JP7032587B1 - 蓄電池用端子の製造方法および蓄電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子極柱の溶接不良による溶接強度低下を抑制することができる蓄電池用端子の製造方法の提供。【解決手段】プロジェクション溶接によって端子極柱を形成する蓄電池用端子の製造方法であって、集電部3の上端部31は、並設された少なくとも3つの突起部を有し、突起部のうち、第一突起部41と、第二突起部42(42’)を備え、第一突起部41は、第二突起部42(42’)の間に位置し、第一突起部41の高さH1は、第二突起部42(42’)の高さH2(H2’)よりも低く、第一突起部41の高さ方向(Z軸方向)の中心線CL1から第二突起部42(42’)の高さ方向(Z軸方向)の中心線CL2(CL2’)までの長さL0(L0’)と、第一突起部41の接続部位411から第二突起部42(42’)の接続部位421(421’)までの最小長さL(L’)との比率が、0.25以上0.50以下である。【選択図】図2

Description

本発明は、プロジェクション溶接を利用した蓄電池用端子の製造方法および蓄電池に関するものである。
従来、ニッケル-カドミウム蓄電池やニッケル-水素蓄電池等に代表されるアルカリ蓄電池は、充放電の可逆性に優れ、高出力かつ高容量であり、携帯電話や電動工具のような小型機器の動力源として用いられるだけでなく、電気自動車やハイブリッド自動車の大型動力源としても活用されている。これらのアルカリ蓄電池は、一般に、水酸化ニッケルを主材料として含むニッケル正極、水酸化カドミウム、水素吸蔵合金等を主材料として含む負極、前記正極と負極との間に介在するセパレータからなる極板群を電槽内に配置し、正極及び負極と電気的に接続された極柱端子が電槽内から電槽蓋を貫通して、電槽外に極柱の一部が突出して電流を取り出すという構造を多く採用している。この場合の極柱端子の材質としては、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鋼材等が広く使用されている。
アルカリ蓄電池の極柱端子は、図4に示すように、端子部2と逆U字状の集電部3から構成されており、端子部2の下端部21と集電部3の上端部31を溶接することで接合されている。そして、端子部2の下端部21と集電部3の上端部31とが接合された極柱端子1は、極板群の正極板および負極板から導出した耳(タブ)を集電部3の逆U字内に挿入して互いにスポット溶接等により接合する構成が公知である(特許文献1の図2参照)。
端子部2と集電部3との溶接には、従来からアーク溶接が使用されており、中でも、TIG溶接が一般的である。TIG溶接は、熱に強いタングステン電極もしくはタングステン合金電極を用いて、アークを発生させ、そのアーク熱によって端子部2と集電部3とを溶融して、溶接する。然しながら、溶融金属が大気中の酸素や窒素等により酸化・窒化することを防ぐためにアルゴンやヘリウム等の不活性ガスにより大気から遮断しながら溶接を行うため、溶接速度が遅く、極柱端子の作製に時間が掛かってしまう。さらには、不活性ガスは高価であり、費用も掛かってしまう。
その他の溶接方法として、接合する溶接部材の一方に突起部を形成し、この突起部と他方の溶接部材とを当接させて、一対の電極により加圧し、溶接電流を通電して突起部に抵抗発熱(以降、「ジュール熱」と記すこともある。)を集中させることで、その突起部を溶融させて、溶接部材同士を接合するプロジェクション溶接があり、溶接速度が速く、安価な溶接方法である。
然しながら、溶接電流を通電することで発生するジュール熱は、溶接部の中央付近に位置する突起部に集中し易い。そのため、突起部が溶融して発生する溶融金属が、溶接部の中央に集中して、溶接部にスパッタが発生してしまい、そのスパッタが対極に接触すると蓄電池の短絡を引き起こす恐れがある。また、溶融金属が溶接部の中央に集中すると、爆飛や飛び散りが発生し、溶接部に空洞が生じ、端子極柱の溶接強度の低下や導電抵抗の上昇を引き起こす恐れもある。
特開2008-288217号公報
そこで、本発明者は、種々検討した結果、プロジェクション溶接による蓄電池用端子の製造方法において、突起部の高さおよび突起部の間隔を規定することにより、端子極柱の溶接不良を抑制することが可能であることを見出し、本願発明に至ったものである。
したがって、本発明は、端子極柱の溶接不良を抑制することができる蓄電池用端子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る蓄電池用端子の製造方法は、端子部の下端部と、集電部の上端部とをプロジェクション溶接して端子極柱を形成する蓄電池用端子の製造方法であって、集電部の上端部は、並設された少なくとも3つの突起部を有し、突起部のうち、第一突起部と、第二突起部を備え、第一突起部は、第二突起部の間に位置し、第一突起部の高さは、第二突起部の高さよりも低く、第一突起部の高さ方向の中心線から第二突起部の高さ方向の中心線までの長さに対する、第一突起部の接続部位から2つの第二突起部の接続部位までの最小長さの比率が、0.25以上0.50以下であることを要旨とする。
