特許 7598274 溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-03

(45)【発行日】2024-12-11

(54)【発明の名称】溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20241204BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021049528

(22)【出願日】2021-03-24

(65)【公開番号】P2022148017

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】坂井 哲男

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１９１０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２４６６１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウムの組成比が９０ｗｔ％以上である被溶接部材を準備し、
前記被溶接部材の表面の溶接領域に酸素を含むガスを供給した状態で前記溶接領域にレーザを照射して前記溶接領域を溶接し、
前記ガスにおける前記酸素の濃度は、１．５ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であり、
前記レーザが照射された後の前記溶接領域は酸化アルミニウムを含み、
前記レーザの波長は、４５０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下であり、
前記レーザの出力は、５００Ｗ以上２０，０００Ｗ以下であり、
前記表面に沿う面内で、前記被溶接部材と前記レーザとの間の相対的な位置を変化させ、
前記変化の速度は、５０ｍｍ／ｓ以上２，０００ｍｍ／ｓ以下である、溶接方法。

【請求項2】

前記ガスは、窒素及びアルゴンよりなる群から選択された少なくとも１つをさらに含む、請求項１記載の溶接方法。

【請求項3】

空気と酸素とを混合して前記ガスを準備することをさらに行う、請求項１記載の溶接方法。

【請求項4】

前記ガスにおける前記酸素の前記濃度は、２．７ｖｏｌ％以上である、請求項１～３のいずれか１つに記載の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、電池などの筐体が溶接により製造される。溶接において、品質の向上が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－１４１７６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、品質を向上できる溶接方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、溶接方法は、アルミニウムを含む被溶接部材を準備することを含む。前記溶接方法は、前記被溶接部材の表面の溶接領域に酸素を含むガスを供給した状態で前記溶接領域にレーザを照射して前記溶接領域を溶接することを含む。前記ガスにおける前記酸素の濃度は、１．５ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下である。前記レーザが照射された後の前記溶接領域は酸化アルミニウムを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、第１実施形態に係る溶接方法を例示する模式的斜視図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る溶接方法を例示するフローチャート図である。

【図3】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。

【図4】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。

【図5】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。

【図6】図６（ａ）～図６（ｃ）は、溶接の評価結果を例示するグラフ図である。

【図7】図７（ａ）～図７（ｉ）は、溶接状態を例示する写真像である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接方法を例示する模式的斜視図である。
図２は、第１実施形態に係る溶接方法を例示するフローチャート図である。
図１に示すように、実施形態に係る溶接方法においては、被溶接部材５０にガス２０を供給した状態で、被溶接部材５０にレーザ１０を照射する。実施形態に係る溶接方法は、例えば、溶接装置１１０を用いて行われる。

【0009】

溶接装置１１０は、例えば、レーザ出射部１０Ｌ、照射ヘッド１０Ｈ、ガス供給部２０ｓ、駆動部７５、及び、制御部７０などを含んでも良い。レーザ出射部１０Ｌはレーザ１０（レーザ光）を出射させる。レーザ１０は、照射ヘッド１０Ｈを介して、被溶接部材５０に照射される。例えば、照射ヘッド１０Ｈは、ガス供給部２０ｓを支持する。ガス供給部２０ｓから、ガス２０が被溶接部材５０に向けて供給される。駆動部７５は、照射ヘッド１０Ｈと被溶接部材５０との間の相対的な位置を変更可能である。駆動部７５は、照射ヘッド１０Ｈを走査可能である。制御部７０は、レーザ出射部１０Ｌ、照射ヘッド１０Ｈ、ガス供給部２０ｓ及び駆動部７５の少なくともいずれかを制御する。

【0010】

例えば、被溶接部材５０は、アルミニウムを含む。被溶接部材５０は、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂｉ、Ｐｂ及びＺｒよりなる群から選択された少なくとも１つをさらに含んでも良い。被溶接部材５０におけるアルミニウムの組成比は、９０ｗｔ％以上である。例えば、被溶接部材５０の複数の部分が、溶接されて接合される。

