(57)【要約】【課題】電池の分解時にアルミ材上の銅材を容易に引き離すことができる電極端子のレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】電池組立体の電極部材として用いるアルミ材と銅材をレーザで溶接する電極端子のレーザ溶接方法であって、アルミ材２ａの上に銅材２ｂを重ねた接合体２に対して、銅材２ｂ側から、レーザの単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以上、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍ以下となるようにレーザ光を照射して、レーザ溶接を実行する。【選択図】図７
2020093272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池組立体の電極部材として用いるアルミ材と銅材をレーザで溶接する電極端子のレーザ溶接方法であって、
前記アルミ材の上に前記銅材を重ねた接合体に対して、前記銅材側から、レーザの単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以上、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍ以下となるようにレーザ光を照射して、レーザ溶接を実行する
レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の電極端子のレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルミと銅などの金属間化合物を生成しうる組み合わせの２種類の金属材料からなる接合体が用いられている。接合体は、低体格化や軽量化のニーズから、ボルトレスの異種金属接合物を持つものが広く用いられている。この接合体では、高効率でのリサイクルのために、使用後は異種金属接合部を取り外して解体し、各種材料の分別を行う。
【０００３】
従来、このような分野の技術として、特開２００５−３０５５４２号公報がある。この公報に記載された溶接継手の製造方法では、２種類の金属部材の接合部に金属間化合物層が生成されるように、２つの金属部材を接合する。これにより、解体時にはもろい金属間化合物が分離部分となるため、解体作業が容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０５５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば二次電池などの現行のリサイクル工程は、複雑な作業工程となるため、主に人による手作業で実行されている。そのため、サイクルタイムが長いという問題がある。前述した従来の溶接継手の製造方法では、金属間化合物を分離するための分離加工条件が明らかにされていない。
本発明は、電池の分解時にアルミ材上の銅材を容易に引き離すことができる電極端子のレーザ溶接方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるレーザ溶接方法は、電池組立体の電極部材として用いるアルミ材と銅材をレーザで溶接する電極端子のレーザ溶接方法であって、前記アルミ材の上に前記銅材を重ねた接合体に対して、前記銅材側から、レーザの単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以上、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍ以下となるようにレーザ光を照射して、レーザ溶接を実行する。
これにより、接合界面付近にアルミと銅の金属間化合物の層が生成される条件でレーザ溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【０００７】
これにより、電池の分解時にアルミ材上の銅材を容易に引き離すことができる電極端子のレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】溶接装置の概略を示す図である。
【図２Ａ】電池組立体の概略を示す図である。
【図２Ｂ】電池組立体の断面図の模式図である。
【図２Ｃ】電池組立体の断面図の一例である。
【図３】最適な投入エネルギーの範囲を示した図である。
【図４】金属間化合物の量と破断荷重の関係を示した図である。
【図５】戻り光を取得する構造を有する溶接装置の概略を示す図である。
【図６Ａ】レーザ光の照射が適切である場合の戻り光の波形の一例である。
【図６Ｂ】レーザ光が入熱過多である場合の戻り光の波形の一例である。
【図７】動作フローの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示すように、溶接装置１は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１から射出されたレーザの調整を行うレーザヘッド１２と、レーザヘッド１２の動作やレーザによる入熱状態を制御する制御部１３と、を備える。
【００１０】
また、２種類の金属からなる接合体２は、レーザヘッド１２のレーザの射出口に対向して配置されている。例えば、接合体２は、溶接装置１の下方に配置されている。２種類の金属とはアルミ材２ａと銅材２ｂであり、アルミ材２ａの上に銅材２ｂが重ねられて配置されている。したがって、溶接装置１から射出されたレーザは、銅材２ｂ側に照射される。
【００１１】
また接合体２には、アルミ材２ａと銅材２ｂを上下方向に接合した異種金属接合部２ｃが設けられている。異種金属接合部２ｃでは、下記に示すように適切な条件でレーザ光を照射することで、金属間化合物が生成される。この金属間化合物は、固く脆いという性質を有する。したがって、異種金属接合部２ｃに生成された金属間化合物は、アルミ材２ａ及び銅材２ｂからなる接合体２から取り外しやすく、この取り外しによりアルミ材２ａと銅材２ｂの接合を容易に分離できる。
【００１２】
