JP2020093272A - Laser welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池の電極端子のレーザ溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser welding method for battery electrode terminals.
近年、アルミと銅などの金属間化合物を生成しうる組み合わせの２種類の金属材料からなる接合体が用いられている。接合体は、低体格化や軽量化のニーズから、ボルトレスの異種金属接合物を持つものが広く用いられている。この接合体では、高効率でのリサイクルのために、使用後は異種金属接合部を取り外して解体し、各種材料の分別を行う。 In recent years, a bonded body made of a combination of two kinds of metal materials that can form an intermetallic compound such as aluminum and copper has been used. As a joined body, one having a boltless dissimilar metal joint is widely used because of needs for a reduction in body size and weight. In this joined body, the dissimilar metal joint is removed and disassembled after use to separate various materials for high efficiency recycling.
従来、このような分野の技術として、特開２００５−３０５５４２号公報がある。この公報に記載された溶接継手の製造方法では、２種類の金属部材の接合部に金属間化合物層が生成されるように、２つの金属部材を接合する。これにより、解体時にはもろい金属間化合物が分離部分となるため、解体作業が容易となる。 Conventionally, as a technique in such a field, there is JP-A-2005-305542. In the method for manufacturing a welded joint described in this publication, two metal members are joined together so that an intermetallic compound layer is formed at the joint between the two types of metal members. As a result, the fragile intermetallic compound becomes a separation portion during disassembly, which facilitates disassembly work.
しかしながら、例えば二次電池などの現行のリサイクル工程は、複雑な作業工程となるため、主に人による手作業で実行されている。そのため、サイクルタイムが長いという問題がある。前述した従来の溶接継手の製造方法では、金属間化合物を分離するための分離加工条件が明らかにされていない。
本発明は、電池の分解時にアルミ材上の銅材を容易に引き離すことができる電極端子のレーザ溶接方法を提供するものである。
However, the current recycling process of, for example, a secondary battery is a complicated work process, and is mainly performed manually by a person. Therefore, there is a problem that the cycle time is long. In the above-described conventional method for manufacturing a welded joint, the separation processing conditions for separating the intermetallic compound have not been clarified.
The present invention provides a method for laser welding an electrode terminal that can easily separate a copper material on an aluminum material when a battery is disassembled.
本発明にかかるレーザ溶接方法は、電池組立体の電極部材として用いるアルミ材と銅材をレーザで溶接する電極端子のレーザ溶接方法であって、前記アルミ材の上に前記銅材を重ねた接合体に対して、前記銅材側から、レーザの単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以上、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍ以下となるようにレーザ光を照射して、レーザ溶接を実行する。
これにより、接合界面付近にアルミと銅の金属間化合物の層が生成される条件でレーザ溶接を行うことができる。
A laser welding method according to the present invention is a laser welding method of an electrode terminal in which an aluminum material used as an electrode member of a battery assembly and a copper material are laser-welded, and the copper material is superposed on the aluminum material. Laser welding is performed by irradiating the body with laser light so that the energy input per unit length of laser is 600 kJ/mm or more and 1500 kJ/mm or less from the copper material side.
As a result, laser welding can be performed under the condition that an intermetallic compound layer of aluminum and copper is formed near the bonding interface.
これにより、電池の分解時にアルミ材上の銅材を容易に引き離すことができる電極端子のレーザ溶接方法を提供することができる。 Accordingly, it is possible to provide a laser welding method of the electrode terminals, which can easily separate the copper material on the aluminum material when the battery is disassembled.
図１に示すように、溶接装置１は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１から射出されたレーザの調整を行うレーザヘッド１２と、レーザヘッド１２の動作やレーザによる入熱状態を制御する制御部１３と、を備える。 As shown in FIG. 1, the welding apparatus 1 includes a laser oscillator 11, a laser head 12 that adjusts the laser emitted from the laser oscillator 11, and a control unit that controls the operation of the laser head 12 and the heat input state by the laser. 13 and.
