(57)【要約】【課題】連続発振ＣＷ型レーザ溶接装置を用いて高速で溶接が行えるとともに良好な溶接部が得られるレーザビームの走査方法を用いた密閉型電池の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の密閉型電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とをＣＷ型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する際に、前記レーザビームが出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍであり、前記レーザビームの走査速度を８０〜１２０ｍｍ／秒の範囲の低速速度と２００〜４００ｍｍ／秒の範囲の高速速度で周期的に変化させ、前記低速速度による走査と前記高速速度による走査を１セットとし、前記1セットの走査距離が０．４〜１．５ｍｍであり、前記１セットの走査における低速速度による走査距離と高速速度による走査距離の割合を１：３〜２：１とすることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とを連続発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、
前記レーザビームが出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍであり、前記レーザビームの走査速度を８０〜１２０ｍｍ／秒の範囲の低速速度と２００〜４００ｍｍ／秒の範囲の高速速度で周期的に変化させ、前記低速速度による走査と前記高速速度による走査を１セットとし、前記1セットの走査距離が０．４〜１．５ｍｍであり、前記１セットの走査における低速速度による走査距離と高速速度による走査距離の割合を１：３〜２：１とすることを特徴とする密閉型電池の製造方法。
【請求項２】
アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とを連続発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、
前記レーザビームは、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍ、走査速度：８０ｍｍ／秒以上２００ｍｍ／秒未満であって、前記レーザビームの走査を０．４〜１．５ｍｍのピッチで間欠的に行うことを特徴とする密閉型電池の製造方法。
【請求項３】
アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とを連続発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、
前記レーザビームは、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍ、走査速度：２００〜２５０ｍｍ／秒であって、前記レーザビームの走査を０．４〜１．５ｍｍのピッチで行った後、前記レーザビームの走査を、溶接進行方向に対してレーザビーム走査停止部よりも手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始させることを特徴とする請求項２に記載の密閉型電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続発振（ＣＷ：continuous wave）型レーザ溶接装置を用いて溶接した密閉型電池の製造方法に関する。本発明は、特にアルミニウム系金属製の電池外装缶とその封口蓋とを高速にてＣＷ型レーザ溶接装置を用いて溶接する際に、レーザビームの走査速度を周期的に変動させ、キーホール溶接と呼ばれる状態を維持しつつ溶接を安定的に行うことができるようにした密閉型電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型の電子機器の急速な普及に伴い、それに使用される電池への要求仕様は、年々厳しくなり、特に小型・薄型化、高容量でサイクル特性が優れ、性能の安定したものが要求されている。そして、二次電池分野では他の電池に比べて高エネルギー密度であるリチウム非水電解質二次電池が注目され、このリチウム非水電解質二次電池の占める割合は二次電池市場において大きな伸びを示している。
【０００３】
ところで、この種の非水電解質二次電池が使用される機器においては、電池を収容するスペースが角形（偏平な箱形）であることが多いことから、発電要素を角形外装缶に収容した角形の非水電解質二次電池が使用されることが多い。このような角形の密閉型非水電解質二次電池の一例を図面を用いて説明する。
【０００４】
図８は、従来から作製されている角形の密閉型非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。この非水電解質二次電池１０は、正極板１１と負極板１２とがセパレータ１３を介して巻回された偏平状の渦巻状電極体１４を、角形の電池外装缶１５の内部に収容し、蓋板１６によって角形の電池外装缶１５を密閉したものである。
