JP4074012B2

JP4074012B2 - 角形電池の製造方法

Info

Publication number: JP4074012B2
Application number: JP24943598A
Authority: JP
Inventors: 和典原口; 浩司芳澤; 琢也中嶋; 崇竹内; 菊雄妹尾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: JPH11167903A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角形電池の製造方法に関し、特に発電要素を収容した角形ケースの開口端に封口板を溶接して角形ケースを密閉封止する溶接方法を改良した角形電池の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、携帯用電子機器の電源として用いられる二次電池は、高エネルギー密度であることが要求されると同時に、軽量化や小型化のためにスペース使用効率のよい形状が要求されている。これらの要求を満たす電池として角形のアルミニウムケースを用いたリチウムイオン二次電池が脚光をあびている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池は、その構造上からも長期にわたって安定した密閉性が要求されるため、有底角筒形状に形成された角形ケースの開口端に封口板をレーザー溶接により接合して開口端を封口する。このレーザー溶接は、他の溶接方法に比してケース内部に収容された電解液や電気絶縁部分に対する熱的影響が少なく、作業効率に優れた特徴を有している。
【０００４】
この角形ケースと封口板との間をレーザー溶接して角形電池を製造する従来方法は、特開平８−３１５７８８号、特開平８−３１５７８９号、特開平８−３１５７９０号の各公報に開示されたものが知られている。これらに開示された製造方法では、開口端を上向きにして配置した角形ケースの開口端に封口板を嵌入させ、角形ケースと封口板との当接部位に鉛直方向からレーザービームを照射し、レーザービームで当接ラインを走査して溶接することにより、角形ケースの開口端は封口板により密閉封止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、開口端を上向きにして配置された角形ケースに対し、封口板と角形ケースとの当接部位を鉛直方向から照射されるレーザービームにより溶接するためには、開口端形状の４辺の直線部をつなぐ各角部で形成される溶接ラインに沿ってレーザービームまたは角形ケースを移動させる必要があり、溶接する当接ラインをレーザービームで走査する制御が複雑になり、生産効率が低い問題点があった。また、当接部位を鉛直方向から照射されるレーザービームにより溶接すると、溶接による溶け込みの進行方向は電池内部方向であり、溶け込み量が大きくなったとき電池内部に金属溶融物が侵入する危険性がある。角形ケース及び封口板として加工される板材の加工精度には限度があり、溶接時の溶け込み量を電池内部に達しない最適量に設定していても、板厚の加工精度のばらつきにより電池内部にまで達する溶け込みが生じて電池内部に金属溶融物が飛散すると、内部短絡の原因となる。また、レーザー溶接は電解液や電気的絶縁物等に対する熱的影響を与えにくい溶接方法であるが、加熱方向が電池内部に向いているため、角形ケースや封口板の加工精度あるいは溶接精度の限界から熱的影響を排除することは困難である。
【０００６】
本発明は上記従来技術の課題に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、レーザー溶接を行うためのレーザービームの走査制御を簡単に行い得ると共に、電池内部に熱的影響を与えることなく均一な溶接により角形ケースと封口板との間の溶接接合を行い得るようにした角形電池の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、四角形の４辺が直線で各角部が所定半径の曲線となる開口形状に形成された有底角筒形状の角形ケース内に発電要素を収容し、この角形ケースの開口端に封口板をレーザー溶接することにより、封口板によって角形ケースの開口端を封止する角形電池の製造方法において、前記角形ケースの開口