JP7362915B2 - ワークピース部分の角継手のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピース部分の角継手のレーザ溶接方法に関する。

ワークピース部分を接続するレーザ溶接方法が従来技術から既知である。

（特許文献１）には、ビームプロファイルを有するレーザビームを生成するレーザ源を備えた、電池等の電子装置の生産で使用されるレーザ溶接システムが開示されている。ビームプロファイルを変更するために、レーザ溶接システムは、ビーム整形手段、例えばレーザビームを回折させる光学要素と、レーザビームの少なくとも一部をシールドできるようにするシールド構成要素とを備える。標的とするビーム整形は、溶接に必要とされるレーザビームの電力、及び望ましくない悪影響を低下させることを意図する。

（特許文献２）には、レーザビームのプロファイルを変更する方法が開示されている。レーザビームは、多層クラッドファイバの一方のファイバ一端部に結合され、多層クラッドファイバのもう一方の端部から分離される。このプロセスでは、入射レーザビームは少なくとも、多層クラッドファイバの内側ファイバコア及び／又は多疎クラッドファイバの外側リングコアに結合される。これは、結合される前のレーザビームと比較して、分離された後のレーザビームのプロファイルを変更させる。

ワークピースの角継手を一緒に溶接するのに従来使用されてきた方法により、ワークピースの角継手を一緒に溶接する場合、例えば孔の形態の不安定性がワークピースに生じ得、溶融材料のスパッタを排出し得る。

米国特許出願公開第２０１７／０３３４０２１ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１０ ００３ ７５０ Ａ１号明細書

本発明は、電池筐体に特に有価値であるように、溶融金属のスパッタを生み出すことなくワークピース部分の角継手を特に安定して形成するレーザ溶接方法を提供するという目的に基づく。

この目的は、ワークピースのレーザ溶接の方法によって達成され、この方法では、突付け継ぎ溶接が、溶接レーザビームによってワークピースの２つのワークピース部分の角継手における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続がワークピース部分間に作成され、溶接レーザビームを生成するために、出力レーザビームが多層クラッドファイバ、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部に供給され、多層クラッドファイバは、少なくともコアファイバと、コアファイバを囲むリングファイバとを備え、出力レーザビームのレーザ電力出力の第１の部分ＬＫがコアファイバに供給され、出力レーザビームのレーザ電力出力の第２の部分ＬＲがリングファイバに供給され、多層クラッドファイバの第２の端部が、ワークピース上で再現され、ワークピースは深溶け込み溶接によってレーザ溶接される。

本発明による溶接方法、特にワークピースジオメトリ、ワークピース材料、レーザビームにおけるビーム整形、及び手順の本発明による組合せは、スパッタの低減と組み合わせた特に安定した溶接接続を生じさせる。突付け継ぎ溶接の形態の溶接は、小さな切欠き効果及び溶接を通る力の流れが妨げられないことによって区別される。これにより、突付け継ぎ溶接の安定性は高くなる。材料としてのアルミニウムは、高い強度及び耐久性と共に比較的軽い重量を有し、したがってその結果として、溶接された接続の安定性も高くなる。深溶け込み溶接は、特に深い溶接を得る。多層クラッドファイバから出るレーザビームは、コアファイバによって発せられるコアビームと、リングファイバによって発せられるリングビームとを有するビーム断面を有する。これは、アルミニウム材料の突付け継ぎ溶接を深溶け込み溶接を行うとき、スパッタの形成を最小に抑える。更に、平滑な溶接上部ビード及び高い機密性を有する溶接が作成され、これは電池筐体の製造によく適していることが証明されている。

角継手において、特に２つのワークピース部分は，ある角度で、好ましくは直角で、又は７５°～１０５°という概ね直角でそれらの端部によって互いに対して圧接される。角継手に突付け継ぎ溶接がある場合、ワークピース部分は特に、第１のワークピース部分の長軸が第２のワークピース部分の一端部を通り、突付け継ぎ溶接が第１のワークピース部分の全幅にわたって横方向に、特に長軸に垂直に延びるように配置される。

ワークピース部分の当接エリアは特に、溶接レーザビームのビーム方向（ビーム伝播方向）に平行又は略平行する。特に、ワークピース部分の当接エリアは、レーザビームのビーム方向に関して最大角度１５°～－１５°、好ましくは５°～－５°に位置合わせされる。典型的には、ワークピース部分の１つは、当接エリアから離れるように垂直に延び、ワークピース部分の１つは当接エリアに平行に延びる。ワークピースへの溶接レーザビームの入口側において、ワークピース部分は典型的にはビーム方向と一直線上に並ぶ。ワークピース部分は実質的にはアルミニウムからなり、例えば電気絶縁目的でプラスチック被覆を備え得る。

