(57)【要約】【課題】溶接不良をより低減することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】回折光学素子によりレーザ光を注入口５と封止キャップ４との溶接部分の形状に成形し、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射する、レーザ溶接方法。これにより、被溶接部分に形成される溶融池が乱れるのを防ぐことができ、溶融池が乱れることに起因する溶接不良を低減することができる。よって溶接不良をより低減することができる。【選択図】図４
2015147219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子によりレーザ光を被溶接部分の形状に成形し、
デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射する、レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池には、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、二次電池等がある。中でも、電気を駆動源として利用する車両に搭載される電源、或いはパソコンや携帯端末その他の電気製品等に用いられる電源として二次電池の重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池等の密閉型電池は、車両搭載用高出力電源として好ましい。
【０００３】
一般に、リチウムイオン二次電池は、正極シート、セパレータ、負極シートを捲回して電極体を作製する電極体作製工程と、当該電極体を電池ケースの中に収容し、電池ケースの開口部に封口体を嵌合する組み立て工程と、電池ケース内部に電解液を注入する電解液注入工程と、を経て製造される。
【０００４】
また、電解液注入工程では、封口体に設けられた注入口から電解液を注入した後、当該注入口に対して封止キャップをレーザ溶接する。具体的には、図７に示すように、注入口５０と封止キャップ４０との溶接部分に対してレーザ光を一周走査することにより、注入口５０を封止キャップ４０により封止する。この際、レーザ光の走査部分が一部重複するように、レーザ光は走査開始位置から一周走査した後、当該走査開始位置を超えて所定距離走査される。そのため、走査開始位置と走査終了位置との間には、レーザ光が２回走査されて２度溶接される部分（重複部分）が生じる。この２度溶接された部分において、ボイドやブローホール等の溶接不良が発生するという問題がある。
【０００５】
そこで、本願発明者は、回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）等を用いてレーザ光を注入口と封止キャップとの溶接部分と略同形状となるように成形して照射すれば、レーザ光が２回走査されることによって生じる溶接不良を回避できることを見出した。
特許文献１には、棒状突起物をランド部にレーザ溶接する際に、棒状突起物がレーザ光によって熱的損傷を受けるのを防ぐため、レーザ光を円環状に照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１０５１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、一度にキーホール溶接程度のエネルギーでレーザ光を溶接部分に照射すると、溶接部分に形成された溶融池が乱れ、溶け込み品質が不安定となり、アンダーフィル、クラック、ボイド等の溶接不良が発生してしまう。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、溶接不良をより低減することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかるレーザ溶接方法は、光学素子によりレーザ光を被溶接部分の形状に成形し、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射するものである。
【００１０】
本発明の第１の態様にかかるレーザ溶接方法によれば、光学素子によりレーザ光を被溶接部分の形状に成形するため、レーザ光が重複して照射されることによって生じる溶接不良を回避することができる。また、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射するため、被溶接部分への入熱量を徐々に増大させることができる。これにより、被溶接部分に形成される溶融池が乱れるのを防ぐことができ、溶融池が乱れることに起因する溶接不良を低減することができる。よって溶接不良をより低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
溶接不良をより低減することができる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】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとの溶接部分を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるレーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるレーザ溶接方法、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法、従来のレーザ溶接方法の溶接不良率を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるレーザ溶接方法、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法、従来のレーザ溶接方法の溶け込み深さを示すグラフである。
【図７】従来のレーザ溶接方法を説明する、リチウムイオン二次電池の注入口と封止キャップとの溶接部分を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池１００の斜視図である。図１に示すように、リチウムイオン二次電池１００は、電極体（図示省略）を収容する電池ケース１、封口体２、電極端子３、封止キャップ４等を備えている。
