JP2018202478A - Laser-sealing port device - Google Patents

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達郎 千国
Tatsuro Sengoku
達郎 千国
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Abstract

To provide a laser-sealing port device that achieves high speed welding without welding defects in response to enlargement of on-vehicle lithium batteries, increases joining strength by enabling deep melting-in almost double that with a conventional counterpart of heat conduction type and without causing entry of spatter into the vessel interior in principle, and also allows flexible beam arrangement.SOLUTION: A laser-sealing port device comprises means for dividing one laser beam into two and means for moving the two focus light beams in parallel at a high speed relative to a joining interface in a keyhole state along a butting interface of a sealing part. In doing so, the occurrence of spatter on the joining interface is eliminated by symmmetrically arranging the two focus light beams at positions equal from the joining interface so that the focus light beams do not enter the joining interface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、主に電池等の金属容器のレーザ封口に関するものである。  The present invention mainly relates to laser sealing of metal containers such as batteries.

近年、車載用リチウム電池やEV、HEV用モータの高性能化も進み、M2.5等環境対策や化石資源枯渇対策の切り札として、自動車の電動化が急激に進んでいる。車載用途には角型アルミ容器を用いたリチウム電池が多く使用されているが、車載用リチウム電池には特に高エネルギーが蓄積されるため、内部にスパッタ等の金属異物があると内部短絡による発火事故を起こし車を燃やす危険性がある。よって車載用リチウム電池には原理的にスパッタ混入のないレーザ封口を行う必要がある。  In recent years, the performance of in-vehicle lithium batteries, EVs, and HEV motors has been enhanced, and the electrification of automobiles has been rapidly progressing as a trump card for environmental measures such as M2.5 and fossil resource depletion. Lithium batteries using square aluminum containers are often used for in-vehicle applications, but in particular, high energy is stored in in-vehicle lithium batteries. There is a risk of causing an accident and burning the car. Therefore, it is necessary to perform laser sealing without spatter mixing in principle on an in-vehicle lithium battery.

レーザ溶接にはキーホール型溶接と熱伝導型溶接の2種類がある。キーホール型溶接は高集光レーザビームにしてエネルギ密度を高めて加工部の沸点を超えキーホールを起こす溶接方法であるが、金属が沸点を超え金属蒸気になる際、体積が急膨張することで溶融した金属が外部に押し出され、いわゆるスパッタを発生し、電池内部に混入して内部ショートを起こす懸念があるので、熱伝導型溶接が行われている。  There are two types of laser welding: keyhole type welding and heat conduction type welding. Keyhole welding is a welding method in which the energy density is increased by using a high-concentration laser beam to cause the keyhole to exceed the boiling point of the processed part, but when the metal exceeds the boiling point and becomes metal vapor, the volume rapidly expands and melts. Heat conduction type welding is performed because there is a concern that the metal that has been pushed out may generate so-called spatter and be mixed into the battery and cause an internal short circuit.

特開2012−79476号公報JP 2012-79476 A 特開2013−132655号公報JP2013-132655A 特開2012−110905号公報JP 2012-110905 A

「Fiber Lasers:Multiple laser beam materials processing」LASER FOCUS WORLD 02/17/2016 volume−52 issue−02“Fiber Lasers: Multiple laser beam materials processing” LASER FOCUS WORLD 02/17/2016 volume-52 issue-02 2009年度レーザ加工学会春季セミナー資料集(2009,5)2009 Laser Processing Society Spring Seminar Materials (2009, 5)

特許文献1は図2(c)に示す溶け込み形状から熱伝導型溶接による原理的にスパッタを発生させない方法と推測できる。また、レーザレーザビームの最大強度を接合部からずらしているので、接合部の隙間から内部に漏れたレーザ光が入りこむ量も減らすので電池内部の熱に弱い有機セパレータ等にもダメージを与えないようにできる。  Patent Document 1 can be presumed to be a method in which spatter is not generated in principle by heat conduction welding from the penetration shape shown in FIG. In addition, since the maximum intensity of the laser laser beam is shifted from the joint, the amount of laser light that leaks into the gap from the joint is reduced, so that the organic separator that is sensitive to heat inside the battery is not damaged. Can be.

スパッタを発生させない熱伝導型溶接の接合原理は、加工点におけるレーザビームサイズを大きくしてエネルギ密度を下げ、加工点が沸点を超えないように溶融金属温度を保ち、レーザ照射により溶融した金属が、接合界面を表面張力で充填して接合することで実現している。この熱伝導型溶接は溶融金属の沸点を超えない金属溶融温度を抑えているので、溶融金属が沸騰して蒸気が溶融金属を吹き飛ばす現象、即ち突沸が起きないのでスパッタを原理的に発生させることはない。  The joining principle of heat conduction type welding that does not generate spatter is that the laser beam size at the processing point is increased to lower the energy density, the molten metal temperature is maintained so that the processing point does not exceed the boiling point, and the molten metal by laser irradiation is This is realized by filling the bonding interface with surface tension and bonding. This heat conduction type welding suppresses the metal melting temperature that does not exceed the boiling point of the molten metal, so the phenomenon that the molten metal boils and the steam blows away the molten metal, that is, no bumping occurs, so that spatter is generated in principle. There is no.

よってスパッタ混入0が厳しく要求される車載用電池容器の封止にこの熱伝導型溶接が使用されている。リチウム電池は軽量で融点が低く沸点が高く熱伝導性が高いアルミ容器が良く使用されているので、熱伝導型溶接に適しており、リチウム電池の標準的なレーザ封口方法として数多く実用化されている。  Therefore, this heat conduction type welding is used for sealing an in-vehicle battery container in which spatter contamination is strictly required. Lithium batteries are light weight, have a low melting point, high boiling point, and high thermal conductivity, so aluminum containers are often used. Therefore, they are suitable for heat conduction welding and have been put to practical use as standard laser sealing methods for lithium batteries. Yes.

熱伝導型溶接は原理的にスパッタ発生がない溶接方法であるが、いくつか欠点がある。アルミ等では熱伝導性が高いため表面周辺に放熱されるので、深い溶け込みができないので溶接強度が高くできない。また熱が周囲に伝わり溶融するまでに時間を要するので溶接速度を上げることができない。溶接速度が低いとアルミや銅等の高熱伝導体は周囲に熱が逃げるので投入エネルギーのロスが大きい。  Although heat conduction type welding is a welding method that does not generate spatter in principle, there are some drawbacks. Since aluminum and the like have high thermal conductivity, heat is dissipated to the periphery of the surface, so that deep penetration cannot be achieved and welding strength cannot be increased. In addition, since it takes time for the heat to be transferred to the surroundings and melted, the welding speed cannot be increased. When the welding speed is low, high heat conductors such as aluminum and copper have a large loss of input energy because heat escapes to the surroundings.

実際、熱伝導型溶接では車載用電池の1mm厚を超えるアルミ製の蓋と0.5mm厚を超えるアルミ容器を封口するのに数KWのレーザパワーをかけても封止速度100mm/sが限界である。またアルミ容器強度確保に最低必要なアルミ容器厚と同等の0.5mm程度が限界である。  In fact, with heat conduction welding, the sealing speed is limited to 100 mm / s even when a laser power of several KW is applied to seal an aluminum lid exceeding 1 mm thickness and an aluminum container exceeding 0.5 mm thickness of a vehicle-mounted battery. It is. Further, the limit is about 0.5 mm which is equivalent to the minimum thickness required for securing the strength of the aluminum container.

その理由はレーザパワーを大きくしても、熱伝導型溶接では熱が表面に拡散するため溶け込み深さに限界がある。またレーザパワーを更に大きくすると表面温度が高温になり酸化してもろくなったり、アルミの沸点を超え小さな気泡が表面に発生しスパッタも発生し始める。また、大きな熱エネルギーが与えられるので、容器に変形やクラックを発生しうる。  The reason is that even if the laser power is increased, the heat conduction type welding has a limit in the penetration depth because heat diffuses to the surface. Further, when the laser power is further increased, the surface temperature becomes high and becomes brittle even when oxidized, or small bubbles exceeding the boiling point of aluminum are generated on the surface and spattering begins to occur. Moreover, since a big heat energy is given, a deformation | transformation and a crack may generate | occur | produce in a container.

即ち熱伝導型溶接はこれらのいくつかの問題があり、また高価な高出力レーザも必要で、生産コストパフォーマンスは良くない。  That is, the heat conduction type welding has some of these problems, and also requires an expensive high-power laser, and the production cost performance is not good.

今後、車の電動化が数十倍以上に伸びていくと予想され、電池開発への参画競争が激化する中で、より高い強度、溶接品質の確保に加え、高速溶接が可能なコストパフォーマンスの高い溶接方式が必要である。  In the future, the electrification of cars is expected to increase by several tens of times, and as competition for battery development intensifies, in addition to ensuring higher strength and welding quality, the cost performance that enables high-speed welding A high welding method is required.

