(57)【要約】【課題】車載用リチウム電池の大型化に対し、溶接欠陥の無い高速溶接を実現するものである。原理的にスパッタが容器内部に混入させず、従来の熱伝導型より倍近い深い溶け込みを実現して接合強度をＵＰさせる。更に、フレキシブルなビーム構成が可能なレーザ封口装置を提供する【解決手段】１つのレーザビームを２つに分割する手段と、封止部の突合せ界面に沿って前記２つの集光ビームをキーホール状態で接合界面に対し、高速に平行移動する手段を設ける。その際、接合界面に集光ビームが入らないように、接合界面から等位置に２つの集光ビームを対称に配置することで、接合界面にてスパッタを発生することを無くしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の開口部に蓋をしてレーザビームにて封口する溶接装置であって、前記レーザビームが分岐光学系により、半月状ないし円弧部と直線部からなる第１のレーザビームと第２のレーザビームに分割され、前記第１のレーザビームは前記容器の開口部の突合せ接合面近傍に照射され、前記第２のレーザビームは前記蓋の接合面近傍に照射され、前記２つのレーザビーム照射部のいずれかまたは両方が、前記接合面にて円形の焦点を結び、前記接合界面沿ってキーホール状態で平行移動する手段を設け、前記接合面は前記キーホールを熱源として溶融した溶融金属が前記接合面を充填することにより、接合面の隙間ばらつきに対しても、ロバストにシーム溶接できることを特徴としたレーザ封口装置。
【請求項２】
前記レーザビームの分割手段として、円形ガラス板または半月ガラス板に対し、レーザビームが透過しない周辺部に、熱伝導による鏡筒への放熱部を設け、前記円形ガラス板の片面の半分を半月状にテーパ研磨した形状を有する、或いは片面全面をテーパ研磨した半月板を前記レーザビームの光路途中に挿入し、光軸方向が異なる２つの半月状のレーザビームに分割し、テーパ研磨角度が数度以下で分離された半月形状のレーザビームは集光すると、集光点では挿入物がない場合のスポット形状とサイズが同じ円形スポットになる光学特性を利用して、集光点でキーホールを起こすのに十分な集光性を確保した前記２つの円形集光スポットを生成することを特徴とした請求項１記載のレーザ封口装置。
【請求項３】
分割した前記２つのレーザビームの片方のレーザビーム行路中に長焦点レンズを追加して、片側でキーホール溶接をし、片側で熱伝導溶接をすることを特徴にした請求項１ないし２記載のレーザ封口装置。
【請求項４】
前記容器は長辺と短辺の開口部を有する角型形状であって、前記開口部の短辺側溶接部は前記２つのレーザビームをデフォーカスすることにより、前記２つのレーザビームの前記容器の接合部でキーホール型溶接から熱伝導型溶接効果を増加させたことを特徴とした請求項１から３記載のレーザ封口装置。
【請求項５】
接合部にてキーホール溶接を起こす前記第１のレーザビームと第２のレーザビームを包み込むように、熱伝導型溶接を起こす第３のレーザビームを重畳したことを特徴としたことを特徴とする請求項１から４項に記載のレーザ封口装置。
【請求項６】
２つのレーザビームに分割される前記レーザビーム源はコア径１０５μ以下のプロセスファイバを有するファイバレーザを光源とし、前記第３のレーザビームは、コア径１００μ以上であり、単独照射でキーホールを発生しめない輝度を有するレーザを光源としたことを特徴とする請求項５項記載のレーザ封口装置。
【請求項７】
第３のレーザビームが第１ないし第２のレーザビームの光軸に対し、４５度入射以外の光軸にも角度調整をする機能を有した折り返しミラーを設けることにより、戻り光が半導体等のレーザ光源に戻らないことを特徴にした請求項６記載のレーザ封口装置。
【請求項８】
前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームの進行後方に、前記第３のレーザビームを重畳したことを特徴とする請求項１から６項に記載のレーザ封口装置。
【請求項９】
前記レーザビームの集光点におけるスポットサイズの少なくとも１つは５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から８項に記載のレーザ封口装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、主に電池等の金属容器のレーザ封口に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、車載用リチウム電池やＥＶ、ＨＥＶ用モータの高性能化も進み、Ｍ２．５等環境対策や化石資源枯渇対策の切り札として、自動車の電動化が急激に進んでいる。車載用途には角型アルミ容器を用いたリチウム電池が多く使用されているが、車載用リチウム電池には特に高エネルギーが蓄積されるため、内部にスパッタ等の金属異物があると内部短絡による発火事故を起こし車を燃やす危険性がある。よって車載用リチウム電池には原理的にスパッタ混入のないレーザ封口を行う必要がある。【０００３】  レーザ溶接にはキーホール型溶接と熱伝導型溶接の２種類がある。