JP2008084803A - Manufacturing method of gastight battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、連続発振(CW:continuous wave)型レーザ溶接装置を用いて溶接した密閉型電池の製造方法に関し、特にCW型レーザ溶接装置を用いて100mm/s以上の高速でアルミニウム系金属製の外装缶と蓋板とを封じることができるようにした密閉型電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a sealed battery welded using a continuous wave (CW) laser welding apparatus, and more particularly, an aluminum-based metal made at a high speed of 100 mm / s or more using a CW laser welding apparatus. The present invention relates to a method for manufacturing a sealed battery capable of sealing an outer can and a cover plate.
携帯型の電子機器の急速な普及に伴い、それに使用される電池への要求仕様は、年々厳しくなり、特に小型・薄型化、高容量でサイクル特性が優れ、性能の安定したものが要求されている。そして、二次電池分野では他の電池に比べて高エネルギー密度であるリチウム非水電解質二次電池が注目され、このリチウム非水電解質二次電池の占める割合は二次電池市場において大きな伸びを示している。 With the rapid spread of portable electronic devices, the required specifications for the batteries used for them are becoming stricter year by year, and in particular, small and thin, high capacity, excellent cycle characteristics, and stable performance are required. Yes. In the field of secondary batteries, lithium non-aqueous electrolyte secondary batteries, which have a higher energy density than other batteries, are attracting attention, and the proportion of lithium non-aqueous electrolyte secondary batteries shows a significant increase in the secondary battery market. ing.
このリチウム非水電解質二次電池は、主としてリチウムイオンの吸蔵放出が可能な黒鉛等の炭素質物を負極活物質とし、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、リチウム含有マンガン酸化物(LiMnO2、LiMn2O4)等のリチウム含有遷移金属酸化物を正極活物質とするものが、小型軽量でかつ高容量な電池として広く使用されている。 This lithium non-aqueous electrolyte secondary battery mainly uses a carbonaceous material such as graphite capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode active material, and includes lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium-containing manganese oxide (LiMnO 2, LiMn). Those using lithium-containing transition metal oxides such as 2 O 4 ) as the positive electrode active material are widely used as small, light and high capacity batteries.
ところで、この種の非水電解質二次電池が使用される機器においては、電池を収容するスペースが角形(偏平な箱形)であることが多いことから、発電要素を角形外装缶に収容した角形の非水電解質二次電池が使用されることが多い。このような角形の密閉型非水電解質二次電池の一例を図面を用いて説明する。 By the way, in a device in which this type of non-aqueous electrolyte secondary battery is used, the space for storing the battery is often a rectangular shape (flat box shape). Non-aqueous electrolyte secondary batteries are often used. An example of such a square sealed nonaqueous electrolyte secondary battery will be described with reference to the drawings.
図5は、従来から作製されている角形の密閉型非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。この非水電解質二次電池10は、正極板11と負極板12とがセパレータ13を介して巻回された偏平状の渦巻状電極体14を、角形の電池外装缶15の内部に収容し、蓋板16によって角形の電池外装缶15を密閉したものである。
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional rectangular non-aqueous electrolyte secondary battery produced by cutting in the vertical direction. This nonaqueous electrolyte
偏平状の渦巻状電極体14は、正極板11が最外周に位置して露出するように巻回されており、露出した最外周の正極板11は、正極端子を兼ねる角形の電池外装缶15の内面に直接接触し、電気的に接続されている。また、負極板12は、蓋板16の中央に形成され、絶縁体17を介して取り付けられた負極端子18に対して集電体19を介して電気的に接続されている。
The flat
そして、角形の電池外装缶15は、正極板11と電気的に接続されているので、負極板12と角形の電池外装缶15との短絡を防止するために、偏平状の渦巻状電極体14の上端と蓋板16との間に絶縁スペーサ20を挿入することにより、負極板12と角形の電池外装缶15とを電気的に絶縁状態にしている。
Since the rectangular battery outer can 15 is electrically connected to the
この角形の非水電解質二次電池は、偏平状の渦巻状電極体14を角形の電池外装缶15内に挿入した後、蓋板16を角形の電池外装缶15の開口部にレーザ溶接し、その後電解液注入孔21から非水電解液を注液してこの電解液注入孔21を密閉することにより作製される。このような角形の密閉型非水電解質二次電池は、使用時のスペースの無駄が少なく、しかも電池性能や電池の信頼性が高いという優れた効果を奏するものである。
In this rectangular nonaqueous electrolyte secondary battery, after the flat
