レーザ接合方法および接合部品
【課題】２つの素材を、熱影響を最小限にしながら十分な強度を有するレーザ接合方法を提供すること。
【解決手段】第１および第２の素材（Ｖ１，Ｖ２）を重ね合わせ、第１の素材（Ｖ１）側から第１の素材（Ｖ１）の表面にレーザ光（１０３）を照射させることで、両素材（Ｖ１，Ｖ２）を接合する際、第１および第２の素材（Ｖ１，Ｖ２）との重ね合せ部に対して、レーザ光（１０３）を移動させながら間欠的に照射させることで第１の素材（Ｖ１）の表面に溶接ビード（１）を形成し、かつ、溶接ビード（１）の長さは、徐々に短く形成することで解決できる。
【解決手段】第１および第２の素材（Ｖ１，Ｖ２）を重ね合わせ、第１の素材（Ｖ１）側から第１の素材（Ｖ１）の表面にレーザ光（１０３）を照射させることで、両素材（Ｖ１，Ｖ２）を接合する際、第１および第２の素材（Ｖ１，Ｖ２）との重ね合せ部に対して、レーザ光（１０３）を移動させながら間欠的に照射させることで第１の素材（Ｖ１）の表面に溶接ビード（１）を形成し、かつ、溶接ビード（１）の長さは、徐々に短く形成することで解決できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの素材をレーザ光により強固に接合するレーザ溶接方法ならびにそれによって形成された接合部品に関するものである。とりわけ、二次電池のような溶接時の熱影響を抑える必要のある製品に用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱影響を抑えたレーザ溶接方法としては、被溶接素材のそれぞれの厚みや材料を調整しながら被溶接素材を貫通しないようにレーザの出力を調整するが、その一例として、接合材の融点の違いを利用してレーザ接合している技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３と図４は、上記特許文献１に記載された、従来のレーザ溶接方法を示すものである。 以下、上記従来のレーザ接合方法を説明する。
【０００４】
まず、融点の異なる２種類の材質からなる被溶接素材（Ｗ１、Ｗ２）に対して、レーザ光の光軸を融点の高い素材（Ｗ１）側に照射して、この素材の溶融物が持つ熱により融点の低い素材（Ｗ２）を融解させ、両被溶接素材を溶融接合することで異材の溶接が実施される。図３において、溶接ヘッド１０１は多関節ロボット（ 図示せず）のアーム先端部又は直交移動する三次元直交移動体（ 図示せず）の先端に取り付けられている。そして、溶接ヘッド１０１は先端のレーザ照射部１０２からレーザ光１０３が放射される。レーザ光１０３の光軸は、２枚の被溶接素材（Ｗ１、Ｗ２）となる融点の高い素材（Ｗ１）と、融点の低い素材（Ｗ２）の重ね合せ部（Ｗ１が上側であり、Ｗ１にレーザ光１０３が照射される）の溶接線１０５ に沿って移動するように照射され、溶接部（溶接ビード）１０４が形成される。
【０００５】
そしてレーザ光１０３ の光軸は、図３を背面側から見た図４のように、融点の高い素材（Ｗ１）の端部位置Ｏから中央側へ適宜、離れた溶接位置Ｏ１に合わせられ、溶接部に照射される。その結果、溶接部１０４Ａの溶接形状が得られる。レーザ光１０３の出力値は、融点の高い素材（Ｗ１）側の溶融液が金属間化合物や酸化膜を破って融点の低い側の素材（Ｗ２）内部まで適宜深さの楔状に溶け込んで両素材（Ｗ１、Ｗ２）の原子が融合して混ざり合う半練状態になるとされている。
【０００６】
このように、異種金属材料間の接合にレーザを使用した結果、上記従来の技術は、レーザ光による熱が局所的に存在することで必要な部分以外に熱影響を与えにくく、かつ、薄板の溶接が効率的に行える技術であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３６４８９号公報（図１，図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術の構成では、重ね合わせた２つの薄板のうち、レーザ光が照射される面とは反対の面への熱影響が生じることになる。すなわち、上記反対の面への熱影響を抑えようとすると、被溶接素材の材質や、各々の厚みについての制約条件が多くなるという問題が生じることになる。特に近年では、省エネの観点から、利用が増加している二次電池（蓄電池）等の電極における接合では、電気抵抗が小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどが使用されることが多く、このような熱伝導率の高い材料の使用により熱影響を与えたくない場所に伝熱してしまうことになる。例えば、レーザ光が照射側の薄板（素材）を厚くし、熱容量が大きくなったりするような接合では、熱影響を局所的に留めることが難しいという課題を有していた。
【０００９】
ここで熱影響とは、例えば電池の場合であれば絶縁用の樹脂部品が溶接時の熱によって劣化してしまったり最悪の場合熔解してしまう、あるいは電解液が溶接時の熱によって化学変化が起こって劣化してしまったり最悪の場合気化してしまったりすることである。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱伝導率の高い材料や照射側の板が厚く熱容量が大きくなったりするような接合でも、熱影響を抑えたレーザ溶接方法および接合部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ接合方法は、第１および第２の素材を重ね合わせ、第１の素材側から前記第１の素材の表面にレーザ光を照射させることで、前記両素材を接合するレーザ接合方法において、第１および第２の素材との重ね合せ部に対して、前記レーザ光を移動させながら間欠的に照射させることで前記第１の素材の表面に溶接ビードを形成し、かつ、前記溶接ビードの長さは、徐々に短く形成されることで、熱影響を抑える形状となっている。
【００１２】
