WO2015159503A1 - 異材金属接合体 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a dissimilar metal joined body obtained by joining a copper-based material (hereinafter, copper material) and an aluminum-based material (hereinafter, aluminum material) by laser welding.
  • Bonded body of spot laser welded structure This bonded body is manufactured as follows. A first metal plate and a second metal plate having different melting points are partially overlapped. A spot-like welded portion is continuously formed by irradiating the overlapped portion with laser continuously (see, for example, Patent Document 2).
  • the present invention provides a dissimilar metal joined body of a copper material and an aluminum material in which the joint strength is increased to the base material strength.
  • the dissimilar metal joined body according to the present invention has a copper material, an aluminum material, and a melt mixing part.
  • the melt mixing part is formed by melting a part of the aluminum material and flowing into the copper material.
  • the depth from the surface which contacts the aluminum material of a copper material in a melt mixing part is 5 micrometers or more and 30 micrometers or less.
  • the joint strength can be increased to a level at which fracture occurs in the base material portion of the aluminum material having a relatively low mechanical strength.
  • Patent Document 1 when the joined body of Patent Document 1 is applied to the joining of plate members (bus bars) that connect cell electrodes, the volume and weight as a whole can be reduced by sandwiching a clad material between the bus bars and the cell electrodes. Will increase. Therefore, the energy density which is one of the important performances of a battery module falls. Furthermore, in laser welding that requires highly accurate positioning in the optical axis direction, it is necessary to consider the thickness variation of the clad material, and the production process becomes complicated.
  • the cell body is arranged immediately below the contact portion between the bus bar to be joined and the cell electrode. For this reason, the cell body blocks the access of the laser beam to the bus bar and the back surface of the cell electrode. Therefore, it is difficult to irradiate the laser beam from the back surface of the bus bar and the cell electrode.
  • Patent Document 2 is characterized by suppressing alloying that causes an increase in electric resistance value by forming a spot-like welded part by a pulse wave, not a linear welded part by continuous irradiation of laser light. It is said. Therefore, the joining area is inevitably reduced, and it is difficult to improve the joint strength to the base material strength.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a joint portion in an embodiment of the present invention.
  • the aluminum material 101 which is a member to be joined, and the copper material 102 are partially overlapped to form an overlap region 103, and then laser beam 104 is irradiated to an arbitrary position of the overlap region 103 to be welded.
  • the laser beam 104 is continuously irradiated from the opposite side of the surface of the aluminum material 101 having a relatively low melting point in contact with the copper material 102 to form a linear weld.
  • the melt mixing part 105 which is continuous in the scanning direction and has a certain range of width W and depth t is formed.
  • the width W means the shortest dimension of the melt mixing part 105 on the surface of the copper material 102 in contact with the aluminum material 101.
  • a melting part 110 connected to the melting and mixing part 105 is formed on the opposite side of the surface in contact with the copper material 102 of the aluminum material 101.
  • the melt mixing unit 105 is formed such that aluminum melts and flows into the copper material 102 from the surface of the aluminum material 101 in contact with the copper material 102.
  • the surface in contact with the copper material 102 is the back surface of the aluminum material 101 opposite to the surface irradiated with the laser beam 104.
  • Various parameters such as the output of the laser beam 104, the scanning speed, and the energy density are optimized so that the melt mixing unit 105 is formed.
  • the shape and size of the melt mixing unit 105 determines the joint strength of the joined body.
  • FIG. 2 shows, as an example in the present embodiment, welding using a fiber laser with higher light condensing performance in a laser output range of 500 to 1100 W and a scanning speed of 240 to 720 mm / s.
  • the relationship between the peel strength of the joint, the width W of the melt mixing part 105, and the depth t is shown.
  • the depth t of the melt mixing part 105 that can obtain such a high joint strength is limited to a specific range. Specifically, it is in the range of 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. Further, the width W is preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the optimum range of the width W is 20 to 30% in the case of the same material joining. Therefore, the width W of the melt mixing part 105, that is, the welding width can be reduced. As described above, the melting and mixing portion 105 which is a welded portion can be formed to be thin and shallow by extremely reducing the amount of input energy as compared with the case of welding the same materials. Therefore, the number of welding lines can be increased to 3-4 times. In this case, joint strength can be further improved while maintaining ductile properties.
