JP2024510114A - 金属基板への金属箔スタックのレーザ溶接 - Google Patents

Abstract

金属箔（１２０）のスタックを金属基板にレーザ溶接するための方法は、箔（１２０）の縁によって形成されるスタックの側面が、表面（１３０Ｓ）の内側部分上に位置するように、金属箔（１２０）のスタックを金属基板の表面（１３０Ｓ）と取外可能クランプ（１４０）との間に固着する（２１０）ステップを含み、クランプ（１４０）は、スタックの側面から後退される。第１のレーザ溶接ステップ（２２０）は、レーザビームを用いて、箔縁（１２０Ｅ）に沿った複数の側方経路を連続的にトレースする（２２２）ことによって、箔を初期レーザ溶接継合部と相互接続する。第２のレーザ溶接ステップ（２３０）は、レーザビームを用いて、初期レーザ溶接継合部と基板表面との間の界面に沿った経路をトレースすることによって、相互接続された箔（１２０）のスタックを基板に接続する。

Description

（優先権）
本願は、その開示全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０２１年２月２３日に出願された、米国仮出願整理番号第６３／１５２，５３４号の優先権を主張する。

本発明は、概して、金属基板への金属箔のスタックのレーザ溶接全般に関し、特に、リチウムイオンバッテリ等の電気化学バッテリの生産に適用されるものに関する。

レーザ放射のビームは、金属および金属合金を含む、広範な材料から作製されるワークピースを切断する、穿孔する、溶接する、マーキングする、および刻削するために、ますます使用されている。従来的な機械的処理は、処理されるワークピースが、応力をかけられるときに伝搬し、それによって、処理されるワークピースを劣化および弱化し得る、微小亀裂等の望ましくない欠陥を生じさせる。そのような望ましくない欠陥を最小限にするレーザ処理は、概して、より汚染物質が少なく、より小さい熱の影響を受ける区域を引き起こす。レーザ機械加工は、集束されたレーザビームを使用し、高品質の縁と、壁とを有する、精密な切断面および孔を生じさせながら、望ましくない欠陥の形成を最小限にする。

レーザ溶接では、集束されたレーザビームが、各溶接箇所または継目を精密に位置決めしながら、付随的な加熱を最小限にする。２つの主要なレーザ溶接体系を区別することは、有用である。伝導溶接は、より低いレーザパワーおよびより低いパワー密度において起こる。吸収されたレーザパワーは、照射された材料を加熱し、継合されることになる各部分において、材料を融解し、これは、流動および混合され、次いで、凝固される。キーホール溶接は、照射された材料の一部を気化するために十分である、より高いレーザパワーおよびより高いパワー密度において起こる。周囲の融解された材料上への気化された材料の圧力は、特性的な細くかつ深い外形を有する、融解された材料を通したチャネルを開放し、これは、レーザビームの深い侵入を可能にする。仕上げられたキーホール溶接は、概して、伝導溶接よりも細く、深く、かつ強固である。

リチウムイオンバッテリは、携帯用電子デバイス、電気自動車、および殆どの他の現代の充電式電気デバイスにとって、重要な実現技術である。バッテリの各セルは、電解質内に浸漬される、またはそれを用いてコーティングされる、薄い金属箔の２つのスタックを含む。金属は、最も多くの場合、アルミニウムまたは銅であり、箔は、約１０ミクロン（μｍ）の典型的な厚さを有する。典型的には、各箔スタック内に、２０～４０個の個々の箔が存在する。箔スタックは、シリンダに合体される、または平坦な状態で敷設され得る。電解質は、リチウム塩を含有する。各箔スタックは、電気接続のためにセルから突出する、金属タブに電気的に接続される。複数のセルが、電気デバイスの電圧および電流要件に応じて、直列および／または並列に電気的に接続され、バッテリを形成する。複数のバッテリが、直列および／または並列に電気的に接続され、バッテリパックを形成し得る。

個別のタブへのスタック内の各箔の機械的取付および電気接続は、バッテリの完全性、信頼性、および性能にとって重要である。しかしながら、複数の薄い金属箔をはるかにより厚い金属タブに継合することは、困難である。完成された継合部は、強固であり、耐久性があり、低い電気抵抗を有しなければならない。精密抵抗溶接が、使用されるが、高い電導率を伴うこれらの金属に対する界面抵抗に依拠し、これらの金属の高い熱伝導率は、多くの電流が、印加されなければならないことを意味する。超音波溶接が、使用されるが、継合されることになる部分の機械的圧縮を要求し、これは、任意の組立に先立って、継合されなければならない。アルミニウムは、そのような非レーザプロセスにおいて破壊されなければならない、耐久性酸化層を有する。これらの理由のために、レーザ溶接が、魅力的な代替案として出現しており、パワーの精密な送達を提供し、全体的な熱蓄積を最小限にする。キーホールレーザ溶接は、箔スタックおよびタブの全厚を通して、強固な溶接を形成することができる。いくつかのバッテリ設計は、バッテリ内のセルを取付および接続するための付加的な箔－タブ継合部を含み、これもまた、キーホールレーザ溶接からの利益を享受する。

