JP2016087616A - レーザー溶接方法及びレーザー溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で溶接時のレーザー光の反射を抑制できるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提案することを課題とする。
【解決手段】金属製の容器Ｂを構成する本体と蓋とをレーザー溶接で接合するレーザー溶接装置１であって、レーザー光Ｌ１を本体と蓋との境界部Ｇに沿って照射箇所を移動させつつ照射するレーザー光照射部２と、レーザー光照射部２で照射されたレーザー光Ｌ１が照射箇所で反射した反射光Ｌ２を反射させる反射ミラー３とを備え、反射ミラー３は、再反射光Ｌ３が境界部Ｇにおける照射箇所よりも移動方向Ｍの前方側にデフォーカスするように、反射光Ｌ２を入射させる角度と境界部Ｇからの高さ位置が調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池は、電極組立体及び電解液等が密閉の金属製の容器（電槽缶）に収容される。この容器は、有底の筒状の本体と蓋からなり、本体と蓋とがレーザー溶接によって接合される。ところで、表面に塗装などが施されていない光沢のある状態の金属製の容器では、レーザー溶接時、レーザー光の反射率が高いため、エネルギー効率が低い。レーザー溶接においてレーザー光の反射を抑制する技術としては、例えば、特許文献１に、二次電池のレーザー溶接において、レーザー光を照射する部分に予め凹凸を形成しておくことが開示されている。

特開２００５−１１６２０８号公報

特許文献１には、凹凸を形成するために、エッチング加工、ブラスト加工等を行うことが開示されている。これらの加工を行う場合、レーザー溶接を行う前に加工工程が必要となり、加工後にエッチングの洗浄工程等の後処理も必要になる場合がある。

そこで、本発明は、簡易な方法で溶接時のレーザー光の反射を抑制できるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提案することを課題とする。

本発明の一側面に係るレーザー溶接方法は、金属製の容器を構成する本体と蓋とをレーザー溶接で接合するレーザー溶接方法であって、レーザー光を本体と蓋との境界部に沿って照射箇所を移動させつつ照射するレーザー光照射工程と、レーザー光照射工程で照射されたレーザー光が照射箇所で反射した反射光を反射ミラーで境界部に向けて反射させる反射工程とを含み、反射工程は、境界部における照射箇所よりも移動方向の前方側に反射させた反射光をデフォーカスさせる。

このレーザー溶接方法では、レーザー光の照射箇所で反射した反射光を照射箇所よりも前方側でデフォーカスするように反射させることにより、デフォーカスされた低密度のエネルギーのレーザー光によって境界部の未溶接部分を表面改質する。これにより、反射光を利用した簡単な方法で溶接時のレーザー光の反射を抑制できる。

一実施形態のレーザー溶接方法では、反射ミラーは、可動式であり、反射工程は、反射ミラーを動かして反射させた反射光をデフォーカスさせる。この構成により、境界部に曲率等の変化箇所がある場合でも、境界部に沿って連続してデフォーカスさせることができる。

本発明の一側面に係るレーザー溶接装置は、金属製の容器を構成する本体と蓋とをレーザー溶接で接合するレーザー溶接装置であって、レーザー光を本体と蓋との境界部に沿って照射箇所を移動させつつ照射するレーザー光照射部と、レーザー光照射部で照射されたレーザー光が照射箇所で反射した反射光を反射させる反射ミラーとを備え、反射ミラーは、反射させた反射光が境界部における照射箇所よりも移動方向の前方側にデフォーカスするように、反射光を入射させる角度と境界部からの高さ位置が調整される。

このレーザー溶接装置では、デフォーカスするように反射ミラーの反射光の入射角度と境界部からの高さ位置が調整されているので、反射ミラーで反射した反射光が照射箇所よりも前方側でデフォーカスする。このデフォーカスされた低密度のエネルギーのレーザー光により、境界部の未溶接部分が表面改質される。これにより、反射光を利用した簡単な方法で溶接時のレーザー光の反射を抑制できる。

