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JP2017030010A - 溶接構造体の製造方法 - Google Patents

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JP2017030010A
JP2017030010A JP2015151591A JP2015151591A JP2017030010A JP 2017030010 A JP2017030010 A JP 2017030010A JP 2015151591 A JP2015151591 A JP 2015151591A JP 2015151591 A JP2015151591 A JP 2015151591A JP 2017030010 A JP2017030010 A JP 2017030010A
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Abstract

【課題】 不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる溶接構造体の製造方法を提供すること。【解決手段】 本発明に係る溶接構造体の製造方法では,レーザー照射部により,第1の部材と第2の部材との境目を走査する主レーザー光と,主レーザー光の進行方向における前方を照射位置とする先行レーザー光と,主レーザー光の進行方向における後方を照射位置とする後行レーザー光とを照射する。また,レーザー照射部により,先行レーザー光を,主レーザー光が照射される主軌跡と重ならない先行軌跡に沿って照射しつつ,後行レーザー光を,主軌跡および先行軌跡にともに重ならない後行軌跡に沿って照射する非重複照射を行う。【選択図】図3

Description

本発明は,溶接構造体の製造方法に関する。より詳細には,複数のレーザー光を照射するレーザー溶接により接合を行う溶接構造体の製造方法に関するものである。
従来より,複数の部材を接合して1つの溶接構造体を製造するため,レーザー光を用いたレーザー溶接が行われている。このようなレーザー溶接により接合が行われている製品として,例えば,電池がある。電池は,一般的に,ケースの内部に,正負の電極板よりなる電極体を収容してなるものである。そして,このような電池の製造工程では,電極体をケース本体の開口部よりその内部に収容した後,ケース本体の開口部を封口板で塞ぎ,ケース本体と封口板との境目をレーザー溶接によって接合する溶接工程が行われることがある。
例えば,特許文献1には,突き合わせたケース本体と封口板との境目付近に,パワー密度の低い低密度レーザー光と,低密度レーザー光よりもパワー密度の高い高密度レーザー光とを照射することにより,ケース本体と封口板とを接合する技術が記載されている。また,特許文献1では,低密度レーザー光を,境目を含むケース本体と封口板との両方に広く照射しつつ,2つの高密度レーザー光を,2つの高密度レーザー光のスポットが低密度レーザーのスポットの内部に位置するように照射することが記載されている。さらに,2つの高密度レーザー光を,ケース本体と封口板とにそれぞれ,境目に沿って照射することが記載されている。
特開2012−110905号公報
しかしながら,上記の従来技術では,レーザー光の走査速度を速くすることができないという問題があった。すなわち,上記の従来技術において,低密度レーザー光は,高密度レーザー光の照射位置の前方の温度を高めることのできる程度のエネルギーで照射されるものであり,照射対象を溶融するほどエネルギーが高いものではない。このため,走査速度を速くした場合には,高密度レーザー光の照射位置の前方の温度を,低密度レーザー光によって十分に高めることができず,十分な接合強度を得ることができないおそれがあるからである。
一方で,低密度レーザー光のエネルギーは,それほど高いものとすることもできない。上記の従来技術では,低密度レーザー光は,突き合わせた接合対象の境目にも照射されているからである。すなわち,その接合対象の境目は,完全に閉じているとは限らない。このため,低密度レーザー光が接合対象の境目の隙間を通過するレーザー抜けが生じてしまうことがある。そして,レーザー抜けが生じた場合には,接合対象の境目の隙間を通過したレーザー光が,接合対象ではない部材(例えば電極体)に照射されてしまい,これを損傷等させてしまうおそれがあるからである。
本発明は,前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは,不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる溶接構造体の製造方法を提供することである。
この課題の解決を目的としてなされた本発明の溶接構造体の製造方法は,突き合わせた第1の部材と第2の部材との境目をレーザー溶接により接合して溶接構造体を製造する溶接構造体の製造方法であって,第1の部材と第2の部材との境目を走査する主レーザー光と,主レーザー光の進行方向における前方を照射位置とする先行レーザー光と,主レーザー光の進行方向における後方を照射位置とする後行レーザー光とを照射するレーザー照射部により,主レーザー光を,第1の部材と第2の部材との境目上の主軌跡に沿って照射させ,先行レーザー光を,主軌跡と重ならない先行軌跡に沿って照射させ,後行レーザー光を,主軌跡および先行軌跡のいずれにも重ならない後行軌跡に沿って照射させる非重複照射を行うことを特徴とする溶接構造体の製造方法である。
本発明に係る溶接構造体の製造方法において,非重複照射では,先行レーザー光が,第1の部材と第2の部材との境目を走査する主レーザー光の主軌跡とは異なる先行軌跡に沿って照射される。つまり,非重複照射において,先行レーザー光は,第1の部材と第2の部材との境目を通過することがないため,エネルギーの高いものとすることができる。これにより,主レーザー光の照射位置の前方を溶融させることができる。また,主レーザー光の照射位置の前方を溶融させることにより,主レーザー光が照射されるときには,第1の部材と第2の部材との境目であった箇所を,隙間がない状態とすることができる。このため,主レーザー光のレーザー抜けを抑制することができる。また,主軌跡および先行軌跡のいずれにも重ならない後行軌跡に沿って照射する後行レーザー光により,溶接痕の幅を十分に確保することができる。そして,各レーザー光としてエネルギーの高いものを用いることができるため,レーザー溶接を高速で行うことができる。さらに,各レーザー光としてエネルギーの高いものを用いた場合でも,非重複照射により,溶融箇所における金属蒸発の発生を抑制することができる。これにより,不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる。
