JP7635254B2

JP7635254B2 - スタックされた薄片のレーザ溶接

Info

Publication number: JP7635254B2
Application number: JP2022557751A
Authority: JP
Inventors: マッティナルヒ，; ヘンリパユコスキ，
Original assignee: コアレイズオーワイ
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2025-02-25
Anticipated expiration: 2041-03-08
Also published as: US20210299785A1; TW202204075A; EP4126439A1; CN115697619A; TWI879907B; WO2021190911A1; MX2022011792A; JP2023519239A; CA3168386A1; CN115697619B; US11446764B2; KR20220156561A

Description

（優先権）
本願は、２０２０年３月２４日に出願された米国特許出願第１６／８２８，１９４号の優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

発明の技術分野
本発明は、概して、レーザ照射の集光ビームを使用した溶接に関する。本発明は、特に、集光中心ビームと集光環状ビームを使用して金属薄片のスタックを溶接することに関する。

背景分野の議論
レーザ照射のビームが、金属および合金を含む広範囲の材料製のワークピースを切断、穴あけ、溶接、マーキング、スクライビングするために、ますます使用されている。従来の機械的加工は、加工されたワークピースに応力が加えられたときに伝搬するマイクロクラックなどの不必要な欠陥を生産し、それによって、加工されたワークピースを劣化させて弱める。レーザ加工は、このような不必要な欠陥を最小限にし、より欠点がなく、より小さい熱影響ゾーンを引き起こす。レーザ加工は、集光レーザビームを使用して、不必要な欠陥の形成を最小限にする一方で、高品質のエッジおよび壁を有する精密なカットおよび穴を生産する。

レーザ溶接において、集光レーザビームは、各溶接スポットまたはシームを正確に位置決めする一方で、付随する加熱を最小限にする。２つの主要なレーザ溶接体制を区別することは、有益である。伝導溶接は、より低いレーザ出力およびより低い出力密度で発生する。吸収されるレーザ出力が、照射材料を加熱し、接合される各パーツの材料を溶解し、これは、流動し、混合し、凝固する。キーホール溶接は、照射材料の一部を蒸発させるのに十分であるより高いレーザ出力およびより高い出力密度で発生する。周囲の溶解材料上の蒸発された材料の圧力は、特徴的な狭いかつ深い形態を有する、溶解材料を通したチャネルを開放し、これは、レーザビームの深い穿通を可能にする。出来上がったキーホール溶接は、一般的に、伝導溶接より狭く、より深く、かつより高強度である。しかしながら、高温の溶解材料の動的プールにおいて安定したキーホールを維持することが難しい場合がある。

リチウムイオン電池は、携帯電子機器、電気自動車、その他のほとんどの現代の再充電可能な電気機器に不可欠な技術である。電池の各セルは、電解液に浸された薄い金属薄片の２つのスタックを含む。金属は、ほとんど多くの場合、アルミニウムまたは銅であり、薄片は、約１０マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する。それらは、各薄片スタックにおいて、典型的には、２０～４０個の個別の薄片である。薄片スタックは、円筒形に丸められ得る、または、平坦に置かれ得る。電解液は、溶媒に溶解されたリチウム塩である。各薄片スタックは、電気的接続のためにセルから突出する金属タブに電気的に接続されている。複数のセルは、電気的に接続され、電気機器の電圧および電流の要件に応じて、直列におよび／または並列に電池を形成する。複数の電池は、直列におよび／または並列に電気的に接続され、電池パックを形成し得る。

それぞれのタブへのスタック内の各薄片の機械的取り付けおよび電気的接続は、電池の完全性、信頼性、および性能のために重要である。しかしながら、複数の薄い金属薄片をかなり厚い金属タブに接合することは、特に薄片スタックおよびタブが異なる材料で作製されているとき、困難である。完成した接合部は、強く、耐久性があり、低い電気抵抗を有していなければならない。精密抵抗溶接が使用されるが、高い電気伝導率を伴うこれらの金属に関する界面抵抗に依存し、これらの金属の高い熱伝導率は、多くの電流が印加されなければならないことを意味する。超音波溶接が使用されるが、接合されるべき部品の機械的圧縮を要求し、これは、任意の組み立ての前に接合されなければならない。アルミニウムは、このような非レーザプロセスにおいて壊されなければならない耐久性のある酸化層を有する。このような理由から、レーザ溶接が好まれ、全体の熱の蓄積を最小限に抑えるために正確な送達出力を提供する。キーホールレーザ溶接は、薄片スタックとタブとの厚さ全体を通して強力な溶接を形成することが可能である。一部の電池設計は、電池内のセルを取り付けて接続するための追加の薄片ないしタブの接合部を含み、これも、キーホールレーザ溶接からの恩恵を受ける。

キーホールレーザ溶接のときの１つの問題は、蒸気圧と、蒸気流によって引き起こされる剪断応力と、蒸発に起因する反動と、溶接プール周辺の急速な材料循環との組み合わせに起因した、溶接プールからの溶融材料の噴出であり、これは、溶融材料の表面張力を克服する。「スパッタ」として知られるこの噴出された材料の液滴は、汚染を引き起こす金属表面上で再凝結する。この噴出は、完成した溶接部の上面および底面から材料がない状態にし、これによって、完成した溶接部を弱める。キーホールレーザ溶接の時の別の問題は、キーホールの形成および維持することに関与する複雑な動力学に起因した、一貫性のない穿通深度である。