一実施形態のレーザー溶接装置では、記反射ミラーを回転させる回転部と、反射ミラーを上下移動させる上下移動部と、回転部及び上下移動部を制御する制御部とを備え、制御部は、反射させた反射光がデフォーカスするように回転部及び上下移動部を制御する。この構成により、回転部で反射ミラーを回転させることによって反射ミラーでの反射光の入射角度を調整できるとともに、上下移動部で反射ミラーを上下移動させることによって反射ミラーの境界部からの高さ位置を調整できる。

一実施形態のレーザー溶接装置では、反射ミラーは、曲率を有するミラーである。曲率を有する反射ミラーを用いることにより、反射光を集光して焦点を結ばせた後にデフォーカスさせることができる。

本発明によれば、簡易な方法で溶接時のレーザー光の反射を抑制できる。

一実施形態に係るレーザー溶接装置を模式的に示す図である。 図１のレーザー溶接装置での動作の流れを示す図であり、図２（ａ）が直線部分での表面改質であり、図２（ｂ）及び図２（ｃ）が曲線部分での表面改質である。 リチウムイオン二次電池を模式的に示す図であり、図３（ａ）が断面図であり、図３（ｂ）が平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態では、角型の電池の製造過程において電槽缶（金属製の容器）を封缶溶接するレーザー溶接装置に適用する。電池は、例えば、二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置である。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。また、製造される電池は、一次電池でもよい。この実施形態では、リチウムイオン二次電池とする。なお、角型の電池以外にも、円筒型等の他の形状の電池に適用してもよい。

レーザー溶接装置１について説明する前に、図３を参照してリチウムイオン二次電池について説明しておく。図３は、リチウムイオン二次電池を模式的に示す図であり、図３（ａ）が断面図であり、図３（ｂ）が平面図である。リチウムイオン二次電池Ａは、電槽缶Ｂ及びその電槽缶Ｂ内に収容される電極組立体Ｃを備えており、電槽缶Ｂ内に電解液が注入されて電解液が電極組立体Ｃの内部に含浸されている。

電槽缶Ｂは、略直方体形状である。電槽缶Ｂは、金属製であり、例えば、アルミニウム製、アルミニウム合金製である。電槽缶Ｂは、有底の角筒状の本体Ｂａと、本体Ｂａの開口部を覆う蓋Ｂｂとからなる。本体Ｂａは、略矩形平板状の底板と、底板の４辺から鉛直方向上方にそれぞれ延びる略矩形平板状の４つの側板とから構成される。この側板と側板とを繋ぐコーナー部分は、曲面である。蓋Ｂｂは、略矩形平板状であり、コーナー部分が弧状である。蓋Ｂｂは、本体Ｂａの上端の開口部と同じ形状である。蓋Ｂｂは、本体Ｂａの上端部に載置される。電槽缶Ｂは、この本体Ｂａと蓋Ｂｂによって内部に略直方体形状の密閉空間が形成される。蓋Ｂｂには、正極端子Ｅと負極端子Ｆが取り付けられている。その各取り付け箇所には、絶縁リングＥａ，Ｆａが設けられる。

なお、レーザー溶接装置１では、この本体Ｂａと蓋Ｂｂとの境界部Ｇの全周をレーザー溶接し、本体Ｂａと蓋Ｂｂとを接合する。この境界部Ｇは、図３（ｂ）に示すように、長辺部Ｇ１と短辺部Ｇ２を有する略長方形状である。この長辺部Ｇ１と短辺部Ｇ２とを繋ぐコーナー部Ｇ３は、曲線である。境界部Ｇでは、コーナー部Ｇ３及びコーナー部Ｇ３と長辺部Ｇ１又は短辺部Ｇ２との境界で曲率が変化する。

電極組立体Ｃは、正極、負極及び正極と負極とを絶縁するセパレータを備えており、正極と負極及びセパレータが積層されて構成されている。正極は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された正極活物質層からなる。正極は、金属箔の端部に正極活物質層が形成されていないタブＣａを有する。タブＣａは、正極の上端部に設けられており、導電部材Ｃｂを介して正極端子Ｅに電気的に接続される。負極は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された負極活物質層からなる。負極は、金属箔の端部に負極活物質層が形成されていないタブＣｃを有する。タブＣｃは、負極の上端部に設けられており、導電部材Ｃｄを介して負極端子Ｆに電気的に接続される。セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる。

