JP2013006210A - 電磁力によるアルミニウム箔の溶接法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁溶接方法では、これまで重ねたアルミニウム箔を直接、溶接できなかった。箔に大きな渦電流が流れ、箔が溶けるからである。また、箔に流れる渦電流を小さくすると、電磁力も小さくなり、溶接できなかった。 本発明は、箔に加わる電磁力と箔に流れる渦電流を別々に制御し、重ねたアルミニウム箔を直接、溶接できるようにする。
【手段】重ねたアルミニウム箔３を絶縁された電磁溶接用ワンターンコイルの平角導線部分１ａの外側（上側）に置き、固定板５、６で固定する。 平角導線部分１ａ、１ｂを接近させれば、往復するコイル電流間には大きな電磁反発力が働く。この大きな電磁力は箔３に加わる。また、平角導線部分１ａ、１ｂの外側に置かれた箔３には小さな渦電流しか流れない。 この結果、箔３を溶かすことなく、直接、溶接できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池やコンデンサの電極部品として使用される厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔などを重ね、これらを電磁力によって溶接する方法に関する。

一般的に、アルミニウム箔は、導電率および熱伝導率が良いため、電流を流してジュール加熱するのが困難である。このため、ニッケル、ステンレスなどの箔材に比べ溶接しにくい。また、アルミニウムは融点が低いため、加熱しすぎると全体が溶融したり、穴が開いたり、接合強度が弱くなったりする。それでも、溶接及び制御技術が進歩し、アルミニウム箔の溶接は、抵抗スポット溶接法、超音波溶接法、電磁溶接法などで行われている。これらの溶接法は、箔をほとんど溶かさず溶接するので圧接または固相接合とも呼ばれている。

車載用のリチウムイオン電池などは、大電流で短時間充電したり、さらに大電流を瞬間的に放電したりする。小型、軽量、大容量化も必要である。このため、ここで使われるアルミニウム箔に対して、より信頼性の高い溶接法が求められている。このため、アルミニウム箔（積層アルミニウム箔を含む）を高品位な状態で溶接する必要がある．これに応える溶接法の一つとして電磁溶接（圧接）がある（非特許文献１）。
塑性と加工、５２巻６０３号（２０１１）、ｐ．４２４−４２８

電磁溶接法は、アルミニウム板などを電磁力で溶接する電磁溶接装置において、例えば長方形断面の細長い導線部分（以下、平角導線部分と略記する）を往復させてたコの字状のワンターンコイルを用い、コンデンサ電源からこのコイルに放電大電流を流し、このコイルの内側に重ね置かれた２枚のアルミニウム板などを電磁力で直線状に溶接する方法である（特許文献１〜３）。アルミニウム箔の溶接（圧接）例も報告されている（非特許文献２）。
特許第３７５１１５３号 特許第３８５２８２３号 特許第３９４２０８２号 軽金属、５７巻２号（２００７）、ｐ．４７−５１

図１は、平角導線部分１ａ、１ｂを往復させてたコの字状ワンターンコイル１の斜視概略図である。電流は銅または銅合金製の平角導線部分１ａ、１ｂに往復して流れる。平角導線部分断面の横幅、縦幅は、それぞれ２〜５ｍｍである。平角導線間の間隔は１〜３ｍｍである。

図２は、図１の平角導線部分１ａ、１ｂを使用し、重ねた２枚のアルミニウム箔３（被溶接材）を電磁力で溶接する従来の方法を示す断面図である。平角導線部分１ａ、１ｂの周囲は電気的に絶縁されている。この間に２枚のアルミニウム板２および重ねたアルミニウム箔３（被溶接材）が置かれる。アルミニウム板２と箔３の間は、薄い絶縁シート４で電気的に絶縁されている。平角導線部分１ａ、１ｂ、アルミニウム板２および箔３などは、固定板５で固定される（固定用装置は図示されていない）。

平角導線部分１ａ、１ｂに放電大電流が急激に流れると、平角導線部分１ａ、１ｂの間に高密度磁束７が発生する。この磁束がアルミニウム板２及び箔３に交差すると、アルミニウム板２には比較的に大きな渦電流が、箔３には比較的に小さな渦電流が流れ、ともにジュール加熱される。同時に、アルミニウム板２は隣接する平角導線から離れる方向に大きな電磁力を受ける。この電磁力がアルミニウム箔３同士を加圧し、アルミニウム箔３は平角導線部分に沿って直線状に溶接される（非特許文献２）。