本発明による溶接方法の場合、深溶け込み溶接モードでは、比較的高い電力出力密度を有するユーザが使用され、それにより、溶接中、レーザは蒸気を生成する。蒸気は、溶接中に生じる溶融物を変位させる。これは、蒸気が充填された深い穴、即ち蒸気毛管を形成する。溶融した金属は蒸気毛管の周囲を流れ、後側で固化する。

レーザビームの生成に多層クラッドファイバを用いないレーザ溶接の過程では、多くの場合、過度の圧力がワークピースの蒸気毛管に蓄積し、それにより蒸気毛管の隆起が生じる。これらの隆起はサイズを増大させ、爆発的に開き、溶融物はスパッタの形態で放出される。レーザビームに面する蒸気毛管の側での溶融金属の変動も多くの場合、溶融金属のスパッタを生じさせる。溶融金属が流れるのを妨げ、ひいてはスパッタの発生を助長する鋭い縁部が、蒸気毛管内に形成され得る。隆起は更に、ワークピースに孔を生じさせ得る。

ビーム整形を目的として本発明により使用される多層クラッドファイバは少なくとも、コアファイバ（固体プロファイルファイバ）と、コアファイバを囲むリングファイバ（中空プロファイルファイバ）とを有する。リングファイバは特に、溝を有する周縁が閉じられたファイバの形態である。コアファイバ及びリングファイバは、任意の所望の断面プロファイル、例えば正方形の断面プロファイルを有し得る。コアファイバ及びリングファイバは好ましくは、円形又は円形リングの形状の断面を有する。多層クラッドファイバは好ましくは、コアファイバ及びリングファイバを有する２ｉｎ１ファイバの形態である。多層クラッドファイバから出るレーザビームは、コアファイバによって発せられるコアビームと、リングファイバから発せられるリングビームとを有するビーム断面を有する。コアビーム及びリングビームの強度は、供給される出力レーザビームのレーザ電力出力の第１の部分ＬＫ及び第２の部分ＬＲによってそれぞれ決まる。

溶接レーザビームのビームプロファイルは、蒸気毛管の現れ及び溶接プールダイナミクスが影響を受けるよう、決定されたコア強度との決定されたリング強度の相互作用がワークピースへのエネルギーの結合を変更するように、出力レーザビームと比較して変更される。このようにして、非常に高い進行率及び溶接上部ビード品質を有するビーム整形、特に低スパッタ深溶け込み溶接を用いた溶接が、熱伝導溶接の場合のように可能になる。

リングビームは特に、レーザビームによって照射されるワークピースの側での蒸気毛管の開口部が増大され、蒸気毛管からのガスの出現が促進されるという効果を有し得る。したがって、リング強度は蒸気毛管の上部を更に開き、その結果、金属蒸気は、妨げられることなく又は略妨げられることなく流れることができる。これは、蒸気毛管内の隆起の形成及びスパッタの生成を大方抑制する。蒸気毛管内のガス圧及び溶接プールへの対応する作用は低下するため、スパッタの形成は最小に抑えられる。リングビームは、上からのパルスを溶接プールに更に伝達し（レーザビームの伝播方向に）、パルスの方向は、蒸気毛管の後側の溶融材料の加速と逆行し、その結果としてまた、スパッタの形成が低減する。スパッタの生成に有利に働く変動は、リングビームによって抑制される。溶接における熱伝導は、溶接を更に膨張させる。平滑な溶接上部ビード（熱伝導溶接と同等）及び高機密性を有する溶接が作成される。

高速記録により、本発明者らは、本発明において、従来技術（本発明によるビーム整形を用いない）と比較して最大で９０％のスパッタの形成低減を達成することが可能なことを観測した。本発明者らは、従来技術（概ね４ｍ／分）よりも７．５倍（概ね３０ｍ／分）高速の進行速度でのスパッタ形成のこの大きな低減を更に観測した。本発明者らは、本発明による技術の使用が、他の溶接方法を使用して溶接された溶接の場合よりもはるかに平滑な溶接上部ビードを達成することができることも確立した。

