に正極活物質層が積層された正極と、負極集電箔に負極活物質層が積層された負極とが、電解質層からなるセパレータを間に挟んで互いに多数積層された積層構造を有している。正極集電箔及び負極集電箔としては、アルミニウム箔、銅箔又はニッケル箔等の厚さ10〜20μm程度の金属箔が用いられる。正極活物質層としては、例えばマンガン酸リチウム等のリチウム酸化物や他の正極活物質が用いられ、負極活物質層としては、例えば黒鉛、チタン酸リチウム等の高電位でリチウムイオンを挿入及び脱離可能な物質が用いられる。 As the welded body A, a stacked lithium ion battery is conceivable. In general, a laminated lithium ion battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material layer is laminated on a positive electrode current collector foil, and a negative electrode in which a negative electrode active material layer is laminated on a negative electrode current collector foil with a separator made of an electrolyte layer interposed therebetween. It has a stacked structure in which a large number of layers are stacked on each other. As the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil, a metal foil having a thickness of about 10 to 20 μm such as an aluminum foil, a copper foil, or a nickel foil is used. As the positive electrode active material layer, for example, lithium oxide such as lithium manganate and other positive electrode active materials are used. As the negative electrode active material layer, lithium ions are inserted and removed at a high potential such as graphite and lithium titanate. A separable material is used.
このように積層された正極の一端部は正極の電極端子である正極タブに接合されて電気的に接続され、同じく積層された負極の一端部は負極の電極端子である負極タブに接合されて電気的に接続される。これらの接合に、図1に示した金属箔のレーザ溶接装置100が用いられる。なお、正極タブ及び負極タブとしては、厚さ0.2mm程度のアルミニウム板又はニッケルめっきした銅板が用いられる。
One end of the positive electrode thus laminated is joined and electrically connected to a positive electrode tab which is a positive electrode terminal, and one end of the same negative electrode is joined to a negative electrode tab which is a negative electrode terminal. Electrically connected. The metal foil
本実施形態では、金属箔のレーザ溶接装置100によって積層された複数の正極集電箔(正極側集合体)及び正極タブの接合を行う場合、並びに積層された複数の負極集電箔(負極側集合体)及び負極タブの接合を行う場合に、図2から図4に示すような金属製の箔溶接用治具10が用いられる。
In the present embodiment, when a plurality of positive electrode current collector foils (positive electrode side aggregates) and positive electrode tabs laminated by the metal foil
実際に溶接を行う場合、箔溶接用治具10の受け側治具部材10bの複数の突起部13上に被溶接体Aである積層された複数の正極集電箔及び正極タブ又は積層された複数の負極集電箔及び負極タブを載せ、その上に押さえ側治具部材10aを、受け側治具部材10bの複数の突起部13が押さえ側治具部材10aの複数の貫通穴11の下側開口にそれぞれ係合するように位置合わせして重ね合わせる。次いで、押さえ側治具部材10aと受け側治具部材10bとを図5に示すように治具部材固定ボルト18を締めて加圧固定する。なお、受け側治具部材10bは、取り付けボルト17によって作業台1にあらかじめ固定されている。この状態で、押さえ側治具部材10aの貫通穴11を通して半導体レーザ光とYAGレーザ光とのハイブリッドレーザ光を被溶接体Aに照射することにより、溶接を行う。この溶接を行う際、後述するように、溶接部へ不活性ガスを吹き付ける。
When actual welding is performed, a plurality of stacked positive electrode current collector foils and positive electrode tabs that are welded bodies A are stacked on the plurality of
