JP6015373B2 - 密閉容器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、開口部を有する金属製のケース本体と、開口部を閉塞する金属製の蓋体との合わせ部を接合する密閉容器の製造方法に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。また、二次電池のケースのような密閉容器においては、内部圧力が上昇しても破壊されないために耐圧強度を高め、気体漏れを防止するために気密性を高めることが重要である。

例えば、特許文献１の角形密閉電池（二次電池）の密閉容器は、金属製の電池外装缶（ケース本体）に電極組立体を収容し、その電池外装缶の開口部に封口体（蓋体）を接合することによって形成されている。電池外装体と封口体は、パルスレーザ溶接で接合されており、パルスレーザ光を矩形波形の第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光との連続パルスからなる２段波形により構成し、第１のパルスレーザ光のピーク出力値を第２のパルスレーザ光のピーク出力値よりも大きくしている。そして、溶接部を２層に形成することで、１層目の溶接部の形成時には、凝固していく１層目の溶接部に溶融池から溶湯が補充されていくため、例えば溶接部のひけ巣等の欠陥部には溶湯が補完され、気密性が高められる。また、２層目の溶接部の形成時には、１層目の溶接部とは結晶粒径及び結晶方位が異なる溶接部が形成されていき、更に１層目の溶接部が２層目の溶接部に作用する収縮力を吸収するため、溶接部の溶接割れの発生を防止でき、耐圧強度が高められる。

特開２０１１−２００９１５号公報

ところで、密閉容器においては、耐圧強度と気密性を高めるために、欠陥の無い接合部を形成することが望まれている。
本発明は、耐圧強度と気密性を高めつつ欠陥の無い接合部を形成することができる密閉容器の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の密閉容器の製造方法は、開口部を有する金属製のケース本体と、前記開口部を閉塞する金属製の蓋体との合わせ部を接合する密閉容器の製造方法であって、前記密閉容器の外面から前記合わせ部の全ての繋ぎ目に向けてレーザ光を照射して溶接する第１接合工程と、前記第１接合工程で形成された溶接部の全てに回転する回転ツールを接触させて摩擦攪拌接合により接合する第２接合工程と、を有することを要旨とする。

これによれば、例えば、第１接合工程をレーザ光のエネルギー密度を高くしたキーホール型溶接とすると、十分な溶け込み深さを確保して、接合強度の高い接合部を形成することができる。第２接合工程では、摩擦攪拌接合を行うが、この摩擦攪拌接合では、蓋体とケース本体を摩擦熱で軟化させ、その軟化した材料を攪拌して固相接合する。このため、レーザ溶接のように、ケース本体と蓋体との合わせ部を高温にして溶融させないため、ブローホールが形成されることが防止される。したがって、第１接合工程及び第２接合工程を経ることで、耐圧強度と気密性を高めつつ欠陥の無い接合部を形成することができる。

また、前記密閉容器は蓄電装置のケースであり、前記第１接合工程の前に、前記ケース本体内に蓄電要素である電極組立体を収容する収容工程を有していてもよい。
これによれば、電極組立体をケース本体内に収容した後、蓋体で開口部を閉塞してケースが製造される。そして、ケース内で、電極組立体と電解液との反応により気体が発生しても、ケース本体と蓋体の接合部によって、気体がケース外へ漏れることを防止することができるとともに、内部圧力が上昇しても蓋体がケース本体から外れることを防止できる。

また、前記合わせ部のうち、前記密閉容器の外面に露出する繋ぎ目は、前記密閉容器の１つの面内に位置しているのが好ましい。
これによれば、第１接合工程では、レーザ光の照射装置を繋ぎ目に沿って移動させ、第２接合工程では、第１接合工程で繋ぎ目に沿って形成された溶接部に沿って回転ツールを移動させる。このとき、繋ぎ目が１つの面内にあるため、照射装置及び回転ツールを１つの面内で移動させればよく、繋ぎ目が、ケースの複数面に亘っている場合と比べて、第１接合工程び第２接合工程を簡単に行うことできるとともに、接合部での溶接不良が発生しにくくなる。

