KR20150003913A - 용접 방법, 용접 장치 및 전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

용접 대상을 펄스 레이저에 의해 용접하는 용접 장치(1)를 사용한 용접 공정(S1)이며, 상기 용접 대상의 용접 시에 용접 부분으로부터 방출되는 적외선 중, 용융지에 형성되는 키 홀을 검출 가능한 파장을 갖는 적외선만을 제1 수광 장치(20)에 의해 수광하고, 해석 장치(40)는 제1 수광 장치(20)에 의해 수광된 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분의 상태의 양부을 판정한다.

Description

용접 방법, 용접 장치 및 전지의 제조 방법 {WELDING METHOD, WELDING DEVICE, AND BATTERY MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 레이저 용접에 있어서의 용접 부분의 불량을 검출하는 기술에 관한 것이다.
종래, 레이저 용접에 있어서, 비교적 큰 용입(penetration) 깊이(예를 들어, 0.3㎜ 이상)를 확보하기 위한 방법으로서, 키 홀형 용접이 널리 알려져 있다.
키 홀형 용접은 높은 파워 밀도의 레이저를 사용한 용접법으로, 금속 증기의 압력에 의해 용융지에 형성되는 구멍(키 홀)을 이용함으로써, 비교적 큰 용입 깊이를 실현한다.
키 홀형 용접은 자동차용 전지의 케이스 등, 용접 부분의 장기적인 내구성이 요구되는 제품에 적용되고 있다.
그러나, 키 홀형 용접에 있어서는, 레이저의 출력값이 높기 때문에, 용융 금속이 불려 날아감으로써 용접 부분이 오목해지는 불량(언더필)이 발생할 우려가 있다.
한편, 언더필의 발생을 억제하기 위해, 레이저의 출력값을 내린 경우에는, 키 홀이 형성되지 않아, 원하는 용입 깊이를 확보할 수 없을(용입 부족이 발생할) 우려가 있다.
상기와 같은 불량이 제품의 용접 부분에 발생한 경우에는, 원하는 내구성을 확보할 수 없으므로, 제품의 용접 부분을 검사할 필요가 있다.
제품의 용접 부분의 검사는 일반적으로 작업자가 육안으로 행하므로, 극히 많은 시간을 필요로 한다.
특허문헌 1에는 상기와 같은 검사에 필요로 하는 시간을 단축하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 기술은 레이저 용접 시에 모재로부터 방출되는 플라즈마광 및 레이저의 반사광의 강도에 기초하여, 용접 부분의 불량을 검출하는 것이다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 이하의 이유로부터, 상기의 언더필 등의 불량을 검출하는 것이 곤란하다.
즉, 플라즈마광은 모재의 성분 및 실드 가스가 가열됨으로써 발생하는 것이고, 언더필 및 키 홀과의 상관이 없다.
또한, 반사광은 반사면의 상태 및 용융지의 거동 등에 의해, 편차가 크고, 언더필 및 키 홀과의 상관이 낮다.
일본 특허 출원 공개 제2000-153379호 공보
본 발명은 레이저 용접에 있어서의 용접 부분의 불량을 단시간에 검출 가능한 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명에 관한 용접 방법은 용접 대상을 펄스 레이저에 의해 용접하는 용접 방법이며, 상기 용접 대상의 용접 시에 용접 부분으로부터 방출되는 적외선 중, 용융지에 형성되는 키 홀을 검출 가능한 파장을 갖는 적외선을 선택하고, 상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분의 상태의 양부(良否)을 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 용입 부족을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 제1 적분값을 산출하고, 상기 제1 적분값을 제1 임계값과 비교하고, 상기 제1 적분값이 상기 제1 임계값을 상회하는 경우에는, 상기 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있지 않다고 판정하고, 상기 제1 적분값이 상기 제1 임계값 이하인 경우에는, 상기 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있다고 판정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 제2 적분값을 산출하고, 상기 제2 적분값을 제2 임계값과 비교하고, 상기 제2 적분값이 상기 제2 임계값을 하회하는 경우에는, 상기 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정하고, 상기 제2 적분값이 상기 제2 임계값 이상인 경우에는, 상기 용접 부분에 언더필이 발생하고 있다고 판정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저에 연속파 레이저를 중첩시키고, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 용접 부분에 있어서 반사한 상기 연속파 레이저의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서, 상기 선택한 적외선의 강도가 급격히 상승했을 때에, 상기 펄스 레이저의 출력값을 저하시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 용접 장치는 용접 대상을 펄스 레이저에 의해 용접하는 용접 장치이며, 상기 펄스 레이저를 상기 용접 대상에 조사함과 함께, 상기 용접 대상의 용접 부분으로부터 방출되는 적외선을 반사시키는 광학계와, 상기 광학계에 의해 반사된 적외선 중, 용융지에 형성되는 키 홀을 검출 가능한 파장을 갖는 적외선만을 수광하는 제1 수광 장치와, 상기 제1 수광 장치에 의해 수광된 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분의 상태의 양부을 판정하는 해석 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 용접 장치에 있어서, 제2 수광 장치를 더 구비하고, 상기 광학계는 상기 펄스 레이저에 연속파 레이저를 중첩함과 함께, 상기 용접 대상에 있어서 반사한 상기 연속파 레이저를 상기 제2 수광 장치를 향해 반사시키도록 구성되고, 상기 제2 수광 장치는 상기 광학계에 의해 반사된 상기 연속파 레이저를 수광하고, 상기 해석 장치는 상기 제2 수광 장치에 의해 수광된 상기 연속파 레이저의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 전지의 제조 방법은 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법에 의해, 상기 케이스를 용접하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저 용접에 있어서의 용접 부분의 불량을 단시간에 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 용접 장치를 도시하는 도면.
