JP6524992B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

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本発明は、溶接用レーザ光を照射することにより、２つのワーク同士を溶接するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
従来から、２つのワークを溶接する際には、溶接用のレーザ光を照射することにより、これらを溶接することがなされている。たとえば、特許文献１には、２つのワークの境界に形成された溶接経路に沿って、閉ループ状に形成された溶接経路を周回するように、溶接用のレーザ光を走査することにより、ワーク同士を溶接するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置が提案されている。
特開２０１６−２５６２号公報
しかしながら、特許文献１に示すレーザ溶接方法によれば、溶接経路に沿ってレーザ光を走査するため、ワークへのレーザ光の入熱により、溶接経路に沿った未溶接部分に熱が伝達され、この部分のワークの温度が上昇する傾向にある。このため、溶接の終わりの部分の溶け込み深さは、溶接の始めの部分の溶け込み深さよりも深くなってしまうことがあり、溶接部分が安定し難い。そのため、溶接経路の溶け込み深さを均一にするため、レーザ光の出力を随時調節することがなされていることが多い。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、溶接用のレーザ光の複雑な出力制御を行うことなく、溶接部分の溶け込み深さをより均一にすることができるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することにある。
前記課題を鑑みて、本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接用レーザ光を、２つのワークの境界に形成された閉ループ状の溶接経路に沿って、前記溶接経路を周回するように照射することにより、前記２つのワーク同士を溶接するレーザ溶接方法であって、加熱用レーザ光を、前記溶接経路の全体に所定時間照射することにより、前記溶接経路の全体を予備加熱する工程と、前記予備加熱する工程後に、前記加熱用レーザ光の照射を継続しつつ、前記溶接経路に沿って前記溶接用レーザ光を走査し、前記溶接用レーザ光が前記溶接経路を周回した後、前記溶接用レーザ光の照射を終了することを特徴とする。
本発明によれば、まず、加熱用レーザ光を溶接経路の全体に所定時間照射することにより、溶接経路の全体を予備加熱する。その後、溶接用レーザ光を照射する際も、溶接経路の全体への加熱用レーザ光の照射を継続するので、ワークの溶接経路の全体の加熱の状態を維持することができる。これにより、溶接用レーザ光の複雑な出力制御を行うことなく、加熱用レーザ光を照射しない場合に比べて、低い出力で加熱された状態の溶接経路に沿って、溶接用レーザ光を走査し、２つのワークを溶接することができる。この結果、溶接の始めの部分と、溶接の終わりの部分の温度差を小さくすることができ、溶接経路に沿ってワークに形成された溶接部分の溶け込み深さをより均一にすることができる。
本発明に係るレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を、２つのワークの境界に形成された閉ループ状の溶接経路に沿って、前記溶接経路を周回するように照射することにより、前記２つのワーク同士を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ溶接装置は、前記溶接用レーザ光を前記溶接経路に沿って照射する第１照射部と、前記溶接経路の全体を加熱するように、前記溶接経路の全体に加熱用レーザ光を照射する第２照射部と、前記第１照射部および前記第２照射部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記加熱用レーザ光を、前記溶接経路の全体に所定時間照射するように前記第２照射部を制御した後に、前記加熱用レーザ光の照射を継続するように前記第２照射部を制御しつつ、前記溶接経路に沿って前記溶接用レーザ光を走査させ、前記溶接用レーザ光を前記溶接経路に沿って周回させた後に、前記溶接用レーザ光の照射を終了するように、前記第１照射部を制御することを特徴とする。