本発明によれば、耐圧強度と気密性を高めつつ欠陥の無い接合部を形成することができる。

実施形態の二次電池を示す斜視図。 （ａ）は接合部を形成する前の合わせ部を示す断面図、（ｂ）は接合部を示す図１の２−２線断面図。 ケース本体と蓋体を示す分解斜視図。 第１接合工程を示す斜視図。 第２接合工程を示す斜視図。 （ａ）は別例のケースの合わせ部を示す断面図、（ｂ）は別例の接合部を示す断面図。

以下、二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１及び図３に示すように、二次電池（蓄電装置）１０において、密閉容器としてのケース１１には、電極組立体１２が収容されている。なお、二次電池１０は電気自動車の電源として搭載されている。

ケース１１は、開口部Ｓを有する直方体状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部Ｓを閉塞する矩形平板状の蓋体１４とを有する。ケース本体１３と蓋体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。

また、ケース１１に収容された蓄電要素としての電極組立体１２には、正極端子１５と負極端子１６が電気的に接続されている。そして、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１７ａがそれぞれ取り付けられている。また、正極端子１５と負極端子１６は、蓋体１４からケース１１外に露出している。

ケース本体１３と蓋体１４は、接合部Ｙによって接合されている。
まず、ケース本体１３と蓋体１４の構成について説明する。
図１及び図３に示すように、ケース本体１３は、有底四角筒状であり、矩形平板状の底壁１３ａと、この底壁１３ａの四辺から立設された四角筒状の周壁１３ｂと、を有する。図２（ａ）に示すように、ケース本体１３の底壁１３ａの内面及び外面に直交する方向であり、かつ周壁１３ｂが底壁１３ａから立設する方向を、ケース本体１３の軸方向とする。周壁１３ｂは、その先端における内周面側に、蓋体１４を支持する環状の支持面１３ｃを有し、支持面１３ｃより外周面側に環状リブ１３ｇを有する。支持面１３ｃは、軸方向に直交し、かつ底壁１３ａの内面と平行をなす平坦面状である。環状リブ１３ｇの内周面は、支持面１３ｃに対し直交している。また、周壁１３ｂの内周面は、支持面１３ｃに直交し、かつ軸方向に平行に延びる平坦面状である。

蓋体１４は、矩形平板状であり、蓋体１４の外周形状は、環状リブ１３ｇの内周形状より僅かに小さく、蓋体１４は、環状リブ１３ｇの内側に嵌合されている。蓋体１４は、外周部が周壁１３ｂの支持面１３ｃに支持されている。蓋体１４において、ケース本体１３の支持面１３ｃに支持される面を被支持面１４ｂとする。また、蓋体１４の外周面より外側には、環状リブ１３ｇの内周面が位置している。そして、蓋体１４の外周面を、環状リブ１３ｇの内周面に対向する蓋体側対向面１４ａとするとともに、環状リブ１３ｇの内周面であって、蓋体側対向面１４ａと対向する面をケース側対向面１３ｅとする。

そして、蓋体１４において、被支持面１４ｂ及び蓋体側対向面１４ａは、ケース本体１３に対向する蓋体側合わせ面１４ｆとなっており、ケース本体１３において、支持面１３ｃ及びケース側対向面１３ｅは、蓋体側合わせ面１４ｆと対向するケース側合わせ面１３ｆとなっている。

図４に示すように、ケース１１は、ケース側合わせ面１３ｆと蓋体側合わせ面１４ｆとからなる合わせ部（突合わせ面）４０を有する。合わせ部４０は、ケース１１の全周に亘って設けられている。合わせ部４０において、ケース１１の外面に露出する繋ぎ目４０ａは、ケース１１の六つの外面のうち、蓋体１４の外面が露出する一つの外面（ケース１１の上面１１ａ）に位置している。