本構成によって、溶接ビードの形成による温度が所定になったところで一端溶接ビードの形成を中断することになり、徐々に被溶接素材に蓄積されていくエネルギーを、レーザの出力調整によってではなく、形状によって制御することが可能となり、重ね合わせた薄板の照射面反対側への熱影響を抑えた接合を行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明のレーザ接合方法によれば、従来は難しかった電気抵抗は小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどを使用した接合において、重ね合わせた薄板の照射面反対側への熱影響を抑えながら、十分な接合強度を有する接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る表面温度の変化を説明するための図
【図３】従来のレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図４】従来のレーザ接合部を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図６】本発明の実施の形態３に係る簡易断面図
【図７】本発明の実施の形態３に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図８】本発明の実施の形態３に係る同心円状の溶接ビードの模式図
【図９】本発明の実施の形態３に係る渦巻き状の溶接ビードの模式図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る丸型蓄電池に金属板を接合する際のレーザ接合方法の様子を示す模式斜視図である。なお、図１において、前述の図３および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００１７】
図１において、１０１は溶接ヘッドであり、溶接ヘッド１０１の先端にレーザ光１０３を照射するレーザ照射部１０２を備える。レーザ照射部１０２から照射されるレーザ光１０３ の光軸は、２枚の被溶接素材（Ｖ１：金属板、Ｖ２：丸型蓄電池）のうち、板状の溶接素材Ｖ１の表面に向けられている。このとき、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２とは重ね合わせて配置されており、レーザ光１０３は、溶接素材Ｖ１と缶状の溶接素材Ｖ２（内部に熱影響を避けたい溶液を密閉した素材）との重ね合せ部（Ｖ１が上側）上を移動するように照射される。レーザ光１０３は、連続的に照射されるものではなく、間欠的に照射し、途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）１が形成される。
【００１８】
レーザ光１０３を板状の溶接素材Ｖ１に照射することで、局所的に温度が上昇し、溶接素材Ｖ１の融点を超えると、溶接素材Ｖ２の素材内部まで適宜、深さの楔状に溶け込んで両金属の原子が融合して混ざり合う半練状態になる。図４に示す、溶接部１０４Ａ の溶接形状の通りである。レーザ光１０３の照射時間が長くなると、必然的に溶接部１が長くなり、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２ともに蓄熱による温度上昇が起こることになる。このように、溶接部１０４Ａの楔形状の深さが大きくなって行くと、溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が上昇して行くことになる。
【００１９】
そこで、溶接素材Ｖ２のうち、溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が所定になったところで、レーザ光１０３の照射を止めれば、蓄積した熱は放散されて、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２に生じる温度は共に低下する。すなわち、レーザ光１０３を照射する時間を所定時間おいて、本実施の形態では、溶接ヘッド１０１を所定速度で移動させる。その際、所定距離を空けて、再びレーザ光１０３の照射を始めて、溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が所定になったところで、レーザ光１０３を止めることを繰り返すことで溶接部１を形成する。よって、溶接素材Ｖ１の表面に、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）１が形成されることになる。
【００２０】
図２は、上述のように動作させた場合の溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の表面温度の変化を説明するための図である。
【００２１】
なお、図２において、縦軸の温度は、最低測定温度４００℃の放射温度計の読み値をプロットしたものであり、特に４００℃未満の温度が測定されていないこともあり、この温度が意味を持つものではない。つまり、図２の縦軸の温度は、あくまで温度変化の様子を説明するために記載するものであり、表面温度も、図２の上で読み取れる温度以下になるように制御した訳ではない。
【００２２】
図２において、第一照射開始点Ｓ１で温度が上昇し、第一照射終了点Ｓ２で温度が下降している。そして、所定間隔を空けて第２照射開始点Ｓ３で再び温度が上昇しているが、放熱が十分では無いため第一照射開始点Ｓ１での温度上昇よりも急峻に温度上昇している。そのため、所定温度に達するまでの時間が短縮されて、第一照射開始点Ｓ１と第一照射終了点Ｓ２の間隔よりも、第２照射開始点Ｓ３と第２照射終了点Ｓ４との間隔の方が短くなっている。つまり、照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは短く構成されることとなる。また、それぞれの溶接ビードは、照射開始時は細く、段々太くなるように照射条件を調整する。これは、短時間で材料内へ十分な蓄熱をさせて、後になるほど接合強度と接合面積を稼ぐためである。
