CN101386943B - 激光可焊性优良的铝合金板材 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有优良的激光可焊性，即使在低输出功力下也可以得到良好的熔融状态的激光可焊性优良的电池壳体盖用铝合金板材，其特征在于，由含有0.6％～10％的Si、0.2％以下的Cu、0.2％以下的Mg，其余由Al及不可避免的杂质构成的铝合金形成，且基体中2μm～5μm的Si单相及金属间化合物在每10000μm²中存在40个以上。

Description

激光可焊性优良的铝合金板材

技术领域

本发明涉及一种用于通过激光焊接制造元件或壳体的铝合金板材，特别是，涉及一种适合作为手机或笔记本电脑等中使用的锂离子电池壳体盖用的、激光可焊性优良的铝合金板材。

背景技术

由于锂电池小型且电容量大，因此，作为汽车或移动装置的驱动用电源被广泛利用。尤其是，由于对组装于手机或笔记本电脑等中的构件，强烈要求其重量轻，因此，在锂离子电池壳体材料中，开始用Al-Mn类的A3003铝合金板来代替钢板或不锈钢板。

将多个工序的拉深及减薄拉深加以组合而成型的方形电池壳体中，Al-Mn类的A3003铝合金，是可以保持具有光泽的美丽的表面状态的同时能够使壳体薄壁化的原材料。薄壁化与内容积的增加直接相关，是谋求电池特性的高容量化的重要因素，方形电池壳体是通过激光焊接技术，采用作为纯铝合金的A1050合金盖材进行封口。

但是，反复进行充放电的锂离子电池，其在反应时内部压力上升的同时，温度也会上升，在该状态下的铝合金板材会发生蠕变变形，其结果，存在着增加电池壳体厚度的问题，当其厚度变形量大时，有对机器产生影响(故障、损坏等)之虑。

另外，盖材中使用的纯铝合金与A3003合金类相比，其导热性高，从激光可焊性的观点考虑，有熔透度变浅的倾向，因此是不优选的。为了得到规定的熔深，也可以提高激光焊接的输出功率，但存在着因输入热量的增加对电池壳体的内部结构体造成破坏之虑。为了缓和电池内部的压力上升，在电池壳体盖材中附有使板厚局部变薄(约20μm)的防爆功能。

近几年来，要求锂离子电池更加高容量化，从而不加大电池壳体的外形尺寸而使内容积增加成为研究的课题。因此，原材料必需进一步薄壁化，但薄壁化易引起蠕变变形，所以希望有一种不易引起蠕变变形的电池壳体用铝合金板材。

对方形电池壳体用原材料，要求其具有比在饮料罐成型中实施的拉深-减薄拉深更严格的成型性，在实用上对激光可焊性不会有问题也成为重要的因素。作为满足这种特性的材料，例如，有人提出了一种铝合金板，该铝合金板含有1％～1.5％的Mn、0.3％～0.8％的Mg、0.3％～0.6％的Cu、0.05％～0.25％的Si、0.2％～0.5％的Fe，其余由Al及不可避免的杂质构成(日本特许公开2004-156138号公报)。另外，考虑到成型性，还提出了含有0.3％～1.5％的Mn、1.0％～1.8％的Fe，其余由Al及不可避免的杂质构成的铝合金板(日本特许公开2003-7260号公报)。

如采用上述材料作为电池壳体盖材，从激光可焊性的观点考虑是有利的，但由于材料强度比纯铝类合金高，难以在成型时赋予防爆性能。另外，采用含大量Fe、Mn的合金类时，在铸造时易形成粗大的金属间化合物，若在赋予防爆性能的成型加工部中存在这种粗大的金属间化合物，则成为龟裂发生的起点，是不理想的。

也有人提出以0.4％～0.6％的Mn、1.15％～1.35％的Fe作为主要成分的电池壳体用铝合金板(日本特许公开2007-107048号公报)，其虽然显示优良的防爆性能，但对激光可焊性的具体特性不明，上述提案中的铝合金板作为锂离子电池壳体盖用材料，均未具备必须满足的特性。

发明内容

本发明人等对用于提高激光可焊性的铝材料的组成、组织进行了反复试验、研究的结果发现，基体中的Si单相或Si类金属间化合物的存在，对激光可焊性有很大影响。探明其原因的结果，确认了这是因为通过Si单相或Si类金属间化合物的大量分散，可提高激光焊接机中使用的YAG激光的吸收率，被吸收的光变成热量使材料熔融的缘故。

本发明是基于上述见解而提出的，其目的在于提供一种具有如纯铝类合金的加工性与适度的低强度的同时，具有优良的激光可焊性，即使在低输出功率下也可以得到良好的熔融状态的激光可焊性优良的铝合金板材。