従来の方法では、アルミニウム箔３（被溶接材）に大きな電磁力を加えるとともに、アルミニウム箔３が溶けるのを防ぐためにアルミニウム板２が必要である。

絶縁シート４はアルミニウム板２と箔３が溶接するのを防ぐ。

一般的に，電磁溶接装置の電源にはコンデンサ電源が使用される。コンデンサ電源の容量は１０〜２００μＦ、充電エネルギーは１〜数ｋＪである。コンデンサ電源からコの字状ワンターンコイル１へ放電電流を流すと、コイルには最大値１００ｋＡ以上の大電流が、１００μｓ以下の短時間流れる。

厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔を長さ数１０ｍｍにわたり直線状に電磁溶接するのに必要な電源の充電エネルギーは１〜２ｋＪである。このとき必要なアルミニウム板２は、箔と同程度の大きさで、板厚は０．２〜０．５ｍｍである。

従来の電磁溶接装置では、厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔（被溶接材）を、アルミニウム板２なしで電磁溶接する（以下、直接電磁溶接する）ことはできない。直接電磁溶接すると、アルミニウム箔が溶融するからである。電源の充電エネルギーを下げて、直接電磁溶接すると、電磁力が小さくなり、溶接が非常に困難となる。

厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔を溶かさず直接電磁溶接することは、解決すべき課題として残されていた。本発明の目的は、アルミニウム箔に加わる大きな電磁力をそのままに、アルミニウム箔に流れる渦電流を小さくし、この課題を解決し、電磁力によるアルミニウム箔の溶接法を提供することである。

平角導線部分１ａ、１ｂからなるコの字状ワンターンコイル１を用いて、前述の課題を解決する方法を順に示す。

（１）絶縁された平角導線部分１ａ、１ｂの間（内側）でなく、平角導線の外側にアルミニウム箔３を重ねて置く。

（２）コイル１およびアルミニウム箔３を固定板で固定する。

（３）コイル１に放電大電流を急激に流すと、平角導線部分１ａ、１ｂには互いに逆向きの大電流が従来どおり流れる。平角導線部分１ａ、１ｂには互いに反発する大きな電磁力が働く。この電磁力は外側に固定されたアルミニウム箔を加圧する。

（４）このとき、平角導線部分１ａ、１ｂが接近しているため、アルミニウム箔に流れる渦電流は、打ち消され比較的に小さくなる。

（５）電磁力で加圧されたアルミニウム箔３は溶接される。アルミニウム箔は流れる渦電流が小さいので溶融しない（従来の方法では溶融する）。

本発明は、以上の手段を基に、実験を繰り返し、コイルの構造、特に断面形状を検討し、アルミニウム箔を溶かさず直接溶接できる電磁力によるアルミニウム箔の溶接法を提供する。

請求項１〜４記載の発明による電磁力によるアルミニウム箔の溶接法を使用すると、アルミニウム箔を溶かさず直接溶接できる。アルミニウム箔は、電気・電子部品の組立て分野、特に、コンデンサや電池の電極部品として使用される。他の溶接法、例えば抵抗スポット溶接や超音波溶接に代わる信頼性の高い溶接法として利用できる。

また、従来の方法で、アルミニウム箔（被溶接材）と重ねて使用していたアルミニウム板が不要となる。アルミニウム板を使用しないので、従来と比較して、約半分の電源エネルギーでアルミニウム箔を効率よく溶接できる。

以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図３は、コの字状ワンターンコイル（図１）の平角導線部分１ａの外側（上側）に重ね置かれたアルミニウム箔３を溶接する直前の状態を示す断面図の一例である。絶縁された平角導線部分１ａ、１ｂは間隔１ｍｍ以下でなるべく接近させて置かれる。

平角導線部分１ａの断面（長方形）の横幅は３ｍｍ、縦幅（高さ）は３ｍｍ、平角導線部分１ｂの断面の横幅は５ｍｍ、縦幅（高さ）は２ｍｍである。平角導線部分の長さは約１００ｍｍである。平角導線部分の側面には、縦幅（高さ）３ｍｍ及び２ｍｍの絶縁材がアルミニウム箔３を水平に保つため置かれる（図示されていない）。