【０００５】
そして、角形の電池外装缶１５は、正極板１１と電気的に接続されているので、負極板１２と角形の電池外装缶１５との短絡を防止するために、偏平状の渦巻状電極体１４の上端と蓋板１６との間に絶縁スペーサ２０を挿入することにより、負極板１２と角形の電池外装缶１５とを電気的に絶縁状態にしている。
【０００６】
この角形の非水電解質二次電池１０は、偏平状の渦巻状電極体１４を角形の電池外装缶１５内に挿入した後、蓋板１６を角形の電池外装缶１５の開口部にレーザ溶接し、その後電解液注入孔２１から非水電解液を注液してこの電解液注入孔２１を密閉することにより作製される。このような角形の密閉型非水電解質二次電池は、使用時のスペースの無駄が少なく、しかも電池性能や電池の信頼性が高いという優れた効果を奏するものである。
【０００７】
このような角形の密閉型非水電解質二次電池の蓋板を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する際には、パルス発振型のレーザ溶接装置が主として使用されている（下記特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００３−  ３１１８６号公報
【特許文献２】特開平１０−１５６５６５号公報
【特許文献３】特開平１０−２３０３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、パルス的に発振するレーザでは、散発的に溶融部が形成されるため、溶接部を密封するためにレーザを１パルス照射したときに得られる溶融スポット径の約１／３をピッチにレーザを走査してシーム溶接を行っている（上記特許文献１参照）。そのため、溶融スポット径の約２／３の部分は、溶融して一旦凝固した後に再度加熱されて溶融するので、溶接速度を上げることは困難である。
【０００９】
すなわち、溶接用パルス発振型レーザのパルス繰り返し数は、最大毎秒２００〜５００回程度である。この場合、仮にパルスの繰り返し数を毎秒５００回としても、溶融スポット径０．７ｍｍとして７０％オーバーラップさせるとすると溶接速度は毎秒１０５ｍｍが限界となる。しかも、密閉型電池のレーザ溶接に用いる条件下ではレーザ発振器の能力からしてパルス繰り返し数は毎秒１００〜２００回程度が限界となることが多い。したがって、パルス的に発振するパルスレーザ溶接装置を用いて溶接する場合、毎秒１００ｍｍ以上の高速で溶接することは現実的には実現困難である。
【００１０】
例えば、アルミニウム合金製の厚み０．４ｍｍの外装缶に厚み２ｍｍの蓋板を嵌合させ、この嵌合部に高エネルギーレーザパルスを照射して溶接する場合、１パルス当たりのエネルギー量は約２０Ｊ必要である。密閉型電池等の小型の機器に対して微細な溶接が可能なパルスレーザ装置は溶接部の出力が約５００Ｗ程度であるので、５００（Ｗ＝Ｊ／ｓ）／２０（Ｊ）＝２５（１／ｓ）であるから、１秒間に約２５回のレーザ照射が可能となる。この場合、パルスピッチを０．２８ｍｍとすると、溶接速度は２５（１／ｓ）×０．２８（ｍｍ）＝７（ｍｍ／ｓ）となり、毎秒７ｍｍ程度の溶接速度しか得られないことになる。
【００１１】
溶接速度を上げるためには、パルス発振型レーザを使用した溶接法に換えてＣＷレーザを使用した溶接法の適用が考えられる。最近では、出力３ｋＷ〜５ｋＷ程度の高出力ＣＷ型レーザ発振器が実用化されだしたことから、鉄系の板材についてＣＷレーザでビームを高速に走査させて照射し、溶接する方法が用いられ始めている。しかしながら、鉄系金属に比べて熱伝導率が高いアルミニウム系金属については、溶接部に加えた熱が広範囲に広がるため、接合したい部分のみを安定して溶かすことができず、ＣＷレーザでの溶接は困難であった。
【００１２】
また、電池の蓋板を封じる溶接では、電池のコーナー部分に沿った小さな曲率半径でレーザを操作しなければならないが、レーザ加工ヘッド又は電池をＸ−Ｙテーブルで動かしてレーザビームを走査するのではコーナー部分を高速のまま走査させることが困難であり、コーナー部分の曲率半径が小さい部分で溶接速度が落ちてしまう。その結果、コーナー部分では直線部分に比べてレーザによって加熱される時間が長くなり、入熱過多となって溶けすぎて不良になるものが多くなる。
【００１３】
一方、上記特許文献２には、ＣＷ型レーザ溶接法によって電池外装缶と蓋体とを溶接することが示されているが、レーザビームの走査速度をどの程度となすかを示唆する記載はない。また、上記特許文献３には、Ｍｇを２．２重量％以上含有するアルミニウム合金材からなる容器本体と蓋との突き合わせ部分をレーザ溶接する際に、レーザ出力が０となる時間を１．０ｍｓ以下としてレーザ溶接するアルミニウム合金製の容器の製造方法が示されている。しかしながら、上記特許文献３には、ＣＷレーザを用いることも示されているが、レーザビームの走査速度をどの程度になせばよいかを示唆する記載はない。
【００１４】
