JP2018174059A - 溶接構造体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 キーホール発生を抑制でき、信頼性の高い、溶接部構造体及びその製造方法を提供する。【解決手段】 電池ケース１３と電極タブ１４とを溶接して線状の溶接痕を形成するとき、レーザ照射開始後から第１期間ＴＰ１の間、レーザの出力を第１出力Ｐ１まで増加させて、第１出力で電極タブを溶融するに至るまで電池ケースを溶融させた後、第２期間ＴＰ２の間、第１出力を維持して、電極タブと電池ケースとを溶融させた後、第１出力から、電池ケースのみを溶融させる第２出力Ｐ４に至るまでレーザの出力を減少させた後、溶接痕の形成終了まで、第２出力を維持するか、又は、第２出力からのレーザの出力の減少量を、第１出力から第２出力に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくする。【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接構造体及びその製造方法に関する。
携帯機器等の駆動用電源や家庭又は車載用の蓄電池として、高容量のリチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池などの密閉型二次電池が広く使用されている。
図８は、密閉型二次電池の構成を模式的に示した断面図である。密閉型二次電池は、正極板１と負極板２とをセパレータ３を介して積層又は捲回してなる電極群４が電解液とともに電池ケース５に収納され、電池ケース５の開口部が、ガスケット６を介して封口板１０で封口された密閉構造をなしている。そして、電極群４の一方の極板（例えば、正極板）から導入された正極タブ１１は、一方の外部端子を兼ねた封口板１０に接合され、電極群４の他方の負極板から導出された負極タブ（図８には未記載）は、他方の外部端子を兼ねた電池ケース５に接合されている。
従来の鉄又はＳＵＳなどの金属からなる電池ケースと、ニッケル、又は銅からなる負極タブに対して、レーザを照射して溶接する方法としては、前記電池ケース５の外側からレーザを照射することにより溶接しているものがある（例えば、特許文献１参照）。図９及び図１０は、特許文献１に記載された従来の前記電池ケース５の電池ケース底部１３と前記負極タブ１４の溶接を示す図である。
図９において、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に捲回してなる電極群４を円筒形の電池ケース５に挿入し、負極板に溶接されている負極タブ１４を電池ケース５の中央部にて電池ケース５の底部１３に重ね、接触棒１２により、電池ケース５の底部１３に負極タブ１４を接触させ、電池ケース５の外側よりパルスレーザ７を照射することにより、電池ケース５の電池ケース底部１３と負極タブ１４の一部を溶接している。
特許文献１に開示された構成では、パルスレーザ７を電池ケース５の外側より照射し、タブ表面の温度を測定しながら、その信号が一定の閾値を超えるまで、複数のパルス照射を続けている。
ところで、電池ケース５の内部の負極タブ１４側からパルスレーザ７を照射する方法も考えられるが、前記電極群４にパルスレーザ７が当たり、焦げる可能性があることと、溶接時に発生するスパッタとデブリ等との副次物が、電池ケース５の内部に残ると、短絡不良の要因となる為、特許文献１に記載の電池ケース５の外側よりパルスレーザ７を照射する方法が望ましいとされる。
図１０は、図９の電池ケース５の電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合部を示す断面図であり、電池ケース底部１３側からパルスレーザ７を照射することにより電池ケース底部１３の表面から溶融が進み、照射時間の経過と共に、線状の溶接痕を有する溶接部１５は負極タブ１４との接合面に達し、更に負極タブ１４の内部に進んだところでレーザ照射を停止し、電池ケース５のケース底部１３と負極タブ１４とを接合させる。一般にパルスレーザによる溶接では、同一場所に複数の照射を続ける為、レーザの熱が一点に集中し、この熱が材料内へ熱伝導で伝えられ、電池ケース底部１３のパルスレーザ７照射側の溶接部１５の溶接面積が大きくなる。
また、従来のアルミニウムなどの金属からなる封口板とアルミニウムなどからなる正極タブとに対して、レーザを照射して溶接する方法として、タブの他端を封口板に当接させて、タブの厚さより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、タブ側から照射することによって、タブの他端を封口板にレーザ溶接しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に開示された構成では、ファイバーレーザを用いて、より小さいスポット径で深溶け込み型の溶接（キーホール溶接）を行っている。
キーホール溶接について、図１１を用いて詳細に説明する。レーザの出力密度が高い場合、レーザ照射部表面は蒸発温度以上に加熱され、蒸発時の反力で表面がくぼみ、深いキーホールが形成される。キーホール内では、キーホール内壁面（一般に、進行方向前壁面）又は底部でレーザがフレネル吸収（多重反射による吸収）され、金属蒸気（プルーム）が発生し、キーホール口から噴出される。キーホール型溶融溶接部の溶け込み深さは、キーホール深さとその先端からの湯流れとで決定される。ここで、レーザビームが進行中に湯流れが対流している部分を、溶融池という。この溶融池は、周囲材料への熱伝導と、大気中への熱対流とにより熱が拡散され、徐々に冷えて固まる。
