JP2012045570A

JP2012045570A - アルミニウム接合体の製造方法

Info

Publication number: JP2012045570A
Application number: JP2010189460A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsumoto; 松本　　剛; Kazunori Kobayashi; 一徳小林
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】Ｍｇを含むアルミニウム材を高生産性で溶接することができ、また溶接部の溶接品質も優れたアルミニウム接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を突合せて配置し、１個の光軸上に２個又は３個の焦点位置を有するレーザ光を照射する。第１のレーザ光の第１焦点位置は被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、第２のレーザ光の第２焦点位置は規準表面から光軸方向の被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定し、第３のレーザ光の第３焦点位置は規準表面から光軸方向の被溶接材の上方に向けて０．２乃至０．５ｍｍの位置となるように設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム材という）をレーザ溶接してアルミニウム接合体からなる構造材を製造するアルミニウム接合体の製造方法に関する。

携帯電話及び自動車等に使用されるリチウムイオン電池等の電池ケースは、軽量化のために、その素材として、Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金又はＪＩＳＡ１０５０等の純アルミニウムからなるアルミニウム材が使用されている。この電池は、電池ケースの筐体の内部に電池部分を収納し、その後、開口部に蓋を溶接により接合して、電池部分を密封することにより、製造されている。この電池ケースは、筐体と蓋とから構成され、いずれも、アルミニウム材により製造されている。

このような電池ケースにおいては、溶接時に発生するスパッタ、割れ及びブローホール等の欠陥は、電池の品質及び性能を大きく劣化させるため、溶接部の品質の向上及び品質維持には、極めて厳しい管理が要求される。

一方、電池ケースに対する軽量化の要求は、ますます強くなっており、携帯電話用電池及び車載用電池のいずれも、高強度の材料が要望されており、この材料の高強度化により、電池ケースの厚さを薄くして軽量化することが試みられている。

従来のアルミニウム材製の電池ケースとして、筐体と蓋体との封口部をレーザ溶接により融着する際に、溶け込み量が少ない領域を形成して、これを電池内部の圧力の上昇時に開裂する圧力開放部とする密閉型電池が提案されている（特許文献１）。また、楕円又は矩形等の長軸を有する照射スポット形状のレーザ光を、そのスポット中心点を、筐体と蓋体との接合部におき、この接合部が延びる方向にスポットの長軸方向を一致させて、パルスレーザ光を接合部の全周に照射する電池の製造方法が提案されている（特許文献２）。更に、溶接時の熱応力の低減によりクラックの発生を防止するために、外装缶（筐体）の開口縁に、縁部にその周に沿ってリブを有する蓋体を嵌合し、外装缶の開口縁と蓋体の縁部のリブとの間を、レーザ溶接する密閉型電池の製造方法が提案されている（特許文献３）。

特開２００１−１５５６９８号公報特開２００４−６３４０６号公報特許第３５９４５５５号公報

しかしながら、継手形状の工夫によりある程度の溶接品質の向上は見込まれるものの、電池ケースの強度の向上を図るためには、電池ケースの材料強度自体を向上させる必要がある。アルミニウム材の強度を向上させる元素として、Ｍｇ及びＣｕ等があるが、これらの元素を多く含むＡｌ合金、例えば、ＪＩＳ３００４、３１０４、５０５２及び５１８２等のＡｌ合金は、特に、Ｍｇ蒸気の発生により、スパッタの発生を抑制できず、また溶接部の割れ、及び溶接部へのブローホールの残留という溶接品質の劣化が問題となり、溶接部強度、溶接作業性、溶接品質の全てが満足できるアルミニウム材ではなかった。

また、従来、特に携帯電話機用電池等の薄肉材の接合に使用されているパルスレーザは、溶接割れ等の問題が生じ易く、また、溶接速度も、連続レーザ光に比して著しく遅く、生産性が低いという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｍｇを含むアルミニウム材を高生産性で溶接することができ、また溶接部の溶接品質も優れたアルミニウム接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第１のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、１個の光軸上に２個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第１焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定することを特徴とする。

本発明に係る第２のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、１個の光軸上に３個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第１焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第３の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて０．２乃至０．５ｍｍの位置となるように設定することを特徴とする。

本発明に係る第３のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を突合せて配置し、１個の光軸上に２個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第１焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定することを特徴とする。

本発明に係る第４のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を突合せて配置し、１個の光軸上に３個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第１焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第３の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて０．２乃至０．５ｍｍの位置となるように設定することを特徴とする。

これらのアルミニウム接合体の製造方法において、前記アルミニウム材は、例えば、ＪＩＳ１０００系、３０００系又は５０００系である。

また、これらのアルミニウム接合体の製造方法において、一方のアルミニウム材をＪＩＳ１０００系とし、他方のアルミニウム材をＪＩＳ３０００系又は５０００系とし、そして、前記一方のアルミニウム材により電池ケースの蓋を作成し、前記他方のアルミニウム材により電池ケースの筐体を作成して、前記筐体に前記蓋を接合するように構成することができる。