なお接合体２は、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示すように電池組立体３において用いられる。例えば図２Ａに示すように、電池組立体３は、複数の電池セル３ａと、それぞれの電池セル３ａ上に設けられたアルミ製の正極端子３ｂと、それぞれの電池セル３ａ上に設けられた銅製の負極端子３ｃと、を有する。それぞれの電池セル３ａの正極端子３ｂうちの複数は、アルミ製であるバスバー３ｄにより互いに接続されている。それぞれの電池セル３ａの負極端子３ｃのうちの複数は、アルミ製であるバスバー３ｅによって互いに接続されている。すなわち、正極端子３ｂ、負極端子３ｃ、バスバー３ｄ、バスバー３ｅは、それぞれが電極部材である。
【００１３】
ここで、図２Ｂ及び図２Ｃは、図２Ａに示した負極端子３ｃ付近の断面図である。図２Ｂに示すように、負極端子３ｃ付近では、アルミ製の電池セル３ａ、アルミ製のバスバー３ｅ、銅製の負極端子３ｃの順番で並ぶように配置されている。接合体２は、このバスバー３ｅと負極端子３ｃの接合に採用することができる。また、このようにアルミと銅を接合することで、導通性を確保することができる。
【００１４】
レーザ発振器１１は、レーザ光を発生させる装置である。例えばレーザ発振器１１には、レーザ媒質、励起源、光共振器などが設けられている。レーザ発振器１１にはファイバが連結されており、ファイバを介して、レーザ光をレーザヘッド１２に射出する。
【００１５】
レーザヘッド１２は、接合体２に対するレーザ光の照射位置や、レーザ光のエネルギーの調整を行う。レーザヘッド１２は、レーザ光を反射するための複数のガルバノミラーを有する。典型的には、レーザヘッド１２内には２枚のガルバノミラーと、集光レンズが設けられている。レーザヘッド１２では、上方からファイバを介して入射したレーザ光を、ガルバノミラーで２度反射した後に集光レンズを通して、下方の接合体２に向けて射出する。なお例えば、レーザヘッド１２から、接合体２に向けて照射するレーザの波長は、１０７０ｎｍである。
【００１６】
制御部１３は、レーザヘッド１２の動作を制御することで、接合体２にレーザ光が照射される位置や、レーザ光の出力、集光径、走査速度などを調整することで、レーザ光によって接合体２に投入されるエネルギーの制御を行う。これにより、接合体２の異種金属接合部２ｃにおいて、上昇温度や凝固時間の調整を行う。
【００１７】
ここで、溶接装置１が接合体２に対して照射するレーザ光として適切である条件は、単位長さあたりの投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍの範囲内であるものとして定める。この条件でレーザ光が照射されることにより、金属間化合物が適切に生成された状態となる。ここで単位長さあたりの投入エネルギーＥは、
【数１】
2020093272.tif 000003
で定められる。なお、Ｐはレーザ出力、ｖは走査速度、ｄは集光径とする。
【００１８】
ここで例えば図３に示すように、凝固時間を０．００３secから０．０１０secとして、単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以下であれば、入熱不足のため、金属間化合物の生成量が少なくなる。一方、投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍより大きく、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍより小さければ、金属間化合物は十分に多く生成される。なお、投入エネルギーが１５００ｋJ／ｍｍより大きければ、入熱過多であり、接合部以外に溶融が発生するおそれがある。
【００１９】
図４に示すように、レーザの照射により金属間化合物を生成した際の金属間化合物と破断荷重の関係について、例えば凝固時間を０．００５〜０．００７secとし、金属間化合物量が多く形成されている場合には、金属間化合物量が少なく形成されている場合に比べて、分離荷重を小さくできる。すなわち、金属間化合物が適切に多く生成されていると、接合体２を形成するアルミ材２ａと銅材２ｂの分離が容易となる。
【００２０】
また、制御部１３は、レーザヘッド１２から照射されるレーザの出力のフィードバック制御を行う。具体的には、図５に示すように、同軸カメラ１４を、レーザヘッド１２の近傍に設けておくことができる。同軸カメラ１４では、レーザヘッド１２から異種金属接合部２ｃにレーザを照射した際に、戻り光波形を取得する。
【００２１】
図６Ａ、図６Ｂに示すように、制御部１３は、同軸カメラ１４で取得した戻り光波形について、光がプラズマ光である場合には、その光強度、すなわち振幅Ａの大きさが所定の範囲内Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであるか否かにより、その異種金属接合部２ｃの品質判定を行うことができる。なお後述するように、振幅Ａは、判定を行う全体を複数の区間に区切ったうち、判定中の区間における最大振幅を用いることができる。図６Ａは、振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxである場合の例であり、図６Ｂは、振幅ＡがＡmax＜Ａである場合の例である。
【００２２】
具体的には、制御部１３では、Ａminは投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍであるときの戻り光の強度の閾値として設定し、Ａmaxは投入エネルギーが１５００ｋＪ／ｍｍであるときの戻り光の強度の閾値として設定しておく。そして制御部１３は、レーザ光を照射した際の戻り光の振幅ＡがＡminより小さければ、入熱不足のためＮＧ判定とし、戻り光の振幅ＡがＡmaxより大きければ、入熱過多のためＮＧ判定とする。なお制御部１３では、振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxであれば、品質ＯＫであると判定する。
【００２３】
