JP2022035212A - 金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュール - Google Patents

金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュール Download PDF

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Abstract

Figure 2022035212000001
【課題】溶接強度を確保しながら母材および周辺部材への熱影響を低減することが可能な金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュールを提供する。
【解決手段】金属部材の溶接構造は、第1対向面を有する第1部材と、第1対向面に対向する第2対向面を有する第2部材と、第1部材と第2部材とを固定する溶接部とを備え、第1対向面と第2対向面との間に隙間が形成される。上記隙間における溶接部の幅をR1、第1部材の第1対向面上における溶接部の幅をR2としたときに、R1>R2である。溶接部が形成された部分における第2部材の厚みをT2、第1部材の厚みをT1としたときに、T2>T1である。第2部材における第2対向面からの溶接部の深さをD1としたときに、0.8≦D1/T1≦1.2である。
【選択図】図1

Description

本開示は、金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュールに関する。
特許文献1(特開2004-148334号公報)には、鋼板を重ねてレーザ溶接した重ね溶接継手において、上下鋼板の間に所定幅の隙間を設けて溶接を行うことが開示されている。
特許文献2(特開昭59-133985号公報)には、溶接部分にレーザ光を照射して被溶接部材を溶接する溶接方法において、被溶接部材の板厚よりも小さい幅の隙間を設けて溶接を行うことが開示されている。
特許文献3(特開2017-168349号公報)には、蓄電装置の電極端子へのバスバーの溶接構造において、バスバーの一方の面(電極端子表面と対向する面)に凹部を設け、バスバーの他方の面に凸部を設けることが開示されている。
特開2004-148334号公報 特開昭59-133985号公報 特開2017-168349号公報
金属部材の溶接構造において、溶接強度を高める観点からは、溶接部の大きさ(面積)を大きくすることが望ましい。他方、溶接による母材および周辺部材への熱影響を低減することが望ましい。溶接構造を含む部材全体の小型化を達成しながら、上記2つの課題を解決することが求められる。
上述した特許文献1ないし特許文献3に記載の構造は、上記課題を解決するために必ずしも十分なものではない。
本開示の目的は、溶接強度を確保しながら母材および周辺部材への熱影響を低減することが可能な金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュールを提供することにある。
本開示に係る金属部材の溶接構造は、第1対向面を有する第1部材と、第1対向面に対向する第2対向面を有する第2部材と、第1部材と第2部材とを固定する溶接部とを備え、第1対向面と第2対向面との間に隙間が形成される。
本開示に係る金属部材の溶接方法は、第1対向面を有する第1部材と、第2対向面を有する第2部材とを、第1対向面および第2対向面を対向させ、かつ第1対向面および第2対向面の間に隙間を形成した状態で重ねる工程と、第1部材における第1対向面と反対側の面からレーザ光を照射して第1部材および第2部材をレーザ溶接する工程とを備え、レーザ溶接する工程により形成される溶接部は、第1部材を貫通し、隙間に面する第2対向面から第2部材の内部に向かって延びるように形成される。
上記金属部材の溶接構造および溶接方法において、第1対向面および第2対向面の間に形成された隙間における溶接部の幅をR1、第1部材の第1対向面上における溶接部の幅をR2としたときに、R1>R2である。溶接部が形成された部分における第2部材の厚みをT2、第1部材の厚みをT1としたときに、T2>T1である。第2部材における第2対向面からの溶接部の深さをD1としたときに、0.8≦D1/T1≦1.2である。
本開示に係る蓄電モジュールは、電極端子を各々有し、所定の方向に沿って配列された複数の蓄電セルと、複数の蓄電セルの電極端子どうしを接続するバスバーと、第1部材としてのバスバーおよび第2部材としての電極端子を含む上述の金属部材の溶接構造とを備える。
