JP2022001374A - レーザ溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な溶接品質が得られるレーザ溶接方法および装置を提供する。【解決手段】本発明は、複数のワーク部材間の接合面をレーザビームＬＢの照射によって溶接するレーザ溶接方法であって、該レーザビームＬＢの軌跡が、前記接合面に対して平行な第１方向ｘに沿って移動する走査運動Ｓａと、第１方向ｘに沿った第１揺動成分Ｂｘおよび該第１方向ｘに対して垂直な第２方向ｙに沿った第２揺動成分Ｂｙを含む揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗを行うように制御され、溶接不良の発生を判定する不良判定ステップと、溶接不良が発生した場合、該溶接不良に向けて前記レーザビームＬＢを再び照射する際に前記レーザビームＬＢの出力を増加または減少させる出力制御ステップと、を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、レーザ溶接方法および装置に関する。

複数のワーク同士を突き合せたり、重ね合わせたりして、レーザ溶接を行う場合、その接合界面に異物や隙間が存在すると、穴あきや未溶接となる溶接不良が発生する可能性がある。

この対策として、従来は、１台のレーザ発振器を用いて１回目のレーザ照射時にデフォーカスさせてワークを幅広く溶融させた後、同じ場所にジャストフォーカスで２回目のレーザ照射を行うことによって溶接不良の発生を防止している（特許文献１）。また、他の従来技術では、２台のレーザ発振器を用いて、ワークの同じ溶接個所に２本のレーザビームを異なる方向から同時に照射することによって、溶接不良の発生を防止している（特許文献２）。

特許第５２２４３４９号公報 特開２０１９−５７６０号公報

しかしながら、前述した方法では、穴あきや未溶接となる溶接不良を防止するために、１台のレーザ発振器を用いてレーザ照射を２回行ったり、または２台のレーザ発振器を用いて２本のレーザビームを用いて照射したりしているため、ワークには、通常より約２倍のエネルギーが投入されることになる。そのため、ワークに対する熱的負荷が約２倍となり、例えば、弱耐熱性の部品が溶接部近傍にあるような製品に対しては、熱的損傷が生じ易いという課題がある。また、１台のレーザ発振器を用いてレーザ照射を２回行って溶接すると、１回照射と比べて生産性が２倍低下することになり、２台のレーザ発振器を用いて同時に照射すると、１本照射と比べて設備コストが増加したりするという課題もある。

更には、前述した方法を採用したとしても、このような溶接不良を完全には防止することはできず、また、このような溶接不良が発生したとしても検出できないという課題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、効率よく良好な溶接品質を達成できるレーザ溶接方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ溶接方法は、
複数のワーク部材間の接合面をレーザビームＬＢの照射によって溶接するレーザ溶接方法であって、該レーザビームＬＢの軌跡が、前記接合面に対して平行な第１方向ｘに沿って移動する走査運動Ｓａと、第１方向ｘに沿った第１揺動成分Ｂｘおよび該第１方向ｘに対して垂直な第２方向ｙに沿った第２揺動成分Ｂｙを含む揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗを行うように制御され、
溶接不良の発生を判定する不良判定ステップと、
溶接不良が発生した場合、該溶接不良に向けて前記レーザビームＬＢを再び照射する際に前記レーザビームＬＢの出力を増加または減少させる出力制御ステップと、を含む。

また本発明の他の態様に係るレーザ溶接装置は、レーザビームＬＢを供給するレーザ発振器と、
前記レーザビームＬＢを、複数のワーク部材間の接合面に集光させる集光光学系と、
前記レーザビームＬＢの軌跡が、前記接合面に対して平行な第１方向ｘに沿って移動する走査運動と、第１方向ｘに沿った第１揺動成分Ｂｘおよび該第１方向ｘに対して垂直な第２方向ｙに沿った第２揺動成分Ｂｙを含む揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗを行うように、前記レーザビームＬＢの位置を制御するウォブリング走査光学系と、
溶接不良の発生を判定する不良判定部と、
溶接不良が発生した場合、該溶接不良に向けてレーザビームＬＢを再び照射する際に前記レーザビームの出力を増加または減少させる出力制御部と、を備える。

本発明によれば、効率よく良好な溶接品質を達成できる。

本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置の構成を示すブロック図。 ワークＷの溶接個所の一例を示す断面図。 図３（ａ）は、円形状の走査運動Ｓａと揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗの一例を示す説明図。図３（ｂ）は、揺動運動Ｓｂの説明図。 円筒電池上のウォブリング溶接の説明図。 レーザビームの軌跡を示す上面図及び断面図。 直線走査ビームでレーザ溶接を行った時に発生する溶接不良を示す上面図及び断面図。 ウォブリング走査ビームでレーザ溶接を行った時に発生する溶接不良を示す上面図及び断面図。 図８（ａ）は、穴あきが発生した時の状態を示す上面図。図８（ｂ）は、レーザ溶接時に溶融領域Ｍから発生する溶接光ＬＷの信号出力の時間的変化を示すグラフ。図８（ｃ）は、正常な溶融領域Ｍから発光している熱放射光ＬＨを示す断面図。図８（ｄ）は、溶融領域Ｍに穴あきが発生した場合を示す断面図。 ウォブリング走査ビームの軌跡と異物の位置関係を示す上面図。 図１０（ａ）は、ウォブリング溶接時の溶接光信号の時間的変化を示すグラフ。図１０（ｂ）は、穴あきを補修するためのレーザ出力の強度変化を示すグラフ。 穴あきを埋めるためのウォブリング走査ビームの軌跡を示す上面図。 溶接光信号の出力変化およびレーザ出力変化を示すグラフ。 図１３（ａ）は、ウォブリング溶接時に穴あきが発生した時の溶接光信号の出力波形を示すグラフ。図１３（ｂ）は、穴あきが発生した時の相対ピーク強度Ｒｐと、実際に発生した穴あきの穴直径φとの関係の一例を表すグラフ。図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）のグラフの縦軸と横軸を入れ替えて表示したグラフ。 図１４（ａ）は、穴あきの穴径と、穴あきを埋めるのに要する相対レーザ出力との関係を示すグラフ。図１４（ｂ）は、測定された溶接光信号の相対ピーク強度Ｒｐと、穴あきを埋めるのに要する相対レーザ出力との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。更に、他の実施形態との組合せも可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置の構成を示すブロック図である。レーザ溶接装置は、レーザ発振器１と、コリメート光学系２と、ダイクロイックミラー３と、ガルバノミラー４ａ，４ｂと、ガルバノミラー制御部５と、集光光学系６と、加工テーブル７と、集光光学系８と、光検出器９と、全体制御部１０などを備える。

