JP2021191589A - Welding method, welding device, and battery assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶接方法、溶接装置、および電池アセンブリに関する。 The present invention relates to welding methods, welding equipment, and battery assemblies.
従来、バスバーと電池の電極とがレーザ溶接によって接合されている蓄電装置が知られている(例えば、特許文献1)。また、従来、例えば、電動車両に搭載される電力分配装置のように、複数の電気部品が統合された電気装置が知られている(例えば、特許文献2)。 Conventionally, a power storage device in which a bus bar and a battery electrode are joined by laser welding is known (for example, Patent Document 1). Further, conventionally, an electric device in which a plurality of electric components are integrated, such as a power distribution device mounted on an electric vehicle, is known (for example, Patent Document 2).
この種の溶接においては、所要の接合強度の確保は勿論のこと、加工対象に対して、例えばスパッタやブローホールのような溶接欠陥を生じさせないことは、重要である。 In this type of welding, it is important not only to secure the required joint strength but also to prevent welding defects such as spatters and blow holes from occurring in the workpiece.
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、より品質の高い溶接状態を得ることを可能とするような、改善された新規な溶接方法、溶接装置、および電池アセンブリを得ること、である。 Therefore, one of the subjects of the present invention is, for example, to obtain an improved new welding method, welding device, and battery assembly that enables a higher quality welded state to be obtained.
本発明の溶接方法にあっては、例えば、電池の電極としての金属部材若しくは当該電極と電気的に接続される金属部材または電気装置内の金属部材を含む複数の金属部材を、当該複数の金属部材のうち少なくとも一つの金属部材の表面にレーザ光を照射することにより溶接する溶接方法であって、前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、550[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含む。 In the welding method of the present invention, for example, a plurality of metal members including a metal member as an electrode of a battery, a metal member electrically connected to the electrode, or a metal member in an electric device, the plurality of metals. A welding method in which the surface of at least one metal member of a member is welded by irradiating the surface with a laser beam, wherein the laser beam is a first laser beam having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less. Includes a second laser beam with a wavelength of 550 [nm] or less.
前記溶接方法では、前記金属部材は、前記電池の電極であってもよい。 In the welding method, the metal member may be an electrode of the battery.
前記溶接方法では、前記複数の金属部材は、積層された複数の電極タブを含んでもよい。 In the welding method, the plurality of metal members may include a plurality of laminated electrode tabs.
前記溶接方法では、前記金属部材は、前記電気装置の筐体内に収容されてもよい。 In the welding method, the metal member may be housed in the housing of the electric device.
前記溶接方法では、前記第二レーザ光の波長は、400[nm]以上500[nm]以下であってもよい。 In the welding method, the wavelength of the second laser beam may be 400 [nm] or more and 500 [nm] or less.
前記溶接方法では、前記レーザ光は、前記表面上で掃引方向に掃引され、前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置してもよい。 In the welding method, the laser beam is swept on the surface in a sweeping direction, and at least a part of the second spot formed on the surface by the second laser beam on the surface is the first. It may be located in front of the first spot formed on the surface by the laser beam in the sweep direction.
前記溶接方法では、前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっていてもよい。 In the welding method, the first spot and the second spot may at least partially overlap on the surface.
前記溶接方法では、前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいてもよい。 In the welding method, on the surface, the second outer edge of the second spot may surround the first outer edge of the first spot.
前記溶接方法では、前記複数の金属部材のうち前記レーザ光が照射される部材の前記レーザ光の照射方向に沿った厚さは、2[mm]未満であり、前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、14[μm]以上かつ150[μm]以下であり、前記第一レーザ光のパワーは、0.3[kW]以上かつ2.0[kW]以下であり、前記第二レーザ光によって前記平面上に形成される第二スポットのスポット径は、100[μm]以上かつ900[μm]以下であり、前記第二レーザ光のパワーは、0.1[kW]以上かつ1[kW]以下であってもよい。 In the welding method, the thickness of the member irradiated with the laser beam among the plurality of metal members along the irradiation direction of the laser beam is less than 2 [mm], and the surface thereof is subjected to the first laser beam. When is a plane perpendicular to the laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 14 [μm] or more and 150 [μm] or less, and the power of the first laser beam is It is 0.3 [kW] or more and 2.0 [kW] or less, and the spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 100 [μm] or more and 900 [μm] or less. The power of the second laser beam may be 0.1 [kW] or more and 1 [kW] or less.
前記溶接方法では、前記複数の金属部材のうち前記レーザ光が照射される部材の前記レーザ光の照射方向に沿った厚さは、2[mm]以上かつ3[mm]以下であり、前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、30[μm]以上かつ200[μm]以下であり、前記第一レーザ光のパワーは、2[kW]以上かつ6[kW]以下であり、前記第二レーザ光によって前記平面上に形成される第二スポットのスポット径は、200[μm]以上かつ1200[μm]以下であり、前記第二レーザ光のパワーは、0.5[kW]以上かつ2[kW]以下であってもよい。 In the welding method, the thickness of the member irradiated with the laser beam among the plurality of metal members along the irradiation direction of the laser beam is 2 [mm] or more and 3 [mm] or less, and the said first. When the surface of the surface is a plane perpendicular to the laser beam by one laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 30 [μm] or more and 200 [μm] or less, and the first. The power of the laser beam is 2 [kW] or more and 6 [kW] or less, and the spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 200 [μm] or more and 1200 [μm]. ] Or less, and the power of the second laser beam may be 0.5 [kW] or more and 2 [kW] or less.
前記溶接方法では、前記金属部材と前記電極との溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第一レーザ光のエネルギ密度は、120[J/mm3]以上であり、前記溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第二レーザ光のエネルギ密度は、5[J/mm3]以上でありかつ50[J/mm3]以下であってもよい。 In the welding method, the energy density of the first laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the welded portion between the metal member and the electrode is 120 [J / mm 3 ] or more, and the welding. The energy density of the second laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the unit may be 5 [J / mm 3 ] or more and 50 [J / mm 3 ] or less.
前記溶接方法では、前記表面上において、前記第二レーザ光のパワー密度が、0.15[MW/cm2]以上5[MW/cm2]以下であってもよい。 In the welding method, the power density of the second laser beam may be 0.15 [MW / cm 2 ] or more and 5 [MW / cm 2 ] or less on the surface.
前記溶接方法では、前記金属部材は、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られていてもよい。 In the welding method, the metal member is one of a copper-based metal material, an aluminum-based metal material, a nickel-based metal material, an iron-based metal material, a titanium-based metal material, and a nickel-plated metal material. It may be made of one piece.
本発明の溶接装置は、例えば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザ光を、電池の電極としての金属部材若しくは当該電極と電気的に接続される金属部材または電気装置内の金属部材を含む複数の金属部材のうち少なくとも一つの金属部材の表面にレーザ光を照射する光学ヘッドと、を備え、前記複数の金属部材を溶接する、溶接装置であって、前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、550[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含む。 The welding apparatus of the present invention includes, for example, a laser oscillator and a metal member as an electrode of a battery, a metal member electrically connected to the electrode, or a metal member in an electric device, for example, a laser oscillator and a laser beam from the laser oscillator. A welding apparatus comprising an optical head that irradiates the surface of at least one of a plurality of metal members with a laser beam to weld the plurality of metal members, wherein the laser beam is 800 [nm]. It includes a first laser beam having a wavelength of 1200 [nm] or less and a second laser beam having a wavelength of 550 [nm] or less.
前記溶接装置は、前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備えてもよい。 The welding device may include a beam shaper that divides the laser beam into a plurality of beams.
前記溶接装置は、前記レーザ光を前記表面上で掃引方向に掃引するよう、前記レーザ光の出射方向を変化させるガルバノスキャナを備えてもよい。 The welding device may include a galvano scanner that changes the emission direction of the laser beam so as to sweep the laser beam in the sweep direction on the surface.
前記溶接装置は、前記レーザ光の前記表面上におけるスポットのサイズを変更可能なスポットサイズ可変機構を備えてもよい。 The welding device may include a spot size variable mechanism capable of changing the size of a spot on the surface of the laser beam.
本発明の電池アセンブリは、例えば、電池の電極としての金属部材および当該電極と電気的に接続される金属部材を含む複数の金属部材と、複数の金属部材を溶接した溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記複数の金属部材のうち少なくとも一つの表面から、当該表面と交差する第一方向に沿って延びた溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属は、第一部位と、前記第一方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有する。 The battery assembly of the present invention comprises, for example, a metal member as a battery electrode, a plurality of metal members including a metal member electrically connected to the electrode, and a welded portion obtained by welding the plurality of metal members. The welded portion comprises a welded metal extending from at least one surface of the plurality of metal members along a first direction intersecting the surface, and a heat-affected portion located around the welded metal. The weld metal has a first portion and a second portion in which the average value of the cross-sectional area of the crystal grains in the cross section along the first direction is larger than that of the first portion.
