特開 2022-173611 レーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022173611

(43)【公開日】2022-11-22

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュール

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20221115BHJP

   H01M 50/507 20210101ALI20221115BHJP

   H01M 50/519 20210101ALI20221115BHJP

   H01M 50/569 20210101ALI20221115BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 G

B23K26/21 N

H01M50/507

H01M50/519

H01M50/569

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021079413

(22)【出願日】2021-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001771

【氏名又は名称】弁理士法人虎ノ門知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】松永 雄太

(72)【発明者】

【氏名】大平 雄貴

【テーマコード（参考）】

4E168

5H043

【Ｆターム（参考）】

4E168BA02

4E168BA29

4E168BA87

4E168BA88

4E168CB03

4E168DA43

5H043AA13

5H043AA19

5H043CA05

5H043CA21

5H043FA04

5H043FA37

5H043FA40

5H043HA13F

5H043HA17F

5H043JA06F

5H043JA13F

5H043KA01F

5H043LA22F

(57)【要約】

【課題】レーザ溶接による接合部の溶接不具合を抑制することができるレーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュールを提供する。
【解決手段】レーザ溶接方法は、バスバ２と中間部材６を重ね合わせた状態において、中間部材６の表面にレーザ光を照射して、バスバ２及び中間部材６を接合するレーザ溶接方法において、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から、溶接中間点２１までＣ字状にレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１を形成する第１溶接工程と、溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２までレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２を形成する第２溶接工程とを備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の第１及び第２被溶接部材を重ね合わせた状態において、いずれか一方の前記被溶接部材の表面にレーザ光を照射して、前記第１及び前記第２被溶接部材を接合するレーザ溶接方法において、
前記被溶接部材の表面と直交する方向から見て、溶接始点から、溶接中間点までＣ字状に前記レーザ光を移動させて第一溶接線を形成する第１溶接工程と、
前記溶接中間点から、前記溶接始点及び前記溶接中間点よりも前記第一溶接線の内側に形成される溶接領域内に位置する溶接終点まで前記レーザ光を移動させて前記第一溶接線に連続する第二溶接線を形成する第２溶接工程と、を備える
ことを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項2】

前記第２溶接工程は、
前記溶接領域内のうち、前記溶接中間点側よりも前記溶接始点側に位置する前記溶接終点まで前記レーザ光を移動させて前記第二溶接線を形成する
請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項3】

板状であり、導電性を有する第１被溶接部材と、
板状であり、導電性を有する第２被溶接部材と、
前記第１被溶接部材と前記第２被溶接部材とが厚さ方向において重ね合った重複領域内に形成され、かつ、レーザ溶接接合することで、前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材を電気的に接続するレーザ溶接接合部と、を有し、
前記レーザ溶接接合部は、
前記第１被溶接部材の表面と直交する方向から見て、溶接始点から、溶接中間点までＣ字状に第一溶接線が形成され、かつ前記溶接中間点から、前記溶接始点及び前記溶接中間点よりも前記第一溶接線の内側に形成される溶接領域内に位置する溶接終点まで、前記第一溶接線に連続する第二溶接線が形成される
ことを特徴とする溶接構造。

【請求項4】

可撓性を有し、電池セルの電圧を検出する電圧検出器に接続される印刷回路体と、
板状であり、中間部材と、
板状であり、電池モジュールを構成する電池セルの電極端子に接続されるバスバと、
前記印刷回路体と、前記中間部材とが厚さ方向において重ね合った重複領域内に形成され、かつ、半田接合することで、前記印刷回路体及び前記中間部材を電気的に接続する半田溶接接合部と、
前記バスバと前記中間部材とが厚さ方向において重ね合った重複領域内に形成され、かつ、レーザ溶接接合することで、前記バスバ及び前記中間部材を電気的に接続するレーザ溶接接合部と、を有し、
前記中間部材及び前記バスバは、互いに異なる金属材料からなり、
前記レーザ溶接接合部は、
前記中間部材の表面と直交する方向から見て、溶接始点から、溶接中間点までＣ字状に第一溶接線が形成され、かつ前記溶接中間点から、前記溶接始点及び前記溶接中間点よりも前記第一溶接線の内側に形成される溶接領域内に位置する溶接終点まで、前記第一溶接線に連続する第二溶接線が形成される
ことを特徴とするバスバモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車等に搭載される二次電池では、当該二次電池の電圧を検出するために、金属製のバスバにＦＰＣ（印刷回路体）を半田付けで接合している。近年、表面メッキされたアルミニウム製の中間部材をバスバとＦＰＣとの間に配置し、当該中間部材とＦＰＣとを半田接合し、当該中間部材とバスバとをレーザ溶接することで、バスバとＦＰＣとを中間部材を介して接続するものがある。

