JP2016107293A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース体および蓋体の溶接部で十分な溶け込み深さを確保し、さらに、レーザ光の走査方向を変更させる場合であっても、溶接に要する時間の短縮化を図ることが可能な溶接装置、を提供する。【解決手段】溶接装置は、レーザ光を走査して、開口部を有する電池ケース１２と、開口部を塞ぐ封口板１３とを溶接する装置である。溶接装置は、回折現象により、レーザ光の照射領域を変換する回折光学素子を備える。回折光学素子は、電池ケース１２および封口板１３の境界部にレーザ光を照射する第１レーザ照射領域５１と、第１レーザ照射領域５１に対してレーザ光の進行方向における前方側で、電池ケース１２および封口板１３にレーザ光を照射する第２レーザ照射領域５２とを、レーザ光の進行方向に応じて形成する格子構造を有する。【選択図】図４

Description

この発明は、一般的には、溶接装置に関し、より特定的には、レーザ光を走査して、開口部を有するケース体と、開口部を塞ぐ蓋体とを溶接する溶接装置に関する。

従来の溶接装置に関して、たとえば、特開２０１２−１１０９０５号公報には、高容量、高信頼性、低コストのエネルギデバイス（密閉型２次電池、電池２重層コンデンサなど）を製造するために、ケースと封口板とを高品質で安定して溶接することを目的とした、溶接方法および溶接装置が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示された溶接方法では、互いに重ね合われた２つの部材の表面にレーザビームが照射される。レーザビームは、低密度ビーム部分と、その低密度ビーム部分よりも内側に存在して、かつ低密度ビーム部分よりもパワー密度が高い高密度ビーム部分とを有する。所定のレーザ照射点（観測点）において、低密度ビーム部分、高密度ビーム部分および低密度ビーム部分が挙げた順に通過するため、観測点での急激な温度変化が抑制される。

このほか、特開２０１３−２４１３０１号公報（特許文献２）、特開２０１３−２２０４６２号公報（特許文献３）、特開２０１１−９２９４４号公報（特許文献４）、特開２００９−１８３９７０号公報（特許文献５）および特開２００５−１０４０９２号公報（特許文献６）にも、各種の溶接装置が開示されている。

特開２０１２−１１０９０５号公報 特開２０１３−２４１３０１号公報 特開２０１３−２２０４６２号公報 特開２０１１−９２９４４号公報 特開２００９−１８３９７０号公報 特開２００５−１０４０９２号公報

上述の特許文献１に開示されるように、ケース体および蓋体を固定する方法として、レーザ溶接が利用されている。このようなレーザ溶接において、レーザ光の走査速度や照射領域などの条件によっては、ケース体および蓋体の溶接部で十分な溶け込み深さを確保できないことがある。また、ケース体および蓋体をレーザ溶接する際に、レーザ光の走査方向を変更させる場合がある。このような場合であっても、上記の溶接部における溶け込み深さの確保に加えて、溶接に要する時間の短縮化を図ることが求められる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ケース体および蓋体の溶接部で十分な溶け込み深さを確保し、さらに、レーザ光の走査方向を変更させる場合であっても、溶接に要する時間の短縮化を図ることが可能な溶接装置を提供することである。

この発明に従った溶接装置は、レーザ光を走査して、開口部を有するケース体と、開口部を塞ぐ蓋体とを溶接する溶接装置である。溶接装置は、回折現象により、レーザ光の照射領域を変換する回折光学素子を備える。回折光学素子は、ケース体および蓋体の境界部にレーザ光を照射する第１レーザ照射領域と、第１レーザ照射領域に対してレーザ光の進行方向における前方側で、ケース体および蓋体にレーザ光を照射する第２レーザ照射領域とを、レーザ光の進行方向に応じて形成する格子構造を有する。

