JP6905670B2 - レーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶接方法に関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。かかる二次電池の中でも、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に用いられる高出力電源（例えば、車両の駆動輪に連結されたモータを駆動させる電源）として特に重要性が高まっている。

このような二次電池は、例えば、密閉された電池ケース内に電極体が収容された密閉型電池として構築される。かかる密閉型電池の電池ケースは、開口部が形成されたケース本体と、当該ケース本体の開口部を塞ぐ板状の蓋体とから構成されている。上記した構造の密閉型電池を製造する際には、まず、電極端子を構成する各部材を蓋体に組み付けると共に、ケース本体の内部に電極体を収容する。そして、ケース本体の開口部に板状の蓋体を嵌合させた後、ケース本体の開口部の周縁部と蓋体の外周縁部とをレーザーで溶接する。

レーザー溶接には、例えば特許文献１に記載のように、レーザー発振器およびガルバノスキャナを備えるレーザー溶接装置が用いられる。特許文献１には、位置ずれ補正を精度良く行うためのレーザー加工方法が記載されている。具体的には、レーザー光の照射位置について、ガルバノ原点にレーザー光を照射した加工地点を撮像装置で撮像して画像検査することで実測値を得ることが記載されている。そして、撮像装置のレーザーヘッドとのオフセット距離を補正するための補正値や、ｆθレンズの歪みを補正するための補正値を算出することが記載されている。

特開２００４−２７６１０１号公報

レーザー光を照射した加工地点には溶接痕が形成される。レーザー光の照射がパルス照射であった場合には、発振器の不安定性により、溶接痕が浅くなったり深くなったりして深度および面積が変化する。深度および面積の変化は、上記のように溶接痕を撮像装置で撮像して画像検査を行う場合には、検査精度に影響を及ぼす。そのため、従来方法においては、検査精度に向上の余地があった。

そこで本発明は、位置ずれの検査と補正を行うことを含むレーザー溶接方法において、検査精度の高い方法を提供することを目的とする。

ここで開示されるレーザー溶接方法は、レーザー溶接装置を用いてワークの表面に、中心に未溶接部が残るように円周状にレーザービームを走査して、円周状の溶接痕を形成する工程、前記円周状の溶接痕を画像検査用カメラで撮影して画像検査を行い、前記溶接痕の外周円と内周円とに基づいて前記溶接痕の中心位置を把握する工程、前記レーザー溶接装置の設定されたレーザービームの中心位置と、前記画像検査により把握した中心位置のずれ量を算出する工程、前記算出されたずれ量に基づいて、前記レーザー溶接装置のレーザービームの中心位置の補正を行う工程、および前記ワークの溶接を行なう工程、を包含する。
このような構成によれば、画像検査時に溶接痕の外周円および内周円の２つの円から円の中心を求めるため検査精度を向上させることができる。したがって、このような構成によれば、位置ずれの検査と補正を行うことを含むレーザー溶接方法において、検査精度の高い方法が提供される。

本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法の各工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法に用いられるレーザー溶接装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法のレーザー走査工程で形成される溶接痕の一例の模式図である。 レーザー溶接装置の設定による円周の一例の模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態に係るレーザー溶接方法を説明する。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。加えて、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

本実施形態に係るレーザー溶接方法は、図１に示すように、レーザー溶接装置を用いてワークの表面に、中心に未溶接部が残るように円周状にレーザービームを走査して、円周状の溶接痕を形成する工程（レーザー走査工程）Ｓ１０１、当該円周状の溶接痕を画像検査用カメラで撮影して画像検査を行い、当該溶接痕の外周円と内周円とに基づいて当該溶接痕の中心位置を把握する工程（画像検査工程）Ｓ１０２、当該レーザー溶接装置の設定されたレーザービームの中心位置と、当該画像検査により把握した中心位置のずれ量を算出する工程（ずれ量算出工程）Ｓ１０３、当該算出されたずれ量に基づいて、当該レーザー溶接装置のレーザービームの中心位置の補正を行う工程（補正工程）Ｓ１０４、および当該ワークの溶接を行なう工程（溶接工程）Ｓ１０５、を包含する。