【００２３】
かかる構成によれば、上記の動作を繰り返すことにより、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つ、具体的には所定の強度を得るために十分な長さの溶接ビードを持つレーザ接合が可能となる。また、従来のレーザ接合方法では、熱影響を避けるために投入熱量を減少させることが必要になり、溶接素材Ｖ２に比較して照射側の溶接素材Ｖ１の熱容量が小さい、具体的には材料厚みが十分に小さいか材料の熱容量が小さいことが重要であったが、本実施の形態では溶接素材Ｖ２よりも照射側の溶接素材Ｖ１の材料厚みが大きかったにも拘らず、缶内部の温度上昇を最小限に抑えた接合が実現できている。
【００２４】
なお、本実施の形態において、溶接部（間欠溶接ビード）１のそれぞれのビードを徐々に短くして行くことで、溶接素材Ｖ２のうち、溶接素材Ｖ１と接する面と反対の面の温度を所定以下に保つようにしたが、溶接部（間欠溶接ビード）１の非照射部を徐々に長くして、放熱時間を確保することで溶接部（間欠溶接ビード）１のそれぞれのビードを徐々に短くしていく割合を減らすようにしても良い。また、この実施例では溶接部（間欠溶接ビード）１は直線で構成されているが、曲線で構成されていても同じ効果を有する。
【００２５】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２である通電する２枚の薄板を接合するときの模式斜視図である。図５において、図１および図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２６】
図５において、溶接ヘッド１０１は先端のレーザ照射部１０２から発射されるレーザ光１０３の光軸が、２枚の被溶接素材となる板状の溶接素材Ｕ１と裏側に熱影響を避けたい板状の溶接素材Ｕ２の重ね合せ部（Ｕ１が上側）上を移動するように照射される。このとき、レーザ光１０３は、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）２Ａ，２Ｂ，２Ｃが形成される。
【００２７】
また、間欠溶接ビード２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、熱影響を避けたい部分（この実施の形態の場合には溶接素材Ｕ２の裏面）の温度を所定以下に保つ目的により、実施の形態１の溶接ビード１と同様に、連続ではなく途切れ途切れの溶接ビードを形成しており、照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは同等もしくは短く構成されている。
【００２８】
但し、実施の形態１の溶接ビード１とは違って、一直線上ではなく、複数列に構成されている。電気接点３は、溶接素材Ｕ２上の通電時の電気接点を示している。例えば電池の場合には、蓄積されたあるいは発電された電流がここを通って溶接素材Ｕ２、照射側の溶接素材Ｕ１の順に流れていき、電池外部に流れていくこととなる。
【００２９】
図５においては、溶接部（間欠溶接ビード）２Ａを形成した後、同等かより短い溶接ビードで構成された溶接部（間欠溶接ビード）２Ｂを形成し、更に、間欠溶接ビード２Ａ、２Ｂと同等かより短い溶接ビードで構成された溶接部（間欠溶接ビード）２Ｃを形成している。構成する順序は間欠溶接ビード２Ａ、間欠溶接ビード２Ｂ、間欠溶接ビード２Ｃの順であるが、構成する場所は、間欠溶接ビード２Ａ、間欠溶接ビード２Ｃ、間欠溶接ビード２Ｂの順のように時系列に合わせる必要は無い。
【００３０】
但し、一つ一つの構成溶接ビードがより長い間欠溶接ビード２Ａは、電気接点３により近い側に配置される。抵抗値をＲ、材料の電気抵抗率をρ、電気の流れる長さをｌ、断面積をＡとすると、
Ｒ ＝ ρ×ｌ／Ａ
であり、今後、特に蓄電池などでは軽量化、低コスト化のために外殻を薄くしていく可能性が高く、Ａは減っていく傾向にある。
【００３１】
逆に、流れる電流が大きくなる傾向にあるため、抵抗値Ｒは小さくしたいので、必然的にｌを短くする必要がある。電気接点３の近くに長いビードを配置することは、距離ｌを短くすることと同時に、電気の流路の断面積Ａを増やすことになり、抵抗値Ｒを減らす効果がある。これにより、複数の蓄電池の電極を接合する時には、電気接点に近い場所に長い溶接ビードを配置することで、蓄電池の放電時や充電時に大電流が流れたときの発熱を抑えることができる。
【００３２】
かかる構成によれば、上記の動作を繰り返すことにより、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つレーザ接合が可能となり、複数列に分割されていることで、実施の形態１に比較して、幅の狭い板の接合など適用できる範囲が広くなる。また、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になる。
【００３３】
なお、それぞれの列は同じ長さである必要は無く、また一列に複数のビードを並べることが必要なわけでも無いので、１列に１つずつのビードとしても良いし、１列の中に存在するビード数を規定することは無い。また、この実施例では３列で構成されているが、２列でも、４列以上でも構わない。
【００３４】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３である、丸型リチウムイオン蓄電池の正極端子に極板を接合するときの断面図である。また、図７はそのレーザ接合の様子を示す模式斜視図である。図６、図７において、図１および図３、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３５】