このように構成された溶接装置によれば、第２レーザ照射領域にてケース体および蓋体にレーザ光を照射することにより、溶融した素材をケース体および蓋体の境界部に流入させ、第１レーザ照射領域にてその境界部にレーザ光を照射することによって、素材を継続して加熱することができる。これにより、ケース体および蓋体の溶接部で十分な溶け込み深さを確保することができる。この際、回折光学素子は、第１レーザ照射領域および第２レーザ照射領域をレーザ光の走査方向に応じて形成する格子パターンを有するため、レーザ光の走査方向を変更させる場合があっても、溶接に要する時間を短縮化することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、ケース体および蓋体の溶接部で十分な溶け込み深さを確保し、さらに、レーザ光の走査方向を変更させる場合であっても、溶接に要する時間の短縮化を図ることが可能な溶接装置を提供することができる。

２次電池の外観を示す斜視図である。 図１中の２次電池を矢印ＩＩに示す方向から見た平面図である。 この発明の実施の形態における溶接装置を模式的に表した図である。 溶接工程時における２次電池の溶接部位を示す断面図である。 レーザ光の照射領域を説明するための図である。 図３中の回折光学素子が有する格子パターンを説明するための図である。 比較のための溶接装置を模式的に表した図である。 図７中の比較のための溶接装置において、回折光学素子が有する格子パターンを説明するための図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、２次電池の外観を示す斜視図である。図２は、図１中の２次電池を矢印ＩＩに示す方向から見た平面図である。図１および図２を参照して、まず、本実施の形態における溶接装置を用いて製造される２次電池１０の構造について説明する。

２次電池１０は、非水電解質２次電池である。一例として、２次電池１０は、複数個が直列に組み合わされて組電池とされ、ハイブリッド自動車に搭載される。その組電池は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とともにハイブリッド自動車の動力源とされる。

２次電池１０は、電池ケース１２と、封口板１３と、正極端子１４と、負極端子１５とを有する。電池ケース１２および封口板１３は、互いに組み合わさって、電極体および電解液（不図示）を収容するための外装体を構成している。

電池ケース１２は、一方向に開口された略直方体形状の容器であり、開口部１２ｅを有する。封口板１３は、開口部１２ｅの開口面の形状に対応する平面視を有する。封口板１３は、板形状を有する。封口板１３は、矩形形状の平面視を有する。封口板１３は、開口部１２ｅの開口面よりも一回り小さく形成されている。封口板１３は、開口部１２ｅを塞ぐように設けられている。

電池ケース１２および封口板１３は、金属から形成されている。本実施の形態では、電池ケース１２および封口板１３が、アルミニウムから形成されている。封口板１３は、溶接により電池ケース１２に固定されている。

正極端子１４および負極端子１５は、互いに間隔を隔てて封口板１３に設けられている。正極端子１４は、金具１６を介して電極体の正極（不図示）に電気的に接続され、負極端子１５は、金具１７を介して電極体の負極（不図示）に電気的に接続されている。封口板１３には、安全弁１８および注液口１９がさらに設けられている。

図３は、この発明の実施の形態における溶接装置を模式的に表した図である。図４は、溶接工程時における２次電池の溶接部位を示す断面図である。図３および図４を参照して、次に、本実施の形態における溶接装置１００の構造について説明する。

本実施の形態における溶接装置１００は、２次電池１０の製造において、電池ケース１２および封口板１３を溶接する工程（溶接工程）に用いられる。溶接装置１００は、レーザ光を走査することにより、電池ケース１２および封口板１３を溶接する。

溶接装置１００は、レーザ発振器２１と、ガルバノスキャナ２２と、光ファイバ２３と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element)３１とを有する。

レーザ発振器２１から発せられたレーザ光は、光ファイバ２３を通じてガルバノスキャナ２２に入光される。ガルバノスキャナ２２は、高速かつ正確な位置にレーザ光を走査するための装置である。ガルバノスキャナ２２は、一対の反射鏡（ガルバノミラー）２５，２６を有する。反射鏡２５，２６は、図示しないモータ軸上に支持されている。モータを駆動させることにより、反射鏡２５，２６の反射角を高速で変更し、これにより、レーザ光の高速走査を実現している。

