JP2012035296A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１部材と第２部材とを溶接することができ、かつ、溶接後の第１部材の腐食を抑制することができる溶接方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様は、外装缶１０と電極集電板２０とを重ね合わせた状態で外装缶１０における電極集電板２０との接触面とは反対側の面からＹＡＧレーザを照射して外装缶１０と電極集電板２０とのレーザ溶接を行う溶接方法において、ＹＡＧレーザの出力エネルギをＷとし、ＹＡＧレーザの照射時間をＴとし、ＹＡＧレーザの照射回数をｎとし、ＹＡＧレーザの照射面積をＳとし、電極集電板２０における溶け込み量をＴｈとし、外装缶１０の比重をＳＧとし、外装缶１０の融点をＭｐとし、外装缶１０の定圧比熱をＣｐとし、Ｙ＝（Ｗ×Ｔ×ｎ）／（Ｓ×Ｔｈ×ＳＧ×Ｍｐ×Ｃｐ）とするときに、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすこと、を特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、重ね合わせた第１部材と第２部材とをレーザを用いて溶接する溶接方法に関するものである。

従来から、正負の電極体を捲回して形成された電極捲回体を有する電池（二次電池）として、円柱状の電極捲回体を円筒状の外装缶に収納してなる円筒型の電池が存在する。
このような円筒型の電池の製造方法において、負極の電極体が接合される負極集電板と外装缶とを接合する工程では、外装缶と負極集電板と重ね合わせてレーザを用いて溶接する。ここで、溶融温度の異なる異種金属の接合の場合には、溶融温度の高い金属に合わせて溶接条件を設定する必要がある。例えば外装缶の材質が鋼板の表面にニッケルのメッキ層が形成されたニッケルメッキ鋼であり、負極集電板の材質が銅である場合には、溶融温度の高いニッケルに合わせて溶接条件を設定する。

しかしながら、このとき外装缶の外側のニッケルのメッキ層の厚みが小さいと、溶接時に発生するスパッタによりメッキ層が偏り、このメッキ層の内側にある鉄部が剥き出しになってしまうおそれがある。そして、このように鉄部が剥き出しになると、例えば電池を車に搭載したときに外部から電池に対し水分と塩素等の物質を含む融雪剤や塩水が付着した場合に、この剥き出しになった鉄部を基点として腐食が発生してしまう。

ここで、特許文献１には、レーザ溶接の溶接方法に関する技術が開示されている。具体的には、ワークの比熱、ワークの密度、ワークが溶融に至るまでの温度、溶融部の深さ、溶融部の幅から算出したワークへのレーザによる入熱量に応じて、レーザの出力およびレーザの走査速度を決定する技術が開示されている。

特開２００７−２６０７４３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、照射するレーザのエネルギ量を規定するレーザの出力エネルギや照射時間や照射回数などを制限していない。そのため、算出された入熱量によってはレーザのエネルギ量が大きくなり過ぎる場合がある。この場合、ワークのメッキ層が偏り、このメッキ層の内側が剥き出しになってしまうおそれがある。すると、その後のワークが使用される環境によっては、ワークのメッキ層の内側にて腐食が促進されるおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、第１部材と第２部材とを溶接することができ、かつ、溶接後の第１部材の腐食を抑制することができる溶接方法を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、第１部材と第２部材とを重ね合わせた状態で前記第１部材における前記第２部材との接触面とは反対側の面からレーザを照射して前記第１部材と前記第２部材とのレーザ溶接を行う溶接方法において、前記レーザの出力エネルギをＷとし、前記レーザの照射時間をＴとし、前記レーザの照射回数をｎとし、前記レーザの照射面積をＳとし、前記第２部材における溶け込み量をＴｈとし、前記第１部材の比重をＳＧとし、前記第１部材の融点をＭｐとし、前記第１部材の定圧比熱をＣｐとし、Ｙ＝（Ｗ×Ｔ×ｎ）／（Ｓ×Ｔｈ×ＳＧ×Ｍｐ×Ｃｐ）とするときに、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすこと、を特徴とする。

本発明によれば、第１部材と第２部材とを溶接することができ、かつ、溶接時のスパッタによる第１部材のレーザの照射面の剥がれが抑制され、溶接後の第１部材の腐食を抑制することができる。