도 2는 적외선 강도의 파형, 반사광 강도의 파형 및 펄스 레이저의 출력값의 파형을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 관한 용접 방법에 있어서 해석 장치가 행하는 공정을 도시하는 도면.
도 4는 용입 부족 검출 공정을 도시하는 도면.
도 5는 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 용입 부족이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형과, 용입 부족이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형을 도시하는 도면.
도 6은 언더필 검출 공정을 도시하는 도면.
도 7은 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 후에 있어서의, 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형과, 언더필이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형을 도시하는 도면.
도 8은 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 반사광 강도의 파형과, 언더필이 발생한 경우의 반사광 강도의 파형을 도시하는 도면.
도 9는 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도에 기초한, 펄스 레이저의 출력값의 제어를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에 관한 전지를 도시하는 도면.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 관한 용접 장치의 일 실시 형태인 용접 장치(1)에 대해 설명한다.
용접 장치(1)는 용접 대상에 레이저 용접을 행함과 함께, 용접 부분의 불량을 검출하는 장치이다.
또한, 설명의 편의상, 도 1에 있어서의 상하 방향을 용접 장치(1)의 상하 방향으로 정의한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 용접 장치(1)는 토치(10)와, 제1 수광 장치(20)와, 제2 수광 장치(30)와, 해석 장치(40)를 구비한다.
토치(10)는 소정의 레이저를 용접 대상인 워크 W에 조사하는 장치이다.
토치(10)는 펄스 레이저 발진기 및 CW 레이저 발진기에 광 파이버를 통해 접속되어(도시하지 않음), 상기 펄스 레이저 발진기에 의해 발진되는 펄스 레이저와, 상기 CW 레이저 발진기에 의해 발진되는 연속파(Continuous Wave:CW) 레이저가 중첩된 레이저(이하, 「중첩 레이저」라고 기재함)를 조사 가능하게 구성된다.
본 실시 형태에 있어서는, 상기 펄스 레이저로서 YAG 레이저(파장:1064㎚)가 채용되고, 상기 CW 레이저로서 반도체 레이저(파장:808㎚)가 채용된다.
토치(10)는 하우징(11)과, 콜리메이트 렌즈(12)와, 집광 렌즈(13)와, 미러(14)를 구비한다.
하우징(11)은 하단부가 개방된 중공의 부재이고, 토치(10)의 외장으로서 기능한다. 하우징(11)의 내부에는 콜리메이트 렌즈(12), 집광 렌즈(13) 및 미러(14)가 수납되어 있고, 상방으로부터 콜리메이트 렌즈(12), 미러(14), 집광 렌즈(13)의 순으로, 서로 소정의 간격을 두고 배치되어 있다.
콜리메이트 렌즈(12)는 상방으로부터 입사한 중첩 레이저를 평행광으로 변환하는 렌즈이다.
집광 렌즈(13)는 콜리메이트 렌즈(12)에 의해 평행광으로 변환된 중첩 레이저를 집광하는 렌즈이다.
집광 렌즈(13)에 의해 중첩 레이저를 집광함으로써, 중첩 레이저를 이루는 펄스 레이저의 에너지 밀도를, 워크 W에 대해 키 홀형 용접을 행할 수 있을 정도로 높게 할 수 있다.