端に、封口板を当接させ、角形ケースと封口板とが当接する当接ラインに対して角形ケースの側方方向からレーザービームを入射させ、このレーザービームを４辺の直線に平行する方向に直線的に走査して角形ケースと封口板との間をレーザー溶接する角形電池の製造方法であって、角形ケース及び封口板それぞれの加工時に当接ライン位置に発生するバリの方向が、角形ケースにおいては電池内部方向に、封口板においては角形ケース方向になるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、角形ケースの開口端に、封口板が当接され、角形ケースの上端側部には開口端と封口板とが当接する当接ラインが形成される。この当接ラインに対して角形ケースの側方からレーザービームを照射し、４辺の直線に平行して走査することにより、角形ケースの開口端に封口板が溶接される。この溶接方法では、レーザービームによる走査方向は一直線の走査ラインとなるので、その制御が容易である。また本発明によれば、角形ケース及び封口板それぞれの加工時に当接ライン位置に発生するバリの方向が、角形ケースにおいては電池内部方向に、封口板においては角形ケース方向になるように加工しているので、レーザービームの入射位置にバリによる突起が生じたり、逆に窪みにより平面性が損なわれることがなくなる結果、突起が溶融されて飛散するスパッタが発生することによる溶接外観の不良や、平面性が損なわれたことによる溶接不良の発生がなく、精度よく角形ケースに封口板を溶接することができる。
【０００９】
上記製造方法において、４辺のそれぞれに対応して設けられた４本のレーザービームを、それぞれ各辺の直線に平行する方向に走査して各当接ラインを一斉に溶接することにより、全周にわたる溶接が同時進行するので、作業効率がよく溶接動作による封口板の位置ずれが生じない。
【００１０】
また、４辺の直線と平行に２本または単一のレーザービームで各当接ラインを順次走査して溶接することにより、任意の対向する当接ラインを同時に溶接することによって、封口板の溶接動作による位置ずれを発生させることなく効率的に溶接を実行することができる。また、封口板を角形ケース上に確実に位置固定すれば、任意の辺に平行にレーザービームで走査して順次溶接することもできる。
【００１１】
また、レーザービームによる走査が、各辺の直線部と角部との間で移動するとき、角部の曲線半径に応じてレーザー出力を変化させるように制御することにより、直線辺と角部の曲線部との間のレーザービームの焦点距離の差による溶接強度の不均一をレーザー出力の変化によって補い、角部の溶接強度が低下することを防止することができる。
【００１２】
また、レーザービームによる走査が、各辺の直線部と角部との間で移動するとき、角部の曲線半径に応じてレーザービームのパルス時間間隔を変化させるように制御することにより、直線辺と角部の曲線部との間のレーザービームの焦点距離の差による溶接強度の不均一は、レーザービームのパルス時間間隔を変化させることによって、単位時間当たりのレーザービームの照射量を一致させ、角部の溶接強度が低下することを防止できる。
【００１３】
また、レーザービームの照射角度を、走査ライン方向に対し所定角度に傾斜させることにより、角部に対するレーザービームの入射角度が浅くならないので、角部の溶接強度の低下が少なくなる。また、照射レーザービームの反射がレーザー発射口に戻ることによるレーザー発射口の損傷をなくすことができる。
【００１４】
また、開口端に封口板を載置した角形ケースを複数個列設配置し、列設方向と交差する方向からレーザービームを照射し、このレーザービームで列設方向に平行な対向辺の各直線部と平行に走査して各角形ケースと各封口板との当接ラインを溶接することにより、封口板を載置して列設された各角形ケースは列設方向に走査されるレーザービームにより順次レーザー溶接される。レーザービームを列設された角形ケースと相対的に移動させることにより複数個の溶接が一括してなされ、量産工程における生産効率を向上させることができる。
【００１６】