制御部１３では、ＮＧ判定である場合に、投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍとし、戻り光の振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxとなるように、レーザ出力のフィードバック制御を実行できる。なお制御部１３では、接合体２を複数の区間に区切り、区切られた区間のそれぞれについて、この判定と制御を実行することができる。
【００２４】
ここで図７を用いて、溶接装置１による電極端子のレーザ溶接のフローの一例を説明する。
【００２５】
最初に、アルミ材２ａの上に銅材２ｂを重ねた接合体２を、複数の区間に区切っておく（ステップＳ１）。なお、接合体２の全体をｍ個の区間に区切ったものとし、１番目の区間から順番に、ｎ番目の区間（以下、区間ｎ）について処理を行うものとする（ステップＳ２）。
【００２６】
制御部１３は、全ての区間について、レーザ溶接及び検査が終了しているか否かを確認する（ステップＳ３）。全ての区間についての処理が終了していない場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、対象とする区間は、区間ｎであるものとしてステップＳ４に進む。全ての区間についての処理が終了しており、溶接及び検査の対象となる区間が存在しなければ、異種金属接合部２ｃの全体の検査の判定がＯＫであるものとして（ステップＳ１２）、処理を終了する。
【００２７】
制御部１３は、区間ｎにレーザ光を銅材２ｂ側から照射して、レーザ溶接を実行し、戻り光の光強度を計測する（ステップＳ４）。
【００２８】
制御部１３は、戻り光の光強度の振幅Ａが、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであるか否かを判定する（ステップＳ５）。Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであれば（ステップＳ５でＹｅｓ）、ステップＳ６に進む。Ａmin＜Ａ＜Ａmaxでなければ（ステップＳ５でＮｏ）、ステップＳ８に進む。
【００２９】
制御部１３は、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであった区間ｎについて、品質ＯＫであると判定する（ステップＳ６）。その後、ｎ＋１番目の区間を、次の対象である区間ｎであるものとして（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻る。
【００３０】
制御部１３は、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxでない区間ｎについて、品質ＮＧであると判定する（ステップＳ８）。
【００３１】
制御部１３は、それまで判定した区間と、現在対象としている区間の判定を合計した全体のＮＧ判定率が、所定のＢ％より小さいか否かを判定する（ステップＳ９）。ここで、所定のＢ％はあらかじめ任意に定めておくことができる。例えば、現在対象としている区間が４番目であれば、先にレーザを照射して品質検査を実行した１〜３番目の区間と、現在対象である４番目の区間を合計してＮＧ率を求め、Ｂ％より小さいか否かを判定する。全体のＮＧ率がＢ％より小さければ（ステップＳ９でＹｅｓ）、ステップＳ１０に進む。全体のＮＧ率がＢ％以上であれば（ステップＳ９でＮｏ）、異種金属接合部２ｃの全体の品質判定がＮＧであるものとして（ステップＳ１１）、処理を終了する。
【００３２】
制御部１３は、レーザ出力の調整を行う（ステップＳ１０）。ここで、制御部１３は、投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍとして、戻り光の振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxとなるように、レーザ出力を調整する。その後、ｎ＋１番目の区間を、次の対象である区間ｎであるものとして、ステップＳ２に戻る。
【００３３】
このようにして、接合体のレーザ溶接の際に、アルミと銅の金属間化合物の層が適切に生成される条件となるように制御しながら、レーザ溶接を実行することができる。この金属間化合物の層は硬く脆いものであるため、この接合体が用いられた電池組立体の分解時に、接合体として用いられているアルミと銅の分離を容易に行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、戻り光の判定に用いる振幅Ａとして、ある区間における最大振幅を用いるものとしたが、これに限られず、原波形からノイズによる異常値を除去した後の波形を用いることや、平滑化処理後の波形などを用いて判定を行っても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１            溶接装置
２            接合体
２ａ            アルミ材
２ｂ            銅材
２ｃ            異種金属接合部
３            電池組立体
３ａ            電池セル
３ｂ            正極端子
３ｃ            負極端子
３ｄ            バスバー
３ｅ            バスバー
１１            レーザ発振器
１２            レーザヘッド
１３            制御部
１４            同軸カメラ
【図１】
2020093272.tif 000004
【図２Ａ】
2020093272.tif 000005
【図２Ｂ】
2020093272.tif 000006
【図２Ｃ】
2020093272.tif 000007
【図３】
2020093272.tif 000008
【図４】
2020093272.tif 000009
【図５】
2020093272.tif 000010
【図６Ａ】
2020093272.tif 000011
【図６Ｂ】
2020093272.tif 000012
【図７】
2020093272.tif 000013