(57)【要約】【課題】レーザー溶接による金属板と金属箔体の接合で生じる金属板の反りを抑制することが可能なレーザー溶接方法を提供する。【解決手段】金属板と金属箔体を接合するレーザー溶接方法において、前記金属板の中心部から放射状の二本以上の溝を前記金属板の表面および裏面の互いに重ならない位置に形成する工程と、前記金属板の表面と前記金属箔体の端部とを接触させ、前記裏金属板面の表面をレーザー光で溶融する工程と、前記金属板と前記金属箔体とを接合する工程と、を含むレーザー溶接方法。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と金属箔体を接合するレーザー溶接方法において、
前記金属板の中心部から放射状の二本以上の溝を前記金属板の表面および裏面の互いに重ならない位置に形成する工程と、
前記金属板の表面と前記金属箔体の端部とを接触させ、前記裏金属板面の表面をレーザー光で溶融する工程と、
前記金属板と前記金属箔体とを接合する工程と、を含むレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記レーザー光が、半導体レーザー光である、請求項１に記載のレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記金属板が、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される、請求項１または２のいずれかに記載のレーザー溶接方法。
【請求項４】
前記金属箔体の端部が、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される、請求項３に記載のレーザー溶接方法。
【請求項５】
請求項１のレーザー溶接方法により形成された接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板をレーザー光により溶接して被着体と接合するレーザー溶接方法、及び、前記溶接方法により製造される接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属板を溶接する際に、レーザー光を利用したレーザー溶接法が利用されている。この溶接法では、レーザー発振器で発振されたレーザー光線を集光レンズで適切なサイズに集光してエネルギー密度を高めることで、金属板を溶融して溶接を行う。
【０００３】
レーザー光を照射し、金属板を溶融した面に接合させる被着体である金属箔体の端部を溶接する。接合する金属板の表面には、突出する凸状部とそれ以外の平坦部を有し、凸状部と金属箔体の端部が密着するように金属板を配置し、凸状部にレーザー光を照射して溶接させる方法が報告されている（特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８２８８０４号公報
【特許文献２】特許第３８２８８０５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、金属板と金属箔体を接合する際、金属板の表面と金属箔体の端部を接触後に、金属板にレーザー光を照射すると、金属板は反りが生じて変形する。また、金属板の凸状部にレーザー光を照射することは、平坦部以上にレーザー光のエネルギー密度を上げる必要がある。そのため、高いエネルギー密度でレーザー光を金属板に照射することになり、出力の大きいレーザー発振器を用いる方法や、焦点距離の短い集光光学系を用いて集光スポットの径を小さくする方法などが考えられる。しかし、前者の方法はエネルギーの利用量が増大するため経済的に好ましくなく、後者の方法は焦点距離が短くなるため、スパッタによる集光光学系の汚損や損傷の危険性が高まる。
【０００６】
金属板が溶接中の反りにより変形すると、一部で金属板の表面と金属箔体の端部が接触できず、溶接できないという問題が生じる。また、変形したまま溶接すると、その接合強度は弱く信頼性に乏しい。また、得られた金属板と金属箔体の接合体を電池やコンデンサ等の蓄電素子の部品として使用する場合、体積の増加につながる場合が考えられ、体積あたりのエネルギー密度が低下するという問題がある。
【０００７】
以上のとおり、金属板と金属箔体を溶接するためにレーザー溶接を使用するには、溶接中に生じる金属板の反りによる変形を抑制することが課題であった。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、溶接中に生じる金属板の反りによる変形を抑制することで、信頼性の高い溶接が得られるレーザー溶接方法、並びに、当該溶接方法により製造される接合体、及び、当該接合体を用いた蓄電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らが検討したところ、金属板の表面と裏面に溝を複数本形成すると、溶接時の反りによる変形を抑制できることを見出した。なお、本願の金属板の表面および裏面とは、金属箔体と接合する面を表面、表面と対極し金属箔体と接合しない面を金属板の裏面と定義する。
【００１０】
すなわち、本発明は、金属板と金属箔体を接合するレーザー溶接方法において、前記金属板の中心部から放射状の二本以上の溝を前記金属板の表面および裏面の互いに重ならない位置に形成する工程と、前記金属板の表面と前記金属箔体の端部とを接触させ、前記裏金属板面の表面をレーザー光で溶融する工程と、前記金属板と前記金属箔体とを接合する工程と、を含むレーザー溶接方法。
【００１１】