また、２種類の金属からなる接合体２は、レーザヘッド１２のレーザの射出口に対向して配置されている。例えば、接合体２は、溶接装置１の下方に配置されている。２種類の金属とはアルミ材２ａと銅材２ｂであり、アルミ材２ａの上に銅材２ｂが重ねられて配置されている。したがって、溶接装置１から射出されたレーザは、銅材２ｂ側に照射される。 The bonded body 2 made of two kinds of metals is arranged so as to face the laser emission port of the laser head 12. For example, the bonded body 2 is arranged below the welding device 1. The two kinds of metals are an aluminum material 2a and a copper material 2b, and a copper material 2b is placed on the aluminum material 2a in a stacked manner. Therefore, the laser emitted from the welding device 1 is applied to the copper material 2b side.
また接合体２には、アルミ材２ａと銅材２ｂを上下方向に接合した異種金属接合部２ｃが設けられている。異種金属接合部２ｃでは、下記に示すように適切な条件でレーザ光を照射することで、金属間化合物が生成される。この金属間化合物は、固く脆いという性質を有する。したがって、異種金属接合部２ｃに生成された金属間化合物は、アルミ材２ａ及び銅材２ｂからなる接合体２から取り外しやすく、この取り外しによりアルミ材２ａと銅材２ｂの接合を容易に分離できる。 Further, the joined body 2 is provided with a dissimilar metal joint portion 2c formed by vertically joining an aluminum material 2a and a copper material 2b. In the dissimilar metal joint portion 2c, an intermetallic compound is generated by irradiating laser light under appropriate conditions as shown below. This intermetallic compound has the property of being hard and brittle. Therefore, the intermetallic compound generated in the dissimilar metal joint portion 2c can be easily removed from the joined body 2 including the aluminum material 2a and the copper material 2b, and the removal can easily separate the joining of the aluminum material 2a and the copper material 2b.
なお接合体２は、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示すように電池組立体３において用いられる。例えば図２Ａに示すように、電池組立体３は、複数の電池セル３ａと、それぞれの電池セル３ａ上に設けられたアルミ製の正極端子３ｂと、それぞれの電池セル３ａ上に設けられた銅製の負極端子３ｃと、を有する。それぞれの電池セル３ａの正極端子３ｂうちの複数は、アルミ製であるバスバー３ｄにより互いに接続されている。それぞれの電池セル３ａの負極端子３ｃのうちの複数は、アルミ製であるバスバー３ｅによって互いに接続されている。すなわち、正極端子３ｂ、負極端子３ｃ、バスバー３ｄ、バスバー３ｅは、それぞれが電極部材である。 The bonded body 2 is used in the battery assembly 3 as shown in FIGS. 2A, 2B and 2C. For example, as shown in FIG. 2A, the battery assembly 3 includes a plurality of battery cells 3a, a positive electrode terminal 3b made of aluminum provided on each battery cell 3a, and a copper terminal provided on each battery cell 3a. Negative electrode terminal 3c of. A plurality of positive electrode terminals 3b of each battery cell 3a are connected to each other by a bus bar 3d made of aluminum. A plurality of negative electrode terminals 3c of each battery cell 3a are connected to each other by a bus bar 3e made of aluminum. That is, each of the positive electrode terminal 3b, the negative electrode terminal 3c, the bus bar 3d, and the bus bar 3e is an electrode member.
ここで、図２Ｂ及び図２Ｃは、図２Ａに示した負極端子３ｃ付近の断面図である。図２Ｂに示すように、負極端子３ｃ付近では、アルミ製の電池セル３ａ、アルミ製のバスバー３ｅ、銅製の負極端子３ｃの順番で並ぶように配置されている。接合体２は、このバスバー３ｅと負極端子３ｃの接合に採用することができる。また、このようにアルミと銅を接合することで、導通性を確保することができる。 Here, FIGS. 2B and 2C are cross-sectional views near the negative electrode terminal 3c shown in FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, in the vicinity of the negative electrode terminal 3c, the battery cells 3a made of aluminum, the bus bar 3e made of aluminum, and the negative electrode terminal 3c made of copper are arranged side by side in this order. The joined body 2 can be used for joining the bus bar 3e and the negative electrode terminal 3c. Further, by joining aluminum and copper in this manner, it is possible to ensure electrical conductivity.