クリーンかつ一貫した溶接部を生産する、金属薄片スタックを金属タブにレーザ溶接するための、急速な、簡単な、かつ信頼性の高いプロセスに関する必要性が存在する。本プロセスは、それらの間に低電気抵抗を伴う、すべての薄片スタックとタブの全厚さを通した強力な接合部を生産しなければならない。好ましくは、このプロセスは、溶接あたりのコストを増加させず、大量自動製造に適合している。

１つの側面では、本発明による複数の銅薄片を銅タブ上へレーザ溶接するための方法は、薄片をスタックに組み立て、薄片のスタックおよびタブを圧縮し、ワークピースを形成することを含む。レーザ放射の集束ビームは、溶接されるべき場所におけるワークピースの表面に指向される。集束ビームは、中心ビームおよび同心円状環状ビームを含む。環状ビームの電力は、第１の電力まで上昇させられ、溶接されるべき場所におけるワークピースの表面を少なくとも１１００ケルビン（Ｋ）まで加熱するのに十分である第１の時間にわたって持続される。中心ビームの電力は、第２の出力まで上昇させられ、溶接されるべき場所におけるワークピースの表面が１１００Ｋに到達した後に第２の電力に到達する。中心ビームの電力は、すべての薄片およびタブを溶融するのに十分である第２の時間にわたって持続され、それによって、すべての薄片およびタブを接合する溶接部を形成する。

別の側面では、本発明による複数のアルミニウム薄片をアルミニウムタブ上へレーザ溶接するための方法は、薄片をスタックに組み立て、薄片のスタックおよびタブを圧縮し、ワークピースを形成することを含む。レーザ放射の集束ビームは、溶接されるべき場所におけるワークピースの表面に指向される。集束ビームは、中心ビームおよび同心円状環状ビームを含む。環状ビームの電力は、中心ビームの電力を第２の電力まで上昇させる一方で、第１の電力まで上昇させる。環状ビームの電力は、第１の時間にわたって持続される。中心ビームの電力は、第２の時間にわたって持続され、次いで、中心ビームの電力は、下降させられる。第１の時間は、第２の時間より長い。第２の時間は、すべての薄片およびタブを溶融するのに十分な時間であり、それによって、すべての薄片およびタブを接合する溶接部を形成する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
複数の銅薄片を銅タブ上へレーザ溶接するための方法であって、前記方法は、
前記薄片をスタックに組み立て、前記薄片のスタックおよび前記タブを圧縮し、ワークピースを形成するステップと、
溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面にレーザ放射の集束ビームを指向させるステップであって、前記集束ビームは、中心ビームおよび同心円状の環状ビームを含む、ステップと、
前記環状ビームの電力を第１の電力まで上昇させるステップと、
前記溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面を少なくとも１１００ケルビンに加熱するのに十分な第１の時間にわたって、前記環状ビームの電力を持続させることステップと、
前記中心ビームの出力を第２の電力まで上昇させるステップであって、前記中心ビームは、前記溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面が１１００ケルビンに到達した後に前記第２の電力に到達する、ステップと、
すべての前記薄片および前記タブを溶融するのに十分な第２の時間にわたって前記中心ビームの電力を持続させ、それによって、すべての前記薄片および前記タブを接合する溶接部を形成するステップと
を含む、方法。
（項目２）
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、前記第１の電力に持続される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、変調される、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、第２の電力に持続される、項目１～３のいずれかに記載の方法。
（項目５）
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、変調される、項目１～３のいずれかに記載の方法。
（項目６）
前記中心ビームの電力を上昇させるステップの間、前記環状ビームの電力は、第３の電力まで下降させられる、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目７）
前記環状ビームの電力は、前記第２の時間の間、前記第３の電力に持続される、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記環状ビームの電力は、前記第２の時間の間、変調される、項目６に記載の方法。
（項目９）
前記第３の電力は、約７００ワット～約１３００ワットである、項目６～８のいずれかに記載の方法。
（項目１０）
前記第１の電力は、約１３５０ワット～約１６５０ワットである、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
前記第２の電力は、約１３００ワット～約１６００ワットである、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
前記第１の時間は、持続時間が約０．２ミリ秒～約１０ミリ秒である、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
前記第２の時間は、持続時間が約０．１ミリ秒～約５ミリ秒である、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
前記集束ビームは、８０度～９０度の入射角で前記ワークピースの表面上へ指向される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
２０～１００枚の薄片が、前記タブ上へ溶接される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
各薄片は、約５マイクロメートル～約１５マイクロメートルの厚さを有する、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
前記集束ビームを指向させるステップ、前記環状ビームの電力を上昇させるステップ、前記環状ビームの電力を持続させるステップ、前記中心ビームの電力を上昇させるステップ、および前記中心ビームの電力を持続させるステップは、複数の場所において複数の溶接部を形成するために、複数回繰り返される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
前記中心ビームは、前記ワークピースの表面上において約１００ミクロン～約４００ミクロンの直径を有し、前記環状ビームは、前記ワークピースの表面上において約３００ミクロン～約１２００ミクロンの直径を有する、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
複数のアルミニウム薄片をアルミニウムタブ上へレーザ溶接するための方法であって、前記方法は、
前記薄片を組み立て、前記薄片のスタックおよび前記タブを圧縮し、ワークを形成するステップと、
溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面にレーザ放射の集束ビームを指向させるステップであって、前記集束ビームは、中心ビームおよび同心円状環状ビームを含む、ステップと、
前記環状ビームの電力を第１の電力まで上昇させる一方で、前記中心ビームの電力を第２の電力まで上昇させるステップと、
前記環状ビームの電力を第１の時間にわたって持続させるステップと、
前記中心ビームの電力を第２の時間にわたって持続させ、次いで、前記中心ビームの電力を下降させるステップであって、前記第１の時間は、前記第２の時間より長い、ステップと
を含み、
前記第２の時間は、すべての前記薄片および前記タブを溶融するのに十分であり、それによって、すべての前記薄片および前記タブを接合する溶接部を形成する、方法。
（項目２０）
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、前記第１の電力に持続される、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、変調される、項目１９に記載の方法。
（項目２２）
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、前記第２の電力に持続される、項目１９～２１のいずれかに記載の方法。
（項目２３）
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、変調される、項目１９～２１のいずれかに記載の方法。
（項目２４）
前記第１の電力は、約１３５０ワット～約１６５０ワットである、項目１９～２３のいずれかに記載の方法。
（項目２５）
前記第２の電力は、約１４５０ワット～約１７５０ワットである、項目１９～２４のいずれかに記載の方法。
（項目２６）
前記第１の時間は、持続時間が約０．５ミリ秒～約２０ミリ秒である、項目１９～２５のいずれかに記載の方法。
（項目２７）
前記第２の時間は、持続時間が約０．１ミリ秒～約５ミリ秒である、項目１９～２６のいずれかに記載の方法。
（項目２８）
前記集束ビームは、８０度～９０度の入射角で前記ワークピースの表面に指向される、項目１９～２７のいずれかに記載の方法。
（項目２９）
２０～１００枚の薄片が、前記タブ上へ溶接される、項目１９～２８のいずれかに記載の方法。
（項目３０）
各薄片は、約５マイクロメートル～約１５マイクロメートルの厚さを有する、項目１９～２９のいずれかに記載の方法。
（項目３１）
前記集束ビームを指向させるステップ、前記環状ビームおよび前記中心ビームの電力を上昇させるステップ、前記環状ビームの電力を持続させるステップ、および前記中心ビームの電力を持続させるステップは、複数の場所において複数の溶接部を形成するために、複数回繰り返される、項目１９～３０のいずれかに記載の方法。
（項目３２）
前記中心ビームは、前記ワークピースの表面上において約１００ミクロン～約４００ミクロンの直径を有し、前記環状ビームは、前記ワークピースの表面上において約３００ミクロン～約１２００ミクロンの直径を有する、項目１９～３１のいずれかに記載の方法。