本明細書に開示されるものは、金属箔のスタックを金属基板にレーザ溶接するための方法である。本方法は、バッテリセル、例えば、リチウムイオンバッテリセルの製造において有用であり、本場合では、本方法は、電気接続のために、アノード金属箔のスタックまたはカソード金属箔のスタックを金属タブに溶接するために使用され得る。開示される方法は、単一のレーザ溶接動作において、著しく異なる厚さを伴う材料をともに溶接することの困難を回避する、２段階のプロセスである。開示される方法は、具体的には、結果として生じる溶接された構造のフォームファクターを最小限にするように、金属箔スタックを単一の金属基板のみにレーザ溶接するように調整されている。

レーザ溶接の間、金属箔スタックは、それに金属箔が接続されることになる金属基板と取外可能クランプとの間に固着される。金属箔スタックは、クランプではなく、金属基板にのみ溶接され、したがって、クランプは、溶接された構造から除去され得る。クランプへの金属箔スタックの溶接を回避するために、クランプは、金属箔の縁から後退される。

レーザ溶接は、２つのステップにおいて行われる。第１に、金属箔は、金属箔の比較的薄い性質に応じた、比較的軽弱様式において、相互にレーザ溶接され、金属箔のスパッタおよび過剰な縁曲および／または亀裂を阻止する。本第１のレーザ溶接ステップは、金属箔を電気的に相互接続すること、および金属箔スタックを構造的に強化することの両方のための役割を果たす。次に、溶接された金属箔スタックの改良された強度から利益を享受して、より強力なレーザ溶接が、溶接された金属箔スタックを比較的厚い金属基板に接続する、堅牢かつ高品質な溶接継合部を形成するために使用される。第１のレーザ溶接ステップは、伝導溶接のみに依拠し得るのに対し、第２のレーザ溶接ステップは、キーホール溶接を利用し得る。

本明細書内に組み込まれ、その一部を構成する、付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上記に与えられる概要および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説するための役割を果たす。

図１は、ある実施形態による、製造の間のバッテリセルアセンブリを図示する。 図２は、ある実施形態による、金属箔のスタックを金属基板にレーザ溶接するための方法のフローチャートである。 図３Ａ－３Ｄは、ある実施形態による、金属箔の傾斜したスタックを初期レーザ溶接継合部と相互接続するための方法を図示する。 図４Ａ－４Ｃは、ある実施形態による、初期レーザ溶接継合部によってすでに相互接続された金属箔のスタックを金属基板に接続するための方法を図示する。 図５は、図４Ａ－４Ｃの方法において使用され得る、反復二次元走査パターンを図示する。 図６は、ある実施形態による、図２の方法のレーザ溶接を実施するために有用である、複合レーザビームの横断的外形を図示する。 図７は、ある実施形態による、金属箔の傾斜したスタックを、レーザビームを用いて、複数の横断的経路をトレースすることによって形成される初期レーザ溶接継合部と相互接続するための方法を図示する。 図８は、ある実施形態による、金属箔のスタックの非傾斜構成を図示する。

発明の詳細な説明
ここで図面を参照すると、同様の構成要素は、同様の番号によって指定され、図１は、断面側方図において、製造の間の１つのバッテリセルアセンブリ１００を図示する。アセンブリ１００は、複数の金属箔１２０と、その上に配置される材料層１１０とを含む。各材料層１１０は、電解質、例えば、リチウム塩を含む。金属箔１２０は、バッテリセルのアノードのセットまたはカソードのセットのいずれかを形成する。金属箔１２０は、図１に示されない金属箔の第２のセットと交互配置され、金属箔１２０は、アノード箔であり、金属箔の第２のセットは、カソード箔である、またはその逆であり得る。金属箔１２０は、材料層１１０を越えて延在し、金属タブ１３０に到達する。金属タブ１３０は、金属箔１２０に対する電気接点を形成するように構成される。金属箔１２０の一部は、金属タブ１３０への金属箔１２０のレーザ溶接に備えて、金属タブ１３０の表面１３０Ｓ上にスタックされる。各金属箔１２０の厚さは、５～３０ミクロン（μｍ）の範囲内にあり得る。比較のために、金属タブ１３０の厚さは、０．５ミリメートル（ｍｍ）を超過し得る。アセンブリ１００は、金属タブ表面１３０Ｓ上にスタックされる、１０個またはそれを上回る金属箔１２０、例えば、２０～４０個の金属箔１２０を含んでもよい。金属箔１２０は、例えば、アルミニウムから作製され、金属タブ１３０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作製されてもよい。代替として、金属タブ１３０は、別の金属または金属合金、例えば、銅、銅合金、または鋼鉄合金から作製されてもよい。

