JP2012094358A - 金属製の有底又は密閉容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池などの密閉型電池に使用可能な、耐変形能と耐久性に優れた金属製の有底又は密閉容器の生産性に優れた製造方法を提供する。
【解決手段】両端が開放した有限長の金属管よりなる筒形胴体の片端又は両端の金属管壁にプレス加工を施して当該管壁に対して垂直かつ外側に伸びるフランジ部を形成した後、当該フランジ部の上に金属製の底板又は底板と蓋板を載置し、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板をレーザー溶接により接合する。有限長の金属管よりなる筒形胴体としては、角形胴体が好ましい。また、前記底板又は底板と蓋板としては、その全周側端部から容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部へ容器の内側に向かう面を介して繋がった形状を有したものであることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池等を構成する筒形容器として使用される、筒胴体に底板、或いは底板と蓋板を密着して取り付けた金属製の有底又は密閉容器の製造方法に関するものである。

近年、ＡＶ機器や携帯電話やノートパソコン等の、ポータブルな電気・電子機器の普及が急速に進んでいる。これらの電気・電子機器が急速に普及した背景として、駆動用電源としてのアルカリ蓄電池、リチウム二次電池に代表される非水電解液二次電池の高性能化、高容量化が挙げられる。電気自動車やハイブリッド車等、今後、益々の進化が見込まれる機器等の駆動用電源装置として用いられ、その市場規模が急速に拡大してきている。

このような二次電池にあっては、一般に、各種の発電要素が、片側有底の筒形状を呈する、鉄製やアルミニウム製の容器内に収容され、この容器の開口部が所定の蓋板にて封止されるとともに、そこに電極端子が設けられて、構成されている。そして、このような容器にあっては、有底角筒形状に形成された角形容器の開口端に封口板をレーザー溶接により接合して開口端を封口している。
このレーザー溶接は、他の溶接方法に比して容器内部に収容された電解液や電気絶縁部分に対する熱的影響が少なく、作業効率に優れた特徴を有している。

二次電池に限らず、筒胴体に底板、或いは底板と蓋板をレーザー溶接して密着状態で取り付ける方法として、各種の方法が提案されている。
例えば特許文献１では、胴体の開口端部に平板状の封口板を当接させ、胴体と封口板が当接する当接ラインに対して、胴体の側面から斜下方向に照射されるレーザービームを入射させ、このレーザービームにより当接ラインを走査する事によって胴体と封口板との間を溶接することを提案している。
レーザービームの照射角度は異なるが、例えば図１（ａ）に示すように、胴体の側面からレーザービームを照射している。

また、特許文献２では、胴体の長辺側、短辺側の少なくともいずれか一方の対向する面の開口端部の近傍を、外部から中心部へ押圧して変形した胴体に、蓋体を圧入して嵌合した後に、蓋体の上方から、胴体の開口端部内壁面と蓋体側端の当接部にレーザービームを照射して封口することを提案している。
例えば図１（ｂ）に示すように、胴体の側面からではなく、底板側或いは蓋板側からレーザービームを照射している。

特開２０００−１３３２１１号公報 特開２００１−１８５０９２号公報

ところで、レーザー溶接する際には、被接合体同士が隙間なく当接されていることが要求される。このため、前記特許文献１の方法で胴体と封口板との間を溶接しようとすると、胴体端部の平面度を高めることが必要となる。胴体端面に凹凸があると封口板との間の隙間が生じて溶接不良を発生しやすくなるので、胴体端部を高精度にカットする必要がある。
また、特許文献２の方法でも、底板の輪郭形状と、胴体の内寸の寸法差が大きいと溶接不良が発生しやすく、寸法差が小さいと底板を嵌め込む組立て作業が困難となる。すなわち、特許文献２の方法で有底又は密閉容器を製造しようとすると、底板と胴体の嵌め合い精度を高めるべく、部材の寸法精度を高める必要があって、コスト高となってしまう。

そして、特許文献１，２で提案されたいずれの方法にあっても、突合せ溶接を行うことになるため、胴体と封口板又は底板との当接部へのレーザービーム照射の狙い位置精度を高める必要があり、手間を要する作業となる。しかも、用いるビーム径によっては、素材金属板の板厚に制限が加わることもある。
さらに、レーザービーム照射を部分溶け込みとなるような条件で行っても、突合せ部の隙間からスパッターやヒューム等が侵入することがある。例えばこのような態様で製造した角形容器を二次電池のケースとして使用とすると、突合せ部の隙間から侵入した金属粉が電池性能を低下させることになるので、容器製造後に金属粉を洗浄、除去する必要があり、コスト高となる一要因ともなっている。