一方、キーホール型溶接は高い溶け込みと高速溶接を同時に実現することから、原理的には上述した熱伝導型溶接のいくつかの問題点を解決し、溶接限界を超えられることができる。  On the other hand, since keyhole type welding achieves high penetration and high-speed welding at the same time, in principle, it solves some problems of the above-mentioned heat conduction type welding and can exceed the welding limit.

その原理を以下に説明する。キーホール型溶接はキーホール内でレーザビームの半分以上が封じ込められるために吸収効率が大幅に向上する。例えばアルミ容器の場合、波長1070nmのファイバレーザに対しての吸収率は固体では僅か数%程度しかないが、液体になると数10%に増加する。  The principle will be described below. Keyhole welding greatly improves the absorption efficiency because more than half of the laser beam is contained in the keyhole. For example, in the case of an aluminum container, the absorptance with respect to a fiber laser having a wavelength of 1070 nm is only a few percent for a solid, but increases to a few tens of percent for a liquid.

更にキーホールが発生するとキーホール内のレーザ多重反射封じ込め効果によりレーザ吸収率が80%近くまで向上する。よってアルミ溶接の場合、キーホール型溶接は熱伝導型溶接に比べ倍以上の吸収効率が得られることがある。  Further, when a keyhole is generated, the laser absorptance is improved to nearly 80% due to the laser multiple reflection confinement effect in the keyhole. Therefore, in the case of aluminum welding, the keyhole type welding may obtain an absorption efficiency more than double that of the heat conduction type welding.

よってキーホール型溶接でありながら、スパッタの発生量を抑え容器内部にスパッタ混入しない高速・深溶け込みの方法が実現できると、上述した現状の車載用リチウム電池生産における熱伝導型溶接の全課題を一気に解決できることができる。  Therefore, if it is possible to realize a high-speed and deep penetration method that suppresses the amount of spatter generated and does not mix with the spatter inside the container, even though it is keyhole type welding, all the problems of heat conduction type welding in the current production of in-vehicle lithium batteries described above can be achieved. It can be solved at once.

特許文献2は半田づけ用途にてビームをウエッジ基板を用いて、2つのビーム間隔をmm〜cmオーダで大きく分割する方法である。  Patent Document 2 is a method of using a wedge substrate for a soldering application, and dividing a distance between two beams into mm to cm order.

ウエッジ基板でビームを分割する方法は公知であるが、任意の強度比に調整できるようにするために、ウエッジを可動できる方式を図2にて訴求されている。  A method of splitting the beam with the wedge substrate is known, but in order to be able to adjust to an arbitrary intensity ratio, a system that can move the wedge is sought in FIG.

しかし部分的にウエッジでmmオーダで大きく分割するとモードが崩れて集光性が低下し、高集光なキーホール溶接ができなくなる。半田づけ用途では溶接ほど高いピークが不要であり、むしろデフォーカスしてビームを大きくして使用することが、ビーム品質が悪くても問題がないことが多い。  However, if the wedge is partly divided into large parts on the order of mm, the mode will be lost and the light condensing performance will be reduced, making it impossible to perform highly condensing keyhole welding. In soldering applications, a peak as high as welding is not necessary, and rather defocusing and using a larger beam often causes no problem even if the beam quality is poor.

しかし、レーザ溶接用途では、ビーム品質が低下して大きな集光サイズになると、大きなスパッタが発生するので、集光サイズが大きくならないようにしてキーホール溶接に不可欠な集光性を落さないようにしなくてならない。  However, in laser welding applications, large spatter is generated when the beam quality is reduced to a large condensing size, so that the condensing property essential for keyhole welding is not reduced by preventing the condensing size from increasing. I have to do it.

また、特許文献2の図2の構成では、ウエッジ基板を可動させることを目的としている為、ウエッジ基板を直接冷却できる構成でなく、又密閉された鏡筒内で熱がウエッジ基板に蓄積する構造になっている。  Further, in the configuration of FIG. 2 of Patent Document 2, since the purpose is to move the wedge substrate, the wedge substrate is not directly cooled, and heat is stored in the wedge substrate in a sealed lens barrel. It has become.

この構成では半田用では熱的に耐えうるが、溶接用途では通常数十Wで使用されるレーザはんだに対し有効であるが、溶接は数KWと100倍以上のレーザパワーに耐えるレーザビームの分割光学系が必要となる。  In this configuration, it can withstand heat for solder, but it is effective for laser solder that is usually used at several tens of watts in welding applications, but welding is a laser beam split that can withstand laser power of several kW and 100 times or more. An optical system is required.

またはんだづけにおいてはキーホール型が不要である。ましてやキーホール型+熱伝導型ははんだ用途では殆ど効果がない。  In addition, a keyhole type is not required for soldering. Furthermore, the keyhole type + heat conduction type is almost ineffective in soldering applications.

特許文献3は回折格子を用いて2つのビームに分割したビームを用いて角型電池の蓋をする際に、2つのビームが常に接合界面に対象な位置に来る様に、回折格子を揺動回転させることで短辺も長辺も同じ位置関係で溶接できる方法である。  In Patent Document 3, when a prismatic battery is covered with a beam divided into two beams using a diffraction grating, the diffraction grating is oscillated so that the two beams are always at the target position at the junction interface. By rotating, the short side and the long side can be welded in the same positional relationship.

しかし、角や直線部で変化する溶接速度や角の曲率に応じた揺動回転するには複雑な光学系と大変複雑な制御が必要となる。また回折格子を用いた分割手段は、まず回折格子の製作に大変なお金がかかる上、設計通りの性能を確保する為の設計や製造も難しく、ビーム特性が固定されるので柔軟な使い方もできない。  However, in order to swing and rotate according to the welding speed and the curvature of the corner that change at the corners and straight portions, a complicated optical system and very complicated control are required. In addition, the dividing means using a diffraction grating first requires a great deal of money to manufacture the diffraction grating, is difficult to design and manufacture to ensure the performance as designed, and the beam characteristics are fixed, so it cannot be used flexibly. .

また回折格子はフレキシブリティがなく、回折効率がどうしても70〜90%しかない。よって、高価な高出力レーザが必要になるばかりでなく、KW級では分散したビームが周辺に悪影響を与えることもある。  Moreover, the diffraction grating has no flexibility, and the diffraction efficiency is only 70 to 90%. Therefore, not only an expensive high-power laser is required, but in the KW class, the dispersed beam may adversely affect the periphery.

非特許文献1は図11に示すように突合せ溶接における溶接棒111を用いた溶接例である。接合界面112を挟んで2つのビーム123で予熱した後、溶接棒111を第3のレーザビーム114で溶かしながら溶接することで、良好な溶接ができている。  Non-Patent Document 1 is an example of welding using a welding rod 111 in butt welding as shown in FIG. After preheating with the two beams 123 across the bonding interface 112, welding is performed while melting the welding rod 111 with the third laser beam 114, thereby achieving good welding.

しかし、これら3つのビームは図12に示すように、3本ファイバ121から生成している為、3つのビームの位置関係は固定されフレキシブルに溶接できない。また3本の特殊なファイバ121が必要であるといった問題点がある。  However, since these three beams are generated from three fibers 121 as shown in FIG. 12, the positional relationship of the three beams is fixed and cannot be welded flexibly. There is also a problem that three special fibers 121 are required.

本発明は上述した問題を全て解決して、実用上問題になる溶接欠陥の無い高速溶接を実現するものである。その為、通常スパッタを生じるキーホール型溶接に工夫を加え、スパッタを煙レベルまで微粉化して発生を抑え、更に原理的にスパッタが容器内部に混入させず、従来の熱伝導型より倍近い深い溶け込みを実現して接合強度をUPさせる。更に、数KW級の高パワーに耐える耐力を有する、フレキシブルなビーム構成が可能なレーザ封口装置を提供することを目的とする。  The present invention solves all of the above-mentioned problems and realizes high-speed welding free of welding defects that are practically problematic. Therefore, the keyhole type welding that usually generates spatter is devised, spatter is pulverized to the smoke level to suppress generation, and in principle, spatter is not mixed inside the container, nearly twice as deep as the conventional heat conduction type Achieves penetration and increases bonding strength. It is another object of the present invention to provide a laser sealing device capable of withstanding a high power of several KW class and capable of a flexible beam configuration.

上記目的を達成するために本発明の第1の手段は、1つのレーザビームを2つに分割する手段と、封止部の突合せ界面に沿って前記2つの集光ビームをキーホール状態で接合界面に対し、高速に平行移動する手段を設ける。  In order to achieve the above object, the first means of the present invention includes means for splitting one laser beam into two, and joining the two focused beams in a keyhole state along the butt interface of the sealing portion. A means for parallel translation at high speed is provided for the interface.

その際、接合界面に集光ビームが入らないように、接合界面から等位置に2つの集光ビームを対称に配置することで、接合界面にレーザビームが当たらないので、接合界面にてスパッタを発生することを無くしている。  At this time, the two converging beams are arranged symmetrically at the same position from the bonding interface so that the condensing beam does not enter the bonding interface, so that the laser beam does not hit the bonding interface, so that sputtering is performed at the bonding interface. It has been eliminated.

