JPH11245066A

JPH11245066A - レーザ溶接方法および二次電池の製法

Info

Publication number: JPH11245066A
Application number: JP10053550A
Authority: JP
Inventors: Susumu Yahagi; 進矢作; Naotada Okada; 直忠岡田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】金属の重ね合せ部材のレーザ溶接方法で、特
にアルミニウムやアルミニウム合金で作られる重ね合せ
部材の溶接に好適なレーザ溶接方法およびその溶接方法
を用いた二次電池の製法。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金か
らなる複数の重ね合せ部材２３、２５の間に有機物２４
が存在する被溶接部材をパルスレーザ光で溶接するレー
ザ溶接方法において、パルスレーザ光の照射を、有機物
２４を排除する第１のレーザ出力２８とレーザ照射側部
材のみを溶融させて複数の重ね合せ部材を溶接する第２
のレーザ出力２９との２段階で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属部材の接合部の
レーザ溶接方法で、特にアルミニウムやアルミニウム合
金で作られる重ね合せ部材の溶接に好適なレーザ溶接方
法およびその溶接方法を用いた二次電池の製法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ブラウン管の電子銃やマグネトロン等電
子部材の比較的量産品については、それらを構成する部
品の溶接に、しばしばレーザ溶接が適用されいる。

【０００３】近年では、電池の組立にもレーザ溶接が用
いられるようになってきている。電池には種々の種類が
あり、たとえば繰り返し充電が可能なリチウムイオン電
池などの二次電池があることが知られいる。

【０００４】このような二次電池の一般的な構造として
は、図２に示すように容器本体１が電極材科や電解液な
どか収容されるアウタ缶２と、このアウタ缶２の開口を
閉塞するキャッブ体３とによって密閉構造に形成されて
いる。上記キャップ体には注液口４が形成され、この注
液口４は他の部材に比べ板厚の薄い封口体５によっ閉塞
されいる。

【０００５】上記構造の容器本体ｌは、アウタ缶２に対
し上記キャップ体を接合し、その接合部分がパルスレー
ザ光によって、突き合わされた状態で溶接される。ま
た、キャップ体に設けられた注液孔から電解液を注入
後、上記封口体５は上記キャップ体に重ね合わされ、こ
れらの重ね合わせ部分がパルスレーザ光によって重ね合
わされた状態で溶接される。

【０００６】容器本体１のアウタ缶２、キャップ体３お
よび封口体５は軽量化などのために材科としてアルミニ
ウムやアルミニウム合金が用いられるようになっきてい
る。

【０００７】アルミニウムやその合金材料をパルスレー
ザ光によっ溶接する場合、鉄系の材料に比べ熱拡散速度
がＩ０倍程度も大きいため、パルス幅１ｍｓを小さくし
ピーク出力の高いパルスレーザ光を用いることで効率よ
く材料を溶融させるということが行われる。

【０００８】これらの溶接工程には、石英製の光ファイ
バーによる光学系が適用され、製造ラインへの導入の柔
軟性が高くなっている。

【０００９】特に、二次電池の場合には小型軽量化が進
み、上述のように、その材質も鉄系からアルミニウム系
に変わってきているでレーザ溶接する場合、それらは鉄
に比べ熱伝導が良いことや凝固するときの割れ防止のた
め、溶かした後に徐冷することで割れのない溶接が行え
ることが一般的に知られいる。

【００１０】それらのレーザ溶接には、図９で示すよう
ないわゆる三角波と呼ばれる三角波パルス発振波形が用
いられ、また、凝固割れ防止のためパルス波と連続波を
組合せた溶接方法も提案されいる。

【００１１】ただ、この三角波パルス発振波形のパルス
レーザを用いて、純アルミニウム系部材同士を重ね合せ
溶接する場合だけでなく、電池組立の工程中のように電
解液を含んだ部材を溶接することが避けられないケース
が発生する。その場合は上述の溶接法を単純に適用して
も良好な溶接結果は得られないことが多い。なお、それ
らの電解液は、一般に、融点が１００℃以下の有機物等
で構成されいる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のレーザ溶接方法
による、図１０で示したパルスの三角波形２９を用いて
アルミニウムまたはアルミニウム合金の重ね合せ継手構
造の間に有機物が残存したときにレーザ照射を行った場
合の溶接部の断面モデルは、図１１で示すようになる。

