JP6044376B2 - 抵抗溶接用電極 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗溶接用電極に係り、詳しくは蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを抵抗溶接するのに適した抵抗溶接用電極に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。蓄電装置は、電極を構成する金属箔が、電極を電極端子と接続する導電部材に対して複数枚積層された状態で抵抗溶接により溶接されている。金属箔及び導電部材は、一般に銅製あるいはアルミニウム製である。

抵抗溶接は、被溶接材（接合対象物）を一対の溶接用電極で挟んで強く加圧しながら溶接用電極と被溶接材を通電させ、その通電によって生じる抵抗熱で被溶接材を溶融して溶接する方法である。抵抗溶接では、溶接部の温度は接触抵抗により発生する熱と熱放散の差によって決定される。発熱量は電流値、電流密度、通電時間、電極を母材に押し付ける力及び材料の電気抵抗率等によって支配され、また、熱放散量は被溶接材の容積、熱伝導率、比重及び比熱や、電極からの放熱等によって支配される。

溶接用電極全体を銅製とした場合、銅は電気抵抗率が低く、発熱に要する電流量を多く必要とする。また、被溶接材が銅の場合は、溶接時に溶接用電極の先端の耐熱性が不十分で耐久性が悪くなる。従来、図７に示すように、銅製の溶接用電極４１の先端、即ち被溶接材と当接する部分に電気抵抗率の高いモリブデン４２をろう付けした溶接用電極が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平４−１７９８２号公報

モリブデンは電気抵抗率（２０℃）が５３．４ｎΩ・ｍと、銅の電気抵抗率（２０℃）１６．８ｎΩ・ｍの３倍以上あるため、抵抗溶接の際に必要な熱量を発生するために要する電流量が銅に比べて少なくて良い。また、モリブデンは融点が２６２３℃と、銅の融点１０８４．６℃に比べて１５００℃以上高いため、耐熱性は良好になる。しかし、モリブデンの熱膨張率（２５℃）は４．８μｍ・ｍ^−１・Ｋ^−１と、銅の熱膨張率（２５℃）１６．５μｍ・ｍ^−１・Ｋ^−１に比べて１／３以下のため、モリブデンと銅の熱膨張率の差に起因して抵抗溶接サイクル毎の熱膨張率の差でろう付け部に亀裂が入り、モリブデンが剥がれてしまい、耐久性が悪い（寿命が短い）という問題がある。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材との抵抗溶接に使用する抵抗溶接用電極において、耐久性を向上させることができる抵抗溶接用電極を提供することにある。

上記課題を解決する抵抗溶接用電極は、蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを抵抗溶接する抵抗溶接用電極であって、前記抵抗溶接用電極は、銅製の本体部と、前記本体部の先端に配置された先端部とを有し、前記先端部は、本体部側の一端側が銅であり、被溶接材と当接する他端側がモリブデンであり、前記一端側の銅と、前記他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部を有し、少なくとも前記含有率変化部が金属基複合材で形成されている。

この構成によれば、抵抗溶接用電極は、一端側の銅と、被溶接材と当接する他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部を有する。そのため、モリブデンが直接銅に接合された従来の抵抗溶接用電極と異なり、被溶接材と当接するモリブデンの熱膨張率と、モリブデンに連続する含有率変化部の熱膨張率との差が、抵抗溶接用電極の他端側（モリブデン側）から一端側（銅側）に向かって次第に変化する状態となる。その結果、熱膨張率の差に起因して抵抗溶接サイクル毎の熱膨張率の差で抵抗溶接用電極に亀裂が入ったり、モリブデンが剥がれたりすることが抑制される。したがって、蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材との抵抗溶接に使用する抵抗溶接用電極において、耐久性を向上させることができる。

