CN103045912A - 电池壳体用铝合金板和电池壳体 - Google Patents

Abstract

本发明课题在于，得到一种用于制造电池壳体的成形性优异，能够确保成形后充分的壳体强度，且具有优异的焊接性的电池壳体用铝合金板。一种电池壳体用铝合金板，其含有Mn：0.5～1.5质量％、Mg：0.2～1.5质量％、Cu：0.1～1.0质量％，余量由Al和不可避免的杂质构成，是屈服强度值为40～100MPa的O材(退火材)。该铝合金板在成形为电池壳体后，与盖材通过连续振荡式激光进行焊接。该铝合金作为添加元素或作为不可避免的杂质，能够含有Si：0.6质量％以下、Fe：0.8质量％以下、Ti：0.02质量％以下、B：20质量ppm以下、Zr：0.15质量％以下、Cr：0.40质量％以下、Zn：0.3质量％以下。

Description

电池壳体用铝合金板和电池壳体

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池壳体等所使用的电池壳体用铝合金板和电池壳体。

背景技术

作为移动电话和笔记本型个人电脑等的电源，锂离子二次电池被广泛使用。作为该二次电池的外壳的壳体(以下适宜称为电池壳体)的材料中，历来为了电池的小型化和轻量化，还有为了满足用于成形为电池壳体(主要是电池壳主体)的加工性(成形性)等而使用铝合金材。作为这样的电池壳体用的铝合金，一直以来大多使用JIS1000和3000系的铝合金。

在专利文献1中，对于3000系(Al-Mn系)铝合金进行均质化处理后，经热轧、冷轧、固溶淬火处理及冷轧的工序而成为板，在专利文献2中，对于相同的Al-Mn系铝合金进行预备加热后，经热轧、冷轧、固溶淬火处理、冷轧和调质退火的工序而成为板。制造的铝合金板，通过挤压加工(拉深和引缩加工)而成形为壳体后，与盖进行脉冲激光焊接。

【先行技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】专利第3760262号公报

【专利文献2】特开2001-131666号公报

移动电话用等所使用的锂离子电池，因为小型且壁也薄，所以如专利文献1、2的实施例所述，在与盖的焊接中，使用热发生量比较少，容易控制线能量的脉冲激光焊接。

另一方面，若锂离子电池被汽车采用，则因为是大容量，收纳空间宽，因此与移动电话用等相比则壳体大型，为了确保安全性(确保强度)，壁厚也变厚。在这种大型的电池壳体的情况下，在壳体和盖的焊接中应用脉冲激光焊接时，难以确保对于壳体厚度充分的熔透深度，焊接操作的生产率也低。另外，脉冲激光焊接对于焊接部的线能量是断断续续的，加热/熔融和冷却/凝固以短周期内反复，熔融铝的冷却速度大，因此熔融铝不能填补凝固收缩的间隙，特别是大量含有作为强化元素的Mg、Cu时，在焊接部容易发生裂纹。

此外，专利文献1、2所述的Al-Mn系铝合金板，均是通过加工硬化使强度提高的H材，若看实施例，则具有200MPa左右或更高的屈服强度。之所以在素材板的阶段提高强度，是为了由非热处理型的Al-Mn系铝合金板制造高强度的电池壳体，另一面是，因为是高屈服强度，所以成形加工性降低，具有在成形加工成电池壳体的过程中容易发生裂纹的问题。

发明内容

本发明涉及电池壳体用Al-Mn系铝合金板，鉴于现有技术这样的问题点而形成，其目的在于，提供一种用于制造电池壳体的成形加工性优异，能够确保充分的壳体强度，也能够消除脉冲激光焊接的所述问题点的电池壳体用铝合金板，和使用该电池壳体用铝合金板的电池壳体。

本发明的电池壳体用铝合金板(以下，适宜称为铝合金板)，其特征在于，含有Mn：0.5～1.5质量％、Mg：0.2～1.5质量％、Cu：0.1～1.0质量％，余量由Al和不可避免的杂质构成，屈服强度值为40～100MPa的O材(退火材)，连续振荡式激光焊接的焊接性优异。

