JP2022550263A - 少なくとも２つの構成部品を溶接するための溶接装置および方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの構成部品（７）を溶接するための溶接装置（１）および方法が説明される。溶接装置（１）は、超音波溶接装置（３）と、レーザ溶接装置（５）とを備え、超音波溶接装置（３）を用いて、第１のエリア（２１）で、超音波溶接によって、２つの構成部品（７）同士を溶接し、超音波溶接処理中に、レーザ溶接装置（５）を用いて、第１のエリア（２１）よりも狭く、第１のエリア（２１）の外周内に、および／または外周に隣接して配置される、第２のエリア（２３）で、レーザ溶接によって、２つの構成部品（７）同士を溶接するように構成される。この目的のために、超音波溶接装置（３）は、第１のエリア（２１）内に貫通開口（１９）を有する、超音波ソノトロード（９）および／またはアンビル（１１）を有してもよく、レーザ溶接装置（５）は、２つの構成部品（７）同士をさらにレーザ溶接によって溶接するために、レーザビーム（１７）を、貫通開口（１９）を通して、２つの構成部品（７）上の第２のエリア（２３）上に指向するように構成されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つの構成部品を溶接するための溶接装置および方法に関する。

多種多様な技術的目的のために、２つの構成部品同士をしっかりと結合することが必要な場合がある。例えば、電池セルの製造という文脈においては、優れた電気伝導性および機械的信頼性を有するために、通常、複数の薄い金属膜が、互いにおよび／または金属シートに結合される。

２つの構成部品間に、強固で機械的に高い耐荷重性のある結合を形成するために、２つの構成部品同士は、例えば一体的に接着されて、結合されてもよい。一体的に接着された結合は、例えば、２つの構成部品同士を溶接することによって、生成されてもよい。

同じ材料または異なる材料で作られた構成部品同士を溶接するために使用され得る、種々の技術が知られている。これらの技術の各々は、特定の境界条件を必要とする場合、および／または特定の利点と欠点をもたらす場合がある。

例えば、いわゆる摩擦圧接によって、構成部品同士が結合され得ることが知られている。その際、接合相手となる構成部品同士は、２つの構成部品間の境界面で擦れ合う。摩擦中に加えられる圧力、および／または摩擦中に２つの構成部品が互いに対して変位する、程度もしくは速度などの、境界条件に応じて、構成部品間に一体的に接着された結合が生じる。

摩擦圧接の特殊な形態として、いわゆる超音波溶接が知られている。超音波溶接では、溶接母材とも呼ばれる、溶接対象の複数の構成部品が、表面を有する接合相手同士として、互いに当接され、わずかな圧力下で、高周波の機械的振動によって、互いに接触運動させられる。本明細書では、ソノトロードによって振動が生成されてもよく、ソノトロードの中で、通常２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数を有する超音波振動が生成され、接合相手の少なくとも一方に伝達される。超音波溶接は、金属の接合相手を溶接するためのみならず、他の材料、特にプラスチックの接合相手を溶接するためにも利用され得る。金属の超音波溶接では、振動は、通常、接合相手同士に水平に、すなわち溶接対象の表面同士に平行に与えられ、その結果、接合相手同士が互いに擦れ合う。結合は、例えば、表面近くの接合相手同士の噛合いおよび／または組合いによる、実質的な、凹凸の先端のせん断、および／または酸化被膜の破壊の後に生じる。これは、一般に、必ずしも材料が溶融しなくても、塑性流動によって起こる。これは、特に、フィルム、薄板金属および／またはワイヤの溶接に有利となり得る。スポット溶接の他に、回転ソノトロードでシーム溶接も可能である。超音波溶接は、多くの場合、非常に短い溶接時間および高効率も特徴とされる。異なる材料が互いに結合されてもよい。溶接対象の構成部品は、周囲の材料がほとんど損傷を受けないように、通常、溶接領域においてのみ、わずかに加熱される。

レーザビーム溶接と呼ばれることもある、レーザ溶接は、別の溶接技術として知られている。レーザ溶接は、通例、摩擦圧接と同様に、追加の材料を与えることなく行われる。レーザによって放射されたレーザ照射は、光学系を用いて集光される。当接縁にある被加工物表面、すなわち溶接対象の構成部品の接合面は、光学系の集光点の至近、すなわち焦点に位置する。ほとんどの場合、構成部品表面に対する集光点の位置、すなわち上か下か、が重要な溶接パラメータであり、溶接溶け込み深さも決定する。焦点は、通常１０分の数ミリメートルの直径を有しており、その結果、使用されるレーザの出力が数キロワットという通常の出力レベルを有する場合、非常に高いエネルギー密度が生じる。レーザ出力の吸収により、例えば構成部品に使用される金属の溶融温度を超える、非常に急激な温度上昇が構成部品表面で起こり、その結果、溶融物ができる。高い冷却速度に起因して、材料に応じて、溶融物によって形成された溶接シームは非常に硬くなり、一般には、靭性を失う。

様々な用途のために、既知の溶接方法の様々な組み合わせが開発されている。

例えば、第１の溶接方法、例えば超音波溶接で形成された溶接を、別の溶接方法、例えばレーザ溶接で作られる溶接によって、後で、または前もって、局所的に強化することが提案されている。このようにして、これらの個別の溶接方法の各々で実現され得る利点は、少なくとも部分的に組み合わされてもよい。

