KR101435596B1

KR101435596B1 - 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101435596B1
Application number: KR1020137008175A
Authority: KR
Inventors: 유키오 니시카와; 토모미 타나카; 토시키 이토이; 요시아키 코바야시
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2014-08-28
Also published as: JPWO2012124255A1; US20130171467A1; US9944048B2; WO2012124255A1; JP5124056B1; CN103140320B; CN103140320A; KR20130063536A

Abstract

본 발명은, 적은 레이저 에너지로 충분한 접합 강도를 확보하고, 주변의 온도 상승도 작은 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법을 제공한다. 중첩된 2매 이상의 동판 중, 최상위 동판의 상면에 표면층인 니켈층을 충분한 두께로 형성하고, 니켈층의 윗쪽으로부터 레이저를 조사해서, 상기 동판의 동과 상기 니켈층의 니켈이 용융, 합금화하여 되는 재응고부를 최하위 동판내까지 형성하고, 상기 동판끼리 접합한다. 니켈이 동과 합금화함으로써, 높은 파단 강도의 재응고부가 형성된다. 따라서, 작은 용접 면적으로, 적은 레이저 에너지로, 동판을 접합할 수 있다.

Description

레이저 접합 부품 및 그 제조 방법{Laser-bonded Component and Production Method for Same}

본 발명은, 금속판의 겹치기 접합에 있어서, 레이저 광의 적은 조사 에너지로 충분한 접합 강도를 얻기 위한 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법으로서는, 동판과 동판의 겹치기 접합에 있어서, 레이저 광이 조사되는 동판의 표면에 니켈 도금막을 형성하고, 이 도금막에 레이저 광을 조사하여, 겹쳐져 있는 동판들을 접합하는 방법이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 도 6은, 특허 문헌 1에 기재된 종래의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법을 나타내는 도면이다.

도 6에 표시되는 것처럼, 클래드(clad)재(11) 상에 동판(12)이 배치된다. 클래드재(11)는, 동과 동-몰리브덴 소결체의 적층체로 형성되어 있다. 동판(12)의 표면(상면)에는, 니켈 도금막(13)이 형성되어 있다. 니켈에서의 YAG 레이저 광의 흡수율은, 동 및 동합금의 YAG 레이저 광의 흡수율의 2.5배이다. 니켈 도금막(13)에 레이저 광을 조사해서 동판(12)을 클래드재(11)에 용접하는 경우는, 동판(12)에 레이저 광을 조사해서 동판(12)을 클래드재(11)에 용접하는 경우에 비해, 보다 낮은 레이저 파워 및 에너지로 소망하는 용접 상태가 얻어진다.

또, 도 7은, 특허 문헌 2에 기재된 종래의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타내는 것처럼, 클래드재(22)의 단면(端面)과 클래드재(23)의 단면이 접촉하고 있다. 클래드판(22, 23)은 모두, 고융점 재료(24)와 저융점 재료(25)가 적층되어 구성되어 있다. 상기 단면에서, 클래드재(22)의 고융점 재료(24)와 클래드재(23)의 고융점 재료(24＇)가 접촉하고 있고, 클래드재(22)의 저융점 재료(25)와 클래드재(23)의 저융점 재료(25＇)가 접촉하고 있다. 고융점 재료(24, 24＇)의 접촉부(28)에 레이저 광을 조사하여 고융점 재료(24, 24＇)를 용접해서 비드(bead)부(26)를 형성한다. 다음에 저융점 재료(25, 25＇)의 접촉부(29)에 동일하게 레이저 광을 조사하여 저융점 재료(25, 25＇)를 용접해서 비드부(27)를 형성한다. 이 방법에서는, 고융점 재료(24)와 저융점 재료(25)의 용입(溶入)이 실질적으로 생기지 않는다. 이 때문에, 클래드재(22, 23)가 가지는 모든 특성이, 레이저 접합으로 얻어진 레이저 접합 부품에서 유지된다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).

