JP2009127075A - パルスレーザ溶接用アルミニウム合金材及び電池ケース - Google Patents
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Abstract
【課題】Ａ１０００系アルミニウム材をパルスレーザ溶接により、異常部の発生が防止され、均一に良好な溶接部を形成することができるパルスレーザ溶接用アルミニウム合金材及び電池ケースを提供する。
【解決手段】パルスレーザ溶接用アルミニウム合金材は、Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌである。電池ケースは、上記アルミニウム合金材からなるケース本体及び蓋を、パルスレーザ溶接により溶接して封止したものである。
【選択図】図１
【解決手段】パルスレーザ溶接用アルミニウム合金材は、Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌである。電池ケースは、上記アルミニウム合金材からなるケース本体及び蓋を、パルスレーザ溶接により溶接して封止したものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、パルスレーザ溶接で封止溶接するのに好適のパルスレーザ溶接用アルミニウム合金材及びこのアルミニウム合金材を使用してパルスレーザ溶接により製造された電池ケースに関する。
自動車用燃料電池としては、従来、ニッケル水素電池が主として使用されてきたが、近年、携帯電話及びパーソナルコンピュータ等で使用されているリチウムイオン電池が、その軽量であること及び動作電圧が高いこと等の理由で採用を検討されている。
リチウムイオン電池は、その構成上、胴体及び蓋を含めた電池ケースに電極としての作用を持たせており、電池ケース用材料には、導電性が高いアルミニウム材が使用されている。また、アルミニウム材は、深い絞り加工が可能であるため、ケース用に角形又は丸形の容器を成形加工にて製造することができる。
携帯電話等の電池を単体で使用する場合は、膨れ防止のため、ケースの胴体及び蓋に高強度なＡＡ３０００系アルミニウム合金が使用されている。この電池ケースは、アルミニウム合金材からなる胴体と蓋とを蓋の周縁に沿ってレーザ溶接することにより接合されている。
特許文献１及び２には、Ａ３００３アルミニウム合金からなるケース本体と蓋とを、その接合界面に、アルミニウム合金材よりも融点が低いろう材を介在させて、接合界面をアルミニウム材の固相撹拌接合により接合する電池ケースの製造方法が開示されている。
特許文献３には、アルミニウム又はアルミニウム合金製の電池ケースの外表面に、合成樹脂塗料の被膜を形成するか、セラミックコーティングによる被膜を形成するか、又はアルミニウム酸化被膜処理による被膜を形成することにより、ケースの耐食性を向上させた電池ケースが開示されている。
特許文献４には、ＪＩＳＡ３００３アルミニウム合金からなる有底角筒形の外装缶の開口部に、ＪＩＳＡ３００３アルミニウム合金からなる蓋体をレーザ溶接により接合して、リチウムイオン二次電池を製造する方法が開示されている。なお、特許文献４には、電池ケースの材質として、Ａ１０５０アルミニウム材が記載されている。
上述のごとく、従来のリチウムイオン電池は、携帯電話及びパーソナルコンピュータに使用されており、ケースの膨れ防止のために、電池ケース用材料としては、高強度のＡＡ３０００系アルミニウム合金が使用されている。しかし、自動車用燃料電池は、複数個の燃料電池をその間に樹脂スペーサを介在させて積層するように配置されているので、高強度の素材でなくても膨れ等の問題が生じない。このため、自動車用燃料電池用のリチウムイオン電池では、低強度ではあるが、高導電率のＡＡ１０００系アルミニウム材（純アルミニウム材）の使用が検討されている。
Ａ１０００系アルミニウム材は、熱伝導性も良好であるため、その封止溶接に使用されるパルスレーザ溶接では、エネルギ密度が高いパルスレーザ溶接が使用される。このパルスレーザ溶接法は、パルス状のレーザを照射しながら、レーザを溶接線に沿って移動させることにより、溶融池を順次形成しつつ溶接する方法である。これにより、図３の平面図に示すような円弧の連続からなる溶接部が形成される。
しかし、このＡ１０００系アルミニウム材のパルスレーザ溶接は、素材中の不純物等の材料成分と素材の表面状態が、溶接の溶け込み幅及び溶け込み深さに影響し、突発的に溶融部が変化しやすいという問題点がある。このため、図４に示すように、溶接線上で、突発的に大きな溶融池が形成された後、それが固化した異常部が局部的に形成され、溶接部の不連続性が発生しやすい。この異常部は、被溶接材の裏面にまで突き抜ける溶け込みとなり、導電性及び動作電圧等の性能に悪影響を与える可能性がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ａ１０００系アルミニウム材をパルスレーザ溶接により、異常部の発生が防止され、均一に良好な溶接部を形成することができるパルスレーザ溶接用アルミニウム合金材及び電池ケースを提供することを目的とする。
本発明に係るパルスレーザ溶接用アルミニウム合金材は、Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とする。
本発明に係る電池ケースは、Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金材からなるケース本体及び蓋を、パルスレーザ溶接により溶接して封止したものであることを特徴とする。
