JP2020097039A - 異種金属部材の重ね溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部分において安定した強度が得られる異種金属部材の重ね溶接方法を提供する。【解決手段】第１の金属部材と前記第１の金属部材よりも高融点で硬い第２の金属部材とを重ね合わせてレーザ溶接する異種金属部材の重ね溶接方法であって、前記第１の金属部材の厚さは０．８［ｍｍ］以上２．０［ｍｍ］以下、前記第２の金属部材の厚さは０．３［ｍｍ］以上０．８［ｍｍ］以下であり、前記第１の金属部材の上に前記第２の金属部材を重ね合わせた状態で前記第２の金属部材の上方からレーザビームを照射することによる前記第１の金属部材の溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下で、かつ、前記溶け込み深さを溶接部の上面視における幅である溶接ビード幅で割った値が０．４３以下になる条件で、前記レーザビームを照射する。【選択図】図９

Description

本発明は異種金属部材の重ね溶接方法に関し、特にレーザビームを照射して異種金属部材を溶接する異種金属部材の重ね溶接方法に関する。

例えば、二次電池、キャパシタ（コンデンサ）等では、アルミニウムやその合金からなる端子や電極等と、銅やその合金からなる端子や電極等を電気的に接続するために溶接する場合がある。このような異種金属部材の溶接では、溶接部に硬くて脆い金属間化合物（ＩＭＣ：Intermetallic Compound）が形成され、割れが発生する虞がある。

特許文献１には、銅板上にアルミニウム板を載置して、アルミニウム板上からレーザビームを照射する異種金属部材の重ね溶接方法が開示されている。特許文献１では、金属間化合物の割合を１５〜６０％の範囲とすることによって、溶接部の強度を確保している。

特開２０１８−０１２１２５号公報

発明者らは、異種金属部材の重ね溶接方法に関し、以下の問題点を見出した。
上述の通り、特許文献１に開示された溶接方法では、銅板上にアルミニウム板を溶接する際、高融点の銅板を溶かさなくてはならないため、レーザビームのエネルギを高くする必要がある。しかしながら、レーザビームのエネルギを高くすると、溶融池においてアルミニウムと銅が混ざり合い撹拌されるため、金属間化合物の形成が促進されてしまう。このため、金属間化合物の割合を１５〜６０％の範囲に制御することは非常に難しく、溶接部の強度を確保することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、溶接部分において安定した強度が得られる異種金属部材の重ね溶接方法を提供するものである。

本発明の一態様に係る異種金属部材の重ね溶接方法は、
第１の金属部材と前記第１の金属部材よりも高融点で硬い第２の金属部材とを重ね合わせてレーザ溶接する異種金属部材の重ね溶接方法であって、
前記第１の金属部材の厚さは０．８［ｍｍ］以上２．０［ｍｍ］以下、前記第２の金属部材の厚さは０．３［ｍｍ］以上０．８［ｍｍ］以下であり、
前記第１の金属部材の上に前記第２の金属部材を重ね合わせた状態で前記第２の金属部材の上方からレーザビームを照射することによる前記第１の金属部材の溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下で、かつ、前記溶け込み深さを溶接部の上面視における幅である溶接ビード幅で割った値が０．４３以下になる条件で、前記レーザビームを照射するものである。

本発明の一態様に係る異種金属部材の重ね溶接方法では、厚さが０．８［ｍｍ］以上２．０［ｍｍ］以下の第１の金属部材の上に厚さが０．３［ｍｍ］以上０．８［ｍｍ］以下の第２の金属部材を重ね合わせて、第２の金属部材の上方からレーザビームを照射する。レーザビームは、第１の金属部材の溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下で、かつ、溶け込み深さを溶接ビード幅で割った値が０．４３以下になるような条件で照射する。
このようにすることで、溶接部分において安定した強度が得られ、溶接部にせん断応力がかかったときにも界面剥離ではなく母材破断をさせることができる。

本発明により、溶接部において安定した強度が得られる異種金属部材の重ね溶接方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を用いて溶接された重ね溶接継手の平面図である。 第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を示す断面図である。 第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を示す断面図である。 第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を示す断面図である。 溶接ビード幅について説明する模式図である。 本試験に用いたテストピースを示す模式図である。 本試験における溶接の条件を示す一覧表である。 溶け込み深さとせん断応力の関係を示すグラフである。 溶接ビード幅と溶け込み深さの関係を示すグラフである。 図９に示す、プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースのＡ−Ａ断面を光学顕微鏡で観察した様子を示す図である。 プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースのＡ−Ａ断面をＥＰＭＡで分析した結果を示す図である。 図９に示す、プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースに対し、静的引っ張り試験を行った後の溶接部の破断状況を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜溶接された積層金属箔の構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を用いて溶接された重ね溶接継手について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を用いて溶接された重ね溶接継手の平面図である。図１に示すように、重ね溶接継手は、溶接部３０によって溶接された金属部材１０、２０から構成されている。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