図２は、金属箔のスタックを金属基板にレーザ溶接するための一方法２００に関するフローチャートである。方法２００は、各金属箔１２０を金属タブ１３０に電気的に接続するように、金属箔１２０のスタックを金属タブ１３０にレーザ溶接するために、バッテリアセンブリ１００に適用され得る。しかしながら、方法２００はまた、金属箔のスタックが金属基板に溶接される必要がある、他のシナリオにも適用可能である。アセンブリ１００は、方法２００によってレーザ溶接され得る、金属箔スタックおよび金属基板の単なる一実施例を表す。本明細書の範囲から逸脱することなく、金属箔１２０のスタックは、異なるタイプのバッテリセル金属箔、または非バッテリ関連の金属箔のスタックでさえあってもよい。同様に、金属タブ１３０は、異なるタイプのバッテリアセンブリの金属基板、または非バッテリ関連の金属基板であってもよい。

方法２００は、ステップ２１０と、２２０と、２３０とを含む。ステップ２１０は、金属基板の表面と取外可能クランプとの間に、金属箔のスタックを固着する。ステップ２１０は、（ａ）金属箔スタックの側面が、金属基板表面の外周から離れるように、その内側領域内に配置され、（ｂ）取外可能クランプが、スタックの側面から後退されるように、金属箔スタックおよび取外可能クランプを配列する。ステップ２１０の一実施例では、遠位金属箔１２０のスタックは、金属タブ表面１３０Ｓと取外可能クランプ１４０との間に固着される。金属箔１２０の縁１２０Ｅは、金属タブ表面１３０Ｓの内側部分上、すなわち、金属タブ表面１３０Ｓの外周１３０Ｅから離れた非ゼロ距離に位置する、スタックの側面を形成する。取外可能クランプ１４０は、縁１２０Ｅによって形成されるスタックの側面から後退される。

ステップ２２０は、金属箔を初期レーザ溶接継合部と相互接続する、第１のレーザ溶接ステップである。ステップ２２０の一実施例では、レーザビーム１８０は、金属箔１２０のスタックが、金属タブ１３０と取外可能クランプ１４０との間に固着される間、金属箔１２０の縁１２０Ｅを相互に溶接する。ステップ２２０は、レーザビームを用いて、金属箔縁に沿った複数の側方経路を連続的にトレースする、ステップ２２２を含む。側方経路はそれぞれ、金属箔縁に対して略平行である。ステップ２２２の一実施例では、レーザビーム１８０によってトレースされる各経路は、縁１２０Ｅに対して平行に、すなわち、図１の平面に対して直交して延設される。

ステップ２２２の上から下への実装では、レーザビームは、最初に、金属基板表面から最も遠い経路をトレースし、レーザビームによってトレースされる、後続の各側方経路は、レーザビームによってすでにトレースされた先行する側方経路よりも金属基板表面に近い。本上から下への実装の一実施例では、レーザビーム１８０は、最初に、金属箔１２０のスタックの上部近くにある、すなわち、金属タブ表面１３０Ｓから最も遠く、取外可能クランプ１４０に最も近い経路をトレースする。本トレースは、縁１２０Ｅに平行に、すなわち、図１の平面に対して直交して延設される。レーザビーム１８０は、本第１の側方経路をトレースするが、レーザビーム１８０は、これらをともに溶接するために、２つまたはそれを上回る最上部の金属箔１２０の縁１２０Ｅを融解する。次に、レーザビーム１８０は、金属タブ表面１３０Ｓにより近い側方経路をトレースし、より多くの金属箔１２０をすでに溶接されたものに溶接する。本プロセスは、全ての金属箔１２０の縁１２０Ｅが、初期溶接継合部においてともに溶接されるまで継続する。ステップ２２２の上から下への実装の一実施形態は、図３Ａ－３Ｄを参照して、下記にさらに詳細に議論される。

ステップ２２０は、比較的薄い金属箔に作用する。ステップ２２０は、これらの薄い金属箔をより厚い金属基板に溶接するように試行しない。したがって、ステップ２２０は、金属箔をともに比較的軽弱に溶接し、金属箔の過剰な縁曲および／または亀裂、およびスパッタによって引き起こされる材料の著しい損失等の望ましくない結果を回避し得る。ステップ２２０は、伝導溶接のみに依拠し、そのような望ましくない結果を回避し得る。いったんステップ２２０が完了されると、初期レーザ溶接継合部は、金属箔を電気的に相互接続するだけではなく、構造的強度も提供する。