このように、従来、アルミニウム系金属からなる外装缶及び蓋板との間をＣＷレーザを用いて溶接することが知られてはいたが、このＣＷレーザを用いて高速で連続的に溶接できるようにするとともに、良好な溶接部が得られるようにするための条件については何も知られていなかった。
【００１５】
ここで、ＣＷレーザを用いた連続溶接における熱伝導溶接とキーホール溶接を生じている金属の溶融状態を説明し、ＣＷレーザ溶接法の問題点を指摘する。レーザビームを金属に照射する溶接では、レーザビームの強度が小さいときはレーザビームの光エネルギーが金属の表面で熱に変わり、そこからの熱伝導で金属の内部が溶ける。これが熱伝導溶接といわれる状態であるが、ある程度レーザビームの強度が大きくなるとキーホール溶接といわれる状態になる。このような熱伝導溶接とキーホール溶接との違いを図９〜図１１を用いて説明する。
【００１６】
なお、図９Ａは熱伝導溶接状態を示す図であり、図９Ｂはキーホール溶接状態を示す図である。図１０は熱伝導溶接状態でレーザビームを走査しながら溶接した状態を示す図である。図１１Ａ〜図１１Ｆは、キーホール溶接状態でレーザビームを走査しながら溶接した状態の変化を示す図である。
【００１７】
熱伝導溶接は、図９Ａに図示するように、レーザビームから供給される熱量が大きく設定されないため、加工物（アルミニウム系金属）表面で大半の光が反射され、加工物の溶融部は、熱伝導によって形成される。例えば、アルミニウム系金属の反射率は８０％程度もあり、レーザビームの吸収率は小さい。その結果、レーザビームを走査して溶接した場合、図１０に図示されているように、変動が比較的少ない溶け込み部分が得られる。しかしながら、熱伝導溶接状態を維持するためには、ＣＷレーザの出力を上げることができないため、小さな溶け込み深さしか得られず強固に溶接することができないという欠点がある。
【００１８】
一方、ＣＷレーザの出力を上げると、図９Ｂに図示するように、キーホール溶接という溶接状態が出現する。キーホール溶接状態は、ＣＷレーザの出力が大きいときに生じ、溶接開始当初は、溶接される金属部分の温度が未だ上昇していないため、熱伝導溶接状態であるが、金属部分の温度が更に上昇すると、ＣＷレーザによる熱量によって溶融した部分から金属蒸気（ヒューム）が発生し、その反作用でキーホールと呼ばれる穴状の部分ができる。このようなキーホールが形成されると、これまで表面で反射して周囲に散乱していたレーザビームが穴状部分の内壁すなわち溶融部に集められる。これは周囲に拡散していたレーザビームの光エネルギーが溶融部に集まることになり、そのため熱伝導溶接状態からキーホール溶接状態になると溶け込みが大きくなる。さらに、キーホール溶接では激しく飛び出した金属蒸気によりレーザビームが遮られる等、溶融部の状況を変化させる要因が多いことから、場所によって溶け込みにバラツキが出やすくなる。
【００１９】
また、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に使用される密閉型電池の外装缶と蓋との溶接部の溶け込み量については、０．５ｍｍ前後必要になる場合があるが、ＣＷ発振型のレーザ溶接装置を用いてレーザビームを高速に走査させてアルミニウム系金属の溶接を行うときに溶融部の状態がキーホール溶接状態に変わるのが同じく溶け込み０．５ｍｍ前後である。この程度の溶け込み量を目指す場合に熱伝導溶接状態とキーホール溶接状態の境界領域であるため、溶融状態が変化して溶け込み量が大きくばらつくこととなる。
【００２０】
このようなＣＷ発振型のレーザ溶接装置を用いて連続溶接を行う際に、金属材料の溶融部分において生じている溶融状態の変化を図１１Ａ〜図１１Ｆを用いて発生順に説明する。
（１）最初は熱伝導溶接で溶接が進行するが、溶融部の温度が上昇し、熱伝導溶接からキーホール溶接に変わった瞬間はレーザビームが溶融部に集められて溶け込みが大きくなる（図１１Ａ）。これは、レーザビームが凹んだ溶融部の内側向きに反射して再度溶融部に当たり、熱吸収率が上がるためである。
（２）キーホール溶接になると溶融部から飛び出す金属蒸気（ヒューム）の量が増え、溶融部表面から出た金属粒子によってレーザビームが遮られ、レーザビームが溶融部に届かなくなる（図１１Ｂ）。
（３）この結果、溶融部分に届くレーザビームの強度が落ち、キーホール溶接状態を保てずに熱伝導溶接状態になり、溶け込みは小さくなる。また、新たな金属蒸気の飛散もなくなるが、既に発生した金属蒸気によってレーザビームは吸収される（図１１Ｃ）。
（４）このように溶け込みが小さくなった瞬間には金属蒸気が殆ど出なくなるので、レーザビームは遮られることなく溶融部に届き、溶融部はまた熱伝導溶接状態からキーホール溶接状態に変わろうとする。なお、新たに溶け始めた瞬間にはまだ溶融部が凹んでいない（図１１Ｄ）。
（５）通常のキーホール溶接状態に戻る（図１１Ｅ）。
（６）溶融部は、熱伝導溶接状態とキーホール溶接状態を繰り返し、安定的な溶接の溶け込みを得ることができない（図１１Ｆ）。
【００２１】