レーザ発振器１１は、レーザ光を発生させる装置である。例えばレーザ発振器１１には、レーザ媒質、励起源、光共振器などが設けられている。レーザ発振器１１にはファイバが連結されており、ファイバを介して、レーザ光をレーザヘッド１２に射出する。 The laser oscillator 11 is a device that generates laser light. For example, the laser oscillator 11 is provided with a laser medium, an excitation source, an optical resonator, and the like. A fiber is connected to the laser oscillator 11, and a laser beam is emitted to the laser head 12 via the fiber.
レーザヘッド１２は、接合体２に対するレーザ光の照射位置や、レーザ光のエネルギーの調整を行う。レーザヘッド１２は、レーザ光を反射するための複数のガルバノミラーを有する。典型的には、レーザヘッド１２内には２枚のガルバノミラーと、集光レンズが設けられている。レーザヘッド１２では、上方からファイバを介して入射したレーザ光を、ガルバノミラーで２度反射した後に集光レンズを通して、下方の接合体２に向けて射出する。なお例えば、レーザヘッド１２から、接合体２に向けて照射するレーザの波長は、１０７０ｎｍである。 The laser head 12 adjusts the irradiation position of the laser light on the bonded body 2 and the energy of the laser light. The laser head 12 has a plurality of galvanometer mirrors for reflecting laser light. Typically, the laser head 12 is provided with two galvanometer mirrors and a condenser lens. In the laser head 12, the laser light incident from above via the fiber is reflected twice by the galvano mirror and then emitted toward the lower bonded body 2 through the condenser lens. Note that, for example, the wavelength of the laser emitted from the laser head 12 toward the bonded body 2 is 1070 nm.
制御部１３は、レーザヘッド１２の動作を制御することで、接合体２にレーザ光が照射される位置や、レーザ光の出力、集光径、走査速度などを調整することで、レーザ光によって接合体２に投入されるエネルギーの制御を行う。これにより、接合体２の異種金属接合部２ｃにおいて、上昇温度や凝固時間の調整を行う。 The control unit 13 controls the operation of the laser head 12 so as to adjust the position where the bonded body 2 is irradiated with the laser light, the output of the laser light, the focusing diameter, the scanning speed, and the like. The energy input to the bonded body 2 is controlled. Thereby, the rising temperature and the solidification time are adjusted in the dissimilar metal joint portion 2c of the joint body 2.
ここで、溶接装置１が接合体２に対して照射するレーザ光として適切である条件は、単位長さあたりの投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍの範囲内であるものとして定める。この条件でレーザ光が照射されることにより、金属間化合物が適切に生成された状態となる。ここで単位長さあたりの投入エネルギーＥは、
ここで例えば図３に示すように、凝固時間を０．００３secから０．０１０secとして、単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以下であれば、入熱不足のため、金属間化合物の生成量が少なくなる。一方、投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍより大きく、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍより小さければ、金属間化合物は十分に多く生成される。なお、投入エネルギーが１５００ｋJ／ｍｍより大きければ、入熱過多であり、接合部以外に溶融が発生するおそれがある。 Here, for example, as shown in FIG. 3, when the solidification time is set to 0.003 sec to 0.010 sec and the input energy per unit length is 600 kJ/mm or less, the heat input is insufficient, so the amount of intermetallic compound produced. Is less. On the other hand, if the input energy is larger than 600 kJ/mm and smaller than 1500 kJ/mm, a sufficiently large amount of intermetallic compound is generated. If the input energy is greater than 1500 kJ/mm, the heat input is excessive and there is a risk that melting will occur in areas other than the joint.
