CN1151565C - 方形电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种方形电池的制造方法，通过把封口板激光焊接在收存发电元件的方形外壳的开口端，实现方形外壳的密封。在方形外壳(1)的上部开口端载置与该开口端外形相同的封口板(2)，用激光束(3a～3d)以从水平方向下斜的角度，入射到包含各拐角(e)对接线(4)的各边(a～d)上，通过用激光束(3a～3d)扫描对接线(4)，用上述封口板将上述外壳的开口端密封。
Description
技术领域
本发明涉及方形电池的制造方法，尤其涉及对通过把封口板焊接到收存发电元件的方形外壳上进行密封的焊接方法进行改进的方形电池的制造方法。
背景技术
对作为例如便携式电子设备的电源的二次电池，在要求高能量密度的同时，还要求具有可以轻质小型化以提高空间利用率的形状。作为满足这些要求的电池，采用方形铝外壳的锂离子二次电池引人注目。该锂离子二次电池，由于要求使结构长期稳定的密封性，通过对在有底的方形外壳开口端处形成电极部的封口板激光焊接，将开口端封口。该激光焊接，具有与其它焊接方法相比，对收存在外壳中的电解液和电绝缘部分热影响小且加工效率高的特点。
作为在该方形外壳和封口板之间进行激光焊接的现有的方形电池的制造方法，在日本特开平8-315788、8-315789和8-315790号公报中已有公开。在其公开的制造方法中，将封口板嵌入开口部分朝上的方形外壳的开口端，对方形外壳和封口板的对接部位沿竖直方向照射激光束，通过用激光束扫描对接部位进行焊接，用封口板将方形外壳的开口端密封。
但是，由于激光焊接是将激光照射部位熔融并与结合面结合在一起的方法，若在焊接部分有间隙，容易在这些部分产生孔洞导致严重的焊接缺陷。另外，通过该间隙的激光输出，在不是焦点的部位很弱，在照射到不耐热的电池内部的隔板上的情况下，会将其烧穿导致电池短路。还会出现因接合面的固定不良而导致在接合面上出现台阶的情况。在这种情况下，由于激光的入射角度，有一部分成为台阶的阴影部分，激光的照射输出弱，得不到必需的熔流，从而导致不能确保必要的焊接强度。
另外，对于为谋求轻质薄型化而采用薄板材料做成的方形外壳和封口板，如果从方形外壳的上端开口侧用激光焊接封口板和方形外壳的对接部位，熔流量增大时存在金属熔融物进入电池内部的危险。而用来加工成方形外壳和封口板的板材的加工精度有局限，即使设置成在焊接时熔流量不会到达电池内部的最合适量，因薄板材料加工精度波动大，如果出现熔流到达电池内部的情况，金属熔融物会在电池内部飞散，成为内部短路的原因。
发明内容
本发明正是鉴于上述现有技术的课题而提出的，通过对电池内部无热影响的均匀焊接，实现方形外壳和封口板之间的焊接。并且提供一种在电池批量生产时减少焊接缺陷、大大提高生产效率的方形电池的制造方法。
为了实现上述目的的根据本发明的方形电池的制造方法，在方形电池中，发电元件收存在有底的方筒形状的方形外壳内，该方形外壳的上端开口是其四边是直线而各拐角是具有预定曲率半径的曲线的四边形，通过在该方形外壳的上端开口上激光焊接封口板，用封口板密封方形外壳的上端开口，该方法特征在于：在上述方形外壳的上部端口上，对接与该上端开口形状相同的封口板，用从该方形外壳的侧面向斜下方照射的激光束，向方形外壳和封口板的对接线入射，通过用该激光束扫描对接线，实现方形外壳和封口板之间的焊接，且长边侧和短边侧中的至少一方的封口板的外形尺寸，比有底筒状的方形外壳的上端开口部的外形尺寸小。
而且，优选地，在形成有底筒状的方形外壳上端开口形状的同时，在上述封口板上设计形成可嵌入方形外壳上端开口内的凹部，在上述凹部嵌入方形外壳的上端开口中的状态下，使方形外壳和封口板对接，用从方形外壳侧面向斜下照射的激光束，入射到方形外壳和封口板周缘部分的对接线上。从方形外壳向斜下方照射的激光束，最好具有与外壳侧面的垂线成夹角5～45度的入射角。
