JP2017168267A - 導電部材、及び、導電部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性に優れるだけでなく、接合強度にも優れる導電部材、及び、導電部材の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る導電部材１０は、６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材１と、１０００系のアルミニウムからなる第二部材２と、第一部材１と第二部材２とが重なる部分において、第一部材１を貫通するように形成されるとともに、第二部材２の内部まで連続して形成される溶接部３と、を備える。また、本発明に係る導電部材１０の製造方法は、６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材１と、１０００系のアルミニウムからなる第二部材２と、が重なる部分に、第一部材１側からレーザ又は電子ビームを照射し、第一部材１を貫通し、第二部材２の内部まで連続する溶接部３を形成させる接合工程、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、導電部材、及び、導電部材の製造方法に関するものである。

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等が、実際に市場に投入され、自動車市場を牽引している。
このような自動車には、リチウムイオン電池等のセルが搭載されており、各セルを電気的に接続するにあたり、バスバー（ｂｕｓ−ｂａｒ）と呼ばれる導電部材が使用されている。そして、現在、この導電部材として、導電性の高い銅製又は銅合金製のものを用いるのが一般的である。

しかしながら、近年、自動車の燃費性能を向上させるために、自動車の軽量化、そして、自動車に搭載される部材の軽量化が求められている。
このような事情を勘案し、銅よりも軽量であるアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、適宜「アルミニウム材」という）からなる導電部材の創出が検討されている。

ここで、導電部材にアルミニウム材を適用するにあたり、成分組成の異なる異種のアルミニウム材について接合した状態での使用が要求される場合がある。
このような場合を想定し、異種のアルミニウム材を接合した導電部材に関する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、電子部品の外部端子に接続される複数の端子部が１０００系アルミニウムからなり、これらの端子部間を連繋する本体部が６０００系アルミニウム合金からなり、前記端子部と本体部とが摩擦攪拌接合されて一体化してなることを特徴とするバスバーが開示されている。

特開２０１５−１５２１１号公報

特許文献１に係る技術は、異種のアルミニウム材を接合する方法として、摩擦撹拌接合を採用している。しかしながら、この摩擦撹拌接合は、接合部分において導電性の低下が認められている。よって、特許文献１に係る技術は、導電部材としての重要な指標の一つである導電性について改善の余地が存在する。

また、特許文献１に係る技術のような異種のアルミニウム材を接合する技術に対しては、当然、優れた接合強度が要求される。

そこで、本発明は、導電性に優れるだけでなく、接合強度にも優れる導電部材、及び、導電部材の製造方法を提供することを課題とする。

すなわち、本発明に係る導電部材は、６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材と、１０００系のアルミニウムからなる第二部材と、前記第一部材と前記第二部材とが重なる部分において、前記第一部材を貫通するように形成されるとともに、前記第二部材の内部まで連続して形成される溶接部と、を備える。

このように、本発明に係る導電部材は、第一部材と第二部材との重なる部分に溶接部を備えることから、当該溶接部において、導電性が低下してしまうおそれはなく、導電部材全体として優れた導電性を発揮することができる。
また、本発明に係る導電部材は、溶接部が、第一部材を貫通するように形成されるとともに、第二部材の内部まで連続して形成されていることから、溶接部は第一部材と第二部材とが十分に撹拌され成分の分布に偏りのない状態になっている。さらに、溶接部の成分組成は、第一部材の成分組成に近くなっている。その結果、本発明に係る導電部材は、優れた接合強度を発揮することができる。

また、本発明に係る導電部材は、第一部材と第二部材との重なる部分に溶接部が形成されているという簡易な構成であるため、強度が要求される箇所に第一部材を配置し、導電性が特に要求される箇所や加工性が要求される箇所に第二部材を配置するといったように設計することができる。つまり、本発明に係る導電部材は、導電部材に対するニーズに合わせて自在に設計し対応させることが可能である。

本発明に係る導電部材は、前記第一部材、及び、前記第二部材の少なくとも一方の表面にめっき層を備えていてもよい。
このように、本発明に係る導電部材は、めっき層を備えていても、導電性だけでなく接合強度も優れたものとなる。

本発明に係る導電部材の製造方法は、６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材と、１０００系のアルミニウムからなる第二部材と、が重なる部分に、前記第一部材側からレーザ又は電子ビームを照射し、前記第一部材を貫通し、前記第二部材の内部まで連続する溶接部を形成させる接合工程、を含む。