【００１３】すなわち、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の上部材３と下部材５の隙間には有機物４が残存
しており、ここにレーザ２が照射されると重ね合せ溶接
を行えるが、この溶融部６では有機物４とアルミニウム
部材との熱反応や、有機物自体の蒸発により、アルミニ
ウム部材の飛散物６ｂが発生する。従って、残された溶
融部６には穴６ａが形成され、良好な溶接継手を得るこ
とができない。

【００１４】また、重ね合せ溶接で問題となるのが隙間
であり、好適な溶接条件の許容値を超えた場合には、穴
あき欠陥となり十分な溶接強度が得られないケースが発
生する。

【００１５】さらに電解液等の有機物が重ね合せ部材間
に入り込んでいる場合にはこれらの融点差により、溶融
したアルミニウムの温度で有機物が加熱されるため、そ
の蒸発やアルミニウムとの熱反応等により、より溶接欠
陥が起りやすい状態となる。

【００１６】そこで、この溶接欠陥を回避するため、溶
接前工程で溶接面に付着した電解液を拭き取る工程が組
まれている。しかしながら、この工程でも電解液を完全
に拭き取ることは難しく、その結果、レーザ溶接の不良
が約ｌ％は存在した。

【００１７】この発明は上記事情に基づきなされたもの
で、その目的とするところは、被溶接部材を効率よく溶
融させることができるとともに、例え、重ね合せ溶接部
材の間に電解液のような有機物が残存している状態であ
っても確実に溶接できるレーザ溶接方法およびそのレー
ザ溶接方法を用いた二次電池の製法を提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の解決手段によれ
ば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複数
の重ね合せ部材の間に有機物が存在する被溶接部材をパ
ルスレーザ光で溶接するレーザ溶接方法において、上記
パルスレーザ光は、上記重ね合せ部材のレーザ照射側部
材を加熱して上記有機物を排除する第１のレーザ出力
と、上記重ね合せ部材のレーザ照射側部材を溶融させて
複数の重ね合せ部材を溶接する第２のレーザ出力とで照
射されることを特微とするレーザ溶接方法にある。

【００１９】また本発明の解決手段によれば、前記第２
のレーザ出力にて、前記第ｌのレーザ出力の出力後に前
記複数の重ね合せ部材を溶接することを特徴とするレー
ザ溶接方法にある。

【００２０】また本発明の解決手段によれば、前記第ｌ
のレーザ出力のパルスレーザ出力のピーク値が前記第２
のレーザ出力のパルスレーザ出力のピーク値の５０〜６
０％であり、かつ、それらのパルスレーザ出力で連続的
に照射して複数の重ね合せ部材を溶接することを特徴と
するレーザ溶接方法にある。

【００２１】また本発明の解決手段によれば、二次電池
容器に発電要素を収納して電解液を注入後、この二次電
池容器を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金
からなる複数の部材の接合部をパルスレーザ光で溶接す
る二次電池の製法において、上記複数の部材を前記レー
ザ溶接方法を用いて溶接することを特徴とする二次電池
の製法。

【００２２】また本発明の解決手段によれば、上記複数
の重ね合せ部材は二次電池容器のアウタ缶の開口を閉塞
するキャップ体と、このキャップ体に形成された注液口
を閉塞する封口体とであり、これら部材の重ね合わせ部
を溶接することを特徴とする二次電池の製法にある。

【００２３】また本発明の解決手段によれば、前記キャ
ップ体に設けられた電極タブと、この電極タブに電気的
に接続する電極体の接合部とを前記レーザ溶接方法を用
いて溶接することを特徴とする二次電池の製法にある。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
を参照し説明する。

【００２５】アルミニウムやアルミニウム合金の部材間
に有機物が存在する部材をレーザ溶接すると、低融点材
料の有機物が蒸発するときの蒸発力と溶融したアルミニ
ウムと有機物との反応とで爆発状の現象が起こる。その
結果、穴が発生し良好な溶接継手が得られない。

【００２６】しかしながら、上部材の溶け込みを板厚未
満にするようにレーザパルスを照射すると、有機物のみ
を溶接点から排除することが可能になる。従って、この
ような状態に部材を予め設定してから溶接用のレーザパ
ルスを照射することで有機物の溶接への悪影響を回避し
た重ね合せ溶接が可能になる。

