JP2014121723A - 溶接方法、及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接用電極のクラックの発生を抑制すること。
【解決手段】抵抗溶接を行う場合には、予め溶接用電極３０，３１を加熱しておく。そして、加熱した溶接用電極３０，３１を接合対象物（正極導電部材２４、正極導電部材２４）に接触させ、溶接用電極３０，３１と接合対象物を通電させて抵抗溶接する。
【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置の電極とその電極との間で電気を授受する導電部材とを抵抗溶接する溶接方法、及び溶接装置に関する。

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、金属箔に負極活物質を塗布した負極電極と金属箔に正極活物質を塗布した正極電極との間をセパレータで絶縁し、これらを積層して層状とした電極組立体を有し、その電極組立体がケース内に電解液とともに収容されている。電極組立体を構成する各電極は、電極との間で電気を授受する導電部材を介してケース外に露出する正負の電極端子と電気的に接続される。そして、各電極と導電部材の接合は、例えば特許文献１に開示されるような抵抗溶接機を用いた抵抗溶接で行われる。

国際公開ＷＯ２０１０／１１０３１６号公報

抵抗溶接は、接合対象物に正負一対の溶接用電極を接触させて溶接用電極と接合対象物を通電させ、その通電によって生じる抵抗熱で接合対象物を溶融し、溶接する方式である。ところで、抵抗溶接で使用する溶接用電極は、溶接時に通電させることで発熱し、温度上昇を伴うが、溶接が終了すると温度は下降する。このため、溶接用電極には、温度変化に伴う熱衝撃によってクラックが発生する場合があり、クラックが発生した溶接用電極は交換する必要がある。したがって、溶接用電極を頻繁に交換することは、蓄電装置の製造効率を低下させる要因となる。

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、溶接用電極のクラックの発生を抑制する溶接方法、及び溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決する溶接方法は、蓄電装置の電極と、前記蓄電装置の電極との間で電気を授受する導電部材と、を抵抗溶接する溶接方法であって、加熱手段により溶接用電極を加熱し、その加熱した溶接用電極を前記導電部材及び前記蓄電装置の電極に接触させ、前記溶接用電極、前記導電部材及び前記蓄電装置の電極に通電させて抵抗溶接する。これによれば、溶接用電極を加熱することで、抵抗溶接時における溶接用電極の温度変化を小さくすることができる。したがって、熱衝撃によって溶接用電極にクラックが発生してしまうことを抑制できる。

上記溶接方法において、前記抵抗溶接は、前記溶接用電極が保温された状態で行うことが好ましい。これによれば、溶接用電極が保温されていることで、抵抗溶接を繰り返し行うことによる溶接用電極の急激な温度変化を抑制できる。したがって、熱衝撃によって溶接用電極にクラックが発生してしまうことを抑制できる。

上記溶接方法において、前記溶接用電極は、前記蓄電装置の電極の溶融温度以下の温度に保温することが好ましい。これによれば、溶接用電極を蓄電装置の電極に接触させた場合であっても、溶接用電極の熱によって蓄電装置の電極が溶融してしまうことを抑制できる。したがって、良好な溶接部を得ることができる。

上記課題を解決する溶接装置は、蓄電装置の電極と、前記蓄電装置の電極との間で電気を授受する導電部材と、を抵抗溶接する溶接装置であって、前記蓄電装置の電極、及び前記導電部材に通電させる溶接用電極と、前記溶接用電極を前記蓄電装置の電極、及び前記導電部材に接触させる移動機構と、前記溶接用電極を加熱する加熱手段と、を備えている。これによれば、溶接用電極を加熱する加熱手段を有し、その加熱手段によって溶接用電極を加熱することで、抵抗溶接時における溶接用電極の温度変化を小さくすることができる。したがって、熱衝撃によって溶接用電極にクラックが発生してしまうことを抑制できる。