前記含有率変化部は、前記含有率が一定に変化することが好ましい。ここで、「一定に変化する」とは、含有率変化部において、含有率が連続的にかつ変化量が一定に変化することだけでなく、含有率が段階的に変化し、かつ段階毎の変化量が一定であることを意味する。例えば、モリブデンと銅との間にモリブデンの含有率がｎ％、２ｎ％、３ｎ％、４ｎ％の領域が隣り合うように存在すれば、隣り合う各領域のモリブデンの含有率の差はｎ％で一定になる。この構成によれば、隣り合う各領域の含有率の差が異なる場合に比べて、耐久性が向上する。

前記金属基複合材は燒結体であることが好ましい。この構成によれば、銅の溶融温度以上に上昇させる必要がないため、モリブデン粉末が銅のマトリックス中に隙間がない状態で存在する構成に比べて製造時のエネルギー消費を抑制することができる。

本発明によれば、蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材との抵抗溶接に使用する抵抗溶接用電極において、耐久性を向上させることができる。

一実施形態の抵抗溶接用電極の斜視図。 （ａ）は抵抗溶接用電極先端部の模式図、（ｂ）はチップの模式断面図。 チップの製造方法を説明する模式断面図。 溶接状態を示す模式図。 別の実施形態のチップの模式断面図。 別の実施形態の抵抗溶接用電極と被溶接材との関係を示す模式図。 従来技術の抵抗溶接用電極の概略図。

以下、一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、抵抗溶接用電極１０は、銅製の本体１１と、その先端に接合されたチップ１２を有する。本体１１は、円柱状に形成され、チップ１２は本体１１の直径より短い四角柱状に形成されている。チップ１２は、本体１１の軸方向と直交する断面形状が、蓄電装置の電極組立体を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを抵抗溶接したときの溶接部の面積と対応する形状に形成されている。電極組立体は積層型の電極組立体であっても巻回型の電極組立体であってもよい。

図２（ａ）に示すように、チップ１２は、一端側が銅で形成され、被溶接材と当接する他端側がモリブデンで形成され、一端側の銅と、他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部１３を有する。この実施形態では、チップ１２は、全体が金属基複合材で形成され、一端側において本体１１の先端にろう付けされている。即ち、抵抗溶接用電極１０は、一端側が銅であり、被溶接材と当接する他端側がモリブデンであり、一端側の銅と、他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部１３を有し、含有率変化部１３が金属基複合材で形成されている。

図２（ｂ）に模式的に示すように、チップ１２は、銅粉末１５及びモリブデン粉末１６で形成された焼結体で構成されている。銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合割合は、チップ１２の一端側（図２（ｂ）の上側）から他端側に向かって銅粉末１５の含有率が減少する一方、モリブデン粉末１６の含有率が増加するように設定されている。この実施形態では銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合割合、即ち含有率が一定に変化するように形成されている。なお、図２（ｂ）では含有率変化部１３において、銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を構成する粒子の層が一層毎に銅及びモリブデンの含有率が変化する状態で模式的に示しているが、実際は同じ含有率の層が複数層となる。

次に前記のように構成された抵抗溶接用電極１０の製造方法を説明する。
抵抗溶接用電極１０を製造する場合、本体１１及びチップ１２を別工程で製造した後、本体１１の先端にチップ１２をろう付けする。

チップ１２は１個ずつ製造されるのではなく、複数個のチップ１２の大きさの板状の燒結体を製造した後、その燒結体を切断してチップ１２を製造する。詳述すると、図３に示すように、１個分のチップ１２に対応する大きさではなく、複数個分のチップ１２の大きさ以上の大きさの型２０内に、銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を、両者の混合割合が型の底面側から開口側に向かって次第に変化するように充填する。チップ１２の一端側から他端側に向かって変化する各部における銅及びモリブデンの含有率にそれぞれ対応した混合割合の銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合物をそれぞれ準備し、混合割合が異なる銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合物を順に型２０に充填する。次に型２０に充填された混合物をプレスしてプレ成形する。次に静水圧プレスでさらに押し固めた後、炉に入れて焼結する。したがって、炉で焼結されて形成された焼結体は複数個分のチップ１２の大きさ以上の大きさを有する。次に切断工程で焼結体をチップ１２の大きさに切断してチップ１２が完成する。