本実施形態に係るレーザー溶接方法は、レーザー発振器とガルバノスキャナと画像検査用同軸カメラを備えるレーザー溶接装置を用いて好適に実施することができる。そこで、図２に本実施形態に係るレーザー溶接方法の実施に用いられるレーザー溶接装置の構成の一例の概略を示す。
レーザー溶接装置１００は、図２に示すように、レーザー発振器１０と、ガルバノスキャナ２０とを備える。レーザー発振器１０は、光ファイバコネクタ１１によりガルバノスキャナ２０と接続されている。ガルバノスキャナ２０の内部には、コリメートレンズ３０が配置されている。ガルバノスキャナ２０は、第１の反射ミラー２１、回折光学素子（ＤＯＥ）２２、Ｚレンズ２３、Ｚレンズ駆動ユニット２４、第２の反射ミラー２５、集光レンズ２６、ガルバノスキャナユニット２７、保護ガラス２８、およびガルバノスキャナドライバ２９を備える。
また、ガルバノスキャナ２０には、ダイクロミラー４０と共に、画像検査用同軸カメラ５０が装着されている。

レーザー発振器１０よりレーザー光が出射されると、レーザー光は、光ファイバコネクタ１１を介してガルバノスキャナ２０の内部に侵入する。そして、レーザー光は、コリメートレンズ３０により、平行状態に調整される。その後、レーザー光は、ダイクロミラー４０および第１の反射ミラー２１により反射され、ＤＯＥ２２に至る。

ＤＯＥ２２は、レーザー光の照射パターンを調整することのできるものである。具体的には、ＤＯＥ２２は、入射したレーザー光を、その入射したときとは異なるパワー密度分布形状を持つレーザー光として放射することのできるものである。また、ＤＯＥ２２はスライド部に取り付けられており、スライド移動可能に構成されている。

ＤＯＥ２２により調整されたレーザー光は、Ｚレンズ２３に到達する。Ｚレンズ２３は、レーザー光の焦点ずれを補正するために使用されるものである。Ｚレンズ２３は、Ｚレンズ駆動ユニット２４により駆動されることによって移動可能に構成されている。

その後レーザー光は、第２の反射ミラー２５により反射され、集光レンズ２６を介してガルバノスキャナユニット２７に入射し、保護ガラス２８を介して、ワーク２００の表面に出射される。出射されたレーザー光により、ワーク２００の表面に溶接痕を形成することができる。この溶接痕は、ワーク２００の表面からダイクロミラー４０までレーザー光と同じ経路で、画像検査用同軸カメラ５０によって観察および撮影することができる。
また、ガルバノスキャナドライバ２９は、レーザー発振器１０、Ｚレンズ駆動ユニット２４、およびガルバノスキャナユニット２７に接続されており、内蔵されたプログラムにより、これらを制御可能に構成されている。よって、ガルバノスキャナドライバ２９により、レーザー光の出力、照射位置等を制御することができる。
このように制御が可能であることから、レーザー溶接装置１００は、自動プログラム運転が可能に構成されている。

以上説明したレーザー溶接装置１００の構成は、あくまで一例であり、レーザー溶接装置１００は、以下説明する本実施形態に係るレーザー溶接方法を実施できるものである限り、他の構成を有していてもよい。

次に、本実施形態に係るレーザー溶接方法の各工程について説明する。以下の例では、開口部が形成された密閉型電池のケース本体と、当該ケース本体の開口部を塞ぐ板状の蓋体とを溶接する場合について説明する。

まず、レーザー走査工程Ｓ１０１を行う。
レーザー走査工程Ｓ１０１では、レーザー溶接装置１００を用いてワーク２００の表面に、中心に未溶接部が残るように円周状にレーザービームを走査して、円周状の溶接痕を形成する。レーザー走査工程Ｓ１０１で形成される溶接痕の一例を図３に模式的に示す。
具体的に例えば、ワーク２００としてのケース蓋体の表面に、円周状にレーザー光を走査して、図３に示されるような円周状の溶接痕３００を形成する。このとき、レーザー光は、円周一周分を連続的に照射する。この溶接痕３００は、中心にワーク２００の表面がそのまま残る（すなわち、溶接痕が形成されていない部分が存在する）ように形成する。よって、溶接痕３００は、内周円３１０と外周円３２０とを有する。
なお、本明細書において、溶接痕とは、レーザービームの照射によりワーク表面が融解後固化して形成される痕跡のことをいい、２つの部材が接合されていることを必要としない。

次に、画像検査工程Ｓ１０２を行う。
画像検査工程Ｓ１０２では、円周状の溶接痕３００を画像検査用カメラ５０で撮影して画像検査を行い、溶接痕３００の内周円３１０と外周円３２０とに基づいて溶接痕３００の中心位置を把握する。
具体的に例えば、まず、内周円３１０の中心Ｂ（ｘ_Ｂ，ｙ_Ｂ）と外周円３２の中心Ｃ（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）とを、Ｈｏｕｇｈ（ハフ）変換等によって求める。
そして、この２つの中心（中心Ｂおよび中心Ｃ）を用いて、溶接痕３００の中心Ｄ（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ）を求める。