또, 제1 금속판과 제2 금속판을 중첩시켜, 제1 금속판으로부터 레이저 광을 조사해서 양 금속판을 접합하는 방법에 있어서, 제1 금속판의 1표면 또는 양면에 제1 도금막을 형성하고, 제2 금속판의 1표면 또는 양면에 제2 도금막을 형성하는 방법이 알려져 있다. 제1 도금막 및 제2 도금막은 모두 두께가 수μm이다. 제1 도금막의 레이저 광의 흡수율이 제2 도금막의 레이저 광의 흡수율보다 높은 경우에는, 레이저 에너지를 보다 작게 할 수 있다. 또, 제1 도금막의 융점이 제2 도금막의 융점보다 높은 경우에는, 레이저 광의 조사에 의한 제1 도금막의 스파크가 방지된다. 또, 제2 도금막의 융점이 제1 도금막의 융점보다 높은 경우에는, 레이저 광의 조사에 의한 제2 금속판의 스파크가 방지된다(예를 들면, 특허 문헌 3~6 참조).

또, 땜납 피막을 가지는 동합금의 베이스판에, 땜납 피막을 가지는 동 또는 동합금의 커버를 겹치고, 커버에 레이저 광을 조사해서 양 부재를 접합하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 7 및 8 참조.).

특허 문헌 1: 일본 특허공개 제2007-165690호 공보 특허 문헌 2: 일본 특허등록 제3272787호 공보 특허 문헌 3: 일본 특허공개 제2009-226420호 공보 특허 문헌 4: 미국 특허공개 제2009/0236321호 공보 특허 문헌 5: 국제 특허공개 제WO1992/000828호 팜플렛 특허 문헌 6: 미국 특허 제5343014호 공보 특허 문헌 7: 일본 특허공개 소62-068691호 공보 특허 문헌 8: 미국 특허 제4697061호 공보

상기 종래 기술에 있어서, 금속판의 재료에 동을 이용하고 도금막의 재료에 니켈을 이용하는 경우에는, 표면의 니켈 도금막에 의해 레이저 광의 흡수율은 높아진다. 그렇지만, 동의 열전도성은 높고 니켈 도금막은 얇기 때문에, 레이저 광의 조사 부분으로부터 열이 주변으로 빠져나가, 레이저 광의 조사 부분의 주변 온도도 상승한다. 그 때문에, 종래 기술은 레이저 광의 조사 부분의 온도를 충분히 높여서 레이저 접합하기 위해서는 큰 에너지를 필요로 한다는 문제를 가지고 있다.

본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하는 것으로서, 적은 레이저 에너지로 충분한 접합 강도를 확보함과 동시에, 주변의 온도 상승이 작은 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 레이저 접합 부품을 제공한다.

[1] 제1 금속재료로 이루어지는 금속 부재 X와,

상기 제1 금속재료로 이루어지고, 금속 부재 X 상에 배치되는 금속 부재 Y와, 금속 부재 Y의 상면에 형성되고, 상기 제1 금속재료와 합금화할 수 있고, 상기 제1 금속재료보다 레이저 광의 흡수율이 높고, 또한 상기 제1 금속재료보다 파단강도가 높은 제2 금속재료로 이루어지는 표면층과,

상기 표면층 상으로부터의 레이저 광의 조사에 의해 용융된 상기 제1 금속재료와 상기 제2 금속재료의 합금화에 의해서, 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부까지 형성되어 있는 재응고부를 포함하는, 레이저 접합 부품.

[2] 제[1]에 있어서,

금속 부재 Y의 두께는 0.1mm 이상이고,

상기 표면층의 두께는 금속 부재 Y의 두께의 10분의 1 이상 2분의 1 이하인, 레이저 접합 부품.

[3] 제[1] 또는 [2]에 있어서,

상기 제2 금속재료의 용융 온도는, 상기 제1 금속재료의 용융 온도보다 높은, 레이저 접합 부품.

[4] 제[1]~[3]의 어느 1항에 있어서,

금속 부재 X의 상면에서의 상기 재응고부의 폭은, 금속 부재 Y의 상면에서의 상기 재응고부의 폭보다 큰, 레이저 접합 부품.

[5] 제[1]~[4]의 어느 1항에 있어서,

상기 제2 금속재료는 상기 제1 금속재료보다 내식성이 높은, 레이저 접합 부품.

[6] 제[1]~[5]의 어느 1항에 있어서,

상기 제1 금속재료는 Cu이고, 상기 제2 금속재료는 Ni인, 레이저 접합 부품.