正極及び負極は、薄いシート状である。正極及び負極は、長方形状の活物質層とその上端部にタブＣａ，Ｃｃの部分を有する形状である。セパレータは、薄いシート状である。セパレータは、長方形状である。電極組立体Ｃは、この形状の多数の正極と負極とがセパレータを挟んだ状態で積層されており、上端部に各電極のタブＣａ，Ｃｃを有する略直方体形状の積層構造体である。

それでは、図１を参照して、レーザー溶接装置１について説明する。図１は、レーザー溶接装置１を模式的に示す図である。レーザー溶接装置１は、レーザー光を熱源として電槽缶Ｂの本体Ｂａと蓋Ｂｂとの境界部Ｇを溶接し、本体Ｂａと蓋Ｂｂとを接合する。特に、レーザー溶接装置１は、レーザー光の反射光を利用して、境界部Ｇにおける溶接箇所より移動方向の前方側の未溶接部分を表面改質する。

表面改質は、溶接時のレーザー光の反射を抑えるために、表面の状態を細かい凹凸を有する状態に変えることである。このように細かい凹凸状の表面にすることにより、レーザー光のスポット径が同じでも、レーザー光が当たる面積が増加する。これにより、レーザー光のエネルギーの吸収率が高くなるとともに、レーザー光の反射率が低くなる。

この表面改質された後の表面粗さは、例えば、Ｒａ（算術平均粗さ）で表した場合、１０〜５０μｍ程度であり、１５〜３０μｍであると好ましい。電槽缶Ｂは薄い板状部材からなるので、Ｒａが大きくなり過ぎると、溶接時にレーザー光で溶融した際に電槽缶Ｂの変形、蓋Ｂｂのコーナー部の欠損等の問題が生じる虞がある。したがって、表面改質によってＲａが大きくなり過ぎないようにする必要がある。なお、プレスによって作製されたアルミニウム製の電槽缶Ｂの場合、Ｒａが６．３μｍ以下である。

レーザー光を用いて表面改質する場合、溶接する場合のように高密度エネルギーのレーザー光を必要としない。そこで、レーザー溶接装置１では、表面改質する箇所にレーザー光をデフォーカスさせる。デフォーカスとは、レーザー光が照射される面に焦点を結ばせるのではなく、その面から焦点からずらすことである。レーザー光の焦点がずれている状態では、レーザー光のスポット径が大きくなり、レーザー光のエネルギー密度が低くなる。この低密度のエネルギーのレーザー光が熱源となるので、溶接する場合のように溶融することはなく、表面を適度に改質できる。

レーザー溶接装置１の構成について具体的に説明する。レーザー溶接装置１は、レーザー光照射部２、反射ミラー３、回転部４、上下移動部５、制御部６を備えている。

レーザー光照射部２は、レーザー光Ｌ１を本体Ｂａと蓋Ｂｂとの境界部Ｇに沿って移動させつつ照射する。レーザー光照射部２は、従来の周知のレーザー機器を用いて構成され、例えば、ファイバーレーザーを用いて構成されるのが好ましく、電槽缶Ｂがアルミニウムからなる場合には半導体レーザー、ＹＡＧレーザー等を用いて構成されてもよい。ファイバーレーザーの場合、レーザー光の波長は１．０７μｍである。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、レーザー光の波長が１．０６μｍ程度であり、溶接加工に好ましい波長である。

レーザー光照射部２は、例えば、レーザー光発振器、光学系、移動部等を有している。レーザー光発振器は、所定の波長のレーザー光Ｌ１を発振する。光学系は、レーザー光発振器で発振されたレーザー光Ｌ１を境界部Ｇの面Ｇａに対して傾斜させ、レーザー光Ｌ１を面Ｇａに対して所定角度で入射させる。また、光学系は、レーザー光Ｌ１を集光し、面Ｇａ上でレーザー光Ｌ１の焦点を結ばせる。この面Ｇａ上でのレーザー光のスポット径は非常に小さい径なので、高密度のエネルギーが得られる。レーザー光照射部２をファイバーレーザーで構成した場合、レーザー光Ｌ１を集光する集光レンズは必要なく、レーザー光Ｌ１を面Ｇａに対して容易に傾斜させことができる。移動部は、照射するレーザー光Ｌ１を境界部Ｇに沿って移動させる。移動部では、例えば、光学系の一部又は全部を移動させることによってレーザー光Ｌ１の照射箇所を移動させる。移動部は、例えば、電気エネルギー等を並進運動に変換するアクチュエータによって構成される。レーザー光照射部２は、制御部６よって制御される。なお、移動部は、照射するレーザー光を移動させるのでなく、本体Ｂａ及び蓋Ｂｂを移動させてもよい。図１では、レーザー光Ｌ１の照射箇所の移動方向を、矢印Ｍで示している。境界部Ｇにおいては、移動方向Ｍにおけるレーザー光Ｌ１の照射箇所よりも前方側が表面改質される。