ガルバノスキャナ２２の入力側には、コリメートレンズ２４が設けられている。コリメートレンズ２４は、ガルバノスキャナ２２への入力光（レーザ光）を平行光にして、反射鏡２５，２６に送るためのレンズである。ガルバノスキャナ２２の出力側には、集光レンズ２７が設けられている。集光レンズ２７は、ガルバノスキャナ２２からの出力光（レーザ光）を溶接部位に集光するためのレンズである。

回折光学素子３１は、回折現象により、レーザ光の照射領域を変換する。回折光学素子３１は、レーザ発振器２１から溶接部位までのレーザ光の経路上において、集光レンズ２７と溶接部位との間に配置されている。回折光学素子３１は、集光レンズ２７からのレーザ光を、第１レーザ光Ｓ１および第２レーザ光Ｓ２に分光して、溶接部位に対して照射する。

図４中では、レーザ光の照射により電池ケース１２および封口板１３の素材が溶融した部分が、溶融池３７として示されている。

溶接工程時、電池ケース１２の開口部１２ｅに封口板１３が配置される。電池ケース１２の開口部１２ｅの内周面と、封口板１３の外周面との間には、隙間４２が形成されている。隙間４２は、電池ケース１２および封口板１３の寸法公差に起因して生じるものであり、一例として、０．５ｍｍ以下の大きさを有する。隙間４２は、電池ケース１２および封口板１３の境界部を構成している。

レーザ光は、隙間４２に沿って走査される。この際、レーザ光は、封口板１３の角部１１ａ、角部１１ｂ、角部１１ｃおよび角部１１ｄにおいて、進行方向を９０°ずつ変えながら走査される。レーザ光は、角部１１ａと角部１１ｂとの間では、矢印１０１ｈに示す方向に進行し、封口板１３の角部１１ｂと角部１１ｃとの間では、矢印１０１ｉに示す方向に進行し、封口板１３の角部１１ｃと角部１１ｄとの間では、矢印１０１ｊに示す方向に進行し、封口板１３の角部１１ｄと角部１１ａとの間では、矢印１０１ｋに示す方向に進行する。

図５は、レーザ光の照射領域を説明するための図である。図６は、図３中の回折光学素子が有する格子パターンを説明するための図である。図５および図６中では、隙間４２に沿って走査されるレーザ光の進行方向が矢印１０１によって示されている。

図４から図６を参照して、回折光学素子３１は、レーザ光の進行方向に応じて、第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成する格子構造を有する。

第１レーザ光Ｓ１および第２レーザ光Ｓ２は、それぞれ、第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２に照射される。第１レーザ照射領域５１では、電池ケース１２および封口板１３の境界部、すなわち隙間４２にレーザ光（第１レーザ光Ｓ１）が照射される。第２レーザ照射領域５２では、第１レーザ照射領域５１に対してレーザ光の進行方向における前方側で、電池ケース１２および封口板１３にレーザ光（第２レーザ光Ｓ２）が照射される。

第１レーザ照射領域５１は、第２レーザ照射領域５２よりもレーザ光の進行方向における後方側であって、隙間４２に重なる位置に配置されている。第２レーザ照射領域５２は、第１レーザ照射領域５１からレーザ光の進行方向を基準に斜め前方にずれた位置であって、隙間４２の両側の電池ケース１２および封口板１３に重なる位置に配置されている。第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２は、レーザ光の進行方向における後方側に配置された第１レーザ照射領域５１を頂点にしてＶ字形状をなすように配置されている。

本実施の形態では、第２レーザ照射領域５２として、第２レーザ照射領域５２ｐおよび第２レーザ照射領域５２ｑが形成されている。第２レーザ照射領域５２ｐは、第１レーザ照射領域５１からレーザ光の進行方向を基準に斜め前方にずれた位置に配置され、第２レーザ照射領域５２ｑは、さらに第２レーザ照射領域５２ｐからレーザ光の進行方向を基準に斜め前方にずれた位置に配置されている。