上記の態様においては、前記第１部材の材質はニッケルメッキ鋼であり、前記第２部材の材質は銅であること、が好ましい。

かかる態様によれば、溶接時のスパッタによるニッケルメッキ鋼のニッケルメッキの剥がれが抑制され、溶接後のニッケルメッキ鋼の内部の鉄の腐食を抑制することができる。

上記の態様においては、前記第１部材は電池の外装缶であり、前記第２部材は前記外装缶の内部に設けられた電極集電板であること、が好ましい。

かかる態様によれば、電池の外装缶と電極集電板とを溶接することができ、かつ、溶接時のスパッタによる外装缶のレーザの照射面の剥がれが抑制される。そのため、溶接後に外装缶に対し例えば水や塩素等の物質が付着しても、外装缶が腐食することを抑制することができる。

上記の態様においては、前記電極集電板は負極の電極体に接合していること、が好ましい。

本発明に係る溶接方法によれば、第１部材と第２部材とを溶接することができ、かつ、溶接後の第１部材の腐食を抑制することができる。

電池の外観図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 外装缶の底部と負極集電板の凸部との溶接部分の拡大図である。 最適な溶接条件の検証方法を表したフローチャート図である。 レーザのパルス波形を示す図である。 比較例１，２と実施例１〜３における各検証条件と溶け込み量との一覧表を示す図である。 検証結果の一覧表を示す図である。 実施例４，５における各検証条件と溶け込み量との一覧表を示す図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施形態においては、第１部材と第２部材とを溶接する溶接方法の一例として、電池１における外装缶１０と負極集電板２０とを溶接する溶接方法を例に挙げて説明する。なお、負極集電板２０は、本発明の「電極集電板」の一例である。

〔電池の構造〕
まず、電池１の構造の概要について説明する。図１は電池１の外観図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。
図１に示すように、電池１は円筒状に形成された円筒型電池であり、外装缶１０、正極端子１２、負極端子１３などを有する。外装缶１０は円筒状に形成され、鋼板の表面にニッケルのメッキ層が形成されたニッケルメッキ鋼板（以下、Ｆｅ−Ｎｉ鋼板という）により形成されている。

そして、図３に示すように、負極端子１３が位置する側（図３の下側）の外装缶１０の端面には、当該端面の周縁部よりも中心側の位置において負極端子１３が位置する側に突出するように凸状に形成された底部１４が設けられている。この底部１４は、電池１の中心軸方向の断面についてコの字に形成されている。

また、図２と図３に示すように、外装缶１０の内部には円筒状の電極捲回体１６が収納され、さらに不図示のアルカリ電解液が注入されている。そして、図２に示すように、外装缶１０の正極側（図２の上端部側）は、金属製の正極端子１２とパッキン部材３６により封止されている。

電極捲回体１６は、円柱形状の捲回芯１８に正極の電極体（不図示）と負極の電極体（不図示）とを捲回したものである。そして、外装缶１０の底部１４と電極捲回体１６との間には負極集電板２０が設けられている。負極集電板２０は、電極捲回体１６が位置する側（図３の上側）から見たときに円形状に形成され、この円形状の中心付近に外装缶１０の底部１４が位置する側（図３の下側）に突出するように凸部２２が設けられている。この凸部２２は、電池１の中心軸方向の断面についてコの字に形成されている。凸部２２の下面２４は、外装缶１０の底部１４と溶接されている。また、凸部２２よりも外周側に位置する部分の上面２６は、電極捲回体１６を構成する負極の電極板と接合している。なお、電極捲回体１６を構成する正極の電極板は、正極集電板２８を介して正極端子１２と接合している。

図４は、外装缶１０の底部１４と負極集電板２０の凸部２２との溶接部分の拡大図である。本実施形態においては、外装缶１０はＦｅ−Ｎｉ鋼板で形成され、負極集電板２０は銅板で形成されている。そして、図４に示すように、外装缶１０の底部１４は、負極集電板２０の凸部２２が位置する側から外装缶１０の外側に向かって順に、内側ニッケルメッキ部３０、鉄部３２、外側ニッケルメッキ部３４を構成している。