  • the copper component concentration in the melt mixing unit 105 is suppressed to less than 10%.
  • the component concentration of aluminum is suppressed to less than 10% even in a region near the melt mixing portion 105 in the copper material 102, for example, the location B.
  • precipitation of intermetallic compounds is suppressed to a very small amount.
  • the surface of the copper material 102 is covered with Ni plating. Specifically, when the aluminum material 101 is partially overlapped with the copper material 102 coated by Ni plating, and irradiated and welded with the laser beam 104 as described above, a stronger bonded body can be formed. Have confirmed.
  • the dissimilar metal joined body includes the copper material 102, the aluminum material 101, and the melt mixing unit 105.
  • the melt mixing unit 105 is formed by melting a part of the aluminum material 101 and flowing into the copper material 102.
  • the depth of the copper material 102 from the surface in contact with the aluminum material 101 in the melt mixing unit 105 is 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the dissimilar metal bonded body of the present invention can be applied to the connection between a bus bar connecting between battery terminals and individual electrode terminals.
  • a bus bar connecting between battery terminals and individual electrode terminals In particular, in an in-vehicle secondary battery or the like, generally, an expensive clad material bus bar made of a copper material and an aluminum material is used to connect electrode terminals, and a structure using only the same material joined body is employed.
  • the dissimilar material joined body of the present invention it is possible to connect all terminals with only an inexpensive aluminum material. Therefore, the economic effect is great.

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Abstract

　異材金属接合体は、銅材（１０２）と、アルミニウム材（１０１）と、溶融混合部（１０５）とを有する。溶融混合部（１０５）は、アルミニウム材（１０１）の一部が溶融して銅材（１０２）の内部に流入して形成されている。溶融混合部（１０５）における、銅材（１０２）のアルミニウム材（１０１）と接する表面からの深さは５μｍ以上、３０μｍ以下である。

Description

異材金属接合体
　本発明は、銅系材料（以下、銅材）とアルミニウム系材料（以下、アルミニウム材）とをレーザ溶接によって接合した異種金属接合体に関する。
　一般に異種材金属間のレーザ溶接では、固くて脆い金属間化合物が溶融部に形成される。そのため、同種材金属間溶接の場合と比較して継手強度が大幅に低下し、脆性的な破壊挙動を呈することが知られている。また、銅材とアルミニウム材との接合体を実用化した例として、次のような構造を有する接合体が公知である。
　（１）銅材とアルミニウム材のクラッド材を用いたインサート構造の接合体