さらに、取外可能クランプが金属箔縁によって形成されるスタックの側面から後退されることに起因して、金属箔は、溶接前に、完全に定位置に固定されない。ステップ２２０における一連の側方経路に沿った伝導溶接は、特に、本構成における金属箔の過剰な縁曲および亀裂を阻止するために非常に好適である。

代替実施形態では、ステップ２２０は、異なるように配列される経路のセット、例えば、金属箔縁１２０Ｅに対して横断的である複数の経路、または全ての金属縁１２０Ｅを横断して跨架するように協働する、別の経路のセットをトレースする。本代替実施形態は、伝導溶接を利用し得る。

ステップ２３０は、金属箔のスタックを金属基板に接続する、第２のレーザ溶接ステップである。ステップ２３０は、ステップ２２０において、初期レーザ溶接継合部とすでに相互接続されている金属箔のスタックから利益を享受する。初期レーザ溶接継合部によって提供される構造的強度は、少なくとも２つの利益を有する。第１に、これらが、ステップ２２０において形成される初期レーザ溶接継合部によってすでに電気的かつ構造的に相互接続されているため、全金属箔スタックを通して溶接されることは、必要とされない。第２に、初期レーザ溶接継合部によって提供される強度は、ステップ２３０においてより強力な溶接を可能にし、金属箔と金属基板との間に、堅牢かつ高品質な電気接続を形成する。

ステップ２３０は、レーザビームを用いて、ステップ２２０において形成される初期レーザ溶接継合部と金属基板表面との間の界面に沿った経路をトレースする、ステップ２３２を含む。レーザビームは、結果として生じる電気接続の品質を最適化するように、本経路をトレースしながら、キーホール溶接を実施し得る。ステップ２３２を実装する、ステップ２３０の一実施例では、レーザビーム１９０は、金属タブ表面１３０Ｓと、金属箔１２０の縁１２０Ｅを相互接続する、初期レーザ溶接継合部との間の界面に沿った経路をトレースする。ステップ２３０の本実施例においてトレースされる経路は、概して、図１の平面に対して直交する方向に沿ったものであり得る。ステップ２３０の一実施形態は、図４Ａ－４Ｃを参照して、下記にさらに詳細に議論される。

ステップ２３２は、キーホール形成および溶接品質を最適化するために、反復二次元（２Ｄ）走査パターンを利用し得る。反復２Ｄ走査パターンは、円形または楕円形方式において、界面を横断して往復し得る。反復２Ｄ走査パターンを用いた溶接は、図５を参照して、下記にさらに詳細に議論される。

ステップ２２０および２３０はそれぞれ、溶接領域において、アルゴンまたは別の不活性ガス等のシールドガスを利用し得る。

方法２００はさらに、２つのレーザ溶接ステップ２２０および２３０の完了後、金属箔スタックから取外可能クランプを除去する、ステップ２４０を含み得る。ステップ２２０またはステップ２３０のいずれも、取外可能クランプを金属箔スタックに溶接しないため、ステップ２４０は、クランプを金属箔スタックから変位させることによって、簡単にクランプを除去し得る。方法２００のある実施形態では、ステップ２１０は、取外可能クランプとバッキングプレート、例えば、図１に示されるようなバッキングプレート１５０との間に、金属基板および金属箔のスタックを挟着する。そのような実施形態では、ステップ２４０は、バッキングプレートから取外可能クランプを変位させ、（ステップ２２０および２３０によって、ともに溶接されるような）金属基板および金属箔のスタックの取出を促進し得る。

本発明者らは、金属箔縁によって形成される金属スタックの側面が、取外可能クランプに向かう方向において傾斜されるように、ステップ２１０において、金属箔を配列することが有利であることを見出している。換言すると、レーザ溶接されることになる金属スタックの側面が、金属基板表面から幾分離れるように対向するように、金属箔縁を相互からオフセットさせることは、有利である。本構成は、レーザビームが、ステップ２２０および２３０の両方において、金属基板表面に対して斜めの角度にある、例えば、金属スタックの側面に対して略法線である方向に沿って入射することを可能にする。傾斜した構成はまた、ステップ２２０において、レーザ溶接のためにアクセス可能な面積を増加させ、したがって、より強固なレーザ溶接継合部の形成を可能にする。さらに、本構成における金属箔縁のレーザ溶接は、金属箔の収縮を特に良好に取り扱う。