本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を模式的に示しており、上に与えられた一般的説明および下に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

図１Ａは、本発明のレーザ溶接方法を実装するためのレーザ溶接装置の１つの好ましい実施形態を、部分的に断面で模式的に示す側面図であり、装置は、少なくとも２つのレーザ放射ビームを発生させるレーザ源、光ファイバ、および集束レンズを含む。図１Ｂは、図１Ａの光ファイバの詳細を模式的に示す断面図であり、これは、中心ビームを誘導するための中心コアと、環状ビームを誘導するための環状コアとを有する。図２は、銅薄片のスタックを銅タブに溶接するために図１Ａおよび図１Ｂの装置を使用した、本発明によるレーザ溶接方法を模式的に示す、ビーム電力対時間のグラフである。図３Ａは、図２の本発明の方法を使用して作られた銅ワークピースにおける溶接部の平面図であり、図３Ｂは、その拡大平面図であり、写真は、溶接中に前面であった薄片のスタックの表面を示す。図４は、アルミニウム薄片のスタックをアルミニウムタブに溶接するための図１Ａおよび図１Ｂの装置を使用した、本発明によるレーザ溶接方法を模式的に示す、ビーム電力対時間のグラフである。図５Ａは、図４の本発明の方法を使用して作られたアルミニウムワークピースの溶接部の平面図であり、写真は、溶接中に前面であった薄片のスタックの表面を示す。図５Ｂは、図５Ａのワークピースにおける溶接部の平面図であり、写真は、溶接中に裏面であったタブの表面を示す。図６は、図４の本発明の方法を使用して作られたアルミニウムワークピースの溶接部の平面図であり、写真は、溶接中に前面であったタブの表面を示す。