さらに、様々な用途のために、既知の溶接方法の様々な変更が開発されている。

例えば、特許文献１には、超音波振動を利用したレーザ溶接方法が説明されている。同様の方法は、特許文献２および特許文献３に説明されている。

中国公開特許第１０７５７０８７２号明細書 中国公開特許第１０８３８１０３９号明細書 中国公開特許第１０８３２６４２９号明細書

従来の溶接技術の特性が有利な方法で組み合わせられ得る、２つの構成部品を溶接するための、溶接装置および溶接方法が必要とされる場合がある。特に、第１に、有利な電気的特性、特に低い電気抵抗値を有する２つの構成部品の結合を可能にし、第２に、構成部品同士の信頼性のある機械的結合を可能にする溶接の実現を、機器および／または費用に関して比較的少ない労力で可能にする、溶接装置および溶接方法が必要とされ得る。特に、薄い金属膜同士を溶接、および／または薄い金属膜を金属シートに溶接するのに有利に適合し、したがって、例えば電池セルの製造という文脈において有利に使用され得る、溶接装置および溶接方法に対する必要性が生じ得る。

そのような必要性は、独立請求項のうちの１つにおける主題によって満たされ得る。本発明の有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明において定義される。

本発明の第１の態様によれば、超音波溶接装置およびレーザ溶接装置を有する溶接装置が開示される。本明細書において、溶接装置は、超音波溶接装置を用いて、第１のエリアで、超音波溶接によって、少なくとも２つの構成部品同士を溶接し、超音波溶接処理中に、レーザ溶接装置を用いて、第１のエリアよりも狭く、少なくとも部分的に第１のエリアの外周内に配置される、および／または第１のエリアの外周に隣接する、第２のエリアで、レーザ溶接によって、２つの構成部品同士を溶接するように構成される。

上記第１の態様による本発明の特別な実施形態として、選択的に構成されてもよい、本発明の第２の態様によれば、超音波溶接装置およびレーザ溶接装置を有する溶接装置が提案される。超音波溶接装置は、超音波ソノトロードおよびアンビルを有する。超音波ソノトロードおよびアンビルは、互いに対向および離隔して配置され、超音波溶接中に、溶接対象の少なくとも２つの構成部品が配置される予定の、超音波ソノトロードとアンビルとの間の、作業体積を取り囲む。レーザ溶接装置は、レーザビームを放射するレーザを有する。超音波ソノトロードおよび／またはアンビルは、第１のエリア上および／または第１のエリア内に隣接する貫通開口を有する。超音波ソノトロードおよびアンビルは、超音波溶接処理中に、両側から接触面で、第１のエリア内の２つの構成部品に接触し、超音波溶接によって２つの構成部品同士を溶接するように構成される。レーザ溶接装置は、さらにレーザ溶接によって２つの構成部品同士を溶接するために、レーザビームを、貫通開口を通して、２つの構成部品上の第２のエリアに指向するように構成される。

本発明の第３の態様によれば、少なくとも２つの構成部品を溶接するための方法であって、２つの構成部品同士が、超音波溶接によって、第１のエリアで溶接され、超音波溶接処理中に、２つの構成部品同士が、第１のエリアよりも狭く、第１のエリアの外周内に配置される第２のエリアで、レーザ溶接によって溶接される、方法が開示される。

本発明の範囲を決して制限することなく、本発明の実施形態の意図および可能な特徴は、とりわけ、以下に説明される概念および発見に基づいているものとして見なされ得る。以下では、本発明の実施形態の可能な特徴および利点が、主に電池セルの製造への適用に関連して説明される。しかしながら、それによって、本発明の実施形態が他の目的にも使用され得ることを排除すべきではない。

電池セルの製造では、複数の薄い金属膜が、互いに、および／または基板として機能する金属シートに、定期的に結合されなければならない。本明細書では、金属膜は電池セル内の電極につながり、通常５μｍ～３０μｍの非常に薄い厚さを有する。通例、金属膜はアルミニウムで構成され、金属膜表面に薄い酸化アルミニウム層を有する。金属シートは、外部から接触可能な電池セルの電気接点の一部であってもよく、および／または外部から接触可能な電池セルの電気接点のようなものの１つに結合されてもよい。通常、金属シートは、金属膜よりも実質的に厚く、数１００μｍ、例えば３００μｍ～２ｍｍの厚さを有する。より低い直列抵抗を実現するために、金属シートは、銅または銅含有合金で構成されることが多い。

従来、金属膜は、レーザ溶接によって、互いに、および／または金属シートに、結合されることが多い。そこでは、配置された金属が短時間で溶融することができ、その後の凝固時に、構成部品間に強固な組合い結合が形成されるように、高出力レーザビームが、金属膜上および／または金属シート上に指向される。金属の短時間の溶融によって、高い結合強度が実現され得る。さらに、レーザ溶接部位の領域に、貫通接触が可能である。しかしながら、別な方法では、レーザ溶接中、レーザビームが金属膜同士を所望通りに互いに溶接せず、むしろ金属膜のいくつかを通過する危険が存在するため、金属膜が非常に小さな間隙で互いに離隔されていることも保証されなければならない。レーザ溶接中に溶融される金属は、その後の凝固後、周囲の金属よりも硬いことも観察されている。それにより、またはそれに関連する脆弱性のために、レーザ溶接部位に隣接する領域で破断、亀裂などが発生する可能性があり、したがって、２つの構成部品間に、電気的結合および／または機械的結合の不具合が発生する可能性がある。

レーザ溶接技術を使用する代わりとして、金属膜同士および／または金属シートは、超音波溶接によって結合されてもよい。超音波溶接によって、大面積で、電気的特性に関して非常に高品質な結合区域を実現され得、その結果、溶接部位を通る大電流伝達が可能である。しかしながら、超音波溶接によって実現され得る機械的結合強度は、通例、レーザ溶接と比較して低い。

第１にレーザ溶接によって達成可能な利点、および第２に超音波溶接によって達成可能な利点は、組み合わせられることができ、および／または最初に超音波溶接によって形成された大きい面積の溶接部位が、その後、レーザ溶接によって、１つ以上のより小さい面積の箇所で、補強され得るという点で、それぞれの溶接技術に関連する欠点が低減され得ることが既に認識されている。

