JP6238766B2

JP6238766B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP6238766B2
Application number: JP2014010970A
Authority: JP
Inventors: 厚伊藤
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: JP2015136731A

Description

本発明は、溶接装置に係り、特に複数枚の金属板の積層体からなる被接合物の接合に適した溶接装置に関するものである。

近年、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層した積層型リチウムイオン電池が使用されるようになってきている。図５（Ａ）は積層型リチウムイオン電池の積層後の状態を示す斜視図、図５（Ｂ）は電極のタブとリード端子とを接続した状態を示す斜視図である。

積層型リチウムイオン電池においては、図５（Ａ）に示すようにアルミニウム（Ａｌ）等の金属箔からなる正極電極１００と銅（Ｃｕ）等の金属箔からなる負極電極１０１とがセパレータ（不図示）を介して交互に積層されている。各正極電極１００には、リード接合用のタブ１０２が設けられており、これらのタブ１０２は、図５（Ｂ）に示すように積層され、接合部１０６において外部接続用のリード端子１０４と接合される。同様に、各負極電極１０１には、リード接合用のタブ１０３が設けられ、これらのタブ１０３は、積層され、接合部１０７において外部接続用のリード端子１０５と接合される。

従来、タブ１０２とリード端子１０４との接合およびタブ１０３とリード端子１０５との接合には、超音波溶接が用いられている。超音波溶接は、被接合物に垂直方向の圧力を加えながら、接合面に平行な超音波振動を印加して接合する方法である。しかし、超音波溶接には、溶接時の超音波振動によって電池から微小な金属粉が脱落するという問題点があった。また、電池の容量増加に伴う電極の枚数増加によりタブの枚数が増加すると、必要な溶接エネルギーが増加するので、超音波の出力を上げる必要があり、タブが破れたり切れたりする可能性があった。また、溶接エネルギーの増加により超音波機器の寿命が短くなるという問題点があった。

そこで、被接合物の破損や金属粉が生じない範囲で超音波溶接により被接合物を仮止めし、抵抗溶接により本溶接を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。
抵抗溶接は、被接合物を上下から一対の電極で挟み込み押圧しながら、電極間に電流を流して、発生するジュール熱で被接合物を溶融させて接合を行う方法である。

特許第５０９１１７１号公報

特許文献１に開示された方法によれば、超音波溶接で問題となる被接合物の破損や金属粉の発生、超音波機器の短寿命化を抑制することができる。
しかしながら、上記のようにＡｌからなる複数枚の板（Ａｌ箔）を抵抗溶接する場合、Ａｌの電気抵抗が低く、発熱し難いため、大きな面積を抵抗溶接しようとすると、大容量の溶接機が必要になるという問題点があった。また、電極に大電流を流す必要があり、高温となる電極の消耗が激しいという問題点があった。特に、一般的に用いられているＣｕ合金の電極を利用して複数枚のＡｌ箔を接合しようとすると、電極の主成分であるＣｕとＡｌとが合金化反応しＣｕ−Ａｌ合金が生成されることで電極先端が著しく消耗するため、頻繁に電極の研磨をしなければならない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数枚の板の積層体を溶接する場合でも、適切な溶接を実現することができる溶接装置を提供することを目的とする。

本発明の溶接装置は、被接合物に超音波振動を印加して前記被接合物を超音波溶接で仮止めする超音波溶接機と、前記被接合物の仮止め箇所にレーザ光を照射してレーザ溶接するレーザ溶接機と、前記被接合物を水平方向に動かすことが可能なＸＹステージと、前記超音波溶接機と前記レーザ溶接機と前記ＸＹステージとを制御し、前記超音波溶接の実行後に前記被接合物を前記レーザ溶接機のレーザ照射部の下に移動させて前記レーザ溶接を実行する制御部とを備え、前記超音波溶接機は、前記被接合物の複数箇所に超音波振動を同時に印加する超音波発振ホーンを備え、前記制御部は、前記レーザ照射部から前記被接合物の複数の仮止め箇所にレーザ光を順次照射させることを特徴とするものである。
また、本発明の溶接装置の１構成例において、前記レーザ照射部は、前記被接合物の複数の仮止め箇所にレーザ光を照射するためのガルバノスキャナを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、超音波溶接で被接合物の仮止めを行い、レーザ溶接で被接合物の本溶接を行うことにより、従来の超音波溶接で問題となる被接合物の破損や金属粉の発生、超音波溶接機の短寿命化を抑制することができ、また従来の抵抗溶接のような大容量の溶接機を用いる必要がなくなるので、複数枚の金属板の積層体からなる被接合物の適切な溶接を実現することができる。