図１２及び図１３は、特許文献２に記載された従来の前記封口板１０と前記正極タブ１１との溶接を示す図である。図１２は、特許文献２に記載された従来の正極タブ１１を封口板１０にレーザ溶接する方法を示した平面図である。また、図１３は、正極タブ１１と封口板１０からなる溶接部の断面を示した図である。
図１３において、電極群から導出された正極タブ１１の端部に対して、封口板１０に当接した状態で、正極タブ１１の厚さよりも小さいスポット径を有する連続発振レーザ１６を、正極タブ１１の幅方向に沿って連続的に走査することによって溶接部１５を形成し、正極タブ１１の端部を封口板１０にレーザ溶接している。
特開２００４−１５８３１８号公報 特許第４６４７７０７号
しかしながら、前記構造のものでは、キーホールが発生するといった問題があった。
本開示においては、キーホールの発生する可能性を抑制することができ、信頼性の高い、溶接部構造体及びその製造方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本開示の溶接構造体の製造方法は、電池ケースの内側表面が電極タブと密着する状態で前記電池ケースの外側表面からレーザを走査することにより溶接した溶接構造体の製造方法であって、
前記レーザと前記電池ケースとの相対的な移動により線状の溶接痕を形成する工程を有し、
当該工程において、
前記レーザ照射開始後から第１期間の間、前記レーザの出力を第１出力まで増加させて、前記第１出力で前記電極タブを溶融するに至るまで前記電池ケースを溶融させ、その後、
第２期間の間、前記第１出力を維持して、前記電極タブと前記電池ケースとを溶融させ、その後、
前記第１出力から、前記電池ケースのみを溶融させる第２出力に至るまで前記レーザの出力を減少させ、その後、
前記溶接痕の形成終了まで、前記第２出力を維持するか、又は、前記第２出力からの前記レーザの出力の減少量を、前記第１出力から前記第２出力に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくする。
以上のように、本開示によれば、前記電極タブと前記電池ケースとを溶融させた後、前記電池ケースのみを溶融させる第２出力に至るまで前記レーザの出力を減少させた後、前記溶接痕の形成終了まで、前記第２出力を維持するか、又は、前記第２出力からの前記レーザの出力の減少量を、前記第１出力から前記第２出力に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくしている。これにより、レーザ終端部での溶融量を大きくして、例えば電池ケースと電極タブとの界面に樹脂系異物が介在するなどのために、キーホールが発生しかけても、前記大きな溶融量でキーホールを埋めてキーホール発生を抑制することができる。
本実施形態１の経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図 本実施形態１の溶接部断面を説明する図 本実施形態１の経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図 本実施形態１の溶接構造体の製造方法により形成されるダウンスロープ部の断面積を示す図 レーザ出力のばらつきによりダウンスロープ部にできた電池ケース底部と負極タブの新な接合部がある場合の貫通穴発生を説明する図 本実施形態２の経過時間に対するレーザ出力制御とレーザ走査速度を説明する図 本実施形態２の溶接部上面と断面を説明する図 密閉型二次電池の構成を模式的に示した断面図 特許文献１に記載された従来の電池ケースと負極タブの溶接方法を示す図 特許文献１に記載された従来の電池ケースと負極タブの溶接部の断面を拡大した図 キーホール溶接について説明した図 特許文献２に記載された従来の封口板と正極タブの溶接方法を示す図 特許文献２に記載された従来の封口板と正極タブの溶接部の断面を拡大した図 ケース底部と負極タブの間に挟まった樹脂系異物が、溶接エリアのほぼ中央にある場合の溶接を説明する図 溶融内部に残ったブローホールのＣＴ画像の図 ケース底部と負極タブの間に挟まった樹脂系異物が、レーザ照射終端部にある場合の溶接を説明する図 レーザ照射終端部に発生した貫通穴のＣＴ画像の図 貫通穴を電池ケース底部側から観察した図 ケース底部と負極タブを接合部の長さＳ１で溶接した場合の上面図と断面図 図１９の経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図 電池ケース底部と負極タブを接合部の長さＳ２で溶接した場合の上面図と断面図 図２１の経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図 レーザ走査速度を従来の２倍にした場合の経過時間に対する出力制御を説明する図
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図の中で、横軸が時間のグラフでは、出力変更指令の開始時間は、棒グラフの左側の時間である。
まず、本実施の形態に至った知見について説明する。
製造工程内での発生した、又は、前工程で付着した、電池ケース底部１３又は負極タブ１４の表面に付着したＰＥＴ等の樹脂系異物又はオイル等が、溶接時のキーホール内壁面又は底部で多重反射したレーザに触れた場合、樹脂系異物又はオイルは、急激に昇華し、体積膨張し、ガスが発生する。このガスはキーホール口から噴出され、このとき、キーホール周囲の湯流れも吹飛ばされ、スパッタ化し、通常のキーホールよりも大きな穴が発生する。キーホール溶接では、溶接方向に対して、前方からの湯流れにより、発生したキーホールを埋めながら溶接が進み、この湯流れ量が多いと、発生した穴を埋めることが可能である。