本発明では、レーザ溶接および超音波溶接の２つの溶接技術は、連続して次々に実行されるのではなく、むしろ実質的に同時におよび／または時間的に重複して実行される場合には、より有利に互いに組み合わせられ得ることが発見された。

このような超音波溶接およびレーザ溶接の同時溶接を可能とするために、本発明による溶接装置に用いられる超音波溶接装置は、超音波溶接により、溶接対象の２つの構成部品を、第１のエリア内、すなわち隣接している２つの構成部品間の境界エリア上の第１の表面領域内で結合するように構成されてもよい。この目的のために、超音波ソノトロードおよびアンビルが、超音波溶接処理中に、超音波ソノトロードとアンビルとの間の作業体積内に収容された２つの構成部品を、第１のエリアの領域内で互いに対して少なくとも軽く押圧し、２つの構成部品を励振して互いに対して振動するように、超音波溶接装置の超音波ソノトロードおよびアンビルは構成されてもよい。振動は、好ましくは、相互に当接する構成部品間の境界エリアに平行な平面、および／またはソノトロードが当接する構成部品の表面に平行な平面内で励振されてもよい。

超音波ソノトロードは、その外形寸法、その振動誘発構成部品、ならびに他の機能的および／または機能に関連する特性に関して、従来の超音波ソノトロードと同じまたは同様の方法で構成されてもよい。アンビルはまた、その外形寸法ならびに他の構造的および／または機能的特性に関して、従来のアンビルと同じまたは同様の方法で構成されてもよい。

しかしながら、本明細書で説明される溶接装置に使用される超音波溶接装置は、少なくとも超音波ソノトロードおよび／またはアンビルに貫通開口が設けられている点で、従来の超音波溶接装置とは異なることが好ましい。別の言い方をすれば、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルは、不連続な固体構成部品であってもよいが、むしろ、例えば、中央に貫通孔を有してもよい。

貫通開口は、ソノトロードが溶接対象の構成部品に対して広がるエリアよりも著しく狭い断面エリアを有してもよい。例えば、貫通開口は、１０ｍｍ２未満、好ましくは２ｍｍ２未満であるが、０．１ｍｍ２を超える断面エリアを有してもよい。貫通開口の断面は、円形または長方形であってもよく、または任意の他の形状を有してもよい。特に、貫通開口は円筒形であってもよい。

本明細書の貫通開口は、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルを貫通して延びる。貫通開口は、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルの第１の表面と、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルの反対側に配置される第２の表面との間に直線状の通路を形成する。

貫通開口は、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルが、作業体積内に収容される、溶接対象の構成部品に隣接する表面に対して横方向に延びる。ここで、貫通開口は、超音波溶接装置によって溶接される第１のエリアの外周内に開口する。したがって、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルによって接触される、溶接対象の構成部品のうちの１つの接触面は、連続エリアではなく、貫通開口に隣接する部分領域を有し、その部分領域において、ソノトロードおよび／またはアンビルは、関連する構成部品の表面に接触しない。別の言い方をすれば、接触面は環状であってもよく、すなわち、接触面は、周囲に囲まれた表面に広がってもよく、接触面において、ソノトロードによって接触されない部分領域を取り囲んでもよい。接触面の外部輪郭および／または貫通開口の断面は、任意の所望の幾何学的形状、すなわち、例えば、円形、角形、特に正方形または長方形を有してもよい。

したがって、本明細書で説明された溶接装置のレーザ溶接装置は、レーザ溶接装置のレーザによって放射されたレーザビームを、溶接対象の２つの構成部品上の第２のエリアに、説明された貫通開口を通して指向するように構成されてもよい。特に、レーザ溶接は、いわゆるレーザスポット溶接を用いて実施されてもよい。第２のエリアは、ソノトロードおよび／またはアンビルによって直接接触されない部分エリア内、すなわちソノトロードによって接触される接触面内の上述の切り欠き内にある。したがって、高エネルギーレーザビームを用いて、２つの構成部品は、第２のエリアで局所的にレーザ溶接され得る。特に、超音波溶接装置が、第２のエリアを取り囲む、より広い第１のエリアで超音波溶接を同時に実行している間に、このレーザ溶接が、第２のエリアで実施されてもよい。

特定の使用構成にとって一般的な境界条件および／または２つ以上の構成部品の、形成される溶接に課される要件に応じて、超音波ソノトロードに貫通開口を設け、レーザ溶接装置のレーザビームを、この貫通開口を通して、超音波ソノトロードに指向された構成部品の表面に指向することが有利な場合がある。しかしながら、他の使用構成では、アンビルに貫通開口を設け、したがって、レーザ溶接装置のレーザビームを、アンビルを通して、超音波ソノトロードの反対側に面する、構成部品の表面に指向することが有利な場合がある。さらに他の構成では、超音波ソノトロードおよびアンビルの両方に貫通開口を設け、レーザビームを用いて、互いに反対を向く、構成部品の両方の表面にレーザ溶接部位を生成することが有利な場合がある。

原理的には、レーザ溶接装置が超音波ソノトロードまたはアンビルを通る貫通開口を介してレーザビームを指向するのではなく、むしろレーザビームが側面から溶接対象の構成部品に指向される構成も考えられる。レーザビームは、そこで、溶接対象の構成部品の平面内に、および／またはこの平面に平行もしくはわずかに傾斜した方向に指向されてもよい。

