CN110997216A - 异种金属的接合方法及激光焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异种金属的接合方法，是作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材(2)与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材(3)的接合方法，其中，使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属(5)，采用通过激光照射而使照射的部分熔融、凝固的激光焊接，将Al系母材(2)与Cu系母材(3)接合。

Description

异种金属的接合方法及激光焊接装置
技术领域
本发明涉及作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材的接合方法及激光焊接装置。
背景技术
一般地，由Cu合金或纯Cu构成的Cu(铜)系材料由于导电性高，因此，例如在Li(锂)离子电池的电极和母线(bus-bar)以及电子器件、线束等的电极、端子和配线等中使用。近年来，从环境保护的方面考虑，混合动力汽车和电动汽车等的研究开发在急速地发展，对搭载于这些汽车等的Li离子电池、电子器件和电气部件等要求轻质化。而且，为了实现这些动力源和电气部件等的轻质化，正在研究代替Cu系材料，利用由Al合金或纯Al制成的Al(铝)系材料构成电极和端子等的一部分。
即，在上述电气部件等中，由于由Cu系材料构成的电极和端子等与由Al系材料构成的电极和端子等混在一起，因此，需要将这些异种金属彼此接合的技术。作为异种金属之间的接合方法，例如可列举出超声波接合、MIG焊接、摩擦搅拌接合(FSW)和激光焊接。这些接合方法中，特别是激光焊接，由于能获得大功率密度，因此在生产率方面最为优异。
在激光焊接中，在作为焊接对象的两个母材上采用激光焊接机将激光聚光并进行照射。所照射的激光被透镜或反射镜等以母材的表面周边成为焦点的方式例如聚光成圆形。由此，在照射激光的部分中将激光的功率(能量)凝聚，与电弧焊接等相比，能够得到百倍乃至千倍左右的功率密度。
激光焊接可以在高速度下进行焊接，且热影响部的宽度窄，因此，适于异种金属的接合。作为采用激光焊接对由异种金属构成的母材之间进行接合的接合方法，从焊透形状的控制、接合强度的改善等方面考虑，在积极进行激光照射条件的优化的研究。
例如，在专利文献1中，记载了使熔点不同的金属板对接而进行激光焊接的焊接金属板的制造方法。专利文献1的方法是使激光头移动以使激光束的焦点从对接位置至少迁移至熔点高的金属板的上表面侧来进行激光焊接，目的在于得到激光焊接时的无孔焊道(焊接金属部)。但是，专利文献1中记载的发明对于在焊接金属部容易发生的开裂、金属间化合物的产生量的抑制没有进行研究。而且，在专利文献1中，作为进行焊接的熔点不同的板的组合，只列举出钢板与铝系板、钢板与铜系板、钢板与不锈钢板的情形，没有列举铝系母材与铜系母材的组合。因此，在使用专利文献1的方法对铝系母材和铜系母材进行激光焊接时，虽然使激光头移动以使激光束的焦点从对接位置迁移至作为熔点高的金属板的铜系母材的上表面侧来进行激光焊接，但铜系母材由于热传导率和光的反射率高，因此难以通过激光照射而熔融，为了使铜系母材熔融，必须增大照射的激光的能量密度，进而，在熔融部大量生成例如Cu9Al4等脆性高的金属间化合物，也存在不再能够获得充分的接合强度的问题。
另外，在专利文献2中记载了一种激光焊接方法，其为铝构件与铜构件的激光焊接方法，以使对铝构件的照射面积大于对铜构件的照射面积的方式照射激光。但是，专利文献2的激光焊接方法由于必须在对接处严格控制照射位置，因此，接合形状的自由度低，施工上的容许度也低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-254282号公报
专利文献2：日本特开2011-005499号公报
发明内容
发明要解决的课题
本实施方式鉴于上述实际情况而完成，其目的在于提供异种金属的接合方法和激光焊接装置，其通过使用适当的填充金属并采用激光焊接将Al系母材与Cu系母材接合，从而不需要严格控制激光照射位置，并且能够制造具有高接合强度的焊接接头。
