JPS6053424B2 - 鉛蓄電池極板格子用の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鉛蓄電池の極板の群溶接に係り、耐食性に
優れ十分な機械的強度を有してかつ金属学的性質も良好
な溶接部を得ることが出来るエキスパンド格子の製造法
に関するものである。

衆知の通り、鉛蓄電池（特に自動車用電池）の極板に
は従来より鉛−アンチモン系合金から成る鋳造格子が用
いられてきたが、電池のメンテナンスフリー化に対応し
ての鉛一カルシウム系合金の使用、電池製造ラインの一
貫オートメーション化による生産性向上、省人化さらに
は悪条件下に於ける鋳造作業撤廃等の要求に応えるため
鉛−カルシウム系合金シートをエキスパンド加工するこ
とにより格子体としたいわゆるエキスパンド格子が使用
されつつあり、既に米国に於ては数年前よりエキスパン
ド格子を用いた自動車用電池が市販されている。

エキスパンド格子は、従来の鋳造格子が一枚づつ鋳造し
て作られていたのに対して、例えばコイル状に巻かれた
長尺の鉛合金シートを連続的にエキスパンド加工して作
られた網状体を切断することにより得られるため極めて
生産性が高い。 そして、シートの供給からエキスパン
ド加工、活物質のペーステイング、乾燥、そして切断と
それぞれの工程を一貫流れ作業で連結することも可能で
あり、これにより極板製造工程を完全自動化することが
出来るわけである。

この点がエキスパンド格子を採用する場合の大きな利点
の１つである。 さて、上述した利点のために格子の製
造方法を鋳造からエキスパンド加エヘ切換える動きが顕
著であり、同時に格子材料の鉛−カルシウム系合金化が
進みつつあるが、この場合極板製造工程に於て問題とさ
れているのが群溶接である。

衆知の通り、蓄電池、例えば一般的な自動車用鉛蓄電
池の場合には端子電圧が約１２Ｖのものが使用されるが
、この電池は約２Ｖの起電力を有する電池（セル）を６
個直列につないだ形で構成されている。

第１図は自動車用電池の断面の一部を示したものである
。隔壁１では仕切られたセル２、２’の中には陽極板３
、３’、陰極板４、４’が交互に重ねられた形で納めら
れている。そして、陰極板は、陽極板と接触することが
なによりに袋状のセパレータ５の中に収納されている。
また、セル２内の陽極板３とセル２’内の陰極板４’は
極性６，６″を介して電気的に接続された形となつてい
る。ここで極柱６および６″の接続は、例えば次のよう
な方法で行なわれる。すなわち、あらかじめ陽極板３が
溶接された極柱６と同じく陰極板４″が溶接された極柱
６″を隔壁に設けられた穴７において接触させておき、
次に両者間に加圧した状態で大電流を通じる。これによ
り両極柱６，６″の接触部、すなわち前述した穴７の部
分では抵抗発熱のために極柱６，６″の一部が溶融し両
者は一体化される。なお、図には示していないが、セル
２内の陰極板４あるいはセル２″内の陽極板３″も同様
な方法でそれぞれ隣のセルの陽極板、陰極板と接続され
ている。さて、ここに於て各極板と極柱との溶接、すな
わち第１図に於ける陽極板３と極柱６および陰極板４″
と極柱６″との溶接を群溶接と呼んでいるが、本発明の
対象としているのがこの溶接性の向上である。

第２図〜第４図はこの群溶接についてより詳細に説明す
るための図である。

極柱６と群を構成している多数（この図では４枚）の陽
極板３の耳８とがスラツプ９を介して一体化されている
。ここでスラツプ９は足し鉛と称して溶融した鉛合金を
この部分に注ぎ込んで形成することが多いが、時にはあ
らかじめ極板の耳８を十分長くしておき、−これを溶融
させることにより外部から溶融金属を加えることなしに
形成することもある。またさらに、キャストオン方式と
称して極板の耳８の上部に溶融した鉛合金を流し込み極
柱６とストラップ９を同時に形成するとともに極板との
溶接を行な．うものもある。いずれにしても最終的には
ストラップ９を介して極柱と極板とが溶接されて一体化
されるるわけであるが、この溶接は欠陥のない信頼性に
優れた接続部を得ようとすることがかなり難しい。特に
極板に使用している格子が鉛−カル；シウム系合金の場
合にはその傾向は極めて顕著である。以下にその理由に
ついて述べる。衆知の通り、鉛−カルシウム系合金は鉛
−アンチモン系合金に比べ粘性が高くかつ活性なりルシ
ウムを含有するために、溶融状態に於ては溶湯表ク面に
容易に酸化被膜が形成される。