しかしながら、電池ケース５に使用される鉄又はＳＵＳは、特許文献２に記載の溶接対象のアルミニウムに比べ、熱伝導率が約１／４と小さく、また融点が約２．５倍と大きい為、発生する湯流れ量が少ない。
特に、レーザ照射の終端部は、レーザビームを徐々に弱める為、走査前方方向で発生する湯流れ量も徐々に少なくなり、発生した前記穴を埋めることが困難となる。
また、レーザ照射時の湯流れ量が少なくなる為に、特許文献２にも記載されているように、電池ケース底部１３と負極タブ１４との間に、介在する樹脂又はオイル等の樹脂系異物に対する耐性が弱くなり、レーザ溶接時に缶に穴が開きやすくなる問題点が発生する。缶に穴が開くと、電解液の漏液が発生することになる。
以上の具体的な電池ケース底部での貫通穴の発生プロセスを、図１４〜図１７により説明する。なお、図１４及び図１６は断面図であるが、ハッチングを付すると理解しにくくなるため、ハッチングを省略している。
図１４は、電池ケース底部１３と負極タブ１４との間に挟まった樹脂系異物１７が、レーザ１６の走査範囲の中央部にある場合の、電池ケース底部１３と負極タブ１４とをキーホール溶接により接合するプロセス状態を説明する図である。図１４の（１）は、レーザ１６の移動時の樹脂系異物１７の直前の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。図１４の（２）は、異物１７上の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。図１４の（３）は、異物１７の直後の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。これらの図を用いて説明を行う。
まず、図１４の（１）において、樹脂系異物１７の直前の位置では、発生したキーホール１９のレーザ溶接方向の後方に湯流れ２１が発生し、時間的に過去に発生していたキーホール２０は、溶接方向前方からキーホール２０に流れてくる湯流れ２１により埋められて消滅し、徐々に冷えて凝固部２３を形成する。これは、通常のキーホール溶接のプロセス状態である。
次に、図１４の（２）において、樹脂系異物１７の異物上の位置に、レーザ１６が来て樹脂系異物１７に接触すると、レーザ１６に接触した樹脂系異物１７は急激に昇華し、この昇華による上方圧力２５により、キーホール１９の内径が拡大した拡大キーホール２７が発生する。この拡大キーホール２７の内径は、樹脂系異物１７の直前の位置（図１４の（１）を参照）で発生する前記キーホール１９の内径より大きい。
しかしながら、このときは、前方から流れてくる湯流れ２１の量が多いため、樹脂系異物１７を通過した直後の位置の図１４の（３）に示すように、発生した拡大キーホール２７は、前方から流れてくる湯流れ２１により埋められて溶融池２２になる。但し、樹脂系異物１７のサイズが大きく、発生した拡大キーホール２７を湯流れ２１ですべて埋めきれない場合、又は、溶接速度が速い場合は、前方から流れてくる湯流れ２１が少なくなる為、湯流れ２１で埋めきれず、レーザ１６が樹脂系異物１７を通過した（３）直後の状態の図に示すような、溶融池２２の内部にブローホール２６が残る場合がある。なお、図７の（３）の符号１９ａは、レーザ１６が樹脂系異物１７を通過した（３）直後に発生したキーホールである。
図１５は、溶融池２２の内部に残ったブローホール２６のＣＴ（Computed Tomography:コンピュータ断層撮影）画像で、このブローホール２６は、通常、電池ケース底部１３と負極タブ１４との境界に存在している。
次に、電池ケース底部１３と負極タブ１４との間に挟まった樹脂系異物１７が、レーザ１６の照射終端部にある場合の、電池ケース底部１３と負極タブ１４とをキーホール溶接により接合するプロセス状態を図１６により説明する。図１６の（１）は、レーザ１６の移動時の樹脂系異物１７の直前の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。図１６の（２）は、異物１７上の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。図１６の（３）は、異物１７の直後の位置でのプロセス状態の断面図及び上面図である。これらの図を用いて説明を行う。
まず、図１６の（１）において、樹脂系異物１７の直前の位置の状態では、図１４の（１）での説明と同様に、発生したキーホール１９は、溶接方向前方からキーホール１９に流れてくる湯流れ２１により埋められて消滅する。
次に、図１６の（２）において、樹脂系異物１７の異物上の位置に、レーザ１６が来て樹脂系異物１７に接触すると、図１４の（２）での説明と同様に、一時的に樹脂系異物１７の(１）直前の位置で発生するキーホール１９の内径より大きな内径の拡大キーホール２７が発生する。
しかしながら、図１４での説明に対して、図１６においては、前記拡大キーホール２７の発生部はレーザ１６の照射の終端部にあり、レーザ１６の出力は徐々に低下する。この為、溶接方向前方から流れてくる湯流れ２１は、図１４の（３）での説明に比較して少ない為、そのような湯流れ２１によっては、発生した前記拡大キーホール２７を埋めることができない可能性が高く、貫通穴２８として残る。
図１７は、レーザ照射終端部に発生した、貫通穴２８のＣＴ画像である。貫通穴２８は、電池ケース底部１３と負極タブ１４とにわたって存在している。
図１８は、前記貫通穴２８を電池ケース底部１３側から観察したＳＥＭ写真である。発生した貫通穴２８の溶接方向の後ろ側に、前記樹脂系異物１７が昇華したときの上方圧力２５により、溶融盛り上がり２４が形成されている。