用于解决课题的手段
本发明人反复认真研究，结果发现：通过使用含有Si和Cu中的至少一者且熔点低的Al合金作为填充金属，对Al系母材与Cu系母材进行激光焊接，从而能够制造具有高接合强度的Al系母材与Cu系母材的焊接接头。
即，本实施方式的主要构成如下所述。
(1)一种异种金属的接合方法，是作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材的接合方法，其特征在于，
使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属，并采用通过激光照射而使照射的部分熔融、凝固的激光焊接，将上述Al系母材与上述Cu系母材接合。
(2)上述(1)所述的异种金属的接合方法，其中，上述填充金属为Al-Si系合金、Al-Cu-Si系合金或Al-Cu-Si-Zn系合金。
(3)上述(1)或(2)所述的异种金属的接合方法，其中，上述填充金属为粉末状填充金属。
(4)上述(3)所述的异种金属的接合方法，其中，将上述粉末状填充金属的粉体在上述Al系母材上以与上述Cu系母材相接的方式配置，使激光的照射光斑在上述粉体的表面上扫描。
(5)上述(4)所述的异种金属的接合方法，其中，上述激光的照射光斑所扫描的上述粉体还包含以在表面所占的面积率计为1％以上的Fe粉。
(6)上述(3)～(5)中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，上述粉末状填充金属的粉体还含有以体积比例计为10％以上的助熔剂(flux)。
(7)上述(1)～(6)中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，上述激光焊接中的焊接条件为：功率密度为50kW/mm2以下，焊接速度为1mm/s以上。
(8)一种激光焊接装置，是为了接合作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材而使用的激光焊接装置，其特征在于，
包括激光射出单元和填充金属供给单元，
该填充金属供给单元具有：
用于收纳由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的粉末状填充金属并且供给被收纳的上述粉末状填充金属的填充金属供给部、和
用于收纳Fe粉并且供给被收纳的上述Fe粉的Fe粉供给部，
上述填充金属供给部被构成为能够通过向接合预定位置供给上述粉末状填充金属而配置上述粉末状填充金属的粉体，
上述Fe粉供给部被构成为能够向配置于上述接合预定位置的上述粉体的表面上供给并配置上述Fe粉，
上述激光射出单元被构成为能够使激光的照射光斑在配置有上述Fe粉的上述粉体的表面上进行扫描。
发明的效果
根据本实施方式，可提供异种金属的接合方法和激光焊接装置，其通过使用含有Si和Cu中的至少一者且熔点低的Al合金作为填充金属，对Al系母材和Cu系母材进行激光焊接，从而不需要严格控制激光照射位置，并且能够制造具有高接合强度的Al系母材与Cu系母材的焊接接头。
附图说明
图1用于说明本实施方式的异种金属的接合方法，是表示仅使上板(优选为铜系母材)的端部重叠在下板(优选为铝系母材)的端部上的接合前的状态的示意性立体图。
图2为表示在如图1中所示那样在使上板(优选为铜系母材)的端部重叠于下板(优选为铝系母材)的端部上的状态下，在下板上以与上板的端面相接的方式配置粉末填充金属的粉体时的接合前的状态的示意性立体图。
图3为通过在如图2中所示那样配置的粉体表面上照射激光来进行激光焊接，从而将下板(优选为铝系母材)与上板(优选为铜系母材)接合而得到的焊接接头的示意性立体图。
图4为将图3中所示的焊接接头相对于焊接方向X垂直地切断时的示意性截面图。
图5用于说明使用根据本实施方式的激光焊接装置、采用本实施方式的异种金属的接合方法制造焊接接头时的、上板、下板以及构成激光焊接装置的激光射出单元和填充金属供给单元的配置关系。
具体实施方式
以下对本实施方式涉及的异种金属的接合方法详细地说明。
＜异种金属的接合方法＞