[7] 제[1]~[6]의 어느 1항에 있어서,

금속 부재 X의 상면 또는 금속 부재 Y의 하면에 형성되는, 상기 제2 금속재료로 이루어지는 중간층을 더 포함하는, 레이저 접합 부품.

[8] 제[1]~[7]의 어느 1항에 있어서,

상기 표면층의 표면의 법선에 대한 상기 재응고부의 중심축선의 경사각이 5~45도인, 레이저 접합 부품.

또 본 발명은, 상기의 목적을 달성하기 위해서, 이하의 레이저 접합 부품의 제조 방법을 제공한다.

[9] 제1 금속재료로 이루어지는 금속 부재 X와, 상기 제1 금속재료로 이루어지는 금속 부재 Y와, 상기 제1 금속재료와 합금화할 수 있는 제2 금속재료로 이루어지고, 금속 부재 Y의 표면에 형성되는 표면층을 아래로부터 이 순서로 겹친 적층체를 준비하는 제1 공정과,

상기 표면층에 레이저 광을 조사하여, 상기 표면층의 상기 제2 금속재료와 금속 부재 X 및 금속 부재 Y의 상기 제1 금속재료의 합금화에 의해, 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부에 달하는 재응고부를 형성하는 제2 공정을 포함하고,

상기 제2 금속재료는, 상기 제1 금속재료보다 레이저 광의 흡수율이 높고, 또한 상기 제1 금속재료보다 파단 강도가 높은, 레이저 접합 부품의 제조 방법.

[10] 제[9]에 있어서,

상기 제2 공정은, 상기 레이저 광을 상기 표면층의 표면의 법선에 대해서 경사시켜서 조사하는 공정이고,

상기 표면층의 표면의 법선과 상기 레이저 광의 조사축을 포함하는 면에 평행이 아닌 방향으로 상기 레이저 광으로 상기 표면층의 표면을 주사하는 공정을 더 포함하는, 레이저 접합 부품의 제조 방법.

[11] 제[10]에 있어서,

상기 법선에 대한 상기 조사축의 경사각이 5~45도인, 레이저 접합 부품의 제조 방법.

[12] 제[9]~[11]의 어느 1항에 있어서,

상기 레이저 광의 파장은 0.8~2.0μm인, 레이저 접합 부품의 제조 방법.

[13] 제[9]~[12]의 어느 1항에 있어서,

상기 레이저 광을 조사하는 레이저 발진기는 파이버 레이저 발진기인, 레이저 접합 부품의 제조 방법.

또한 본 발명은 [1]~[8]의 어느 1항에 기재된 레이저 접합 부품을 포함한 전지를 제공한다.

본 발명에 의하면, 제1 금속재료에 비해서 파단 강도가 보다 높은 제2 금속재료로 상기 표면층을 형성하여, 표면층 측으로부터 레이저 조사에 의한 재응고부가 형성되기 때문에, 금속 부재 X 및 금속 부재 Y의 레이저 접합에 있어서, 보다 작은 접합 면적으로 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다. 또, 표면층의 두께는, 통상 도금막의 두께보다 커진다. 따라서, 본 발명의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법에 의하면, 적은 레이저 에너지로 충분한 접합 강도를 확보할 수 있고, 주변의 온도 상승도 작게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 실시형태 2에 따른 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 따른 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 접합용 재료의 단면도
도 4는 본 발명의 실시형태 3에 따른 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도
도 5는 본 발명에 있어서의 재응고부의 형상을 설명하는 단면도
도 6은 특허 문헌 1에 기재된 종래의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 용접 상태를 나타내는 단면도
도 7은 특허 문헌 2에 기재된 종래의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 용접 상태를 나타내는 단면도

본 발명의 레이저 접합 부재는, 금속 부재 X와, 금속 부재 X상에 배치되는 금속 부재 Y와, 금속 부재 Y의 표면에 형성되는 표면층과, 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부까지 형성되어 있는 재응고부를 포함한다.

금속 부재 X 및 금속 부재 Y는, 모두, 제1 금속재료로 만들어져 있다. 상기 제1 금속재료는, 금속 또는 합금 중에서 레이저 접합 부재의 용도에 맞추어 선택할 수 있다. 금속 부재 X의 형상은, 금속 부재 Y를 겹칠 수 있으면 특별히 한정되지 않는다.