そして、チップ１２は、その銅側が銅製の本体１１と対向する状態で本体１１にろう付けされて抵抗溶接用電極１０が完成する。
次に前記のように構成された抵抗溶接用電極１０の作用を説明する。

蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを抵抗溶接（スポット溶接）する場合、図４に示すように、金属箔３１の積層方向の一端側に導電部材３２を配置し、金属箔３１と導電部材３２とを積層する。図４では、導電部材３２の上に複数枚の金属箔３１が積層されている。

次に、一対の抵抗溶接用電極１０により、被溶接材としての金属箔３１及び導電部材３２を挟持した状態で両抵抗溶接用電極１０間に電圧が印加され、溶接箇所に電流が流れて金属箔３１と導電部材３２とが溶接される。抵抗溶接用電極１０は、チップ１２が被溶接材としての金属箔３１及び導電部材３２に当接した状態で金属箔３１及び導電部材３２を抵抗溶接する。

溶接工程においては、抵抗溶接機は短時間で抵抗溶接を繰り返し、抵抗溶接用電極１０は、抵抗溶接サイクル毎に膨張収縮を繰り返す。抵抗溶接用電極１０は、被溶接材と当接するモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側（本体１１側）から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部１３を有する。そのため、モリブデンが直接銅に接合された従来の抵抗溶接用電極と異なり、被溶接材と当接するモリブデンの熱膨張率と、モリブデンに連続する含有率変化部１３の熱膨張率との差が、抵抗溶接用電極１０の他端側（モリブデン側）から一端側（銅側）に向かって次第に変化する状態となる。その結果、熱膨張率の差に起因して抵抗溶接サイクル毎の熱膨張率の差で抵抗溶接用電極に亀裂が入ったり、モリブデンが剥がれたりすることが抑制される。

また、含有率変化部１３は、モリブデンと合金化して金属間化合物や固溶体を生成しない金属基複合材で構成されているため、抵抗溶接時（スポット溶接時）の溶接電流を低減せず、溶接が良好に行われる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）抵抗溶接用電極１０は、一端側が銅であり、被溶接材と当接する他端側がモリブデンであり、一端側の銅と、他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部１３を有し、少なくとも含有率変化部１３が金属基複合材で形成されている。したがって、蓄電装置を構成する複数枚の金属箔３１と導電部材３２との抵抗溶接に使用する抵抗溶接用電極１０において、耐久性を向上させることができる。

（２）含有率変化部１３は、含有率が一定に変化する。即ち、含有率変化部１３を構成し、含有率が異なる隣り合う各領域の含有率の差が一定であるため、隣り合う各領域の含有率の差が異なる場合に比べて、耐久性が向上する。

（３）金属基複合材は焼結体であるため、モリブデン粉末が銅のマトリックス中に隙間がない状態で存在する構成に比べて製造時のエネルギー消費を抑制することができる。
（４）抵抗溶接用電極１０は、本体１１の先端にチップ１２が接合されて形成されており、チップ１２が金属基複合材で形成されている。したがって、抵抗溶接用電極１０全体を金属基複合材で形成する場合に比べて、製造コストを低減することができる。

（５）チップ１２は、複数個分のチップ１２の大きさ以上の大きさを有する焼結体を形成した後、その焼結体を切断して製造される。したがって、チップ１２の大きさに対応した型で銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合物をプレ成形した後、焼結して製造する場合に比べて効率良く製造することができる。