レーザビームが、貫通開口を通って超音波ソノトロードおよび／またはアンビルに指向される、最初に言及した構成では、第２のエリアは、好ましくはすべて第１のエリアの外周内に配置され、レーザビームが、側面から溶接対象の構成部品に指向される、２番目に言及した構成では、第２のエリアは、少なくとも部分的に第１のエリアの外側に配置されてもよいが、第１のエリアの外側に隣接して配置される。別の言い方をすれば、この２番目に言及した構成では、第２のエリアおよび第１のエリアはまた、少なくとも部分的に重なり合ってもよく、両方のエリアは、互いに少なくとも密接に隣接してもよい、すなわち、２つのエリア間の横方向の間隔は、最小、特に例えば２ｍｍ未満であるべきである。

本発明の一実施形態によれば、溶接装置は、超音波溶接装置およびレーザ溶接装置の同時動作を制御するための制御装置をさらに有してもよい。

別の言い方をすれば、溶接装置は、制御装置を有してもよく、制御装置を用いることによって、溶接装置の超音波溶接装置の動作および溶接装置のレーザ溶接装置の動作が、適切に、時間的に互いに協調され得る。この目的のために、制御装置は、通常、超音波溶接装置およびレーザ溶接装置と通信できなければならない。例えば、制御装置は、超音波溶接装置への電力供給とレーザ溶接装置への電力供給との両方を制御する場合がある。

本発明のさらに具体的な実施形態によれば、制御装置は、超音波溶接装置を制御することによって、超音波溶接が実行される間、レーザ溶接装置を制御することによって、レーザ溶接を実行するように構成されてもよい。

言い換えれば、制御装置は、超音波溶接装置を制御して、超音波ソノトロードを第１の期間内に振動するように励振することによって、２つの構成部品を、第１のエリアで、超音波によって溶接してもよい。さらに、制御装置は、第２の期間内にレーザ溶接装置を作動させて、２つの構成部品同士を、第２のエリア内で局所的に、レーザビームを放射することによって溶接してもよい。第１の期間および第２の期間は、超音波溶接が実行されている間にレーザ溶接が行われるように、同時にまたは少なくとも時間的に重なり合うべきである。通常、レーザ溶接が行われる第２の期間は、超音波溶接が行われる第１の期間よりも短いか、または長くても同じ長さである。したがって、超音波溶接は、例えば、レーザ溶接が行われる前に既に開始されていてもよく、および／または超音波溶接は、レーザ溶接の終了後も一時的に継続される場合がある。原理的には、第１の期間は、第２の期間の前に開始してもよく、第１の期間は、第２の期間の前に、第２の期間と同時に、または第２の期間の後に終了してもよい。代替的に、両方の期間が同時に開始してもよく、第１の期間が、第２の期間の前に、第２の期間と同時に、または第２の期間の後に終了してもよい。さらに代替的に、第２の期間が、第１の期間の前に開始してもよく、第１の期間が、第２の期間の前に、第２の期間と同時に、または第２の期間の後に終了してもよい。第１および／または第２の期間の典型的な持続時間は、数１０ｍｓ～数秒、例えば０．０５秒～１秒、好ましくは０．１秒～０．５秒の範囲である。

本明細書で説明された溶接装置を用いて、２つの構成部品の溶接が、超音波溶接によって、ならびに近接する第１および第２のエリアでのレーザ溶接によって同時に行われ得るので、後述する利点の１つ以上が実現され得る。

とりわけ、第１のエリアでは、超音波溶接で典型的であるように、大きい面積の結合区域が生成され得る。この結合区域内では、超音波溶接によって生成される、高品質の溶接結合レベルであり得、したがって、レーザ溶接のみによって生成される溶接結合で生じるよりも低い電気抵抗を有し得る、低い電気的内部抵抗が実現され得る。

さらに、少なくとも第２のエリアでは、通常レーザ溶接中に達成され得るように、超音波溶接によって生成可能な通常は結合強度よりも大きい結合強度が実現され得る。

そこでは、溶接処理全体が単一の動作で実現されてもよい。さらに、溶接処理全体が、単一の溶接装置を用いて実行されてもよい。

また、レーザ溶接および超音波溶接が同時に実施される場合、レーザ溶接に有利な境界条件が生じることが想定される。特に、溶接対象の構成部品への、レーザによるエネルギー入力によって、レーザ溶接中に短時間で生成される溶融物は、超音波溶接中に同時に生成される振動に起因して、均質化され得ることが想定される。均質化によって、例えば、溶融物内の局所的な温度勾配が低減され得、および／または溶融物内の局所的に優勢な物理的特性間の他の差が低減され得る。この均質化は、その後の凝固の後に、レーザ溶接によって生成される溶接部位に有利に影響を及ぼし得る。

さらに、レーザ溶接が超音波溶接と同時に実行されるため、レーザ溶接に用いられるレーザパワーは、レーザ溶接のみで構成部品同士が結合される場合に比べて非常に小さくなる場合が多いことが分かった。同時に行われる超音波溶接が、レーザ溶接部位にある、および／またはレーザ溶接部位に隣接する材料に特定のエネルギー入力を提供するようであり、レーザ溶接を促進する。

したがって、レーザ溶接装置は、レーザ溶接装置の一実施形態によれば、３ｋＷ未満、好ましくは１．５ｋＷ未満の出力を有するレーザ光を放射するように構成される。

このような比較的低いレーザ出力レベルは十分でもあり得、特に同時に行われる超音波溶接と連動して、実質的な質量を有する構成部品、すなわち、例えば、薄膜だけでなく金属シートの形態の構成部品同士を溶接することができる。従来、この目的のためには、通常、例えば４ｋＷ以上のレーザ出力を有するレーザが使用されなければならない。より低出力のレーザを使用することにより、レーザのコストおよびレーザのエネルギー消費のコストの両方が低減され得る。