前記電池アセンブリでは、前記第二部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値は、前記第一部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値の1.8倍以上であってもよい。 In the battery assembly, the average value of the cross-sectional areas of the crystal grains contained in the second portion may be 1.8 times or more the average value of the cross-sectional areas of the crystal grains contained in the first portion.
前記電池アセンブリでは、前記溶接部は、前記表面に沿って前記第一方向と交差した第二方向に延びてもよい。 In the battery assembly, the weld may extend along the surface in a second direction intersecting the first direction.
前記電池アセンブリは、前記電池としての複数の電池と、前記金属部材としての、それぞれ前記複数の電池のうちの二つの電池の前記電極と前記溶接部を介して接合された少なくとも一つの前記金属部材と、を備えてもよい。 The battery assembly comprises at least one metal member joined via a weld to the electrodes of the plurality of batteries as the battery and two batteries of the plurality of batteries, respectively, as the metal member. And may be provided.
本発明によれば、例えば、より品質の高い溶接状態を得ることを可能とするような、改善された新規な溶接方法、溶接装置、および電池アセンブリを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain improved new welding methods, welding devices, and battery assemblies, for example, which make it possible to obtain a higher quality welded state.
以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)のうち少なくとも一つを得ることが可能である。 Hereinafter, exemplary embodiments and variations of the present invention will be disclosed. The configurations of the embodiments and modifications shown below, as well as the actions and results (effects) brought about by the configurations, are examples. The present invention can also be realized by configurations other than those disclosed in the following embodiments and modifications. Further, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of various effects (including derivative effects) obtained by the configuration.
以下に示される実施形態および変形例は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態および変形例の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。 The embodiments and modifications shown below have similar configurations. Therefore, according to the configurations of the respective embodiments and modifications, the same actions and effects based on the similar configurations can be obtained. Further, in the following, the same reference numerals are given to those similar configurations, and duplicate explanations may be omitted.
また、各図において、方向Xを矢印Xで表し、方向Yを矢印Yで表し、方向Zを矢印Zで表している。方向X、方向Y、および方向Zは、互いに交差するとともに直交している。また、各図では、便宜上、レーザ光Lの表面Waにおける掃引方向SDがX方向に沿っている例が図示されているが、掃引方向SDは、Z方向と交差していればよく、X方向のみに沿うものではない。 Further, in each figure, the direction X is represented by an arrow X, the direction Y is represented by an arrow Y, and the direction Z is represented by an arrow Z. Direction X, direction Y, and direction Z intersect and are orthogonal to each other. Further, in each figure, for convenience, an example in which the sweep direction SD on the surface Wa of the laser beam L is along the X direction is shown, but the sweep direction SD may intersect with the Z direction and is in the X direction. It's not just about.
また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。 Further, in the present specification, the ordinal number is given for convenience in order to distinguish parts, members, parts, laser beams, directions, etc., and does not indicate a priority or an order.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のレーザ溶接装置100の概略構成図である。図1に示されるように、レーザ溶接装置100は、レーザ装置111と、レーザ装置112と、光学ヘッド120と、光ファイバ130と、を備えている。レーザ溶接装置100は、溶接装置の一例である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the
レーザ装置111,112は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、例えば、数kWのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置111,112は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のレーザ光を出射する。レーザ装置111,112は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ(素子)、YAGレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。レーザ装置111,112は、複数の光源の出力の合計として、数kWのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。
Each of the
レーザ装置111は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置111は、第一レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置111は、レーザ光源として、ファイバレーザかあるいは半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置111が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。
The
他方、レーザ装置112は、550[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置112は、第二レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置112は、レーザ光源として、半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置112は、400[nm]以上500[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置112が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。
On the other hand, the
光ファイバ130は、それぞれ、レーザ装置111,112から出力されたレーザ光を光学ヘッド120に導く。
The
光学ヘッド120は、レーザ装置111,112から入力されたレーザ光を、加工対象Wに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド120は、コリメートレンズ121と、集光レンズ122と、ミラー123と、フィルタ124と、を備えている。コリメートレンズ121、集光レンズ122、ミラー123、およびフィルタ124は、光学部品とも称されうる。
The
光学ヘッド120は、加工対象Wの表面Wa上でレーザ光Lの照射を行いながらレーザ光Lを掃引するために、加工対象Wとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド120と加工対象Wとの相対移動は、光学ヘッド120の移動、加工対象Wの移動、または光学ヘッド120および加工対象Wの双方の移動により、実現されうる。
The
なお、光学ヘッド120は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Wa上でレーザ光Lを掃引可能に構成されてもよい。
The
コリメートレンズ121(121−1,121−2)は、それぞれ、光ファイバ130を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。
The collimating lenses 121 (121-1, 121-2) collimate the laser beam input via the
ミラー123は、コリメートレンズ121−1で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー123で反射した第一レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、フィルタ124へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド120においてZ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー123は不要である。
The
フィルタ124は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、フィルタ124を透過してZ方向の反対方向へ進み、集光レンズ122へ向かう。他方、フィルタ124は、コリメートレンズ121−2で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ124で反射した第二レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、集光レンズ122へ向かう。
The
集光レンズ122は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光L(出力光)として、加工対象Wへ照射する。加工対象Wは、電池21の電極11と金属部材12との接続構造10である。電極11は、金属部材の一例である。
The
図2は、接続構造10の断面図である。接続構造10は、電極11と、金属部材12と、溶接部14と、を有している。溶接部14は、電極11と金属部材12とを、機械的かつ電気的に接続している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
本実施形態では、電極11と金属部材12とは、電池21のZ方向の端面21a上でZ方向と交差する方向に並んでいる。また、電極11のZ方向の端面11aと金属部材12のZ方向の端面12aとは、Z方向と交差する方向に並ぶとともに、それぞれZ方向と交差しかつ直交する方向に広がっている。端面11aおよび端面12aは、加工対象Wの表面Waを構成している。なお、本実施形態では一例として端面11aと端面12aとは略面一であるが、これには限定されず、端面11aと端面12aとの間には段差が設けられてもよい。言い換えると、表面Waは、平面であってもよいし、段差面であってよい。また、表面Waは、凸曲面や凹曲面等であってもよい。
In the present embodiment, the
電極11の側面11bと金属部材12の側面12bは、Z方向に延びており、Z方向と交差する方向に互いに面している。側面11bと側面12bとの境界Bは、Z方向に延びている。境界Bにおいて、側面11b,12bは互いに接触していてもよいし、側面11bと側面12bとの間にギャップが設けられていてもよい。側面11b,12bは、突き合わせ面とも称されうる。
The
光学ヘッド120からのレーザ光Lは、境界Bに向けて、Z方向の反対方向に照射される。表面Waは、レーザ光Lの照射面であり、光学ヘッド120と面した対向面とも称されうる。Z方向は、第一方向の一例である。
The laser beam L from the
このようなレーザ光Lの照射により、溶接部14は、表面Waから、境界Bに沿って、Z方向の反対方向に向けて延びることになる。Z方向の反対方向は、溶接部14の深さ方向とも称されうる。また、レーザ光Lが表面Wa上で掃引方向SD(図2に示されている部位においてはX方向)に掃引されることにより、溶接部14は、図2と略同様の断面形状で、掃引方向SDにも延びることになる。Z方向および掃引方向SDとの直交方向は、溶接部14の幅方向とも称されうる。
By such irradiation of the laser beam L, the welded