本発明による方法は、角継手における突付け継ぎ溶接の使用、多層クラッドファイバとのアルミニウム及び深溶け込み溶接の使用により、短絡のリスクが低く、高い機密性を有する電池筐体の安定した角継手の生成に適する。

発明の好ましい実施形態
本発明による方法の好ましい実施形態では、コアファイバのレーザ電力出力の第１の部分ＬＫ及びリングファイバのレーザ電力出力の第２の部分ＬＲは、０．１５≦ＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）≦０．５０であり、好ましくは０．２５≦ＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）≦０．４５であり、特に好ましくはＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）＝０．３５であるように選択される。

コアファイバ及びリングファイバのレーザ電力出力のこれらの各割合は、スパッタの回避と組み合わせて大きな溶け込み深さで溶接プロセスを行わせ、電池筐体の製造に特に適することが証明されている。コアファイバのレーザ電力出力の割合のほうが低い場合、リングファイバのレーザ電力出力の割合が優勢となり、その結果、レーザ溶接プロセスはここでも、均質ファイバを使用したレーザ溶接の場合と同等である。これは、先に指定したコアファイバのレーザ電力出力の割合のほうが大きい場合にも当てはまり、コアファイバのレーザ電力出力の有合がリングファイバの割合と比較して優勢であることが該当する。

レーザ溶接が進行速度ｖで行われ、ｖ≧７ｍ／分であり、特にｖ≧１０ｍ／分であり、好ましくはｖ≧２０ｍ／分であり、特に好ましくはｖ≧３０ｍ／分である一実施形態が好ましい。本発明では、これらの進行速度は、継手における典型的なワークピース厚（ビーム方向においてより小さいワークピース部分の）０．５ｍｍ～２ｍｍと共に典型的なレーザ電力出力２～６ｋＷ、波長１０３０ｎｍの場合、低スパッタで容易に実現することができる。

更に好ましいのは、多層クラッドファイバの第２の端部は、拡大係数ＶＦによって拡大されてワークピース上で再現され、ＶＦ＞１．０であり、特にＶＦ≧１．５であり、好ましくはＶＦ≧２．０である一実施形態である。そのような拡大を用いると、比較的小さな発散角のレーザビームを得ることが可能であり、ワークピースにおけるレーザビームの反射が最小化される。小さな発散角により、絶縁材料の燃焼をよりよく回避することが可能になる。溶接プロセスは、ワークピースの表面からの溶接レーザビームの焦点の距離に関してより大きな許容差でもって実行することができる。

同様に好ましいのは、出力レーザビームが固体状態レーザ、特にディスクレーザによって生成される一実施形態である。固体状態レーザは費用効率的であり、実用において本発明にとって好結果であることが証明されている。ディスクレーザは、動作中、レーザ結晶を冷却するのに可能な良好な方法によって区別され、これはレーザビームの合焦可能性にプラスの効果を有する。

また好ましいのは、多層クラッドファイバが、コアファイバの直径ＤＫ及びリングファイバの直径ＤＲについて、以下：２．５≦ＤＲ／ＤＫ≦６、好ましくは３≦ＤＲ／ＤＫ≦５が該当するように選択される一実施形態である。典型的には、コアファイバの場合、５０μｍ≦ＤＫ≦２５０μｍ又は１００μｍ≦ＤＫ≦２００μｍが該当する。典型的には、リングファイバの場合、１００μｍ≦ＤＲ≦１０００μｍ、又は１５０μｍ≦ＤＫ≦９００μｍ、又は１５０μｍ≦ＤＲ≦５００μｍであることが更に該当する。これらの直径比率を用いると、比較的短い処理時間で溶接プロセスを実行することが可能である。

更に有利なのは、ビーム伝播方向に焦点を有する溶接レーザビームが、ワークピースの表面に関して最大高さオフセットＭＨＯを有し、｜ＭＨＯ｜≦１．５ｍｍであり、好ましくは｜ＭＨＯ｜≦１．０ｍｍであり、特に好ましくは｜ＭＨＯ｜≦０．５ｍｍである一実施形態である。この範囲の高さオフセット内では、強度分布の局所環状最小がコアビームとリングビームとの間で現れる。特に、これは、溶接プロセス中のスパッタの回避にプラスの効果を有する。