ここで下記特許文献1に開示されている密閉型非水電解質二次電池の蓋板を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程を図6を用いて説明する。なお、図6においては図5に示した非水電解質二次電池と同一の構成部分には同一の参照符号を付与して説明することとする。下記特許文献1に開示されている密閉型非水電解質二次電池の蓋板16は略長方形状をしており、中央部に絶縁体17を介して取り付けられた負極端子18が設けられているとともに、周縁部に電解液注入孔21を備えている。この蓋板16は外装缶15の開口内縁に取り付けられた後、蓋板16と電池外装缶15の接合部にパルス的に発振するレーザ光を周方向へ順序よく送りながら断続的に照射することによって溶接ビード列22を形成し、レーザ光照射開始側の溶接ビード列23と照射終了側の溶接ビード列24とを重ね合わせてラップ25を形成することにより、これらのラップ25を判別のための照射痕(マーキング)として利用できるようにしている。
Here, the process of laser welding the lid plate of the sealed nonaqueous electrolyte secondary battery disclosed in Patent Document 1 to the opening of the rectangular battery outer can will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the same components as those of the nonaqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. The
上記特許文献1に開示されている発明で採用されているレーザ溶接は、パルス的に発振するパルスレーザで溶接する方法が採用されている。このとき、パルス的に発振するレーザでは散発的に溶融部が形成されるため、溶接部を密封するためにレーザを1パルス照射したときに得られる溶融スポット径の約1/3をピッチにレーザを走査してシーム溶接を行っている。そのため、溶融スポット径の約2/3の部分は、溶融して一旦凝固した後に再度加熱されて溶融することとなり、溶接速度を上げることは困難である。 The laser welding employed in the invention disclosed in Patent Document 1 employs a method of welding with a pulsed laser that oscillates in a pulsed manner. At this time, a laser that oscillates in a pulse form sporadically forms a melted portion. Therefore, about 1/3 of the melt spot diameter obtained when one pulse of laser is irradiated to seal the welded portion is used as a pitch. Seam welding is performed by scanning. Therefore, a portion of about 2/3 of the melting spot diameter is melted and once solidified and then heated again to be melted, so that it is difficult to increase the welding speed.
すなわち、溶接用パルス発振型レーザのパルス繰り返し数は、最大毎秒200〜500回程度である。この場合、仮にパルスの繰り返し数を毎秒500回としても、溶融スポット径0.7mmとして70%オーバーラップさせるとすると溶接速度は毎秒105mmが限界となる。しかも、密閉型電池のレーザ溶接に用いる条件下ではレーザ発振器の能力からしてパルス繰り返し数は毎秒100〜200回程度が限界となることが多い。したがって、パルス的に発振するパルスレーザ溶接装置を用いて溶接する場合、毎秒100mm以上の高速で溶接することは現実的には実現困難である。 That is, the pulse repetition number of the welding pulsed laser is about 200 to 500 times per second at the maximum. In this case, even if the number of repetitions of the pulse is 500 times per second, if the melting spot diameter is 0.7 mm and the overlap is 70%, the welding speed is limited to 105 mm per second. Moreover, under the conditions used for laser welding of sealed batteries, the number of pulse repetitions is often limited to about 100 to 200 times per second due to the capability of the laser oscillator. Therefore, when welding is performed using a pulsed laser welding apparatus that oscillates in a pulsed manner, it is practically difficult to perform welding at a high speed of 100 mm or more per second.
例えば、アルミニウム合金製の厚み0.4mmの外装缶に厚み2mmの蓋板を嵌合させ、この嵌合部に高エネルギーレーザパルスを照射して溶接する場合、1パルス当たりのエネルギー量は約20J必要である。密閉型電池等の小型の機器に対して微細な溶接が可能なパルスレーザ装置は溶接部の出力が約500W程度であるので、500(W=J/s)/20(J)=25(1/s)であるから、1秒間に約25回のレーザ照射が可能となる。この場合、パルスピッチを0.28mmとすると、溶接速度は25(1/s)×0.28(mm)=7(mm/s)となり、毎秒7mm程度の溶接速度しか得られないことになる。 For example, when a cover plate having a thickness of 2 mm is fitted to an outer can made of aluminum alloy and having a thickness of 2 mm, and welding is performed by irradiating the fitting portion with a high energy laser pulse, the energy amount per pulse is about 20 J. is necessary. Since the output of the welded portion of a pulse laser device capable of fine welding to a small device such as a sealed battery is about 500 W, 500 (W = J / s) / 20 (J) = 25 (1 / S), laser irradiation can be performed about 25 times per second. In this case, if the pulse pitch is 0.28 mm, the welding speed is 25 (1 / s) × 0.28 (mm) = 7 (mm / s), and only a welding speed of about 7 mm per second can be obtained. .