このように、本発明に係る導電部材の製造方法は、第一部材と第二部材との重なる部分に溶接部を形成させることから、当該溶接部において、導電性が低下してしまうおそれのない、優れた導電性を発揮する導電部材を製造することができる。
また、本発明に係る導電部材の製造方法は、第一部材を貫通し、第二部材の内部まで連続する溶接部を形成させることから、溶接部は第一部材と第二部材とが十分に撹拌され成分の分布に偏りのない状態となっている。さらに、溶接部の成分組成は、第一部材の成分組成に近くなっている。その結果、本発明に係る導電部材の製造方法によると、優れた接合強度を発揮する導電部材を製造することができる。

なお、特許文献１に係る技術は、摩擦撹拌接合を採用していることから、接合速度が遅いだけでなく、摩擦撹拌接合用の接合ツールの先端部（プローブ）を出し入れする余剰箇所を設ける必要があるため、生産性が悪い。
一方、本発明に係る導電部材の製造方法は、レーザ又は電子ビームを照射することにより溶接部を形成させていることから、摩擦撹拌接合よりも接合速度が速く、また、余剰箇所等も設ける必要がないため、生産性に優れる。

本発明に係る導電部材は、所定の溶接部を備えることから、導電性に優れるだけでなく、接合強度にも優れる。
また、本発明に係る導電部材の製造方法は、所定の溶接部を形成させる接合工程を含むことから、導電性に優れるだけでなく、接合強度にも優れる導電部材を製造することができる。

本発明に係る導電部材の断面図である。 実施例における断面観察試験用の供試材の接合方法を説明するための模式図である。 実施例における引張試験用の供試材の接合方法を説明するための模式図である。 実施例における供試材２、３、５、６の溶接部の断面の画像である。 実施例における供試材１〜７の最大引張荷重（ｋＮ）を示すグラフである。

以下、本発明に係る導電部材、及び導電部材の製造方法を実施するための形態について、適宜、図を参照して説明する。

［導電部材］
図１に示すように、本実施形態に係る導電部材１０は、第一部材１と、第二部材２と、溶接部３と、を備える。
なお、導電部材とは、複数の部材を電気的に接続する電気接続部材であり、例えば、バスバーである。
以下、本実施形態に係る導電部材を構成する各部材を詳細に説明する。

（第一部材）
第一部材は、６０００系のアルミニウム合金からなる。ここで、６０００系のアルミニウム合金とは、ＪＩＳ Ｈ ４０００：２０１４に記載されている合金番号が６０００番台のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金である。
そして、６０００系のアルミニウム合金は、導電性に優れるだけでなく、強度にも優れる。

６０００系のアルミニウム合金としては、優れた導電性と強度を発揮するとの観点から、合金番号６１０１のアルミニウム合金が好ましい。詳細には、合金番号６１０１のアルミニウム合金は、Ｓｉ：０．３０〜０．７質量％、Ｆｅ：０．５０質量％以下、Ｃｕ：０．１０質量％以下、Ｍｎ：０．０３質量％以下、Ｍｇ：０．３５〜０．８質量％、Ｃｒ：０．０３質量％以下、Ｚｎ：０．１０質量％以下、Ｂ：０．０６質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる。
なお、６０００系のアルミニウム合金の調質は特に限定されないものの、例えば、優れた導電性と強度を発揮するとの観点から、Ｔ６（ＪＩＳ Ｈ ０００１：１９９８）が好ましい。

６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材は、前記のとおり、導電性に優れるだけでなく強度にも優れることから、導電部材の中でも、強度が要求される箇所に適用することができる。

（第二部材）
第二部材は、１０００系のアルミニウムからなる。ここで、１０００系のアルミニウムとは、ＪＩＳ Ｈ ４０００：２０１４に記載されている合金番号が１０００番台の純アルミニウムである。
そして、１０００系のアルミニウムは、６０００系のアルミニウム合金よりも導電性が良く、導電性に非常に優れるとともに、加工性にも優れる。