여기서, 키 홀형 용접이라 함은, 높은 파워 밀도의 레이저를 사용한 용접법으로, 금속 증기에 의해 용융지에 형성되는 구멍(키 홀)을 이용함으로써, 비교적 큰 용입 깊이(본 실시 형태에 있어서는, 0.4㎜ 이상)를 실현한다.
미러(14)는 콜리메이트 렌즈(12)에 의해 평행광으로 변환된 중첩 레이저를 투과함과 함께, 워크 W의 용접 시에 용접 부분으로부터 방출되는 적외선 및 워크 W에 있어서 반사한 CW 레이저(이하, 「CWL 반사광」이라고 기재함)를 제1 수광 장치(20) 및 제2 수광 장치(30)를 향해 반사시키는 하프 미러이다.
이와 같이, 콜리메이트 렌즈(12), 집광 렌즈(13) 및 미러(14)는 워크 W에 대해 키 홀형 용접을 행할 수 있을 정도의 높은 에너지 밀도를 갖는 중첩 레이저를 얻고 워크 W에 대해 조사함과 함께, 워크 W의 용접 시에 발생한 적외선 및 CWL 반사광을 제1 수광 장치(20) 및 제2 수광 장치(30)를 향해 반사시키기 위한 광학계로서 기능한다.
제1 수광 장치(20)는 토치(10)의 광학계[콜리메이트 렌즈(12), 집광 렌즈(13) 및 미러(14)]에 의해 반사된 적외선 중, 파장이 1480㎚인 적외선만을 수광하여, 그 강도를 계측하는 장치이다.
제1 수광 장치(20)는 제1 미러(21), 제1 광학 필터(22), 제1 포토 다이오드(23) 및 제1 증폭기(24)를 구비한다.
제1 미러(21)는 미러(14)에 반사한 적외선 및 CWL 반사광의 일부를 제1 포토 다이오드(23)를 향해 반사함과 함께, 나머지를 투과하는 하프 미러이다.
제1 광학 필터(22)는 제1 미러(21)에 반사한 적외선 중, 파장이 1480㎚인 적외선만을 투과하는 광학 필터이다. 본 실시 형태에 있어서는, 제1 광학 필터(22)로서, 파장이 1480±30㎚인 광을 투과하는 대역 통과 필터가 채용된다.
제1 광학 필터(22)는 제1 미러(21)와 제1 포토 다이오드(23) 사이이며, 제1 미러(21)에 반사한 적외선 및 CWL 반사광의 경로 상에 배치되어 있다.
제1 포토 다이오드(23)는 제1 광학 필터(22)를 투과한 적외선(파장:1480㎚)을 수광하고, 그 강도에 따른 전류 신호를 출력하는 포토 다이오드이다. 또한, 제1 포토 다이오드(23)와 제1 광학 필터(22) 사이에 적절히, 수렴 렌즈를 배치하여, 제1 포토 다이오드(23)에 도달하는 적외선을 수렴시키는 것이 바람직하다.
제1 포토 다이오드(23)는 제1 증폭기(24)와 전기적으로 접속되어 있다.
제1 증폭기(24)는 제1 포토 다이오드(23)에 의해 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 증폭기이다. 제1 증폭기(24)에 의해 출력된 전압 신호는 제1 수광 장치(20)에 의해 수광된 적외선(파장:1480㎚)의 강도(이하, 「적외선 강도」라고 기재함)를 나타낸다.
제1 증폭기(24)는 해석 장치(40)와 전기적으로 접속되어 있다.
제2 수광 장치(30)는 토치(10)의 광학계[콜리메이트 렌즈(12), 집광 렌즈(13) 및 미러(14)]에 의해 반사된 CWL 반사광(파장:808㎚)을 수광하여, 그 강도를 계측하는 장치이다.
제2 수광 장치(30)는 제2 미러(31), 제2 광학 필터(32), 제2 포토 다이오드(33) 및 제2 증폭기(34)를 구비한다.
제2 미러(31)는 제1 미러(21)를 투과한 적외선 및 CWL 반사광의 일부를 제2 포토 다이오드(33)를 향해 반사함과 함께, 나머지를 투과하는 하프 미러이다.
또한, 제2 미러(31)로서, 제1 미러(21)를 투과한 적외선 및 CWL 반사광 모두를 제2 포토 다이오드(33)를 향해 반사하는 미러를 채용하는 것도 가능하다.
제2 광학 필터(32)는 제2 미러(31)에 반사한 CWL 반사광(파장:808㎚)만을 투과하는 광학 필터이다. 본 실시 형태에 있어서는, 제2 광학 필터(32)로서, 파장이 808±30㎚인 광을 투과하는 대역 통과 필터가 채용된다.