また、数KWもの強いレーザビームに耐えるビーム分割手段として、円周をアルミ性のねじリングと鏡筒筐体に挟むことで十分な放熱を施した1〜3mm厚の石英円形カバーガラスを集光レンズの前方に挿入している。  Also, as a beam splitting means that can withstand a strong laser beam of several kilowatts, it condenses a 1 to 3 mm thick quartz circular cover glass with sufficient heat dissipation by sandwiching the circumference between an aluminum screw ring and a lens barrel housing. Inserted in front of the lens.

この円形カバーガラスの片面を半月状に僅か1度以下の角度でテーパ状に精密平面研磨して両面ARコートすることで殆ど分岐ロスが無く発熱も起こさずに、加工点にてサブmmの間隔なる2つのビームに分離している。更にキーホールを起こすのに不可欠な集光性を確保するために、2つに分割されたビームは集光点では、元のビームと同じサイズの円形集光形状になる性質を活用している。  One side of this circular cover glass is half-moon shaped with an angle of only 1 degree or less and tapered to a flat surface and coated on both sides with AR coating, so there is almost no branch loss and no heat generation. Are separated into two beams. In addition, in order to secure the light condensing property that is indispensable for generating a keyhole, the beam divided into two utilizes the property that it becomes a circular condensing shape of the same size as the original beam at the condensing point. .

更にサブmmなる2つのビームの間隔は、極めて近距離であるので、発生したキーホールを熱源として溶融した金属が接合界面を表面張力によりロウ材のようにしみ込んで充填するのに好適である。また2分割したビームの集光点におけるスポットは50μm以下の微小であり隙間へのレーザビーム漏えいを完全に防ぐことができている。  Further, since the distance between the two sub-mm beams is extremely short, it is suitable for the metal melted using the generated keyhole as a heat source to fill the joining interface so as to penetrate into the brazing material by surface tension. Further, the spot at the condensing point of the beam divided into two is as small as 50 μm or less, and the laser beam leakage into the gap can be completely prevented.

よって発生したスパッタをシールドする役目も果たす。更に、50μmのスポットから発生するスパッタは通常50μm以下であり、その殆どが混入しても問題にならないとされている20μm以下のサイズにできる。  Therefore, it also serves to shield the generated spatter. Furthermore, the sputter generated from a 50 μm spot is usually 50 μm or less, and the size can be reduced to 20 μm or less, which is considered to be no problem even if most of the spatter is mixed.

またこれほど微小なスパッタは煙やヒュームの様な挙動をし、酸化防止の為に吹き付けられている窒素ガスで吹き飛ばすことができる。なお、吹き飛ばされる方向は容器の接合へのレーザ照射部から遠ざかる方向なので未封口の部位に入り込むこともない。  Moreover, such spatters as small as smoke or fume can be blown away by nitrogen gas blown for preventing oxidation. In addition, since the direction blown away is a direction away from the laser irradiation part to joining of a container, it does not enter into an unsealed part.

上記目的を達成するために本発明の第2の手段は、長辺と短辺の開口部を有する角型形状容器に対し、開口部の短辺側溶接時に2つのレーザビームの方向を変えることなく、単にレーザ鏡筒を容器に数mm程度近づけ、デフォーカスしてシーム溶接することにより、従来の熱伝導型溶接を行うことができる。  In order to achieve the above object, the second means of the present invention changes the directions of the two laser beams at the time of welding the short side of the opening to the rectangular container having the opening of the long side and the short side. Instead, the conventional heat conduction type welding can be performed by simply bringing the laser column close to the container about several millimeters, defocusing and seam welding.

短辺では当然溶け込み深さはキーホール型溶接の半分程度になるが、通常短辺は長辺の数分の一の長さなので、容器耐圧試験では半分以下の溶け込み深さでも短辺から破損することは無い。容器耐圧試験では球状形状に変形するので最大応力の発生場所は長辺の中心部であり、長辺での溶け込みを深くすれば十分である。  Naturally, the penetration depth on the short side is about half that of keyhole welding, but the short side is usually a fraction of the length of the long side, so in the container pressure test, even the penetration depth of less than half breaks from the short side. There is nothing to do. In the container pressure test, since it deforms into a spherical shape, the place where the maximum stress is generated is the center of the long side, and it is sufficient to deepen the penetration on the long side.

このように本発明では、短辺でビームを回転させることなく、簡単にレーザ鏡筒をデフォーカスするだけで通常の熱伝導型溶接で必要なスポットサイズである径0.6mmを簡単に形成できる。なおこの形成原理については実施例で詳しく説明する。  As described above, in the present invention, a diameter of 0.6 mm, which is a spot size necessary for normal heat conduction welding, can be easily formed by simply defocusing the laser barrel without rotating the beam at the short side. . The formation principle will be described in detail in Examples.

上記目的を達成するために本発明の第3の手段は、接合部にてキーホール溶接を起こす2つのレーザビームを包み込むように、熱伝導型溶接を起こす強度分布を有する第3のレーザビームを重畳する。この第3のレーザビームを重畳すると、2つのレーザビームでキーホール溶接している近傍を加熱して温度が上昇しているので、キーホールを熱源として周辺金属を溶融するのに必要な金属融点が広い範囲まで及ぶので、キーホール溶接状態を保ちながら溶け込み深さを更に大きくできる。  In order to achieve the above object, the third means of the present invention is to provide a third laser beam having an intensity distribution that causes heat conduction type welding so as to wrap two laser beams that cause keyhole welding at a joint. Superimpose. When this third laser beam is superposed, the temperature is increased by heating the vicinity where the keyhole welding is performed with the two laser beams, so that the metal melting point necessary for melting the peripheral metal using the keyhole as a heat source. Since it extends to a wide range, the penetration depth can be further increased while maintaining the keyhole welding state.

また、予熱効果により、急激は金属沸騰による突沸を抑えスパッタの発生を低減できる。更に余熱効果により、溶融金属が液体でいる時間が増えるので、キーホールで発生した気泡は溶融金属が硬化するまでに大気に逃げる時間を確保できブローホールを無くし高品質な溶接が実現できる。  In addition, due to the preheating effect, sudden bumping due to metal boiling can be suppressed suddenly and the occurrence of spatter can be reduced. Furthermore, since the time during which the molten metal is liquid is increased due to the residual heat effect, it is possible to secure time for the bubbles generated in the keyhole to escape to the atmosphere before the molten metal is cured, thereby eliminating the blowhole and realizing high-quality welding.

上述したように本発明によると、キーホール溶接で発生するスパッタ混入防止するばかりではなく、キーホール溶接で発生しうるボイドやクラック等の溶接欠陥をなくし、液漏れを起こさない欠陥のない高品質溶接を実現することが可能になる。  As described above, according to the present invention, not only prevents spatter mixing that occurs in keyhole welding, but also eliminates defects such as voids and cracks that can occur in keyhole welding, and does not cause liquid leakage. It becomes possible to realize welding.

更に従来の熱伝導型溶接に対し、同レーザパワーで倍速以上の高速度で生産できるので、電池の製造コストダウンによる普及効果で大気汚染削減にも貢献できる。また、高速度の溶け込み深さも同時実現することにより、車載電池容器の強度がアップするので車の発火事故を抑制する利点もある。  Furthermore, compared to conventional heat conduction type welding, it can be produced at a high speed of more than double speed with the same laser power, which can contribute to the reduction of air pollution due to the diffusion effect by reducing the manufacturing cost of the battery. Moreover, since the strength of the on-vehicle battery container is increased by simultaneously realizing a high-speed penetration depth, there is also an advantage of suppressing a car ignition accident.

また、最近では走行距離を伸ばす為やコスト削減の為に車載用角型電池の大型化が試みられている。熱伝導型溶接では前述したように溶け込み深さ0.5mmの限界があり、あえて溶け込み深さを増やそうと溶接速度を落とすと溶接状態が不安定になる。  In recent years, attempts have been made to increase the size of in-vehicle square batteries in order to increase the travel distance and reduce costs. As described above, the heat conduction type welding has a limit of a penetration depth of 0.5 mm, and if the welding speed is lowered to increase the penetration depth, the welding state becomes unstable.

この理由は実施例で詳細に説明する。また電池は大きくすると、長辺中央部の応力はサイズにほぼ比例して大きくなるので、この溶け込み深さ0.5mmの限界により電池の大型化は難しいとされている。  The reason for this will be described in detail in Examples. Further, when the battery is enlarged, the stress at the center of the long side increases in proportion to the size. Therefore, it is considered difficult to increase the size of the battery due to the limit of the penetration depth of 0.5 mm.

しかし、本発明により、倍以上の深い溶け込みになるので、現状より遥かに大きなサイズ2倍、体積では8倍以上の大型電池も可能になる  However, according to the present invention, since the penetration is more than double, a large battery having a size twice as large as that of the current situation and a volume larger than 8 times is also possible.