アルミニウム箔３の大きさは縦横５０ｍｍ、厚さ１２μｍである。全面を重ねた２枚の箔が絶縁された平角導線部分１ａと絶縁材の固定板５の間に置かれる。このとき、平角導線部分１ａと箔の間、及び２枚の箔の間に、それぞれ０．０〜０．２ｍｍの間隙が不規則に生じても良い。平角導線部分１ｂの下側には鉄綱材の固定版６が置かれる。

コの字状ワンターンコイル（図３）の平角導線部分１ａ、１ｂに最大値１００ｋＡ程度の放電電流を短時間流す。往復する大電流が流れる平角導線部分１ａ、１ｂの間には、高密度の磁束７が発生し、平角導線部分は互いに電磁力で反発する。この電磁反発力は重ねたアルミニウム箔３を加圧する。アルミニウム箔３は平角導線部分１ａに沿って直線状にシーム溶接される。

平角導線部分１ａ、１ｂが接近しているため、その外側でアルミニウム箔に交差する磁束の磁束密度は、互いに打ち消され小さくなる。アルミニウム箔に流れる渦電流も小さくなる。２枚のアルミニウム箔の間に生じる間隙などが非常に小さいので、２枚の箔は溶接時にほとんど加速されず、強く衝突することもない。これらの理由で、アルミニウム箔は、溶融または破損しない。

アルミニウム箔３に加わる電磁力及びアルミニウム箔３に流れる渦電流の大きさは、平角導線部分１ａ、１ｂ間の距離、断面構造を選ぶことで別々に制御できる。また、電磁反発力で平角導線部分１ｂが下側へ変形するのを防ぐため、鉄綱材の固定版６が用いられる。結果として、アルミニウム箔３に加わる電磁力が増加する。

溶接条件、実験結果の一例を示す。コンデンサ電源の容量は１２μＦ、充電エネルギーは約０．４ｋＪである。この電源から前述のコの字状ワンターンコイルの平角導線部分１ａ、１ｂへ放電電流を流すと、コイルには最大値１００ｋＡ程度の減衰振動電流が、２０μｓ程度の短時間流れる。重ねたアルミニウム箔の中央部分が、ほぼ端から端まで約５０ｍｍにわたり直線状にシーム溶接された。ただし、両端部数ｍｍは溶接されなかった。シーム溶接の幅は約３ｍｍであり、この幅はコイルの平角導線部分６ａの断面横幅にほぼ等しかった。

図４は、図３の平角導線部分１ａの外側（上側）及び平角導線部分１ｂの外側（下側）に、それぞれ重ね置かれたアルミニウム箔３を溶接する直前の状態を示す断面図である。絶縁された平角導線部分６ａ、６ｂは間隔１ｍｍ以下でなるべく接近させて置かれる。

平角導線部分１ａ、１ｂの断面（長方形）の横幅は４ｍｍ、縦幅（高さ）は４ｍｍである。平角導線部分１ａ、１ｂの両外側で同時に溶接するので、平角導線部分の断面形状を同じにすることが望ましい。その他の条件は実施例１と同様である。

この場合も、実施例１と同様の状態、条件で放電電流を流せば、重ねたアルミニウム箔の中央部分は同様の状態でシーム溶接される。ただし、電源の充電エネルギーを約０．５ｋＪにする必要があった。このエネルギー増加は、平角導線部分の断面の違いによる。

図５は、図３の平角導線部分１ａの部分を円形断面の導線部分８に取りかえ、この導体部分８の外側（上側）に重ね置かれたアルミニウム箔３を溶接する直前の状態を示す断面図である。両導線部分１ｂ、８は間隔１ｍｍ以下でなるべく接近させて置かれる。導線部分８の断面直径は３ｍｍである。