本实施方式涉及的异种金属的接合方法为由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材的异种金属的接合方法，其中，使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属，采用通过激光的照射使照射的部分熔融、凝固的激光焊接，将上述Al系母材与上述Cu系母材接合。
(Al系母材)
Al(铝)系母材由Al合金或纯Al构成。作为Al合金，并无特别限定，例如可列举出Al-Mn系合金(JIS 3000系合金)、Al-Mg系合金(JIS 5000系合金)、Al-Mg-Si合金(JIS 6000系合金)，就纯铝而言，可列举出JIS 1000系合金。具体为A1100、A1050、A3003、A3004、A5052、A5083、A6061等。
(Cu系母材)
Cu(铜)系母材由Cu合金或纯Cu构成。作为铜合金，并无特别限定，例如可列举出Cu-Zn系合金(黄铜)、Cu-Sn系合金(青铜)等，作为纯铜，例如可列举出无氧铜、韧铜(tough pitchcopper)、磷脱酸铜等。具体为C1020、C1100、C1201、C2600、C5191、C6191等。
(填充金属)
[填充金属的合金组成]
本实施方式涉及的异种金属的接合方法使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属。作为填充金属的优选合金组成，例如可列举出Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Cu-Si系合金、Al-Cu-Zn系合金或Al-Cu-Si-Zn系合金。在这些合金组成中，优选使用Al-Si系合金、Al-Cu-Si系合金或Al-Cu-Si-Zn系合金作为填充金属。由这样的Al合金构成的填充金属具有比纯Al的熔点(660℃)低的熔点。已知在Al系母材与铜系母材的焊接中，在焊接部(包含焊接金属部和热影响部的部分)金属间化合物的生成量变多，导致接合强度降低，以及焊接时为高温的时间越长，金属间化合物的生成量越增加。即，在本实施方式中，通过使用上述的熔点低的填充金属进行激光焊接，从而能够缩短焊接部成为高温的时间，因此抑制金属间化合物的生成量，结果能够制造具有高接合强度的焊接接头。优选填充金属的熔点比纯Al的熔点低10℃以上。
在填充金属为Al-Si系合金的情况下，优选使Si含量成为1～14质量％。如果Si含量低于1质量％，存在如下倾向：与纯铝的熔点相比，不能够充分地使熔点降低，从而不能缩短焊接部成为高温的时间，导致不能充分地抑制金属间化合物的生成。另一方面，如果Si含量超过14质量％，则填充金属的熔点上升，存在在焊接部所生成的金属间化合物的量增加的倾向。
在填充金属为Al-Cu系合金的情况下，优选使Cu含量成为30质量％以下。这是因为，如果Cu含量比30质量％多，则填充金属的熔点上升，有可能不能充分地发挥抑制在焊接部所生成的金属间化合物的量的效果。
在填充金属为Al-Cu-Si系合金的情况下，优选使Cu含量成为30质量％以下，且使Si含量成为7质量％以下。这是因为，如果Cu和Si的含量中的至少一者比上述范围多，则填充金属的熔点上升，有可能不能充分地发挥抑制在焊接部所生成的金属间化合物的量的效果。
在填充金属为Al-Cu-Zn系合金的情况下，优选使Cu含量成为30质量％以下，使Zn含量成为7质量％以下。这是因为，如果Cu和Zn的含量比上述范围多，则填充金属的熔点上升，有可能不能充分地发挥抑制在焊接部所生成的金属间化合物的量的效果。
在填充金属为Al-Cu-Si-Zn系合金的情况下，优选使Cu含量成为30质量％以下，使Si含量成为7质量％以下，使Zn含量成为7质量％以下。这是因为，如果Cu、Si和Zn的含量的至少一个比上述范围多，则填充金属的熔点上升，有可能不能充分地发挥抑制在焊接部所生成的金属间化合物的量的效果。
[填充金属的形状]