近年、充電容量の大きさと充放電繰返し回数の多さから着実に生産量が増加している丸型リチウムイオン蓄電池であるが、より大容量、大電圧が必要な分野では、この丸型リチウムイオン蓄電池を複数個まとめて電池パックとして利用することが多い。このとき丸型リチウムイオン蓄電池の正負の各電極に極板を接合して電気的に一体化させるのであるが、リチウムイオン蓄電池の内容液は熱影響を非常に嫌うため、接合時にも缶内の温度上昇を最小限に抑える必要があり、本発明のレーザ接合が効果的である。
【００３６】
図６において、蓄電部１０は正負極板とセパレータが巻き取ってある構造で電解液１２に浸っており、充電されると蓄電部１０にリチウムイオンが蓄えられ、放電時にはこの蓄えられたリチウムイオンを用いて発電して電気が流れることになる。充放電時の電気はプラス側タブ１１を通って溶接素材（正極側端子）Ｕ２に電気接点３を介して流れて行く。本発明の実施の形態３では、板状の溶接素材Ｕ１をこの溶接素材（正極側端子）Ｕ２に接合する場合について、図７を用いて説明する。
【００３７】
図７において、レーザ照射部１０２から照射されるレーザ光１０３は、ガルバノミラー４０で反射して、対物レンズ４１で焦点を絞られて、板状の溶接素材Ｕ１と裏側に熱影響を避けたい溶接素材Ｕ２の重ね合せ部（Ｕ１が上側）上を移動するように照射され、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが形成される。時系列的には溶接ビードは２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの順に形成されるが、配置は時系列の順序と同じでなくても良い。
【００３８】
また、間欠溶接ビード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、熱影響を避けたい部分（この実施の形態の場合には溶接素材Ｕ２の裏面）の温度を所定以下に保つ目的により、実施の形態１の溶接ビード１と同様に連続ではなく途切れ途切れの溶接ビードを形成している。照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは同等もしくは短く構成されている。但し、実施の形態１の溶接ビード１とは違って、一直線上ではなく、円周上に構成されている。なお、循環する形状として円周上に構成された場合を例として挙げているが、これは多角形であっても構わない。
【００３９】
また、最初の長い溶接ビード２０Ａは、電気接点３に近い側に配置されている。これは、実施の形態２と同様に、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になることからこのような配置となっている。
【００４０】
このとき、十分な接合強度を得るためにトータルの溶接ビード長さを長くしようとすると、円周上への配置では溶接素材Ｕ１と溶接素材Ｕ２の重ね合せ部の大きさが制約条件となってしまうが、溶接ビードを図８のように同心円上に配置したり、図９のように渦巻き状に配置したりすることで、長い溶接ビードを形成することができるようになる。
【００４１】
かかる構成によれば、リチウムイオン蓄電池のような熱条件の厳しい製品においても、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つ、具体的には所定の強度を得るために十分な長さの溶接ビードを持つレーザ接合が可能となり、また、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になる。
【００４２】
なお、実施の形態３では、溶接ビードの形状が自由形状に近くなるので、そのようなレーザ照射に有利なガルバノミラーを使用した照射方式を用いて説明しているが、実施の形態１、２のように照射ヘッドを機械的に動作させて照射しても差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のレーザ接合方法は、熱影響を抑えながら十分な接合強度を持った接合できる効果を有する。特に、電気抵抗が小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどが使用されることが多い蓄電池の正負極端子と、金属板の接合や複数の蓄電池を接続して使用する場合の蓄電池間の接合の用途、また熱影響により外観が悪化するためにこれまで溶接ができなかったような薄い金属製の外装カバーの接合等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 溶接ビード
１０１ 溶接ヘッド
１０２ 照射部
１０３ レーザ光
Ｖ１ 溶接素材
Ｖ２ 溶接素材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの素材をレーザ光により強固に接合するレーザ溶接方法ならびにそれによって形成された接合部品に関するものである。とりわけ、二次電池のような溶接時の熱影響を抑える必要のある製品に用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱影響を抑えたレーザ溶接方法としては、被溶接素材のそれぞれの厚みや材料を調整しながら被溶接素材を貫通しないようにレーザの出力を調整するが、その一例として、接合材の融点の違いを利用してレーザ接合している技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３と図４は、上記特許文献１に記載された、従来のレーザ溶接方法を示すものである。 以下、上記従来のレーザ接合方法を説明する。
【０００４】
