(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属をオーバーフローさせて供給するための溶融金属供給口と、
前記供給口から供給された溶融金属を収容する溝部を有し、蓄電池極板群の耳部をストラップとなる前記溝部の溶融金属内に挿入して前記耳部と前記ストラップとを溶接するためのキャストオンストラップ金型と、
前記金型に取り付けられ、前記金型に超音波を発生させる超音波振動子と、
を備えたオーバーフロー式キャストオンストラップ溶接装置において、
前記溝部は、前記金型の上面、かつ、前記超音波振動子が発生する超音波の振幅がゼロの位置と重ならないように前記供給口側に形成されており、
前記金型は、前記超音波振動子が発生する超音波の波長の１／２の整数倍の長さを有しており、前記金型の長さ方向の中央が固定されている、
ことを特徴とするキャストオンストラップ溶接装置。
【請求項２】
前記超音波振動子は、ホーンを介して前記金型下部に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のキャストオンストラップ溶接装置。
【請求項３】
前記金型と前記供給口との間が所定間隔離間しており、該所定間隔が０．０５ｍｍ以上３ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のキャストオンストラップ溶接装置。
【請求項４】
前記金型を加熱するヒータを更に備え、該ヒータが前記金型に着脱可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のキャストオンストラップ溶接装置。
【請求項５】
請求項４に記載のキャストオンストラップ溶接装置により、蓄電池極板群の耳部をストラップとなる前記溝部の溶融金属内に挿入して前記耳部と前記ストラップとを溶接するキャストオンストラップ溶接方法であって、
前記ヒータを前記金型に装着し前記金型を加熱する加熱ステップと、
前記耳部を前記溝部の溶融金属内に挿入する直前に前記ヒータを前記金型から脱着する脱着ステップと、
前記超音波振動子が発生する超音波を前記溶融金属に加えながら前記耳部と前記ストラップとを溶接する超音波溶接ステップと、
を含むことを特徴とするキャストオンストラップ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池におけるキャストオンストラップ溶接装置及びキャストオンストラップ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、蓄電池の極板群は、所定枚数の正極板及び負極板をセパレータを介して積層し、同一極性の極板の耳部をストラップに溶接して集電する構造が採られている。極板の耳部とストラップとを溶接する方法には、既に形成されたストラップに極板の各耳部を一つずつ熱溶接するバーナー溶接と、ストラップとなる溶融金属内に極板の耳部を一括挿入してストラップが鋳造形成される際にストラップと極板の耳部とが溶接されるキャストオンストラップ溶接方法とがある。
【０００３】
これらの溶接方法では、一般に、耳部を一つずつ溶接していくバーナー溶接より、一括して耳部の溶接が可能なキャストオンストラップ溶接の方が工程数が少ないので、生産性が良いといわれている。しかし、耳部及びストラップ間の溶接状態が不良であると、接合部分のわずかな隙間から電解液が侵入して接合部分を腐蝕させ最終的に極板群の耳部がストラップから離脱する、という問題を生ずる。
【０００４】
この問題に対処するために、キャストオンストラップ溶接に適した合金組成を使用したり、フラックスを極板耳部溶接面に付着したり、又は、溶融金属温度分布に応じて極板耳部の間隔を変える（特開平第６―１９６１４６号公報）等の工夫により耳部・ストラップ間の溶接状態の改善が提案されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの改善技術を用いても、耳部・ストラップ間の溶接面に生じる酸化物層の多くを取り除くことは困難なので、キャストオンストラップ溶接においてボイドの発生を避けることは難しい、という問題がある。また、上記の改善技術を用いても、耳部に残留する油膜をほぼ完全に除去するためには作業時間を要する。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、生産速度を犠牲にすることなく、良好な溶接状態を得ることができるキャストオンストラップ溶接装置及び該溶接方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、溶融金属をオーバーフローさせて供給するための溶融金属供給口と、前記供給口から供給された溶融金属を収容する溝部を有し、蓄電池極板群の耳部をストラップとなる前記溝部の溶融金属内に挿入して前記耳部と前記ストラップとを溶接するためのキャストオンストラップ金型と、前記金型に取り付けられ、前記金型に超音波を発生させる超音波振動子と、を備えたオーバーフロー式キャストオンストラップ溶接装置において、前記溝部は、前記金型の上面、かつ、前記超音波振動子が発生する超音波の振幅がゼロの位置と重ならないように前記供給口側に形成されており、前記金型は、前記超音波振動子が発生する超音波の波長の１／２の整数倍の長さを有しており、前記金型の長さ方向の中央が固定されている、ことを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、請求項４に記載のキャストオンストラップ溶接装置により、蓄電池極板群の耳部をストラップとなる前記溝部の溶融金属内に挿入して前記耳部と前記ストラップとを溶接するキャストオンストラップ溶接方法であって、前記ヒータを前記金型に装着し前記金型を加熱する加熱ステップと、前記耳部を前記溝部の溶融金属内に挿入する直前に前記ヒータを前記金型から脱着する脱着ステップと、前記超音波振動子が発生する超音波を前記溶融金属に加えながら前記耳部と前記ストラップとを溶接する超音波溶接ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、超音波振動子で金型を効果的に振動させるために、金型は、超音波振動子が発生する超音波の波長の１／２の整数倍の長さを有していると共に、金型に形成された溝部は、金型の上面、かつ、超音波振動子が発生する超音波の振幅がゼロの位置と重ならないように供給口側に形成されており、溶融金属及び溶融金属内に挿入された耳部に超音波振動が加えられるので、キャビテーション効果により酸化物層や油膜の破壊・分散が生ずると共に、振動により溶融金属中の気泡の脱泡が促進される。本発明によれば、酸化物層や油膜の破壊・分散が生ずるので、耳部とストラップとに良好な溶接状態を得ることができると共に、溶融金属中の脱泡が促進されるので、ボイドによる欠陥を極端に減少させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したキャストオンストラップ溶接装置及びキャストオンストラップ溶接方法の実施の形態について説明する。
【００１１】
本実施形態では、溶融金属を流し込む溝部（窪み）を有するキャストオンストラップ金型を対象として、超音波を発生する超音波振動子を取り付けた。これにより、溶接時に超音波振動子を駆動させ、溶融金属と極板耳部とが挿入された溶接部に超音波を照射することで、キャビテーション効果によって酸化物層や油膜の破壊と分散が生じ良好な溶接面が得られると共に、溶融金属中の気泡が振動することで脱泡が促進され、ボイドなどの欠陥が減少する。その際、溶融金属が流れ落ちないために、溝部は金型上面になければならない。
【００１２】
超音波振動子は金型の下部に取り付け、金型上部の溶融金属に超音波が効果的にかかるようにする。メンテナンス作業の効率が悪い場合や、金型下部の空間が無いなどの問題が生じる場合には、金型側面に超音波振動子を取り付けるようにしてもよい。このとき、溶融金属を流し込む溝部は、超音波振動子を取り付ける面とその面と対抗する面の中央から外れるようにし、溶接部が超音波の振幅ゼロの位置に重ならないようにする。
【００１３】
金型に超音波振動子を直接取り付けると超音波振動子が高温になり破損する場合には、超音波振動子と金型との間にはホーン（ｈｏｒｎ、金型に取り付けたり、金型そのものの付き出した片持ちの棒又はブロック）を挟むことにより超音波振動子の破損を防止することができる。また、ホーンを挟むことにより、溶接部にあてる超音波も強くする効果も得られる。
【００１４】
金型を効果的に振動させるには、超音波振動子を取り付ける面とその面と対向する面の、金型両端で超音波の振幅が最大になるように寸法を設定する。すなわち、金型両端間の長さが超音波の波長の１／２の整数倍になるようにする。
【００１５】
キャストオンストラップ溶接装置には、溶融金属の供給方法の違いによって杓式とオーバーフロー式がある。オーバーフロー式では溶融金属供給口が金型と接するのが普通であるが、そのような構造では超音波を加えたときに溶融金属供給口と金型とが干渉し超音波が溶接部に効果的にあたらない。これを避けるために、オーバーフロー式を採用する場合には金型と溶融金属供給口とを０．０５ｍｍ以上３ｍｍ未満の距離だけ離間させる。
【００１６】
金型の構造はなるべく単純にして超音波が伝わりやすくする必要があるので、ヒータを金型に内蔵した状態で超音波をあててキャストオンストラップ溶接を行うことは避けることが好ましい。金型の加熱は脱着可能なヒータで行い、溶接直前にヒータを金型から外した後、超音波を溶融金属に照射しながら溶接する。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明をオーバーフロー式キャストオンストラップ溶接装置に適用した実施例について具体的に説明する。
【００１８】