【００２７】図ｌは本発明のレーザ溶接方法を実施する
ためのレーザ溶接装置１１を示したもので、このレーザ
溶接装置１１はパルスレーザ光Ｌを発振出力するための
ＹＡＧレーザなどのレーザ発振器ｌ２を備えている。こ
のレーザ発振器１２には制御装置１３が接続され、この
制御装置１３によって発振出力されるパルスレーザ光Ｌ
のパルス波形や出力のピーク値Ｐを設定制御きるように
形成されている。

【００２８】上記レーザ発振器ｌ２から発振出力された
パルスレーザ光Ｌは光ファイバｌ４に導入される。この
光ファイバ１４から出射したパルスレーザ光Ｌを集光レ
ンズ１５に入射されて、この集光レンズ１５で集束し被
溶接部材としての二次電池容器の容器本体ｌを図示しな
い走査機構によって照射面が適度なオーバラップ率にな
るような送り速度によって溶接する構成となっている。

【００２９】被溶接部材のパルスレーザ光Ｌによって照
射される溶接部分には図示しないノズルからシールドガ
スが供給される。シールドガスとしては、窒素、アルゴ
ン、ヘリウムなどの不活性ガスが用いられている。それ
によって、被溶接部材の溶接部分に酸素による気泡が生
じるのを防止する。

【００３０】二次電池容器は角型の場合は、図２に示す
ように容器本体ｌを有し、この容器本体１はアウタ缶２
とキャップ体３とからなり、キャップ体３に形成された
注液口４は封口体５によっ閉塞される。これらの部材
２、３、４はアルミ二ウム、またはアルミニウム合金に
よって形成されている。これらのアルミニウム合金はＪ
ＩＳ規格でＡ３００１、Ａ５００１というようなマンガ
ンやマグネシウムを含有するアルミニウム合金である。

【００３１】アウタ缶２とキャップ体３とは図３に示す
ように上述のパルスレーザ光Ｌによっ突き合わせて溶接
され、キャップ３と閉塞部５とは図４（ａ）、（ｂ）に
示すように重ね合わせ溶接される。この例では、アウタ
缶２の板厚は０．３〜０．５ｍｍ、キャップ体３の付き
合わせ部での板厚も０．３〜０．５ｍｍとした。そし
て、キャップ体３自体の板厚は０．４〜０．６ｍｍと
し、封口体５の板厚は０．１〜０．３ｍｍとした。

【００３２】また、丸型の場合は、図５に示すように、
丸型のアウタ缶２ａ内に正極、負極、セパレータ等から
なる発電要素７を収納し、発電要素７の正極タブ８を外
部の正極端子９を形成しているキャップ体３ａに接合す
る。この接合は上述のパルスレーザ光Ｌによって突き合
わせて溶接する。なお、ここでは、キャップ体３ａの材
質により正負が入れ替わる。それは、キャップ体３ａを
構成する金属元素のイオン化傾向の違いによるからであ
る。

【００３３】次に、電解液ををアウタ缶２ａに注入後、
正極タブ８と接合されたキャップ体３ａをアウタ缶２ａ
に挿入してアウタ缶２ａとかしめて固定し容器本体１ａ
を組立てる。

【００３４】これらの容器本体ｌの各部材を溶接するに
際し、レーザ発振器Ｉ２から周波敢５０ＨＺに発振出力
されるパルスレーザ光Ｌは、制御装置ｌ３によって出力
のピーク値Ｐとパルス波形とが所定の状態に設定され
る。

【００３５】すなわち、このパルス波形ｌはパワーがピ
ークから緩やかに下がる波形であり、これにより徐冷効
果をもち、凝固割れが回避できるようになっている。

【００３６】図６は本発明を説明するためのパルス波形
図で、図７（ａ）と図７（ｂ）はそれによる溶接部の説
明図である。

【００３７】図６のパルス波形２７は、第１のレーザ出
力である矩形波形２８と第２のレーザ出力である三角波
形２９を合成した波形で、三角波のピークパワーＰ２に
よるパワー密度は２×１０^１０Ｗ／ｍ^２であり、矩形波
形２８のパワーＰｌは三角波形２９のピークパワーＰ２
の６０％である、０．６×１０^１０Ｗ／ｍ^２以上であ
る。

【００３８】また、三角波形２９のパルス幅は２．３ｍ
ｓで矩形波形２８のパルス幅は０．７ｍｓである。そし
て、パルスレーザ光の投入エネルギーは１パルス当たり
３〜４Ｊであり、スポット径は０．４５ｍｍとした。