また、本発明では、レーザ溶接を用いることにより、複数の仮止め箇所を１点ずつ順番に溶接することが可能になるので、被接合物の広い面積を溶接することができる。

また、本発明では、ガルバノスキャナを用いることで、複数の仮止め箇所へのレーザ光の照射を短時間で行うことができる。

本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における超音波溶接の動作を説明する図である。超音波溶接後の被接合物の平面図および断面図である。本発明の実施の形態におけるレーザ溶接の動作を説明する図である。積層型リチウムイオン電池の積層後の状態および電極のタブとリード端子とを接続した状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の溶接装置は、被接合物１０に超音波振動を印加する超音波発振ホーン１と、超音波発振ホーン１を上下方向に移動させることが可能で、被接合物１０を超音波発振ホーン１で押圧することが可能な上下機構２と、超音波発振ホーン１に電力を供給する電源３と、被接合物１０を水平方向に動かすことが可能なＸＹステージ４と、レーザ溶接機５と、レーザ溶接機５から光ファイバ６で伝送されたレーザ光を被接合物１０に照射するガルバノスキャナ７（レーザ照射部）と、溶接装置全体を制御する制御部８とを備えている。超音波発振ホーン１と上下機構２と電源３とは、超音波溶接機を構成している。

次に、本実施の形態の被接合物１０について説明する。被接合物１０は、Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる板状部材１１（図５（Ａ）、図５（Ｂ）のリード端子１０４，１０５）と、板状部材１１の上に配置されるＡｌ若しくはＡｌ合金からなる複数枚の板の積層体１２（図５（Ａ）、図５（Ｂ）のタブ１０２，１０３）と、積層体１２の上に配置されるＡｌ若しくはＡｌ合金からなる保護用の板状部材１３とから構成される。板状部材１１の厚さは例えば１ｍｍ程度である。積層体１２を構成する複数枚の板（Ａｌ箔）の１枚あたりの厚さは例えば１０μｍ〜１５０μｍ程度である。板状部材１３は、積層体１２の破損を防止する目的で設けられる。板状部材１３は、積層体１２と同材質であることが好ましい。板状部材１３の厚さは例えば１００μｍ程度である。

以下、溶接装置の動作を説明する。最初に、制御部８は、ＸＹステージ４を水平方向（（積層体の積層方向と垂直な方向）に移動させて被接合物１０を超音波発振ホーン１の真下の位置に移動させ、上下機構２により超音波発振ホーン１を下降させて、図２に示すように被接合物１０を上方向から加圧する。このような状態で、制御部８は、電源３から超音波発振ホーン１に電力を供給させる。これにより、超音波発振ホーン１は、超音波振動を発生する。

超音波発振ホーン１から被接合物１０に超音波振動が印加されると、被接合物１０の接合面（板同士の接合面）に発生する摩擦熱により被接合物１０が溶融する。ただし、本実施の形態では、通常の超音波溶接と比較して超音波振動のエネルギーを低くする。つまり、超音波溶接のみで被接合物１０を溶接するのに必要な超音波振動のエネルギーの累積値よりも、本実施の形態の超音波振動のエネルギーの累積値の方が低くなるように、電源３からの供給電力および電力供給時間（溶接時間）を予め設定しておく。こうして、超音波振動のエネルギーを低くすることで、被接合物１０の板同士が密着する程度の仮止めを行う。溶接装置のユーザは、予め対象となる被接合物１０を用いて溶接条件設定のための溶接試験を行い、被接合物１０の破損や金属粉が生じない範囲で、被接合物１０の板同士が密着したときの供給電力値および溶接時間を記憶部１８に予め設定しておけばよい。