図6は金属箔のレーザ溶接装置100を用いて溶接される溶接部の断面を示している。同図に示すように、被溶接体Aとしての電池セルの正極又は負極とセパレータとの積層体の一端部の上下に正極又は負極タブを積層し、箔溶接用治具10でこれらを加圧して固定した状態で、半導体レーザ光とYAGレーザ光とのハイブリッドレーザ光を照射することによって、レーザ照射部を溶融させ、接合する。
FIG. 6 shows a cross section of a welded portion to be welded using the metal foil
図7は溶接する際にレーザ光の照射及び不活性ガスの供給形態を示している。ただし同図においては、箔溶接用治具10の一部のみを示している。溶接部に不活性ガスを供給する際に、溶接部の上方から所定角度傾斜させて溶接部に向かって不活性ガスを吹き出すと共に、溶接部の下方から受け側治具部材のガス供給通路を通して溶接部に不活性ガスを供給する。
FIG. 7 shows the form of laser beam irradiation and inert gas supply during welding. However, only a part of the
ハイブリッドレーザ光は、照射ユニット23を傾けることにより、箔溶接用治具10の上面に垂直な法線に対して角度θ1(θ1=約0〜15度)だけ傾けて照射され、一方、例えば窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスはこの例では内径4mmのガスノズル31を箔溶接用治具10の上面に対して角度θ2(θ2=約60度)傾けることにより吹き付けられる。この場合、不活性ガスが、箔溶接用治具10の溶接部の表面全体に空気を巻き込まれないように、ガスノズル31の先端はレーザ光の先端から3〜10mm離れていることが望ましい。ただし、この離隔距離dは、ガスノズル31のノズル内径及びガス流量に依存する。
The hybrid laser beam is irradiated at an angle θ1 (θ1 = about 0 to 15 degrees) with respect to the normal line perpendicular to the upper surface of the
この不活性ガスは、さらに、箔溶接用治具10内部のガス供給通路15を介して被溶接体Aの溶接部の裏側に流される。被溶接体Aの溶接部の裏側にも不活性ガスを流すことにより、溶接部においてレーザ溶融された溶液が空気に直接的に触れないため、被溶接体Aの溶接部裏面における溶融痕跡が滑らかとなると共に酸化しない。また、溶融時に溶け出した成分及びスパッタが流れる不活性ガスによって溶接部裏側に付着しない。
This inert gas is further flowed to the back side of the welded portion of the welded body A through the
例えば、600Wのハイブリッドレーザ光による金属箔のレーザ溶接装置100を用いて、電極としての20μm厚のアルミニウム箔100枚と、電極タブとしての0.2mm厚のアルミニウム板2枚とを溶接した。この場合、上述した箔溶接用治具10を用い、その受け側治具部材10b及び押さえ側治具部材10a間をM8ネジを4N/Mのトルクで締付けることによって加圧固定し、不活性ガスとして窒素ガスを流量10リッター/分を2分岐で流した。その結果、100枚の電極及び2枚の電極タブを安定して確実に溶接することができた。しかも、アルミニウム箔内にスパッタやブローホールが発生することはなかった。電極としての100μm厚の銅箔100枚と、電極タブとしての0.2mm厚のニッケルめっき付銅板2枚とを溶接した場合も同様であった。
For example, using a metal foil
図8は金属箔のレーザ溶接装置100を用いて電極部を溶接して形成した被溶接体Aとしての積層型リチウムイオン電池セルを示している。同図に示すように、正極側及び負極側に複数の溶接部が形成されている。この場合、正極側及び負極側の箔集合体の上下両側にそれぞれ電極タブが溶着されている。
FIG. 8 shows a stacked lithium ion battery cell as a welded body A formed by welding electrode portions using a metal foil
また、図示してはいないが、被溶接体Aの溶接部の温度を測定し、金属箔のレーザ溶接装置100の出力をフィードバック制御することにより、被溶接体Aの溶接部の温度管理を行うように構成することも望ましい。例えば、スパッタの発生する可能性のある温度まで上昇する直前にレーザ出力を下げる等の制御を行うことにより品質確保を行うことができる。
Although not shown, the temperature of the welded portion of the welded body A is controlled by measuring the temperature of the welded portion of the welded body A and feedback-controlling the output of the
上述したように、本実施形態における金属箔のレーザ溶接装置100は、積層された複数枚の金属箔(被溶接体A)を加圧固定する箔溶接用治具10と、レーザ光を金属箔の複数の溶接部に印加し溶接するレーザ溶接手段と、複数の溶接部に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備えている。溶接する際に、押さえ側治具部材10aの下側の複数の開口と受け側治具部材10bの複数の突起部13との間に被溶接体Aである積層された複数枚の金属箔を挟み込んで固定し、溶接部に不活性ガスを供給すると共に、半導体レーザからのレーザ光とYAGレーザからのレーザ光とを、同時に、押さえ側治具部材10aの各貫通穴11を通して各溶接部に照射して溶接を行う。
As described above, the metal foil
