JP2017170493A - 溶接加工部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１金属板を含む第１被溶接部材と、第２金属板を含む被溶接部材とをエネルギー線を用いて溶接して溶接加工部材を製造する製造方法において、第１金属板および第２金属板を良好に溶接することができる溶接加工部材の製造方法を提供する。【解決手段】電池は、金属板７を含む蓋４と第２金属板を含むケース本体５とをレーザＬを用いて溶接して電池ケースを製造する電池ケースの製造方法において、金属板７は、金属板７の厚さ方向に配列する上面２１および下面２２と、側面２３とを含み、第２金属板は、第２金属板の厚さ方向に配列する内側面２４および外側面２５と、端面２６とを含み、第２金属板の厚さ方向における端面２６の幅は、０．６ｍｍ以上であり、製造方法は、側面２３と内側面２４とを突き合わせる工程と、レーザＬを傾斜させた状態で照射する工程と、照射位置を外側面２５側から内側面２４側に向かう方向に移動させる工程と備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、溶接加工部材の製造方法に関する。

従来から金属板同士を溶接してケース等の溶接加工部材を製造する製造方法について各種提案されている（特許文献１，２）。

たとえば、特開２０１５−１６３４１０号公報には、アルミニウム製の蓋と、上方が開口する缶とをレーザ溶接して、電池の収容ケースを製造する収容ケースの製造方法が記載されている。

上記の収容ケースの製造方法においては、蓋を缶の内側に嵌め込み、蓋の側面と缶の内側面とを突き合わせると共に、缶の上面と蓋の上面とが面一となるように配置する。

そして、缶の上面にレーザを照射する。レーザの照射位置は、缶の上面に位置しており、レーザの出射位置から照射位置に向かうにつれて、蓋の上面側から缶の上面側に向かうように、傾斜させた状態でレーザを照射する。

レーザによって缶の上面に溶融部が形成される。そして、溶融部が缶の上面から缶の外側面に達するまでレーザの照射位置を固定する。溶融部が缶の外側面に達する際には、溶融部は、蓋の上面および側面まで達する。

そして、溶融部が缶の側面に達すると、レーザの照射位置を突き合わせ面に沿って、レーザの照射位置を移動させる。

特開２０１４−２１３３７４号公報 特開２００２−１７８１７７号公報 特開２０１５−１６３４１０号公報

上記の製造方法において、缶の上面の幅が０．６ｍｍよりも小さい場合には、溶融部が缶の外側面に達するときに、蓋の側面における溶融部の溶融深さは十分深くなる。

その一方で、缶の上面の幅が０．６ｍｍ以上の場合には、溶融部が缶の外側面に達したとしても、溶融部は、缶と蓋との突き合わせ面に殆ど達していない状態となり、蓋と缶とが十分に溶接されないという課題が生じる。

なお、上記のような課題は、電池の収容ケースの製造方法に限られず、レーザなどのエネルギー線を用いて金属板同士を溶接して溶接加工部材を製造する製造方法においても、同様の課題が生じる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、第１金属板を含む第１被溶接部材と、第２金属板を含む被溶接部材とをエネルギー線を用いて溶接して溶接加工部材を製造する製造方法において、第１金属板および第２金属板を良好に溶接することができる溶接加工部材の製造方法を提供することである。

本発明に係る溶接加工部材の製造方法は、１つの局面では、第１金属板を含む第１被溶接部材と第２金属板を含む第２被溶接部材とをエネルギー線を用いて溶接して溶接加工部材を製造する溶接加工部材の製造方法である。

上記第１金属板は、第１金属板の厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面と、第１主表面の外周縁部を第２主表面の外周縁部に接続する第１側面とを含む。上記第２金属板は、第２金属板の厚さ方向に配列する第３主表面および第４主表面と、第３主表面の外周縁部および第４主表面の外周縁部を接続する第２側面とを含む。上記第２金属板の厚さ方向における第２側面の幅は、０．６ｍｍ以上である。

上記製造方法は、第１側面と第３主表面とを突き合わせると共に、第１主表面と第２側面とが面一となるように第１金属板と第２金属板を配置する工程と、第１主表面および第２側面から離れた位置から視るとエネルギー線の照射位置が第２側面上に位置すると共にエネルギー線の出射位置が照射位置よりも第１金属板側に位置するように、エネルギー線を傾斜させた状態で照射する工程と、照射位置を第４主表面側から第３主表面側に向かう方向に移動させる工程と備える。