本发明的上述目的可通过以下方式实现。

(1).一种激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，由含有0.6％～10％的Si、0.2％以下的Cu、0.2％以下的Mg，其余由Al及不可避免的杂质构成的铝合金形成，且在基体中2μm～5μm的Si单相及金属间化合物在每10000μm²存在40个以上。

(2).如(1)所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.5％～2.0％的Fe。通过含有Fe，可更加提高激光可焊性。

(3).如(1)或(2)所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.05％以上且低于0.8％的Mn。通过含有Mn，可更加提高激光可焊性。

(4).如(1)～(3)中任一项所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.01％～0.2％的Zr、0.01％～0.2％的Cr中的一种或两种。通过该组成，能够使重结晶组织细微化，从而提高成型加工性，也可以抑制焊接破裂。

按照本发明，能够提供一种在激光焊接时，用同样的热量输入可以得到比以往纯铝类合金板材更深的熔深，特别是适于作为锂离子电池壳体盖材的激光可焊性优良的铝合金板材。

具体实施方式

对本发明的电池壳体盖用铝合金板中合金成分的意义及其限定理由进行说明。

Si：Si的一部分固溶在基体中，超过固溶限度的部分则形成Si单相或与Fe、Mn等形成金属间化合物而析出。当这些Si单相或金属间化合物大量分散在基体中时，如上所述，可提高YAG激光吸收率，焊接时的熔深加大，从而提高激光可焊性。Si的优选含量为0.6％～10％(质量％，以下相同)的范围，当Si的含量低于0.6％时，熔深不充分，接合强度下降，因此不优选。当含量大于10％时，铸造时Si单相有时作为100μm以上的结晶体析出，即使在成品板的状态下也作为15μm以上的析出物来存在，若在赋予防爆功能的成型加工部中存在这些粗大的析出物，则成为龟裂发生的起点。考虑到成型性，Si的更优选的含量范围为1.0％～4.0％。

Fe：Fe在作为金属间化合物存在的状态下，与Si同样地，具有提高激光焊接时的熔深的功能。其理由是，当该金属间化合物大量分散在基体中时，激光焊接机中使用的YAG激光的吸收率被提高，吸收的光转变成热量使材料熔融。Fe的优选含量为0.5％～2.0％的范围，当Fe的含量低于0.5％时，熔深不充分，从而降低接合强度，因此不优选。若含量大于2.0％，铸造时则形成100μm以上的结晶体(金属间化合物)，即使在成型板的状态下也作为15μm以上的化合物而存在，当在赋予防爆功能的成型加工部中存在这些粗大的金属间化合物时，则成为龟裂发生的起点。Fe的更优选的含量范围是0.7％～1.2％。

Mn：Mn也与Si或Fe结合形成金属间化合物，具有提高激光焊接时的熔深的功能。当其含量低于0.05％时，其效果不充分，若含量大于0.8％，铸造时则易形成100μm以上的巨大的Al-Fe-Mn类的金属间化合物，从而使成型性降低。

Cu、Mg：Cu、Mg在激光焊接时易蒸发，诱使烟雾的发生，成为焊接不良的原因。因此，希望将Cu控制在0.2％以下、Mg控制在0.2％以下。

Zr、Cr：Zr及Cr是对使重结晶组织细微化从而提高成型加工性有效的元素。另外，也具有抑制焊接破裂的作用。其优选的含量是Zr：0.01％～0.2％、Cr：0.01％～0.2％的范围，当分别低于该下限时，上述效果不充分，当分别高于上述上限时，易形成粗大的金属间化合物，成型性下降。

Ti、B：具有使铸锭组织细微化，从而高度稳定成品板的成型性的作用，因此，可在Ti含量为0.01％～0.2％、B含量为5ppm～100ppm的范围内含有一种或两种。

金属间化合物等的分散状态：如上所述，Si单相及上述金属间化合物(下面统称为“析出相”)的分散状态对激光可焊性的影响大，当用光学显微镜观察的状态下，尺寸为2μm～5μm的析出相在每10000μm²存在40个以上时，激光焊接时的熔深可格外深。如上所述，这是由于析出相的存在，从而激光吸收率提高的缘故，进而添加元素或杂质易偏析在金属间化合物与基体的界面中，从而使熔点变低，这也是熔深加深的原因。