金属板の表面と裏面に溝を複数本形成することで、応力が緩和され、溶接時の金属板の反りによる変形が抑制されると考えられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザー接合方法によれば、レーザー光の照射による金属板の反りを抑制することができるので、金属板の表と金属箔体の端部を接触させた際に生じる未接合な箇所を有しない。そのため、得られた金属板と金属箔体の接合体を電池やコンデンサ等の蓄電素子の部品として使用する場合、体積増加を防ぎ、信頼性の高い蓄電素子を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のレーザー溶接方法のフローチャート
【図２】本発明の実施形態における溝方向に対して垂直な方向から切断した切断面図
【図３】本発明の実施形態における溶融工程を示す拡大断面図
【図４】本発明の実施形態における電極の構成図
【図５】本発明の実施形態における電極群の斜視図
【図６】図５に示す電極群のＩｂ領域における縦断面図
【図７】本発明の実施形態における金属板の構成図（ａ）金属板の表面の平面図（ｂ）金属板の表面から裏面の幅方向の断面図、（ｃ）金属板の裏面の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に基づいて本発明のレーザー溶接方法を具体的に説明する。図１は、本発明のレーザー溶接方法の手順を示すフローチャートである。
【００１５】
本発明のレーザー溶接方法では、形成工程１０１で金属板の表面および裏面に溝を金属板の中心部から放射状に同間隔で形成する。ただし、溝は金属板の表面と裏面で互いに重ならない位置に形成する。金属板を形成した溝方向に対して垂直な方向から切断した切断面を図２に示す。互いに重ならない位置とは、図２のように金属板の表面、裏面に形成した溝がずれていることを意味する。金属板に形成される溝の位置が表面、裏面で重なると、溶接前に金属板の表面と金属箔体の端部の間に空間ができ、金属板と金属箔体を接合することができない。溝の本数については限定せず、２本以上形成するのがよい。溝が１本だと金属板の表面および裏面の平面において、溝を形成していない箇所の金属板と金属箔体の接合部が反ってしまうと怖れがある。
【００１６】
表面、裏面で同じ本数の溝を形成すると、金属板の作製における管理が容易になるので好ましい。また、溝の幅、長さ、深さについても限定せず、金属板の強度が保てればよい。溝の深さは特に限定されないが、あまり深くなると、特に金属板が薄物である場合に、欠損等の問題が生じる恐れがある。そのため、金属板の表面から裏面までの幅である厚みの半分以下程度が好ましい。溝の形成方法は研削加工により行い、刃の断面形状にする。研削加工（森機工商会）はダイシング処理が簡便で好ましいが、これに限定されない。ダイシング処理は、金属製の円盤状の刃を高速回転させて、金属板の表面および裏面を削り取る方法である。
【００１７】
金属板の表面は、レーザー光を照射することで溶融するので、金属から構成されているのがよい。レーザー溶接に適した金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鋼鉄等が挙げられる。好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される部材である。
【００１８】
次に、接触工程１０２において、金属板の表面と金属箔体の端部を接触させる。接合工程１０４が速やかに実施できるようにする。図３で示すように金属板２の表面４に金属箔体１を接触させておくか、又は、近接させておくことが好ましい。
【００１９】
接触後、溶融工程１０３において、金属板の表面にレーザー光を集光して照射スポットを形成し、金属板の表面を溶融させる。照射スポットは、金属板の表面に形成した溝に形成するのがよい。溝にレーザー光を照射することで、レーザー光が多重反射効果をもたらす。この効果により、低エネルギーでの金属板の溶融が可能になるので、エネルギーコストの観点からも好ましい。
【００２０】
レーザー溶接で使用されるレーザー光としては、半導体レーザー光、ＹＡＧレーザー光、炭酸ガスレーザー光等が挙げられるが、スパッタの発生量が少ない、半導体レーザー光が好ましい。金属板を構成する金属が、アルミニウムやアルミニウム合金である場合には半導体レーザー、鉄や鋼鉄の場合にはＹＡＧレーザーまたは炭酸ガスレーザーが適している。
【００２１】
溶融する金属板の表面がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される場合、半導体レーザー光の波長は７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。この波長域では、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなる金属板の表面での光吸収率が高いため、効率良くレーザー溶接を実施することができる。より好ましい波長域は、８００ｎｍ以上９５０ｎｍ以下である。一方、７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長領域外の半導体レーザー光では、照射すると金属の溶融物が飛散し、本発明のレーザー溶接を電池に用いた場合、電池のデバイス内に金属溶融物が混入し、短絡を引き起こす原因となる。
【００２２】
溶融工程１０３後、接合工程１０４において溶融した金属板２の表面に金属箔体１の端部を接触させて接合する。これにより金属板２と金属箔体１の接合体１４が製造される。
【００２３】