本発明によれば、制御部は、加熱用レーザ光を溶接経路の全体に所定時間照射するように第２照射部を制御するので、加熱用レーザ光で、溶接経路の全体を予備加熱することができる。その後、制御部は、溶接用レーザ光で溶接する際も、加熱用レーザ光の照射を継続するように第２照射部を制御するので、ワークの溶接経路の全体の加熱の状態を維持することができる。これにより、制御部は、第１照射部に対して、溶接用レーザ光の複雑な出力制御を行うことなく、加熱用レーザ光を照射しない場合に比べて、低い出力で加熱された状態の溶接経路に沿って、溶接用レーザ光を走査し、２つのワークを溶接することができる。この結果、溶接の始めの部分と、溶接の終わりの部分の温度差を小さくすることができ、溶接経路に沿ってワークに形成された溶接部分の溶け込み深さをより均一にすることができる。
本発明によれば、溶接用レーザ光の複雑な出力制御を行うことなく、溶接部分の溶け込み深さをより均一にすることができる。
２次電池の外観を示す模式的斜視図である。 図１に示す２次電池の平面図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 第１実施形態に係るレーザ溶接装置による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。 第２実施形態に係るレーザ溶接装置による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。 第３実施形態に係るレーザ溶接装置による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。 第３実施形態の変形例に係るレーザ溶接装置による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。
本発明のいくつかの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
１．ワークについて
図１は、２次電池１０の外観を示す斜視的斜視図である。図２は、図１に示す２次電池１０の平面図である。以下の実施形態では、図１および図２を参照して、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いて溶接されるワークとして、２次電池１０をその一例として説明する。
図１および図２に示すように、２次電池１０は、非水電解質２次電池である。一例として、２次電池１０は、複数個が直列に組み合わされて組電池とされ、ハイブリッド自動車に搭載される。２次電池１０は、電池ケース１２と、封口板１３と、正極端子１４と、負極端子１５とを有する。電池ケース１２および封口板１３は、互いに組み合わさって、電極体および電解液（図示せず）を収容するための外装体を構成している。
電池ケース１２は、一方向に開口された略直方体形状の容器であり、開口部１２ｅを有する。封口板１３は、開口部１２ｅの大きさに応じて、開口部１２ｅを塞ぐように形成された矩形状の板状部材である。
正極端子１４は、金具１６を介して電極体の正極（不図示）に電気的に接続され、負極端子１５は、金具１７を介して電極体の負極（不図示）に電気的に接続されている。封口板１３には、安全弁１８および蓋体１９がさらに設けられている。蓋体１９は、封口板１３に形成された電解液を注入するための開口（図示せず）を覆うように配置されている。
電池ケース１２、封口板１３、および蓋体１９は、例えばアルミニウム合金などの金属材料から形成されている。電池ケース１２と封口板１３とは、封口板１３の周縁において、レーザ溶接により溶着されており、封口板１３と蓋体１９とは、蓋体１９の周縁において、レーザ溶接により溶着されている。
２．レーザ溶接装置１００について
図３は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置１００の模式図である。まず、図３を参照して、本実施形態におけるレーザ溶接装置１００の構造について説明する。なお、図３に示す破線は、制御装置（制御部）４０から出力される制御信号の信号線を示しており、図３に示す一点破線は、溶接用レーザ光Ｌ１および加熱用レーザ光Ｌ２を示している。