同時または時間的に重複して実施される超音波溶接は、好ましくは、比較的低い電力レベル、例えば、１２ｋＷ未満または８ｋＷ未満、好ましくは６ｋＷ未満またはさらには４ｋＷ未満の電力レベルで実行されてもよい。したがって、２つの溶接技術、すなわち超音波溶接およびレーザ溶接は、それらが時間的に重複して実行される場合、時間的に別個に実行される場合よりも著しく低い電力レベルで動作することができる。

本発明の一実施形態によれば、レーザ溶接装置は、レーザビームを、接触面に対して斜めに傾斜して第２のエリア上に指向するように構成されてもよい。

別の言い方をすれば、レーザ溶接装置のレーザは、レーザ溶接装置から放射されたレーザビームが、第２のエリアに対して垂直ではなく、例えば、第２のエリアおよび／または第２のエリアを含む接触面に対して１°～８９°、好ましくは３０°～８５°、より好ましくは５０°～８０°の斜めの角度で当たるように、配置および配向されてもよい。

このような、レーザビームの斜めの入射は、レーザ溶接によって生成される溶接部位が、必ずしも溶接対象の構成部品の外面に対して垂直に延びるのではなく、溶接対象の構成部品の外面に対して斜めに構成部品の中へ、例えば複数の薄膜が溶接される場合には、構成部品を通って、延びるという点で有利であり得る。特定の方向に作用する機械的負荷の下では、このように斜めに配向された溶接部位は、垂直に配向された溶接部位の場合よりも、溶接された構成部品のより高い強度および／またはより強い凝集力を有し得る。特に、斜めのレーザビーム入射の場合の、溶接対象の構成部品間の結合エリアは、垂直入射の場合よりも広い場合がある。

本発明の一実施形態によれば、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルを通って延びる貫通開口は、接触面に対して斜めに配向されてもよい。

貫通開口が十分に大きい横方向寸法を有する、すなわち、例えば、貫通開口が十分に大きい直径を有する場合、原理的には、接触面に対して垂直に延在する貫通開口を用いて、レーザビームを接触面に対して斜めに通過させることも可能であり得る。しかしながら、例えば超音波ソノトロードを過度に機械的に弱めないために、可能な限り最小の横方向寸法を有する貫通開口を設けることが有利であり得る。特に、貫通開口を通って供給されるレーザビームの直径にほぼ対応するか、レーザビームの直径よりわずかに大きい横方向寸法を有する貫通開口を設けることが有利であり得る。したがって、レーザビームが接触面に対して斜めに衝突することを可能にするために、貫通開口もソノトロードおよび／またはアンビルを斜めに通過可能にすることが有利であり得る。貫通開口が、溶接対象の構成部品との接触面に対して配向される角度は、ここでは、レーザビームが第２のエリアに指向される上述の角度にほぼ対応し得る。

代替的に、レーザビームが貫通開口を通って接触面まで斜めに通過することができ、それにもかかわらず、貫通開口を有する、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルの機械的安定性が過度に低下しないように、貫通開口は、円錐状または両円錐状に構成され得る。

本発明の一実施形態によれば、超音波ソノトロードおよび／またはアンビルは、第１のエリア内に複数の貫通開口を有してもよい。この場合、レーザ溶接装置は、レーザ溶接によって、付加的に２つの構成部品同士を溶接するために、レーザビームを、複数の貫通開口の各々を通して、２つの構成部品上の複数の第２のエリアに指向するように構成されてもよい。

言い換えれば、溶接装置は、超音波溶接による構成部品の溶接に加えて、レーザ溶接によって単一の部位のみで構成部品を結合するのではなく、複数のレーザビームが構成部品上の複数の第２のエリアに指向されるという点で、むしろ複数のレーザ溶接部位を生成するように構成されてもよい。

複数のレーザ溶接部位を生成することにより、形成された溶接結合の機械的強度が高められ得る。特に、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のレーザ溶接部位が、互いに隣接する、および／または互いに離隔された、複数の第２のエリア上に形成されてもよい。

この目的のために、レーザによって放射された単一のレーザビームは、第２のエリアの各々にレーザ溶接部位を形成するために、第２のエリアの各々に連続的に指向されてもよい。例えば、レーザビームは、適切な光学系を用いて、連続的に偏向されてもよい。代替的に、単一のレーザビームは、適切な光学系を用いて、複数の部分レーザビームに細分化されてもよく、次いで、これらの部分レーザビームの各々は、複数の第２のエリアのうちの１つにレーザ溶接部位を形成するために、複数の第２のエリアのうちの１つに指向されてもよい。さらなる代替として、複数のレーザビームを生成する複数のレーザが使用され得、これらのレーザビームの各々は、複数の第２のエリアのうちの１つに指向されてもよい。

一実施形態によれば、レーザ溶接装置は、６００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満の波長を有するレーザ光を用いるレーザ溶接のための、レーザビームを放射するように構成されてもよい。これは、説明された溶接方法において、上述の範囲の波長を有するレーザ光が、レーザ溶接に使用されてもよいことを意味する。

この実施形態は、特定の構成部品および／または特定の材料で作られた構成部品は、より短い波長のレーザ光で、特に有利にレーザ溶接され得るという認識に基づいている。従来、特に金属構成部品のレーザ溶接には、通例、赤色または赤外波長領域のレーザ光、すなわち主に７００ｎｍを超える波長を有するレーザ光を有する強力なレーザが使用されてきた。しかしながら、例えば、非鉄金属、例えば銅または銅合金で作られた構成部品は、より波長の短いレーザ光で有利に溶接され得ることが認識されてきた。特に、緑色レーザ光、すなわち、約５００～６００ｎｍの波長を有するレーザ光、またはさらに短い波長の青色光、すなわち、約４００～５００ｎｍの波長を有するレーザ光は、レーザ光よって形成されたレーザ溶接部位に有益な特性を生み出し得る。特に、短波長レーザ光が、溶接対象の材料に非常に効率的に吸収され得るので、材料の急速な溶融が可能になるという有益な効果が生じ得る。とりわけ、非鉄金属が気化せずに溶融され得、その結果、溶融によって形成された溶融池のより優れた安定性をもたらし得る、という効果を急速溶融は有し得る。