本発明の金属板と金属箔体の接合体には、金属板と金属箔体の端部の界面に金属板の表面に形成した溝による空間が設けられる。そのため、得られた接合体を、蓄電素子の部品として使用する場合には、空間に電解液が含浸され、蓄電素子の電気特性が向上する。なお、蓄電素子に本願の接合体が用いられる場合、金属板が集電板、金属箔体が集電体に相当する。
【００２４】
接合する金属箔体１を構成している被着体は、端部が金属から構成されるものがよい。特に金属板がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される時には、被着体の端部もアルミニウム又はアルミニウム合金から構成すると、金属板および被着体の両者が溶融して金属結合するので接合強度が向上するため好ましい。各々のアルミニウム又はアルミニウム合金は同一の組成を持つものでもよいし、異なる組成を持つものでもよい。
【００２５】
特に、被着体は全体が金属のみから構成されるフィルムであってもよいし、被着体の支持体が樹脂フィルムであり、金属板と接合する端部のみ、または端部および他の表面に金属層が形成された積層フィルムであってもよい。金属板との端部を形成している金属箔体の厚みは特に限定されないが、およそ６〜１００μｍ程度であってよい。
【００２６】
本発明の溶接方法により得られた接合体１４では、金属板２の表面４および裏面５に形成された溝により、従来の接合方法により得られた接合体１４と区別することができる。
【００２７】
以上により得られた接合体１４を、蓄電素子としてコンデンサに使用する場合の形態を説明する。
【００２８】
接合体１４では、被着体として金属からなるフィルム使用し、金属板２と接合する。図３に示すように金属板２の表面４に、金属箔体１の端部を接合した状態を示した。金属板２は、アルミニウム合金からなる集電板であり、金属箔体１は、アルミニウム合金箔からなる集電体である。レーザー光８は、金属板２の裏面５側から照射し、裏面４上で照射スポットを形成する。
【００２９】
図４は、被着体として金属箔体がアルミニウム箔からなる一対の電極７、７０の構成を示す平面図である。電極７、７０の表裏両面の捲回方向一端には、活性炭とバインダーを主体とした分極性電極層９、９０が塗布され、他方の端には、アルミニウム箔の露出領域８、８０が形成されている。一対の電極を積層する際には、電極７の捲回方向一端の片面、及び、電極７と電極７０との間にセパレータ１１を配置し、さらに、電極７におけるアルミニウム箔の露出領域９と、電極７０におけるアルミニウム箔の露出領域９０はそれぞれ反対方向を向く方向で、分極性電極層８、８０とは重ならないように積層される。
【００３０】
図５は、この積層体をコンデンサ中で捲回した電極群１０を示す。積層体の積層が床に対して垂直になるように電極群１０を設置した時、床に接する面を電極群１０の下部端面、もう一方の端は上部端面とする。の上部端面と下部端面のそれぞれの上面に電極群１０は、捲回した電極７，７０およびセパレータ１１からなる。セパレータ１１としてはポリプロピレンやクラフト紙等を使用できる。
【００３１】
図６は、図５に示すＩｂの領域における縦断面図である。積層体は、両端にセパレータ１１を配置し、セパレータ１１、電極７、セパレータ１１、電極７０の順に積層されている。
【００３２】
図７（ａ）は金属板２の表面４の平面図、図７（ｃ）は、金属板２の裏面５の平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）および図７（ｃ）の一点差線であらわした箇所の断面図である。図７（ａ）および図７（ｃ）に示すように金属板の２の表面４裏面５には２本以上の溝１２を形成する。円板状のアルミニウム合金からなる金属板（集電板）の円状の面が電極群１０の上部端部および下部端部と接するようにそれぞれ設置する。
【００３３】
電極群１０は捲回体でなく、所定のサイズとした第一の電極、セパレータ、第二の電極、及び、セパレータを複数組積層した積層体でもよい。この場合のアルミニウムの金属板（集電板）の形状は円板状ではなく、接合する積層体の端部形状に合わせることができる。他の形状としては、例えば長方形などがあげられる。図７（ｂ）に示すように金属板２の表面４および裏面５には、貫通する孔１３が開いていてもよい。また、多数の孔が開いていてもよい。よって、アルミニウム集電板はパンチングメタルやラスメタルでもよい。孔は、金属板２の表面４および裏面５の互いに重なる位置に形成されているのがよく、孔同士は連結していないのが好ましい。更に、アルミニウム箔８．８０や分極性電極層９，９０を形成した電極層に、１個又は多数の孔を開けることもできる。いずれも、電極群１０と集電板とを接合した後に、電解液が電極群１０に充分浸透することを目的とするものである。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明する。本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
金属板であるアルミニウム集電板に、中心から放射状に３本、幅０．３ｍｍ、長さ１３ｍｍ、深さ０．３ｍｍの溝が等間隔に金属板の表面および裏面に重ならないように形成したものと、形成していないものとを用意した。各々の溝を形成した金属板を金属箔体であるアルミニウム箔の捲回体の端部に溶接して、その接合状態を比較した。具体的な手順を以下で説明する。
【００３６】