本実施形態におけるレーザ溶接装置１００は、２次電池１０の製造において、電池ケース１２と封口板１３とを溶接する際、および、封口板１３と蓋体１９とを溶接する際に用いられる。本実施形態では、封口板１３と蓋体１９との溶接を一例として、以下にレーザ溶接装置１００の装置構成を簡単に説明する。
レーザ溶接装置１００は、溶接用レーザ光Ｌ１を、２つのワークである封口板１３と蓋体１９との境界に形成された閉ループ状の溶接経路Ｃ（図２参照）に沿って、溶接経路Ｃを周回するように照射（走査）することにより、封口板１３と蓋体１９とを溶接する装置である。
レーザ溶接装置１００は、溶接用レーザ光Ｌ１を溶接経路Ｃに沿って走査する第１照射部２０と、溶接経路Ｃの全体を加熱するように、溶接経路Ｃの全体に加熱用レーザ光Ｌ２を照射する第２照射部３０と、を備えている。さらに、レーザ溶接装置１００は、第１照射部２０および第２照射部３０を制御する制御部４０を備えている。
第１照射部２０は、ＹＡＧレーザなどの溶接用レーザ光Ｌ１を発するレーザ発振機２１と、コリメートレンズ２２と、集光レンズ２４、２６と、反射鏡２５と、ＸＹガルバノスキャナユニット（以下、ガルバノスキャナ）２７と、を少なくとも備えている。なお、第１照射部２０は、制御装置４０の制御信号により、Ｚ軸方向に（溶接用レーザ光Ｌ１の進行方向に）集光レンズ２４を移動させ、溶接用レーザ光Ｌ１の照射範囲を調整する駆動ユニット２９をさらに備えている。
本実施形態では、レーザ発振機２１が発するレーザに、ＹＡＧレーザを例示したが、溶接を行うことができるのであれば、例えば、ディスクレーザ、ファイバレーザ、ＣＯ２レーザなどの固体レーザ、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンイオンレーザなどの気体レーザ、または半導体レーザなどであってもよい。また、溶接用レーザ光Ｌ１は、パルスレ方式またはＣＷ方式のいずれの方式で出力されてもよい。
レーザ発振機２１から発せられた溶接用レーザ光Ｌ１は、光ファイバ２８を介して、処理室Ｒ内に入力され、コリメートレンズ２２を通過し、集光レンズ２４で集光された後、反射鏡２５を反射し、集光レンズ２６を介して、ガルバノスキャナ２７に入光される。ガルバノスキャナ２７は、高速かつ正確な位置に溶接用レーザ光Ｌ１を走査するための装置である。ガルバノスキャナ２７は、一般的な装置であり、モータ（図示せず）に軸支された一対のガルバノミラー（図示せず）を有している。制御装置４０は、このモータを駆動制御することにより、ガルバノミラーの反射角を変更し、溶接用レーザ光Ｌ１を溶接経路Ｃに沿って走査することができる。
ここで、コリメートレンズ２２は、ガルバノスキャナ２７に入光される溶接用レーザ光Ｌ１を予め平行光にするためのレンズである。なお、ガルバノスキャナ２７の出力側には、集光レンズ（図示せず）が設けられており、この集光レンズで、ガルバノスキャナ２７からの溶接用レーザ光Ｌ１を溶接経路Ｃ上に集光することができる。
第２照射部３０は、ファイバレーザなどの加熱用レーザ光Ｌ２を発するレーザ発振機３１と、コリメートレンズ３２と、集光レンズ３４、３６と、反射鏡３５と、ＸＹガルバノスキャナユニット（以下、ガルバノスキャナ）３７と、を少なくとも備えている。なお、第２照射部３０は、第１照射部２０と同様に、制御装置４０の制御信号により、Ｚ軸方向に（加熱用レーザ光Ｌ２の進行方向に）集光レンズ３４を移動させ、加熱用レーザ光Ｌ２の照射範囲を調整する駆動ユニット３９を備えている。処理室Ｒ内の第２照射部３０の各部材は、第１照射部２０と同様に機能するので、ここでは、その詳細を省略する。
