JP2018116845A

JP2018116845A - レーザ溶接方法

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Publication number: JP2018116845A
Application number: JP2017006942A
Authority: JP
Inventors: 晃嵩山田; Hidaka Yamada
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: JP6885072B2

Abstract

【課題】スパッタが蓄電装置の構成部品に付着することを抑制できるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ溶接方法は、電極組立体の正極タブと正極導電部材とをレーザ溶接によって接合する接合工程を含む。接合工程は、正極タブと正極導電部材とが重なる部分のうち後にレーザ溶接される溶接対象部に向けて、電極組立体からの正極タブの突出方向に第１ガスを噴射する第１ガス噴射工程、及び第１ガス噴射工程の最中に溶接対象部にレーザ光を照射し、正極タブと正極導電部材とをレーザ溶接するレーザ光照射工程を有する接合工程を有する。また、レーザ溶接方法は、レーザ光照射工程後に、溶接対象部に向けて、電極組立体からの正極タブの突出方向に第２ガスを噴射する第２ガス噴射工程を含む。第２ガスの風量Ｑ２は、第１ガスの風量Ｑ１よりも多い。【選択図】図３

Description

本発明は、電極のタブ同士、又はタブと導電部材とをレーザ溶接する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、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。一般に、二次電池は、電極組立体を収容するケースを備え、そのケース内に電極組立体が収容されている。電極組立体として、例えば、複数の正極電極と複数の負極電極との間にセパレータを介在させた状態で積層した積層型の電極組立体がある。そして、二次電池からの電力の取り出しは、電極組立体と電気的に接続された電極端子を通して行われている。

例えば、特許文献１の二次電池において、電極組立体は、寄せ集められた正極電極の一端部（例えばタブ）と正極端子の一部（例えば導電部材）とをレーザ溶接によって接合した溶接部を備える。溶接部によって、各正極電極は、正極端子と電気的に接続されている。負極電極及び負極電極端子についても同様である。

また、その他の二次電池として、電極組立体は、寄せ集められた状態の複数の正極電極の一端部（例えばタブ）をレーザ溶接によって接合した第１溶接部を備える。第１溶接部によって、正極電極同士は電気的に接続されている。また、電極組立体は、第１溶接部によって接合された複数の正極電極の一端部（タブ群）と正極端子の一部（例えば導電部材）とをレーザ溶接によって接合した第２溶接部を備える。第２溶接部によって、正極電極は正極端子と電気的に接続されている。負極電極及び負極端子についても同様である。

特開２０１６−３０２８０号公報

このようにタブ同士、又はタブと導電部材とをレーザ溶接する場合、溶融したタブ又は導電部材からスパッタ（金属の塵）が発生し、電極組立体や導電部材に付着することがある。スパッタが電極組立体や導電部材に付着したままの状態で二次電池が製造されると、スパッタは二次電池内の異物となる。異物は、例えば、二次電池の内部短絡の原因となり得るため、除去することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スパッタが蓄電装置の構成部品に付着することを抑制できるレーザ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のレーザ溶接方法は、集電体と該集電体の一辺から突出したタブとを有する複数の電極を積層した電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する導電部材と、を備えた蓄電装置の製造のために、前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とをレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とが重なる部分のうち後にレーザ溶接される溶接対象部に向けて、前記電極組立体からの前記タブの突出方向に第１ガスを噴射する第１ガス噴射工程、及び前記第１ガス噴射工程の最中に前記溶接対象部にレーザ光を照射し、前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とをレーザ溶接するレーザ光照射工程を有する接合工程と、前記レーザ光照射工程後に、前記溶接対象部に向けて、前記電極組立体からの前記タブの突出方向に第２ガスを噴射する第２ガス噴射工程と、を含み、前記第２ガスの風量は、前記第１ガスの風量以上であることを要旨とする。

これによれば、第１ガス噴射工程の最中にレーザ光照射工程が行われると、電極組立体からのタブの突出方向に噴射される第１ガスにより、レーザ溶接時にタブ又は導電部材で発生したスパッタの一部は、電極組立体から離れる方向に飛ばされる。さらに、レーザ光照射工程後の第２ガス噴射工程では、第１ガスと同等以上の風量の第２ガスが噴射されるため、第１ガスで除去できなかったスパッタを電極組立体から離れる方向に飛ばすことができる。よって、スパッタが電極組立体の構成部品に付着することを抑制できる。