まず、融点の異なる２種類の材質からなる被溶接素材（Ｗ１、Ｗ２）に対して、レーザ光の光軸を融点の高い素材（Ｗ１）側に照射して、この素材の溶融物が持つ熱により融点の低い素材（Ｗ２）を融解させ、両被溶接素材を溶融接合することで異材の溶接が実施される。図３において、溶接ヘッド１０１は多関節ロボット（ 図示せず）のアーム先端部又は直交移動する三次元直交移動体（ 図示せず）の先端に取り付けられている。そして、溶接ヘッド１０１は先端のレーザ照射部１０２からレーザ光１０３が放射される。レーザ光１０３の光軸は、２枚の被溶接素材（Ｗ１、Ｗ２）となる融点の高い素材（Ｗ１）と、融点の低い素材（Ｗ２）の重ね合せ部（Ｗ１が上側であり、Ｗ１にレーザ光１０３が照射される）の溶接線１０５ に沿って移動するように照射され、溶接部（溶接ビード）１０４が形成される。
【０００５】
そしてレーザ光１０３ の光軸は、図３を背面側から見た図４のように、融点の高い素材（Ｗ１）の端部位置Ｏから中央側へ適宜、離れた溶接位置Ｏ１に合わせられ、溶接部に照射される。その結果、溶接部１０４Ａの溶接形状が得られる。レーザ光１０３の出力値は、融点の高い素材（Ｗ１）側の溶融液が金属間化合物や酸化膜を破って融点の低い側の素材（Ｗ２）内部まで適宜深さの楔状に溶け込んで両素材（Ｗ１、Ｗ２）の原子が融合して混ざり合う半練状態になるとされている。
【０００６】
このように、異種金属材料間の接合にレーザを使用した結果、上記従来の技術は、レーザ光による熱が局所的に存在することで必要な部分以外に熱影響を与えにくく、かつ、薄板の溶接が効率的に行える技術であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３６４８９号公報（図１，図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術の構成では、重ね合わせた２つの薄板のうち、レーザ光が照射される面とは反対の面への熱影響が生じることになる。すなわち、上記反対の面への熱影響を抑えようとすると、被溶接素材の材質や、各々の厚みについての制約条件が多くなるという問題が生じることになる。特に近年では、省エネの観点から、利用が増加している二次電池（蓄電池）等の電極における接合では、電気抵抗が小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどが使用されることが多く、このような熱伝導率の高い材料の使用により熱影響を与えたくない場所に伝熱してしまうことになる。例えば、レーザ光が照射側の薄板（素材）を厚くし、熱容量が大きくなったりするような接合では、熱影響を局所的に留めることが難しいという課題を有していた。
【０００９】
ここで熱影響とは、例えば電池の場合であれば絶縁用の樹脂部品が溶接時の熱によって劣化してしまったり最悪の場合熔解してしまう、あるいは電解液が溶接時の熱によって化学変化が起こって劣化してしまったり最悪の場合気化してしまったりすることである。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱伝導率の高い材料や照射側の板が厚く熱容量が大きくなったりするような接合でも、熱影響を抑えたレーザ溶接方法および接合部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ接合方法は、第１および第２の素材を重ね合わせ、第１の素材側から前記第１の素材の表面にレーザ光を照射させることで、前記両素材を接合するレーザ接合方法において、第１および第２の素材との重ね合せ部に対して、前記レーザ光を移動させながら間欠的に照射させることで前記第１の素材の表面に溶接ビードを形成し、かつ、前記溶接ビードの長さは、徐々に短く形成されることで、熱影響を抑える形状となっている。
【００１２】
本構成によって、溶接ビードの形成による温度が所定になったところで一端溶接ビードの形成を中断することになり、徐々に被溶接素材に蓄積されていくエネルギーを、レーザの出力調整によってではなく、形状によって制御することが可能となり、重ね合わせた薄板の照射面反対側への熱影響を抑えた接合を行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明のレーザ接合方法によれば、従来は難しかった電気抵抗は小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどを使用した接合において、重ね合わせた薄板の照射面反対側への熱影響を抑えながら、十分な接合強度を有する接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る表面温度の変化を説明するための図
【図３】従来のレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図４】従来のレーザ接合部を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図６】本発明の実施の形態３に係る簡易断面図
【図７】本発明の実施の形態３に係るレーザ接合の様子を示す模式斜視図
【図８】本発明の実施の形態３に係る同心円状の溶接ビードの模式図
【図９】本発明の実施の形態３に係る渦巻き状の溶接ビードの模式図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る丸型蓄電池に金属板を接合する際のレーザ接合方法の様子を示す模式斜視図である。なお、図１において、前述の図３および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００１７】
図１において、１０１は溶接ヘッドであり、溶接ヘッド１０１の先端にレーザ光１０３を照射するレーザ照射部１０２を備える。レーザ照射部１０２から照射されるレーザ光１０３ の光軸は、２枚の被溶接素材（Ｖ１：金属板、Ｖ２：丸型蓄電池）のうち、板状の溶接素材Ｖ１の表面に向けられている。このとき、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２とは重ね合わせて配置されており、レーザ光１０３は、溶接素材Ｖ１と缶状の溶接素材Ｖ２（内部に熱影響を避けたい溶液を密閉した素材）との重ね合せ部（Ｖ１が上側）上を移動するように照射される。レーザ光１０３は、連続的に照射されるものではなく、間欠的に照射し、途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）１が形成される。