上述铝合金，作为添加元素或不可避免的杂质，能够含有Si：0.6质量％以下、Ti：0.02质量％以下、B：20质量ppm以下、Zr：0.15质量％以下、Cr：0.40质量％以下。另外，作为不可避免的杂质，Fe限制在0.8质量％以下，Zn限制在0.3质量％以下。

该电池壳体用铝合金板，能够作为电池壳体的壳体主体和盖材使用。但是，盖材也能够也能够由其他铝或铝合金替代。

本发明的电池壳体用铝合金板，用于制造电池壳体的成形性(拉深和引缩加工性)优异，而且通过伴随成形而来的加工硬化，能够确保充分的壳体强度。另外，进行连续振荡式激光焊接时，能够确保充分的熔透深度，并且能够使焊接操作的生产率提高，此外能够防止在焊接部发生裂纹。

具体实施方式

以下，对于本发明的电池壳体用铝合金板更具体地进行说明。〔铝合金板的构成〕

本发明的铝合金板，是以规定量含有Mn、Mg、Cu，Si、Fe、Ti、B、Zr、Cr、Zn限制在规定量以下，余量由Al和不可避免的杂质构成的铝合金板。以下，对于各成分的限定理由进行说明。

(Mn：0.5～1.5质量％)

Mn在母相内固溶，提高铝合金板的强度，具有使耐压强度提高的作用效果。但是，若Mn含量低于0.5质量％，则该作用效果小，另一方面，若Mn含量超过1.5质量％，则粗大的金属间化合物(Al-Fe-Mn系，Al-Fe-Mn-Si系金属间化合物)生成，这容易成为成形时裂纹的起点，铝合金板的成形性降低。因此，Mn含量为0.5质量％以上，1.5质量％以下。优选为0.8质量％以上，1.3质量％以下。

(Mg：0.2～1.5质量％)

Mg通过固溶强化提高铝合金板的强度，具有使耐压强度提高的作用效果。在现有的脉冲激光焊接中，若Mg的含量增加，则容易产生焊接裂纹，特别是在0.6质量％以上的高Mg域容易发生焊接裂纹，但在连续振荡式激光焊接中，在这样的高Mg域也难以发生焊接裂纹。因此，在本发明中能够使Mg含量增加，其结果是，即使铝合金板是软质的O材，也能够通过伴随成形加工的加工硬化使壳体强度充分提高。

若Mg的含量低于0.2质量％，则所述作用效果小，另一方面，若Mn的含量超过1.5质量％，则即使是在连续振荡式激光焊接下也容易发生焊接裂纹，另外加工硬化性这得过大，挤压加工中发生裂纹。因此，Mg含量为0.2～1.5质量％，优选为0.6质量％以上，1.0质量％以下。

(Cu：0.1～1.0质量％)

Cu通过固溶强化提高铝合金板的强度，具有使耐压强度提高的作用效果。在现有的脉冲激光焊接中，若Cu的含量增加，则焊接裂纹容易产生，但在连续振荡式激光焊接中比较容易产生焊接裂纹。与Mg同样，在本发明中通过增加Cu的含量，即使铝合金板是软质的O材，也能够通过伴随成形加工而来的加工硬化使壳体强度充分提高。

Cu含量低于0.1质量％时，所述效果不充分，若超过1.0质量％，则在连续振荡式激光焊接中也容易发生焊接裂纹，另外加工硬化性变得过大，挤压加工中发生裂纹。优选为0.2质量％以上，0.8质量％以下。

(Si：0.6质量％以下)

Si根据需要而作为添加元素或作为不可避免的杂质包含在本发明的铝合金中，通过固溶强化提高铝合金板的强度，使耐压强度提高，此外具有使铝合金板的成形性提高的作用效果。

另一方面，若Si含量超过0.6质量％，则Al-Fe-Mn-Si系金属间化合物粗大化，这容易成为成形加工时的裂纹的起点，铝合金板的成形性降低。另外，若Si含量超过0.6质量％，则焊接裂纹容易产生。因此，Si含量为0.6质量％以下(含0％)。从防止焊接裂纹的观点出发，优选为0.35质量％以下。