以上の説明より、電池ケース底部１３と負極タブ１４を、電池ケース底部１３側から、電池ケース底部１３の厚さより十分小さいビーム径を有するレーザ１６によるキーホール溶接においては、レーザ１６の照射終端部で貫通穴２８が発生する確率が高い。その理由として、レーザ１６の照射終端部においては、溶接方向前方から流れてくる湯流れ２１の量が少ない為、発生した拡大キーホール２７を湯流れ２１で埋めることができず、貫通穴２８として残る確率が高くなる。
一方で、電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合部の面積は、電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合強度を決めるパラメータである為、ある一定以上の接合強度を確保する為には、一定以上の接合部の面積が必要となる。
電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合強度をある一定以上確保する為の溶接条件の設定方法について、図１９〜図２２を用いて説明する。
図１９の（ａ）及び（ｂ）は、電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合部３１のレーザ１６の走査方向長さＳ１で溶接した場合の電池ケース底部１３側から見た上面図と断面図とを表す。電池ケース底部１３と負極タブ１４とを接合する場合、電池ケース底部１３の厚さＢに対して、線状の溶接痕である溶接部１５の深さｈ１は、常にｈ１＞Ｂの関係にある。図１９の（ａ）及び（ｂ）においては、左側から溶接が開始し、右側に向かって溶接が進む。この時のレーザ１６の走査速度は一定速度Ｖ１とする。また、図１９の（ａ）の上面図において、溶接部１５の外観の長さをＬとし、幅をＷとすると、その長さＬは、レーザ１６の走査距離により決まり、幅Ｗは、レーザ１６のビーム径とレーザ１６の走査速度とにより決まる。すなわち、レーザ１６の走査速度Ｖ１が遅いと、周囲への熱伝導による金属の溶融により、幅Ｗは、通常、前記レーザ１６のビーム径より太くなる。
レーザ１６の溶接開始部、すなわち、接合部の長さＳ０の区間では、スパッタの発生を抑制する為に、レーザの出力を連続的に徐々に大きくし、溶け込み深さを増加させる。これは、特許文献２においても記載されている方法でもあり、スパッタが周囲へ飛散することを防ぐためである。急激に金属にエネルギーを注入すると、固体→融解→流体の相変態が不安定となり、多くのスパッタが発生する。接合部の溶接部１５の深さはｈ１で維持される。一方、レーザ１６の溶接終端部、すなわち、接合部の長さＳ２の区間では、レーザの出力を連続的に徐々に小さくし、溶接時に発生するキーホールを埋めるように溶け込み深さを減少させる。溶接終端部の連続的にレーザの出力を徐々に小さくした溶接部の断面のレーザ１６の走査方向長さをＳ２とする。
図２０は、図１９の溶接部１５を形成するときの、溶接開始からの経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図である。横軸にレーザを発振してからの時間を表し、縦軸に各時間における加工点におけるレーザ出力を表す。
レーザ出力制御の時間分解能は、レーザ発振器を制御する装置にもよるが、最小で０.１ｍｓ程度である。図２０における白抜きの四角形３２は、各経過時間における加工点のレーザ出力設定値である。
溶接開始から、レーザ出力を徐々に上げて出力Ｐ１以上で、ケース底部１３と負極タブ１４とが接合する。なお、出力Ｐ２以上では、レーザ１６が負極タブ１４を貫通する為、出力はＰ１〜Ｐ２の間で設定する。時間ｔ０で出力Ｐ１以上の出力で時間Δｔ１の間だけ維持し、接合部の長さＳ１を確保する。レーザ溶接終端部においては、時間ｔ１でレーザ出力を連続的に徐々に徐々に下げていき、時間Δｔ２経過後の時間ｔ２でレーザ出力がゼロになり溶接が完了する。
次に、電池ケース底部１３側の溶接外観長さＬを変えずに、レーザ１６の走査速度Ｖ１で、電池ケース底部１３と負極タブ１４との溶接強度を上げるための溶接条件の設定方法について図２１と図２２を用いて説明する。
同様に、溶接開始から、レーザ出力を連続的に徐々に上げて出力Ｐ１以上で、ケース底部１３と負極タブ１４とが接合する。レーザ出力を増加して出力Ｐ１以上になるまでの時間ｔ０は、発生するスパッタを抑制するための必要時間である。出力Ｐ１以上の一定値で時間Δｔ３（＝第２期間ＴＰ２）の間だけ維持し、接合部の長さＳ３（＞Ｓ１）を確保する。レーザ溶接終端部は、時間ｔ３でレーザ出力を徐々に下げていき、時間Δｔ３経過後の時間ｔ４でレーザ出力がゼロになり、溶接が完了する。しかしながら、溶接終端部の連続的にレーザの出力を徐々に小さくした溶接部の断面の長さＳ４は、長さＳ２に比べて短くなる。このため、レーザ１６の照射終端部で樹脂系異物１７により拡大キーホール２７が発生した場合、この拡大キーホール２７を埋めるための湯流れ２１の量が少なくなり、貫通穴２８が発生する可能性がさらに高くなる。
また、レーザ１６の走査速度Ｖ１を２倍の速度Ｖ２にした場合、レーザ出力制御の時間分解能は０．１ｍｓと変わらないため、図２３に示すように溶接終端部の出力の設定分解能が粗くなり、レーザの出力を連続的に徐々に小さくした溶接部の断面の面積がさら小さくなり、レーザ１６の照射終端部で樹脂系異物１７により拡大キーホール２７が発生した場合、この拡大キーホール２７を埋めるための湯流れ２１の量が少なくなり、貫通穴２８が発生する可能性がさらに高くなる。
本開示は、前記従来の課題を解決するもので、レーザ１６の照射終端部で樹脂系異物により拡大キーホール２７が発生した場合、この拡大キーホール２７を埋めるための湯流れの量を多くする為の、電池などの溶接部構造及びその製造方法を提供することで、樹脂系異物の介在によりレーザ１６の照射終端部にできる貫通穴２８の発生する可能性を抑制することを目的とする。
（実施の形態１）