【００１４】
電極体は、正極シートと負極シートとが、セパレータ（図示省略）を介して積層されたものである。また、電極体は、扁平形状に捲回されて、電池ケース１内に収容される。
【００１５】
電池ケース１は、扁平な箱状の部材である。そして、電池ケース１内部には、捲回された電極体と、非水電解液が収容されている。
また、電池ケース１は上面が開口されている。そして、封口体２は、電池ケース１の開口部に嵌合している。換言すれば、電池ケース１と封口体２とは、リチウムイオン二次電池１００の筐体を形成する。
【００１６】
また、封口体２には、電極端子３が取り付けられている。また、封口体２には、電池ケース１内部に電解液を注入するための注入口５が設けられている。
なお、電池ケース１と封口体２とは、金属製である。
【００１７】
電極端子３は、正極端子及び負極端子であり、封口体２に取り付けられている。また、電極端子３は、電池ケース１内部において、電極体と電気的に接続されている。電極端子３は導電性材料により形成されている。
【００１８】
封止キャップ４は、封口体２の注入口５にレーザ溶接される。これにより、注入口５を封止キャップ４により封止する。
【００１９】
図２は、リチウムイオン二次電池１００の注入口５と封止キャップ４とを示す斜視図である。また、図３は、リチウムイオン二次電池１００の注入口５と封止キャップ４との溶接部分を示す上面図である。図３において、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法により成形されたレーザ光が照射される部分をハッチングで示す。
図２、図３に示すように、リチウムイオン二次電池１００の注入口５は、略円形形状となっている。また、封止キャップ４は、同様に、平面視略円形形状となっており、封止キャップ４の径は、当該注入口５の径よりも若干大きい。
なお、当該注入口５の形状及び封止キャップ４の平面視形状は、略円形に限定されるものではなく、略三角形状、略四角形状、その他の多角形形状、楕円形状であってもよい。
【００２０】
また、封止キャップ４は、アルミ等のレーザ溶接可能な金属により形成されている。封止キャップ４に用いることのできる金属としては、熱可塑性を有し、電解液を透過させず、電解液に対して耐性を有する金属であればよい。
なお、封止キャップ４は、レーザ光に対して透過率の高い、レーザ光透過性樹脂により形成されていてもよい。封止キャップ４に用いることのできるレーザ光透過性樹脂としては、熱可塑性を有し、電解液を透過させず、電解液に対して耐性を有する樹脂であればよい。
【００２１】
そして、図３に示すように、封口体２の注入口５に封止キャップ４を嵌め、封止キャップ４の周縁部にレーザ光を照射することにより、注入口５に封止キャップ４を溶接する。これにより、注入口５が封止キャップ４により封止される。
【００２２】
次に、本実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池１００の製造方法について簡単に説明する。
まず、正極シート、セパレータ、負極シートを捲回して電極体を作製する（電極体作製工程）。次に、当該電極体を電池ケース１の中に収容し、電池ケース１の開口部に封口体２を嵌合する（組み立て工程）。次に、電池ケース１内部に注入口５から電解液を注入し、当該注入口５を封止キャップ４により封止する（電解液注入工程）。
【００２３】
また、電解液注入工程では、封口体２に設けられた注入口５から電解液を注入した後、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法により、当該注入口５に対して封止キャップ４をレーザ溶接する。
【００２４】
以下、図４を参照しながら、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法について説明する。本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法においては、まず、光学素子によりレーザ光を被溶接部分の形状に成形する。レーザ光を被溶接部分の形状に成形する光学素子としては、例えば、回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）、プリズム等を用いることができる。本実施の形態１では、回折光学素子を用いて、注入口５と封止キャップ４との溶接部分（被溶接部分）と略同形状となるようにレーザ光を成形する。換言すれば、回折光学素子により、レーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状と略同形状となるように成形する。即ち、回折光学素子により、レーザ光を略円環状に成形する。
【００２５】
次に、図４に示すように、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に対してデフォーカス状態となるように照射する（第１照射）。具体的には、熱伝導溶接程度のエネルギーでレーザ光が封止キャップ４の周縁部に照射されるように、焦点距離を調節してレーザ光を照射する。
【００２６】
次に、図４に示すように、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に対してフォーカス状態となるように照射する（第２照射）。具体的には、キーホール溶接程度のエネルギーでレーザ光が封止キャップ４の周縁部に照射されるように、焦点距離を調節してレーザ光を照射する。
なお、回折光学素子の出射側に３Ｄ−ガルバノスキャナを配置し、当該３Ｄ−ガルバノスキャナにより、レーザ光の焦点距離を調節することができる。
【００２７】
換言すれば、図４に示すように、３Ｄ−ガルバノスキャナにより、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に照射する。
ここで、フォーカス状態とは、図４に示すように、成形されたレーザ光の光束径が最も細くなる部分が封止キャップ４の周縁部上に照射される状態を意味する。また、デフォーカス状態とは、図４に示すように、成形されたレーザ光の光束径が最も細くなってから再度広がった部分が封止キャップ４の周縁部上に照射される状態を意味する。
【００２８】