更に、アルミや銅などの高い反射材料でも、キーホール溶接を起こすと吸収率がアルミの場合で約10%から約80%、銅においては1〜2%から数10%に1桁近くUPするので、効率UPするばかりでなく、更に半導体レーザによる熱伝導型溶接との重畳によりキーホール溶接を予熱+徐冷効果によりボイド等の欠陥を削減し、スパッタを大幅に微小化して削減する効果もあり鏡面状態の高品質な溶接ビードも生み出すことができる。  Furthermore, even with highly reflective materials such as aluminum and copper, when keyhole welding is performed, the absorption rate increases from about 10% to about 80% in the case of aluminum, and from 1% to 2% to several tens of percent in the case of copper. Therefore, not only the efficiency is improved, but also the effect of reducing voids and other defects by preheating + slow cooling effect by superimposing with heat conduction type welding by semiconductor laser, and reducing spatter by reducing the size significantly. A high quality weld bead with a mirror surface can be produced.

3つのレーザビームで加工する機能を有するレーザヘッドの構成図Configuration diagram of a laser head having the function of processing with three laser beams 2つのレーザビームに分離する光学系の構成と、半月型のビームが真円になる原理を示した図Diagram showing the structure of an optical system that separates two laser beams and the principle that a half-moon shaped beam becomes a perfect circle 2つのレーザビームで溶接している状態を示す図The figure which shows the state welded with two laser beams 2つのレーザビームに分離する別の光学系の構成図Configuration diagram of another optical system that separates into two laser beams 戻り光がファイバに戻らない原理を示す図Diagram showing the principle that return light does not return to the fiber 斜め入射により、戻り光がファイバ型半導体レーザのファイバに戻らない原理を示した図Diagram showing the principle that return light does not return to the fiber type semiconductor laser fiber due to oblique incidence 角型容器の長辺と短辺を溶接する際の、加工点における3つのレーザビーム状態を示した図The figure which showed three laser beam states in a processing point at the time of welding the long side and short side of a square container 加工点の拡大図Enlarged view of machining points キーホール溶接現象の説明図Illustration of keyhole welding phenomenon 溶接速度とパワーの影響Effect of welding speed and power 本発明によるアルミ容器以外のレーザ溶接応用事例Laser welding application examples other than aluminum containers according to the present invention 図11の事例における光学系Optical system in the case of FIG. 集光レンズの基本集光状態図Basic condensing state diagram of condenser lens

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明装置の1実施例の断面図である。ファイバレーザ1からのNA<0.1なるファイバレーザ光2はコリメートレンズ3でコリメート後に、斜めカット研磨されたウェッジ板4を通過後折り返しミラー5、6で反射され、ファイバレーザ1の例えば波長1070nmを通過し、LDレーザ7の例えば波長915nmを反射するミラー8を通過後、集光レンズ9で集光すると、集光点10では2つの例えばGAP=0.3mmで40μmの円形スポット11が得られる。  FIG. 1 is a cross-sectional view of one embodiment of the apparatus of the present invention. The fiber laser beam 2 with NA <0.1 from the fiber laser 1 is collimated by the collimating lens 3, passes through the wedge plate 4 that is obliquely cut and polished, and is reflected by the folding mirrors 5 and 6, for example, at a wavelength of 1070 nm of the fiber laser 1. After passing through a mirror 8 that reflects, for example, a wavelength of 915 nm of the LD laser 7 and condensing by the condenser lens 9, two circular spots 11 of 40 μm, for example, GAP = 0.3 mm are obtained at the condensing point 10. It is done.

一方、LDレーザ7からのNA>0.1なるレーザ光13は、光ファイバ12から出射され、コリメートレンズ14でコリメート後、角度調整できる折り返しミラー15と、前記ミラー8で折り返され、前記ファイバレーザ光2と重畳後、集光点10にて、前記2つの円形スポット11を包みこむような例えば400μmのスポットサイズに集光され、3つのレーザ光を重畳したスポット16が得られる。  On the other hand, the laser beam 13 with NA> 0.1 from the LD laser 7 is emitted from the optical fiber 12, collimated by the collimating lens 14, and then folded by the mirror 8 which can be angle-adjusted, and the mirror 8. After superimposing the light 2, the light is condensed at a condensing point 10 to a spot size of, for example, 400 μm so as to wrap around the two circular spots 11, and a spot 16 in which three laser beams are superimposed is obtained.

ここで3つのスポットの位置合わせはCCDカメラ17を用いて、例えば、折り返しミラー15の角度を変える等してなされる。  Here, the alignment of the three spots is performed by, for example, changing the angle of the folding mirror 15 using the CCD camera 17.

図2は半月状のウエッジ板20を通過すると、集光点にて2つの真円SPOT11が得られる過程を示した図である。ここでウエッジ板20の形状、取り付け方向は図1に示されているウエッジ板4とは異なり、逆方向に取り付けているが、いずれも2点の真円に分離できる柔軟さを示している。  FIG. 2 is a diagram showing a process in which two perfect circles SPOT 11 are obtained at the condensing point after passing through the half-moon shaped wedge plate 20. Here, the wedge plate 20 has a shape and a mounting direction different from the wedge plate 4 shown in FIG. 1, and is attached in the opposite direction, but both show flexibility that can be separated into two perfect circles.

ウエッジ板20を通過したばかり位置A−Aにおけるレーザ光21は、通過前とほぼ同じ丸型であるが、集光レンズ9に入射する位置B−Bにおけるレーザ光22は、僅かに2つの半月状に分離している。以降集光するにつれ位置C−Cでのレーザ光23では角は丸くなり、更に集光した位置D−Dでは、丸い形状24が表れてきて次第に強くなる。  The laser beam 21 at the position A-A that has just passed through the wedge plate 20 has substantially the same round shape as before the passage, but the laser beam 22 at the position BB incident on the condenser lens 9 has only two half moons. Are separated. Thereafter, as the light is condensed, the corner is rounded at the laser beam 23 at the position CC, and further, at the condensed position DD, the round shape 24 appears and becomes gradually stronger.

そして,集光位置E−Eでは2つの真円スポット11が得られる。この二つのスポット11はそれぞれリチウム電池容器70の蓋25とケース26のスポット11によりキーホールを発生して周辺が溶融し、図3の様に進行方向27に進みながらシーム溶接される。  And two perfect circle spots 11 are obtained in condensing position EE. The two spots 11 are respectively keyholed by the lid 25 of the lithium battery container 70 and the spot 11 of the case 26 to melt the periphery, and are seam welded while proceeding in the traveling direction 27 as shown in FIG.

次に円形ビームがウエッジ板20により半月状のレーザ光22に分離されても、集光点ではウエッジ板なしと同じ真円のスポットサイズが得られる原理を数式で説明する。  Next, the principle of obtaining the same true spot size as that without the wedge plate at the condensing point even when the circular beam is separated into the half-moon shaped laser beam 22 by the wedge plate 20 will be described with mathematical expressions.

一般に図13に示す様に、ビームサイズをC、集光角の半角をθ、焦点距離をfとすると、集光点におけるスポットサイズω0は下記の式が成り立つことが数学的にすでにわかっている。  In general, as shown in FIG. 13, when the beam size is C, the half angle of the condensing angle is θ, and the focal length is f, it is already known mathematically that the spot size ω0 at the condensing point satisfies the following equation. .

Figure 2018202478
Figure 2018202478

この式はビームサイズCに比例してスポットサイズω0は大きくなることを意味している。  This equation means that the spot size ω 0 increases in proportion to the beam size C.

よって2分割して円形ビームを半月ビームにしても、長辺=直径は元の円形ビームと同じビームサイズなのでスポットサイズω0と同じである。  Therefore, even if the circular beam is made into a half-moon beam by dividing into two, the long side = diameter is the same as the original circular beam, so it is the same as the spot size ω0.

また短辺=半径のビームサイズは半分になるが、ビームサイズが半分になればスポットサイズは2倍に広がるので、半分x2倍=1でスポットサイズはω0と同じあるため、集光点は半月ではなくて、元の円形ビームと同じサイズのスポットサイズω0の真円形状が保持されることを意味している。  Also, the beam size of the short side = radius is halved, but if the beam size is halved, the spot size will be doubled, so the spot size is the same as ω0 by half x 2 times = 1, so the focal point is half a month Instead, it means that a perfect circular shape having the same spot size ω 0 as that of the original circular beam is maintained.

更に、半月でなくて任意の位置で2分割されても同じ原理でスポットサイズω0は変化しない。このことはウエッジ板で微小なスポットに2分割した場合、ビームモードが保存されることを意味している。  Further, the spot size ω0 does not change according to the same principle even if it is divided into two at an arbitrary position instead of half a month. This means that the beam mode is preserved when the wedge plate is divided into two small spots.

このことはファイバ溶接においては非常に重要であり、シングルモードファイバレーザはシングルモードを保存することを意味している。シングルモードが保存されることはアルミ容器からなるリチウム電池封口に置いては更に優れた効果がある。  This is very important in fiber welding, meaning that a single mode fiber laser preserves the single mode. Preserving the single mode has a further excellent effect when placed in a lithium battery seal made of an aluminum container.