アルミニウム集電板は、アルミ１０５０合金製からなり、直径２８ｍｍ、厚み０．８ｍｍの円形の板であり、図７（ｂ）に示すような中央に直径６ｍｍの集電板の裏面と表面に貫通している孔１３が開いている。このアルミニウム集電板に対して研削加工（森機工商会）を行い、中心から放射状に溝を２本、３本、４本、それぞれアルミニウム集電板の表面および裏面に形成して３種類の集電板を作製した。なお、アルミニウム集電板の表面および裏面に形成した溝は互いに重なることなく、等間隔になるように形成した。
【００３７】
被着体は、金属箔体として用いるアルミニウム箔として日本製箔社製のアルミ１０５０合金（厚み１５μｍ、幅１５ｃｍ、長さ１ｍ）と、支持体であるタピルス社製のポリプロピレン製布織布（厚み１００μｍ、幅１２ｃｍ、長さ１ｍ）を、重ねて捲き、テープで固定して捲回体として作製した。
【００３８】
被着体を治具で固定し、その上にアルミニウム集電板を治具で固定し、アルミニウム集電体と被着体を接触させた。治具は、アルミニウム集電板を捲回体の上部に固定できるようなものであればよい。今回使用した治具は自前で設計、作製したものを使用した。
【００３９】
固定したアルミニウム集電板の裏面に波長９４０ｎｍの半導体レーザー光（半導体レーザー装置Ｌ１システム、エンシュウ株式会社製）を形成した溝に照射した。半導体レーザーは、出力１．８ｋＷ、０．６秒間照射した。この照射を合計４箇所のアルミニウム集電板の裏面に行った。
【００４０】
（評価）
アルミニウム集電板の表面および裏面に形成した溝の本数が２本、３本、４本と溝がないものをそれぞれ５個ずつ、合計２０個を作製した。これらのアルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の端部との接合を試みた。接合の状態は、アルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の端部とが接触する箇所の空間の有無と、アルミニウム集電板の変形の有無を目視によって確認した。結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
確認の結果、溝の形成本数がアルミニウム集電板の表面および裏面に各２本形成したものについては、わずかなアルミニウム集電板の変形が形成したサンプルの５個中２個に確認された。アルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の端部との接合部の反りも形成したサンプルの５個中２個に確認された。溝の形成本数がアルミニウム集電板の表面および裏面に各３本形成したものについては、わずかなアルミニウム集電板の変形が形成したサンプルの５個中１個に確認された。アルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の端部とのとの接合部の反りも形成したサンプルの５個中１個に確認された。溝の形成本数がアルミニウム集電板の表面および裏面に各４本形成したものについては、わずかなアルミニウム集電板の変形および、アルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔被着体との空間は確認されなかった。溝をアルミニウム集電板の表面および裏面に形成していないものについては、アルミニウム集電板の変形が形成したサンプルの５個中５個に確認、アルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の端部との接合部の反りも形成したサンプルの５個中５個に確認された。
【００４３】
以上より、アルミニウム集電板の表面および裏面に溝を各２本以上形成すると、溶接時の金属板の反りによる変形を抑制できることが分かる。反りを抑えることは、金属板の表面と金属箔体の端部との間に空間を有することなく接触を保つことができ、溶接が確実に行えることがわかった。なお、金属板に形成する溝は、金属板の表面および裏面が互いに同じ本数の溝を形成していてもよいし、異なる本数の溝を形成していてもよい。
【００４４】
以上により、金属板の表面にレーザー光を照射して金属板の表面と金属箔体の端部を接合する際、金属板の表面と裏面に互いに重ならない位置に溝を形成することによって、金属板の反りを抑制できる。そのため、金属板の表面と金属箔体の端部との間に未接合箇所を有さない接合体を形成することができ、信頼性の高いレーザー溶接方法を提供することができる。特に、得られた接合体を電池やコンデンサ等の蓄電素子の部品として使用する場合、体積増加を防ぎ、信頼性の高い蓄電素子を提供することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、レーザー溶接一般に使用することができるが、特に、リチウムイオン二次電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、アルミ電解コンデンサの製造時に適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１    金属箔体
２    金属板
３    端部
４    金属板の表面
５    金属板の裏面
６    レーザー光
７，７０    第一電極および第二電極
８，８０    アルミニウム箔
９，９０    分極性電極層
１０    電極群
１１    セパレータ
１２    溝
１３    孔
１４    接合体
【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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