鉛−カルシウム系合金の格子を有する極板の群溶接を難
しいものにしているのがまさしくこの酸化膜の存在なの
である。例えばキャストオン方式で鉛−カルシウム系合
金格子の極板を群溶接する場合について述べよう。この
場合には極板の耳の上部がその中に含まれる様な鋳型の
中に、例えば約５００℃程度の鉛一アンチモン系合金を
鋳込むことにより極柱とストラップを形成するとともに
、ストラップ内部に極板の耳をかかえ込むような形で溶
接するわけである。この場合鋳込まれた鉛−アンチモン
系合金が凝固するのに要する時間は３〜５秒程度である
。この間に極板の耳は周囲に注ぎ込まれた鉛一ノアンチ
モン系合金溶湯からの熱を受取り表面が溶融して形成さ
れたストラップと一体化されるわけである。さてここで
問題となるのが酸化膜である。

前述した通り鉛−カルシウム系合金は極めて酸化され一
やすく、特に溶融状態での酸化膜の生成は容易である。
それ故上述した様に溶融した金属が周辺に注ぎ込まれ耳
の表面が溶融する際にも巻込まれた空気中の酸素と反応
し、ただちに酸化膜が形成される。また、耳の表面の酸
化膜はキャストオン時以前から存在していたものもある
。すなわち、エキスパンド格子の素材である鉛一カルシ
ウム系合金のシートのためのインゴットの段階で生じた
もの、あるいはインゴットをシートに圧延する段階で生
じたもの、さらには極板製造工程に於て、例えば活物質
のペーステイングの後の乾燥の際に生じたものなどであ
る。次に、この様な酸化膜が存在すると溶接上なぜ問題
なのかもう少し詳しく説明しよう。

言うまでもなく酸化物は一般に融点が高く簡単には溶融
しない。しかしながらそれ自体の比重は鉛合金のそれよ
り小さいため酸化膜が溶融しなくてもその周囲の金属が
溶融すれば、比重の小さい酸化膜は溶融した金属の表面
へ浮上るはずである。この事は、ここで問題としている
群溶接の場合に於ても当然あてはまるわけで、キャスト
オン時に周囲に注ぎ込まれた鉛合金の溶湯からの熱を受
け耳の表面が溶融すれば酸化膜は前記溶湯の中を移動し
表面に浮上できるはずである。ところが、ここで問題な
のが鉛−カルシウム系合金の粘性あるいは流動性である
。前述した如く鉛−カルシウム系合金は鉛一アンチモン
系合金に比べて非常に粘性が高く（流動性がよくない）
溶融してもキャストオン時に周囲に注入された鉛−アン
チモン系合金と融合しにくい。このことは、耳の表面に
存在する酸化膜力凋囲の溶融金属の中を移動しストラッ
プ表面まで浮上しにくいことを意味している。また、キ
ャストオン時に注入された鉛合金が凝固する時間が３〜
５秒程度てあることも酸化膜の浮上を困難にしている原
因の１つである。もつと長い時間一をかけて凝固させて
やれば相当量浮上できるはずであるが、その様に長い時
間をかけるとその間に耳の温度が上昇しすぎて耳全体が
溶融し、ストラップ下部に於て耳が溶断してしまう現象
を生じる。この様な理由から酸化膜が浮上できず、スト
ラップ内部に残留した形になる。