溶接速度を上げるためには、パルス発振型レーザを使用した溶接法に換えてCWレーザを使用した溶接法の適用が考えられる。最近では、出力3kW〜5kW程度の高出力CW型レーザ発振器が実用化されだしたことから、鉄系の板材についてCWレーザでビームを高速に走査させて照射し、溶接する方法が用いられ始めているが、鉄系金属に比べて熱伝導率が高いアルミニウム系金属については、溶接部に加えた熱が広範囲に広がるため、接合したい部分のみを安定して溶かすことができず、CWレーザでの溶接は困難であった。 In order to increase the welding speed, it is conceivable to apply a welding method using a CW laser instead of a welding method using a pulsed laser. Recently, since a high-power CW type laser oscillator with an output of about 3 kW to about 5 kW has been put into practical use, a method of irradiating an iron-based plate material by scanning a beam with a CW laser at high speed and starting welding is being used. However, for aluminum-based metals, which have a higher thermal conductivity than iron-based metals, the heat applied to the welds spreads over a wide range, so that only the parts to be joined cannot be melted stably and welding with a CW laser is possible. Was difficult.
また、電池の蓋板を封じる溶接では、電池のコーナー部分に沿った小さな曲率半径でレーザを操作しなければならないが、レーザ加工ヘッド又は電池をX−Yテーブルで動かしてレーザビームを走査するのではコーナー部分を高速のまま走査させることが困難であり、コーナー部分の曲率半径が小さい部分で溶接速度が落ちてしまう。その結果、コーナー部分では直線部分に比べてレーザによって加熱される時間が長くなり、入熱過多となって溶けすぎて不良になるものが多くなる。 In welding to seal the battery cover plate, the laser must be operated with a small radius of curvature along the corner of the battery, but the laser beam is scanned by moving the laser processing head or battery on the XY table. Then, it is difficult to scan the corner portion at a high speed, and the welding speed is lowered at a portion where the radius of curvature of the corner portion is small. As a result, the corner is heated by the laser for a longer time than the straight part, and excessive heat input causes excessive melting and defects.
一方、上記特許文献2には、図7(a)及び図7(b)に示したように、レーザ溶接部分の溶融深さが比較的浅い浅溶け込み溶接の場合であってもレーザ溶接部分に凝固割れが発生することを抑制する目的で、一端面が開口された箱状の容器本体52とこの容器本体52の開口部を閉塞する蓋体54との接合部58に照射されるレーザ光により容器本体52と蓋体54とを溶接する工程を有する電池容器51の製造方法において、蓋体54における平板部に対して略垂直方向に屈曲されるとともに、容器本体52の開口部の周縁部位に当接される立設部56の板厚をt1、容器本体52の開口部の周縁部位の板厚をt2、前記平板部に対する立設部56の屈曲部から立設部56の端面までの長さをt3とした場合に、1.0mm>t1+t2、t3≧t1+t2の関係を満たすように形成された立設部56と、この立設部56と容器本体52の開口部の周縁部位との接合部58に照射されるレーザ光の照射部位の前記板厚方向での長さをdとおくと、t1+t2≧d≧(t1+t2)/2の関係を満たすように、レーザ光を照射する工程を有する電池容器の製造方法が開示されている。なお、図7(a)はレーザ溶接装置を示す概略構成図であり、図7(b)は電池容器のレーザ溶接部位を説明するための要部の縦断面図である。
On the other hand, in Patent Document 2, as shown in FIGS. 7A and 7B, even in the case of shallow penetration welding where the melting depth of the laser welding portion is relatively shallow, For the purpose of suppressing the occurrence of solidification cracking, the laser beam applied to the
そして、上記特許文献2には、パルスレーザ装置59のレーザ発振器60にコントローラ62を接続し、このコントローラ62によりパルスレーザ装置59からのビームスポット径dを任意の値に調整すること、容器本体52がアルミニウム合金材料の場合にも適用できること、パルスレーザ装置59だけでなくCWレーザを用いて溶接することができることも示されている。しかしながら、上記引用文献2に開示されている電池容器の製造方法では、上記t1〜t3の関係式から明らかなように、容器本体52の開口部の周縁部位の板厚t2と蓋体54の立設部56の板厚t1の合計の厚さは1.0mm未満であることが必須であり、このような薄い容器本体及び蓋体では高強度のアルミニウム系金属からなる電池容器が得られず、しかも、上記特許文献2にはレーザビームの走査速度をどの程度となすかを示唆する記載はない。
In Patent Document 2, a