【0003】

ところで、レーザ溶接には、二枚の板状の被溶接部材を重ね合わせた上で、被溶接部材の重ね合わせ部位にレーザ光を照射して溶接する方法がある。この場合、互いに直径が異なる円形の溶接線を同心円状に設定し、これらの多重閉ループの溶接線に沿ってレーザ光を照射しつつ当該レーザ光を移動させて被溶接材同士をレーザ溶接接合する方法が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－１２５８２９号公報

【特許文献2】国際公開第２０１５／１８６１６８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、被溶接部材には、アルミニウム以外の金属(例えば錫やアルミニウム合金等)があることにより、溶融部に金属間化合物が生成される場合がある。また、融点が異なる金属が存在するため、凝固収縮により凝固割れやポロシティ等の溶接不具合が、溶接終点において発生するおそれがあり、改善の余地がある。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、レーザ溶接による接合部の溶接不具合を抑制することができるレーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュール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】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ溶接方法は、板状の第１及び第２被溶接部材を重ね合わせた状態において、いずれか一方の前記被溶接部材の表面にレーザ光を照射して、前記第１及び前記第２被溶接部材を接合するレーザ溶接方法において、前記第１被溶接部材の表面と直交する方向から見て、溶接始点から溶接中間点までＣ字状に前記レーザ光を移動させて第一溶接線を形成する第１溶接工程と、前記溶接中間点から、前記溶接始点及び前記溶接中間点よりも前記第一溶接線の内側に形成される溶接領域内に位置する溶接終点まで前記レーザ光を移動させて前記第一溶接線に連続する第二溶接線を形成する第２溶接工程と、を備えることを特徴とする。

【0008】

本発明に係るレーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュールによれば、レーザ溶接による接合部の溶接不具合を抑制することができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係るバスバモジュール及び電池モジュールの斜視図である。

【図2】図２は、実施形態に係るバスバモジュールの分解斜視図である。

【図3】図３は、実施形態に係る印刷回路体及びバスバの平面図である。

【図4】図４は、実施形態に係る印刷回路体及びバスバと中間部材との接合部の斜視図である。

【図5】図５は、実施形態に係る中間部材のレーザ溶接接合部の平面図である。

【図6】図６は、実施形態の変形例に係る中間部材のレーザ溶接接合部の平面図である。

【図7】図７は、レーザ溶接機の模式図である。

【図8】図８は、レーザ溶接時の溶融金属の状態を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明に係るレーザ溶接方法、溶接構造、及びバスバモジュールの実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、下記実施形態における構成要素は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

【0011】

［実施形態］
実施形態に係るバスバモジュール１は、例えば、図１に示す電池パック１００に組み込まれる。電池パック１００は、バスバモジュール１及び電池モジュール１１０を有する。電池パック１００は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の車両に電源として搭載される。電池パック１００は、複数のバスバモジュール１及び複数の電池モジュール１１０を有していてもよい。

【0012】

電池モジュール１１０は、複数の電池セル１２０を有する。例示された電池セル１２０の形状は、直方体形状である。電池セル１２０の第一面１２０ａには、二つの電極端子１２１が配置されている。第一面１２０ａの形状は、略長方形である。