図２は、本実施の形態１における溶接構造体の例として、円筒形電池の電池ケース底部１３と負極タブ１４との溶接部断面構造を示す。この電池は、電池ケース底部１３の内側表面が負極タブ（電極タブの一例）１４と密着するよう電池ケース底部１３と負極タブ１４とを溶接部１５Ａで接合するものである。溶接部１５Ａは、電池ケース底部１３の外側表面から負極タブ１４の内部に至るように連続的に形成されている。また、図１は、本実施の形態１における円筒形電池の電池ケース底部１３と負極タブ１４との線状の溶接痕の溶接部１５Ａの断面構造を実現するため、溶接開始からの経過時間に対するレーザ出力制御を説明する図である。この図１では、レーザ出力制御の時間分解能を０．１ｍｓとしたとき、白抜きの四角形３２は、各時間における加工点のレーザ出力の積分値である。また、黒線３３は、各時間におけるレーザ出力の平均値を結んだ線である。なお、図において、時間ｔ０等をレーザ出力変更指令の開始時刻（四角形３２の左端）に設定し、期間ＴＰ１等および時間Δｔ３等をレーザ出力の平均値（黒線３３）を基準にして、以下に説明する。
図２において、電池ケース底部１３の材料は、例えば、鉄又はＳＵＳで構成されている。一例として、電池ケース底部１３を鉄で構成する場合、その腐食を防ぐ為に、表面に数ミクロン厚のニッケルがメッキ等によりコーティングされている。負極タブ１４は、例えば、単体ニッケル、又は、ニッケル層／銅層／ニッケル層の積層構造を有する。
レーザ溶接時、負極タブ１４側からは、耐熱性の棒状のジグにより負極タブ１４が電池ケース底部１３に押え付けられ、レーザ照射方向側からは、そのレーザ照射部分以外の箇所をジグ等により押えることにより、電池ケース底部１３と負極タブ１４とは、密着した状態でレーザ溶接される。
溶接構造体の製造方法の例であるレーザ溶接方法では、レーザと電池ケースの底部１３との相対的な移動により線状の溶接痕を形成する。
具体的には、このレーザ溶接方法は、以下の４つの工程を少なくとも備えている。
（ａ）まず、レーザ照射開始後から時間ｔ０までの第１期間ＴＰ１の間、レーザの出力を第１出力Ｐ１まで増加させて、第１出力Ｐ１で、電極タブ１４を溶融するに至るまで電池ケース底部１３を溶融させる。
（ｂ）その後、すなわち、第１期間ＴＰ１の後、第２期間ＴＰ２の間、第１出力Ｐ１を維持して、電極タブ１４と電池ケース底部１３とを溶融させる。
（ｃ）その後、すなわち、第２期間ＴＰ２の後、第１出力Ｐ１から、電池ケース底部１３のみを溶融させる第２出力Ｐ４に至るまで、レーザの出力を減少させる。
（ｄ）その後、溶接痕の形成終了まで、第２出力Ｐ４を維持するか（後述する実施形態２を参照）、又は、第２出力Ｐ４からのレーザの出力の減少量を、第１出力Ｐ１から第２出力Ｐ４に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくする。
この（ｃ）と（ｄ）との工程は、第３期間ＴＰ３である時間Δｔ４の間に行われ、溶接痕の形成終了まで、レーザの出力をゼロまで減少させない。
より具体的には、以下の通り、工程が実施される。
電池に対してガルバノミラー等のスキャナーによりレーザ１６が一定速度Ｖ１で走査されるとき、又は、電池ケースを保持するステージ等の移動により一定速度でレーザが電池を走査されるとき、図１において、レーザ照射開始から時間ｔ０までの第１期間ＴＰ１だけ、レーザ出力を電池ケース底部１３と負極タブ１４の接合のためのレーザ出力（第１出力の一例）Ｐ１まで連続的に徐々に増加させて、第１出力Ｐ１で、負極タブ１４を溶融するに至るまで電池ケース底部１３を溶融させる。この第１出力Ｐ１は、負極タブ１４を溶融するとともに電池ケース底部１３を溶融させる出力である。
ここで，図２において、このレーザ出力Ｐ１のときの熔け込み深さをｈ１とする。このレーザ照射開始から時間ｔ０までの第１期間ＴＰ１及び第１区間距離Ｓ０を、本実施形態１においては、アップスロープと呼ぶ。なお、レーザ出力Ｐ０は、電池ケース底部１３と負極タブ１４とが溶接される臨界出力であり、レーザ出力Ｐ２は、レーザ１６が負極タブ１４を貫通する出力であり、レーザ出力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の関係は、常に、Ｐ０＜Ｐ１＜Ｐ２となる。
例えば、電池ケース底部１３が、数μｍ厚のＮｉメッキが施された厚さ０．３ｍｍのＳＵＳであり、負極タブ１４が、ニッケル層／銅層／ニッケル層＝２５μｍ／５０μｍ／２５μｍの積層構造であれば、通常、第１期間ＴＰ１＝０．５ｍｓほど時間ｔ０を必要とし、前記一定速度をＶ１＝２００ｍｍ／ｓとした場合、第１区間距離Ｓ０＝０．１ｍｍとなる。一例として、前記レーザ出力Ｐ１（第１出力）は８００〜８５０Ｗのとき、熔け込み深さはｈ１＝０．３４〜０．３５ｍｍとなる。ここで、第１出力Ｐ１は、電池ケース底部１３と負極タブ１４とを溶接し、負極タブ１４の厚みの半分以上でかつタブ厚みを貫通しない出力であり、一例として８００〜８５０Ｗとすることができる。
図１において、レーザ出力制御は０．１ｍｓの時間分解能があるため、レーザ出力は段階的に上がっていく。この第１期間ＴＰ１、すなわち、時間ｔ０が短すぎると、例えば、前記数μｍ厚のＮｉメッキが施された厚さ０．３ｍｍのＳＵＳに対して、約０．２ｍｓ以下のアップスロープ時間ｔ０では、レーザ照射されたＳＵＳが急激に温度上昇して溶融状態になり、その急激な温度上昇による反力の為に、スパッタが多く発生する。
スパッタが多く発生すると、レーザ１６を集光する為の光学部品が汚れ、レーザがその汚れのために遮光され、レーザの出力が弱まり、溶接不良が発生したり、スパッタが電池ケース内に入り、電池使用時に短絡不良を引き起こしたりと、副次的な不良が発せする要因となる。その為、周辺へのスパッタ飛散を抑制する為には、前記アップスロープ時間ｔ０すなわち第１期間ＴＰ１を０．５ｍｓ以上確保し、レーザ出力を連続的に上げることが望ましい。