同様に有利なのは、溶接レーザビームが、ワークピース部分の当接エリアに関してワークピース上に最大側方オフセットＭＬＯを有し、｜ＭＬＯ｜≦０．２ｍｍであり、好ましくは｜ＭＬＯ｜≦０．１ｍｍである一実施形態である。この範囲内の側方オフセットＭＬＯでは、溶接プロセス中、結果として生成される角にわたって特に丸い比較的平滑な溶接上部ビードが得られる。

ワークピース部分が、レーザ溶接中、それらの表面上で互いに把持され、ワークピース部分間に最大ギャップ幅ＭＳが維持され、ＭＳ≦０．１ｍｍである一実施形態が有利である。これらのギャップ幅では、溶接中、孔の数が少ない均質な分布の溶接材料が作成される。

更に好ましいのは、溶接レーザビームのビーム伝播方向における角継手おけるワークピース部分が、互いに一直線上に配置又は段差高さＳＨを有する段差がある状態で配置され、
ＳＨ≦０．３ｍｍであり、
好ましくはＳＨ≦０．２ｍｍであり、
特に好ましくはＳＨ≦０．１ｍｍである一変形である。そのような最大段差高さは、溶接を良好な品質で製造できるようにする。

本発明は、ワークピース部分が電池筐体の部分であり、特にワークピース部分の１つが、電池筐体を閉じるキャップである、電池筐体を製造するため先の実施形態の１つによる方法の使用も含む。電池筐体の部分は、スパッタなしで特に安定して素早く本方法によって接続することができる。製造された筐体は高信頼的に隙間がなく、特に気密である。

本発明の更なる利点が説明及び図面から現れるであろう。同様に、上述した特徴及びなお更に提示すべき特徴は、いずれの場合にも、個別に又は本発明による任意の所望の組合せで併用することができる。図示し説明する実施形態は、網羅的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明を概説するための例示的な特徴を有する。

本発明は、例示的な実施形態に基づいて更に詳細に提示され、図面に示される。

本発明による第１の角継手の溶接状況及び角継手を溶接するレーザビームの概略図を示す。 本発明による第２の角継手の溶接状況及び角継手を溶接するレーザビームの概略図を示す。 本発明による溶接状況におけるギャップを有する角形配置での第１及び第２のワークピース部分の概略図を示す。 第１及び第２のワークピース部分が角形配置にあり、レーザビームはワークピース部分の当接エリアに関してワークピース部分の表面に沿ってオフセットされる、本発明による溶接状況の概略図を示す。 第１及び第２のワークピース部分が角形配置にあり、レーザビームの焦点がワークピース部分の表面から離間された、本発明による溶接状況の概略図を示す。 第１及び第２のワークピース部分が角形配置にあり、ワークピース部分が段差を形成する、本発明による溶接状況の概略図を示す。 本発明の多層クラッドファイバによってレーザビームを生成する装置を示す。 本発明のレーザビームの伝播方向を横断する方向における、図２に示す多層クラッドファイバから分離されるレーザビームの概略強度プロファイルを示す。 レーザビームの伝播方向を横断する、図３ａの多層クラッドファイバから分離されるレーザビームの面断面を示す概略的に示す。 レーザビームが多層クラッドファイバから分離される、本発明による溶接方法中の溶接プール及び蒸気毛管の概略図を示す。 シングルコアファイバから分離されたレーザビームによって作成された溶接の領域における角継手で溶接されたワークピースを通る断面図を示す。 多層クラッドファイバから分離されたレーザビームによって作成された溶接の領域における角継手で溶接されたワークピースを通る断面図を示す。

本発明は、典型的には電池筐体（「缶蓋」として知られているもの）に存在するような継手状況である、アルミニウム接続を用いた角継手における突付け継ぎ溶接の作成に関する。電池筐体がレーザ溶接される際、溶接プロセス中に必要とされる高進行速度により、溶接スパッタ及び非均一な溶接上部ビードが生成されることが多くあり得る。本発明は、多層クラッドファイバによって作成されたビームプロファイルを提供し、溶接を平滑化し、スパッタの形成を最小に抑え、この結果として、短絡のリスクを下げるとともに、封止性を高める。その結果として、従来技術と比較して進行速度での生産に関する、信頼性の高い増大が明らかに可能である。

