(57)【要約】【課題】金属粉の発生、被接合物の破損および電極の消耗を抑える。【解決手段】溶接装置は、金属からなる複数枚の板の積層体である被接合物３と当接する電極１０ａと、被接合物３を挟んで電極１０ａと対向する電極１０ｂと、電極１０ａ，１０ｂのうち少なくとも一方を加圧し、被接合物３を電極１０ａ，１０ｂによって挟持させる加圧機構と、電極１０ａ，１０ｂの、被接合物３と当接する先端部の温度を測定する温度測定手段と、電極１０ａ，１０ｂに電流を供給する溶接電源２とを備える。電極１０ａ，１０ｂは、モリブデン、タングステン、鉄、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金からなる。溶接電源２は、電極１０ａ，１０ｂの先端部の温度が被接合物３の融点未満の温度になるように電極１０ａ，１０ｂへの通電量を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる複数枚の板の積層体である被接合物と当接する第１の電極と、
前記被接合物を間に挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極と、
前記第１、第２の電極のうち少なくとも一方を加圧し、前記被接合物を前記第１、第２の電極によって挟持させる加圧機構と、
前記第１、第２の電極の、前記被接合物と当接する先端部の温度を測定する温度測定手段と、
前記第１、第２の電極間に電流を供給する溶接電源とを備え、
前記第１、第２の電極は、モリブデン、タングステン、鉄、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金からなり、
前記溶接電源は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて、前記第１、第２の電極の先端部の温度が前記被接合物の融点未満の温度になるように前記第１、第２の電極への通電量を制御することを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載の溶接装置において、
前記被接合物は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる複数枚の板の積層体、銅若しくは銅合金からなる複数枚の板の積層体、または、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる板と銅若しくは銅合金からなる板とを複数枚積層した積層体のいずれかであることを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の板の積層体を接合する溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層した積層型リチウムイオン電池が使用されるようになってきている。図３（Ａ）は積層型リチウムイオン電池の積層後の状態を示す斜視図、図３（Ｂ）は電極のタブとリード端子とを接続した状態を示す斜視図である。
【０００３】
積層型リチウムイオン電池においては、図３（Ａ）に示すようにアルミニウム（Ａｌ）等の金属箔からなる正極電極１００と銅（Ｃｕ）等の金属箔からなる負極電極１０１とがセパレータ（不図示）を介して交互に積層されている。各正極電極１００には、リード接合用のタブ１０２が設けられており、これらのタブ１０２は、図３（Ｂ）に示すように積層され、接合部１０６において外部接続用のリード端子１０４と接合される。同様に、各負極電極１０１には、リード接合用のタブ１０３が設けられ、これらのタブ１０３は、積層され、接合部１０７において外部接続用のリード端子１０５と接合される。
【０００４】
通常、タブ１０２とリード端子１０４との接合およびタブ１０３とリード端子１０５との接合には、超音波溶接、レーザ溶接、抵抗溶接が用いられている（特許文献１、特許文献２参照）。
超音波溶接は、被接合物に垂直方向の圧力を加えながら、接合面に平行な超音波振動を印加して接合する方法である。
レーザ溶接は、被接合物にレーザ光を照射して溶融させ接合する方法である。
【０００５】
抵抗溶接は、図４に示すように、複数枚のタブ１０２（またはタブ１０３）とリード端子１０４（またはリード端子１０５）とを上下から一対の電極１０８ａ，１０８ｂで挟み込み押圧しながら、電極１０８ａ，１０８ｂ間に電流を流して、発生するジュール熱でタブ１０２（またはタブ１０３）とリード端子１０４（またはリード端子１０５）とを溶融させて接合を行う方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６６１７０号公報
【特許文献２】特開２００９−３２６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波溶接には、溶接時の超音波振動によって電池から微小な金属粉が脱落するという問題点があった。また、電極の枚数増加によりタブの枚数が増加すると、必要な溶接エネルギーが増加するので、超音波の出力を上げる必要があり、タブが破れたり切れたりする可能性があった。
レーザ溶接では、ＡｌやＣｕからなる被接合物の反射率が高いため、高エネルギーのレーザ光が必要になるという問題点があった。また、スパッタと呼ばれる金属粉が発生するという問題点があった。
【０００８】
一方、抵抗溶接では、超音波溶接およびレーザ溶接で問題となる金属粉の発生やタブの破損を抑制することができる。しかしながら、ＡｌやＣｕからなる被接合物の電気抵抗が低く、発熱し難いため、複数枚のタブを接合するためには電極に大電流を流す必要があり、高温となる電極の消耗が激しいという問題点があった。特に、一般的に用いられているＣｕ合金の電極を利用してＡｌ箔からなるタブを接合しようとすると、電極の主成分であるＣｕとタブの主成分であるＡｌとが合金化反応しＣｕ−Ａｌ合金が生成されることで電極先端が著しく消耗する。