第５図はこの状況を示したものである。第５図ａは極め
て良好な溶接がなされた場合の断面の状況を示したもの
で、ストラップ９と耳８の間にはきれいなフィレット（
０印部分）が形成され、ストラップ９内部の耳８の表面
は適度に溶融しストラップ９と耳８との境界（図中の点
線）は見分けがつかない状態となつている。同図ｂは通
常の工程に於て作られたもので、欠陥の発生状況を示す
典型的な一例であ５る。まず、第１にａで見られたフィ
レットの形成が見られない。これは耳８の表面に存在す
る酸化膜のためにストラップ９を形成する溶融金属が耳
８の表面に濡れにくいからである。そして、単にフィレ
ットが形成されにくいばかりでなく、符号−Ａで示した
ように大きなりレパス状の欠陥となって現れてくる。ま
た、耳８の表面に存在していた酸化膜がストラップ表面
まで浮上できず、ストラップ９内にとじこめられた形と
なるため、この部分ては酸化膜によつて上下左右の金属
が分断され、いわゆる介在物の巻込、あるいは融合不良
といつた欠陥の発生をみることになる。図中の符号Ｂは
この種の欠陥の発生を示したものであり、丁度溶融が起
る前の耳８の表面に相当する位置に存在している。この
様な欠陥が発生すれば耳８がストラップ９から抜け落ち
易くなることは明らかである。特に、符号Ａで示した様
にフィレットが出来ないことから進展した大きなりレパ
スはノッチの役目を果し、極板が左右に多少曲げられる
とクレパスの先端で亀裂が発生しこのために極板がスト
ラップより脱落する。さらに、この様な欠陥の発生は電
流が流れるための有効断面積を減少させるため、特に大
電流放電の場合にはこの部分での電圧降下を大ならしめ
自動車のエンジンの起動性能を低下させる原因となる。

以上鉛−カルシウム系合金の格子を用いた極板に対して
鉛−アンチモン系合金によるキャストオン方式での群溶
接を例にあげて説明してきたが、この種の現象は多用さ
れているがガスバーナによる足し鉛方式をとつた場合も
同じであり、特にストラップを形成する金属に鉛−カル
シウム系合金を用いた場合は極めて顕著である。

本発明は、鉛−カルシウム系合金より成るエキスパンド
格子を用いた極板を群溶接する際に生じる上述した様な
問題を解決し、金属学的にも機械的にも優れかつ耐食性
にも優れた溶接部を得ることを可能ならしめるエキスパ
ンド格子の製造法を提供することを目的としている。

次に本発明の詳細な説明て述べる。

本発明の要点は、鉛−カルシウム系合金から成る格子を
用いた極板を群溶接する際に生じる前述した如き不都合
を排除するために、鉛−アンチモン系合金の如く鉛−カ
ルシユウム系合金より溶接性良好な純金属または合金に
より耳の部分だけを構成し、その他の部分は鉛−カルシ
ウム系合金より成るエキスパンド格子を用いることにあ
る。

第６図は本発明による耳の部分だけが鉛−アンチモン系
合金より成り、他の部分は鉛−カルシユウム系合金から
成るエキスパンド格子の製作に用いられるシートの素材
（以下シート素材という）を示したものである。このシ
ート素材１０は、中央の鉛−アンチモン系合金帯１１、
一方の側部もしくは両側の鉛−カルシユウム系合金帯１
２で構成されている。鉛−アンチモン系合金帯１１の幅
Ｗ，は、最終的に形成されるエキスパンド格子の耳の高
さと同等かそれ以下の寸法である。また、鉛−カルシユ
ウム系合金帯１２の幅Ｗ２は、最終・的に形成されるエ
キスパンド格子の耳の高さをのぞいた高さ等を考慮して
決定される。また、シート素材１０の高さｈは、例えば
エキスパンド加工時に要求されるシートの機械的性質や
エキスパンド格子の厚さ、強度等を考慮して決定される
。ノ この様なシート素材１０は、例えば第７図、第８
図に示した様な方法で作られる。第７図は、溶接による
方法である。

すなわち、鉛−アンチモン系合金帯１１、鉛一カルシウ
ム系合金帯１２を互いに緊密に接触させ、この接触面に
例えばａの如くレーザービーム１３を照射する。レーザ
ービームが当ると接触面に於て両合金帯の溶融が起こり
、融合部１４が得られる。ここで得られる融合部１４は
、高エネルギー密度を有する熱源であるレーザービーム
を用いているため、図に示した如くその幅ｘに比べて深
さが大きなものとなり、シート素材１『の高さｈ″が例
えば２５ｗｎ程度である場合、シート素材１『の上面１
５から下面１６まで幅ｘを１〜７ｍ程度に抑えて溶接す
ることができる。従つて、Ｗ１、２０ｆＩｒ１！Ｌ程度
であつても、溶接することによつて鉛−アンチモン系合
金帯１１の中に鉛−カルシユウム系合金が溶け込んでく
ることは無視してよい。そして、溶接を終えたものは、
上面１５および下面１６を研削し溶接の際に生じた表面
の凹凸を取り除きｂに示した如く表面が平滑なシート素
材１０とする。（ｈ″〉ｈ）。第８図は、同じくシート
素材を作るもうう１つの手法を示したものである。