また,上記に記載の溶接構造体の製造方法において,非重複照射では,レーザー照射部に,先行レーザー光の照射位置と後行レーザー光の照射位置とが,主レーザー光の照射位置を通り,主軌跡に対して傾斜する傾斜軸について対称となるように先行レーザー光と後行レーザー光とを照射させるとともに,先行レーザー光として,主軌跡よりも第1の部材側を照射位置とする第1の先行レーザー光と,主軌跡よりも第2の部材側を照射位置とする第2の先行レーザー光とを照射させ,後行レーザー光として,主軌跡よりも第1の部材側を照射位置とする第1の後行レーザー光と,主軌跡よりも第2の部材側を照射位置とする第2の後行レーザー光とを照射させることが好ましい。互いに反対向きとなる進行方向の区間について,非重複照射を,同じ照射パターンにより,同じ条件で行うことができるからである。
また,上記に記載の溶接構造体の製造方法において,非重複照射では,レーザー照射部に,先行レーザー光により,先行レーザー光の照射位置を溶融させつつ,主軌跡上の主レーザー光の照射位置の前方に溶融部を形成させ,主レーザー光により,主レーザー光の照射位置における溶融部の深さを,主レーザー光が照射される前よりも深くさせ,後行レーザー光により,後行レーザー光の照射位置における溶融部の深さを,後行レーザー光が照射される前よりも深くさせることとすればよい。
本発明によれば,不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる溶接構造体の製造方法が提供されている。
実施形態に係る電池の斜視図である。 実施形態に係る電池の平面図である。 第1長手直線区間におけるレーザー光について説明するための図である。 第1短手直線区間におけるレーザー光について説明するための図である。 溶接装置の概略構成図である。 溶接装置によるレーザー光の照射状態を示す斜視図である。 レーザー溶接が行われる前の直線区間における断面図である。 レーザー溶接中の第1長手直線区間における平面図である。 先行レーザー光の照射により形成される溶融部の断面図である。 主レーザー光が照射されたときの溶融部の断面図である。 後行レーザー光が照射されたときの溶融部の断面図である。 屈曲区間におけるレーザー光の軌道を説明するための平面図である。 レーザー溶接が行われる前の屈曲区間における断面図である。 比較例のレーザー光の照射パターンを示す図である。 図14とは異なる比較例のレーザー光の照射パターンを示す図である。
以下,本発明を具体化した最良の形態について,図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1に,本形態に係るレーザー溶接の接合対象である電池1の外観における斜視図を示す。電池1は,図1に示すように,外形が扁平形状のものである。電池1は,図1に示すように,正極端子40および負極端子50を有している。そして,電池1は,正極端子40および負極端子50を介して充放電を行うことができる二次電池である。電池1としては,リチウムイオン二次電池や,ニッケル水素電池などが例示される。
また,電池1は,ケース本体10を有している。ケース本体10の内部には,充放電を行うため,正負の電極板よりなる電極体や電解液などが収容されている。ケース本体10の上部には,内部に電極体などを収容するための開口部11が形成されている。ケース本体10の開口部11は,図1においては,封口板20により塞がれている。本形態において,ケース本体10および封口板20の材質はともに,アルミニウムである。
正極端子40および負極端子50は,封口板20に設けられている。また,封口板20には,電解液を内部に注入するための注液口を封止している注液口封止部材60が設けられている。注液口封止部材60は,注液口より電解液をケース本体10の内部に注入した後に取り付けられたものである。
さらに,本形態の電池1において,ケース本体10と封口板20とは,レーザー溶接により接合されている。具体的には,ケース本体10と封口板20とは,ケース本体10の開口部11内に封口板20をはめ込み,ケース本体10の開口部11と封口板20の側面21との境目をレーザー溶接によって接合することで,これらが一体となった溶接構造体とされている。
また,レーザー溶接により,ケース本体10と封口板20との境目であった部分には1周,溶接痕30が形成されている。すなわち,図1に示す電池1の外観図においては,説明のため,ケース本体10の開口部11と封口板20の側面21とを符号を付して示している。しかし,実際には,ケース本体10の開口部11と封口板20の側面21とは,これらの付近が溶融して混ざり合って形成された溶接痕30となっていることにより,電池1の外側には存在していない。このことは,次の図2においても同様である。
図2は,電池1の平面図である。扁平形状の電池1は,図2に示すように,左右方向であるX軸方向を長手方向とし,上下方向であるY軸方向を短手方向とするものである。これにより,本形態の溶接痕30は,X軸方向を長手方向とし,Y軸方向を短手方向とする,全体として矩形形状をしているものである。
また,溶接痕30に係るレーザー溶接におけるレーザー光の照射区間は,ともにX軸方向に平行に延びる直線区間である第1長手直線区間X1,第2長手直線区間X2を有している。また,レーザー光の照射区間は,ともにY軸方向に平行に延びる直線区間である第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2を有している。さらに,レーザー光の照射区間は,上記の直線区間の間を繋ぐ第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4を有している。
