JP2016128181A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた気密性を実現し得る溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明により提供される溶接方法は、溶接ビームを照射して第一部材を第二部材に全周溶接で溶接する方法である。この方法において、前記溶接ビームは、パワー密度分布において、２つのピーク部と、該２つのピーク部の周辺に位置する周辺部と、を有する。また、前記２つのピーク部は、前記全周溶接における溶接の進行方向に交差する方向に沿って間隔をおいて配置されている。さらに、前記２つのピーク部における各スポット径は８０μｍ以下である。そして、前記２つのピーク部の間隔は０．４ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲内である。
【選択図】図８

Description

本発明は溶接方法に関する。

２つの金属部材の接合方法として、レーザ溶接等の各種の溶接方法が広く知られている。電池の製造においても、電池ケースと蓋との接合等に溶接技術が利用されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１４３３３２号公報

電池の製造においては、例えば電流遮断機構（ＣＩＤ）における反転板の取付けの際に全周溶接が実施される。全周溶接とは、溶接開始位置から溶接を典型的には連続的に進行させて、環状に一周して元の開始位置に戻る溶接方法、および該方法で得られた溶接状態をいう。全周溶接は、一の部材の外周や外縁を他の部材に接合する場合等に好ましく利用されている。全周溶接では、開始位置から進行した溶接ビームが一周して元の位置に戻り開始位置に重なったときにピンホールが発生する等して気密性の低下を招く場合がある。同様の事象は、溶接部材を仮固定するために行った仮固定溶接部を本溶接が跨ぐ際にも発生することがある。上記気密性の低下は、例えば電池の製造においては、ＣＩＤの作動精度の低下や安全性の低下を引き起こす虞があり、その改善が求められていた。

検討の結果、気密性の低下は、全周溶接時に溶接予定箇所に逃げ場なく閉じ込められたエア等に由来する爆飛によって生じることが判明した。具体的には、全周溶接で溶接ビームが一周して元の溶接開始位置に重なろうとするときに、あるいは本溶接が仮固定溶接部を跨ごうとするときに、溶接予定個所（典型的には溶接部材間）に存在する空隙中のエア等が圧縮、加熱され、これによって爆飛が発生する。これがピンホール等を発生させ、気密性の低下を引き起こす。この知見に基づき、上記爆飛の原因であるエア等への対策についてさらに検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、優れた気密性を実現し得る溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明により、溶接ビームを照射して第一部材を第二部材に溶接する方法が提供される。前記溶接は好ましくは全周溶接である。この方法において、前記溶接ビームは、パワー密度分布において２つのピーク部を有する。前記２つのピーク部は、前記全周溶接における溶接の進行方向に交差する方向に沿って間隔をおいて配置されている。また、前記２つのピーク部における各スポット径は８０μｍ以下である。また、前記２つのピーク部の間隔は０．４ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲内である。さらに、前記溶接ビームは、典型的には２つのピーク部の周辺に位置する周辺部を有することが好ましい。前記周辺部の外径は、典型的には０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であることがより好ましい。さらに、前記２つのピーク部のパワー密度は、前記周辺部のパワー密度の５０倍以上であることが好ましい。
上記の構成によると、溶接ビームを構成する２つのピーク部が所定のサイズおよび間隔を有するので、溶接の進行方向前方に存在するエア等の気体成分は、上記２つのピーク部に由来する溶接部（深部）の間で移動することができる。具体的には、上記溶接ビームによる溶融部の形状は、溶接の進行方向に直交する断面においてＷ字状となり、該Ｗ字状の中央部でエア等は移動することができる。その結果、上記エア等に由来する爆飛の発生が防がれ、気密性に優れた溶接が実現される。なお、本発明の方法は、予め溝を形成する必要のない点で特許文献１の方法と比べて有利である。

また、この明細書によると、第一部材と第二部材とを備える密閉型電池の製造方法が提供される。第一部材および第二部材は、典型的には、密閉型電池の内圧が作用する部位に配置されている。上記製造方法は、溶接ビームを照射して第一部材を第二部材に溶接する工程（溶接工程）を含む。上記溶接は好ましくは全周溶接である。上記溶接工程としては、ここに開示される溶接方法の手法が好ましく採用される。

ここに開示される技術の好ましい一態様では、密閉型電池は、正負の電極と、該電極を収容するケースと、を備える。密閉型電池は、電極の少なくとも一方とケース外部に露出する外部端子とを導通する導電経路が形成されたものであり得る。また、密閉型電池は、典型的には、ケース内圧が上昇することによって導電経路を分断するように構成された電流遮断機構（圧力型ＣＩＤ）を備えるものであり得る。