また、上記特許文献3には、Mgを2.2重量%以上含有するアルミニウム合金材からなる容器本体と蓋との突き合わせ部分をレーザ溶接する際に、レーザ出力が0となる時間を1.0ms以下としてレーザ溶接するアルミニウム合金製の容器の製造方法が示されており、レーザ光としてCWレーザを用いることも示されているが、レーザビームの走査速度をどの程度となすかを示唆する記載はない。 In Patent Document 3, the time when the laser output becomes 0 is 1.0 ms when laser welding is performed on the butt portion between the container body made of an aluminum alloy material containing 2.2 wt% or more of Mg and the lid. A method for manufacturing a container made of aluminum alloy to be laser welded is shown below, and it is also shown that a CW laser is used as the laser beam, but a description suggesting how much the scanning speed of the laser beam will be Absent.
このように、従来、アルミニウム系金属からなる外装缶及び蓋板との間をCWレーザを用いて溶接することが知られてはいたが、このCWレーザを用いて高速で溶接できるようにするとともに、良好な溶接部が得られるようにするための条件については何も知られていなかった。 As described above, it has been known that welding is performed between an outer can made of an aluminum-based metal and a lid plate using a CW laser. However, it is possible to perform welding at a high speed using the CW laser. Nothing was known about the conditions for obtaining a good weld.
本発明は上記従来例の問題点を解決すべくなされたものであって、その目的は、CWレーザを使用してアルミニウム系金属からなる外装缶と蓋板との間の溶接を行うに際し、直線部分だけでなく曲線部分においても高速で溶接を行うことができるようにして加工速度を向上させ、しかも、溶接不良が生じないようにした密閉型電池の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the conventional example. The purpose of the present invention is to provide a straight line when welding between an aluminum-based outer can and a cover plate using a CW laser. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a sealed battery in which not only a portion but also a curved portion can be welded at a high speed to improve a processing speed and to prevent welding failure.
上記目的を達成するため、本発明の密閉型電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板とをレーザビームを照射して溶接することにより封止する密閉型電池の製造方法において、前記レーザビームは、CW型であり、ビームの理論スポット径0.1mm以上0.6mm以下で、出力密度5kW/mm2以上33kW/mm2以下としたことを特徴とする。なお、本発明におけるアルミニウム系金属とは、純アルミニウム金属だけでなく、密閉型電池に普通に採用されているアルミニウム合金も含むものである。 In order to achieve the above object, a method for producing a sealed battery according to the present invention includes irradiating a laser beam to an aluminum metal outer can and an aluminum metal cover plate disposed in an opening of the outer can. In the method for manufacturing a sealed battery sealed by welding, the laser beam is CW type, the beam has a theoretical spot diameter of 0.1 mm to 0.6 mm, and an output density of 5 kW / mm 2 to 33 kW / mm. It is characterized by being 2 or less. The aluminum metal in the present invention includes not only a pure aluminum metal but also an aluminum alloy that is usually employed in a sealed battery.
また、本発明は、上記密閉型電池の製造方法において、前記レーザビームは、走査速度が毎秒100mm以上であり、スキャン装置を用いて走査することを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the above sealed battery manufacturing method, the laser beam has a scanning speed of 100 mm / second or more, and is scanned using a scanning device.
また、本発明は、上記密閉型電池の製造方法において、前記蓋板の溶接部に沿った位置に溝部を設け、前記外装缶よりも前記蓋板を多く溶融させたことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the above-described sealed battery manufacturing method, a groove is provided at a position along the welded portion of the lid plate, and the lid plate is melted more than the outer can.
また、本発明は、上記密閉型電池の製造方法において、前記レーザビームの発生装置として出力1.2kW以上のCW型レーザ発生装置を使用したことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the above sealed battery manufacturing method, a CW type laser generator having an output of 1.2 kW or more is used as the laser beam generator.