図１ａは、第１のワークピース部分３ａ及び第２のワークピース部分３ｂを備えた第１の角継手２ａを有するワークピース１を示す。この場合における第１のワークピース部分３ａは、第２のワークピース部分３ｂの幅Ｂ_２よりも大きい幅Ｂ_１を有する。ワークピース部分３ａ、３ｂは、直角内角４によって圧接される。第１のワークピース部分３ａの鈍端部５ａは、第２のワークピース部分３ｂの一端部６ａに配置される。第１のワークピース部分３ａの長軸７ａの延長部は、第２のワークピース部分３ｂの端部６ａを通る。突付け継ぎ溶接８の形態の溶接を作成するために、ワークピース１の表面９は、ワークピース３ａ、３ｂが互いに圧接される当接エリア１０において溶接レーザビーム１１によって照射される。溶接レーザビーム１１は、多層クラッドファイバ（図２参照）から分離される。ワークピース部分３ａ、３ｂの当接エリア１０は、溶接レーザビーム１１のビーム伝播方向１２に平行する。第１の（より幅の広い）ワークピース部分３ａは、当接エリア１０から離れて垂直に延び、第２の（より幅の狭い）ワークピース部分３ｂは当接エリア１０に平行して延びる。ワークピース１への溶接レーザビーム１１の入口側において、ワークピース３ａ、３ｂはビーム伝播方向１２に関して一直線上にある。溶接レーザビーム１１は、ワークピース１の直角内角４から離れて面する２つのワークピース３ａ、３ｂを含むワークピース１の側から照射される。ワークピース３ａ、３ｂはそれぞれ、アルミニウム含有材料、特にアルミニウム３００３から製造され、典型的には０．５ｍｍ～２．０ｍｍの幅Ｂ_１、Ｂ_２を有する。ワークピース３ａ、３ｂの配置は特に、電池筐体の角継手の概略表現をなす。

図１ｂに示す溶接状況は、図１ａに示す溶接状況と同様である。図１ａからの配置とは対照的に、第２の（より幅の狭い）ワークピース部分３ｂは当接エリア１０から離れて垂直に延び、第１の（幅のより広い）ワークピース部分３ａは当接エリア１０に平行して延びる。より薄い第２のワークピース部分３ｂは特に、より厚い第１のワークピース部分３ａに垂直に延びる。より薄い第２のワークピース部分３ｂは特に、より厚い第１のワークピース部分３ａの側面に溶接される。第２のワークピース部分３ｂの長軸７ｂの延長部は、第１のワークピース部分３ａの端部５ｂを通る。

図１ｃは、溶接レーザビーム１１と共に、ワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）間に最大ギャップ幅ＭＳ０．１ｍｍを有して配置された、本発明による溶接状況において角形に配置される第１及び第２のワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の概略図を例として示す。ギャップ幅ＭＳ及び溶接レーザビーム１１のビーム発散が大きく誇張されている（それに対応して同じことが他の図でも言える）ことに留意されたい。

図１ｄは、角形配置での第１及び第２のワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の概略図を例として示し、溶接レーザビーム１１は、ワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の当接エリア１０に関してワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の表面に沿ってオフセットされる。溶接レーザビーム１１は特に、ワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の当接エリア１０に関して最大側方オフセットＭＬＯ０．２ｍｍを有する。

図１ｅは、角形配置での第１及び第２のワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の概略図を例として示し、溶接レーザビーム１１の焦点Ｆはワークピース部分３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）の表面から上方に離間される。ワークピース３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ）を一緒に溶接する溶接レーザビーム１１の焦点Ｆは特に、ワークピースの表面に関して最大高さオフセットＭＨＯ１．５ｍｍを有する。高さオフセットＭＨＯが、焦点Ｆがワークピースの表面の下方にあるようにセットアップされてもよい（これ以上詳細に説明せず）ことに留意されたい。

図１ｆは、接合許容差の結果として電池筐体を溶接する際に頻繁に生じる、本発明の溶接状況の概略図を例として示す。第１のワークピース部分３ａは、この場合、垂直に位置合わせされ、ベース３９上に座し、電池筐体の缶又は缶の一部によって形成される。この缶は蓋によって閉じられるべきである。第２のワークピース部分３ｂは、この缶又はその一部を形成する。ワークピース部分３ａ、３ｂは、その当接エリア１０において気密的に互いに溶接されるべきである。

溶接レーザビーム１１が伝播する垂直（この場合では）ビーム伝播方向１２の方向において、ワークピース部分３ａ、３ｂはこの倍、わずかにオフセットして配置され、それに対応して、段差４０が当接エリア１０に隣接して形成される。方向Ｒにおける段差４０の段差高さＳＨは典型的には、多くとも０．３ｍｍ、好ましくは多くとも０．１ｍｍである。