また、レーザ溶接方法について、前記第１ガスと前記第２ガスは、同じガスであるのが好ましい。
これによれば、第１ガス噴射工程から第２ガス噴射工程に移行する際、第１ガスの風量を増加させるだけでよい。よって、ガスの種類を切り替える必要がなく、第１ガス噴射工程から第２ガス噴射工程に素早く移行することができる。その結果、スパッタが冷却されてタブ又は導電部材に付着してしまう前に除去することができる。

また、レーザ溶接方法について、前記第２ガス噴射工程において、前記タブ又は前記導電部材を通過後の前記第２ガスを集塵機で回収するのが好ましい。
これによれば、第２ガスによって飛ばされたスパッタは、第２ガスとともに集塵機で回収されるため、スパッタが蓄電装置の構成部品に付着することをより抑制できる。

また、レーザ溶接方法について、前記第１ガス噴射工程において、前記タブ又は前記導電部材を通過後の前記第１ガスを集塵機で回収するのが好ましい。
これによれば、第１ガスによって飛ばされたスパッタは、第１ガスとともに集塵機で回収されるため、スパッタが蓄電装置の構成部品に付着することをより抑制できる。

本発明によれば、スパッタが蓄電装置の構成部品に付着することを抑制できる。

実施形態の蓄電装置の分解斜視図。（ａ）は実施形態の正極タブ、正極導電部材、及び溶接装置の配置を示す平面図、（ｂ）及び（ｃ）はその側面図。実施形態の溶接方法の各工程におけるガスの風量を示すグラフ。（ａ）は正極タブ、正極導電部材、及び溶接装置の配置の別例を示す平面図、（ｂ）及び（ｃ）はその側面図。

以下、本発明を具体化した実施形態を図１〜図３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において、ケース１１には電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、直方体状のケース本体１３と、矩形平板状の蓋１４とを有する。ケース本体１３は、その内側に収容部を有するとともに、収容部と連通する挿入口１３ａが開口している。蓋１４は、挿入口１３ａを閉塞する。ケース１１を構成するケース本体１３と蓋１４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池である。また、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

図２（ｃ）に示すように、電極組立体１２は、電極としての正極電極２０及び負極電極３０と、多孔質膜で形成されたセパレータ４０とを備える。電極組立体１２は、複数の正極電極２０と、複数の負極電極３０とが、セパレータ４０を介して交互に積層されて構成されている。

正極電極２０は、矩形シート状の集電体としての正極金属箔（例えばアルミニウム箔）２１と、正極金属箔２１の両面に存在する活物質層としての正極活物質層２２と、を有する。正極金属箔２１は、正極活物質層２２によって覆われず、正極金属箔２１そのもので構成された矩形状のタブとしての正極タブ２３を含む。正極タブ２３は、正極金属箔２１の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出している。

負極電極３０は、矩形シート状の集電体としての負極金属箔（例えば銅箔）３１と、負極金属箔３１の両面に存在する活物質層としての負極活物質層３２と、を有する。負極金属箔３１は、負極活物質層３２によって覆われず、負極金属箔３１そのもので構成された矩形状のタブとしての負極タブ３３を含む。負極タブ３３は、負極金属箔３１の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出している。

正極電極２０及び負極電極３０は、正極タブ２３が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ２３と重ならない位置にて負極タブ３３が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、正極タブ２３は、電極組立体１２の積層方向の一端側にて集められ（束ねられ）、他端側に向けて折り曲げられている。同様に、負極タブ３３は、電極組立体１２の積層方向の一端側にて集められ（束ねられ）、他端側に向けて折り曲げられている。

図１に示すように、二次電池１０は、電極組立体１２から電気を取り出すための端子としての正極端子１５と負極端子１６とを備える。正極端子１５及び負極端子１６は、蓋１４の貫通孔１４ａを貫通してケース１１外に突出する。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１７がそれぞれ取り付けられている。正極端子１５は、ケース１１内に矩形板状の導電部材としての正極導電部材１５ａを有する。正極端子１５は、正極導電部材１５ａと電気的に接続されている。負極端子１６は、ケース１１内に矩形板状の導電部材としての負極導電部材１６ａを有する。負極端子１６は、負極導電部材１６ａと電気的に接続されている。