このように、ＣＷ発振型のレーザビームを用いた溶接は、溶接作業を高速化することが可能な方法ではあるが、溶接作業を高速化するためにレーザ出力を上昇させると、溶融部の溶け込み状態が変わりやすく、溶接ビード内に突発的に大きく溶融される箇所が発生する。この大きく溶けた部分で、溶融域が電池内壁に達し、溶融物が電池内部に飛散する恐れさえある。また、電池側面部が溶け落ちて寸法不良を起す可能性もある。
【００２２】
従って、従来はアルミニウム系金属からなる外装缶及び蓋板との間をＣＷレーザビームを用いて溶接することが知られてはいたが、このＣＷレーザビームを用いて適切にかつ高速に溶接ができるようにするとともに、良好な溶接部が得られるようにするための条件については何も知られていなかった。なお、パルスレーザを用いた溶接では、溶融部から金属蒸気（ヒューム）がでてレーザビームを遮る状態になる前にレーザパルスが出終わっていることが多く、ＣＷレーザビームを用いる場合のような問題点はほとんど生じない。
【００２３】
本発明は、ＣＷレーザビームを用いて高速溶接を達成するための従来技術の問題点を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明は、ＣＷレーザビームを使用してアルミニウム系金属からなる外装缶と蓋板との間で溶接を行うに際し、溶接不良が生じることなく、また、高速で溶接が行えるようにして加工速度を向上させ、しかも、溶接不良が生じないようにした密閉型電池の製造方法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】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の密閉型電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とをＣＷ発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、前記レーザビームが出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍであり、前記レーザビームの走査速度を８０〜１２０ｍｍ／秒の範囲の低速速度と２００〜４００ｍｍ／秒の範囲の高速速度で周期的に変化させ、前記低速速度による走査と前記高速速度による走査を１セットとし、前記1セットの走査距離が０．４〜１．５ｍｍであり、前記１セットの走査における低速速度による走査距離と高速速度による走査距離の割合を１：３〜２：１とすることを特徴とする。
【００２５】
このようにＣＷ発振型のレーザビームの走査速度を予め定めたピッチで予め定めた速度に周期的に変化させると、
（１）キーホール状態になることでレーザの吸収率が向上して溶融する金属量が増加する、
（２）これにより溶融する金属量が増えるが、途中で走査速度が速くなるので、単位長さ当たりのレーザエネルギーが減少するので溶融は少し大きめ程度までしか増えない、
（３）走査速度が速いときは溶融部から出る金属蒸気（ヒューム）の量も少ないため、次に速度が遅くなった瞬間はレーザエネルギーはほとんど遮られることなく溶融部に照射される。
【００２６】
そのため、本発明の密閉型電池の製造方法によれば、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との間の溶接部において、溶融部の変化が少なくなって均質となり、強固にしかも高速にレーザ溶接することができるようになる。
【００２７】
なお、本発明におけるアルミニウム系金属としては、純アルミニウムの他に、各種のアルミニウム合金も用いることができる。このようなアルミニウム合金としては、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、あるいはその他の元素を含む二元系合金やそれ以上の多元系合金などであってもよい。
【００２８】
なお、レーザ出力は、１．２ｋＷ未満ではレーザ出力が小さすぎてキーホール溶接にならず、また、レーザ出力が６ｋＷを越えるものは出力が大きすぎて密閉型電池の製造に使用することがないため、１．２ｋＷ〜６ｋＷと限定した。また、スポット径は、溶接用の大出力レーザビームを０．２ｍｍ未満に収束させることは困難であり、また、０．２ｍｍ程度に小さくなるとレーザビームの軌道が僅かにずれても溶接不良となり易いため、下限は０．２ｍｍとし、更に、０．５ｍｍ以上でキーホール溶接するにはより大きなレーザ出力が必要となり、周囲の熱影響も増えるため、密閉型電池の製造に使用することがないので、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍと限定した。
【００２９】
アルミニウム系金属をＣＷレーザにより、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍで一定の走査速度でキーホール溶接した場合、本発明の課題としている「突発的に生じる大きく溶解する部分」の大きさ（長さ）は、１．５〜３ｍｍ程度となる。そのため、この「突発的に生じる大きく溶解する部分」よりも短い１．５ｍｍ以下のピッチで、レーザの走査速度をコントロールすることにより、課題となる「突発的に生じる大きく溶解する部分」が生じることを抑制することが可能となる。また、ピッチが０．４ｍｍよりも短くなると、レーザ走査速度を変化させるピッチが短すぎて、レーザ走査速度を変化させる効果が得られなくなる。