溶接レーザビーム１１の焦点Ｆは典型的には、この場合では高さオフセットなしでベース３９上に立っている第１のワークピース部分３ａの、入射溶接レーザビーム１１に面する表面４１の縁部に向けられる。焦点Ｆはここでは、溶接レーザビーム１１の側方境界線の狭窄によって見ることができる。

図２は、本発明での、多層クラッドファイバ１８によって溶接レーザビーム１１を生成するレーザ系１７を示す。出力レーザビーム１９は、多層クラッドファイバ１８の第１のファイバ端部２０ａに結合され、多層クラッドファイバ１８は径方向において、異なる屈折率ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４を有する層２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを有する。更に、溶接レーザビーム１１は、多層クラッドファイバ１８の第２の端部２０ｂから分離される。射出される溶接レーザビーム１１のビームプロファイルは、この場合、光学ウェッジ２４ａとして構成された偏向光学ユニット２４により、少なくとも、異なる電力出力割合ＬＫ、ＬＲを有する多層クラッドファイバ１８の、直径ＤＫを有する内側コアファイバ２５及び多層クラッドファイバ１８の、直径ＤＲを有する外側リングファイバ２６に出力レーザビーム１９を結合することによって変更される。この場合、光学ウェッジ２４ａの本発明で意図される中心位置において、出力レーザビーム１９のビーム割合ＳｔｒＡ_１は光学ウェッジ２４ａによって偏向され、層２１ｃに供給され、一方、出力レーザビーム１９の第２のビーム割合ＳｔｒＡ_２は、まだ歪まずに、出力レーザビーム１９のビーム方向に関して光学ウェッジ２４ａの上流に直線で伝播し、層２１ａに供給される。示される実施形態では、多層クラッドファイバ１８は、内側コアファイバ２５及び外側リングファイバ２６を有する２ｉｎ１ファイバの形態である。内側コアファイバ２５は特に、層２１ａによって形成され、リングファイバ２６は特に層２１ｃによって形成される。外層２１ｂ、２１ｄは、ビーム割合ＳｔｒＡ_１、ＳｔｒＡ_２が内側コアファイバ２５と外側リングファイバ２６との間を透過しないようにするために、ライニングとして機能する。特に、層２１ａの屈折率ｎ_１及び層２１ｃの屈折率ｎ_３は、層２１ｂの屈折率ｎ_２及び層２１ｄの屈折率ｎ_４よりも大きい。多層クラッドファイバ１８の第２の端部２０ｂは、特に２．０よりも大きい拡大係数ＶＦでワークピース（図１ａ参照）上で再現され拡大される（これ以上詳細に示さない）。

図３ａは、ワークピースの表面９（図１ａ参照）に関して１．５ｍｍである好ましい最大高さオフセットＭＨＯ内に焦点を有するワークピース（図１ｃ参照）の表面９に近い溶接レーザビーム１１の伝播方向を横断する方向ｘにおいて多層クラッドファイバ１８（例えば図２参照）から分離される溶接レーザビーム１１の強度２７のプロファイルを示す。リングビーム２８、即ちリングファイバ２６（図２参照）からのレーザビームの強度２７ａは、この場合、コアビーム２９、即ちコアファイバ２５（図２参照）からのレーザビームの方向において降下し、且つコアビーム２９から離れる径方向において外側に降下する。それらの間では、リングビーム２８の強度２７ａは概ね一定である。コアビーム２９の強度２７ｂは、リングビーム２８の強度よりも高い。したがって、リングビーム２８とコアビーム２９との間には強度２７の極小２７ｃがある。

図３ｂは、リングビーム２８、コアビーム２９、及びリングビーム２８とコアビーム２９との間の強度２７ｃの極小と共に、１．５ｍｍのワークピースの表面に関する好ましい最大高さオフセットＭＨＯ内でワークピースの表面に近い溶接レーザビーム１１の伝播方向を横断する図３ａの多層クラッドファイバ１８から分離される溶接レーザビーム１１の面断面を概略的に示す。リングビーム２８及びコアビーム２９のプロファイルは各々、異なる形状を有することもでき、例えば四辺形であることもできる。コアビーム２９による強度の統合は、コアビーム２９のビーム電力出力を生じさせ、これは特に、溶接レーザビーム１１の全体電力出力の２５％～５０％である。