レーザ発振器１は、例えば、炭酸ガスレーザなどの気体レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどの固体レーザで構成され、予め定めた波長および予め定めた出力のレーザビームＬＢを供給する。一例として、レーザビームＬＢは、波長１０７０ｎｍの連続波（ＣＷ）である。レーザ発振器１は、全体制御部１０と通信可能に接続され、全体制御部１０からのコマンドに応じて、レーザビームＬＢの出力が制御可能である。

コリメート光学系２は、レーザ発振器１から供給されるレーザビームＬＢを平行ビームに変換する。

ダイクロイックミラー３は、特定の波長範囲の光を反射し、異なる波長範囲の光を透過させる特性を有し、ここではレーザビームＬＢを反射し、後述する溶接光ＬＷを透過させる機能を有する。

各ガルバノミラー４ａ，４ｂは、反射ミラーと、該反射ミラーを所望の回転角に位置決めし、及び／又は、所望の角速度で回転させる角変位機構とを備える。ガルバノミラー制御部５は、全体制御部１０と通信可能に接続され、全体制御部１０からのコマンドに応じて、各ガルバノミラー４ａ，４ｂの回転角または角速度を個別に制御する。ガルバノミラー４ａは、例えば、図１に示すＸ方向に沿ってレーザビームＬＢを走査する機能を有し、ガルバノミラー４ｂは、例えば、図１に示すＹ方向に沿ってレーザビームＬＢを走査する機能を有する。両者の組合せにより、レーザビームＬＢの軌跡を、２次元座標（Ｘ，Ｙ）として下記の式（１Ａ）（１Ｂ）で定義されるリサジュー図形に従って走査できる。
Ｘ＝ＡＸ・ｃｏｓ（ωＸ・ｔ） …（１Ａ）
Ｙ＝ＡＹ・ｓｉｎ（ωＹ・ｔ＋Δ） …（１Ｂ）
ここで、ＡＸはＸ成分の振幅、ωＸはＸ成分の角速度、ＡＹはＹ成分の振幅、ωＹはＹ成分の角速度、ΔはＸ成分とＹ成分の間の位相差である。一例として、ＡＸ＝ＡＹ、ωＸ＝ωＹ、Δ＝０の場合、円運動を表す。他の例として、ＡＸ≠ＡＹ、ωＸ＝ωＹ、Δ＝０の場合、楕円運動を表す。

集光光学系６は、ガルバノミラー４ａ，４ｂで走査されたレーザビームＬＢを集光して、ワークＷの表面に予め定めた形状の光スポットを形成する。光スポットの照射領域には、多量の熱エネルギーが投入され、融点を超えた部分が溶融領域となり、ワークＷの溶接が行われる。本実施形態では、ワークＷとして円筒型電池の端面溶接を例示するが、本発明はこれに限定されない。

加工テーブル７は、ＸＹＺθステージなどで構成され、全体制御部１０と通信可能に接続され、全体制御部１０からのコマンドに応じて、ワークＷの３次元位置およびレーザビームＬＢの光軸周りの角度が制御可能になる。

ワークＷを溶接する際、ワークＷの溶融領域から溶接光ＬＷ（図中の破線）が放射される。溶接光ＬＷとして、熱放射光、プラズマ光、レーザ反射光などがある。溶接光ＬＷの一部は、集光光学系６、ガルバノミラー４ａ，４ｂ、ダイクロイックミラー３、集光光学系８を通過して、光検出器９に入射する。なお、理解促進のために、図１において溶接光ＬＷはレーザビームＬＢからシフトして描いているが、実際には両者の光はほぼ同軸上となる。

光検出器９は、フォトダイオード、Ａ／Ｄ変換器などを含み、全体制御部１０と通信可能に接続され、その検出信号は全体制御部１０に入力される。光検出器９は、こうした溶接光ＬＷを検出し、溶接光ＬＷの強度に比例した電気信号に変換する機能を有する。

全体制御部１０は、演算プロセッサ、メモリ、マスストレージなどを含むコンピュータで構成され、予め設定されたプログラムに従って各種動作を実行し、例えば、レーザ発振器１の発振制御、レーザ出力制御、ガルバノ制御部５との同期制御、光検出器９からの信号処理などを実行する。

