JP4936357B2 - レーザー溶接性に優れた電池ケースフタ用アルミニウム合金板 - Google Patents

Description

本発明は、電池ケースフタ用アルミニウム合金板、詳しくは携帯電話やノートパソコンに使用される角型リチウムイオン電池などのケースフタ用として好適なレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板に関する。

携帯電話やノート型パーソナルコンピューターに組み込まれる部品は軽量であることが強く望まれており、このため、これらに使用される角形リチウムイオン電池のケース材についても、当初の鋼板やステンレス鋼板に代えてＡ３００３アルミニウム合金板が使われるようになっている。

複数の工程の絞りおよびしごき加工を組み合わせて成型される角形電池ケースにおいて、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３アルミニウム合金は光沢のある美しい表面状態を維持しながらケースの薄肉化が可能な素材であるが、充放電を繰り返すリチウムイオン電池は、その反応時に内部圧力が上昇し、クリープ変形により電池ケースが膨らむという問題があり、このようなフクレによる電池ケース本体の厚み変形量が大きい場合には、機器への影響（故障、破損など）が懸念される。

近年、リチウムイオン電池については、さらに軽量化、高容量化が求められており、角型電池ケースにおいても一層の薄肉化が要請されている。薄肉化は内容積の増加に直結し、電池特性の高容量化を図る重要な要素であるため、内部圧力によるフクレを抑制する角型電池ケース用アルミニウム材料として、Ａ３００５や、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇを含有し、強度を改善したアルミニウム合金が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

角型電池ケースは、ケース本体とフタ体からなり、ケース本体に、一般的に純アルミニウム板からなるフタ体をレーザー溶接技術を用いて接合している。フタ体の近傍には樹脂パーツが位置しているため、接合時には、樹脂パーツに影響がないよう、できるだけ小さな入熱で接合することが望まれているが、電池ケースの薄肉化が進むにつれて、ケース本体とフタ体との接合強度もより高いものとすることが求められている。

一般的に、入熱（出力）を増やし溶け込み深さを大きくすることによって接合部の強度を高めることはできるが、電池ケースにおいては、入熱の増加は前記樹脂パーツに影響を与えるため好ましくなく、レーザー溶接の入熱量には制限があるため、フタ体用のアルミニウム材料として、純アルミニウムと同等の成形加工性を有するとともに、レーザー溶接時、同じ入熱で溶け込み深さが大きくなるアルミニウム合金材料が要請されている。
特開２００４−２３２００９号公報 特開２００５−３３６５４０号公報

本発明は、上記の要請に基づいて試験、検討を行った結果としてなされたものであり、その目的は、レーザー溶接時、同じ入熱で従来の純アルミニウム材料より溶け込み深さを大きくすることができる電池ケースフタ用、とくに角型リチウムイオン電池ケースフタ用アルミニウム合金板を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１によるレーザー溶接性に優れた電池ケースフタ用アルミニウム合金板は、Ｆｅ：１．０〜２．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｎ：０．０５％以下を含有し、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｇ：０．２％以下、Ｃｕ：０．２％以下に制限し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、Ｆｅ含有量に対するＳｉ含有量の比、（Ｓｉ％／Ｆｅ％）が０．１以下であることを特徴とする。

請求項２によるレーザー溶接性に優れた電池ケースフタ用アルミニウム合金板は、請求項１において、さらにＴｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍを含有することを特徴とする。

本発明によれば、レーザー溶接時、同じ入熱で従来の純アルミニウム材料より溶け込み深さを大きくすることができ、電池ケースフタ用、とくに角型リチウムイオン電池ケースフタ用として好適に使用できるレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板が提供される。

本発明による電池ケースフタ用アルミニウム合金板における合金成分の意義およびその限定理由について説明する。
Ｆｅ：Ｆｅは、レーザー溶接時の溶け込み深さを向上させるよう機能する。Ｆｅの好ましい含有量は１．０〜２．５％の範囲であり、１．０％未満ではその効果が十分でなく、２．５％を超えて含有すると、粗大晶出物が生成し易く、フタ体への加工性を害するおそれがある。Ｆｅのさらに好ましい含有範囲は１．２〜１．６％である。

Ｍｎ：Ｍｎは、合金の熱伝導性を低下させ、レーザー溶接時の溶け込み深さを向上させるよう機能する。１．０％を超えて含有すると、粗大晶出物が生成し易くなるとともに、強度が高くなり過ぎるため、フタ体への加工性を害するおそれがある。