発明の詳細な説明
ここで図面を参照すると、同様の構成要素が同様の数字によって指示されており、図１Ａおよび１Ｂは、本発明のレーザ溶接方法において使用される装置１０を模式的に示している。レーザ源１２が、レーザ放射の少なくとも２つのビームを光ファイバ１４を通して集束レンズ１６に送達する。光ファイバ１４は、レーザ放射の中心ビームを誘導するための中心コア４０を含む。中心コア４０は、同心円状の低屈折率クラッド４２を有する。光ファイバ１４は、レーザ放射の環状ビームを案内するための環状コア４４をさらに含む。環状コア４４は、低屈折率クラッド４２と低屈折率クラッド４６との間に同心円状に位置する。レーザ源１２は、中心ビームを中心コア４０に、環状ビームを環状コア４４に送達するように構成される。このようなレーザ光源をこのような光ファイバと統合したレーザシステムは、市販されている。例えば、カリフォルニア州サンタクララのＣｏｈｅｒｅｎｔＩｎｃ．からのＨｉｇｈｌｉｇｈｔ^ＴＭＦＬ－ＡＲＭレーザである。このレーザシステムの１つの特徴は、中心ビームおよび環状ビームの出力が独立して選択および調整できることである。

集束レンズ１６は、集束ビーム１８を形成し、集束ビーム１８は、集中する実線として描かれた集束中心ビームと、集中する破線として描かれた同心円状集束環状ビームとを備える。集束ビームは、焦点２０に向かって集中し、集束中心ビームは、同心円状集束環状ビームよりはるかに小さな直径を有する。集束ビーム１８は、一緒に溶接されるべき金属薄片のスタック２２および金属タブ２４を備えるワークピースに向けられる。スタック２２およびタブ２４は、銅、ニッケル、ニッケルめっきされた銅、アルミニウム、合金鋼、または、セルまたは電池を作るために選択された他の金属または金属合金で作られ得る。スタックおよびタブは、同じ金属で作られ得る、または、異なる金属で作られ得る。スタック２２およびタブ２４は、クランプ２６によって圧縮され、ワークピースを形成し、スタック内の個々の薄片間およびスタックとタブとの間の間隙を排除する。任意の残りの隙間は、好ましくは、個々の薄片の厚さの２０％未満であり、最も好ましくは、個々の薄片の厚さの１０％未満である。図面では、ワークピースおよびクランプは、断面において描かれている。

ワークピースは、平行移動ステージ２８によって支持され、必要に応じて移動される。焦点２０は、ワークピースの前面に近接して位置する。焦点は、ビームスキャナ３０によって、ワークピースを横断して横方向に移動され、ビームスキャナ３０は、レーザ溶接中に焦点２０の急速な移動を可能にするために音響光学偏向器または検流計作動ミラーを含み得る。ビームスキャナ３０および集束レンズ１６は、都合よく、レーザ加工ヘッド３２内へ統合され得る。例として、集束レンズ１６は、レーザ加工ヘッド３２を用いてアクセス可能なワークピースの表面全体にわたって一貫した焦点深度を維持するための平坦野対物レンズであり得る。加工ヘッド３２はまた、随意的なビームエクスパンダ（ここでは図示されず）を含み得、随意的なビームエクスパンダは、光ファイバ１４と集束レンズ１６との間に位置し、集束前に光ファイバから現れるビームを拡大およびコリメートする。溶接部３４が、集束ビーム１８に暴露されると、ワークピースを通して形成される。

図２は、複数の薄片をタブ上へ溶接するための、本発明によるレーザ溶接方法５０の好ましい一実施形態に関する、中心コアにおける電力および環状コアにおける電力対時間を模式的に示す。ここで、薄片およびタブは、銅、ニッケルめっきされた銅、または銅合金で作られている。薄片は、最初にスタックに組み立てられ、薄片のスタックは、クランプによってタブ上へ押圧される。ワークピースの前面は、集束ビーム１８に暴露され、これは、前面上の溶接されるべき場所に指向される。環状ビームの電力は、第１の電力Ｐ１まで上昇させられ、第１の時間Ｔ１の間、第１の電力Ｐ１に持続され、これは、溶接される場所におけるワークピースの表面を少なくとも１１００Ｋまで、より好ましくは１３００Ｋまで加熱するのに十分である。第１の時間Ｔ１の間、環状ビームは、ワークピースの表面を予熱する。約１３００Ｋにおける銅に関して、熱伝導率の急激な低減と、約１μｍの波長を有する放射のための光吸収の急激な増加とが存在することが知られている。この温度を通して銅を加熱することは、熱伝導率を約２分の１に低減し、近赤外線の光吸収は約３分の１に増加する。

第１の時間Ｔ１の終わりに向かって、中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２まで上昇させられ、第２の時間Ｔ２の間、第２の電力Ｐ２に持続され、これは、すべてのスタックの薄片２２およびタブ２４を溶融するのに十分である。中心ビームによるこの溶融は、スタックの薄片２２およびタブ２４のすべてを接合する溶接部３４を形成する。集束中心ビームは、好ましくは、すべての薄片およびタブを貫通する溶融材料においてキーホールを形成する。環状ビームの電力は、第３の電力Ｐ３まで下降させられる一方で、中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２まで上昇させられる。第３の電力Ｐ３は、キーホールの口を広く開け続け、キーホールから金属蒸気を逃がすことを可能にし、スパッタの形成を最小限にするのに十分なように、選択される。第２の時間Ｔ２の間、中心ビームの電力は、好ましくは、すべての薄片およびタブを溶融するのに必要とされる最小電力に限定され、環状ビームの電力は、好ましくは、スパッタを防止するのに必要とされる最小電力に限定される。ワークピースに印加される総電力を最小限にすることは、完成した溶接部の周囲の熱影響ゾーンを低減し、溶接されたワークピースにおける任意の不要な欠陥の形成を防止する。