根据上述制造方法，由于从电池外壳的侧面方向照射激光，解决了通过接合面间隙的光直接烧损隔板的课题。方形外壳的上端开口部分的外形尺寸比长边侧或短边侧的封口板的外形尺寸大，使从方形外壳侧面向斜下方照射的激光入射，在批量生产时，封口板和外壳可以以高精度的接合面进行结合，同时激光不存在成为阴影的部分，可以提高焊接的可靠性。
而且，将在封口板上形成的凹部嵌入方形外壳的上面开口内，使封口板和方形外壳的上端开口对接，通过在外周部用上述凹部塞入方形外壳和封口板对接的对接线内侧，从方形外壳的侧面方向用激光束扫描对接线进行焊接，可以防止隔板进入电池内部。
另外，即使在激光焊接造成的熔流量超过方形外壳的板厚时，超过板厚的熔流量到达凹部为止，可以防止焊接造成的金属熔融物进入电池内部。
附图说明
图1是本发明的方形电池的立体图；
图2是方形电池开口端的平面图；
图3(a)是示出对接线各边的每一激光束的扫描方向的平面图；
图3(b)是示出针对对接线的激光束的入射方向的侧视图；
图4(a)是用分离模固定夹具将电池外壳和封口板的位置对齐时的示图；图4(b)是用同一夹具进行激光焊接时的示图；
图5(a)是电池外壳和封口板的位置对准和激光入射方向的关系的示图；图5(b)是电池外壳和封口板的位置对准和激光焊接性的关系的示图；
图6是激光入射角和焊接失误率的关系的示图；
图7是本发明的方形电池的其它例子的立体图；
图8是形成嵌入部的封口板的结构的部分剖面图；
图9是说明对于角部激光束产生焦点距离差的示图。
具体实施方式
下面，参照附图结合实施例说明本发明。
图1示出根据本发明实施方案的方形电池的外观形状，通过将封口板2和收存发电元件的方形外壳1的开口端熔化结合，将方形外壳1密封，制造方形电池。上述方形外壳形成为四边形的有底的筒状，其开口端的平面形状，如图2所示，长边a、b和短边c、d是直线，各拐角e形成为具有预定曲率半径的曲线。封口板2形成为与该方形外壳1的开口端同样的外形，将封口板2载置于方形外壳1的开口端上，通过对各边a～d的直线间的(除去拐角e的曲线之外的)对接线激光焊接，用封口板2密封方形外壳1的开口端。下面说明该方形外壳1的开口端和封口板2之间的焊接方法。
图3(a)是将方形外壳1的开口端朝上竖直设置在预定位置上，并在其上载置有覆盖开口端的封口板2的状态的俯视图。如图3(b)所示，对方形外壳1和封口板2的对接线4照射激光束3a～3d，对长边a、b和短边c、d平行地扫描各激光束3a～3d，将对接线激光焊接，用封口板2密封方形外壳1的开口端。由于这些激光束3a～3b的扫描方向是沿各边a～d的直线，容易进行移动控制，可以进行精密的焊接操作。另外，激光束3对上述对接线4的照射方向，如图3(b)所示，针对水平方向的对接线4的激光束3的照射方向，可以是以与水平方向的对接线4成夹角α的朝下的方向扫描对接线4。
下面说明激光束3a～3d分别以与水平方向夹角为α的朝下的方向，向对接线4入射的优点。图4示出在方形电池的实际生产中，为了对对接线激光焊接而确定封口板和外壳的焊接位置的方法和电池固定方法。对封口板和外壳的对接线4激光焊接时，首先必须使对接线以良好的精度重合。关于重合方法可有多种，从生产率的角度出发，应采用简单且高速的方法。
如图4(a)所示通过采用分离模固定夹具，将外壳和封口同时插入其内部，并紧固分离模，可以既简单又高速地实现激光对接位置的高精度对准。然后从上下方向加压固定封口板和外壳。这样，可以防止由于对接线处间隙大导致的多发性焊接缺陷。
这些操作之后，沿图4(a)中的箭头方向使电池整体滑出来，使对接线从分离模中露出，以进行激光焊接。此时，电池从分割模中完全露出，且外壳的下部仍整体固定在分离模中，因此很有效。
图4(b)示出上述状态。5是分割模固定夹具，6是挤压封口板的夹具。在如上述机械设置的情况下，由于极端到焦点的距离不能增长，难以在侧面的水平方向配置大的激光照射头，如果从机械设置的空间考虑，图4(b)所示的配置是有利的。