填充金属的形状优选为粉末状。如果是一般使用的棒状、线状、箔状的填充金属，为了使填充金属熔融所需的热量增大。如果为了使填充金属熔融所需的热量大，则通过热传导向铜系母材的传热量也变多，金属间化合物的生成量增大。另一方面，粉末状的填充金属与棒状、线状、箔状的填充金属相比，每单位质量(或单位体积)的表面积(比表面积)变大，因此除了照射的激光的光吸收率提高以外，熔融所需的热量少，因此可减少投入的热量。其结果，由通过热传导向铜系母材的传热量变少，因此能够抑制金属间化合物的生成量。另外，为了提高粉末状填充金属的填充率，优选将平均粒径为2～10μm的小粒径粉末状填充金属A与平均粒径为50～500μm的大粒径粉末状填充金属B这两种不同粒径大小的粉末状填充金属以粉末状填充金属A：粉末状填充金属B＝1：95～105(质量比)混合并使用。另外，优选在Al系母材上以与铜系构件相接的方式供给粉末状填充金属，作为粉体被配置，并使激光的照射光斑在粉体的表面上扫描。由此能够缩短焊接部成为高温的时间，并能够抑制金属间化合物的生成量。
[填充金属的配置方法]
就填充金属的配置方法而言，可预先配置，或者可采用在即将照射激光前供给的方法(参照图5)。在任何情况下都优选以填充金属与Al系母材和Cu系母材这两者相接的方式配置。填充金属的配置量可根据各母材的板厚、坡口形状适当地调整。在使用棒状、线状的填充金属的情况下，可通过使线直径变化来进行调整。在使用粉末状填充金属的情况下，可适当地调整向接合预定位置供给粉末状填充金属的量。另外，在粉末状填充金属的情况下，为了提高填充率，也可进一步使用包含聚乙二醇、聚醚等的分散材料。
(填充金属以外的(构成粉体的)成分)
[Fe粉]
另外，作为另一实施方式，激光的照射光斑所扫描的粉体优选还包含在表面所占的面积率成为1％以上、优选50％以上的Fe(铁)粉。Fe粉由于激光的反射率比Al系母材、Cu系母材低，因此能够用作激光吸收辅助材料。即，通过将Fe(铁)粉配置于粉体的表面，从而能够用更低的能量使填充金属(粉体)熔融，用于不使Al系母材和Cu系母材显著地熔融的能量控制变得更容易。应予说明，使在粉体的表面所占的Fe粉的面积率成为1％以上的原因在于，如果低于1％，有时无法充分地获得在照射激光的粉体表面的光吸收率的提高效果。
就Fe粉的配置方法而言，例如，可以如图1中所示那样将粉末状填充金属供给至接合预定位置W以配置粉末状填充金属的粉体5，然后，以覆盖该粉体5的表面的方式配置(未图示)。这种情况下，优选使以覆盖粉体5的表面的方式配置的Fe粉的层厚度为1mm以下。如果Fe粉的层厚度比1mm厚，则激光的能量没有有效地到达的Fe粉存在于粉体上，有可能阻碍向填充金属、Al系母材的热传递。
另外，作为Fe粉的另一配置方法，可以将粉末状填充金属与Fe粉混合，以混合的Fe粉的一部分在粉体的表面露出的方式配置。这种情况下，在粉末状填充金属(粉体)中所占的Fe粉的混合比例以体积率计，优选设为1～50％的范围。这是因为，在Fe粉的混合比例低于1％时，有时不能使在粉体的表面所占的Fe粉的面积率成为1％以上，从而无法充分地获得在照射激光的粉体表面的光吸收率的提高效果。另一方面，这是因为在Fe粉的混合比例超过50％时，填充金属不能充分地流动，有可能阻碍接合性。另外，铁粉的平均粒径优选为10μm以上且1000μm以下。
[助熔剂]
作为其他实施方式，为了提高接合性，可使用助熔剂。Al的氧化覆膜牢固，即使用激光破坏，也立刻再氧化而阻碍接合。因此，如果采用助熔剂促进氧化覆膜破坏，则接合性进一步提高。作为助熔剂，例如可列举出通常的焊接Al系母材时所使用的氟化物系或氯化物系、或者氟化物系与氯化物系的混合物。作为氟化物系助熔剂，可列举出KAlF4、K2AlF5、K2AlF5·H2O、K3AlF6、AlF3、KZnF3、K2SiF6、Cs3AlF6、CsAlF4·2H2O、Cs2AlF5·H2O等，可以使用其中的1种或者2种以上的混合物。另外，作为氯化物系助熔剂，可列举出NaCl、KCl、LiCl、ZnCl2等，可以使用其中的1种或者2种以上的混合物。其中，特别是更优选使用低熔点且非腐蚀性的、含有Cs和F的氟化物系助熔剂。具体地，可列举出Cs3AlF6、CsAlF4·2H2O、Cs2AlF5·H2O等。作为氟化物系与氯化物系的混合物的助熔剂，可列举出NaCl+KCl+Na2SiF6、NaCl+KCl+NaF等。