上記溶接装置において、前記溶接用電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記加熱手段に加熱用のエネルギーを付与するエネルギー付与手段と、を備えることが好ましい。これによれば、溶接用電極、導電部材及び蓄電装置の電極を通電させる制御と、加熱手段によって溶接用電極を加熱させる制御を個別に行うことができる。したがって、制御を簡素化できる。

上記溶接装置において、前記エネルギー付与手段は、前記加熱手段に電気エネルギーを付与することが好ましい。これによれば、電気エネルギーを熱に変換して溶接用電極を加熱するので、加熱手段の構成を簡素化できる。

上記溶接装置において、前記加熱手段は、前記溶接用電極に巻かれていることが好ましい。これによれば、加熱手段の熱を溶接用電極に直接的に与えることができ、溶接用電極を良好に加熱できる。

本発明によれば、溶接用電極のクラックの発生を抑制できる。

二次電池の一部破断斜視図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 溶接装置を示す模式図。 電極と導電部材の溶接を行っている状態を示す模式図。

以下、溶接装置及び溶接方法を具体化した一実施形態を図１〜図４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、ケース本体１１ａとケース本体１１ａの開口部を覆う蓋１１ｂで構成された四角箱状のケース１１内に、電極組立体１２及び電解液（図示せず）が収容されている。電極組立体１２には、正極端子１３及び負極端子１４が電気的に接続されている。正極端子１３及び負極端子１４は、蓋１１ｂからケース１１外に露出している。

図２に示すように、電極組立体１２は、蓄電装置の電極としての正極電極１５と、蓄電装置の電極としての負極電極１６と、正極電極１５及び負極電極１６を絶縁するセパレータ１７と、を有する。電極組立体１２は、複数の正極電極１５と複数の負極電極１６を交互に積層するとともに、正極電極１５と負極電極１６の間にセパレータ１７を介在した積層構造である。

正極電極１５は、矩形のシート状であり、正極金属箔（実施形態ではアルミニウム箔）１８の両面に正極活物質を含む正極活物質層１９を有する。また、正極電極１５の一辺には、正極金属箔１８からなる正極集電タブ２０を有する。負極電極１６は、矩形のシート状であり、負極金属箔（実施形態では銅箔）２１の両面に負極活物質を含む負極活物質層２２を有する。また、負極電極１６の一辺には、負極金属箔２１からなる負極集電タブ２３を有する。

正極端子１３と各正極電極１５の正極集電タブ２０は、各正極電極１５との間で電気を授受する正極導電部材（実施形態ではアルミニウム板）２４と電気的に接続されている。負極端子１４と各負極電極１６の負極集電タブ２３は、各負極電極１６との間で電気を授受する負極導電部材（実施形態では銅板）２５と電気的に接続されている。正極集電タブ２０と正極導電部材２４の接合、及び負極集電タブ２３と負極導電部材２５の接合には、抵抗溶接が用いられる。抵抗溶接は、例えば、正極集電タブ２０と正極導電部材２４などの接合対象物を、正負一対の溶接用電極で挟み込んで溶着する方法である。なお、図１の符号「２６」は、抵抗溶接によって形成された溶接部である。

図３に示すように、抵抗溶接を行う溶接装置は、棒状の溶接用電極３０，３１を有する。溶接用電極３０，３１は、銅やタングステンなどの電気伝導性の良好な金属材料で構成されている。この実施形態において各溶接用電極３０，３１の周面には、加熱手段としての電熱線（例えば、ニクロム線や鉄クロム線など）３２が巻かれている。電熱線３２は、絶縁材（例えば、セラミックやガラスなど）で被覆されている。これにより、電熱線３２は、各溶接用電極３０，３１と絶縁された状態となる。