尤其是外壳和封口板采用铝的场合下，要求高的激光输出，随着输出增大激光头也增大，图4(b)所示的有方向性的机械配置就不能满足空间要求。主要基于这个理由，激光束3a～3d分别以与水平方向夹角α的朝下的照射角度对对接线4入射，可以增加电池批量生产时的生产率，同时可以减少焊接缺陷。
作为激光焊接的顺序，以与长边a、b和短边c、d平行的直线，用四条激光束3a、3b、3c、3d对包含拐角e的各边a、b、c、d同时进行焊接操作，即使不把载置的封口板临时固定在方形外壳1上，也可以进行不发生位置移动的高效率焊接加工。
另外，可以同时焊接对置的两边如包含各拐角e的短边c、d，然后再对包含拐角e的剩余两边同时进行焊接。另外，如果在将封口板2载置于方形外壳1上的状态下，以不会发生位置偏移的方式进行临时固定，则也可以从包含拐角的任意一边开始依次进行焊接。
下面，说明在方形外壳的上端开口部分的外形尺寸中，长边侧和短边侧中的至少一方比封口板外形尺寸短的优点。优点有二，其一是在用图4(a)所示的分离模进行对接时有利，其二是激光以朝下的照射角度α入射时，大大提高溶接的可靠性。
首先说明第一点。为了使封口板和外壳的对接线高精度重合，采用图4(a)所示的分离模，通过紧固分离模确定各部件的位置。
此时，如果封口板的外形比外壳的外形大，由于分离模一直紧固到外壳的侧面，必然导致封口板不能保持水平而是在分离模内倾斜，造成变形。而且，以外壳的侧面为基准在分离模内滑动使焊接面在上部露出时，不能平滑地滑动，封口板受到摩擦，导致变形产生等。
本来希望使封口板和外壳外形尺寸相同，但考虑到金属的加工精度，即使在设计上是相同尺寸，也会出现封口板更大的情况。因此，以在考虑到加工精度的情况下，即使封口板最大时仍然不会大于外壳外形尺寸的方式进行设计，就有利于使上封口板的外形减小。
下面，说明第二点。由于激光焊接是将激光照射部位熔融并与结合面结合在一起的方法，若在焊接部分有间隙，容易在这些部分产生孔洞导致严重的焊接缺陷。还会出现因接合面的固定不良而导致在接合面上出现台阶的情况。在这种情况下，由于激光的入射角度，有一部分成为台阶的阴影部分，激光的照射输出弱，得不到必需的熔流，从而导致不能确保必要的焊接强度。为了确认这种现象，测定了封口板和外壳之间的间隙和偏移量与激光焊接性能的关系。结果如图5所示。图5(a)、(b)中，X轴是图示的外壳1和封口板2的偏移量，Y轴是间隙的大小。激光从图5所示的方向(与水平方向夹角15°下斜)照射。图右侧(X为正)是封口板从外壳外形向内缩的情况，图左侧(X为负)是相对于外壳封口板向外伸出的情况。且图的上侧(Y变大)是间隙增加的方向。
另外，在图5(b)中，轴的数值是以对封口板厚度的比率(％)的方式示出的各偏移量、间隙量的大小。做成不同偏移量、间隙量的试样。进行焊接试验，结果在图中带斜线部分的区域是可实现确定焊接的范围。
随着图中X值变负，最合适区域急剧地变窄。认为这是由于若封口板从外壳伸出，进行焊接时对接线处于封口板的阴影中，部分地遮挡了激光而造成的。因此封口板的外形比外壳外形小时更有利。
作为激光的入射角度，在本实施例中是相对于水平方向夹角15度，根据分离模的形状和固定方法，若与水平方向夹角小于5度，不易实现可靠性高的焊接。另外，相反地，若与水平方向的夹角大于45度，从上面入射，很显然就大大缺乏从侧面入射的效果。
因此，入射角优选为5～45度，其中尤其7～25度在种种试验中更优选(图6)。图6是入射角变化时，激光焊接失误率的变化示图。