１０００系のアルミニウムとしては、優れた導電性と加工性を発揮するとの観点から、合金番号１０５０のアルミニウムが好ましい。詳細には、合金番号１０５０のアルミニウムは、Ｓｉ：０．２５質量％以下、Ｆｅ：０．４０質量％以下、Ｃｕ：０．０５質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｍｇ：０．０５質量％以下、Ｚｎ：０．０５質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以下、Ｔｉ：０．０３質量％以下、Ａｌ：９９．５０質量％以上、残部が不可避的不純物からなる。
なお、１０００系のアルミニウムの調質は特に限定されないものの、例えば、材料強度向上の観点から、Ｈ２４（ＪＩＳ Ｈ ０００１：１９９８）が好ましい。

１０００系のアルミニウムからなる第二部材は、前記のとおり、導電性に非常に優れるとともに加工性にも優れることから、導電部材の中でも、導電性が特に要求される箇所や加工性が要求される箇所に適用することができる。

（第一部材、第二部材：形状と厚さ）
第一部材と第二部材とは、例えば、公知のバスバーのような板状を呈するが、接続対象となるセル等の電気機器の位置関係等を考慮して、自由に成形されていてよい。
第一部材と第二部材との厚さ（図１のｔ_１、ｔ_２）については、特に限定されないが、導電部材としての導電性を確保する観点から、０．２ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましい。また、第一部材と第二部材との厚さについては、軽量化を図る観点から、５ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。
なお、第一部材と第二部材とは、厚さが同じであっても、異なっていてもよい。また、第一部材、第二部材の各部材の中で、異なる厚さの箇所が存在していてもよい。

（溶接部）
図１に示すように、溶接部３は、第一部材１と第二部材２との重なる部分において、第一部材１を貫通するように形成されるとともに、第二部材２の内部まで連続して形成される。言い換えると、溶接部３は、第一部材１の一端部（上側端面）から他端部（下側端面）、さらには、当該第一部材１の他端部に対向する第二部材２の一端部（上側端面）から第二部材２の内部にわたって連続して形成される。つまり、溶接部３は、第二部材２を貫通するようには形成されておらず、溶接部３の先端部は第二部材２の他端部（下側端面）には到達していない。
なお、溶接部３は、後記のとおり、レーザ溶接又は電子ビーム溶接によって形成させるのが好ましいが、溶接部３を前記のような構成にできるのであれば、その他の溶接方法で形成させてもよい。

溶接部３が、第一部材１を貫通するように形成されるとともに、第二部材２の内部まで連続して形成されることから、溶接部３の内部は、第一部材１と第二部材２との成分が十分に撹拌され、成分の分布に偏りのない状態になっている。さらに、溶接部３の成分組成は、第二部材２の成分組成よりも第一部材１の成分組成（強度に優れる６０００系のアルミニウム合金の成分組成）に近くなっている。その結果、溶接部３を介した第一部材１と第二部材２との導電性が良好となるだけでなく、優れた接合強度を発揮することができる。

なお、溶接部３が、第一部材１だけでなく第二部材２をも貫通するように形成されていると、割れの発生する可能性が非常に高くなってしまう。
また、溶接部３が、第二部材２を貫通するように形成されるとともに、第一部材１の内部まで連続して形成される場合（本発明の構成とは逆の場合）、溶接部３の内部は、あまり撹拌されずに、成分の分布に偏りが生じてしまう。また、溶接部３の成分組成は、第一部材１の成分組成よりも第二部材２の成分組成（１０００系のアルミニウムの成分組成）に近くなってしまう。したがって、この場合の導電部材の接合強度は、良好ではなくなってしまう。

（溶接部の溶込み深さ）
図１に示す第二部材２内における溶接部３の溶込み深さ（ｔ_３）については、接合強度をより確実に確保する観点から、第二部材２の厚み（ｔ_２）の２０％以上が好ましく、３０％以上がより好ましい。
また、第二部材２内における溶接部３の溶込み深さ（ｔ_３）は、溶接部３が第二部材２を貫通してしまうことによる割れの発生を抑制する観点から、第二部材２の板厚の９０％以下とすることが好ましく、６０％以下とすることがより好ましい。

なお、図１では、溶接部３は、第一部材１表面に対して垂直に形成されているが、第一部材１表面に対して傾斜するように形成されていてもよい。

（めっき層）
めっき層が、第一部材、及び、第二部材の少なくとも一方の表面に形成されていてもよい。このめっき層については、電気抵抗値があまり高くないものであれば特に限定されないが、例えば、各部材の耐食性を良くするために、Ｎｉめっき、Ｎｉ−Ｓｎめっき（Ｎｉ下地Ｓｎめっき）を使用することができる。