なお、以上の問題点は、積層型リチウムイオン電池に限らず、複数枚のＡｌ箔やＣｕ箔を接合する場合には、同様に発生する。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、金属粉の発生、被接合物の破損および電極の消耗を抑えることができる溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の溶接装置は、金属からなる複数枚の板の積層体である被接合物と当接する第１の電極と、前記被接合物を間に挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記第１、第２の電極のうち少なくとも一方を加圧し、前記被接合物を前記第１、第２の電極によって挟持させる加圧機構と、前記第１、第２の電極の、前記被接合物と当接する先端部の温度を測定する温度測定手段と、前記第１、第２の電極間に電流を供給する溶接電源とを備え、前記第１、第２の電極は、モリブデン、タングステン、鉄、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金からなり、前記溶接電源は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて、前記第１、第２の電極の先端部の温度が前記被接合物の融点未満の温度になるように前記第１、第２の電極への通電量を制御することを特徴とするものである。
また、本発明の溶接装置の１構成例において、前記被接合物は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる複数枚の板の積層体、銅若しくは銅合金からなる複数枚の板の積層体、または、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる板と銅若しくは銅合金からなる板とを複数枚積層した積層体のいずれかである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被接合物を加圧しつつ、第１、第２の電極の先端部の温度が被接合物の融点未満の温度になるように第１、第２の電極への通電量を制御することにより、被接合物の各接合面を固相拡散接合することができ、第１、第２の電極の先端部が従来の抵抗溶接の場合よりも低い温度に設定されるので、抵抗溶接と比較して第１、第２の電極の消耗を抑えることができる。また、本発明では、抵抗溶接と同様に、金属粉の発生や被接合物の破損を回避することができる。さらに、本発明では、第１、第２の電極を、モリブデン、タングステン、鉄、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金から構成することにより、第１、第２の電極の消耗を更に抑えることができる。その結果、本発明では、電極のメンテナンスの頻度を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶接ヘッドの拡大断面図である。
【図３】積層型リチウムイオン電池の積層後の状態および電極のタブとリード端子とを接続した状態を示す斜視図である。
【図４】抵抗溶接における接合部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。溶接装置は、溶接ヘッド１と、溶接電源２とから構成される。
【００１４】
図２に示すように、溶接ヘッド１は電極１０ａ，１０ｂを備えている。電極１０ａ，１０ｂは、Ｃｕ合金からなる電極本体１１ａ，１１ｂと、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）のうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金からなる先端部１２ａ，１２ｂとから構成される。さらに、溶接ヘッド１は、先端部１２ａ，１２ｂに取り付けられた温度測定手段である熱電対１３ａ，１３ｂと、電極１０ａ，１０ｂを上下させて被接合物３を挟み込み加圧する加圧機構１４ａ，１４ｂとを備えている。
【００１５】
溶接電源２は、三相交流を整流後にスイッチングするか、あるいは直流をスイッチングして交流電圧を生成するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式のインバータ電源である電源回路２０と、電源回路２０の出力を低電圧、大電流に変換して電極１０ａ，１０ｂに供給するためのトランス２１と、トランス２１の２次側を流れる電流を検出するホール素子２２とを備えている。
【００１６】
以下、溶接装置の動作を説明する。本実施の形態では、複数枚のタブ１０２とリード端子１０４とを積層した積層体を被接合物３として説明する。タブ１０２の１枚あたりの厚さは例えば１０μｍ〜１５０μｍ程度である。
【００１７】
最初に、溶接ヘッド１の加圧機構１４ａ，１４ｂは、図２に示すように電極１０ａ，１０ｂによって被接合物３を上下方向（積層体の積層方向に沿った方向）から挟み込み加圧する。なお、図２の例では、加圧機構１４ａ，１４ｂがそれぞれ電極１０ａ，１０ｂに圧力を加えるようになっているが、電極１０ａ，１０ｂのうちどちらか一方のみに圧力を加えるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００１８】
電源回路２０は、例えばユーザからの溶接開始指示に応じて、数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚの交流電圧を生成する。これにより、電源回路２０からの電圧がトランス２１に印加され、電極１０ａ，１０ｂ間に電流が流れるので、電極１０ａ，１０ｂおよび被接合物３の温度が上昇する。