レーザー光照射部２で境界部Ｇの面Ｇａにレーザー光Ｌ１を照射すると、レーザー光Ｌ１の高密度のエネルギーを熱源として、本体Ｂａと蓋Ｂｂとが溶接される。しかし、この照射されたレーザー光Ｌ１のうち多くのレーザー光は、面Ｇａで反射し、散乱する。例えば、電槽缶Ｂがアルミニウムからなり、レーザー光照射部２がファイバーレーザーで構成される場合、レーザー光は略９０％反射する。このレーザー光の反射を抑制するために、境界部Ｇの未溶接部分を表面改質しておく。以下では、この反射したレーザー光を、反射光Ｌ２と呼ぶ。

反射ミラー３は、反射光Ｌ２を境界部Ｇに向けて反射させる。反射ミラー３は、散乱している反射光Ｌ２を集光するために、所定の曲率を有する曲面のミラーである。所定の曲率は、反射光Ｌ２の散乱の程度等を考慮して適宜設定される。反射ミラー３は、例えば、平面のミラーを曲げて、所定の曲率の曲面にしたミラーである。反射ミラー３は、境界部Ｇの面Ｇａに所定角度で入射したレーザー光Ｌ１が正反射した場合の反射光の光路上に配置される。反射ミラー３は、面Ｇａに平行な軸周りに回転可能な状態で保持されている。また、反射ミラー３は、面Ｇａに垂直な方向に上下移動な状態で保持されている。以下では、反射ミラー３で反射したレーザー光を、再反射光Ｌ３と呼ぶ。なお、反射ミラー３は、球面のミラーでもよい。

レーザー溶接装置１は、この再反射光Ｌ３により、境界部Ｇのレーザー光Ｌ１の照射箇所よりも移動方向Ｍの前方側を連続的に表面改質する。そのために、レーザー溶接装置１では、反射ミラー３での反射光Ｌ２の入射角度と反射ミラー３の境界部Ｇの面Ｇａからの高さ位置を調整することにより、再反射光Ｌ３を境界部Ｇの面Ｇａでデフォーカスさせる。デフォーカスさせるために、再反射光Ｌ３の反射ミラー３から境界部Ｇの面Ｇａまでの距離を、再反射光Ｌ３が焦点を結ぶ焦点距離よりも長い一定距離とする。図１に示す例の場合、符号Ｓで示す点で再反射光Ｌ３が焦点を結んでおり、反射ミラー３での反射箇所から焦点Ｓまでの距離が再反射光Ｌ３の焦点距離である。上記の一定距離を長くするほど、再反射光Ｌ３の面Ｇａでのスポット径が大きくなり、エネルギーの密度が低下する。この一定距離は、レーザー光Ｌ１のエネルギーの大きさ、電槽缶Ｂに用いられる金属材料、表面改質によるＲａの目標値等を考慮して適宜設定される。

回転部４は、反射ミラー３を境界部Ｇの面Ｇａに平行な軸周りに回転させる。このように反射ミラー３を回転させることにより、反射ミラー３での反射光Ｌ２の入射角度（＝反射角度）を変更できる。回転部４は、例えば、電気エネルギー等を回転運動に変換するアクチュエータで構成される。回転部４は、制御部６によって制御される。

