JP6735898B2

JP6735898B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP6735898B2
Application number: JP2019501367A
Authority: JP
Inventors: 稔大島添
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: EP3587024A1; WO2018155477A1; US11491579B2; EP3587024A4; KR102444098B1; CN110234460B; CN110234460A; KR20190121756A; US20200030912A1; JPWO2018155477A1

Description

本発明は、複数のワークを重ねた状態でワークにレーザビームを照射することによりワークを溶接するレーザ溶接方法に関する。

例えば、図５および図６に示すように、燃料電池セルにおいて、互いに重ねられるアノードセパレータ（第１ワーク）１１とカソードセパレータ（第２ワーク）１２の外周部およびマニホールド１３周りをレーザ溶接（このレーザ溶接による溶接部を符号Ｌ_１で示す）することで、溶接シール部（溶接シールライン）１４を形成する技術が知られている。図５の平面図では、溶接シール部１４を点線で示し、ガスケット１５によるゴムシール部（ゴムシールライン）１６を実線で示している。また、図６の断面図で、符号１７は水素流路、符号１８は酸素流路、符号１９は冷却水流路をそれぞれ示している。

特開２００９−１８３９７０号公報

また、図７および図８に示すように、一対のセパレータ（第１および第２ワーク）１１，１２をレーザ溶接することで溶接シール部１４を形成するとともに、このレーザ溶接した一対のセパレータ１１，１２に対し付属部品（第３ワーク）２０を同じくレーザ溶接（このレーザ溶接による溶接部を符号Ｌ_２で示す）にて接合する技術が知られている。付属部品２０として図７および図８では電圧監視用の部品を描いているが、部品の種類は特に限定されず、例えば図９に示すようなセパレータ間の位置決め用の部品などであっても良い。

このように一対のセパレータ１１，１２をレーザ溶接することで溶接シール部１４を形成するとともに、レーザ溶接した一対のセパレータ１１，１２に対し付属部品２０を同じくレーザ溶接にて接合する場合、後者のセパレータ１１，１２と付属部品２０の溶接部Ｌ_２は、３部品１１，１２，２０による総厚ｔ_２が増すため（一対のセパレータ１１，１２による厚みをｔ_１として、ｔ_１＜ｔ_２）、一対のセパレータ１１，１２間の溶接部Ｌ_１よりも高いエネルギー密度（入熱量）で溶接を行う必要がある。セパレータ１１，１２と付属部品２０の溶接部Ｌ_２は、品質を安定させるべく３部品１１，１２，２０を貫通溶接するのが好ましく、但し、３部品１１，１２，２０に穴開き等は生じないことが望ましい。

上記したように一対のセパレータ１１，１２をレーザ溶接することで溶接シール部１４を形成するとともに、レーザ溶接した一対のセパレータ１１，１２に対し付属部品２０を同じくレーザ溶接にて接合する手法としては、異なる出力のレーザ照射装置を複数用意して、一対のセパレータ１１，１２を溶接する工程と、一対のセパレータ１１，１２と付属部品２０を溶接する工程とを別工程として順次行う手法がある。

これは例えば、５００Ｗ小出力の照射装置と７５０Ｗ大出力の照射装置（何れも図示せず）を用意し、先ず図１０（Ａ）に示すように、５００Ｗ小出力の照射装置を用いて一対のセパレータ１１，１２を溶接部Ｌ_１にて溶接し、次いで図１０（Ｂ）に示すように、７５０Ｗ大出力の照射装置を用いて一対のセパレータ１１，１２と付属部品２０を溶接部Ｌ_２にて溶接すると云う手法である。

しかしながらこの手法では、工数増、設備費用大となるため、コスト増大につながる不都合がある。

また、付属部品２０の溶接を別工程にしない方法として、一対のセパレータ１１，１２の溶接と、一対のセパレータ１１，１２と付属部品２０の溶接とを同じレーザ照射装置を用いて同一工程内で行い、後者の一対のセパレータ１１，１２と付属部品２０を溶接する際、付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザ照射することで板厚増分のエネルギー密度を加えれば、３部品１１，１２，２０を貫通溶接することが可能とされる。