この電池ケースは、例えば、リチウムイオン電池に使用される。特に、自動車用リチウムイオン電池に使用される。
本発明によれば、Ａ１０００系のアルミニウム合金材において、Ｔｉ含有量を０．０１質量％以下に規制することにより、パルスレーザ溶接により溶接した場合の局部的な異常部の形成を防止することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。Ａ１０００系アルミニウム合金材、特に、Ａ１０３５〜Ａ１０８０のアルミニウム材は、Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０３質量％以下という組成を有する。そして、このＡ１０００系アルミニウム材は、高導電率であり、溶接性も優れている。なお、本発明において、アルミニウム合金材というときは、合金化しているものだけではなく、冶金的に完全には合金化していないものも含む。
本発明者等は、このようにリチウムイオン電池ケース用の素材として優れているＡ１０００系アルミニウム材の利点を生かしつつ、これをパルスレーザ溶接により溶接したときの欠点を解消できる素材を開発すべく、種々実験研究した。その結果、本発明者等は、従来、鋳造過程における結晶粒の粗大化を抑制するために添加されていたＴｉが溶接部に悪影響を与えていることを見いだし、パルスレーザ溶接によりＡ１０００系アルミニウム材を溶接したときの異常部の形成を防止するためには、純アルミニウムの中に含まれるＴｉを０．０１質量％未満に規制すればよいことを見いだした。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
このＴｉが溶接部に異常部を形成する機構については、解明されていない部分が多いが、Ｔｉは凝固過程で窒素及び水素等を凝集しやすい性質があり、この凝集部にレーザ光が照射されると、蒸気化して板厚方向に深いキーホールを形成する。その結果、大きな溶融池が形成され、それが固化した結果、局部的に溶融部が大きくなるものと考えられる。また、Ｔｉはアルミニウムの融点に近い７００℃で、窒素又は水素等によって活性化し、変色する。このため、この変色部が、レーザ光の吸収を促進して溶接部に過大な入熱が発生し、結果として、大きな溶融池が形成され、それが固化した結果、局部的に溶融部が大きくなると考えられる。このような突発性の溶融部の変化が、Ｔｉ量が０．０１質量％を超えると、著しく発生するようになる。
このため、本発明においては、Ａ１０００系の純アルミニウム材のＴｉ量を０．０１質量％未満とする。その他の成分の含有量は、Ａ１０００系の範囲、特に、Ａ１０３５〜Ａ１０８０系の範囲に入るものであればよい。
次に、２枚のＡ１０００系アルミニウム合金材を、図１に示すように突合せて配置し、この突合せ部をパルスレーザにより溶接した。１個のパルスレーザにより溶融池が形成されて固化した円状の溶接部がレーザの移動により連続的に溶接線に沿って重なり合いながら形成される。溶接機は、パルス発振のＹＡＧレーザを使用し、レーザ出力は２４０Ｗ（パルスエネルギが１２Ｊ、周波数が２０Ｈｚである）、溶接速度は１８０ｍｍ／分であり、シールドガスは窒素を２０リットル／分の速度で供給した。加工点とレーザの焦点位置を同一（ｆｄ：０ｍｍ）とした。
下記表１は、使用したＡ１０００系アルミニウム合金板の各成分の組成を示す。但し、表１における各成分の分析は、湿式分析である。また、異常部の個数、即ち、溶融部が貫通した個数（異常部の発生率）を、表１に合わせて示す。この表１に示すように、Ｔｉが０．０１質量％以下である実施例１乃至５については、異常部の発生率が極めて少なかった。これに対し、Ｔｉが０．０１質量％以上の比較例１乃至１５については、その他の成分が、実施例１乃至５と同一であっても、異常部の発生率（貫通個数）が高かった。
また、図２（ａ）乃至（ｄ）は、実施例及び比較例の夫々Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｕ及びＴｉの含有量を横軸にとり、異常部発生率を縦軸にとって両者の関係を示すグラフ図である。この図に示すように、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｕについては、それらの成分の含有量によらず、異常部が発生している。特に、これらの成分の含有量が０に近づいても、異常部の発生率は低下しない。これに対し、Ｔｉが従来のＡ１０００系アルミニウム材の０．０２質量％近傍のときには、異常部発生率が高いが、Ｔｉが０．０１質量％以下になると、この異常部の発生率が著しく低下する。
Claims (3)
- Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とするパルスレーザ溶接用アルミニウム合金材。
- Ｓｉ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．６質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以下、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金材からなるケース本体及び蓋を、パルスレーザ溶接により溶接して封止したものであることを特徴とする電池ケース。
- リチウムイオン電池に使用されることを特徴とする請求項２に記載の電池ケース。
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