上記の溶接方法によれば、第２側面上にエネルギー線の照射位置が位置し、第２側面およびその周囲が溶融し、当該溶融部が第２金属板の第４主表面に達する。

そして、エネルギー線の照射位置を第１金属板に近づくように移動させると、溶融部も第１金属板に近づき、第１金属板の第１側面および第１主表面も溶融する。その結果、第１金属板と第２金属板に亘って、十分な溶融深さの溶融部が形成され、第１金属板および第２金属板が良好に溶接される。

本発明に係る溶接加工部材の製造方法によれば、第１金属板および第２金属板を良好に溶接することができる。

電池１を示す斜視図である。 電池１を示す平面図である。 図２に示すＩＩＩ線で囲まれた部分を示す拡大図である。 電池ケース３および電池１の製造方法の第１工程を示す斜視図である。 図４の製造工程後の製造工程を示す斜視図である。 図５において、ＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 図６に示す製造工程後の製造工程を示す斜視図である。 図７に示すレーザ溶接装置６０を用いて、レーザＬをケース本体５に照射した状態を示す断面図である。 蓋体４の上面２１およびケース本体５の端面２６よりも上方から出射位置Ｐ１、照射位置Ｐ２、上面２１および端面２６を見た時の平面図である。 図８に示す状態から僅かに時間が経過した状態を示す断面図である。 照射位置Ｐ２の位置を固定した状態で、図１０に示す状態からレーザＬの照射を継続したときの断面図である。 図１１に示す製造工程後の製造工程を示す断面図である。 図１２に示す製造工程後の製造工程を示す平面図である。 上記実施の形態に係る製造方法に基づいて形成された溶接ビード１５の断面図を示す写真である。 上記実施の形態に係る溶接方法で溶接ビードを形成した部位を示す平面図である。 比較例１に係る溶接方法で溶接ビードを形成している状態を示す断面図である。 比較例２に係る溶接方法で溶接ビードを形成している状態を示す断面図である。

図１は、電池１を示す斜視図である。この図１に示すように、電池１は、電極体２と、この電極体２を収容する電池ケース（溶接加工部材）３とを含む。

電池ケース３は、蓋体（第１被溶接部材）４と、上面に蓋体４が溶接されたケース本体（第２被溶接部材）５と、蓋体４およびケース本体５を一体的に接続する溶接部６とを含む。

電極体２は、正極シートと、負極シートと、セパレータとを順次積層して積層体を形成した後、当該積層体を巻回して巻回体を形成し、その後、当該巻回体を扁平形状に変形させることで形成されている。電極体２の一端には正極部１０が形成され、電極体２の他端には負極部１１が形成されている。

蓋体４は、金属板（第１金属板）７と、金属板７の上面に設けられた正極端子１２および負極端子１３とを含む。正極端子１２は正極部１０に接続され、負極端子１３は負極部１１に接続されている。

ケース本体５は、底板８と、底板８の外周縁部から上方に立ち上がる複数の側板（第２金属板）９とを含む。

図２は、電池１を示す平面図である。この図２に示すように、溶接部６は、ケース本体５の外周縁部に形成されており、溶接部６は環状に形成されている。

図３は、図２に示すＩＩＩ線で囲まれた部分を示す拡大図である。この図３に示すように、溶接部６は、ケース本体５の外周縁部に沿って配列する複数の溶接ビード１５によって形成されている。各溶接ビード１５は、ケース本体５の外周縁部から蓋体４上に達するように形成されている。

このように、電池ケース（溶接加工部材）３は、蓋体（被溶接部材）４の金属板（第１金属板）７と、ケース本体（被溶接部材）５の各側板（第２金属板）９とを溶接することで製造された溶接加工部材である。

次に、電池ケース３および電池１の製造方法について説明する。
図４は、電池ケース３および電池１の製造方法の第１工程を示す斜視図である。この図４に示すように、蓋体４に設けられた正極集電部１７に電極体２の正極部１０を接続し、蓋体４に設けられた負極集電部１８に負極部１１を接続する。そして、電極体２をケース本体５の開口部２０からケース本体５内に挿入する。

図５は、図４の製造工程後の製造工程を示す斜視図である。この図５に示すように、ケース本体５の開口部２０を蓋体４で閉塞する。

図６は、図５において、ＶＩ−ＶＩ線における断面図である。この図６に示すように、蓋体４の金属板７は、厚さ方向Ｄ１に配列する上面（第１主表面）２１および下面（第２主表面）２２と、上面２１の外周縁部と下面２２の外周縁部とを接続する側面２３とを含む。側面２３は上面２１および下面２２の外周縁部に沿って延びており、側面２３は環状に形成されている。