図２は、ワークＷの溶接個所の一例を示す断面図である。ここではワークＷとして円筒型電池を例示する。円筒型電池の外装缶１１の内部には、正極シート、負極シートおよび両者間に介在するセパレータが一体的に巻回された巻取体１４と、電池反応のための電解質溶液とが収納される。巻取体１４の内周には正極タブ１２が接合され、巻取体１４の外周には負極タブ１３が接合される。正極タブ１２は正極１５と接続部１６で接続され、負極タブ１３は外装缶１１と接続部１７で接続される。外装缶１１の上部の開口部には、正極１５と、正極１５を電気絶縁して保持する絶縁樹脂１８とを含む封口板１９が挿入される。

本実施形態では、一例として、この封口板１９の外周面と外装缶１１の内面上端との突合せ面をレーザビーム照射によって溶接する場合を説明するが、本発明はこれに限定されない。

外装缶１１と封口板１９との円形境界部にレーザビームＬＢを照射すると、外装缶１１と封口板１２との突合せ面が溶融し、溶融領域Ｍが形成される。この状態でレーザビームＬＢを突合せ面に沿って円形状の走査運動Ｓａを行うことによって、円筒状の外装缶１１と円形状の封口板１９とが全周に渡って接合される。図２において、簡略化のためにレーザビームＬＢを単純に円形状の走査運動Ｓａで走査する様子を描いているが、実際の走査軌跡は、図３に示している。

図３（ａ）は、円形状の走査運動Ｓａと揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗの一例を示す説明図である。図３（ｂ）は、揺動運動Ｓｂの説明図である。レーザビームＬＢの揺動運動Ｓｂによる軌跡は、走査運動Ｓａの任意の点を基準点Ｐとする２次元ローカル座標（ｘ，ｙ）として下記の式（２Ａ）（２Ｂ）で定義されるリサジュー図形に従って走査できる。
ｘ＝Ｂｘ・ｃｏｓ（ωｘ・ｔ） …（２Ａ）
ｙ＝Ｂｙ・ｓｉｎ（ωｙ・ｔ＋δ） …（２Ｂ）
ここで、Ｂｘはｘ成分の振幅、ωｘはｘ成分の角速度、Ｂｙはｙ成分の振幅、ωｙはｙ成分の角速度、δはｘ成分とｙ成分の間の位相差である。一例として、Ｂｘ＝Ｂｙ、ωｘ＝ωｙ、δ＝０の場合、円運動を表す。他の例として、Ｂｘ≠Ｂｙ、ωｘ＝ωｙ、δ＝０の場合、楕円運動を表す。

こうしてレーザビームＬＢの軌跡は、ワークＷの突合せ面に対して平行な第１方向ｘに沿って移動する走査運動Ｓａと、第１方向ｘに沿った第１揺動成分Ｂｘおよび前記突合せ面に対して垂直な第２方向ｙに沿った第２揺動成分Ｂｙを含む揺動運動Ｓｂとの組合せによるウォブリング走査Ｓｗを行うように制御される。

本実施形態では、２枚のガルバノミラー４，４ｂおよびガルバノミラー制御部５を含み、レーザビームＬＢのウォブリング走査Ｓｗが可能な光学系をウォブリング走査光学系と称する。

次に円筒型電池の外装缶１１の上方、即ち、レーザビーム照射方向からみた走査軌跡について説明する。図４（ａ）は、溶接前の状態であり、外装缶１１の開口部には、正極１５および絶縁樹脂１８を含む封口板１９が挿入されている。次に、図４（ｂ）で示すように、外装缶１１と封口板１９との突合せ面にレーザビームＬＢを照射しながら、円形状の走査運動Ｓａを行って、外装缶１１と封口板１９を接合する。ここで、実際には、図４（ｃ）で示すように、レーザビームＬＢを回転運動させながら円周に沿って移動させるウォブリング走査Ｓｗを行っている。その結果、図４（ｄ）に示すように、円筒状の外装缶１１と円形状の封口板１９とが溶融領域Ｍを介して全周に沿って幅広で接合される。

以下、レーザビームＬＢの走査軌跡と接合状態との関係が理解し易いように、図５で示すような直線走査モデルを用いて説明する。図５（ａ）は、レーザ溶接前の外装缶１１と封口板１９との位置関係を示す上面図及びＡ−Ａ線に沿った断面である。図５（ｂ）は、外装缶１１と封口板１９との境界部にレーザビームＬＢを直線的な走査運動Ｓａを行う時の接合状態を示す上面図及び断面図である。図５（ｃ）は、レーザビームＬＢを回転運動させながら、外装缶１１と封口板１９との境界に沿って直線状に走査するウォブリング走査Ｓｗを行う時の接合状態を示す上面図及び断面図である。

レーザビームＬＢをウォブリング走査Ｓｗすることにより、直線走査と比較して溶融領域Ｍの幅が大きくなり、その結果、より高い接合強度を得ることができる。

次に、図６を参照して、接合界面に異物Ｆｓが挟まった状態でレーザ溶接を行った時に発生する溶接不良について説明する。接合界面の異物Ｆｓとしては、設備内または製品部材等から発生する樹脂異物や、円筒型電池内部に収納される電解液の付着物などが挙げられる。また、溶接不良の形態としては、穴あき、未溶接、スパッタ発生などが挙げられる。特に、穴あき、未溶接不良においては、円筒型電池の製品として、電池内部にある電解液の漏液につながる重大不良をもたらす可能性がある。