そして,本形態の溶接痕30は,第1屈曲区間R1上に示す点Pから時計回りに1周,ケース本体10と封口板20との境目付近をレーザー光によって走査するレーザー溶接により形成されたものである。なお,レーザー溶接の開始点である点Pは任意の点であり,第1屈曲区間R1上に限られるものではない。また,レーザー溶接の開始点付近と終了点付近とは,適度にラップさせておくことが好ましい。溶接痕30を切れ目なく形成することができるからである。
図3には,本形態に係るレーザー溶接において照射するレーザー光Lを示している。図3には,照射されたレーザー光Lの,その照射対象であるケース本体10と封口板20との外面上における照射パターンを示している。本形態のレーザー溶接で照射されるレーザー光Lは,図3に示すように,複数のレーザー光より構成されるものである。すなわち,本形態のレーザー光Lは,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEより構成されるものである。なお,本形態では,少なくとも副レーザー光LB,LC,LD,LEについては,いずれも同じエネルギーのものである。
主レーザー光LAは,ケース本体10と封口板20との境目上を照射位置とするものである。また,図3に示すように,副レーザー光LB,LC,LD,LEは,これらを頂点とする正方形Sにより,主レーザー光LAを囲むように配置されている。さらに,本形態においては,副レーザー光LB,LC,LD,LEは,正方形Sの重心に主レーザー光LAが位置するように配置されている。
また,図3は,レーザー光Lの第1長手直線区間X1上における照射状態を示すものであり,矢印で示すように,レーザー光Lが右向きに移動しているときを示すものである。このため,副レーザー光LB,LC,LD,LEのうち,副レーザー光LB,LCは,主レーザー光LAよりも,進行方向の前方に照射される先行レーザー光LPを構成している。一方,副レーザー光LB,LC,LD,LEのうち,副レーザー光LD,LEについては,主レーザー光LAよりも,進行方向の後方に照射される後行レーザー光LFを構成している。
また,ケース本体10と封口板20との境目付近には,先行レーザー光LP(副レーザー光LB,LC),主レーザー光LA,後行レーザー光LF(副レーザー光LD,LE)が,この順に照射される。そして,先行レーザー光LPは,その照射位置に溶融部を形成するためのものである。また,主レーザー光LAは,ケース本体10と封口板20との境目における溶融部の深さを十分なものとするためのものである。さらに,後行レーザー光LFは,ケース本体10と封口板20との境目付近に,十分な深さと幅をもつ溶融部を形成するためのものである。なお,第1長手直線区間X1の長さは,進行方向の先頭に位置する副レーザー光LBと,進行方向の後尾に位置する副レーザー光LDとの間隔よりも長いものである。
図3には,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEのそれぞれの軌道KA,KB,KC,KD,KEを示している。すなわち,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEはそれぞれ,中心が軌道KA,KB,KC,KD,KE上を移動するように照射される。また,軌道KA,KB,KC,KD,KEは,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEのそれぞれの進行方向に伸びるものである。加えて,図3には,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEが軌道KA,KB,KC,KD,LEに沿って右向きに移動することによりこれらが照射された軌跡をそれぞれ,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEとして示している。
図3に示すように,副レーザー光LB,LC,LD,LEは,正方形Sが,レーザー光Lの進行方向に対して傾斜するような配置で照射されている。すなわち,図3に示すように,副レーザー光LB,LEの中点と副レーザー光LC,LDの中点とを通る線分である軸T1は,主レーザー光LAの軌道KAに対して傾斜している。このため,副レーザー光LB,LCの中点と副レーザー光LD,LEの中点とを通る線分である軸T2についても,主レーザー光LAの軌道KAに対して傾斜している。図3には,軸T1の,主レーザー光LAの軌道KAと直角に交わる方向に対する傾斜角と,軸T2の,主レーザー光LAの軌道KAに対する傾斜角とを,角度θにより示している。
そして,本形態のレーザー光Lは,先行レーザー光LP(副レーザー光LB,LC)と後行レーザー光LF(副レーザー光LD,LE)とが,主レーザー光LAの照射位置を通り,軌道KAに対して傾斜する軸T1について対称となる配置で照射されている。
加えて,本形態では,図3に示すように,軸T1,T2の傾斜角である角度θは,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも,互いに重ならないような角度とされている。すなわち,本形態は,主レーザー光LAが第1長手直線区間X1における軌道KAを走査している間のレーザー溶接を,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも重ならないように照射する非重複照射により行うものである。
つまり,本形態では,図3に示すように,先行レーザー光LPである副レーザー光LB,LCがそれぞれ,主レーザー光LAの照射軌跡LKAと重ならない照射軌跡LKB,LKCに沿って照射されている。また,後行レーザー光LFである副レーザー光LD,LEがそれぞれ,主レーザー光LAの照射軌跡LKAおよび先行レーザー光LPである副レーザー光LB,LCの照射軌跡LKB,LKCと重ならない照射軌跡LKD,LKEに沿って照射されている。この非重複照射については後に詳述する。
さらに,図3に示すように,本形態では,角度θを,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEの間に隙間が形成される程度の角度としている。なお,角度θは,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEが接する角度としてもよい。