ここに付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザ照射するとは例えば図１１に示すように付属部品２０の溶接部Ｌ_２において、Ａ点からＢ点に至る一定の溶接ラインに沿ってレーザを照射する際に、Ａ点を照射の始端部とし、Ａ点からＢ点まで照射し（矢印ａ）、引きつづきＢ点で折り返してＢ点からＡ点まで照射し（矢印ｂ）、Ａ点を照射の終端部にすることを云い、実質的に一定の溶接ラインに沿って２回（１往復）の照射が行なわれることになる。

しかしながらこの場合、レーザ照射の始端部（開始部）と終端部（末端部）ではそれぞれ、機械制御での都合等で、エネルギー密度（入熱量）が他の部分に比べて高い状態となることが多く、よって溶け込み量が多い状態となる。そのため図示したように、照射の始端部と終端部が平面上重なって同じ位置（Ａ点）に設定されると、照射されるエネルギー密度が非常に高い状態となり、その結果として、穴開き等の不具合が発生する虞がある。

本発明は以上の点に鑑みて、複数回に亙るレーザ照射で照射エネルギー密度が非常に高い状態となることがなく、よってワークに穴開き等の不具合が発生することがないレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のレーザ溶接方法は、複数のワークを重ねた状態で前記ワークにレーザビームを照射することにより前記ワークを溶接するレーザ溶接方法において、一定の溶接ラインに沿って複数回レーザビームを照射するに際して、照射の端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とする。

また、本発明のレーザ溶接方法は、複数のワークを重ねた状態で前記ワークにレーザビームを照射することにより前記ワークを溶接するレーザ溶接方法において、一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射するに際して、照射の始端部と終端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とする。

実施の態様としては、第１ワークと第２ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第１照射と、前記第１照射で溶接した第１および第２ワークに対し第３ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第２照射とを同じ照射設備を用いて同一工程内で行い、前記第２照射を行うに際して、一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射し、このとき照射の始端部と終端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とする。

また、本発明のレーザ溶接方法は、複数のワークを重ねた状態で前記ワークにレーザビームを照射することにより前記ワークを溶接するレーザ溶接方法において、一定の溶接ラインに沿って複数回、同じ方向にレーザビームを照射するに際して、照射の始端部同士または／および終端部同士で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とする。

実施の態様としては、第１ワークと第２ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第１照射と、前記第１照射で溶接した第１および第２ワークに対し第３ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第２照射とを同じ照射設備を用いて同一工程内で行い、前記第２照射を行うに際して、一定の溶接ラインに沿って複数回、同じ方向にレーザビームを照射し、このとき照射の始端部同士または／および終端部同士で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とする。

また、前記第１および第２ワークは、燃料電池用セパレータであり、前記第３ワークは、前記燃料電池用セパレータに付設する付属部品であることを特徴とする。

本発明においては、一定の溶接ラインに沿って複数回レーザビームを照射するに際して、照射の端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたため、照射の端部で照射エネルギー密度が非常に高い状態となることがない。したがって複数回に亙るレーザ照射で照射エネルギー密度が非常に高い状態となってワークに穴開き等の不具合が発生するのを防止することができる。