図６（ａ）〜（ｃ）は、ＢＢ断面の接合界面に樹脂異物Ｆｓが挟まっている状態を示す上面図及び断面図である。この状態でレーザビームＬＢを直線走査Ｓａさせてレーザ接合を行うと、樹脂異物Ｆｓが無い部分では、図６（ｂ）のＡＡ断面で示すような良好な溶融領域Ｍが形成される。しかしながら、樹脂異物Ｆｓがある部分にレーザビーム２が照射されると、その樹脂異物Ｆｓ２１が急激に昇華して爆発的に膨張し、その周囲の溶融部分も一緒に外部へ吹き飛ばされ、図６（ｃ）に示すように、溶融領域Ｍに穴あきＦｈが発生してしまう。

図７（ａ）〜（ｄ）は、レーザビームＬＢをウォブリング走査Ｓｗさせたときの様子を示す上面図及び断面図である。図６と同様に、樹脂異物Ｆｓが接合界面に存在すると、図７（ｃ）に示すように、レーザビームＬＢによる第１回照射によって穴あきＦｈが発生する場合がある。これに対してウォブリング走査Ｓｗを行った場合、一度、溶融した部分にレーザビームＬＢが再び戻ってきて、レーザビームＬＢによる第２回照射が行われる。そのため穴あきＦｈが小さければ、第２回照射によって穴あきＦｈは埋め戻される場合がある。しかしながら、穴あきＦｈが大きければ、第２回照射によって穴あきＦｈが小さくなるが、図７（ｄ）に示すように、完全に埋め戻されずに残ってしまう場合もある。

次に、レーザ溶接時の溶接不良として穴あきＦｈの発生を検出する方法について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、穴あきＦｈが発生した時の状態を示す上面図である。図８（ｂ）は、図１で示したレーザ溶接装置においてレーザ溶接時に溶融領域Ｍから発生する溶接光ＬＷの信号出力の時間的変化を示すグラフである。

ここでは、溶接光ＬＷとして、赤外領域の波長、例えば、波長１３００ｎｍの熱放射光ＬＨを監視対象としている。熱放射光ＬＨの強度は、溶融領域Ｍの温度とその表面積に依存し、溶融領域Ｍの急激な温度変化を検出することができる。図８（ｂ）から判るように、前半部分の信号強度はほぼ一定であるが、後半部分において急激に変化するピーク強度が発生している。前半の一定強度部分は、例えば、図８（ｃ）のＡＡ断面図に示すように、正常な溶融状態である溶融領域Ｍから発光している熱放射光ＬＨの信号強度に対応している。一方、後半の急激なピーク強度部分は、図８（ｄ）のＢＢ断面図に示すように、穴あきＦｈが発生した時に対応している。溶融領域Ｍに穴あきＦｈが発生した場合、樹脂異物Ｆｓの昇華、溶融部分の外部への飛び出しなどにより、熱放射光ＬＨが異常に大きくなる。そのため、熱放射光ＬＨの信号強度を測定して分析することによって、穴あきＦｈなどの溶接不良の発生を判定できる。溶接が正常か異常かの判断を行う手法の一例として、例えば、事前に予備実験を行って穴あきＦｈの状態と熱放射光ＬＨの信号強度との関係を確立し、ある一定の判定基準値を設定し、続いて実際に測定した信号強度が、判定基準値を超えたピーク強度を含むか否かを判断することによって、溶接不良の判定を行なうことができる。

他の例として、溶接光ＬＷとして、レーザ溶接時に発光する可視光領域のプラズマ光を監視対象としてもよい。このような穴あきＦｈが発生すると、溶融領域Ｍから異常なプラズマ光が発生するため、こうしたプラズマ光を検出信号して使用することも可能である。

さらに他の例として、溶接光ＬＷとして、レーザビームＬＢが溶融領域Ｍで反射した反射光を監視対象としてもよい。溶融領域Ｍに穴あきＦｈが発生すると、溶融形状変化を伴う。そのためレーザビームの反射光の信号強度変化を解析することによって、穴あきＦｈの発生を判定することが可能である。

次に、発生した穴あきＦｈ不良を解消して良品接合化させる方法、具体的には、発生した穴あきＦｈを金属溶融物で埋め戻して補修する良品接合化させる方法について、図９を用いて説明する。

図９（ａ）は、ウォブリング走査Ｓｗを行うレーザビームＬＢの軌跡が、接合界面に存在する異物Ｆｓを照射して穴あきＦｈが発生した状態を示す。図９（ｂ）は、続いてウォブリング走査Ｓｗが半周期分進んだ状態を示す。この期間、レーザビームＬＢは、ワーク（ここでは、外装缶１１と封口板１９）の加工表面において今までに溶接してきた方向（図９の右方向）とは逆の方向（図９の左方向）に戻っていることに注意する。図９（ｃ）は、図９（ｂ）から更にウォブリング走査Ｓｗが半周期分進んだ状態を示す。レーザビームＬＢの軌跡は、図９（ａ）で発生した穴あきＦｈより前方（図９の右方向）に進んでいる。本実施形態におけるウォブリング溶接とは、レーザビームＬＢを、走査運動Ｓａの基準点を中心として回転運動しながら、溶接方向に移動させて連続溶接する方法であり、そのレーザビームＬＢの軌跡がウォブリング走査Ｓｗとなる。

このウォブリング走査Ｓｗを定義するパラメータとして、図９（ｂ）（ｃ）に示すように、レーザビームＬＢの回転直径Ｄ［ｍｍ］、回転速度Ｎ［ｒｐｓ（回転／秒）］、走査運動Ｓａ全体としての走査速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］が使用できる。図９（ｃ）に示すように、ウォブリング走査Ｓｗにおいて揺動運動Ｓｂの基準点が１周期分で移動するウォブリングピッチＰ［ｍｍ］は、次式（３）で示される。
Ｐ[mm]＝Ｖ[mm/s]／Ｎ[rps] …（３）