また,本形態のレーザー溶接においては,レーザー光Lを,図3に示す照射パターンのまま,進行方向のみを異なるものとして,ケース本体10と封口板20との境目付近に沿って1周,移動させる。つまり,本形態のレーザー溶接においては,レーザー光Lがケース本体10と封口板20との境目付近を1周する間,主レーザー光LAに対する副レーザー光LB,LC,LD,LEの配置が,図3に示す照射パターンの配置から変わることはない。そして,そのレーザー光Lの照射パターンが,レーザー光Lがケース本体10と封口板20との境目付近を1周する間,電池1に対して回転などすることはない。
図4には,図2において説明したレーザー光Lの第1短手直線区間Y1上における照射状態を示している。つまり,図4では,矢印で示すように,レーザー光Lが下向きに移動しているときを示している。第1短手直線区間Y1におけるレーザー光Lの照射パターンは,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEの配置が,図3のときと同じである。また,第1短手直線区間Y1においても,主レーザー光LAの照射位置は,ケース本体10と封口板20との境目である。
そして,図4では,先行レーザー光LPが,副レーザー光LC,LDにより構成されている。また,図4では,後行レーザー光LFが,副レーザー光LB,LEにより構成されている。図4においては,図3に示す照射パターンのまま,進行方向のみが変わっているからである。なお,第1短手直線区間Y1についても,進行方向の先頭に位置する副レーザー光LCと,進行方向の後尾に位置する副レーザー光LEとの間隔よりも長いものである。
さらに,図4においても,先行レーザー光LP(副レーザー光LC,LD)と後行レーザー光LF(副レーザー光LB,LE)とは,主レーザー光LAの照射位置を通り,軌道KAに対して傾斜する軸T2について対称となる配置で照射されている。
また,図3において説明したように,第1長手直線区間X1において,軸T1,T2の傾斜角である角度θは,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも,互いに重ならないような角度とされている。また,副レーザー光LB,LC,LD,LEの配置は,正方形Sを構成する配置である。このため,第1短手直線区間Y1のレーザー溶接についても,第1長手直線区間X1と同様に,非重複照射により行う。つまり,主レーザー光LAが第1短手直線区間Y1における軌道KAを走査している間のレーザー溶接を,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも重ならないように照射する非重複照射により行う。
なお,第1長手直線区間X1と対向して設けられている第2長手直線区間X2においては,レーザー光Lの進行方向を図3に示す第1長手直線区間X1における向き(右向き)とは逆向き(左向き)としてレーザー溶接を行う。このため,第2長手直線区間X2においては,先行レーザー光LPが,副レーザー光LD,LEにより構成される。また,第2長手直線区間X2においては,後行レーザー光LFが,副レーザー光LB,LCにより構成される。なお,第2長手直線区間X2についても,進行方向の先頭に位置する副レーザー光LDと,進行方向の後尾に位置する副レーザー光LBとの間隔よりも長いものである。
さらに,第2長手直線区間X2においても,先行レーザー光LP(副レーザー光LD,LE)と後行レーザー光LF(副レーザー光LB,LC)とは,主レーザー光LAの照射位置を通り,軌道KAに対して傾斜する軸T1について対称となる配置で照射される。そして,第2長手直線区間X2のレーザー溶接においても,非重複照射により行う。つまり,主レーザー光LAが第2長手直線区間X2における軌道KAを走査している間のレーザー溶接を,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも重ならないように照射する非重複照射により行う。すなわち,第2長手直線区間X2においても,第1長手直線区間X1と同じ条件で,レーザー光Lによるレーザー溶接を行うことができる。
また,第1短手直線区間Y1と対向して設けられている第2短手直線区間Y2においては,レーザー光Lの進行方向を図4に示す第1短手直線区間Y1における向き(下向き)とは逆向き(上向き)としてレーザー溶接を行う。このため,第2短手直線区間Y2においては,先行レーザー光LPが,副レーザー光LB,LEにより構成される。また,第2短手直線区間Y2においては,後行レーザー光LFが,副レーザー光LC,LDにより構成される。なお,第2短手直線区間Y2についても,進行方向の先頭に位置する副レーザー光LEと,進行方向の後尾に位置する副レーザー光LCとの間隔よりも長いものである。
さらに,第2短手直線区間Y2においても,先行レーザー光LP(副レーザー光LB,LE)と後行レーザー光LF(副レーザー光LC,LD)とは,主レーザー光LAの照射位置を通り,軌道KAに対して傾斜する軸T2について対称となる配置で照射される。そして,第2短手直線区間Y2のレーザー溶接においても,非重複照射により行う。つまり,主レーザー光LAが第2短手直線区間Y2における軌道KAを走査している間のレーザー溶接を,照射軌跡LKA,LKB,LKC,LKD,LKEがいずれも重ならないように照射する非重複照射により行う。すなわち,第2短手直線区間Y2においても,第1短手直線区間Y1と同じ条件で,レーザー光Lによるレーザー溶接を行うことができる。
次に,図5により,本形態のレーザー溶接を行うための溶接装置100について説明する。図5は,上記のレーザー光Lを電池1に照射する溶接装置100の概略構成図である。
図5に示すように,本形態の溶接装置100は,レーザー発振器110とガルバノスキャナ120とを有している。ガルバノスキャナ120は,一対の反射鏡(ガルバノミラー)121,122を有している。また,ガルバノスキャナ120は,コリメートレンズ130,回折光学素子(DOE:Diffractive Optical Element)140,Fθレンズ150,保護レンズ160を有している。