　この接合体は以下のようにして作製される。被溶接材であり互いに融点が異なる第１金属と第２金属との間に、第１の金属部材と第２の金属部材とで構成されたクラッド材を同種の金属同士が接触するよう配置する。この状態で、第１金属と上記クラッド材と第２金属とを、異種金属が溶融し合わない溶接条件で、第１金属および第２金属の両面からレーザ溶接により一体化する（例えば、特許文献１参照）。
　（２）スポットレーザ溶接構造の接合体
　この接合体は以下のようにして作製される。互いに融点が異なる第１金属板と第２金属板とを部分的に重ね合わせる。その重ね合わせ部にレーザを非連続的に照射することで、スポット状の溶接部を連続的に形成する（例えば、特許文献２参照）。
特開平４－０８１２８８号公報 国際公開第２００６／０１６４４１号
　本発明は、継手強度を母材強度まで高めた銅材とアルミニウム材の異材金属接合体を提供する。
　本発明に係る異材金属接合体は、異材金属接合体は、銅材と、アルミニウム材と、溶融混合部とを有する。溶融混合部は、アルミニウム材の一部が溶融して銅材の内部に流入して形成されている。溶融混合部における、銅材のアルミニウム材と接する表面からの深さは５μｍ以上、３０μｍ以下である。
　銅材とアルミニウム材との組合せでは、硬くて脆い金属間化合物が析出しやすい。しかしながら、本発明により、銅材とアルミニウム材とによる異種金属接合体において、相対的に機械的強度の低いアルミニウム材の母材部分で破壊が起こるレベルまで継手強度を高めることができる。
本発明の実施の形態における接合部の断面を模式的に示した図 本発明の実施の形態における投入エネルギー量と剥離強度、溶融混合部の寸法との関係図
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の装置における問題点を簡単に説明する。特許文献１の接合体では、クラッド材が必要である。また、クラッド材を挟むための物理的空間が必要である。さらに、被溶接材の表裏両側からレーザ光を照射する必要がある。そのため、接合対象である構造物の性能低下や、構造的制約条件により、接合できない場合がある。
　例えば、車載電池モジュールにおいて、セル電極間を連結する板材（バスバー）の接合に特許文献１の接合体を適用すると、バスバーとセル電極との間にクラッド材を挟むことで、全体として体積や重量が増加する。そのため、電池モジュールの重要な性能のひとつであるエネルギー密度が低下する。さらに、光軸方向に高精度な位置決めが必要なレーザ溶接において、クラッド材の厚さバラツキを考慮する必要があり、生産プロセスは複雑化する。
　また、接合対象であるバスバーとセル電極との接触部の直下にはセル本体が配置されている。そのため、セル本体がバスバーおよびセル電極の裏面へのレーザ光のアクセスを遮る。したがって、バスバーおよびセル電極の裏面からレーザ光を照射することは困難である。
　特許文献２の接合体は、レーザ光の連続照射による線状溶接部ではなく、パルス波によるスポット状の溶接部を形成することで、電気抵抗値の増加を招く合金化を抑制することを特徴としている。そのため、必然的に接合面積は減少し、継手強度を母材強度まで向上させることが困難となる。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の実施の形態における接合部の断面を模式的に示した図である。
　被接合部材であるアルミニウム材１０１と、銅材１０２とを部分的に重ね合わせ、重ね合わせ領域１０３を形成した上で、重ね合わせ領域１０３の任意の位置にレーザ光１０４を照射し溶接する。レーザ光１０４は、相対的に融点の低いアルミニウム材１０１の銅材１０２と接する面の反対側から連続照射され線状の溶接部が形成される。これにより、走査方向に連続的で、かつ、ある特定範囲の幅Ｗと深さｔを有する溶融混合部１０５が形成される。幅Ｗとは、銅材１０２のアルミニウム材１０１と接する表面における、溶融混合部１０５の最短寸法を意味する。
　なお、レーザ光１０４が照射される瞬間に、レーザ光が照射されるアルミニウム材１０１は銅材１０２と接する面まで完全に溶融する。そのため、アルミニウム材１０１の、銅材１０２と接する面の反対側には、溶融混合部１０５に繋がる溶融部１１０が形成されている。
　溶融混合部１０５は、アルミニウム材１０１における、銅材１０２と接する面から銅材１０２へアルミニウムが溶融流入するように形成されている。銅材１０２と接する面とは、アルミニウム材１０１の、レーザ光１０４を照射した面の反対側の裏面である。このような溶融混合部１０５が形成されるように、レーザ光１０４の出力と走査速度、エネルギー密度などの諸パラメータが最適化されている。そして、溶融混合部１０５の形状寸法が、接合体の継手強度を決定する。
　図２は、本実施の形態における一例として、より集光性能の高いファイバーレーザを用いて、レーザ出力５００～１１００Ｗ、走査速度２４０～７２０ｍｍ／ｓの範囲で溶接を行い、投入エネルギー値に対する接合体の継手の剥離強度、溶融混合部１０５の幅Ｗ、深さｔとの関係を示している。
　溶融混合部１０５を同程度の寸法形状にしようとした場合、レーザ光１０４を照射するアルミニウム材１０１の厚さにより、必要な投入エネルギー値は変化する。そのため、高い継手強度が得られる投入エネルギー値には、アルミニウム材１０１の厚さに依存する最適値が存在する。