ケース本体５の側板９は、側板９の厚さ方向Ｄ２に配列する内表面（第３主表面）２４および外表面（第４主表面）２５と、内表面２４の外周縁部および外表面２５の外周縁部を接続する側面（第２側面）２６とを含む。内表面２４の外周縁部は、環状に延びており、この環状に延びる外周縁部によって開口部２０が形成されている。

図６に示す製造工程においては、蓋体４の側面２３がケース本体５の内表面２４に突き合わせられた状態になる。この際、蓋体４の上面２１と、ケース本体５の端面（第２側面）２６とが面一になるように配置される。なお、上面２１と端面２６とが面一とは、上面２１と端面２６とが完全に一致する場合のみならず、上面２１および端面２６とが所定誤差の範囲内で一致している場合を含む。なお、所定誤差の範囲としては、たとえば、蓋体４の厚さの十分の一程度である。製造誤差として、不可避的に上面２１と端面２６とが完全に面一にならない場合があるためである。

図７は、図６に示す製造工程後の製造工程を示す斜視図である。この図７に示すように、レーザ溶接装置６０を用いて、蓋体４と電池ケース３とを溶接する。

レーザ溶接装置６０は、ガルバノスキャナ方式の溶接装置である。このレーザ溶接装置６０は、レーザ発振器６１と、カルバノススキャナ６４と、ｆθレンズ６５とを備える。カルバノススキャナ６４内には、反射鏡６７および反射鏡６８が設けられている。

レーザ発振器６１は、レーザ光を生成し、レーザ発振器６１で生成されたレーザ光は、光ファイバーを通して、カルバノススキャナ６４内に入射する。

カルバノススキャナ６４内に入射したレーザは、反射鏡６７および反射鏡６８で反射され、ｆθレンズ６５に入射する。ｆθレンズ６５から出射したレーザは、所定の焦点位置に集光する。

このようなレーザ溶接装置６０においては、反射鏡６７および反射鏡６８を調整することで、レーザＬの照射位置を調整することができる。さらに、ｆθレンズ６５を調整することで、レーザＬの焦点位置を調整することができる。なお、レーザ溶接装置６０に、回折光学素子（ＤＯＥ）おおび当該回折光学素子を動かす回転用モータを設けてもよい。なお、ｆθレンズ６５からレーザＬが出射される位置を出射位置Ｐ１とする。

図８は、図７に示すレーザ溶接装置６０を用いて、レーザＬをケース本体５に照射した状態を示す断面図である。

この図８に示すように、ケース本体５の端面２６上にレーザＬの照射位置Ｐ２が位置するように、レーザ溶接装置６０はレーザＬを照射する。

図９は、蓋体４の上面２１およびケース本体５の端面２６よりも上方から出射位置Ｐ１、照射位置Ｐ２、上面２１および端面２６を見た時の平面図である。

この図９に示すように、レーザＬの出射位置Ｐ１は照射位置Ｐ２よりも蓋体４側に位置しており、レーザＬは、図８に示すように、傾斜した状態で照射位置Ｐ２に照射されている。照射位置Ｐ２は、たとえば、内表面２４よりも外表面２５に近い位置である。厚さ方向Ｄ２における端面２６の幅は、たとえば、０．６ｍｍ以上であり、たとえば、０．６ｍｍ以上１．０ｍｍである。そして、レーザＬが端面２６に照射されることで、端面２６に溶融部３０が形成される。

図１０は、図８に示す状態から僅かに時間が経過した状態を示す断面図である。この図１０に示すように、レーザＬは、ケース本体５にキーホールを形成することができる程度のエネルギ密度を有する。具体的には、たとえば、ケース本体５がアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている場合には、レーザＬのエネルギ密度は、約１８〜２４ｋＷ／ｍｍ^２である。また、端面２６に対するレーザＬ１の光軸Ａの傾斜角度を傾斜角度θとすると、傾斜角度θは、たとえば、０．５°以上１５°以下であり、好ましくは０．５°以上１０°以下である。

図１０に示すように、照射位置Ｐ２の位置を固定した状態でレーザＬの照射を継続すると、キーホール３１が形成される。レーザＬの照射が継続されると、キーホール３１が大きくなり、キーホール３１の開口部が広がる。

この図１０に示す状態においては、キーホール３１の開口部は、側板９の外表面２５にまで達しておらず、キーホール３１は、凹部形状になっている。このため、キーホール３１内に入射したレーザＬの多くは、キーホール３１内で多重反射し、その後、キーホール３１の開口部から外部に出射され、レーザＬの一部は溶融部３０に吸収される。