(Fe：0.8质量％以下)

Fe在本发明的铝合金中作为不可避免的杂质含有，形成Al-Fe-Mn系、Al-Fe-Mn-Si系金属间化合物。若Fe含量超过0.8质量％，是所述金属间化合物粗大化，这容易成为成形时的裂纹的起点，铝合金板的成形性降低。另外，若Fe含量超过0.8质量％，则焊接裂纹容易发生。因此，Fe含量为0.8质量％以下(含0％)。

(Ti：低于0.02质量％)

Ti有使铝合金铸造组织微细化、均质化(稳定化)的效果，出于防止轧制用板坯的铸锭时的铸造裂纹的目的，通常添加0.02质量％以上，若过剩添加，则粗大的金属间化合物结晶出来，成为成形时的裂纹的起点，因此认为在0.15质量％以下的范围内。但是，若添加常用的0.02质量％以上，则在连续振荡式激光焊接带来的熔融时(660～750℃)，在凝固焊道内残留气孔缺陷，熔深形成得深，其凝固而发生异常部。

Ti在金属块(含废料)中作为不可避免的杂质含有，如果需要也能够添加，但总之，本发明的铝合金需要将Ti含量限制在低于0.02质量％(含0％)。Ti含量越少，焊接性越提高，优选为0.01质量％以下。

(B：低于20质量ppm)

B是以防止铝合金的板坯铸锭时的铸造裂纹防止为目的，通常作为Ti-B母合金与Ti一起添加的元素。但是，若B含量超过20质量ppm，则与所述的Ti同样，在连续振荡式激光焊接的凝固焊道内残留气孔缺陷，熔深形成得深，其凝固而发生异常部。

B在金属块(含废料)中作为不可避免的杂质含有，如果有需要也能够添加，但总之，本发明的铝合金需要将B含量限制在低于20质量ppm(含0％)。B含量越少，焊接性越提高，优选为10质量ppm以下。

(Zr：0.15质量％以下，Cr：0.40质量％以下)

Zr、Cr根据需要作为添加元素或作为不可避免的杂质包含在本发明的铝合金中，具有使铝合金组织微细化，均质化(稳定化)的效果。使在焊接时发生再凝固时的再结晶粒微细化而能够避免焊接裂纹，因此优选含有Zr：0.05质量％以上或/和Cr：0.05质量％以上。

另一方面，若Zr、Cr超过各自的规定含量，粗大的金属间化合物结晶出，容易成为成形时的裂纹的起点，铝合金板的成形性降低。因此，Zr含量限制在0.15质量％以下(含0％)，Cr含量限制在0.40质量％以下(含0％)。

(Zn：0.3质量％以下)

Zn因为蒸气压低，所以在激光焊接时飞散而容易对周围造成污染，使铝合金板的激光焊接性变差。因此，Zn含量限制在0.3质量％以下。

(屈服强度：40～100MPa)

本发明的组成的铝合金板，退火材(O材)的屈服强度大致为40～100MPa。因为该铝合金板为软质，所以容易加工，在通过拉深和引缩加工而成形为电池壳体时，与现有的H材相比，成形性优异。另外，本发明的铝合金板成形性优异的情况，能够增加作为强化元素的Mg、Cu的含量，使伴随成形加工的加工硬化增进，能够使壳体强度充分提高。作为成形后的壳体强度，能够确保190～280MPa左右的屈服强度。

(连续振荡式激光焊接)

连续振荡式激光焊接，焊接部的熔融铝通过连续线能量被保温，为容易流动的状态，因为以使熔融铝追随的方式填补焊接部的凝固收缩的间隙，所以与现有的脉冲激光焊接相比，不会在焊接部残留应力，难以发生焊接裂纹。因此，与现有的脉冲激光焊接相比，能够提高作为强化元素的Mg、Cu的含量的允许上限值，其结果是，能够使壳体强度充分提高。