【0013】

複数の電池セル１２０は、第一方向Ｘに沿って配列されている。より詳しくは、複数の電池セル１２０は、第一面１２０ａの長辺が隣接する他の第一面１２０ａの長辺と第一方向Ｘにおいて対向するように配列されている。以下の説明では、第一面１２０ａにおいて第一方向Ｘと直交する方向を「第二方向Ｙ」と称する。第二方向Ｙは、第一面１２０ａの長手方向である。第一方向Ｘ及び第二方向Ｙの何れとも直交する方向を「第三方向Ｚ」と称する。第三方向Ｚは、電池セル１２０の高さ方向である。第一面１２０ａは、第三方向Ｚと直交している。電池パック１００は、例えば、第一面１２０ａが車両上下方向の上側を向くように車両に搭載される。

【0014】

第一面１２０ａの二つの電極端子１２１は、第二方向Ｙにおいて並んでいる。第一面１２０ａの二つの電極端子１２１のうち、一方は正極であり、他方は負極である。第一面１２０ａにおける長手方向の一端に配置されている電極端子１２１の集合体を「第一電極群１２１ａ」と称する。また、第一面１２０ａにおける長手方向の他端に配置されている電極端子１２１の集合体を「第二電極群１２１ｂ」と称する。本実施形態の電池モジュール１１０では、第一電極群１２１ａにおいて、正極及び負極が交互に並んでいる。また、第二電極群１２１ｂにおいて、正極及び負極が交互に並んでいる。本実施形態のバスバモジュール１は、複数の電池セル１２０を直列に接続する。

【0015】

バスバモジュール１は、複数のバスバ２、板状の印刷回路体３、ケース４、及びカバー５を有する。図２及び図３に示すように、バスバモジュール１は、第一バスバ群２Ａ及び第二バスバ群２Ｂを有する。第一バスバ群２Ａ及び第二バスバ群２Ｂは、第一方向Ｘに沿って並ぶ複数のバスバ２を有する。第一バスバ群２Ａのバスバ２は、電池モジュール１１０の第一電極群１２１ａに対して固定される。第二バスバ群２Ｂのバスバ２は、第二電極群１２１ｂに対して固定される。

【0016】

バスバ２は、例えば、銅やアルミニウム等の導電性を有する金属板から形成され、電池モジュール１１０を構成する電池セル１２０の電極端子１２１に接続される。バスバ２は、被溶接部材の一例である。

【0017】

印刷回路体３は、例えば、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）であり、可撓性を有し、電池セル１２０の電圧を検出する電圧検出器（不図示）に接続される。

【0018】

中間部材６は、例えば、アルミニウム等の導電性を有する金属板から形成され、メッキ処理が施されている。中間部材６は、被溶接部材の一例である。中間部材６は、例えば、板状のアルミニウム製金属部材全体にニッケル下地の錫メッキ処理が施されている。本実施形態の中間部材６は、バスバ２と異なる金属材料で形成されることが好ましいが、バスバ２と同じの金属材料で形成され、かつバスバ２と異なる金属材料によりメッキ処理が施されていてもよい。中間部材６は、バスバ２と印刷回路体３との間に介在し、バスバ２と印刷回路体３とを物理的及び電気的に接続する。中間部材６は、当該中間部材６がバスバモジュール１に組み付けられた状態において、延在方向に延在し、延在方向の一方の端部が印刷回路体３との間で半田付けにより半田接合され、他方の端部がバスバ２との間でレーザ溶接によりレーザ溶接接合されている。中間部材６は、印刷回路体側の端部に矩形状の貫通孔を有し、印刷回路体３と中間部材６とが厚さ方向において重ね合った状態で、当該貫通孔に印刷回路体３のチップヒューズが露出するように配置される。

