JP2017123318A - 異種導電部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム部材と銅部材を突き合わせレーザ接合して、バスバー等の異種導電部材を製造する場合に、高い強度及び導電性を有し、部材のレイアウトの自由度が高い導電部材を提供する。
【解決手段】アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ、レーザビーム５を突き合わせ部に沿って移動させながら前記突き合わせ部に照射し、アルミニウム部材１と銅部材２をレーザ溶接する。レーザ溶接に際し、レーザビーム５を前記突き合わせ部に沿って複数回移動させ、アルミニウム部材１の端部を溶融させて前記突き合わせ部に沿って線状の溶融部６を形成し、アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ方向に押し付け、前記溶融部６を突き合わせ部の外側に流動させる。レーザ溶接後、突き合わせ部の外側に形成されたバリ８を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム部材と銅部材を突き合わせてレーザ溶接し、電子・電気部品の接続に用いるバスバーなどの異種導電部材を製造する方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に用いられるコンデンサ装置は、充放電を繰り返し行うことから、渦巻き状に捲回されたコンデンサ素子に電極を設け、この電極間を導電部材であるバスバーで接続し通電している。従来、このような導電部材には高い導電性を確保するために、銅材（純銅又は銅合金）が用いられていた。
ところが近年、環境問題に配慮し、排出ガスの低減等を実現するため、自動車の軽量化が要求されている。このため、特に端子コネクターやバスバーなどの導電部材においては、重量が大きい銅材の一部又は全部を、アルミニウム材（純アルミニウム又はアルミニウム合金）に置き換えて軽量化を図る試みがなされている。

例えば特許文献１には、第１金属板（銅材）と第２金属板（アルミニウム材）の端部を重ね合わせて接合し、異種導電部材を製造する方法が記載されている。具体的には、第１，第２金属板の端部にそれぞれ凸状の山部と凹状の谷部を形成し、第１，第２金属板の端部を重ね合わせて山部と谷部を係合させ、重ね合わせ部を上下一対のロールで圧延して圧接し、拡散焼鈍して第１，第２金属板を接合する。
特許文献２には、アルミニウム部材と銅部材の端部同士を突き合わせ、突き合わせ部をレーザ溶接して、異種導電部材を製造することが記載されている。レーザ溶接に際しては、レーザ光の中心位置を突き合わせ線からアルミニウム部材側にオフセットさせ、レーザ光のアルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積より大きくなるようにする。

特許文献３には、銅材とアルミニウム材を面接触させ、超高圧の静水圧環境下で押出加工して接合し、異種導電部材（バスバー）を製造することが記載されている。また、超高圧の静水圧環境下での押出加工により、銅材とアルミニウム材は金属的結合をすると記載されている。
特許文献４には、合金系の異なるアルミニウム材（１０００系と６０００系）を摩擦攪拌接合して一体化して、異種導電部材（バスバー）を製造することが記載されている。

特開２００８−６４９６号公報 特開２０１１−５４９９号公報 特開２０１１−２１０４８０号公報 特開２０１５−１５２１１号公報

特許文献１に記載された異種導電部材の製造方法は、第１金属板と第２金属板の端面を予め加工する必要があるため手間がかかり、圧延スタンドの幅により第１，第２金属板の幅が制限される。また、第１，第２金属板に板厚差がある場合は、圧接が困難という問題がある。
特許文献２に記載された異種導電部材の製造方法は、レーザ溶接部分に銅とアルミニウムの２元系金属間化合物が形成され、これにより、銅部材とアルミニウム部材の間の電気の導通が阻害され、銅部材とアルミニウム部材の接合強度が低下するおそれがある。

