JP2011006723A

JP2011006723A - 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

Info

Publication number: JP2011006723A
Application number: JP2009149304A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Fukuda; 敏彦福田; Takeru Kurauchi; 武類倉内; Koichiro Takiguchi; 浩一郎滝口
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】レーザ溶接時、従来の純アルミニウム系材料よりも、レーザ溶接時の耐溶接割れ性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板を提供すること。
【解決手段】Ｓｉ：０．４〜２．０％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｓｉ含有量とＦｅ含有量との比（Ｓｉ／Ｆｅ）＝０．８〜２．０である。さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｂ：５〜５００ｐｐｍを含有していることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、電池ケースの蓋に用いられるアルミニウム合金板、詳しくは、携帯電話やノートパソコンに使用される角型のリチウムイオン電池などのケースの蓋用として好適な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等に組み込まれる部品は軽量であることが強く望まれている。このため、これらに使用される角型リチウムイオン電池のケース本体の材料につても、当初の鋼板やステンレス鋼板に代えてＡ３００３アルミニウム合金板が使われるようになっている。

角型電池ケース本体は、複数の工程の絞りおよびしごき加工を組み合わせて成形される。Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３アルミニウム合金は、このような複雑な成形工程を採用しても、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。そのため、Ａ３００３アルミニウム合金は、電池のケース本体用素材として多用されている。
Ａ３００３よりなるケース本体の開口部は、純アルミニウム系であるＡ１０５０アルミニウム合金よりなる蓋で覆われ、両者はレーザ溶接によって接合されている。

ところで、近年、リチウムイオン電池については、さらに軽量化、高容量化が求められており、角型電池ケースにおいても一層の薄肉化が要請されている。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る。一方、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し、クリープ変形により電池ケースが膨らむという問題がある。このようなフクレによる電池ケース本体の厚み変形量が大きい場合には、故障、破損などによる機器への影響が懸念され、単なる薄肉化はこの問題を助長することになりかねない。そのため、内部圧力によるフクレを抑制する角型電池ケース用アルミニウム材料として、Ａ３００５や、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇを含有し、強度を改善したアルミニウム合金が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００４−２３２００９号公報特開２００５−３３６５４０号公報

電池ケースは、上述したごとく、ケース本体と蓋体からなり、レーザ溶接によってケース本体に蓋体を接合している。上記のごとくケース本体の薄肉化を図れば、その材料の強度改善をしても溶接部位の強度が低下してしまう。そのため、電池ケースの薄肉化が進むにつれて、ケース本体と蓋体との接合強度もより高いものとすることが求められている。

電池ケースの場合、レーザ溶接をする際に、通常、蓋体の近傍には樹脂パーツが位置している。そのため、溶接時には、樹脂パーツに影響がないよう、できるだけ小さな入熱で接合することが望まれている。それ故、溶接部位に対する入熱（出力）を増やし、溶け込み深さを大きくすることによって接合部の強度を高める方策は採ることができない。

さらに、ケース本体の薄肉化、つまり、ケース本体及び蓋体の薄肉化に伴って、レーザ溶接時の溶接割れが生じやすくなる。そこで、電池ケースの蓋体用のアルミニウム材料として、純アルミニウム系と同等の成形加工性を有するとともに、レーザ溶接時、溶接割れのしにくいアルミニウム合金材料が要請されている。

本発明は、上記の要請に基づいて試験、検討を行った結果としてなされたものであり、その目的は、レーザ溶接時、従来の純アルミニウム系材料よりも、レーザ溶接時の耐溶接割れ性に優れた電池ケース蓋用アルミニウム合金板を提供することにある。

本発明は、Ｓｉ：０．４〜２．０％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、
かつ、Ｓｉ含有量とＦｅ含有量との比（Ｓｉ／Ｆｅ）＝０．８〜２．０であ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にある（請求項１）。

本発明の電池ケース蓋用アルミニウム合金板は、上記特定の成分組成を有している。これにより、電池ケース蓋として用い、これをレーザ溶接により電池ケース本体とと接合する際に、その耐溶接割れ性が従来の純アルミニウム系材料の場合よりも向上する。そのため、上記電池ケース蓋用アルミニウム合金板として、非常に好適である。特に、広く普及している角型リチウムイオン電池ケースの蓋用として好適である。

本発明の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。
Ｓｉ：０．４〜２．０％、
ＳｉはＡｌやＦｅと結合してＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物を形成し、レーザ溶接時の割れ感受性に影響を与える。割れ感受性を低減し、レーザ溶接時に割れないためのＳｉ含有量は、０．４％以上、２．０％以下の範囲である。Ｓｉ含有量が０．４％未満の場合は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の形成が不充分であり、割れ感受性が大きくなる。その含有量が２．０％超えの場合は、鋳造時に１００μｍ以上の粗大なＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物（金属間化合物）を形成し、製板の状態でも１５μｍ以上の金属間化合物として存在することになり、割れ感受性が大きくなってしまう。