【００３０】
また、高速走査時の走査速度はキーホール溶接とならないようにするため２００〜４００ｍｍ／秒が好ましく、低速走査時の走査速度は確実にキーホール溶接が生じるようにするため８０〜１２０ｍｍ／秒が好ましい。ＣＷ発振型のレーザビームの出力に強弱を付けることによっても本発明と同様な効果を奏することができるが、レーザダイオードへの負担が大きく、レーザダイオードの寿命が短くなるので、直ちには採用し難い。なお、低速速度による走査と高速速度による走査を１セットとすると、１セットの走査における低速速度による走査距離と高速速度による走査距離との割合は、１：２〜２：１とすることがより好ましい。
【００３１】
更に、本発明の密閉電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とを連続発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、前記レーザビームは、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍ、走査速度：８０ｍｍ／秒以上２００ｍｍ／秒未満であって、前記レーザビームの走査を０．４〜１．５ｍｍのピッチで間欠的に行うことを特徴とする。
【００３２】
このように、ＣＷ発振型のレーザビームの走査速度を「突発的に生じる大きく溶解する部分」よりも短い１．５ｍｍ以下のピッチで間欠的に行うことにより大きく溶ける部分が突発的に生じることがなくなる。レーザビームが走査されない状態では、溶融部から金属蒸気（ヒューム）が発生しないため、次のレーザ走査におけるレーザビームは、金属蒸気に遮られることがなく溶融部に届く。そのため、本発明の密閉型電池の製造方法によれば、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との間の溶接部において、溶融部の変化が少なくなって均質となり、強固にしかも高速にレーザ溶接することができるようになる。
【００３３】
走査速度については、８０ｍｍ／秒未満でキーホール溶接になるレベルまで溶か
すと、電池外装缶１５の側面部のダレが大きくなりすぎ、また、２００ｍｍ／秒以上では速すぎてキーホール溶接になり難く十分な溶け込みが得られないため、８０ｍｍ／秒以上２００ｍｍ／秒未満と限定した。また、間欠的にレーザ走査を行う際、走査の終了から次の走査の開始までの時間を、０．００１〜０．１秒とすることが好ましい。０．００１秒以上とすれば、溶融部から発生する金属蒸気（ヒューム）の影響を小さく抑えることができる。また、０．１秒より長くなると加工速度が遅くなるため好ましくない。
【００３４】
更に、本発明の密閉電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とを連続発振型のレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、  前記レーザビームは、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍ、走査速度：２００〜２５０ｍｍ／秒であって、前記レーザビームの走査を０．４〜１．５ｍｍのピッチで行った後、前記レーザビームの走査を、溶接進行方向に対してレーザビーム走査停止部よりも手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始させることが好ましい。
【００３５】
このようにＣＷ発振型のレーザビームの走査を溶接進行方向に対してレーザビーム走査終了部よりも手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始させると、レーザビームが２回照射される部分で単位長さ当たりのレーザビームのエネルギーが大きくなる。そのため、一定の走査速度で走査した場合キーホール溶接になり難い走査速度である２００ｍｍ/秒以上で走査した場合でも、走査速度２５０ｍｍ/秒までキーホール溶接レベルの溶け込みが安定的に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本願発明を実施するための最良の形態を密閉型電池に対してＣＷ型のレーザビームを使用して溶接した場合を例にとり、各種シミュレーション結果及び実施例により詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。なお、以下においては図８に示したものと同一構成部分には同一の参照符号を付与して説明する。
【００３７】