二次電池１０は、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとがレーザ溶接によって接合された溶接部としての第１溶接部１８を有する。第１溶接部１８は、寄せ集められた正極タブ２３と正極導電部材１５ａとが重なる部分である溶接対象部Ａを溶接して形成されている。つまり、溶接対象部Ａは、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとが重なる部分のうち、後にレーザ溶接される部分である。正極タブ２３は、第１溶接部１８によって正極導電部材１５ａと電気的に接続されている。二次電池１０は、負極タブ３３と負極導電部材１６ａとがレーザ溶接によって接合された溶接部としての第２溶接部１９を有する。第２溶接部１９は、寄せ集められた負極タブ３３と負極導電部材１６ａとが重なる部分である溶接対象部Ａを溶接して形成されている。負極タブ３３は、第２溶接部１９によって負極導電部材１６ａと電気的に接続されている。

以下、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとをレーザ溶接によって接合する溶接装置５０と、溶接装置５０を用いた溶接方法について説明する。なお、本実施形態では、各正極タブ２３と正極導電部材１５ａとを溶接する。負極タブ３３と負極導電部材１６ａとのレーザ溶接については、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとのレーザ溶接と同様の方法で行われるため、詳細な説明及び図示を省略する。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、溶接装置５０は、レーザ光Ｌを照射するレーザ装置５１と、ガスを噴射するガス噴射装置５２と、集塵機５３とを備える。なお、電極組立体１２は、積層方向一端側が上に、積層方向他端側が下を向くように、図示しない治具上に載置されている。そして、正極導電部材１５ａ上に積層方向一端側に位置した正極タブ２３が載せられた状態で溶接が行われる。以下、電極組立体１２の積層方向一端側を下側とし、電極組立体１２の積層方向他端側を上側とする。

レーザ装置５１は、寄せ集められた正極タブ２３の斜め上方に配置されている。レーザ装置５１は、溶接対象部Ａにレーザ光Ｌを照射する。レーザ装置５１は、電極組立体１２の積層方向及び正極タブ２３の突出方向に移動可能であるため、レーザ光Ｌの照射位置は溶接対象部Ａ上で移動する。

ガス噴射装置５２は、電極組立体１２の側方において、ガスの噴射方向が電極組立体１２からの正極タブ２３の突出方向と一致するように配置されている。ガス噴射装置５２は、レーザ光Ｌの照射位置へ向けてガスを噴射する。ガス噴射装置５２は、アシストガスの風量を調整する風量調節部（図示せず）を備える。ガス噴射装置５２は、レーザ光Ｌの照射位置の移動に伴って移動可能である。

集塵機５３は、ガス噴射装置５２の噴射口５２ａと対向するように配置されている。つまり、集塵機５３は、ガス噴射装置５２からのアシストガスの噴射方向において正極タブ２３より下流側に配置されている。

本実施形態の溶接方法は、電極組立体１２と正極導電部材１５ａとを配置する配置工程と、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとをレーザ溶接により接合する接合工程とを含む。接合工程は、第１ガスとしてのアシストガスを噴射する第１ガス噴射工程と、レーザ光Ｌを照射し、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとをレーザ溶接するレーザ光照射工程とを有する。また、溶接方法は、第２ガスとしての除去ガスを噴射する第２ガス噴射工程を含む。本実施形態のアシストガスと除去ガスは、同じ種類のガスであり、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスである。

図３に示すように、配置工程は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間に行われる。配置工程では、積層方向一端側に位置する正極タブ２３と正極導電部材１５ａの一部とが重なるように電極組立体１２及び正極導電部材１５ａを配置する。

接合工程は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間に行われる。接合工程の第１ガス噴射工程では、ガス噴射装置５２が時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間、溶接対象部Ａに向けてアシストガスを噴射し続ける。第１ガス噴射工程でのガス（アシストガス）の風量ＱはＱ１である。この風量Ｑ１は、レーザ溶接に適した風量に設定されている。