Ｆｅ：０．５〜１．５％、
ＦｅもＡｌやＳｉと結合してＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物を形成し、レーザ溶接時の割れ感受性に影響を与える。割れ感受性を低減し、レーザ溶接時に割れないためのＦｅ含有量は、０．５％以上、１．５％以下の範囲である。Ｆｅ含有量が０．５％未満の場合は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の形成が不充分であり、割れ感受性が大きくなる。その含有量が１．５％超えの場合は、鋳造時に１００μｍ以上の粗大なＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物（金属間化合物）を形成し、製板の状態でも１．５μｍ以上の金属間化合物として存在することになり、割れ感受性が大きくなってしまう。

Ｓｉ／Ｆｅ：０．８〜２．０、
上記のごとく、Ｓｉ及びＦｅはＡｌと結合して金属間化合物を形成するため、両者の含有比が重要になってくる。割れ感受性を低減し、レーザ溶接時に割れないためのよりよい金属間化合物を形成するには、Ｓｉ含有量及びＦｅ含有量を上記範囲に制御するのみならず、Ｓｉ／Ｆｅを０．８〜２．０に制御する必要がある。その比が０．８未満の場合、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系ではなくＡｌ−Ｆｅ系の金属聞化合物を形成しやすくなり、割れ感受性低減効果が薄れてしまう。その比が２．０超えの場合、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系ではなく、単体Ｓｉが形成されやすくなり、これも割れ感受性低減効果が薄れてしまう。

Ｆｅ及びＳｉ以外の残部は、上述したごとく、Ａｌおよび不可避的不純物である。ここで、不可避的不純物は、合金の製造上の問題から取り除くことが困難な成分である。
例えば、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎについては０．１％以下、好ましくは０．０５％以下までは不可避的不純物として含むことができる。
なお、Ｆｅ及びＳｉの上述した作用効果を阻害しない限り、微量（０．０３％以下）の範囲で他の元素を故意に添加した場合であっても、これは上記不可避的不純物と同等に扱うことができる。

また、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｂ：５〜５００ｐｐｍを含有していることが好ましい（請求項２）。Ｔｉ、Ｂは、鋳造組織を微細化して、製品の成形性を安定化させることができるので、上記範囲において添加することが好ましい。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電池ケース蓋用アルミニウム合金板につき、比較例と対比して説明する。
本例の実施例としては、表１に示すＡ〜Ｇの合金を準備した。これらの合金Ａ〜Ｇは、いずれも、Ｓｉ：０．４〜２．０％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｓｉ含有量とＦｅ含有量との比（Ｓｉ／Ｆｅ）＝０．８〜２．０であるという要件を満たしている。

比較例としては、表１に示すＨ〜Ｍの合金を準備した。これの合金Ｈ〜Ｍは、Ｓｉ含有量、Ｆｅ含有量、またはＳｉ／Ｆｅ比のいずれかが上記適正範囲から外れたものである。
実施例の合金Ａ〜Ｇ及び比較例の合金Ｈ〜Ｍは、いずれも、半連続鋳造により造塊した。なお、いずれの合金も、鋳造組織微細化のために、Ｔｉ：０．０１％とＢ：５０ｐｐｍを添加した。得られた鋳塊に、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延を施して、厚さ０．８ｍｍの板材とした。その後、板材に対し３８０℃の温度で３時間保持する最終熱処理を行い、得られた板材を試験材とした。

各合金の試験材について、次の方法により、レーザ溶接時の割れ感受性の評価を行った。
・レーザ溶接機：半導体励起パルス発信型ＹＡＧレーザ（片岡製作所製ＨＰ３００β）、
・レーザ出力：２１０Ｗ、
・溶接方法：上記試験材と同じ厚さのＪＩＳ１０５０のＯ材からなる板材を準備し、これを上記試験材に突き合わせて、その突き合わせ部にレーザ溶接のスポットを照射し、このスポットと突き合わせ部を９００ｍｍ／分で相対移動させてレーザ溶接した。
・評価方法：割れ感受性は、その溶接継手部位に割れが発生しているかどうかを、当該溶接継手部位の断面を顕微鏡観察することにより確認し、割れが無い場合は合格、一方、割れがある場合は、割れ感受性が高いことから不合格とした。

評価結果を表１に示す。
表１から知られるように、本発明の実施例としての合金Ａ〜Ｇは、いずれも割れがないのに対して、比較例としての合金Ｈ〜Ｍはいずれも割れが発生した。
この結果から、本発明の合金は、レーザ溶接性に優れ、電池ケース蓋用アルミニウム合金板として好適であることがわかる。

Claims

Ｓｉ：０．４〜２．０％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、
かつ、Ｓｉ含有量とＦｅ含有量との比（Ｓｉ／Ｆｅ）＝０．８〜２．０であ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。
請求項１において、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｂ：５〜５００ｐｐｍを含有してい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。