溶接部14は溶接金属14aを含む。溶接金属14aは、表面Waから、電極11および金属部材12の内部に向けて、Z方向の反対方向に延びている。溶接金属14aは、第一部位14a1と、第二部位14a2とを有している。第一部位14a1は、主として第一レーザ光の照射によって形成され、第二部位14a2は、主として第二レーザ光の照射によって形成される。図2の例では、第二部位14a2は、表面WaからZ方向の反対方向に延びている。第二部位14a2は、第一部位14a1に対してZ方向に隣接している。すなわち、第一部位14a1は、第二部位14a2に対してZ方向の反対方向に隣接している。また、溶接金属14aは、全体として、接続構造10をZ方向に沿って貫通していない。なお、溶接金属14aの形状は、このような形状には限定されない。第一部位14a1および第二部位14a2を含む溶接金属14aの構造は、後に詳しく述べる。
The
図3は、電池アセンブリ20の斜視図である。電池アセンブリ20は、複数の電池21と、複数の金属部材12と、を有している。この電池アセンブリ20では、金属部材12によって、複数の電池21が並列接続されている。なお、電池アセンブリ20に含まれる電池21の数は、二つであってもよいし、四つ以上であってもよい。また、電池アセンブリ20に含まれる金属部材12の数は、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。
FIG. 3 is a perspective view of the
電池21は、それぞれ二つの電極11を備えている。各電池21において、二つの電極11のうち一つは正の電極11であり、もう一つは負の電極11である。電極11は、電極端子とも称されうる。金属部材12は、例えば、バスバーである。金属部材12は、導電部材とも称されうる。
The
電池21は、例えば、角型(箱形)のリチウムイオン電池である。電池21の内部には、収容室(不図示)が設けられている。収容室内には、複数の正極材、負極材、およびセパレータ(いずれも不図示)が収容されている。正極材および負極材は、セパレータが間に介在した状態で、交互に積層されている。二つの電極11のうち一つには、複数の正極材のそれぞれから延びた複数の導体が電気的に接続され、二つの電極11のうちのもう一つには、複数の負極材のそれぞれから延びた複数の導体が電気的に接続されている。なお、電池21は、リチウムイオン電池には限定されない。
The
電極11は、円柱状の形状を有しており、当該電極11の側面11bは、円筒面状(円筒外面状)の形状を有している。また、金属部材12は、板状の形状を有している。当該金属部材12には、厚さ方向に延びた円筒状の貫通穴が設けられており、当該貫通穴の側面12bは、円筒面状(円筒内面状)の形状を有している。金属部材12に設けられた貫通穴内に電極11が挿入されることにより、側面11bと側面12bとの間に境界Bが形成される。境界Bは、環状隙間とも称されうる。このような状態において、溶接部14は、当該境界Bに沿って掃引されることにより、環状に形成される。すなわち、溶接部14は、全周溶接部とも称されうる。
The
図4は、積層体10B(10)の断面図である。積層体10Bは、金属部材11Bと、複数の電極タブ12Bと、溶接部14B(14)と、を有している。溶接部14Bは、金属部材11Bと複数の電極タブ12Bとを、機械的かつ電気的に接続している。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
金属部材11Bは、一例として、Z方向と交差して広がった板状の形状を有している。ただし、金属部材11Bは、板状の部材には限定されない。複数の電極タブ12Bは、金属部材11BのZ方向の端面11Ba上に、Z方向に積層されている。なお、積層体10Bに含まれる電極タブ12Bの数、言い換えると、金属部材11B上に重ねられる電極タブ12Bの数は、一つであってもよい。電極タブ12Bは、金属部材の一例である。
As an example, the
積層体10Bは、レーザ溶接装置100によって溶接されるに際し、不図示の固定具によって上述した積層状態で一体的に仮止めされ、例えば、電極タブ12Bの表面Waの法線方向がZ方向と略平行となる姿勢で、セットされる。表面Waは、積層体10BのZ方向の端面であり、複数の電極タブ12Bのうち金属部材11Bから最も離れた電極タブ12Bの、当該金属部材11Bとは反対側の面である。レーザ光Lは、光学ヘッド120から、表面Waに対してZ方向の反対方向に向けて、言い換えると、表面Waに対して金属部材11Bとは反対側からZ方向に沿って、照射される。なお、金属部材11Bの端面11Baとは反対側の面は、積層体10Bの裏面Wbである。表面Waは、レーザ光Lの照射面であり、光学ヘッド120と面した対向面とも称されうる。Z方向は、第一方向の一例である。端面11Baは、第一面の一例であり、表面Waは、第二面の一例である。
When the
このようなレーザ光Lの照射により、溶接部14Bは、表面Waから、Z方向の反対方向に向けて延びることになる。Z方向の反対方向は、溶接部14Bの深さ方向とも称されうる。また、レーザ光Lが表面Wa上でX方向(掃引方向SD)に掃引されることにより、溶接部14Bは、図4と略同様の断面形状で、X方向にも延びることになる。X方向は、第二方向の一例である。溶接部14Bの長手方向や延び方向とも称されうる。また、Y方向は、溶接部14Bの幅方向とも称されうる。
By such irradiation of the laser beam L, the welded
溶接部14Bは溶接金属14aを含む。溶接金属14aは、表面Waから、金属部材11Bに向けて、Z方向の反対方向に延びている。溶接金属14aは、第一部位14a1と、第二部位14a2とを有している。第一部位14a1は、主として第一レーザ光の照射によって形成され、第二部位14a2は、主として第二レーザ光の照射によって形成される。図4の例では、第二部位14a2は、表面WaからZ方向の反対方向に延びている。第二部位14a2は、第一部位14a1に対してZ方向に隣接している。すなわち、第一部位14a1は、第二部位14a2に対してZ方向の反対方向に隣接している。第二部位14a2は、少なくとも一つの電極タブ12B内に形成されている。第一部位14a1は、複数の電極タブ12Bと金属部材11Bとに渡って延びている。また、溶接金属14aは、全体として、積層体10BをZ方向に沿って貫通していない。なお、溶接金属14aの形状は、このような形状には限定されない。第一部位14a1および第二部位14a2を含む溶接金属14aの構造は、後に詳しく述べる。
The
図5は、電池アセンブリ2Bの側面図(一部断面図)である。電池アセンブリ2Bは、複数の電池1Bと、複数の金属部材11Bと、を有している。なお、電池アセンブリ2Bに含まれる電池1Bの数は、一つでもよいし、電池アセンブリ2Bに含まれる金属部材11Bの数は、一つでもよい。
FIG. 5 is a side view (partial sectional view) of the
電池1Bは、それぞれ二つの電極タブ12Bを備えている。二つの電極タブ12Bのうち一つは正極の電極タブ12Bであり、もう一つは負極の電極タブ12Bである。電極タブ12Bは、金属部材の一例であり、電極端子とも称されうる。金属部材11Bは、例えば、バスバーである。なお、金属部材11Bおよび電極タブ12Bは、導電部材とも称されうる。
The
図5に示される電池1は、例えば、扁平なラミネート型のリチウムイオン電池セルである。電池1は、電池1の内部には、収容室(不図示)が設けられている。収容室内には、複数の正極材、負極材、およびセパレータ(いずれも不図示)が収容されている。正極材および負極材は、セパレータが間に介在した状態で、交互に積層されている。二つの電極タブ12Bのうち一つには、複数の正極材のそれぞれから延びた複数の導体が電気的に接続され、二つの電極タブ12Bのうちのもう一つには、複数の負極材のそれぞれから延びた複数の導体が電気的に接続されている。電極タブ12Bの一部は、電池1の外側へ露出している。なお、電池1は、リチウムイオン電池セルには限定されない。
The battery 1 shown in FIG. 5 is, for example, a flat laminated lithium-ion battery cell. The battery 1 is provided with a storage chamber (not shown) inside the battery 1. A plurality of positive electrode materials, negative electrode materials, and separators (all not shown) are housed in the accommodation chamber. The positive electrode material and the negative electrode material are alternately laminated with a separator interposed therebetween. A plurality of conductors extending from each of the plurality of positive electrode materials are electrically connected to one of the two
図6は、接続構造10C(10)の断面図である。接続構造10Cは、二つの金属部材11C,12Cと、溶接部14C(14)と、を有している。溶接部14Cは、二つの金属部材11C,12Cを、機械的かつ電気的に接続している。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
本実施形態では、二つの金属部材11C,12Cは、Z方向に並んでおり、言い換えるとZ方向に重なっている。金属部材12Cは、金属部材11Cに対してZ方向に隣接し、光学ヘッド120と面している。光学ヘッド120から出射されたレーザ光Lは、金属部材12CのZ方向の端面である表面Waに照射される。レーザ光Lは、Z方向の反対方向に進み、表面Waは、Z方向と交差して広がっている。なお、本実施形態では、一例として、表面Waは平面であるが、段差面であってよい。また、表面Waは、凸曲面や凹曲面等であってもよい。
In the present embodiment, the two
このようなレーザ光Lの照射により、溶接部14Cは、表面Waから、Z方向の反対方向に向けて延びることになる。溶接部14Cは、金属部材12Cを貫通し、金属部材11Cに至る。Z方向の反対方向は、溶接部14Cの深さ方向とも称されうる。また、レーザ光Lが表面Wa上で掃引方向SD(図6に示されている部位においてはX方向)に掃引されることにより、溶接部14Cは、図6と略同様の断面形状で、掃引方向SDにも延びることになる。Z方向および掃引方向SDとの直交方向は、溶接部14Cの幅方向とも称されうる。
By such irradiation of the laser beam L, the welded
溶接部14Cは溶接金属14aを含む。溶接金属14aは、表面Waから、金属部材12Cに向けて、Z方向の反対方向に延びている。溶接金属14aは、第一部位14a1と、第二部位14a2とを有している。第一部位14a1は、主として第一レーザ光の照射によって形成され、第二部位14a2は、主として第二レーザ光の照射によって形成される。図6の例では、第二部位14a2は、表面WaからZ方向の反対方向に延びている。第二部位14a2は、第一部位14a1に対してZ方向に隣接している。すなわち、第一部位14a1は、第二部位14a2に対してZ方向の反対方向に隣接している。また、溶接金属14aは、全体として、接続構造10CをZ方向に沿って貫通していない。なお、溶接金属14aの形状は、このような形状には限定されない。第一部位14a1および第二部位14a2を含む溶接金属14aの構造は、後に詳しく述べる。
The
図7は、接続構造10Cを備えた電気装置としての電力分配装置21Cおよびその周辺の電気部品の概略構成を示す模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
電力分配装置21Cは、電動車両に搭載される電気装置の一例であり、外部電源22Cと電気的に接続可能であるとともに、電動車両に搭載されたインバータ23C、高圧バッテリ24C、および低圧バッテリ25Cと電気的に接続されている。
The
電力分配装置21Cは、ハウジング21Ce内に収容された複数の電気部品として、ジャンクションボックス21Ca、充電器21Cb、およびDC/DCコンバータ21Ccを有している。ハウジング21Ceは、ケースとも称され、例えば、ボディや、ベース、カバー、リッド、ブラケットなどを含む。
The
電力分配装置21C内で、各電気部品は、導電経路21Cdを介して電気的に接続されている。導電経路21Cdは、部分的に接続構造10Cを含む。
Within the
接続構造10Cを構成する金属部材11C,12Cは、例えば、バスバーや、電気部品に設けられた端子、ハウジング21Ceに設けられた端子、ハーネスの導体と電気的に接続された端子、等である。
The
レーザ溶接装置100による溶接は、金属部材11C,12Cが、電力分配装置21Cのサブアセンブリ、例えば、ハウジング21Ceの一部が外されて内部が露出した状態のサブアセンブリにおける所定位置に配置された状態で行われる。また、当該溶接は、金属部材11C,12Cのうち少なくとも一方が当該サブアセンブリに固定されるかあるいは仮止めされた状態で、行われる。
Welding by the
すなわち、金属部材11C,12Cの溶接が行われる際、当該金属部材11C,12C(接続構造10C)の周辺には、電力分配装置21Cに含まれる他の部品が存在している。このため、レーザ溶接装置100による溶接によって、接続構造10Cの周辺に対してスパッタが飛んだり、周辺に熱影響が生じたりするのは好ましくない。この点、レーザ溶接装置100は、第一レーザ光と第二レーザ光とを含むレーザ光Lの照射により、周辺に対する影響の少ない、より高品質な溶接を行うことができるため、このような状況での溶接に好適である。レーザ溶接装置100による高品質な溶接については、後述する。
That is, when the
図8は、表面Wa上に照射されたレーザ光Lのビーム(スポット)を示す模式図である。ビームB1およびビームB2のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームB1およびビームB2のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図8のように各ビームB1,B2を円で表している各図において、当該ビームB1,B2を表す円の直径が、各ビームB1,B2のビーム径である。各ビームB1,B2のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の1/e2以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向SDと垂直方向における、ピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。また、表面Waにおけるビーム径は、スポット径と称する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing a beam (spot) of the laser beam L irradiated on the surface Wa. Each of the beam B1 and the beam B2 has, for example, a Gaussian-shaped power distribution in the radial direction of the cross section orthogonal to the optical axis direction of the beam. However, the power distribution of the beam B1 and the beam B2 is not limited to the Gaussian shape. Further, in each figure in which each beam B1 and B2 is represented by a circle as shown in FIG. 8, the diameter of the circle representing the beams B1 and B2 is the beam diameter of each beam B1 and B2. Beam diameter of each beam B1, B2 includes a peak of the beam is defined as the diameter of the region of 1 / e 2 or more of the intensity of the peak intensity. Although not shown, in the case of a non-circular beam, the length of a region having an intensity of 1 / e 2 or more of the peak intensity in the direction perpendicular to the sweep direction SD can be defined as the beam diameter. Further, the beam diameter on the surface Wa is referred to as a spot diameter.