また、レーザービームによる溶接ナゲット径ｄと、角部の半径Ｒとの関係が、０．３＜（ｄ／Ｒ）となるように溶接することにより、レーザー溶接によるクラックの発生を抑えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る角形電池の外観形状を示しており、発電要素を収容した角形ケース１の開口端に封口板２を溶接することにより、角形ケース１を封止して角形電池が製造される。前記角形ケース１は、４角形状の有底筒状に形成され、その開口端の平面形状は、図２に示すように、長辺ａ、ｂ、及び短辺ｃ、ｄが直線で、各角部ｅが所定半径の曲線に形成されている。
【００１９】
封口板２は、この角形ケース１の開口端の外形寸法と同一寸法の外形形状に成形されている。この角形ケース１の開口端上に封口板２を載置し、各辺ａ〜ｄの直線の間を角部ｅの曲線でつないだ当接ラインをレーザー溶接することにより、角形ケース１の開口端は封口板２によって封止される。この角形ケース１の開口端と封口板２との間の溶接方法について以下に説明する。
【００２０】
図３（ａ）は、角形ケース１をその開口端を上向きとして、各筒の筒形成軸が鉛直方向となるようにして所定位置に配置し、開口端を覆って封口板２を載置した状態を上方から見た状態を示しており、長辺ａ、ｂ、短辺ｃ、ｄの直線に平行にそれぞれレーザービーム３ａ〜３ｄを移動させ、図３（ｂ）に示すように、角形ケース１と封口板２とが当接する当接ライン４をレーザー溶接し、角形ケース１の開口端を封口板２で封止する。このように各レーザービーム３ａ〜３ｄによる走査方向は各辺ａ〜ｄに沿った一直線なので、その移動制御は容易であり、精密な溶接動作を行わせることができる。
【００２１】
レーザー溶接の手順は、図３に示すように、長辺ａ、ｂ、短辺ｃ、ｄに平行な直線で４本のレーザービーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで走査すれば、各角部ｅを含む各辺ａ、ｂ、ｃ、ｄに対する溶接動作が同時進行するので、載置した封口板２を角形ケース１上に仮止めしない状態でも封口板２の位置ずれは生じず効率的に溶接加工を行うことができる。また、量産工程においては、図４（ａ）に示すように、封口板２を当接させた角形ケース１を複数個配列し、レーザービーム３ｃ、３ｄを配列方向に相対的に移動させながらオン・オフ動作させて、各角部ｅを含む短辺ｃ、ｄを同時に溶接し、次に、図４（ｂ）に示すように、配列方向を変えて残された各角部ｅを含む長辺ａ、ｂをレーザー溶接する。このとき、長辺ａ、ｂに同時にレーザービーム３ａ、３ｂを照射してもよいが、レーザー溶接による加熱が集中しないように、長辺ａまたはｂの片方づつが溶接されるようにレーザービーム３ａ、３ｂの走査方向あるいは走査位置を変えると、電池に与える熱的影響を抑えることができる。また、角形ケース１に封口板２を載置した状態が位置ずれしないように仮止めしておけば、任意の角部ｅを含む１辺から順次溶接していくようにすることもできる。
【００２２】
上記のように各辺ａ、ｂ、ｃ、ｄに対して平行にレーザービーム３で走査するとき、曲線に形成された各角部ｅではレーザービーム３の焦点距離が遠くなり、角部ｅにおけるレーザー溶接の能力が低下することになる。即ち、図５に示すように、レーザービーム３ａについて見れば、走査開始位置は角部ｅの曲線上にあり、長辺ａを走査する位置とはレーザービーム３ａの焦点距離に最大で距離差βが生じる。この状態は走査終了位置でも同様で、図５に示すレーザービーム３ｃで見れば、短辺ｃを走査する位置とはレーザービーム３ｃの焦点距離に最大で距離差βが生じる。この距離差βによる角部ｅの溶接強度の低下は、次に示す溶接方法によって解消される。
【００２３】
まず、第１の方法は、レーザービーム３ａ〜３ｄそれぞれにより角部ｅを走査する位置においては、各辺ａ〜ｄとの距離差に対応させてレーザー出力を変化させるものである。即ち、焦点距離が遠くなる角部ｅにおける溶接能力の低下をレーザー出力の増加で補うことができるので、当接ライン４の全周にわたって均一な溶接がなされることになる。
【００２４】
また、第２の方法は、レーザービーム３ａ〜３ｄそれぞれにより角部ｅを走査する位置においては、レーザーパルスの発射時間間隔を各辺ａ〜ｄとの距離差に対応させて変化させるものである。即ち、距離差が大きくなるに従ってレーザーパルスの発射時間間隔が短くなるように制御する。このよるレーザーパルスの発射時間間隔の変化により、距離差はレーザービーム３の単位時間当たりの照射量で補われるので、当接ライン４の全周にわたって均一な溶接がなされることになる。