本開示によれば、溶接強度を確保しながら母材や周辺部材への熱影響を低減することが可能な金属部材の溶接構造、金属部材の溶接方法および蓄電モジュールを提供することができる。
1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造を示す断面図である。 比較例に係る金属部材の溶接構造を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造が適用される金属部材を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造が適用される金属部材の変形例(その1)を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造が適用される金属部材の変形例(その2)を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造が適用される金属部材の変形例(その3)を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造が適用される金属部材の変形例(その4)を示す断面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造を示す上面図である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造の断面を示す写真(その1)である。 1つの実施の形態に係る金属部材の溶接構造の断面を示す写真(その2)である。 比較例に係る金属部材の溶接構造の断面を示す写真(その1)である。 比較例に係る金属部材の溶接構造の断面を示す写真(その2)である。 組電池の基本的構成を示す図である。 組電池における電池セルを示す図である。 組電池におけるバスバーの配置を示す図である。
以下に、本開示の実施の形態について説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量等に言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量等に限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。
図1は、本実施の形態に係る金属部材の溶接構造を示す断面図である。図2は、比較例に係る金属部材の溶接構造を示す断面図である。図3は、図1に示す溶接構造が適用される金属部材を示す断面図である。
図1に示すように、金属部材の溶接構造1は、第1部材100と第2部材200とを溶接部300によって接合する構造である。
第1部材100は、第2部材200に対向する第1対向面110と、第1対向面110から第2部材200に向かって突出する突起120と、2つの突起120の間に形成された凹部130とを含む。第2部材200は、第1対向面110に対向する第2対向面210を含む。
第1部材100および第2部材200は金属部材である。第1部材100と第2部材200とが同種の材料からなることが好ましいが、第1部材100と第2部材200とが異種素材からなる場合もあり得る。
第1部材100および第2部材200を構成する金属としては、たとえば、アルミニウム、銅、鋼などが挙げられる。
溶接部300は、たとえば第1部材100側からレーザを照射するレーザ溶接により形成される。溶接部300は、第1部材100と第2部材200とを固定する。突起120の先端が第2対向面210に当接することにより第1対向面110と第2対向面210との間に隙間400が形成される。溶接部300は、第1部材100を貫通し、隙間400に面する第2対向面210から第2部材200の内部に向かって延びるように形成される。また、溶接部300は、図1の紙面に垂直な方向に延在して線状に形成される。
第1部材100の突起120と隙間400とは互いに隣接している。したがって、図1において、隙間400に対向する位置と、隙間400に隣接する位置とで、第1部材100の厚みが互いに異なる。具体的には、隙間400に隣接する位置における第1部材100の厚みが隙間400に対向する位置における第1部材100の厚みよりも大きい。
第2部材200に突起ないし凹部を形成する場合には、上記と同様、隙間400に隣接する位置における第2部材200の厚みが隙間400に対向する位置における第2部材200の厚みよりも大きいことになる。