本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法では、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に照射する。そのため、封止キャップ４と注入口５との溶接部分への入熱量を徐々に増大させることができる。これにより、当該溶接部分に形成される溶融池が乱れるのを防ぐことができ、溶融池が乱れることに起因する溶接不良を低減することができる。
また、回折光学素子によりレーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状と略同形状となるように成形するため、レーザ光が重複して照射されることによって生じる溶接不良を回避することができる。
なお、焦点距離を変更するかわりに、電池ケース１が載置される載置台の位置を変更しても同様の効果が得られる。
【００２９】
図５を参照して、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法、従来のレーザ溶接方法の溶接不良率について説明する。
ここで、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法とは、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法と同様に、回折光学素子を用いて、レーザ光を封止キャップ４の周縁部の形状と略同形状となるように成形し、成形されたレーザ光を封止キャップ４の周縁部に対してフォーカス状態となるように照射する方法である。
【００３０】
また、従来のレーザ溶接方法とは、図７に示すように、封口体２０の注入口５０と封止キャップ４０との溶接部分に対してレーザ光を一周走査することにより、注入口５０を封止キャップ４０により封止する。この際、レーザ光の走査部分が一部重複するように、レーザ光は走査開始位置から一周走査した後、当該走査開始位置を超えて所定距離走査される。そのため、走査開始位置と走査終了位置との間には、レーザ光が２回走査されて２度溶接される部分（重複部分）が生じる。なお、図７において、レーザ光の走査方向を矢印で示し、レーザ光が照射される部分をハッチングで示す。また、レーザ光が２回走査される部分（重複部分）を破線の四角で示す。
【００３１】
また、レーザ溶接機としては、ファイバーレーザ溶接機を用い、光源としては、マルチレーザ（５ｋＷ）を用いた。また、当該ファイバーレーザ溶接機の３Ｄ−ガルバノスキャナの光源側に回折光学素子を配置した。また、レーザ溶接の前に、注入口５に対して封止キャップ４を仮止め溶接（４点スポット溶接）した。
【００３２】
図５において、縦軸は、溶接不良発生率（％）を示している。図５に示すように、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法は、従来のレーザ溶接方法に比べて、溶接不良がより多く発生してしまうことが分かる。
一方、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法は、従来のレーザ溶接方法よりも溶接不良発生率がより低減することができている。
換言すれば、単に、レーザ光を被溶接部分の形状と略同形状に成形してフォーカス状態で照射するだけでは、むしろ従来よりも溶接不良が多く発生してしまうが、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射することにより、従来に比べて溶接不良の発生を低減することができる。
【００３３】
図６を参照して、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法、従来のレーザ溶接方法の溶け込み深さについて説明する。なお、溶け込み深さは、マイクロスコープを用いて計測した。
図６において、縦軸は、溶け込み深さ（μｍ）を示している。図６に示すように、レーザ光を略円環状に成形して照射するレーザ溶接方法は、従来のレーザ溶接方法に比べて、溶け込み深さが浅くなってしまうことが分かる。これは溶融池が乱れることに起因すると考えられる。
一方、本実施の形態１にかかるレーザ溶接方法は、従来のレーザ溶接方法よりも溶け込み深さを深くすることができている。
換言すれば、単に、レーザ光を被溶接部分の形状と略同形状に成形してフォーカス状態で照射するだけでは、むしろ従来よりも溶け込み深さが浅くなってしまうが、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を被溶接部分に照射することにより、従来に比べて溶け込み深さを深くすることができる。
【００３４】
以上に説明した実施の形態１にかかるレーザ溶接方法によれば、回折光学素子によりレーザ光を注入口５と封止キャップ４との溶接部分の形状と略同形状に成形するため、レーザ光が重複して照射されることによって生じる溶接不良を回避することができる。また、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を注入口５と封止キャップ４との溶接部分に照射するため、被溶接部分への入熱量を徐々に増大させることができる。これにより、被溶接部分に形成される溶融池が乱れるのを防ぐことができ、溶融池が乱れることに起因する溶接不良を低減することができる。よって溶接不良をより低減することができる。
【００３５】
また、デフォーカス状態からフォーカス状態へと焦点距離を変更しながら、成形されたレーザ光を注入口５と封止キャップ４との溶接部分に照射するため、被溶接部分に形成される溶融池が乱れるのを防ぐことができ、従来に比べて溶け込み深さを深くすることができる。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１  電池ケース
２  封口体
３  電極端子
４  封止キャップ
５  注入口
【図１】
2015147219.tif 000003
【図２】
2015147219.tif 000004
【図３】
2015147219.tif 000005
【図４】
2015147219.tif 000006
【図５】
2015147219.tif 000007
【図６】
2015147219.tif 000008
【図７】
2015147219.tif 000009