溶接装置は、各溶接用電極３０，３１の通電部３３と、各溶接用電極３０，３１に巻かれた電熱線３２の通電部３４と、を有する。この実施形態において通電部３３は、溶接用電極３０，３１に電圧を印加する電圧印加手段となる。また、この実施形態において通電部３４は、電熱線３２に電圧を印加することで、加熱用のエネルギーとしての電気エネルギーを付与するエネルギー付与手段となる。また、溶接装置は、溶接用電極３１に対して溶接用電極３０を接離移動させる移動機構３５を有する。移動機構３５により、溶接用電極３０は、溶接時において接合対象物に接触するように移動され、溶接後において接合対象物から離れるように移動される。

以下、溶接装置の作用を、正極集電タブ２０と正極導電部材２４の溶接方法とともに説明する。なお、負極集電タブ２３と負極導電部材２５の溶接は、以下に説明する正極集電タブ２０と正極導電部材２４の溶接と同じ方法である。

溶接装置の通電部３４は、作業者などの外部操作に基づく予熱開始信号を入力すると、各溶接用電極３０，３１の電熱線３２に電圧を印加する。これにより、各溶接用電極３０，３１は、電熱線３２の発熱によって加熱されるとともに所定の温度に保温される。この実施形態において各溶接用電極３０，３１は、雰囲気温度以上で、かつ接合対象物の溶融温度以下の温度に保たれる。接合対象物を正極集電タブ２０と正極導電部材２４とした場合、各溶接用電極３０，３１は、正極集電タブ２０や正極導電部材２４の溶融温度以下の温度に保たれる。

溶接時には、離間した状態の溶接用電極３０，３１の間に接合対象物を配置する。そして、移動機構３５により、溶接用電極３０を接合対象物に接触させる。溶接時には、作業者などの外部操作に基づく溶接開始信号を入力した通電部３３が電圧を印加させることにより、各溶接用電極３０，３１と接合対象物の接触によって接合対象物である正極集電タブ２０と正極導電部材２４に通電される。この通電により、接合対象物は、抵抗熱で加熱されるとともに溶融し、溶接装置からの加圧力を受けて接合される。

溶接終了後、通電部３３は、溶接用電極３０，３１への電圧の印加を停止する。一方、通電部３４は、電熱線３２に対する電圧の印加を継続し、溶接用電極３０，３１を保温する。これにより、溶接用電極３０，３１は、溶接時と非溶接時において温度変化が小さい状態に保たれる。また、抵抗溶接を繰り返す場合、抵抗溶接は、溶接用電極３０，３１が保温された状態で行われる。

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）溶接用電極３０，３１は、溶接時に通電させることで発熱して温度上昇を伴うが、溶接が終了すると温度は下降するというように温度変化が激しい。このため、溶接用電極３０，３１を加熱することで、溶接時と非溶接時における溶接用電極３０，３１の温度変化を小さくすることができる。したがって、熱衝撃によって溶接用電極３０，３１にクラックが発生してしまうことを抑制できる。

（２）これにより、二次電池１０の製造において、クラックの発生を要因とする溶接用電極３０，３１の交換頻度を抑えることができ、二次電池１０の製造効率の低下を抑制できる。

（３）溶接用電極３０，３１が保温された状態で溶接を行うので、抵抗溶接を繰り返し行うことによる溶接用電極３０，３１の急激な温度変化を抑制できる。したがって、抵抗溶接を繰り返し行う場合であっても、熱衝撃によって溶接用電極３０，３１にクラックが発生してしまうことを抑制できる。

（４）溶接用電極３０，３１を接合対象物である正極集電タブ２０などの溶融温度以下に保温するので、溶接用電極３０，３１を接合対象物に接触させた場合であっても、溶接用電極３０，３１の熱によって接合対象物が溶融してしまうことを抑制できる。したがって、良好な溶接部２６を得ることができる。

（５）電熱線３２へ電圧を印加して溶接用電極３０，３１を加熱するので、加熱するための構成を簡素化することができる。
（６）そして、電熱線３２は、溶接用電極３０，３１の周面に巻いているので、電熱線３２の熱を溶接用電極３０，３１に直接的に与えることができ、溶接用電極３０，３１を良好に加熱できる。