既に説明したように、電池ケース１２および封口板１３間の隙間４２に沿って走査されるレーザ光の進行方向は、封口板１３の角部１１ａ、角部１１ｂ、角部１１ｃおよび角部１１ｄにおいて９０°ずつ変化する。レーザ光を第１レーザ光Ｓ１および第２レーザ光Ｓ２に分光する回折光学素子３１には、レーザ光の進行方向を基準に同じ格子パターンとなるように、第１格子パターン形成領域３２、第２格子パターン形成領域３３、第３格子パターン形成領域３４および第４格子パターン形成領域３５が設けられている。

第１格子パターン形成領域３２、第２格子パターン形成領域３３、第３格子パターン形成領域３４および第４格子パターン形成領域３５には、互いに異なる格子パターンが形成されている。

角部１１ａおよび角部１１ｂの間で溶接部位に照射されるレーザ光は、第１格子パターン形成領域３２を通過する。第１格子パターン形成領域３２には、矢印１０１ｈに示すレーザ光の進行方向を基準に、上記に説明した第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成する格子パターンが形成されている。角部１１ｂおよび角部１１ｃの間で溶接部位に照射されるレーザ光は、第２格子パターン形成領域３３を通過する。第２格子パターン形成領域３３には、矢印１０１ｉに示すレーザ光の進行方向を基準に、上記に説明した第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成する格子パターンが形成されている。

角部１１ｃおよび角部１１ｄの間で溶接部位に照射されるレーザ光は、第３格子パターン形成領域３４を通過する。第３格子パターン形成領域３４には、矢印１０１ｊに示すレーザ光の進行方向を基準に、上記に説明した第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成する格子パターンが形成されている。角部１１ｄおよび角部１１ａの間で溶接部位に照射されるレーザ光は、第４格子パターン形成領域３５を通過する。第４格子パターン形成領域３５には、矢印１０１ｋに示すレーザ光の進行方向を基準に、上記に説明した第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成する格子パターンが形成されている。

本実施の形態では、第１レーザ照射領域５１よりもレーザ光の進行方向における前方側に位置する第２レーザ照射領域５２（５２ｐ，５２ｑ）において、電池ケース１２および封口板１３にレーザ光（第２レーザ光Ｓ２）が照射される。これにより、電池ケース１２および封口板１３の素材を溶融させ、その溶融した素材を隙間４２に流入させることができる。そして、第１レーザ照射領域５１において、電池ケース１２および封口板１３の境界部である隙間４２にレーザ光（第１レーザ光Ｓ１）が照射されることによって、隙間４２に流入した素材を引き続き加熱することができる。これにより、隙間４２における素材の溶け込み深さを十分に確保して、溶接品質の向上を図ることができる。

加えて、まず第２レーザ光Ｓ２によって溶融された素材が隙間４２に流入するため、隙間４２を狙って照射される第１レーザ光Ｓ１が電池ケース１２の内部にまで達すること（レーザ抜け）を防止できる。これにより、溶接工程において、電池ケース１２に収容された電極体４１を適切に保護することができる。

図７は、比較のための溶接装置を模式的に表した図である。図８は、図７中の比較のための溶接装置において、回折光学素子が有する格子パターンを説明するための図である。

図７および図８を参照して、本比較例では、図３中の回折光学素子３１に替えて、回折光学素子６１が設けられている。回折光学素子６１は、レーザ発振器２１から溶接部位までのレーザ光の経路上において、コリメートレンズ２４と反射鏡２５との間に配置されている。図８中に示すように、回折光学素子６１には、単一の格子パターン形成領域６２が設けられている。

このような構成において、レーザ光の進行方向に応じて第１レーザ照射領域５１および第２レーザ照射領域５２を形成するためには、レーザ光の進行方向が変わるたびに回折光学素子６１を回転させるための回転機構が必要となる。この場合、レーザ光の進行方向の変更点（封口板１３の角部１１ａ、角部１１ｂ、角部１１ｃおよび角部１１ｄ）において、溶接工程を停止させる工程と、回折光学素子６１を回転させる工程とを実行する。その結果、溶接工程に要する時間が長くなる。