以下、この２つの中心（中心Ｂおよび中心Ｃ）を用いて、溶接痕３００の中心Ｄ（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ）を求める方法について説明する。
方法（１）：中心Ｂおよび中心Ｃの中点を、中点Ｄとして定める。
方法（２）：溶接痕３００の内周円３１０のフィッティング率と外周円３２０のフィッティング率をそれぞれ求めてこれらを比較し、フィッティング率の高い方の円の中心を溶接痕３００の中心Ｄ（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ）として採用する。（例えば、溶接痕３００の内周円３１０のフィッティング率が８０％、外周円３２０のフィッティング率が２０％であった場合には、フィッティング率の高い内周円３１０の中心Ｂを中心Ｄとして定める。）
方法（３）：方法（２）：溶接痕３００の内周円３１０のフィッティング率と外周円３２０のフィッティング率をそれぞれ求める。中心Ｂおよび中心Ｃを結ぶ直線を引き、直線上の点であって、フィッティング率が加味された点を中心Ｄ（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ）として採用する。（例えば、溶接痕３００の内周円３１０のフィッティング率が８０％、外周円３２０のフィッティング率が２０％であった場合には、上記の直線上の点を選ぶ際に、Ｂ×０．８＋Ｃ×０．２となるようにフィッティング率を加味する。）

ここで、円周状にレーザービームを走査する際のレーザー溶接装置１００の設定より、図４に示すように、レーザービームが描く円周の中心Ａ（ｘ_Ａ，ｙ_Ａ）と半径ｒは定まっている。この半径ｒは走査半径である。また、ビーム形状より、内周円４１０の半径ｒ１および外周円４２０の半径ｒ２も定まる。
そこで、フィッティング率を算出するには、例えば、円周状にレーザービームを走査する際にレーザー溶接装置１００に設定されている円（内周円または外周円）の半径と、カメラ５０による画像検査により求まる円（内周円または外周円）の半径との差を、円周一周分について求めるとよい。

ここで、密閉型電池の製造工程において、搬送時にワーク２００に傷が入ることがある。また、摺動、スパッタ等により発生した異物がワーク２００に付着することがある。ワーク２００の表面に傷や異物の付着等の外乱があった場合には、これらの影響により溶接痕３００の形状が不安定になり、中心Ｄの位置を決定する際に誤差が生じるおそれがある。したがって、本実施形態においては、溶接痕３００の内周円３１０のフィッティング率と外周円３２０のフィッティング率をそれぞれ求めて、フィッティング率の高い方の円に重きをおいて、中心Ｄを決定するとよい。よって、上記のうち、方法（２）および方法（３）が好ましい。
溶接痕３００が、ワーク２００の表面の傷や異物の付着等の外乱に影響を受けた場合には、特に外乱部分においてフィッティング率が低下するため、中心Ｄの位置を決定する際にフィッティング率の高い方の円に重きをおくことにより、外乱による影響を小さくすることができる。

次に、ずれ量算出工程Ｓ１０３を行う。
ずれ量算出工程Ｓ１０３では、レーザー溶接装置１００の設定されたレーザービームの中心位置と、上記の画像検査により把握した中心位置のずれ量を算出する。レーザー溶接装置１００の設定されたレーザービームの中心位置は、図４の中心Ａ（ｘ_Ａ，ｙ_Ａ）の位置であり、画像検査により把握した中心位置は、図３の中心Ｄ（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ）の位置である。よって、これらの位置を比較してずれ量を算出する。ずれ量算出工程Ｓ１０３は、例えばレーザー溶接装置１００に、当該ずれ量を算出するためのプログラムを組み込むことにより実施することができる。

次に、補正工程Ｓ１０４を行う。
補正工程Ｓ１０４では、上記の算出されたずれ量に基づいてレーザー溶接装置１００のレーザービームの中心位置の補正を行う。具体的に例えば、ガルバノスキャナドライバ２９により光軸系を制御してレーザービームの中心位置を制御し、算出されたずれ量を補正する。補正工程Ｓ１０４は、例えばレーザー溶接装置１００に当該ずれ量を補正するためのプログラムを組み込むことにより実施することができる。

次に、溶接工程Ｓ１０５を行なう。
溶接工程Ｓ１０５では、ワーク２００の溶接を行なう。具体的には、ここでは、ケース本体の開口部に、当該開口部を塞ぐように蓋体を配置し、ケース本体の開口部の周縁部と蓋体の外周縁部とをレーザーで溶接する。これにより、電池ケースを封止する。

