CN101910434A - 脉冲激光焊用铝合金材及电池外壳 - Google Patents

Abstract

目的在于提供一种在对于A1000系铝材进行脉冲激光焊时，异常部的发生得到防止，能够形成均一良好的焊接部的脉冲激光焊接用铝合金材和电池外壳。脉冲激光焊接用铝合金材，由A1000系铝材构成，液相的粘度为0.0016Pa·s以下。或者，脉冲激光焊接用铝合金材，作为以气孔的截面积与个数的积表示的气孔总截面积(μm²)除以观察区间的长度(mm)的数值而定义的脉冲激光焊接后的焊接部的气孔发生率为1.5(μm²/mm)以下。

Description

脉冲激光焊用铝合金材及电池外壳

技术领域

本发明涉及以脉冲激光焊进行封焊所适用的脉冲激光焊用铝合金材及使用该铝合金材通过脉冲激光焊制造的电池外壳。

背景技术

作为汽车用燃料电池，历来主要使用镍氢电池，但近年来，移动电话和个人电脑等所使用的锂离子电池，由于轻量以及工作电压高等理由，使得对其的采用受到研究。

锂离子电池，在其构成上要想使包含壳体和盖的电池外壳具有作为电极的作用，在电池外壳用材料上就要使用导电性高的铝材。另外，因为铝材可以进行深拉伸，所以能够通过成型加工制造电池外壳用的方形或圆形的容器。

单体使用移动电话等的电池时，为了防止膨胀，电池外壳的壳体和盖使用的是有强度的AA3000系铝合金。这种电池外壳是沿着盖的边缘，通过激光焊接接合由铝合金材构成的壳体和盖。

在专利文献1和2中公开有一种电池外壳的制造方法，由A3003铝合金构成的外壳主体和盖，使其接合界面介有比铝合金材熔点低的钎料，通过铝材的固相扩散接合将接合界面加以接合。

在专利文献3中公开有一种电池外壳，其是在铝或铝合金制的电池外壳的外表面形成合金树脂涂料的被膜，或形成陶瓷涂层构成的被膜，或者形成经铝氧化被膜处理而成的被膜，由此使外壳的耐腐蚀性提高。

在专利文献4中，公开有一种制造锂离子二次电池的方法，其是在由JIS-A3003铝合金构成的有底角筒形的外装罐的开口部，通过激光焊接合由JIS-A3003铝合金构成的盖体。还有，在专利文献4中，作为电池外壳的材质还记载了一种JIS-A1050铝材。

专利文献1：特开平10-180438号公报

专利文献2：特开2000-11964号公报

专利文献3：特开2000-106152号公报

专利文献4：特开2000-123822号公报

如上述，现有的锂离子电池被用于移动电话和个人电脑，为了防止外壳的膨胀，作为电池外壳用材料，使用高强度的AA3000系铝合金。但是，汽车用燃料电池因为是使多个燃料电池之间介有树脂隔板而层叠配置，所以，即使不是高强度的原材也不会发生膨胀等问题。因此，在汽车用燃料电池用的锂电池中，低强度但高导电率的A1000系铝材(纯铝材)的使用得到研究。

图5是表示脉冲激光焊接后的焊接部20的模式化的立体图，图6和图7是图5的X-X线的剖面图，图6显示良好的焊接部20，图7显示具有异常部22的焊接部20。对接一对被焊接材10而形成I型坡口，通过对该坡口(对接部)进行脉冲激光焊，形成由连续的圆弧构成的焊接部(焊道)20。

A1000系铝材热传导性也良好，因此在该封焊所使用的脉冲激光焊中，可使用能量密度高的脉冲激光焊。该脉冲激光焊接法是一边沿着焊接线使激光照射部移动，一边依次照射脉冲状的激光，从而一边依次形成熔池一边进行焊接的方法。由此，如图4所示，在被焊接材10的对接部形成由连续的圆弧形成的焊接部(焊道)20。

但是，该A1000系铝材的脉冲激光焊存在的问题点是，原材中的杂质等的材料成分和原材的表面状态会影响焊接的熔宽和熔深，熔融部容易突发性地变化。因此如图7所示，在焊接线上突发性地形成大的熔池后，其固化而局部性地形成异常部22，容易发生焊接部20的不连续性。该异常部22成为突出的熔深直达被焊接材10的背面，有给导电性和工作电压等的性能造成不利影响的可能性。