一般に、レーザ溶接のために、放射されるレーザ光および／またはビーム形状に関して、異なる特性を有するレーザが使用され得る。例えば、一般的な境界条件、および形成されるレーザ溶接部位に応じて、レーザビーム、すなわちいわゆるｃｗ（連続波）レーザを連続的に放射するレーザが使用され得る。そのようなｃｗレーザは、通常、数十～数百ミリ秒、例えば０．１秒～０．５秒以内にレーザ溶接部位を形成し得る。代替的に、パルスレーザビームを放射するレーザが使用されてもよい。パルス持続時間は、用途固有とし、マイクロ秒範囲、ナノ秒範囲、ピコ秒範囲、またはさらにはフェムト秒範囲で選択され得る。

本発明の第３の態様による溶接装置に加えて説明された溶接方法は、特に、本発明の第１または第２の態様の一実施形態による溶接装置を用いて実施されてもよい。したがって、溶接装置について説明された特徴は、溶接方法にも同様に使用されてもよい。

例えば、一実施形態による溶接方法では、溶接対象の構成部品は、複数の金属膜であってもよい。

特に、電池セルの製造に必要とされるような薄い金属膜、例えばアルミニウムフィルムなどを溶接するとき、超音波溶接および同時に行われるレーザ溶接の、説明された組み合わせは、非常に有益な成果を可能にすることが想定される。

この目的のために以前に使用されたレーザ溶接単独では、複数の薄い金属膜を、同時に適切な方法で局所的に溶融させることは困難であることが判明している。特に、金属膜が、局所的に溶融されることによって溶接されるのではなく、レーザビームによって貫通される危険性が存在した。特に、純粋なレーザ溶接は、溶接される金属膜間に存在する空隙に関して影響を受けやすかった。また、レーザ溶接によって形成された溶接部位は、多くの場合、比較的劣った電気特性、特に比較的高い電気抵抗を有する。

一方、金属膜を結合するための超音波溶接の単独の使用は良好な電気的結合をもたらしたが、超音波溶接の単独の使用によって形成された機械的結合は、多くの場合、不十分であった。

本明細書で提案されている、超音波溶接および同時に実施されるレーザ溶接の組み合わせでは、金属膜同士が、超音波溶接装置によって互いに圧接され、第１のエリアで溶接され、同時に第２のエリアでは、互いに当接する金属膜が、レーザ溶接によって危険性の低い方法で互いに結合され得る。これにより、導電性が高く、それにもかかわらず機械的に耐荷重性のある、一体的に接着された結合が、金属膜間に形成され得る。

代替的な一実施形態によれば、溶接方法において、溶接対象の構成部品は、少なくとも１つの金属膜および少なくとも１つの金属シートであってもよい。

１つ以上の薄い金属膜を少なくとも１つの金属シートに溶接するこのタスクは、特に電池セルの製造中にも生じ得る。薄い金属膜は、例えば、電池セルの内部にある巻線の電極に結合されてもよく、その後、外部から接触可能な端子としても機能し得る金属シートに溶接されなければならない。電池セルの中の金属シートは、金属膜よりも何倍も大きい厚さを有する。従来のレーザ溶接では、このことは、金属シートの材料が金属膜の材料よりも溶融するのが困難または遅いという点において、問題を引き起こす可能性がある。結果として、レーザ溶接に使用されるレーザの特性に応じて、金属膜への損傷が発生する可能性、および／または不適切な溶接部位ができる可能性がある。上述の適用事例では、特に、超音波溶接および同時に行われるレーザ溶接の組み合わせによって、有利かつ信頼性の高い方法で、良好な電気的特性および良好な機械的特性の両方を有する溶接部位が形成され得ることが想定される。

一実施形態によれば、溶接方法において、少なくとも１つの金属膜および／または少なくとも１つの金属シートは、主に銅で構成されてもよい。

特に、金属膜および／または金属シートは、完全に銅または銅合金で構成されてもよい。そのような銅含有構成部品は、非常に低い直列抵抗を有する可能性があるが、従来の溶接方法で処理することは、よくても困難であることが多かった。本明細書で説明された溶接方法では、例えば、同時に行われる超音波溶接と共に短波レーザを使用することにより、複数の銅含有構成部品はまた、互いに、および／または他の金属構成部品に有利に溶接され得る。

本発明の実施形態の可能な特徴および利点は、本明細書では、本発明に従って構成される溶接装置に関して部分的に、および本発明による溶接方法に関して部分的に説明されていることに留意されたい。当業者であれば、個々の実施形態について説明された特徴は、本発明のさらなる実施形態に到達し、場合によっては、相乗効果に到達するために、他の実施形態と同様の方法で適切に移行され、適合され、および／または交換され得ることを認識するであろう。

本発明の有利な実施形態は、添付の図面を参照して、より詳細に以下に説明されるが、図面および説明のいずれも、決して限定と見なされるべきではない。

本発明の一実施形態による溶接装置の非常に概略的な図。 本発明の一実施形態による溶接装置の超音波溶接装置のソノトロードおよびアンビルの概略図。 本発明の一実施形態による溶接装置の超音波溶接装置のソノトロードおよびアンビルの断面図。 本発明の一実施形態による溶接方法で互いに溶接された、膜状構成部品の平面図。 本発明の代替的な一実施形態による溶接装置の超音波溶接装置のソノトロードおよびアンビルを通る断面図。 本発明の代替的な一実施形態による溶接方法で互いに溶接された、膜状構成部品の平面図。