図４に示すように、レーザの照射により金属間化合物を生成した際の金属間化合物と破断荷重の関係について、例えば凝固時間を０．００５〜０．００７secとし、金属間化合物量が多く形成されている場合には、金属間化合物量が少なく形成されている場合に比べて、分離荷重を小さくできる。すなわち、金属間化合物が適切に多く生成されていると、接合体２を形成するアルミ材２ａと銅材２ｂの分離が容易となる。 As shown in FIG. 4, regarding the relationship between the intermetallic compound and the breaking load when the intermetallic compound is generated by laser irradiation, for example, the solidification time is set to 0.005 to 0.007 sec, and a large amount of the intermetallic compound is formed. In this case, the separation load can be reduced as compared with the case where the amount of the intermetallic compound is small. That is, when the intermetallic compound is appropriately produced in a large amount, it becomes easy to separate the aluminum material 2a and the copper material 2b forming the bonded body 2.
また、制御部１３は、レーザヘッド１２から照射されるレーザの出力のフィードバック制御を行う。具体的には、図５に示すように、同軸カメラ１４を、レーザヘッド１２の近傍に設けておくことができる。同軸カメラ１４では、レーザヘッド１２から異種金属接合部２ｃにレーザを照射した際に、戻り光波形を取得する。 The controller 13 also performs feedback control of the output of the laser emitted from the laser head 12. Specifically, as shown in FIG. 5, the coaxial camera 14 can be provided near the laser head 12. The coaxial camera 14 acquires a return light waveform when the laser head 12 irradiates a laser on the dissimilar metal joint 2c.
図６Ａ、図６Ｂに示すように、制御部１３は、同軸カメラ１４で取得した戻り光波形について、光がプラズマ光である場合には、その光強度、すなわち振幅Ａの大きさが所定の範囲内Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであるか否かにより、その異種金属接合部２ｃの品質判定を行うことができる。なお後述するように、振幅Ａは、判定を行う全体を複数の区間に区切ったうち、判定中の区間における最大振幅を用いることができる。図６Ａは、振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxである場合の例であり、図６Ｂは、振幅ＡがＡmax＜Ａである場合の例である。 As shown in FIGS. 6A and 6B, when the light is plasma light, the control unit 13 determines the light intensity of the return light waveform acquired by the coaxial camera 14, that is, the magnitude of the amplitude A within a predetermined range. Depending on whether or not Amin<A<Amax, the quality of the dissimilar metal joint 2c can be determined. As will be described later, as the amplitude A, the maximum amplitude in the section under determination can be used among the plurality of sections into which the entire determination is made. FIG. 6A is an example when the amplitude A is Amin<A<Amax, and FIG. 6B is an example when the amplitude A is Amax<A.
具体的には、制御部１３では、Ａminは投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍであるときの戻り光の強度の閾値として設定し、Ａmaxは投入エネルギーが１５００ｋＪ／ｍｍであるときの戻り光の強度の閾値として設定しておく。そして制御部１３は、レーザ光を照射した際の戻り光の振幅ＡがＡminより小さければ、入熱不足のためＮＧ判定とし、戻り光の振幅ＡがＡmaxより大きければ、入熱過多のためＮＧ判定とする。なお制御部１３では、振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxであれば、品質ＯＫであると判定する。 Specifically, in the control unit 13, Amin is set as the threshold value of the intensity of the returning light when the input energy is 600 kJ/mm, and Amax is the threshold value of the intensity of the returning light when the input energy is 1500 kJ/mm. Set as. If the amplitude A of the returning light when the laser light is irradiated is smaller than Amin, the control unit 13 determines that the heat input is insufficient and the result is NG. If the amplitude A of the returning light is larger than Amax, the heat input is too large. It is judged. The control unit 13 determines that the quality is OK if the amplitude A is Amin<A<Amax.
制御部１３では、ＮＧ判定である場合に、投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍとし、戻り光の振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxとなるように、レーザ出力のフィードバック制御を実行できる。なお制御部１３では、接合体２を複数の区間に区切り、区切られた区間のそれぞれについて、この判定と制御を実行することができる。 In the case of NG determination, the control unit 13 can perform feedback control of the laser output so that the input energy is 600 to 1500 kJ/mm and the amplitude A of the returning light is Amin<A<Amax. The control unit 13 can divide the bonded body 2 into a plurality of sections, and can perform this determination and control for each of the divided sections.