ここに開示される技術の好ましい一態様では、電流遮断機構は、導電経路の一部を構成し、かつケース外方へのガス流通を遮断する遮断弁を備え得る。遮断弁は、典型的には、ケース内圧が上昇したときには、少なくともその一部がケース外方に向かって移動または変形し、それによって導電経路を分断するものであり得る。遮断弁は、第一部材および第二部材のいずれか一方に該当する。より具体的には、電流遮断機構は、正極と電気的に接続する接続部材と、該接続部材と電気的に接続する遮断弁と、該遮断弁が溶接によって接合されたリベットと、を備え得る。この場合において、第一部材は遮断弁であり、第二部材はリベットであり得る。

さらに、この明細書によると、第一部材と第二部材とを備える密閉型電池が提供される。上記密閉型電池は、ここに開示される溶接方法を含む方法により製造されたものであり得る。あるいはまた、ここに開示される技術における密閉型電池は、第一部材と第二部材との溶接部の下方（溶接ビーム照射側を上方とする。）に空隙が存在しており、該空隙は、第一部材と第二部材との溶接方向に沿って延びている。典型的には、空隙は第一部材の外周端面に沿って環状に形成されている。また、溶接部は、該溶接部の長手方向（溶接の進行方向と基本的に一致する。）に直交する断面においてＷ字形状を有することが好ましい。これにより、溶接後においても、空隙を延びるように、かつ外部から離隔した状態で存在させることができる。

ここに開示される密閉型電池は、気密性に優れ、安全性にも優れたものとなり得るので、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用の電源として好適に使用され得る。したがって、ここに開示される技術によると、上記密閉型電池を備える車両が提供される。

一実施形態に係る二次電池の概略斜視図である。 図１のII−II線における電流遮断機構を拡大して示す模式断面図である。 図２のIII−III線における電流遮断機構の断面に対応する図であって、遮断弁の全周溶接方法を説明するための模式図である。 図２のIV部分を上下反転して示す拡大図である。 溶接の進行方向に沿う模式断面図であって、溶接ビームが元の開始位置に戻ってきたときの状態を示す図である。 溶接の進行方向に沿う模式断面図であって、本溶接が仮固定溶接部を跨ぐときの状態を示す図である。 溶接ビームのパワー密度分布を示す模式図である。 溶接の進行方向に直交する断面における溶接状態を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による一実施形態を説明する。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は、必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、溶接方法以外の電池の製造一般に関する事項）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

ここに開示される密閉型電池に係る好適な一実施形態として、リチウム二次電池を例にして説明するが、本発明の適用対象をこの種の電池に限定することを意図したものではない。本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。また、「二次電池」とは、リチウム二次電池等の蓄電池のほか、電気二重層キャパシタ等のキャパシタを包含する。ここに開示される技術は、典型的には密閉型の二次電池に好ましく適用される。

図１は、一実施形態に係る二次電池の概略斜視図であり、図２は、図１のII−II断面における電流遮断機構を拡大して示す模式断面図である。

図１，２に示すように、本実施形態に係る二次電池１０は、従来の一般的なリチウム二次電池と同様、典型的には所定の電池構成材料（正極および負極、セパレータ等）を具備する捲回電極体（図示せず）が適当な電解液（図示せず）とともにケース２０に収容された構成を有する。なお、二次電池の形状は特に限定されず、角型、円柱形状であり得る。また、電池構成材料、電極体および電解液の構成は本発明を特徴づけるものではないので、説明は省略する。

ケース２０は、開口部を有するケース本体２１と、その開口部を塞ぐ蓋体２２とを備える。ケース本体２１は、上面が開口した直方体箱形状に形成されている。蓋体２２は、長方形板状体であり、電極体の正極（図示せず）と電気的に接続する正極外部端子１５と、負極（図示せず）と電気的に接続する負極外部端子１６とがその上面（ケース２０の外部）に露出するように設けられている。蓋体２２にはまた、電解液を注入する注液口１７と安全弁１８とが設けられている。ケース２０を構成する材質は、特に限定されず、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましく用いられる。

ケース２０の内部には、ケース内圧の上昇により作動する電流遮断機構３０が設けられている。電流遮断機構３０は、二次電池１０の過充電等によりケース２０の内部でガスが発生し、ケース内圧が上昇した場合に、正極外部端子１５から正極に至る導電経路を分断することで充電電流を遮断し得るように構成されている。

