JP4924771B2 - レーザ溶接方法及びそれを含む電池の製造方法 - Google Patents

レーザ溶接方法及びそれを含む電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ溶接方法及びそれを含む電池の製造方法に関し、特に、銅部材等、表面におけるレーザ反射率の大きい部材に対するレーザ溶接技術に関する。
従来、二つの金属部材をレーザ溶接により接合する技術が製造分野で広く用いられている。
特に、ＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接は、大気雰囲気下でも使用可能なため、真空雰囲気下で行われる電子ビーム溶接（ＥＢＷ）等、他の溶接技術に比べ、設備コスト面、制御面等で非常に有利であり、量産工程に積極的に取り入れられる傾向にある。
しかし、表面でのレーザ反射率が大きい金属部材（銅部材等）に対するレーザ溶接では、部材表面でレーザ光が反射して十分な入熱が与えられず、溶接箇所に所望の溶け込み深さが得られないため、実用化が満足に成されていないのが現状であった。
また、銅部材に対する吸収率が良いグリーンレーザを用いたレーザ加工装置が存在する。その一方で、一般的に流通しているグリーンレーザを用いたレーザ加工装置は低出力のものしかなく、薄物に対する溶接、加工等に適用範囲が限られるため実用化は非現実的であった。
リチウムイオン二次電池等の二次電池を製造する工程においては、組み立て工程の効率を考慮して、銅部材からなる二つの部材が溶接により接合される箇所がある（例えば負極リードと負極端子との接合箇所）。
しかし、上述のように、一般的なレーザ加工装置を用いた場合、銅部材からの反射が大きいことにより、又は出力が低いことにより十分な入熱を与えられないため、所望の溶け込み深さが得られないという課題がある。
係る課題を解決する手段の一つとして、高出力のレーザ加工装置を用いる方法がある。しかし、スパッタ、スス等が発生する、若しくは溶接箇所が貫通する等の不具合が起こり易く、溶接性が安定しないという別の問題がある。
さらに、高出力のレーザ加工装置を用いた場合、溶接箇所以外への入熱が必要以上に大きくなり、溶接箇所周囲に配置される他の部材の熱破損を招く恐れがある。
また、特許文献１には、サンドペーパー、研磨剤、ブラスト処理、若しくは化学エッチングを用いて、溶接面を事前に粗面化し、表面での反射率を低減する技術が開示されている。
しかし、特許文献１に記載の粗面化手法では、大まかな部分に対する粗面化精度は良好であるが、段差、凹凸面等の形状変化を有する微小部位への均一な粗面化は困難であり、表面状態にバラツキが生じ易い。また、上記の粗面化手法では、粗し加工時のマスキングや加工後の洗浄が必要となり、工程が煩雑になるという課題が残り量産工程に採用し難い。
特に、溶接時に高出力レーザを用いる場合には、溶接箇所の表面状態、製品状態（例えば形状、組み付け精度）等のバラツキの影響を受け易いため、レーザ溶接時の入熱が不安定となり、溶接欠陥が発生し易くなる。
以上のように、従来のレーザ溶接方法では、表面でのレーザ反射率が大きい部材に対して均一な溶接を実現することが困難であった。
特開２００３−２６３９７７号公報
本発明は、表面でのレーザ反射率が大きい部材に対して均一な溶接を実現することが可能なレーザ溶接方法及びそれを含む電池の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の第一態様であるレーザ溶接方法は、レーザ溶接により、第一部材と第二部材とを接合するレーザ溶接方法であって、前記第一部材と第二部材との溶接部の表面に対して、第一レーザ加工装置によりレーザ光を照射することで粗し加工を施して、当該表面を粗面化し、前記粗面化された溶接部に対して、第二レーザ加工装置によりレーザ光を照射することで前記溶接部を溶融して、前記第一部材と第二部材とをレーザ溶接する。
前記第一部材及び第二部材は、前記第二レーザ加工装置により照射されるレーザ光の表面での反射率が高い高反射率部材であることが好ましい。
前記第二レーザ加工装置によるレーザ溶接は、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。
本発明の第二態様である電池の製造方法は、前記第一部材及び第二部材を構成要素として含む電池を製造する方法であって、前記第一態様に係るレーザ溶接方法を用いて前記第一部材と第二部材とを接合する。
前記電池の製造方法において、前記第一部材又は第二部材は、前記溶接部にリベット状の部材をかしめた部位を有する場合にも良好に適用可能である。つまり、溶接対象が高反射率部材であり、変形している微小な場合にも良好なレーザ溶接を実現できる。