上下移動部５は、反射ミラー３を境界部Ｇの面Ｇａに垂直な方向に上下移動させる。このように反射ミラー３を上下移動させることにより、反射ミラー３の面Ｇａからの高さ位置を変更できる。上下移動部５は、例えば、電気エネルギー等を並進運動に変換するアクチュエータによって構成される。上下移動部５は、制御部６によって制御される。

なお、レーザー光照射部２で照射されるレーザー光Ｌ１は、本体Ｂａと蓋Ｂｂとの境界部Ｇに沿って移動する。この移動するレーザー光Ｌ１の反射光Ｌ２の光路上に反射ミラー３を配置させるために、レーザー光Ｌ１の移動に同期させて反射ミラー３も境界部Ｇに沿って移動させる。回転部４、上下移動部５の構成によっては、回転部４、上下移動部５も境界部Ｇに沿って移動させる。例えば、上記のレーザー光照射部２の移動部に反射ミラー３、回転部４、上下移動部５も組み付けて、この移動部によって一体で移動させる。

制御部６は、レーザー溶接装置１を制御する電子制御部であり、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read OnlyMemory]及びＲＡＭ[Random Access Memory]等のメモリ、入出力回路等からなる。制御部６は、電池の製造ラインの制御装置の一機能として組み込まれてもよいしあるいはレーザー溶接装置１専用の制御部として構成されてもよい。制御部６は、溶接を行うためにレーザー光照射部２を制御するとともに、表面改質を行うために回転部４及び上下移動部５を制御する。

レーザー光照射部２の制御について説明する。封缶工程が開始すると、制御部６では、レーザー光照射部２のレーザー光発振器に始動指令を送信する。また、制御部６では、境界部Ｇに沿ってレーザー光Ｌ１の照射箇所を所定速度で移動させるために、レーザー光照射部２の移動部に移動指令を送信する。所定速度は、レーザー光Ｌ１のエネルギーの大きさ、蓋Ｂｂの厚み等を考慮して適宜設定される。境界部Ｇの全周にレーザー光を照射すると（溶接が終了すると）、制御部６では、レーザー光発振器に停止指令を送信するとともに、移動部に停止指令を送信する。

回転部４及び上下移動部５について説明する。制御部６では、境界部Ｇにおけるレーザー光Ｌ１の照射箇所（溶接箇所）に応じて、照射箇所よりも移動方向Ｍの前方側の表面改質箇所に再反射光Ｌ３をデフォーカスさせるために必要な反射ミラー３での反射光Ｌ２の入射角度と反射ミラー３の境界部Ｇの面Ｇａからの高さ位置を算出する。レーザー光Ｌ１の照射箇所から再反射光Ｌ３の表面改質箇所までの距離は、所定の距離が適宜設定される。この所定の距離は、溶接箇所と表面改質箇所とが共に長辺部Ｇ１又は短辺部Ｇ２（境界部Ｇの直線部分）のときには一定の距離であり、溶接箇所と表面改質箇所との少なくとも一方がコーナー部Ｇ３（境界部Ｇの曲線部分）のときには短い距離となる。なお、レーザー光Ｌ１の各照射箇所に応じて反射角度と高さ位置をその都度算出するのでなく、レーザー光Ｌ１の照射箇所毎に反射角度と高さ位置を予め算出しておき、その照射箇所毎の反射角度と高さ位置を制御部６のメモリに記憶させておいてもよい。

制御部６では、反射ミラー３での反射光Ｌ２の入射角度を算出する毎に、この入射角度になるために必要な反射ミラー３を回転させる角度と回転方向を算出し、その角度と回転方向を示す回転指令を回転部４に送信する。また、制御部６では、反射ミラー３の面Ｇａからの高さ位置を算出する毎に、この高さ位置になるために必要な反射ミラー３を上下移動させる距離と移動方向を算出し、その距離と移動方向を示す上下移動指令を上下移動部５に送信する。

図１、図３に加えて図２を参照して、レーザー溶接装置１が境界部Ｇで溶接及び表面改質を行う場合の動作の流れについて説明する。図２は、レーザー溶接装置１での動作の流れを示す図である。