図２（ｂ）に示すように、ケース本体１３と蓋体１４は、レーザ溶接及び摩擦攪拌接合によって形成される接合部Ｙで一体化されている。接合部Ｙは、蓋体側合わせ面１４ｆのうちの蓋体側対向面１４ａの一部と、ケース側合わせ面１３ｆのうちのケース側対向面１３ｅの一部とを接合している。接合部Ｙは、ケース１１の内から外に向かって合わせ部４０が延びる方向において、内側に位置する第１接合部Ｙ１（ドットハッチの密度の大きい方）と、第１接合部Ｙ１よりも外側の第２接合部Ｙ２（ドットハッチの密度の小さい方）の２層構造となっている。ケース１１の外から内に向けた接合部Ｙの深さＦのうち、第１接合部Ｙ１の深さはＦ１となっており、第２接合部Ｙ２の深さはＦ２となっている。

次に、ケース１１の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、ケース本体１３と蓋体１４が分離された状態において、ケース本体１３の開口部Ｓを介して電極組立体１２をケース本体１３に収容する収容工程を行う。次に、図２（ａ）に示すように、蓋体１４を環状リブ１３ｇの内側に嵌合し、周壁１３ｂの支持面１３ｃに、蓋体１４の被支持面１４ｂを支持させるとともに、ケース側合わせ面１３ｆと蓋体側合わせ面１４ｆを対向させ、合わせ部４０を形成する。

次に、図４に示すように、第１接合工程では、蓋体１４の上面（外面）１１ａ側に配置される照射装置５０から、合わせ部４０の繋ぎ目４０ａに向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ溶接を行う。具体的には、ケース１１の上面１１ａ上で、照射装置５０を繋ぎ目４０ａに沿って移動させ、ケース１１の上面１１ａに露出する全ての繋ぎ目４０ａからケース側合わせ面１３ｆと蓋体側合わせ面１４ｆを溶接する。このとき、照射装置５０から照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度を高くしてキーホール型溶接とすることで、深い溶け込み形状となり、合わせ部（突合わせ面）４０の広範（繋ぎ目４０ａから深い部分まで）で溶接される。

次に、図５に示すように、第１接合工程で形成された溶接部（溶接ビード）Ｂ上を摩擦攪拌接合する第２接合工程を行う。具体的には、ケース１１の内から外に向けて延びる合わせ部４０の延長線上から、溶接部Ｂに対し回転する回転ツールＴを押し当てる。そして、回転ツールＴを、溶接部Ｂの所定の深さまでの挿入し、溶接部Ｂの全周に亘って回転ツールＴを移動させる。すると、溶接部Ｂの一部が摩擦熱で軟化し、その軟化した溶接部Ｂの一部を含めケース本体１３及び蓋体１４が攪拌されて固相接合される。その結果、合わせ部４０の内から外に向かう方向において、第１接合工程で形成された第１接合部Ｙ１と、第２接合工程で形成された第１接合部Ｙ１よりも外側の第２接合部Ｙ２の２層構造の接合部Ｙが形成される。そして、接合部Ｙが形成されると、ケース本体１３と蓋体１４が接合され、ケース１１が形成される。

次に、ケース１１の製造方法の作用について説明する。
接合部Ｙは、キーホール型溶接で形成された第１接合部Ｙ１と、その第１接合部Ｙ１より外側で、摩擦攪拌接合によって形成された第２接合部Ｙ２とから形成されている。第１接合部Ｙ１を形成するキーホール型溶接は、レーザ溶接法のうちの熱伝導型溶接に比して照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度が高い。このため、第１接合工程を行うことで、十分な溶け込み深さを確保して、第１接合部Ｙ１の接合強度を高めることができる。