さらにまた、製造された有底又は密閉容器では、突合せ溶接部は板体がそのまま突き合わせられ部分溶け込み溶接で接合された構造となっているために、耐圧強度もさほど高くない。しかもこの密閉容器を二次電池のケースとして使用したとき、二次電池の充放電時にケース全体が膨らんだり縮んだりするときに前記突合せ溶接部に応力が断続的に付加されるために疲労破壊を起こし易く耐久性が劣るといった問題点もある。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、二次電池などの密閉型電池に使用可能な、耐変形能と耐久性に優れた金属製の有底又は密閉容器の生産性に優れた製造方法を提供することを目的とする。

本発明の金属製の有底又は密閉容器の製造方法は、その目的を達成するため、両端が開放した有限長の金属管よりなる筒形胴体の片端又は両端の金属管壁にプレス加工を施して当該管壁に対して垂直かつ外側に伸びるフランジ部を形成した後、当該フランジ部の上に金属製の底板又は底板と蓋板を載置し、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板を溶接接合することを特徴とする。
有限長の金属管よりなる筒形胴体としては、辺部に引け（窪み）などが生じ易い角形胴体に本発明を適用するのが好ましい。

前記底板又は底板と蓋板は、その外周縁の平面部から容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部へ容器の内側に向かう面を介して繋がった形状を有したものであることが好ましい。さらに、前記容器の内側に向かう面は、被せられる筒形胴体の胴壁内面と接するように底板又は蓋板全体に対して垂直に形成されていることが好ましい。
またさらに、フランジのはみ出し量を最小とすべく形成したフランジ部を、筒形胴体の外形よりもわずかに大きいサイズにカットした後、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板を溶接接合してもよい。
なお、前記溶接はレーザー溶接であることが好ましく、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板とを、胴体側面方向からレーザー溶接してもよいし、胴体の端面位置で胴体の軸方向上方からレーザー溶接してもよい。

本発明により提供される金属製の有底又は密閉容器は、容器を構成する胴体の端部に胴体を形作っている金属管壁にプレス加工を施して当該管壁に対して垂直かつ外側に伸びるフランジ部を形成した後、そのフランジ部上に配した底板又は底板と蓋板とを溶接接合している。胴体の端部に平坦なフランジ部を形成しているため、その上に配する底板又は底板及び蓋板との間の隙間が極めて小さくかつ接合面積が広くなって、レーザー溶接が行い易くなる。
また、フランジ部の形成により、コーナー部の強度が高く耐変形能に優れたものが得られる。

胴材に底板、蓋板を被せレーザー溶接する一般的な態様を説明する図 角形胴体の上端にフランジ部を形成した事例を説明する図 管端部へのフランジ出し加工工程を説明する図 レーザー溶接した胴材先端と底板又は蓋板の接合構造を説明する図 その１ レーザー溶接した胴材先端と底板又は蓋板の接合構造を説明する図 その２ レーザー溶接した胴材先端と底板又は蓋板の接合構造を説明する図 その３ レーザー溶接した胴材先端と底板又は蓋板の接合構造を説明する図 その４

角筒胴体に底板又は底板と蓋板を密着して取り付けた金属製の有底又は密閉容器を製造する一般的な方法では、図１に見られるように、角筒体を胴材とし、その端部開口部に同寸法の底板又は底板と蓋板を被せ、胴体と底板又は底板及び蓋板をレーザー溶接接合している。
このような製造法を採用すると、前記した通りの問題点がある。
本発明は、前記問題点を解消するべく検討を重ねる過程で、胴材の端部開口部に平坦なフランジ部を形成することにより、耐変形能と耐久性に優れた金属製の有底又は密閉容器を生産性よく製造することができるようになったものである。
以下にその詳細を説明する。