なお、図１はシミュレーションの形状図である。図２はレーザビームの走査を等速で行った場合についてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。図３は従来例のレーザビームの走査を等速で行った際に大きく溶けた箇所が生じた場合を説明するための模式図である。図４はレーザビームの走査を等速で行い、かつ、熱の吸収率が常に一定であるとしてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。図５はレーザビームの走査を本発明に従って速度を変えて行った場合についてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。図６はレーザビームの走査を本発明に従って速度を変えて行った場合の溶融部の状態を説明するための模式図である。図７Ａはレーザビームの走査を本発明に従って周期的に手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始するようにした場合の溶融部の状態を説明するための模式図であり、図７Ｂは具体的な走査方法を示す図である。
【００３８】
［シミュレーション］
最初にシミュレーションにより、溶接部の温度がどのように変化するかを確認した。シミュレーションに使用した形状は、図１に示したように、電池外装缶１５と蓋板１６をそれぞれの天面が同一になるように嵌合させ、外装缶１５の側面に治具を当接して電池外装缶１５と蓋板１６との嵌合部に対して上方からレーザビームを走査しながら照射して、溶接を行うものである。
【００３９】
なお、電池外装缶１５及び蓋板１６はアルミニウム系金属製であり、電池外装缶１５の蓋板１６と嵌合する部分の厚みは０．４ｍｍであり、蓋板１６の厚みは１．４ｍｍであり、連続発振型レーザ溶接装置の出力は１．６ｋＷであり、レーザビームの理論集光径は０．３４ｍｍとなるように集光して集光点をほぼ走査速度が１５０ｍｍ／秒程度となるように走査した。
【００４０】
図２は、レーザビームの走査速度を１５０ｍｍ／秒の一定速度で走査させた際の蓋板１６の上面から深さ０．４ｍｍの位置の温度履歴を示し、それぞれの線は０．１５ｍｍ間隔に並んだ測定点の温度履歴を示している。蓋板１６の上面から深さ０．４ｍｍの部分は、溶融部に近接する未溶融部である。また、図２中、上部の太い点線は０．１５ｍｍ間隔に並んだ点の最高温度を結んだ線を示している。そして、図２のピーク地点が最も溶け込み部分が大きく生じたキーホール溶接状態となっている部分に対応し、図２のボトム地点が最も溶け込み部が小さくなった熱伝導溶接状態となっている部分に対応する。
【００４１】
図２から明らかなように、等速でレーザビームを走査すると、温度のバラツキが大きく、温度が高くなった点すなわち大きく溶けた点と、温度があまり高くならなかった点すなわちあまり溶けなかった点があること、及び溶け込み量は大→小→大と交互に現れていることが分かる。なお、このようなレーザビームを等速で走査させた場合の実測した溶融部の状態は図３に示したとおりであり、突発的に生じる大きく溶けた部分の幅は約１．５ｍｍ〜３ｍｍとなっている。
【００４２】
また、図４は、熱伝導溶接を模するため、電池外装缶１５及び蓋板１６による熱の吸収率が一定であるとしてシミュレーションした場合の温度履歴を示している。図４の記載から明らかなように、熱の吸収率が一定であるとすると温度の変動はほとんどなく、均質な溶接部が得られることがわかる。従って、図２に示したシミュレーション結果は、キーホール溶接が生じて溶融表面の熱の吸収率が変動することから生じているものであることが分かる。
【００４３】
更に、溶融表面の温度によって熱の吸収率が変化しているが、本発明に従ってレーザビームの走査速度を次のように小刻みに変化させた場合についてシミュレートした。
速度１００ｍｍ／秒で０．２ｍｍの距離を走査し、その後、
速度２００ｍｍ／秒で０．４ｍｍの距離を走査。
これを１セットとして繰り返す。
このシミュレーション結果を図５に示す。図５は、溶融部に近接する未溶融部である蓋板１６の上面から深さ０．５ｍｍの位置の温度履歴である。図５では、全て等速で走査する場合の図２に示した結果と対比すると、温度のバラツキが小さくなっていることが確認できた。また、レーザビームの走査速度を小刻みに変化させると、溶融部内に突発的に生じる大きくとける部分の発生を少なくすることができることが確認できた。なお、このようなレーザビームの走査速度を小刻みに変化させた場合の実測した溶融部の状態は図６に示したとおりである。
【００４４】
［実施例１〜３及び比較例１〜３］
次に、蓋板１６と嵌合する部分の電池外装缶１５の厚み、蓋板１６の厚みを上記シミュレーションを行った場合と同様の条件とし、レーザビームの理論集光径を０．３４ｍｍで一定とし、レーザビームの走査速度を１５０ｍｍ／秒の一定速度としたもの（比較例１）の他に、レーザビームの走査速度を小刻みに変えて実際に溶接を行った。レーザビームの走査速度は、
１００ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、次いで２００ｍｍ／秒で０．４ｍｍ（実施例１）、
８０ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、次いで２５０ｍｍ／秒で０．４ｍｍ（実施例２）、