レーザー光照射部２では、制御部６の指令に応じてレーザー光発振器及び移動部が作動し、レーザー光Ｌ１を本体Ｂａと蓋Ｂｂとの境界部Ｇに沿って移動させつつ照射する（レーザー光照射工程）。レーザー光Ｌ１が照射された箇所は、溶接され、本体Ｂａと蓋Ｂｂとが接合される。照射箇所は、所定速度で移動方向Ｍの方向に移動する。照射されたレーザー光Ｌ１の一部は、反射し、反射光Ｌ２となる。

図２（ａ）に示すときには、レーザー光照射部２では、長辺部Ｇ１の一端側の照射箇所Ｐ１にレーザー光Ｌ１を照射している。このときに、制御部６では、照射箇所Ｐ１に応じて、照射箇所Ｐ１から移動方向Ｍに所定距離前方の表面改質箇所Ｐ２で再反射光Ｌ３をデフォーカスさせるために必要な入射角度θ１と高さ位置Ｈ１を算出する。この表面改質箇所Ｐ２も長辺部Ｇ１にあるので、照射箇所Ｐ１と表面改質箇所Ｐ２とは共に長辺部Ｇ１である。なお、レーザー光Ｌ１の照射箇所と再反射光Ｌ３の表面改質箇所とが共に長辺部Ｇ１又は短辺部Ｇ２のときには、入射角度と高さ位置は一定の値である。この場合、レーザー光Ｌ１の照射箇所に応じて入射角度と高さ位置をその都度算出してもよいし、あるいは、その都度算出するのではなく、前方側の再反射光Ｌ３の表面改質箇所がコーナー部Ｇ３に入るまでは最初に算出した値を継続して用いてもよい。

制御部６では、入射角度θ１にするために必要な回転角度と回転方向を示す回転指令を回転部４に送信する。この回転角度は０°なので、回転部４では反射ミラー３を回転させない。また、制御部６では、高さ位置Ｈ１にするために必要な上下移動距離と移動方向を示す上下移動指令を上下移動部５に送信する。この上下移動距離は０なので、上下移動部５では反射ミラー３を上下移動させない。これにより、反射ミラー３では、反射光Ｌ２が入射角度θ１で入射して、反射する（反射工程）。反射ミラー３で反射した再反射光Ｌ３は、表面改質箇所Ｐ２でデフォーカスする。

図２（ｂ）に示すときには、レーザー光照射部２では、長辺部Ｇ１の他端側の照射箇所Ｐ３にレーザー光Ｌ１を照射している。このときに、制御部６では、照射箇所Ｐ３に応じて、照射箇所Ｐ３から移動方向Ｍに所定距離前方の表面改質箇所Ｐ４で再反射光Ｌ３をデフォーカスさせるために必要な入射角度θ２と高さ位置Ｈ２を算出する。この表面改質箇所Ｐ４は、コーナー部Ｇ３の入口部分である。照射箇所Ｐ３と表面改質箇所Ｐ４との間の所定距離は、図２（ａ）のときの照射箇所Ｐ１と表面改質箇所Ｐ２との間の距離よりも短い距離である。入射角度θ２は、入射角度θ１よりも小さい角度である。高さ位置Ｈ２は、高さ位置Ｈ１と同じ高さ位置である。

制御部６では、入射角度θ２にするために必要な回転角度と回転方向を示す回転指令を回転部４に送信する。回転部４では、この回転指令を受信すると、回転指令に応じて反射ミラー３を回転させる。この回転した後の反射ミラー３は、図２（ａ）で示す反射ミラー３の角度と比較すると、反時計周り（但し、蓋Ｂｂ側から反射ミラー３を見た場合の回転方向である）に所定角度回転している。また、制御部６では、高さ位置Ｈ２にするために必要な上下移動距離と移動方向を示す上下移動指令を上下移動部５に送信する。この上下移動距離は０なので、上下移動部５では反射ミラー３を上下移動させない。これにより、反射ミラー３では、反射光Ｌ２が入射角度θ２で入射して、反射する（反射工程）。反射ミラー３で反射した再反射光Ｌ３は、表面改質箇所Ｐ４でデフォーカスする。