コリメートレンズ130は,レーザー発振器110より発せられ,光ファイバー111を通じて入射したレーザー光を平行状態に調整することのできるものである。回折光学素子140は,レーザー光Lの照射パターンを調整するためのものである。すなわち,本形態の溶接装置100では,回折光学素子140により,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEよりなるレーザー光Lの照射パターンが決められている。
反射鏡121,122はそれぞれ,モーターによって回転されることで角度が調整されるものである。また,Fθレンズ150は,レーザー光Lの走査速度が一定になるように補正するためのものである。
そして,ガルバノスキャナ120は,反射鏡121,122の回転により,レーザー光Lを定めた位置に正確に照射することのできるものである。つまり,ガルバノスキャナ120は,反射鏡121,122の回転により,レーザー光Lによる走査を高速で行うことのできるものである。すなわち,溶接装置100は,図6に示すように,反射鏡121,122の回転により,ケース本体10と封口板20との境目付近に沿って1周,レーザー光Lを照射することができる。
なお,レーザー溶接を行う溶接装置としては,図5に示す溶接装置100に限らず,レーザー光Lを照射できるものであれば,異なる構成のものであってもよい。例えば,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEのそれぞれについて,レーザー発振器や一対の反射鏡(ガルバノミラー)などを有する装置を用いることも可能である。
次に,本形態のレーザー溶接における非重複照射について説明する。本形態では,非重複照射を,いずれも直線区間である第1長手直線区間X1,第2長手直線区間X2,第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2について行う。
図7に,レーザー溶接が行われる前の第1長手直線区間X1,第2長手直線区間X2,第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2におけるケース本体10と封口板20との境目付近の断面図を示している。つまり,図7は,ケース本体10の開口部11内に封口板20がはめ込まれた状態を示すものであり,ケース本体10の開口部11と封口板20の側面21とが対面した状態で突き合わせられている。
図7に示すように,ケース本体10の開口部11と封口板20の側面21との間には,隙間Gが形成されている。隙間Gは,ケース本体10の開口部11に,封口板20をはめ込むために設けられているものである。この隙間Gは,レーザー光Lの主レーザー光LAが照射された場合には,その一部が通過してしまう程度の大きさのものである。
図8は,レーザー溶接中の第1長手直線区間X1における平面図である。図8に示すように,レーザー光Lが照射されているケース本体10と封口板20との境目付近では,これらが溶融した溶融部Mが形成されている。溶融部Mにおいては一部,溶融したケース本体10と封口板20とが混ざり合った状態となっている。
図8に示すように,主レーザー光LAは,ケース本体10と封口板20との境目に設けられた軌道KAに沿って移動しつつ照射されている。また,先行レーザー光LPを構成する副レーザー光LB,LCはそれぞれ,非重複照射により,軌道KAよりもケース本体10側に設けられた軌道KB,軌道KAよりも封口板20側に設けられた軌道KCに沿って移動しつつ照射されている。さらに,後行レーザー光LFを構成する副レーザー光LD,LEはそれぞれ,非重複照射により,軌道KAよりも封口板20側に設けられた軌道KD,軌道KAよりもケース本体10側に設けられた軌道KEに沿って移動しつつ照射されている。
これにより,まず,ケース本体10と封口板20との境目付近では,図9に示すように,先行レーザー光LPが照射されることによって溶融部Mが形成される。溶融部Mは,ケース本体10と封口板20との境目付近が溶融することにより形成されており,溶融部Mの一部は,隙間Gが形成されていた箇所に流れ込むことによって隙間Gを塞いでいる。図9には,先行レーザー光LPの照射により形成される溶融部Mの深さD1を示している。
なお,先行レーザー光LPの照射位置は,ケース本体10上および封口板20上であり,これらの境目ではない。よって,先行レーザー光LPが,ケース本体10と封口板20との境目に形成された隙間Gを通過し,電池1の内部に照射されてしまうことはない。
次に,先行レーザー光LPの通過により形成された溶融部Mには,図10に示すように,主レーザー光LAが照射される。図10に示すように,主レーザー光LAが照射された溶融部Mは,主レーザー光LAの照射位置に近い部分ほど,深さが深いものとなっている。図10には,主レーザー光LAの照射位置における溶融部Mの深さD2を示している。溶融部Mの深さD2は,主レーザー光LAが照射されたことにより,主レーザー光LAが照射される前の深さD1よりも深いものとされている。これにより,主レーザー光LAの照射により,ケース本体10と封口板20との境目であった箇所における溶融部Mの深さD2が十分な深さとされている。
そして,本形態では,主レーザー光LAが照射されるときには,隙間Gは,先行レーザー光LPの照射によって形成された溶融部Mが流れ込んだことにより塞がれている。このため,隙間Gであった箇所に照射される主レーザー光LAが,電池1の内部に照射されてしまうことはない。
続いて,主レーザー光LAが通過した後の溶融部Mには,図11に示すように,後行レーザー光LFが照射される。そして,図11に示すように,溶融部Mは,後行レーザー光LFが照射されることにより,図10の状態よりも,進行方向に対する幅方向(左右方向)の端部付近の深さが深いものとなっている。つまり,図11に示すように,溶融部Mは,幅方向の端部付近まで,深さD1よりも深い深さD3となっている。なお、図11に示す深さD3は,図10に示す深さD2と同程度の深さである。
また,後行レーザー光LFについても,電池1の内部に照射されてしまうことはない。後行レーザー光LFの照射位置は,ケース本体10上および封口板20上であるからである。また,溶融部Mが形成されていることにより,隙間Gが塞がれているからである。すなわち,本形態では,非重複照射を行う間,電池1の内部にレーザー光Lが照射されてしまうことが抑制されている。これにより,電池1の内部に収容されている電極体などが損傷し,不良が発生してしまうことが抑制されている。