【００３９】パルスレーザ光Ｌの出力のピーク値Ｐを２
×１０^１０Ｗ／ｍ^２以上に設定したのは、それにより、
溶接時に、上記容器本体ｌの各部材を十分な深さ溶融す
ることができるためである。

【００４０】図９には、アルミ二ウムまたはその合金か
らなる材料を、パルスレーザ光Ｌ溶接する場合、そのパ
ルスレーザ光Ｌの出力のピーク値と、溶融深さとの関係
を実験した結果を示したもので、パレスレーザ光Ｌのピ
ーク値Ｐが１×１０^１０Ｗ／ｍ^２以上になると、エネル
ギ吸収率が高くなり、急激に溶融深さが大きくなること
が確認された。従って、上述したようにパルスレーザ光
Ｌの出力のピーク値Ｐを１×１０^１０Ｗ／ｍ^２に設定す
ることで、溶接部分を所定の溶接強度を得るに十分な溶
融深さで溶融することがきる。

【００４１】図７はこのパルス波形２７を用いた場合の
実施モデルで、そのプロセスを第１のレーザ出力と第２
のレーザ出力との２段階に分けた説明図で、図７（ａ）
は矩形パルス波形２８による作用を示すもので、重ね合
せ体の上部材２３にレ一ザＬ１が照射され、上部材２３
の板厚を貫通しない程度の溶け込みをもつ溶融部２６ｃ
が形成される。同時に、レーザ照射部位に存在する有機
物２４はその融点が１００度以下のため、上部材２３の
加熱で容易に蒸発が起こり、その隙問の周囲方向Ａに飛
散して有機物の無い空間部２６ｄが形成される。

【００４２】この隙間は、図示しない治具で両部材が押
さえられいるので重ね合せ溶接で許容できる程度の上部
材３の板厚のｌ／２以下に押さえられている。

【００４３】図７（ｂ）は、図７（ａ）で溶融によって
形成した継手にさらにレーザＬ２を照射し溶接を行う過
程を示す説明図で、このレーザＬ２は矩形波形２８を照
射後の三角波形２９を意味しいる。すなわち、この場合
は両部材２３、２５の隙間２４に不純物となる有機物が
除去されて存在しない状態のところにレ一ザＬ２が照射
されるので健全な継手をもつ溶融部２６が形成され溶接
が完了する。

【００４４】すなわち、パルスレーザ光Ｌを容器本体ｌ
の被溶接部に照射すると、ピーク値Ｐに達するまでの時
間が０．８ｍｓ以下と短い。そのため、容器本体ｌの材
科がアルミニウムやその合金であって、熱拡速度が速く
ても、比較的効率良く溶融することかできる。つまリ、
時間を０．８ｍｓ以下に設定すると、パルスレーザ光Ｌ
の出力のピーク値Ｐを１×１０^１０Ｗ／ｍ^２に設定した
こととあいまって被溶接部材を局部的に効率よく、しか
も十分な溶融深さで溶接することが可能になる。

【００４５】また、パルスレーザ光が発振されてからそ
の出力がピーク値に達し、さらに、ピーク値Ｐ２の２分
の１の出力になるまでの時間をｌ．２ｍｓ以下にするこ
とで比較的短くできるから、容器本体ｌへの入熱量を小
さくできる。それによって、容器本体ｌの温度上昇を抑
制できるから、上記容器本体１内部に発電要素の構成と
してＰＦＴ、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの低融
点の樹脂部材が巻回された正負電極間のセパレータ等と
して挿入することが出来る。

【００４６】従って、例えば、リチウムイオン電池など
の二次電池の容器に対する溶接に適用した場合も上記樹
脂部材は熱損されない。

【００４７】実際の工程に本発明を適用した結果、不良
率約ｌ％を０．ｌ％以下にまで改善することができ、歩
留向上に大きく寄与した。

【００４８】図７は本発明の変形例を示すパルス波形図
である。上述の実施の形態では矩形波形を三角波形に重
ね合せた合成波形を用いたが、矩形波形と三角波形を時
間差ｔを設けても所定時間内であれば、同様な作用が得
られる。