これに加えて、第２照射部３０は、コリメートレンズ３２と集光レンズ３４の間に、回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）３３を備えている。回折光学素子３３は、回折現象により、加熱用レーザ光Ｌ２の照射領域の形状を変換する素子である。具体的には、回折光学素子３３は、加熱用レーザ光Ｌ２が溶接経路Ｃの全体に照射されるように、コリメートレンズ３２を通過した加熱用レーザ光Ｌ２の照射領域の形状をリング状に変換するように構成されている。このように、コリメートレンズ３２を通過した加熱用レーザ光Ｌ２は、平行光となり、この平行光が、回折光学素子３３に入光されるため、加熱用レーザ光Ｌ２の照射領域の形状をより精度良くリング状に変換することができ、集光レンズ３４、３６で、リング状に変換された加熱用レーザ光Ｌ２を効率良く集光することができる。なお、本実施形態では、好ましい態様として、加熱用レーザ光Ｌ２を、コリメートレンズ３２に通過させた後、回折光学素子３３に通過させたが、例えば、加熱用レーザ光Ｌ２を、回折光学素子３３に通過させた後、コリメートレンズ３２に通過させてもよい。
レーザ発振機３１から発せられた加熱用レーザ光Ｌ２は、光ファイバ３８を介して、処理室Ｒ内に入力され、コリメートレンズ３２を通過後、回折光学素子３３を通過し、回折光学素子３３で照射領域の形状が変換された加熱用レーザ光Ｌ２が、集光レンズ３４で集光される。集光された加熱用レーザ光Ｌ２は、反射鏡３５を反射し、集光レンズ３６を介して、ガルバノスキャナ３７に入光される。ガルバノスキャナ３７では、第１照射部２０と同様に、制御装置４０が、一対のガルバノミラー（図示せず）に軸支されたモータ（図示せず）を駆動することにより、加熱用レーザ光Ｌ２を溶接経路Ｃの全体に照射するように、溶接経路Ｃに加熱用レーザ光Ｌ２の照射領域を位置合わせする。
制御装置４０は、第１照射部２０のレーザ発振機２１による溶接用レーザ光Ｌ１の発するタイミングおよびその出力を制御するとともに、上述したように駆動ユニット２９およびガルバノスキャナ２７を制御する。同様に、制御装置４０は、第２照射部３０のレーザ発振機３１による加熱用レーザ光Ｌ２の発するタイミングおよびその出力を制御するとともに、上述したように駆動ユニット３９およびガルバノスキャナ３７を制御する。制御装置４０は、以下に示す溶接を行うように、これらの機器に制御信号を出力し、これらの機器を制御するプログラムを有している。
具体的には、本実施形態では、制御装置４０は、加熱用レーザ光Ｌ２を、溶接経路Ｃの全体に所定時間照射するように第２照射部３０のレーザ発振機３１等を制御する。その後、制御装置４０は、加熱用レーザ光Ｌ２による溶接経路Ｃの全体の照射を継続するように第２照射部３０のレーザ発振機２１を制御する。これと同時に、制御装置４０は、ガルバノスキャナ２７を制御することで溶接経路Ｃに沿って溶接用レーザ光Ｌ１を走査させ、溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回するように、第１照射部２０のレーザ発振機２１を制御する。本実施形態では、走査させた溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回した後、溶接用レーザ光Ｌ１および加熱用レーザ光Ｌ２の照射を終了するように、制御装置４０は、第１照射部２０のレーザ発振機２１と、第２照射部３０のレーザ発振機３１を制御する。
３．レーザ溶接方法について
図４は、第１実施形態に係るレーザ溶接装置１００による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。以下に、封口板１３と蓋体１９とのレーザ溶接方法を説明する。まず、図２に示すように、蓋体１９が、封口板１３に配置されている状態で、２次電池１０を、処理室Ｒ内に投入する。
次に、図４に示すように、制御装置４０が、第２照射部３０を制御することにより、加熱用レーザ光Ｌ２を、溶接経路Ｃの全体に所定時間（具体的には時刻ｔ１まで）照射する。これにより、溶接経路Ｃの全体を予備加熱する。具体的には、上述した如く、制御装置４０は、加熱用レーザ光Ｌ２を発するようにレーザ発振機３１を制御し、加熱用レーザ光Ｌ２を溶接経路Ｃの全体に照射するように駆動ユニット３９およびガルバノスキャナ２７を制御する。
ここで、加熱用レーザ光Ｌ２の出力（レーザ強度）Ｐ２は、蓋体１９および封口板１３の材料が溶融しない出力である。したがって、予備加熱では、これらの材料は融点以下の温度になる。予備加熱する時間（時刻０から時刻ｔ１までの時間）は、加熱用レーザ光Ｌ２による入熱量と、入熱された熱の２次電池１０から放熱量との、バランスが取れた状態、すなわち、照射時間に拘わらず溶接経路Ｃの温度が安定する（一定となる）時間まで予備加熱することが好ましい。これにより、溶接経路Ｃを走査する溶接用レーザ光Ｌ１による溶接部分Ｗの溶け込み深さをより安定させることができる。