図３Ａは、図２の方法５０を使用して溶接された例示的なワークピースの平面図写真である。図３Ｂは、同一の溶接されたワークピースの高倍率の平面図写真である。本ワークピースは、ニッケルめっきされた銅タブ上へ押圧された２５枚の銅薄片のスタックであった。各薄片は、６μｍの厚さを有し、タブは、３００μｍの厚さを有していた。

図１Ａおよび１Ｂを参照すると、レーザ源１２は、Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ^ＴＭＦＬ８０００－ＡＲＭレーザであり、１０７０ナノメートルの波長で光ファイバ１４の各コアを通して最大４ｋＷの電力を独立して提供するものであった。中心コア４０は、１００μｍの直径を有し、環状コア４４は、２９０μｍの外径を有していた。レーザ加工ヘッド３２は、ドイツ、プフハイムのＳＣＡＮＬＡＢＧｍｂＨから入手可能なＳＣＡＮＬＡＢｉｎｔｅｌｌｉＳＣＡＮ３０スキャンヘッドであった。集束レンズ１６は、１．４倍の倍率を提供し、その結果、集束中心ビームは、約１４０μｍの直径を有し、集束環状ビームは、約４０５μｍの外径を有していた。窒素シールドガスが、溶接中に、ワークピース上の溶接されるべき場所に指向された。集束ビーム１８は、図面に描かれているように、ほぼ垂直の入射角（９０^ｏ）でスタックの表面に印加された。８０^ｏ～９０^ｏの間の入射角が有益であることが分かった。クランプ２６は、単一の金属ブロックから機械加工され、溶接されるべき場所の周囲でワークピース上へ押圧された。集束ビーム１８は、クランプにおける切り欠きを通してワークピース上へ指向された。

図３Ａおよび図３Ｂは、スタックの表面を示し、これは、集束ビームに暴露されるワークピースの前面であり、従って、キーホール溶接中の入射面であった。ワークピースは、２つのジグザグ状列に沿って４２箇所で溶接された。図示される実施例では、列は、列に沿って連続的場所に集光ビームを指向することによって、順次溶接された。各位置において、電力は、図２に描かれているように環状コアおよび中心コアを通して印加され、溶接部を作成した。ここで、第１の電力Ｐ１＝１５００ワット（Ｗ）、第２の電力Ｐ２＝１４５０Ｗ、第３の電力Ｐ３＝１０００Ｗ、第１の時間Ｔ１＝１ミリ秒（ｍｓ）、第２の時間Ｔ２＝１ｍｓである。

ここで、「オフ電力」とは、集束ビームへの長期暴露中、ワークピースの表面を溶融するには低すぎ、かつ、ワークピースを損傷させるには低すぎる電力を指す。本実施例におけるオフ電力は、０Ｗである。環状ビームの電力は、オフ電力から第１の電力Ｐ１まで約３ｍｓかけて上昇させられた。中心ビームの電力は、オフ電力から第２の電力Ｐ２まで約１ｍｓで上昇させられた一方で、環状ビームの電力は、第１の電力Ｐ１から第３の電力Ｐ３まで同時に下降させられた。中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２からオフ電力まで下降させられ、環状ビームの電力は、第３の電力Ｐ３からオフ電力まで約１ｍｓかけて同時に下降させられた。電力は、各位置において約７ｍｓの合計時間にわたって印加され、４２個の溶接を完了するために約０．５４秒の全体時間を要した。この全体時間は、集束ビームを場所間で平行移動させるために要した時間を含む。

第１の時間Ｔ１中に集束環状ビームによって提供される予熱は、集束中心ビームが提供するより深い溶融および溶接のために必要とされる近赤外線電力を低減させた。予熱は、これによって、ワークピースに印加されるレーザエネルギーを低減させ、熱影響ゾーンを低減させる。また、予熱は、集束中心ビームがワークピース内へより深く貫通することを可能にし、これは、溶接品質をさらに改善させた。

図３Ａおよび図３Ｂの例で適用されるレーザ溶接方法５０では、中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２まで上昇させられると同時に、環状ビームの電力は、第３の電力Ｐ３まで下降させられた。しかしながら、この同時傾斜は、成功した溶接を形成するための必要条件ではない。スタックの表面が１１００Ｋに達した後に中心ビームが第２の電力Ｐ２に到達すること、および、中心ビームが第２の電力Ｐ２に到達するまで２つの集束ビームが一緒に少なくともこの温度を維持することが十分である。同様に、オフ電力への２つのビームの同時傾斜は、成功した溶接を形成するために、必要ではない。いくつかのワークピースに関して、キーホールが圧潰される電力まで中心ビームが下降させられるまで、環状ビームの電力を持続させることが望ましい場合がある。

レーザ溶接方法５０は、約１３５０Ｗ～約１６５０Ｗの典型的な第１の電力Ｐ１と、約１３００Ｗ～約１６００Ｗの典型的な第２の電力Ｐ２と、約７００Ｗ～約１３００Ｗの典型的な第３の電力Ｐ３とを有する。第１の時間Ｔ１は、典型的には、約０．２ｍｓ～約１０ｍｓとであり、第２の時間Ｔ２は、典型的には、持続時間が約０．１ｍｓ～約５ｍｓである。

