JP5071776B2 - レーザ溶接用アルミニウム又はアルミニウム合金部材 - Google Patents

Description

本願発明は、レーザ溶接におけるレーザ吸収率を高めてレーザ溶接性を向上させるアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、「アルミニウム合金等」とする。）部材に関する。

現在、航空機、車両、及び電気電子機器部品等には、軽量であって、且つ加工性に優れているアルミニウム合金等部材が多く用いられている。そして、前記アルミニウム合金等部材の接合には、高精度であって、且つ高速度で加工処理が行えるレーザ溶接が用いられる。そのため、例えば電気電子機器部品の表示部やモーター等の電源に使用されているリチウム電池では、板状のアルミニウム合金等部材をケース本体に加工後、その内部に電池用部材を組み込んだ上で、内部を密閉するためにアルミニウム合金等部材による蓋をレーザ溶接により接合している。

ところで、上記密閉型電池では、耐衝撃性を考慮してケース本体にはアルミニウム合金規格のうち比較的強度の高いＪＩＳ Ａ３００３合金（アルミニウム−マンガン系合金）や、更にこれにマグネシウムを添加して、より強度の高いアルミニウム合金を使用することが提案されている（特許文献１参照）。

そして、上記電池のケース本体では軽量化のため薄肉化が図られているが、電池全体としての強度の確保は必要である。そのため、電池を構成するケース本体と蓋との間でも、内部の密閉性を十分に確保できるように高強度の接合部を形成することが要求されるものである。ところが、アルミニウム合金等部材は、レーザ溶接の反射率が高く、レーザ溶接性が低いため高強度の接合部を形成することは容易ではなかった。

そこで、レーザ溶接性の向上を目的としたアルミニウム合金が提案されている（特許文献２及び３参照）。前記レーザ溶接性の向上を目的としたアルミニウム合金はレーザ溶接性が向上して高強度の接合部を形成することができるが、含有する元素やその含有率によっては、例えば上記電池のケース本体や蓋となるアルミニウム合金として必要とされる機械的特性が低下し、最悪失われてしまう恐れがある。

そこで、アルミニウム合金等の有する機械的特性を失うことなくレーザ溶接性を向上させ、高強度の接合部を形成することができるように、アルミニウム合金等部材の溶接面にレーザ吸収率の高い亜鉛メッキ層を形成してなるものが提案されている（特許文献４参照）。しかしながら、該アルミニウム合金等部材の溶接面の亜鉛メッキ層に含有される亜鉛はアルミニウムよりも沸点が低いので、レーザ溶接中にアルミニウム合金等部材の接合部においてポロシティ等の欠陥が生じ易く、この欠陥は、密閉性が特に要求される密閉型電池では好ましいものではない。

なお、アルミニウム合金等部材が有する機械的特性を変化させない範囲内で、上述の亜鉛に代表されるレーザ溶接でのレーザ吸収率を高める物質を添加することによってレーザ溶接性を向上させようとすると、アルミニウム合金等中では前記物質は均質化し溶接面に集中させることができないので、レーザ吸収率を高めてレーザ溶接性を向上させることは困難である。

特開２０００−３３６４４８号公報 特開２００３−３２２６号公報 特開２００６−１０４５８０号公報 特公平７−６５１９３号公報

本願発明は、アルミニウム合金等部材同士のレーザ溶接において、レーザ吸収率を高めることでアルミニウム合金等部材の溶接面を確実に溶融させて、高強度の接合部を形成できるようにする。

上記課題を解決するため、本願発明は、第１の特徴として、アルミニウム又はアルミニウム合金の母材の溶接面に、アルミニウムよりレーザ吸収率が高く、アルミニウムより蒸気圧が低く、アルミニウムより沸点が高く、且つその膜厚が０．１μｍ以上２０μｍ以下とする鉄からなるレーザ吸収被膜を形成するものである。

以上のように、アルミニウム合金等の母材の溶接面に、上記鉄からなるレーザ吸収被膜を形成することで、該レーザ吸収被膜はレーザ溶接のレーザビームを吸収して母材のアルミニウム合金等の沸点以上の高温となる。そして、該レーザ吸収被膜は母材と比較してすぐには蒸発しないので、該母材へ熱伝導を十分に行うことができる。その結果、母材の溶接面は確実に溶融して、該レーザ吸収被膜成分をその中に固溶させながら高強度の接合部を形成することができる。

更に、レーザ吸収被膜の膜厚を０．１μｍ以上２０μｍとすることで、該鉄からなるレーザ吸収被膜がレーザ溶接のレーザビームを吸収して母材のアルミニウム合金等の沸点以上の高温となる。そして、該レーザ吸収被膜はすぐに蒸発することはないので、母材へ熱伝導を行えるだけの時間高温状態を保つものである。その結果、母材の溶接面は確実に溶融し、該レーザ吸収被膜成分をその中に固溶させながら高強度の接合部を形成することができる。