キーホール型溶接は高集光レーザビームにしてエネルギ密度を高めて加工部の沸点を超えキーホールを起こす溶接方法であるが、金属が沸点を超え金属蒸気になる際、体積が急膨張することで溶融した金属が外部に押し出され、いわゆるスパッタを発生し、電池内部に混入して内部ショートを起こす懸念があるので、熱伝導型溶接が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−７９４７６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３２６５５号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１０９０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Ｆｉｂｅｒ  Ｌａｓｅｒｓ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」ＬＡＳＥＲ  ＦＯＣＵＳ  ＷＯＲＬＤ  ０２／１７／２０１６  ｖｏｌｕｍｅ−５２  ｉｓｓｕｅ−０２
【非特許文献２】２００９年度レーザ加工学会春季セミナー資料集（２００９，５）
【０００６】  特許文献１は図２（ｃ）に示す溶け込み形状から熱伝導型溶接による原理的にスパッタを発生させない方法と推測できる。また、レーザレーザビームの最大強度を接合部からずらしているので、接合部の隙間から内部に漏れたレーザ光が入りこむ量も減らすので電池内部の熱に弱い有機セパレータ等にもダメージを与えないようにできる。【０００７】  スパッタを発生させない熱伝導型溶接の接合原理は、加工点におけるレーザビームサイズを大きくしてエネルギ密度を下げ、加工点が沸点を超えないように溶融金属温度を保ち、レーザ照射により溶融した金属が、接合界面を表面張力で充填して接合することで実現している。この熱伝導型溶接は溶融金属の沸点を超えない金属溶融温度を抑えているので、溶融金属が沸騰して蒸気が溶融金属を吹き飛ばす現象、即ち突沸が起きないのでスパッタを原理的に発生させることはない。【０００８】  よってスパッタ混入０が厳しく要求される車載用電池容器の封止にこの熱伝導型溶接が使用されている。リチウム電池は軽量で融点が低く沸点が高く熱伝導性が高いアルミ容器が良く使用されているので、熱伝導型溶接に適しており、リチウム電池の標準的なレーザ封口方法として数多く実用化されている。【０００９】  熱伝導型溶接は原理的にスパッタ発生がない溶接方法であるが、いくつか欠点がある。アルミ等では熱伝導性が高いため表面周辺に放熱されるので、深い溶け込みができないので溶接強度が高くできない。また熱が周囲に伝わり溶融するまでに時間を要するので溶接速度を上げることができない。溶接速度が低いとアルミや銅等の高熱伝導体は周囲に熱が逃げるので投入エネルギーのロスが大きい。【００１０】  実際、熱伝導型溶接では車載用電池の１ｍｍ厚を超えるアルミ製の蓋と０．５ｍｍ厚を超えるアルミ容器を封口するのに数ＫＷのレーザパワーをかけても封止速度１００ｍｍ／ｓが限界である。またアルミ容器強度確保に最低必要なアルミ容器厚と同等の０．５ｍｍ程度が限界である。【００１１】  その理由はレーザパワーを大きくしても、熱伝導型溶接では熱が表面に拡散するため溶け込み深さに限界がある。またレーザパワーを更に大きくすると表面温度が高温になり酸化してもろくなったり、アルミの沸点を超え小さな気泡が表面に発生しスパッタも発生し始める。また、大きな熱エネルギーが与えられるので、容器に変形やクラックを発生しうる。【００１２】  即ち熱伝導型溶接はこれらのいくつかの問題があり、また高価な高出力レーザも必要で、生産コストパフォーマンスは良くない。【００１３】  今後、車の電動化が数十倍以上に伸びていくと予想され、電池開発への参画競争が激化する中で、より高い強度、溶接品質の確保に加え、高速溶接が可能なコストパフォーマンスの高い溶接方式が必要である。【００１４】  一方、キーホール型溶接は高い溶け込みと高速溶接を同時に実現することから、原理的には上述した熱伝導型溶接のいくつかの問題点を解決し、溶接限界を超えられることができる。【００１５】  その原理を以下に説明する。キーホール型溶接はキーホール内でレーザビームの半分以上が封じ込められるために吸収効率が大幅に向上する。例えばアルミ容器の場合、波長１０７０ｎｍのファイバレ���ザに対しての吸収率は固体では僅か数％程度しかないが、液体になると数１０％に増加する。【００１６】  更にキーホールが発生するとキーホール内のレーザ多重反射封じ込め効果によりレーザ吸収率が８０％近くまで向上する。よってアルミ溶接の場合、キーホール型溶接は熱伝導型溶接に比べ倍以上の吸収効率が得られることがある。【００１７】  よってキーホール型溶接でありながら、スパッタの発生量を抑え容器内部にスパッタ混入しない高速・深溶け込みの方法が実現できると、上述した現状の車載用リチウム電池生産における熱伝導型溶接の全課題を一気に解決できることができる。