【００２５】
以上説明した当接ライン４に対するレーザー溶接において、図６に示すように、レーザービーム３ａ〜３ｄそれぞれの水平方向の照射角度を、各辺ａ、ｂ、ｃ、ｄに直交する方向から角度θに傾けることにより、角部ｅに対するレーザービーム３ａ〜３ｄの入射角度が深くなるためレーザービーム３ａ〜３ｄの反射が少なく溶接強度を低下させることなく溶接することができる。また、当接ライン４に照射されたレーザービーム３の反射光がレーザービーム発射口に戻ることがなく、反射光によるレーザービーム発射口の損傷が防止される。更に、このレーザービーム３ａ〜３ｄの照射角度を傾斜させることにより、前記のように角部ｅの溶接強度が低下することをレーザー出力の変化等の方法により補正しなくても、均等な溶接強度を得ることができる。
【００２６】
また、レーザービーム３が照射されることによって溶融するナゲットの径は、各角部ｅを溶接するとき、角部ｅの半径をＲ、ナゲット径をｄとすると、その関係が０．３＜（ｄ／Ｒ）となるように、レーザービーム３のスポット径や出力を調整することにより、レーザー溶接によるクラックの発生を抑制することができる。
【００２７】
また、図７に示すように、当接ライン４に対するレーザービーム３ａ〜３ｄそれぞれの水平方向からの照射角度を角度αで上向きに入射させることにより、レーザー溶接による熱的影響が電池内部に及ばないようにすることができる。本実施形態によるレーザー溶接の方向は、発電要素を収容した角形ケース１の上端に対して側方から溶接するのでレーザー溶接による熱的影響が電池内部に及ぶことは少ないが、この照射角度の傾きにより、角形ケース１の材厚誤差により溶け込みが電池内部に至ったような場合に有効となる。
【００２８】
角形ケース１及び封口板２は軽量化、薄型化のために材厚の薄いアルミニウム板を使用しており、また、その加工精度には限界があり、特に角形ケース１は絞り加工して有底筒状に形成されるため、その材厚にばらつきが生じやすくなる。
【００２９】
そのため、レーザービーム３ａ〜３ｄそれぞれの照射による当接ライン４の溶け込み量を一定に設定しておいても、材厚の僅かなばらつきにより溶け込みが電池内部にまで達することがある。図８は当接ライン４に対するレーザー溶接の状態を断面状態で説明するもので、図８（ａ）に示すように、当接ライン４に対して水平方向からレーザービーム３を入射させた場合、前記のように薄い板材の材厚のばらつきにより溶け込みが図示破線のように電池内部にまで達したような場合に、電池内部には発電要素が収容されているので、溶け込みが電池内部にまで達すると、角形ケース１及び封口板２が溶融した金属溶融物が電池内部に飛散することになり、内部短絡による電池不良を発生させる原因となる。そこで、図８（ｂ）に示すように、レーザービーム３の照射方向を水平方向から上向き方向にして当接ライン４に入射させるようにすると、溶け込みの進行方向は封口板２側に向いているので、溶け込みが深くなったときにも、破線で示すように電池内部に至らず、材厚のばらつきによる金属溶融物の電池内部への飛散は防止される。
【００３０】
角形ケース１及び封口板２は、それらを製造する切断工程において、バリの発生が避けられない。図９は角形ケース１に生じたバリ１ａと封口板２に生じたバリ２ａとを誇張して模式的に示すもので、バリ１ａ、２ａは切断方向に突起として発生するので、図９（ａ）（ｂ）に示すように、溶接する当接ラインに角形ケース１のバリ１ａが外側方向に向いて生じていると、バリ１ａが照射されるレーザービーム３により溶融して飛び散るスパッタが生じて溶接の外観不良となる。
【００３１】
また、図９（ａ）に示すように、角形ケース１のバリ１ａが外向きで、封口板２のバリ２ａが角形ケース１との当接側に生じている場合には、バリ２ａの突起により封口板２が角形ケース１に密着しないことになり、この状態でレーザー溶接するとスパッタが発生するばかりでなく、当接ライン間の空隙により溶接不良を発生させる。また、図９（ｃ）に示すように、角形ケース１のバリ１ａが内側方向、封口板２のバリ２ａが上向き方向に生じていると、当接ライン４に凹部が生じて平面性が損なわれ溶接不良が発生する。
【００３２】