二次電池のケース等に用いられる角形や丸形の容器の素材としてアルミニウム合金板やステンレス鋼の薄板が用いられるが、本明細書ではステンレス薄鋼板を素材とした角形の有底又は密閉容器の製造法について説明する。
まず、板厚０.２〜０.４ｍｍ程度のステンレス鋼板を素材とした断面円形のパイプを準備し、この円形パイプを所望形状の角筒体とする。その方法に制限はないが、例えば本発明者らが提案した特開２００９−２６２９８４号公報に記載の方法、すなわち四隅から引っ張る方法を採用しても良い。

前記方法等により円筒体を角筒体に変形させると辺部に引けを生じ、角筒体の上端部、下端部が完全な平坦部とならない。特に長辺部と短辺部があるような断面長方形の角筒体の場合、長辺部に引けが生じ、角筒体の上端部、下端部が完全な平坦部とならず、長辺部が窪んだ状態となる。
例えば、外径φ１０９.０ｍｍ×肉厚０.３ｍｍ×長さ（高さ）１００ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を素材とし、短辺２４ｍｍ×長辺１５０ｍｍ×肉厚０.３ｍｍ×高さ１００ｍｍ（内側コーナーＲ２ｍｍ）の角管を製造したとき、長辺部の中央に約０.２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の引けが生じる。

このため、角筒体を胴体とし、この開口端に平板状の底板や蓋板を載置して、両者の当接部をレーザー溶接しようとすると、両者間に角筒体長辺部の引け（窪み）に起因した隙間が生じて溶接不良を起こすことになる。
胴体端部に平板状の底板や蓋板を載置して溶接する場合、溶接の安定性（溶け込み深さを大きく）を確保すると共に、容器内部へのスパッター侵入を抑制（侵入経路を長く）するために、胴体端面は平坦・平滑であり、かつ底板や蓋板との接触面が広いことが求められるのである。

そこで、本発明では、容器を構成する胴体として円形パイプを角筒体に変形させたものをそのまま用いるのではなく、角筒体の片端又は両端の金属管壁にプレス加工を施して当該管壁に対して垂直かつ外側に伸びる平坦なフランジ部を形成し、このフランジ部付きの角筒体を胴体とすることとしたものである。図２に角形胴体の上端にフランジ部を形成した事例を示す。
そして、前記平坦なフランジ部の上に金属製の底板又は底板と蓋板を載置し、フランジ部と底板又は底板及び蓋板を溶接接合するようにした。
このような態様で溶接すれば、胴体の端部に平滑な平坦部が形成され、その上に載置される底板又は底板及び蓋板との間に隙間がなくなるので、溶接を安定性に行うことが可能となるばかりでなく、容器内部へのスパッターの侵入を抑制することが可能となって、例えば電池ケースとして優れた性能を有する容器を低コストで安定的に製造できるようになる。

上記説明では、薄鋼板を素材として断面円形のパイプを作製し、この円形パイプを所望形状の角筒としたものを胴体としているが、これに限られるものではない。円形パイプをそのまま胴体としてもよいし、薄鋼板を順次折り曲げて角筒体を作製し、これを胴体としてもよい。
板を丸めて溶接した丸形の胴の場合、溶接部の初・終端は溶接タブを使用しても若干の凹凸が発生することは避けられない。また、長尺の丸パイプを切断して胴とした場合においては、溶接の初・終端の凹凸は避けられるものの、切断端面のダレ、面取り等により、特に薄肉の胴の場合は平坦な部分の面積はわずかとなる。

また、板を折り曲げて角形に成形した後溶接した角形の胴の場合も、前述の丸形の場合と同様に溶接の初・終端の凹凸が生じる。また角形のコーナー部を板厚の１０倍程度以内の半径で小さく曲げた場合は、端面のコーナー内側が盛り上がり、同コーナー外側が高さ方向に引けるため、コーナー部は平坦ではなくなる。
さらには、丸パイプの内側に入れた金型を押し広げて角形の同とする場合には、金型に接触していない部分の高さが、金型に接触している部分の長さよりも若干短くなるため、端面の平坦性が損なわれる。薄肉材の端面の面取り等による問題は丸形と同様である。

したがって、丸形あるいは角形の胴の端面に底板や蓋板を載せて溶接する場合、安定した溶接並びに容器内部へのスパッター等の進入防止のためには、管端の平坦性・平滑性を確保する必要があるが、切削、放電加工、レーザーやウォータージェット等により管端をリカットする方法では、手間がかかる上に得られる管端平坦部の幅は最大でも胴材の厚みであるため、特に胴が薄肉材の場合は得られる効果は限定的である。
このような理由から、円形パイプをそのまま胴体としたものや、薄鋼板を順次折り曲げて作製した角筒体を胴体としたものにあっても、その片端又は両端にフランジ部を形成することが有効になる。