金属部材１０、２０は融点の異なる金属材料からなり、金属部材２０は金属部材１０よりも高融点で硬い金属材料からなる。金属部材１０、２０は、例えば、二次電池、キャパシタ（コンデンサ）等における端子や電極等の部材である。金属部材１０は、例えばアルミニウムを主成分とし、高導電率を有する金属材料からなる。金属部材２０は、例えば銅を主成分とし、高導電率を有する金属材料からなる。
なお、図１に示した金属部材１０、２０は、いずれもｘ軸方向に延設された平面視矩形状の単純な金属板であるが、重ね溶接可能であれば形状は何ら限定されない。例えば、金属部材２０は平面視において円形状であってもよい。

図１に示した例では、金属部材１０のｘ軸負方向側端部上に高融点の金属部材２０のｘ軸正方向側端部が重ね合わせられている。詳細には後述するように、本実施形態に係る溶接方法では、金属部材１０の上に金属部材２０を重ね合わせた状態で、金属部材２０の上方から熱伝導溶接用のレーザビームを照射して、金属部材２０のみが溶融した溶融池を形成する。この溶融池が低融点の金属部材１０に接触することによって金属部材１０が溶融し、金属部材１０と金属部材２０とが溶接される。ここで、溶融池が凝固することによって、溶接部３０が形成される。

溶接部３０の平面形状は特に限定されないが、図１の例では、ｘ軸方向に延びたオーバル形状を有している。例えば、レーザビームをｘ軸正方向に１回走査することによって、このような形状の溶接部３０が形成される。
なお、溶接部３０は、金属部材２０のｘ軸正方向側外縁に、ｙ軸方向に並んで複数設けられていてもよい。

＜異種金属部材の重ね溶接方法＞
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法について説明する。図２〜図４は、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法を示す断面図である。本実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法は、融点の異なる異種金属部材を重ね合わせてレーザ溶接する異種金属部材の重ね溶接方法である。

まず、図２に示すように、レーザビームＬＢを照射する前に、金属部材（第１の金属部材）１０の上に、金属部材１０よりも高融点の金属部材（第２の金属部材）２０を重ね合わせる。図２の例では、金属部材１０のｘ軸負方向側端部上に、金属部材１０よりも高融点の金属部材２０のｘ軸正方向側端部を重ね合わせる。そして、金属部材２０の上方から熱伝導溶接用のレーザビームＬＢを照射する。この際、例えば金属部材２０の内側（ｘ軸負方向側）からｘ軸正方向側の外縁に向かって、ｘ軸正方向にレーザビームＬＢを走査させる。

上述の通り、金属部材１０は、例えばアルミニウムを主成分とし、高導電率を有する金属材料（アルミニウム及びその合金）からなる。金属部材２０は、例えば銅を主成分とし、高導電率を有する金属材料（銅及びその合金）からなる。
金属部材１０と金属部材２０との融点の差は、例えば３００℃以上である。なお、純銅の融点は１０８４℃、純アルミニウムの融点は６６０℃である。

また、図２に示した例では、金属部材１０上に金属部材２０を重ね合わせた際、レーザビームＬＢを照射する箇所において、金属部材１０と金属部材２０との間に隙間Ｇを設けている。具体的には、図２に示すように、金属部材２０のｘ軸正方向側外縁では、金属部材１０と接触している下面よりもレーザビームＬＢが照射される上面が突出するように、端面が傾斜している。そのため、金属部材２０のｘ軸正方向側外縁では、金属部材１０と金属部材２０との重ね合わせ面に楔状の隙間Ｇが形成されている。

なお、隙間Ｇの形状は特に限定されない。例えば、金属部材２０の下面よりも上面が突出するように、金属部材２０のｘ軸正方向側端面に単数又は複数の段差が設けられていてもよい。また、隙間Ｇは必須ではない。

次に、図３に示すように、熱伝導溶接用のレーザビームＬＢは金属部材１０に到達しないため、高融点の金属部材２０のみが溶融した溶融池３０ａを形成することができる。また、レーザビームＬＢを照射する間、溶融池３０ａの周囲全体は金属部材２０に囲まれている。そのため、表面張力によって金属部材２０に保持され、溶融池３０ａが金属部材１０に接触し難い。さらに、金属部材１０と金属部材２０との間の隙間Ｇによって、溶融池３０ａが金属部材１０に接触し難くなっている。