就助熔剂的配置方法而言，能够采用下述任一种方法或二种方法的组合进行配置：(I)在设置填充金属前在包含Al系母材和Cu系母材的各自的接合预定位置的部分涂布、(II)在设置填充金属后在填充金属(粉体)的表面涂布、(III)将助熔剂与粉末状填充金属一起混合。应予说明，上述(III)的情况下，优选助熔剂在混合粉(粉体)中以体积比例计为10％以上。如果助熔剂的体积比例低于10％，则有可能无法充分地获得促进氧化覆膜破坏的效果。另外，如果助熔剂在混合粉中所占的体积比例超过50％，则填充金属不足，导致接合性有可能显著地降低，因此优选使其为50％以下。应予说明，在混合助熔剂的情况下，粉末状填充金属的体积率优选为30％以上。如果粉末状填充金属的体积率低于30％，则填充金属不足，导致接合性有可能显著地降低。
[激光焊接]
(焊接形状)
在本实施方式中，如图2中所示那样将由Al系母材和Cu系母材构成的2张板(下板2和上板3)重叠配置后，向下板2上且与上板3的接合预定位置W(图1中用斜线表示。)供给填充金属，如图2中所示那样配置粉末状填充金属的粉体5，通过使从激光焊接装置(图5)的激光头射出的激光在位于下板2上的粉末状填充金属的粉体5的表面上聚光，并使所照射的照射光斑S扫描，从而将下板2和上板3接合，形成图3和图4中所示的焊接接头1。这种情况下，下板2优选设为Al系母材，上板3优选设为Cu系母材。就焊接接头1的接头形状而言，除了图3中所示的搭接角焊缝形状以外，也可采用在Al系母材中设置有坡口的对接形状、斜接接头(拝み継手)形状等其他的接缝形状。就激光焊接而言，优选采用从单侧1次通过来实施，也可根据作为接合体的焊接接头1的板厚焊接多次。在焊接多次的情况下，可包括在焊接后再次配置填充金属的工序。
(激光照射条件)
激光的照射位置优选设为将Al系母材设为下板2、在向不是重叠的部分的Al系母材的表面侧稍微偏移的填充金属(粉体5)的表面上的位置。这是因为，与Al系母材2相比，上板3的Cu系母材与填充金属的润湿性良好，如果在Al系母材2上配置填充金属进行焊接，则熔融的填充金属对于Cu系母材充分地润湿，能够使Al系母材2与Cu系母材3良好地接合。
本实施方式的采用激光照射的加热优选以在宽范围熔融填充金属的方式进行控制，极力抑制向Cu系母材的热传导。因此，激光焊接中的焊接条件优选功率密度为50kW/mm2以下，焊接速度为1mm/s以上。如果功率密度超过50kW/mm2，则向Cu系母材的热传导产生的传热量增多，在焊接部所生成的金属间化合物的量增大，接合强度有可能降低。另外，如果焊接速度低于1mm/s，则焊接部的冷却速度变小，因此存在金属间化合物的生成量增加的倾向。此外，如果焊接速度超过2000mm/s，则填充金属的熔融变得不充分，产生不能形成适合的接合部的情形，因此焊接速度的上限优选设为2000mm/s。应予说明，所使用的激光可以是连续波(CW)、脉冲波(PW)的任一种。
另外，照射激光的光斑直径优选为0.1mm以上。如果激光的光斑直径低于0.1mm，则填充金属的熔融变得不充分，有可能得不到完好的接合体。
另外，为了防止焊接金属部4的氧化，在进行激光焊接时可使用保护气体。保护气体例如使用氩、氮、氦等惰性气体，在流量1～60L/分钟之间适当地选择。
对使用的激光的波长并无特别规定，优选设为700～2000nm。这是因为，在该波长下，Al与Cu相比，反射率低，由Al系合金构成的填充金属的光吸收率升高。
＜激光焊接装置＞
以下对本实施方式的激光焊接装置进行说明。
图5为本实施方式的激光焊接装置的示意图，表示上板、下板以及构成激光焊接装置的激光射出单元和填充金属供给单元的配置关系。
本实施方式的激光焊接装置10用于接合作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材2与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材3，并且包括激光射出单元20和填充金属供给单元30。
激光射出单元20具有用于使激光振荡的激光振荡器22和照射振荡并聚光后的激光的激光头24，以如下方式构成：在使激光头24和将焊接的上板3和下板2固定的平台(未图示)中的一者相对于另一者相对地在焊接方向X上移动的同时，从激光头24所照射的激光的照射光斑S能够在粉体5的表面上(图5中在粉体5上进一步配置有Fe粉6的表面上)扫描。
填充金属供给单元30具有：填充金属供给部32和Fe粉供给部34以及填充金属供给头36和Fe粉供给头38。