図8に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光Lのビームは、表面Wa上において、第一レーザ光のビームB1と第二レーザ光のビームB2とが重なり、ビームB2がビームB1よりも大きく(広く)、かつ、ビームB2の外縁B2aがビームB1の外縁B1aを取り囲むよう、形成されている。この場合、ビームB2のスポット径D2は、ビームB1のスポット径D1よりも大きい。表面Wa上において、ビームB1は、第一スポットの一例であり、ビームB2は、第二スポットの一例である。 As shown in FIG. 8, in the present embodiment, as an example, in the beam of the laser beam L, the beam B1 of the first laser beam and the beam B2 of the second laser beam overlap on the surface Wa, and the beam B2 is formed. It is larger (wider) than the beam B1 and is formed so that the outer edge B2a of the beam B2 surrounds the outer edge B1a of the beam B1. In this case, the spot diameter D2 of the beam B2 is larger than the spot diameter D1 of the beam B1. On the surface Wa, the beam B1 is an example of the first spot, and the beam B2 is an example of the second spot.
また、本実施形態では、図8に示されるように、表面Wa上において、レーザ光Lのビーム(スポット)は、中心点Cに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向SDについて、スポットの形状は同じになる。よって、レーザ光Lの表面Wa上での掃引のために光学ヘッド120と加工対象Wとを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, since the beam (spot) of the laser beam L has a point-symmetrical shape with respect to the center point C on the surface Wa, the SD in an arbitrary sweep direction is used. , The shape of the spot will be the same. Therefore, when a moving mechanism for relatively moving the
加工対象Wとしての電極11および金属部材12は、それぞれ、導電性を有した金属材料で作られうる。金属材料は、例えば、銅系金属材料や、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料、ニッケルめっきが施された金属材料などであり、具体的には、銅や、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、錫、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス、チタン、チタン合金、ニッケルめっきが施された銅、ニッケルめっきが施された銅合金、ニッケルめっきが施されたアルミニウム、ニッケルめっきが施されたアルミニウム合金等である。電極11および金属部材12は、同じ材料で作られてもよいし、異なる材料で作られてもよい。
The
[波長と光の吸収率]
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図9は、照射するレーザ光Lの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図9のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図9には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、およびチタン(Ti)について、波長と吸収率との関係が示されている。
[Wavelength and light absorption rate]
Here, the light absorption rate of the metal material will be described. FIG. 9 is a graph showing the light absorption rate of each metal material with respect to the wavelength of the laser beam L to be irradiated. The horizontal axis of the graph of FIG. 9 is the wavelength, and the vertical axis is the absorption rate. FIG. 9 shows the relationship between wavelength and absorption for aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), tantalum (Ta), and titanium (Ti). It is shown.
材料によって特性が異なるものの、図9に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線(IR)のレーザ光(第一レーザ光)を用いるよりも、青や緑のレーザ光(第二レーザ光)を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅(Cu)や、金(Au)等においては顕著となる。 Although the characteristics differ depending on the material, for each metal shown in FIG. 9, a blue or green laser beam (second laser) is used rather than using a general infrared (IR) laser beam (first laser beam). It can be understood that the energy absorption rate is higher when light) is used. This feature is remarkable in copper (Cu), gold (Au), and the like.
使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象Wに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。 When the laser beam is applied to the processing target W having a relatively low absorption rate with respect to the wavelength used, most of the light energy is reflected and does not affect the processing target W as heat. Therefore, it is necessary to apply a relatively high power in order to obtain a melting region having a sufficient depth. In that case, energy is suddenly applied to the central part of the beam, so that sublimation occurs and a keyhole is formed.
他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象Wに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。 On the other hand, when the laser beam is applied to the processing target W having a relatively high absorption rate with respect to the wavelength used, most of the input energy is absorbed by the processing target W and converted into thermal energy. That is, since it is not necessary to apply excessive power, heat conduction type melting is performed without forming keyholes.
本実施形態では、加工対象Wの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象Wの材質が、選択される。この場合、掃引方向が図9に示される掃引方向SDである場合、レーザ光Lのスポットの掃引により、加工対象Wの溶接される部位(以下、被溶接部位と称する)には、まずは、第二レーザ光のビームB2の、図9におけるSDの前方に位置する領域B2fによって、第二レーザ光が照射される。その後、被溶接部位には、第一レーザ光のビームB1が照射され、その後、第二レーザ光のビームB2の、掃引方向SDの後方に位置する領域B2bによって、再度第二レーザ光が照射される。 In the present embodiment, the wavelength of the first laser beam, the wavelength of the second laser beam, and the wavelength of the processing target W are such that the absorption rate of the processing target W with respect to the second laser light is higher than the absorption rate with respect to the first laser light. The material is selected. In this case, when the sweep direction is the sweep direction SD shown in FIG. 9, the portion to be welded (hereinafter referred to as the welded portion) of the work target W due to the sweep of the spot of the laser beam L is first, first. The second laser beam is irradiated by the region B2f of the beam B2 of the second laser beam located in front of the SD in FIG. After that, the welded portion is irradiated with the beam B1 of the first laser beam, and then the second laser beam is irradiated again by the region B2b of the beam B2 of the second laser beam located behind the sweep direction SD. To.
したがって、被溶接部位には、まずは、領域B2fにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域B2bにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、溶融状態が変化する。このような観点から、第二レーザ光の波長は
550[nm]以下が好ましく、500[nm]以下がより好ましい。
Therefore, in the welded portion, a heat conduction type melting region is first generated by irradiation with a second laser beam having a high absorption rate in the region B2f. After that, a deeper keyhole-type melting region is generated in the welded portion by irradiation with the first laser beam. In this case, since the heat conduction type melting region is formed in advance in the welded portion, the required depth is obtained by the first laser beam having a lower power than in the case where the heat conduction type melting region is not formed. A molten region can be formed. After that, the welded portion is changed in a molten state by irradiation with a second laser beam having a high absorption rate in the region B2b. From such a viewpoint, the wavelength of the second laser beam is preferably 550 [nm] or less, and more preferably 500 [nm] or less.