제2 광학 필터(32)는 제2 미러(31)와 제2 포토 다이오드(33) 사이이며, 제2 미러(31)에 반사한 적외선 및 CWL 반사광의 경로 상에 배치되어 있다.
제2 포토 다이오드(33)는 제2 광학 필터(32)를 투과한 CWL 반사광을 수광하여, 그 강도에 따른 전류 신호를 출력하는 포토 다이오드이다. 또한, 제2 포토 다이오드(33)와 제2 광학 필터(32) 사이에 적절히, 수렴 렌즈를 배치하여, 제2 포토 다이오드(33)에 도달하는 CWL 반사광을 수렴시키는 것이 바람직하다.
제2 포토 다이오드(33)는 제2 증폭기(34)와 전기적으로 접속되어 있다.
제2 증폭기(34)는 제2 포토 다이오드(33)에 의해 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 증폭기이다. 제2 증폭기(34)에 의해 출력된 전압 신호는 제2 수광 장치(30)에 의해 수광된 CWL 반사광의 강도(이하, 「반사광 강도」라고 기재함)를 나타낸다.
제2 증폭기(34)는 해석 장치(40)와 전기적으로 접속되어 있다.
해석 장치(40)는 워크 W의 용접 시에, 용접 부분의 상태의 양부을 판정하는 장치이다. 해석 장치(40)는 제1 수광 장치(20)에 의해 계측된 적외선 강도와, 제2 수광 장치(30)에 의해 계측된 반사광 강도에 기초하여, 상기 판정을 행한다. 해석 장치(40)에 의한 판정의 상세에 대해서는 후술한다.
또한, 해석 장치(40)는 상기 펄스 레이저 발진기 및 상기 CW 레이저 발진기에 전기적으로 접속되어 있고(도시하지 않음), 상기 펄스 레이저 발진기 및 상기 CW 레이저 발진기로부터 발진되는 각 레이저의 출력값을 제어한다.
도 2에 적외선 강도의 파형, 반사광 강도의 파형 및 펄스 레이저의 출력값의 파형을 도시한다.
도 2에 도시하는 그래프의 종축은 적외선 강도, 반사광 강도 및 펄스 레이저의 출력값을 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
도 2에 있어서의 각 파형은 편의상, 상하로 나란히 표시되어 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 관한 용접 방법의 일 실시 형태인, 용접 장치(1)를 사용한 용접 공정 S1에 대해 설명한다.
용접 공정 S1은 용접 장치(1)를 사용하여, 용접 대상인 워크 W에 레이저 용접을 행함과 함께, 용접 부분의 불량을 검출하는 공정이다.
용접 공정 S1에 있어서는, 토치(10)로부터 워크 W에 중첩 레이저를 조사하여 워크 W를 용접할 때, 제1 수광 장치(20) 및 제2 수광 장치(30)에 의해 적외선 강도 및 반사광 강도가 연속적으로 계측되고, 그들의 강도가 해석 장치(40)로 송신된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 용접 공정 S1에 있어서, 해석 장치(40)는 용입 부족 검출 공정 S10 및 언더필 검출 공정 S20을 행한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 용입 부족 검출 공정 S10 후에, 언더필 검출 공정 S20이 행해지지만, 언더필 검출 공정 S20 후에, 용입 부족 검출 공정 S10을 행해도 되고, 그들을 병렬하여 행해도 된다.
용입 부족 검출 공정 S10은 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있는지 여부를 판정하는 공정이다.
여기서, 「용입 부족」이라 함은, 원하는 용입 깊이(예를 들어, 0.4㎜ 이상)가 달성되어 있지 않은 것을 의미하는 불량이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 용입 부족 검출 공정 S10에 있어서, 해석 장치(40)는 스텝 S11 내지 스텝 S13의 처리를 행한다.
스텝 S11에 있어서, 해석 장치(40)는 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 적분값 A를 산출한다.
해석 장치(40)는 스텝 S11을 행한 후, 스텝 S12를 행한다.
스텝 S12에 있어서, 해석 장치(40)는 스텝 S11에서 산출된 적분값 A와, 미리 실험 등에 의해 설정된 임계값 Ta를 비교한다.
적분값 A가 임계값 Ta를 상회하는 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있지 않다고 판정하여, 용입 부족 검출 공정 S10을 종료한다.
적분값 A가 임계값 Ta 이하인 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있다고 판정하여, 스텝 S13을 행한다.
도 5에 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형(도 5에 있어서의 타원 E1로 둘러싸인 부분)과, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형(도 5에 있어서의 타원 E2로 둘러싸인 부분)을 도시한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형은 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형보다도 피크값이 크고, 전체적으로 값이 크게 되어 있다.
