JP5618808B2 - 溶接構造 - Google Patents
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Description
母材に流す電流を集中させるためには、接触面積を小さくし電流密度を大きくすることが有利である。このため、通常は、溶接したい一方の金属部材に突起部を設け、相手方の金属部材に点接触または線接触させるようにする。
この場合、抵抗溶接は、溶接する金属部材同士を突起部で接触させた状態で、両金属部材における溶接面とは反対面に、それぞれ、正極または負極の溶接用電極を押し当て、加圧して行う。
そこで、板状の金属部材を用いて、プレスにより突起部を形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。このようにすれば、材料の活用効率を向上し、コストを低減することができる。
このような反りが発生するために、突起部に対向する側の金属部材の外面は、溶接用電極の上面とは、反りが発生しない中心領域、すなわち、突起部に対応する小さい面積の領域でのみ接触する。つまり、電流通路の面積が狭くなってしまう。このため、金属部材に流れる電流密度が大きくなり、発熱が大きくなって、溶接部が損傷して必要な接合力が確保できなくなったり、金属部材の溶融部が溶接用電極に張り付いて溶接用電極を損傷したりする。
(二次電池の全体構成)
以下、この発明の溶接構造および溶接方法を、図面を参照して説明する。
先ず、本発明の溶接構造を、円筒形二次電池を一実施の形態として説明することとする。
図1は、この発明の一実施の形態としてのリチウムイオン円筒形二次電池の断面図であり、図2は、図1に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形二次電池1は、例えば、外形40mmφ、高さ100mmの寸法を有する。
この円筒形二次電池1は、有底円筒形の電池缶2とハット型の電池蓋3とを、通常、ガスケットと言われるシール部材43を介在してかしめ加工を行い、外部から密封された構造の電池容器4を有する。有底円筒形の電池缶2は、鉄、ステンレス等の金属板をプレス加工して形成され、内面および外面の表面全体にニッケル等のめっき層が形成されている。電池缶2は、その開放側である上端部側に開口部2b有する。電池缶2の開口部2b側には、電池缶2の内側に突き出した溝2aが形成されている。電池缶2の内部には、以下に説明する発電用の各構成部材が収容されている。
軸芯15は、中空円筒状を有し、軸芯15には、負極電極12、第1のセパレータ13、正極電極11および第2のセパレータ14が、この順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極12の内側には第1のセパレータ13および第2のセパレータ14が数周(図3では、1周)捲回されている。電極群10の最外周は負極電極12およびその外周に捲回された第1のセパレータ13の順となっている。最外周の第1のセパレータ13が接着テープ19で留められる(図2参照)。
負極合剤12bの幅WCが正極合剤11bの幅WAよりも大きいことにより、異物の析出による内部短絡を防止する。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極シート12aが露出していると負極シート12aにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。
図1および図3において、中空な円筒形状の軸芯15は軸方向(図面の上下方向)の上端部の内面に径大の溝15aが形成され、この溝15aに正極集電部材27が圧入されている。
また、正極集電部材27をアルミニウムで形成することにより、正極シート11aの正極リード16を超音波溶接またはスポット溶接等により溶接することが可能となる。
負極シート12aの負極リード17は、すべて、負極集電部材21の外周筒部21cに超音波溶接等により溶接される。各負極リード17は大変薄いため、大電流を取りだすために、軸芯15への巻き始めから巻き終わりまで全長にわたり、所定間隔で多数形成されている。
負極集電部材21の下面には、ニッケルからなる負極通電リード23が抵抗溶接等により接合されている。この場合、負極集電部材21と負極通電リード23とは、平面視では、軸芯15と同軸の円周上において複数の箇所で接合されている。
負極通電リード23は、鉄製の電池缶2の底部において、電池缶2に溶接されている。
電池缶2は、例えば、0.5mmの厚さの炭素鋼で形成し、内面側および外面側の表面にニッケルめっきを施して形成することが望ましい。負極集電部材21を抵抗値の小さい銅で形成する場合、銅と鉄を、直接、抵抗溶接により溶接すると接合力が不足する。負極通電リード23をニッケルにより形成し、電池缶2の内面にニッケルめっきを施すことにより、負極通電リード23を、電池缶2に抵抗溶接により強固に溶接することができる。また、ニッケルからなる負極通電リード23と銅からなる負極集電部材21とは、抵抗溶接により強固に溶接することができる。
絶縁板34は、開口部34a(図2参照)と下方に突出す側部34bを有している。絶縁板34の開口部34a内には接続板35が嵌合されている。接続板35の下面には、フレキシブルな接続部材33の他端が溶接されて固定されている。