本発明によれば、表面でのレーザ反射率が大きい部材に対して均一な溶接を実現できる。
電池を示す模式図である。 レーザ溶接の対象となる電池の溶接部を示す断面図である。 溶接部を示す平面図である。 レーザ溶接工程を示すフローである。 レーザ溶接工程を示す図である。 溶接部を示す拡大図である。
１０ 電池
２０ 負極端子（第一部材）
２１ 負極リード（第二部材）
２２ リベット部
３０ 溶接部
３１ 溶接箇所
３２ レーザマーカ
以下では、図面を参照して、本発明に係るレーザ溶接方法の実施の一形態であるレーザ溶接工程Ｓ１について説明する。レーザ溶接工程Ｓ１では、電池１０の負極を構成する負極端子２０と負極リード２１とがレーザ溶接される。
以下に、レーザ溶接工程Ｓ１における溶接対象である電池１０の概略構成について説明する。
電池１０は、リチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、外装１１の内部に発電要素１２を収容してなる。外装１１は、箱体からなる容器部１３と、容器部１３の開口面を塞ぐ蓋部１４とを有する。蓋部１４は二つの開口１４ａ・１４ａを有し、これらの開口１４ａ・１４ａから正極端子１５、負極端子２０がそれぞれ外方へ突出される。
負極端子２０は、銅製の外部端子であり、集電端子である負極リード２１を介して発電要素１２と電気的に接続される。
より詳細には、図２及び図３に示すように、負極端子２０と負極リード２１とは、負極リード２１の先端に設けられるリベット部２２を、シール部材２３、絶縁部材２４等を介して蓋部１４の開口１４ａにかしめた状態でレーザ溶接され、負極端子２０と負極リード２１との接続部には四箇所の溶接部３０・３０・３０・３０が形成される。
なお、品質管理等の観点から溶接部３０を四箇所設けているが、これに限定されるものではない。
負極リード２１は、負極端子２０と同一の材料からなる銅製の集電端子であり、発電要素１２の負極側に接続されている。
リベット部２２は、負極リード２１の端部に成形されるリベット状の部位であり、その頂部は、蓋部１４の開口１４ａの内径よりも大きい外径を有する。図２に示すように、溶接部３０において、リベット部２２は、負極端子２０の頂部（最も高い部位）より上方に突出している。
シール部材２３は、樹脂製の部材であり、負極リード２１と蓋部１４とをシールし、外装１１内を密閉する。
絶縁部材２４は、樹脂製の部材であり、負極リード２１と蓋部１４とを絶縁し、負極リード２１から蓋部１４への電気伝導を防止する。
以上のように、本実施形態のレーザ溶接工程Ｓ１は、電池１０における、銅製の負極端子２０と、銅製の負極リード２１のリベット部２２とをレーザ溶接するものである。
また、図２に示すように、負極端子２０と負極リード２１のリベット部２２との溶接部３０には凹凸形状が形成され、段差が形成されることとなり、溶接形状が複雑となることに加え、リベット部２２の先端部をかしめる際に変形が加えられるため、その表面状態が不均一となっていることから、レーザ溶接時の入熱を安定させる必要がある点、並びに、十分な溶け込み深さを確保する必要がある点等、レーザ溶接に高い精度が求められる。
さらに、上述のように、負極端子２０とリベット部２２との溶接部３０近傍には、金属部材に比べて耐熱性に劣る樹脂製の部材が配置されることから、レーザ溶接の際にレーザ出力を下げる等、溶接部３０の周囲の各部材への熱影響を考慮する必要がある。
つまり、レーザ溶接工程Ｓ１は、上述のような高精度なレーザ溶接かつ熱影響に対する考慮といった要請を満足するレーザ溶接方法を提供するものである。
以下に、レーザ溶接工程Ｓ１について説明する。
図４及び図５に示すように、レーザ溶接工程Ｓ１は、粗面化処理工程Ｓ１１、溶接工程Ｓ１２等を含む。
粗面化処理工程Ｓ１１は、レーザ溶接後に溶接部３０が形成される部分の表面に対して、第一レーザ加工装置によりレーザ光を照射し、照射部位の表面を粗面化する工程である。粗面化処理工程Ｓ１１では、前記第一レーザ加工装置は、表面のレーザ反射率の高い部材（銅部材等の高反射率部材）への吸収率の良い波長を有するレーザ光（例えばグリーンレーザ）を照射する。
溶接工程Ｓ１２は、粗面化処理工程Ｓ１１にて、粗面化された溶接部３０となる部分の表面に対して、第二レーザ加工装置によりレーザ光を照射し、照射部位を溶融してレーザ溶接する工程である。前記第二レーザ加工装置は、一般的なレーザ溶接に用いられるものであり、ＹＡＧレーザを照射する。