发明内容

本发明鉴于这样的问题而做，其目的在于，提供一种在对于A1000系铝材进行脉冲激光焊时，异常部的发生得到防止，能够形成均一良好的焊接部的脉冲激光焊接用铝合金材和电池外壳。

本申请第一发明的脉冲激光焊接用铝合金材，由A1000系铝材构成，液相的粘度为0.0016Pa·s以下。

在该脉冲激光焊接用铝合金材中，所述粘度优选为0.0012Pa·s以下。

另外，本申请第二发明的脉冲激光焊用铝合金材，由A1000系铝材构成，作为以气孔(porosity)的截面积与个数的积表示的气孔总截面积(μm²)除以观察区间的长度(mm)的数值而定义的脉冲激光焊接后的焊接部的气孔发生率为1.5(μm²/mm)以下。

这时，优选所述气孔发生率为1.1(μm²/mm)以下。

在这些脉冲焊接用铝合金材中，优选具有如下组成：Si：0.35质量％以下、Fe：0.6质量％以下、Cu：0.1质量％以下、Mn：0.05质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zn：0.1质量％以下、Ti：0.1质量％以下、B：6ppm以下，余量为Al和不可避免的杂质。

此外，本发明的电池外壳，是将上述的脉冲激光焊用铝合金材用于外壳主体和盖，通过脉冲激光焊来焊接密封该外壳主体和盖。该电池外壳例如被用于锂离子电池。

根据本发明，在A1000系铝材中，通过规定液相的粘度或脉冲激光焊接后的焊接部的气孔发生率，能够防止因脉冲激光焊进行焊接时的局部性的异常部的形成。

附图说明

图1是表示A1000系铝材(组成：表1中的实施例1)的粘度测定的结果的图。

图2是表示A1000系铝材(组成：表1中的比较例4)的粘度测定的结果的图。

图3是表示由振动法进行粘度测定的装置的图。

图4是表示气孔发生率的测定方法的图。

图5是表示由脉冲激光形成的焊接部的立体图。

图6是沿图5的X-X线的剖面图，为良好的焊接部。

图7是沿图5的X-X线的剖面图，为异常部。

符号说明

10被焊接材(铝材)

20焊接部(焊道)

22异常部(非正常的熔深)

24气孔

30振动发生器

32振动片

34激光位移计

具体实施方式

以下，对于本发明进行详细地说明。以下说明中的铝合金的合金标号遵照日本工业规格(JIS)。A1000系铝材，特别是A1035～A1080的铝材具有如下组成：Si：0.35质量％以下、Fe：0.6质量％以下、Cu：0.1质量％以下、Mn：0.05质量％以下、Mg：0.05质量％以下(含0％)、Zn：0.1质量％以下(含0％)、Ti：0.1质量％以下(含0％)、B：6ppm以下(含0％)，余量为Al和不可避免的杂质。该A1000系铝材有高导电率，焊接性也优异。还有，在本发明中，称为铝合金材时，不仅包括合金化，也包括冶金上的不完全地合金化。另外，从脉冲激光的焊接性，即抑制不规则焊道的观点出发，优选极力不含有Mg、Zn、Ti和B。关于Si、Fe、Cu、Mn，这些元素的含量在通常的1000系合金的范围内即可。

(第一发明：液相的粘度)

本发明者等为了开发这样一种原材，其作为锂离子电池外壳用的原材既发挥出优异的A1000系铝材的优点，又能够消除通过脉冲激光焊对其进行焊接时的缺点，而进行了各种实验研究。其结果发现，原材在熔融时(660～750℃)的粘性，对作为脉冲激光的不规则焊道的异常部22的发生会产生重大的影响。