금속 부재 Y는, 후술하는 재응고부가 형성되는 위치의 두께가 레이저 접합에 의해 상기 재응고부를 형성할 수 있는 범위의 두께이면, 특별히 한정되지 않는다. 금속 부재 Y의 두께는, 구조재로서의 강도를 확보하는 관점에서 0.1mm 이상인 것이 바람직하다. 또, 상기 재응고부를 레이저 접합에 의해 형성하는 관점에서, 금속 부재 Y의 상기 재응고부가 형성되는 부분의 두께는, 2.0mm이하인 것이 바람직하다.

상기 표면층은 제2 금속재료로 만들어진다. 상기 제2 금속재료는, 금속 또는 합금 중에서 후술하는 조건을 만족하는 금속 또는 합금을 선택할 수 있다. 우선, 상기 제2 금속재료는, 용융했을 때에 상기 제1 금속재료와 합금을 형성할 수 있다. 상기 제2 금속재료는 상기 제1 금속재료와 전율고용체를 구성하는 재료인 것이 바람직하지만, 합금을 형성할 수 있는 금속재료이면 된다.

또 상기 제2 금속재료의 레이저 광의 흡수율은 상기 제1 금속재료의 레이저 광의 흡수율보다 높다. 또는, 상기 제2 금속재료의 반사율은 상기 제1 금속재료의 반사율에 비해 작다. 상기 제1 금속재료의 반사율에 대한 상기 제2 금속재료의 반사율의 차이가 1% 이상인 것이, 레이저 에너지의 절감의 관점에서 바람직하다. 상기 제1 금속재료의 반사율 및 상기 제2 금속재료의 반사율은, 예를 들면 분광 광도계에 의해 구할 수 있다.

또 상기 제2 금속재료의 파단 강도는 상기 제1 금속재료의 파단 강도보다 크다. 상기 파단 강도는 인장강도의 측정에 의해 구할 수 있다. 상기 제2 금속재료의 파단 강도는 상기 제1 금속재료의 파단 강도에 비해 0.2kg/mm² 이상 큰 것이, 레이저 접합에 있어서의 충분한 접합 강도를 얻는 관점에서 바람직하다.

또 상기 제2 금속재료의 용융 온도는 상기 제1 금속재료의 용융 온도보다 높은 것이, 상기 표면층의 표면으로부터 보다 깊은 위치까지 상기 재응고부를 형성하는 관점에서 바람직하다. 상기 제2 금속재료의 용융 온도는 상기 제1 금속재료의 용융 온도에 비해 80℃이상 높은 것이, 상기의 관점에서 바람직하다.

또 상기 제2 금속재료의 열전도율은 상기 제1 금속재료의 열전도율보다 낮은 것이, 보다 작은 레이저 조사 면적으로 상기 재응고부를 형성하는 관점에서 바람직하다. 상기 제2 금속재료의 열전도율은 상기 제1 금속재료의 열전도율에 비해 10W/(m·K) 이상 낮은 것이, 상기의 관점에서 바람직하다.

또 상기 제2 금속재료의 내식성은 상기 제1 금속재료의 내식성보다 높은 것이, 방청 효과를 얻는 관점에서 바람직하다. 상기 내식성은 상기 제1 금속재료의 갈바니(Galvanic) 전위와 상기 제2 금속재료 갈바니 전위의 차이가 작을수록 높다. 상기 제1 금속재료의 갈바니 전위와 상기 제2 금속재료 갈바니 전위의 차이는 0.2V 이하인 것이, 상기의 관점에서 바람직하다.

상기 표면층은 금속 부재 Y의 상면에 형성된다. 상기 표면층은 금속 부재 Y의 상면의 전면(全面)에 형성되어 있어도 좋고, 레이저 광의 조사 부분 및 그 주변에만 형성되어 있어도 좋다. 예를 들면 상기 표면층은, 집광된 레이저 광으로 조사되는 영역보다 상기 표면층이 커지도록, 금속 부재 Y의 상면에 형성되는 것이 바람직하고, 예를 들면 레이저 광이 조사되어야 할 부분을, 적어도 0.1~1.0mm나 그 이상 폭의 영역으로 둘러싸도록, 금속 부재 Y의 상면에 상기 표면층이 형성되는 것이 바람직하다.