粗面化処理工程Ｓ１１は、各溶接部３０が形成される部分（本実施形態では、図５（ａ）に示すように、四箇所の溶接箇所３１・３１・３１・３１）の表面に対して、波長５３２ｎｍのグリーンレーザを照射し、照射部位にレーザマーカ３２・３２・３２・３２を設け、溶接箇所３１・３１・３１・３１を粗面化する工程である。
溶接箇所３１は、所望の溶接部３０が形成されることを実現すべく設定される溶接箇所であり、図５に示すように、負極リード２１のリベット部２２外周の一部及びリベット部２２の外周に接する負極端子２０の一部に設定される。
なお、レーザ溶接工程Ｓ１にて設定される溶接箇所３１は、溶接部３０と同一の設定箇所や大きさ等に限定されるものではない。つまり、溶接箇所３１は、所望の溶接部３０の形成が実現できるものであれば良い。
より詳細には、図５（ｂ）に示すように、粗面化処理工程Ｓ１１では、平面視円形状に形成されるリベット部２２の外周部分及び負極端子２０における前記リベット部２２の外周部分に接する部分に設定される溶接箇所３１・３１・３１・３１に前記第一レーザ加工装置によりグリーンレーザを照射し、平面視矩形状のレーザマーカ３２・３２・３２・３２を設け、レーザ照射部分の表面に均一な粗し加工を施す。各レーザマーカ３２は、所定の深さ（例えば０．３〜０．４μｍ程度の深さ）を有する微小な凹凸を有する溝形状に形成される。
このように、レーザマーカ３２・３２・３２・３２が設けられた箇所では、銅部材の表面の光沢がなくなるため、レーザ溶接時に、銅部材等表面での反射率が大きいＹＡＧレーザを照射する第二レーザ加工装置を用いることが可能となる。
つまり、特に表面処理を施していない状態にある銅部材等の高反射率部材に対してＹＡＧレーザを照射すると、照射したレーザ光の多くが部材表面で反射されて部材内への吸収率が低くなるため、良好な溶接を実現することが困難であるが、溶接箇所３１・３１・３１・３１にレーザマーカ３２・３２・３２・３２を設けて表面の光沢を除去することで、ＹＡＧレーザを照射する第二レーザ加工装置からのレーザ光の溶接箇所３１・３１・３１・３１における部材内への吸収率を向上して、良好な溶接を実現することが可能となる。
なお、「高反射率部材」とは、表面処理を施していない状態の表面にＹＡＧレーザを照射すると、照射したレーザ光の多くが反射されて部材内への吸収率が低くなるため、良好な溶接を実現することが困難である部材をいう。
また、粗面化処理工程Ｓ１１で用いる第一レーザ加工装置は、適宜の制御装置によりレーザ光の照射部位、照射時間等を制御されており、予め設定された溶接箇所３１・３１・３１・３１に対して所望の面積（例えば、図５（ｂ）に示すように溶接箇所３１より大きい領域）、及び所望の深さを有するレーザマーカ３２・３２・３２・３２を形成可能である。
このように、高精度に制御可能なグリーンレーザを用いて、各溶接箇所３１にレーザマーカ３２を設けるので、電池１０の製造工程等の量産工程に容易に組み込むことが可能である。
溶接工程Ｓ１２は、粗面化処理工程Ｓ１１にてレーザマーカ３２が設けられた各溶接箇所３１に対して、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを照射し、負極端子２０と負極リード２１のリベット部２２との表面を溶融し、負極端子２０と負極リード２１とをレーザ溶接し、溶接部３０・３０・３０・３０を形成する工程である。
より詳細には、図５（ｃ）に示すように、溶接工程Ｓ１２では、リベット部２２及び負極端子２０にかけて設けられたレーザマーカ３２・３２・３２・３２に対して、前記第二のレーザ加工装置によりＹＡＧレーザを照射し、溶接箇所３１・３１・３１・３１を溶融して、負極端子２０とリベット部２２とをレーザ溶接する。
上述のように、レーザマーカ３２が設けられた各溶接箇所３１は、銅部材特有の表面の光沢が失われているとともに、レーザマーカ３２に形成される微小な凹凸形状によって表面積が増加している。このため、各溶接箇所３１において、第二レーザ加工装置により照射されるＹＡＧレーザの吸収率が向上する。つまり、銅部材により構成される各溶接箇所３１においても、レーザ入熱時の溶け込みを深くすることができ、十分な溶け込み深さと溶接面積を確保できる。
これに加えて、各溶接箇所３１の表面には、レーザマーカ３２によって均一に粗し加工が施され、表面状態にバラツキがなくなっているため、各溶接箇所３１へのレーザ入熱を安定させることができる。
以上のようにレーザ溶接工程Ｓ１によれば、表面でのレーザ反射率が大きい（特に、第二レーザ加工装置に対する反射率が大きい）銅部材からなる負極端子２０と、同じく銅部材からなる負極リード２１のリベット部２２との各溶接箇所３１に対して均一な溶接を実現でき、ブローホール、クラック等の溶接欠陥を防止できる。