이는, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하지 않고, 원하는 용입 깊이를 달성할 수 있었던 경우, 워크 W의 용접 중에 키 홀이 형성되어 있기 때문이다. 즉, 용융지에 키 홀이 형성됨으로써, 비교적 큰 용입 깊이를 달성할 수 있는 것이고, 키 홀이 형성된 경우, 그 주변의 온도가 대략 워크 W의 비점까지 도달하고, 또한 키 홀에 의해 용융지의 표면적이 증가하므로, 적외선 강도가 비교적 커진다.
그로 인해, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도를 시간에 대해 적분함으로써 산출된 적분값 A에 기초하여, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있는지 여부의 판정을 행할 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 수광 장치(20)에 의해 수광하는 적외선의 파장을 1480㎚로 하였지만, 용접 대상의 비점 부근의 온도, 즉 키 홀이 형성될 때의 온도에 대응하고 있으면, 그 파장을 적절히 변경 가능하다. 즉, 키 홀의 유무를 검출할 수 있도록, 제1 수광 장치(20)에 의해 수광하는 적외선의 파장을 선택하면 된다.
예를 들어, 용접 대상이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속의 경우에는, 불량의 판정에 사용하는 적외선의 파장을 1200 내지 1600㎚로 하는 것이 바람직하다. 알루미늄의 비점은 약 2520℃이고, 이 온도에 대응하는 적외선의 파장은, 빈의 변위 법칙으로부터, 약 1000㎚이다. 그러나, 이 파장은 펄스 레이저로서 채용한 YAG 레이저의 파장(1064㎚)에 가까우므로, 펄스 레이저 자신이 노이즈로 되어, 키 홀의 유무 검출이 곤란해진다. 한편, 용접 시의 알루미늄의 표면 온도는 약 1500℃에 도달하므로, 적외선의 파장이 1600㎚를 상회하는 경우에는, 용융된 알루미늄의 온도와, 키 홀이 형성될 때의 온도의 판별이 곤란해진다.
따라서, 용접 대상이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속인 경우에 있어서, 불량의 판정에 사용하는 적외선의 파장을 1200 내지 1600㎚로 함으로써, 용접 시에 키 홀이 형성되었는지 여부를 고정밀도로 판단할 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 적분값 A를 사용하여, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있는지 여부를 판정하지만, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도에 관계되는, 다른 값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 키 홀이 형성되었을 때에, 적외선 강도가 급격히 증가하는 사상을 이용하여, 적외선 강도의 미분값을 판정에 사용하는 것도 가능하다. 또한, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도의 피크값, 평균값, 또는 합계값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
도 4에 도시한 바와 같이, 해석 장치(40)는 스텝 S12에서, 워크 W의 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있다고 판정한 경우, 스텝 S13에 있어서, 워크 W의 용접 부분에 불량이 발생하고 있다고 판정한다.
이 경우, 용접 부분에 불량이 발생한 워크 W를 제외하는 등의 소정의 처리가 행해진다.
이상과 같이, 용입 부족 검출 공정 S10에 있어서는, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도에 기초하여, 워크 W의 용접 부분에 발생한 용입 부족을 단시간에 검출할 수 있다.
언더필 검출 공정 S20(도 3 참조)은 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부를 판정하는 공정이다.
여기서, 「언더필」이라 함은, 용융지에 키 홀이 형성되었을 때에, 용융 금속이 불려 날아감으로써, 용접 부분이 오목해지는 불량이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 언더필 검출 공정 S20에 있어서, 해석 장치(40)는 스텝 S21 내지 스텝 S25의 처리를 행한다.
스텝 S21에 있어서, 해석 장치(40)는 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간(펄스 사이의 시간보다 짧은 시간이고, 예를 들어 1 내지 5ms) 경과 후까지의 적외선 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 적분값 B를 산출한다.
해석 장치(40)는 스텝 S21을 행한 후, 스텝 S22를 행한다.
스텝 S22에 있어서, 해석 장치(40)는 스텝 S21에서 산출된 적분값 B와, 미리 실험 등에 의해 설정된 임계값 Tb를 비교한다.
적분값 B가 임계값 Tb를 하회하는 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정하여, 스텝 S23을 행한다.
적분값 B가 임계값 Tb 이상인 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있다고 판정하여, 스텝 S25를 행한다.
도 7에, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형(도 7에 있어서의 점선으로 나타낸 적외선 강도의 파형)과, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형(도 7에 있어서의 실선으로 나타낸 적외선 강도의 파형)을 나타낸다.