【0019】

本実施形態のバスバモジュール１は、図４～図６に示すように、バスバ２と中間部材６とが厚さ方向において重ね合った重複領域３２内に形成され、レーザ溶接接合することで、バスバ２及び中間部材６を電気的に接続するレーザ溶接接合部１０を有する。また、本実施形態のバスバモジュール１は、図４に示すように、印刷回路体３と中間部材６とが厚さ方向において重ね合った重複領域３３内に形成され、半田接合することで、印刷回路体３及び中間部材６を電気的に接続する半田溶接接合部１５を有する。重複領域３２は、例えば、レーザ光ＬＢの照射範囲であり、レーザ溶接による溶接範囲である。重複領域３３は、例えば、半田付けの範囲である。

【0020】

レーザ溶接接合部１０は、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から溶接中間点２１までＣ字状に第一溶接線１１が形成され、かつ溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２まで、第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２が形成される。溶接始点２０は、図５に示す例では、重複領域３２内であって中間部材６の延在方向の一方の端部側に位置しているが、これに限定されるものではない。溶接中間点２１は、連続する第一溶接線１１及び第二溶接線１２上にあって、溶接領域３０側に屈曲する部分である。溶接終点２２は、例えば、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、第一溶接線１１で形成されるＣ字形の略中央に位置する。レーザ溶接接合部１０は、例えば、図７に示すレーザ溶接装置２００により形成される。

【0021】

図７に示すレーザ溶接装置２００は、本実施形態のレーザ溶接方法を実施するための装置であり、レーザ光ＬＢを２つの被溶接部材の一方に照射して２つの被溶接部材を接合する。レーザ溶接装置２００は、レーザ発振器２０１と、レーザ光照射部２０２と、載置台２０３とを備える。レーザ発振器２０１は、パルス状の出力を一定の繰り返し周波数で発振するものである。レーザ光照射部２０２は、載置台２０３に載置された被溶接部材にレーザ光ＬＢを照射するものである。レーザ光照射部１０２から照射されるレーザ光ＬＢの光軸は、２枚の被溶接部材のうち、一方の被溶接部材の表面に向けられている。このとき、２つの被溶接部材、すなわち中間部材６とバスバ２とは重ね合わせて配置されている。レーザ光ＬＢは、中間部材６とバスバ２とが厚さ方向において重ね合った重複領域３２上を移動するように照射される。レーザ光ＬＢを中間部材６の表面６ａに照射することで、局所的に温度が上昇し、中間部材６の融点を超えると、バスバ２の内部まで適宜、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。レーザ光ＬＢが溶接方向に移動すると、図８に示すように、レーザ光ＬＢ直下の位置Ｑでは温度が高く、溶融池Ｒが位置Ｐにおける深さより深くなっており、溶融池Ｒの内部では湯流れＳが生じる。溶融池Ｒの周囲には、ポロシティが生じる場合もある。中間部材６の位置Ｐでは、温度が低く凝固収縮が図示の矢印の方向に生じる。この場合、凝固収縮した分は、溶融池Ｒから補充され収縮ひずみが少ない状態となる。このように、溶接終点２２を溶接領域３０内に位置するようにレーザ光ＬＢを移動させて溶接を行うことで、

【0022】

レーザ溶接方法は、第１溶接工程と、第２溶接工程とを備える。第１溶接工程は、図５に示すように、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から溶接中間点２１までＣ字状にレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１を形成する。第２溶接工程は、溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２までレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２を形成する。

【0023】

本実施形態のレーザ溶接方法は、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から溶接中間点２１までＣ字状にレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１を形成し、溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２までレーザ光ＬＢを移動させて第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２を形成する。

【0024】

このように、レーザ溶接方法は、従来のように、溶接線を単にＣ字状に形成する場合と比較して、周囲が溶接されている溶接領域３０内に溶接終点２２が位置するように、溶接線（１１，１２）を形成することで、凝固収縮により生じた応力が溶接終点２２に集中することを緩和することできる。また、レーザ溶接方法は、従来のように、溶接線（走査距離）を単にＣ字状に形成する場合と比較して、溶接線を長くすることができ、溶接終点２２におけるクラックの発生や進展を抑制することができる。クラックは、例えば、アルミニウム結晶粒界にＡｌ－Ｎｉ金属間化合物が形成され、凝固時の収縮ひずみによりアルミニウム結晶粒間で発生する割れである。