本実施形態に係るレーザー溶接方法によれば、検査の際に、溶接痕の外周円および内周円の２つの円から円の中心を求めるため、検査精度を向上させることができる。特に、円周一周分レーザー光を連続的に照射することにより、レーザー発振器１０の出力の不安定性の影響を受け難く、安定した溶接痕を得ることができる。したがって、このような構成によれば、位置ずれの検査と補正を行うことを含むレーザー溶接方法において、検査精度の高い方法が提供される。

以下、本発明者が実際に検討した結果について説明する。
この検討では、レーザー溶接装置には、９点分岐ＤＯＥ、３Ｄガルバノスキャナ、および同軸カメラを備えるものを使用した。また、ワークとして、ケース本体とケース蓋体とからなる電池ケースを用意した。

このレーザー溶接装置を用いて、ケース蓋体に溶接痕を形成した。レーザー溶接装置のビーム径は、φ１５２μｍとした。検討例１では、レーザー光をパルス照射して「ｘ」字状の溶接痕を形成した。検討例２では、レーザー光を連続的に円周状に照射して、円形の溶接痕を形成した。なお、この溶接痕は、円全体が溶接痕として形成されており、よって円の中心にも溶接痕が形成されている。検討例３では、レーザー光を連続的に円周状に照射して、円周状の溶接痕を形成した。なお、この溶接痕は、円の中心には溶接痕が形成されていない。したがって、検討例３が、本実施形態に係るレーザー溶接方法の技術を適用した例となる。

形成した溶接痕に対し、同軸カメラを用いて画像検査を行い、溶接痕の中心を求めた。そして、溶接痕の中心の検出位置から位置精度を算出した。なお、検討例３では、中心の位置は、内周円の中心と外周円の中心の中点とした。
その結果、検討例１では検出精度は±２５μｍであり、検討例２では検出精度は±２２μｍであり、検討例３では検出精度は±１８μｍであった。このようにして、本実施形態に係るレーザー溶接方法によれば、検出精度が高いことを確認することができた。

次に、ケース蓋体に意図的に異物を載せて、レーザー光を連続的に円周状に照射して、円周状の溶接痕を形成した。なお、この溶接痕は、円の中心には溶接痕が形成されていない。また、この溶接痕では、異物の影響を受けて外周円において変形が見られた。具体的には、外周円は、異物のあった箇所において外側に向かって膨らんでいた。
形成した溶接痕に対し、同軸カメラを用いて画像検査を行い、溶接痕の中心を求めた。そして、溶接痕の中心の検出位置から位置精度を算出した。
このとき、検討例４では、中心の位置は、内周円の中心と外周円の中心の中点とした。検討例５では、中心の位置は、異物により影響を受けた外周円の検査結果を除外すべく内周円の中心を採用した。
その結果、検討例４では検出精度は±３８μｍであり、検討例５では検出精度は±２２μｍであった。よって、溶接痕の内周円のフィッティング率と外周円のフィッティング率をそれぞれ求めて、フィッティング率の高い方の円に重きをおいて、中心を決定すると精度がより向上することがわかる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ レーザー発振器
１１ 光ファイバコネクタ
２０ ガルバノスキャナ
２１ 第１の反射ミラー
２２ 回折光学素子（ＤＯＥ）
２３ Ｚレンズ
２４ Ｚレンズ駆動ユニット
２５ 第２の反射ミラー
２６ 集光レンズ
２７ ガルバノスキャナユニット
２８ 保護ガラス
２９ ガルバノスキャナドライバ
３０ コリメートレンズ
４０ ダイクロミラー
５０ 画像検査用同軸カメラ
１００ レーザー溶接装置
２００ ワーク
３００ 溶接痕
３１０ （溶接痕の）内周円
３２０ （溶接痕の）外周円
４１０ 内周円
４２０ 外周円

Claims (1)

1. レーザー溶接装置を用いてワークの表面に、中心に未溶接部が残るように円周状にレーザービームを走査して、円周状の溶接痕を形成する工程、
   前記円周状の溶接痕を画像検査用カメラで撮影して画像検査を行い、前記溶接痕の外周円と内周円とに基づいて前記溶接痕の中心位置を把握する工程、
   前記レーザー溶接装置の設定されたレーザービームの中心位置と、前記画像検査により把握した中心位置のずれ量を算出する工程、
   前記算出されたずれ量に基づいて、前記レーザー溶接装置のレーザービームの中心位置の補正を行う工程、および
   前記ワークの溶接を行なう工程、
   を包含する、レーザー溶接方法。

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