電池蓋3は、炭素鋼等の鉄で形成され、外側および内側の表面全体にニッケル等のめっき層が施されている。電池蓋3は、ダイアフラム37に接触する円盤状の周縁部3aとこの周縁部3aから上方に突出す有頭無底の筒部3bを有するハット型を有する。筒部3bには開口部3cが形成されている。この開口部3cは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム37が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。
なお、電池蓋3が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。
まず、ダイアフラム37に電池蓋3を固定しておく。ダイアフラム37と電池蓋3との固定は、かしめ等により行う。図2に図示された如く、当初、ダイアフラム37の側部37bは基部37aに垂直に形成されているので、電池蓋3の周縁部3aをダイアフラム37の側部37b内に配置する。そして、ダイアフラム37の側部37bをプレス等により変形させて、電池蓋3の周縁部の上面および下面、および外周側面を覆って圧接する。
上述したように、電池蓋ユニット30の接続板35は接続部材33により正極集電部材27と接続されている。従って、電池蓋3は正極集電部材27と接続されている。このように、正極集電部材27と接続されている電池蓋3は他方の出力端として作用し、この他方の出力端として作用する電池蓋3と一方の出力端として作用する電池缶2より電極群10に蓄えられた電力を出力することが可能となる。
次に、負極集電部材21と負極通電リード23との溶接構造について説明する。
図4は、図1に図示されたA部の拡大断面図である。図4では、複数の接合箇所のうちの1箇所のみを示している。なお、本発明の溶接構造および抵抗溶接による溶接方法は、負極集電部材21と負極通電リード23への適用に限られるものではなく、一般的に広く適用することができる。このため、以下の説明においては、負極集電部材21と負極通電リード23の一方を一方の金属部材110とし、他方を他方の金属部材120として説明する。
好ましい一例として、一方の金属部材110は銅により形成され、他方の金属部材120はニッケルにより形成されたものを挙げることができる。
一方の金属部材110は、溶接前は突起部112を有している。突起部112は、プレス加工により形成されたものであり、陥没部111は、突起部112を形成する際に形成されるものである。突起部112は、幅方向(図5の左右方向)における中心部分が表面から最も高く突き出しており、従って、陥没部111の深さが最大の位置は、幅方向における中心部分である。他方の金属部材120の凹部121における深さの最大位置は、突起部112の幅方向の中心部に対応する部分である。凹部121の最大深さは、陥没部111の最大深さよりも小さくてもよい。
図7(a)に図示されるように、平板状の他方の金属部材120’の下面側に、上面が平坦な受け型141を配置する。また、他方の金属部材120’の上面側に、凹部121に対応する突起142aを有する成形パンチ142を配置する。成形パンチ142の周囲における他方の金属部材120’の部分を、押さえ型143により受け型141に押付ける。
図8(a)に図示されるように、平板状の一方の金属部材110’の下面側に、溝152が形成された受け型151を配置する。また、一方の金属部材110’の上面側に、突起部112に対応する突起153aを有する成形パンチ153を配置する。成形パンチ153の周囲における一方の金属部材110’の部分を、押さえ型154により受け型151に押付ける。
図9は、抵抗溶接機50の外観斜視図である。
抵抗溶接機50は、上下一対の電極ホルダ51、52、一方の電極ホルダ51を上下に移動するエアーシリンダ53、溶接用電源54、電極ホルダ51、52を溶接用電源54に接続する接続導体55、56を備えている。電極ホルダ51には、クランプボルト61の締結により可動電極57が取り付けられる。電極ホルダ52には、クランプボルト62の締結により固定電極58が取り付けられる。他方の金属部材120を固定電極58の上面で支持し、一方の金属部材110の上面に可動電極57の下面を接触させ、加圧する。
電流の供給により、可動電極57、一方の金属部材110、他方の金属部材120および固定電極58の各抵抗値および接触抵抗と、供給される電流値に対応するジュール熱が発生し、一方および他方の金属部材110、120が固相接合または溶融接合で接合される。
しかし、本実施形態においては、他方の金属部材120には、溶接部130に対応する領域の外面側に予め凹部121が形成されている。このため、他方の金属部材120は、この凹部121の深さが浅くなるように変形し、集中応力を緩和する。これにより、他方の金属部材120における突起部112の周囲領域が、一方の金属部材110側に向かって上昇する方向の反りは小さくなる。従って、図6に図示されるように、溶接時においても、他方の金属部材120は、凹部121の周囲領域の広い範囲において固定電極58の上面と接触している。
図12に図示された一方の金属部材110は突起部112および陥没部111を有し、図5に図示された一方の金属部材110と同一である。しかし、他方の金属部材120Aは、凹部121を有していない、平坦な板状部材である点で、図5に図示された他方の金属部材120と相違する。
なお、本発明の溶接構造および抵抗溶接による溶接方法は、上記実施形態以外にも、種々の実施形態とすることができる。以下、他の種々の実施形態について説明をする。