【００１８】  特許文献２は半田づけ用途にてビームをウエッジ基板を用いて、２つのビーム間隔をｍｍ〜ｃｍオーダで大きく分割する方法である。【００１９】  ウエッジ基板でビームを分割する方法は公知であるが、任意の強度比に調整できるようにするために、ウエッジを可動できる方式を図２にて訴求されている。【００２０】  しかし部分的にウエッジでｍｍオーダで大きく分割するとモードが崩れて集光性が低下し、高集光なキーホール溶接ができなくなる。半田づけ用途では溶接ほど高いピークが不要であり、むしろデフォーカスしてビームを大きくして使用することが、ビーム品質が悪くても問題がないことが多い。【００２１】  しかし、レーザ溶接用途では、ビーム品質が低下して大きな集光サイズになると、大きなスパッタが発生するので、集光サイズが大きくならないようにしてキーホール溶接に不可欠な集光性を落さないようにしなくてならない。【００２２】  また、特許文献２の図２の構成では、ウエッジ基板を可動させることを目的としている為、ウエッジ基板を直接冷却できる構成でなく、又密閉された鏡筒内で熱がウエッジ基板に蓄積する構造になっている。【００２３】  この構成では半田用では熱的に耐えうるが、溶接用途では通常数十Ｗで使用されるレーザはんだに対し有効であるが、溶接は数ＫＷと１００倍以上のレーザパワーに耐えるレーザビームの分割光学系が必要となる。【００２４】  またはんだづけにおいてはキーホール型が不要である。ましてやキーホール型＋熱伝導型ははんだ用途では殆ど効果がない。【００２５】  特許文献３は回折格子を用いて２つのビームに分割したビームを用いて角型電池の蓋をする際に、２つのビームが常に接合界面に対象な位置に来る様に、回折格子を揺動回転させることで短辺も長辺も同じ位置関係で溶接できる方法である。【００２６】  しかし、角や直線部で変化する溶接速度や角の曲率に応じた揺動回転するには複雑な光学系と大変複雑な制御が必要となる。また回折格子を用いた分割手段は、まず回折格子の製作に大変なお金がかかる上、設計通りの性能を確保する為の設計や製造も難しく、ビーム特性が固定されるので柔軟な使い方もできない。【００２７】  また回折格子はフレキシブリティがなく、回折効率がどうしても７０〜９０％しかない。よって、高価な高出力レーザが必要になるばかりでなく、ＫＷ級では分散したビームが周辺に悪影響を与えることもある。【００２８】  非特許文献１は図１１に示すように突合せ溶接における溶接棒１１１を用いた溶接例である。接合界面１１２を挟んで２つのビーム１２３で予熱��た後、溶接棒１１１を第３のレーザビーム１１４で溶かしながら溶接することで、良好な溶接ができている。【００２９】  しかし、これら３つのビームは図１２に示すように、３本ファイバ１２１から生成している為、３つのビームの位置関係は固定されフレキシブルに溶接できない。また３本の特殊なファイバ１２１が必要であるといった問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】  本発明は上述した問題を全て解決して、実用上問題になる溶接欠陥の無い高速溶接を実現するものである。その為、通常スパッタを生じるキーホール型溶接に工夫を加え、スパッタを煙レベルまで微粉化して発生を抑え、更に原理的にスパッタが容器内部に混入させず、従来の熱伝導型より倍近い深い溶け込みを実現して接合強度をＵＰさせる。更に、数ＫＷ級の高パワーに耐える耐力を有する、フレキシブルなビーム構成が可能なレーザ封口装置を提供することを目的とする。【００３１】
【課題を解決するための手段】
【００３２】  上記目的を達成するために本発明の第１の手段は、１つのレーザビームを２つに分割する手段と、封止部の突合せ界面に沿って前記２つの集光ビームをキーホール状態で接合界面に対し、高速に平行移動する手段を設ける。【００３３】  その際、接合界面に集光ビームが入らないように、接合界面から等位置に２つの集光ビームを対称に配置することで、接合界面にレーザビームが当たらないので、接合界面にてスパッタを発生することを無くしている。【００３４】  また、数ＫＷもの強いレーザビームに耐えるビーム分割手段として、円周をアルミ性のねじリングと鏡筒筐体に挟むことで十分な放熱を施した１〜３ｍｍ厚の石英円形カバーガラスを集光レンズの前方に挿入している。【００３５】  この円形カバーガラスの片面を半月状に僅か１度以下の角度でテーパ状に精密平面研磨して両面ＡＲコートすることで殆ど分岐ロスが無く発熱も起こさずに、加工点にてサブｍｍの間隔なる２つのビームに分離している。更にキーホールを起こすのに不可欠な集光性を確保するために、２つに分割されたビームは集光点では、元のビームと同じサイズの円形集光形状になる性質を活用している。【００３６】  更にサブｍｍなる２つのビームの間隔は、極めて近距離であるので、発生したキーホールを熱源として溶融した金属が接合界面を表面張力によりロウ材のようにしみ込んで充填するのに好適である。また２分割したビームの集光点におけるスポットは５０μｍ以下の微小であり隙間へのレーザビーム漏えいを完全に防ぐことができている。【００３７】  よって発生したスパッタをシールドする役目も果たす。