在焊接时，被焊接材的激光照射部及其邻域会超过熔点的温度而成为熔融状态，在该熔池内存在由氢、保护气体或金属蒸气等形成的气泡。若激光照射结束则温度降低，向凝固过程过渡，而特别是到达熔点的700℃附近的温度域的被焊接材的粘性若是比某个值高，则前述的气泡难以排出，容易直接作为气孔缺陷残留。若参照图5至图7，在脉冲焊接时，大体上已经凝固完毕的焊道20上，焊道20重新重叠而照射下面的激光。凝固完毕的焊道20由于激光的照射而再度熔融时，残留的气孔受到激光照射，从而再度成为气泡，气孔膨胀，通常由于激光照射所形成的匙孔(keyhole)肥大化，激光进入直达深处。其结果推测为熔深形成得深而成为非正常熔深(异常部22)。

而本发明的脉冲激光焊接用铝合金材，液相的粘度为0.0016Pa·s以下，优选为0.0012Pa·s以下。若此液相的粘度超过0.0016Pa·s，则气泡难以从熔池内排出，焊道20会残留气孔缺陷，熔深形成得深，容易发生异常部22。液相的粘度更优选为0.0012Pa·s以下。

为了得到预定的液相粘度，调整合金成分即可。具体来说，通过调整Ti、B等，再调整Na、Cl等的量，就能够得到预定的液相粘度。关于Na可以含有0.001质量％，关于Cl也可以含有达0.001质量％。图1和图2表示成分不同的A1000系铝材的粘度测定的结果。图1的测定所使用的铝材具有表1的实施例1的组成，图2的测定所使用的铝材具有同表比较例4的组成。

该粘度由图3所示的粘度测定装置进行测定。该装置通过振动法测定粘度。在电炉36内插入温度计72，控制盘37基于由温度计72测定的电炉的温度，将电炉36反馈控制在预定的温度。在该电炉36内，铝材试料的熔液51被装入到容器中配置，该铝材的熔液51由电炉36保持在预定的温度。该熔液温度由温度计71测定，通过温度转换器39转换成电压后，输入计算机38。还有，可以在电炉36内插入JIS标准粘度的液体50来取代熔液51。在该电炉36内，Ar气经由配管61、62被导入。在该电炉36的上方设置有由工业用的加振器构成的振动发生器30，在振动发生器30的驱动部设置有片簧40。在该片簧40上悬架有支承棒42，在该支承棒42的下端设置有振动片32。振动片32由白金或氧化铝等不会与铝的熔液发生反应的材质形成。在支承棒42的途中固定反射镜44，与该反射镜44对向而设置激光位移计34。该激光位移计34检测由反射镜44反射的激光，将该检测激光输出到位移转换器340。位移转换器340以反射镜44反射的激光为基础，将反射镜44的位移转换成电压并输出到电压计342。电压计342以该位移测定值作为电压值输出到计算机38。

另外，从计算机38对于正弦波发生器302输出用于使预定的正弦波振动从振动发生器30发生的信号，正弦波发生器302将正弦波输出到放大器300，放大器300放大该正弦波后输出到振动发生器30，使该振动发生器30发生正弦波振动。振动发生器30的振动经由片簧40传送到振动片32。还有，在计算机38上连接有监控器48。

在如此构成的粘度测定装置中，使电炉36内成为Ar气氛后，将铝合金的熔液51装入电炉36内，使电炉36的整体上升，使振动片32浸入熔液51内。然后，从振动发生器30向振动片32施加正弦波振动，以振动片32的位移作为反射镜44的位移，并由激光位移计34检测，使之输入到计算机38中。熔液51的温度也被输入到计算机38，由计算机38计算熔液51的液相粘度。

粘度根据下述公式1计算。首先，使用依据JISZ8803或Z8809的粘度不同的三种JIS粘度标准液50，根据由振动片32测定的位移求得检量线。然后，根据下述公式1能够求得粘度μ。

[式1]

ρμ＝K(E_a/E-1)²…(1)

K≡R_m ²/πf_aA²

其中，

ρ：试料密度(kg/m³)

μ：液体粘度(Pa·s)

E_a：在空气中的振幅(m)

E：试料的振幅(m)

R_m：机器的阻抗的阻抗量(kg·m/s)

f：试料中的共振频率(Hz)

f_a：空气中的共振频率(Hz)

A：振动片的面积(m²)