図３を参照して、一方、本実施の形態では、回折光学素子３１に、レーザ光の進行方向を基準に同じ格子パターンとなるように、第１格子パターン形成領域３２、第２格子パターン形成領域３３、第３格子パターン形成領域３４および第４格子パターン形成領域３５が設けられているため、回折光学素子３１を回転させる必要がない。これにより、レーザ溶接の高速化を図ることができる。

また、回折光学素子３１の回転機構を不要とするための手段として、レーザ光の照射領域を上下左右対称のＸ字状に設ける方法が考えられる。しかしながら、この方法では、素材の溶け込み深さに寄与しない、第１レーザ照射領域５１から斜め後ろ方向にずれた領域にもレーザ光が照射される。この場合に、各照射領域におけるレーザ出力を確保するために、高出力のレーザ光を光学系（レンズやミラー）に通すと、レーザが通過する際のエネルギ吸収によって光学系が発熱する。これにより、光学系における屈折率が変化して、焦点位置がずれるという現象（フォーカスシフト）が発生するおそれがある。

これに対して、本実施の形態では、回折光学素子３１に、レーザ光の進行方向を基準に同じ格子パターンとなるように、第１格子パターン形成領域３２、第２格子パターン形成領域３３、第３格子パターン形成領域３４および第４格子パターン形成領域３５が設けられているため、照射領域の配置の自由度が高い。結果、上記のようなフォーカスシフトを容易に回避することができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における溶接装置１００の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における溶接装置１００は、レーザ光を走査して、開口部１２ｅを有するケース体としての電池ケース１２と、開口部１２ｅを塞ぐ蓋体としての封口板１３とを溶接する溶接装置である。溶接装置１００は、回折現象により、レーザ光の照射領域を変換する回折光学素子３１を備える。回折光学素子３１は、電池ケース１２および封口板１３の境界部にレーザ光を照射する第１レーザ照射領域５１と、第１レーザ照射領域５１に対してレーザ光の進行方向における前方側で、電池ケース１２および封口板１３にレーザ光を照射する第２レーザ照射領域５２とを、レーザ光の進行方向に応じて形成する格子構造を有する。

このように構成された、この発明の実施の形態における溶接装置１００によれば、電池ケース１２および封口板１３の溶接部で十分な溶け込み深さを確保することができる。また、レーザ光の走査方向を変更させる場合においても、溶接に要する時間の短縮化を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、２次電池の製造に用いられる溶接装置に適用される。

１０ ２次電池、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 角部、１２ 電池ケース、１２ｅ 開口部、１３ 封口板、１４ 正極端子、１５ 負極端子、１６，１７ 金具、１８ 安全弁、１９ 注液口、２１ レーザ発振器、２２ ガルバノスキャナ、２３ 光ファイバ、２４ コリメートレンズ、２５，２６ 反射鏡、２７ 集光レンズ、３１，６１ 回折光学素子、３２ 第１格子パターン形成領域、３３ 第２格子パターン形成領域、３４ 第３格子パターン形成領域、３５ 第４格子パターン形成領域、３７ 溶融池、４１ 電極体、４２ 隙間、５１ 第１レーザ照射領域、５２，５２ｐ，５２ｑ 第２レーザ照射領域、６２ 格子パターン形成領域、１００ 溶接装置。

Claims (1)

1. レーザ光を走査して、開口部を有するケース体と、前記開口部を塞ぐ蓋体とを溶接する溶接装置であって、
   回折現象により、レーザ光の照射領域を変換する回折光学素子を備え、
   前記回折光学素子は、
   前記ケース体および前記蓋体の境界部にレーザ光を照射する第１レーザ照射領域と、前記第１レーザ照射領域に対してレーザ光の進行方向における前方側で、前記ケース体および前記蓋体にレーザ光を照射する第２レーザ照射領域とを、レーザ光の進行方向に応じて形成する格子構造を有する、溶接装置。

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