填充金属供给部32收纳由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的粉末状填充金属，并且供给所收纳的粉末状填充金属。另外，填充金属供给部32构成为，能够向接合预定位置W供给粉末状填充金属，并配置粉末状填充金属的粉体5。
Fe粉供给部34收纳Fe粉，并且供给所收纳的Fe粉。Fe粉供给部34以能够向在接合预定位置W配置的粉体5的表面上供给配置Fe粉6的方式构成。
填充金属供给头36以能够向接合预定位置W每次供给规定量的收纳于填充金属供给部32的粉末状填充金属的方式构成。
Fe粉供给头38以能够向载置于接合预定位置W的粉体5上每次供给规定量的收纳于Fe粉供给部34的Fe粉的方式构成。
另外，填充金属供给头36和Fe粉供给头38以与激光头24同步且在焊接方向X上先行并向接合预定位置W供给的方式构成。这种情况下，与激光头24的情形同样地，填充金属供给头36和Fe粉供给头38只要是相对于将进行焊接的上板3和下板2固定的平台(未图示)能够相对地移动的构成即可，例如，可使填充金属供给头36和Fe粉供给头38移动，或者可使将进行焊接的上板3和下板2固定的平台移动。
上述内容只是示出本实施方式的例子，能够在权利要求的范围中加以各种改变。
实施例
以下基于实施例更详细地说明，但本实施方式并不限定于这些实施例。
(发明例1～15以及比较例1和2)
使用具有长100mm、宽50mm、厚1mm的尺寸、由A1050构成的Al系母材和由C1100构成的Cu系母材的2张板。Al系母材与Cu系母材在如图3中所示那样重叠以成为搭接角焊缝后，采用使用填充金属的激光焊接进行接合。应予说明，以下将图中的附图标记2设为下板、将3设为上板而表述。
作为填充金属，准备了由A4047BY或Al-Cu-Si-Zn合金构成的直径1.2mm的2种棒状填充金属、由Al-Si合金、Al-Cu-Si合金或Al-Cu-Si-Zn合金构成的3种粉末状填充金属。应予说明，粉末状填充金属通过将平均粒径为5μm的粉末和平均粒径为100μm的粉末以质量比1：100混合而制作。另外，还准备了在粉末状填充金属中以体积比例计进一步包含20％的氟化物系助熔剂即Cs3AlF6作为助熔剂而得到的产物。将填充金属在下板2上配置于与上板3的端面相接的位置。在使用粉末状填充金属的情况下，在与上板3的端面相接的位置沿下板2的整个幅宽配置粉末状填充金属的粉体5以成为厚1.5mm、宽1.5mm的焊接长度50mm。
发明例中使用的、作为棒状填充金属的A4047BY和Al-Cu-Si-Zn合金的组成成分以及作为粉末状填充金属的Al-Si合金、Al-Cu-Si合金和Al-Cu-Si-Zn合金的组成成分如下所述。
＜棒状填充金属＞
[A4047BY]
Si：12质量％、Fe：0.3质量％、余量为Al
[Al-Cu-Si-Zn合金]
Cu：20质量％、Si：5质量％、Zn：5质量％、余量为Al
＜粉末状填充金属＞
[Al-Si合金]
Si：12质量％、余量为Al
[Al-Cu-Si合金]
Cu：20质量％、Si：5质量％、余量为Al
[Al-Cu-Si-Zn合金]
Cu：20质量％、Si：5质量％、Zn：5质量％、余量为Al
在激光焊接中使用IPG制的YLS2000，并采用CW激光进行焊接。激光的波长为1070nm。光斑直径设为0.2mm，输出功率设为2kW、1kW的2个条件。应予说明，输出功率为2kW时的功率密度为约70kW/mm2，输出功率为1kW时的功率密度为约35kW/mm2。焊接速度设为0.5mm/s、1mm/s和5mm/s的3个条件。保护气体使用氮，流量设为20L/分钟。就激光的照射位置而言，从上板3的端面向下板2的没有重叠的表面侧只偏移0.2mm，相对于上板3的端面平行地扫描，将Al系母材和Cu系母材接合，制作焊接接头(接合体)。应予说明，没有使用填充金属进行焊接时，照射上板3的端面位置。另外，在部分实施例中，在照射激光前，在粉末状填充金属的粉体5的表面上进一步添加平均粒径为100μm的铁粉6作为吸收辅助材料。就铁粉6而言，在粉末状填充金属的粉体5上的激光照射区域中以宽0.15mm、厚0.3mm且在下板的整个幅宽、即焊接长度50mm的范围内添加。激光的照射区域为光斑直径0.2mm×焊接长度50mm＝10mm2，铁粉的添加面积为宽0.15mm×焊接长度50mm＝7.5mm2，铁粉在粉体5的表面所占的面积率为75％。