電流遮断機構３０は、具体的には図２に示すように、正極と電気的に接続し、正極集電端子として機能する接続部材３２と、接続部材３２と電気的に接続する遮断弁３４と、遮断弁３４と電気的に接続し、ケース内外を連通するリベット３５と、から構成されている。接続部材３２、遮断弁３４およびリベット３５は、ケース内方から外方に向かって順に配置されており、いずれも金属製の導電部材（図中、斜線を付した部材）である。これらの部材は、正極とケース外部に露出する正極外部端子１５とを導通する導電経路の役割を果たしており、それぞれ導電経路の一部を構成している。上記導電経路を介して二次電池１０の充放電が行われる。上記導電部材としては、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましく用いられる。

接続部材３２は、板形状を有する部分（板状部）を備え、この板状部には、遮断弁３４と接続する接続部３３が形成されている。接続部３３は、薄肉の刻印部（図示せず）を有しており、電池内圧が上昇したときに遮断弁３４がリベット３５側に反転することにより、刻印部が破断し、接続部３３と遮断弁３４との電気的接続は切断される。

遮断弁３４は、リベット３５の軸部の空間を介して大気圧の影響を受ける。具体的には、遮断弁３４の第一面（図２では上面）が大気圧を受ける。一方、遮断弁３４の第一面とは反対側の第二面（図２では下面）は、電池内圧を受ける。

遮断弁３４は、薄肉の刻印部を有する接続部３３と電気的に接続している。本実施形態では、遮断弁３４は円形板状体である。また、遮断弁３４は、その中央に位置する中央部４０が相対的にケース内方（図２の下方）に突出している。この中央部４０の下面（頂面）は、接続部材３２の接続部３３と溶接によって接合されている。中央部４０の周辺に位置する周辺部４１は、遮断弁３４の外方に向かうにつれてケース外方に斜上している。そして、遮断弁３４は、その外縁４２にてリベット３５に溶接によって接合されている。なお、遮断弁の外形は円形状に限定されず、矩形状等であってもよい。

遮断弁３４は、中央部４０が接続部材３２と離れてケース外方に向かって移動できるように構成されており、この移動によって導電経路は遮断弁３４と接続部材３２との間で分断されるように構成されている。遮断弁３４としては、遮断弁自体またはその一部が変形することにより導電経路を分断するものが好ましく用いられる。本実施形態では、遮断弁３４として、ケース内方に突出した中央部４０がケース内圧の上昇によってケース外方に反転するように構成された反転板が用いられている。

リベット３５は、蓋体２２に形成された穿孔に嵌合されており、ケース内外に通じている。リベット３５のケース内方側には、断面コ字状の凹部空間（開口部）が形成されている。この凹部空間の外周壁面の上端部（肩部）には段差部５０が形成されている。この段差部５０に遮断弁３４の外縁４２は接合されている。段差部５０は、遮断弁３４をその内側に収容可能な形状を有しており、具体的には、平面状の底面と壁面とから構成されている。段差部５０の深さは、遮断弁３４の外縁４２の厚さと実質的に同程度である。

また、リベット３５は、その外周面の一部で正極外部端子１５と当接しており、これによって両者は電気的に接続している。なお、リベット３５には、ケース内外に通じる連絡孔が形成されている。また、リベット３５は単一の部材から構成されていてもよく、複数の部材を嵌合することによって形成したものであってもよい。

なお、電流遮断機構３０は、蓋体２２に固定した正極外部端子１５と正極（図示せず）との間に設けられているが、これに限定されない。電流遮断機構３０は、正極側、負極側のいずれに設けられていてもよく、それらの両方に設けられていてもよい。電流遮断機構を負極の導電経路に適用する場合の構成および方法は、正極の場合と基本的に同様であるので、ここでは説明は繰り返さない。

次に、本実施形態における溶接方法について説明する。好適な実施形態として、電流遮断機構を構成する部材（具体的には、遮断弁３４とリベット３５）の溶接方法について説明する。

図３は、図２のIII−III線における電流遮断機構の断面に対応する図であって、遮断弁の全周溶接方法を説明するための模式図である。図４は、図２のIV部分を上下反転して示す拡大図である。図５は、溶接の進行方向に沿う模式断面図であって、溶接ビームが元の開始位置に戻ってきたときの状態を示す図である。図６は、溶接の進行方向に沿う模式断面図であって、本溶接が仮固定溶接部を跨ぐときの状態を示す図である。

図３に示すように、本実施形態に係る溶接方法は、遮断弁３４の外縁４２端面とリベット３５の段差部５０壁面とを突き合わせた状態で、遮断弁３４の外縁４２の全周をリベット３５に接合する全周溶接である。上記溶接方法では、まずリベット３５の開口部の外周壁面の上端部に位置する段差部５０に遮断弁３４の外縁４２を配置する（配置工程）。次に、遮断弁３４の外縁４２の同一周上に、周方向に所定の間隔をおいて複数の仮固定溶接１００を行う（仮固定溶接工程）。そして、上述の全周溶接（本溶接）を行う（本溶接工程）。