次に、予備加熱後（時刻ｔ１後）に、制御装置４０により、加熱用レーザ光Ｌ２の照射を継続しつつ、溶接経路Ｃに沿って溶接用レーザ光Ｌ１を走査し、溶接用レーザ光Ｌ１を溶接経路Ｃに沿って周回させる。
具体的には、制御装置４０により、第２照射部３０における予備加熱後の加熱用レーザ光Ｌ２の照射状態を維持しつつ、第１照射部２０を以下の如く制御する。具体的には、制御装置４０は、レーザ発振機２１から溶接用レーザ光Ｌ１を発するように制御し、溶接経路Ｃに沿って溶接用レーザ光Ｌ１を走査し、溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回するように、駆動ユニット２９およびガルバノスキャナ２７を制御する（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）。
本実施形態では、溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回した後、制御装置４０は、溶接用レーザ光Ｌ１の照射と、加熱用レーザ光Ｌ２の照射を終了するように、レーザ発振機２１、３１を制御する。
本実施形態では、加熱用レーザ光Ｌ２で、溶接経路Ｃの全体を予備加熱し、その後も加熱用レーザ光Ｌ２の照射を継続した。これにより、加熱用レーザ光Ｌ２を照射しない場合に比べて、低い出力で、溶接用レーザ光Ｌ１により蓋体１９と封口板１３とを溶接することができる。このようにして、走査される溶接用レーザ光Ｌ１の入熱より、その後溶接される溶接経路Ｃの部分の昇温を低減することができる。
以上のことから、本実施形態では、溶接用レーザ光Ｌ１の複雑な出力制御を行うことなく、溶接時に溶接経路Ｃの溶接始めの部分Ｓと溶接終わりの部分Ｅとの温度差を小さくすることができ、溶接経路Ｃに沿って形成された溶接部分Ｗの溶け込み深さをより均一にすることができる。なお、本実施形態では、溶接用レーザ光Ｌ１の出力Ｐ１、および加熱用レーザ光Ｌ２の出力Ｐ２を一定としたが、たとえば、溶け込み深さが均一になるのであれば、その出力を僅かに制御してもよい。
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係るレーザ溶接装置１００による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。第２実施形態に係るレーザ溶接装置１００が、第１実施形態と相違する点は、制御装置４０による第２照射部３０の制御である。
具体的には、制御装置４０は、第１実施形態の制御に加え、溶接用レーザ光Ｌ１の照射の終了後、継続して加熱用レーザ光Ｌ２が所定時間照射されるように、第２照射部３０を制御する。
より具体的には、図５に示すように、本実施形態では、走査された溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回したタイミング（時刻ｔ２）で、制御装置４０は、溶接用レーザ光Ｌ１の照射を終了させる。一方、加熱用レーザ光Ｌ２は、時刻ｔ３まで、継続して溶接経路Ｃの全体を加熱する。
本実施形態によれば、第１実施形態に示す上述した効果に加えて、さらに、溶接用レーザ光Ｌ１により溶接が終了した後も、加熱用レーザ光Ｌ２を所定時間照射しているので、溶接部分Ｗの全体が均一に加熱され、その後冷却される。これにより、溶接部分Ｗ全体の凝固速度のばらつきを抑え、溶接部分Ｗをより均一な組織にすることができる。
〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係るレーザ溶接装置１００による溶接方法を説明するためのタイミングチャートであり、図７は、第３実施形態の変形例に係るレーザ溶接装置１００による溶接方法を説明するためのタイミングチャートである。
第３実施形態に係るレーザ溶接装置１００が、第２実施形態と相違する点は、制御装置４０が、溶接用レーザ光Ｌ１の照射の終了後、継続して照射される加熱用レーザ光Ｌ２の出力を減少させるように、第２照射部３０を制御している点である。