本発明によれば、Ｍｇを多量に含むアルミニウム材であっても、高生産性でレーザ溶接することができ、高品質の溶接部を得ることができる。

本発明の実施形態のアルミニウム接合体の製造方法を示す模式図である。３種のレーザ光の焦点位置を示す図である。被溶接材と溶接部とを示す断面図である。（ａ）、（b）は、電池ケースの筐体と蓋との配置関係を示す図である。レーザ光の照射により形成された溶融池を示す断面図である。キーホールを示す図である。本発明の効果を示す図であり、（ａ）は従来の単一焦点の場合、（ｂ）は本発明のダブル焦点の場合の溶融池の大きさを示す。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態のアルミニウム接合体の製造方法に使用する装置を示す模式図である。レーザ光の光源１には、第１波長の第１レーザ光を出射する発振器２と、第２波長の第２レーザ個を出射する発振器３とが設けられており、この光源１から、第１波長及び第２波長の２種類のレーザ光が出射される。レーザ光の光源４には、第３波長の第３レーザ光を出射する発振器が設けられている。これらの光源１、４からのレーザ光は、光導波路５ａ、５ｂを介して光合成器６に供給され、第１乃至第３のレーザ光が同一光軸上に合成される。そして、この光合成器６を出射したレーザ光は、光学系７ａ，７ｂにより被溶接材の表面上に収束する。

このとき、図２に示すように、第１のレーザ光は、被溶接材の加工表面の近傍に焦点位置が設定され、第２のレーザ光は、被溶接材の加工表面よりも材料の内部側に焦点位置が設定され、第３のレーザ光は、被溶接材の加工表面よりも上方に焦点位置が設定される。即ち、第１のレーザ光は第１の焦点位置にて収束し、第２のレーザ光は第２の焦点位置にて収束し、第３のレーザ光は第３の焦点位置にて収束する。これらの第１乃至第３のレーザ光は、光学系７ａ、７ｂからは同一光軸上に出射されるが、これらのレーザ光の焦点距離は、第２のレーザ光が最も長く、次いで、第１のレーザ光、第３のレーザ光となり、第２のレーザ光の焦点距離が最も短い。そして、第１のレーザ光の第１の焦点位置は、被溶接材の表面の近傍であり、この被溶接材の表面を規準表面とすると、光軸上において、この規準表面から０．２ｍｍ上方の位置から０．２ｍｍ下方の位置までの範囲に設定される。第２のレーザ光の第２の焦点位置は、被溶接材の表面から被溶接材の内部に入り込む位置であり、光軸上において、規準表面から０．２乃至０．９ｍｍだけ材料内部に入り込んだ位置である。更に、第３のレーザ光の第３の焦点位置は、被溶接材の表面の上方の位置であり、光軸上において、規準表面から０．２乃至０．５ｍｍだけ材料よりも上方の位置である。なお、レーザ光は、第１及び第２の２種のレーザ光を混合したものを使用してもよいし、第１乃至第３の３種のレーザ光を混合したものを使用してもよい。

この場合、電池ケースは、図４（ａ）に示すように、筐体１０の上端が開口しており、この筐体１０の上端開口部の上に蓋１１を載置して、矢印にて示すように、蓋１１の下面と筐体１０の上端との間の位置を接合するか、又は、図４（ｂ）に示すように、蓋１１が筐体１０の上端開口部内に嵌合する大きさを有していて、蓋１１を筐体１０に嵌合して、矢印にて示すように、この蓋１１の縁部と筐体１０の上端内面との間の位置を接合する。

従って、例えば、図４（ｂ）の場合は、図３に示すように、筐体１０の上端面と蓋１１の上面端部との間に溶接部１２が形成される。そして、これらの被溶接材（蓋１１及び筐体１０）は、その溶接部において、レーザ光が照射される表面は基本的には面一である。このため、図２に示すように、第１乃至第３のレーザ光の焦点位置を設定するための基準となる被溶接材の基準面の位置は双方の被溶接材で同一である。しかしながら、上述のように、被溶接材の表面が面一でない場合、即ち、両被溶接材の表面に段差がある場合は、第１乃至第３のレーザ光の焦点位置を設定するための基準となる基準面として、いずれか一方の被溶接材の表面を採用する。