図面は全体的に概略的であり、縮尺通りではない。異なる図面における同じ参照符号は、同じ特徴、または同様に作用する特徴に関する。

図１は、本発明の一実施形態による溶接装置１を示す。溶接装置１は、超音波溶接装置３およびレーザ溶接装置５を備える。超音波溶接装置３の動作、およびレーザ溶接装置５の動作は、装置内で、制御装置２５によって各々制御されてもよい。

溶接装置１は、作業体積１３内で、溶接対象の少なくとも２つの構成部品７を収容し、少なくとも２つの構成部品７同士を、超音波溶接を用いる第１のエリア２１、およびレーザ溶接を用いる第２のエリア２３の両方で同時に溶接するように内部で構成される。

図２が付加的にさらに詳細に示すように、超音波溶接装置３は、作業体積１３の互いに対向する側面に配置された、超音波ソノトロード９およびアンビル１１を有する。さらに、超音波溶接装置３は、超音波振動が２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの典型的な周波数で発生し得る、超音波発生器３３を有する。次に、超音波振動は、変換器３１およびブースター２７によって、機械的振動として超音波ソノトロード９に伝達されてもよい。ブースター２７、およびブースター２７に機械的に結合された超音波ソノトロード９は、アクチュエータ２９を用いて、作業体積１３に移動させられてもよい。このようにして、超音波ソノトロード９にある凹凸のある接触面３５は、溶接対象の複数の構成部品７（明確にするために図２には示されていない構成部品）のうちの、前記ソノトロードに面する、１つの表面に押圧されてもよい。このようにして、溶接対象の構成部品７は、超音波ソノトロード９の接触面３５とアンビル１１との間に挟まれて固定されてもよい。

本明細書で説明される超音波溶接装置３は、特に、超音波溶接装置３の超音波ソノトロード９および／または超音波溶接装置３のアンビル１１に貫通開口１９が設けられている点で、従来の超音波溶接装置とは異なり、レーザ溶接装置５のレーザ１５によって放射されたレーザビーム１７が、この貫通開口１９を通して作業体積１３内に指向され、結果として作業体積１３に収容された構成部品７に指向されてもよい。

図示された例では、貫通開口１９は超音波ソノトロード９に形成されている。超音波ソノトロード９内の貫通開口１９は、ソノトロードヘッド１０全体を貫いて、接触面３５に対して横方向に延びる。したがって、説明された例では、超音波ソノトロード９の上方に配置されたレーザ１５は、レーザ１５のレーザビーム１７を、溶接対象の上部構成部品７の上向き表面にある第２のエリア２３に、貫通開口１９を通して指向することができる。

図３は、超音波溶接装置３の超音波ソノトロード９およびアンビル１１の断面図を示す。作業体積１３には、複数の薄い金属膜３７の形態で、溶接対象の構成部品７が収容されてもよい。明確にするために、４枚の金属膜３７のみが示されているが、実際には、かなり多くの、そのような金属膜３７同士が溶接されてもよい。

図４は、溶接対象の構成部品７の平面図を示す。

溶接処理中、複数の金属膜３７は、超音波ソノトロード９の凹凸のある接触面３５によって反対側にあるアンビル１１の接触面に押圧され、その結果、互いに当接する。このとき、超音波ソノトロード９は、積み重なった金属膜３７の中に、凹凸のある接触面３５を介して機械的超音波振動を伝導し、その結果、積み重なった金属膜３７同士は、超音波溶接によって結合される。

超音波溶接中、レーザビーム１７は、超音波ソノトロード９の貫通開口１９を通ってさらに指向される。このようにして、構成部品７を結合する溶接部位３９が、超音波溶接と同時にレーザ溶接によって形成される。

超音波ソノトロード９に貫通開口１９が設けられた結果として、超音波ソノトロード９の接触面３５は、全エリアにわたってではなく、接触面３５の中心に、貫通開口１９によって設けられた切り欠きを有する。したがって、溶接処理中、超音波ソノトロード９は、超音波ソノトロード９の環状の接触面３５で、構成部品７上の広い第１のエリア２１に接触することができ、超音波溶接によって、第１のエリア２１で、複数の構成部品７を結合することができる。切り欠きの領域では、レーザビーム１７は第２のエリア２３に到達し、レーザ溶接によって、第２のエリア２３で、ほぼ点状の溶接部位３９を形成することができる。第２のエリア２３は、本明細書では第１のエリア２１よりも大幅に狭く、第１のエリア２１内に位置しており、すなわち第１のエリア２１に環状に囲まれている。

図５および図６は、超音波溶接装置３の代替的に構成された超音波ソノトロード９の断面図、および超音波ソノトロード９で溶接される構成部品７の平面図を示す。

この場合、溶接対象の構成部品７は、複数の金属膜３７、および金属膜３７よりも著しく厚い金属シート４３である。その際、金属膜３７および金属シート４３は、異なる材料で構成されてもよい。特に、金属膜３７は、例えば、アルミニウムから構成されてもよい一方で、金属シート４３は、銅または銅合金から構成されてもよい。

この例では、超音波ソノトロード９は、複数の貫通開口１９´、１９´´を有する。図示された例では、レーザビーム１７は、ビームスプリッタ４１を用いて複数の別個のレーザビーム１７´、１７´´に細分化される。レーザ溶接を用いて、複数の第２のエリア２３で複数の溶接部位３９を生成するために、レーザビーム１７´、１７´´の各々は、貫通開口１９´、１９´´のうちの１つを通って、複数の第２のエリア２３のうちの１つに指向される。