ここで、第１接合部Ｙ１を形成するキーホール型溶接は、深く溶け込むことから、第１接合部Ｙ１にブローホールが形成される虞がある。このため、第１接合工程で形成された溶接部Ｂの表面から摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合は、レーザ溶接のように、その接合箇所を高温にして溶融させないため、第２接合工程で形成される第２接合部Ｙ２に気体が取り込まれず、ブローホールが形成されることがない。したがって、接合部Ｙにおいては、第１接合部Ｙ１で接合強度を高めて耐圧強度を高めつつ、第２接合部Ｙ２で気密性を高めることで、欠陥の無い接合部Ｙを形成することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）接合部Ｙを、レーザ溶接のキーホール型溶接で形成された第１接合部Ｙ１と、第１接合部Ｙ１より外側で摩擦攪拌接合によって形成された第２接合部Ｙ２の２層構造にした。第１接合部Ｙ１では十分な溶け込み深さを確保して、ケース本体１３と蓋体１４の接合強度を高めることができる。第２接合部Ｙ２では、第１接合工程で形成した溶接部Ｂを摩擦熱で軟化させ、その軟化した溶接部Ｂを攪拌して固相接合したため、ブローホールが形成されることが防止される。したがって、第１接合部Ｙ１でケース１１の耐圧強度を高めつつ、第２接合部Ｙ２で気密性を高めた欠陥の無い接合部Ｙを形成することができる。

（２）接合部Ｙにおいて、第１接合部Ｙ１にブローホールが形成されても、その第１接合部Ｙ１よりも外側の第２接合部Ｙ２ではブローホールが形成され難い。このため、接合部Ｙ全体で気密性を確保することができる。

（３）キーホール型溶接を行う第１接合工程において、ケース側合わせ面１３ｆと蓋体側合わせ面１４ｆとの間に隙間が大きく空いていると、各合わせ面１３ｆ，１４ｆが溶けた後、接合されず隙間が形成されてしまう虞がある。しかし、第１接合工程の後に、摩擦攪拌接合を行って第２接合工程を行うことで、第２接合部Ｙ２で第１接合部Ｙ１に形成された隙間を無くすことができる。

（４）二次電池１０を製造する際、電極組立体１２をケース本体１３に収容し、蓋体１４で開口部Ｓを閉塞した後、第１接合工程及び第２接合工程を行って接合部Ｙを形成した。そして、ケース１１内で、電極組立体１２と電解液との反応により気体が発生しても、接合部Ｙによって、気体がケース１１外へ漏れることを防止することができるとともに、内部圧力が上昇しても蓋体１４がケース本体１３から外れることを防止できる。

（５）第１接合工程では、レーザ光Ｌの照射装置５０を繋ぎ目４０ａに沿って移動させ、第２接合工程では回転ツールＴを溶接部Ｂに沿って移動させる。繋ぎ目４０ａが、ケース１１の上面１１ａ内にあるため、照射装置５０及び回転ツールＴを１つの面内で移動させればよく、繋ぎ目４０ａが、ケース１１の複数面に亘っている場合と比べて、第１接合工程及び第２接合工程を簡単に行うことができるとともに、接合部Ｙに接合不良が発生しなくなる。

（６）蓋体１４は、ケース本体１３の支持面１３ｃに支持された状態では、環状リブ１３ｇの内側に嵌合される。このため、環状リブ１３ｇによって、ケース１１の上面１１ａに沿う方向への蓋体１４の移動が規制される。よって、合わせ部４０を形成した状態では、繋ぎ目４０ａが開くことが規制され、第１接合工程が行いやすい。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図６（ａ）に示すように、ケース本体１３の周壁１３ｂは環状リブ１３ｇを備えず、平坦面状の支持面１３ｃだけの構成としてもよい。一方、蓋体１４は、矩形平板状の蓋本体２０と、この蓋本体２０のケース本体１３側の内面から突設され、かつ蓋本体２０の外周面より一回り小さい矩形板状の挿入部２１と、を有する構成としてもよい。蓋本体２０において、その外周部であり、かつ挿入部２１の周囲よりも外方へ延びる部位はフランジ部２２となっている。蓋体１４は、挿入部２１が周壁１３ｂ内に挿入されるとともに、フランジ部２２が周壁１３ｂの支持面１３ｃに支持される。フランジ部２２の外周面２２ｂと、周壁１３ｂの外周面１３ｄは同一平面上に位置している。フランジ部２２において、ケース本体１３の支持面１３ｃに支持される環状面を被支持面２２ａとする。被支持面２２ａは平坦面状である。また、挿入部２１の外周面を、周壁１３ｂの内周面に対向する蓋体側対向面２１ａとするとともに、周壁１３ｂの内周面であって、蓋体側対向面２１ａと対向する面をケース側対向面１３ｈとする。