적어도 레이저 광의 조사 부분에 있어서의 상기 표면층의 두께는, 금속 부재 Y의 두께의 10분의 1 이상 2분의 1 이하인 것이 바람직하다.

상기 표면층의 두께가 상기의 범위인 것이, 후술하는 재응고부에서의 '합금화'에 의해 파단 강도 등의 상기 제2 금속재료의 물성이 재응고부에 충분히 부가되는 관점에서 바람직하다. 또, 상기 표면층의 두께는, 금속 부재 X의 내부에 달하는 재응고부를 형성하는 관점에서, 1.0mm 이하인 것이 바람직하다.

상기 표면층은, 예를 들면 분말을 이용한 후막 형성법에 의해 금속 부재 Y의 상면에 성막할 수 있다. 또, 시판되는 클래드재를 상기 표면층을 가지는 금속 부재 Y로서 이용할 수 있다.

상기 재응고부는 상기 제1 금속재료와 상기 제2 금속재료의 합금이다. 상기 재응고부는, 상기 재응고부에 인접하는 상기 제2 금속재료 및 상기 제1 금속재료가 일체적으로 접합되어 있다.

상기 재응고부는, 상기 표면층 상으로의 레이저 광의 조사에 의해 용융된 상기 제1 금속재료와 상기 제2 금속재료의 합금화에 의해, 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부까지 형성된다. 여기서 '합금화'란, 상기 제2 금속재료의 물성이, 현저하게, 그러면서 또 의미있게 발현하도록, 상기 제1 금속재료와 상기 제2 금속재료가 합금화하는 것을 말한다. 상기 제2 금속재료의 물성은 파단 강도를 포함한다.

본 발명에서 '합금화'는, 상기 재응고부에 있어서, 제2 금속재료의 소망하는 물성을 현저하면서도 의미있게 발현시키는 관점에서, 종래의 도금막을 이용하는 레이저 접합과 다르다. 전술한 바와 같이, 동판끼리의 레이저 접합에서는, 레이저 광의 조사면에 니켈의 도금막을 형성하여 상기 레이저 접합을 행하는 것이 알려져 있다. 도금막의 두께는, 통상 수μm 정도이다. 이 때문에, 도금막으로의 레이저 광의 조사에 의한 레이저 접합에서는, 재응고부의 합금 조성에 있어서, 제1 금속재료(동)의 양에 대한 제2 금속재료(니켈)의 양의 비율이 작아진다. 이 때문에, 이와 같은 재응고부에서는, 통상 니켈의 물성(예를 들면 파단 강도)이 충분하게 발현되지 않는다. 이와 같이, 종래의 제2 금속재료의 도금막을 형성하는 금속 부재 X 및 금속 부재 Y의 레이저 접합에서는, 재응고부의 제2 금속재료의 함유량이, 제2 금속재료의 소망하는 물성을 현저하면서도 의미있게 발현시키는 양보다 적다.

상기 재응고부는, 상기 재응고부의 단면을 포함하는 상기 레이저 접합 부품의 단면을 광학 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 상기 재응고부와 상기 제1 금속재료의 차이를 구별할 수 없는 경우에는, 필요에 따라 상기 단면을 산 또는 알칼리에 의해 에칭함으로써, 상기 재응고부를 현미경으로 식별 가능하게 나타낼 수 있다. 또 상기 재응고부의 금속재료의 조성은, 오제이 전자 분광법이나 X선 광전자 분광 등, 금속재료의 조성을 검출하는 통상의 방법에 따라 확인할 수 있다.

도 5의 (A)는, 금속 부재 X(1), 금속 부재 Y(2), 및 표면층(3)으로 이루어지는 적층체에, 표면층의 표면의 법선을 따라 형성된 재응고부(4a)를 나타낸다. 도 5의 (B)는, 상기 표면층의 표면의 법선에 대해서 경사시켜서 상기 적층체에 형성된 재응고부(4b)를 나타낸다. 상기 표면층의 표면의 법선에 대한 재응고부(4b)의 중심축선의 경사각은, 예를 들면 5~45도이다. 상기 표면층의 표면의 법선을 따른 상기 재응고부의 길이를 L이라 한다. 또, 상기 법선을 따른 상기 재응고부 중의 금속 부재 X 부분의 길이를 Lx, 상기 법선을 따른 상기 재응고부 중의 금속 부재 Y 부분의 길이를 Ly, 상기 법선을 따른 상기 재응고부 중 표면층 부분의 길이를 Ls라 한다.