また、発明者らの実験的な研究により、図8のようなビームのレーザ光Lの照射による溶接にあっては、スパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認されている。これは、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象Wを予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象Wの溶融池がより安定化するためであると推定できる。 Further, experimental studies by the inventors have confirmed that welding defects such as spatters and blow holes can be reduced in welding by irradiation with a laser beam L as shown in FIG. This is because the work target W is preheated by the region B2f of the beam B2 before the beam B1 arrives, so that the molten pool of the work target W formed by the beam B2 and the beam B1 becomes more stable. It can be estimated that there is.
[溶接方法]
レーザ溶接装置100を用いた溶接にあっては、まず、電極11と金属部材12とが一体的に仮止めされた接続構造10が、レーザ光Lが表面Waに照射されるようにセットされる。そして、ビームB1およびビームB2を含むレーザ光Lが表面Waに照射されている状態で、レーザ光Lと接続構造10とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Lが表面Wa上に照射されながら当該表面Wa上を掃引方向SDに移動する(掃引する)。レーザ光Lが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、電極11と金属部材12とが溶接され、接続構造10が一体化される。
[Welding method]
In welding using the
[溶接部の断面]
図10は、加工対象Wに形成された溶接部14の断面図である。図10は、掃引方向SD(図10ではX方向)と垂直であるとともに厚さ方向(Z方向)に沿う断面図である。溶接部14は、掃引方向SD、すなわち図10の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図10は、厚さ2[mm]の1枚の銅板である加工対象Wに形成された溶接部14の断面を示している。電極11と金属部材12との接続構造10に形成される溶接部14の形態は、図10に示される1枚の金属材料である加工対象Wに形成された溶接部14の形態と略同等であると推定できる。
[Cross section of weld]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a welded
図10に示されるように、溶接部14は、表面WaからZ方向の反対方向に延びた溶接金属14aと、当該溶接金属14aの周囲に位置される熱影響部14bと、を有している。溶接金属14aは、レーザ光Lの照射によって溶融し、その後凝固した部位である。溶接金属14aは、溶融凝固部とも称されうる。また、熱影響部14bは、加工対象Wの母材が熱影響を受けた部位であって、溶融はしていない部位である。
As shown in FIG. 10, the welded
溶接金属14aのY方向に沿う幅は、表面Waから離れるほど狭くなっている。すなわち、溶接金属14aの断面は、Z方向の反対方向に向けて細くなるテーパ形状を有している。
The width of the
また、発明者らによる当該断面の詳細な分析により、溶接金属14aは、表面Waから離れた第一部位14a1と、第一部位14a1と表面Waとの間の第二部位14a2と、を含むことが判明した。
Further, according to a detailed analysis of the cross section by the inventors, the
第一部位14a1は、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた部位であり、第二部位14a2は、第二レーザ光のビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射による溶融によって得られた部位である。EBSD法(electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析により、第一部位14a1と第二部位14a2とでは、結晶粒のサイズが異なっており、具体的には、X方向(掃引方向SD)と直交する断面において、第二部位14a2の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1の結晶粒の断面積の平均値よりも大きいことが判明した。 The first portion 14a1 is a region obtained by keyhole-type melting by irradiation with the first laser beam, and the second portion 14a2 is a region located behind the sweep direction SD in the beam B2 of the second laser beam. It is a part obtained by melting by irradiation of B2b. According to the analysis by the EBSD method (electron back scattered diffraction pattern), the size of the crystal grains is different between the first site 14a1 and the second site 14a2, and specifically, the X direction (sweep direction). It was found that the average cross-sectional area of the crystal grains at the second site 14a2 was larger than the average cross-sectional area of the crystal grains at the first site 14a1 in the cross section orthogonal to SD).
発明者らは、加工対象Wに、第一レーザ光のビームB1のみが照射された場合、すなわちビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射が無かった場合には、第二部位14a2が形成されず、第一部位14a1が表面WaからZ方向の反対方向に深く延びていることを確認した。すなわち、本実施形態にあっては、ビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射によって、表面Waの近くに第二部位14a2が形成されるため、第一部位14a1は、当該第二部位14a2に対して表面Waとは反対側、言い換えると、表面WaからZ方向の反対方向に離れた位置に、形成されていると推定できる。 The inventors have found that when the processing target W is irradiated with only the beam B1 of the first laser beam, that is, when the region B2b located behind the sweep direction SD in the beam B2 is not irradiated, the second It was confirmed that the site 14a2 was not formed and the first site 14a1 extended deeply from the surface Wa in the opposite direction to the Z direction. That is, in the present embodiment, the second portion 14a2 is formed near the surface Wa by the irradiation of the region B2b located behind the sweep direction SD in the beam B2, so that the first portion 14a1 is the said. It can be presumed that the second portion 14a2 is formed on the opposite side of the surface Wa, in other words, at a position separated from the surface Wa in the opposite direction in the Z direction.
図11は、溶接部14の一部を示す断面図である。図11は、EBSD法によって得られた結晶粒の境界を示している。また、図11中、一例として結晶粒径が13[μm]以下の結晶粒Aは、黒色に塗られている。なお、13[μm]は、物理的特性の閾値ではなく、当該実験結果の分析のために設定した閾値である。また、図11から、結晶粒Aは、第一部位14a1には比較的多く存在し、第二部位14a2には比較的少なく存在していることが明らかである。すなわち、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値よりも大きい。発明者らは、実験的な分析により、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値の1.8倍以上であることを確認した。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of the welded
図11中の領域I内に示されているように、このような比較的サイズが小さい結晶粒Aは、表面WaからZ方向に離れた位置で、Z方向に細長く延びた状態で密集している。また、X方向(掃引方向SD)の位置が異なる複数箇所での分析から、結晶粒Aが密集した領域は、掃引方向SDにも延びていることが確認されている。掃引しながらの溶接であるため、掃引方向SDには結晶が同様の形態に形成されることが推定できる。 As shown in the region I in FIG. 11, such relatively small crystal grains A are densely packed in a position separated from the surface Wa in the Z direction and elongated in the Z direction. There is. Further, from the analysis at a plurality of locations where the positions in the X direction (sweep direction SD) are different, it is confirmed that the region where the crystal grains A are densely extends extends to the sweep direction SD. Since the welding is performed while sweeping, it can be presumed that crystals are formed in the same shape in the sweep direction SD.