箔溶接用治具10により加圧固定され積層金属箔の箔同士が隙間なく密着した状態でレーザ溶接されるため、箔内にスパッタやブローホールが発生せず、穴開きも発生しない。従って、積層された複数の金属箔について、信頼性の非常に高い溶接を行うことが可能となる。また、100枚という非常に多数枚の金属箔を確実にかつ素早く接合することができるため、例えば積層型リチウムイオン電池セルを容易に量産することができる。
Since laser welding is performed with the foils of the laminated metal foils being pressed and fixed by the
受け側治具部材10bは、複数の突起部13の中央部をそれぞれ通りこの受け側治具部材10bの厚み方向に伸長する複数の長円形状穴14と、複数の長円形状穴14と連通するガス供給通路15とを有することで、金属箔の溶接部の下部から不活性ガスを供給することができる。
The receiving-
レーザ溶接手段は、半導体レーザ光源と、半導体レーザ以外のレーザ光源と、半導体レーザ光源からのレーザ光及び半導体レーザ以外のレーザ光源からのレーザ光を重畳してハイブリッドレーザ光を生成する重畳部とを備えており、ハイブリッドレーザ光が金属箔の溶接個所に印加されるように構成されていることで、被溶接体の温度管理が容易にできる。 The laser welding means includes a semiconductor laser light source, a laser light source other than the semiconductor laser, and a superimposing unit that generates a hybrid laser light by superimposing the laser light from the semiconductor laser light source and the laser light from the laser light source other than the semiconductor laser. It is provided and the hybrid laser beam is configured to be applied to the welded portion of the metal foil, so that the temperature management of the welded body can be easily performed.
ガス供給手段は、ガスノズル31を介して溶接部の上方から所定角度傾斜して溶接部に向かって不活性ガスを吹き出すと共に、ガス供給通路15を介して溶接部の下方から不活性ガスを供給するように構成されていることで、溶接部の表側及び裏側の酸化を防止でき、発生したススも不活性ガス流によって確実に除去される。
The gas supply means inclines a predetermined angle from above the welded portion through the
なお、以上述べた実施形態において、押さえ側治具部材10aは、L字形の断面を有する形状としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、押さえ側治具部材10aは、板状の部材から形成しても良い。
In addition, in embodiment mentioned above, although the holding | suppressing
また、以上述べた実施形態において、被溶接体Aとしての積層型リチウムイオン電池の正極及び負極に金属タブを積層して溶接する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、被溶接体Aが金属タブのない電極積層体であっても良いし、任意の積層された金属箔であっても良い。 Moreover, in embodiment mentioned above, although the example which laminates | stacks and welds a metal tab to the positive electrode and negative electrode of a laminated | stacked lithium ion battery as the to-be-welded body A was demonstrated, this invention is not limited to this. . For example, the welded body A may be an electrode laminated body without a metal tab, or may be an arbitrarily laminated metal foil.
また、以上述べた実施形態において、押さえ側治具部材10aは、治具部材固定ボルト18を介して被溶接体Aに対して加圧し、受け側治具部材10bに固定する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の加圧、固定方法を用いても良い。
In the embodiment described above, the pressing
以上述べた実施形態においては、半導体レーザ光とYAGレーザ光とのハイブリッドレーザ光を用いているが、YAGレーザ光に代えて、その他の固体レーザ光、液体レーザ光又は気体レーザ光を用いても良いことは明らかである。 In the embodiment described above, the hybrid laser light of the semiconductor laser light and the YAG laser light is used, but other solid laser light, liquid laser light, or gas laser light may be used instead of the YAG laser light. It is clear that it is good.