図９（ｄ）は、図９（ｃ）から更にレーザビームＬＢが１周期分進んだ状態を示す。図９（ｅ）は、図９（ｄ）から更にレーザビームＬＢが半周期分進んだ状態を示す。このとき穴あきＦｈに向けてレーザビームＬＢの第２回照射が行われる。この第２回照射の前にレーザビームＬＢの出力を標準出力より増加させることによって、図９（ａ）で発生した穴あきＦｈの周囲にある金属をより多く溶融させることが可能になる。その結果、溶融金属が穴あきＦｈ部に流し込まれ、穴あきＦｈを埋めて補修することが可能になる。第２回照射の後は、レーザビームＬＢの出力を再び標準出力に減少させる。

図９（ｆ）は、図９（ｅ）から更にレーザビームＬＢが半周期分進んだ状態を示す。穴あきＦｈは解消され、その代わりに穴補修部Ｑが形成される。

穴あきＦｈをレーザ再照射によって補修する場合、レーザ出力をどの程度増加させて照射すれば、その穴あきＦｈが埋まるかを事前に予備実験を行うことによって検証できる。そして、実製品に対してレーザ溶接を行う場合、ウォブリング溶接時に実際に穴あきＦｈが発生したとき、予備実験で検証しているレーザ出力に制御することによって、穴あきＦｈが埋まるようにレーザ照射を行うことが可能になる。

次に、レーザ出力を増加または減少させるタイミングについて、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、図９で示したウォブリング溶接時の溶接光信号の時間的変化を示すグラフである。図１０（ｂ）は、穴あきＦｈを補修するためのレーザ出力の強度変化を示すグラフである。グラフの表示期間は、ウォブリング溶接において穴あきＦｈが発生する前から、実際に穴あきＦｈが発生し、その穴あきＦｈが埋められ良品溶接となる時点までである。

図１０（ａ）に示すように、時刻Ｔ０において溶接光信号の信号強度にピーク強度が発生し、穴あきＦｈが発生したことが観測できる。即ち、図１０（ａ）でピーク強度が発生した時刻Ｔ０が図９（ａ）の状態に対応する。また、図９（ｂ）〜（ｆ）の状態は、図１０における時刻Ｔｂ〜Ｔｆにそれぞれ対応する。例えば、レーザビームＬＢがウォブリング走査Ｓｗによって半周期分戻ってきた時刻がＴｂであり、レーザビームＬＢが穴あきＦｈの位置に戻ってきて、レーザ出力が増加している時刻がＴｅである。なお、この時刻Ｔｅにおいて、図１０（ａ）での信号出力が、レーザ出力の増加分だけ少し大きくなっているが、時刻Ｔ０において穴あきＦｈが発生したときのピーク強度とは明らかに異なっており、時刻Ｔｅでのわずかな信号強度の増加が、穴あきＦｈ発生時のピーク強度と間違えることはない。また、時刻Ｔｅでの信号強度の増加は、事前検証で得られている溶接異常の判定基準値以下となっている。

穴あきＦｈが発生した時刻Ｔ０と、レーザビームＬＢがウォブリング走査Ｓｗによって半周期分戻ってきた時刻Ｔｂとの間の時間間隔Ｔ１［ｓ］（＝Ｔｂ−Ｔ０）は、次式（４）で表せる。
Ｔ１[s]＝（１／２）／Ｎ[rps] …（４）

更に、レーザビームＬＢがウォブリング走査Ｓｗによって半周期分戻ってきた時刻Ｔｂと、穴あきＦｈの位置にレーザビーム２が戻りレーザ出力が増加している時の中心時刻Ｔｅとの間の時間間隔をＴ２とする。この時間間隔Ｔ２の間に、レーザビームＬＢがウォブリング走査Ｓｗの際に基準点の周りを回転する回数Ｋは、次式（５）で表せる。
Ｋ[回転]＝ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]／Ｐ[mm]） …（５）
ここで、ＲＯＵＮＤ（）は、括弧内の数字を小数点以下で四捨五入して整数化する関数である。例えば、ＲＯＵＮＤ（２．４）は整数２であり、ＲＯＵＮＤ（４．６）は整数５である。

ここで注意が必要なのが、レーザビームＬＢはウォブリング走査Ｓｗにより、必ず穴あきＦｈの近傍に戻ってくるため、レーザビームＬＢが回転する回数Ｋは整数となる。そのため、計算式Ｄ［ｍｍ］／Ｐ［ｍｍ］による計算結果を、四捨五入して整数化させる必要がある。

また、レーザビームＬＢがＫ［回転］している時間Ｔ２［ｓ］は、次式（６）で表せる。
Ｔ２[s]＝Ｋ[回転]／Ｎ[rps] …（６）

更に、式（３）、（５）、（６）により、レーザビームＬＢがＫ［回転］している時間Ｔ２［ｓ］は、レーザビームＬＢの回転直径Ｄ［ｍｍ］、回転速度Ｎ［ｒｐｓ］、全体としての走査速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］を用いて、次式（７）で表せる。
Ｔ２[s]＝ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps] …（７）

そして、穴あきＦｈが発生した時刻Ｔ０から、この穴あきＦｈの位置にレーザビームＬＢが戻ってきてレーザ出力が増加している時の中心時刻Ｔｅまでの時間間隔Ｔは、Ｔ１とＴ２との和であり、式（４）、（７）から、レーザビームＬＢの回転直径Ｄ［ｍｍ］、回転速度Ｎ［ｒｐｓ］、全体としての走査速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］を用いて、次式（８）で表せる。
Ｔ[s]＝Ｔ１＋Ｔ２＝（１／２）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps] …（８）