図３Ａ－３Ｄは、そのような金属箔の傾斜したスタックを初期レーザ溶接継合部と相互接続するための一方法３００を図示する。方法３００は、ステップ２２０の実施形態であり、スタックが傾斜した側面を有するアセンブリ１００の一実施形態では、金属箔１２０のスタックに適用され得る。図３Ａ－３Ｄに描写される実施例は、１２０（１）－１２０（２０）に列挙される、２０個の金属箔１２０を有し、金属箔１２０（１）は、金属タブ表面１３０Ｓに最も近く、金属箔１２０（２０）は、取外可能クランプ１４０に最も近い。一般性を喪失することなく、方法３００は、金属箔１２０および金属タブ１３０の文脈において、ここで議論されるであろう。図３Ａは、方法３００において、レーザビームによってトレースされる経路の一構成を図示する。図３Ｂおよび３Ｃは、それぞれ、断面側方図および斜視図において、方法３００の間の１つの段階における、アセンブリの状態を描写する。図３Ｄは、方法３００によって形成される、完成された初期レーザ溶接継合部を描写する。図３Ａ－３Ｄは、以下の説明において、ともに最適に概観される。

方法３００は、縁１２０Ｅが相互からオフセットされる配列に適用され、したがって、概して、金属箔１２０が、スタック内で高くなるほど、対応する縁１２０Ｅは、金属箔１２０（１）の縁１２０Ｅに対してより遠くに後退される。結果として、金属箔１２０のスタックの縁１２０Ｅは、傾斜した側面３２０Ｓを形成する（図３Ｂ参照）。本オフセットパターンからの偏移は、金属箔１２０の設置が、不正確性の影響を被るときに存在し得る。しかしながら、平均すると、各縁１２０Ｅは、オフセットによって、任意の直接隣接する、下側の金属箔１２０の縁１２０Ｅから後退される。本オフセットは、スタック内の全ての金属箔にわたって平均されると、２０～２００μｍの範囲内にあり得る。金属箔１２０のスタックは、１～３ｍｍの範囲内の高さ３２０Ｈを有し得、スタックの側面３２０Ｓの傾斜角３２０Ａ（図３Ｂ参照）は、１０～８０度の範囲内にあり得る。

レーザビーム１８０は、法線に近い入射において、側面３２０Ｓ上に入射し得る。例えば、レーザビームの入射角３８０Ａは、側面３８０Ａの表面法線に対して、－２０度～＋２０度であり得る。スタックの側面３２０Ｓの上へのレーザビーム１８０の法線に近い入射は、レーザビーム１８０から金属箔１２０へのエネルギーの結合を最適化し得る。

方法３００では、レーザビーム１８０は、複数の側方経路３１０（図３Ａ参照）、例えば、３～２０個の側方経路３１０をトレースする。レーザビーム１８０は、最初に、金属タブ表面１３０Ｓから最も遠い側方経路３１０（１）をトレースする。後続の各側方経路３１０は、任意の先行する側方経路３１０よりも金属タブ表面１３０Ｓに近い。最終的な側方経路３１０（図３Ａに描写される実施例では、第５の側方経路３１０（５））は、金属タブ表面１３０Ｓに最も近い。各側方経路３１０は、縁１２０Ｅの全長３２０Ｌ、またはそのかなりの割合に跨架し得る。レーザビーム１８０は、例えば、図３Ａに矢印によって示されるように、各側方経路３１０を同一の方向にトレースし得る、またはレーザビーム１８０は、いくつかの側方経路３１０を互いに反対の方向にトレースし得る。一実施例では、連続的な側方経路３１０は、反対の方向においてトレースされ、蛇行形状を有する、全体的な連続トレースを形成する。図３Ｂおよび３Ｃに示されるように、レーザビーム１８０による側方経路３１０の各トレースは、溶接線３２０を形成する。各溶接線３２０は、１５～１，０００μｍの範囲内の幅３２０Ｗを有し得る。第１の溶接線３２０（１）の形成後、後続の各溶接線３２０は、少なくとも直前に先行する溶接線３２０と接触または重複する。したがって、方法３００の完了に応じて、全ての縁１２０Ｅは、ともにレーザ溶接されており、図３Ｄに示されるように、共通の初期レーザ溶接継合部３３０を形成する。

方法３００では、レーザビーム１８０は、伝導溶接のみを引き起こし、キーホール形成を回避する、パワーレベルで動作し得る。しかし、レーザビーム１８０によって加熱されるとき、金属箔１２０は、ある程度の量の収縮を受け得る。金属箔１２０が、定位置に完全に固定される場合、そのような収縮は、金属箔１２０の機械的応力および亀裂につながり得る。しかしながら、方法３００では、金属箔１２０のスタックの側面は、傾斜され、取外可能クランプ１４０は、縁１２０Ｅから距離３４２（図３Ａ参照）だけ後退され、したがって、金属箔１２０は、定位置に完全に固定されない。金属箔１２０は、したがって、亀裂が結果として生じる収縮を伴うことなく、ある程度の収縮を自由に受ける。距離３４２は、例えば、０．１～５ｍｍの範囲内にある。