最後に、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの表現は、他の要素またはステップを排除するものではなく、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」などの表現は、複数を排除するものではないことに留意されたい。さらに、上記の例示的な実施形態のうちの１つを参照して説明された特徴またはステップは、上記の他の例示的な実施形態の他の特徴またはステップと組み合わせて使用される場合もあることに留意されたい。特許請求の範囲における参照符号は、限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 溶接装置
３ 超音波溶接装置
５ レーザ溶接装置
７ 溶接対象の構成部品
９ 超音波ソノトロード
１０ ソノトロードヘッド
１１ アンビル
１３ 作業体積
１５ レーザ
１７ レーザビーム
１９ 貫通開口
２１ 第１のエリア
２３ 第２のエリア
２５ 制御装置
２７ ブースター
２９ アクチュエータ
３１ 変換器
３３ 超音波発生器
３５ 凹凸のある接触面
３７ 金属膜
３９ 溶接部位
４１ ビームスプリッタ
４３ 金属シート

Claims (15)

1. 超音波溶接装置（３）、および
   レーザ溶接装置（５）
   を有する溶接装置（１）であって、
   前記超音波溶接装置（３）を用いて、第１のエリア（２１）で、超音波溶接によって、少なくとも２つの構成部品（７）同士を溶接し、前記超音波溶接処理中に、前記レーザ溶接装置（５）を用いて、前記第１のエリア（２１）よりも狭く、少なくとも部分的に前記第１のエリア（２１）の外周内にある、および／または前記第１のエリア（２１）の前記外周に隣接して配置される、第２のエリア（２３）で、レーザ溶接によって、前記２つの構成部品（７）同士を溶接するように構成される、溶接装置（１）。
2. 超音波溶接装置（３）、および
   レーザ溶接装置（５）を有し、
   前記超音波溶接装置（３）が、超音波ソノトロード（９）およびアンビル（１１）を有し、前記超音波ソノトロード（９）および前記アンビル（１１）は、互いに対向および離隔して配置され、超音波溶接処理中に、溶接対象の少なくとも２つの構成部品（７）が配置されることになる作業体積（１３）をそれらの間に取り囲み、
   前記レーザ溶接装置（５）が、レーザビーム（１７）を射出するレーザ（１５）を有し、
   前記超音波ソノトロード（９）および／または前記アンビル（１１）が、第１のエリア（２１）内に貫通開口（１９）を有し、
   前記超音波ソノトロード（９）および前記アンビル（１１）が、前記超音波溶接処理中に、前記第１のエリア（２１）にある前記２つの構成部品（７）と、両側から接触面で接触し、前記２つの構成部品同士を超音波溶接によって溶接するように構成され、
   前記レーザ溶接装置（５）が、さらにレーザ溶接によって、前記２つの構成部品（７）同士を溶接するために、前記レーザビーム（１７）を、前記貫通開口（１９）を通って前記２つの構成部品（７）上の第２のエリア（２３）に、指向するように構成される、請求項１に記載の溶接装置（１）。
3. 前記超音波溶接装置（３）および前記レーザ溶接装置（５）の同時動作を制御するための制御装置（２５）をさらに有する、請求項２に記載の溶接装置（１）。
4. 前記制御装置（２５）が、前記超音波溶接装置（３）を制御することによって、前記超音波溶接が実行される間、前記レーザ溶接装置（５）を制御することによって、前記レーザ溶接を実行するように構成される、請求項３に記載の溶接装置。
5. 前記レーザ溶接装置（５）が、前記レーザビーム（１７）を、前記接触面に斜めに傾斜して前記第２のエリア（２３）上に指向するように構成される、請求項２～４のいずれか一項に記載の溶接装置。
6. 前記貫通開口（１９）が、前記接触面に斜めに傾斜するように向けられている、請求項２～５のいずれか一項に記載の溶接装置。
7. 前記超音波ソノトロード（９）および／または前記アンビル（１１）が、前記第１のエリア（２１）内に複数の貫通開口（１９´、１９´´）を有し、
   前記レーザ溶接装置（５）が、前記２つの構成部品（７）同士をさらにレーザ溶接によって溶接するために、レーザビーム（１７´、１７´´）を、前記貫通開口（１９´、１９´´）の各々を通して、前記２つの構成部品（７）上の複数の第２のエリア（２３）に指向するように構成される、請求項２～６のいずれか一項に記載の溶接装置。
8. 前記レーザ溶接装置（５）が、６００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満の波長を有するレーザ光を用いる前記レーザ溶接のために、レーザビーム（１７）を射出するように構成される、請求項１～７のいずれか一項に記載の溶接装置。
9. 前記レーザ溶接装置（５）が、レーザ溶接のために、３ｋＷ未満の出力を有するレーザ光を射出するように構成される、請求項１～８のいずれか一項に記載の溶接装置。
10. 少なくとも２つの構成部品（７）同士を溶接するための方法であって、前記２つの構成部品（７）が、超音波溶接によって、第１のエリア（２１）で溶接され、前記超音波溶接処理中に、前記２つの構成部品（７）同士が、前記第１のエリア（２１）よりも狭く、前記第１のエリア（２１）の外周内に配置される第２のエリア（２３）で、レーザ溶接によって溶接される、方法。
11. 溶接対象の前記構成部品（７）が複数の金属膜（３７）である、請求項１０に記載の方法。
12. 溶接対象の前記構成部品（７）が、少なくとも１つの金属膜（３７）および少なくとも１つの金属シート（４３）である、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 少なくとも１つの金属膜（３７）および／または少なくとも１つの金属シート（４３）が主に銅で構成される、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. レーザ溶接のために、６００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満の波長を有するレーザ光が使用される、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記方法が、請求項１～９のいずれか一項に記載の溶接装置（１）によって実行される、請求項１０～１４のいずれか一項に記載の方法。

Images