そして,本形態のレーザー溶接において形成された溶融部Mは,後行レーザー光LFが通過した後,固化して溶接痕30となる。そして,非重複照射により形成された溶接痕30においては,十分な深さと十分な幅が確保されているとともに,溶接不良が抑制されている。
すなわち,すでに溶融している溶融部Mでは,溶融していない素材よりもレーザー光のエネルギーの吸収率が高くなっていることにより,溶融部Mの進展しやすい状態となっている。よって,主レーザー光LAおよび後行レーザー光LFの照射された溶融部Mの深さを,十分なものとすることができるからである。さらには,後行レーザー光LFを,非重複照射により,主レーザー光LAの照射位置よりも溶融部Mの幅方向の端部に照射しているからである。
また,溶接素材にエネルギーの高いレーザー光を重複して照射した場合には,その重複照射のなされた箇所への入熱量が大きくなり過ぎてしまう傾向にある。このため,溶接素材にエネルギーの高いレーザー光を重複して照射した場合には,金属蒸発が発生することにより,溶接不良が生じてしまうおそれがある。これに対し,本形態のレーザー溶接における非重複照射では,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEがいずれも,同じ位置に重複して照射されることがない。このため,主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEとして,溶融部Mの深さを十分に確保できる程度のエネルギーの高いものを照射することができる。従って,十分な強度を持つ溶接痕30を,溶接不良を発生させることなく,連続して形成することができる。
さらには,非重複照射によって主レーザー光LA,副レーザー光LB,LC,LD,LEとしてエネルギーの高いものを照射することができるため,レーザー光Lの走査速度を速め,レーザー溶接を高速で行うことができる。よって,本形態では,非重複照射により,不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる。
なお,図8は第1長手直線区間X1について示しているが,その他の直線区間である第2長手直線区間X2,第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2においても,同様である。第2長手直線区間X2,第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2においても,先行レーザー光LP,主レーザー光LA,後行レーザー光LFによる非重複照射を,第1長手直線区間X1と同様に行うことができるからである。
すなわち,本形態では,副レーザー光LB,LC,LD,LEを頂点とする正方形Sの重心に主レーザー光LAが位置する照射パターンのレーザー光Lを用いている。さらには,副レーザー光LB,LC,LD,LEのエネルギーをいずれも,同じとしている。これにより,本形態では,すべての直線区間において,非重複照射を同様の条件により行うことができる。そして,溶接痕30を,すべての直線区間において均一に,不良を発生させることなく形成することができる。
次に,各直線区間の間における第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4について説明する。
前述したように,本形態のレーザー溶接においては,レーザー光Lを上記の照射パターンのまま,進行方向のみを異なるものとして,ケース本体10と封口板20との境目付近に沿って1周,移動させる。このため,第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4においては,主レーザー光LAよりも進行方向の前方に位置する先行レーザー光LPが,ケース本体10と封口板20との隙間Gを横切ることがある。
図12には,第1屈曲区間R1における軌道KA,KB,KC,KD,KEを示している。図12に示すように,第1屈曲区間R1においては,軌道KC,KEが,隙間Gの位置を横切っている。このうち,軌道KEについては,第1長手直線区間X1および第1短手直線区間Y1においてともに後行レーザー光LFを構成する副レーザー光LEに係るものである。よって,副レーザー光LEについては,すでに溶融部Mにより隙間Gが塞がれた後に,隙間Gの位置を横切っている。このため,副レーザー光LEについては,隙間Gを通過して電池1の内部に照射されてしまうことはない。
一方,軌道KCは,第1長手直線区間X1および第1短手直線区間Y1においてともに先行レーザー光LPを構成する副レーザー光LCに係るものである。よって,レーザー溶接を高速で行う場合,第1屈曲区間R1において,副レーザー光LCは,溶融部Mが形成される前の隙間Gを横切ってしまうことがある。この点,第1屈曲区間R1以外の屈曲区間である第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4においても同様である。すなわち,前後の直線区間においてともに先行レーザー光LPを構成する副レーザー光については,それらの直線区間の間の屈曲区間において,隙間Gを通過してしまうことがある。よって,本形態では,第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4において,レーザー光が隙間Gを通過して電池1の内部に照射されることがないようにされている。
図13に,レーザー溶接が行われる前の第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4における断面図を示す。図13に示すように,第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4では,ケース本体10の開口部11よりも下側に,開口部11よりも内側に向けて出っ張っている支持面12が設けられている。支持面12は,ケース本体10の開口部11内にはめ込まれた封口板20の内面22を受けるための面である。