即ちアルミの溶接においては、発生するスパッタやボイドはキーホール孔サイズと大きな相関がある。即ち、キーホールが小さいとこれらのスパッタやボイドは小さくなるので、シングルモードによるモードが保存されることは微小スポットが保持できることを意味し、良好な溶接となる。  That is, in aluminum welding, the generated spatter and void have a large correlation with the keyhole hole size. That is, when the keyhole is small, these spatters and voids are small. Therefore, the preservation of the mode in the single mode means that a minute spot can be held, and good welding is achieved.

更にウエッジ板にて2分割して2つのキーホールにすると、各キーホールのパワーを半分にできるので、パワー増加に伴い大きくなるスパッタやボイドは、2分割前の半分以下に抑えることができる。  Further, when the key plate is divided into two by the wedge plate to make two keyholes, the power of each keyhole can be halved, so that the spatter and void that increase with the power increase can be suppressed to half or less before the two divisions.

また、2分割しても、2つの分離されたスポット間のGAPが小さければ、アルミに吸収されるエネルギーは同じなので、2分割前とほぼ同じ溶融体積を得ることができる。  Further, even if the division into two is performed, if the GAP between the two separated spots is small, the energy absorbed by the aluminum is the same, and therefore the substantially same molten volume as before the two divisions can be obtained.

図4は図2の別の形態を示す。ウエッジ板20は単にレーザ光の方向を変えるだけなので、図4(a)の様にウエッジ板20を集光レンズ9の後に配置しても、図4(b)の様にコリメートレンズ3の前に配置しても、2つのビームに分離されるのは自明である。  FIG. 4 shows another form of FIG. Since the wedge plate 20 simply changes the direction of the laser beam, even if the wedge plate 20 is arranged behind the condenser lens 9 as shown in FIG. 4A, the front of the collimating lens 3 as shown in FIG. 4B. Even if it arrange | positions to, it is obvious that it isolate | separates into two beams.

なお、本発明の目的は単に2つのビームに分離するだけではなく、ビームモードを崩さずにキーホール溶接を実現することであり、それを実現する構成と原理を考案したものである。  The object of the present invention is not only to divide into two beams but also to realize keyhole welding without breaking the beam mode, and devised a configuration and principle for realizing it.

図5は例えば直径50mmの半月状のウエッジ板50を直線部が向き合うように追加して2枚にした構成である。  FIG. 5 shows a configuration in which, for example, a half-moon wedge plate 50 having a diameter of 50 mm is added so that the straight portions face each other.

この構成は特に銅やアルミの様な高反射体を溶接する場合に、生産上素晴らしい効果を発揮する。  This configuration is very effective in production, especially when welding high reflectors such as copper and aluminum.

リチウム電池の封口や銅電極溶接を行う場合、戻り光によりファイバ端面51が焼けたり、レーザ内部まで戻り光が戻り、レーザ内部まで破損することがある。  When sealing a lithium battery or welding a copper electrode, the fiber end face 51 may be burned by the return light, or the return light may return to the inside of the laser and be damaged to the inside of the laser.

しかしながら、図5のように2枚のウエッジ板を通過させて光軸を斜めにすることにより、戻り光は、ファイバ端面51に戻らず、実線52のような光路になるので、ファイバ端面51を破損したり、戻り光が内部伝播してレーザ本体を破損することを防止できる。  However, by passing the two wedge plates as shown in FIG. 5 and making the optical axis oblique, the return light does not return to the fiber end face 51 but becomes an optical path as shown by a solid line 52. It can be prevented that the laser main body is damaged or the return beam propagates inside.

図6は図1における半導体レーザ7のファイバ12から加工点となる集光点10迄の光軸を示す。60はファイバ12からのレーザ光軸であり、61は集光点10からの戻り光の光軸である。戻り光61がファイバ端面62に戻らないようにするには、折り返しミラーに角度調整機構を設け、45度から少しずらすことにより容易に実現できる。  FIG. 6 shows the optical axis from the fiber 12 of the semiconductor laser 7 in FIG. 1 to the condensing point 10 as a processing point. Reference numeral 60 denotes a laser optical axis from the fiber 12, and reference numeral 61 denotes an optical axis of return light from the condensing point 10. In order to prevent the return light 61 from returning to the fiber end face 62, it can be easily realized by providing an angle adjusting mechanism on the folding mirror and shifting it slightly from 45 degrees.

なお、集光点10には斜め入射となり、垂直入射時の光軸63よりdだけずれる。  In addition, it becomes diagonally incident on the condensing point 10 and deviates by d from the optical axis 63 at the time of vertical incidence.

ここで図1の構成にてファイバレーザ光2を重畳する場合は、CCDカメラ17で集光点10を観察しながらdだけずれた位置に2つに分離したファイバレーザのレーザスポット11を集光点で重畳すれば良い。そうすると、ファイバレーザ1も半導体レーザ7共に、それぞれの光ファイバ12、17に戻り光が無い様に調整することができる。  Here, when the fiber laser beam 2 is superimposed in the configuration of FIG. 1, the laser spot 11 of the fiber laser separated into two is condensed at a position shifted by d while observing the condensing point 10 with the CCD camera 17. What is necessary is just to superimpose by a point. Then, both the fiber laser 1 and the semiconductor laser 7 can be adjusted so that there is no return light to the respective optical fibers 12 and 17.

図7は図1で示したファイバレーザ1+半導体レーザ7を重畳したハイブリッドトーチ18を用いてアルミ容器70の蓋25と箱26を封口溶接した実験例である。  FIG. 7 shows an experimental example in which the lid 25 and the box 26 of the aluminum container 70 are sealed and welded using the hybrid torch 18 on which the fiber laser 1 + semiconductor laser 7 shown in FIG. 1 is superimposed.

ファイバレーザ1から2分岐された各々36μmなる2つのスポット11は、蓋25と箱26をGAP=0.3mm離れて照射されている。  Two spots 11 each having a diameter of 36 μm branched from the fiber laser 1 are irradiated with the lid 25 and the box 26 separated by GAP = 0.3 mm.

アルミ容器のサイズとして、肉厚は長辺0.6mm、 短辺0.5mm 、蓋厚2mmであり、レーザスポットはファイバレーザのスポット36μm×2点(2点間 GAP=0.3mm)に、915nm半導体レーザ360μmが重畳され、溶接速度としては200mm/sとなっている。  As the size of the aluminum container, the wall thickness is 0.6 mm long, the short side is 0.5 mm, the lid thickness is 2 mm, and the laser spot is 36 μm × 2 points of the fiber laser (GAP = 0.3 mm between two points), A 915 nm semiconductor laser of 360 μm is superimposed, and the welding speed is 200 mm / s.

好適な結果が得られた実験結果を表1にまとめる。なお、表1において最低必要な基準数値は>にて表記し、良品評価は以下の判断で行った。
◎:要求仕様を遥かに上回る、 ○:仕様パス、 △:仕様レベルで強度不足
Table 1 summarizes the experimental results that gave favorable results. In Table 1, the minimum required reference numerical value is indicated by>, and the non-defective product evaluation was performed according to the following judgment.
◎: Far beyond required specifications, ○: Specification pass, △: Insufficient strength at specification level

Figure 2018202478
Figure 2018202478

表1に示す様に本発明の構成にて要求仕様を遥かに超える良好な溶接条件を見つけることができた。即ちこれまで観察されたことの無い様な、深い溶け込みを有する高品質で美しいアルミ溶接を実現することができた。  As shown in Table 1, good welding conditions far exceeding the required specifications could be found with the configuration of the present invention. That is, high quality and beautiful aluminum welding with deep penetration, which has never been observed before, could be realized.

次に表2にて従来の熱伝導型との本発明に長辺溶接比較を示す。  Next, Table 2 shows a comparison of long side welding in the present invention with the conventional heat conduction type.

Figure 2018202478
Figure 2018202478

表2に示す様に、本発明の方式では熱伝導型に比べ、速度2倍、レーザパワー1/2倍=4倍、即ち4倍ものパフォーマンスが得られたばかりでなく深度0.9/0.6=1.5倍もの溶け込み深さが得られた。  As shown in Table 2, in the method of the present invention, not only the performance of twice the speed and the laser power ½ times = 4 times, that is, 4 times that of the heat conduction type was obtained, but the depth was 0.9 / 0.0. A penetration depth of 6 = 1.5 times was obtained.

クラックの要因になるひけも無くせ、倍近い溶接強度を得ることができた。ここで4倍の生産性パフォーマンスばかりでなく、溶け込みも1.5倍に増えた理由を説明する。  We could eliminate sinks that would cause cracks, and we were able to obtain welding strength nearly doubled. Here we will explain why not only the 4x productivity performance but also the penetration has increased 1.5x.