具体的には、図６に示すように、本実施形態では、溶接用レーザ光Ｌ１が溶接経路Ｃを周回したタイミング（時刻ｔ２）で、制御装置４０は、溶接用レーザ光Ｌ１の照射を終了させる。加熱用レーザ光Ｌ２は、時刻ｔ３まで、継続して溶接経路Ｃの全体を加熱する。この際、時刻ｔ３以前に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力に対して、時刻ｔ３以後に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力を一定の出力に減少させる。
本実施形態によれば、第２実施形態に示す上述した効果に加えて、さらに、加熱用レーザ光Ｌ２の出力を減少させることにより、溶接部分Ｗの温度を段階的に下げることができる。これにより、溶接部分Ｗの凝固速度を緩やかにし、溶接部分Ｗのガス抜けが向上し、溶接部分Ｗのボイドの生成を抑制することができる。
図６では、時刻ｔ３以前に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力に対して、時刻ｔ３以後に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力を一定の出力に減少させたが、例えば、図７に示すように、時刻ｔ３以後に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力を単調減少させてもよい。この他にも、時刻ｔ３以後に照射する加熱用レーザ光Ｌ２の出力をステップ状に減少させてもよい。
以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１３：封口板（ワーク）、１９：蓋体（ワーク）、２０：第１照射部、３０：第２照射部、４０：制御装置、Ｌ１：溶接用レーザ光、Ｌ２：加熱用レーザ光

Claims (2)

  1. 溶接用レーザ光を、２つのワークの境界に形成された閉ループ状の溶接経路に沿って、前記溶接経路を周回するように照射することにより、前記２つのワーク同士を溶接するレーザ溶接方法であって、
    加熱用レーザ光を、前記溶接経路の全体に所定時間照射することにより、前記溶接経路の全体を予備加熱する工程と、
    前記予備加熱する工程後に、前記加熱用レーザ光の照射を継続しつつ、前記溶接経路に沿って前記溶接用レーザ光を走査し、前記溶接用レーザ光が前記溶接経路を周回した後、前記溶接用レーザ光の照射を終了するものであり、
    前記溶接用レーザ光の照射の終了後、継続して前記加熱用レーザ光を所定時間照射するとともに、継続して照射される前記加熱用レーザ光の出力を減少させることを特徴とするレーザ溶接方法。
  2. 溶接用レーザ光を、２つのワークの境界に形成された閉ループ状の溶接経路に沿って、前記溶接経路を周回するように照射することにより、前記２つのワーク同士を溶接するレーザ溶接装置であって、
    前記レーザ溶接装置は、前記溶接用レーザ光を前記溶接経路に沿って照射する第１照射部と、
    前記溶接経路の全体を加熱するように、前記溶接経路の全体に加熱用レーザ光を照射する第２照射部と、
    前記第１照射部および前記第２照射部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記加熱用レーザ光を、前記溶接経路の全体に所定時間照射するように前記第２照射部を制御した後に、前記加熱用レーザ光の照射を継続するように前記第２照射部を制御しつつ、前記溶接経路に沿って前記溶接用レーザ光を走査させ、前記溶接用レーザ光を前記溶接経路に沿って周回させた後に、前記溶接用レーザ光の照射を終了するように、前記第１照射部を制御するものであり、
    前記制御部は、前記溶接用レーザ光の照射の終了後、継続して前記加熱用レーザ光が所定時間照射されるように、前記第２照射部を制御するとともに、継続して照射される前記加熱用レーザ光の出力が減少するように、前記第２照射部を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
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