代替実施形態では、レーザビーム１８０は、異なる順序において、例えば、側方経路３１０（５）から、最も近い金属タブ表面１３０Ｓを開始し、側方経路３１０（１）で終了する、逆行トレース順序を用いて、または少なくとも部分的に順不同で、経路３１０をトレースする。レーザビーム１８０は、異なる側方経路３１０のトレースを交互配置さえし得る。

図４Ａ－４Ｃは、初期レーザ溶接継合部によってすでに相互接続された金属箔のスタックを金属基板に接続するための一方法４００を図示する。方法４００は、方法２００のステップ２３０の実施形態であり、金属箔のスタックが傾斜されたアセンブリに適用され得る。例えば、方法４００は、方法３００に従ってすでにレーザ溶接されている、アセンブリに適用されてもよい。一般性を喪失することなく、方法４００は、金属箔１２０が、初期レーザ溶接継合部３３０によって相互接続されている場合の金属箔１２０および金属タブ１３０の文脈において、ここで議論されるであろう。図４Ａは、方法４００において、レーザビームによってトレースされる経路を図示する。図４Ｂおよび４Ｃは、それぞれ、断面側方図および斜視図において、方法４００の完了に応じたアセンブリの状態を描写する。図４Ｂはさらに、方法４００を実施するときのレーザビーム１９０の伝搬方向を示す。図４Ａ－４Ｃは、以下の説明において、ともに最適に概観される。

方法４００では、レーザビーム１９０は、初期レーザ溶接継合部３３０と金属タブ表面１３０Ｓとの間の界面に沿った経路４４０をトレースする（図４Ａ参照）。経路４４０は、縁１２０Ｅの全長３２０Ｌ、またはそのかなりの割合に跨架し得る。レーザビーム１９０の入射方向は、金属箔１２０のスタックの側面３２０Ｓに対して法線に近くあり得る。例えば、（金属箔１２０のスタックの側面３２０Ｓの表面法線に対する）レーザビーム１９０の入射角４９０Ａは、－２０度～＋２０度であり得る（図４Ｂ参照）。入射角４９０Ａは、図３Ｂにおいて示される、入射角３８０Ａに類似し得る。レーザビーム１９０が、経路４４０をトレースするにつれて、レーザビーム１９０は、レーザ溶接継合部４５０に凝固する融解プールを形成する（図４Ｂおよび４Ｃ参照）。レーザ溶接継合部４５０は、相互接続された金属箔１２０のスタックを金属タブ１３０に電気的かつ構造的に接続する。

金属箔１２０のスタックが、方法４００を実施するレーザビーム１９０に先立って、すでに相互接続されるため、レーザビーム１９０は、金属箔１２０の全スタックを通して溶接される必要がない。金属タブ表面１３０Ｓに最も近い初期レーザ溶接継合部３３０の一部（および場合によっては、方法３００において融解されない金属箔１２０の直接隣接する面積）を融解することで十分である。初期レーザ溶接継合部３３０および金属箔１２０のスタックの残りの領域は、方法４００によって融解されないまま残され得る。一実施例では、レーザビーム１９０によって形成される、融解プールおよび結果として生じるレーザ溶接継合部４５０は、０．１～２ｍｍの範囲内の幅４５０Ｗを有する。

初期レーザ溶接継合部３３０によって提供される強度から利益を享受して、レーザビーム１９０は、レーザ溶接継合部４５０を介して、金属箔１２０と金属タブ１３０との間の伝導率を最大限にするだけではなく、レーザ溶接継合部４５０の堅牢性を最大限にするように、経路４４０をトレースするときに、キーホール溶接を実施し得る。レーザ溶接継合部４５０の最適なキーホール形成および最適な品質のために、レーザビーム１９０は、反復２Ｄ走査パターンを用いて、経路４４０をトレースし得る。

図５は、レーザビーム１９０が、方法４００において使用し得る、１つの反復２Ｄ走査パターン５４０を図示する。反復２Ｄ走査パターン５４０は、円形または楕円形方式において、初期レーザ溶接継合部３３０と金属タブ表面１３０Ｓとの間の界面を横断して往復する。反復２Ｄ走査パターン５４０をトレースするために、レーザビーム１９０は、中心場所が、線形方向５４２に沿って平行移動される間、中心場所の周囲をループを描いて進むように指向される。

図５に示される、楕円形または円形の走査パターンの代替として、レーザビーム１９０は、初期レーザ溶接継合部３３０と金属タブ表面１３０Ｓとの間の界面を反復して交差する、正弦波または鋸歯状パターンをトレースしてもよい。