接合工程のレーザ光照射工程は、第１ガス噴射工程の最中である時刻ｔ２から時刻ｔ３まで行われる。時刻ｔ２は、第１ガス噴射工程が開始された時刻ｔ１から所定時間経過した時刻である。つまり、レーザ光照射工程は、照射位置周辺にアシストガスが充満した状態で開始される。レーザ光照射工程では、レーザ装置５１が溶接対象部Ａにレーザ光Ｌを照射し、溶接対象部Ａをレーザ溶接して第１溶接部１８を形成する。このとき、レーザ光Ｌが照射された正極導電部材１５ａではスパッタが発生する。発生したスパッタの一部は、アシストガスによって、電極組立体１２からの正極タブ２３の突出方向に向かって飛ばされ、その後、集塵機５３に吸い込まれて回収される。このとき、アシストガスによって飛ばされず、正極導電部材１５ａに付着するスパッタもある。

第２ガス噴射工程は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に行われる。第２ガス噴射工程では、ガス噴射装置５２が第１溶接部１８に向けて除去ガスを噴射する。第２ガス噴射工程でのガス（除去ガス）の風量Ｑは、第１ガス噴射工程でのガスの風量Ｑ１よりも１０倍多いＱ２である。上述したように、本実施形態のアシストガスと除去ガスは同じ種類のガスであるため、風量Ｑ１から風量Ｑ２への変更は、ガス噴射装置５２の風量調節部によって風量を増加させることで行われる。よって、第１ガス噴射工程から第２ガス噴射工程への移行は、連続的に行われる。第２ガス噴射工程では、第１ガス噴射工程で飛ばされず、正極導電部材１５ａに乗っていたスパッタがアシストガスによって、電極組立体１２からの正極タブ２３の突出方向に飛ばされ、その後、集塵機５３に吸い込まれて回収される。他の正極タブ２３と正極導電部材１５ａとの接合についても同様の溶接方法によって行われる。

次に、本実施形態の効果を作用とともに記載する。
（１）レーザ光照射工程後の第２ガス噴射工程において、ガス噴射装置５２は、レーザ溶接時に噴射したアシストガスの風量Ｑ１よりも多い風量Ｑ２で除去ガスを噴射するため、レーザ溶接時にアシストガスで除去できなかったスパッタを除去できる。

（２）ガス噴射装置５２は、電極組立体１２からの正極タブ２３の突出方向にガスを噴射するため、スパッタを電極組立体１２から離れる方向へ飛ばすことができる。よって、スパッタが電極組立体１２に付着することを抑制できる。

（３）アシストガスと除去ガスは、同じ種類のガスであるため、第１ガス噴射工程から第２ガス噴射工程に移行する際には、ガスの風量Ｑ１を風量Ｑ２に増加させるだけでよい。よって、ガスの種類を切り替える必要がなく、第１ガス噴射工程から第２ガス噴射工程に素早く移行することができる。その結果、スパッタが冷却されて正極導電部材１５ａに付着してしまう前に除去することができる。

（４）溶接装置５０は、集塵機５３を備える。このため、アシストガスや除去ガスによって飛ばされたスパッタは、ガスとともに集塵機５３によって吸い込まれるため、正極導電部材１５ａに付着することをより抑制できる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ 集電体は、正極活物質層２２や負極活物質層３２が形成できるものであれば、正極金属箔２１や負極金属箔３１に限定されるものではない。例えば、織物状や網状のシートを用いてもよい。

○ 正極電極２０は、正極金属箔２１の片面に正極活物質層２２が存在する構造でもよい。同様に、負極電極３０は、負極金属箔３１の片面に負極活物質層３２が存在する構成でもよい。

○ 正極タブ２３は、矩形状でなくてもよい。また、正極タブ２３は、正極金属箔２１の一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出していてもよい。同様に、負極タブ３３は、矩形状でなくてもよい。また、負極タブ３３は、負極金属箔３１の一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出していてもよい。

○ 正極タブ２３及び負極タブ３３を寄せ集める位置は、積層方向他端側や中央であってもよい。
○ レーザ装置５１の位置は、適宜変更してもよい。上記実施形態では、寄せ集められた正極タブ２３の斜め上方にレーザ装置５１を配置していたが、例えば、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、寄せ集められた正極タブ２３の斜め下方にレーザ装置５１を配置してもよい。