ここで、熱伝導型溶接用のレーザビームＬＢとは、キーホールが形成されない程度の比較的低いエネルギ密度を有するレーザビームＬＢである。レーザビームＬＢのエネルギ密度は、レーザビームＬＢの出力、走査速度、スポット径等の条件を変更することによって調整することができる。

次に、図４に示すように、レーザビームＬＢが金属部材２０のｘ軸正方向側外縁に到達すると、レーザビームＬＢの走査及び照射を終了する。すなわち、レーザビームＬＢを金属部材１０には直接照射しないようにする。ここで、溶融池３０ａも金属部材２０のｘ軸正方向側外縁に到達するため、溶融池３０ａのｘ軸正方向側外縁は、金属部材２０に囲まれなくなる。また、レーザビームＬＢの走査に伴い、溶融池３０ａは成長する。そのため、図４に示すように、溶融池３０ａが金属部材１０に接触する。金属部材２０の融点よりも高温の溶融池３０ａが低融点の金属部材１０に接触すると、金属部材１０が溶融する。ここで、図中のｄは、金属部材１０の溶け込み深さである。そして、溶融池３０ａが凝固することによって、溶接部が形成され、金属部材１０と金属部材２０とが溶接される。
例えば、銅からなる溶融池３０ａがアルミニウムからなる金属部材１０に接触すると、金属部材１０が溶融池３０ａに溶融した後、溶融池３０ａが凝固して溶接部が形成される。

なお、例えば、隙間Ｇにおける最大隙間（隙間が最大となる箇所）は０．０５ｍｍ以上とし、隙間Ｇにおける最小隙間（隙間が最大となる箇所）は０．５ｍｍ以下とする。隙間Ｇにおける最大隙間が０．０５ｍｍ未満の場合、隙間Ｇを設ける効果が得られない。他方、隙間Ｇにおける最小隙間が０．５ｍｍを超えると、レーザビームＬＢの照射終了後も、溶融池３０ａが金属部材１０に接触せず、金属部材１０と金属部材２０とを溶接することができなくなる虞がある。

本実施の形態に係る溶接方法では、第１の金属部材である金属部材１０の上に第２の金属部材である金属部材２０を重ね合わせて金属部材２０の上方からレーザビームを照射することによる金属部材１０の溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下で、かつ、溶け込み深さを溶接ビード幅で割った値（アスペクト比）が０．４３以下になる条件で、レーザビームを照射する。図５は、溶接ビード幅について説明する模式図である。図５に示すように、溶接ビード幅Ｗは、金属部材１０と金属部材２０との溶接部３０の上面視における幅である。

以下に、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法における溶接条件（実施例）と、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法以外の溶接条件（比較例）とについて比較した試験について説明する。

＜試験条件＞
まず、本試験の試験条件について説明する。
図６は、本試験に用いたテストピースを示す模式図である。図６に示すように、本試験に用いたテストピースは、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム板（ＪＩＳ規格Ａ１０５０）と厚さ０．５ｍｍの銅板（ＪＩＳ規格Ｃ１１００）である。本試験では、アルミニウム板（上に銅板を重ね合わせ、銅板の上方から下記条件でレーザビームを照射して、両者を溶接した。

図７は、本試験における溶接の条件を示す一覧表である。ここで、溶接の条件は、レーザビームの出力［ｋＷ］、走査速度［ｍｍ／ｓ］、走査距離［ｍｍ］及び照射エネルギ［Ｊ］である。走査距離は０．８ｍｍに固定した。照射エネルギＥは、レーザビームの出力Ｐと照射時間ｔとの積であり、照射時間ｔは走査距離Ｌを走査速度ｖで除した値である。すなわち、以下の式（１）によって照射エネルギＥが得られる。
Ｅ［Ｊ］＝Ｐ［Ｗ］×ｔ［ｓ］＝Ｐ［Ｗ］×Ｌ［ｍｍ］／ｖ［ｍｍ／ｓ］・・・（１）

本試験では、図７に示す各溶接条件で、図６に示すテストピースとしての、アルミニウム板と銅板の溶接を行った。そして、それぞれの溶接条件で溶接されたテストピースに対し、Ａ−Ａ断面（図６参照）を調査し、かつ、静的引っ張り試験を行って破断荷重と破断面の面積を測定してせん断応力を算出した。

