JP3438246B2 - 鉛蓄電池極板群の溶接方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉛蓄電池、特に自動車用
鉛蓄電池（以下「自動車用電池」という）の極板群スト
ラップを形成する際に、複数の極板耳部をこれと一体に
接続するキャストオン方式による極板群の溶接方法およ
びその装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は極板とストラップとの溶接部分を
示したもので、複数の陰極板１の耳部１ａがストラップ
２に溶接されている。３はセル間接続導体である。この
ようにストラップ２を介して同極性の複数の極板耳部を
相互に接続する作業を通常は極板群溶接または群溶接と
呼んでおり、その手段として従来キャストオン方式が広
く用いられている。図４は、キャストオン方式による極
板群溶接の説明図である。この方式は、まづ鋳型４をス
トラップ２及びセル間接続導体３を形成するための溶湯
鉛７の融点以下の適当な温度に加熱しておく。次に杓５
によって前記鋳型４の凹部６に溶湯鉛７を注入する。言
うまでもなく、鋳型４の温度はそれ以下であるため、溶
湯鉛７の温度は鋳型４に注入すると同時に大きな速度で
低下し始める。その後極板群８を鋳型４に向かって降下
させ、該鋳型４内の溶湯鉛７が凝固する前の適当な温度
になった時に耳部１ａを溶湯鉛７中に浸漬する。このよ
うな状態のなかで溶湯鉛７が凝固すると、ストラップ
２、セル間接続導体３、耳部１ａのそれぞれが溶接一体
化された極板群８ａが出来上がる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなキャストオ
ン方式は一種の“鋳ぐるみ”であるが、きわめて高い技
術レベルが要求される。その第１の理由は、キャストオ
ン方式といわれる溶接法は“溶接開始から終了するまで
の全過程が過渡的な状態の中で進行する”という点にあ
る。このことは溶接法自体が本質的に不安定要素を有し
ており、安定した溶接結果が得難い事を意味している。
その代表的なものが耳部１ａの鋳型４内への浸漬であ
り、１００〜２００℃／ｓという大きな速度で冷却中の
溶湯鉛７中に耳部１ａを浸漬するために、そのタイミン
グが僅かに違っても、耳部１ａは過剰溶解して溶断した
り、逆に溶湯鉛７の温度が低くなり過ぎてストラップ２
の内部にボイドが残留、または耳部１ａの側面が溶接さ
れずに隙間が存在する等の欠陥が発生することになる。
第２の理由は被溶接材料の組み合わせにある。すなわ
ち、耳部１ａもこれを鋳ぐるむ溶湯鉛７も共に鉛基合金
であり、両者の融点に大きな差がない。例えば銅線を互
いに半田付けする場合を考えてみよう。銅の融点は約１
０８０℃であるのに対して、代表的な半田のそれは約１
８０℃である。半田付け時に銅線は半田の中に置かれる
わけであるが、半田付けの温度、すなわち溶融半田の温
度は２３０〜２５０℃であり、銅線の融点に比べて十分
に低いために、半田付け中に銅線が溶融することは実質
的にないといってよい。一方、キャストオン方式の場合
は、例えば耳部１ａを構成するＰｂ−０．０７Ｃａ−
０．５Ｓｎ合金の融点は３２５℃、ストラップ２を構成
するＰｂ−２．７Ｓｂ−０．２Ａｓ合金のそれは、３０
５℃（液相線温度＝凝固開始温度）である。前述したキ
ャストオン時の溶接欠陥の発生防止を考慮すると、溶湯
鉛７が十分な流動性を維持している温度領域にある時に
耳部１ａを浸漬しなければならない。そのような溶湯鉛
７の温度は例えば３５０℃以上になるわけで、これは前
記耳部１ａの融点より十分に高い。ここにキャストオン
方式による溶接法の本質的な難しさがあるわけで、鋳型
４の凹部６への浸漬後の耳部１ａの温度上昇を厳密に制
御しないと耳部１ａが過剰に溶融してしまい、ストラッ
プ２と溶接一体化することが出来ないことになる。