本発明に係る蓄電池用端子の製造方法によれば、第一突起部の高さが第二突起部の高さよりも低く、第一突起部と第二突起部との間隔が十分に保たれるため、端子部と集電部とに溶接電流を通電した際に発生するジュール熱が、第一突起部に集中することを抑制でき、端子極柱の溶接不良を抑制することができる。
本発明の実施形態に係る蓄電池用端子の製造方法の溶接装置の要部を示した部分右側面図。 本発明の実施形態に係る集電部を示した部分正面図。 本発明の実施形態に係る集電部を示した平面図。 蓄電用端子極柱を示す斜視図。
本発明の実施形態を、図を用いて説明する。尚、以下に説明する実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。また、本実施形態には種々の変更または改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。
以下の図面の記載において、同一符号は同一構成部材を示す。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なり得る。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率等が異なり得る。さらには、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向を用いて、方向を示す場合がある。例えば、X軸方向は、後述する集電部の長さ方向である。Y軸方向は、後述する集電部の幅方向である。Z方向は、後述する集電部の高さ方向である。X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向は、お互いに直交する。XYZ軸は右手系をなす。
図1は、本発明の実施形態に係る蓄電池用端子の製造方法の溶接装置の要部を示した部分右側面図である。図2は、本発明の実施形態に係る集電部を示した部分正面図である。図3は、図2の集電部の平面図である。図4は、蓄電用端子極柱を示す斜視図である。
図1に示すように、本発明の蓄電池用端子の製造方法は、集電部3の上端部31に少なくとも3つの突起部4を並設し、その突起部4と端子部2の下端部21とが当接するように溶接装置5に設置し、端子部2と集電部3とを一対の電極51により加圧しながら、溶接電流を通電して突起部4にジュール熱を集中させることで、その突起部4を溶融させて、端子部2と集電部3とを溶接するものである。
図2に示すように、本発明に係る蓄電池用端子の製造方法における集電部3は、上端部31に並設された突起部4のうち、第一突起部41と、2つの第二突起部42(42’)を備え、第一突起部41は第二突起部42(42’)の間に位置し、第一突起部41の高さHは第二突起部42(42’)の高さH(H’)よりも低く形成されている。さらには、第一突起部41の高さ方向(Z軸方向)の中心線CLから第二突起部42(42’)の高さ方向(Z軸方向)の中心線CL(CL’)までの長さL(L’)と、第一突起部41の接続部位411から第二突起部42(42’)の接続部位421(421’)までの最小長さL(L’)との比率L/L(比率L’/L’)が、0.25以上0.50以下となるように形成する。
集電部3の上端部31に並設する突起部4をこのような構成にすることで、端子部2の下端部21と集電部3の上端部31とのプロジェクション溶接において、端子部2と集電部3とに溶接電流を通電した際、第一突起部41の高さが、第二突起部42の高さより低く、第一突起部41と第二突起部42(42’)との間隔が十分に保たれるため、溶接電流により発生するジュール熱が第一突起部41に集中し難くなり、第二突起部42(42’)へジュール熱を分散することができる。これにより、溶融金属が溶接部の中央に集中することを抑制でき、スパッタや爆飛、飛び散り等の溶接不良の発生を抑制することができる。なお、本明細書における「溶接部」とは、端子部2の下端部21と集電部3の上端部31とのプロジェクション溶接によって接合される、端子部2の下端部21と集電部3の上端部31との接合部分のことである。
一方で、集電部3の上端部31に並設された突起部4のうち、第一突起部41の高さHと第二突起部42(42’)の高さH(H’)とが、H≧H(H’)となるように形成した場合、溶接電流や電気抵抗によるジュール熱が第一突起部41に集中し易くなり、溶接不良であるスパッタが発生する。