特許文献３に記載された異種導電部材の製造方法は、銅材とアルミニウム材が金属的結合をしていることで、高い導電性が得られると考えられる。しかし、押出形状はダイス孔の形状に制約されるため、異種導電部材の形状設計の自由度が制約される。
特許文献４に記載された異種導電部材の製造方法は、合金系の異なるアルミニウム材を摩擦攪拌接合で接合しているため、接合体としての強度は得られるものの、アルミニウム材同士が金属的結合をしていない。このため、摩擦攪拌接合で接合した異種導電部材は、バスバーとして用いるための十分な導電性が確保できないという問題がある。

本発明は、アルミニウム部材と銅部材を接合して、バスバー等の異種導電部材を製造する場合において、導電部材としての強度が確保でき、導電性が高く、かつ部材のレイアウトの自由度が高い導電部材を提供することを目的とする。

本発明は、アルミニウム部材と銅部材を突き合わせ、レーザビームを突き合わせ部に沿って移動（走査）させながら前記突き合わせ部に照射し、前記アルミニウム部材と銅部材をレーザ溶接して異種導電部材を製造する方法において、レーザ溶接に際し、前記レーザビームを前記突き合わせ部に沿って複数回移動させ、前記アルミニウム部材の端部を溶融させて前記突き合わせ部に沿って線状の溶融部を形成し、前記アルミニウム部材と前記銅部材を突き合わせ方向に押し付け、前記溶融部の材料を突き合わせ部の外側に流動させ、レーザ溶接後に前記突き合わせ部の外側に形成されたバリを除去することを特徴とする。
なお、本発明においてアルミニウム部材とは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材を意味し、銅部材とは純銅又は銅合金からなる部材を意味する。
上記製造方法において、レーザビームは、前記突き合わせ部に沿って１回以上往復動させてもよく、一方向にのみ複数回移動させてもよい。
上記製造方法において、前記アルミニウム部材と銅部材は、前記溶融部を形成しながら押し付けてもよく、前記溶融部を形成後に押し付けてもよい。
上記製造方法において、アルミニウム部材の板厚を銅部材の板厚よりも厚くしておくことが好ましい。

本発明によれば、バスバー等の導電部材としての強度を確保しつつ、導電性が高く、部材のレイアウトの自由度が高い異種導電部材の製造方法（レーザ溶接方法）を提供することができる。本発明の製造方法で得られた異種導電部材は、アルミニウム部材と銅部材をレーザ溶接したものであり、車載電池ユニット及びキャパシターの電気接続用バスバー等の導電部材として好適に利用することができる。

本発明の製造方法の概要を示す斜視図である。 本発明の製造方法の概要を示す平面図である。 本発明の製造方法によるレーザ溶接部（溶融部形成時）の板厚方向断面を示す模式図である。 本発明の製造方法によるレーザ溶接部（溶融部流動時）の板厚方向断面を示す模式図である。 本発明の製造方法によるレーザ溶接部（凝固時）の板厚方向断面を示す模式図である。 本発明の製造方法の一実施形態を示す模式図である。 本発明の製造方法の他の実施形態を示す模式図である。 比較例の製造方法（１パス溶接）によるレーザ溶接部の板厚方向断面図（顕微鏡写真）である。 本発明の製造方法（３パス溶接）によるレーザ溶接部の板厚方向断面図（顕微鏡写真）である。 本発明の製造方法（３パス溶接）による別のレーザ溶接部の板厚方向断面図（顕微鏡写真）である。この例では銅部材とアルミニウム部材の板厚が異なる。