アルミの熱伝道型溶接では、ファイバレーザの波長1070nmでは吸収率は数%しかないが、キーホール型では、高輝度で深く溶け込むばかりでなく、キーホール内にレーザが封じ込められるので吸収率は数十倍になる。よって吸収効率が高くなるのでパフォーマンスが大幅に向上できる。  In heat transfer type welding of aluminum, the absorption rate is only a few percent at a fiber laser wavelength of 1070 nm, but in the keyhole type, not only does it melt deeply with high brightness, but also the absorption rate is several because the laser is confined in the keyhole. Ten times. Therefore, the absorption efficiency is increased, and the performance can be greatly improved.

次に上記の好適な実験結果をもとに、理論的考察を行う前に、キーホール溶接現象について図9と図10の「2009年度レーザ加工学会春季セミナー資料集(2009.5)」の内容について説明する。  Next, based on the above-mentioned preferable experimental results, before conducting theoretical considerations, the contents of “2009 Laser Processing Society Spring Seminar Materials (2009.5)” of FIG. 9 and FIG. Will be described.

低速時は単位時間当たりのレーザの吸収エネルギーが大きくなるため、キーホール99周辺温度が高くなり溶融金属も増え、蒸発する金属も増えるのでキーホールが大きくなる。キーホール99が大きくなると、キーホール99先端でちぎれた気泡が大きな対流に巻き込まれた状態で凝固して大きなブローホール100が発生する。  At low speed, the energy absorbed by the laser per unit time increases, so the temperature around the keyhole 99 increases, the amount of molten metal increases, and the amount of evaporated metal increases, so the keyhole increases. When the keyhole 99 becomes large, bubbles blown off at the tip of the keyhole 99 are solidified in a state of being caught in a large convection, and a large blowhole 100 is generated.

高速、高パワー時は、集光性をあげて高輝度で高速に移動することにより、安定した小径のキーホール93となり、プルームと呼ばれる金属蒸気97を安定して高速で排出することで、スパッタ95やポロシティ96の発生を抑えることができる。しかし溶け込み深さが浅くなる欠点があった。  At high speeds and high powers, by moving fast and with high brightness, it becomes a stable small-diameter keyhole 93, and sputters metal vapor 97 called plume stably and at high speed. 95 and porosity 96 can be suppressed. However, there was a drawback that the penetration depth was shallow.

本発明の一実施例では、上記図9の4の状態にして、更に図8の第3のビーム16を2つのキーホール11を包み込むようにして全体を温度を上昇させる予熱効果により図9の4の溶接状態を保持しつつ、キーホールを相似形状で拡大させることができた。  In one embodiment of the present invention, the state shown in FIG. 9 in FIG. 9 is applied, and the third beam 16 in FIG. While maintaining the welded state of No. 4, the keyhole could be enlarged in a similar shape.

そのためスパッタ95の発生を抑制しつつも溶け込みを深くでき、PROSITY96を抑制した欠陥のない高速・高品質・高強度そろった理想的な溶接が実現できることが実験で確認することができた。  Therefore, it was confirmed by experiments that it was possible to deepen the penetration while suppressing the generation of spatter 95 and to realize ideal welding with high speed, high quality, and high strength without defects and suppressing PROSITY 96.

更に万一表面に異物があるなど異常な状態でスパッタが発生しても、接合界面にはキーホール93がないのでスパッタ96が発生することはなく、接合界面からスパッタ96が容器内部に侵入することは原理的に無くすことができる。  Furthermore, even if spatter occurs in an abnormal state such as when there is a foreign substance on the surface, the sputter 96 does not occur because there is no keyhole 93 at the bonding interface, and the sputter 96 enters the container from the bonding interface. This can be eliminated in principle.

また、図7に示すように、量産時においては容器26と蓋25の間には隙間Sや段差ばらつきがどうしても発生するが、2つの高輝度レーザビーム11が接合界面の隙間に外部にある位置に設定することで、キーホール93を熱源として溶融した金属どうしがはんだづけの様に交じり合うので、隙間Sが大きくても封口ができる。  Further, as shown in FIG. 7, in mass production, a gap S and a step difference are inevitably generated between the container 26 and the lid 25, but the positions where the two high-intensity laser beams 11 are outside the gap at the bonding interface. Since the melted metals are interlaced like soldering using the keyhole 93 as a heat source, sealing is possible even if the gap S is large.

また、第3のビーム16の余熱効果により溶融した金属が固まる時間を長くすることができるので、その間に気泡101が抜けるためブローホール96の発生が抑制されていることが上記実験により検証できた。  Moreover, since the time for the molten metal to solidify due to the residual heat effect of the third beam 16 can be lengthened, it has been verified by the above experiment that the generation of the blow hole 96 is suppressed because the bubbles 101 escape during that time. .

次に本発明の1実施例のおける量産に向けた課題とその解決策を理論的に示す。  Next, problems and solutions for mass production in one embodiment of the present invention will be theoretically shown.

図8の接合界面Cにてキーホール型溶接を起こす従来の方式では、キーホール溶接で発生したスパッタ95が隙間から抜け、アルミ容器70内部に入ることは防ぐことはできない。  In the conventional method in which keyhole type welding is performed at the joint interface C in FIG. 8, it is impossible to prevent the sputter 95 generated by keyhole welding from passing through the gap and entering the aluminum container 70.

しかし本発明の1実施例では、蓋25と容器26の接合部27ではなく、接合界面Cから離れた位置で、貫通しないキーホール93を発生せしめるので、キーホール93から、生み出されたスパッタ95は容器26から離れる方向に飛んでいく。  However, in one embodiment of the present invention, a keyhole 93 that does not penetrate is generated not at the joint 27 of the lid 25 and the container 26 but at a position away from the joint interface C, so that the sputter 95 generated from the keyhole 93 is generated. Flies away from the container 26.

よってレーザ照射軌跡がずれて接合界面Cにレーザ光11が照射される等のレーザ溶接異常がない限り原理的に容器内26に入ることはない。  Therefore, as long as there is no laser welding abnormality such as the laser irradiation locus being shifted and the laser beam 11 being irradiated to the bonding interface C, the container 26 will not be entered in principle.

なお、スパッタも数100μmを超える大きなものになると、最大隙間50μmに管理されたアルミ容器70内部には物理的に入りこまないが、重くて体積も大きいので、溶融状態のままアルミ容器70やアルミ容器70を位置規制する治具に付着して、レーザ照射位置ずれを起こす可能性がある。  If the spatter is larger than several hundred μm, it does not physically enter the aluminum container 70 controlled to have a maximum gap of 50 μm, but it is heavy and has a large volume. There is a possibility that the position of the laser irradiation position shifts due to the container 70 attached to a jig for regulating the position.

しかし本発明では原理上スパッタサイズが40〜50μm以下の煙状の急速固化されたヒュームになるので溶融付着しない。また、リチウム電池内部の異物は50μm以下であれば安全とされているので、万一最大50μmの隙間から入り込んでも安全内である。  However, in the present invention, since it becomes a smoke-like rapidly solidified fume having a sputter size of 40 to 50 μm or less in principle, it does not melt and adhere. In addition, since foreign matter inside the lithium battery is safe if it is 50 μm or less, even if it enters through a gap of 50 μm at the maximum, it is still safe.

なお、キーホール溶接で発生するスパッタのサイズやブローホールのサイズは、スポットサイズが小さくなるにつれ同様に小さくなる傾向があり、レーザパワーを落とすとスポットサイズより小さくできることを実験で確かめた。  In addition, the size of the spatter generated by keyhole welding and the size of the blow hole tended to become smaller as the spot size became smaller, and it was confirmed by experiments that the laser size could be made smaller than the spot size.

よってキーホールを発生するビームに対し、第三の熱伝導型ビーム16のパワーを大きくすることで、相対的にキーホールを生じる2つのレーザビーム11のパワーを低くすることができ、3つのレーザパワー比率を最適にすることで200mm/sなる高速・深溶け込み溶接にて、鏡面なる美しく安定した溶接ビードを得ることができた。  Therefore, by increasing the power of the third heat-conducting beam 16 relative to the beam that generates the keyhole, the power of the two laser beams 11 that generate the keyhole can be relatively lowered. By optimizing the power ratio, a beautiful and stable weld bead with a mirror surface could be obtained by high-speed, deep penetration welding at 200 mm / s.

次に本発明の1実施例にて、スパッタやブローホールのサイズが40μm以下が実現できた理由を考察する。  Next, the reason why the sputter and blowhole size of 40 μm or less can be realized in one embodiment of the present invention will be considered.

キーホール溶接においては、物理的に下記大小関係が成り立つ。
レーザスポットサイズ≧キーホール口サイズ≧スパッタサイズ≧ブローホールサイズ
In keyhole welding, the following magnitude relationship is physically established.
Laser spot size ≥ keyhole port size ≥ spatter size ≥ blowhole size

この理由を再度図9を用いて説明する。図9の4は高速キーホール溶接時に挙動を示している。高速キーホール溶接時はレーザビーム91がアルミ等の金属92に高輝度で照射されると金属92の沸点を超えて気化した一部の場所が、キーホール93になる。よってレーザスポットサイズ94≧キーホール口サイズとなる。  The reason for this will be described again with reference to FIG. 9 in FIG. 9 shows the behavior during high-speed keyhole welding. During high-speed keyhole welding, when the laser beam 91 is irradiated onto the metal 92 such as aluminum with high brightness, a part of the area that has vaporized beyond the boiling point of the metal 92 becomes the keyhole 93. Therefore, the laser spot size 94 ≧ keyhole opening size.