この場合は、鉛−アンチモン系合金帯と鉛−カルシウム
系合金帯を一体化する手法として圧接を用いたものであ
り、圧接後の各々の幅がＷ１、Ｗ２になるようにあらか
じめ定められた鉛−アンチモン系合金帯１１および鉛−
カルシウム系合金帯１２を第８図に示したように重ねて
ロール１７および１７゛の間を通すことによつてお互を
圧接する。この場合、圧接される面は清浄なことが必要
であり、圧接に先立つて酸化膜の除去等の前処理が必要
である。なお、接合面に於ける原子の拡散を促進し接合
をより完全なものとするために、必要に応じて圧接され
たシーート素材を適当な温度で熱処理するとよい。次に
、前述のようにして製作したシート素材１０を２本のロ
ール１８，１『の間に第９図に示した様な状態で供給し
、圧延を行なう。衆知の通り圧延に於ては被加工物の幅
はほとんど変化せ．ず、厚さのみ減少するため、この際
の加工によつて鉛−アンチモン系合金帯１１および鉛−
カルシウム系合金帯１２の幅Ｗｌ，Ｗ２はほとんど変ら
ない。この様な圧延を何段かの圧延ロールを通して行な
うことにより、中央が鉛一アンチモン系合一金、その一
方の側部もしくは両側が鉛−カルシユウム系合金からな
るエキスパンド格子用シートメタルを作ることが出来る
わけである。なお、通常は目的とする厚さまで圧延され
た段階で次のエキスパンド加工に備えシートメタルの両
側端をスリツタで切断し正確な寸法に成形する。このた
め、この段階で鉛−カルシウム系合金帯の幅Ｗ１はＷ２
″となる。（Ｗ２″くＷ２）。この様にして作られたエ
キスパンド格子用シートメタルを第１０図に示した如く
エキスパンド加工する。

この際、エキスパンド加工は、網目がシートメタル１９
の長手方向に対して直角な方向に形成されてゆく方式を
とる。すなわち、矢印の方Ｌ向にシートメタル１９を進
行させ、エキスパンダ２０を通過させるとシートメタル
１９は中央の部分に幅Ｗ３（ただしＷ３〉Ｗ１）の未加
工部２１を残し、その両側に網目部２２が形成されるよ
うにエキスパンドされる。なお、鉛−アンチモン系合金
帯の一方の側部に鉛−カルシユウム系合金帯を一体化し
たシートメタルを用いるときは、一方の側に網目部が形
成される。第１１図は、第１０図に示した如くエキスパ
ンド加工されたもの（以下エキスパンドメタルという）
から実際にエキスパンド格子を切出す時の状況を示した
ものである。

エキスパンドメタル２３の中に一点鎖線で示したものが
、最終的に得られるエキスパンド格子である。図から明
らかな様に、前述した中央の未加工部２１が耳８の形成
に供せられる。そして、この未加工部２１には図中に点
線で示した様に幅Ｗ１の鉛−アンチモン系合金より成る
部分が存在しているので、この図の様な状態で耳を形成
すれば、鉛−アンチモン系合金より成る耳８をもち、網
目部２２は鉛一カルシウム系合金より成る格子体が得ら
れるわけである。なお、耳８の長さＨのうち鉛−アンチ
モン系合金より成る部分の長さＨ″をいくらにするかと
いう問題については、群溶接にどの様な溶接方法を適用
するか、あるいは電池に要求されるメンテナンスフリー
特性（例えば、減液量）等との関連に於て決定される。
また、以上の説明に於ては耳部の金属を鉛−アンチモン
系合金とする場合を対象に述べてきたが、これに限定す
る必要はなく、電池として要求される諸条件を満足し群
溶接性を向上させ得る金属であれば問題はない。次に本
発明の実施例について記す。