도 7에 도시한 바와 같이, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후(도 7에 있어서의 시간 t1)로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생한 경우의 적외선 강도의 파형은 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 적외선 강도의 파형보다도, 전체적으로 값이 크게 되어 있다.
이는, 용접 시에 용융 금속이 불려 날아가, 용접 부분이 오목해짐으로써, 당해 용접 부분의 표면적이 증가하고, 그것에 수반하여 방출되는 적외선의 양이 증가했기 때문이다.
따라서, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간(펄스 사이의 시간보다 짧은 시간이고, 예를 들어 1 내지 5ms) 경과 후까지의 적외선 강도를 시간에 대해 적분함으로써 산출된 적분값 B에 기초하여, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부의 판정을 행할 수 있는 것이다.
또한, 언더필 검출 공정 S20에 있어서도, 용입 부족 검출 공정 S10과 마찬가지로, 제1 수광 장치(20)에 의해 수광하는 적외선의 파장을, 키 홀의 유무를 검출 가능한 값으로 한다. 언더필은 용융지에 키 홀이 형성되었을 때에 발생하는 불량이므로, 키 홀의 유무를 검출 가능한 파장을 갖는 적외선의 강도를 사용함으로써, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부를 판정할 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 적분값 B를 사용하여, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부를 판정하지만, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지의 적외선 강도에 관계되는, 다른 값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지의 적외선 강도의 평균값 또는 합계값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 해석 장치(40)는 스텝 S22에서, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정한 경우, 스텝 S23에 있어서, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지(예를 들어, 용융한 용접 대상이 응고될 때까지)의 반사광 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 적분값 C를 산출한다.
해석 장치(40)는 스텝 S23을 행한 후, 스텝 S24를 행한다.
스텝 S24에 있어서, 해석 장치(40)는 스텝 S23에서 산출된 적분값 C와, 미리 실험 등에 의해 설정된 임계값 Tc를 비교한다.
적분값 C가 임계값 Tc를 상회하는 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정하여, 언더필 검출 공정 S20을 종료한다.
적분값 C가 임계값 Tc 이하인 경우, 해석 장치(40)는 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있다고 판정하여, 스텝 S25를 행한다.
도 8에, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 반사광 강도의 파형(도 8에 있어서의 타원 E3으로 둘러싸인 부분)과, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생한 경우의 반사광 강도의 파형(도 8에 있어서의 타원 E4로 둘러싸인 부분)을 도시한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않은 경우의 반사광 강도는 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후(도 8에 있어서의 시간 t2)로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서, 격렬하게 증감을 반복하고 있는 것에 비해, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생한 경우의 반사광 강도는 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후(도 8에 있어서의 시간 t3)로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서, 변동이 작다.
이는, 언더필이 발생하고 있지 않은 경우에는, 용융지가 진동함으로써, 당해 용융지에 있어서 반사광이 흐트러지는 것에 비해, 언더필이 발생한 경우에는, 용융 금속이 불려 날아가 용융지의 대부분이 잔존하고 있지 않아, 반사광이 흐트러지는 일이 없기 때문이다.
따라서, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지(예를 들어, 용융한 용접 대상이 응고될 때까지)의 반사광 강도를 시간에 대해 적분함으로써 산출된 적분값 C에 기초하여, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부의 판정을 행할 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 적분값 C를 사용하여, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부를 판정하지만, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지의 반사광 강도에 관계되는, 다른 값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지의 반사광 강도의 평균값 또는 합계값을 판정에 사용하는 것도 가능하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 해석 장치(40)는 스텝 S22 또는 스텝 S24에서, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있다고 판정한 경우, 스텝 S25에 있어서, 워크 W의 용접 부분에 불량이 발생하고 있다고 판정한다.
이 경우, 용접 부분에 불량이 발생한 워크 W를 제외하는 등의 소정의 처리가 행해진다.
이상과 같이, 언더필 검출 공정 S20에 있어서는, 적외선 강도에 관계되는 적분값 B를 사용한 판정(스텝 S21 및 스텝 S22)과, 반사광 강도에 관계되는 적분값 C를 사용한 판정(스텝 S23 및 스텝 S24)이 행해지고, 양쪽의 판정을 통과함으로써, 최종적으로 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정된다.
이와 같이 하여, 언더필 검출 공정 S20에 있어서는, 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지의 적외선 강도 및 반사광 강도에 기초하여, 워크 W의 용접 부분에 발생한 언더필을 단시간에 검출할 수 있다.