ここで図７を用いて、溶接装置１による電極端子のレーザ溶接のフローの一例を説明する。 Here, an example of a flow of laser welding of the electrode terminal by the welding device 1 will be described with reference to FIG. 7.
最初に、アルミ材２ａの上に銅材２ｂを重ねた接合体２を、複数の区間に区切っておく（ステップＳ１）。なお、接合体２の全体をｍ個の区間に区切ったものとし、１番目の区間から順番に、ｎ番目の区間（以下、区間ｎ）について処理を行うものとする（ステップＳ２）。 First, the bonded body 2 in which the copper material 2b is overlaid on the aluminum material 2a is divided into a plurality of sections (step S1). Note that the entire bonded body 2 is divided into m sections, and the processing is performed for the nth section (hereinafter, section n) in order from the first section (step S2).
制御部１３は、全ての区間について、レーザ溶接及び検査が終了しているか否かを確認する（ステップＳ３）。全ての区間についての処理が終了していない場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、対象とする区間は、区間ｎであるものとしてステップＳ４に進む。全ての区間についての処理が終了しており、溶接及び検査の対象となる区間が存在しなければ、異種金属接合部２ｃの全体の検査の判定がＯＫであるものとして（ステップＳ１２）、処理を終了する。 The control unit 13 confirms whether or not laser welding and inspection have been completed for all sections (step S3). If the processing has not been completed for all the sections (Yes in step S3), the target section is the section n and the process proceeds to step S4. If the processing has been completed for all sections and there is no section to be welded or inspected, it is determined that the inspection of the entire dissimilar metal joint 2c is OK (step S12), and the processing is performed. finish.
制御部１３は、区間ｎにレーザ光を銅材２ｂ側から照射して、レーザ溶接を実行し、戻り光の光強度を計測する（ステップＳ４）。 The control unit 13 irradiates the section n with laser light from the copper material 2b side, performs laser welding, and measures the light intensity of the return light (step S4).
制御部１３は、戻り光の光強度の振幅Ａが、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであるか否かを判定する（ステップＳ５）。Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであれば（ステップＳ５でＹｅｓ）、ステップＳ６に進む。Ａmin＜Ａ＜Ａmaxでなければ（ステップＳ５でＮｏ）、ステップＳ８に進む。 The control unit 13 determines whether or not the amplitude A of the light intensity of the return light is Amin<A<Amax (step S5). If Amin<A<Amax (Yes in step S5), the process proceeds to step S6. If Amin<A<Amax is not satisfied (No in step S5), the process proceeds to step S8.
制御部１３は、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxであった区間ｎについて、品質ＯＫであると判定する（ステップＳ６）。その後、ｎ＋１番目の区間を、次の対象である区間ｎであるものとして（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻る。 The control unit 13 determines that the quality is OK for the section n in which Amin<A<Amax (step S6). After that, the n+1-th section is regarded as the next target section n (step S7), and the process returns to step S2.
制御部１３は、Ａmin＜Ａ＜Ａmaxでない区間ｎについて、品質ＮＧであると判定する（ステップＳ８）。 The control unit 13 determines that the quality is NG for the section n where Amin<A<Amax is not satisfied (step S8).
制御部１３は、それまで判定した区間と、現在対象としている区間の判定を合計した全体のＮＧ判定率が、所定のＢ％より小さいか否かを判定する（ステップＳ９）。ここで、所定のＢ％はあらかじめ任意に定めておくことができる。例えば、現在対象としている区間が４番目であれば、先にレーザを照射して品質検査を実行した１〜３番目の区間と、現在対象である４番目の区間を合計してＮＧ率を求め、Ｂ％より小さいか否かを判定する。全体のＮＧ率がＢ％より小さければ（ステップＳ９でＹｅｓ）、ステップＳ１０に進む。全体のＮＧ率がＢ％以上であれば（ステップＳ９でＮｏ）、異種金属接合部２ｃの全体の品質判定がＮＧであるものとして（ステップＳ１１）、処理を終了する。 The control unit 13 determines whether or not the overall NG determination rate, which is the total of the determinations made up to that point and the determination of the current target section, is smaller than a predetermined B% (step S9). Here, the predetermined B% can be arbitrarily set in advance. For example, if the currently targeted section is the fourth, the first to third sections where the laser is first irradiated to perform the quality inspection and the fourth section which is the current target are summed to obtain the NG rate. , B% or less. If the overall NG rate is smaller than B% (Yes in step S9), the process proceeds to step S10. If the overall NG rate is B% or more (No in step S9), the quality determination of the entire dissimilar metal joint 2c is determined to be NG (step S11), and the process ends.