次に、本発明に係る導電部材の製造方法について説明する。
［導電部材の製造方法］
本実施形態に係る導電部材の製造方法は、第一部材と第二部材とが重なる部分に、第一部材側からレーザ又は電子ビームを照射し、第一部材を貫通し、第二部材の内部まで連続する溶接部を形成させる接合工程、を含む。
また、本実施形態に係る導電部材の製造方法は、第一部材、及び、第二部材の少なくとも一方の表面にめっき層を形成させるめっき工程を含んでいてもよい。

（接合工程）
接合工程は、第一部材と第二部材とが重なる部分に、第一部材側からレーザ又は電子ビームを照射して、両部材を接合する工程である。
つまり、接合方法は、レーザを照射して接合するレーザ溶接であっても、電子ビームを照射して接合する電子ビーム溶接であってもよい。また、レーザ溶接については、ファイバーレーザ溶接、ディスクレーザ溶接、半導体レーザ溶接、炭酸ガスレーザ溶接、ＹＡＧレーザ溶接のいずれであってもよい。

レーザ溶接、電子ビーム溶接の溶接速度、出力、スポット径等の条件は、第一部材を貫通し、第二部材の内部まで連続する溶接部を形成させることができるよう、両部材の厚さ、成分組成等を考慮して、適宜、設定すればよい。

（めっき工程）
めっき工程は、第一部材、及び、第二部材の少なくとも一方の表面にめっき層を形成させる工程である。そして、めっき工程でのめっき処理は、公知の方法で実施すればよい。
また、めっき工程は、通常、接合工程の前に実施されるが、接合工程の後に実施してもよい。

本発明に係る導電部材の製造方法は、以上説明したとおりであるが、本発明を行うにあたり、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程の間あるいは前後に、他の工程を含めてもよい。例えば、接合工程の前後に、第一部材や第二部材を所定の大きさに裁断する裁断工程や、所定の形状に加工（曲げ加工、穴抜き加工等）する加工工程を含めてもよい。
なお、第一部材と第二部材とは、公知の板材の製造方法によって製造すればよい。

また、前記各工程において、明示していない条件については、従来公知の条件を用いればよく、前記各工程での処理によって得られる効果を奏する限りにおいて、その条件を適宜変更できることは言うまでもない。

次に、本発明に係る導電部材、及び、導電部材の製造方法について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを比較して具体的に説明する。

［供試材の作製］
まず、合金番号６１０１−Ｔ６のアルミニウム合金からなる板材（厚さ：０．８ｍｍ）と、合金番号１０５０−Ｈ２４のアルミニウムからなる板材（厚さ：０．８ｍｍ、表１では「１０５０」と示す）と、を用意した。
なお、合金番号６１０１−Ｔ６のアルミニウム合金からなる板材としては、めっき無しのもの（表１では「６１０１」と示す）、Ｎｉめっき（Ｎｉ厚さ：０．７μｍ）を施したもの（表１では「６１０１／Ｎｉ」と示す）、Ｎｉ−Ｓｎめっき（下地Ｎｉ厚さ：０．７μｍ、Ｓｎ厚さ１．５４μｍ）を施したもの（表１では「６１０１／Ｎｉ−Ｓｎ」と示す）の３種を用意した。

表１に示す組み合わせで２枚の板材（上板材、下板材）を重ね、上板材側からレーザ溶接を施すことにより、供試材を作製した。
詳細には、断面観察試験用の供試材は、図２に示すように、１００ｍｍ×５０ｍｍの２枚の板材を全体が重なるように重ねて合わせて、レーザ溶接によって、長さが８０ｍｍの３つの溶接部を形成することにより作製した。
一方、引張試験用の供試材は、図３に示すように、２５ｍｍ×１００ｍｍの２枚の板材を一部（２５ｍｍ×２５ｍｍ）が重なるように重ね合わせて、レーザ溶接によって、供試材の重ね部分中央に長さが２０ｍｍの溶接部を形成することにより作製した。
なお、全ての供試材の溶接部は、上板材を貫通するように形成されるとともに、下板材の内部（下板材の上側端面から約０．３ｍｍ）まで連続して形成されていた。

レーザ溶接は、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製「ＹＬＳ−６０００−Ｓ４」を用いて、レーザスポット径：φ０．３ｍｍ、溶接速度：２０ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力：２．０ｋＷ、前進角：１０°、という条件で実施した。