なお、超音波発振ホーン１の被接合物１０と対向する先端面には、複数のリブ（突起）９が２次元的に配置されており、リブ９と被接合物１０との接触部分に振動エネルギーを集中させるようになっている。したがって、超音波溶接後の被接合物１０には、図３（Ａ）の平面図で示すように複数の仮止め箇所２０が形成されることになる。また、図３（Ｂ）の断面図で示すように、超音波溶接中の加圧と溶融により、仮止め箇所２０には窪みが生じる。

超音波溶接の終了後、制御部８は、ＸＹステージ４を移動させて被接合物１０をガルバノスキャナ７の真下の位置に移動させる。ガルバノスキャナ７は、レーザ溶接機５から光ファイバ６で伝送されたレーザ光を反射させるミラーと、このミラーを動かすモータとを備え、レーザ溶接機５からのレーザ光を所望の位置に照射できるようになっている。
制御部８は、レーザ溶接機５とガルバノスキャナ７とを制御して、図４に示すようにレーザ光を被接合物１０の複数の仮止め箇所２０に順次照射する。

レーザ光を照射することにより、仮止め箇所２０の被接合物１０が発熱して溶融し接合が得られる。被接合物１０を超音波発振ホーン１の真下の所定の位置に移動させるようにすれば、被接合物１０上での仮止め箇所２０は、超音波発振ホーン１のリブ９の配置によって決まるので、既知の位置となる。そして、被接合物１０をガルバノスキャナ７の真下の所定の位置に移動させるようにすれば、レーザ光を既知の仮止め箇所２０の位置に照射すればよく、仮止め箇所２０とレーザ光の照射位置との位置決めは、容易に実現可能である。制御部８は、レーザ溶接機５を制御して溶接条件を設定すると共に、ガルバノスキャナ７を動かしてレーザ光の照射位置を制御する。

被接合物１０の１箇所あたりのレーザ出力値およびレーザ照射時間（溶接時間）は記憶部１５に予め設定されている。溶接装置のユーザは、予め対象となる被接合物１０を用いて溶接条件設定のための溶接試験を行い、適切な溶接が得られたときのレーザ出力値および溶接時間を記憶部１５に予め設定しておけばよい。

こうして、本実施の形態では、超音波溶接で被接合物１０の仮止めを行い、レーザ溶接で被接合物１０の本溶接を行う。本実施の形態では、超音波振動のエネルギーを低くすることにより、超音波溶接で問題となる被接合物１０の破損や金属粉の発生、超音波発振ホーン１の短寿命化を抑制することができる。また、レーザ溶接を用いることにより、複数の仮止め箇所２０を１点ずつ順番に溶接することが可能になるので、被接合物１０の広い面積を溶接することができ、抵抗溶接の場合のような大容量の溶接機が不要となる。また、本実施の形態では、ガルバノスキャナ７を用いることで、複数の仮止め箇所２０へのレーザ光の照射を短時間で行うことができる。

本実施の形態の制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、複数枚の金属板の積層体を接合する技術に適用することができる。

１…超音波発振ホーン、２…上下機構、３…電源、４…ＸＹステージ、５…レーザ溶接機、６…光ファイバ、７…ガルバノスキャナ、８…制御部、９…リブ、１０…被接合物、１１，１３…板状部材、１２…積層体、１５…記憶部、２０…仮止め箇所。

Claims

被接合物に超音波振動を印加して前記被接合物を超音波溶接で仮止めする超音波溶接機と、
前記被接合物の仮止め箇所にレーザ光を照射してレーザ溶接するレーザ溶接機と、
前記被接合物を水平方向に動かすことが可能なＸＹステージと、
前記超音波溶接機と前記レーザ溶接機と前記ＸＹステージとを制御し、前記超音波溶接の実行後に前記被接合物を前記レーザ溶接機のレーザ照射部の下に移動させて前記レーザ溶接を実行する制御部とを備え、
前記超音波溶接機は、前記被接合物の複数箇所に超音波振動を同時に印加する超音波発振ホーンを備え、
前記制御部は、前記レーザ照射部から前記被接合物の複数の仮止め箇所にレーザ光を順次照射させることを特徴とする溶接装置。
請求項１記載の溶接装置において、
前記レーザ照射部は、前記被接合物の複数の仮止め箇所にレーザ光を照射するためのガルバノスキャナを備えることを特徴とする溶接装置。