制御部１３は、レーザ出力の調整を行う（ステップＳ１０）。ここで、制御部１３は、投入エネルギーが６００〜１５００ｋＪ／ｍｍとして、戻り光の振幅ＡがＡmin＜Ａ＜Ａmaxとなるように、レーザ出力を調整する。その後、ｎ＋１番目の区間を、次の対象である区間ｎであるものとして、ステップＳ２に戻る。 The controller 13 adjusts the laser output (step S10). Here, the control unit 13 adjusts the laser output such that the input energy is 600 to 1500 kJ/mm and the amplitude A of the returning light is Amin<A<Amax. After that, the n+1-th section is regarded as the next target section n, and the process returns to step S2.
このようにして、接合体のレーザ溶接の際に、アルミと銅の金属間化合物の層が適切に生成される条件となるように制御しながら、レーザ溶接を実行することができる。この金属間化合物の層は硬く脆いものであるため、この接合体が用いられた電池組立体の分解時に、接合体として用いられているアルミと銅の分離を容易に行うことができる。 In this way, it is possible to perform laser welding while controlling the conditions such that the layer of the intermetallic compound of aluminum and copper is appropriately generated during laser welding of the joined body. Since the layer of the intermetallic compound is hard and brittle, the aluminum and the copper used as the joined body can be easily separated when the battery assembly using the joined body is disassembled.
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。例えば、戻り光の判定に用いる振幅Ａとして、ある区間における最大振幅を用いるものとしたが、これに限られず、原波形からノイズによる異常値を除去した後の波形を用いることや、平滑化処理後の波形などを用いて判定を行っても良い。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, although the maximum amplitude in a certain section is used as the amplitude A used to determine the return light, the present invention is not limited to this, and a waveform after removing an abnormal value due to noise from the original waveform is used, or smoothing processing is performed. The determination may be performed using a later waveform or the like.
１ 溶接装置
２ 接合体
２ａ アルミ材
２ｂ 銅材
２ｃ 異種金属接合部
３ 電池組立体
３ａ 電池セル
３ｂ 正極端子
３ｃ 負極端子
３ｄ バスバー
３ｅ バスバー
１１ レーザ発振器
１２ レーザヘッド
１３ 制御部
１４ 同軸カメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Welding device 2 Joined body 2a Aluminum material 2b Copper material 2c Dissimilar metal joint part 3 Battery assembly 3a Battery cell 3b Positive electrode terminal 3c Negative electrode terminal 3d Bus bar 3e Bus bar 11 Laser oscillator 12 Laser head 13 Control part 14 Coaxial camera
Claims (1)
前記アルミ材の上に前記銅材を重ねた接合体に対して、前記銅材側から、レーザの単位長さあたりの投入エネルギーが６００ｋＪ／ｍｍ以上、かつ、１５００ｋＪ／ｍｍ以下となるようにレーザ光を照射して、レーザ溶接を実行する
レーザ溶接方法。 A laser welding method of an electrode terminal, wherein an aluminum material and a copper material used as an electrode member of a battery assembly are laser-welded,
For a bonded body in which the copper material is overlaid on the aluminum material, a laser is applied from the copper material side so that the input energy per unit length of the laser is 600 kJ/mm or more and 1500 kJ/mm or less. A laser welding method that irradiates light to perform laser welding.
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