以下、図１〜図５Ｃを参照して、本発明に係る異種導電部材の製造方法について、より具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
図１，２に示すように、本発明の製造方法において、アルミニウム部材（アルミニウム板）１と銅部材（銅板）２は、互いに端面同士を突き合わせた状態（突き合わせ線３）で突き合わせ継手を構成する。前記継手部ではアルミニウム部材１と銅部材２が、突き合わせ方向に押し付けられ、この状態でレーザ溶接が行われる。
図１において、４はスキャナレーザ装置のガルバノヘッドであり、内部にガルバノミラーを備え、レーザビーム５を突き合わせ部（突き合わせ線３）に沿って移動（走査）させながら、前記突き合わせ部に照射する。レーザビームの１回の移動（走査）を１パスとした場合、本発明では、これが複数パス実施される。レーザビーム５は、照射したままの状態で前記突き合わせ部に沿って１回以上往復動させてもよく（往復動１回で２パス）、一方向にのみ複数回移動させてもよい。図２には、後者の場合のレーザビーム５の移動方向が矢印で示されている。レーザビーム５が同矢印の方向（その逆方向でもよいが）に複数回移動することにより、前記突き合わせ部では、アルミニウム部材１の端部が板幅方向全域に亘って溶融し、線状の溶融部が形成される。

前記溶融部において溶融している金属は大部分がアルミニウムであるが、入熱量によっては銅が少量溶融する。図３Ａに示すように、溶融部６は、アルミニウム部材１側に存在するアルミニウム溶融域６ａと、銅部材２とアルミニウム溶融域６ａの境界部に存在する混合域６ｂからなる。この混合域６ｂは溶融したアルミニウムに銅が溶け込んだ領域であり、混合域６ｂの銅部材２側の端部に、Ａｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物が膜状に形成される。
なお、アルミニウム部材１と銅部材２が溶接された異種導電部材において、Ａｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物の層が両部材１，２の間に厚く存在すると、アルミニウム部材１と銅部材２との電気の導通が阻害される。また、Ａｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物の層が厚く存在することにより、アルミニウム部材１と銅部材２の接合強度が著しく低下する。バスバー等の導電部材では曲げ加工等が行われるため、所定の接合強度が必要である。このため、溶融部６に存在するＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物は極力排除することが望ましい。

アルミニウム部材１と銅部材２は突き合わせ方向に押し付けられているため、図３Ｂに示すように、溶融部６（アルミニウム溶融域６ａと混合域６ｂ）の材料は突き合わせ部の外に流動する（押し出される）。溶融部６の流動に伴い、混合域６ｂの端部で生成したＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物も、突き合わせ部の外に押し出され排除される。
続いて、レーザビーム５の照射を停止させると、図３Ｃに示すように、その時点で突き合わせ部に存在する溶融部６の材料がすぐに凝固して溶接金属７となり、突き合わせ部の外に押し出された材料も凝固してバリ８となる。図３Ｃでは、溶融部６の材料のほとんどが排除され、アルミニウム部材１と銅部材２とがごく薄い厚みの溶接金属７を介して接合された状態が模式的に示されている。
なお、混合域６ｂの材料（銅を含む溶融アルミニウム）が凝固するときＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物が形成されるため、該混合域６ｂの材料はできるだけ突き合わせ部の外に排除することが好ましい。

上記レーザ溶接方法によれば、レーザ溶接後、アルミニウム部材１と銅部材２の突き合わせ部にＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物の層が形成されず、仮に形成された場合でもごく薄い層に留まる。これは、溶融部６が流動するとき、混合域６ｂの材料の全部又は大部分が突き合わせ部の外に押し出されるためと推測される。これによって、アルミニウム部材１と銅部材２とが、突き合わせ面で溶接金属を介して金属的に接合し、良好な導電性と接合強度を得ることができる。
なお、アルミニウム部材１の板厚が銅部材２よりも厚いと、アルミニウム部材１が多く溶融し、突き合わせ部の外に押し出されるメタルの量が多くなるため、混合域６ｂの材料の排出をより効果的に行うことができる。
レーザ溶接後、突き合わせ部の外に押し出された材料（ばり８）をカッターなどで除去し、異種導電部材を得ることができる。