断面における外観あるいは硬度分布等からは第一部位14a1と第二部位14a2とを判別し難い場合にあっては、図10,11のような、溶接金属14aの表面Waにおける位置および幅wbから幾何学的に定めた第一領域Z1および第二領域Z2を、それぞれ、第一部位14a1および第二部位14a2としてもよい。一例として、第一領域Z1および第二領域Z2は、掃引方向SDと直交する断面において、幅wm(Y方向における等幅)で、Z方向に延びた四角形状の領域であり、第二領域Z2は、表面WaからZ方向に深さdまでの領域とし、第一領域Z1は、深さdよりもさらに深い領域、言い換えると深さdの位置に対して表面Waとは反対側の領域とすることができる。幅wmは、例えば、溶接金属14aの表面Waでの幅wb(ビード幅の平均値)の1/3とし、第二領域Z2の深さd(高さ、厚さ)は、例えば、幅wbの1/2とすることができる。また、第一領域Z1の深さは、例えば、第二領域Z2の深さdの3倍とすることができる。発明者らは、複数サンプルに対する実験的な分析により、このような第一領域Z1および第二領域Z2の設定において、第二領域Z2における結晶粒の断面積の平均値は、第一領域Z1における結晶粒の断面積の平均値よりも大きく、かつ、1.8倍以上となっていたことを確認した。このような判別も、溶接により、溶接金属14aにおいて第一部位14a1と第二部位14a2とが形成されていることの証拠となりうる。
When it is difficult to distinguish between the first portion 14a1 and the second portion 14a2 from the appearance or hardness distribution in the cross section, geometry is performed from the position and width wb of the
[実験結果]
発明者らは、複数のサンプルについて実際に溶接を行い、好適な条件を見出した。表1〜表3は、加工対象としての複数の金属部材がいずれも銅系材料である場合の実験結果の一例である。表1は、レーザ光Lが照射される金属部材のZ方向の厚さが0.5[mm]の場合の実験結果であり、表2は、レーザ光Lが照射される金属部材のZ方向の厚さが1.5[mm]の場合の実験結果であり、表3は、レーザ光Lが照射される金属部材のZ方向の厚さが2.5[mm]の場合の実験結果である。各表において、出力の単位は[W]、スポット径の単位は[μm]、パワー密度の単位は[MW/cm2]、エネルギ密度の単位は[J/mm3](後述)、掃引速度の単位は[mm/s]である。また、溶接部14の溶け込み深さと、溶接品質(溶接部14の単位長さあたりのスパッタおよびブローホールの数)について評価を行い、判定Eは、溶け込み深さが不足しているとともに溶接品質が不良である状態、判定Dは、溶け込み深さが十分であるとともに溶接時のスパッタやブローホール等の溶接欠陥の発生が抑制され溶接品質が判定Eよりも改善された状態、判定Cは、溶け込み深さが十分であるとともに溶接品質が判定Dよりも改善された状態、判定Bは、溶け込み深さが十分であるとともに溶接品質が判定Cよりも改善された状態、判定Aは、溶け込み深さが十分であるとともに溶接品質が最良の状態をそれぞれ示している。なお、発明者らは、図2、図4、および図6等の接続構造において、実験結果が同等であったことを確認している。
The inventors actually welded a plurality of samples and found suitable conditions. Tables 1 to 3 are examples of experimental results when the plurality of metal members to be processed are all copper-based materials. Table 1 shows the experimental results when the thickness of the metal member irradiated with the laser beam L in the Z direction is 0.5 [mm], and Table 2 shows the Z direction of the metal member irradiated with the laser beam L. The experimental results are obtained when the thickness of the metal member is 1.5 [mm], and Table 3 shows the experimental results when the thickness of the metal member irradiated with the laser beam L in the Z direction is 2.5 [mm]. be. In each table, the unit of output is [W], the unit of spot diameter is [μm], the unit of power density is [MW / cm 2 ], the unit of energy density is [J / mm 3 ] (described later), and the sweep speed. The unit of is [mm / s]. Further, the penetration depth of the welded
上記実験、他の実験、およびシミュレーション等から、複数の金属部材のうちレーザ光Lが照射される金属部材の厚さが2[mm]未満である場合にあっては、
[条件1−1]
第一レーザ光によって表面がレーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径が、14[μm]以上かつ150[μm]以下であり、第一レーザ光のパワーが、0.3[kW]以上かつ2.0[kW]以下であり、第二レーザ光によって平面上に形成される第二スポットのスポット径が、100[μm]以上かつ900[μm]以下であり、かつ第二レーザ光のパワーが、0.1[kW]以上かつ1[kW]以下
を満たす場合には、判定がA、B、またはCとなり、好適な溶接状態が得られることが判明した。
From the above experiment, other experiments, simulations, etc., when the thickness of the metal member irradiated with the laser beam L is less than 2 [mm] among the plurality of metal members,
[Condition 1-1]
When the surface of the surface of the first laser beam is a plane perpendicular to the laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 14 [μm] or more and 150 [μm] or less, and the first laser beam. The power of the second spot is 0.3 [kW] or more and 2.0 [kW] or less, and the spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 100 [μm] or more and 900 [μm]. ] Or less, and when the power of the second laser beam satisfies 0.1 [kW] or more and 1 [kW] or less, the determination is A, B, or C, and a suitable welding state is obtained. It has been found.
また、複数の金属部材のうちレーザ光Lが照射される金属部材の厚さが2[mm]以上かつ3[mm]以下である場合にあっては、
[条件1−2]
第一レーザ光によって表面がレーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径が、30[μm]以上かつ200[μm]以下であり、第一レーザ光のパワーが、2[kW]以上かつ6[kW]以下であり、第二レーザ光によって平面上に形成される第二スポットのスポット径が、200[μm]以上かつ1200[μm]以下であり、かつ第二レーザ光のパワーが、0.5[kW]以上かつ2[kW]以下
を満たす場合には、判定がA、B、またはCとなり、好適な溶接状態が得られることが判明した。
Further, when the thickness of the metal member irradiated with the laser beam L is 2 [mm] or more and 3 [mm] or less among the plurality of metal members,
[Condition 1-2]
When the surface of the surface of the first laser beam is a plane perpendicular to the laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 30 [μm] or more and 200 [μm] or less, and the first laser beam. The power of the second spot is 2 [kW] or more and 6 [kW] or less, and the spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 200 [μm] or more and 1200 [μm] or less. When the power of the second laser beam satisfies 0.5 [kW] or more and 2 [kW] or less, the judgment is A, B, or C, and it is found that a suitable welding state can be obtained. ..
[エネルギ密度]
また、発明者らは、上記実験的な解析において、接続構造10の単位体積あたりのレーザ光の照射のエネルギ密度という新規な指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式(1)で表すことができる。
En=Pn/(V×Dn×Ta) ・・・ (1)
ここに、Enは、エネルギ密度[J/mm3]、Pnは、レーザ装置によるレーザ光のパワー[W]、Vは、掃引速度[mm/s]、Dnは、表面Waにおけるスポット径[mm]、Taは、薄い部材の厚さ[mm]である。ここでは、下付のnにより、各パラメータを区別しており、n=1は、第一レーザ光のパラメータ、n=2は、第二レーザ光のパラメータを示す。
[Energy density]
Further, in the above experimental analysis, the inventors introduced a new index of the energy density of laser light irradiation per unit volume of the
E n = P n / (V × D n × Ta) ··· (1)
Here, E n is the energy density [J / mm 3], the P n, the power of the laser beam by the laser device [W], V is the sweep rate [mm / s], D n is the spot on the surface Wa The diameter [mm] and Ta are the thickness [mm] of the thin member. Here, each parameter is distinguished by the subscript n, where n = 1 indicates the parameter of the first laser beam and n = 2 indicates the parameter of the second laser beam.
そして、上記[条件1−1]または上記[条件1−2]に加えて、
[条件2]
第一レーザ光のエネルギ密度E1が、120[J/mm3]以上であり、かつ、第二レーザ光のエネルギ密度E2が、5[J/mm3]以上かつ50[J/mm3]以下
を満たす場合には、判定がAまたはBとなり、さらに好適な溶接状態が得られることが判明した。
Then, in addition to the above [Condition 1-1] or the above [Condition 1-2],
[Condition 2]
The energy density E 1 of the first laser beam is 120 [J / mm 3 ] or more, and the energy density E 2 of the second laser beam is 5 [J / mm 3 ] or more and 50 [J / mm 3]. ] When the following conditions are satisfied, the judgment is A or B, and it is found that a more suitable welding state can be obtained.
また、上記[条件1−1]または上記[条件1−2]に加えて、
[条件3]
第二レーザ光のパワー密度が、0.15[MW/cm2]以上5[MW/cm2]以下
を満たす場合にも、判定がAまたはBとなり、さらに好適な溶接状態が得られることが判明した。
In addition to the above [Condition 1-1] or the above [Condition 1-2],
[Condition 3]
Even when the power density of the second laser beam satisfies 0.15 [MW / cm 2 ] or more and 5 [MW / cm 2 ] or less, the judgment is A or B, and a more suitable welding state can be obtained. found.
さらに、上記[条件1−1]または上記[条件1−2]、[条件2]、および[条件3]を全て満たす場合には、判定がAとなり、最も好適な溶接状態が得られることが判明した。 Further, when all of the above [Condition 1-1] or the above [Condition 1-2], [Condition 2], and [Condition 3] are satisfied, the determination is A, and the most suitable welding state can be obtained. found.
以上、説明したように、本実施形態の溶接方法にあっては、例えば、表面Waへのレーザ光Lの照射により、電極11と金属部材12とが溶接部14を介して溶接された接続構造10が得られる。また、レーザ光Lは、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のビームB1と550[nm]以下の波長のビームB2とを含む。
As described above, in the welding method of the present embodiment, for example, the
また、本実施形態では、例えば、第二レーザ光の波長は、400[nm]以上500[nm]以下である。 Further, in the present embodiment, for example, the wavelength of the second laser beam is 400 [nm] or more and 500 [nm] or less.
このような構成および方法によれば、例えば、スパッタやブローホールのような溶接欠陥がより少ないより高品質な溶接を実行することができる。 With such configurations and methods, higher quality welds with fewer weld defects, such as spatters and blowholes, can be performed.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、第二レーザ光のビームB2(第二スポット)の少なくとも一部は、第一レーザ光のビームB1(第一スポット)よりも掃引方向SDの前方に位置している。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, at least a part of the beam B2 (second spot) of the second laser beam has a sweep direction SD more than the beam B1 (first spot) of the first laser beam. It is located in front.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB1とビームB2とは少なくとも部分的に重なっている。 Further, in the present embodiment, for example, the beam B1 and the beam B2 partially overlap each other on the surface Wa.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2は、ビームB1よりも広い。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, the beam B2 is wider than the beam B1.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2の外縁B2a(第二外縁)は、ビームB1の外縁B1a(第一外縁)を取り囲んでいる。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, the outer edge B2a (second outer edge) of the beam B2 surrounds the outer edge B1a (first outer edge) of the beam B1.