図16は、本発明の実施形態2を示す。図16は、溶接電流を流す直前の溶接構造を説明するための拡大断面図である。
図16に図示された一方の金属部材110Aには、陥没部111の上部に、陥没部111より幅(直径)の大きい凹部113が形成されている。また、他方の金属部材120Aは、凹部が形成されていない、全体が均一な厚さの板状部材である。
図17(a)に図示されるように、平板状の一方の金属部材110A’の下面側に、溝152が形成された受け型151配置する。また、一方の金属部材110A’の上面側に、陥没部111と凹部113が組み合わされた形状に対応する突起155aを有する成形パンチ155を配置する。成形パンチ155の周囲における一方の金属部材110A’の部分を、押さえ型154により受け型151に押付ける。
図18は、本発明の実施形態3を示す。図18は、溶接電流を流す直前の溶接構造を説明するための拡大断面図である。
図18に図示された実施形態3が図16に図示された実施形態2と相違する点は、他方の金属部材120が、図5に図示された実施形態1と同様、凹部121を有する点である。
すなわち、実施形態3においては、一方の金属部材110Aに可動電極57に接触しない凹部113が形成され、他方の金属部材120に固定電極58に接触しない凹部121が形成されている。このため、溶接時に作用する加圧力P3をより確実に分散し、一方の金属部材110Aおよび他方の金属部材120の変形量を低減して、溶接時の発熱量を低減することができる。
このような実施形態3においても、実施形態1と同様な効果を奏することができる。
実施形態4は、可動電極57と固定電極58とが下面を下に向けて軸心が平行に配置された状態で溶接を行う方法である。一方の金属部材110は、突起部112および突起部112に対応する陥没部111を有し、陥没部111が形成された面を下に向けて、図示しない台上に載置される。他方の金属部材120は、突起部112に対応する位置に、突起部112の反対面側に凹部121を向けて配置される。可動電極57は、他方の金属部材120の凹部121が形成された面上に、凹部121と同心に配置される。固定電極58は、一方の金属部材110の突起部112が形成された部分から外れた領域の、一方の金属部材110の上面に、軸心を可動電極57に平行にした姿勢で配置される。
図20は、本発明の実施形態5を示す。図20は、抵抗溶接による接合が完了した状態の溶接構造の拡大断面図である。
実施形態5は、実施形態4と同様、可動電極57と固定電極58とが下面を下に向けて軸心が平行に配置された状態で溶接を行う方法である。
実施形態5が、図19に図示された実施形態4と相違する点は、実施形態5では、一方の金属部材110Aおよび他方の金属部材120Aによる図16に図示された組み合わせとした点である。
可動電極57は、一方の金属部材110Aの凹部113が形成された上面上に、凹部113と同心に配置される。固定電極58は、一方の金属部材110Aの突起部112に対応する領域から外れた領域の、他方の金属部材120Aの上面に、軸心を可動電極57と平行にした姿勢で配置される。
図21(a)、(b)〜図26(a)、(b)は、それぞれ、一方または他方の金属部材の断面図および外観斜視図である。
金属部材は一方および他方のいずれとしてよいので、ここでは代表して、単に、金属部材とする。
図21(a)、(b)に図示された実施形態6の金属部材160は、円錐状の凹部161を有する。
図22(a)、(b)に図示された実施形態7の金属部材160は、半球状またはドーム状の凹部162を有する。
図23(a)、(b)に図示された実施形態8の金属部材160は、矩形形の凹部163を有する。
図24(a)、(b)に図示された実施形態9の金属部材160は、外形が帯状またはリボン形状を有し、凹部164は、断面形状が円弧状の筒型形状に形成されている。つまり、実施形態9においては、凹部164は、帯状の金属部材の幅方向全体に、断面形状が半円より小さい円弧状の円筒形に形成されている。
図25(a)、(b)に図示された実施形態10の金属部材160は、外形が帯状またはリボン形状を有する。
金属部材160は、一面側に幅方向全体に亘って延設された断面山形の突起165aを有し、また他面側に突起165aに対応して幅方向全体に亘って延設された断面山形の陥没部165bと、この陥没部165b上に形成された矩形の凹部165cを有する。
図26(a)、(b)に図示された実施形態11の金属部材160は、一面側に円錐形状の突起166aが形成され、他面側に突起166aに対応して円錐形状に形成された陥没部166bと、この陥没部166b上に形成された矩形の凹部166cを有する。
なお、本発明は実施形態1において適用した二次電池以外の装置にも適用が可能であり、以下、本発明が適用された他の装置について説明する。
図27は、車両用交流発電機200の一部を断面とした側面図である。
車両用交流発電機200は、プーリ214側に配置されるフロントブラケット210及びプーリ214の反対側に配置されるリアブラケット204の2個のブラケットを備える。フロントブラケット210とリアブラケット204はプーリ側ベアリング213とリア側ブラケット207を介してシャフト212を支持している。シャフト212の一方の端部にプーリ214が取り付けられている。プーリ214は、図示はしないが、ベルトを介してエンジン出力軸に接続されている。