【０００４】図５は、キャストオン方式による極板群溶
接部断面（極板の耳部の厚さ方向に直角な断面）状態を
示したものである。便宜的にストラップ２がＰｂ−Ｓｂ
系合金、極板の耳部１ａがＰｂ−Ｃａ系合金からなる陰
極板群溶接部（陰極板が溶接されている群溶接部を言
う）について説明する。図５（Ａ）は良好な溶接がなさ
れた場合のそれである。この溶接では、耳部１ａを鋳型
４の凹部６内の溶湯鉛７中に浸漬した際に耳部１ａが溶
融するが、決して過剰ではなく、耳部１ａの耳部先端１
ｂはストラップ２の十分内部に位置している。この状態
での耳部先端１ｂの近傍（上部）にはＰｂ−Ｓｂ系合金
とＰｂ−Ｃａ系合金との混合領域９が存在する。しか
し、この混合領域９は決して大きくない。また、ストラ
ップ２内に位置する耳部１ａの耳部側面１ｃには、耳部
１ａ自体が溶融した形跡は認められない。しかしなが
ら、溶融鉛７が耳部１ａに十分に濡れて、ストラップ２
と耳部１ａとは接するが如き状態で溶接されており、耳
部側面１ｃとストラップ２との間には隙間は全く存在し
ない。さらにストラップ底面２ａにおける耳部１ａの付
け根には、溶湯鉛７が耳部１ａに十分に濡れたことを裏
付けるフィレット２ｂが形成されている。図５（Ｂ）は
好ましからざる溶接状態の一例であり、耳部１ａを浸漬
するタイミングが早すぎた場合である。この溶接では、
耳部１ａの浸漬時の溶湯鉛７の温度が高すぎるため、耳
部１ａが過剰に溶融している。この結果、前述した混合
領域９も大きくなり、図５（Ｂ）にあるようにストラッ
プ底面２ａに露出する場合も生じてくる。

【０００５】一般的に、どのような溶接法においても
“ヒートバランスを最適化する”と言うことが重要であ
るが、キャストオン方式はこれが極めて難しい溶接法で
あると言うことが以上の説明から理解されよう。それ
故、従来上記した“ヒートバランスの最適化”を中心
に、信頼性の高い極板群溶接部を得るための努力がいろ
いろ行なわれてきた。それらは例えば、特開平１−２９
２７５０号公報に開示されている溶湯鉛量の安定化に関
する技術や特開平３−１３３０５４号公報に開示されて
いる耳部の溶融防止に関する技術等である。しかしなが
ら、これらの技術はそれなりの効果は認められるものの
生産性を低下させる等実用面では必ずしも満足できるも
のではない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した如く、キャスト
オン方式は「溶接開始から終了するまでの全過程が過渡
的な状態の中で進行する」という特殊性を有しているた
め、鋳型４の温度、注湯時の溶湯鉛７の温度、耳部１ａ
を溶湯鉛７中に浸漬するタイミングなど、数多くの溶接
因子を極めて精度良く制御しなければならない。本発明
で特に重点課題としている混合領域９の生成を最少に抑
えるためには、前述した如く耳部１ａの過剰溶融を絶対
に避けなければならない。

【０００７】ところで、発明者等はキャストオン方式に
よる極板群溶接時の現象解析から、耳部１ａの溶融長さ
に関してきわめて興味深い事実を確認している。それは
「耳部１ａの溶融長さは耳部１ａが浸漬される時の溶湯
鉛７の温度に極めて大きく依存しており、例えば鋳型温
度のような他の溶接因子にはあまり影響されない」とい
うことである。本発明はこの解析結果に基づくものであ
り、過剰溶融を避けて耳部１ａの溶融長さを一定の範囲
内に抑え込むために、極板群溶接工程中、まず鋳型４の
凹部６内に溶湯鉛７が注入された直後から適当な時間経
過した時刻に至るまでの溶湯温度を実測する。そしてこ
の間の溶湯温度の変化を基に、溶湯鉛７が凝固を開始す
る時刻に至るまでの溶湯温度の時間的変化を表す近似式
を算出する。次にこの近似式によって、溶湯鉛７が耳部
１ａを浸漬するに最適な温度（耳部浸漬温度）に至る時
刻を決定する。そしてその時刻に於いて耳部１ａが溶湯
鉛７中に浸漬されるように極板群８の降下速度を制御し
ようとするものである。