上述したように、発明者らは、表面Wa上にこのようなビームB1,B2を形成するレーザ光Lのビームの照射による溶接にあっては、溶接欠陥をより一層低減できることを確認した。これは、上述したように、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象Wを予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象Wの溶融池がより安定化するためであると推定できる。よって、このようなビームB1,B2を有したレーザ光Lによれば、例えば、より溶接欠陥の少ないより溶接品質の高い溶接を実行することができる。また、このようなビームB1,B2の設定によれば、例えば、第一レーザ光のパワーをより低くすることができるという利点も得られる。また、ビームB1とビームB2とが同軸で照射される場合にあっては、光学ヘッド120と加工対象Wとの相対的な回転が不要となるという利点も得られる。
As described above, the inventors have confirmed that welding defects can be further reduced in welding by irradiation with a beam of laser light L forming such beams B1 and B2 on the surface Wa. This is because, as described above, the processing target W is preheated by the region B2f of the beam B2 before the beam B1 arrives, so that the molten pool of the processing target W formed by the beam B2 and the beam B1 is further formed. It can be presumed that this is for stabilization. Therefore, according to the laser beam L having such beams B1 and B2, for example, welding with less welding defects and higher welding quality can be performed. Further, according to such settings of the beams B1 and B2, there is an advantage that, for example, the power of the first laser beam can be further lowered. Further, when the beam B1 and the beam B2 are irradiated coaxially, there is an advantage that the relative rotation between the
また、本実施形態では、例えば、金属部材12および電極11のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料、およびニッケルめっきが施された金属材料のうちのいずれか一つで作られる。
Further, in the present embodiment, for example, each of the
本実施形態の溶接方法による効果は、金属部材12および電極11のそれぞれが上記材料のうちのいずれかで作られている場合に、得られる。
The effect of the welding method of the present embodiment is obtained when each of the
[第2実施形態]
図12は、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121−1とミラー123との間に、DOE125を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Aは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
[Second Embodiment]
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the
DOE125は、第一レーザ光のビームB1の形状(以下、ビーム形状と称する)を成形する。図13に概念的に例示されるよう、DOE125は、例えば、周期の異なる複数の回折格子125aが重ね合わせられた構成を備えている。DOE125は、平行光を、各回折格子125aの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。DOE125は、ビームシェイパとも称されうる。
The DOE125 forms the shape of the beam B1 of the first laser beam (hereinafter referred to as the beam shape). As conceptually illustrated in FIG. 13, the
なお、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121−2の後段に設けられ第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ124の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。ビームシェイパによってレーザ光Lのビーム形状を適宜に整えることにより、溶接において溶接欠陥の発生をより一層抑制することができる。
The
[第3実施形態]
図14は、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、フィルタ124と集光レンズ122との間に、ガルバノスキャナ126を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
[Third Embodiment]
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the
ガルバノスキャナ126は、2枚のミラー126a,126bを有しており、当該2枚のミラー126a,126bの角度を制御することで、光学ヘッド120を移動させることなく、レーザ光Lの照射位置を移動させ、レーザ光Lを掃引することができる装置である。ミラー126a,126bの角度は、それぞれ、例えば不図示のモータによって変更される。このような構成によれば、光学ヘッド120と加工対象Wとを相対的に移動する機構が不要になり、例えば、装置構成を小型化できるという利点が得られる。
The
[第4実施形態]
図15は、第4実施形態のレーザ溶接装置100Cの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121−2とフィルタ124との間に、DOE125(ビームシェイパ)を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Cは、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bと同様の構成を備えている。このような構成によれば、ガルバノスキャナ126を有することによる第3実施形態と同様の効果、およびDOE125(ビームシェイパ)を有することによる第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of the
なお、本実施形態においても、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121−1の後段に設けられ第一レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ124の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。
Also in this embodiment, the
[第5実施形態]
図16は、第5実施形態のレーザ溶接装置100Dの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、それぞれ別のボディ(ハウジング)によって構成された、第一レーザ光L1を照射する第一部位120−1と、第二レーザ光L2を照射する第二部位120−2と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。
[Fifth Embodiment]
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the
図17,18は、レーザ溶接装置100Dによって表面Wa上に形成されたレーザ光のビームB1,B2の例を示している。図17,18に示されるように、レーザ溶接装置100Dによれば、第一部位120−1と第二部位120−2との相対位置や姿勢の設定により、ビームB1,B2の相対位置を、任意に設定することができる。発明者らの研究により、表面Wa上において、図17,18のように、ビームB2(第二スポット)の少なくとも一部がビームB1(第一スポット)よりも掃引方向SDの前方に位置している場合、およびビームB1とビームB2とが互いに接するかあるいは少なくとも部分的に重なっている場合においては、ビームB2の予熱効果による第1実施形態と同様の効果が得られることが判明している。また、ビームB2の少なくとも一部がビームB1よりも掃引方向SDの前方に位置している場合にあっては、ビームB1とビームB2とは微少距離離間していてもよいことも判明している。なお、図17,18は、それぞれ一例に過ぎず、レーザ溶接装置100Dによって得られるビームB1,B2の配置や各ビームB1,B2のサイズは、図17,18の例には限定されない。
FIGS. 17 and 18 show examples of laser beam beams B1 and B2 formed on the surface Wa by the
[第6実施形態]
図19は、第6実施形態のレーザ溶接装置100Eの概略構成図である。レーザ溶接装置100Eは、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bをベースとして改変されている。図19に示されるように、レーザ溶接装置100Bは、コリメートレンズ121の光軸方向における位置を可変設定する位置調整機構140を有している。位置調整機構140により、加工対象Wの表面WaにおけるビームB1,B2のサイズ(スポット径D1,D2)を適宜に変更することができる。すなわち、位置調整機構140は、スポットサイズ可変機構とも称されうる。なお、同様の位置調整機構140は、集光レンズ122に対しても適用可能であるし、コリメートレンズ121および集光レンズ122の双方に適用してもよいし、他の実施形態のレーザ溶接装置100,100A,100C,100Dのコリメートレンズ121や集光レンズ122に対しても適用可能である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 19 is a schematic configuration diagram of the
[第1変形例]
図20は、第1実施形態の第1変形例の電池アセンブリ20Fの斜視図である。図20に示されるように、本変形例では、複数の電池21が、金属部材12を介して、直列接続されている。このような構成においても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
[First modification]
FIG. 20 is a perspective view of the
[第2変形例]
図21は、第1実施形態の第2変形例の電池アセンブリ20Gの斜視図である。図21に示されるように、本変形例では、電池21の電極11が、金属部材12に設けられた貫通穴を貫通し、端面12aよりもZ方向に突出している。レーザ光Lは、電極11の側面11bと、金属部材12の端面12aとの間の境界に向けて、Z方向の反対方向と電極11の径方向内方との間の方向に向けて照射される。これにより、溶接部14は、側面11bと端面12aとの境界から、Z方向の反対方向と電極11の径方向内方との間の方向に延びる。また、本変形例でも、溶接部14は、環状に形成され、これにより全周溶接の形態が得られる。本変形例でも、電極11と金属部材12とは、レーザ光Lの照射方向と交差する方向に並んでいる。このような構成においても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
[Second modification]
FIG. 21 is a perspective view of the
[第3変形例]
図22は、第1実施形態の第3変形例の電池アセンブリ20Hの斜視図であり、図23は、本変形例の電極11および金属部材12のZ方向の反対方向に見た場合の平面図である。図22,20に示されるように、本変形例では、電極11と金属部材12とはZ方向に並んでいる。言い換えると、電極11と金属部材12とはZ方向に重なっている。金属部材12は、電極11に対してZ方向に隣接している。レーザ光Lは、電極11の反対側から、金属部材12の表面Waとしての端面12aに向けて、Z方向の反対方向に照射される。これにより、溶接部14は、端面12aから金属部材12を貫通して、電極11の内部に進入する。この場合、図23に示されるように、Z方向の反対方向に見た場合に、溶接部14は、電極11内に収まり、当該電極11からはみ出さないように形成される。なお、本変形例では、Y方向に沿いX方向に離間した2本の線分状の溶接部14が設けられているが、溶接部14は、電極11および金属部材12内に形成されていればよく、溶接部14の形状や、本数等のスペックは、これには限定されない。例えば、溶接部14は、平面視で円形を描くように形成されてもよい。
[Third modification example]
FIG. 22 is a perspective view of the
[第4変形例]
図24は、第1実施形態の第4変形例の電池アセンブリ20Iの斜視図である。本変形例では、電極11と金属部材12とは、X方向に並んでいる。言い換えると、電極11と金属部材12とはX方向に重なっている。金属部材12は、電極11に対してX方向またはX方向の反対方向に隣接している。レーザ光Lは、電極11の反対側から、金属部材12の表面Waとしての端面12aに向けて、X方向またはX方向の反対方向に照射される。これにより、溶接部14は、端面12aから金属部材12を貫通して、電極11の内部に進入する。この場合も、上記第3変形例の場合と同様に、X方向に見た場合に、溶接部14は、電極11内に収まり、当該電極11からはみ出さないように形成される。なお、本変形例では、Y方向に沿いZ方向に離間した2本の線分状の溶接部14が設けられているが、溶接部14は、電極11および金属部材12内に形成されていればよく、溶接部14の形状や、本数等のスペックは、これには限定されない。
[Fourth variant]
FIG. 24 is a perspective view of the battery assembly 20I of the fourth modification of the first embodiment. In this modification, the
以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック(構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。 Although the embodiments and modifications of the present invention have been exemplified above, the above-described embodiments and modifications are merely examples, and the scope of the invention is not intended to be limited. The above embodiments and modifications can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, combinations, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. In addition, specifications such as each configuration and shape (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) are changed as appropriate. Can be carried out.