＜試験結果＞
図８は、溶け込み深さとせん断応力の関係を示すグラフである。横軸はアルミニウム板の溶け込み深さ［ｍｍ］、縦軸はせん断応力［ＭＰａ］である。図８において、走査速度が、６０ｍ／ｓｅｃを菱形印、７９．８ｍ／ｓｅｃを四角印、１０６．１ｍ／ｓｅｃを三角印でプロットした。図８に示すように、せん断応力が閾値Ｐ１以上となる溶接条件ではアルミニウム板における母材破断が確認された。せん断応力が閾値Ｐ１未満となる溶接条件では溶接部での界面剥離が確認された。なお、母材破断とは、溶接部から離れた部分で、材料の引張り試験のような母材の破断が起こるものをいう。溶接部での界面剥離が起こった場合には、溶接強度が十分でないといえる。

図９は、溶接ビード幅と溶け込み深さの関係を示すグラフである。横軸は溶接ビード幅［ｍｍ］、縦軸はアルミニウム板の溶け込み深さ［ｍｍ］である。図９において、走査速度が、６０ｍ／ｓｅｃを菱形印、７９．８ｍ／ｓｅｃを四角印、１０６．１ｍ／ｓｅｃを三角印でプロットした。図８に示すように、台形の領域Ｓは、静的引っ張り試験を行った時に、溶接されたテストピースが母材破断した領域である。領域Ｓでは、溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下になり、かつ、溶け込み深さを溶接ビード幅で割った値（アスペクト比）が０．４３以下になった。つまり、領域Ｓにある溶接条件が実施例で、領域Ｓ以外の領域にある溶接条件が比較例である。

図１０は、図９に示す、プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースのＡ−Ａ断面を光学顕微鏡で観察した様子を示す図である。なお、プロット点Ａの溶接条件は実施例の代表であり、プロット点Ｂの溶接条件は比較例の代表である。図１０に示すように、プロット点Ａの溶接条件では溶け込み深さは０．１５［ｍｍ］以上（約０．１５［ｍｍ］）である。これに対し、プロット点Ｂの溶接条件では溶け込み深さは０．５５［ｍｍ］を超えている（約０．７［ｍｍ］）。

図１１は、プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースのＡ−Ａ断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）で分析した結果を示す図である。図１１における分析における検出元素はアルミニウムである。図１１に示すように、プロット点Ａの溶接条件ではアルミニウム板における銅の拡散が抑制されているのに対し、プロット点Ｂの溶接条件ではアルミニウム板において銅が拡散してしまっている。

図１２は、図９に示す、プロット点Ａ及びプロット点Ｂの溶接条件における、溶接後のテストピースに対し、静的引っ張り試験を行った後の溶接部の破断状況を示す図である。図１２に示すように、実施例の代表であるプロット点Ａの溶接条件では、アルミニウム板に溶接部が残っていない。つまり、実施例の代表であるプロット点Ａの溶接条件では、母材破断が確認された。比較例の代表であるプロット点Ｂの溶接条件では、アルミニウム板に溶接部が残っており、銅板の溶接部が欠けている。つまり、比較例の代表であるプロット点Ｂの溶接条件では、溶接部での界面剥離が確認された。このように、実施例に係る溶接条件では溶接部において安定した強度が得られ、比較例に係る溶接条件では溶接部の強度が不足していることが確認された。

以上より、第１の実施形態に係る異種金属部材の重ね溶接方法によれば、溶接部において安定した強度が得られる異種金属部材の重ね溶接方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、２０ 金属部材
３０ 溶接部
３０ａ 溶融池
Ｇ 隙間
ＬＢ レーザビーム

Claims (1)

1. 第１の金属部材と前記第１の金属部材よりも高融点で硬い第２の金属部材とを重ね合わせてレーザ溶接する異種金属部材の重ね溶接方法であって、
   前記第１の金属部材の厚さは０．８［ｍｍ］以上２．０［ｍｍ］以下、前記第２の金属部材の厚さは０．３［ｍｍ］以上０．８［ｍｍ］以下であり、
   前記第１の金属部材の上に前記第２の金属部材を重ね合わせた状態で前記第２の金属部材の上方からレーザビームを照射することによる前記第１の金属部材の溶け込み深さが０．１５［ｍｍ］以上０．５５［ｍｍ］以下で、かつ、前記溶け込み深さを溶接部の上面視における幅である溶接ビード幅で割った値が０．４３以下になる条件で、前記レーザビームを照射する、異種金属部材の重ね溶接方法。