また、比率L/L(比率L’/L’)が、0.25未満となるように第一突起部41と第二突起部42(42’)とを形成した場合、第一突起部41と第二突起部42(42’)との間隔が狭くなるため、溶接電流を通電することで発生するジュール熱が第一突起部41に集中して、溶接不良であるスパッタが発生する。さらには、爆飛や飛び散りが発生し易くなり、溶接部に空洞が発生して端子極柱1の溶接強度が低下してしまう。
比率L/L(比率L’/L’)が0.50超過となるように第一突起部41と第二突起部42(42’)とを形成した場合、突起部4の長さが短くなり、端子極柱1の溶接強度が低下する。
なお、本明細書中では、「第一突起部」を集電部3の上端部31に並設された突起部4のうち、最も高さが低い突起部、「第二突起部」を集電部3の上端部31に並設された突起部4のうち、第一突起部41の両隣の突起部と定義する。また、「突起部の高さ」を集電部3の上端部31から突起部4の頂点までの高さと定義する。さらには、「第一突起部の接続部位」を集電部3の上端部31と第一突起部41との接続部分、「第二突起部の接続部位」を集電部3の上端部31と第二突起部42(42’)との接続部分と定義する。また、「CL」は一方の第二突起部42の高さ方向(Z軸方向)の中心線であり、「CL’」は他方の第二突起部42’の高さ方向(Z軸方向)の中心線であり、「H」は、一方の第二突起部42の高さであり、「H’」は、他方の第二突起部42’の高さであり、「L」は、第一突起部41の高さ方向(Z軸方向)の中心線CLから一方の第二突起部42の高さ方向(Z軸方向)の中心線CLまでの長さであり、「L’」は、第一突起部41の高さ方向(Z軸方向)の中心線CLから他方の第二突起部42’の高さ方向(Z軸方向)の中心線CL’までの長さであり、「L」は、第一突起部41の接続部位411から一方の第二突起部42の接続部位421までの最小長さであり、「L’」は第一突起部41の接続部位411から他方の第二突起部42’の接続部位421’までの最小長さである。
また、第二突起部42(42’)の高さH(H’)を、H≠H’となるように形成しても良く、H=H’となるように形成しても良く、第一突起部41の高さHが、一方の第二突起部42の高さHおよび他方の第二突起部42の高さH’よりも低く形成されていれば良い。
さらには、第一突起部41と第二突起部42(42’)とを、L≠L’となるように形成しても良く、L=L’となるように形成しても良い。そして、L≠L’となるように形成しても良く、L=L’となるように形成しても良い。但し、第一突起部41と第二突起部42(42’)は、比率L/Lおよび比率L’/L’の両方が、0.25以上0.50以下となるように形成する。
比率L/Lおよび比率L’/L’は、第一突起部41または第二突起部42(42’)の突起部4の長さを適宜変更することで調整しても良く、第一突起部41または第二突起部42(42’)を並設させる位置を適宜変更することで調整しても良い。なお、本明細書における「突起部の長さ」は、図面中のX軸方向の突起部の長さ寸法と定義する。
また、第一突起部41の高さHが0.2mm以上0.4mm以下であり、第一突起部41の高さHと第二突起部42(42’)の高さH(H’)との差が0.1mm以上0.2mm以下であることが好ましく、より確実な溶接不良発生の抑制効果を得ることができる。なお、一方の第二突起部42の高さHと、他方の第二突起部42’の高さH’とが異なる場合は、H-HおよびH’-Hが、0.1mm以上0.2mm以下となるように、第一突起部41および第二突起部42(42’)を形成するのが好ましい。
また、図3に示すように、第一突起部41は、集電部3の上端部31の中央に形成することが好ましく、集電部3の上端部31に並設された突起部のうち、高さが最も低い第一突起部が溶接部の中央に位置するため、ジュール熱が溶接部の中央に集中することをさらに抑制することができ、スパッタや爆飛、飛び散り等の溶接不良の発生をさらに抑制することができる。
さらには、集電部の上端部に並設された少なくとも3つの突起部のうち、第一突起部41と、2つの第二突起部42(42')を備え、2つの第二突起部42(42')が、第一突起部41を中心に、互いに略対称な位置に設けられていることが好ましく、第一突起部41と2つの第二突起部42(42’)をL=L’かつL=L’の条件を満たすように、設けることが好ましい。
なお、突起部4の形状は特に限定されず、半球状であっても良く、円錐状でも良く、円柱状でも良く、多角錐状でも良く、多角柱状でも良い。また、第一突起部41と第二突起部42(42')とで形状が異なっていても良い。さらには、集電部の上端部に並設させる突起部4のうち、第一突起部41および2つの第二突起部42(42')とは別の突起部を、第二突起部42(42')の外方向(X軸方向)側にさらに設けても良い。
次に、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[端子極柱の作製]
(実施例1、2および比較例2)