〔電池の製造方法〕
次に、前記のような構成を有する電池１の製造方法について、外装缶１０と負極集電板２０とを溶接する溶接方法を重点的に説明する。そこで、まず、電池１の製造方法の概要について説明する。

＜製造方法の概要＞
電池１の製造方法においては、まず、捲回工程として、捲回芯１８に正極の電極体と負極の電極体とをセパレータ（不図示）を介在させて渦巻き状に捲き回して、円筒状の電極捲回体１６を作成する。
次に、集電板接合工程として、電極捲回体１６に負極集電板２０と正極集電板２８とを溶接などにより接合する。
次に、外装缶接合工程として、電極捲回体１６、捲回芯１８、負極集電板２０、正極集電板２８を外装缶１０の内部に挿入して、外装缶１０の底部１４と負極集電板２０の凸部２２とを溶接する。
次に、封止工程として、外装缶１０の内部にアルカリ電解液を注入後、正極端子１２と正極集電板２８とを溶接し、さらに外装缶１０の開口部を正極端子１２とパッキン部材３６とにより封止する。
以上により、電池１を製造することができる。

＜外装缶と負極集電板との溶接における最適な溶接条件について＞
このような電池１の製造方法の各工程のうち、外装缶接合工程における外装缶１０と負極集電板２０との溶接方法において、本発明では最適な溶接条件を提案する。

まず、外装缶接合工程における外装缶１０と負極集電板２０との溶接方法の概要について説明する。
外装缶接合工程では、図４に示すように、外装缶１０と負極集電板２０とを重ね合わせた状態で、外装缶１０における負極集電板２０との接触面とは反対側の面からＹＡＧレーザを照射して、外装缶１０と負極集電板２０とのレーザ溶接を行う。詳しくは、外装缶１０の底部１４の第１面３８と負極集電板２０の凸部２２の下面２４とを合わせた状態で、外装缶１０の外側から外装缶１０の底部１４の第２面４０にＹＡＧレーザを照射して、外装缶１０と負極集電板２０とのレーザ溶接を行う。なお、本実施例では、ＹＡＧレーザの照射角度θを２５°としている。ここで、ＹＡＧレーザの照射角度θとは、外装缶１０の第２面４０に垂直な方向（図４の上下方向）とＹＡＧレーザを照射する方向とが交わる角度である。

次に、外装缶１０と負極集電板２０との溶接における最適な溶接条件を見出すために行った検証について説明する。ここで、最適な溶接条件とは、外装缶１０の底部１４と負極集電板２０の凸部２２とを確実に接合でき、かつ、外装缶１０の底部１４における鉄部３２が剥き出しにならない条件である。

まず、最適な溶接条件の検証方法について説明する。この検証においては、外装缶１０の底部１４を形成するＦｅ−Ｎｉ鋼板のサンプルと、負極集電板２０の凸部２２を形成する銅板のサンプルとを使用した。使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板の厚みと銅板の厚みは、表１に示すとおりである。

図５は、最適な溶接条件の検証方法を表したフローチャート図である。なお、比較例１，２と実施例１〜３の各条件を選定して検証を行った。
図５に示すように、まず、照射するレーザのパルス条件（出力条件）の選定として、図６に示すようなパルス波形により照射するときのレーザの出力エネルギと、パルス時間と、照射間隔時間などの各条件を選定する（ステップＳ１）。今回の検証においては、最大出力エネルギを１１．８Ｊ、パルス時間を２０ｍｓｅｃ／回、照射間隔を３ｓｅｃと選定した。

そして、このように選定したレーザのパルス条件により、Ｆｅ−Ｎｉ鋼板と銅板とを重ね合わせた状態でＦｅ−Ｎｉ鋼板における銅板との接触面とは反対側の面にＹＡＧレーザを照射してレーザ溶接を行い、前記の図４に示す銅板における溶け込み量Ｔｈを確認した（ステップＳ２）。ここで、溶け込み量Ｔｈは、図４の上方向について内側ニッケルメッキ部３０から銅板（負極集電板２０の凸部２２）における溶融部分の先端までの距離である。

また、図７に比較例１，２と実施例１〜３における各検証条件と溶け込み量Ｔｈとを示す。ここで、図７における溶接条件パラメータＹは、以下の式により導き出されるものである。