更に、５０μｍのスポットから発生するスパッタは通常５０μｍ以下であり、その殆どが混入しても問題にならないとされている２０μｍ以下のサイズにできる。【００３８】  またこれほど微小なスパッタは煙やヒュームの様な挙動をし、酸化防止の為に吹き付けられている窒素ガスで吹き飛ばすことができる。なお、吹き飛ばされる方向は容器の接合へのレーザ照射部から遠ざかる方向なので未封口の部位に入り込むこともない。【００３９】  上記目的を達成するために本発明の第２の手段は、長辺と短辺の開口部を有する角型形状容器に対し、開口部の短辺側溶接時に２つのレーザビームの方向を変えることなく、単にレーザ鏡筒を容器に数ｍｍ程度近づけ、デフォーカスしてシーム溶接することにより、従来の熱伝導型溶接を行うことができる。【００４０】  短辺では当然溶け込み深さはキーホール型溶接の半分程度になるが、通常短辺は長辺の数分の一の長さなので、容器耐圧試験では半分以下の溶け込み深さでも短辺から破損することは無い。容器耐圧試験では球状形状に変形するので最大応力の発生場所は長辺の中心部であり、長辺での溶け込みを深くすれば十分である。【００４１】  このように本発明では、短辺でビームを回転させることなく、簡単にレーザ鏡筒をデフォーカスするだけで通常の熱伝導型溶接で必要なスポットサイズである径０．６ｍｍを簡単に形成できる。なおこの形成原理については実施例で詳しく説明する。【００４２】  上記目的を達成するために本発明の第３の手段は、接合部にてキーホール溶接を起こす２つのレーザビームを包み込むように、熱伝導型溶接を起こす強度分布を有する第３のレーザビームを重畳する。この第３のレーザビームを重畳すると、２つのレーザビームでキーホール溶接している近傍を加熱して温度が上昇しているので、キーホールを熱源として周辺金属を溶融するのに必要な金属融点が広い範囲まで及ぶので、キーホール溶接状態を保ちながら溶け込み深さを更に大きくできる。【００４３】  また、予熱効果により、急激は金属沸騰による突沸を抑えスパッタの発生を低減できる。更に余熱効果により、溶融金属が液体でいる時間が増えるので、キーホールで発生した気泡は溶融金属が硬化するまでに大気に逃げる時間を確保できブローホールを無くし高品質な溶接が実現できる。
【発明の効果】
【００４４】  上述したように本発明によると、キーホール溶接で発生するスパッタ混入防止するばかりではなく、キーホール溶接で発生しうるボイドやクラック等の溶接欠陥をなくし、液漏れを起こさない欠陥のない高品質溶接を実現することが可能になる。【００４５】  更に従来の熱伝導型溶接に対し、同レーザパワーで倍速以上の高速度で生産できるので、電池の製造コストダウンによる普及効果で大気汚染削減にも貢献できる。また、高速度の溶け込み深さも同時実現することにより、車載電池容器の強度がアップするので車の発火事故を抑制する利点もある。【００４６】  また、最近では走行距離を伸ばす為やコスト削減の為に車載用角型電池の大型化が試みられている。熱伝導型溶接では前述したように溶け込み深さ０．５ｍｍの限界があり、あえて溶け込み深さを増やそうと溶接速度を落とすと溶接状態が不安定になる。【００４７】  この理由は実施例で詳細に説明する。また電池は大きくすると、長辺中央部の応力はサイズにほぼ比例して大きくなるので、この溶け込み深さ０．５ｍｍの限界により電池の大型化は難しいとされている。【００４８】  しかし、本発明により、倍以上の深い溶け込みになるので、現状より遥かに大きなサイズ２倍、体積では８倍以上の大型電池も可能になる【００４９】  更に、アルミや銅などの高い反射材料でも、キーホール溶接を起こすと吸収率がアルミの場合で約１０％から約８０％、銅においては１〜２％から数１０％に１桁近くＵＰするので、効率ＵＰするばかりでなく、更に半導体レーザによる熱伝導型溶接との重畳によりキーホール溶接を予熱＋徐冷効果によりボイド等の欠陥を削減し、スパッタを大幅に微小化して削減する効果もあり鏡面状態の高品質な溶接ビードも生み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】３つのレーザビームで加工する機能を有するレーザヘッドの構成図
【図２】２つのレーザビームに分離する光学系の構成と、半月型のビームが真円になる原理を示した図
【図３】２つのレーザビームで溶接している状態を示す図
【図４】２つのレーザビームに分離する別の光学系の構成図
【図５】戻り光がファイバに戻らない原理を示す図
【図６】斜め入射により、戻り光がファイバ型半導体レーザのファイバに戻らない原理を示した図
【図７】角型容器の長辺と短辺を溶接する際の、加工点における３つのレーザビーム状態を示した図
【図８】加工点の拡大図
【図９】キーホール溶接現象の説明図
【図１０】溶接速度とパワーの影響
【図１１】本発明によるアルミ容器以外のレーザ溶接応用事例
【図１２】図１１の事例における光学系
【図１３】集光レンズの基本集光状態図
【発明を実施するための形態】
【００５１】  以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する