また、以上述べた実施形態において、押さえ側治具部材10aには、上下方向に貫通する長円形状の5つの貫通穴11が設けられており、受け側治具部材10bには、押さえ側治具部材10aの5つの貫通穴11の下側の開口内にそれぞれ嵌合可能な5つの長円環形状の突起部13が設けられた例を説明したが、貫通穴11及び突起部13の数はこれに限定されるものではない。
In the embodiment described above, the holding
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 All the embodiments described above are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting, and the present invention can be implemented in other various modifications and changes. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.
本発明は、積層された金属箔の溶接、特に、積層型リチウムイオン電池セルのように、多数の電極集電箔相互の接合、並びに電極集電箔及び電極タブ間の接合に適用できる。 The present invention can be applied to welding of laminated metal foils, in particular, bonding between a large number of electrode current collector foils and bonding between electrode current collector foils and electrode tabs, as in a stacked lithium ion battery cell.
1 作業台
10 箔溶接用治具
10a 押さえ側治具部材
10b 受け側治具部材
11、12、16 貫通穴
12a ボルト穴
13 突起部
14 長円形状穴
15 ガス供給通路
17 取り付けボルト
18 治具部材固定ボルト
20 複合レーザ光源
21、22 光ファイバ
23 出射ユニット
24 半導体レーザビーム
25 YAGレーザビーム
30 ガス供給源
31 ガスノズル
32 上方供給路
33 下方供給路
100 金属箔のレーザ溶接装置
A 被溶接体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
レーザ光を前記金属箔の溶接個所に印加して溶接するレーザ溶接手段と、
溶接する際に前記金属箔の溶接部に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記箔溶接用治具は、押さえ側治具部材と受け側治具部材とを備えており、前記押さえ側治具部材は、前記溶接個所に対応して設けられ前記レーザ光が通る少なくとも1つの貫通穴を有しており、前記受け側治具部材は、前記押さえ側治具部材の前記貫通穴の下側の開口に嵌合可能な突起部を有していることを特徴とする金属箔のレーザ溶接装置。 A foil welding jig that pressurizes and fixes a plurality of laminated metal foils;
Laser welding means for applying and welding a laser beam to the welded portion of the metal foil;
Gas supply means for supplying an inert gas to the welded portion of the metal foil when welding,
The foil welding jig includes a holding-side jig member and a receiving-side jig member, and the pressing-side jig member is provided corresponding to the welding location and passes at least one laser beam. A metal foil having a through-hole, wherein the receiving-side jig member has a protrusion that can be fitted into an opening below the through-hole of the holding-side jig member. Laser welding equipment.
溶接個所に対応して少なくとも1つの貫通穴が設けられている押さえ側治具部材と、前記押さえ側治具部材の前記貫通穴の下側の開口にそれぞれ嵌合可能な突起部が設けられている受け側治具部材とを備えた箔溶接用治具を用い、前記押さえ側治具部材の前記下側の開口と前記受け側治具部材の前記突起部との間に溶接すべき積層された複数枚の金属箔を挟み込んで固定し、
前記溶接部に不活性ガスを供給すると共に、レーザ光を前記貫通穴を通して前記溶接部に照射することにより溶接を行うことを特徴とする金属箔のレーザ溶接方法。 A metal foil laser welding method for welding a plurality of laminated metal foils,
A holding-side jig member provided with at least one through-hole corresponding to the welded portion, and a protrusion that can be fitted to the opening below the through-hole of the holding-side jig member. A foil welding jig provided with a receiving side jig member, and is laminated to be welded between the lower opening of the holding side jig member and the protrusion of the receiving side jig member. Sandwiched and fixed multiple metal foils,
A metal foil laser welding method comprising performing welding by supplying an inert gas to the weld and irradiating the weld with laser light through the through hole.
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