図１１は、照射位置Ｐ２の位置を固定した状態で図１０に示す状態からレーザＬの照射を継続したときの断面図である。この図１１に示すように、キーホール３１および溶融部３０が広がり続け、側板９の外表面２５に達する。そして、側板９の外表面２５においても、キーホール３１が大きく開口し始める。

このようにキーホール３１が大きく開口すると、レーザＬは、キーホール３１内で多重反射せずに、１回だけ溶融部３０の表面で反射して外部に向けて出射する。その結果、レーザＬの殆ど、たとえば、８０％〜９５％は溶融部３０で反射して外部に出射し、レーザＬの残りの部分は溶融部３０に吸収される。

また、キーホール３１および溶融部３０が広がると、溶融部３０が蓋体４の上面２１および側面２３に達する。図８から図１１に示すように、レーザＬ１の照射を開始したから溶融部３０が広がるまでの間、照射位置Ｐ２の位置を固定する。

図１２は、図１１に示す製造工程後の製造工程を示す断面図である。この図１２に示すようにレーザＬの照射位置を外表面２５から内表面２４に向かう移動方向Ｄ３に、徐々に移動させて、照射位置Ｐ３まで移動させる。照射位置Ｐ３は、側板９の外表面２５よりも蓋体４の側面２３に近い位置である。

レーザＬを移動させることで、溶融部３０も移動方向Ｄ３に引っ張られ、溶融部３０およびキーホール３１も移動方向Ｄ３に広がる。その結果、側面２３および内表面２４の対向部分においても溶融部３０およびキーホール３１が広く分布する。

その結果、側面２３と内表面２４と対向部分のうち溶融部３０によって溶融した部分の溶融深さＬ２が、蓋体４の厚さＬ１の半分程度になる。このように、蓋体４の厚さＬ１の半分程度まで溶融させることで、蓋体４と側板９とを良好に接合させることができる。

図１３は、図１２に示す製造工程後の製造工程を示す平面図である。この図１３に示すように、レーザＬの照射位置を照射位置Ｐ３から照射位置Ｐ４に移動させる。

照射位置Ｐ４は、照射位置Ｐ２に対して端面２６が延びる方向に隣り合う位置であり、照射位置Ｐ２と同様に、端面２６上であって蓋体４の側面２３よりも側板９の外表面２５に近い位置である。そして、レーザＬの照射位置を照射位置Ｐ４から照射位置Ｐ５に移動させる。

このように、レーザＬの照射位置を照射位置Ｐ２から照射位置Ｐ３に移動させることで、溶接ビード１５Ａが形成され、そして、レーザＬの照射位置を照射位置Ｐ４から照射位置Ｐ５に移動させることで、溶接ビード１５Ｂが形成される。そして、ケース本体５の端面２６および蓋体４の側面２３の境界に沿って、順次溶接ビード１５を形成することで、図２に示す溶接部６が形成される。なお、図１４は、上記実施の形態に係る製造方法に基づいて形成された溶接ビード１５の断面図を示す写真である。この図１４に示すように、良好に溶接ビード１５を形成することができることが分かる。

なお、照射位置Ｐ３でのレーザＬの照射が完了した後に、所定時間経過した後に、照射位置Ｐ４へのレーザＬの照射をしてもよい。

このようにして、電池ケース３が形成される。電池ケース３を形成した後に、蓋体４に形成された電解液注入口から電解液を注入し、その後、当該電解液注入口を閉塞することで、電池１が形成される。

次に、上記実施の形態に係る溶接方法を用いて溶接部６を形成した実施例について説明する。

実施例においては、ケース本体５の端面２６の厚さ方向Ｄ２の長さは、０．８ｍｍであり、蓋体４の厚さは、１．４ｍｍである。

ケース本体５および蓋体４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。

ケース本体５の端面２６に照射されるレーザＬのエネルギは、熱伝導領域において約１４〜１６ｋＷ／ｍｍ^２、キーホール領域においては約１８〜２４ｋＷ／ｍｍ^２である。そして、レーザＬの傾斜角度θは５°である。

図１５は、上記実施の形態に係る溶接方法で溶接ビードを形成した部位を示す平面図である。この図１５に示すように、１つの試作品において、１０か所において溶接ビード１５Ｂ１〜１５Ｂ１０を形成した。そして、７つの試作品において、同様に溶接ビード１５Ｂ１〜１５Ｂ１０を作成し、全ての溶接ビードの溶け込み深さを測定した。