先ず、図4の端子部2の形状になるように、円柱状の鋼材を切削加工した。次いで、長さ寸法67.1mm、幅寸法35mm、厚さ寸法3mmの短冊状の鋼材の中央に、高さ寸法0.3mm(H)の第一突起部41と、高さ寸法0.5mm(HおよびH’)の2つの第二突起部42(42’)を、金型プレス加工により形成した。その後、図4の集電部3の形状になるように、短冊状の鋼材を逆U字状に折り曲げた。その際、逆U字状の鋼材の上端部31(4.5mm×35mm)に第一突起部41と第二突起部42(42’)とが、上記上端部31の長手方向に並設されるように折り曲げた。なお、第一突起部41は上記上端部31の中央に、2つの第二突起部42(42’)は第一突起部41を中心に互いに略対称な位置に設けた。
比率L/Lは、金型プレス加工により2つの第二突起部42(42’)を設ける位置を適宜変更して、実施例1で0.25、実施例2で0.44、比較例2で0.10となるように調整した。なお、比率L’/L’は、比率L/Lと同じ値である。また、第一突起部41および第二突起部42(42’)の突起径は、4.5mmである。
その後、得られた端子部2と集電部3とを、図1のように溶接装置5に設置して、端子部2の下端部21と集電部3の突起部4とを当接させて、一対の電極51により加圧し、溶接電流を通電して端子極柱1を作製した。上記の蓄電池用端子の製造方法を実施例1、2および比較例2とした。
(実施例3)
第一突起部41および第二突起部42(42’)の突起径を3.0mmとし、比率L/Lおよび比率L’/L’を0.50としたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を実施例3とした。
(実施例4)
第一突起部41の高さ寸法(H)を0.2mmとし、2つの第二突起部42(42’)を、高さ寸法HおよびH’が0.4mmとしたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を実施例4とした。
(実施例5)
2つの第二突起部42(42’)の高さ寸法HおよびH’を0.4mmとしたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を実施例5とした。
(実施例6)
第一突起部41の高さ寸法Hを0.4mmとし、2つの第二突起部42(42’)の高さ寸法HおよびH’を0.6mmとしたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を実施例6とした。
(比較例2)
第一突起部41および第二突起部42(42’)の突起径を2.5mmとし、比率L/Lおよび比率L’/L’を0.58としたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を比較例2とした。
(比較例1)
第一突起部41の高さ寸法Hおよび2つの第二突起部42(42’)の高さ寸法HおよびH’を0.5mmとしたこと以外は、実施例1と同様に端子極柱1を作製し、この蓄電池用端子の製造方法を比較例1とした。
[溶接性の評価]
(スパッタの発生)
先ず、実施例1~6および比較例1~3の蓄電池用端子の製造方法により得られた端子極柱の溶接部分におけるスパッタ(溶接不良)の発生を目視で観察した。
(引張強度試験)
実施例1~6および比較例1~3の蓄電池用端子の製造方法により得られた端子極柱について、上記スパッタの発生の評価を行った後、引張試験装置(島津製作所AG-100kNX)を用いて、引張速度15MPa/secで、引張強度を測定した。
(導電抵抗試験)
また、実施例1~6および比較例1~3の蓄電池用端子の製造方法で端子極柱をもう1つずつ同様に作製し、上記スパッタの発生および引張強度を評価したものと実質的に同一とみなして、以下の試験により各実施例および各比較例により得られた端子極柱の導電抵抗を測定した。
先ず、端子極柱に40Aの電流を流して、直流電圧計を用いて電圧(V)を測定した。その後、流した電流値と得られた電圧値から、オームの法則により、抵抗値(μΩ)を算出した。
これらの評価結果を表1に示す。
Figure 0007032587000002
表1に示す評価結果から、第一突起部41の高さHが、2つの第二突起部42(42’)の高さH(H’)よりも低く、比率L/Lおよび比率L’/L’が0.25以上0.50以下である実施例1~6の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱は、端子部2と集電部3との溶接部に溶接不良であるスパッタは発生しておらず、引張強度は40.0~40.8kNと高く、導電抵抗は32.3~34.2μΩと低かった。