【0011】

被溶接部材５０の表面５０ｓの少なくとも一部に沿う面をＸ－Ｙ平面とする。Ｘ－Ｙ平面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。例えば、照射ヘッド１０Ｈは、表面５０ｓに沿う面内（Ｘ－Ｙ平面内）で、方向ＡＲに沿って被溶接部材５０に対して走査される。走査において、照射ヘッド１０Ｈが移動しても良く、被溶接部材５０が移動しても良い。方向ＡＲは、例えば、Ｘ軸方向である。

【0012】

実施形態においては、被溶接部材５０の表面５０ｓの溶接領域５０ｒに酸素を含むガス２０を供給した状態で、溶接領域５０ｒにレーザ１０が照射される。これにより、溶接領域５０ｒが溶接される。

【0013】

ガス２０は、酸素２１を含む。他のガス２２をさらに含む。他のガス２２は、例えば、窒素及びアルゴンよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。他のガス２２は、空気でも良い。

【0014】

実施形態において、ガス２０における酸素２１の濃度は、１．５ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下である。他のガス２２が空気である場合、空気に含まれる酸素の成分も含めて、酸素２１の濃度として算出される。このような酸素２１の濃度のときに、良好な溶接が可能であることが分かった。本願明細書及び図面において、ガスの濃度に関して、「ｖｏｌ％」が「％」と省略される場合がある。

【0015】

図２に示すように、実施形態に係る溶接方法は、アルミニウムを含む被溶接部材５０を準備すること（ステップＳ１１０）を含む。

【0016】

図２に示すように、実施形態に係る溶接方法は、被溶接部材５０の表面５０ｓの溶接領域５０ｒに酸素２１を含むガス２０を供給した状態で、溶接領域５０ｒにレーザ１０を照射して溶接領域５０ｒを溶接すること（ステップＳ１２０）を含む。実施形態において、ガス２０における酸素２１の濃度は、１．５ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下である。

【0017】

実施形態に係る溶接方法は、他のガス２２と酸素２１とを混合してガス２０を準備することをさらに行っても良い。

【0018】

以下、溶接の状態の例について説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。
これらの図において、ガス２０は、酸素２１を含まない。ガス２０は、実質的に窒素だけを含む。ガス２０における酸素２１の濃度Ｃ１は、０．０ｖｏｌ％である。図３（ａ）は、溶接中の溶接領域５０ｒの光学顕微鏡写真像である。図３（ｂ）は、光学顕微鏡観察結果を基に描かれた模式図である。ガス２０の流量は、３０Ｌ／分（リットル／分）である。

【0019】

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、溶接領域５０ｒにおいて、レーザ１０の照射により液状となった被溶接部材５０の波５５が生じる。波５５は、端部５５ａからキーホール５６に向かって移動する。移動は、例えば、マランゴニ対流に基づくと考えられる。波５５の一部は、キーホール５６の一部を覆う。波５５がキーホール５６の一部に入ると、液面の振動により、キーホール５６の形状が乱れる。多重反射したレーザ１０がキーホール５６の内側に照射され、液状の被溶接部材５０が、蒸気圧により飛散する。例えば、スパッタが生じる。これにより、溶接が不安定となる。溶接欠陥が発生し易い。例えば、溶接の品質が低くなりやすい。

【0020】

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。
これらの図において、ガス２０は、酸素２１と窒素とを含む。ガス２０における酸素２１の濃度Ｃ１は、１０．０ｖｏｌ％である。図４（ａ）は、溶接中の溶接領域５０ｒの光学顕微鏡写真像である。図４（ｂ）は、光学顕微鏡観察結果を基に描かれた模式図である。ガス２０の流量は、３０Ｌ／分である。

【0021】

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、溶接領域５０ｒにおいて、レーザ１０の照射により液状となった被溶接部材５０の波５５の移動は僅かである。例えば、マランゴニ対流が実質的に生じない。このため、波５５の一部が、キーホール５６の一部を覆うことが抑制される。スパッタが抑制される。これにより、溶接が安定になる。溶接欠陥が抑制できる。例えば、高品質の溶接が得られる。

【0022】

上記のように、ガス２０が酸素２１を含む場合に波５５の移動が抑制される。波５５の移動が抑制されるのは、被溶接部材５０に含まれるアルミニウムの一部が酸素２１により酸化されることが原因であると考えられる。酸化アルミニウムの融点が高いため、液状の被溶接部材５０の移動が抑制できると考えられる。