其结果如图1和图2所示，使电炉36的温度上升至725℃，其后以预定的降温速度使温度降低时，在657℃左右的温度下，粘度急剧上升，铝材的熔液51固化。这时，如图1和图2所示，在温度的降低过程中，粘度恒定。但是，根据熔液51的组成会导致其粘度成为不同的值。如此能够测定熔液51的粘度。

(第二发明：脉冲激光焊接后的焊接部的气孔发生率)

接下来，基于其他观点对于本申请第二发明进行说明。如前述，脉冲激光焊接中的异常部的发生，很大地受到原材在熔融时(660～750℃)的粘性影响。该液相的粘性关系到脉冲激光焊接后的焊接部的气孔缺陷的发生度。

焊接时，激光照射部成为熔融状态，在该熔池内存在氢、保护气体、金属蒸气等形成的气泡。因为气泡轻，所以会立即从熔池的表面冲出。另一方面，若一脉冲的激光照射结束，则向凝固过程过渡，但特别是若达到凝固开始点的温度域的被焊接材的粘性比某个值高，则气泡难以排出，容易直接作为气孔缺陷残留。脉冲焊接时，凝固完毕的焊道上会重新重叠焊道而被照射下面的激光。凝固完毕的焊道由于激光的照射而再度熔融时，残留的气孔被照射激光，气孔膨胀，通常由于激光照射所形成的匙孔肥大化，激光容易进入到深处。其结果是熔深形成得深，成为非正常熔深。该非正常熔深部凝固，焊接部的异常部(异常部22)发生。

因此，在A1050合金的脉冲焊接中的突发性的焊道异常部的发生中，就预想与之相关的气孔缺陷的发生状况进行观察。由于气孔直径不能以放射线透射试验判定，所以气孔的测定方法通过显微镜观察进行。即，如图4所示，从脉冲激光焊接后的被焊接材10上，包含焊道20沿焊接线方向提取Ls长度的试验片，将该试验片埋入树脂，研磨焊接部的截面直至焊接部的宽度方向的中央部。然后，以400～1000倍的倍率对研磨面进行显微镜观察，测定气孔24的大小、数量及位置。该气孔24的大小，通过目测进行分类，使用显微镜的刻度，按照从最小径2.5μm至7.5μm的间隔1.25μm的4个阶段，和超过7.5μm的1个阶段而合计分成5个阶段。另外，关于气孔24的发生状况，是在焊接线方向的长度为Ls的观察面中，根据发生的气孔24的直径计算其面积，并乘以此面积的范围中所包含的气孔24的个数，在全部的面积范围中加以统计求得总截面积，使之除以观察距离Ls，计算气孔发生率。即，气孔发生率以下述公式2计算。

[式2]

其结果是，气孔发生率为1.5μm²/mm以下时，焊道外观良好，若气孔发生率超过1.5μm²/mm，则焊道外观发生混乱。另外，该焊接异常部的发生与铝合金材中的B+Ti含量具有相关关系。特别是若B超过6ppm，则气孔发生率超过1.5μm²/mm，焊道形态混乱。从以上的点出发，通过使气孔发生率为1.5μm²/mm以下，能够防止焊道异常部的发生，使焊道外观良好。此外，优选气孔发生率1.1μm²/mm以下。另外，B含量优选为6ppm以下。

本发明的电池外壳是将上述的本发明的脉冲激光焊用铝合金材用于外壳主体和盖，通过脉冲激光焊对该外壳主体和盖进行焊接密封。该电池外壳特别被用于锂离子电池。

实施例

以下，对于本发明的实施例与比较例进行比较说明。下述表1显示用于本试验的铝材的组成。关于这些试验材的粘度，由上述的图3所示的测定装置测定。另外，气孔发生率以上述的图4所示的方式测定。

[表1]

[表2]

	每个脉冲输出功率[J]	频率[Hz]	激光输出功率[W]	备注
					条件1	12	20	240	标准条件
条件2	13.5	20	270	超输入热能条件
					条件3	11	20	220	下限条件(低线能时)