この場合も、実施例１と同様の状態、条件で放電電流を流せば、重ねたアルミニウム箔の中央部分は同様の状態でシーム溶接される。ただし、シーム溶接の幅は約２ｍｍである。

これまでの実施例では、厚さ１２μｍのアルミニウム箔を２枚重ね、これらを電磁溶接する方法を具体的に示した。ここでは、重ねる枚数を４枚に増加した場合を示す。

溶接条件、実験結果の一例を示す。コンデンサ電源の容量は１２μＦ、電源の充電エネルギーは約０．５ｋＪである。他の条件は実施例１と同様である。この電源から前述のコの字状ワンターンコイルの平角導線部分１ａ、１ｂへ放電電流を流すと、コイルには最大値１１０ｋＡ程度の減衰振動電流が、２０μｓ程度の短時間流れる。

４枚積層されたアルミニウム箔の中央部分が、ほぼ端から端まで約５０ｍｍにわたり直線状にシーム溶接された。電源の充電エネルギー、電源の容量、平角導線部分の断面などを選べば、さらに多数積層されたアルミニウム箔のシーム溶接も可能と類推できる。

これまでの実施例では、コの字状ワンターンコイル（図１）を使用する溶接方法を示した。このコイル（図１）は、細長く固定が困難である。このため、図６のように一部を改良したコの字状ワンターンコイルを使用する。改良部分９の幅が広いので、この部分を利用して容易に固定できる。

これまでの実施例では、コンデンサ電源の容量は１２μＦである。この容量は２４μＦ程度まで増加させてもよい。アルミニウム箔の厚さが２０μｍ以上の場合、この容量を２４μＦ以上に増加することが望ましい。

これまでの実施例は、アルミニウム箔を対象としている。銅箔など他の箔に対してもこの溶接法は使用できる。ただし、銅箔に流れる渦電流がアルミニウム箔のときと同程度なので、融点に対する加熱割合が低い。このため、銅箔の溶接には、アルミニウム箔の場合に比べ、２倍程度の電源エネルギーが必要であった。これは銅箔を従来の方法で直接電磁溶接（圧接）するエネルギーと同程度である（非特許文献３）。
電子情報通信学会技術研究報告、１１０巻９９号（２０１０）、ＥＭＤ２０１０−１６、ｐ．４３−４６

典型的なコの字状ワンターンコイルの斜視概略図である。 コの字状ワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム箔（被溶接材）を従来の方法で溶接する直前の状態を示す断面図である。 本発明の実施例１を示す。コの字状ワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム箔を溶接する直前の状態を示す断面図である。 本発明の実施例２を示す。コの字状ワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム箔を溶接する直前の状態を示す断面図である。 本発明の実施例３を示す。コの字状ワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム箔を溶接する直前の状態を示す断面図である。 本発明の実施例５を示す。一部を改良したコの字状ワンターンコイルの平面及び側面概略図である。

１ コの字状ワンターンコイル
１ａ コの字状ワンターンコイルの平角導線部分
１ｂ コの字状ワンターンコイルの平角導線部分
２ アルミニウム板
３ アルミニウム箔（被溶接材）
４ 薄い絶縁シート（電気的絶縁用）
５ 固定板（絶縁材）
６ 固定板（鋼鉄材）
７ 磁束
８ コの字状ワンターンコイルの円形断面の導線部分
９ 改良したコの字状ワンターンコイルの改良部分

Claims (4)

1. 電気的に絶縁され、接近させて重ね置かれた長方形断面の２本の細長い導線部分に、往復する大電流を短時間だけ流し、これら導線部分の外側に重ね置かれた厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔を、これら導線部分自身に働く電磁反発力を利用して溶接することを特徴とする電磁力によるアルミニウム箔の溶接法。
2. 前記の長方形断面の導線部分の横幅を１〜５ｍｍ、縦幅を１〜５ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載の電磁力によるアルミニウム箔の溶接法。
3. 電気的に絶縁され、接近させて重ね置かれた長方形断面の細長い導線部分及び円形断面の細長い導線部分に往復する大電流を短時間だけ流し、円形断面の導線部分の外側に重ね置かれた厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム箔を、これら導線部分自身に働く電磁反発力を利用して溶接することを特徴とする電磁力によるアルミニウム箔の溶接法。
4. 前記の長方形断面の導線部分の横幅を３〜５ｍｍ、縦幅を１〜３ｍｍ、円形断面の導線の直径を１〜３ｍｍとすることを特徴とする請求項３記載の電磁力によるアルミニウム箔の溶接法。