○ 上記実施形態では、正極タブ２３と正極導電部材１５ａとをレーザ溶接していたが、正極タブ２３同士を溶接してもよく、溶接対象部Ａは、正極タブ２３同士が重なる部分のうち、後にレーザ溶接される部分となる。この場合、正極タブ２３同士を溶接して正極タブ２３群を形成した後、正極タブ２３群と正極導電部材１５ａとを溶接する。また、正極タブ２３同士を溶接する位置と、正極タブ２３群と正極導電部材１５ａとを溶接する位置は、同じでもよいし異なっていてもよい。

○ 接合工程において、第１ガス噴射工程の終了時刻とレーザ光照射工程の終了時刻は一致していなくてもよい。ただし、レーザ光Ｌの照射位置周辺にアシストガスが充満した状態でレーザ光Ｌを照射できるよう、第１ガス噴射工程の終了時刻をレーザ光照射工程の終了時刻よりも遅くする。

○ 第１ガス噴射工程のガスの風量Ｑ１と、第２ガス噴射工程のガスの風量Ｑ２は同じでもよい。また、第２ガス噴射工程のガスの風量Ｑ２は、風量Ｑ１と同等以上であれば適宜変更してよい。

○ アシストガスと除去ガスとは、異なる種類のガスであってもよい。除去ガスには空気を用いることができる。アシストガスと除去ガスとで異なる種類のガスを用いる場合、ガス噴射装置５２にアシストガス用の弁と、除去ガス用の弁とを設ける。そして、第１ガス噴射工程後から第２ガス噴射工程への移行の際には、アシストガス用の弁を閉じて除去ガス用の弁を開くことで、ガスの種類を切り替えるとともに、調整部によってガスの風量Ｑを調整して風量Ｑ２にする。また、第１ガス噴射工程後に、アシストガス用の弁に加えて除去ガス用の弁を開くことで、アシストガスに除去ガスを追加し、風量Ｑ２としてもよい。この場合、除去ガスは、２種類のガスが混ざった状態となる。

○ 集塵機５３は必ずしも設置しなくてもよい。
○ 上記実施形態では、集塵機５３は、レーザ光照射工程及び第２ガス噴射工程の両方で作動していたが、レーザ光照射工程のみで作動してもよいし、第２ガス噴射工程のみで作動してもよい。

○ 上記実施形態では、正極端子１５と正極導電部材１５ａとは一体化されていたが、別構成にしてもよい。同様に、負極端子１６と負極導電部材１６ａとは一体化されていたが、別構成にしてもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質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よい。

○ 蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。

１０…蓄電装置としての二次電池、１２…電極組立体、１５…端子としての正極端子、１５ａ…導電部材としての正極導電部材、１６…端子としての負極端子、１６ａ…導電部材としての負極導電部材、１８…溶接部としての第１溶接部、１９…溶接部としての第２溶接部、２０…電極としての正極電極、２１…正極金属箔としての集電体、２３…タブとしての正極タブ、３０…電極としての負極電極、３１…負極金属箔としての集電体、３３…タブとしての負極タブ、５３…集塵機、Ａ…溶接対象部、Ｌ…レーザ光、Ｑ，Ｑ１，Ｑ２…風量。

Claims

集電体と該集電体の一辺から突出したタブとを有する複数の電極を積層した電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する導電部材と、を備えた蓄電装置の製造のために、前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とをレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、
前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とが重なる部分のうち後にレーザ溶接される溶接対象部に向けて、前記電極組立体からの前記タブの突出方向に第１ガスを噴射する第１ガス噴射工程、及び前記第１ガス噴射工程の最中に前記溶接対象部にレーザ光を照射し、前記タブ同士、又は前記タブと前記導電部材とをレーザ溶接するレーザ光照射工程を有する接合工程と、
前記レーザ光照射工程後に、前記溶接対象部に向けて、前記電極組立体からの前記タブの突出方向に第２ガスを噴射する第２ガス噴射工程と、
を含み、
前記第２ガスの風量は、前記第１ガスの風量以上であることを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１ガスと前記第２ガスは、同じガスである請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記第２ガス噴射工程において、前記タブ又は前記導電部材を通過後の前記第２ガスを集塵機で回収する請求項１又は請求項２に記載のレーザ溶接方法。
前記第１ガス噴射工程において、前記タブ又は前記導電部材を通過後の前記第１ガスを集塵機で回収する請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のレーザ溶接方法。