よって,第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4では,レーザー光が隙間Gに進入したとしても,その進入したレーザー光がケース本体10の支持面12に照射されることとなる。これにより,本形態では,第1屈曲区間R1,第2屈曲区間R2,第3屈曲区間R3,第4屈曲区間R4においても,電池1の内部にレーザー光が照射されてしまうことが抑制されている。
また,本形態では,前述したように第1屈曲区間R1上に示す点Pをレーザー溶接の開始点としている。これにより,レーザー光Lの照射の開始時においても,主レーザー光LAが電池1の内部に照射されてしまうことが抑制されている。つまり,電池1の内部に収容されている電極体などが損傷し,不良が発生してしまうことが抑制されている。
また,本発明者は,以下の実験を行うことにより,本形態に係る非重複照射の効果の確認を行った。本実験では,レーザー溶接を非重複照射により行う実施例と,レーザー溶接を先行レーザー光と後行レーザー光との照射軌跡が重なるように行う比較例とを行った。
すなわち,実施例のレーザー溶接に用いた照射パターンは,上記の図3などにより説明したレーザー光Lと同じものである。一方,比較例1のレーザー溶接に用いた照射パターンを図14に,比較例2のレーザー溶接に用いた照射パターンを図15に,それぞれ示している。また,本実験では,実施例および比較例のレーザー溶接をいずれも,先頭の先行レーザー光と後尾の後行レーザー光との間隔よりも長い区間にわたって行った。
比較例1の照射パターンは,図14に示すように,主レーザー光LAと,先行レーザー光LP1,LP2と,後行レーザー光LF1,LF2とを配置してなるものである。なお,図14に示すように,進行方向は右向きである。また,比較例1では,先行レーザー光LP1と後行レーザー光LF1との軌道がともに軌道K1で共通するものである。さらに,比較例1では,先行レーザー光LP2と後行レーザー光LF2との軌道がともに軌道K2で共通するものである。つまり,比較例1の照射パターンは,後行レーザー光LF1,LF2がそれぞれ,先行レーザー光LP1,LPが照射された位置に重複して照射されるものである。
比較例2の照射パターンは,図15に示すように,比較例1の照射パターンに,先行レーザー光LP3,LP4,後行レーザー光LF3,LF4を追加したものである。なお,図15に示すように,進行方向は右向きである。また,比較例2では,先行レーザー光LP3と後行レーザー光LP3との軌道がともに軌道K3で共通するものである。さらに,比較例2では,先行レーザー光LP4と後行レーザー光LP4との軌道がともに軌道K4で共通するものである。つまり,比較例2の照射パターンは,後行レーザー光LF1,LF2,LF3,LF4がそれぞれ,先行レーザー光LP1,LP2,LP3,LP4が照射された位置に重複して照射されるものである。
そして,本実験では,実施例および比較例についてそれぞれ,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーをすべて同じエネルギーにした場合の,そのエネルギーの許容範囲について調査した。すなわち,実施例および比較例についてそれぞれ,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーをともに変化させた各条件について照射実験を行い,主レーザー光の前方に,先行レーザー光によって溶融部を形成するために必要なエネルギーを調査した。さらに,実施例および比較例についてそれぞれ,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーをともに変化させた各条件について照射実験を行い,後行レーザー光の照射位置に金属蒸発が発生してしまうエネルギーを調査した。
次の表1に,先行レーザー光により溶融部を形成するために必要なエネルギー(E1)と,後行レーザー光により金属蒸発が発生するエネルギー(E2)とを示している。なお,表1は,実施例および比較例のすべてにおいて,レーザー光の移動速度を同じ速度として取得したものである。
Figure 2017030010
実施例および比較例ではそれぞれ,表1に示す先行レーザー光により溶融部を形成するために必要なエネルギー(E1)以上のエネルギーの先行レーザー光と後行レーザー光とを照射する必要がある。主レーザー光LAが,接合対象の部材の間の隙間を通過しないようにするためである。また,実施例および比較例ではそれぞれ,表1に示す後行レーザー光により金属蒸発が発生するエネルギー(E2)未満のエネルギーの先行レーザー光と後行レーザー光とを照射する必要がある。溶接不良を抑制するためである。
表1に示すように,実施例においては,後行レーザー光により金属蒸発が発生するエネルギーE2の値が,比較例のいずれよりも高いものである。比較例においてはともに,後行レーザー光が先行レーザー光に重複して照射されているのに対し,実施例では,非重複照射により,後行レーザー光が先行レーザー光に重複して照射されていないからである。
また,表1には,先行レーザー光により溶融部を形成するために必要なエネルギー(E1)と,後行レーザー光により金属蒸発が発生するエネルギー(E2)との差(E2−E1)を示している。そして,差(E2−E1)の値は,比較例のいずれよりも,実施例の方が高いものである。すなわち,実施例では,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーの許容範囲が広いものである。一方,比較例ではともに,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーの許容範囲が狭いものである。
そして,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーの許容範囲が広いほど,レーザー溶接におけるロバスト性が高いものである。つまり,実施例は,比較例のいずれよりも,ロバスト性の高いものであることがわかる。さらに,実施例では,差(E2−E1)の値が高いことにより,先行レーザー光と後行レーザー光とを,E1以上,E2未満の許容範囲内のエネルギーで照射されるように容易に調整することができる。
すなわち,本形態に係る実施例では,先行レーザー光により適切な溶融部を形成しつつ,後行レーザー光による金属蒸発を抑制することができるため,不良の発生頻度を低減することができる。さらには,不良の発生を抑制しつつ,高速でレーザー溶接を行うこともできる。本形態に係る実施例においては,先行レーザー光と後行レーザー光とのエネルギーの許容範囲が広く,ロバスト性が高いからである。