そこで、図９（ｄ）に示すように、角形ケース１のバリ１ａが内側方向、封口板２のバリ２ａが下向き方向になるように切断方向を設定すると、角形ケース１上に封口板２を載置したとき、図示するように角形ケース１のバリ１ａによる内側方向への窪みは、封口板２の下向きのバリ２によって覆われることになり、溶接部位に突起や窪みがなく、バリ１ａ、２ａによる溶接不良の発生が防止される。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、角形ケースの開口端に、封口板を載置した当接ラインに対して角形ケースの側方からレーザービームを入射させ、４辺の直線と平行した直線的に走査することによって角形ケースと封口板との間はレーザー溶接され、角形ケースの開口端は封口板によって封止される。この溶接方法では、各辺に平行な直線的な操作で溶接されるので、その制御が容易である。また、当接ラインに生じるバリの方向を規制しているので、一定した溶接強度により角形ケースの開口端は封口板により確実に密閉封止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角形電池の斜視図。
【図２】角形ケースの開口端の平面図。
【図３】（ａ）は当接ラインに対するレーザービームの走査方向を示す平面図、（ｂ）は当接ラインに対するレーザービームの入射方向を示す側面図。
【図４】複数個の角形電池の溶接を同時に実行するレーザー溶接工程の例を示すもので、（ａ）は短辺側の溶接、（ｂ）は長辺側の溶接を示す平面図。
【図５】角部に対するレーザービームの焦点距離差の発生を説明する説明図。
【図６】レーザービームの水平方向の入射角度を傾斜させて走査する方法を示す平面図。
【図７】レーザービームの鉛直方向の入射角度を傾斜させて走査する方法を示す側面図。
【図８】鉛直方向上の入射方向を傾斜させた作用効果を説明する説明図。
【図９】角形ケース及び封口板のバリ方向が不適切な状態（ａ）〜（ｃ）と、適切なバリ方向の状態（ｄ）とを断面で示す模式図。
【符号の説明】
１角形ケース
１ａ、２ａバリ
２封口板
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄレーザービーム
４当接ライン
ａ、ｂ、ｃ、ｄ直線辺
ｅ角部

Claims

四角形の４辺が直線で各角部が所定半径の曲線となる開口形状に形成された有底角筒形状の角形ケース内に発電要素を収容し、この角形ケースの開口端に封口板をレーザー溶接することにより、封口板によって角形ケースの開口端を封止する角形電池の製造方法において、
前記角形ケースの開口端に、封口板を当接させ、角形ケースと封口板とが当接する当接ラインに対して角形ケースの側方方向からレーザービームを入射させ、このレーザービームを４辺の直線に平行する方向に直線的に走査して角形ケースと封口板との間をレーザー溶接する角形電池の製造方法であって、
角形ケース及び封口板それぞれの加工時に当接ライン位置に発生するバリの方向が、角形ケースにおいては電池内部方向に、封口板においては角形ケース方向になるようにしたことを特徴とする角形電池の製造方法。
４辺のそれぞれに対応して設けられた４本のレーザービームを、それぞれ各辺の直線に平行する方向に走査して各当接ラインを一斉に溶接する請求項１記載の角形電池の製造方法。
４辺の直線と平行に２本または単一のレーザービームで各当接ラインを順次走査して溶接する請求項１記載の角形電池の製造方法。
レーザービームによる走査が、各辺の直線部と角部との間で移動するとき、角部の曲線半径に応じてレーザー出力を変化させるように制御する請求項１、２または３記載の角形電池の製造方法。
レーザービームによる走査が、各辺の直線部と角部との間で移動するとき、角部の曲線半径に応じてレーザービームのパルス時間間隔を変化させるように制御する請求項１、２または３記載の角形電池の製造方法。
レーザービームの照射角度を、走査ライン方向に対し所定角度に傾斜させた請求項１〜５いずれか一項に記載の角形電池の製造方法。
開口端に封口板を載置した角形ケースを複数個列設配置し、列設方向と交差する方向からレーザービームを照射し、このレーザービームで列設方向に平行な対向辺の各直線部と平行に走査して各角形ケースと各封口板との当接ラインを溶接する請求項１〜６いずれか一項に記載の角形電池の製造方法。
レーザービームによる溶接ナゲット径ｄと、角部の半径Ｒとの関係が、０．３＜（ｄ／Ｒ）となるように溶接する請求項１〜７いずれか一項に記載の角形電池の製造方法。