【００５２】  図１は、本発明装置の１実施例の断面図である。ファイバレーザ１からのＮＡ＜０．１なるファイバレーザ光２はコリメートレンズ３でコリメート後に、斜めカット研磨されたウェッジ板４を通過後折り返しミラー５、６で反射され、ファイバレーザ１の例えば波長１０７０ｎｍを通過し、ＬＤレーザ７の例えば波長９１５ｎｍを反射するミラー８を通過後、集光レンズ９で集光すると、集光点１０では２つの例えばＧＡＰ＝０．３ｍｍで４０μｍの円形スポット１１が得られる。
【００５３】  一方、ＬＤレーザ７からのＮＡ＞０．１なるレーザ光１３は、光ファイバ１２から出射され、コリメートレンズ１４でコリメート後、角度調整できる折り返しミラー１５と、前記ミラー８で折り返され、前記ファイバレーザ光２と重畳後、集光点１０にて、前記２つの円形スポット１１を包みこむような例えば４００μｍのスポットサイズに集光され、３つのレーザ光を重畳したスポット１６が得られる。
【００５４】  ここで３つのスポットの位置合わせはＣＣＤカメラ１７を用いて、例えば、折り返しミラー１５の角度を変える等してなされる。
【００５５】  図２は半月状のウエッジ板２０を通過すると、集光点にて２つの真円ＳＰＯＴ１１が得られる過程を示した図である。ここでウエッジ板２０の形状、取り付け方向は図１に示されているウエッジ板４とは異なり、逆方向に取り付けているが、いずれも２点の真円に分離できる柔軟さを示している。
【００５６】  ウエッジ板２０を通過したばかり位置Ａ−Ａにおけるレーザ光２１は、通過前とほぼ同じ丸型であるが、集光レンズ９に入射する位置Ｂ−Ｂにおけるレーザ光２２は、僅かに２つの半月状に分離している。以降集光するにつれ位置Ｃ−Ｃでのレーザ光２３では角は丸くなり、更に集光した位置Ｄ−Ｄでは、丸い形状２４が表れてきて次第に強くなる。
【００５７】  そして，集光位置Ｅ−Ｅでは２つの真円スポット１１が得られる。この二つのスポット１１はそれぞれリチウム電池容器７０の蓋２５とケース２６のスポット１１によりキーホールを発生して周辺が溶融し、図３の様に進行方向２７に進みながらシーム溶接される。
【００５８】  次に円形ビームがウエッジ板２０により半月状のレーザ光２２に分離されても、集光点ではウエッジ板なしと同じ真円のスポットサイズが得られる原理を数式で説明する。
【００５９】  一般に図１３に示す様に、ビームサイズをＣ、集光角の半角をθ、焦点距離をｆとすると、集光点におけるスポットサイズω０は下記の式が成り立つことが数学的にすでにわかっている。
【００６０】
【数１】
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【００６１】  この式はビームサイズＣに比例してスポットサイズω０は大きくなることを意味している。
【００６２】  よって２分割して円形ビームを半月ビームにしても、長辺＝直径は元の円形ビームと同じビームサイズなのでスポットサイズω０と同じである。
【００６３】  また短辺＝半径のビームサイズは半分になるが、ビームサイズが半分になればスポットサイズは２倍に広がるので、半分ｘ２倍＝１でスポットサイズはω０と同じあるため、集光点は半月ではなくて、元の円形ビームと同じサイズのスポットサイズω０の真円形状が保持されることを意味している。
【００６４】  更に、半月でなくて任意の位置で２分割されても同じ原理でスポットサイズω０は変化しない。このことはウエッジ板で微小なスポットに２分割した場合、ビームモードが保存されることを意味している。
【００６５】  このことはファイバ溶接においては非常に重要であり、シングルモードファイバレーザはシングルモードを保存することを意味している。シングルモードが保存されることはアルミ容器からなるリチウム電池封口に置いては更に優れた効果がある。
【００６６】  即ちアルミの溶接においては、発生するスパッタやボイドはキーホール孔サイズと大きな相関がある。即ち、キーホールが小さいとこれらのスパッタやボイドは小さくなるので、シングルモードによるモードが保存されることは微小スポットが保持できることを意味し、良好な溶接となる。
【００６７】  更にウエッジ板にて２分割して２つのキーホールにすると、各キーホールのパワーを半分にできるので、パワー増加に伴い大きくなるスパッタやボイドは、２分割前の半分以下に抑えることができる。
【００６８】  また、２分割しても、２つの分離されたスポット間のＧＡＰが小さければ、アルミに吸収されるエネルギーは同じなので、２分割前とほぼ同じ溶融体積を得ることができる。
【００６９】  図４は図２の別の形態を示す。ウエッジ板２０は単にレーザ光の方向を変えるだけなので、図４（ａ）の様にウエッジ板２０を集光レンズ９の後に配置しても、図４（ｂ）の様にコリメートレンズ３の前に配置しても、２つのビームに分離されるのは自明である。
【００７０】  なお、本発明の目的は単に２つのビームに分離するだけではなく、ビームモードを崩さずにキーホール溶接を実現することであり、それを実現する構成と原理を考案したものである。