図27に図示される車両用交流発電機200において、冷却用遠心ファン201が抵抗溶接によりポールコア202に溶接されている。
このような溶接構造は、図16に図示された実施形態2の溶接方法により得ることができる。図28に図示された溶接構造は一例であって、上述した実施形態1〜11のいずれの溶接構造でも適用することが可能である。
図29は、内燃機関用点火装置の全体を示す側面図であり、図30は、図29に図示されたコイルケースの平面図である。
内燃機関用点火装置300は、絶縁性のコイルケース312、図示はしない点火プラグに接続するためのアダプタ部303および一次コイルに電力を供給するコネクタ端子301を備えている。
コイルケース312内には、一次コイル313が巻装された一次ボビン306、二次コイル308が数層に亘り積層された二次ボビン307が配置されている。一次ボビン306および二次ボビン307に巻装された一次コイル313および二次コイル308は絶縁樹脂で被覆された状態でコイルケース312内に収容されている。一次コイル313の一端は、端子板305に固定接続され、コネクタ端子301から電力が供給される。この端子板305には中間端子311が抵抗溶接により溶接されている。
中間端子311は、例えば、黄銅で形成された板状部材であり、一面側には突起部112が形成され、他面側には、突起部112に対応する形状の陥没部111と、この陥没部111の上部に配置された凹部113とが形成されている。凹部113の幅(直径)は、陥没部111の幅(直径)よりも大きく形成されている。端子板305は、例えば、黄銅で形成された板状部材であり、突起部112と反対面側には凹部121が形成されている。中間端子311と端子板305とは溶接部130において、抵抗溶接により溶接されている。
このような溶接構造は、図18に図示された実施形態3の溶接方法により得ることができる。図31に図示された溶接構造は一例であって、上述した実施形態1〜11のいずれの溶接構造でも適用することが可能である。
2 電池缶
10 電極群
57 可動電極
58 固定電極
110 一方の金属部材
111 陥没部
112、165a、166a 突起部
120、120A 他方の金属部材
113、121、165c、166c 凹部
130 溶接部
160 金属部材
161〜164、165b、166b 陥没部
200 車両用交流発電機
201 冷却用遠心ファン
202 ポールコア
300 内燃機関用点火装置
305 端子板
311 中間端子
Claims (12)
- 一方の面に突起部が、他方の面に前記突起部に対応する陥没部が形成された第1の金属部材と第2の金属部材とが前記突起部の頂部を含む溶接部において溶接された溶接構造において、
前記第1の金属部材と前記第2の金属部材の少なくとも一方には、他方の金属部材との対面側とは反対面側における前記溶接部に対応する領域に、周囲領域から陥没する凹部が形成されており、
前記凹部は、前記陥没部が形成された前記第1の金属部材および前記第2の金属部材の一方の前記金属部材の前記陥没部の周囲に形成されていることを特徴とする溶接構造。 - 請求項1に記載の溶接構造において、前記第1の金属部材と前記第2の金属部材とは異なる抵抗値を有し、前記凹部が形成された金属部材は、他方の金属部材より抵抗値が大きいことを特徴とする溶接構造。
- 請求項1に記載の溶接構造において、前記第1の金属部材および前記第2の金属部材の他方の前記金属部材は、前記一方の金属部材との対面側とは反対面側における前記溶接部に対応する領域が、周囲領域と平坦であることを特徴とする溶接構造。
- 請求項1に記載の溶接構造において、前記第1の金属部材および前記第2の金属部材の他方の前記金属部材は、前記一方の金属部材との対面側とは反対面側における前記溶接部に対応する領域が、周囲領域から陥没していることを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記凹部は、円錐状の形状を有することを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記凹部は、半球状またはドーム状の形状を有することを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記凹部は、筒型の形状を有することを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記凹部は、矩形形状を有することを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記凹部は、一定の幅で所定長の棒型の形状を有することを特徴とする溶接構造。
- 請求項9に記載の溶接構造において、前記凹部は、幅方向における断面が円弧形状であることを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記第1の金属部材は銅により形成され、前記第2の金属部材はニッケルにより形成されていることを特徴とする溶接構造。
- 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の溶接構造において、前記第1の金属部材は、二次電池の電極集電板であり、前記第2の金属部材は、二次電池の電池缶と前記電極集電板との間に配置された通電リードであることを特徴とする溶接構造。
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