【０００８】

【作用】本発明によれば、例えば鋳型の凹部への溶湯鉛
注入時の溶湯温度のばらつきに影響されることなく、常
に一定の温度で溶湯鉛中に極板群の耳部を浸漬すること
が可能である。このために耳部の過剰溶融は完全に防止
することができ、先に述べた極板群溶接部での腐食の問
題も完全に解決が図れる。

【０００９】

【実施例】実施例について説明する。図１はある温度の
鋳型４の凹部６に注入された溶湯鉛７の特定の場所の、
注湯直後から凝固開始までの温度変化を示した冷却曲線
である。図１において時刻ｔ_c、温度Ｔ_cはそれぞれキャ
ストオン時に極板群８の耳部１ａを浸漬する時刻、同温
度、また時刻ｔ_d、温度Ｔ_dはそれぞれ溶湯鉛７が凝固を
開始する時刻、同温度である。我々は多くの実験によっ
て温度Ｔが時間ｔの３次関数となることを確認してお
り、この冷却曲線は一般に次の（１）式で表わされる。

【００１０】 Ｔ＝ａｔ³＋ｂｔ²＋ｃｔ＋ｄ ……… （１） 鋳型４の凹部６に注入後の溶湯鉛７の表面の特定な場所
の温度が数式で表されると言うことは、溶湯鉛７が目的
の温度になる時刻が把握できると言うことである。換言
すると過剰溶融が生じないような最適な温度が予め把握
できていれば、耳部１ａを鋳型４の凹部６内の溶湯鉛７
内に浸漬すべき時刻を知ることが出来るということであ
る。本発明はこの点に着目したもので、予め耳部浸漬温
度を求めておき、鋳型４の凹部６内に注入された溶湯鉛
７がこの温度になる時刻に、耳部１ａが溶湯鉛７中に浸
漬されるように極板群８を降下させることを基本として
いる。

【００１１】ところで、数多くの極板群８を順次溶接し
てゆく場合を考える時、全ての溶接因子が厳密に制御さ
れるならば、上記（１）式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄそれぞ
れに対して常に一定の値ａ₁，ｂ₁，ｃ₁，ｄ₁が決まるわ
けで、上記特定場所の温度変化は次の（２）式で表わさ
れることは言うまでもない。

【００１２】 Ｔ＝ａ₁ｔ³＋ｂ₁ｔ²＋ｃ₁ｔ＋ｄ₁ ……… （２） しかしながら、溶接因子の中には制御が容易でないもの
もあるわけで、実際には溶接の都度それらは何某か変動
するものと考えねばならない。このことは溶接の度に係
数が異なることを意味しており、上記（２）式に予め設
定した耳部浸漬温度Ｔ＝Ｔ_c を代入して得られる時刻は
常に妥当なものとは限らないことになる。上記の点を解
決するために、本発明では上記（１）式の係数を溶接の
度毎に計算し直し、新たに求めた係数を有する式に耳部
浸漬温度を代入して得られた時刻に耳部１ａを浸漬する
ようにした。

【００１３】その具体的な作業概要について、図１と図
２で説明する。先ず溶湯鉛７が鋳型４の凹部６内に注入
された直後の時刻ｔ_aから時刻ｔ_bに至るまでの時刻
ｔ_a，ｔ_{a 1}，ｔ_a2，ｔ_bにおける各温度Ｔ_a，Ｔ_a1，
Ｔ_a2，Ｔ_bを温度測定装置１０で測定し、各々の値を
（１）式に代入して係数を計算する。これはａ，ｂ，
ｃ，ｄに関する４元１次連立方程式を解くことになる。
この計算は溶接過程が進行する中でコンピュータ１１を
用いて瞬時に行い、新たに得られたａ，ｂ，ｃ，ｄの値
を用いた（１）式を決定する。即ち、これによって真に
その溶接における冷却曲線が近似されるわけである。こ
の（１）式のＴに予め決定しておいた耳部浸漬温度Ｔ_ｃ
を代入し計算することにより、これに対応する時刻すな
わち耳部浸漬時刻ｔ_ｃを決定する。次に決定した耳部浸
漬時刻ｔ_cをもとに極板群８の耳部１ａの降下速度を決
定する。これは例えば図１の時刻ｔ_b1から上述した過程
を経て決定された耳部浸漬時刻ｔ_cまでの時間（ｔ_c−ｔ
_b1）ならびに極板群８の時刻ｔ_b1における位置から耳部
１ａを浸漬して停止する位置までの距離を基に計算して
決定する。以上の計算は全て溶接過程途上において行な
うわけで、勿論すべてコンピュータ１１に行なわせるも
のである。こうして決定した極板群８の降下速度を、指
令として極板群降下速度制御装置１２へ送る。該極板群
降下制御装置１２はこの指令を受て、極板群降下装置１
３を駆動させ前記の速度で極板群８を降下、時刻ｔ_cに
おいて耳部１ａを鋳型４の凹部６内の溶湯鉛７中に浸漬
する。

【００１４】５５Ｄ２３形自動車用鉛蓄電池の陰極板群
の溶接部をキャストオン方式で形成するに当たり、本発
明による方法と従来の方法を適用して、得られた極板群
の溶接部の溶接状態を比較評価した。ストラップ合金の
材質はＰｂ−２．７Ｓｂ−０．２Ａｓであり、陰極板耳
部の材質はＰｂ−０．０７Ｃａ−０．５Ｓｎである。ス
トラップの寸法は長さ３２ｍｍ、幅１７ｍｍ，厚さ８ｍ
ｍである。また陰極板耳部の寸法は幅１３ｍｍ、厚さ
１．３ｍｍ、ストラップ中への浸漬深さ（陰極板耳部が
全く溶融しないと仮定した時の長さ）は６ｍｍである。
なお上記寸法のストラップには６枚の陰極板耳部を溶接
した。また陰極板耳部は溶接に先立ち表面を機械研削
し、十分に清浄かつ平滑化した。なお、陰極板耳部表面
の粗さの平均値は０．６１ミクロンである。

【００１５】キャストオンマシンの概要は次のようなも
のである。すなわち、本発明による方法、従来の方法い
ずれの場合にも同じ構造の鋳型４を使用しており、その
材質は鋳鉄（ＦＣＤ材）製で、所定の位置に合計１２箇
所の凹部６が形成されている。即ち一回の操作で自動車
用鉛蓄電池１個分の極板群溶接が出来るものである。ま
た、鋳型４の凹部６の内面には厚さ約０．３ｍｍの塗型
（断熱層）を施してある。鋳型４の加熱には電熱ヒータ
を使用し、比例制御方式の温調を行っている。なお、本
発明による方法、従来方法ともに鋳型４の設定温度は１
５０℃としたが、本発明による方法の場合のばらつきは
±４℃、従来の方法の場合のばらつきは±５℃であっ
た。

【００１６】溶湯鉛７の供給は本発明による方法、従来
の方法いずれの場合も杓式であり、溶湯供給位置（杓５
が傾いて鋳型４の凹部６に溶湯鉛７を注湯する時の極板
群８の降下位置）の制御精度は±０．２ｍｍ、杓５の傾
斜確度のそれは±１度である。なお、杓５から鋳型４の
凹部６に注入する際の溶湯鉛７の溶湯温度は５２０℃と
したが、そのばらつきは、本発明による方法の場合は９
〜１７℃、従来の方法の場合のそれは８〜１４℃であっ
た。温度測定装置１０は非接触式であることが必要であ
るため、赤外線検知式のものを使用した。赤外線センサ
は極板群ホルダに取り付け、極板群８の極板の３枚目と
４枚目の耳部１ａの間に存在する溶湯鉛７の温度を測定
した。なお、本実施例においては鋳型４の凹部６に溶湯
鉛７を注入後０．５ｓ，０．８ｓ，１．１ｓの３時点の
溶湯温度を測定している。また、耳部浸漬温度は３６０
℃を設定している。