図４は、複数の薄片をタブ上へ溶接するための、本発明によるレーザ溶接方法６０の別の好ましい実施形態に関して、中心コアの電力および環状コアの電力対時間を模式的に示す。ここで、薄片およびタブの両方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られている。再び、薄片は、最初にスタックに組み立てられ、薄片のスタックは、クランプによってタブ上へ押圧される。ワークピースの前面は、集束ビーム１８が暴露され、これは、ワークピースの前面上の溶接されるべき場所に指向される。環状ビームの電力は、第１の電力Ｐ１まで上昇させられる一方で、中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２まで上昇させられる。環状ビームの電力は、第１の時間Ｔ１だけ持続され、次いで、下降させられる。中心ビームの電力は、第１の時間Ｔ１よりも短い第２の時間Ｔ２だけ持続され、次いで、下降させられる。第２の時間Ｔ２は、すべてのスタックの薄片２２およびタブ２４を溶融するのに十分な長さであるように選択される。中心ビームによるこの溶融は、スタック２２の薄片およびタブ２４のすべてを接合する溶接部３４を形成する。第１の時間Ｔ１は、キーホールの制御された圧潰と溶融プールの制御された圧潰を可能にするのに十分な長さであるように選択される。この制御された圧潰および収縮は、金属蒸気を溶融プールから逃がすことを可能にし、それによって、溶接ワークピースにおけるボイドを防止するとともに、任意の亀裂形成を最小限にするための焼きなましを提供する。

図５Ａおよび図５Ｂは、図４の方法６０を使用して溶接された例示的ワークピースの平面視写真である。ワークピースは、アルミニウムタブ上へ押圧された２４枚のアルミニウム薄片のスタックであった。各薄片は、１２μｍの厚さを有し、タブは、４００μｍの厚さを有していた。レーザ光源、光ファイバ、レーザ加工ヘッド、集束レンズ、シールドガス、およびクランプは、図３Ａおよび図３Ｂの例と同一であった。図５Ａは、スタックの表面を示し、これは、集束ビームに暴露されるワークピースの前面であり、従って、キーホール溶接中の入射面であった。図５Ｂは、タブの裏面である。ワークピースは、２つのジグザグ状列に沿って４２箇所で溶接され、列は、順次溶接された。各場所において，電力は、図４に描かれているように環状コアおよび中心コアを通して印加され、溶接を作成した。ここで、第１の電力Ｐ１＝１５００Ｗ、第２の電力Ｐ２＝１６００Ｗ、第１の時間Ｔ１＝５ｍｓ、第２の時間Ｔ２＝１ｍｓである。

図示される実施例におけるオフ電力は、０Ｗであった。環状ビームの電力は、オフ電力から第１の電力Ｐ１まで約３ｍｓかけて上昇させられた一方で、中心ビームの電力は、オフ電力から第２の電力Ｐ２まで同時に上昇させられた。中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２からオフ電力まで約１ｍｓかけて下降させられた。環状ビームの電力は、第１の電力Ｐ１からオフ電力まで約１ｍｓかけて下降させられた。電力は、約９ｍｓの合計時間にわたって各位置において印加され、全４２個の溶接を完了するために約２．０６ｓの合計時間を要した。この例における第１の電力Ｐ１への環状ビームおよび第２の電力Ｐ２への中央ビームの同時傾斜は、飛散を防ぐのに有益であることが分かった。

図６は、図４の方法６０を使用して溶接された別の例示的ワークピースの平面視写真である。ここでのワークピースは、２４枚のアルミニウム薄片のスタック上へ押圧されたアルミニウムタブであった。各薄片は、１２μｍの厚さを有し、タブは、４００μｍの厚さを有していた。レーザ光源、光ファイバ、シールドガス、およびクランプは、上記実施例におけるものと同一のものであった。レーザ加工ヘッド３２は、ドイツ、クラインマッハナウのＩＩ－ＶＩＩｎｃ．から入手可能なＲＬＳＫ３ｄ遠隔レーザ溶接ヘッドであった。集束レンズ１６は、３倍の倍率を提供し、その結果、集束中心ビームは、約３００μｍの直径を有し、集束環状ビームは、約８７０μｍの外径を有していた。図面は、タブの表面を示し、これは、集束ビームに暴露されるワークピースの表面であり、従って、キーホール溶接中の入射面であった。ワークピースは、２つのジグザグ状列に沿って４０箇所において溶接され、列が順次溶接された。ここで、第１の電力Ｐ１＝１５００Ｗ、第２の電力Ｐ２＝１６００Ｗ、第１の時間Ｔ１＝６ｍｓ、第２の時間Ｔ２＝１ｍｓである。

図示される実施例におけるオフ電力は、０Ｗであった。環状ビームの電力は、オフ電力から第１の電力Ｐ１まで約８ｍｓかけて上昇させられた一方で、中心ビームの電力は、オフ電力から第２の電力Ｐ２まで同時に上昇させられた。中心ビームの電力は、第２の電力Ｐ２からオフ電力まで約１ｍｓかけて下降させられた。環状ビームの電力は、第１の電力Ｐ１からオフ電力まで約２ｍｓかけて下降させられた。電力は、約１６ｍｓの合計時間にわたって各位置において印加され、全４０個の溶接を完了するのに約１．０７ｓの全体時間を要した。