以上詳細に説明したように,本実施では,ケース本体10と封口板20とのレーザー溶接を,溶接装置100のレーザー光Lにより行う。レーザー光Lは,直線区間(第1長手直線区間X1,第2長手直線区間X2,第1短手直線区間Y1,第2短手直線区間Y2)において,先行レーザー光LP,主レーザー光LA,後行レーザー光LFよりなるものである。そして,主レーザー光LAが直線区間におけるケース本体10と封口板20との境目を走査する間,これら先行レーザー光LP,主レーザー光LA,後行レーザー光LFの照射軌跡がいずれも重なることがない非重複照射を行う。これにより,不良を抑制しつつ,レーザー溶接を高速で行うことができる溶接構造体の製造方法が実現されている。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。従って本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,レーザー光Lの照射パターンは,副レーザー光LB,LC,LD,LEを頂点とする正方形Sの重心に主レーザー光LAが位置するものに限られるものではない。すなわち,例えば,副レーザー光LB,LC,LD,LEを頂点とする長方形の重心に主レーザー光LAが位置する配置の照射パターンを採用することもできる。そしてこの場合には,非重複照射を,互いに反対向きとなる進行方向の区間である第1長手直線区間X1と第2長手直線区間X2とにおいて,同じ照射パターンにより,同様の条件で行うことができる。また,非重複照射を,互いに反対向きとなる進行方向の区間である第1短手直線区間Y1と第2短手直線区間Y2とにおいて,同じ照射パターンにより,同様の条件で行うことができる。
また例えば,上記の実施形態では,溶接装置100により,矩形形状に一周,レーザー溶接を行う場合について詳細に説明している。しかし,溶接装置100は,例えば,2つの部材の端面同士を対面させつつ突き合わせてなる境目が直線箇所のみである場合のレーザー溶接にも用いることができる。2つの部材の端面をともに完全な平面とすることは困難であるため,その境目には隙間が形成されることがある。そして,このような場合にも,溶接装置100を用いることにより,レーザー光が隙間を通過してしまうことなく,レーザー溶接を行うことができるからである。
また例えば,2つの部材の端面同士を対面させつつ突き合わせてなる境目が直線箇所のみである場合には,先行レーザー光と後行レーザー光とが,主レーザー光の照射位置を通り,進行方向に対して傾斜する軸について必ずしも対称である必要はない。すなわち,互いに反対向きとなる進行方向の区間についてレーザー溶接を行う必要がない場合には,進行方向に対して傾斜する軸について先行レーザー光と後行レーザー光とを対称に設けておく必要はない。
また,上記の実施形態では,ともにアルミニウムよりなるケース本体10および封口板20をレーザー溶接により接合して溶接構造体とする場合の例について説明している。しかし,本発明は,当然,電池に係る部材以外の溶接構造体の製造にも適用することができる。また,アルミニウム同士に限らず,レーザー溶接により接合できる材質同士の組み合わせであれば,本発明を適用することが可能である。
1 電池
10 ケース本体
20 封口板
30 溶接痕
100 溶接装置
G 隙間
KA,KB,KC,KD,KE 軌道
L レーザー光
LA 主レーザー光
LB,LC,LD,LE 副レーザー光
LF 後行レーザー光
LP 先行レーザー光
M 溶融部
T1,T2 軸
X1 第1長手直線区間
X2 第2長手直線区間
Y1 第1短手直線区間
Y2 第2短手直線区間

Claims (3)

  1. 突き合わせた第1の部材と第2の部材との境目をレーザー溶接により接合して溶接構造体を製造する溶接構造体の製造方法において,
    第1の部材と第2の部材との境目を走査する主レーザー光と,
    前記主レーザー光の進行方向における前方を照射位置とする先行レーザー光と,
    前記主レーザー光の進行方向における後方を照射位置とする後行レーザー光とを照射するレーザー照射部により,
    前記主レーザー光を,第1の部材と第2の部材との境目上の主軌跡に沿って照射させ,
    前記先行レーザー光を,前記主軌跡と重ならない先行軌跡に沿って照射させ,
    前記後行レーザー光を,前記主軌跡および前記先行軌跡のいずれにも重ならない後行軌跡に沿って照射させる非重複照射を行うことを特徴とする溶接構造体の製造方法。
  2. 請求項1に記載の溶接構造体の製造方法において,
    前記非重複照射では,前記レーザー照射部に,
    前記先行レーザー光の照射位置と前記後行レーザー光の照射位置とが,前記主レーザー光の照射位置を通り,前記主軌跡に対して傾斜する傾斜軸について対称となるように前記先行レーザー光と前記後行レーザー光とを照射させるとともに,
    前記先行レーザー光として,前記主軌跡よりも第1の部材側を照射位置とする第1の先行レーザー光と,前記主軌跡よりも第2の部材側を照射位置とする第2の先行レーザー光とを照射させ,
    前記後行レーザー光として,前記主軌跡よりも第1の部材側を照射位置とする第1の後行レーザー光と,前記主軌跡よりも第2の部材側を照射位置とする第2の後行レーザー光とを照射させることを特徴とする溶接構造体の製造方法。
  3. 請求項1または請求項2に記載の溶接構造体の製造方法において,
    前記非重複照射では,前記レーザー照射部に,
    前記先行レーザー光により,前記先行レーザー光の照射位置を溶融させつつ,前記主軌跡上の前記主レーザー光の照射位置の前方に溶融部を形成させ,
    前記主レーザー光により,前記主レーザー光の照射位置における前記溶融部の深さを,前記主レーザー光が照射される前よりも深くさせ,
    前記後行レーザー光により,前記後行レーザー光の照射位置における前記溶融部の深さを,前記後行レーザー光が照射される前よりも深くさせることを特徴とする溶接構造体の製造方法。
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