在表1的实施例1至7及比较例1至7中，使板厚1mm的铝材10如图5的立体图所示，使端面彼此对接配置，以脉冲激光对此对接部进行焊接。由一个脉冲激光形成熔池并固化的圆状的焊接部20随着激光的移动，连续地沿着焊接线一边重合一边形成。焊接机使用脉冲振荡的YAG激光器，焊接速度为30mm/分，保护气体为氮，以20升/分的速度供给。激光输出功率如表2所示，应用如下三个条件(条件1～3)：能够得到预定的接头强度的标准条件；设想万一焊接时异常的超过输入热能条件和下限条件。

关于评价一并显示在表1中，◎是即使在超过输入热量条件(条件2)下也没有异常部22，○是在标准条件(条件1)下没有异常部22，△是在标准条件下发生异常部22(低线能条件(条件3)没有异常部22)，×是无论什么条件都有异常部22发生。

如表1所示，如实施例No.1至5和7，粘度为0.0016Pa·s以下的材料，在实施脉冲激光焊时没有异常部的发生。另外，粘度为0.0012Pa·s以下的实施例No.1和2，即使激光输入功率为高输入功率也没有异常部发生。相对于此，在粘度超过0.0016Pa·s的比较例1至7中，Si、Fe等成分与实施例1至5为大致相同的程度，但异常部22的发生率(非正常熔深的数量)仍高。因此，焊道形态的评价为△或×。

如上述，在Si：0.35质量％以下、Fe：0.6质量％以下、Cu：0.1质量％以下、Mn：0.05质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zn：0.1质量％以下、Ti：0.1质量％以下、B：6ppm以下，余量为Al和不可避免的杂质的脉冲激光焊接用铝合金材中，通过将该合金材的液相的粘度规定在0.0016Pa·s以下，由脉冲激光焊进行焊接时能够得到稳定的焊道20。

此外，在同组成的铝合金材中，如实施例1和2，通过将该合金材的液相的粘度规定为0.0012Pa·s，由脉冲激光焊进行焊接时，即使实施更高的热量也能够得到稳定的焊道20。

接下来，对于表1所示的实施例1至7和比较例1至7，调查其气孔发生率和焊道形态的关系，就其结果进行说明。如实施例1至6，气孔发生率为1.5μm²/mm以下时，焊道形态的评价为◎或○，异常部的发生得到防止。还有，气孔发生率为1.1μm²/mm以下的实施例1和2，焊道形态为◎，即使在超输入热能条件下也没有发生异常部。相对于此，如比较例1至7，若气孔发生率超过1.5μm²/mm，焊道形态的评价为△或×，在标准条件下发生异常部。

另外，实施例6虽然粘性超过0.0016Pa·s，但因为气孔发生率在1.5μm²/mm以下，所以焊道形态为○。另外，实施例7虽然氯孔发生度超过1.5μm²/mm，但因为粘性在0.0016Pa·s以下，所以焊道形态为○。因此，如果粘性或气孔发生率的任意一项满足本发明的规定，则在标准条件下的异常部的发生便得到防止。

Claims (7)

1.一种脉冲激光焊接用铝合金材，其特征在于，由A1000系铝材构成，液相的粘度为0.0016Pa·s以下。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光焊接用铝合金材，其特征在于，所述粘度为0.0012Pa·s以下。

3.一种脉冲激光焊接用铝合金材，其特征在于，由A1000系铝材构成，脉冲激光焊接后的焊接部的气孔发生率为1.5μm²/mm以下，该气孔发生率是由作为以气孔的截面积与个数的积表示的气孔总截面积除以观察区间的长度得到的数值而定义的，其中，所述气孔总截面积的单位为μm²，所述长度的单位为mm。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光焊接用铝合金材，其特征在于，所述气孔发生率为1.1μm²/mm以下。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的脉冲激光焊接用铝合金材，其特征在于，具有如下组成：Si：0.35质量％以下、Fe：0.6质量％以下、Cu：0.1质量％以下、Mn：0.05质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zn：0.1质量％以下、Ti：0.1质量％以下、B：6ppm以下，余量为Al和不可避免的杂质。

6.一种电池外壳，其特征在于，将权利要求1～5中任一项所述的脉冲激光焊接用铝合金材用于外壳主体和盖，通过脉冲激光焊来焊接密封该外壳主体和盖。

7.根据权利要求6所述的电池外壳，其特征在于，被用于锂离子电池。

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