JP2014050876A - 蓄電装置のレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接効率を向上させること。
【解決手段】電極組立体を収容するケース本体１３の開口部を蓋体１４で閉塞させる際、ケース本体１３と蓋体１４をレーザ溶接する。このとき、ケース本体１３と蓋体１４の被接合部１９ａに、ケース本体１３及び蓋体１４と同一融点の金属板２０を配置させる。そして、溶接時には、被接合部１９ａとともに金属板２０を溶融させる。これにより、被接合部１９ａの溶接をキーホール型溶接で行わせることが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、電極組立体を収容するケース本体の開口部を蓋体で閉塞し、ケース本体と蓋体をレーザ溶接によって接合した蓄電装置のレーザ溶接方法に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、例えば、特許文献１に開示されている。そして、二次電池は、金属製の外装缶（ケース本体）に電極組立体を収容し、その外装缶の開口部に封口体（蓋体）を取り付けることによって気密性が保たれている。

特開平９−１２０８３６号公報

ところで、外装体と封口体の取り付けには、レーザ溶接が採用されている。このため、蓄電装置の製造効率を向上させるためには、溶接工程の効率を向上させる必要もある。
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、溶接効率の向上を図り得る蓄電装置の溶接方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、金属製のケース本体に電極組立体を収容するとともに前記ケース本体の開口部を金属製の蓋体で閉塞し、前記ケース本体と前記蓋体をレーザ溶接によって接合した蓄電装置のレーザ溶接方法において、前記ケース本体及び前記蓋体の少なくとも何れか一方と同一融点の金属板、又は、前記ケース本体及び前記蓋体の少なくとも何れか一方と異なる融点であってかつ前記ケース本体及び前記蓋体の融点に比して高い融点の金属板を、前記ケース本体と前記蓋体の被接合部に配置した後、前記金属板にレーザ光を照射して前記金属板と前記被接合部を溶融させるキーホール型溶接を行うことを要旨とする。

これによれば、ケース本体と蓋体の被接合部をキーホール型溶接で溶接する場合でも、被接合部に金属板を配置することで、溶接時には被接合部とともに金属板が溶融する。これにより、溶接強度への影響を低減し得る。そして、溶接速度を速くすることができるキーホール型溶接を採用することで、溶接速度と溶接強度の両立を図り得る。したがって、溶接効率の向上を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電装置のレーザ溶接方法において、前記ケース本体は、矩形状の底壁から側壁が立設されており、前記ケース本体と前記蓋体の前記被接合部のうち、前記底壁の長手方向に延びる前記被接合部には前記金属板を配置してキーホール型溶接を行う一方で、前記底壁の短手方向に延びる前記被接合部には前記金属板を配置せずに熱伝導型溶接を行うことを要旨とする。これによれば、ケース本体の長手方向に延びる被接合部に金属板を配置させてキーホール型溶接を行うことで、溶接範囲の広い被接合部側をキーホール型溶接によって効率的に溶接することができる。なお、本明細書において「矩形」は長方形を意味する。

本発明によれば、溶接効率の向上を図ることができる。

二次電池の外観を示す斜視図。 溶接部の拡大断面図。 ケース本体の開口部を蓋体で閉塞する様子を説明する説明図。 被接合部に金属板を貼り付ける様子を説明する説明図。 溶接する様子を説明する説明図。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１に電極組立体１２が収容されている。また、ケース１１には、電極組立体とともに電解液も収容されている。ケース１１は、金属製のケース本体１３と、当該ケース本体１３に電極組立体１２を挿入する開口部Ｓ（図２及び図３に図示する）を閉塞する金属製の蓋体１４とからなる。本実施形態においてケース本体１３と蓋体１４の材料は同一材料とされており、１０００系アルミニウム（工業用純アルミニウム）が用いられる。