次に、本発明の実施形態の動作について説明する。先ず、例えば、筐体１０と蓋１１とを図３に示すように配置し、突合せ継手を構成する。そして、図１に示すように、光源１又は光源１及び光源２からレーザ光を出射し、第１の焦点位置をもつ第１のレーザ光と第２の焦点位置をもつ第２のレーザ光を、同一光軸上で、溶接部１２に照射するか、第１の焦点位置をもつ第１のレーザ光、第２の焦点位置をもつ第２のレーザ光及び第３の焦点位置をもつ第３のレーザ光を、同一光軸上で、溶接部１２に照射する。そして、レーザ光が照射された部分がレーザ光のエネルギにより加熱されて溶融し、溶融池が形成され、レーザ光の照射位置を図３の紙面に垂直の方向である溶接線に沿って移動させることにより、蓋１１の縁部がその全域で筐体１０の上端部に接合される。

レーザ溶接においては、図５に示すように、レーザ光２０の照射に伴い、キーホール２１が形成され、キーホール２１よりもレーザ光の進行方向（溶接方向）の反対方向の位置に溶融池２２が形成される。そして、キーホール２１の形成過程で気泡２４が発生し、この気泡２４が溶融池２２内で浮上しきれず、溶融池２２が凝固したときに溶接金属中に取り込まれると、ポロシティ又はブローホール等の欠陥２３が発生する。このとき、Ｍｇを多く含むアルミニウム合金、例えば、ＪＩＳ３００４合金、ＪＩＳ３１０４合金、ＪＩＳ５０５２合金、又はＪＩＳ５１８２合金は、Ｍｇが蒸発しやすく、このため、Ｍｇの蒸発により発生する気泡２４により、ブロイーホール欠陥２３が発生しやすい。また、Ｍｇを多量に含むアルミニウム合金は、Ｍｇの蒸発により溶融池の溶湯が跳ねて形成されるスパッタ欠陥も生じ易くなる。更に、レーザ溶接の場合は、急激なエネルギの付与による材料の溶接部の熱膨張収縮により、溶接割れが生じ易い。

従来、このような溶接欠陥又はスパッタの発生を防止するために、レーザ光のエネルギ密度を高くしてビーム径を小さくして溶接したり、逆に、レーザ光をデフォーカスして、ビーム径を大きくして溶接する等の試みがなされていた。しかし、高エネルギ密度のビームで溶接した場合は、上述のスパッタ及び溶接割れの問題が大きくなり、逆に、レーザビームをデフォーカスした場合は、十分な接合強度を得るために必要な溶け込み深さを得にくいという問題点がある。なお、キーホール２１は、常に一定形状に維持されているのではなく、レーザ光の移動と共に、図６に示すように、局部的に閉塞したり、拡がったりしている。

本発明においては、特に、Ｍｇを多量に含むアルミニウム材をレーザ溶接する際の上述の問題点を解消するために、焦点位置が異なる２種又は３種のレーザ光を、光軸を同一にして同時に被溶接材に照射する。この焦点位置が異なる２種又は３種のレーザ光を得るために、波長が異なる２種又は３種のレーザ光を重畳させて合成し、同一のレンズを透過させて被溶接材に照射する。これにより、光軸上で、焦点位置が異なる２種又は３種のレーザ光が被溶接材に照射される。

このとき、第１のレーザ光が、その焦点位置が、被溶接材の表面位置の近傍で焦点を結ぶので、被溶接材の表面近傍の部分が加熱され、溶融する。この第１のレーザ光の照射は、エネルギ密度が高いレーザ光（被溶接材の表面で焦点を結び、表面でビーム径が小さい）を被溶接材に照射した場合と同様の作用を有する。一方、同時に、その焦点位置が材料の内部に位置する第２のレーザ光も照射する。これにより、被溶接材の内部が加熱され、溶融する。この第２のレーザ光の照射は、デフォーカスしたレーザ光を照射した場合と同様の作用を有する。このような２種類の焦点位置を有するレーザ光を照射することにより、被溶接材においては、その溶融池の長さが長くなる。即ち、図７（ａ）に示す従来のシングル焦点の場合は、レーザ進行方向（溶接方向）における溶融池の幅が小さいのに対し、本発明のように焦点位置が２個のダブル焦点である場合は、図７（ｂ）に示すように、溶融池がレーザ進行方向（溶接方向）の後方に延び、レーザ進行方向における溶融池の幅が大きくなる。このように、本発明の場合は、溶融池がレーザ進行方向に長く拡がる結果、発生した気泡は、溶融池内で上昇して、溶融池の表面から離脱しやすくなり、溶融池が凝固した後の溶接部にブローホール及びポロシティ等の欠陥が発生することが抑制される。このため、Ｍｇを多量に含むアルミニウム材であっても、発生した気泡が溶融池から離脱しやすく、凝固後の溶接部にブローホール等の欠陥が発生することが防止される。また、溶融池が拡がることにより、気泡が溶融池内で暴れることが抑制され、スパッタの発生も防止される。