８０ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、次いで２５０ｍｍ／秒で０．４ｍｍ（実施例３）、
８０ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、次いで５００ｍｍ／秒で０．４ｍｍ（比較例２）、
６０ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、次いで２３０ｍｍ／秒で０．４ｍｍ（比較例３）
と変化させた。そして、それぞれの場合において目視により溶接不良と判定されたものの割合を求めた。結果をまとめて表１に示した。
【表１】
2009245758.tif 000003
【００４５】
比較例１は、レーザビームを等速で走査するものであって、従来技術に相当するものであるが、不良率は８．３％と非常に大きかった。それに対し、実施例１〜実施例３の場合は、何れも不良率が６％未満と小さくなっている。また、比較例２は高速走査時の走査速度が５００ｍｍ／秒と速すぎたために不良率が７．８％と大きくなっている。更に、比較例３は低速走査時の走査速度が６０ｍｍ／秒と遅いため、不良率は一定走査速度の比較例１の場合と同様に８．３％となっている。低速走査速度が１００ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、高速走査速度が２００ｍｍ／秒で０．４ｍｍである実施例１では、不良率が２．８％と従来例の約１／３も低下し、最良の結果が得られた。
【００４６】
更に、溶接時に突発的に生じる大きく溶ける部分の長さは１．５ｍｍ〜３ｍｍであるため、レーザビームの強弱の１セットがこれ以上の距離になると効果がなくなると思われるが、検証のため、速度１００ｍｍ／秒で１．０ｍｍ、速度２００ｍｍ／秒で２．０ｍｍにして加工実験を行なってみた。この条件ではレーザビームの強弱の１セットの距離は３ｍｍであるが、速度の遅いところでの溶け込みが大きくなってしまい、むしろ大きく溶ける結果となってしまった。
【００４７】
従って、上記表１に示した結果からは、ＣＷ型のレーザビームを用いてアルミニウム系の材料からなる電池外装缶と蓋体とを溶接するには、低速速度範囲の走査速度については、８０ｍｍ／秒未満でキーホール溶接になるレベルまで溶かすと、電池外装缶１５の側面部のダレが大きくなりすぎ、また、１２０ｍｍ／秒以下では、確実にキーホール溶接となるため、低速走査時の走査速度は８０ｍｍ／秒〜１２０ｍｍ／秒が好ましいことが分かる。より好ましくは、８０〜１００ｍｍ／秒である。
【００４８】
また、高速速度範囲が５００ｍｍ／秒では、一定走査速度で行う比較例１の場合よりも良好な結果が得られているが、走査速度が速すぎて十分に溶融しない部分が生じるため、上限値はこれよりも小さい４００ｍｍ／秒が好ましいことが分かる。また、高速速度範囲の下限値は、確実に熱伝導溶接となるとともに、キーホール溶接とならないようにするため、２００ｍｍ／秒が好ましい。より好ましい高速速度範囲は、２００〜２５０ｍｍ／秒である。
【００４９】
更に、低速速度範囲の走査距離と高速走査速度の走査距離の割合については、高速速度による走査距離の割合が３／４を越えると、走査距離を変化させずに高速速度で連続的に走査した場合と同等となり、溶け込みが不十分な部分が生じるので好ましくない。また、低速速度による走査距離の割合が２／３を越えると、走査速度を変化させずに低速速度で連続的に走査した場合と同等となり、ヒュームが激しく出て、突発的に大きく溶融する部分が生じるので、好ましくない。従って、低速速度範囲の走査距離と高速走査速度の走査距離の割合は、１：３〜２：１の範囲、より好ましくは１：２〜２：１の範囲である。
【００５０】
なお、レーザ出力は、１．２ｋＷ未満ではレーザ出力が小さすぎてキーホール溶接にならず、また、レーザ出力が６ｋＷを越えるものは出力が大きすぎて密閉型電池の製造に使用することがないので、１．２ｋＷ〜６ｋＷが好ましい。レーザビームのスポット径は、溶接用の大出力レーザビームを０．２ｍｍ未満に収束させることは困難であり、また、０．２ｍｍ程度に小さくなるとレーザビームの軌道が僅かにずれても溶接不良となり易いため、下限は０．２ｍｍとする。更に、レーザビームのスポット径が０．５ｍｍ以上でキーホール溶接するにはより大きなレーザ出力が必要となり、周囲の熱影響も増えるため、密閉型電池の製造に使用することがないので、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍが好ましい。
［実施例４］
【００５１】
なお、上記実施例１〜３では、ＣＷレーザビームの走査を低速走査と高速走査とを周期的に切り替えて行った例を示したが、このＣＷレーザビームの走査速度の切り替えは部分的にキーホール溶接が生じても直ちに熱伝導溶接に移行させるためのものである。そのため、ＣＷレーザビームの走査を、溶接進行方向に対してレーザビーム走査停止部よりも手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始させ、ビームが続けて２回照射される部分と１回のみ照射される部分を交互に作ってもよい。