另外，因为连续振荡式激光焊接为高输出功率，所以能够提高焊接速度，使焊接密封操作的生产率提高，确保充分的熔透深度，因此也可以进行厚度厚的电池壳体的焊接。

〔铝合金板的制造方法〕

接下来，对于本发明的铝合金板的制造方法的一例进行说明。

首先，熔化铸造具有所述组成的铝合金而制作铸块，对该铸块实施端面铣削后，以480℃以上且低于所述铝合金的熔点的温度实施均质化热处理。其次，对于该实施了均质化热处理的铸块进行热轧和冷轧，制作轧制板。然后，将该轧制板加热至300～450℃的温度域，实施保持0.5小时以上的退火。

〔电池壳体和二次电池的制造方法〕

接着，对于使用了本发明的铝合金板的电池壳体的制造方法的一例进行说明。

将铝合金板切断成规定的形状，使用顺序进给型的挤压机，通过拉深加工或引缩加工成形为有底筒形状。再多次反复该加工，慢慢增高侧壁面，根据需要实施切边等的加工，成形为规定的底面形状和侧壁高度而作为壳体主体部。壳体主体部是上表面开放的有底筒形状。电池壳体的形状没有特别限定，为圆筒形、偏平形的直方体等，遵循二次电池的规格。引缩加工等形成的壳体主体部的侧壁的板厚减少率(引缩加工率)总计例如为30～80％。

与壳体主体部相同，能够使用本发明的铝合金板，将该铝合金板切断成与壳体主体部的上表面对应的形状，形成注入口等，作为电池壳体的盖部。但是，盖部也能够由JISA1050等其他的铝或铝合金制作。

在所述壳体主体部储藏二次电池材料(正极材料、负极材料、隔板等)，在上表面焊接所述盖部。壳体主体部和盖部的焊接，通过连续振荡式激光焊接进行。然后，从注入口向电池壳体注入电解液，密封注入口而成为二次电池。

【实施例1】

以下，将确认到本发明的效果的实施例与不满足本发明的要件的比较例进行对比，具体地进行说明。

〔供试材作制〕

熔化铸造表1所示的组成的铝合金成为铸块，对该铸块实施端面铣削后，以550℃实施4小时的均质化热处理。对于该进行了均质化的铸块实施热轧，再实施冷轧，作为板厚1.0mm的铝合金板。将冷轧后的轧制板加热至370℃，在该温度下保持4小时的分批式退火，作为特性评价的板材(O材)。

[表1]

使用实施例1～14和比较例1～14的评价板材，按下述要领进行屈服强度的测量、成形性试验、焊接性试验(焊接外观评价、放射线透过试验)。另外，按下述要领进行壳体加工后的屈服强度的测量。其结果显示在表2中。

〔板材的屈服强度的测量〕

从各评价板材上，以使拉伸方向为轧制方向的方式提取JIS5号试验片，遵循JISZ2241实施拉伸试验，求得屈服强度。

〔成形性试验〕

从各评价板材上，以使长轴与轧制方向平行的方式切割下椭圆形的毛坯板，使用顺序送给型的挤压机，以全部11道工序进行拉深和引缩加工，使侧壁的引缩加工率为30％，成形底面的纵宽为20mm，底面的横宽为200mm，高度为150mm的箱体的矩形电池壳体主体。这时，可以进行没有裂纹的成形，在成形后没有因烘烤引起的表面的变色和纵条纹模样的，成形性优异，评价为合格“◎”，可以进行没有裂纹的成形，有一点表面的变色和纵条纹模样发生的，成形性良好，评价为合格“○”，成形时发生裂纹的，或发生显著变色和纵条纹的，成形性不良，评价为不合格“×”。

〔焊接性试验〕

从各评价板材切下30mm×100mm尺寸的试验片，使用以连续振荡式光纤激光(IPG フォトニクスジヤパン株式会社制，型号：YLR-10000)作为热源的焊接加工机，以90mm焊接长度进行堆焊。焊接条件为，以激光输出功率2.5～3.0kW，焊接速度6.0m/分，前进角5deg.，焊接部的熔透深度为0.4～0.5mm的方式，调整激光输出功率。

关于焊接外观的评价，观察焊道宽度的均匀性、有无咬边和有无焊接飞溅附着，焊道宽度均匀，在焊道部未见咬边、崩沸部和直径1mm以上的飞溅附着的，焊接外观良好，评价为合格(○)，其以外全部焊接外观不良，评价为不合格(×)。