図４は、溶接プールと、本発明による溶接方法中、多層クラッドファイバ（図３参照）から分離されたレーザビームにより内部に配置される蒸気毛管３０との概略図を示す。コアビーム２９は、蒸気毛管３０の深さ３１を実質的に決める。溶融物は蒸気毛管３０の前面において溶接レーザビーム１１の進行方向３３ｂに関して下方に蒸気毛管３０の底に向かって流れる。蒸気毛管３０の後側において、溶融物は上方に流れてから、溶接レーザビーム１１から離れて後方に流れる。リングビーム２８は蒸気毛管３０の開口部３２を広げ、蒸気毛管３０からのガスの出現を促進する。溶接方法中に生成されたガスの動的圧力、ひいてはガス粒子によって溶融物に伝達される各パルスは低下する。これは溶融物中の流速を低下させる。溶接方法中に排出される溶融物のスパッタはより少ない。更に、リングビーム２８はパルスによって溶融物に対して作用し、パルスは、蒸気毛管３０の表面に向かって溶融物が流れる方向とは逆に向けられ、同様にスパッタの排出を弱める。溶融材料が流れる方向３３ａは、非実線矢印で概略的に示される。蒸気毛管３０内のガス流は矢印３３ｃで記されている。

図５ａは、シングルコアファイバから分離されたレーザビームによって作成された突付け継ぎ溶接８ａを用いて溶接されたワークピース１ａを通る断面図を示す。溶接８ａの幅３４ａ及び深さ３１ａは棒線で示される。溶接８ａは、１．２２ｍｍである溶接８ａの奥行き３１ａと共に１．４１ｍｍである比較的小さな幅３４ａ（図５ｂ参照）を有する。溶接を作成した蒸気毛管は対応する比較的小さな幅を有し、その結果、レーザ溶接中に生じたガスは、蒸気毛管から比較的ゆっくりとしか出ることしかできない。ビームプロファイルによって形成された縁部３５は、溶融材料がレーザビームから離れて更に外側に流れるのを難しくする。溶接中に生成された過度の圧力は、溶接８ａの一部である蒸気毛管の隆起を形成し、スパッタが排出される。溶接８ａは更に、比較的高い程度のハンピングを有する。

図５ｂは、多層クラッドファイバ（図２参照）から分離されたレーザビームから作成された突付け継ぎ溶接８ｂを用いて溶接されたワークピース１ｂを通る断面図を示す。溶接８ｂは、１．３４ｍｍである溶接８ｂの奥行き３１ｂと共に、図５ａに示す溶接８ａよりも大きな、１．５６ｍｍの幅３４ｂを有する。溶接を作成した蒸気毛管はそれに対応してより大きな幅を有し、その結果、レーザ溶融中に生じたガスは、蒸気毛管から比較的容易に出ることができる。これは、溶接８ｂの一部である蒸気毛管内の過度の圧力を回避し、スパッタを抑制する。溶接８ｂは更に、比較的低い程度のハンピングを有する。

１、１ａ、１ｂ ワークピース
２ａ 第１の角継手
３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ） ワークピース部分
４ 直角内角
５ａ 鈍端部
５ｂ、６ａ 端部
７ａ、７ｂ 長軸
８、８ａ、８ｂ 突付け継ぎ溶接
９、４１ 表面
１０ 当接エリア
１１ 溶接レーザビーム
１２ ビーム伝播方向
１７ レーザシステム
１８ 多層クラッドファイバ
１９ 出力レーザビーム
２０ａ、２０ｂ ファイバ端部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 層
２４ 偏向光学ユニット
２４ａ 光学ウェッジ
２５ 内側コアファイバ
２６ 外側リングファイバ
２７、２７ａ、２７ｂ 強度
２７ｃ 極小
２８ リングビーム
２９ コアビーム
３０ 蒸気毛管
３１、３１ａ、３１ｂ 奥行き
３２ 開口部
３３ａ 流れる方向
３３ｂ 進行方向
３３ｃ 矢印
３４ａ、３４ｂ、Ｂ_１、Ｂ_２ 幅
３５ 縁部
３９ ベース
４０ 段差
ＤＫ、ＤＲ 直径
Ｆ 焦点
ＬＫ、ＬＲ 電力出力割合
ＭＨＯ 最大高さオフセット
ＭＬＯ 最大側方オフセット
ＭＳ 最大ギャップ幅
ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４ 屈折率
Ｒ 方向
ＳＨ 段差高さ
ＳｔｒＡ_１、ＳｔｒＡ_２ ビーム割合
ＶＦ 拡大係数