一方、上記第１及び第２のレーザ光に加えて、焦点距離が短い第３のレーザ光も照射した場合は、更に、デフォーカスしたレーザ光の照射が加わり、溶融池が更に拡がる。これにより、溶接部欠陥を一層低減することができる。更に、スパッタもより一層低減することができる。

次に、本発明の効果を実証する実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。レーザ光源１の発振器２，３から、半導体レーザ光を出射し、レーザ光源４から、連続ＹＡＧレーザ光又はパルス発振式ＹＡＧレーザ光を出射した。半導体レーザ光は、発振器２，３から出射したものであり、夫々、波長が８０８ｎｍ、９４０ｎｍである。ＹＡＧレーザ光は波長が１０６４ｎｍである。

半導体レーザの出射条件は、レーザ出力が２．８乃至３．５ｋＷ、溶接速度が１０ｍ／分、シールドガスがＡｒガスで流量が２０リットル／分であり、発振器２，３からレンズ（光学系７ａ、７ｂ）まで直径が０．４ｍｍの光ファイバ（導波路５ａ、５ｂ）で伝送した。

連続ＹＡＧレーザは、レーザ出力が３．０乃至４．０ｋＷ、溶接速度が１０ｍ／分、シールドガスがＡｒガスで流量が２０リットル／分であり、発振器からレンズまで直径が０．４ｍｍの光ファイバで伝送した。パルスＹＡＧレーザは、レーザ出力が３００Ｗ、溶接速度が１ｍ／分、シールドガスがＡｒガスで流量が２０リットル／分であり、発振器からレンズまで直径が０．４ｍｍの光ファイバで伝送した。

下記表１に示すように、素材を組合せて溶接した。溶接継手は、図３に示す筐体１０とこの筐体１０の上端開口部に嵌合された蓋１１との間に形成されるＩ開先の下向継手であり、溶接線に垂直の断面はＬ字形である。蓋１１及び筐体１０の中で、蓋１１は厚板側、筐体１０は薄板側であり、厚板側アルミニウム材は厚さが１．０乃至１．５ｍｍであり、薄板側アルミニウム材は厚さが０．３乃至０．８ｍｍである。なお、表１の品種欄は厚板側のアルミニウム材の合金種と薄板側のアルミニウム材の合金種を、ＪＩＳ記号で表したものである。焦点位置は図２のＡ，Ｂ，Ｃの位置である。

スパッタ量は、溶接部の外観に付着した球状の溶融金属の凝固物の数を測定した。そして、１０ｍｍ長あたり、スパッタ粒子が０個の場合を◎、１個以下の場合を○、１個を超え５個以下の場合を△、５個を超えた場合を×としてスパッタ量を評価した。

ポロシティ及び溶接割れの判定は、溶接線方向に平行の溶接部断面を研磨し、この溶接前に開先位置であった部分の研磨面を拡大鏡にて１０倍に拡大して、ポロシティ及び溶接割れを観察した。そして、ポロシティは、１０ｍｍ長あたり、０個の場合を◎、１個以下の場合を○、１個を超え５個以下の場合を△、５個を超えた場合を×として評価した。割れは、１個でも存在した場合は、×とした。表１の評価欄は、溶接品質において、◎が２個以上あれば◎、×が２個以上あれば×、×が１個又は△が２個であれば△、×及び△がない場合は○とした。

この表１に示すように、本発明の実施例１乃至１２は、溶接品質がいずれも○か◎であり、評価も◎か○であり、優れたものであった。これに対し、本発明の範囲から外れる比較例１乃至１４は、いずれかの溶接品質が×か△であり、評価も×か△であった。

１，４：光源
２，３：発振器
７ａ，７ｂ：光学系
１０：筐体
１１：蓋
２０：レーザ光
２１：キーホール
２２：溶融池
２３：欠陥（ブローホール）
２４：気泡

Claims

アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、１個の光軸上に２個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第１焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、１個の光軸上に３個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第１焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第３の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて０．２乃至０．５ｍｍの位置となるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を突合せて配置し、１個の光軸上に２個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第１焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
アルミニウム材からなる１対の被溶接材同士を突合せて配置し、１個の光軸上に３個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第１焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に０．２ｍｍ以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第２焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて０．２乃至０．９ｍｍの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第３の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて０．２乃至０．５ｍｍの位置となるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
前記アルミニウム材は、ＪＩＳ１０００系、３０００系又は５０００系であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
一方のアルミニウム材がＪＩＳ１０００系、他方のアルミニウム材がＪＩＳ３０００系又は５０００系であり、前記一方のアルミニウム材が電池ケースの蓋であり、前記他方のアルミニウム材が電池ケースの筐体であり、前記筐体に前記蓋が接合された電池ケースを製造することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアルミニウム接合体の製造方法。