次に、図１１を用いて、具体的にどの段階からレーザ出力を徐々に増加させ、どの段階までにレーザ出力を標準条件に減少させれば良いかを説明する。図１１（ａ）〜（ｅ）は、図９（ｄ）〜（ｆ）を更に４分の１周期ごとに区切って走査した時の状態を示す。また、この時の溶接光信号の出力変化およびレーザ出力変化を図１２（ａ）（ｂ）に示す。また、図１１（ａ）〜（ｅ）が、図１２（ｂ）の時刻Ｔａ〜Ｔｅにそれぞれ対応する。前述した図１０（ｂ）の事例では、レーザ出力は、中心時刻Ｔｅの前後で急激に増減させている。この場合、穴あきＦｈは埋まるが、急激なレーザ出力増加によりスパッタが発生したり、溶融状態が不安定になったりする場合がある。レーザ出力を変化させても安定した溶接状態を確保するためには、レーザ出力を徐々に増加させ、徐々に減少させていくのが好ましい。

具体的には、レーザビームＬＢが戻る手前のタイミング（図１１（ｂ））で、レーザ出力の増加を開始し、少なくとも穴あきＦｈの位置に照準するタイミング（図１１（ｃ））で所望のレーザ出力に増加している状態が必要である。逆に、レーザビーム２が戻る手前のタイミング（図１１（ｂ））でレーザ出力を増加させても、穴あきＦｈの補修にはあまり寄与しないことになる。

更に、レーザビームＬＢが穴あきＦｈを通過した後、レーザ出力を徐々に減少させ、新たな接合箇所に入る前のタイミング（図１１（ｄ））で、標準のレーザ出力に戻し終えるのが好ましい。逆に、穴あきＦｈを通過した後にレーザ出力が増加している状態が続いても、穴あきＦｈの補修にはあまり寄与しないことになる。

この時のレーザ出力変化は、図１２（ｂ）に示しており、レーザ出力の増加を開始する時刻がＴｂであり、レーザ出力が減少して元の標準出力に戻り終える時刻がＴｄである。レーザ出力の増加開始時刻Ｔｂから、穴あきＦｈの位置に照準する時刻Ｔｃとの時間間隔をＤ１とし、穴あきＦｈの位置に照準する時刻Ｔｃからレーザ出力が標準出力に戻り終える時刻Ｔｄとの時間間隔をＤ２とする。また、穴あきＦｈが発生した時刻Ｔ０を基準として、時刻Ｔ０からレーザ出力の増加開始時刻Ｔｂまでの時間間隔をＴstart、時刻Ｔ０からレーザ出力が標準出力に戻り終える時刻Ｔｄまでの時間間隔をＴendとする。

本実施形態において、一例として、時間間隔Ｄ１，Ｄ２は、双方とも４分の１周期に設定され、次式（９）で表せる。
Ｄ１[s]＝Ｄ２[s]＝（１／４）／Ｎ[rps] …（９）

また、時刻Ｔ０を基準としてレーザ出力の増加開始時間Ｔstart及びレーザ出力を元の標準出力に戻す時間Ｔendは、式（８）（９）から、レーザビームＬＢの回転直径Ｄ［ｍｍ］、回転速度Ｎ［ｒｐｓ］、全体としての走査速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］を用いて、次式（１０）（１１）で表せる。
Ｔstart[s]＝（１／４）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps] …（１０）
Ｔend[s]＝（３／４）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps] …（１１）

次に、穴あきＦｈの位置部に、どれだけレーザ出力を増加させて照射すれば穴あきＦｈが埋まるのかを、図１３と図１４を用いて説明する。

図１３（ａ）は、ウォブリング溶接時に穴あきＦｈが発生した時の溶接光信号の出力波形を示すグラフである。本図において、穴あきＦｈが発生した時に現れる信号出力をピーク強度Ｉｐとし、穴あきＦｈが発生していない時の溶接光信号の平均値を平均強度Ｉａｖとする。ピーク強度Ｉｐについては、絶対的な強度には意味がなく、平均強度Ｉａｖに対する相対強度が有意な情報となる。つまり、ピーク強度Ｉｐが平均強度Ｉａｖの何倍であるかという相対ピーク強度Ｒｐ（＝Ｉｐ／Ｉａｖ）が重要である。

図１３（ｂ）は、穴あきＦｈが発生した時の相対ピーク強度Ｒｐと、実際に発生した穴あきＦｈの穴直径φとの関係の一例を表すグラフである。本図から判るように、穴直径φが大きくなるほど、相対ピーク強度Ｒｐも大きくなっている。つまり、相対ピーク強度Ｒｐが大きいほど、大きな穴あきＦｈが発生していると推定できる。また、本事例では、直径φ５０μｍ以下の穴あきＦｈは発生しておらず、溶融領域の表面張力に起因してφ５０μｍ以下の微小な穴あきＦｈが発生しないと考えられる。

更に、穴あきＦｈが発生した時の相対ピーク強度Ｒｐは「２」以上となっている。そのため、例えば、穴あきＦｈの判定基準値として、相対ピーク強度「２」より小さい数値、例えば、「１．５」に設定することが好ましく、この判定基準値を超えたときに穴あきＦｈが発生している可能性があると判断できる。一方、穴あきＦｈが発生していない時の信号強度は、平均強度Ｉａｖに対して１．５倍以上とはなっていない。