スパッタ95はキーホール93の内部で溶融した金属98が、液体から気体に変態する際の体積膨張で噴き出されたもので、当然キーホール口サイズ94≧スパッタサイズ95になる。  The sputter 95 is a metal 98 melted inside the keyhole 93 and ejected by volume expansion when transforming from liquid to gas, and naturally the keyhole port size 94 ≧ sputter size 95 is satisfied.

ブローホール96はPORPSITYとも呼ばれるが、キーホール先端95で発生したプルームと呼ばれる金属蒸気97がキーホール93から排出される前に冷却固化されて形成されたものである。キーホール先端101はキーホール口97のサイズよりはるかに小さい。よって発生するブローホール96のサイズはスパッタ95より小さい。  The blow hole 96 is also called PORPSITY, but is formed by cooling and solidifying the metal vapor 97 called plume generated at the keyhole tip 95 before being discharged from the keyhole 93. The keyhole tip 101 is much smaller than the size of the keyhole port 97. Therefore, the size of the generated blow hole 96 is smaller than the sputter 95.

上記により、本発明の一実施例のようにスポットサイズを40μmにすると、式1によりスパッタ95もブローホール96もいずれも40μ以下にできる。  As described above, when the spot size is 40 μm as in the embodiment of the present invention, both the sputter 95 and the blow hole 96 can be reduced to 40 μm or less according to the equation (1).

リチウム電池封口においてはスパッタ95もブローホール96も50μm以下となる。よってスパッタ混入防止できる。また万一隙間が、何らか不具合で50μmを超えて、容器内部に入り込んでも前述した様に50μm以下では品質に問題を与えることはない。  In the lithium battery sealing, both the sputter 95 and the blow hole 96 are 50 μm or less. Therefore, spatter mixing can be prevented. Even if the gap exceeds 50 μm due to some trouble and enters the inside of the container, there is no problem in quality if it is 50 μm or less as described above.

なお、僅かに発生するスパッタ95を分析すると、窒素アシストガスで除去できる40〜50μm以下の微粉的なものであった。  In addition, when the sputter | spatter 95 which generate | occur | produces slightly is analyzed, it was a fine powder of 40-50 micrometers or less which can be removed with nitrogen assist gas.

そのような微粉的なスパッタ95なので、定期クリーニングによりアルミ容器70を固定する治具に付着して溶接位置ずれを起こすことがように管理できる。また。ブローホール96も50μm以下なら小さすぎて溶接強度には問題にならないので、高品質な高速溶接が実現できていると考えられる。  Such a fine powder spatter 95 can be managed so that it is attached to a jig for fixing the aluminum container 70 by periodic cleaning and causes a welding position shift. Also. If the blowhole 96 is 50 μm or less, it is too small to cause a problem in welding strength, so it is considered that high-quality high-speed welding can be realized.

量産においてはいろんな位置ばらつきが発生する。例えば図8に示す様に、蓋25と箱26の隙間Sは0〜最大50μm程度ばらつく。  In mass production, various positional variations occur. For example, as shown in FIG. 8, the gap S between the lid 25 and the box 26 varies from 0 to a maximum of about 50 μm.

また、アルミ容器70自体も最大±0.025mm、レーザ照射軌道も最大±0.025mmばらつく。よってウエッジ板4にて2分岐された  Also, the aluminum container 70 itself varies up to ± 0.025 mm, and the laser irradiation trajectory also varies up to ± 0.025 mm. Therefore, it was branched into two at the wedge plate 4

36μm±10なるスポット11のGAP=300〜350μm中心に、隙間Sの中心Cをあわした場合のスポット11と隙間Sまでの最短距離尤度Δ(μm)を下記に示す。  The shortest distance likelihood Δ (μm) between the spot 11 and the gap S when the center C of the gap S is indicated at the center of GAP = 300 to 350 μm of the spot 11 of 36 μm ± 10 is shown below.

Δ=(GAP300―スポット50−隙間50−容器50−軌道50)/2=50μmとなり、36μm±10なるスポット11と比較して十分な尤度を確保することができる。  Δ = (GAP300−spot 50−gap 50−container 50−track 50) / 2 = 50 μm, and sufficient likelihood can be ensured as compared with the spot 11 of 36 μm ± 10.

よって量産時の最大ばらつき時でもキーホールを起こる高輝度レーザ光が隙間からアルミ缶内部に入りこんで、内部のセパレータ等の樹脂に熱損傷を与えることはない。  Therefore, high-intensity laser light that causes a keyhole does not enter the aluminum can through the gap even during the maximum variation during mass production, and does not cause thermal damage to the resin such as the separator inside.

更にキーホールを起こさない光密度を有する半導体レーザ光16を重畳させると、好適な条件では予熱と徐冷効果により、前述した様に、見たこともない美しい鏡面ビードを得ることができた。  Further, when the semiconductor laser light 16 having a light density that does not cause a keyhole is superimposed, a beautiful specular bead that has never been seen can be obtained by preheating and slow cooling effects under suitable conditions.

また、スパッタの発生も劇的に抑えることができた。なお実験結果において、アルミ容器70の長辺28は上述したキーホールを起こす2つのスポット11と1つの熱伝導型ビームのスポット16との重畳であるが、短辺29は同じ方向でデフォーカスするだけで鏡面のビードを得ることができた。  In addition, the occurrence of spatter could be dramatically suppressed. In the experimental results, the long side 28 of the aluminum container 70 is a superposition of the two spots 11 that cause the keyhole and the spot 16 of one heat conduction beam, but the short side 29 is defocused in the same direction. I was able to get a bead with a mirror surface.

なお、短辺29は応力集中量が長辺28より遥かに小さいので溶け込み深さが浅くても膨張試験に耐えることができるので、短辺29溶接時に極端にパワーを上げる必要がない。  In addition, since the stress concentration of the short side 29 is far smaller than that of the long side 28, it is possible to withstand the expansion test even if the penetration depth is shallow, so it is not necessary to increase the power extremely when welding the short side 29.

また、2つのスポット11は接合界面Cから最大50μmずれた位置なので、ばらつきを加味しても原理上スパッタ95が内部に入り込まない。  Further, since the two spots 11 are displaced by a maximum of 50 μm from the bonding interface C, the spatter 95 does not enter the inside in principle even if variations are taken into account.

このことは従来の4〜6KWかけ60〜100mm/sと比較的ゆっくりと溶接する熱伝導型溶接[特許文献1]と比較すると、速度2倍、パワー半分なので4倍のパフォーマンスになる。  Compared with the conventional heat conduction type welding [Patent Document 1] that welds relatively slowly with 4 to 6 KW 60 to 100 mm / s [Patent Document 1], the speed is twice and the power is half, so the performance is four times.

更に前述した様に、接合部にてキーホール溶接を起こす2つのスポット11を包み込むように、熱伝導型溶接を起こす強度分布を有する第3のレーザビームのスポット16を重畳すると、前述したように、与熱効果により急激な突沸によるスパッタ発生を抑制できる。  Further, as described above, when the spot 16 of the third laser beam having the intensity distribution causing the heat conduction type welding is superimposed so as to wrap the two spots 11 causing the keyhole welding at the joint, as described above. , Sputtering due to sudden bumping can be suppressed by the heating effect.

また、2つのスポット11によりキーホール溶接している近傍を加熱して温度が上昇しているので、キーホール93を熱源として周辺金属を溶融するのに必要な金属融点が広い範囲まで及ぶので、キーホール溶接状態を保ちながら溶け込み深さを更に大きくできる。  In addition, since the temperature is increased by heating the vicinity where the keyhole welding is performed by the two spots 11, the metal melting point necessary for melting the peripheral metal using the keyhole 93 as a heat source extends to a wide range. The penetration depth can be further increased while maintaining the keyhole welding state.

また、予熱効果により、急激は金属沸騰による突沸を抑えスパッタ95の発生を低減できる。更に余熱効果により、溶融金属が液体でいる時間が増えるので、キーホール93で発生した気泡101は溶融金属が硬化するまでに大気に逃げる時間を確保できブローホール96を無くし高品質な溶接が実現できる。  Further, due to the preheating effect, sudden bumping due to metal boiling can be suppressed suddenly, and the generation of spatter 95 can be reduced. Furthermore, due to the residual heat effect, the time during which the molten metal is in liquid is increased, so that the bubble 101 generated in the keyhole 93 can have time to escape to the atmosphere before the molten metal is cured, eliminating the blowhole 96 and realizing high-quality welding. it can.