ケース本体１３は、有底四角筒状であり、矩形平板状の底壁１３ａとその底壁１３ａの四辺から立設された側壁１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを有する。底壁１３ａの四辺のうち、互いに対向する側壁１３ｂ，１３ｃが立設される二辺が長辺であり、互いに対向する側壁１３ｄ，１３ｅが立設される二辺が短辺である。底壁１３ａは、ケース本体１３の開口部Ｓを塞ぐ蓋体１４と対向する。側壁１３ｂ，１３ｃは、ケース本体１３に電極組立体１２を収容した時に電極組立体１２の厚み方向となる積層方向Ｔで対向する。側壁１３ｄ，１３ｅは、ケース本体１３に電極組立体１２を収容した時に電極組立体１２の幅方向Ｗで対向する。

また、ケース１１に収容された電極組立体１２には、正極端子１５と負極端子１６が電気的に接続されている。そして、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａがそれぞれ取り付けられている。また、正極端子１５と負極端子１６は、蓋体１４からケース１１外に露出している。

電極組立体１２は、正極電極、負極電極、及び正極電極と負極電極を絶縁するセパレータを有する。正極電極は、正極金属箔（アルミニウム箔）の両面に正極活物質を塗布して構成される。負極電極は、負極金属箔（銅箔）の両面に負極活物質を塗布して構成される。そして、電極組立体１２は、複数の正極電極と複数の負極電極を交互に積層するとともに、両電極の間にセパレータを介在した積層構造とされている。

図２に示すように、二次電池１０は、ケース本体１３の開口部Ｓを閉塞するように蓋体１４が溶接される。ケース本体１３と蓋体１４の溶接には、レーザ溶接が用いられる。このため、図１に示すように、ケース本体１３と蓋体１４には、これらの全周に溶接部１８ａ，１８ｂが形成されている。溶接部１８ａは、ケース本体１３の側壁１３ｂと蓋体１４、及び側壁１３ｃと蓋体１４をそれぞれ接合し、ケース本体１３の長手方向に延びている。一方、溶接部１８ｂは、ケース本体１３の側壁１３ｄと蓋体１４、及び側壁１３ｅと蓋体１４を接合し、ケース本体１３の短手方向に延びている。なお、ケース本体１３の長手方向は、底壁１３ａ及び蓋体１４の長手方向に沿う。また、ケース本体１３の短手方向は、底壁１３ａ及び蓋体１４の短手方向に沿う。

次に、ケース本体１３と蓋体１４の溶接方法を説明する。
図３に示すように、ケース本体１３と蓋体１４を溶接する前に、ケース本体１３には、開口部Ｓを介して電極組立体１２を収容させる。そして、電極組立体１２の収容後、ケース本体１３の開口部Ｓを蓋体１４で閉塞させる。

図４に示すように、ケース本体１３の開口部Ｓを蓋体１４で閉塞すると、ケース本体１３と蓋体１４の境界部位が、ケース本体１３と蓋体１４の溶接箇所となり得る被接合部１９ａ，１９ｂとなる。被接合部１９ａはケース本体１３の長手方向に延びる一方で、被接合部１９ｂはケース本体１３の短手方向に延びている。つまり、被接合部１９ａは、溶接によって図１に示す溶接部１８ａとなり、被接合部１９ｂは、溶接によって図１に示す溶接部１８ｂとなる。なお、被接合部１９ａは、側壁１３ｂと蓋体１４の境界部位、及び側壁１３ｃと蓋体１４の境界部位のそれぞれに設けられる。また、被接合部１９ｂは、側壁１３ｄと蓋体１４の境界部位、及び側壁１３ｅと蓋体１４の境界部位のそれぞれに設けられる。

そして、ケース本体１３の長手方向に延びる被接合部１９ａには、矩形板状の金属板２０が貼り付けられる。本実施形態において金属板２０は、ケース本体１３及び蓋体１４の材料と同一材料であり、１０００系アルミニウム（工業用純アルミニウム）が用いられる。また、金属板２０は、ケース本体１３の長手方向長さと同一又は若干短い長手方向長さを有する。また、金属板２０は、側壁１３ｃと蓋体１４の被接合部１９ａと側壁１３ｂと蓋体１４の被接合部１９ａの両方にそれぞれ貼り付けられる。これにより、ケース本体１３の開口部Ｓを蓋体１４で閉塞した状態においては、２枚の金属板２０が貼り付けられる。その後、各被接合部１９ａ，１９ｂはレーザ溶接される。