前記スキャナレーザ装置より発せられるレーザビーム５の種類は、特に限定されず、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバ―レーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等が利用できる。レーザビーム５のビーム径（直径）は特に限定されず、適宜変更することができるが、０．１〜０．６ｍｍの範囲であることが好ましい。レーザビーム５の出力は特に限定されず、アルミニウム部材１を線状に溶融させることができれば良い。突き合わせ部にいわゆる貫通ビードを形成させるために、レーザビーム出力は２０００Ｗ以上が好ましく、１０ｋＷ以上がより好ましく、ビームの移動速度は１０ｍ/ｍｉｎ以上が好ましく、５０ｍ/ｍｉｎ以上がより好ましい。
なお、レーザビーム溶接はキーホール溶接でも良いし、レーザビームをデフォーカスさせて照射していわゆるする熱伝導型ビーム溶接で行うこともできるが、キーホール溶接の方が好ましい。

レーザビーム５の中心は、アルミニウム部材１と銅部材２の突き合わせ部（突き合わせ線３）に一致させてもよく、また、特許文献２に記載されているように、アルミニウム部材１側にシフト（オフセット）させてもよい。後者の場合、アルミニウム部材１への熱量供給量が大きくなり、脆性の高いＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物の生成を低減することができる。好ましいオフセット量（レーザビーム５の中心と突き合わせ線３の距離）は、ビーム径をＤ、オフセット量をｄとしたとき、ｄ／Ｄ×１００＝１０〜４５（％）である。

アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ方向に押し付けるとき、両部材１，２を全幅で均一に押し付ける必要があり、そのためには、アルミニウム部材１の端部を、突き合わせ線３に沿って線状に溶融し、線状の溶融部６を全幅で形成する必要がある。
アルミニウム部材１及び銅部材２は熱伝導率が高いため、レーザビーム５の通過後、前記両部材に接する溶融部６の凝固がすぐに始まる。このため、レーザビーム５の走査が１パスのみでは、幅方向の溶融状態にバラツキがでる。その場合、溶融部と凝固部が幅方向に混在することになり、アルミニウム部材１と銅部材２を幅方向で均一に押し付けることが困難であり、混合域６ｂの材料（銅を含む溶融アルミニウム及びアルミニウムＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物）の排出がうまくできない。

一方、突き合わせ部に対するレーザビーム５の走査を複数パス実施することにより、突き合わせ線３に沿った線状の溶融部６を形成すると、両部材１，２を全幅で均一な力で押し付けることができる。具体的には、レーザビーム５をアルミニウム部材１と銅部材２の突き合わせ部（突き合わせ線３）に沿って１回以上往復動させるか、一方向に複数回繰り返し移動させる。これにより、突き合わせ線３に沿って線状の溶融部６を形成し、両部材１，２の突き合わせ部から、混合域６ｂの材料の排出をスムーズに行うことができる。
なお、アルミニウム部材１及び銅部材２が幅広の場合は、複数のスキャナレーザ装置を幅方向に沿って配置し、それらにより線状の溶融部６を形成することもできる。

以上説明したレーザ溶接方法では、レーザビーム５の照射前から、アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ方向に押し付け、その状態でレーザビーム５を照射し突き合わせ線３に沿った線状の溶融部６を形成していた。この場合、溶融部６の形成と溶融部６の材料の流動（突き合わせ部から排出）が実質的に並行して進行し、レーザビーム５の照射を停止すると、突き合わせ部に残留する溶融アルミニウムの凝固がすぐに始まる。
一方、レーザビーム５を照射して線状の溶融部６を形成した後、アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ方向に押し付け、溶融部６の材料を流動（突き合わせ部から排出）させることもできる。レーザビーム５の照射の停止は、例えばアルミニウム部材１と銅部材２を互いに押し付ける直前などの適宜のタイミングで行うことができる。この場合も、混合域６ｂの材料は突き合わせ部の外に排除され、アルミニウム部材１と銅部材２の突き合わせ部にＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物の層が形成されず、仮に形成された場合でもごく薄い層に留まる。