図２（ｃ）に示すときには、レーザー光照射部２では、長辺部Ｇ１の他端側の照射箇所Ｐ５（図２（ｂ）の照射箇所Ｐ３よりもコーナー部Ｇ３に少し接近した箇所）にレーザー光Ｌ１を照射している。このときに、制御部６では、照射箇所Ｐ５に応じて、照射箇所Ｐ５から移動方向Ｍに所定距離前方の表面改質箇所Ｐ６で再反射光Ｌ３をデフォーカスさせるために必要な入射角度θ３と高さ位置Ｈ３を算出する。この表面改質箇所Ｐ６は、コーナー部Ｇ３の中間部から出口にかかる部分である。照射箇所Ｐ５と表面改質箇所Ｐ６との間の所定距離は、図２（ｂ）のときの照射箇所Ｐ３と表面改質箇所Ｐ４との間の距離よりも更に短い距離である。入射角度θ３は、入射角度θ２よりも小さい角度である。高さ位置Ｈ３は、高さ位置Ｈ２よりも高い位置である。

制御部６では、入射角度θ３にするために必要な回転角度と回転方向を示す回転指令を回転部４に送信する。回転部４では、この回転指令を受信すると、回転指令に応じて反射ミラー３を回転させる。この回転した後の反射ミラー３は、図２（ｂ）で示す反射ミラー３の角度と比較すると、反時計周りに更に所定角度回転している。また、制御部６では、高さ位置Ｈ３にするために必要な上下移動距離と移動方向を示す上下移動指令を上下移動部５に送信する。上下移動部５では、この上下移動指令を受信すると、上下移動指令に応じて反射ミラー３を上方向に移動させる。これにより、反射ミラー３では、反射光Ｌ２が入射角度θ３で入射して、反射する（反射工程）。反射ミラー３で反射した再反射光Ｌ３は、表面改質箇所Ｐ６でデフォーカスする。

なお、図２（ａ）に示すときの再反射光Ｌ３の反射ミラー３から表面改質箇所Ｐ２までの距離と図２（ｂ）に示すときの再反射光Ｌ３の反射ミラー３から表面改質箇所Ｐ４までの距離と図２（ｃ）に示すときの再反射光Ｌ３の反射ミラー３から表面改質箇所Ｐ６までの距離とは、略同じ距離であり、焦点距離よりも長い距離である。反射ミラー３は、曲面のミラーなので、散乱している反射光Ｌ２を集光させて再反射光Ｌ３に焦点を結ばせることができる。特に、反射ミラー３と表面改質箇所との間で焦点を結ばせ、表面改質箇所でデフォーカスさせている。焦点距離は、反射ミラー３の曲率に応じて決まる。

このように、境界部Ｇに沿ってレーザー光Ｌ１の照射箇所の前方側に再反射光Ｌ３を連続してデフォーカスさせる。これにより、レーザー光Ｌ１の照射箇所の前方側の未溶接部分の表面Ｇａは、低密度エネルギーのレーザー光によって表面改質され、細かい凹凸状になる。この表面改質された表面Ｇａにレーザー光Ｌ１が照射されると、レーザー光Ｌ１のエネルギーが吸収され易く、レーザー光Ｌ１の反射が抑えられる。

本実施形態では、溶接開始時は、本体Ｂａ及び蓋Ｂｂにおいて表面に凹凸状が形成されていない部位を接合するため、レーザー光Ｌ１の出力は従来と同様とする。しかし、接合部位が表面改質されて凹凸状の表面に移行した後は、レーザー光Ｌ１のエネルギーが吸収され易くなるため、レーザー光Ｌ１の出力を低下させる。これにより、レーザー溶接におけるエネルギー効率を上げることができる。なお、レーザー光Ｌ１の出力を低下させる代わりに、レーザー光Ｌ１の移動速度を上げてもよい。

このレーザー溶接装置１によれば、反射ミラー３で反射光Ｌ２をレーザー光Ｌ１の照射箇所よりも前方側でデフォーカスするように反射させることにより、デフォーカスされた低密度エネルギーのレーザー光によって境界部Ｇの未溶接部分を表面改質する。これにより、反射光Ｌ２を利用した簡単な方法で溶接時のレーザー光Ｌ１の反射を抑制できる。その結果、溶接時のレーザー光Ｌ１の反射率が低下するとともにレーザー光Ｌ１のエネルギーの吸収率が向上し、レーザー溶接のエネルギー効率が向上する。