【0025】

従来、溶接終点２２におけるクラック等の発生を抑制するために、溶接終点２２でのレーザ光出力を下げて発生熱量を低くして凝固収縮の影響を少なくしているが、この場合、溶接線の長さが必要である。上記方法により、狭い溶接範囲であっても溶接線の長さを確保することができる。

【0026】

本実施形態の溶接構造は、中間部材６と、バスバ２と、レーザ溶接接合部１０とを有する。レーザ溶接接合部１０は、中間部材６とバスバ２とが厚さ方向において重ね合った重複領域３２内に形成され、かつ、レーザ溶接接合することで、中間部材６及びバスバ２を電気的に接続する。レーザ溶接接合部１０は、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から溶接中間点２１までＣ字状に第一溶接線１１が形成され、かつ溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２まで、第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２が形成される。これにより、上記レーザ溶接方法により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

【0027】

本実施形態のバスバモジュール１は、印刷回路体３と、中間部材６と、バスバ２と、重複領域３３内に形成され、半田接合することで、印刷回路体３及び中間部材６を電気的に接続する半田溶接接合部１５と、重複領域３２内に形成され、レーザ溶接接合することで、バスバ２及び中間部材６を電気的に接続するレーザ溶接接合部１０とを有する。レーザ溶接接合部１０は、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、溶接始点２０から溶接中間点２１までＣ字状に第一溶接線１１が形成され、溶接中間点２１から、溶接始点２０及び溶接中間点２１よりも第一溶接線１１の内側に形成される溶接領域３０内に位置する溶接終点２２まで、第一溶接線１１に連続する第二溶接線１２が形成される。これにより、上記レーザ溶接方法により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

【0028】

なお、上記実施形態では、溶接終点２２は、中間部材６の表面６ａと直交する方向から見て、第一溶接線１１で形成されるＣ字形の略中央に位置するが、これに限定されるものではない。溶接終点２２は、例えば図６に示すように、溶接領域３０内にあって溶接中間点２１側よりも溶接始点２０側に位置するように形成されてもよい。この場合、第２溶接工程は、溶接領域３０内のうち、溶接中間点２１側よりも溶接始点２０側に位置する溶接終点２２までレーザ光ＬＢを移動させて第二溶接線１２を形成する。これにより、溶接終点２２への熱の影響を減らすことができる。

【0029】

また、上記実施形態では、溶接終点２２は、溶接領域３０内に位置するが、これに限定されるものではなく、溶接の不具合が生じない範囲であれば、溶接始点２０と反対側に位置するように形成してもよい。

【0030】

また、上記実施形態では、中間部材６は、アルミニウム製金属部材全体にニッケル下地の錫メッキ処理が施されているが、これに限定されるものではなく、他の金属材料よりメッキ処理が施されていてもよい。

【0031】

また、上記実施形態では、バスバ２及び中間部材６を重ね合わせた状態において、中間部材６の表面６ａにレーザ溶接接合が行われるが、これに限定されるものではなく、バスバ２の表面にレーザ溶接接合が行われるように構成してもよい。

【0032】

また、上記実施形態では、本発明に係るレーザ溶接方法、溶接構造を、バスバモジュール１に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0033】

１ バスバモジュール
２ バスバ
３ 印刷回路体
４ ケース
５ カバー
６ 中間部材
６ａ 表面
１０ レーザ溶接接合部
１１ 第一溶接線
１２ 第二溶接線
１５ 半田溶接接合部
２０ 溶接始点
２１ 溶接中間点
２２ 溶接終点
３０ 溶接領域
３２，３３ 重複領域
１００ 電池パック
１１０ 電池モジュール
１２０ 電池セル
１２１ 電極端子
２００ レーザ溶接装置
２０１ レーザ発振器
２０２ レーザ光照射部
２０３ 載置台
ＬＢ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】