【００７１】  図５は例えば直径５０ｍｍの半月状のウエッジ板５０を直線部が向き合うように追加して２枚にした構成である。
【００７２】  この構成は特に銅やアルミの様な高反射体を溶接する場合に、生産上素晴らしい効果を発揮する。
【００７３】  リチウム電池の封口や銅電極溶接を行う場合、戻り光によりファイバ端面５１が焼けたり、レーザ内部まで戻り光が戻り、レーザ内部まで破損することがある。
【００７４】  しかしながら、図５のように２枚のウエッジ板を通過させて光軸を斜めにすることにより、戻り光は、ファイバ端面５１に戻らず、実線５２のような光路になるので、ファイバ端面５１を破損したり、戻り光が内部伝播してレーザ本体を破損することを防止できる。
【００７５】  図６は図１における半導体レーザ７のファイバ１２から加工点となる集光点１０迄の光軸を示す。６０はファイバ１２からのレーザ光軸であり、６１は集光点１０からの戻り光の光軸である。戻り光６１がファイバ端面６２に戻らないようにするには、折り返しミラーに角度調整機構を設け、４５度から少しずらすことにより容易に実現できる。
【００７６】  なお、集光点１０には斜め入射となり、垂直入射時の光軸６３よりｄだけずれる。
【００７７】  ここで図１の構成にてファイバレーザ光２を重畳する場合は、ＣＣＤカメラ１７で集光点１０を観察しながらｄだけずれた位置に２つに分離したファイバレーザのレーザスポット１１を集光点で重畳すれば良い。そうすると、ファイバレーザ１も半導体レーザ７共に、それぞれの光ファイバ１２、１７に戻り光が無い様に調整することができる。
【００７８】  図７は図１で示したファイバレーザ１＋半導体レーザ７を重畳したハイブリッドトーチ１８を用いてアルミ容器７０の蓋２５と箱２６を封口溶接した実験例である。
【００７９】  ファイバレーザ１から２分岐された各々３６μｍなる２つのスポット１１は、蓋２５と箱２６をＧＡＰ＝０．３ｍｍ離れて照射されている。
【００８０】  アルミ容器のサイズとして、肉厚は長辺０．６ｍｍ、  短辺０．５ｍｍ  、蓋厚２ｍｍであり、レーザスポットはファイバレーザのスポット３６μｍ×２点（２点間  ＧＡＰ＝０．３ｍｍ）に、９１５ｎｍ半導体レーザ３６０μｍが重畳され、溶接速度としては２００ｍｍ／ｓとなっている。
【００８１】  好適な結果が得られた実験結果を表１にまとめる。なお、表１において最低必要な基準数値は＞にて表記し、良品評価は以下の判断で行った。
◎：要求仕様を遥かに上回る、  ○：仕様パス、  △：仕様レベルで強度不足
【００８２】
【表１】
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【００８３】  表１に示す様に本発明の構成にて要求仕様を遥かに超える良好な溶接条件を見つけることができた。即ちこれまで観察されたことの無い様な、深い溶け込みを有する高品質で美しいアルミ溶接を実現することができた。
【００８４】  次に表２にて従来の熱伝導型との本発明に長辺溶接比較を示す。
【００８５】
【表２】
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【００８６】  表２に示す様に、本発明の方式では熱伝導型に比べ、速度２倍、レーザパワー１／２倍＝４倍、即ち４倍ものパフォーマンスが得られたばかりでなく深度０．９／０．６＝１．５倍もの溶け込み深さが得られた。
【００８７】  クラックの要因になるひけも無くせ、倍近い溶接強度を得ることができた。ここで４倍の生産性パフォーマンスばかりでなく、溶け込みも１．５倍に増えた理由を説明する。
【００８８】  アルミの熱伝道型溶接では、ファイバレーザの波長１０７０ｎｍでは吸収率は数％しかないが、キーホール型では、高輝度で深く溶け込むばかりでなく、キーホール内にレーザが封じ込められるので吸収率は数十倍になる。よって吸収効率が高くなるのでパフォーマンスが大幅に向上できる。
【００８９】  次に上記の好適な実験結果をもとに、理論的考察を行う前に、キーホール溶接現象について図９と図１０の「２００９年度レーザ加工学会春季セミナー資料集（２００９．５）」の内容について説明する。
【００９０】  低速時は単位時間当たりのレーザの吸収エネルギーが大きくなるため、キーホール９９周辺温度が高くなり溶融金属も増え、蒸発する金属も増えるのでキーホールが大きくなる。キーホール９９が大きくなると、キーホール９９先端でちぎれた気泡が大きな対流に巻き込まれた状態で凝固して大きなブローホール１００が発生する。
【００９１】  高速、高パワー時は、集光性をあげて高輝度で高速に移動することにより、安定した小径のキーホール９３となり、プルームと呼ばれる金属蒸気９７を安定して高速で排出することで、スパッタ９５やポロシティ９６の発生を抑えることができる。しかし溶け込み深さが浅くなる欠点があった。
【００９２】  本発明の一実施例では、上記図９の４の状態にして、更に図８の第３のビーム１６を２つのキーホール１１を包み込むようにして全体を温度を上昇させる予熱効果により図９の４の溶接状態を保持しつつ、キーホールを相似形状で拡大させることができた。