電極１０ａ，１０ｂの先端部１２ａ，１２ｂの温度は熱電対１３ａ，１３ｂによって電圧に変換される。
【００１９】
電源回路２０は、熱電対１３ａ，１３ｂからの電圧に基づいて先端部１２ａ，１２ｂの温度を求め、この温度が被接合物３の融点未満の温度になるように電極１０ａ，１０ｂへの通電量を制御する。ＰＷＭ方式のインバータ電源の場合、電源回路２０は、トランス２１に出力するパルス電圧のデューティー比を変化させることで、電極１０ａ，１０ｂへの通電量を制御する。Ａｌの融点は６６０℃なので、先端部１２ａ，１２ｂの温度を例えば６００℃に設定する。
【００２０】
Ａｌからなる被接合物３は、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｔｉのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金からなる先端部１２ａ，１２ｂよりも電気抵抗が低い。したがって、被接合物３の温度は、先端部１２ａ，１２ｂの温度よりも低くなる。このように、本実施の形態では、先端部１２ａ，１２ｂの温度を被接合物３の融点未満の温度に設定するため、被接合物３を溶融させる抵抗溶接とは異なる原理で、被接合物３の接合を行う。すなわち、本実施の形態では、電極１０ａ，１０ｂによって被接合物３を加圧しつつ被接合物３の融点未満の温度で加熱することにより、被接合物３の各接合面（タブ同士の接合面、およびタブとリード端子との接合面）を固相拡散接合させる。固相拡散接合は、各接合面にある酸化被膜や微小な異物を加圧と加熱により破壊しながら、各接合面を密着させて、微視的な凹凸の塑性変形と凝着および接合面間の原子の拡散を利用して被接合物３を接合する方法である。すなわち、固相拡散接合は、接合工程中に接合面の清浄化と密着化とを同時に行う。
【００２１】
本実施の形態では、電極１０ａ，１０ｂの先端部１２ａ，１２ｂの温度を被接合物３の融点未満の温度に設定するため、先端部１２ａ，１２ｂが従来の抵抗溶接の場合よりも低い温度に設定されることになり、抵抗溶接と比較して先端部１２ａ，１２ｂの消耗を抑えることができる。また、本実施の形態では、従来の電極に使用されていたＣｕ合金よりも消耗し難い金属を先端部１２ａ，１２ｂに用いることにより、先端部１２ａ，１２ｂの消耗を更に抑えることができる。本実施の形態では、先端部１２ａ，１２ｂの材料として、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｔｉのうち少なくとも１つの元素を含む金属または合金を用いている。このような金属の例としては、タングステンカーバイド（ＷＣ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、銀タングステン（ＡｇＷ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、ＪＩＳ６０種チタン合金などがある。
【００２２】
なお、電極本体１１ａ，１１ｂに従来の電極と同じＣｕ合金を用いている理由は、被接合物３の加熱に必要な先端部１２ａ，１２ｂと加熱に直接関与しない電極本体１１ａ，１１ｂの材料を変えることで、電極本体１１ａ，１１ｂの温度上昇を抑え、消費電力を削減するためである。
【００２３】
また、本実施の形態では、先端部１２ａ，１２ｂの温度を被接合物３の融点未満の温度に設定する制御のみについて説明しているが、これに限るものではない。すなわち、トランス２１の２次側を流れる電流（つまり、電極１０ａ，１０ｂに流れる電流）を検出するホール素子２２から帰還される電流量信号に基づく定電流制御、電極１０ａ，１０ｂ間に印加される電圧に基づく定電圧制御、電極１０ａ，１０ｂに流れる電流の値と電極１０ａ，１０ｂ間に印加される電圧の値とを積算した電力値に基づく定電力制御、および電圧値を電流値で除算した抵抗値に基づく抵抗制御を、本実施の形態の制御と適宜組み合わせてもよい。
【００２４】
また、本実施の形態では、Ａｌからなる複数枚の板の積層体を被接合物３としているが、これに限るものではなく、Ａｌ合金からなる複数枚の板の積層体を被接合物としてもよいし、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる複数枚の板の積層体を被接合物としてもよいし、Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる板とＣｕ若しくはＣｕ合金からなる板とを複数枚積層した積層体を被接合物としてもよい。
【００２５】
なお、先端部１２ａ，１２ｂの下限温度は被接合物３の各接合界面の固相拡散が進行する温度（推定では２００〜４００℃）に設定すればよい。すなわち、先端部１２ａ，１２ｂの温度を、被接合物３の融点未満、かつ被接合物３の各接合界面の固相拡散が進行する温度以上に設定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、複数枚の板の積層体を接合する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…溶接ヘッド、２…溶接電源、３…被接合物、１０ａ，１０ｂ…電極、１１ａ，１１ｂ…電極本体、１２ａ，１２ｂ…先端部、１３ａ，１３ｂ…熱電対、１４ａ，１４ｂ…加圧機構、２０…電源回路、２１…トランス、２２…ホール素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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