これに対して、第一突起部41の高さHおよび2つの第二突起部42(42’)の高さH(H’)が0.5mmである比較例1の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱は、端子部2と集電部3との溶接部に溶接不良であるスパッタが発生しており、引張強度は、実施例1~6の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱と比べて29.5kNと低く、導電抵抗は56.2μΩと高かった。これは、第一突起部41の高さHが2つの第二突起部42(42’)の高さH(H’)と同じであるため、溶接電流を通電することで発生するジュール熱が第一突起部41に集中して、溶接部にスパッタが発生したと考えられる。また、第一突起部41へのジュール熱の集中により、爆飛や飛び散りが発生し、溶接部に空洞が生じて、端子極柱の溶接強度が低下し、導電抵抗が上昇したと考えられる。
また、比率L/Lおよび比率L’/L’が0.10である比較例2の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱は、端子部2と集電部3との溶接部に溶接不良であるスパッタが発生しており、引張強度は、実施例1~6の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱と比べて28.8kNと低く、導電抵抗は58.6μΩと高かった。これは、第一突起部41と2つの第二突起部42(42’)との間隔が狭いため、溶接電流を通電することで発生するジュール熱が第一突起部41に集中して、溶接部にスパッタが発生したと考えられる。また、第一突起部41へのジュール熱の集中により、爆飛や飛び散りが発生し易く、溶接部に空洞が生じて、端子極柱の溶接強度が低下し、導電抵抗が上昇したと考えられる。
一方、比率L/Lおよび比率L’/L’が0.58である比較例2の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱の引張強度は、実施例1~6の蓄電池用端子の製造方法により作製した端子極柱と比べて29.2kNと低く、導電抵抗は57.3μΩと高かった。これは、第一突起部41と2つの第二突起部42(42’)との間隔は十分に保たれる反面、突起径が短いため、端子極柱の溶接強度が低下し、導電抵抗が上昇したと考えられる。
したがって、プロジェクション溶接によって端子極柱を形成する蓄電池用端子の製造方法において、集電部の上端部に少なくとも3つの突起部を並設させて、その突起部うち、第一突起部と、2つの第二突起部を設けて、第一突起部を、2つの第二突起部の間に配置し、第一突起部41の高さHが、2つの第二突起部42(42’)の高さH(H’)よりも低くし、比率L/Lおよび比率L’/L’が0.25以上0.50以下となるようにした蓄電池用端子の製造方法では、その方法により得られる端子極柱の端子部と集電部との溶接部における溶接不良を抑制できることを確認できた。
1 端子極柱
2 端子部
21 端子部の下端部
3 集電部
31 集電部の上端部
4 突起部
41 第一突起部
411 第一突起部の接続部位
42(42’) 第二突起部
421(421’) 第二突起部の接続部位
5 溶接装置
51 一対の電極
CL 第一突起部の高さ方向の中心線
CL(CL’) 第二突起部の高さ方向の中心線

Claims (5)

  1. 端子部の下端部と、集電部の上端部とをプロジェクション溶接して端子極柱を形成する蓄電池用端子の製造方法であって、
    前記集電部の上端部は、並設された少なくとも3つの突起部を有し、
    前記突起部のうち、第一突起部と、第二突起部を備え、
    前記第一突起部は、前記第二突起部の間に位置し、
    前記第一突起部の高さは、前記第二突起部の高さよりも低く、
    前記第一突起部の高さ方向の中心線から前記第二突起部の高さ方向の中心線までの長さに対する、前記第一突起部の接続部位から前記第二突起部の接続部位までの最小長さの比率が、0.25以上0.50以下であることを特徴とする蓄電池用端子の製造方法。
  2. 前記第一突起部の高さが0.2mm以上0.4mm以下であり、
    前記第一突起部の高さと前記第二突起部の高さとの差が0.1mm以上0.2mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の蓄電池用端子の製造方法。
  3. 前記第一突起部が、前記集電部の上端部の中央に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電池用端子の製造方法。
  4. 前記突起部のうち、第一突起部と、2つの第二突起部を備え、
    前記2つの第二突起部が、前記第一突起部を中心に、互いに略対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の蓄電池用端子の製造方法。
  5. 請求項1~4のいずれか一項で、得た蓄電池用端子を用いたことを特徴とする蓄電池。
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