図６は、方法２００のレーザ溶接を実施するために有用である、１つの複合レーザビーム６００の横断的外形を図示する。複合レーザビーム６００は、中心ビーム６１０と、環状ビーム６２０とを含む。中心ビーム６１０は、１５～１００μｍの範囲内の１／ｅ^２の直径６１０Ｄを有し得る。環状ビーム６２０は、１００～５００μｍの範囲内の外側１／ｅ^２の直径６２０Ｄを有し得る。レーザパワーにおける局所的最小値は、中心ビーム６１０と環状ビーム６２０との間に存在し得る。複合レーザビーム６００は、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ， Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）製ＨｉｇｈＬｉｇｈｔ^ＴＭ ＦＬ－ＡＲＭレーザ等、または米国特許第１０，８０７，１９０号（２０２０年１０月２０日に発行され、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）において議論されるようなファイバレーザによって生成され得る。代替として、標準的なファイバレーザによって生成される、単一レーザビームは、例えば、屈折および／または回折光学系を用いて操作され、複合レーザビーム６００を形成し得る。

１つのシナリオでは、複合レーザビーム６００は、例えば、方法３００および４００に従って、方法２００のステップ２２０および２３０の両方を実施する。ステップ２２０、すなわち、方法３００では、レーザ源は、中心ビーム６１０において、全くパワーを用いずに、または有意ではないパワーのみを用いて動作され、環状ビーム６２０のみを用いて、伝導溶接を実施し得る。ここで、環状ビーム６２０のパワーは、５０～３００ワット（連続波）の範囲内にあり得る。本発明者らは、本パワーレベルおよび１００～５００ｍｍ／秒の側方経路３１０に沿った走査速度が、方法３００に従って、１５μｍ厚のアルミニウム箔をレーザ溶接するために好適であることを見出している。ステップ２３０、すなわち、方法４００では、中心ビーム６１０および環状ビーム６２０は、より等しいパワーを有し、例えば、中心ビーム６１０および環状ビーム６２０のそれぞれにおけるパワーは、２００～１，０００ワット（連続波）の範囲内にあり得る。本発明者らは、これらのパワーレベルが、方向５４２に沿った５０～５００ｍｍ／秒の線形走査速度、および２００～８００ヘルツ（すなわち、毎秒２００～８００個のループを実施する）のループ速度とともに、方法４００に従って、相互接続された１５μｍ厚のアルミニウム箔をアルミニウム基板にレーザ溶接するために好適であることを見出している。

本明細書の範囲から逸脱することなく、ステップ２２０および２３０の一方または両方は、ガウスまたはトップハットレーザビーム等の別のレーザビーム外形を利用してもよい。

図７は、金属箔の傾斜したスタックを、レーザビームを用いて、複数の横断的経路をトレースすることによって形成される初期レーザ溶接継合部と相互接続するための一方法７００を図示する。方法７００は、ステップ２２０の実施形態であり、スタックが傾斜した側面を有するアセンブリ１００の一実施形態では、金属箔１２０のスタックに適用され得る。方法７００は、方法３００を修正したものであり、本場合では、レーザビーム１８０は、側方経路３１０の代わりに、複数の横断的経路７１０をトレースする。各横断的経路７１０は、金属箔１２０の縁１２０Ｅに対して略直角に配向される。レーザビーム１８０は、同一の方向において、全ての横断的経路７１０をトレースし得、例えば、金属タブ表面１３０Ｓから最も距離のある金属箔１２０から開始し、金属タブ表面１３０Ｓに向かう方向においてトレースする。代替として、レーザビーム１８０は、横断的経路７１０のうちのいくつかを互いに反対の方向においてトレースし得る。例えば、レーザビーム１８０は、連続蛇行パターンにおいて、横断的経路７１０をトレースし得る。

図７に描写される実施例では、レーザビーム１８０は、１２個の横断的経路７１０をトレースする。本明細書の範囲から逸脱することなく、レーザビーム１８０は、異なる数の横断的経路７１０をトレースし得る。各横断的経路７１０に沿って形成される溶接線は、図３Ｄに示されるように、初期レーザ溶接継合部３３０を組み合わせて形成するように、隣接する横断的経路７１０に沿って形成される溶接線と重複し得る。