应予说明，关于Al系母材与Cu系母材的配置关系的组合、填充金属的组成和形状、粉体中是否含有助熔剂和体积比例、粉体的表面上是否存在吸收辅助材料(Fe粉)的和吸收辅助材料(Fe粉)在粉体表面所占的面积率以及激光焊接中的激光照射条件(功率密度和焊接速度)，示于表1中。
＜性能评价＞
对于制作的各焊接接头，评价焊接金属部的焊透形状和拉伸剪切强度(断裂载荷)。
(i)焊接部的焊透形状的评价
对于制作的各焊接接头，如图3中所示那样观察将焊接金属部4相对于焊接方向X垂直地切断的截面(图4)的焊接金属部4的焊透形状，并测定焊接金属部4的下板2侧的焊脚长L1和上板3侧的焊脚长L2。在表2中示出这些测定结果。应予说明，表2中，将下板2侧的焊脚长L1为1.0mm以上的情形评价为“○”，将为0.7mm以上且低于1.0mm的情形评价为“△”，而且，如果为低于0.7mm，则评价为“×”，另外，将上板3侧的焊脚长L2为0.9mm以上且1.0mm以下的情形评价为“○”，将为0.7mm以上且低于0.9mm的情形评价为“△”，而且将低于0.7mm的情形评价为“×”。
(ii)拉伸剪切强度(断裂载荷)的测定方法
另外，对于制作的各焊接接头，制作使焊接部成为中心的宽10mm的长条状样品，实施拉伸剪切试验，并测定断裂载荷。将其测定结果示于表2中。应予说明，将表2中所示的断裂载荷为1kN以上的情形评价为“○”，将为0.6kN以上且低于1.0kN的情形评价为“△”，而且，将低于0.6kN的情形评价为“×”。
(iii)综合评价
由上述(i)和(ii)的评价结果，基于下述所示的综合评价标准进行综合评价。将其结果示于表2中。
＜综合评价标准＞
◎：上述(i)中的下板和上板的焊脚长的评价均为“○”并且上述(ii)中的断裂载荷的评价也为“○”的情形。
○：上述(i)中的下板和上板的焊脚长的评价和上述(ii)中的断裂载荷的评价中任两个评价为“○”、剩余的一个评价为“△”的情形。
△：上述(i)中的下板和上板的焊脚长的评价和上述(ii)中的断裂载荷的评价中至少两个以上为“△”，并且没有“×”的评价的情形。
×：上述(i)中的下板和上板的焊脚长的评价和上述(ii)中的断裂载荷的评价中有“×”的评价的情形。
[表1]
Figure BDA0002376962410000141
[表2]
Figure BDA0002376962410000151
由表2中所示的评价结果可知，就采用本实施方式涉及的接合方法(激光焊接)制作的发明例1～15的接合接头而言，下板的焊脚长为0.8mm以上，上板的焊脚长为0.7mm以上，焊接部具有良好的焊透形状，另外，拉伸剪切试验中的断裂载荷为0.6kN以上，具有高接合强度。另一方面，不使用填充金属而采用激光焊接制作的比较例1和2虽然焊接部具有良好的焊透形状，但拉伸剪切试验中的断裂载荷为0.5kN以下，接合强度不足。
产业上的可利用性
根据本实施方式，可提供不需要严格控制激光照射位置并且能够制造具有高接合强度的Al系母材与Cu系母材的焊接接头的、异种金属的接合方法和激光焊接装置。
附图标记的说明
1 焊接接头
2 下板
3 上板
4 焊接金属部
5 粉体(或填充金属)
6 Fe粉
10 激光焊接装置
20 激光射出单元
22 激光振荡器
24 激光头
30 填充金属供给单元
32 填充金属供给部
34 Fe粉供给部
36 填充金属供给头
38 Fe粉供给头
X 焊接方向
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种异种金属的接合方法，是作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材的接合方法，其特征在于，
使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属，并采用通过激光的照射而使照射的部分熔融、凝固的激光焊接，将所述Al系母材与所述Cu系母材接合，所述填充金属为Al-Cu-Si系合金或Al-Cu-Si-Zn系合金。
2.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其中，所述填充金属为粉末状填充金属。