図１に示すように、キャストオンストラップ金型（以下、金型という。）６にロッド状のホーン９を取り付け、このホーン９に超音波振動子１１を取り付けた。金型６の縦方向の長さを、超音波振動子１１が発生する超音波波長λの１／２λの整数倍である１１ｃｍとした。この金型６の中央の５．５ｃｍの位置をボルト締めでベースが床面に固定された架台８に固定した。金型６の架台８側上部には、溶融金属を流し込む溝部５が形成されている。また、金型６を加熱し溝部５に流し込まれた溶融金属を溶融状態に維持するためのヒータ１２をクランプで金型６の側面に固定した。金型６の横側には、後述する所定距離Ａだけ離間させて溶融金属を溝部５に供給するための溶融金属供給口７を定置し、オーバーフロー式によるキャストオンストラップ溶接可能なキャストオンストラップ溶接装置１０を構成した。
【００１９】
次に、６枚の負極板と５枚の正極板とを１０枚のセパレータを介して積層して極板群３を作製した。この極板群３を、金型６上部に配置され極板群３を固定（把持）可能なホルダ２で固定した。このホルダ２は、リニアモータ１により上下動可能とされており、溝部５の上部側に極板群３の耳部４が位置するように極板群３把持部が形成されている。
【００２０】
次に、金型６をヒータ１２で１５０゜Ｃに加熱した後、ヒータ１２を金型６から取り外した。更に、金型６の溝部５内に４５０゜Ｃの溶融金属としての溶融鉛を溶融金属供給口７から注入して、３秒経過後に０．４秒間超音波振動子１１から超音波を溶融鉛に照射した。超音波を照射している間に、溶融鉛内に電極群３の負極板の耳部４を４ｍｍ挿入し、溶融鉛を凝固させてストラップを鋳造成形すると同時にストラップに耳部４を溶接した。
【００２１】
（試験）
次に、上記実施例において、金型６と溶融金属供給口７との間隔Ａを、０．０１ｍｍ、０．０２ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍの７種類にそれぞれ設定してオーバーフロー式キャストオンストラップ溶接の可否について試験を行い、溶接可能な場合には、耳部４とストラップとの接合部分の断面観察を行ってボイドの発生状況を調べた。また、上記実施例において、金型６と溶融金属供給口７とが接するように配置し（間隔Ａ＝０ｍｍ）、超音波を照射せずにキャストオンストラップ溶接を行った後、耳部４とストラップとの接合部分の断面観察を行いボイドの発生状況を調べた。
【００２２】
（試験結果）
金型６と溶融金属供給口７との間隔Ａが０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、及び１ｍｍの場合には、オーバーフロー式キャストオンストラップ溶接が成功し、耳部４とストラップとの接合部分にボイドはまったく観察されなかった。間隔Ａが０．０１ｍｍ及び０．０２ｍｍの場合には、オーバーフロー式キャストオンストラップ溶接は可能であったが、超音波照射時に金型６と溶融金属供給口７とが接触して大きな振動が発生し、耳部４とストラップとの接合部分の観察ではボイドがそれぞれ３つずつ認められた。間隔Ａが３ｍｍ、５ｍｍの場合には、溶融鉛が金型６と溶融金属供給口７との間に落ちてしまい、オーバーフロー式キャストオンストラップ溶接は不能であった。従って、オーバーフロー式キャストオンストラップ溶接では、金型６と溶融金属供給口７との間隔Ａは、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ未満とする必要があることが判明した。
【００２３】
一方、金型６と溶融金属供給口７とを接するように配置し超音波を照射せずにキャストオンストラップ溶接を行った場合（従来の方法を採った場合）には、耳部４とストラップとの接合部分の断面にボイドが３つ観察された。従って、超音波振動子１１により超音波を照射している間に、溶融鉛内に電極群３の負極板の耳部４を挿入し、溶融鉛を凝固させてストラップを鋳造成形しストラップに耳部４を溶接する実施例のキャストオンストラップ溶接方法により、生産速度を犠牲にすることなく、良好な溶接状態を得ることができることが確認できた。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明しように、本発明によれば、金型は、超音波振動子が発生する超音波の波長の１／２の整数倍の長さを有していると共に、金型に形成された溝部は、金型の上面、かつ、超音波振動子が発生する超音波の振幅がゼロの位置と重ならないように供給口側に形成されているため、溶融金属及び溶融金属内に挿入された耳部に効果的に超音波振動が加えられ、キャビテーション効果により酸化物層や油膜の破壊・分散が生ずるので、耳部とストラップとに良好な溶接状態を得ることができると共に、振動により溶融金属中の脱泡が促進されるので、ボイドによる欠陥を極端に減少させることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能なオーバーフロー式キャストオンストラップ溶接装置の側面図である。
【符号の説明】
１  リニアモータ
２  ホルダ
３  極板群
４  耳部
５  溝部
６  金型
７  溶融金属供給口
８  架台
９  ホーン
１０  キャストオンストラップ溶接装置
１１  超音波振動子
１２  ヒータ
【図１】
0004538922.tif 000002