JP2009052126A - レーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材 - Google Patents

Abstract

【目的】優れたレーザ溶接性能を有し、低出力でも良好な溶融状態が得られるレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材を提供する。
【構成】Ｆｅ：１．４％以上２．０％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｍｇ：０．２％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなり、マトリックス中に２μｍ以上５μｍ以下の金属間化合物が１００００μｍ^２当たり４０個以上存在することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等に利用されるリチウムイオン電池ケース蓋用として好適な加工性とレーザ溶接性に優れたアルミニウム合金板に関する。

携帯電話やノート型パーソナルコンピューターに組み込まれる部品は軽量であることが強く望まれており、このためリチウムイオン電池ケース材には鋼板やステンレス鋼板に代わってＡｌ−Ｍｎ系のＡ３００３アルミニウム合金板が使われ始めている。

複数の工程の絞りおよびしごき加工を組み合わせて成型される角形電池ケースにおいて、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３アルミニウム合金は光沢のある美しい表面状態を維持しながらケースの薄肉化が可能な素材である。薄肉化は内容積の増加に直結し、電池特性の高容量化を図る重要な要素であり、角形電池ケースはレーザ溶接技術を用いて純アルミニウム合金であるＡ１０５０合金蓋材で封口される。

しかしながら、充放電を繰り返すリチウムイオン電池はその反応時に内部圧力が上昇するとともに温度も上昇し、この状態下のアルミニウム合金板材はクリープ変形し、結果として電池ケースの厚みが増加するという問題があり、その厚み変形量が大きい場合には、機器への影響（故障、破損など）が懸念される。

また、蓋材に用いられる純アルミニウム合金はＡ３００３合金系と比べると熱伝導性が高く、レーザ溶接性の観点からは溶け込みが浅くなる傾向にあるため好ましくない。所定の溶け込み深さを得るためにレーザ溶接出力を上げることも可能であるが、入熱エネルギーが増すことにより電池ケース内部構造体にダメージを与えることが懸念される。電池ケース蓋材には電池内部の圧力上昇を緩和する目的で局所的に板厚を薄く（約２０μｍ）する防爆機能が付与されている。

近年、リチウムイオン電池には一層の高容量化が求められ、電池ケースの外形寸法を大きくすることなく内容積を増やすことが課題となっている。このため素材はさらに薄肉化する必要があるが、薄肉化するとクリープ変形が起こり易くなるため、クリープ変形し難い電池ケース用アルミニウム合金板材が望まれている。

角形電池ケース用素材には、飲料缶成形で実施されている絞り−しごき加工よりもさらに厳しい成形性が求められ、レーザ溶接性についても実用上問題のないことも重要な要素となる。このような特性を満足する材料として、例えば、Ｍｎ １〜１．５％、Ｍｇ ０．３〜０．８％、Ｃｕ ０．３〜０．６％、Ｓｉ ０．０５〜０．２５％、Ｆｅ ０．２〜０．５％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金板が提案されている（特許文献１参照）。また、成形性を考慮して、Ｍｎ ０．３〜１．５％、Ｆｅ １．０〜１．８％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金板も提案されている（特許文献２参照）

電池ケース蓋材に上記の材料を用いれば、レーザ溶接性の観点からは有利になると考えられるが、材料強度が純アルミニウム系合金より高くなるため、防爆機能を付与する成形が困難となる。また、上記のＦｅ、Ｍｎを多く含む合金系では粗大な金属間化合物が鋳造時に形成し易くなり、防爆機能を付与する成形加工部にこのような粗大金属間化合物が存在すると亀裂発生の起点となり好ましくない。

Ｍｎ ０．４〜０．６％、Ｆｅ １．１５〜１．３５％を主成分とする電池ケース用アルミニウム合金板も提案され、防爆機能に優れた特性が示されているが、レーザ溶接性に関しては具体的な特性が不明であり、上記提案のアルミニウム合金板はいずれも、リチウムイオン電池ケース蓋用材料としては必ずしも満足すべき特性をそなえていない。
特開２００４−１５６１３８号公報 特開２００３−７２６０号公報 特開２００７−１０７０４８号公報

発明者らは、レーザ溶接性を向上させるためのアルミニウム材料の組織について試験、検討を重ねた結果として、Ｆｅを含む金属間化合物の存在が、レーザ溶接時の溶け込み深さを向上させるよう機能することを見出した。その理由を解明した結果、これらの金属間化合物が多数分散することで、レーザ溶接機で利用されるＹＡＧレーザ光の吸収率が高まり、吸収された光が熱エネルギーとなって材料を溶融させるためであることが判った。