（７）溶接用電極３０，３１と接合対象物を通電させる場合には通電部３３が電圧を印加し、溶接用電極３０，３１を加熱させる場合には通電部３４が電圧を印加する。このため、通電時と加熱時の制御を個別に行うことができ、制御を簡素化できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 電熱線３２の周面に代えて、各溶接用電極３０，３１の周面を絶縁材で被覆しても良い。また、各溶接用電極３０，３１の周面と電熱線３２の周面の両方を絶縁材で被覆しても良い。

○ 各溶接用電極３０，３１の周囲にヒータなどの熱源を配置することで、各溶接用電極３０，３１を加熱しても良い。この場合、各溶接用電極３０，３１には、電熱線３２が巻かれていても良いし、ヒータなどの熱源のみによって加熱しても良い。

○ 電熱線３２やヒータなどの加熱手段に熱を発生させるために付与するエネルギーを変更しても良い。例えば、ガスを燃焼させたエネルギーや太陽光などのエネルギーを用いて熱を発生させても良い。

○ 電熱線３２やヒータなどの加熱手段は、溶接用電極３０，３１の全体を加熱するように配置しても良いし、溶接用電極３０，３１の先端などの局部に熱を与え、その熱を全体に伝えるようにしても良い。

○ 通電部３３，３４が電圧を印加するタイミングなどの制御内容を変更しても良い。要は、溶接時に溶接用電極３０，３１が加熱されていれば良い。
○ 通電部３４による電圧の印加は、溶接装置の主電源がＯＮされた時に一義的に行われるようにしても良い。

○ 溶接中は、加熱手段（実施形態では電熱線３２）による各溶接用電極３０，３１の加熱を継続しても良いし、中断させても良い。
○ 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。また、蓄電装置としてキャパシタでも良い。

○ 実施形態の二次電池１０は、車両電源装置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。
○ 実施形態の溶接装置及び溶接方法は、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おいて電極と導電部材を接合する際に適用しても良い。

１０…二次電池、１５…正極電極、１６…負極電極、２０…正極集電タブ、２３…負極集電タブ、２４…正極導電部材、２５…負極導電部材、３０，３１…溶接用電極、３２…電熱線、３３，３４…通電部、３５…移動機構。

Claims (7)

1. 蓄電装置の電極と、
   前記蓄電装置の電極との間で電気を授受する導電部材と、を抵抗溶接する溶接方法であって、
   加熱手段により溶接用電極を加熱し、その加熱した溶接用電極を前記導電部材及び前記蓄電装置の電極に接触させ、前記溶接用電極、前記導電部材及び前記蓄電装置の電極に通電させて抵抗溶接する溶接方法。
2. 前記抵抗溶接は、前記溶接用電極が保温された状態で行う請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記溶接用電極は、前記蓄電装置の電極の溶融温度以下の温度に保温する請求項２に記載の溶接方法。
4. 蓄電装置の電極と、
   前記蓄電装置の電極との間で電気を授受する導電部材と、を抵抗溶接する溶接装置であって、
   前記蓄電装置の電極、及び前記導電部材に通電させる溶接用電極と、
   前記溶接用電極を前記蓄電装置の電極、及び前記導電部材に接触させる移動機構と、
   前記溶接用電極を加熱する加熱手段と、を備えた溶接装置。
5. 前記溶接用電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記加熱手段に加熱用のエネルギーを付与するエネルギー付与手段と、を備えた請求項４に記載の溶接装置。
6. 前記エネルギー付与手段は、前記加熱手段に電気エネルギーを付与する請求項５に記載の溶接装置。
7. 前記加熱手段は、前記溶接用電極に巻かれている請求項４〜請求項６のうち何れか一項に記載の溶接装置。