図1に示すように、隙間400における溶接部300の幅をR1、第1部材100の第1対向面110上における溶接部300の幅をR2としたとき、R1>R2である。なお、好ましくは1.0<R1/R2<2.5であり、より好ましくは1.2<R1/R2<2.5であり、さらに好ましくは1.5<R1/R2<1.7である。定性的には、R1/R2の値が大きい方が、溶接強度の向上が期待できる。ただし、R1/R2が過度に大きい場合、隙間400の幅(W1)の幅を大きくする必要があり、幅(W1)の大きな隙間400の中で溶融金属(溶接部300)が十分に広がらない場合があり得る。このため、R1/R2には好ましい上限値が存在する。
このように、本実施の形態においては、隙間400において広い幅(R1)の溶接部300が形成されているため、図2に示す比較例の構造(隙間400がなく、第1部材100側から第2部材200側に向かうにしたがって溶接部300の幅が狭くなる構造)と比較すると、溶接部300による接合面積が大きくなり、接合強度が向上する。
また、本実施の形態においては、母材である第1部材100に突起120を設けることにより隙間400を形成しているため、部材間にスペーサを設けて隙間を形成した場合と比較すると、製造の工数が削減されるとともに、部材間に形成される隙間400の形状が安定する。この結果、接合強度がより効果的に向上する。換言すると、レーザ溶接の出力の過度な増大を抑制し、母材および周辺部材が受けるダメージを低減しながら、所定の接合強度を実現することが可能である。
さらに、レーザ溶接を行った場合に形成されるレーザ照射側の盛り上がり部310(図2参照)に相当する金属を隙間400内に流し込むことができるので、第1部材100の上面(第1対向面110と反対側の面)上に溶接部300の盛り上がり部310(図2参照)が形成されることが抑制され、溶接後の第1部材100の上面全体が平坦に形成される。
本実施の形態に係る溶接構造1によれば、溶接条件を特段細かく設定することなく、上述した作用効果を得ることができる。
一例として、2つの突起120の間に形成された隙間400の幅(W1[mm])は、W1>3.9[mm]程度であり、より好ましくはW1>7.8[mm]程度である。また、隙間400内に広がる溶融金属(溶接部300)と隙間400の側壁との間には空隙が残存している。
一例として、第1部材100および第2部材200の厚み方向(図1中の上下方向)に沿った隙間400の幅(W2)は、0.050[mm]<W2<0.103[mm]程度であり、より好ましくは0.040[mm]<W2<0.100[mm]程度であり、さらに好ましくは0.060[mm]<W2<0.080[mm]程度である。
一例として、2つの突起120の先端の幅(W3[mm])は、第2部材200上に載置された第1部材100を安定させる観点から、W3>2[mm]程度であることが好ましい。突起120の先端面は、隙間400の形状を安定させるため、平坦に形成されることが好ましい。
隙間400の形状は特に限定されないが、溶融金属が隙間400内で広がりやすいようにする観点からは、板状、すなわち隙間400の厚み方向の幅(W2)が一定であることが好ましい。
なお、溶接部300が形成された部分における第2部材200の厚みをT2、第1部材100の厚みをT1としたとき、T2>T1である。ここで、第2部材200における第2対向面210からの溶接部の深さをD1としたとき、0.8≦D1/T1≦1.2である。すなわち、第2部材200内部への溶接深度は、第1部材100の厚み(T1)と同程度か、第1部材100の厚み(T1)以上である。このように、第2部材200内部への溶接部300の溶接深度が十分に確保されているため、高い溶接強度が得られる。
一例として、第1部材100の厚みT1および第2部材200の厚みT2は、いずれも0.08mm以上2.0mm以下程度である。なお、溶接構造1は、上述のとおり、板厚の異なる第1部材100と第2部材200(T2>T1)であって、板厚(T1,T2)が2.0mm以下程度の薄いものに適用可能であることを特徴とする。
溶接部300は、図1に示すように、隙間400に面する第2対向面210から第2部材200を貫通せずに第2部材200の内部に達するように形成されてもよいし、第2対向面210から第2部材200を貫通するように形成されてもよい。
第2部材200を貫通しないように溶接部300を形成した場合、第2部材200の裏面側(図1中下側)に位置する周辺部材への熱影響を低減することが可能である。たとえば、第1部材100および第2部材200を熱伝導性の高いアルミニウム材により構成する場合、周辺部材に対する熱影響を低減する構造は特に有益である。