도 5의 (A) 및 (B)에서, 상기 재응고부의 합금 조성에 있어서 제1 금속재료의 양에 대한 제2 금속재료의 양의 비율(제2 금속재료의 양/제1 금속재료의 양)은, Ls의 크기에 따라 다르다. 예를 들면, Ly에 대한 Ls의 비율(두께 비)을 크게 하면, 상기 합금 조성에 있어서 제2 금속재료의 비율을 크게 할 수 있다. 이에 의해, 상기 재응고부에서의 제2 금속재료의 물성을 보다 현저하게 발현시킬 수 있다.

본 발명의 레이저 접합 부품은, 본 발명의 효과가 얻어지는 범위에서 다른 구성을 더 포함하고 있어도 좋다. 예를 들면, 본 발명의 레이저 접합 부품은, 금속 부재 X와 금속 부재 Y 사이에, 상기 제1 금속재료로 이루어지는 금속 부재 Z를 더 가지고 있어도 좋다. 이용하는 금속 부재 Z의 수는 단수도 복수도 좋다.

도 5의 (C)는, 금속 부재 X(1), 금속 부재 Z(5), 금속 부재 Y(2), 및 표면층(3)으로 이루어지는 적층체에, 표면층의 법선을 따라 형성된 재응고부(4c)를 나타낸다. 상기 법선을 따른 상기 재응고부 중의 금속 부재 Z의 부분의 길이를 Lz라 한다. Lz는 금속 부재 Z의 두께이기도 하다. 금속 부재 Z의 두께는, 상기 재응고부가 상기 표면층으로부터 금속 부재 Y 및 금속 부재 Z를 경유하여 금속 부재 X의 내부까지 닿는 것이 가능한 범위에서, 적절하게 결정할 수 있다.

또, 본 발명의 레이저 접합 부품은, 금속 부재 X의 상면 또는 금속 부재 Y의 하면에 형성되는 중간층을 더 포함하고 있어도 좋다. 상기 중간층은, 상기 제2 금속재료로 이루어지다. 상기 중간층은, 상기 표면층과 마찬가지로, 금속 부재 X의 상면 또는 금속 부재 Y의 하면의 전체에 형성되어 있어도 좋고, 레이저 조사 부분에 대응하는 위치에만 형성되어 있어도 좋다.

도 5의 (D)는, 금속 부재 X(1), 중간층(6), 금속 부재 Y(2), 및 표면층(3)으로 이루어지는 적층체에, 표면층의 표면의 법선을 따라서 형성된 재응고부(4d)를 나타낸다. 상기 법선을 따른 상기 재응고부 중의 상기 중간층 부분의 길이를 Li라 한다. Li는 중간층의 두께이기도 하다.

여기서, 도 5의 (A)~(D)에 나타내는 것처럼, 금속 부재 X의 상면에서의 폭을 W1이라 하고, 금속 부재 Y의 상면에서의 폭을 W2라 한다. W1은, 금속 부재 X와 금속 부재 Y((C)에서는 금속 부재 Z)의 계면과, 상기 재응고부의 중심축선 Ax의 교점에서의 상기 재응고부의 폭이기도 하다. W2는, 금속 부재 Y와 표면층의 계면과, 상기 재응고부의 중심축선 Ax의 교점에서의 상기 재응고부의 폭이기도 하다. 또, 상기 재응고부에서 표면층 측을 기단측이라 하고, 금속 부재 X 측을 선단측이라 한다. 상기 재응고부는, 통상 기단부에서는 일정한 폭을 가지고, 선단부에서는 점차 폭이 줄어드는 형상을 가진다. 따라서, W1은 W2보다 통상은 작다.

본 발명의 레이저 접합 부품은, 이하의 방법으로 제조할 수 있다. 본 발명의 레이저 접합 부품의 제조 방법은, 금속 부재 X와, 금속 부재 Y와, 상기 표면층을 아래로부터 이 순서로 겹친 적층체를 준비하는 제1 공정과, 상기 적층체를 레이저 광으로 조사해서 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부에 달하는 재응고부를 형성하는 제2 공정을 포함한다. 상기 제2 공정에서는, 상기 표면층을 구성하는 상기 제2 금속재료와 금속 부재 X 및 금속 부재 Y를 구성하는 상기 제1 금속재료를, 레이저 광의 조사에 의해 녹이면서 합금화한다.