レーザ溶接方法５０および６０のための典型的なワークピースは、タブ上へ溶接されるべき２０～１００の個々の薄片を有する。各薄片は、約５μｍ～約１５μｍの典型的な厚さを有する。典型的なタブは、約１００μｍ～約５００μｍの厚さを有する。典型的な集束中心ビーム直径は、約１００μｍ～約４００μｍであり、典型的な集束環状ビーム直径は、ワークピースの表面上で約３００ｍｍ～約１２００ｍｍである。レーザ溶接方法６０は、約１３５０Ｗ～約１６５０Ｗの典型的な第１の電力Ｐ１と、約１４５０Ｗ～約１７５０Ｗの典型的な第２の電力Ｐ２とを有する。第１の時間Ｔ１は、典型的には、約０．５ｍｓ～約２０ｍｓであり、第２の時間Ｔ２は、典型的には、持続時間が約０．１ｍｓ～約５ｍｓである。

図５Ａ、図５Ｂ、および図６は、スタック２２の外面またはタブ２４の反対側の外面のいずれかに入射する集束ビーム１８を用いて本発明の溶接方法が機能することを一緒に示している。一般に、薄片のスタックをタブに確実に接合するためには、複数の溶接部を作ることが必要である。溶接部の数がより多く、密度がより高いほど、より高い電気伝導度を有するより強固な接合部を提供する。しかしながら、当業者であれば、溶接部の総数とそれらすべての溶接部を完成させるための全体時間との間に妥協が存在することを認識しているため、溶接部の数および密度は、特定の用途に特有である。溶接されるワークピースの全体面積は、個々の溶接部の数を変化させることによって容易に拡大縮小される。本発明の方法は、セル内の陽極または陰極タブに薄片のスタックを接合するように適用されることが可能である。本発明の方法はまた、電池内のセルを電気的に接続する薄片を接合するために適用されることが可能である。

ビームスキャナ３０は、ワークピース上の複数の溶接されるべき場所間で横方向に集光ビーム１８を平行移動させる。溶接部が、ファイバの各コアを通して集束レンズを通してワークピース上へレーザ放射のパルスを送達することによって、これらの場所の各々において作られる。図２および図４は、それぞれ、レーザ溶接方法５０および６０に関して各溶接部を作るために使用されるパルス対の電力プロファイルを示す。線形電力傾斜が、本明細書において示されて議論されたが、図示および説明を簡単にするために、本発明の溶接方法は、中心ビームおよび／または環状ビームの他のタイプの電力傾斜を適用することによって、最適化され得る。例えば、指数関数的な電力傾斜である。

本明細書の実施例では、環状ビームおよび中心ビームは、それぞれ第１の電力Ｐ１および第２の電力Ｐ２という一定の電力で持続されていたが、本発明の溶接方法は、第１の時間Ｔ１および第２の時間Ｔ２の間にこれらのビームの電力を変調することによって、さらに最適化され得る。例えば、図４のレーザ溶接方法６０において、環状ビームの電力を第１の電力Ｐ１とずっと低い電力との間で急速に循環させることによって、金属蒸気を逃がし、それによって、溶接部にけるボイドの形成を防止する。代替的には、キーホールが閉鎖した後に第１の電力Ｐ１からより低い電力に下降させることによって、冷却金属を焼きなまし、それによって、溶接部における亀裂の形成を防止する。重要な要件は、キーホール溶接中にキーホールの口を広げ、溶接プールを安定させ、次いで、キーホールの制御された圧潰および溶融プールの制御された収縮を可能にするために、環状ビームに十分な電力を提供することである。

要約すると、中心ビームおよび環状ビームを含む集束レーザビームを使用して、金属薄片のスタックを金属タブ上へ溶接するための本発明の方法が上述される。集束環状ビームは、溶接されるべき場所を金属の溶融温度あたりまで加熱するのに十分な電力を有する。集束中心ビームは、すべての薄片およびタブを接合するキーホール溶接を形成するのに十分な追加の電力を有し、十分な時間持続される。環状ビームは、より長い時間持続され、これは、高熱伝導率の金属（銅など）に予熱を提供し、蒸気を巻き込みやすい金属（アルミニウムなど）に後熱を提供する。本方法は、十分な数および密度の場所に溶接部を形成し、特定の用途のための機械的強度および導電性を提供するように、繰り返される。

本発明が、好ましい実施形態および他の実施形態について上述された。しかしながら、本発明は、本明細書に記載されて描かれた実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims

複数の銅薄片を銅タブ上にレーザ溶接するための方法であって、前記方法は、
前記複数の薄片をスタックに組み立て、前記複数の薄片のスタックおよび前記タブを圧縮することにより、ワークピースを形成するステップと、
溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面にレーザ放射の集束ビームを指向させるステップであって、前記集束ビームは、中心ビームおよび同心円状の環状ビームを含む、ステップと、
前記環状ビームの電力を第１の電力まで上昇させるステップと、
前記溶接されるべき場所における前記ワークピースの前記表面を少なくとも１１００ケルビンに加熱するのに十分な第１の時間にわたって、前記環状ビームの電力を持続させるステップと、
前記中心ビームの出力を第２の電力まで上昇させるステップであって、前記中心ビームは、前記溶接されるべき場所における前記ワークピースの前記表面が１１００ケルビンに到達した後に前記第２の電力に到達する、ステップと、
前記複数の薄片および前記タブのすべてを溶融するのに十分な第２の時間にわたって前記中心ビームの電力を持続させ、これによって、前記複数の薄片および前記タブのすべてを接合する溶接部を形成するステップと
を含む、方法。
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、前記第１の電力に持続される、請求項１に記載の方法。
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、変調される、請求項１に記載の方法。
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、前記第２の電力に持続される、請求項１に記載の方法。
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、変調される、請求項１に記載の方法。
前記中心ビームの電力を上昇させるステップの間、前記環状ビームの電力は、第３の電力まで下降させられる、請求項１に記載の方法。
前記環状ビームの電力は、前記第２の時間の間、前記第３の電力に持続される、請求項６に記載の方法。
前記環状ビームの電力は、前記第２の時間の間、変調される、請求項６に記載の方法。
前記第３の電力は、７００ワット～１３００ワットである、請求項６に記載の方法。
前記第１の電力は、１３５０ワット～１６５０ワットである、請求項１に記載の方法。
前記第２の電力は、１３００ワット～１６００ワットである、請求項１に記載の方法。
前記第１の時間は、持続時間が０．２ミリ秒～１０ミリ秒である、請求項１に記載の方法。
前記第２の時間は、持続時間が０．１ミリ秒～５ミリ秒である、請求項１に記載の方法。
前記集束ビームは、０度～１０度の入射角で前記ワークピースの前記表面上に指向される、請求項１に記載の方法。
２０枚～１００枚の薄片が、前記タブ上に溶接される、請求項１に記載の方法。
各薄片は、５マイクロメートル～１５マイクロメートルの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
前記集束ビームを指向させるステップおよび前記環状ビームの電力を上昇させるステップおよび前記環状ビームの電力を持続させるステップおよび前記中心ビームの電力を上昇させるステップおよび前記中心ビームの電力を持続させるステップは、複数の場所において複数の溶接部を形成するために、複数回繰り返される、請求項１に記載の方法。
前記中心ビームは、前記ワークピースの前記表面上で１００ミクロン～４００ミクロンの直径を有し、前記環状ビームは、前記ワークピースの前記表面上で３００ミクロン～１２００ミクロンの直径を有する、請求項１に記載の方法。
複数のアルミニウム薄片をアルミニウムタブ上にレーザ溶接するための方法であって、前記方法は、
前記複数の薄片を組み立て、前記複数の薄片のスタックおよび前記タブを圧縮することにより、ワークピースを形成するステップと、
溶接されるべき場所における前記ワークピースの表面にレーザ放射の集束ビームを指向させるステップであって、前記集束ビームは、中心ビームおよび同心円状の環状ビームを含む、ステップと、
前記環状ビームの電力を第１の電力まで上昇させる一方で、前記中心ビームの電力を第２の電力まで上昇させるステップと、
前記環状ビームの電力を第１の時間にわたって持続させるステップと、
前記中心ビームの電力を第２の時間にわたって持続させ、次いで、前記中心ビームの電力を下降させるステップであって、前記第１の時間は、前記第２の時間より長い、ステップと
を含み、
前記第２の時間は、前記複数の薄片および前記タブのすべてを溶融するのに十分であり、これによって、前記複数の薄片および前記タブのすべてを接合する溶接部を形成する、方法。
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、前記第１の電力に持続される、請求項１９に記載の方法。
前記環状ビームの電力を持続させるステップの間、前記環状ビームの電力は、変調される、請求項１９に記載の方法。
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、前記第２の電力に持続される、請求項１９に記載の方法。
前記中心ビームの電力を持続させるステップの間、前記中心ビームの電力は、変調される、請求項１９に記載の方法。
前記第１の電力は、１３５０ワット～１６５０ワットである、請求項１９に記載の方法。
前記第２の電力は、１４５０ワット～１７５０ワットである、請求項１９に記載の方法。
前記第１の時間は、持続時間が０．５ミリ秒～２０ミリ秒である、請求項１９に記載の方法。
前記第２の時間は、持続時間が０．１ミリ秒～５ミリ秒である、請求項１９に記載の方法。
前記集束ビームは、０度～１０度の入射角で前記ワークピースの前記表面上に指向される、請求項１９に記載の方法。
２０枚～１００枚の薄片が、前記タブ上に溶接される、請求項１９に記載の方法。
各薄片は、５マイクロメートル～１５マイクロメートルの厚さを有する、請求項１９に記載の方法。
前記集束ビームを指向させるステップおよび前記環状ビームの電力および前記中心ビームの電力を上昇させるステップおよび前記環状ビームの電力を持続させるステップおよび前記中心ビームの電力を持続させるステップは、複数の場所において複数の溶接部を形成するために、複数回繰り返される、請求項１９に記載の方法。
前記中心ビームは、前記ワークピースの前記表面上で１００ミクロン～４００ミクロンの直径を有し、前記環状ビームは、前記ワークピースの前記表面上で３００ミクロン～１２００ミクロンの直径を有する、請求項１９に記載の方法。