关于放射线透过试验，依据JISZ3105，归类为4个阶段评价的一类的为良好，评价为合格(○)，归类为二类的稍差，评价为不合格(△)，归类为三、四类的为差，评价为不合格(×)。

〔壳体加工后的屈服强度的测量〕

从经由成形性试验得到的壳体(只有成形性评价为合格的)的200mm×150mm的侧壁的中央部，以使拉伸方向为壳体上下方向的方式提取JIS5号试验片，依据JISZ2241实施拉伸试验，求得屈服强度。壳体加工后的屈服强度在190MPa以上为合格。

[表2]

〔试验结果〕

如表2所示，在实施例1～14，比较例1～14的全部中，评价板材(O材)的屈服强度在40～100MPa的范围内。

合金组成满足本发明的规定的实施例1～14，成形性、成形后的壳体强度和连续振荡式激光下的焊接性全部优异。

另一方面，Mn、Mg、Cu的含量的任意一个有所不足的比较例1、3、5，壳体强度低，Mn、Mg、Cu、Si、Fe、Zr、Cr的含量的任意一个以上过剩的比较例2、4、6～9、13、14，成形性差。

Mn、Mg、Cu、Si、Fe、Zn、Ti、B的含量的任意一个以上过剩的比较例2、4、6～12，焊接外观和放射线透过试验的任意一方或双方，连续振荡式激光的焊接性的评价低。

【实施例2】

熔化、铸造表1的实施例2的铝合金而成为铸块，对该铸块进行端面铣削后，以550℃实施4小时的均质化热处理。对于该进行了均质化的铸块实施热轧和冷轧，进行以500℃保持60秒的中间退火后，再进行30％(比较例15)或50％(比较例16)的冷轧，成为板厚1.0mm的铝合金板，以其作为特性评价的板材(H材)。使用比较例15，16的评价板材，进行与[实施例1]同样的评价试验。其结果显示在表3中。

【表3】

如表3所示，实施例15、16，评价板材(H材)的屈服强度高，成形性差。

【实施例3】

从表1的实施例2的评价板材(O材)上，切下30mm×100mm尺寸的试验片，使用脉冲发信的YAG激光，最大峰值输出功率4.5kW，频率10Hz，每1脉冲的能量(线能量)为25J/p，进行由脉冲激光焊进行的焊接性试验(与[实施例1]的焊接性试验相同的堆焊)。

其结果是，焊接熔透深度平均0.28mm，与[实施例1]的0.4～0.5mm相比，熔深显著不足。

Claims (10)

1.一种连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，是如下的退火材：含有Mn：0.5～1.5质量％、Mg：0.2～1.5质量％、Cu：0.1～1.0质量％，余量是Al和不可避免的杂质，屈服强度值为40～100MPa。

2.根据权利要求1所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为添加元素或作为不可避免的杂质，含有Si：0.6质量％以下。

3.根据权利要求1或2所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为添加元素或作为不可避免的杂质，含有Ti：低于0.02质量％、B：低于20质量ppm。

4.根据权利要求1或2所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为添加元素或作为不可避免的杂质，含有Zr：0.15质量％以下、Cr：0.40质量％以下中的1种以上的元素。

5.根据权利要求3所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为添加元素或作为不可避免的杂质，含有Zr：0.15质量％以下、Cr：0.40质量％以下中的1种以上的元素。

6.根据权利要求1或2所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为不可避免的杂质，含有Fe：0.8质量％以下、Zn：0.3质量％以下。

7.根据权利要求3所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为不可避免的杂质，含有Fe：0.8质量％以下、Zn：0.3质量％以下。

8.根据权利要求4所述的连续振荡式激光焊接的焊接性优异的电池壳体用铝合金板，其特征在于，作为不可避免的杂质，含有Fe：0.8质量％以下、Zn：0.3质量％以下。

9.一种电池壳体，其特征在于，由权利要求1或2所述的电池壳体用铝合金板构成。

10.一种电池壳体，其特征在于，由权利要求5、7或8中任一项所述的电池壳体用铝合金板构成。