前記のような方法で製造された金属製の有底又は密閉容器は、胴体の片端又は両端に、胴体を構成する金属管壁に対して垂直かつ外側に伸びるフランジ部が形成されており、このフランジ部において底板又は底板と蓋板とが溶接接合されている。
このため、溶接部強度の安定性が増すとともに、フランジ部の作用によりコーナー部の強度が高く容器としての耐変形能が優れることになる。特に、底板又は底板と蓋板として、後述の、その全周側端部から容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部へ容器の内側に向かう面を介して繋がった形状を有したものを用いた場合に、さらに優れた耐変形能が得られる。

ここで、胴体の片端又は両端にフランジ部を形成する方法について説明する。
まず、図３に示すように、胴体の外形と同じ内形を有するダイ中に胴体を挿入し（図３（ａ）参照）、周縁部にパンチの中心軸線に対して３０〜６０°の角度の傾斜面を有するパンチを前記胴体の開口部に押し込む。この際、用いるパンチとしては、その先端部を被加工胴体の内形よりもわずかに小さい外形に整えたものを用いることが好ましい。このような先端部を有するパンチを用いることにより、パンチ先端部が胴の中に入って、内径側への変形を防止することができる。
傾斜面を有するパンチを押し込むことによって胴体の先端をラッパ状に拡げた（図３（ｂ）参照）後、先端が平らなパンチを、ラッパ状に拡げられた胴体の先端に押し付ける（図３（ｃ）参照）。第二段階で用いるパンチも、被加工胴体の内形よりもわずかに小さい外形に整えた先端部を有するものであってもよい。
上記二つのパンチを順次押し付けることにより、胴体の先端に平坦なフランジ部を形成することができる。

次に、底板或いは蓋板の好ましい形状について説明する。
底板或いは蓋板を、フランジ部を形成した胴体の端部に位置を正しく載置するためには、その全周側端部から容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部へ容器の内側に向かう面を介して繋がった形状を有した底板或いは蓋板を用いることが好ましい。容器の内側に向かう面としては、全平らな傾斜面であってもよいし、湾曲面であってもよい。

容器の内側に向かう面は、胴体の端部中央に載置されるようにガイドする作用を有するものであるから、傾斜した面の場合は、容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部に対して所定の角度θ１をなすように設けることが好ましい。この角度が大きいほどガイド作用は向上するので、３０°以上の角度で形成することが好ましい。

容器の内側に向かう面を有する底板や蓋板は、次のような手法で製造することができる。
まず、目的とする底板（蓋板）の外寸よりもわずかに大き目のブランクを用意し、プレス成形により所望の面を有した凹みを形成すべくに浅絞り加工を行う。このとき、フランジの流れ込みによりブランクの外形寸法が小さくなることがあるので、初期のブランク寸法は流れ込み量を見込んで決定する。次に、浅絞りした成形品の周囲をトリミング加工する。この二つの工程により、所望の傾斜面を有した底板や蓋板が得られる。

特に、前記容器の内側に向かう面は、被せられる胴体の胴壁内面と接するように底板又は蓋板全体に対して垂直に形成されていることが好ましい。
容器の内側に向かう面が底板又は蓋板全体に対して垂直とされた底板又は蓋板を用いて、この垂直に形成された壁面が、胴体の内壁と接するように底板又は蓋板が被せられると、溶接法の詳細は後述するが、フランジ部と底板又は底板及び蓋板とを、胴体側面方向からレーザー溶接することができる。
そして、このような溶接態様を採用すると、照射するレーザービームの出力を高くして管端壁の内側までも溶融されるように溶接しても、スパッターとなった金属粉が容器内に侵入することが防止され、二次電池の容器と使用される際にも不具合を生じることはなくなる。

ところで、ノートパソコンに組込まれたり、自動車に搭載されたりする二次電池は、外形的にコンパクトに組み立てられることが要求される。その意味では、筒体からなる胴体の側面外側に大きくはみ出すフランジ部は好ましくない。フランジ部の外側にはみ出す幅は極力小さくすることが好ましい。
フランジ部の幅を極力小さくするために、例えばフランジ成形後に打抜き加工によりトリミングする等でトリミングすることが好ましい。フランジ部をトリミングした後、トリミングした側部に合致するサイズの底板又は底板及び蓋板を被せて胴体側面方向からレーザー溶接すれば、コンパクトになった容器が容易に得られる。