Claims (10)

1. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記コアファイバ（２５）の前記レーザ電力出力の前記第１の部分ＬＫ及び前記リングファイバ（２６）の前記レーザ電力出力の前記第２の部分ＬＲは、
   ０．１５≦ＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）≦０．５０であり、
   好ましくは０．２５≦ＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）≦０．４５であり、
   特に好ましくはＬＫ／（ＬＫ＋ＬＲ）＝０．３５
   であるように選択される、方法。
2. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記レーザ溶接は、進行速度ｖで行われ、
   ｖ≧７ｍ／分であり、
   特にｖ≧１０ｍ／分であり、
   好ましくはｖ≧２０ｍ／分であり、
   特に好ましくはｖ≧３０ｍ／分である、方法。
3. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の前記第２の端部（２０ｂ）は、拡大係数ＶＦによって拡大されて前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、ＶＦ＞１．０であり、
   特にＶＦ≧１．５であり、
   好ましくはＶＦ≧２．０である、方法。
4. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、前記コアファイバ（２５）の直径ＤＫ及び前記リングファイバ（２６）の直径ＤＲについて、以下：
   ２．５≦ＤＲ／ＤＫ≦６、
   好ましくは３≦ＤＲ／ＤＫ≦５
   が該当するように選択される、方法。
5. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   ビーム伝播方向（１２）に焦点を有する前記溶接レーザビーム（１１）は、前記ワークピース（１、１ｂ）の表面に関して最大高さオフセットＭＨＯを有し、
   ｜ＭＨＯ｜≦１．５ｍｍであり、
   好ましくは｜ＭＨＯ｜≦１．０ｍｍであり、
   特に好ましくは｜ＭＨＯ｜≦０．５ｍｍである、方法。
6. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記溶接レーザビーム（１１）は、前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））の当接エリア（１０）に関して前記ワークピース（１、１ｂ）上に最大側方オフセットＭＬＯを有し、
   ｜ＭＬＯ｜≦０．２ｍｍであり、
   好ましくは｜ＭＬＯ｜≦０．１ｍｍである、方法。
7. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））は、前記レーザ溶接中、それらの表面上で互いに把持され、前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））間に最大ギャップ幅ＭＳが維持され、
   ＭＳ≦０．１ｍｍである、方法。
8. ワークピース（１、１ｂ）のレーザ溶接の方法であって、
   突付け継ぎ溶接（８、８ｂ）が、溶接レーザビーム（１１）によって前記ワークピース（１、１ｂ）の２つのワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）の角継手（２ａ、２ｂ）における溶接により作成され、その結果、アルミニウム接続が前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ ^（Ｉ） 、３ｂ ^（Ｉ） ）間に作成され、
   前記溶接レーザビーム（１１）を生成するために、出力レーザビーム（１９）が多層クラッドファイバ（１８）、特に２ｉｎ１ファイバの第１の端部（２０ａ）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）は、少なくともコアファイバ（２５）と、前記コアファイバ（２５）を囲むリングファイバ（２６）とを備え、
   前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第１の部分ＬＫが前記コアファイバ（２５）に供給され、前記出力レーザビーム（１９）のレーザ電力出力の第２の部分ＬＲが前記リングファイバ（２６）に供給され、
   前記多層クラッドファイバ（１８）の第２の端部（２０ｂ）が、前記ワークピース（１、１ｂ）上で再現され、
   前記ワークピース（１、１ｂ）は深溶け込み溶接によってレーザ溶接され、
   前記溶接レーザビーム（１１）のビーム伝播方向（１２）における前記角継手（２ａ、２ｂ）における前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））は、互いに一直線上に配置又は段差高さＳＨを有する段差（４０）がある状態で配置され、
   ＳＨ≦０．３ｍｍであり、
   好ましくはＳＨ≦０．２ｍｍであり、
   特に好ましくはＳＨ≦０．１ｍｍである、方法。
9. 前記出力レーザビーム（１９）は、固体状態レーザ、特にディスクレーザによって生成される、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））は電池筐体の部分であり、
    特に前記ワークピース部分（３ａ、３ｂ、３ａ^（Ｉ）、３ｂ^（Ｉ））の１つは、前記電池筐体を閉じるキャップである、
    前記電池筐体を製造するための請求項１～９のいずれか一項に記載の方法の使用。

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