本発明は、上記の知見をベースとしてなされたものであり、その目的は、純アルミニウム系合金のような加工性と適度な低強度をそなえるとともに、優れたレーザ溶接性能を有し、低出力でも良好な溶融状態を得ることができるレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１によるレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材は、Ｆｅ：１．４％以上２．０％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｍｇ：０．２％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなり、マトリックス中に２μｍ以上５μｍ以下の金属間化合物が１００００μｍ^２当たり４０個以上存在することを特徴とする。この構成により、加工性を損ねることなく、良好なレーザー溶接性を有する電池ケース蓋用アルミニウム合金板が提供される。

請求項２によるレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材は、請求項１において、前記アルミニウム合金が、さらに、Ｍｎ：０．０５％以上０．３％未満含有することを特徴とする。Ｍｎの含有によりレーザー溶接性をさらに向上させることができる。

請求項３によるレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム板材は、請求項１または２において、前記アルミニウム合金が、さらに、Ｚｒ：０．０１％以上０．２％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．２％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする。この構成により再結晶組織を微細化して成形加工性を高めることができ、溶接割れを抑制することもできる。

本発明によれば、レーザ溶接時、同じ入熱で従来材の純アルミニウム系合金板材より深い溶け込みが得られ、特に角形リチウムイオン電池ケース蓋材として好適に使用できるレーザ溶接性に優れたアルミニウム合金板が提供される。

本発明による電池ケース蓋用アルミニウム合金板における合金成分の意義およびその限定理由について説明する。
Ｆｅ：Ｆｅは、前記のように、金属間化合物として存在する状態で、レーザ溶接時の溶け込み深さを向上させるように機能する。Ｆｅ含有量が１．４％未満では溶け込み深さが十分ではなく、接合強度が低下するため好ましくない。２．０％を超えて含有すると、鋳造時に１００μｍ以上の晶出物（金属間化合物）を形成し、製品板の状態でも１５μｍ以上の化合物として存在することになり、防爆機能を付与する成形加工部にそれらの粗大な金属間化合物が存在すると亀裂発生の起点となる。Ｆｅのさらに好ましい含有量は１．５〜１．７％である。

Ｍｎ：ＭｎもＡｌやＦｅと結合して金属間化合物を形成し、レーザ溶接時の溶け込み深さを向上させるように機能する。その含有量が０．０５％未満ではその効果が十分ではなく、０．３％を超えて含有すると、鋳造時に１００μｍ以上の巨大なＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系の金属間化合物が形成され易くなり、成形性を低下させる。

Ｓｉ：Ｓｉは不純物として混入するが、その含有量が０．３％を超えると、強度が高くなって成形性が低下し易くなるため、０．３％以下に規制することが望ましい。Ｓｉ量を低減することは高純度のアルミニウム地金を使用することになり、製造コストを上昇させるので、０．０５〜０．１５％の範囲とするのが好ましい。

Ｃｕ、Ｍｇ：Ｃｕ、Ｍｇはレーザ溶接の際に蒸発し易くヒュームの発生を誘発し、溶接不良の原因となる。そのためＣｕ：０．２％以下、Ｍｇ：０．２％以下に制御することが望ましい。

Ｚｒ、Ｃｒ：ＺｒおよびＣｒは、再結晶組織を微細化して成形加工性を高めるために有効な元素である。また、溶接割れを抑制する作用もある。好ましい含有量はＺｒ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％の範囲であり、それぞれ下限未満では上記の効果が十分ではなく、それぞれ上限を超えると粗大な金属間化合物を形成し易くなり、成形性が低下する。

Ｔｉ、Ｂ：鋳塊組織を微細化して、製品板の成形性を高位安定化するよう作用するので、Ｔｉは０．０１％以上０．２％以下、Ｂは５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の範囲で１種または２種を含有させることができる。

金属間化合物分散状態：前記のように、Ｆｅを含む金属間化合物の分散状態がレーザ溶接性に大きく影響し、この金属間化合物が光学顕微鏡で観察される状態で、サイズが２〜５μｍの金属間化合物が１００００μｍ^２当たり４０個以上存在する場合、レーザ溶接時の溶け込みが格段に深くなる。これは前記のように金属間化合物によってレーザ吸収率が上がるためで、さらに金属間化合物とマトリックスの界面には添加元素や不純物が偏析しやすく融点が低くなることも溶け込みが深くなる理由である。

２μｍより小さな化合物が存在してもレーザ溶接性を低下させないが、光学顕微鏡でその分散状態を正確に把握することが難しく、２〜５μｍの範囲の分散状態を正確に区別することでレーザ溶接性の優劣を判断できる。５μｍを超える金属間化合物は、レーザ溶接性への影響が小さい。また１５μｍを超える粗大金属間化合物は防爆機能を付与する成形加工部（約２０μｍの厚さ）の加工において亀裂発生の起点となり、金属間化合物近くで割れが発生し易くなるため、粗大金属間化合物の形成を抑制することが必要である。２〜５μｍの金属間化合物が１００００μｍ^２当たり４０個未満では十分な効果が得難い。個数の上限は特に規定しないが、組成と製造工程により自ずから上限が決まり、実際には７０〜１００個程度が上限となる。