또한, 언더필 검출 공정 S20에 있어서, 반사광 강도에 관계되는 적분값 C를 사용한 판정(스텝 S23 및 스텝 S24)을 행하지 않고, 적외선 강도에 관계되는 적분값 B를 사용한 판정(스텝 S21 및 스텝 S22)만을 행함으로써, 워크 W의 용접 부분에 언더필이 발생하고 있는지 여부를 판단해도 된다. 이 경우, 용접 장치(1)를, 반사광 강도의 계측을 행하지 않는 구성[상기 CW 레이저 발진기 및 제2 수광 장치(30) 등을 제외한 구성]으로 할 수도 있다.
용접 공정 S1에 있어서는, 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의 적외선 강도에 기초하여, 펄스 레이저의 출력값을 제어하는 것도 가능하다.
도 9에 도시한 바와 같이, 해석 장치(40)는 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서, 적외선 강도가 급격히 상승했다고 판단했을 때, 펄스 레이저의 출력값을 저하시킨다(도 9에 있어서의 시간 t4 이후의 펄스 레이저의 출력값 참조).
적외선 강도가 급격히 상승했다고 판단하기 위한 지표로서, 적외선 강도의 미분값을 채용하는 것이 가능하다.
펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서, 적외선 강도가 급격히 상승한다는 것은, 용융지에 키 홀이 형성된 것을 의미한다. 용융지에 키 홀이 형성된 경우, 당해 용융지의 진동이 심해져, 언더필이 발생할 가능성이 높아진다.
그로 인해, 상기와 같이 적외선 강도가 급격히 상승했을 때, 펄스 레이저의 출력값을 저하시킴으로써, 키 홀의 유지 시간을 단축할 수 있고, 그것에 수반하여 언더필의 발생을 억제할 수 있는 것이다.
본 발명에 관한 용접 방법은 밀폐형의 전지의 제조 공정에 적용 가능하다.
이하에서는, 도 10을 참조하여, 본 발명에 관한 전지의 제조 방법의 일 실시 형태인 전지(100)의 제조 공정에 대해 설명한다.
전지(100)의 제조 공정은 용접 장치(1)를 사용한 용접 공정을 구비한다.
우선, 전지(100)에 대해 설명한다.
전지(100)는 밀폐형의 전지이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 전지(100)는 케이스(110)를 구비한다.
케이스(110)는 전극체(도시하지 않음)를 전해액과 함께 수납하는 용기이고, 용접 장치(1)의 용접 대상이다.
상기 전극체는 시트 형상으로 형성된 한 쌍의 전극(정극 및 부극)이 세퍼레이터를 통해 적층되어, 권회됨으로써 제작되어 있다. 상기 전극체는 상기 전해액이 함침됨으로써 발전 요소로서 기능한다.
케이스(110)는 수납부(111)와 덮개부(112)를 구비한다.
수납부(111)는 대략 직육면체 형상의 상자체이고, 그 일면(도 10에 있어서의 상면)이 개방되어 있다. 수납부(111)에는 상기 전극체 및 상기 전해액이 수납되어 있다.
덮개부(112)는 수납부(111)의 개방면을 따른 형상을 갖는 평판이다. 덮개부(112)는 용접 장치(1)에 의한 레이저 용접에 의해, 수납부(111)와 접합되어 있다. 상세하게는, 용접 장치(1)로부터 조사된 중첩 레이저에 의해, 덮개부(112)와 수납부(111)의 경계 부분이 용융되고, 당해 용융 부분이 응고함으로써 용접부(120)가 형성되고, 덮개부(112)와 수납부(111)가 접합된다.
또한, 덮개부(112)에는 단자(130ㆍ130)가 관통 가능한 2개의 개구부가 형성되어 있고, 이들 개구부에 단자(130ㆍ130)가 고정되어 있다.
단자(130)는 상기 전극체와 전기적으로 접속된 부재이다.
한쪽의 단자(130)는 그 일단부가 상기 전극체의 정극과 전기적으로 접속되고, 타단부가 케이스(110)의 외부를 향해 덮개부(112)로부터 돌출되도록 배치되어 있다.
다른 쪽의 단자(130)는 그 일단부가 상기 전극체의 부극과 전기적으로 접속되고, 타단부가 케이스(110)의 외부를 향해 덮개부(112)로부터 돌출되도록 배치되어 있다.
전지(100)의 제조 공정에 있어서는, 케이스(110)의 수납부(111) 내에 상기 전극체를 수납한 후, 상기 용접 공정이 행해진다.
상기 용접 공정은 용접 장치(1)를 사용하여, 케이스(110)에 대해 레이저 용접을 행하는 공정이다.