本発明は上記製造方法を採用することにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、本発明によれば、CW型のレーザビームを用いて高速でアルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置される蓋板とを溶接することができ、密閉型電池の製造効率が向上する。 The present invention has the following excellent effects by adopting the above manufacturing method. That is, according to the present invention, a CW type laser beam can be used to weld an aluminum-based metal outer can and a lid plate disposed in the opening of the outer can at a high speed. Efficiency is improved.
また、レーザビームの理論集光径(スポット径)は、0.6mm以下であれば小さい方が熱が周囲に広がらない短時間のうちに必要な溶接深度が得られるので好ましいが、あまり小さくても溶接点のずれが生じた場合に溶接不良品の生成割合が上昇するので、外装缶の厚さの1/2程度までが好ましい。外装缶の厚さは一般的に0.2mm〜1mmの範囲のものが使用されているから、レーザビームの理論集光径は0.1mm以上とすることが好ましい。 In addition, if the theoretical condensing diameter (spot diameter) of the laser beam is 0.6 mm or less, a smaller one is preferable because the necessary welding depth can be obtained within a short time in which heat does not spread to the surroundings. However, when the welding point shift occurs, the production ratio of defective welds increases, so it is preferably up to about ½ of the thickness of the outer can. Since the thickness of the outer can is generally in the range of 0.2 mm to 1 mm, the theoretical focused diameter of the laser beam is preferably 0.1 mm or more.
更に、レーザビームの出力密度は、5kW/mm2以上であればアルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置される蓋板とを溶接することができるが、あまり出力密度が大きすぎても溶けすぎるために好ましくない。アルミニウム合金製の厚み0.4mmの外装缶に厚み2mmの蓋板を嵌合させ、この嵌合部に高エネルギーレーザパルスを照射して溶接する場合、出力密度は5kW/mm2〜33kW/mm2の範囲で溶接できることが確認できたが、溶接面の状態がばらついても良好に溶接できるようにするためには6.5kW/mm2以上11kW/mm2以下が好ましい。なお、出力密度は、照射光学系を調整して焦点をずらすことによって、低下させることが可能である。 Furthermore, if the output density of the laser beam is 5 kW / mm 2 or more, the aluminum-based metal outer can and the lid plate arranged at the opening of the outer can can be welded, but the output density is too high. Too much is not preferable because it is too soluble. When a cover plate with a thickness of 2 mm is fitted to an outer can made of aluminum alloy with a thickness of 0.4 mm and the fitting part is irradiated with a high energy laser pulse and welded, the output density is 5 kW / mm 2 to 33 kW / mm. Although it was confirmed to be able to weld in a second range, in order to be welded to better vary the state of the welding surface is preferably 6.5 kW / mm 2 or more 11kW / mm 2 or less. The power density can be lowered by adjusting the irradiation optical system and shifting the focus.
また、本発明によれば、従来は高速で溶接することが困難であったアルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置される蓋板との間の溶接を、レーザビームをスキャン装置を用いて走査することにより、密閉型電池の直線部分だけでなく曲線部分でも、更には角部でも、走査速度100mm/sという高速でレーザ溶接することができるようになる。 In addition, according to the present invention, laser beam scanning is used for welding between an aluminum-based metal outer can and a lid plate disposed at the opening of the outer can, which has conventionally been difficult to weld at high speed. By scanning using the apparatus, laser welding can be performed at a high scanning speed of 100 mm / s not only on the straight line portion but also on the curved portion or even the corner portion of the sealed battery.
また、本発明によれば、蓋板の溶接部に沿った位置に溝部を設けたため、溶接部に加えられた熱が広範囲に広がることがなくなり、外装缶よりも蓋板を多く溶融するようになるため、外装缶の溶融した部分が外側に垂れることがなくなり、寸法精度の良好な密閉型電池を製造することができるようになる。 Further, according to the present invention, since the groove portion is provided at a position along the welded portion of the lid plate, the heat applied to the welded portion does not spread over a wide range, and the lid plate is melted more than the outer can. Therefore, the melted portion of the outer can does not sag outside, and a sealed battery with good dimensional accuracy can be manufactured.