代替実施形態では、横断的経路７１０は、縁１２０Ｅに対して斜めの角度にある。

本明細書の範囲から逸脱することなく、方法３００、４００、および７００はそれぞれ、金属箔１２０のスタックが、傾斜しない、または非常に小さい傾斜のみを有する構成に適用されるように修正されてもよい。図８は、金属箔１２０のスタックのそのような非傾斜構成を図示する。ここで、金属箔１２０の縁１２０Ｅ間には、殆どまたは全くオフセットが、存在しない。例えば、オフセットは、０～２０μｍの範囲内にあり得る。結果として、金属箔１２０のスタックの側面は、金属タブ表面１３０Ｓに対して略直角であり、傾斜角３２０Ａが、９０度、または８０～９０度であることに対応する。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点において、上記に説明される。本発明は、しかしながら、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims (19)

1. 金属箔のスタックを金属基板にレーザ溶接するための方法であって、
   前記金属箔の縁によって形成される前記スタックの側面が、前記金属基板表面の内側部分上に位置するように、前記金属箔のスタックを前記金属基板の表面と取外可能クランプとの間に固着させるステップであって、前記取外可能クランプは、前記スタックの側面から後退される、ステップと、
   前記金属箔を初期レーザ溶接継合部と相互接続するステップであって、前記相互接続するステップは、レーザビームを用いて、前記金属箔縁に沿った複数の側方経路を連続的にトレースするステップを含む、ステップと、
   レーザビームを用いて、前記初期レーザ溶接継合部と前記金属基板表面との間の界面に沿った経路をトレースすることによって、前記相互接続された金属箔のスタックを前記金属基板に接続するステップと
   を含む、方法。
2. 前記側方経路はそれぞれ、トレースされるとき、前記側方経路のうちの任意の先行する１つよりも前記金属基板表面に近い、請求項１に記載の方法。
3. 前記接続するステップの後、前記金属箔のスタックから前記取外可能クランプを変位させるステップをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記固着するステップは、前記取外可能クランプとバッキングプレートとの間に、前記金属基板および前記金属箔のスタックを挟着するステップを含み、
   前記方法はさらに、前記接続するステップの後、前記バッキングプレートから前記取外可能クランプを変位させ、前記相互接続するステップおよび接続するステップによって、ともに溶接されるように、前記金属基板および前記金属箔のスタックの取出を促進するステップを含む、
   前記請求項のいずれかに記載の方法。
5. 前記相互接続するステップにおいて、側方経路の各トレースは、溶接線を生じさせ、対の隣接する側方経路によって生じさせられる溶接線は、空間的に重複する、前記請求項のいずれかに記載の方法。
6. 前記接続するステップは、前記金属基板表面から最も遠い前記初期レーザ溶接継合部の一部を融解することなく、前記金属基板表面に最も近い前記初期レーザ溶接継合部の一部を融解するステップを含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
7. 前記接続するステップにおいて、前記レーザビームは、前記界面に沿って、反復二次元走査パターンを走査する、前記請求項のいずれかに記載の方法。
8. 前記接続するステップにおいて、前記レーザビームによってトレースされる前記経路は、円形または楕円形方式において、前記界面を横断して往復する、請求項７に記載の方法。
9. 前記相互接続するステップにおいて、前記レーザビームは、伝導溶接によって、前記初期レーザ溶接継合部を形成し、
   前記接続するステップは、前記相互接続された金属箔のスタックを前記金属基板にキーホール溶接するステップを含む、
   前記請求項のいずれかに記載の方法。
10. 前記相互接続するステップにおいて、前記レーザビームは、環状レーザビームである、請求項９に記載の方法。
11. 前記接続するステップにおいて、前記レーザビームは、中心レーザビームと、環状レーザビームとを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記固着するステップは、前記スタックの側面が、前記取外可能クランプに向かう前記方向において傾斜されるように、前記金属箔縁を相互からオフセットするステップを含み、
    前記相互接続するステップおよび接続するステップのそれぞれにおいて、前記レーザビームは、前記金属基板表面に対して斜めの角度にある方向に沿って入射する、
    前記請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記金属箔のそれぞれの厚さは、５～３０ミクロンであり、前記固着するステップは、前記スタックにわたって平均されると、各対の隣接する金属箔の縁間で、２０～２００ミクロンの範囲内で、平均オフセットを生じさせる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記相互接続するステップにおいて、前記側方経路はそれぞれ、少なくとも５ミリメートルの長さを有し、前記レーザビームは、１００～５００ミクロンの範囲内の幅を有する、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記接続するステップは、前記界面に沿って、融解プールを形成するステップを含み、前記界面に対して横断的な寸法における前記融解プールの幅は、０．１～２ミリメートルの範囲内にある、請求項１２－１４に記載の方法。
16. 前記金属箔のそれぞれの厚さは、５～３０ミクロンである、前記請求項のいずれかに記載の方法。
17. 前記スタックは、少なくとも１０個の金属箔を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記金属箔は、アルミニウムから作製される、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 前記金属基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される、請求項１８に記載の方法。

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