図1の例では、第1対向面110上に2つの突起120が形成され、その2つの突起120の間に凹部130が形成される場合について説明したが、本開示の範囲は図1の例に限定されない。たとえば、突起120は必須のものではなく、第1対向面110上に1つの凹部のみが形成される場合もあり得る。また、第1対向面110上には突起も凹部も形成されず、第2対向面210上に突起ないし凹部が設けられることで隙間400が形成されてもよい。また、第1対向面110および第2対向面210の両方に突起ないし凹部が設けられ、その間に隙間400が形成されてもよい。すなわち、第1対向面110上および第2対向面210上の少なくとも一方に突起または凹部が形成され、その突起または凹部により隙間が形成される。
上述の溶接構造1を得るための溶接方法の手順について説明する。まず、第1対向面110を有する第1部材100と、第2対向面210を有する第2部材200とが重ねられる。ここで、第1部材100および第2部材200は、第1対向面110および第2対向面210を対向させ、かつ第1対向面110および第2対向面210の間に隙間400を形成した状態で重ねられる。次に、第1部材100における第1対向面110と反対側の面からレーザ光が照射される。これにより、第1部材100および第2部材200がレーザ溶接される。
ここで、レーザ溶接により形成される溶接部300は、第1部材100を貫通し、隙間400に面する第2対向面210から第2部材200の内部に向かって延びるように形成される。隙間400における溶接部300の幅(R1)、第1部材100の第1対向面110上における溶接部300の幅(R2)、溶接部300が形成された部分における第1部材100の厚み(T1)、および第2部材の厚み(T2)、ならびに第2部材200における第2対向面210からの溶接部300の深さ(D1)の関係は、上述のとおり、
R1>R2,
T2>T1,
0.8≦D1/T1≦1.2
である。
レーザ溶接の工程よりも前に、第1対向面110および第2対向面210の少なくとも一方に、レーザ溶接時の溶融金属との濡れ性を高める表面処理を行うことが好ましい。具体的には、第1対向面110および第2対向面210の少なくとも一方に酸処理を施して、酸化皮膜を除去することにより、溶融金属に対する濡れ性を高めることができる。表面の濡れ性が高まることにより、隙間400内において溶融金属が広がりやすくなり、隙間400における溶接部300の幅(R1)をより広くして、接合強度をさらに向上させることができる。
図4~図7は、金属部材の変形例を示す断面図である。図4に示すように、突起120の断面は、逆台形状の形状であってもよい。図5に示すように、突起120の断面は、局面を含む形状であってもよい。図6に示すように、突起120の断面は、先端が尖った形状であってもよい。図7に示すように、第1対向面110と反対側の第1部材100の表面に他の突起140を設け、他の突起140を目標にしてレーザ溶接の位置合わせが行えるようにしてもよい。
図8は、溶接構造1を示す上面図である。図8に示すように、上方から見たとき、隙間400は、断面の奥行き方向に凹部130の幅(W1[mm])よりも長い距離延びるように形成される。
本件発明者らは、本実施の形態に係る金属部材の溶接構造1により第1部材100および第2部材200の溶接強度が向上することについて、以下の要領で確認を行った。
まず、いずれもアルミニウム材(A1050-H24)からなる第1部材100(厚みT1:0.8mm)および第2部材(厚みT2:2.0mm)を準備した。次に、レーザ出力1500W、走査速度240mm/s、レーザ径φ50μmの条件で第1部材100および第2部材200をレーザ溶接した。
サンプルとしては、第1部材100と第2部材200との間に隙間400が形成された「実施例」(図1相当)と、隙間400が形成されない「比較例」(図2相当)とを2つずつ準備した。各サンプルにおける実測値は、次の表1に示すとおりである。
Figure 2022035212000002
表1に示すサンプルA1,A2(実施例)およびサンプルB1,B2(比較例)について、オートグラフを用いて互いに引き離す方向に引っ張り、溶接部の破断点の荷重を計測した(引張速度:1mm/min、データサンプリング間隔:10μm)。その結果、サンプルA1,A2(実施例)については、サンプルB1,B2(比較例)に対して破断点の荷重が約42%増(平均値:233N(実施例)/163N(比較例))となることが確認された。