下記の表１は、各溶接ビードの溶け込み深さを示す表である。なお、横列は試作品番号を示し、縦列（部位）の１〜１０は溶接ビード１５Ｂ１〜１５Ｂ１０を示す。なお、表１に記載の「※」は、蓋体４の反りなどの製品影響のために測定ができなかったことを示す。

上記の表１に示すように、各溶接ビード１５Ｂ１〜１５Ｂ１０の溶け込み深さは、蓋体４の厚さの半分程度であることがわかり、蓋体４とケース本体５とが良好に溶接され、各溶接ビード１５Ｂ１〜１５Ｂ１０の強度が十分確保されていることがわかる。

図１６は、比較例１に係る溶接方法で溶接ビードを形成している状態を示す断面図である。この図１６に示す例においては、蓋体４の側面２３とケース本体５の内表面２４との境界線上にレーザＬを照射して溶接ビードを形成した。なお、傾斜角度θおよびレーザＬのエネルギ密度は、上記実施例と同様である。

この図１６に示すように、キーホール３１が蓋体４の厚さ方向に延びる。そして、キーホール３１内でレーザＬが多重反射して、キーホール３１が蓋体４の厚さ方向に短時間で伸展しやすく、溶融部３０が蓋体４の下面２２に達する場合が生じた。

図１７は、比較例２に係る溶接方法で溶接ビードを形成している状態を示す断面図である。この図１７に示す比較例２においては、レーザＬのエネルギを一定としつつ、端面２６におけるレーザＬの照射面積を比較例１の照射面積よりも広く設定している。

その結果、キーホールが形成されずに、溶融部３０のみが形成される。キーホールが形成されないため、溶融部３０の溶け込み深さが浅くなる。その結果、溶接強度が不十分なものとなった。

このように、実施例に係る溶接方法によれば、溶融部３０が蓋体４の下面２２に達することを抑制することができると共に、十分な溶接強度を有する溶接部６を形成することができる。なお、上記実施の形態においては、エネルギー線としてレーザを採用する例について説明したが、電子ビーム溶接などを用いてもよい。今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明は、溶接加工部材の製造方法に適用することができる。

１ 電池、２ 電極体、３ 電池ケース、４ 蓋体、５ ケース本体、６ 溶接部、７ 金属板、８ 底板、９ 側板、１０ 正極部、１１ 負極部、１２ 正極端子、１３ 負極端子、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｂ１，１５Ｂ１０ 溶接ビード、１７ 正極集電部、１８ 負極集電部、２０ 開口部、２１ 上面、２２ 下面、２３ 側面、２４ 内表面、２５ 外表面、２６ 端面、３０ 溶融部、３１ キーホール、６０ レーザ溶接装置、６１ レーザ発振器、６４ カルバノススキャナ、６５ レンズ、６７，６８ 反射鏡、Ａ 光軸、Ｄ１，Ｄ２ 厚さ方向、Ｄ３ 移動方向、Ｌ，Ｌ１ レーザ、Ｌ１ 厚さ、Ｌ２ 長さ、Ｐ１ 出射位置、Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５ 照射位置。

Claims (1)

1. 第１金属板を含む第１被溶接部材と第２金属板を含む第２被溶接部材とをエネルギー線を用いて溶接して溶接加工部材を製造する溶接加工部材の製造方法において、
   前記第１金属板は、前記第１金属板の厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面と、前記第１主表面の外周縁部を前記第２主表面の外周縁部に接続する第１側面とを含み、
   前記第２金属板は、前記第２金属板の厚さ方向に配列する第３主表面および第４主表面と、前記第３主表面の外周縁部および前記第４主表面の外周縁部を接続する第２側面とを含み、
   前記第２金属板の厚さ方向における前記第２側面の幅は、０．６ｍｍ以上であり、
   前記製造方法は、
   前記第１側面と前記第３主表面とを突き合わせると共に、前記第１主表面と前記第２側面とが面一となるように前記第１金属板と前記第２金属板とを配置する工程と、
   前記第１主表面および前記第２側面から離れた位置から視ると前記エネルギー線の照射位置が前記第２側面上に位置すると共に前記エネルギー線の出射位置が前記照射位置よりも前記第１金属板側に位置するように、前記エネルギー線を傾斜させた状態で照射する工程と、
   前記照射位置を前記第４主表面側から前記第３主表面側に向かう方向に移動させる工程と、
   備えた、溶接加工部材の製造方法。