また、上記と同様の理由により、リベット部２２のかしめ部分の製造バラツキ（表面形状、かしめ隙間等）、及び表面状態のバラツキに対するロバスト性を向上できる。
さらに、溶接工程Ｓ１２に用いる第二レーザ加工装置の出力を低く抑えることができるので、溶接箇所３１の周囲の部材への影響を抑制できる。
また、溶接工程Ｓ１２において、ＹＡＧレーザを照射する第二レーザ加工装置は、アシストガスとして酸素ガスを噴霧し、酸素雰囲気下でレーザ溶接が行われる。
これにより、溶融時に急激な酸化反応が起き、発熱反応により溶け込みが促進される。
従って、溶接工程Ｓ１２における溶接性を向上できる。
さらに、粗面化処理工程Ｓ１１にて各レーザマーカ３２を設ける際に、レーザマーカ３２の表面及びその溝の内部には、微細な粉塵が残留している。
上述のように、溶接工程Ｓ１２において、酸素雰囲気下にてレーザ溶接を施すことによって、レーザマーカ３２に残留する微粉塵が燃焼し（いわゆる粉塵爆発が発生し）、レーザ溶接に際する燃焼を活性化して溶接を促進する。従って、各溶接箇所３１における良好な溶け込み及び十分な溶接面積が得られる。
以上のように、レーザ溶接工程Ｓ１の溶接対象の一側をなす負極リード２１のリベット部２２は、高反射率部材からなり、かつ、その先端部をかしめる際に変形が加えられている微小部位である。そのため、従来のレーザ溶接方法では、上述のように部材表面での反射が大きく、変形によって表面状態が不安定となっており、さらに微小な部位として形成される溶接箇所に対する溶接は不可能であった。
しかしながら、レーザ溶接工程Ｓ１は、粗面化処理工程Ｓ１１にて表面を粗面化する第一の溶接工程と、溶接工程Ｓ１２にて粗面化された表面に対して溶接を行う第二の溶接工程との二段階の溶接工程を含むことにより、従来のレーザ溶接方法では成しえなかった溶接を実現することができる。また、上記のように形成される溶接箇所を溶接する必要のある、負極端子２０及び負極リード２１などの構成要素を含む電池１０を製造する工程に良好に適用可能である。
また、図６に示すように、溶接工程Ｓ１２では、溶接箇所３１における薄肉部である、リベット部２２の端部に形成される隅肉部２５に対して、外側から内側に向けて３０〜４５°の角度を付けてレーザ光を照射することが好ましい。
これにより、レーザ溶接時に、隅肉部２５が効率的にレーザ光を吸収するので、レーザ出力を抑えることができるとともに、溶接安定性を向上できる。
なお、粗面化処理工程Ｓ１１では、レーザマーカ３２を平面視矩形状に形成し、その形成面積を溶接箇所３１の面積よりも大きくしたが、これに限定されることはない。例えば、レーザマーカ３２の形成面積を溶接箇所３１よりも小さくしても良く、係る場合においても、レーザマーカ３２が設けられた領域内では十分に溶融し溶接することが可能であり、その近傍箇所についても熱伝導により十分な入熱が実現される。
また、本実施形態では、リチウムイオン二次電池である電池１０の負極側のレーザ溶接について説明したが、同様に表面でのレーザ反射率の高い部材に対する溶接に用いることができる。例えば、電子部品等に利用される銅線を接合する際にレーザ溶接工程Ｓ１を適用でき、係る場合、はんだ接合の代替として使用できる。
本発明は、表面に形状変化を有する部材へのレーザ溶接工程に利用でき、特に、部材表面でのレーザ光の反射率が大きい部材をレーザ溶接する技術に適している。

Claims (2)

  1. 銅製の外部端子と銅製の集電端子とを構成要素として含む電池を製造する方法であって、
    レーザ溶接により、前記外部端子と集電端子とを接合するレーザ溶接工程を含み、
    前記レーザ溶接工程では、
    前記外部端子と集電端子との溶接部の表面に対して、波長５３２ｎｍのグリーンレーザによりレーザ光を照射することで粗し加工を施して、当該表面を粗面化し、
    前記粗面化された溶接部に対して、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザによりレーザ光を照射することで前記溶接部を溶融して、前記外部端子と集電端子とをレーザ溶接するとともに、
    前記溶接部は、リベットをかしめることによって形成されるリベット部を有し、前記ＹＡＧレーザによる加工時に、前記リベット部の端部に形成される隅肉部に対して、外側から内側に向けて３０°〜４５°の角度を付けてレーザ照射する電池の製造方法。
  2. 前記ＹＡＧレーザによるレーザ溶接は、酸素雰囲気下で行う請求項１に記載の電池の製造方法。
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