遮断弁３４の配置工程では、図４に示すように開口部側が上面となるようにリベット３５を設置し、リベット３５の段差部５０に遮断弁３４を載置する。遮断弁３４は、形状バラツキやＣＩＤ作動圧の変動等を考慮して、その外周端面と段差部５０壁面との間にクリアランス２００が形成されるように設計されている。

仮固定溶接工程では、溶接ビームは、リベット３５の段差部５０底面を超える位置まで溶融させ、遮断弁３４の変形や位置ズレを防止する。仮固定溶接を実施することで、ケース内の気密性の向上や電流遮断機構の作動圧の精度向上が実現される。

全周溶接は、図３に示すように、溶接開始位置１２５から開始されて、図３中の矢印で示す方向に進行する。そして、遮断弁３４の外縁４２に沿って一周して元の溶接開始位置１２５に戻り、溶接開始位置１２５と溶接終了位置（図示せず）とがオーバーラップするまで行われる。

図４を参照して、全周溶接では、クリアランス２００を中心とする領域に溶接ビームを照射して、リベット３５の段差部５０、遮断弁３４の外縁４２、ならびにこれらの近傍を溶融させ、外縁４２に沿って一周させることで上述のクリアランス２００を閉塞させる。これにより、溶接部の気密性を得ている。なお参考のため、図４では、従来の溶接部を符号１３０’で示す。

また、遮断弁３４の外縁４２の下面とリベット３５の段差部５０の底面との間には、空隙２１０が存在している。空隙２１０は、主として、遮断弁３４成形時に生じるダレなど構成部材の成形に起因して生じる。空隙２１０は、従来の全周溶接では、通常、クリアランス２００と同様に閉塞される。このとき、クリアランス２００等に存在するエアは、基本的には溶接の進行方向前方にある未溶接個所から押し出される。しかし、従来の全周溶接では、図５に示すように、溶接開始位置１２５から一周して戻ってきた溶接ビームＷＢが元の溶接開始位置１２５に重なろうとするときに、空隙２１０等に存在するエアが、溶接開始位置１２５の溶接部１３０に阻まれ、逃げ場なく閉じ込められた状態となり、溶接ビームＷＢの接近により圧縮、加熱される。その結果、爆飛が生じる。これが、アンダーフィル、ピンホール等となって気密性の低下を引き起こす。飛散物が構成部材（例えば樹脂製部材）に付着した場合には、気密性の低下に加え、電流遮断機構の作動精度にも影響を及ぼし得る。同様の事象は、図６に示すような、本溶接１２０が仮固定溶接部１１０を跨ごうとするときにも生じ得る。なお、図５、６中の矢印は、溶接の進行方向を示す。

そこで本実施形態では、溶接ビームとして、所定のビームプロファイルを有するものを採用して、上述の爆飛の発生を防止または抑制する。図７は、溶接ビームのパワー密度分布を示す模式図である。図８は、溶接の進行方向に直交する断面における溶接状態を示す模式図である。

具体的には、溶接ビームＷＢは、図７に模式的に示すように、パワー密度分布（パワー密度基準）において、２つのピーク部３００Ａ，３００Ｂと、２つのピーク部３００Ａ，３００Ｂの周辺に位置する周辺部（周辺加熱部であり得る。）３２０と、を有する。ピーク部３００Ａ，３００Ｂは、周辺部３２０の外周内に存在している。ピーク部３００Ａ，３００Ｂは、溶接の進行方向（図７中、矢印で示す方向）にほぼ直交する方向に沿って間隔をおいて配置されており、ピーク部３００Ａ，３００Ｂにおける各スポット径（各ピーク部に対応する各スポット径）は８０μｍ以下に設定されている。また、ピーク部３００Ａ，３００Ｂの間隔Ｉは、０．４ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲内となるように設定されている。ここでピーク部３００Ａ，３００Ｂの間隔は、照射点基準で各ピーク部の中心点間の距離である。また、周辺部３２０の外径Ｄは、照射点基準で０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。そして、各ピーク部３００Ａ，３００Ｂのパワー密度は、周辺部３２０のパワー密度の５０倍以上に設定されている。パワー密度は、照射点基準であり、その単位としては単位面積当たりのＷ（例えばＷ／ｃｍ^２）を採用すればよい。