最後に、フランジ部と底板又は底板及び蓋板との溶接接合方法について説明する。
溶接法としてはレーザー光を照射するレーザー溶接法を用い、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板とを胴体側面方向からレーザー溶接してもよいし、胴体の端面位置で胴体の軸方向上方からレーザー溶接してもよいし、その中間の角度からレーザー溶接しても良い。
その溶接接合構造を図４〜７に示す。

図４は、胴体の先端に形成したフランジ部上に底板を載置し、フランジ部と底板とを胴体側面方向からレーザー溶接したものである。フランジ部と底板との接触面積が広いので溶接安定性に優れた接合が行える。特に図４（ｂ）ように、容器の内側に向かう面が底板全体に対して垂直とされた底板を用いると、照射するレーザー光の出力が大きくて溶融接合部領域が大きくなっても、スパッターの容器内部への侵入が阻止され、製造された容器内が二次電池の容器と使用される場合であっても不具合が防止される。

図５は、胴体の先端に形成したフランジ部上に底板を載置し、フランジ部と底板とを胴体の軸方向上方からレーザー溶接したものである。レーザー光の狙い位置の許容範囲が広くなるため、レーザー溶接が容易に行える。また照射するレーザー光の出力が大きくて溶融接合部領域が大きくなっても、スパッターが容器内部に侵入することはない。したがって、図４（ｂ）と同様、製造された容器内が二次電池の容器と使用される場合であっても不具合が防止される。

図６は、胴体の先端に形成したフランジ部上に、広さがフランジ部で形成される広さよりも小さいサイズの底板を載置し、フランジ部と底板とを上方あるいは斜め上方からレーザー溶接したものである。図６（ｂ）のように、容器の内側に向かう面を設けた底板を用いた場合には底板の位置決めができているために位置ズレすることはないが、容器の内側に向かう面を設けていない底板を用いる図６（ａ）のような場合には、位置ズレし易くなるので本溶接前に仮止め溶接する等注意深く溶接する必要がある。

図７は、フランジ部をトリミングした後、トリミングした側部に合致するサイズの底板を被せて胴体側面方向からレーザー溶接したものである。フランジ部をトリミングしているので、製造された容器の外形は小さくなる。得られた容器を二次電池等のケースとして用いると、コンパクトでありながら部分的に残ったフランジ部で確実にレーザー溶接されているので、性能に優れた二次電池が安定的かつ容易に製造される。特に図７（ｂ）のように、容器の内側に向かう面を設けた底板を用いると、フランジを短くしたものであってもスパッターの容器内部への侵入が阻止され、性能的に優れた二次電池用の容器がえられる。

Claims (6)

1. 両端が開放した有限長の金属管よりなる筒形胴体の片端又は両端の金属管壁にプレス加工を施して当該管壁に対して垂直かつ外側に伸びるフランジ部を形成した後、当該フランジ部の上に金属製の底板又は底板と蓋板を載置し、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板を溶接接合することを特徴とする金属製の有底又は密閉容器の製造方法。
2. 前記有限長の金属管よりなる筒形胴体が角形胴体である請求項１に記載の金属製の有底又は密閉容器の製造方法。
3. 前記底板又は底板と蓋板は、その外周縁の平面部から容器の底部又は底部と蓋部を形作っている平面部へ容器の内側に向かう面を介して繋がった形状を有したものである請求項１又は２に記載の金属製の有底又は密閉容器の製造方法。
4. 前記容器の内側に向かう面は、被せられる筒形胴体の胴壁内面と接するように底板又は蓋板全体に対して垂直に形成されている請求項３に記載の金属製の有底又は密閉容器の製造方法。
5. 形成したフランジ部を、筒形胴体の外形よりもわずかに大きいサイズにカットした後、前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板を溶接接合する請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属製の有底又は密閉容器の製造方法。
6. 前記フランジ部と底板又は底板及び蓋板との接触部に胴体側面方向からレーザービームを照射して溶接接合する請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属製の有底又は密閉容器の製造方法。

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