また、加工対象に対してレーザ光を掃引する際に、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。 Further, when the laser beam is swept to the object to be processed, the surface area of the molten pool may be adjusted by sweeping by known wobbling, weaving, output modulation or the like.
1B…電池
2B…電池アセンブリ
10…接続構造
10B…積層体
10C…接続構造
11…電極(金属部材)
11B…金属部材
11C…金属部材
11a…端面
11b…側面
11Ba…端面
12…金属部材
12B…電極タブ(金属部材)
12C…金属部材
12a…端面
12b…側面
14…溶接部
14B…溶接部
14C…溶接部
14a…溶接金属
14a1…第一部位
14a2…第二部位
14b…熱影響部
20,20F〜20I…電池アセンブリ
21…電池
21a…端面
21C…電力分配装置
21Ca…ジャンクションボックス
21Cb…充電器
21Cc…DC/DCコンバータ
21Cd…導電経路
21Ce…ハウジング
22C…外部電源
23C…インバータ
24C…高圧バッテリ
25C…低圧バッテリ
100,100A〜100E…レーザ溶接装置(溶接装置)
111…レーザ装置(第一レーザ発振器)
112…レーザ装置(第二レーザ発振器)
120…光学ヘッド
120−1…第一部位
120−2…第二部位
121,121−1,121−2…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
124…フィルタ
125…DOE(回折光学素子)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ
126a,126b…ミラー
130…光ファイバ
140…位置調整機構(スポットサイズ可変機構)
A…結晶粒
B…境界
B1…ビーム(第一スポット)
B1a…外縁
B2…ビーム(第二スポット)
B2a…外縁
B2b…領域
B2f…領域
C…中心点
D1…スポット径(外径)
D2…スポット径(外径)
Dn…スポット径
d…深さ
En,E1,E2…エネルギ密度
I…領域
L…レーザ光
L1…第一レーザ光
L2…第二レーザ光
Pd1…パワー密度
Pd2…パワー密度
Pn…パワー
SD…掃引方向
Ta…厚さ
V…掃引速度
W…加工対象
Wa…表面
Wb…裏面
wb…(溶接金属の表面での)幅
wm…(第一領域および第二領域の)幅
X…方向(第二方向)
Y…方向
Z…方向(第一方向)
Z1…第一領域(第一部位)
Z2…第二領域(第二部位)
1B ...
11B ...
12C ...
111 ... Laser device (first laser oscillator)
112 ... Laser device (second laser oscillator)
120 ... Optical head 120-1 ... First part 120-2 ...
125a ...
A ... Crystal grain B ... Boundary B1 ... Beam (first spot)
B1a ... Outer edge B2 ... Beam (second spot)
B2a ... Outer edge B2b ... Region B2f ... Region C ... Center point D1 ... Spot diameter (outer diameter)
D2 ... Spot diameter (outer diameter)
D n ... Spot diameter d ... Depth E n , E 1 , E 2 ... Energy density I ... Region L ... Laser light L1 ... First laser light L2 ... Second laser light Pd1 ... Power density Pd2 ... Power density P n ... Power SD ... Sweeping direction Ta ... Thickness V ... Sweeping speed W ... Machining target Wa ... Front surface Wb ... Back surface wb ... Width wm (on the surface of the weld metal) ... Width X ... Direction (in the first region and the second region) (Second direction)
Y ... direction Z ... direction (first direction)
Z1 ... First area (first part)
Z2 ... Second area (second part)
Claims (21)
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、550[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含む、溶接方法。 A metal member as an electrode of a battery, a metal member electrically connected to the electrode, or a plurality of metal members including a metal member in an electric device are laser-applied to the surface of at least one of the plurality of metal members. It is a welding method that welds by irradiating light.
The welding method, wherein the laser beam includes a first laser beam having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser beam having a wavelength of 550 [nm] or less.
前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している、請求項1〜5のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 The laser beam is swept in the sweep direction on the surface.
On the surface, at least a part of the second spot formed on the surface by the second laser beam is in front of the first spot formed on the surface by the first laser beam in the sweep direction. The welding method according to any one of claims 1 to 5, which is located in.
前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、14[μm]以上かつ150[μm]以下であり、
前記第一レーザ光のパワーは、0.3[kW]以上かつ2.0[kW]以下であり、
前記第二レーザ光によって前記平面上に形成される第二スポットのスポット径は、100[μm]以上かつ900[μm]以下であり、
前記第二レーザ光のパワーは、0.1[kW]以上かつ1[kW]以下である、請求項1〜8のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 Among the plurality of metal members, the thickness of the member irradiated with the laser beam along the irradiation direction of the laser beam is less than 2 [mm].
When the surface of the surface is a plane perpendicular to the laser beam due to the first laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 14 [μm] or more and 150 [μm] or less.
The power of the first laser beam is 0.3 [kW] or more and 2.0 [kW] or less.
The spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 100 [μm] or more and 900 [μm] or less.
The welding method according to any one of claims 1 to 8, wherein the power of the second laser beam is 0.1 [kW] or more and 1 [kW] or less.
前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、30[μm]以上かつ200[μm]以下であり、
前記第一レーザ光のパワーは、2[kW]以上かつ6[kW]以下であり、
前記第二レーザ光によって前記平面上に形成される第二スポットのスポット径は、200[μm]以上かつ1200[μm]以下であり、
前記第二レーザ光のパワーは、0.5[kW]以上かつ2[kW]以下である、請求項1〜8のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 Among the plurality of metal members, the thickness of the member irradiated with the laser beam along the irradiation direction of the laser beam is 2 [mm] or more and 3 [mm] or less.
When the surface of the surface is a plane perpendicular to the laser beam due to the first laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 30 [μm] or more and 200 [μm] or less.
The power of the first laser beam is 2 [kW] or more and 6 [kW] or less.
The spot diameter of the second spot formed on the plane by the second laser beam is 200 [μm] or more and 1200 [μm] or less.
The welding method according to any one of claims 1 to 8, wherein the power of the second laser beam is 0.5 [kW] or more and 2 [kW] or less.
前記溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第二レーザ光のエネルギ密度は、5[J/mm3]以上でありかつ50[J/mm3]以下である、請求項1〜10のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 The energy density of the first laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the welded portion between the metal member and the electrode is 120 [J / mm 3 ] or more.
Claim 1 that the energy density of the second laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the welded portion is 5 [J / mm 3 ] or more and 50 [J / mm 3 ] or less. The welding method according to any one of 10.
前記レーザ発振器からのレーザ光を、電池の電極としての金属部材若しくは当該電極と電気的に接続される金属部材または電気装置内の金属部材を含む複数の金属部材のうち少なくとも一つの金属部材の表面にレーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、前記複数の金属部材を溶接する、溶接装置であって、
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、550[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含む、溶接装置。 Laser oscillator and
The surface of at least one of a plurality of metal members including a metal member as an electrode of a battery, a metal member electrically connected to the electrode, or a metal member in an electric device, to receive laser light from the laser oscillator. With an optical head that irradiates a laser beam
A welding device that welds the plurality of metal members.
The laser beam is a welding apparatus including a first laser beam having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser beam having a wavelength of 550 [nm] or less.
複数の金属部材を溶接した溶接部と、
を備え、
前記溶接部は、前記複数の金属部材のうち少なくとも一つの表面から、当該表面と交差する第一方向に沿って延びた溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、第一部位と、前記第一方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有した、電池アセンブリ。 A plurality of metal members including a metal member as an electrode of a battery and a metal member electrically connected to the electrode,
Welded parts where multiple metal members are welded, and
Equipped with
The weld is a weld metal extending from at least one surface of the plurality of metal members along a first direction intersecting the surface.
The heat-affected zone located around the weld metal and
Have,
The weld metal is a battery assembly having a first portion and a second portion in which the average cross-sectional area of crystal grains in a cross section along the first direction is larger than that of the first portion.
前記金属部材としての、それぞれ前記複数の電池のうちの二つの電池の前記電極と前記溶接部を介して接合された少なくとも一つの前記金属部材と、
を備えた、請求項18〜20のうちいずれか一つに記載の電池アセンブリ。 A plurality of batteries as the batteries and
As the metal member, the electrode of each of the two batteries of the plurality of batteries and at least one metal member joined via the welded portion.
The battery assembly according to any one of claims 18 to 20, wherein the battery assembly comprises the above.
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WO2023238838A1 (en) * | 2022-06-09 | 2023-12-14 | 株式会社片岡製作所 | Welding method and laser processing device |
-
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- 2021-06-04 JP JP2021094581A patent/JP2021191589A/en active Pending
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WO2023238838A1 (en) * | 2022-06-09 | 2023-12-14 | 株式会社片岡製作所 | Welding method and laser processing device |
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