即使存在小于2μm的析出相，也不会降低激光可焊性，但用光学显微镜难以正确地把握其分散状态，因此，可通过正确区别2μm～5μm范围的分散状态来判断激光可焊性的优劣。超过5μm的析出相对激光可焊性的影响小。另外，当存在大于15μm的粗大的析出相时，在赋予防爆功能的成型加工部(约20μm厚)的加工中成为龟裂发生的起点，在析出相附近易发生破裂，因此必需抑制粗大析出相的形成。当2μm～5μm的析出相在每10000μm²存在低于40个时，难以得到充分的效果。对个数的上限未作特别规定，但其上限会由组成与制造工序自然而然地被限定，实际上该上限为70～100个左右。

本发明的电池壳体盖用铝合金板材，按照通常的方法对所制成的铸锭进行均质化处理、热轧，并根据需要进行中间热处理后，冷轧至最终板厚，实施规定的热处理后供给使用。作为电池壳体盖材，考虑到成型性或防爆功能，优选使用软化材料(O材)。为使2μm～5μm的析出相在每10000μm²中存在40个以上，优选将均质化处理在550～620℃的温度范围保持2小时以上的条件下进行，将热轧的压延加工度设定为90％以上，进而将冷轧的压延加工度设定为50％以上。

实施例

下面，将本发明的实施例与比较例对比而进行说明，验证其效果。这些实施例表示本发明的一实施方式，但本发明并不限于此。

实施例、比较例

通过半连续铸造法对具有表1所示组成的铝合金进行铸锭。对所得到的铸锭按照通常的方法进行均质化处理、热轧、冷轧，制成厚度为0.8mm的板材。然后，于380℃的温度下进行最终热处理，将所得到的板材作为试验材料，并采用下述方法进行评价。将评价结果示于表2。还有，在表1～2中，对脱离了本发明条件者加上下划线。

表1

拉伸特性：制造JIS Z 2201规定的JIS 5号试片，于室温下按照JIS 2241进行拉伸试验。作为成型性的指标，将拉伸强度低于130MPa者评价为合格，130MPa以上者由于加工性差而评价为不合格。

微观组织：用光学显微镜观察试验材料的微观组织，并用图像解析装置，测定尺寸在2μm～5μm范围的析出相，求出每10000μm²中存在的个数。另外，也测定大于15μm的粗大析出相，并作为成型性的指标，只要能观察到一个大于15μm的粗大析出相则评价为不合格。

激光可焊性：采用半导体激发脉冲振动型YAG激光(HP300β，片冈制作所制造)，将激光输出功率设定为210W，将试片以900mm/分钟的速度移动，测定焊接部截面的最大熔深。计测是以2cm间隔观察5个截面，算出最大熔深的平均值。将熔深为200μm以上评价为合格，小于200μm则作为焊接不良评价为不合格。

表2

如表2所示，按照本发明的试验材料1～8，其拉伸强度低于130MPa，伸长率为38％以上，具有在盖材成型加工时没有问题的良好的拉伸特性。而且，尺寸为2μm～5μm范围的析出相在每10000μm²中存在40个以上，15μm以上的金属间化合物不存在。另外，激光焊接后可以得到200μm以上的熔深。

与此相比，试验材料9由于Si的添加量大于10％，因此存在15μm以上的析出相，且成型性差。试验材料10、11由于Si的添加量少，因此析出相数量减少，得不到充分的熔深。试验材料12由于Fe、Mn的添加量多，因此拉伸强度大于130MPa，另外，存在大于15μm的金属间化合物，成型性有问题。试验材料13由于Mg、Cu的添加量多，因此激光可焊性受损，得不到充分的熔深。

试验材料14由于Zr的添加量多，因此存在大于15μm的金属间化合物，成型性有问题。试验材料15由于Cr的添加量多，因此存在大于15μm的金属间化合物，成型性有问题。试验材料16由于Fe、Mn的添加量多，因此拉伸强度大于130MPa，另外，存在大于15μm的金属间化合物，成型性有问题。试验材料17是以往的1050材料，其金属间化合物数量少，得不到充分的熔深。

Claims (7)

1.一种激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，由含有0.6％～10％的Si、0.2％以下的Cu、0.2％以下的Mg，其余由Al及不可避免的杂质构成的铝合金形成，且基体中2μm～5μm的Si单相及Si类金属间化合物在每10000μm²存在40个以上。

2.按照权利要求1所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.5％～2.0％的Fe。

3.按照权利要求1所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.05％以上且低于0.8％的Mn。

4.按照权利要求2所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.05％以上且低于0.8％的Mn。

5.按照权利要求1所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.01％～0.2％的Zr、0.01％～0.2％的Cr中的一种或两种。

6.按照权利要求2所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.01％～0.2％的Zr、0.01％～0.2％的Cr中的一种或两种。

7.按照权利要求3所述的激光可焊性优良的铝合金板材，其特征在于，上述铝合金还含有0.01％～0.2％的Zr、0.01％～0.2％的Cr中的一种或两种。