（６）チップ１２は４角柱状に形成されている。したがって、複数個分のチップ１２の大きさ以上の大きさを有する焼結体を形成した後、その焼結体を切断して製造する際、円柱状や楕円柱状のチップに比べて材料となる銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の無駄が少なくなる。また、四角柱状の場合、円柱の先端を球面状に形成した抵抗溶接溶電極と異なり、一定の面積を確実に溶接することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 抵抗溶接用電極１０の含有率変化部１３を構成する金属基複合材は、モリブデン粉末１６と銅粉末１５との燒結体に限らない。例えば、図５に示すように、モリブデン粉末１６が銅のマトリックス１７中に存在する構成であってもよい。この構成の金属基複合材は、例えば、モリブデン粉末１６と銅粉末１５との燒結体を製造した後、その燒結体を金型のキャビティ内に収容して溶融状態の銅をキャビティ内に加圧状態で注入、充填して製造する。溶融状態の銅が燒結体の多孔部分に侵入することにより、銅粉末１５の少なくとも表面が溶融され、モリブデン粉末１６が銅のマトリックス１７中に存在する金属基複合材が製造される。なお、モリブデン粉末１６と銅粉末１５とを焼結せずに、両粉末を加圧して所定の形状にした状態で金型のキャビティ内に収容して、溶融状態の銅をキャビティ内に加圧状態で注入、充填して金属基複合材を製造してもよい。

○ 銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を型２０内に、型２０の底部から上部に向かって銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の含有率が次第に変化するように充填する方法として、モリブデン粉末１６が上側となる状態で、銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を２層に型２０内に収容し、型２０に振動を加えてもよい。室温付近におけるモリブデンの密度は、銅の密度に比べて１０％程度大きい。そのため、モリブデン粉末１６が上側に存在する状態で型に振動を加えることにより、上側のモリブデン粉末１６層と下側の銅粉末１５層との間に、モリブデンの含有率が型２０の上側から減少する一方、銅の含有率が増加する領域を有する銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の混合層が生じる。

○ 金属基複合材の製造は、モリブデン粉末１６をその充填率（体積率）が変化する状態で型２０に充填し、プレスしてプレ成形を行った後、銅の溶湯を高圧鋳造して製造してもよい。しかし、銅粉末１５及びモリブデン粉末１６の両者を使用してプレ成形を行った後、銅の溶湯を高圧鋳造して製造する方が、モリブデンの含有率の設定が自由になる。なお、銅を高圧鋳造した際に、モリブデン粉末１６の表面を銅が被覆した場合は、後加工でその部分の銅を除去する。

○ 銅粉末１５及びモリブデン粉末１６は、粒度（粒度分布）が同じものを使用する必要はなく、異なる粒度（粒度分布）のものを使用してもよい。
○ 粒度の異なる銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を使用して、モリブデンの含有率及び銅の含有率を調整するようにしてもよい。

○ 粒度の異なるモリブデン粉末１６を使用して体積率が異なるモリブデン層が積層された構成の燒結体に銅の溶湯を高圧鋳造して金属基複合材を製造してもよい。
○ チップ１２の形状は四角柱状に限らず、例えば、四角柱以外の角柱状、円柱状あるいは半円球状、円柱部の先端に球面部を有する形状等であってもよい。

○ 本体１１は円柱状に限らず、例えば、角柱状や楕円柱状の棒状としてもよい。また、柱状（棒状）に限らず、抵抗溶接用電極１０を取り付ける溶接機の支持部の構成によっては、本体１１の基端側が筒状であったり、取付け部が突設されて本体１１が全体として板状に形成されたりしてもよい。

○ チップ１２は、本体１１との接合部の面積が本体１１の先端の面積と同じであってもよい。例えば、図６に示すように、円柱部１２ａの先端に半球部１２ｂが連続する形状のチップ１２が円柱状の本体１１の先端に接合された抵抗溶接用電極１０としてもよい。チップ１２は円柱部１２ａに含有率変化部１３を有し、半球部１２ｂがモリブデンで構成されている。溶接部の大きさや抵抗溶接の際に必要な加圧力、供給電流量によっては本体１１が細くても支障がない場合には、このような構造であってもよい。