【００９３】  そのためスパッタ９５の発生を抑制しつつも溶け込みを深くでき、ＰＲＯＳＩＴＹ９６を抑制した欠陥のない高速・高品質・高強度そろった理想的な溶接が実現できることが実験で確認することができた。
【００９４】  更に万一表面に異物があるなど異常な状態でスパッタが発生しても、接合界面にはキーホール９３がないのでスパッタ９６が発生することはなく、接合界面からスパッタ９６が容器内部に侵入することは原理的に無くすことができる。
【００９５】  また、図７に示すように、量産時においては容器２６と蓋２５の間には隙間Ｓや段差ばらつきがどうしても発生するが、２つの高輝度レーザビーム１１が接合界面の隙間に外部にある位置に設定することで、キーホール９３を熱源として溶融した金属どうしがはんだづけの様に交じり合うので、隙間Ｓが大きくても封口ができる。
【００９６】  また、第３のビーム１６の余熱効果により溶融した金属が固まる時間を長くすることができるので、その間に気泡１０１が抜けるためブローホール９６の発生が抑制されていることが上記実験により検証できた。
【００９７】  次に本発明の１実施例のおける量産に向けた課題とその解決策を理論的に示す。
【００９８】  図８の接合界面Ｃにてキーホール型溶接を起こす従来の方式では、キーホール溶接で発生したスパッタ９５が隙間から抜け、アルミ容器７０内部に入ることは防ぐことはできない。
【００９９】  しかし本発明の１実施例では、蓋２５と容器２６の接合部２７ではなく、接合界面Ｃから離れた位置で、貫通しないキーホール９３を発生せしめるので、キーホール９３から、生み出されたスパッタ９５は容器２６から離れる方向に飛んでいく。
【０１００】  よってレーザ照射軌跡がずれて接合界面Ｃにレーザ光１１が照射される等のレーザ溶接異常がない限り原理的に容器内２６に入ることはない。
【０１０１】  なお、スパッタも数１００μｍを超える大きなものになると、最大隙間５０μｍに管理されたアルミ容器７０内部には物理的に入りこまないが、重くて体積も大きいので、溶融状態のままアルミ容器７０やアルミ容器７０を位置規制する治具に付着して、レーザ照射位置ずれを起こす可能性がある。
【０１０２】  しかし本発明では原理上スパッタサイズが４０〜５０μｍ以下の煙状の急速固化されたヒュームになるので溶融付着しない。また、リチウム電池内部の異物は５０μｍ以下であれば安全とされているので、万一最大５０μｍの隙間から入り込んでも安全内である。
【０１０３】  なお、キーホール溶接で発生するスパッタのサイズやブローホールのサイズは、スポットサイズが小さくなるにつれ同様に小さくなる傾向があり、レーザパワーを落とすとスポットサイズより小さくできることを実験で確かめた。
【０１０４】  よってキーホールを発生するビームに対し、第三の熱伝導型ビーム１６のパワーを大きくすることで、相対的にキーホールを生じる２つのレーザビーム１１のパワーを低くすることができ、３つのレーザパワー比率を最適にすることで２００ｍｍ／ｓなる高速・深溶け込み溶接にて、鏡面なる美しく安定した溶接ビードを得ることができた。
【０１０５】  次に本発明の１実施例にて、スパッタやブローホールのサイズが４０μｍ以下が実現できた理由を考察する。
【０１０６】  キーホール溶接においては、物理的に下記大小関係が成り立つ。
レーザスポットサイズ≧キーホール口サイズ≧スパッタサイズ≧ブローホールサイズ
【０１０７】  この理由を再度図９を用いて説明する。図９の４は高速キーホール溶接時に挙動を示している。高速キーホール溶接時はレーザビーム９１がアルミ等の金属９２に高輝度で照射されると金属９２の沸点を超えて気化した一部の場所が、キーホール９３になる。よってレーザスポットサイズ９４≧キーホール口サイズとなる。
【０１０８】  スパッタ９５はキーホール９３の内部で溶融した金属９８が、液体から気体に変態する際の体積膨張で噴き出されたもので、当然キーホール口サイズ９４≧スパッタサイズ９５になる。
【０１０９】  ブローホール９６はＰＯＲＰＳＩＴＹとも呼ばれるが、キーホール先端９５で発生したプルームと呼ばれる金属蒸気９７がキーホール９３から排出される前に冷却固化されて形成されたものである。キーホール先端１０１はキーホール口９７のサイズよりはるかに小さい。よって発生するブローホール９６のサイズはスパッタ９５より小さい。
【０１１０】  上記により、本発明の一実施例のようにスポットサイズを４０μｍにすると、式１によりスパッタ９５もブローホール９６もいずれも４０μ以下にできる。
【０１１１】  リチウム電池封口においてはスパッタ９５もブローホール９６も５０μｍ以下となる。よってスパッタ混入防止できる。また万一隙間が、何らか不具合で５０μｍを超えて、容器内部に入り込んでも前述した様に５０μｍ以下では品質に問題を与えることはない。
【０１１２】  なお、僅かに発生するスパッタ９５を分析すると、窒素アシストガスで除去できる４０〜５０μｍ以下の微粉的なものであった。