【0023】

このように、実施形態においては、ガス２０が酸素２１を含むことで、波５５の移動が抑制できる。例えば、レーザ１０が照射された後の溶接領域５０ｒは酸化アルミニウムを含む。実施形態によれば、品質を向上できる溶接方法が提供できる。

【0024】

例えば、参考例として、鉄を主成分とする鋼材の溶接において、酸素を含むシールドガスを用いて溶接することが提案されている。参考例においては、溶接後の熱処理を省略すること、または、溶融金属の流動性を向上させることが目的である。

【0025】

これに対して、実施形態においては、アルミニウムを含む被溶接部材５０の溶接が行われる。一般に、アルミニウムを含む材料を溶接する場合に、酸素を含むガスを用いることは、行われない。これは、酸素によりアルミニウムを含む材料が酸化され、特性が変化することが考えられ、酸化が避けるべきであると考えられていたからである。

【0026】

実施形態においては、アルミニウムを含む材料を溶接する場合に、一般には行われない酸素２１を含むガス２０が用いられる。例えば、アルミニウムの酸化が安定した溶接のために利用される。これにより、上記のように、安定な溶接が可能なる。酸素２１を含むガス２０により、波５５の移動を抑制するという新しい効果が利用される。この効果は、鋼材の溶接において酸素を含むシールドガスを用いる場合の効果とは異なる効果である。

【0027】

実施形態において、酸素２１の濃度が過度に高いと、特性が劣化する。このため、ガス２０における酸素２１の濃度Ｃ１は、１０ｖｏｌ％以下とする。これにより、過度な酸化が抑制され、良好な品質の溶接が得られる。以下、酸素２１の濃度Ｃ１の例について説明する。

【0028】

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、溶接状態を例示する模式図である。
これらの図は、溶接後における被溶接部材５０の顕微鏡観察像を例示している。図５（ａ）において、酸素の濃度Ｃ１は、４．０ｖｏｌ％である。図５（ｂ）において、酸素の濃度Ｃ１は、２０．０ｖｏｌ％である。

【0029】

図５（ａ）に示すように、酸素の濃度Ｃ１が４．０ｖｏｌ％の場合、波５５の跡が明確に観察される。複数の波５５は、Ｘ軸方向に沿って並ぶ。Ｘ軸方向は、走査方向（方向ＡＲ：図１参照）に沿っている。酸素の濃度Ｃ１が４．０ｖｏｌ％においては、良好な溶接が得られる。

【0030】

図５（ｂ）に示すように、酸素の濃度Ｃ１が２０．０ｖｏｌ％の場合、波５５の跡が実質的に観察されない。ランダムな凹凸が観察される。酸素の濃度Ｃ１が２０．０ｖｏｌ％においては、溶接不良が発生することが分かった。酸素の濃度Ｃ１が過度に高いことが原因であると考えられる。

【0031】

図６（ａ）～図６（ｃ）は、溶接の評価結果を例示するグラフ図である。
図７（ａ）～図７（ｉ）は、溶接状態を例示する写真像である。
図７（ａ）～図７（ｉ）に示すように、酸素の濃度Ｃ１が変化すると、溶接部分の状態が変化する。
図６（ａ）～図６（ｃ）の横軸は、ガス２０における酸素２１の濃度Ｃ１である。図６（ａ）の縦軸は、溶接における欠陥発生度ＤＦ１である。欠陥発生度ＤＦ１は、１．６ｍの溶接の長さにおいて発生する欠陥の数である。図６（ａ）に示すように、酸素２１の濃度Ｃ１が１０ｖｏｌ％以下の領域において、濃度Ｃ１が上昇すると、欠陥発生度ＤＦ１は小さくなる。濃度Ｃ１が２０．０ｖｏｌ％の場合、溶接の多くの位置で溶接不良が発生する。酸素２１の濃度Ｃ１は、１．５ｖｏｌ％以上であることが好ましい。溶接不良を低減できる。