耳の部分が鉛−アンチモン系合金、網目部が鉛−カルシ
ウム系合金より成るエキスパンド格子を製作するために
、まず第６図に示した如きシート素材を製作した。

製作したシート素材の中央の鉛−アンチモン系合金帯は
Ｐｂ−３．５Ｓｂ−０．３ＡＳ−０．０２Ｓｎ合金であ
り、その幅Ｗ１は２０ｍである。また、その両側の鉛−
カルシウム系合金帯はＰｂ一０．０７Ｃａ−０．５Ｓｎ
合金でその幅Ｗ２は４０ｍである。またシート素材の高
さｈは２２Ｔ１ｒＩＬである。なお、このシート素材の
製作に於て鉛−アンチモン系合金帯と鉛−カルシウム系
合金帯との接合は第８図に示し圧接によつた。このよう
にして製作したシート素材のＷｌ，Ｗ２が上述した値（
すなわち幅が２０＋−４０×２＝１００ｍ）で長さが加
のシート素材を、次に第９図に示した如く圧延してシー
トメタルとした。この際の圧延は１０〜１鍛のステップ
を踏んで行ない最終的に厚さ１薦とし、この段階でスリ
ツタを通して両端を切断して全幅を７２顛とした（すな
わち、鉛−カルシウム系合金帯の幅Ｗ２″を２６７Ｗ１
とした）。この様にして形成された厚さ１ｗ！ｔ１幅７
２ｗｎのシートメタルを次にエキスパンド加工した。エ
キスパンド加工に際しては第１１図における未加工部分
の幅Ｗ３を３０ＴＷＬとしその両側に切れ−目幅０．７
Ｔｒ０ｎ、切れ目段数２８段、網目の長径１２？、短径
８．２ＴＷＬになる加工を行なつて幅ｅが１１７７ｍの
網目部を形成した。なお、ここで使用したエキスパンド
加工機はレシプロタイプのもので加工速度は１４ｍ／Ｍ
ｍであり、加工時のカッタの潤滑剤には水を用いた。さ
て、得られたエキスパンドメタルから第１１図に一点鎖
線で示した如く格子を切出した。

切出した格子の寸法は次の如きものである。すなわち格
子の幅Ｗ＝１４４７ｍ１高さＬ＝１２−、耳の高さＨ＝
２０ｗｎ１耳の幅Ｐ＝１５？、そして耳のうち鉛−アン
チモン系合金によつて構成される部分の高さＨ″は１８
朗である。本発明によるエキスパンド格子が群溶接時に
良好な溶接性を示すということの確認は、上述した格子
と、従来の耳部および網目部ともに鉛−カルシウム系合
金から成るエキスパンド格子各々を用いた極板で実際に
群溶接を行なつて比較する方法をとつた。

それぞれの格子を用いた極板５枚からなる群を構成し、
群溶接はキャストオン方式を採用して所定の鋳型に約４
８（代）のＰｂ−３．５Ｓｂ−０．３Ａｓ合金を鋳込ん
だ。こうして得られた溶接部について外観、特にフィレ
ットの形成状況、および内部欠陥の発生状況さらにスト
ラップと耳との引張強度を調べた。結果を第１表に示す
。表から明かな如く本発明によるエキスパンド格子は極
めて良好な溶接結果を示している。

【図面の簡単な説明】

第１図は鉛蓄電池のセル間接続の状況を示した縦断面図
、第２図は群溶接部の状態を示した平面図、第３図は同
正面図、第４図は同側面図、第５図は群溶接部の状況を
示した断面図、第６図は本発明エキスパンド格子を作る
ためのシート素材を示した斜視図、第７図は前記シート
素材を製作する時の手法の一例を示した断面図、第８図
は同他の手法を示す側面図、第９図は本発明エキスパン
ｌド格子のためのシートメタルを得る際のシート素材の
圧延状況を示す斜視図、第１０図は本発明エキスパンド
格子を得る際のエキスパンド加工の状況を示した平面図
、第１１図はエキスパンドシートより本発明エキスパン
ド格子を切出す時の状況ｊを示した平面図である。 ８は耳、１１は鉛−アンチモン系合系合金帯、１２は鉛
−カルシユウム系合金帯、１９はシートメタル、２０は
エキスパンダ、２１は未加工部、２２は網目部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶接性良好な帯状の金属の一方の側部もしくは両側
   に帯状の鉛−カルシウム系合金を前記両者の接合部内に
   カルシウムの酸化物が存在しないように一体化してなる
   シートメタルを用意し、該シートメタルの鉛−カルシウ
   ム系合金部分を長さ方向と直角をなす方向にエキスパン
   ド加工して網目部を形成し、エキスパンド加工されてい
   ない前記溶接性良好な金属部分を耳の全部乃至一部とし
   て網目部と共に切り出すことを特徴とする鉛蓄電池極板
   用格子の製造法。