상기 용접 공정에 있어서는, 수납부(111)의 개방면을 덮개부(112)에 의해 막은 상태에서, 용접 장치(1)에 의해 수납부(111)와 덮개부(112)를 용접한다.
이때, 용접 장치(1)의 해석 장치(40)가 수납부(111)와 덮개부(112)의 용접 부분의 불량을 검출한 경우, 당해 불량을 갖는 부재[케이스(110) 등]를 불량품으로서 제외한다.
불량이 검출되지 않고, 수납부(111)와 덮개부(112)의 경계 부분에 용접부(120)가 형성된 경우에는, 순차적으로 후속 공정[케이스(110) 내에 상기 전해액을 주입하는 공정 등]이 행해져, 전지(100)가 제조된다.
본 발명은 레이저 용접에 있어서의 용접 부분의 불량을 검출하는 기술에 이용할 수 있다.
1 : 용접 장치
10 : 토치
11 : 하우징
12 : 콜리메이트 렌즈(광학계)
13 : 집광 렌즈(광학계)
14 : 미러(광학계)
20 : 제1 수광 장치
21 : 제1 미러
22 : 제1 광학 필터
23 : 제1 포토 다이오드
24 : 제1 증폭기
30 : 제2 수광 장치
31 : 제2 미러
32 : 제2 광학 필터
33 : 제2 포토 다이오드
34 : 제2 증폭기
40 : 해석 장치
100 : 전지
110 : 케이스
120 : 용접부

Claims (10)

  1. 용접 대상을 펄스 레이저에 의해 용접하는 용접 방법이며,
    상기 용접 대상의 용접 시에 용접 부분으로부터 방출되는 적외선 중, 용융지에 형성되는 키 홀을 검출 가능한 파장을 갖는 적외선을 선택하고,
    상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분의 상태의 양부을 판정하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 용입 부족을 검출하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 제1 적분값을 산출하고,
    상기 제1 적분값을 제1 임계값과 비교하고,
    상기 제1 적분값이 상기 제1 임계값을 상회하는 경우에는, 상기 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있지 않다고 판정하고,
    상기 제1 적분값이 상기 제1 임계값 이하인 경우에는, 상기 용접 부분에 용입 부족이 발생하고 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 선택한 적외선의 강도를 시간에 대해 적분함으로써, 제2 적분값을 산출하고,
    상기 제2 적분값을 제2 임계값과 비교하고,
    상기 제2 적분값이 상기 제2 임계값을 하회하는 경우에는, 상기 용접 부분에 언더필이 발생하고 있지 않다고 판정하고,
    상기 제2 적분값이 상기 제2 임계값 이상인 경우에는, 상기 용접 부분에 언더필이 발생하고 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 펄스 레이저에 연속파 레이저를 중첩시키고,
    상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 종료 직후로부터 소정의 시간 경과 후까지에 있어서의, 상기 용접 부분에 있어서 반사한 상기 연속파 레이저의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 1펄스 출력 중에 있어서, 상기 선택한 적외선의 강도가 급격히 상승했을 때에, 상기 펄스 레이저의 출력값을 저하시키는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  8. 용접 대상을 펄스 레이저에 의해 용접하는 용접 장치이며,
    상기 펄스 레이저를 상기 용접 대상에 조사함과 함께, 상기 용접 대상의 용접 부분으로부터 방출되는 적외선을 반사시키는 광학계와,
    상기 광학계에 의해 반사된 적외선 중, 용융지에 형성되는 키 홀을 검출 가능한 파장을 갖는 적외선만을 수광하는 제1 수광 장치와,
    상기 제1 수광 장치에 의해 수광된 적외선의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분의 상태의 양부을 판정하는 해석 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  9. 제8항에 있어서, 제2 수광 장치를 더 구비하고,
    상기 광학계는 상기 펄스 레이저에 연속파 레이저를 중첩함과 함께, 상기 용접 대상에 있어서 반사한 상기 연속파 레이저를 상기 제2 수광 장치를 향해 반사시키도록 구성되고,
    상기 제2 수광 장치는 상기 광학계에 의해 반사된 상기 연속파 레이저를 수광하고,
    상기 해석 장치는 상기 제2 수광 장치에 의해 수광된 상기 연속파 레이저의 강도에 기초하여, 상기 용접 부분에 발생하는 언더필을 검출하는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  10. 전극체를 수납하기 위한 케이스를 구비하는 전지의 제조 방법이며,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법에 의해, 상기 케이스를 용접하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전지의 제조 방법.
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