［評価試験］
（断面観察）
図２に示す断面観察試験用の供試材１〜７の断面（幅方向と平行な方向に切断した供試材の断面）を、電解エッチングによって前処理した後に、光学顕微鏡を用いて溶接ビードの断面形状を確認した。
なお、供試材１〜７の断面のうち、供試材２、３、５、６の溶接部の断面の画像については、図４に示す。

（引張試験）
図３に示す引張試験用の供試材１〜７を、長手方向の端部から夫々３７．５ｍｍの部分をチャッキングし、室温にて引張試験を実施し、最大引張荷重を測定した。なお、クロスヘッド速度は１０ｍｍ／分で、試験片が破断するまで一定の速度で行った。

［結果の検討］
供試材４、５、６については、上板材（第一部材）が６０００系のアルミニウム合金であり、下板材（第二部材）が１０００系のアルミニウムであったことから、表２及び図５に示すとおり、優れた接合強度を発揮するという結果となった。そして、供試材４、５、６は、引張試験において、溶接部ではなく板材部分で破断したことからも、溶接部において非常に強固に接合されていたことがわかった。

なお、図４の画像を確認すると明らかなように、供試材５、６の溶接部は、濃いめっきの色が溶接部全体に広がっていることから、上板材の６０００系のアルミニウム合金と下板材の１０００系のアルミニウムとが十分に撹拌され偏りのない状態になっていることが確認できた。
加えて、供試材４、５、６の溶接部は、強度の優れる上板材の６０００系のアルミニウム合金の分量が多くなっていた。
以上の理由により、供試材４、５、６は、最大引張荷重の値が大きくなり、接合強度に優れるという評価となったと考える。

一方、供試材１、２、３については、上板材（第一部材）が１０００系のアルミニウムであり、下板材（第二部材）が６０００系のアルミニウム合金であったことから、表２及び図５に示すとおり、接合強度が低いという結果となった。そして、供試材１、２、３は、引張試験において、溶接部で破断したことからも、溶接部において強固には接合されていなかったことがわかった。

なお、図４の画像を確認すると明らかなように、供試材２、３の溶接部は、濃いめっきの色が溶接部の下側部分に留まってしまっていることから、上板材の１０００系のアルミニウムと下板材の６０００系のアルミニウム合金とが十分には撹拌されておらず偏りのある状態になっていることが確認できた。
加えて、供試材１、２、３の溶接部は、強度はあまり優れない上板材の１０００系のアルミニウムの分量が多くなっていた。
以上の理由により、供試材１、２、３は、最大引張荷重の値がそれほど大きくなく、接合強度は優れないという評価となったと考える。

また、本発明の要件を満たす供試材４、５、６は、溶接割れもなく、溶接ビード形状も良好であった。加えて、表２及び図５に示すとおり、供試材４、５、６の最大引張荷重の値に差があまりないことから、接合強度に対して、めっきの有無やめっきの種類はほとんど影響を与えないことが確認できた。
なお、本発明の要件を満たす供試材４、５、６は、溶接部を介して上板材（第一部材）と下板材（第二部材）とを溶接していることから、導電性の低下は考えられず、優れた導電性を発揮することは明白である。

参考例として、上板材（第一部材）と下板材（第二部材）とが６０００系のアルミニウム合金である供試材７を挙げたが、この供試材７では、導電性や加工性が要求される部分に１０００系のアルミニウムを適用するといった対応は不可能である。

以上の結果より、本発明の要件を満たす導電部材は、導電性に優れるだけでなく、接合強度にも優れることがわかった。

１ 第一部材
２ 第二部材
３ 溶接部
１０ 導電部材

Claims (3)

1. ６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材と、
   １０００系のアルミニウムからなる第二部材と、
   前記第一部材と前記第二部材とが重なる部分において、前記第一部材を貫通するように形成されるとともに、前記第二部材の内部まで連続して形成される溶接部と、
   を備えることを特徴とする導電部材。
2. 前記第一部材、及び、前記第二部材の少なくとも一方の表面にめっき層を備えることを特徴とする請求項１に記載の導電部材。
3. ６０００系のアルミニウム合金からなる第一部材と、１０００系のアルミニウムからなる第二部材と、が重なる部分に、前記第一部材側からレーザ又は電子ビームを照射し、前記第一部材を貫通し、前記第二部材の内部まで連続する溶接部を形成させる接合工程、を含むことを特徴とする導電部材の製造方法。