次に、図１において、レーザ出力が、第１出力Ｐ１に到達後、第２期間ＴＰ２＝Δｔ３時間の間、レーザ出力を第１出力Ｐ１で一定に維持して、負極タブ１４と電池ケース底部１３とを溶融させる。このときの溶接長さがＳ３となり、溶接長さＳ３が長いほど、電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合強度が強くなる。
例えば、電池ケース底部１３と負極タブ１４とのトルク強度が、１０Ｎ・ｍ以上必要な場合の接合長さＳ３をＳ３＝２ｍｍ、前記一定速度Ｖ１をＶ１＝２００ｍｍ／ｓとすると、第２期間ＴＰ２＝Δｔ３＝１０ｍｓとなる。
次に、図１において、レーザ照射開始から時間ｔ３後（すなわち、第１期間ＴＰ１及び第２期間ＴＰ２経過後）の第３期間ＴＰ３としての時間Δｔ４の間に、レーザ出力Ｐ１からレーザ出力を減少させる。前記レーザ出力Ｐ１から、レーザ出力を徐々に下げ、レーザ出力がレーザ出力（第２出力の一例）Ｐ４を経てレーザ出力Ｐ５になる時間ｔ４までの時間Δｔ４＝第３期間ＴＰ３と第３区間距離Ｓ４を、本実施形態１では、ダウンスロープ部ＤＳと呼ぶ。従来の特許文献２に記載の溶接方法では、レーザ出力は単に連続的に減少させていた。これに対して、本実施形態１においては、レーザ出力Ｐ１の時間ｔ３の後の第３期間ＴＰ３＝時間Δｔ４の間の途中で、レーザ出力が、レーザ出力Ｐ１から、電池ケース底部１３と負極タブ１４とが溶接される臨界出力であるレーザ出力Ｐ０の５０〜９７％になるレーザ出力（第２出力の一例）Ｐ４まで徐々に一旦下げる。その後、残りの時間Δｔ４の間に、レーザ出力Ｐ４からレーザ出力Ｐ５まで徐々に下げて、レーザ照射部終端まで、レーザ出力Ｐ４以下のレーザ出力Ｐ５を維持して加工を行う。このレーザ出力Ｐ５としては、所望の効果を奏するためにはレーザ出力Ｐ０の２０〜５０％とする。よって、第３期間ＴＰ３＝時間Δｔ４の間に、レーザ出力は、レーザ出力Ｐ１からレーザ出力（第２出力の一例）Ｐ４を経てレーザ出力Ｐ５になる。第２出力Ｐ４は、電池ケース底部１３のみを溶融させる出力である。言い換えれば、レーザ出力のばらつき±３％程度であるときは、溶接痕形成終了時点で、最低限、電池ケース底部１３と負極タブ１４とが溶接される臨界出力であるレーザ出力Ｐ０の０．９７倍のレーザ出力が残っておればよい。
また、時間Δｔ４の最低時間としては、
ｈ５ｍｉｎ＝ＤＳ２−Ｖ２８＝Ｂ／２Ｓ４×（π×Ｗ−２Ｓ４） である。
この式より、
Ｓ４＝πＷＢ／２／（ｈ５ｍｉｎ＋Ｂ） となる。
ここで、レーザの走査速度をＶ１としたとき、
Δｔ４＿ｍｉｎ＝Ｓ４／Ｖ１ である。
実際の値としては、π＝３．１４１５９２６５４とすると、Ｗ＝０．０５ｍｍ、Ｂ＝０．３ｍｍ、ｈ５＿ｍｉｎ＝０．２ｍｍ、Ｓ４＝０．０４７１２３８９ｍｍ、Ｖ１＝２００ｍｍ／ｓ、Δｔ４＿ｍｉｎ＝０．０００２３５６１９ｓ＝０．２３５６１９４４９ｍｓである。
従って、時間Δｔ４の最低時間は０．２ｍｓであり、第３期間ＴＰ３＝Δｔ4＝０．２ｍｓとなる。溶接外観長さＬは、Ｌ＝Ｓ０＋Ｓ３＋Ｓ４＝０．１ｍｍ＋２ｍｍ＋０．０４ｍｍ＝２．１４ｍｍとなる。
この条件において、図２おけるダウンスロープ部ＤＳの断面には、図２１の従来技術にはない変曲点３４ができる。
ここで、ダウンスロープ部ＤＳの断面積が大きいほど、図１６〜図１８で説明した貫通穴２８を埋める湯流れ２１の量（言い換えれば、溶融池の量）が多くなり、深さｈ４＝ｈ５、すなわち、レーザ出力がＰ４＝Ｐ５＝Ｐ０の５０％のとき、貫通穴２８の穴埋め効果が最大となる。すなわち、図３に示すレーザ出力制御のプロファイルに従って、出力がレーザ出力０→Ｐ０→Ｐ１→Ｐ４になるまでレーザを走査した後、そのまま、レーザ照射部終端まで、レーザ出力Ｐ４以下のレーザ出力Ｐ５を維持して加工を行う。これにより、図４に示すように、貫通穴２８の穴埋め効果のより高いダウンスロープ部ＤＳを形成できる。
なお、ｈ４は、変曲点３４の深さであり、ｈ５は、溶接部１５Ａの終点での溶け込み深さを示す。なお、レーザ出力Ｐ４（変曲点３４）に至るまでに形成される領域を第１ダウンスロープ部ＤＳ１と呼び、変曲点３４から溶接部１５Ａの終点までの領域を第２ダウンスロープ部ＤＳ２と呼ぶことがある。すなわち、溶接部１５Ａは、負極タブ１４の厚さ方向の断面において、溶接部１５Ａの側部領域に、第１ダウンスロープ部ＤＳ１と、第１ダウンスロープ部ＤＳ１の外側部に位置する第２ダウンスロープ部ＤＳ２とを有している。第１ダウンスロープ部ＤＳ１は、負極タブ１４と電池ケース底部１３との両方の領域に跨って存在すると共に、その厚さが外側に向けて徐々に薄くなっている。第２ダウンスロープ部ＤＳ２は、電池ケース底部１３内の領域のみに存在し、その厚さの変化量が第１ダウンスロープ部ＤＳ１よりも小である。
最後に、図１において、レーザ照射開始から時間ｔ４後（すなわち、第１期間ＴＰ１、第２期間ＴＰ２、及び、第３期間ＴＰ３経過後）に、レーザ出力を止めて、本実施形態１の電池ケース底部１３と負極タブ１４との溶接が完了する。