アルミニウム部材１は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。純アルミニウムとしては、ＪＩＳＡ１０００系などを使用することができ、その中でも、加工性が高いＡ１０５０が好ましい。アルミニウム合金としては、ＪＩＳ Ａ２０００系（Ａｌ−Ｃｕ系合金）、ＪＩＳ Ａ３０００系（Ａｌ−Ｍｎ系合金）、ＪＩＳ Ａ４０００系（Ａｌ−Ｓｉ系合金）、ＪＩＳ Ａ５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、ＪＩＳ Ａ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）、ＪＩＳ Ａ７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）等を使用することができ、その中でも、導電性に優れたＪＩＳＡ６１０１が好ましい。

銅部材２は、純銅又は銅合金からなる。純銅としては、例えばＯＦＣ（Ｏｘｙｇｅｎ−Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ／無酸素銅）、タフピッチ銅、りん脱酸銅等を使用することができる。銅合金としては、例えばＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ（コルソン合金）系等を使用することができる。
なお、アルミニウム部材１と銅部材２の素材としては、表面処理がなされていない裸材でもよいし、Ｓｎめっき、亜鉛めっき等の電気めっき処理、亜鉛溶射などの表面処理を行った材料を使用してもよい。

アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせレーザ溶接する際の具体的方法の例を、図４Ａ，４Ｂを参照して説明する。
図４Ａに示す方法は、アルミニウム部材１と銅部材２を共に平板の状態で突き合わせるもので、アルミニウム部材１を一対のピンチロール１１，１１挟み、銅部材２をピンチロール１２，１２で挟む。突き合わせ部に沿ってレーザビーム５を往復照射し、突き合わせ部に線状の溶融部６を形成しながら、前記ピンチロール１１，１１，１２，１２を作動させ、アルミニウム部材１と銅部材２を突き合わせ方向に押し付け、次いでレーザビーム５の照射を止める。

図４Ｂに示す方法は、共に板材からなるアルミニウム部材１と銅部材２を仮止めし（仮止め部１３）、パイプ状に曲げ加工した後、鼓形のスクイズロール１４，１４で前方に移動させながら端部同士を突き合わせ、突き合わせ部に沿ってレーザビーム５を往復照射する。突き合わせ部に沿って線状の溶融部６が形成され、スクイズロール１４，１４により両部材１，２が互いに押し付けられ、その状態で前方に移動する。レーザ溶接後は、仮止め部１３を解除し、必要に応じてパイプ形状から例えば板状に成形（曲げ戻し）する。
なお、アルミニウム部材１と銅部材２の幅Ｗ（図４Ａ参照）が狭い場合は、図４Ａに示す方法でも、溶融部６が幅方向に均一に形成され、両部材１，２を幅方向に沿って均一に押し付けることができる。しかし、両部材１，２の幅が広い場合は、図４Ｂに示す方法の方が、両部材１，２を幅方向に沿って均一に押し付けることができる。

以下、本発明に係る異種導電部材の製造方法の実施例を示し、本発明を更に詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は本発明の一例にすぎず、これにより本発明の範囲が狭く解釈されるべきではない。
アルミニウム部材及び銅部材として、いずれも幅２０ｍｍ長さ１００ｍｍの平板（短冊片）を用い、幅側の端面同士を突き合わせた。アルミニウム及び銅の組成（いずれもＪＩＳの合金番号）、及び両部材の板厚を表１に示す。
アルミニウム部材と銅部材を突き合わせ方向に押し付けながら、突き合わせ部に沿って上面からレーザビームを照射し、アルミニウム部材の端部を溶融させて突き合わせ部に沿って線状に溶融部を形成した。これにより、溶融部の材料が突き合わせ部の外側に押し出され、両部材が接合された。

スキャナーレーザ装置は、発振器としてトルンプ株式会社製のＴｒｕｄｉｓｋ４００２、溶接ヘッドとして株式会社ワイ・イー・データ製のガルバノヘッドスキャナーユニットを用いた。レーザビームはヘッド内のミラー動作により直線方向に移動する。実施例１〜７では、突き合わせ部に沿って全幅に複数回レーザビームを走査し複数パス溶接をした。比較例１，２では、レーザビームを１回走査させるだけの１パス溶接をした。レーザ溶接条件を表１に示す。レーザ溶接後、ばりを除去した。