本発明の電池ケース蓋用アルミニウム合金板材は、造塊された鋳塊を常法に従って均質化処理、熱間圧延を行い、必要に応じて中間熱処理を行った後、最終板厚まで冷間圧延を行い、所定の熱処理を施して使用に供する。電池ケース蓋材としては、成形性や防爆機能を考慮し、軟化材（Ｏ材）として使用することが望ましい。２〜５μｍの金属間化合物を１００００μｍ^２あたり４０個以上存在させるためには、均質化処理を５５０〜６２０℃の温度範囲で２ｈ以上保持する条件で行い、熱間圧延の圧延加工度を９０％以上、さらに冷間圧延の圧延加工度を５０％以上とすることが好ましい。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は本発明の一実施状態を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例、比較例
表１に示す組成を有するアルミニウム合金を半連続鋳造により造塊した。なお、アルミニウム合金にはＴｉ０．０１％、Ｂ５０ｐｐｍを添加した。得られた鋳塊を常法に従って均質化処理、熱間圧延、冷間圧延し、厚さ０．８ｍｍの板材を作成した。その後、３８０℃の温度で最終熱処理を行い、得られた板材を試験材として下記の方法で評価した。評価結果を表２に示す。なお、表１〜２において、本発明の条件を外れたたものには下線を付した。

引張り特性：ＪＩＳ Ｚ ２２０１で規定されるＪＩＳ５号試験片を作製し、室温でＪＩＳ ２２４１に準拠して引張試験を行った。成形性の指標として、引張強さが１３０ＭＰａ未満のものは合格、１３０ＭＰａ以上のものは加工性が劣るため不合格とした。

ミクロ組織：試験材のミクロ組織を光学顕微鏡で観察し、画像解析装置を用いて、サイズが２〜５μｍの範囲の金属間化合物を測定し、１００００μｍ^２当たりの個数を求めた。また、１５μｍを超える粗大金属間化合物も測定して、成形性の指標とし、１５μｍを超える粗大金属間化合物が１個でも観察されたものは不合格とした。

レーザ溶接性：半導体励起パルス発振型ＹＡＧレーザ（片岡製作所製ＨＰ３００β）を用い、レーザ出力を２１０Ｗ設定として、試験片を９００ｍｍ／分で移動させ、溶接部断面の最大溶け込み深さを測定した。計測は２ｃｍ間隔に５断面を観察し、その最大溶け込み深さの平均値を算出した。溶け込み深さが２００μｍ以上を合格とし、２００μｍ未満は溶接不良として不合格と判定した。

表２に示すように、本発明に従う試験材１〜８は、引張強さ１３０ＰＭａ未満で、３８％以上の伸びを有しており、蓋材の成形加工に問題のない良好な引張り特性をそなえていた。サイズ２〜５μｍの金属間化合物は１００００μｍ^２当たり４０個以上存在し、１５μｍ以上の金属間化合物は存在しなかった。また、レーザ溶接後２００μｍ以上の溶け込み深さが得られた。

これに対して、試験材９、１０および１１は、Ｆｅ添加量が少ないために金属間化合物数が減少し、十分な溶け込み深さが得られていない。試験材１２は、Ｆｅ、Ｍｎの添加量が多く１５μｍを超える金属間化合物が存在し、電池ケース蓋材としての成形性に問題がある。試験材１３は、Ｍｎの添加量が多く１５μｍを超える金属間化合物が存在し、電池ケース蓋材としての成形性に問題がある。

試験材１４は、Ｚｒの添加量が多く１５μｍを超える金属間化合物が存在し、電池ケース蓋材としての成形性に問題がある。試験材１５はＣｒの添加量が多く１５μｍを超える金属間化合物が存在し、電池ケース蓋材としての成形性に問題がある。試験材１６はＭｇ、Ｃｕの添加量が多く、レーザ溶接性が阻害され十分な溶け込み深さが得られない。試験材１７は従来材の１０５０材であり、金属間化合物数が少なく、十分な溶け込み深さが得られない。

Claims (3)

1. Ｆｅ：１．４％（質量％、以下同じ）以上２．０％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｍｇ：０．２％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなり、マトリックス中に２μｍ以上５μｍ以下の金属間化合物が１００００μｍ^２当たり４０個以上存在することを特徴とするレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材。
2. 前記アルミニウム合金が、さらに、Ｍｎ：０．０５％以上０．３％未満含有することを特徴とする請求項1記載のレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材。
3. 前記アルミニウム合金が、さらに、Ｚｒ：０．０１％以上０．２％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．２％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板材。