また、レーザー溶接装置１によれば、反射ミラー３を回転させて反射ミラー３での反射光Ｌ２の入射角度を調整するとともに反射ミラー３を上下移動させて反射ミラー３の境界部Ｇの面Ｇａからの高さ位置を調整することにより、境界部Ｇに曲率等の変化箇所がある場合でも、境界部Ｇに沿って再反射光Ｌ３を連続してデフォーカスさせることができる。また、レーザー溶接装置１によれば、所定の曲率を有する反射ミラー３を用いることにより、集光レンズを用いることなく、散乱している反射光Ｌ２を集光できる。そして、集光して焦点を結ばせた後に、再反射光Ｌ３をデフォーカスさせることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、上記実施形態では所定の曲率を有する曲面（又は球面）の反射ミラーを用いたが、平面の反射ミラーを用いてもよい。平面の反射ミラーを用いる場合、レーザー光を集光させるために、反射ミラーと電槽缶との間に集光レンズを介在させるとよい。

また、上記実施形態では電槽缶の側面の境界部に電槽缶の側方からレーザー光を照射する場合に適用したが、電槽缶の上面に本体と蓋との境界部があり、電槽缶の上方からレーザー光を照射する場合にも適用できる。上方からレーザー光を照射する場合でも、反射光を利用して境界部の未溶接部分を表面改質することができる。

また、上記実施形態では略直方体形状の電槽缶の封缶溶接に適用し、制御部による制御に応じて回転部で反射ミラーでの反射光の入射角度を調整するとともに上下移動部で反射ミラーの境界部の面からの高さ位置を調整する構成としたが、本体と蓋との境界部において曲率等の変化箇所がない電槽缶（例えば、円柱形状の電槽缶）の封缶溶接に適用する場合には、反射ミラーを可動式とする必要がなく、制御部、回転部、上下移動部等を備えないレーザー溶接装置としてよい。このレーザー溶接装置の場合、装置構成を簡易化できる。この場合、再反射光が境界部における照射箇所よりも前方側でデフォーカスするように反射ミラーでの反射光の入射角度と境界部からの高さ位置を予め調整して、反射ミラーを配置させておけばよい。

１…レーザー溶接装置、２…レーザー光照射部、３…反射ミラー、４…回転部、５…上下移動部、６…制御部。

Claims (5)

1. 金属製の容器を構成する本体と蓋とをレーザー溶接で接合するレーザー溶接方法であって、
   レーザー光を前記本体と前記蓋との境界部に沿って照射箇所を移動させつつ照射するレーザー光照射工程と、
   前記レーザー光照射工程で照射されたレーザー光が前記照射箇所で反射した反射光を反射ミラーで前記境界部に向けて反射させる反射工程と、
   を含み、
   前記反射工程は、前記境界部における前記照射箇所よりも移動方向の前方側に前記反射させた反射光をデフォーカスさせる、レーザー溶接方法。
2. 前記反射ミラーは、可動式であり、
   前記反射工程は、前記反射ミラーを動かして前記反射させた反射光をデフォーカスさせる、請求項１に記載のレーザー溶接方法。
3. 金属製の容器を構成する本体と蓋とをレーザー溶接で接合するレーザー溶接装置であって、
   レーザー光を前記本体と前記蓋との境界部に沿って照射箇所を移動させつつ照射するレーザー光照射部と、
   前記レーザー光照射部で照射されたレーザー光が前記照射箇所で反射した反射光を反射させる反射ミラーと、
   を備え、
   前記反射ミラーは、前記反射させた反射光が前記境界部における前記照射箇所よりも移動方向の前方側にデフォーカスするように、前記反射光を入射させる角度と前記境界部からの高さ位置が調整される、レーザー溶接装置。
4. 前記反射ミラーを回転させる回転部と、
   前記反射ミラーを上下移動させる上下移動部と、
   前記回転部及び前記上下移動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記反射させた反射光がデフォーカスするように前記回転部及び前記上下移動部を制御する、請求項３に記載のレーザー溶接装置。
5. 前記反射ミラーは、曲率を有する曲面のミラーである、請求項３又は請求項４に記載のレーザー溶接装置。

Images