【００１８】
レーザ光１０３を板状の溶接素材Ｖ１に照射することで、局所的に温度が上昇し、溶接素材Ｖ１の融点を超えると、溶接素材Ｖ２の素材内部まで適宜、深さの楔状に溶け込んで両金属の原子が融合して混ざり合う半練状態になる。図４に示す、溶接部１０４Ａ の溶接形状の通りである。レーザ光１０３の照射時間が長くなると、必然的に溶接部１が長くなり、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２ともに蓄熱による温度上昇が起こることになる。このように、溶接部１０４Ａの楔形状の深さが大きくなって行くと、溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が上昇して行くことになる。
【００１９】
そこで、溶接素材Ｖ２のうち、溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が所定になったところで、レーザ光１０３の照射を止めれば、蓄積した熱は放散されて、溶接素材Ｖ１と溶接素材Ｖ２に生じる温度は共に低下する。すなわち、レーザ光１０３を照射する時間を所定時間おいて、本実施の形態では、溶接ヘッド１０１を所定速度で移動させる。その際、所定距離を空けて、再びレーザ光１０３の照射を始めて、溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の温度が所定になったところで、レーザ光１０３を止めることを繰り返すことで溶接部１を形成する。よって、溶接素材Ｖ１の表面に、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）１が形成されることになる。
【００２０】
図２は、上述のように動作させた場合の溶接素材Ｖ２のうち溶接素材Ｖ１と接する面とは反対側の面の表面温度の変化を説明するための図である。
【００２１】
なお、図２において、縦軸の温度は、最低測定温度４００℃の放射温度計の読み値をプロットしたものであり、特に４００℃未満の温度が測定されていないこともあり、この温度が意味を持つものではない。つまり、図２の縦軸の温度は、あくまで温度変化の様子を説明するために記載するものであり、表面温度も、図２の上で読み取れる温度以下になるように制御した訳ではない。
【００２２】
図２において、第一照射開始点Ｓ１で温度が上昇し、第一照射終了点Ｓ２で温度が下降している。そして、所定間隔を空けて第２照射開始点Ｓ３で再び温度が上昇しているが、放熱が十分では無いため第一照射開始点Ｓ１での温度上昇よりも急峻に温度上昇している。そのため、所定温度に達するまでの時間が短縮されて、第一照射開始点Ｓ１と第一照射終了点Ｓ２の間隔よりも、第２照射開始点Ｓ３と第２照射終了点Ｓ４との間隔の方が短くなっている。つまり、照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは短く構成されることとなる。また、それぞれの溶接ビードは、照射開始時は細く、段々太くなるように照射条件を調整する。これは、短時間で材料内へ十分な蓄熱をさせて、後になるほど接合強度と接合面積を稼ぐためである。
【００２３】
かかる構成によれば、上記の動作を繰り返すことにより、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つ、具体的には所定の強度を得るために十分な長さの溶接ビードを持つレーザ接合が可能となる。また、従来のレーザ接合方法では、熱影響を避けるために投入熱量を減少させることが必要になり、溶接素材Ｖ２に比較して照射側の溶接素材Ｖ１の熱容量が小さい、具体的には材料厚みが十分に小さいか材料の熱容量が小さいことが重要であったが、本実施の形態では溶接素材Ｖ２よりも照射側の溶接素材Ｖ１の材料厚みが大きかったにも拘らず、缶内部の温度上昇を最小限に抑えた接合が実現できている。
【００２４】
なお、本実施の形態において、溶接部（間欠溶接ビード）１のそれぞれのビードを徐々に短くして行くことで、溶接素材Ｖ２のうち、溶接素材Ｖ１と接する面と反対の面の温度を所定以下に保つようにしたが、溶接部（間欠溶接ビード）１の非照射部を徐々に長くして、放熱時間を確保することで溶接部（間欠溶接ビード）１のそれぞれのビードを徐々に短くしていく割合を減らすようにしても良い。また、この実施例では溶接部（間欠溶接ビード）１は直線で構成されているが、曲線で構成されていても同じ効果を有する。
【００２５】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２である通電する２枚の薄板を接合するときの模式斜視図である。図５において、図１および図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２６】
図５において、溶接ヘッド１０１は先端のレーザ照射部１０２から発射されるレーザ光１０３の光軸が、２枚の被溶接素材となる板状の溶接素材Ｕ１と裏側に熱影響を避けたい板状の溶接素材Ｕ２の重ね合せ部（Ｕ１が上側）上を移動するように照射される。このとき、レーザ光１０３は、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）２Ａ，２Ｂ，２Ｃが形成される。
【００２７】
また、間欠溶接ビード２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、熱影響を避けたい部分（この実施の形態の場合には溶接素材Ｕ２の裏面）の温度を所定以下に保つ目的により、実施の形態１の溶接ビード１と同様に、連続ではなく途切れ途切れの溶接ビードを形成しており、照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは同等もしくは短く構成されている。