図５に示すように、レーザ溶接は、被接合部１９ａ，１９ｂのそれぞれにレーザ光２１を照射させて行われる。このとき、被接合部１９ａには金属板２０を配置させているので、当該金属板２０と被接合部１９ａの両方を溶融させるようにレーザ光２１を照射させる。つまり、レーザ光２１を金属板２０の表面に向けて照射させ、金属板２０と重なる被接合部１９ａを溶融させる。一方、被接合部１９ｂには金属板２０を配置させていないので、被接合部１９ｂを溶融させるようにレーザ光２１を照射させる。

そして、本実施形態では、金属板２０を配置させた被接合部１９ａを溶接する場合、パワー密度を高くしてキーホール型溶接を行う。一方で、金属板２０を配置させていない被接合部１９ｂを溶接する場合には、被接合部１９ａを溶接する時よりもパワー密度を低くして熱伝導型溶接を行う。そして、各被接合部１９ａ，１９ｂを前述のようにそれぞれレーザ溶接することにより、蓋体１４はケース本体１３の開口部Ｓを閉塞するように接合される。これにより、電極組立体１２を収容したケース１１は気密性が保たれる。なお、電解液は、ケース本体１３と蓋体１４の溶接後に図示しない注液孔から注入されるとともに、その注液孔は電解液の注入後に封止される。

次に、本実施形態の作用を説明する。
キーホール型溶接は、熱伝導型溶接に比してパワー密度が高いので溶接速度を速くできることから、溶接時間の短縮を図ることができ、溶接効率に優れている。その一方で、キーホール型溶接は、深く溶け込んで溶接を行うことから、溶接部１８ａの表面にくぼみが生じる場合がある。溶接部１８ａの表面に生じたくぼみは、溶接強度を低下させる要因となる。

このため、本実施形態では、前述したように被接合部１９ａに金属板２０を配置させ、その金属板２０とともに被接合部１９ａを溶融させている。これにより、キーホール型溶接によって被接合部１９ａが深く溶け込んでも、金属板２０も併せて溶融されることによって溶接部１８ａのくぼみが埋められることになる。本実施形態では、ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０を１０００系アルミニウムとし、その融点は６４６〜６５７℃である。したがって、溶接時には、ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０は、同じように溶融する。

一方、熱伝導型溶接は、被接合部１９ｂが深く溶け込まないので、溶接部１８ｂのくぼみはキーホール型溶接を行う場合に比して発生し難い。このため、被接合部１９ｂについては、金属板２０を配置させずに、被接合部１９ｂを溶融して溶接が行われる。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）被接合部１９ａに金属板２０を配置させてキーホール型溶接を行う。このため、溶接速度を速くすることができるキーホール型溶接を採用しても、被接合部１９ａの溶融とともに金属板２０の溶融によって溶接強度への影響が低減される。つまり、溶接速度と溶接強度の両立を図り得る。したがって、溶接効率の向上を図ることができる。

（２）長手方向に延びる被接合部１９ａに金属板２０を配置させてキーホール型溶接を行う。このため、溶接範囲の広い被接合部１９ａ側をキーホール型溶接によって効率的に溶接することができる。

（３）一方、短手方向に延びる被接合部１９ｂには金属板２０を配置せずに、熱伝導型溶接を行う。このため、１つの二次電池１０に対する金属板２０の使用量を抑えることができる。

（４）ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０を同一材料とすることにより、二次電池１０の製造に必要な材料などの管理を容易とすることができる。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態を説明する。

なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成について同一符号を付すなどしてその重複する説明を省略又は簡略する。
本実施形態では、ケース本体１３、蓋体１４、及び金属板２０の材料の組み合わせが第１の実施形態と相違する。具体的に言えば、金属板２０を、ケース本体１３及び蓋体１４の材料よりも高い融点の材料としている。例えば、ケース本体１３及び蓋体１４は２０００系アルミニウムとし、金属板２０は１０００系アルミニウムとする。なお、２０００系アルミニウムの融点は、５０２〜６４９℃である。