　同種材同士を接合する場合には、投入エネルギー量に比例して接合強度は高まる。他方、異材を接合する場合に、投入エネルギー量を増加すると、溶融混合量が増加する。そのため、金属間化合物の析出量が増加するため、継手強度は極端に低下する。図２においては、一例としてアルミニウム材１０１の厚さを０．６ｍｍとした場合の結果を示す。
　図２に示す結果から、アルミニウム材１０１の厚さが０．６ｍｍの場合は、投入エネルギー値が約２．３Ｊ／ｍｍにおいて、剥離強度が３２０～４００Ｎになり、しかも剥離時には母材が破壊されている。このことから、接合部の継手強度が母材強度レベルまで向上していることが分かる。この剥離強度は、アルミニウム材同士の同種金属接合体と同等レベルである。なお、銅材１０２の厚みが１ｍｍ以上である、および／またはアルミニウム材１０１の厚みが０．５ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の場合に同様の傾向を示すことを確認している。
　また、このように高い継手強度を得られる溶融混合部１０５の深さｔはある特定の範囲に絞られる。具体的には、５μｍ以上、３０μｍ以下の範囲にある。さらに、幅Ｗについても１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい。
　上記幅Ｗの最適範囲は、同種材接合の場合の２０～３０％である。したがって、溶融混合部１０５の幅Ｗ、すなわち、溶接幅を細くすることができる。このように、同材質同士を溶接する場合に比べて投入エネルギー量を極端に少なくすることで溶接部である溶融混合部１０５を細く浅く形成することができる。そのため、溶接ライン数を３～４倍に多条化することもできる。この場合、延性的性質を維持したまま継手強度をさらに向上することができる。
　また、溶融混合部１０５の内部、例えば、箇所Ａの銅成分濃度は、１０％未満に抑えられていることを確認している。一方、銅材１０２における、溶融混合部１０５の近傍の領域、例えば、箇所Ｂでも、アルミニウムの成分濃度は、１０％未満に抑えられていることを確認している。このように、金属間化合物の析出を微量に抑えられていることが好ましい。このように、金属間化合物の析出が微量に抑えられたため、脆性的な破壊挙動を起こさず、延性的破壊モードとなったと考えられる（母材の塑性変形が発現する）。
　なお、銅材１０２の表面がＮｉメッキによって被覆されていることが望ましい。具体的には、Ｎｉメッキによって被覆された銅材１０２に対して、アルミニウム材１０１とを部分的に重ね合わせ、上述の通り、レーザ光１０４によって照射・溶接すると、より強固な接合体を形成できることを確認している。
　以上のように、本実施の形態による異材金属接合体は、銅材１０２と、アルミニウム材１０１と、溶融混合部１０５とを有する。溶融混合部１０５は、アルミニウム材１０１の一部が溶融して銅材１０２の内部に流入して形成されている。溶融混合部１０５における、銅材１０２のアルミニウム材１０１と接する表面からの深さは５μｍ以上、３０μｍ以下である。この構成により相対的に機械的強度の低いアルミニウム材１０１の母材部分で破壊が起こるレベルまで継手強度を高めることができる。
　本発明の異材金属接合体は、電池の端子間を連結するバスバーと、個々の電極端子との接続に適用できる。特に車載二次電池などでは、一般に、電極端子間を連結する場合に銅材とアルミニウム材とからなる高価なクラッド材バスバーが利用されており、同種材接合体のみによる構造が採用されている。しかしながら、本発明の異材接合体により、安価なアルミニウム材のみで全ての端子間を接続することが可能となる。そのため、経済的効果は大きい。
１０１　　アルミニウム材
１０２　　銅材
１０３　　重ね合わせ領域
１０４　　レーザ光
１０５　　溶融混合部
１１０　　溶融部

Claims (7)

  1. 銅材と、
    アルミニウム材と、
    前記アルミニウム材の一部が溶融して前記銅材の内部に流入して形成された溶融混合部と、を備え、
    前記溶融混合部における、前記銅材の前記アルミニウム材と接する表面からの深さが５μｍ以上、３０μｍ以下である、
    異材金属接合体。
  2. 前記銅材の前記アルミニウム材と接する前記表面において、前記溶融混合部の最短寸法が、１０μｍ以上、５０μｍ以下である、
    請求項１記載の異材金属接合体。
  3. 前記アルミニウム材の、前記銅材と接する面の反対側に前記溶融混合部に繋がる溶融部が形成されている、
    請求項１記載の異材金属接合体。
  4. 前記溶融混合部の内部における銅の成分濃度は１０％未満であり、前記銅材における、前記溶融混合部の近傍のアルミニウムの成分濃度は１０％未満である、
    請求項１記載の異材金属接合体。
  5. 前記銅材の厚みは、１ｍｍ以上である、
    請求項１記載の異材金属接合体。
  6. 前記アルミニウム材の厚みは、０．５ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下である、
    請求項１記載の異材金属接合体。
  7. 前記銅材は、Ｎｉメッキで被覆されている、
    請求項１記載の異材金属接合体。
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