図１３（ｂ）において、点線は、穴径に対する相対ピーク強度の下限付近を直線近似したものである。この点線のグラフの縦軸と横軸を入れ替えて表示したのが図１３（ｃ）であり、測定された相対ピーク強度に対する最大の穴径を示すことになる。

次に、溶融領域に穴あきＦｈが発生した場合、どれだけの出力でレーザ照射を行えばその穴あきＦｈが埋まるかを示したグラフの一例が図１４（ａ）である。縦軸は、相対レーザ出力を示し、これは標準レーザ出力に対する相対的なレーザ出力を表し、単位は「％」である。例えば、相対レーザ出力１００％の時のレーザ出力は、標準レーザ出力と同じである。また、相対レーザ出力１２０％の時のレーザ出力は、標準レーザ出力より２０％大きな値となる。横軸は、穴あきＦｈの直径を示す。

図１４（ａ）を参照すると、例えば、穴径が小さく５０μｍの時には、標準レーザ出力でも穴が埋まる。しかし、穴径が大きくなり２００μｍになれば、標準レーザ出力の１２５％出力（２５％の出力増加）が必要となる。

図１４（ｂ）は、図１３（ｃ）と図１４（ａ）の組合せから得られるものであり、測定された相対ピーク強度Ｉｐに対して、どれだけのレーザ出力を照射すれば、穴あきＦｈが埋まるかを示したグラフの一例である。例えば、穴あきＦｈが発生した時の相対ピーク強度Ｒｐが「２」の時には、レーザ出力を標準レーザ出力に対して１１０％で照射すれば良いことが判る。より詳しく説明すると、相対ピーク強度Ｒｐが「２」の時には、図１３（ｃ）に示されるように、発生したと思われる穴あきＦｈの穴径が最大でも１００μｍと推定される。更に、図１４（ａ）より、穴径が１００μｍの時に必要なレーザ出力は１１０％となっており、図１４（ｂ）から得られるレーザ出力条件と同じになる。

つまり、穴あきＦｈの発生時の相対ピーク強度Ｒｐの大きさに比例して、レーザ出力の増加割合も大きくするのが好ましい。具体的には、事前検証で得られた図１４（ｂ）のグラフのように、相対ピーク強度Ｉｐと穴埋めに必要なレーザ出力との相関グラフを用いて、レーザ出力を決めることが可能である。

次に、具体的な溶接事例として、前述した円筒型電池の外装缶１１と封口板１９との全周溶接において、本発明の有効性を検証した。

従来のレーザ溶接方法として、レーザ出力１０００W、走査速度５００ｍｍ／ｓで、単に円周状にレーザ走査して、全周溶接を行った。このとき２０％の確率で穴あきＦｈが発生した（即ち、１０個のワーク中で２個のワークで穴あきが発生）。この穴あきＦｈの原因は、接合界面異物、電解液残差、隙間などによるものである。

これに対して、本発明によるレーザ溶接方法は、レーザ出力１０００W、走査速度Ｖ：５００ｍｍ／ｓは同じであり、更に、ウォブリング走査条件として、回転直径Ｄ：０．５ｍｍ、回転数Ｎ：２０００ｒｐｓとした。

また、同時に、レーザ溶接時に発生する溶接光の発光信号強度を測定し、穴あきＦｈが発生したと思われるようなピーク強度Ｉｐが発生した場合には、正常溶接時の平均強度Ｉａｖに対する相対ピーク強度Ｒｐを算出し、予め決めた判定基準値（本事例では１．５）以上あれば、溶接不良の発生と判断した。

また、穴あきＦｈが発生した時刻から、穴あきＦｈの位置にレーザビームＬＢが戻ってくるまでの時間は、回転数２０００ｒｐｍ、回転直径０．５ｍｍ、溶接速度５００ｍｍ／ｓであるから、式（８）より１．２５ｍｓである。つまり、穴あきＦｈが発生したことが判ってから、１．２５ｍｓ後にレーザビームＬＢが戻ってくることが判る。

更に、測定した相対ピーク強度Ｒｐに対して、図１４（ａ）のグラフを用いて穴埋めに必要な相対レーザ出力を算出し、実際のレーザ出力に換算して増加させてレーザ照射を行った。その結果、１０個のワーク全てにおいて、穴あきＦｈの無い良品溶接を実現することができ、本発明の有効性を検証した。

以上説明したように、本実施形態よれば、レーザビームＬＢを接合界面に沿って移動しながら、溶接面において回転運動を行うウォブリング走査によりレーザ溶接を行う場合、レーザ溶接時に発生する溶接光を検出することによって穴あき等の溶接不良の発生を判定し、ウォブリング走査によりレーザビームＬＢの軌跡がその溶接不良が発生した位置に戻ってくるタイミングを算出し、そのタイミングでレーザ出力を増加させてレーザ再照射を行うことによって、穴あきなどの溶接不良を効率よく補修することができる。更に、１回だけのウォブリング走査だけで良好な溶接品質が得られるため、従来のように熱的負荷もかからず、熱的損傷も発生しない。また、１台のレーザ発振器を用いて１回だけのウォブリング走査で済むため、高い生産性が得られ、設備コストも削減できる。

なお本実施形態では、２つのワークの突合せ溶接を例として説明したが、本発明は、２つのワークの重ね合わせ溶接や隅肉溶接にも適用可能である。また、２つのワークに限定されることなく、本発明は、３つ以上のワークの各種レーザ溶接にも適用可能である。