Ｓｉ：Ｓｉは不純物として含有される。Ｓｉ量が０．３％を超えると成形性が低下し易くなるから０．３％以下に規制することが望ましい。また、Ｆｅ含有量に対するＳｉ含有量の比、（Ｓｉ％／Ｆｅ％）が０．１を超えると、Ｆｅとの化合物が形成され易く、粗大晶出物が生成し易くなってフタ体への加工性を害するおそれがあるから、（Ｓｉ％／Ｆｅ％）を０．１以下にすることが望ましい。しかしながら、Ｓｉ量を低減することは高純度のＡｌ地金を用いることが必要となり、製造コストの昇を招くから、好ましくは０．０５〜０．１％の範囲とする。

Ｍｇ、Ｃｕ：ＭｇおよびＣｕは、溶融溶接性を害するため、それぞれ０．２％以下に制限することが好ましい。

Ｔｉ、Ｂ：ＴｉおよびＢは、結晶粒を微細化して、成形加工時の割れ、肌あれなどを防止するよう機能する。好ましい含有量は、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍの範囲であり、それぞれ下限未満では上記の効果が十分でなく、それぞれ上限を越えて含有すると、粗大化合物が生成して成形加工性を低下させる。

本発明の電池ケースフタ用アルミニウム合金板は、造塊された鋳塊を均質化処理、常法に従って熱間圧延、必要に応じて中間焼鈍、冷間圧延の工程により最終板厚とし、好ましくは、最終焼鈍を行って軟化材（Ｏ材）とし、使用に供する。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
表１に示す組成を有するアルミニウム合金を半連続鋳造により造塊し、得られた鋳塊を常法に従って均質化処理後、熱間圧延、冷間圧延を行って厚さ０．８ｍｍの板とし、その後、３８０℃の温度で最終焼鈍を行った。得られた板材を試験材として、以下の方法により、引張り性能、ミクロ組織、レーザー溶接性を評価した。結果を表２に示す。なお、試験材６〜１３は参考として示すものである。

引張り性能：ＪＩＳ Ｚ ２２０１のＪＩＳ５号試験片を作製して、室温で、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行い、引張強さが１３０ＭＰａ未満のものは合格、１３０ＭＰａ以上のものは加工性が劣るため不合格とした。
ミクロ組織：円相当直径が５０μｍ未満の晶出物のみ観察されるものは合格（○）、円相当直径が５０μｍ以上の粗大晶出物が観察されるものは、成形加工性が劣るため不合格（×）とした。

レーザー溶接性：前記０．８ｍｍ厚さの冷間圧延板をさらに厚さ０．３ｍｍまで冷間圧延して試験材とし、これと同じ板厚のＡ３００３合金の冷間圧延板とをレーザー溶接により突き合わせ溶接して継ぎ手強度を測定し、電池ケースフタ用アルミニウム材として代表的なＡ１０５０−Ｏ材（厚さ０．３ｍｍ）とＡ３００３−Ｈ１８材（厚さ０．３ｍｍ）とをレーザー溶接により突き合わせ溶接したときの継ぎ手強度を１として相対強度を評価し、相対強度が１．５以上のものを合格（○）、１．５未満を不合格（×）とした。なお、Ａ３００３合金は電池ケース本体用アルミニウム合金として代表的なものである。

表２に示すように、本発明に従う試験材３は、引張強さが１３０ＭＰａ未満で、粗大晶出物は認められず、良好な成形加工性を有しており、レーザー溶接性に優れている。

これに対して、試験材６はＦｅ含有量が多いため引張強さが高く、また粗大晶出物が認められ、成形加工性が劣っている。試験材７はＭｎ含有量が多いため引張強さが高く、成形加工性が劣っている。試験材８はＦｅ含有量が少ないため、レーザー溶接性の改善効果が不十分であった。試験材９はＳｉ含有量が多いため粗大晶出物が認められ、成形加工性が劣っている。試験材１０、１１は、それぞれＭｇ、Ｃｕの含有量が多過ぎるため、引張強さが高く成形加工性が劣るとともに、レーザー溶接性も劣っている。試験材１２はＴｉ含有量が多過ぎるため粗大晶出物が認められ、成形性が劣っている。試験材１３は（Ｓｉ％／Ｆｅ％）の値が０．１を超えているため粗大晶出物が認められ、成形性が劣っている。

Claims (2)

1. Ｆｅ：１．０〜２．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｎ：０．０５％以下を含有し、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｇ：０．２％以下、Ｃｕ：０．２％以下に制限し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、Ｆｅ含有量に対するＳｉ含有量の比、（Ｓｉ％／Ｆｅ％）が０．１以下であることを特徴とするレーザー溶接性に優れた電池ケースフタ用アルミニウム合金板。
2. さらにＴｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍを含有することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接性に優れた電池ケースフタ用アルミニウム合金板。