【０１１３】  そのような微粉的なスパッタ９５なので、定期クリーニングによりアルミ容器７０を固定する治具に付着して溶接位置ずれを起こすことがように管理できる。また。ブローホール９６も５０μｍ以下なら小さすぎて溶接強度には問題にならないので、高品質な高速溶接が実現できていると考えられる。
【０１１４】  量産においてはいろんな位置ばらつきが発生する。例えば図８に示す様に、蓋２５と箱２６の隙間Ｓは０〜最大５０μｍ程度ばらつく。
【０１１５】  また、アルミ容器７０自体も最大±０．０２５ｍｍ、レーザ照射軌道も最大±０．０２５ｍｍばらつく。よってウエッジ板４にて２分岐された
【０１１６】  ３６μｍ±１０なるスポット１１のＧＡＰ＝３００〜３５０μｍ中心に、隙間Ｓの中心Ｃをあわした場合のスポット１１と隙間Ｓまでの最短距離尤度Δ（μｍ）を下記に示す。
【０１１７】  Δ＝（ＧＡＰ３００―スポット５０−隙間５０−容器５０−軌道５０）／２＝５０μｍとなり、３６μｍ±１０なるスポット１１と比較して十分な尤度を確保することができる。
【０１１８】  よって量産時の最大ばらつき時でもキーホールを起こる高輝度レーザ光が隙間からアルミ缶内部に入りこんで、内部のセパレータ等の樹脂に熱損傷を与えることはない。
【０１１９】  更にキーホールを起こさない光密度を有する半導体レーザ光１６を重畳させると、好適な条件では予熱と徐冷効果により、前述した様に、見たこともない美しい鏡面ビードを得ることができた。
【０１２０】  また、スパッタの発生も劇的に抑えることができた。なお実験結果において、アルミ容器７０の長辺２８は上述したキーホールを起こす２つのスポット１１と１つの熱伝導型ビームのスポット１６との重畳であるが、短辺２９は同じ方向でデフォーカスするだけで鏡面のビードを得ることができた。
【０１２１】  なお、短辺２９は応力集中量が長辺２８より遥かに小さいので溶け込み深さが浅くても膨張試験に耐えることができるので、短辺２９溶接時に極端にパワーを上げる必要がない。
【０１２２】  また、２つのスポット１１は接合界面Ｃから最大５０μｍずれた位置なので、ばらつきを加味しても原理上スパッタ９５が内部に入り込まない。
【０１２３】  このことは従来の４〜６ＫＷかけ６０〜１００ｍｍ／ｓと比較的ゆっくりと溶接する熱伝導型溶接［特許文献１］と比較すると、速度２倍、パワー半分なので４倍のパフォーマンスになる。
【０１２４】  更に前述した様に、接合部にてキーホール溶接を起こす２つのスポット１１を包み込むように、熱伝導型溶接を起こす強度分布を有する第３のレーザビームのスポット１６を重畳すると、前述したように、与熱効果により急激な突沸によるスパッタ発生を抑制できる。
【０１２５】  また、２つのスポット１１によりキーホール溶接している近傍を加熱して温度が上昇しているので、キーホール９３を熱源として周辺金属を溶融するのに必要な金属融点が広い範囲まで及ぶので、キーホール溶接状態を保ちながら溶け込み深さを更に大きくできる。
【０１２６】  また、予熱効果により、急激は金属沸騰による突沸を抑えスパッタ９５の発生を低減できる。更に余熱効果により、溶融金属が液体でいる時間が増えるので、キーホール９３で発生した気泡１０１は溶融金属が硬化するまでに大気に逃げる時間を確保できブローホール９６を無くし高品質な溶接が実現できる。
【０１２７】  本発明はリチウム電池用の封口だけでなく、リチウム電池の集電体を高品質に接合することもできる。
【０１２８】  本発明の一実施例によると、２つのキーホールに分かれていることにより幅の広い深い溶け込み形状になる。
【０１２９】  前記２つのキーホール近傍に溶融している範囲が広いため、従来では不可能であったリチウム電池の銅箔集電体と直交する銅電極に第３の熱伝導型ビームも重畳し、溶融した電極金属に銅箔端面を表面張力にて接触融着することができる。
【０１３０】  接合界面にはレーザが直接的にあたらないので箔溶断を防止でき、レーザ照射による箔損傷やスパッタ発生を抑え、高品質に溶接することができる。
【０１３１】  また、本発明はリチウム電池用のだけでなく、前述した図１１に示す非特許文献１は突合せ溶接における溶接棒１１を用いたろう付け溶接も３本のファイバ１２１を束ねた特殊なファイバを制作しなくても、単に第２のスポット１６の照射位置をずらすだけで実現できる。
【０１３２】  また、第３のレーザスポット１６を送る光ファイバ１２も四角断面に変えることで四角スポットが得られる等フレキシブル対応で、より多くの形状・サイズに簡単に対応することができる。
【符号の説明】
【０１３３】  ４・・・斜めカット研磨されたウェッジ板
１１・・・２つの円形スポット
１５・・・角度調整できる折り返しミラー
１６・・・３つのレーザ光を重畳したスポット
１８・・・ファイバレーザ１＋半導体レーザ７を重畳したハイブリッドトーチ
２０・・・半月状のウエッジ板
２５・・・蓋
２６・・・箱
７０・・・アルミ容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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