3.根据权利要求2所述的异种金属的接合方法，其中，在所述Al系母材上以与所述Cu系母材相接的方式配置所述粉末状填充金属的粉体，使激光的照射光斑在所述粉体的表面上扫描。
4.根据权利要求3所述的异种金属的接合方法，其中，所述激光的照射光斑所扫描的所述粉体还包含以在表面所占的面积率计为1％以上的Fe粉。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，所述粉末状填充金属的粉体还含有以体积比例计为10％以上的助熔剂。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，所述激光焊接中的焊接条件是功率密度为50kW/mm2以下，焊接速度为1mm/s以上。
7.一种激光焊接装置，是为了接合作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材而使用的激光焊接装置，其特征在于，包括激光射出单元和填充金属供给单元，
该填充金属供给单元具有：
用于收纳由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的粉末状填充金属并且供给被收纳的所述粉末状填充金属的填充金属供给部、和
用于收纳Fe粉并且供给被收纳的所述Fe粉的Fe粉供给部，
所述填充金属供给部被构成为能够通过向接合预定位置供给所述粉末状填充金属而配置所述粉末状填充金属的粉体，
所述Fe粉供给部被构成为能够向配置于所述接合预定位置的所述粉体的表面上供给并配置所述Fe粉，
所述激光射出单元被构成为能够使激光的照射光斑在配置有所述Fe粉的所述粉体的表面上进行扫描。

Claims (8)

1.一种异种金属的接合方法，是作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材的接合方法，其特征在于，
使用由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的填充金属，并采用通过激光的照射而使照射的部分熔融、凝固的激光焊接，将所述Al系母材与所述Cu系母材接合。
2.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其中，所述填充金属为Al-Si系合金、Al-Cu-Si系合金或Al-Cu-Si-Zn系合金。
3.根据权利要求1或2所述的异种金属的接合方法，其中，所述填充金属为粉末状填充金属。
4.根据权利要求3所述的异种金属的接合方法，其中，在所述Al系母材上以与所述Cu系母材相接的方式配置所述粉末状填充金属的粉体，使激光的照射光斑在所述粉体的表面上扫描。
5.根据权利要求4所述的异种金属的接合方法，其中，所述激光的照射光斑所扫描的所述粉体还包含以在表面所占的面积率计为1％以上的Fe粉。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，所述粉末状填充金属的粉体还含有以体积比例计为10％以上的助熔剂。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的异种金属的接合方法，其中，所述激光焊接中的焊接条件是功率密度为50kW/mm2以下，焊接速度为1mm/s以上。
8.一种激光焊接装置，是为了接合作为异种金属的由Al合金或纯Al构成的Al系母材与由Cu合金或纯Cu构成的Cu系母材而使用的激光焊接装置，其特征在于，包括激光射出单元和填充金属供给单元，
该填充金属供给单元具有：
用于收纳由含有Si和Cu中的至少一者的Al合金构成的粉末状填充金属并且供给被收纳的所述粉末状填充金属的填充金属供给部、和
用于收纳Fe粉并且供给被收纳的所述Fe粉的Fe粉供给部，
所述填充金属供给部被构成为能够通过向接合预定位置供给所述粉末状填充金属而配置所述粉末状填充金属的粉体，
所述Fe粉供给部被构成为能够向配置于所述接合预定位置的所述粉体的表面上供给并配置所述Fe粉，
所述激光射出单元被构成为能够使激光的照射光斑在配置有所述Fe粉的所述粉体的表面上进行扫描。
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