상기 제1 공정은, 금속 부재 Y의 상면에 상기 표면층을 형성하고, 이 금속 부재 Y를 금속 부재 X에 적재함으로써 행할 수 있다. 또는 상기 제1 공정은, 금속 부재 X에 클래드재를 적재함으로써 행할 수 있다. 상기 '클래드재'는, 상기 제1 금속재료의 부재와, 이 부재의 상면에 형성되는 상기 제2 금속재료의 상기 표면층을 가지고, 상기 제2 금속재료가 상기 제1 금속재료와 압접해서 이루어진다. 금속 부재 Y 또는 상기 클래드재는, 금속 부재 X에 위치 결정을 위하여 임시 고정되어도 좋다.

상기 제2 공정에 있어서 조사하는 레이저 광은, 상기 제1 금속재료 및 상기 제2 금속재료의 종류에 맞추어 선택할 수 있다. 상기 레이저 광에는, 예를 들면 상기 제2 금속재료의 경면에서의 빛의 반사율에 대한 상기 제1 금속재료의 경면에서의 빛의 반사율의 차이가 1% 이상 되는 파장을 가지는 레이저 광을 적합하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 전자기기에서 전극 부재나 구조재에 통상적으로 사용되는 금속 부재를 본 발명의 방법으로 레이저 접합하는 경우에는, 상기 레이저 광의 파장은 바람직한 것은 0.8~2.0μm이다.

상기 레이저 광은, 작은 조사 면적으로 금속 부재에 보다 깊게 흡수되는 레이저 광인 것이, 상기 재응고부의 축방향의 단면적을 작게 하고, 그러면서 또 상기 축방향을 따라서 보다 긴 재응고부를 형성하는 관점에서 바람직하다. 이러한 레이저 광원으로서는, 예를 들면 파이버 레이저를 들 수 있다.

상기 제2 공정은, 상기 레이저 광을 상기 표면층의 표면의 법선에 대해서 경사시켜서 조사하는 공정이면, 상기 법선에 대해서 비스듬한 재응고부를 얻을 수 있다. 비스듬한 재응고부는, 상기 법선 방향을 따른 접합 강도를 보다 높이는 관점에서 바람직하다. 상기 법선에 대한 상기 레이저 광의 조사축의 경사각은, 레이저 조사의 안정화 관점 및 충분한 깊이의 재응고부를 얻는 관점에서, 5~45도인 것이 바람직하다(도 4).

본 발명의 레이저 접합 부품의 제조 방법은, 본 발명의 효과가 얻어지는 범위에서 다른 공정을 더 포함하고 있어도 좋다. 이러한 다른 공정으로서는, 예를 들면, 상기 레이저 광으로 상기 표면층의 표면을 주사하는 공정을 들 수 있다. 이러한 레이저 광 주사 공정에 있어서, 레이저 광을 주사하는 방향은, 상기 법선에 대해서 경사시켜서 레이저 광을 조사함으로써 보다 높은 접합 강도를 얻는다는 관점에서, 상기 법선과 상기 조사축을 포함하는 면에 평행이 아닌 방향이다. 레이저 광을 주사하는 방향은, 상기의 관점에서, 상기 법선과 상기 조사축을 포함하는 면에 대해서 수직인 것이 바람직하다(실시형태 3).

본 발명의 전지는, 전술한 본 발명의 레이저 접합 부품을 포함한다. 본 발명의 전지에 있어서, 상기 레이저 접합 부품은 단전지 또는 전지 팩의 전극 부재에 매우 적합하다. 또 상기 레이저 접합 부품은, 상기 전지 팩의 구조재에도 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

[실시형태 1]

도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.