ここで、第２ダウンスロープ部の厚さ、言い換えれば、熔け込み深さｈ４は、電池ケース底部１３の厚さＢに対して、最大９７％、（第２出力Ｐ４＝７７０〜８２０Ｗ）で、例えば、Ｂ＝０．３ｍｍのとき、変曲点３４の深さは最大ｈ４＝０．２９ｍｍであることが望ましく、熔け込み深さｈ４が小さい（厚さＢの５０％未満）場合には、電池ケースの底部１３に開いた貫通穴２８を埋めるための湯流れ２１の量が少なく、穴埋め効果が小さい。また、熔け込み深さｈ４が、電池ケース底部１３の厚さＢに近すぎる（厚さＢの９７％超）場合には、材料の厚さばらつき又はレーザ出力のばらつき等により、ダウンスロープ部の区間Ｓ４で電池ケース底部１３を突き抜け、ダウンスロープ部間で、電池ケース底部１３と負極タブ１４との間に介在する、別の樹脂異物等に接触し、新たな穴が発生する可能性が高まる。図５はレーザ出力のばらつきによりダウンスロープ部にできた電池ケース底部１３と負極タブ１４との新たな接合部３５がある場合の貫通穴２８の発生を説明する図である。このような新たな接合部３５及び貫通穴２８を残存させないために、変曲点３４を電池ケース底部１３内に配し、かつ、第２ダウンスロープ部ＤＳ２の厚さ、言い換えれば、変曲点３４の表面からの距離を、電池ケース底部１３の厚さＢの５０％以上かつ厚さＢの９７％以下とする。ここで、第２出力Ｐ４は、電池ケース底部１３を貫通させうる出力の−３％〜−５％の出力であり、一例として７７０〜８２０Ｗとすることができる。
以上、実施形態１によれば、レーザ１６の照射終端部で、第１出力Ｐ１から、電池ケース底部１３のみを溶融させる第２出力Ｐ４に至るまでレーザの出力を減少させた後、第２出力Ｐ４からのレーザの出力の減少量を、第１出力Ｐ１から第２出力Ｐ４に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくしている。これにより、レーザ終端部での溶融量（湯流れの量）を大きくして、電池ケース底部１３と負極タブ１４との界面に樹脂系異物が介在して貫通穴が発生しかけても、大きな溶融量で貫通穴を埋めて穴発生を抑制することができる。よって、例えば、レーザ１６の照射終端部で樹脂系異物により拡大キーホール２７が発生した場合、この拡大キーホール２７を大きな溶融量で十分に埋めることができる。この結果、電池ケース底部１３と負極タブ１４との界面に樹脂系異物が介在しても、貫通穴２８の発生を抑制することができ、信頼性の高い溶接部構造体及びその製造方法を提供することができる。
（実施の形態２）
実施形態２は、実施形態１よりも、さらにダウンスロープ部ＤＳの溶融池量（湯流れの量）を増やす方法である。
図７の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態２における円筒形電池の電池ケース底部１３と負極タブ１４との電池ケース底部１３側（外側表面側）から見た上面図と溶接部の断面構造を示す断面側面図である。また、図６は、本発明の実施形態２における円筒形電池の電池ケース底部１３と負極タブ１４との溶接断面構造を実現するための溶接方法で、図６は横軸に溶接開始からの経過時間を表し、縦軸にレーザ出力の設定値を表す。レーザ出力の設定分解能は０．１ｍｓである。
図７において、実施形態１と同様に、電池に対してガルバノミラー等のスキャナーによりレーザ１６が一定速度Ｖ１で走査されるとき、又は、電池ケースを保持するステージ等の移動により一定速度Ｖ１でレーザ１６が電池を走査されるとき、レーザ照射開始から時間ｔ０までの第１期間ＴＰ１だけ、レーザの出力を連続的に増加させて、第１出力Ｐ１で、負極タブ１４を溶融するに至るまで電池ケース底部１３を溶融させる。
次に、レーザ出力が、電池ケース底部１３と負極タブ１４との接合出力、すなわち、第１出力Ｐ１に到達した後、時間ｔ０から時間ｔ３までの時間Δｔ３の間（すなわち、第２期間ＴＰ２の間）、レーザ出力を一定の第１出力Ｐ１に維持して、負極タブ１４と電池ケース底部１３とを溶融させる。
次に、時間ｔ３の後（すなわち、第１期間ＴＰ１及び第２期間ＴＰ２経過後）のΔｔ４の間（すなわち、第３期間ＴＰ３の間）に、レーザ出力を、レーザ出力Ｐ１からレーザ出力Ｐ６に減少させるとともに、レーザの走査速度も走査速度Ｖ１から走査速度Ｖ４に減少させる。走査速度が遅くなることにより、周囲への熱伝導により湯流れの量を増加させることができる。ここで、レーザ出力Ｐ６は、Ｐ１＞Ｐ０＞Ｐ６＞０であり、Ｐ６ｍａｘ＝Ｐ０×０．９７（レーザの出力ばらつきが±３％あるため）であり、Ｐ６ｍｉｎ＝Ｐ５ｍｉｎである。また、走査速度Ｖ４は、Ｖ１＞Ｖ４＞０である。レーザ出力とレーザ走査速度との組合せにより、図７の溶接部の平面視に示すようにレーザ照射部終端１５Ｂを通常（溶接部１５Ａの中央部）の外観幅Ｗに対して太く、幅Ｗ３にすることが可能となり、ダウンスロープ部の湯流れの量をより増加させ、発生した貫通穴２８を埋める効果が大きくなる。レーザ照射部終端１５Ｂのうちの、湾曲した終端縁部を除く、第２ダウンスロープ部ＤＳ２に対応する部分では、その場所にかかわらず、一定の幅Ｗ３を有している。
レーザ照射部終端１５Ｂの外観幅Ｗ３、言い換えれば、電池ケース底部１３の外側表面において、前記ダウンスロープ部ＤＳに対応する溶接部外観幅Ｗ３は、レーザ出力Ｐ６、走査速度Ｖ４、及び比例定数ｋ６を用いて以下の式で表すことができる。
Ｗ３＝ｋ６×Ｐ６／Ｖ４
なお、比例定数ｋ６は、材料の熱伝導率に依存する定数である。
一方、ダウンスロープ部ＤＳの溶け込み深さｈ６は、同様に以下の式で表すことができる。
ｈ６＝Ｓ６×Ｐ６／Ｖ４
なお、比例定数Ｓ６は、材料の熱伝導率に依存する定数である。
今、実施形態１のダウンスロープ部ＤＳの湯流れの量を多くするための条件として、電池ケース底部１３の厚さがＢのとき、
０．５×Ｂ ≦ ｈ６ ≦ ０．９７×Ｂ
０．５×Ｂ ≦ （Ｓ６／ｋ６）Ｗ３ ≦ ０．９７×Ｂ
となる。
さらに、実施形態１よりもダウンスロープ部ＤＳの湯流れの量を多くするための条件として、
Ｗ３＞Ｗ
となる。
実施形態２におけるダウンスロープ部ＤＳの溶接外観幅Ｗ３は、前記式を満たす幅である。
また、ダウンスロープ部ＤＳのみの走査速度の減少のため、生産性の大きなダウンは発生しない。
例えば、前記レーザ走査速度Ｖ１＝２００ｍｍ／ｓのとき、前記接合出力Ｐ１＝８５０Ｗのとき溶接幅Ｗ＝０．１５ｍｍで、ダウンスロープ部ＤＳの溶接幅を倍近くのＷ３＝０．２ｍｍにしたいとき、レーザ走査速度を半分のＶ４＝１００ｍｍ／ｓ、レーザ出力も半分のＰ６＝４００Ｗとすると、溶接幅Ｗ３＝０．２ｍｍが得られる。このときの熔け込み深さはｈ６＝０．１５ｍｍとなる。