【００２８】
但し、実施の形態１の溶接ビード１とは違って、一直線上ではなく、複数列に構成されている。電気接点３は、溶接素材Ｕ２上の通電時の電気接点を示している。例えば電池の場合には、蓄積されたあるいは発電された電流がここを通って溶接素材Ｕ２、照射側の溶接素材Ｕ１の順に流れていき、電池外部に流れていくこととなる。
【００２９】
図５においては、溶接部（間欠溶接ビード）２Ａを形成した後、同等かより短い溶接ビードで構成された溶接部（間欠溶接ビード）２Ｂを形成し、更に、間欠溶接ビード２Ａ、２Ｂと同等かより短い溶接ビードで構成された溶接部（間欠溶接ビード）２Ｃを形成している。構成する順序は間欠溶接ビード２Ａ、間欠溶接ビード２Ｂ、間欠溶接ビード２Ｃの順であるが、構成する場所は、間欠溶接ビード２Ａ、間欠溶接ビード２Ｃ、間欠溶接ビード２Ｂの順のように時系列に合わせる必要は無い。
【００３０】
但し、一つ一つの構成溶接ビードがより長い間欠溶接ビード２Ａは、電気接点３により近い側に配置される。抵抗値をＲ、材料の電気抵抗率をρ、電気の流れる長さをｌ、断面積をＡとすると、
Ｒ ＝ ρ×ｌ／Ａ
であり、今後、特に蓄電池などでは軽量化、低コスト化のために外殻を薄くしていく可能性が高く、Ａは減っていく傾向にある。
【００３１】
逆に、流れる電流が大きくなる傾向にあるため、抵抗値Ｒは小さくしたいので、必然的にｌを短くする必要がある。電気接点３の近くに長いビードを配置することは、距離ｌを短くすることと同時に、電気の流路の断面積Ａを増やすことになり、抵抗値Ｒを減らす効果がある。これにより、複数の蓄電池の電極を接合する時には、電気接点に近い場所に長い溶接ビードを配置することで、蓄電池の放電時や充電時に大電流が流れたときの発熱を抑えることができる。
【００３２】
かかる構成によれば、上記の動作を繰り返すことにより、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つレーザ接合が可能となり、複数列に分割されていることで、実施の形態１に比較して、幅の狭い板の接合など適用できる範囲が広くなる。また、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になる。
【００３３】
なお、それぞれの列は同じ長さである必要は無く、また一列に複数のビードを並べることが必要なわけでも無いので、１列に１つずつのビードとしても良いし、１列の中に存在するビード数を規定することは無い。また、この実施例では３列で構成されているが、２列でも、４列以上でも構わない。
【００３４】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３である、丸型リチウムイオン蓄電池の正極端子に極板を接合するときの断面図である。また、図７はそのレーザ接合の様子を示す模式斜視図である。図６、図７において、図１および図３、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３５】
近年、充電容量の大きさと充放電繰返し回数の多さから着実に生産量が増加している丸型リチウムイオン蓄電池であるが、より大容量、大電圧が必要な分野では、この丸型リチウムイオン蓄電池を複数個まとめて電池パックとして利用することが多い。このとき丸型リチウムイオン蓄電池の正負の各電極に極板を接合して電気的に一体化させるのであるが、リチウムイオン蓄電池の内容液は熱影響を非常に嫌うため、接合時にも缶内の温度上昇を最小限に抑える必要があり、本発明のレーザ接合が効果的である。
【００３６】
図６において、蓄電部１０は正負極板とセパレータが巻き取ってある構造で電解液１２に浸っており、充電されると蓄電部１０にリチウムイオンが蓄えられ、放電時にはこの蓄えられたリチウムイオンを用いて発電して電気が流れることになる。充放電時の電気はプラス側タブ１１を通って溶接素材（正極側端子）Ｕ２に電気接点３を介して流れて行く。本発明の実施の形態３では、板状の溶接素材Ｕ１をこの溶接素材（正極側端子）Ｕ２に接合する場合について、図７を用いて説明する。
【００３７】
図７において、レーザ照射部１０２から照射されるレーザ光１０３は、ガルバノミラー４０で反射して、対物レンズ４１で焦点を絞られて、板状の溶接素材Ｕ１と裏側に熱影響を避けたい溶接素材Ｕ２の重ね合せ部（Ｕ１が上側）上を移動するように照射され、連続ではなく途切れ途切れの溶接部（間欠溶接ビード）２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが形成される。時系列的には溶接ビードは２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの順に形成されるが、配置は時系列の順序と同じでなくても良い。
【００３８】
また、間欠溶接ビード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、熱影響を避けたい部分（この実施の形態の場合には溶接素材Ｕ２の裏面）の温度を所定以下に保つ目的により、実施の形態１の溶接ビード１と同様に連続ではなく途切れ途切れの溶接ビードを形成している。照射開始時の溶接ビードの長さに比べて、２つ目、３つ目の溶接ビードの長さは同等もしくは短く構成されている。但し、実施の形態１の溶接ビード１とは違って、一直線上ではなく、円周上に構成されている。なお、循環する形状として円周上に構成された場合を例として挙げているが、これは多角形であっても構わない。
【００３９】
また、最初の長い溶接ビード２０Ａは、電気接点３に近い側に配置されている。これは、実施の形態２と同様に、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になることからこのような配置となっている。