また、本発明によれば、CWレーザは出力1kW程度あれば一応100mm/s以上の走査速度で溶接することができるが、CWレーザの出力密度を5kW/mm2以上とするには出力1.2kW以上望ましい。なお、レーザ装置の出力は大きい方がよいが、あまり大きすぎると高価となりすぎるので、経済性を考慮して適宜選択すればよい。 Further, according to the present invention, if the CW laser has an output of about 1 kW, it can be welded at a scanning speed of 100 mm / s or more. However, in order to increase the output density of the CW laser to 5 kW / mm 2 or more, output 1. 2 kW or more is desirable. The output of the laser device should be large, but if it is too large, it will be too expensive, so it may be selected as appropriate in consideration of economy.
以下、本願発明を実施するための最良の形態を角形の密閉型電池に対してCW型のレーザビームを使用して溶接した場合を例にとり、各種実験例により詳細に説明する。ただし、以下に示す実験例は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明をこの実験例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail by various experimental examples, taking as an example the case of welding a square sealed battery using a CW type laser beam. However, the following experimental examples are given for the purpose of understanding the technical idea of the present invention, and are not intended to specify the present invention as the experimental examples. The present invention can equally be applied to those in which various modifications are made without departing from the technical idea shown in.
[予備実験1]
予備実験1として、アルミニウム合金製の厚み0.4mmの外装缶に厚み2mmの蓋板を嵌合させ、出力1.6kWのCW型レーザ溶接装置を使用し、これを理論集光径が0.4mmとなるように集光してスキャナで集光点を毎秒120mmの速度で走査した場合のシミュレーション解析を行うとともに実際に同条件で溶接して測定用試料を作製した。その結果を図1に示す。なお、図1(a)は予備実験1における溶接点近傍の縦断面の溶融範囲を示すシミュレーション結果を表し、図1(b)は溶接後の試料の縦断面図である。また、CWレーザの走査は、市販のCWレーザ発振器とレーザスキャンヘッドを組み合わせて使用し、PC制御によってスキャンヘッドのミラーの回転を制御してCWレーザを所定速度で走査した(以下においても同様である)。
[Preliminary experiment 1]
As a preliminary experiment 1, a cover plate having a thickness of 2 mm was fitted into an outer can made of aluminum alloy and having a thickness of 0.4 mm, and a CW type laser welding apparatus having an output of 1.6 kW was used. A sample for measurement was prepared by condensing to 4 mm and performing a simulation analysis when the condensing point was scanned with a scanner at a speed of 120 mm per second and actually welding under the same conditions. The result is shown in FIG. 1A shows a simulation result showing the melting range of the longitudinal section in the vicinity of the welding point in the preliminary experiment 1, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view of the sample after welding. The CW laser scan uses a combination of a commercially available CW laser oscillator and a laser scan head, and scans the CW laser at a predetermined speed by controlling the rotation of the mirror of the scan head by PC control. is there).
図1(a)に示した結果から以下のことが分かる。すなわち、外装缶の外側方向は、金属が繋がっておらず、空気となっている。ところが、空気の熱伝導率は低いため、照射されたレーザによって発生した外装缶側の熱は、熱伝導によって外に逃げる量が少ないため、溶融部分がある程度外側に向かって広がっている。これに対し、蓋板側は金属が繋がっており、この金属の熱伝導率は非常に良好なため、照射されたレーザによって蓋板側に発生した熱は蓋板の内部に急速に伝導されるので温度が下がりやすく、蓋板の横方向の溶融部分は広がっていない。なお、このときの溶接深度は0.24mmであり、溶接部の断面形状は図1(b)に示したとおり、外装缶側の溶融量が多いために外装缶側の高さが蓋板側よりも低くなっていた。 The following can be understood from the result shown in FIG. That is, the outer direction of the outer can is not connected to metal but is air. However, since the thermal conductivity of air is low, the amount of heat on the outer can generated by the irradiated laser is less likely to escape to the outside due to thermal conduction, so the melted portion spreads outward to some extent. On the other hand, metal is connected to the lid plate side, and the heat conductivity of this metal is very good, so the heat generated on the lid plate side by the irradiated laser is rapidly conducted inside the lid plate. As a result, the temperature tends to decrease and the melted portion in the lateral direction of the cover plate does not spread. In addition, the welding depth at this time is 0.24 mm, and the cross-sectional shape of the welded portion has a large amount of melting on the outer can side, as shown in FIG. It was lower than.