図9、図10は、本実施の形態に係る金属部材の溶接構造1の断面(隙間400あり)を示す写真であり、図11、図12は、比較例に係る金属部材の溶接構造1の断面(隙間400無し)を示す写真である。
図9、図10に示すように、本実施の形態に係る金属部材の溶接構造1によれば、隙間400内に溶融金属が流れ込み、当該部分において溶接部300が幅広となり、第1部材100の上面が全体にわたって平坦に形成されている。
図11,図12に示すように、比較例に係る金属部材の溶接構造1によれば、隙間400に相当する部分がないために、溶接部300の幅は第1部材100から第2部材200の内部に向かうに従って幅狭となる。また、第1部材100の上面には盛り上がり部310が形成される。図11,図12に示す断面において、盛り上がり部の断面積は0.039mm2である。図9,図10に示す断面は、図11,図12と同一の溶接条件で形成されたものであり、溶接による溶融金属の量は同じであると推定される。そして、図9,図10に示す断面においては、盛り上がり部310が形成されず、第1部材100の上面が平坦に形成されている。よって、図9,図10に示す断面において、隙間400における溶接部300の幅(R1)は、R1=0.039/W2の式により算出できる。他方、第1部材100の第1対向面110上における溶接部300の幅(R2)は、隙間400の有無にかかわらず、R2≒0.38mmでほぼ一定であるため、R2=0.38mm(一定値)とする。これらの前提の下で、W2を変化させながら「R1/R2」の値を算出すると、表2のとおりとなる。
Figure 2022035212000003
表2に記載の各サンプルのうち、サンプルNo.11,12については、R1>R2でないため、本実施の形態に係る溶接構造1とは異なる。他方、サンプルNo.1~10については、R1>R2であり、本実施の形態に係る溶接構造1に含まれ得る。ただし、サンプルNo.1~3については、R1/R2が3より大きく、この範囲となるまで溶融金属が隙間400内で広がりにくい場合もあり得る。この意味において、表2に示す中では、サンプルNo.4~10がより好ましい例であり、サンプルNo.6~8が最も好ましい例である。
図13は、組電池の基本的構成を示す図である。図14は、組電池における電池セル10を示す図である。
図13,図14に示すように、組電池は、電池セル10と、拘束部材20とを備える。複数の電池セル10は、Y軸方向(配列方向)に並ぶように設けられる。電池セル10は、電極端子11を含む。複数の電池セル10の間には、図示しないセパレータが介装されている。
一例として、電池セル10はリチウムイオン電池であるが、電池セル10はニッケル水素電池など他の電池であってもよい。また、本開示において「蓄電モジュール」は組電池に限定されず、電池セル10に代えて、たとえばキャパシタが「蓄電セル」として用いられてもよい。
拘束部材20は、エンドプレート21と、締結部材22とを含む。エンドプレート21は、Y軸方向において組電池の両端に配置されている。締結部材22は、Y軸方向の両端に位置する2つのエンドプレート21を互いに接続するとともに、2つのエンドプレート21を拘束する。
図14に示すように、電池セル10は、平坦面状の直方体形状に形成されている。電極端子11は、正極端子11Aと、負極端子11Bとを含む。電極端子11は、収容ケース12上に形成されている。収容ケース12には、図示しない電極体および電解液が収容されている。
図15は、組電池におけるバスバー30の配置を示す図である。図3の例では、隣接する電池セル10の正極端子11Aと負極端子11Bとがバスバー30により電気的に接続され、複数の電池セル10が電気的に直列接続される。
すなわち、組電池は、電極端子11を各々有し、所定の方向に沿って配列された複数の電池セル10と、複数の電池セル10の電極端子11どうしを接続するバスバー30とを備える。上述の溶接構造1が、バスバー30(第1部材)と、電極端子11(第2部材)との接合に適用される。
なお、溶接構造1の適用箇所は、バスバー30と電極端子11との接合部に限定されるものではなく、たとえば、組電池ないし電池セル10において、集電体パーツなど他の部位に適用されることもあり得る。