【0032】

図６（ｂ）の縦軸は、酸化に関する第１パラメータＰ１である。酸化の程度により、溶接部分の光学的特性（色または反射率）が変化する。この例においては、第１パラメータＰ１は、被溶接部材５０の表面５０ｓ（図１参照）に対して傾斜した方向における光反射率に対応する。第１パラメータＰ１が小さいときに酸化の程度が低い。第１パラメータＰ１が大きいときに酸化の程度が高い。図６（ｂ）に示すように、酸素２１の濃度Ｃ１が２．７ｖｏｌ％以上において、第１パラメータＰ１が大きくなる。酸素２１の濃度Ｃ１が２．７ｖｏｌ％以上において、酸化が進行すると考えられる。濃度Ｃ１が２０．０ｖｏｌ％のときは、過度な酸化が発生していると考えられる。実施形態において、濃度Ｃ１は、１．５ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。溶接が安定になる。溶接欠陥が抑制できる。例えば、高品質の溶接が得られる。

【0033】

図６（ｃ）の縦軸は、複数の波５５に関する第２パラメータＰ２である。既に説明したように、良好な溶接が得られるときに、複数の波５５は、走査方向に沿って並ぶ（図５（ａ）参照）。第２パラメータＰ２は、複数の波５５の配列の均一性に関係する。第２パラメータＰ２は、溶接領域５０ｒに形成される複数の凹凸（波５５）の走査方向に沿う間隔の揺らぎに対応する。図６（ｃ）に示すように、濃度Ｃ１が低いと、第２パラメータＰ２は小さい。濃度Ｃ１が大きくなると、第２パラメータＰ２は大きくなる。例えば、図５（ｂ）に関して説明したように、濃度Ｃ１が２０．０ｖｏｌ％のときはランダムな凹凸が観察される。この場合、第２パラメータＰ２は非常に大きくなる。実施形態において、第２パラメータＰ２は、２０％以下であることが好ましい。

【0034】

このように、実施形態に係る溶接方法においては、表面５０ｓに沿う面内で、被溶接部材５０とレーザ１０との間の相対的な位置を第１方向（Ｘ軸方向であり、方向ＡＲ）に沿って変化（走査）させる。この例では、溶接領域５０ｒに形成される複数の凹凸（波５５）の第１方向に沿う間隔の揺らぎは、２０％以下であることが好ましい。溶接が安定になる。溶接欠陥が抑制できる。例えば、高品質の溶接が得られる。図６（ｃ）から、濃度Ｃ１は、１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。

【0035】

実施形態に係る１つの例において、レーザ１０の波長は、例えば、４５０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である。１つの例において、レーザ１０の出力は、例えば、５００Ｗ以上２０，０００Ｗ以下である。１つの例において、被溶接部材５０とレーザ１０との間の相対的な位置を変化（走査）の速度（走査速度）は、例えば、５０ｍｍ／ｓ以上２，０００ｍｍ／ｓ以下である。

【0036】

（第２実施形態）
第２実施形態は、溶接装置１１０に係る。図１に関して説明したように、溶接装置１１０は、例えば、レーザ出射部１０Ｌ、照射ヘッド１０Ｈ、ガス供給部２０ｓ、駆動部７５、及び、制御部７０などを含む。溶接装置１１０において、第１実施形態に関して説明した溶接方法が実施される。品質を向上できる溶接装置が提供できる。

【0037】

実施形態によれば、品質を向上できる溶接方法を提供できる。

【0038】

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、溶接方法で用いられるレーザなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

【0039】

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

【0040】

その他、本発明の実施の形態として上述した品質を向上できる溶接方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての品質を向上できる溶接方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

【0041】

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

【0042】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0043】

１０…レーザ、 １０Ｈ…照射ヘッド、 １０Ｌ…レーザ出射部、 ２０…ガス、 ２０ｓ…ガス供給部、 ２１…酸素、 ２２…他のガス、 ５０…被溶接部材、 ５０ｓ…表面、 ５５…波、 ５５ａ…端部、 ５６…キーホール、 ７０…制御部、 ７５…駆動部、 １１０…溶接装置、 ＡＲ…方向、 Ｃ１…濃度、 ＤＦ１…欠陥発生度、 Ｐ１、Ｐ２…第１、第２パラメータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】