[予備実験2]
図1(b)に示した溶接部は一応良好な結果が得られていたが、外装缶と蓋板との間にレーザを照射しても、外装缶側と蓋板側とで溶け方に相違があるため、レーザ照射位置が僅かに外側にずれただけでも蓋板が外装缶と接合しなくなったり、外装缶が溶けすぎて溶接部が外側にまでダレるといった不良を起こしやすくなる。また、蓋板の内側に急激に熱が伝わるため、蓋板の端子部に設けられた樹脂部品が高温に曝され易いので、樹脂部品が熱影響に起因する不良を起こしやすくなる。
[Preliminary experiment 2]
The welded part shown in FIG. 1 (b) had a good result, but even if the laser was irradiated between the outer can and the lid plate, it melted on the outer can side and the lid plate side. Since there is a difference, even if the laser irradiation position is slightly shifted outward, the lid plate is not easily joined to the outer can, or the outer can can be melted too much and the welded portion is likely to be bent outward. In addition, since heat is rapidly transmitted to the inside of the lid plate, the resin component provided on the terminal portion of the lid plate is easily exposed to high temperatures, so that the resin component is liable to be defective due to thermal effects.
そこで、予備実験2として、図2に示したように、蓋板の溶接部近傍に溝部を設け、蓋板の横方向の熱伝導を低下させた場合のシミュレーション解析及び実際に同条件で溶接して測定用試料を作製した。この溝部は、蓋板の端から0.4mm内側に深さ0.25mm、幅0.5mmの大きさに設けたものである。なお、蓋体に溝部を設けた場合の密閉型電池の平面図を図2に示し、溶接点近傍の縦断面の溶融範囲を示すシミュレーション結果を図3(a)に、溶接後の試料の縦断面図を図3(b)に示す。 Therefore, as preliminary experiment 2, as shown in FIG. 2, a groove is provided in the vicinity of the welded portion of the cover plate, and the simulation analysis and actual welding are performed under the same conditions when the heat conduction in the lateral direction of the cover plate is reduced. Thus, a measurement sample was prepared. The groove is provided in a size of 0.25 mm deep and 0.5 mm wide inside 0.4 mm from the end of the cover plate. FIG. 2 shows a plan view of the sealed battery in the case where a groove is provided in the lid, and FIG. 3A shows a simulation result showing a melting range of a longitudinal section in the vicinity of the welding point. A surface view is shown in FIG.
図3(a)に示したシミュレーション結果によれば、溝部を設けたことによって蓋体の内側に逃げる熱量が減ったために蓋体側の溶融量が増加していることが分かる。このように、溝部を設けることによって外装缶よりも蓋体の方を溶けやすくすることができる。実際の溶接部の形状は、図3(b)に示したとおり、実質的に外装缶側も蓋体側も同様の形状をしていた。 According to the simulation result shown in FIG. 3A, it can be seen that the amount of heat on the inside of the lid body is reduced by providing the groove portion, so that the melting amount on the lid side is increased. Thus, by providing the groove portion, the lid can be more easily melted than the outer can. The actual shape of the welded portion was substantially the same on both the outer can side and the lid side as shown in FIG.
[実験例1〜22]
次に、予備実験1の場合と同様の外装缶及び蓋板を用い、CWレーザの理論集光径を0.28mm〜0.6mmの範囲で変化させるとともに、出力密度を3.53kW/mm2〜32.48kW/mm2の範囲で変化させ、更にCWレーザの走査速度を133mm/s〜250mm/sの範囲で変化させて溶接を行った。実験例1〜22のそれぞれの測定条件及び測定結果を表1にまとめて示し、また、出力密度と走査速度との関係を測定結果とともに図4に示した。
[Experimental Examples 1 to 22]
Next, using the same outer can and lid as in the preliminary experiment 1, the theoretical condensing diameter of the CW laser is changed in the range of 0.28 mm to 0.6 mm, and the output density is 3.53 kW / mm 2. Welding was performed by changing the speed in the range of ˜32.48 kW / mm 2 and further changing the scanning speed of the CW laser in the range of 133 mm / s to 250 mm / s. The measurement conditions and measurement results of Experimental Examples 1 to 22 are collectively shown in Table 1, and the relationship between the output density and the scanning speed is shown in FIG. 4 together with the measurement results.