得られた接合部材（異種導電材料）を用い、引張試験、曲げ試験、及び電気抵抗の測定を下記要領で行った。その結果を表１に併せて示す。また、表１には、個々の特性の評価のほか、優（◎）、良（○）、不可（×）の総合評価を記載している。
引張試験は、前記接合後の短冊試験片を引張試験機を用いて破断するまで引張って破断荷重（Ｎ）を測定した。継手の引張強度は前記破断荷重を試験片の断面積（１×２０ｍｍ^２）で除して求めた。
曲げ試験は、接合部材の溶接線の部分を直径１０ｍｍの丸棒に宛がい（溶接線の方向を丸棒の長さ方向に平行）、接合部材を丸棒に対して押し当て９０度になるまで曲げ加工した。破断せずに曲げ加工できたものを良好（○）と評価した。
電気抵抗は、四端子法を用い、１００Ａの電流を流した時の溶接線中央からそれぞれ２５ｍｍ離れた地点間（測定間長さ５０ｍｍ）の電気抵抗を測定した。

レーザビームのパス回数が１回である比較例１，２は、突き合わせ部に沿った溶融部の形成が不均一で、溶融部が押し潰されず、図４Ａに示すように、溶融部が突き合わせ部から押し出されないままに凝固した。なお、図４Ａに見られる黒い線状の部分はＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物である。その結果、比較例１，２は突き合わせ部（継手部）が非常に脆く、表１に示すように、引張試験の途中で接合部が破断し引張り強度の測定ができず、曲げ試験においても曲げ途中で接合部が破断し、曲げ強度の評価もできなかった。また、継ぎ手部の導電性が不良（電気抵抗が比較的大きい）であった。

一方、レーザビームのパス回数が複数回である本発明の実施例１〜７は、突き合わせ部に沿って形成された溶融部が押し潰され、溶融部の材料が板厚方向外側に押し出されて排除され、外側にバリが形成された。その結果、実施例１〜７の突き合わせ部（継手部）ではＡｌ−Ｃｕ二元系金属間化合物が未形成か、形成された場合でも最大で１０μｍ程度の厚みであり、高い継手引張強度が得られ、曲げ加工性が良好で、継ぎ手の導電性が良好（電気抵抗が小さい）であった。特にアルミニウム部材の板厚が銅部材の板厚より大きい実施例６，７は、全ての特性に優れ（特に引張強度）、総合評価も◎であった。
実施例１〜５及び実施例６，７では、それぞれ図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、突き合わせ部で溶融部の材料が板厚方向外側に良好に排出されていた。

１ アルミニウム部材
２ 銅部材
３ 突き合わせ線
５ レーザビーム
６ 溶融部
６ａ アルミニウム溶融部
６ｂ 混合部

Claims (2)

1. アルミニウム部材と銅部材を突き合わせ、レーザビームを突き合わせ部に沿って移動させながら前記突き合わせ部に照射し、前記アルミニウム部材と銅部材をレーザ溶接して異種導電部材を製造する方法において、レーザ溶接に際し、前記レーザビームを前記突き合わせ部に沿って複数回移動させ、前記アルミニウム部材の端部を溶融させて前記突き合わせ部に沿って線状の溶融部を形成し、前記アルミニウム部材と前記銅部材を突き合わせ方向に押し付け、前記溶融部の材料を突き合わせ部の外側に流動させ、レーザ溶接後に前記突き合わせ部の外側に形成されたバリを除去することを特徴とする異種導電部材の製造方法。
2. 前記アルミニウム部材と銅部材が共に板材からなり、前記アルミニウム部材の板厚が前記銅部材の板厚よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載された異種導電部材の製造方法。