溶接外観長さＬ＝２．１４ｍｍとしたとき、Ｓ０＝０．１ｍｍ、Ｓ３＝２ｍｍ、Ｓ４＝０．０４ｍｍで、溶接時間はＴＰ１＋ＴＰ２＋ＴＰ３＝０．１ｍｓｅｃ＋１０ｍｓｅｃ
＋０．０８ｍｓｅｃ＝１０．９ｍｓｅｃと、実施形態１でＴＰ１＝０．５ｍｓｅｃ、ＴＰ２＝１０ｍｓｅｃ、ＴＰ３＝０．２ｍｓｅｃのときに、ＴＰ１＋ＴＰ２＋ＴＰ３＝０．５ｍｓｅｃ＋１０ｍｓｅｃ＋０．２ｍｓｅｃ＝１０．７ｍｓｅｃとして算出した溶接時間１０．７ｍｓｅｃよりは長くなるが、レーザ走査速度が全体に遅い場合のＶ＝１００ｍｍ／ｓで、溶接外観長さＬ＝２．１４ｍｍの場合の２１．４ｍｓｅｃよりは、生産時間は十分に短い。
実施形態２では、Δｔ４の間（すなわち、第３期間ＴＰ３の間）に、レーザ出力を、レーザ出力Ｐ１からレーザ出力Ｐ６に減少させるとともに、レーザの走査速度も走査速度Ｖ１から走査速度Ｖ４に減少させて、走査速度が遅くなることにより、周囲への熱伝導により、湯流れの量を増加させることができる。この結果、実施形態１よりも、さらにダウンスロープ部ＤＳの溶融池量（湯流れの量）を増やすことができる。
このように、実施形態１及び実施形態２においては、電池ケース底部１３のレーザ溶接時の穴あき発生を抑制することができて、電解液の漏液を防ぐことができる。電解液の漏液は、電池の性能悪化又は周囲の金属部品の腐食発生により、電子機器又は車載での長期使用が困難となる。また、電解液は人体にとっても有害である。また、電池生産時の工程内での漏液は、工程内設備の腐食又は他の電池の腐食を引き起こしやすくなるため、電池ケース底部１３の穴あきは、決して、後工程に流さないように対策しなければならない。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本開示の溶接構造体及びその製造方法によれば、キーホールの発生を抑制でき、電池又は電子部品等のロバスト性の高いレーザ溶接用途にも適用できる。
１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
６ ガスケット
７ パルスレーザ
１０ 封口板
１１ 正極タブ
１２ 接触棒
１３ 電池ケース底部
１４ 負極タブ
１５ 溶接部
１５Ａ 溶接部
１５Ｂ 溶接部のうちのレーザ照射部終端
１６ 連続発振レーザ
１７ 樹脂系異物
１８ 溶接部表面
１９ キーホール
２０ 過去のキーホール
２１ 湯流れ
２２ 溶融池
２３ 凝固部
２４ 溶融池の盛り上がり
２５ 上方圧力
２６ ブローホール
２７ 拡大キーホール
２８ 貫通穴
３１ 接合部
３２ 出力制御の最小分解能（０．１ｍｓ）におけるレーザ出力の積分値
３３ 各時間におけるレーザ出力の平均値を結んだ線
３４ ダウンスロープ部の変曲点
３５ レーザ出力のばらつきによりダウンスロープ部にできた電池ケース底部１３と負極タブ１４の新な接合部
ＤＳ ダウンスロープ部
ＤＳ１ 第１ダウンスロープ部
ＤＳ２ 第２ダウンスロープ部
ＴＰ１ 第１期間
ＴＰ２ 第２期間
ＴＰ３ 第３期間

Claims (6)

  1. 電池ケースの内側表面が電極タブと密着する状態で前記電池ケースの外側表面からレーザを走査することにより溶接した溶接構造体の製造方法であって、
    前記レーザと前記電池ケースとの相対的な移動により線状の溶接痕を形成する工程を有し、
    当該工程において、
    前記レーザ照射開始後から第１期間の間、前記レーザの出力を第１出力まで増加させて、前記第１出力で前記電極タブを溶融するに至るまで前記電池ケースを溶融させ、その後、
    第２期間の間、前記第１出力を維持して、前記電極タブと前記電池ケースとを溶融させ、その後、
    前記第１出力から、前記電池ケースのみを溶融させる第２出力に至るまで前記レーザの出力を減少させ、その後、
    前記溶接痕の形成終了まで、前記第２出力を維持するか、又は、前記第２出力からの前記レーザの出力の減少量を、前記第１出力から前記第２出力に至るまで減少させたときの減少量よりも小さくする、溶接構造体の製造方法。
  2. 前記第１出力は８００Ｗ〜８５０Ｗであり、前記第２出力は７７０〜８２０Ｗであり、かつ前記第１出力は前記第２出力よりも大である、請求項１に記載の溶接構造体の製造方法。
  3. 電池ケースの内側表面が電極タブと密着するよう前記電池ケースと前記電極タブとを接合する溶接部を備え、
    前記溶接部は、前記電池ケースの外側表面から前記電極タブの内部に至るように連続的に形成され、
    前記溶接部は、前記電極タブの厚さ方向の断面において、該溶接部の側部領域に、第１ダウンスロープ部と、該第１ダウンスロープ部の外側部に位置する第２ダウンスロープ部とを有し、
    前記第１ダウンスロープ部は、前記電極タブと前記電池ケースとの両方の領域に跨って存在すると共にその厚さが外側に向けて徐々に薄くなり、
    前記第２ダウンスロープ部は、前記電池ケース内の領域のみに存在し、その厚さの変化量が前記第１ダウンスロープ部よりも小である、溶接構造体。
  4. 前記第２ダウンスロープ部の厚さは、前記電池ケースの厚さの５０以上かつ９７％以下である、請求項３に記載の溶接構造体。
  5. 前記第２ダウンスロープ部の厚さは一定である、請求項３又は４に記載の溶接構造体。
  6. 前記電池ケースの外側表面において、前記溶接部の前記第２ダウンスロープ部に対応する溶接部外観の幅は、前記溶接部の中央部の幅よりも大である、請求項３〜５のいずれか１つに記載の溶接構造体。
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