○ 被溶接材は金属箔と導電部材であるが、金属箔側に、金属箔を保護する為の金属板を配置してもよい。この場合、抵抗溶接用電極と当接するのは、金属板と導電部材であり、金属板、金属箔、及び導電部材が溶接される。金属板は、金属箔、及び導電部材と同じ材質、もしくは同じ材質を含有する合金であることが望ましい。また、同様に金属板を導電部材側にも配置してもよい。

○ 含有率変化部１３は、銅の含有率及びモリブデンの含有率がリニアに変化する構成に限らない。例えば、含有率が異なる、隣り合う各領域における銅の含有率及びモリブデンの含有率の差が次第に大きくなったり、反対に次第に小さくなったり、あるいは含有率の差が一定の領域と異なる領域とが存在したりしてもよい。

○ また、含有率変化部１３は、含有率が異なる、隣り合う各領域における銅の含有率及びモリブデンの含有率の比が一定となるように変化してもよい。
○ 抵抗溶接用電極１０は、本体１１の先端にチップ１２が接合された構成に限らず、全体が金属基複合材で一体形成された構成であってもよい。

○ 抵抗溶接用電極１０全体を金属基複合材で構成する場合、含有率変化部１３は抵抗溶接用電極１０の全体にわたって設けられてもよい。
○ チップ１２を構成する焼結体あるいは抵抗溶接用電極１０全体を焼結体で構成する場合、焼結体の製造方法において、型に銅粉末１５及びモリブデン粉末１６を充填し、プレスしてプレ成形を行った後、静水圧プレスでさらに押し固めることなく、焼結を行ってもよい。

○ 焼結は炉で焼結する代わりに、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）により焼結してもよい。
○ 本体１１にチップ１２をろう付けで接合する代わりに、摩擦圧接（摩擦溶接）で接合してもよい。

○ 含有率変化部１３にカーボンナノファイバー、炭化ケイ素、サイアロン等を複合化して熱膨張率を抑制してもよい。
○ 抵抗溶接用電極ではなく、超音波溶接機において被溶接材に当接して加圧状態で振動を加える超音波溶接ホーンに適用してもよい。

○ 蓄電装置は、二次電池に限らず、例えば、リチウムイオンキャパシタのようなキャパシタであってもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記抵抗溶接用電極は、銅製の本体の先端にチップが接合されており、前記チップ全体が金属基複合材で形成されている。

（２）前記技術的思想（１）に記載のチップは、板状の金属基複合材を切断して形成されたものである。
（３）蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを超音波溶接する超音波溶接ホーンであって、前記超音波溶接ホーンは、一端側が銅であり、被溶接材と当接する他端側がモリブデンであり、前記一端側の銅と、前記他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部を有し、少なくとも前記含有率変化部が金属基複合材で形成されている。

１０…抵抗溶接用電極、１３…含有率変化部、３１…金属箔、３２…導電部材。

Claims (3)

1. 蓄電装置を構成する複数枚の金属箔と導電部材とを抵抗溶接する抵抗溶接用電極であって、
   前記抵抗溶接用電極は、銅製の本体部と、前記本体部の先端に配置された先端部とを有し、
   前記先端部は、本体部側の一端側が銅であり、被溶接材と当接する他端側がモリブデンであり、
   前記一端側の銅と、前記他端側のモリブデンとの間に、銅の含有率が一端側から減少する一方、モリブデンの含有率が増加する含有率変化部を有し、
   少なくとも前記含有率変化部が金属基複合材で形成されていることを特徴とする抵抗溶接用電極。
2. 前記含有率変化部は、前記含有率が一定に変化する請求項１に記載の抵抗溶接用電極。
3. 前記金属基複合材は燒結体である請求項１又は請求項２に記載の抵抗溶接用電極。