以上、本開示の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべ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。本開示の範囲は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及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 溶接構造、10 電池セル、11 電極端子、11A 正極端子、11B 負極端子、12 収容ケース、20 拘束部材、21 エンドプレート、22 締結部材、30 バスバー、100 第1部材、110 第1対向面、120 突起、130 凹部、140 他の突起、200 第2部材、210 第2対向面、300 溶接部、310 盛り上がり部、400 隙間。

Claims (10)

  1. 第1対向面を有する第1部材と、
    前記第1対向面に対向する第2対向面を有する第2部材と、
    前記第1部材と前記第2部材とを固定する溶接部とを備え、
    前記第1対向面と前記第2対向面との間に隙間が形成され、
    前記溶接部は、前記第1部材を貫通し、前記隙間に面する前記第2対向面から前記第2部材の内部に向かって延びるように形成され、
    前記隙間における前記溶接部の幅をR1、前記第1部材の前記第1対向面上における前記溶接部の幅をR2としたときに、R1>R2であり、
    前記溶接部が形成された部分における前記第2部材の厚みをT2、前記第1部材の厚みをT1としたときに、T2>T1であり、
    前記第2部材における前記第2対向面からの前記溶接部の深さをD1としたときに、0.8≦D1/T1≦1.2である、金属部材の溶接構造。
  2. 前記第1対向面上および前記第2対向面上の少なくとも一方に突起または凹部が形成され、前記突起または前記凹部により前記隙間が形成される、請求項1に記載の金属部材の溶接構造。
  3. 前記第1部材および前記第2部材は、いずれもアルミニウム材により構成される、請求項1または請求項2に記載の金属部材の溶接構造。
  4. 前記第1部材および前記第2部材の厚み方向に沿った前記隙間の幅は0.05mm以上0.1mm以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
  5. 前記第1部材の厚みT1および前記第2部材の厚みT2は、いずれも0.08mm以上2.0mm以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
  6. 前記溶接部は、前記隙間に面する前記第2対向面から前記第2部材を貫通せずに前記第2部材の内部に達するように形成される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
  7. 前記溶接部は、前記隙間に面する前記第2対向面から前記第2部材を貫通するように形成される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
  8. 第1対向面を有する第1部材と、第2対向面を有する第2部材とを、前記第1対向面および前記第2対向面を対向させ、かつ前記第1対向面および前記第2対向面の間に隙間を形成した状態で重ねる工程と、
    前記第1部材における前記第1対向面と反対側の面からレーザ光を照射して前記第1部材および前記第2部材をレーザ溶接する工程とを備え、
    前記レーザ溶接する工程により形成される溶接部は、前記第1部材を貫通し、前記隙間に面する前記第2対向面から前記第2部材の内部に向かって延びるように形成され、
    前記隙間における前記溶接部の幅をR1、前記第1部材の前記第1対向面上における前記溶接部の幅をR2としたときに、R1>R2であり、
    前記溶接部が形成された部分における前記第2部材の厚みをT2、前記第1部材の厚みをT1としたときに、T2>T1であり、
    前記第2部材における前記第2対向面からの前記溶接部の深さをD1としたときに、0.8≦D1/T1≦1.2である、金属部材の溶接方法。
  9. 前記レーザ溶接する工程よりも前に、前記第1対向面および前記第2対向面の少なくとも一方に、レーザ溶接時の溶融金属との濡れ性を高める表面処理を行う工程をさらに備えた、請求項8に記載の金属部材の溶接方法。
  10. 電極端子を各々有し、所定の方向に沿って配列された複数の蓄電セルと、
    前記複数の蓄電セルの前記電極端子どうしを接続するバスバーと、
    前記第1部材としての前記バスバーおよび前記第2部材としての前記電極端子を含む、請求項1から請求項7のいずれかに記載の金属部材の溶接構造とを備えた、蓄電モジュール。
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