本発明の実施例に係るレーザ溶接方法でワークとする燃料電池構成要素の一例を示す平面図同レーザ溶接方法の工程説明図同レーザ溶接方法におけるレーザ照射位置の説明図本発明の他の実施例に係るレーザ溶接方法におけるレーザ照射位置の説明図従来例に係るレーザ溶接方法でワークとする燃料電池セルの一例を示す平面図同燃料電池セルの要部断面図であって図５におけるＤ−Ｄ線拡大断面図従来例に係るレーザ溶接方法でワークとする燃料電池構成要素の一例を示す平面図同燃料電池構成要素の要部断面図であって図７におけるＥ−Ｅ線拡大断面図従来例に係るレーザ溶接方法でワークとする燃料電池構成要素の他の例を示す平面図従来例に係るレーザ溶接方法の工程説明図他の従来例に係るレーザ溶接方法におけるレーザ照射位置の説明図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）アノードセパレータとカソードセパレータを溶接することでシールライン部を形成した溶接セパレータに別体部品（付属部品）を溶接にて接合する。シールライン部の溶接と別体部品の溶接を同一工程（同一設備）にて実施し、別体部品をセパレータに溶接する際に複数回、同じ溶接ラインでレーザ照射する。複数回、同じ溶接ラインでレーザ照射する際に、溶接開始部および末端部の溶接ラインをずらした構成。
（２）シールライン部の溶接と別体部品の溶接を同一行程（同一設備）にて実施する場合において、別体部品をセパレータに溶接する際に、複数回、同じ溶接ラインでレーザ照射する場合に、レーザ照射の開始部および末端部の溶接ラインを重ならないようにずらす。これにより、開始部および末端部に照射されるエネルギー密度（入熱量）が過度になることを避け、穴開き等の不具合を対策することが可能となる。
（３）本発明によれば、シールライン部の溶接と、別体部品の溶接を同じ工程で実施することで、工数減、設備減となり、コスト低減が期待できる。溶接開始部と末端部へのエネルギー密度（入熱量）の集中を避けることで、穴開きの不具合が発生しなくなり、品質が安定する。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１および図２に示すように、当該実施例に係るレーザ溶接方法は、そのワーク（溶接対象）として一対の燃料電池用セパレータ１１，１２をレーザ溶接することで接合するものであって、すなわち互いに重ねられるアノードセパレータ（第１ワーク）１１とカソードセパレータ（第２ワーク）１２の外周部およびマニホールド１３周りをレーザ溶接（このレーザ溶接による溶接部を符号Ｌ_１で示す）することで溶接シール部（溶接シールライン）１４を形成するとともに、このレーザ溶接した一対のセパレータ１１，１２に対し付属部品（第３ワーク）２０を同じくレーザ溶接（このレーザ溶接による溶接部を符号Ｌ_２で示す）することで接合するものとされている。付属部品２０としては、電圧監視用の部品を描いているが、部品の種類は特に限定されず、例えば上記図９に示したようなセパレータ間の位置決め用の部品などであっても良い。図１の平面図では、溶接シール部１４を点線で示し、ガスケット１５によるゴムシール部（ゴムシールライン）１６を実線で示している。

また、当該実施例に係るレーザ溶接方法では、セパレータ１１，１２の溶接に対し付属部品２０の溶接を別工程にしない方法として、一対のセパレータ１１，１２の溶接と、一対のセパレータ１１，１２と付属部品２０の溶接とを同じレーザ照射装置（図示せず）を用いて同一工程内で行うものとされている。

手順は以下のとおりとされる。

＜セパレータ１１，１２の溶接＞
すなわち先ず、図２（Ａ）に示すように、一対のセパレータ１１，１２を重ね合わせ、セパレータ１１，１２にレーザビームを照射（第１照射）し、セパレータ１１，１２の溶接部Ｌ_１すなわち溶接シール部１４を形成する。

＜セパレータ１１，１２と付属部品２０の溶接＞
次いで、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、溶接した一対のセパレータ１１，１２に付属部品２０を重ね合わせ、このセパレータ１１，１２および付属部品２０にレーザビームを照射（第２照射）し、付属部品２０の溶接部Ｌ_２を形成する。このセパレータ１１，１２と付属部品２０を溶接する際には、付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザ照射する。ここに付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザ照射するとは、一定の溶接ラインに沿って２回（１往復）の照射を行うことになるが、上記したように照射の始端部と終端部が平面上重なって同じ位置に設定されると、照射されるエネルギー密度が非常に高い状態となって、穴開き等の不具合が発生することがある。

そこで、本発明実施例では、一定の溶接ラインに沿って複数回レーザビームを照射するに際して、照射の端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたものであって、具体的には、一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射するに際して、照射の始端部と終端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能とした。具体的な手順は以下のとおりとされる。

第２照射の１走査目（往動走査、図２（Ｂ））・・・・
図３（Ａ）に示すように、付属部品２０の溶接部Ｌ_２において、Ａ点からＢ点に至る一定の溶接ラインに沿ってレーザを照射する際に、Ａ点を照射の始端部とし、Ａ点からＢ点まで照射する（矢印ａ）。

第２照射の２走査目（復動走査、図２（Ｃ））・・・・
引きつづき同図に示すように、Ｂ点で折り返してＢ点からＡ点へ向けて照射するが（矢印ｂ）、Ａ点に達する手前（直前）のＡ’点（分岐部）で照射の向きを変えることで溶接ラインの分岐ラインを設定し（矢印ｃ）、Ａ点に近いがＡ点とは異なる位置のＡ’’点を照射の終端部とする。