ここで、「Ｗ」はＹＡＧレーザの出力エネルギ、「Ｔ」はＹＡＧレーザの照射時間、「ｎ」はＹＡＧレーザの照射回数、「Ｓ」はＹＡＧレーザの照射面積、「Ｔｈ」は溶け込み量、「ＳＧ」はＦｅ−Ｎｉ鋼板の比重、「Ｍｐ」はＦｅ−Ｎｉ鋼板の融点、「Ｃｐ」はＦｅ−Ｎｉ鋼板の定圧比熱である。

そして、溶け込み量Ｔｈを確認した後に、溶接部分のクラック（剥離）の有無を確認した（ステップＳ３）。
そして、溶接部分のクラックが無いことを確認できた場合（ステップＳ４）には、さらに、Ｆｅ−Ｎｉ鋼板の腐食状態の確認を行った（ステップＳ５）。腐食状態の確認方法としては、次のように行った。まず、熱衝撃試験として、１サイクルとして溶接部分の温度を−４０℃と６５℃に変化させて溶接部分に結露を発生させ、これを合計４２サイクル（１００時間）行った。そして、腐食状態の評価として、溶接面積に対する腐食面積の割合を基準に判断した。具体的には、例えば、一辺４．０ｍｍの正方形の溶接面積の各辺を１０等分し、合計１００マスのうち腐食しているマスの割合を算出して判断した。なお、１マスにおいて５０％以上腐食している場合には、そのマスは腐食していると定義した。また、断面観察により、腐食が最も進んでいる場所の深さ方向への腐食量を測定した。

次に、以上のような検証方法によって得られた検証結果について説明する。図８は、溶接条件パラメータＹと腐食状態の結果と腐食量の結果とを示す図である。
ここで、最適な溶接条件として、腐食状態は４０％以下、腐食量は０．２０ｍｍ以下を満たすことを推奨する。すると、図８に示すように、最適な溶接条件は、実施例１，２，３の溶接条件であることが分かった。すなわち、最適な溶接条件は、１９３≦Ｙ≦２５４０を満たす条件であることが分かった。なお、比較例１の溶接条件では、溶接部分にクラック（剥離）が有ることが確認され、確実に溶接ができていなかった。また、比較例２の溶接条件では、溶接部分にクラック（剥離）はなかったが、腐食状態が７０〜８０％、腐食量が０．４０ｍｍであり、鉄部３２の腐食が進んでいた。

また、実施例４として、異なる仕様のＦｅ−Ｎｉ鋼板のサンプルを使用して同様に検証を行った。実施例４で使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板の厚みと銅板の厚みは、表２に示すとおりである。

表２に示すように、実施例４で使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板の鉄部３２の厚みと外側ニッケルメッキ部３４の厚みは、前記の表１に示したＦｅ−Ｎｉ鋼板の鉄部３２の厚みと外側ニッケルメッキ部３４の厚みと異なっている。そして、この表２に示す仕様のＦｅ−Ｎｉ鋼板と銅板とを使用して、図９に示す溶接条件でレーザ溶接を行った。図９に示すように、溶接条件パラメータＹ＝１１６８とした。
すると、検証結果は腐食状態が４０％以下、腐食量が０．２０ｍｍ以下となり、溶接条件パラメータＹ＝１１６８とした実施例４の溶接条件も、最適な溶接条件であることが分かった。

さらに、実施例５として、異なる仕様のＦｅ−Ｎｉ鋼板のサンプルを使用して同様に検証を行った。実施例５で使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板の厚みと銅板の厚みは、表３に示すとおりである。

表３に示すように、実施例５で使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板は、前記の表１で示したＦｅ−Ｎｉ鋼板と厚みが異なっている。また、表３に示すように、実施例５で使用したＦｅ−Ｎｉ鋼板の鉄部３２の厚みと外側ニッケルメッキ部３４の厚みは、前記の表１に示したＦｅ−Ｎｉ鋼板の鉄部３２の厚みと外側ニッケルメッキ部３４の厚みと異なっている。そして、この表３に示す仕様のＦｅ−Ｎｉ鋼板と銅板とを使用して、前記の図９に示す溶接条件で溶接を行った。図９に示すように、溶接条件として溶接条件パラメータＹ＝１１６８とした。
すると、検証結果は腐食状態が４０％以下、腐食量が０．２０ｍｍ以下となり、溶接条件パラメータＹ＝１１６８とした実施例５の溶接条件も、最適な溶接条件であることが分かった。