なお、測定結果は、
○ : 溶接面の状態が良好でなくても良好に溶接できたもの
● : 出力密度が強すぎて部分的に溶けすぎるところが存在したもの
(○): ●のものについてデフォーカスすると良好に溶接できたもの
△ : 溶接面の状態が良好であれば良好に溶接できたもの
▲ : 出力密度が弱く、溶接面の状態が良好であれば一応溶接できたもの
× : 溶接できなかったもの
の6段階で評価した。なお、「溶接面の状態」とは、外装缶と蓋体との間の接合面の状態を示し、実際の製造工程ではこの接合面に対して精密加工を行わないため、僅かであるが隙間ができる場合がある。この隙間が少ないものを溶接面の状態が良好なものと表現した。
The measurement result is
○: Welded well even if the welding surface was not good ●: Somewhere the power density was too strong and partly melted (○): Good welding when defocused on ● △: Good welding if the welding surface is good ▲: If the power density is weak and the welding surface is good, welding was possible. ×: We could not weld. evaluated. The “weld surface state” means the state of the joint surface between the outer can and the lid, and since the precision processing is not performed on the joint surface in the actual manufacturing process, there is a slight gap. May be possible. A material having a small gap was expressed as a good welded surface.
表1及び図4に示した結果から、少なくともCWレーザの理論集光径が0.6mm以下の場合、出力密度が5kW/mm2以上33kW/mm2以下であれば一応133mm/s以上の走査速度で溶接できることが確認できた。しかしながら、溶接面の状態がバラついていても良好に溶接できる出力密度の範囲は6.5kW/mm2〜11kW/mm2と考えられる。なお、予備実験2と実験例の結果を鑑みると、蓋体に溝を設けることにより、良好に溶接できる出力密度の範囲は広くなり、溝部がなくても良好に溶接できる範囲に合っては、溶接状態が更に安定することは明らかである。
From the results shown in Table 1 and FIG. 4, at least when the theoretical condensing diameter of the CW laser is 0.6 mm or less, if the output density is 5 kW / mm 2 or more and 33 kW / mm 2 or less, the scanning is 133 mm / s or more. It was confirmed that welding was possible at a speed. However, the range of the power density that can be favorably welded even if the state of the welding surface varies is considered to be 6.5 kW /
また、CWレーザは理論集光径を小さくすれば出力1kW程度あれば一応100mm/s以上の走査速度で溶接することができる。しかしながら、実験例15の結果から明らかなように、理論集光径を0.6mm程度とした場合には、出力密度が小さいために溶接不良となる。理論集光径が0.6mm程度の場合でもCWレーザの出力密度を5kW/mm2以上とするには出力1.2kW以上が望ましい。 In addition, if the theoretical condensing diameter is reduced, the CW laser can be welded at a scanning speed of 100 mm / s or more if the output is about 1 kW. However, as is clear from the results of Experimental Example 15, when the theoretical light collection diameter is about 0.6 mm, the output density is small, resulting in poor welding. Even when the theoretical focused diameter is about 0.6 mm, an output of 1.2 kW or more is desirable in order to make the output density of the CW laser 5 kW / mm 2 or more.
なお、ここでは、外装缶としてアルミニウム合金製の厚み0.4mmのもの、蓋板として同じくアルミニウム合金製の厚み2mmのものを使用し、溝部として蓋板の端から0.4mm内側に深さ0.25mm、幅0.5mmの大きさに設けたものについての測定結果を示したが、外装缶の厚みとしては0.2mm〜1mm、蓋板の厚みとしては0.8mm〜2mm、溝部の深さは0.2mm〜0.5mm、溝部の幅は0.3〜1mm、蓋板の端から溝部までの距離は0.3〜0.6mmに変えてもよく、この範囲内であれば100m/s以上の走査速度でCW溶接を行うことができる。 Here, an aluminum can made of aluminum alloy having a thickness of 0.4 mm and a lid plate having the same thickness made of aluminum alloy having a thickness of 2 mm are used, and the groove portion has a depth of 0 mm inside 0.4 mm from the end of the lid plate. Although the measurement results for those provided with a size of .25 mm and a width of 0.5 mm are shown, the thickness of the outer can is 0.2 mm to 1 mm, the thickness of the cover plate is 0.8 mm to 2 mm, and the depth of the groove portion. The length may be 0.2 mm to 0.5 mm, the width of the groove is 0.3 to 1 mm, and the distance from the end of the cover plate to the groove may be 0.3 to 0.6 mm. CW welding can be performed at a scanning speed of / s or more.
10 非水電解質二次電池
11 正極板
12 負極板
13 セパレータ
14 渦巻状電極体
15 外装缶
16 蓋板
18 負極端子
21 電解液注入孔
22 溶接ビード列
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