そして、蓋体１４において、被支持面２２ａ及び蓋体側対向面２１ａは、ケース本体１３に対向する蓋体側合わせ面１４ｆとなっており、ケース本体１３において、支持面１３ｃ及びケース側対向面１３ｈは、蓋体側合わせ面１４ｆと対向するケース側合わせ面１３ｆとなっている。そして、ケース側合わせ面１３ｆと蓋体側合わせ面１４ｆによって合わせ部６０が形成されている。

合わせ部６０は、ケース１１の四つの側面に亘って設けられ、繋ぎ目６０ａも、ケース１１の四つの面に跨ってケース１１の外面に露出している。そして、この合わせ部６０において、図６（ｂ）に示すように、繋ぎ目６０ａから第１接合部Ｙ１と第２接合部Ｙ２を形成して接合部Ｙを形成してもよい。

○ 第１接合部Ｙ１をレーザ溶接法のキーホール型溶接で形成したが、熱伝導型溶接で形成してもよい。
○ ケース本体１３を円筒にしてもよい。つまり、本実施形態の製造方法は、円筒型の二次電池のケース本体と蓋体を溶接する場合にも適用することができる。

○ 積層型の二次電池１０に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型の二次電池に適用してもよい。
○ 二次電池１０は、車両用電源として自動車に搭載してもよいし、産業用車両に搭載してもよい。また、定置用の蓄電装置に適用してもよい。

○ 本実施形態の構成を、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用しても良い。
○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、他の二次電池であっても良い。要は、正極活物質層と負極活物質層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。

○ 本実施形態の構成を二次電池１０の密閉容器としてのケース１１に具体化したが、二次電池１０以外の密閉容器に具体化してもよい。
○ ケース１１の形状は、円柱状や、楕円柱状に形成してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記第１接合工程は、レーザ溶接におけるキーホール型溶接で行われる密閉容器の製造方法。

（ロ）開口部を有する金属製のケース本体と、前記開口部を閉塞する金属製の蓋体との合わせ部が接合部によって接合された密閉容器であって、前記接合部が、レーザ光を照射した溶接により形成された第１接合部と、前記第１接合部より外側で摩擦攪拌接合により形成された第２接合部と、を有することを特徴とする密閉容器。

（ハ）前記密閉容器は蓄電装置のケースであり、前記ケース本体内には蓄電要素である電極組立体が収容されている密閉容器。

Ｂ…溶接部、Ｌ…レーザ光、Ｓ…開口部、Ｔ…回転ツール、１０…蓄電装置としての二次電池、１１…密閉容器としてのケース、１１ａ…密閉容器の１つの面としての上面、１２…電極組立体、１３…ケース本体、１４…蓋体、４０，６０…合わせ部、４０ａ，６０ａ…繋ぎ目。

Claims (3)

1. 開口部を有する金属製のケース本体と、前記開口部を閉塞する金属製の蓋体との合わせ部を接合する密閉容器の製造方法であって、
   前記密閉容器の外面から前記合わせ部の全ての繋ぎ目に向けてレーザ光を照射して溶接する第１接合工程と、
   前記第１接合工程で形成された溶接部の全てに回転する回転ツールを接触させて摩擦攪拌接合により接合する第２接合工程と、を有することを特徴とする密閉容器の製造方法。
2. 前記密閉容器は蓄電装置のケースであり、前記第１接合工程の前に、前記ケース本体内に蓄電要素である電極組立体を収容する収容工程を有する請求項１に記載の密閉容器の製造方法。
3. 前記合わせ部のうち、前記密閉容器の外面に露出する繋ぎ目は、前記密閉容器の１つの面内に位置している請求項１又は請求項２に記載の密閉容器の製造方法。