以下、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態の場合、キーホール型溶接を行うと、金属板２０が深く溶け込み、その熱が被接合部１９ａに伝わることで被接合部１９ａも溶融し、溶接される。このとき、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に金属板２０を配置させていることで、溶接部１８ａのくぼみが埋められることになる。したがって、本実施形態では、第１の実施形態の効果（１）〜（３）と同様の効果を得ることができる。

なお、各実施形態は以下のように変更してもよい。
○ ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０の材料の組み合わせを変更しても良い。なお、材料の組み合わせは、融点に大きな差が生じないようにすることが好ましい。例えば、融点の差は、５０℃以下が好ましい。

○ ケース本体１３と蓋体１４を異なる融点の材料とし、金属板２０をケース本体１３及び蓋体１４のいずれか一方と同一融点の材料としても良い。
○ ケース本体１３と蓋体１４を異なる融点の材料とし、金属板２０をケース本体１３及び蓋体１４のいずれか一方と異なる融点の材料としても良い。つまり、この場合、金属板２０は、ケース本体１３及び蓋体１４のいずれか一方と同一融点の材料となる。

○ ケース本体１３、蓋体１４、及び金属板２０の全てを異なる融点の材料としても良い。
○ ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０の材料としてアルミニウムを用いる場合、そのアルミニウムの種類を変更しても良い。例えば、３０００系アルミニウムを用いても良い。なお、１０００系アルミニウムと３０００系アルミニウムは、その融点がほぼ同一であるから、例えばケース本体１３と蓋体１４を１０００系アルミニウムとし、金属板２０を３０００系アルミニウムとした場合は、同一融点の材料でケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０を構成したとも言える。

○ ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０の材料としてステンレスを用いても良い。
○ ケース本体１３、蓋体１４及び金属板２０の材料の組み合わせを、例えばアルミニウムとステンレスというように組成が全く異なる材料の組み合わせとしても良い。

○ ケース本体１３と蓋体１４の被接合部１９ａ，１９ｂの構成や形状を変更しても良い。
○ 被接合部１９ａに加えて被接合部１９ｂにも金属板２０を配置し、両被接合部１９ａ，１９ｂをキーホール型溶接で溶接しても良い。この場合、金属板２０は、両被接合部１９ａ，１９ｂを跨ぐように巻き付けても良い。

○ ケース本体１３を円筒にしても良い。つまり、本実施形態の溶接方法は、円筒型の二次電池のケース本体と蓋体を溶接する場合にも適用することができる。
○ 積層型の二次電池１０に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型の二次電池に適用しても良い。

○ 二次電池１０は、車両用電源として自動車に搭載しても良いし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用しても良い。
○ 本実施形態の構成を、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用しても良い。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、他の二次電池であっても良い。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであれば良い。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１３…ケース本体、１３ａ…底壁、１３ｂ〜１３ｅ…側壁、１４…蓋体、１９ａ，１９ｂ…被接合部、２０…金属板、２１…レーザ光、Ｓ…開口部。

Claims (2)

1. 金属製のケース本体に電極組立体を収容するとともに前記ケース本体の開口部を金属製の蓋体で閉塞し、前記ケース本体と前記蓋体をレーザ溶接によって接合した蓄電装置のレーザ溶接方法において、
   前記ケース本体及び前記蓋体の少なくとも何れか一方と同一融点の金属板、又は、前記ケース本体及び前記蓋体の少なくとも何れか一方と異なる融点であってかつ前記ケース本体及び前記蓋体の融点に比して高い融点の金属板を、前記ケース本体と前記蓋体の被接合部に配置した後、前記金属板にレーザ光を照射して前記金属板と前記被接合部を溶融させるキーホール型溶接を行うことを特徴とする蓄電装置のレーザ溶接方法。
2. 前記ケース本体は、矩形状の底壁から側壁が立設されており、
   前記ケース本体と前記蓋体の前記被接合部のうち、前記底壁の長手方向に延びる前記被接合部には前記金属板を配置してキーホール型溶接を行う一方で、前記底壁の短手方向に延びる前記被接合部には前記金属板を配置せずに熱伝導型溶接を行う請求項１に記載の蓄電装置のレーザ溶接方法。