【００４９】この発明は上記の実施の形態に限定され
ず、種々変形が可能である。例えば、この発明に用いら
れているパルス波形は、上述したパルス波形に限定され
るものでなく、ピーク値に達するまでの時間、出力がピ
ーク値の２分のｌに低下するまでの時間およびパルス幅
が一定の条件を満たし、かつ出力がピーク値から２分の
１に低下した後に漸減する形状であれば適用することが
出来る。

【００５０】また、被溶接部材としては二次電池容器に
限らず他のものであってもよく、要は効率よく溶融し、
しかも急冷による被溶接部材の割れの発生を防止するこ
とが要求される溶接に適用することが出来る。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明は、アルミニウムま
たはアルミニウム合金からなる複数の重ね合せ部材の間
に有機物が存在する被溶接部材をパルスレーザ光で溶接
するレーザ溶接方法において、パルスレーザ光の照射
を、有機物を排除する第１のレーザ出力とレーザ照射側
部材のみを溶融させて複数の重ね合せ部材を溶接する第
２のレーザ出力との２段階で構成したので、溶接に悪影
響となる有機物の影響を回避し良好な溶接が行えるよう
になった。

【００５２】また、本発明は、スボット的な溶接のみな
らず気密を必要とする溶接に適用しても同様な効果が得
られる。

【００５３】また、重ね合せ継手に介在する物質は有機
物だけでなく、融点が母材の融点より低いものであれば
本発明の効果を得ることができ、母材そのものの材質に
に対する溶接においても同様な効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のレーザ溶接装置を示す説
明図。

【図２】角型の二次電池容器を説明するための斜視図。

【図３】アウタ缶とキャップ。体との溶接部分の断面
図。

【図４】（ａ）はキャップ体と封口体との溶接部分の平
面図、（ｂ）は同じく断面図。

【図５】丸型の二次電池容器を説明するための斜視図。

【図６】本発明をのパルス波形図。

【図７】本発明のパルス波形による溶接過程の説明図で
（ａ）は矩形波形による溶接部の説明図。（ｂ）は三角
波形による溶接部の説明図である。

【図８】本発明の他の実施の形態を示すパルス波形図。

【図９】パルスレーザ光の出力と溶接深さとの関係を示
すグラフ。

【図１０】三角波形を示すパルス波形図。

【図１１】三角波形による溶接状況を示す断面図。

【符号の説明】

１、１ａ…容器本体、２、２ａ…アウタ缶、３、３ａ…
キャップ体、２３…上部材、２４…有機物、２５…下部
材、２６…溶融部、２７…パルス波形、２８…矩形波
形、２９…三角波形

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたはアルミニウム合金か
らなる複数の重ね合せ部材の間に有機物が存在する被溶
接部材をパルスレーザ光で溶接するレーザ溶接方法にお
いて、上記パルスレーザ光は、上記重ね合せ部材のレーザ照射
側部材を加熱して上記有機物を排除する第１のレーザ出
力と、上記重ね合せ部材のレーザ照射側部材を溶融させ
て複数の重ね合せ部材を溶接する第２のレーザ出力とで
照射されることを特微とするレーザ溶接方法。
【請求項２】前記第２のレーザ出力にて、前記第ｌ
のレーザ出力の出力後に前記複数の重ね合せ部材を溶接
することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】前記第ｌのレーザ出力のパルスレーザ出
力のピーク値が前記第２のレーザ出力のパルスレーザ出
力のピーク値の５０〜６０％であり、かつ、それらのパ
ルスレーザ出力で連続的に照射して複数の重ね合せ部材
を溶接することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接
方法。
【請求項４】二次電池容器に発電要素を収納して電解
液を注入後、この二次電池容器を構成するアルミニウム
またはアルミニウム合金からなる複数の部材の接合部を
パルスレーザ光で溶接する二次電池の製法において、上
記複数の部材を請求項ｌに記載されたレーザ溶接方法を
用いて溶接することを特徴とする二次電池の製法。
【請求項５】上記複数の重ね合せ部材は二次電池容器
のアウタ缶の開口を閉塞するキャップ体と、このキャッ
プ体に形成された注液口を閉塞する封口体とであり、こ
れら部材の重ね合わせ部を溶接することを特徴とする請
求項２記載の二次電池の製法。
【請求項６】前記キャップ体に設けられた電極タブ
と、この電極タブに電気的に接続する電極体の接合部と
を請求項１に記載されたレーザ溶接方法を用いて溶接す
ることを特徴とする二次電池の製法。