したがってこの手順によれば、付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザ照射することができるとともに、一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射する際に、照射の始端部（Ａ点）と終端部（Ａ’’点）で照射位置をずらすことにより照射エネルギーが分散されるため、照射の始端部と終端部で照射エネルギー密度が非常に高い状態となることがない。したがって本発明所期の目的どおり、複数回に亙るレーザ照射で照射エネルギー密度が非常に高い状態となってワークに穴開き等の不具合が発生するのを防止することができる。

尚、照射の始端部および終端部のみならず、照射の折り返し部（Ｂ点）で照射エネルギー密度の高まりが懸念される場合があるとすれば、図３（Ｂ）に示すように照射の折り返し部（Ｂ点）で溶接ラインをＵ字形ないし略Ｕ字形に反転させるようにしても良い。

また、上記実施例のように一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射するのではなく、一定の溶接ラインに沿って複数回、同じ方向にレーザビームを照射することも想定されるので、この場合には、照射の始端部同士または／および終端部同士で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能とする。具体的な手順は以下のとおりとされる。

第２照射の１走査目・・・・
図４に示すように、付属部品２０の溶接部Ｌ_２において、一定の溶接ラインに沿ってレーザを照射する際に、Ａ点を照射の始端部とし、Ｂ点を照射の終端部とする（矢印ａ）。

第２照射の２走査目・・・・
引きつづき同図に示すように、２走査目の照射を行うが、このとき、Ａ点に近いがＡ点とは異なる位置のＡ’点を照射の始端部とし、Ｂ点に近いがＢ点とは異なる位置のＢ’点を照射の終端部とする（矢印ａ’）。１走査目の照射ラインと２走査目の照射ラインは、Ａ点およびＡ’点に近いがＡ点およびＡ’点とは異なる位置のＡ’’点以降で重なり、Ｂ点およびＢ’点に近いがＢ点およびＢ’点とは異なる位置のＢ’’点以降で分岐する。

したがってこの手順によれば、付属部品２０の溶接部Ｌ_２を一定の溶接ラインに沿って複数回レーザ照射することができるとともに、一定の溶接ラインに沿って複数回レーザビームを照射する際に、照射の始端部同士（Ａ点およびＡ’点）および終端部同士（Ｂ点およびＢ’点）で照射位置をずらすことにより照射エネルギーが分散されるため、照射の始端部同士および終端部同士で照射エネルギー密度が非常に高い状態となることがない。したがって本発明所期の目的どおり、複数回に亙るレーザ照射で照射エネルギー密度が非常に高い状態となってワークに穴開き等の不具合が発生するのを防止することができる。

１１，１２セパレータ（第１および第２ワーク）
１３マニホールド
１４溶接シール部
１５ガスケット
１６ゴムシール部
１７水素流路
１８酸素流路
１９冷却水流路
２０付属部品（第３ワーク）
Ｌ_１セパレータの溶接部
Ｌ_２付属部品の溶接部

Claims

複数のワークを重ねた状態で前記ワークにレーザビームを照射することにより前記ワークを溶接するレーザ溶接方法において、
一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射するに際して、照射の始端部と終端部で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
請求項２記載のレーザ溶接方法において、
第１ワークと第２ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第１照射と、前記第１照射で溶接した第１および第２ワークに対し第３ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第２照射とを同じ照射設備を用いて同一工程内で行い、
前記第２照射を行うに際して、一定の溶接ラインに沿って折り返しレーザビームを照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
複数のワークを重ねた状態で前記ワークにレーザビームを照射することにより前記ワークを溶接するレーザ溶接方法において、
一定の溶接ラインに沿って複数回、同じ方向にレーザビームを照射するに際して、照射の始端部同士または／および終端部同士で照射位置をずらすことにより照射エネルギーを分散可能としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
請求項４記載のレーザ溶接方法において、
第１ワークと第２ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第１照射と、前記第１照射で溶接した第１および第２ワークに対し第３ワークを溶接すべくレーザビームを照射する第２照射とを同じ照射設備を用いて同一工程内で行い、
前記第２照射を行うに際して、一定の溶接ラインに沿って複数回、同じ方向にレーザビームを照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
請求項３または５記載のレーザ溶接方法において、
前記第１および第２ワークは、燃料電池用セパレータであり、
前記第３ワークは、前記燃料電池用セパレータに付設する付属部品であることを特徴とするレーザ溶接方法。