下面，说明在方形外壳的上端开口内设置嵌入的凹部的优点。图7所示的方形电池，构成为在封口端激光焊接封口板8，将方形外壳1密封，其中该封口板8上形成有可把方形外壳1的开口端嵌入的嵌入部。如图8所示的部分剖面图所示，上述封口板8设计为，形成有可嵌入方形外壳1的开口端内的嵌入部(凹部)8a，如图所示从方形外壳1的侧面对方形外壳1和封口板8的对接线4照射激光束3，进行焊接时，在因加工误差导致在对接线4处生成间隙的场合以及熔流量超过方形外壳1的板厚的场合下，由于将嵌入部8a塞入对接线4的电池内部侧，熔融的隔板不会在电池内部飞散。激光焊接是，如上述图3(a)所示，用与各边a、b、c、d的直线平行的激光束3a～3d，扫描对接线4进行焊接。如图8所示激光束3的照射方向与水平方向成夹角15度向下倾斜。在如上说明的实施例中，在用与各边a、b、c、d平行的激光束3a～3d进行扫描时，各曲线状拐角e与激光束3的焦点位置相距较远，因此拐角e处的激光焊接能力低。即，如图9所示可以看到激光束3a位于扫描开始位置时是位于拐角e的曲线上，扫描长边a的位置和激光束3a的焦点位置具有最大距离差β。在该状态下在扫描结束位置也是同样地，如图9所示的激光束3c，扫描短边c的位置和激光束3c的焦点位置也具有最大距离差β。用下面所述的焊接方法可以消除这种因距离差β造成的拐角e的焊接强度的下降。第一种方法，在激光束3a～3d位于拐角e处的扫描位置上时，根据与各边a～d的距离差改变激光输出。即，通过增加激光输出来弥补离焦点位置远的拐角处的焊接能力低下，从而沿对接线4整圈实现均匀的焊接。第二种方法，在激光束3a～3d位于拐角e处的扫描位置上时，根据与各边a～d的距离差相应地改变激光脉冲的发射时间间隔，即，距离差越大，激光脉冲的发射时间间隔越短，进行随距离差增大使激光脉冲的发射时间间隔变短的控制。由于根据激光脉冲的发射时间间隔变化，可用激光束3的每单位时间的照射量弥补距离差，所以可沿对接线4整圈实现均匀的焊接。
如上所述，根据本发明，在上述方形外壳的上部端口上，对接与该上端开口形状相同的封口板，从该方形外壳的侧面向方形外壳和封口板的对接线照射激光束，解决了通过接合面间隙的光直接烧损隔板的课题。方形外壳的上端开口部分的外形尺寸比长边侧或短边侧的封口板的外形尺寸大，使从方形外壳侧面向斜下方照射的激光入射，在批量生产时，封口板和外壳可以以高精度的接合面进行结合，同时激光不存在成为阴影的部分，可以提高焊接的可靠性。而且，将在封口板上形成的凹部嵌入方形外壳的上面开口内，使封口板和方形外壳的上端开口对接，通过在外周部用上述凹部塞入方形外壳和封口板对接的对接线内侧，从方形外壳的侧面方向用激光束扫描对接线进行焊接，可以防止隔板进入电池内部。另外，即使在激光焊接造成的熔流量超过方形外壳的板厚时，超过板厚的熔流量到达凹部为止，可以防止焊接造成的金属熔融物进入电池内部。
Claims (4)
1.一种方形电池的制造方法，该方形电池中，发电元件收存在有底的方筒形状的方形外壳内，该方形外壳的上端开口是其四边是直线而各拐角是具有预定曲率半径的曲线的四边形，通过在该方形外壳的上端开口上激光焊接封口板，密封方形外壳的上端开口，该方法特征在于：
在上述方形外壳的上部端口上，对接与该上端开口形状相同的封口板，用从该方形外壳的侧面向斜下方照射的激光束，向方形外壳和封口板的对接线入射，通过用该激光束扫描对接线，实现方形外壳和封口板之间的焊接；且
封口板的外形尺寸的长边和短边中的至少一方，比有底筒状的方形外壳的上端开口部的外形尺寸小。
2.如权利要求1所述的方形电池的制造方法，其特征在于：
在形成有底筒状的方形外壳的上端开口形状的同时，在上述封口板上设计形成可嵌入方形外壳上端开口内的凹部，在上述凹部嵌入方形外壳的上端开口中的状态下，使方形外壳和封口板对接，用从方形外壳侧面向斜下照射的激光束，入射到方形外壳和封口板周缘部分的对接线上。
3.如权利要求1所述的方形电池的制造方法，其特征在于：
从方形外壳向斜下方照射的激光束，具有与外壳侧面的垂线成夹角5～45度的入射角。
4.如权利要求1所述的方形电池的制造方法，其特征在于：
同时焊接相对置的两个边，然后再依次焊接剩余的两个边。
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