【００４０】
このとき、十分な接合強度を得るためにトータルの溶接ビード長さを長くしようとすると、円周上への配置では溶接素材Ｕ１と溶接素材Ｕ２の重ね合せ部の大きさが制約条件となってしまうが、溶接ビードを図８のように同心円上に配置したり、図９のように渦巻き状に配置したりすることで、長い溶接ビードを形成することができるようになる。
【００４１】
かかる構成によれば、リチウムイオン蓄電池のような熱条件の厳しい製品においても、熱影響を最小限にしながら十分な接合強度を持つ、具体的には所定の強度を得るために十分な長さの溶接ビードを持つレーザ接合が可能となり、また、構成溶接ビードの長い列を電気接点側に配置することで、電気抵抗的にも有利になる。
【００４２】
なお、実施の形態３では、溶接ビードの形状が自由形状に近くなるので、そのようなレーザ照射に有利なガルバノミラーを使用した照射方式を用いて説明しているが、実施の形態１、２のように照射ヘッドを機械的に動作させて照射しても差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のレーザ接合方法は、熱影響を抑えながら十分な接合強度を持った接合できる効果を有する。特に、電気抵抗が小さいが熱伝導率が高い銅やアルミニウムなどが使用されることが多い蓄電池の正負極端子と、金属板の接合や複数の蓄電池を接続して使用する場合の蓄電池間の接合の用途、また熱影響により外観が悪化するためにこれまで溶接ができなかったような薄い金属製の外装カバーの接合等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 溶接ビード
１０１ 溶接ヘッド
１０２ 照射部
１０３ レーザ光
Ｖ１ 溶接素材
Ｖ２ 溶接素材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の素材を重ね合わせ、第１の素材側から前記第１の素材の表面にレーザ光を照射させることで、前記両素材を接合するレーザ接合方法において、
第１および第２の素材との重ね合せ部に対して、前記レーザ光を移動させながら間欠的に照射させることで前記第１の素材の表面に溶接ビードを形成し、かつ、前記溶接ビードの長さは、徐々に短く形成されること、
を特徴とするレーザ接合方法。
【請求項２】
隣り合う溶接ビード間の間隔は所定である、請求項１記載のレーザ接合方法。
【請求項３】
前記第１の素材の表面上に、一方向に延びる溶接ビードが並列に複数本形成される、請求項１又は２に記載のレーザ接合方法。
【請求項４】
前記第１の素材には電気接点が形成されており、前記第１の素材の表面に複数本形成される溶接ビードのうち、前記電気接点に近い溶接ビードを最も長く形成した、請求項３に記載のレーザ接合方法。
【請求項５】
前記溶接ビードは、渦巻き状又は同心円状に複数並べて配置されるものである、請求項１又は２に記載のレーザ接合方法。
【請求項６】
渦巻きあるいは同心円の中に電気接点を配置し、前記第１の素材表面のうち、前記電気接点に近い側の溶接ビードを最も長く形成した、請求項５に記載のレーザ接合方法。
【請求項７】
溶接ビードは、レーザ光の照射開始点から徐々に太くなる形状である、請求項１〜６の何れか一項に記載のレーザ接合方法。
【請求項８】
第１の素材および第２の素材とが接合されてなる接合部品において、
前記第１の素材および前記第２の素材とが重ね合う領域のうち、前記第１の素材表面に溶接ビードが間欠に複数形成され、かつ、前記溶接ビードの長さは徐々に短く形成されてなること、
を特徴とする接合部品。
【請求項１】
第１および第２の素材を重ね合わせ、第１の素材側から前記第１の素材の表面にレーザ光を照射させることで、前記両素材を接合するレーザ接合方法において、
第１および第２の素材との重ね合せ部に対して、前記レーザ光を移動させながら間欠的に照射させることで前記第１の素材の表面に溶接ビードを形成し、かつ、前記溶接ビードの長さは、徐々に短く形成されること、
を特徴とするレーザ接合方法。
【請求項２】
隣り合う溶接ビード間の間隔は所定である、請求項１記載のレーザ接合方法。
【請求項３】
前記第１の素材の表面上に、一方向に延びる溶接ビードが並列に複数本形成される、請求項１又は２に記載のレーザ接合方法。
【請求項４】
前記第１の素材には電気接点が形成されており、前記第１の素材の表面に複数本形成される溶接ビードのうち、前記電気接点に近い溶接ビードを最も長く形成した、請求項３に記載のレーザ接合方法。
【請求項５】
前記溶接ビードは、渦巻き状又は同心円状に複数並べて配置されるものである、請求項１又は２に記載のレーザ接合方法。
【請求項６】
渦巻きあるいは同心円の中に電気接点を配置し、前記第１の素材表面のうち、前記電気接点に近い側の溶接ビードを最も長く形成した、請求項５に記載のレーザ接合方法。
【請求項７】
溶接ビードは、レーザ光の照射開始点から徐々に太くなる形状である、請求項１〜６の何れか一項に記載のレーザ接合方法。
【請求項８】
第１の素材および第２の素材とが接合されてなる接合部品において、
前記第１の素材および前記第２の素材とが重ね合う領域のうち、前記第１の素材表面に溶接ビードが間欠に複数形成され、かつ、前記溶接ビードの長さは徐々に短く形成されてなること、
を特徴とする接合部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１２５８２９（Ｐ２０１２−１２５８２９Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８１５８５（Ｐ２０１０−２８１５８５）
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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