本実施形態では、溶接ビームＷＢとしてレーザビームが用いられている。したがって、溶接はレーザ溶接である。レーザの種類は特に限定されず、気体レーザ、固体レーザ、液体レーザ等の種々のレーザを特に限定なく使用可能である。レーザ溶接が採用される場合、ピーク部３００Ａ，３００Ｂは、周辺部３２０との相対的な関係において高輝度レーザ部ともいう。また、周辺部３２０は、ピーク部３００Ａ，３００Ｂとの相対的な関係において低輝度レーザ部ともいう。なお、上記ビームプロファイルを有する溶接ビームは、市販のレーザ溶接装置やその一部（発振器、光学系等）を改変した装置を用いて、当業者の技術常識に基づき実施可能であるので、詳細な説明は省略する。また、溶接速度や、溶接品質に影響を及ぼす条件（例えばレーザ出力等）については、溶接対象物等に応じて当業者の技術常識に基づき適切に設定することができる。

上記溶接ビームＷＢを照射することにより、図８に模式的に示すような溶接部（溶接時には溶融部）１３０が形成される。具体的には、溶接部１３０は、溶接１２０の進行方向に直交する断面においてＷ字状となる。このＷ字状の溶接部１３０は、溶接ビームＷＢのピーク部３００Ａ，３００Ｂに由来する２つの深部１５０Ａ，１５０Ｂ（キーホール溶接部であり得る。）を有する。これら深部１５０Ａ，１５０Ｂは、遮断弁３４の厚さ方向に平行する方向に先細りするように延びており、その溶け込み深さは、リベット３５の段差部５０底面を超えている。

また、溶接部１３０は、溶接ビームＷＢの周辺部３２０に由来する浅部１６０（熱伝導溶接部であり得る。）を有する。この浅部１６０は、深部１５０Ａ，１５０Ｂの間に位置しており、上記Ｗ字状の中央部分を構成している。この浅部１６０は、典型的にはクリアランス２００の上方を閉塞しているが、浅部１６０の最深部は、段差部５０の底面よりも上方に位置しているため、両者の間には空隙２１０が残存し得る。その結果、全周溶接で溶接ビームが一周して元の溶接開始位置に重なろうとするときに、あるいは本溶接が仮固定溶接部を跨ごうとするときに、爆飛の原因となるエア等は溶接個所から移動することができ、爆飛の発生や爆飛に由来する溶接欠陥の発生が防止または抑制される。

なお、ここに開示される溶接方法の適用対象は特に限定されず、電池を構成する各種部材（例えばケースと蓋体）の接合や、電池以外の各種製品における接合に適用することができる。また、ここに開示される溶接方法は全周溶接に限定されない。例えば、本溶接に先立って形成した仮固定溶接部を本溶接が跨ぐ態様で実施される溶接方法にも適用可能である。

また、溶接ビームは、パワー密度分布における周辺部を有していなくともよい。周辺部の代わりに、少なくとも２つのピーク部の間に位置する中間部を有するものであってもよい。中間部のパワー密度は周辺部と同程度とすればよく、その外径はピーク部の間隔と同程度の範囲内とすればよい。このような構成によっても、断面がＷ字状の溶融部を形成することができる。さらに、溶接ビームは、２つのピーク部に加えて追加のピーク部を有してもよい。この場合、追加のピーク部は、典型的には上記２つのピーク部の間には存在しない。

１０ 二次電池
１５ 正極外部端子
１６ 負極外部端子
２０ ケース
３０ 電流遮断機構
３２ 接続部材
３４ 遮断弁
３５ リベット
１００ 仮固定溶接
１１０ 仮固定溶接部
１２０ 全周溶接（本溶接）
１２５ 溶接開始位置
１３０ 溶接部（溶融部）
１５０Ａ，１５０Ｂ 深部
１６０ 浅部
２００ クリアランス
２１０ 空隙
ＷＢ 溶接ビーム
３００Ａ，３００Ｂ ピーク部
３２０ 周辺部

Claims (1)

1. 溶接ビームを照射して第一部材を第二部材に全周溶接で溶接する方法であって、
   前記溶接ビームは、パワー密度分布において、２つのピーク部と、該２つのピーク部の周辺に位置する周辺部と、を有しており、
   前記周辺部の外径は、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であり、
   前記２つのピーク部は、前記全周溶接における溶接の進行方向に交差する方向に沿って間隔をおいて配置されており、
   前記２つのピーク部のパワー密度は、前記周辺部のパワー密度の５０倍以上であり、
   前記２つのピーク部における各スポット径は８０μｍ以下であり、
   前記２つのピーク部の間隔は０．４ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲内である、溶接方法。
   

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