このように、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすことにより、鉄部３２の厚みや外側ニッケルメッキ部３４の厚みに依存することなく最適な溶接条件となることが分かった。そのため、外側ニッケルメッキ部３４の第２面４０における凹凸やニッケルメッキの偏りを小さくできるので、鉄部３２を露出しにくくできることが分かった。
そこで、電池１の製造方法の外装缶接合工程において、外装缶１０と負極集電板２０とのレーザ溶接による溶接方法では、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすように溶接条件を選定することを提案する。

以上のように、本実施形態の溶接方法によれば、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすことにより、外装缶１０と負極集電板２０とを溶接することができ、かつ、溶接時のスパッタによる外装缶１０の外側ニッケルメッキ部３４の剥がれが抑制される。そのため、溶接後に外装缶１０に対し例えば水や塩素等の物質が付着しても、外装缶１０における鉄部３２の腐食を抑制することができる。したがって、電池１を例えば車に搭載したときに電池１に外部から融雪剤や塩水が付着しても、鉄部３２を基点として腐食が発生することを抑制できる。

上記した実施の形態においては、外装缶１０と負極集電板２０との溶接について説明したが、これに限定されず、本発明は外装缶１０と正極集電板との溶接についても適用が可能である。

なお、さらに、外装缶１０の外側ニッケルメッキ部３４の厚みを大きくしたり、レーザ溶接後に溶接部分に再度ＹＡＧレーザを照射して外側ニッケルメッキ部３４の表面を溶融させたり、レーザ溶接後に外側ニッケルメッキ部３４の厚みが小さくなった部分にニッケルメッキを施してもよい。これにより、より確実に外装缶１０の外側ニッケルメッキ部３４の剥がれが抑制され、より確実に外装缶１０における鉄部３２の腐食を抑制することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
上記した実施の形態においては、電池１の外装缶１０と負極集電板２０との溶接について説明したが、これに限定されず、本発明は電池以外の部品である金属製の部材を複数重ね合わせた状態でレーザ溶接する溶接方法においても適用が可能である。

１ 電池
１０ 外装缶
１２ 正極端子
１３ 負極端子
１４ 底部
１６ 電極捲回体
２０ 負極集電板
２２ 凸部
２４ 下面
２６ 上面
３０ 内側ニッケルメッキ部
３２ 鉄部
３４ 外側ニッケルメッキ部
３８ 第１面
４０ 第２面
Ｙ 溶接条件パラメータ
Ｗ 出力エネルギ
Ｔ 照射時間
ｎ 照射回数
Ｓ 照射面積
Ｔｈ 溶け込み量
ＳＧ 比重
Ｍｐ 融点
Ｃｐ 定圧比熱

Claims (4)

1. 第１部材と第２部材とを重ね合わせた状態で前記第１部材における前記第２部材との接触面とは反対側の面からレーザを照射して前記第１部材と前記第２部材とのレーザ溶接を行う溶接方法において、
   前記レーザの出力エネルギをＷとし、前記レーザの照射時間をＴとし、前記レーザの照射回数をｎとし、前記レーザの照射面積をＳとし、前記第２部材における溶け込み量をＴｈとし、前記第１部材の比重をＳＧとし、前記第１部材の融点をＭｐとし、前記第１部材の定圧比熱をＣｐとし、Ｙ＝（Ｗ×Ｔ×ｎ）／（Ｓ×Ｔｈ×ＳＧ×Ｍｐ×Ｃｐ）とするときに、１９３≦Ｙ≦２５４０の条件を満たすこと、
   を特徴とする溶接方法。
2. 請求項１の溶接方法において、
   前記第１部材の材質はニッケルメッキ鋼であり、前記第２部材の材質は銅であること、
   を特徴とする溶接方法。
3. 請求項１または２の溶接方法において、
   前記第１部材は電池の外装缶であり、前記第２部材は前記外装缶の内部に設けられた電極集電板であること、
   を特徴とする溶接方法。
4. 請求項３の溶接方法において、
   前記電極集電板は負極の電極体に接合していること、
   を特徴とする溶接方法。

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