【００１７】なお、酸化膜の生成によって測温精度が低
下することが判明したため、鋳型４の凹部６にある溶湯
鉛７の表面には不活性ガス（Ａｒ）を吹き付けながら溶
接した。耳部浸漬時刻および極板群８の降下速度の決定
のためのコンピュータ１１には、アップル社製IIｃｉ
（ＨＤ：８０ＭＢ，ＲＡＭ：８ＭＢ）を使用した。また
極板群降下速度制御装置１２および極板群降下装置１３
であるが、本発明による方法に用いたものは１２個の極
板群８の降下速度を個別に制御するものであり、従来の
方法のそれは１２個の極板群８全体が設定された速度で
同時に降下するような制御を行なうものである。なお極
板群降下装置１３はいずれもサーボモータによる駆動方
式を採用している。次に本発明による方法と従来の方法
によりそれぞれ５０４群の極板群８を溶接し、その溶接
状態を評価した結果を表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】上記表１から明らかな如く、本発明を適用
することによって極板群８の耳部１ａの過剰溶融は著し
く抑制され、延いては高温耐食性に優れた信頼性の高い
鉛蓄電池を製造することが可能となった。

【００２０】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、鋳型の
凹部内の溶湯鉛中に常に一定温度で極板群の耳部を浸漬
することが可能であり、耳部の過剰溶融を防止すること
ができる。そのため高温耐蝕性に優れ、信頼性の高い鉛
蓄電池を得ることができる等工業的価値甚だ大なるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋳型の凹部に注入された溶湯鉛の注湯から凝固
開始までの温度変化を表した曲線図である。

【図２】作業概要図である。

【図３】極板とストラップとの溶接部分を示し、（Ａ）
は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。

【図４】キャストオン法による極板群の溶接方法の説明
図であり、（Ａ）は鋳型の凹部の溶湯鉛中に極板群の耳
部を浸漬する前の状態を示し、（Ｂ）は同浸漬後の状態
を示している。

【図５】キャストオン法で溶接した極板群の溶接部の断
面図で、（Ａ）は良好な溶接状態を示し、（Ｂ）は好ま
しくない溶接状態を示している。

【符号の説明】

１ａは耳部、４は鋳型、５は杓、６は凹部、７は溶湯
鉛、８，８ａは極板群、１０は温度測定装置、１１はコ
ンピュータ、１２は極板群降下速度制御装置、１３は極
板群降下装置。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】キャストオン方式による極板群溶接工程
   中、先ず、鋳型の凹部内に溶湯鉛が注入された直後から
   適当な時間経過した時刻に至るまでの溶湯鉛温度を実測
   し、この間の溶湯鉛温度の時間的変化を基に、前記溶湯
   鉛が凝固を開始する時刻に至るまでの溶湯鉛温度の時間
   的変化を表わす近似式を算出し、次いで、この近似式に
   よって、前記溶湯鉛が前記極板群の耳部を浸漬するに最
   適な温度に至る時刻を決定し、その時刻において前記極
   板群の耳部が前記溶湯鉛中に浸漬されるように前記極板
   群の降下速度を制御することを特徴とする鉛蓄電池極板
   群の溶接方法。
2. 【請求項２】前記近似式は、Ｔ＝ａｔ ^３ ＋ｂｔ ^２ ＋ｃｔ
   ＋ｄ（Ｔは溶湯鉛温度、ｔは鋳型の凹部内に溶湯鉛が注
   入されてからの時間、ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数）で表わさ
   れるものであることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄
   電池極板群の溶接方法。
3. 【請求項３】前記鋳型の凹部に注入された溶湯鉛の表面
   を不活性ガスで被覆しながら溶接する請求項１又は２に
   記載鉛蓄電池極板群の溶接方法。
4. 【請求項４】溶湯鉛の温度を測定する装置と、鋳型の凹
   部内に前記溶湯鉛が注入された直後から適当な時間経過
   した時刻に至るまでの溶湯鉛温度の時間的変化を基に、
   前記溶湯鉛が凝固を開始する時刻に至るまでの溶湯鉛温
   度の時間的変化を表わす近似式を算出し、この近似式に
   よって、前記溶湯鉛が極板群の耳部を浸漬するに最適な
   温度に至る時刻を決定する装置と、該装置からの指令に
   基づいて前記極板群の降下速度を制御する装置と、極板
   群降下装置をそなえることを特徴とする鉛蓄電池極板群
   の溶接装置。
5. 【請求項５】前記溶湯鉛の温度を測定する装置が溶湯鉛
   表面から放出される赤外線を検知する方式である請求項
   ４に記載の鉛蓄電池極板群の溶接装置。