【００５２】
このようなＣＷレーザビームの走査を行う場合の具体例を図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。なお、図７Ａ及び図７Ｂに示した走査を示す矢印は実際には同一線上に重なって走査されるものである。図７Ａ及び図７Ｂは、出力：１．６ｋＷ、ビーム径０．３４ｍｍのＣＷレーザビームを用い、走査速度２００ｍｍ／秒で、０．８ｍｍ走査し、溶接進行方向に対してレーザビーム走査停止部よりも手前の位置に０．２ｍｍ戻してから次のＣＷレーザビームの走査を０．８ｍｍ行う例を示している。すなわち、アルミニウム系金属をＣＷレーザにより、出力：１．２〜６．０ｋＷ、理論スポット径：０．２〜０．５ｍｍで一定の走査速度でキーホール溶接した場合、本発明の課題としている「突発的に生じる大きく溶解する部分」の大きさ（長さ）は、１．５〜３ｍｍ程度となる。そのため、この「突発的に生じる大きく溶解する部分」よりも短い１．５ｍｍ以下のピッチで、レーザの走査速度をコントロールすることにより、課題となる「突発的に生じる大きく溶解する部分」が生じることを抑制することが可能となる。また、ピッチが０．４ｍｍよりも短くなると、レーザ走査速度を変化させるピッチが短すぎて、レーザ走査速度を変化させる効果が得られなくなる。レーザビーム走査を手前の位置に戻す際、溶接の速度と比べると極めて大きな速度、例えば１０００ｍｍ/秒以上であればよく、また、レーザの出力は０であっても良い。
【００５３】
このような実施例４の走査方法によれば、図７Ｂにおける０．２ｍｍの部分ではレーザビームが２回照射されるが、この２回レーザビームが照射される部分での単位長さ当たりのエネルギーが大きくなるため、溶接強度が大きくなる。従って、一定の走査速度で走査した場合、走査速度が２００ｍｍ/秒以上であるとキーホール溶接になり難いが、実施例４の走査方法によれば、走査速度２５０ｍｍ/秒までキーホール溶接レベルの溶け込みが安定的に得られる。図７Ｂでは、低速１００ｍｍ／秒で０．２ｍｍ、高速２００ｍｍ／秒で０．４ｍｍ走査した場合と同様の溶接強度の強・弱がつく。なお、ビームが2回照射される部分と1回のみ照射される部分の割合はビームの走査速度を低速速度、高速速度と変化させた時の距離の割合と同様になることから、ビームの走査距離に対して戻る距離の割合は１/５〜２/５が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】シミュレーションの形状図である。
【図２】レーザビームの走査を等速で行った場合についてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。
【図３】レーザビームの走査を等速で行った際に大きく溶けた箇所が生じた場合を説明するための模式図である。
【図４】レーザビームの走査を等速で行い、かつ、熱の吸収率が常に一定であるとしてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。
【図５】レーザビームの走査を本発明に従って速度を変えて行った場合についてシミュレーションしたときの温度履歴を示す図である。
【図６】レーザビームの走査を本発明に従って速度を変えて行った場合の溶融部の状態を説明するための模式図である。
【図７】図７Ａはレーザビームの走査を本発明に従って周期的に手前の位置に戻してから次のレーザビームの走査を開始するようにした場合の溶融部の状態を説明するための模式図であり、図７Ｂは具体的な走査方法を示す図である。
【図８】従来から作製されている角形の密閉型非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。
【図９】図９Ａは熱伝導溶接の説明図であり図９Ｂはキーホール溶接の説明図である。
【図１０】熱伝導溶接状態でレーザビームを走査しながら溶接した状態を示す図である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｆは、キーホール溶接状態でレーザビームを走査しながら溶接した状態の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０：非水電解質二次電池  １１：正極板  １２：負極板  １３：セパレータ  １４：渦巻状電極体  １５：外装缶  １６：蓋板  １８：負極端子  １９：負極集電体  ２０：絶縁スペーサ  ２１：電解液注入孔  
【図３】
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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１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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