本発明はリチウム電池用の封口だけでなく、リチウム電池の集電体を高品質に接合することもできる。  The present invention can bond not only a seal for a lithium battery but also a current collector of a lithium battery with high quality.

本発明の一実施例によると、2つのキーホールに分かれていることにより幅の広い深い溶け込み形状になる。  According to one embodiment of the present invention, the two keyholes result in a wide and deep penetration shape.

前記2つのキーホール近傍に溶融している範囲が広いため、従来では不可能であったリチウム電池の銅箔集電体と直交する銅電極に第3の熱伝導型ビームも重畳し、溶融した電極金属に銅箔端面を表面張力にて接触融着することができる。  Since the melting range is wide in the vicinity of the two keyholes, the third heat-conducting beam was also superimposed on the copper electrode perpendicular to the copper foil current collector of the lithium battery, which was impossible in the past, and was melted. The copper foil end face can be contact-bonded to the electrode metal by surface tension.

接合界面にはレーザが直接的にあたらないので箔溶断を防止でき、レーザ照射による箔損傷やスパッタ発生を抑え、高品質に溶接することができる。  Since the laser does not directly hit the bonding interface, foil fusing can be prevented, and foil damage and spatter generation due to laser irradiation can be suppressed and high quality welding can be performed.

また、本発明はリチウム電池用のだけでなく、前述した図11に示す非特許文献1は突合せ溶接における溶接棒11を用いたろう付け溶接も3本のファイバ121を束ねた特殊なファイバを制作しなくても、単に第2のスポット16の照射位置をずらすだけで実現できる。  In addition, the present invention is not only for lithium batteries, but also in the non-patent document 1 shown in FIG. 11 described above, a special fiber in which three fibers 121 are bundled by brazing welding using the welding rod 11 in butt welding is produced. Even if not, it can be realized simply by shifting the irradiation position of the second spot 16.

また、第3のレーザスポット16を送る光ファイバ12も四角断面に変えることで四角スポットが得られる等フレキシブル対応で、より多くの形状・サイズに簡単に対応することができる。  In addition, the optical fiber 12 for sending the third laser spot 16 can be flexibly adapted to obtain a square spot by changing it to a square cross section, and can easily cope with more shapes and sizes.

4・・・斜めカット研磨されたウェッジ板
11・・・2つの円形スポット
15・・・角度調整できる折り返しミラー
16・・・3つのレーザ光を重畳したスポット
18・・・ファイバレーザ1+半導体レーザ7を重畳したハイブリッドトーチ
20・・・半月状のウエッジ板
25・・・蓋
26・・・箱
70・・・アルミ容器
4 ... Wedge plate 11 cut obliquely polished ... Two circular spots 15 ... Folding mirror 16 with adjustable angle ... Spot 18 with three laser beams superimposed ... Fiber laser 1 + semiconductor laser 7 A hybrid torch 20 with a superposition of a half-moon shaped wedge plate 25 ... a lid 26 ... a box 70 ... an aluminum container

Claims (9)

容器の開口部に蓋をしてレーザビームにて封口する溶接装置であって、前記レーザビームが分岐光学系により、半月状ないし円弧部と直線部からなる第1のレーザビームと第2のレーザビームに分割され、前記第1のレーザビームは前記容器の開口部の突合せ接合面近傍に照射され、前記第2のレーザビームは前記蓋の接合面近傍に照射され、前記2つのレーザビーム照射部のいずれかまたは両方が、前記接合面にて円形の焦点を結び、前記接合界面沿ってキーホール状態で平行移動する手段を設け、前記接合面は前記キーホールを熱源として溶融した溶融金属が前記接合面を充填することにより、接合面の隙間ばらつきに対しても、ロバストにシーム溶接できることを特徴としたレーザ封口装置。  A welding apparatus for covering an opening of a container and sealing with a laser beam, wherein the laser beam is divided into a half-moon shape or an arc portion and a straight portion by a branching optical system, and a second laser beam. The first laser beam is irradiated near the butt joint surface of the opening of the container, the second laser beam is irradiated near the joint surface of the lid, and the two laser beam irradiators Either or both of them has a circular focal point at the joining surface, and a means for translating in a keyhole state along the joining interface is provided, and the joining surface is made of molten metal obtained by melting the keyhole as a heat source. A laser sealing device characterized in that, by filling the joint surface, seam welding can be performed robustly against gap variations in the joint surface. 前記レーザビームの分割手段として、円形ガラス板または半月ガラス板に対し、レーザビームが透過しない周辺部に、熱伝導による鏡筒への放熱部を設け、前記円形ガラス板の片面の半分を半月状にテーパ研磨した形状を有する、或いは片面全面をテーパ研磨した半月板を前記レーザビームの光路途中に挿入し、光軸方向が異なる2つの半月状のレーザビームに分割し、テーパ研磨角度が数度以下で分離された半月形状のレーザビームは集光すると、集光点では挿入物がない場合のスポット形状とサイズが同じ円形スポットになる光学特性を利用して、集光点でキーホールを起こすのに十分な集光性を確保した前記2つの円形集光スポットを生成することを特徴とした請求項1記載のレーザ封口装置。  As the laser beam dividing means, a heat radiating part to the lens barrel by heat conduction is provided in the peripheral part where the laser beam is not transmitted with respect to the circular glass plate or the meniscal glass plate, and half of one side of the circular glass plate is made into a half-moon shape A meniscus plate having a taper-polished shape or a taper-polished whole surface on one side is inserted in the middle of the optical path of the laser beam, and divided into two meniscus laser beams having different optical axis directions, and the taper polishing angle is several degrees. When the half-moon shaped laser beam separated below is condensed, a keyhole is generated at the condensing point by utilizing the optical characteristic that becomes a circular spot having the same size as the spot shape when there is no insert at the condensing point. The laser sealing device according to claim 1, wherein the two circular condensing spots with sufficient condensing performance are generated. 分割した前記2つのレーザビームの片方のレーザビーム行路中に長焦点レンズを追加して、片側でキーホール溶接をし、片側で熱伝導溶接をすることを特徴にした請求項1ないし2記載のレーザ封口装置。  3. A long focus lens is added in one of the two laser beam paths of the divided laser beams, keyhole welding is performed on one side, and heat conduction welding is performed on one side. Laser sealing device. 前記容器は長辺と短辺の開口部を有する角型形状であって、前記開口部の短辺側溶接部は前記2つのレーザビームをデフォーカスすることにより、前記2つのレーザビームの前記容器の接合部でキーホール型溶接から熱伝導型溶接効果を増加させたことを特徴とした請求項1から3記載のレーザ封口装置。  The container has a square shape having an opening of a long side and a short side, and a short side welding portion of the opening defocuses the two laser beams, thereby the container of the two laser beams. 4. The laser sealing device according to claim 1, wherein the heat conduction type welding effect is increased from the keyhole type welding at the joint portion. 接合部にてキーホール溶接を起こす前記第1のレーザビームと第2のレーザビームを包み込むように、熱伝導型溶接を起こす第3のレーザビームを重畳したことを特徴としたことを特徴とする請求項1から4項に記載のレーザ封口装置。  A third laser beam that causes heat conduction type welding is superimposed so as to wrap the first laser beam and second laser beam that cause keyhole welding at the joint. The laser sealing device according to claim 1. 2つのレーザビームに分割される前記レーザビーム源はコア径105μ以下のプロセスファイバを有するファイバレーザを光源とし、前記第3のレーザビームは、コア径100μ以上であり、単独照射でキーホールを発生しめない輝度を有するレーザを光源としたことを特徴とする請求項5項記載のレーザ封口装置。  The laser beam source divided into two laser beams uses a fiber laser having a process fiber with a core diameter of 105 μ or less as a light source, and the third laser beam has a core diameter of 100 μ or more and generates a keyhole by single irradiation. 6. The laser sealing device according to claim 5, wherein a laser having a brightness that does not squeeze is used as a light source. 第3のレーザビームが第1ないし第2のレーザビームの光軸に対し、45度入射以外の光軸にも角度調整をする機能を有した折り返しミラーを設けることにより、戻り光が半導体等のレーザ光源に戻らないことを特徴にした請求項6記載のレーザ封口装置。  By providing a folding mirror having a function of adjusting the angle of the third laser beam with respect to the optical axes of the first and second laser beams with respect to the optical axis other than 45 degrees, the return light is made of a semiconductor or the like. The laser sealing device according to claim 6, wherein the laser sealing device does not return to the laser light source. 前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームの進行後方に、前記第3のレーザビームを重畳したことを特徴とする請求項1から6項に記載のレーザ封口装置。  The laser sealing device according to any one of claims 1 to 6, wherein the third laser beam is superimposed on the back of the first laser beam and the second laser beam. 前記レーザビームの集光点におけるスポットサイズの少なくとも1つは50μm以下であることを特徴とする請求項1から8項に記載のレーザ封口装置。  9. The laser sealing device according to claim 1, wherein at least one of the spot sizes at a condensing point of the laser beam is 50 μm or less.
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