また本実施形態では、溶接不良として穴あきを例示したが、本発明は、未溶接やスパッタ発生などの溶接不良の場合にも適用可能である。

また本実施形態では、走査運動Ｓａが円運動または直線運動で、揺動運動Ｓｂが円運動である場合を例示したが、代替として、走査運動Ｓａは、楕円運動、矩形運動、その他のリサジュー図形を示す運動でもよく、揺動運動Ｓｂは、楕円運動、矩形運動、その他のリサジュー図形を示す運動でもよい。

上述したように、本発明によれば、複数のワークを突き合せたり、重ね合わせたりしてレーザ溶接を行う際に発生する穴あきや未溶接となる溶接不良を防止することができる。本発明は、例えば、円筒型電池や角型電池の外装缶と封口板との全周溶接に適用でき、穴あきや未溶接が無い高品質な電池を実現することができる。

本発明は、効率よく良好な溶接品質を達成できる点で産業上極めて有用である。

１ レーザ発振器
２ コリメート光学系
３ ダイクロイックミラー
４ａ，４ｂ ガルバノミラー
５ ガルバノミラー制御部
６ 集光光学系
７ 加工テーブル
８ 集光光学系
９ 光検出器
１０ 全体制御部
１１ 外装缶
１２ 正極タブ
１３ 負極タブ
１４ 巻取体
１５ 正極
１６，１７ 接続部
１８ 絶縁樹脂
１９ 封口板
Ｆｈ 穴あき
Ｆｓ 樹脂異物
ＬＢ レーザビーム
ＬＨ 熱放射光
ＬＷ 溶接光
Ｍ 溶融領域
Ｑ 穴補修部
Ｓａ 走査運動
Ｓｂ 揺動運動
Ｓｗ ウォブリング走査
Ｗ ワーク

Claims (11)

1. 複数のワーク部材間の接合面をレーザビームの照射によって溶接するレーザ溶接方法であって、該レーザビームの軌跡が、前記接合面に対して平行な第１方向に沿って移動する走査運動と、第１方向に沿った第１揺動成分および該第１方向に対して垂直な第２方向に沿った第２揺動成分を含む揺動運動との組合せによるウォブリング走査を行うように制御され、
   溶接不良の発生を判定する不良判定ステップと、
   溶接不良が発生した場合、該溶接不良に向けて前記レーザビームを再び照射する際に前記レーザビームの出力を増加または減少させる出力制御ステップと、を含むレーザ溶接方法。
2. 前記不良判定ステップは、前記接合面の溶融領域から発生する溶接光を検出し、溶接光の検出信号に基づいて溶接不良の発生を判定する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記不良判定ステップは、前記検出信号が予め設定された判定基準値より大きい場合に溶接不良の発生を判定する、請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記不良判定ステップは、溶接不良が生じた不良箇所を特定し、
   前記出力制御ステップは、前記レーザビームが該不良箇所を再び通過する前に前記レーザビームの出力を増加させ、該不良箇所の通過後に該出力を減少させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記出力制御ステップは、溶接不良の発生時に発生する溶接光の検出信号のピーク強度を、溶接不良が発生していない時の溶接光の検出信号の平均強度で除算して得られる相対ピーク強度の大きさに比例して、前記レーザビームの出力を増加させる、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記走査運動は、走査速度Ｖを有し、
   前記揺動運動は、前記走査運動の基準点を中心とする回転直径Ｄおよび回転速度Ｎを有する円運動であり、
   前記レーザビームが前記不良箇所を再び通過するタイミングが、回転直径Ｄ、回転速度Ｎおよび走査速度Ｖを用いて算出される、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記溶接不良が発生した時刻から、前記溶接不良が発生した位置を前記レーザビームが再び通過する際に前記レーザビームの出力が増加している時の中心時刻までの時間間隔Ｔ［ｓ］が下記の式を満たす、請求項６に記載のレーザ溶接方法。
   Ｔ[s]＝（１／２）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps]
   ここで、ＲＯＵＮＤ（）は、括弧内の数字を小数点以下で四捨五入して整数化する関数であり、Ｄは、レーザビームの回転直径［ｍｍ］であり、Ｎは、レーザビームの回転速度［ｒｐｓ］であり、Ｖは、レーザビームの走査速度［ｍｍ／ｓ］である。
8. 前記溶接不良が発生した時刻から、レーザ出力の増加を開始するまでの時間Ｔstart及びレーザ出力を元に戻すまでの時間Ｔendが下記の式を満たす、請求項７に記載のレーザ溶接方法。
   Ｔstart[s]＝（１／４）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps]
   Ｔend[s]＝（３／４）／Ｎ[rps]＋ＲＯＵＮＤ（Ｄ[mm]×Ｎ[rps]／Ｖ[mm]）／Ｎ[rps]
9. レーザビームを供給するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを、複数のワーク部材間の接合面に集光させる集光光学系と、
   前記レーザビームの軌跡が、前記接合面に対して平行な第１方向に沿って移動する走査運動と、第１方向に沿った第１揺動成分および該第１方向に対して垂直な第２方向に沿った第２揺動成分を含む揺動運動との組合せによるウォブリング走査を行うように、前記レーザビームの位置を制御するウォブリング走査光学系と、
   溶接不良の発生を判定する不良判定部と、
   溶接不良が発生した場合、該溶接不良に向けてレーザビームを再び照射する際に前記レーザビームの出力を増加または減少させる出力制御部と、を備えるレーザ溶接装置。
10. 前記不良判定部は、前記接合面の溶融領域から発生する溶接光を検出する溶接光検出部と、溶接光の検出信号に基づいて溶接不良の発生を判定する信号処理部と、を含む請求項９に記載のレーザ溶接装置。
11. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法を行う請求項９または１０に記載のレーザ溶接装置。

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