なお前記鉄からなるレーザ吸収被膜の膜厚が０．１μｍ未満であると、該レーザ吸収被膜の膜厚が薄すぎてレーザ溶接の熱で瞬時に蒸発して高温状態を保てず、母材が露出してしまいレーザ吸収率は低下する。その結果、母材の溶接面は十分に溶融せず、高強度の接合部を形成することができない。またレーザ吸収被膜の膜厚は厚いほど高強度の接合部の形成につながるものであるが、２０μｍを超えると母材の溶接面における該レーザ吸収被膜の形成作業に時間とコストがかかり、最終製品における費用対効果が釣り合わないものとなる。そのため、該レーザ吸収被膜の膜厚は、２０μｍ以下とすることが好ましい。

また、第１の特徴を踏まえて、第２の特徴として、上記レーザ吸収被膜は、めっき、化成処理、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、クラッド圧延のうちいずれかの方法により形成してなるものである。

以上のように、レーザ吸収被膜を上記いずれかの方法により形成することで、該レーザ吸収被膜を母材の必要な位置において、必要且つ均一な膜厚のレーザ吸収被膜を形成することができる。そのため、上記レーザ吸収被膜がレーザ溶接のレーザビームを吸収することで確実に必要な位置で、且つ均一にアルミニウム合金等の沸点以上の高温となる。そして、該レーザ吸収被膜は母材へ熱伝導を十分に行うことができる。その結果、母材の溶接面は確実に溶融し、該レーザ吸収被膜成分をその中に固溶させることで、その被膜の種類と膜厚に応じて、必要な位置に必要なだけの高強度の接合部を形成することができる。

本願発明は、アルミニウム合金等の母材の溶接面におけるレーザ吸収被膜はレーザ溶接のレーザビームを吸収して高温になるとともに、該レーザ吸収被膜はアルミニウム合金等の母材へ熱伝導を十分に行い、その結果、該アルミニウム合金等の母材の溶接面は確実に溶融し、該レーザ吸収被膜成分が、溶融部中に粗大な晶出物を形成することなく固溶するため、高強度の接合部を形成するので、アルミニウム合金等部材におけるレーザ溶接の溶接性や最終製品の品質を向上させることができる優れた効果を有するものである。

以下において、本願発明の実施例について説明する。

なお、この実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本願発明が制限されるものでない。

本願発明の実施例を説明する。

まず、本願発明の実施例では、ＪＩＳ Ａ１０５０アルミニウム合金の０．８ｍｍ板厚材を母材２として使用した。そして該母材２の溶接面３をアセトンで脱脂した後、０．０１ｔｏｒｒの真空中で該表面に５ｍＡの電気を通電しながら鉄を蒸着させてレーザ吸収被膜４を形成し、本願発明の実施例であるアルミニウム合金等部材の試料１とした（図１参照）。その上で、試料１である該アルミニウム合金等部材の試料１同士を、ピーク出力１．７ｋｗ、周波数１２０ＨｚのＹＡＧパルスレーザを用いて突き合わせ接合した。即ち、上記試料１同士の溶接面３に対して前記レーザを照射すると、該溶接面３のレーザ吸収被膜４はレーザビームを吸収して母材２の沸点以上の高温状態となって、母材２へ十分な熱伝導を行うものである。その結果、溶接面３は確実に溶融して、レーザ吸収被膜４のレーザ吸収被膜成分４’をその中に固溶させながら高強度の接合部５を形成することができる（図２参照）。

なお、試料１の接合部５の強度の評価は、溶接面３にレーザ吸収被膜４の形成しない前記母材２同士の接合部５の破断強度を１として各々相対強度を評価し、その相対強度が１．５以上である場合を合格（○）、１．５未満である場合を不合格（×）とした。

以上の結果、表１において示すように、レーザ吸収被膜４の膜厚が０．１〜１０μｍでは、レーザ吸収被膜４の膜厚の増加に対して母材２の溶け込みも深くなり、接合部５の破断強度は著しく向上することが確認された。そして、該レーザ吸収被膜４の膜厚が１０μｍを超えると、レーザ吸収被膜４の膜厚が０．１〜１０μｍの場合と比べて、レーザ吸収被膜４の膜厚の増加に対する母材２の溶け込みはそれほど深くはならず、接合部５の破断強度は緩やかに向上することが確認された。

本願発明は、アルミニウム合金等部材同士のレーザ溶接を行う際に広く適用することができる。

本願発明の実施例であるアルミニウム合金等部材の正面からの模式図である。 本願発明の実施例であるアルミニウム合金等部材同士をレーザ溶接する際の断面における模式図である。

１ 試料

２ アルミニウム合金等の母材

３ 溶接面

４ レーザ吸収被膜

４’ レーザ吸収被膜成分

５ 接合部

Claims (2)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金の母材の溶接面に、アルミニウムよりレーザ吸収率が高く、アルミニウムより蒸気圧が低く、アルミニウムより沸点が高く、且つその膜厚が０．１μｍ以上２０μｍ以下とする鉄からなるレーザ吸収被膜を形成することを特徴とするレーザ溶接用アルミニウム又はアルミニウム合金部材。
2. 上記レーザ吸収被膜を、めっき、化成処理、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、クラッド圧延のうちいずれかの方法により形成してなることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接用アルミニウム又はアルミニウム合金部材。

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