도 1의 (a)에 나타내는 것처럼, 두께 0.4mm의 동판(34) 위에 클래드재(31)를 겹친다. 클래드재(31)는, 두께 0.2 mm의 동판(32) 위에 두께 0.1mm의 니켈층(33)을 형성해서 되어있다. 클래드재(31)는, 니켈층(33)을 위쪽으로 하여, 동판(34)상의 소망 위치에 겹쳐진다. 동판(34)은 금속 부재 X에 상당한다. 동판(32)은 금속 부재 Y에 상당한다. 니켈층(33)은 상기 표면층에 상당한다. 동은 상기 제1 금속재료에 상당한다. 니켈은 상기 제2 금속재료에 상당한다. 동판(32)에 클래드재(31)를 겹친 것은 상기 적층체에 상당한다.

도 1의 (b)에 나타내는 것처럼, 니켈층(33)의 윗쪽으로부터 조사된 레이저 광(35)을 집광 렌즈(36)로 집광하여 니켈층(33)에 조사한다. 레이저 광(35)은 출력 260W로 조사된 파장 1.08μm의 파이버 레이저이다. 그리고, 속도 70mm/초로, 도 1의 (b)에서의 지면에 수직 방향으로, 레이저 광(35)으로 니켈층(33)의 상면을 주사한다.

제2 고조파 YAG 레이저에 대응하는 파장 0.5μm의 빛의, 동 경면에서의 반사율과 니켈 경면에서의 반사율은 모두 62%이다. 탄산 가스 레이저에 대응하는 파장 10.6μm 빛의, 동 경면에서의 반사율과 니켈 경면에서의 반사율은 모두 97%이상이다. YAG 레이저, 파이버 레이저나 반도체 레이저에 가까운 파장 1.06μm 빛의, 동 경면에서의 반사율은 98%인데 비해서, 니켈 경면에서의 반사율은 67%이다. 따라서, YAG 레이저, 파이버 레이저나 반도체 레이저의, 니켈의 흡수 효율은 동의 흡수 효율에 비해서 상당히 높다. 이 때문에, YAG 레이저, 파이버 레이저, 반도체 레이저 등의 파장이 0.8~2.0μm인 레이저를 이용해서 니켈층에 레이저를 효율적으로 흡수시키는 것이 바람직하다.

또, 동의 용융 온도는 1,083℃이고 니켈의 용융 온도는 1,453℃이다. 동의 밀도와 니켈의 밀도는 모두 8.93g/cm²이다. 이 때문에, 레이저 광(35)을 조사하면, 동의 용융 온도를 초과해서 가열된 용융 니켈이, 니켈층(33)에 접한 동판(32)을 가열한다. 이 때문에, 레이저 광에 의한 동의 가열에 더해, 용융 니켈도 동을 가열하여 동은 한층 용융되기 쉬워진다. 또, 동의 열전도율은 398W/(m·K)이고, 니켈의 열전도율은 90.5W/(m·K)이다. 이 때문에, 레이저 광(35)의 조사 부분 근방에서 평면 방향으로의 열확산을 억제할 수 있다. 그 때문에, 클래드재(31)와 동판(34)의 접합이 효율적일 뿐만 아니라, 주변으로의 열확산도 저감할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태의 레이저 접합은, 고온에 노출되어 손상될 우려가 있는 전자 부품 등의 근처에서 행하는 레이저 접합에 매우 적합하다.

파이버 레이저는, 특히 집광성이 좋아, 집광 스폿 지름을 수십μm까지 좁힐 수 있다. 이 때문에, 도 1의 (c)에 나타내는 것처럼, 니켈층(33)의 표면에서의 면적이 작은 용융부가 형성되고, 그러면서 또, 상기 적층체 내부의 깊게까지 레이저 에너지가 도달한다. 따라서, 키 홀 가공에 의해 가늘고 깊은 용융부를 형성할 수 있다. 이 용융부가 레이저에 의한 천공부에 흘러들어감으로써, 깊이가 길고 폭이 좁은 니켈 용융 영역(37)을 형성하고, 그 주위에 열의 전파에 의해 동 용융 영역(38)을 형성한다. 그리고, 니켈 용융 영역(37)과 동 용융 영역(38)은, 레이저 에너지나 용융 영역에서의 대류등에 의해 서로 교반된다.

두 금속의 합금은 전율고용체이다. 이 때문에, 도 1의 (d)에 나타내는 것처럼, 두 금속은 녹으면서 임의의 조성비로 용이하게 합금화하고, 합금화는 깊이 방향으로 진행한다. 그 결과, 합금화에 의한 재응고부(39)가 니켈층(33)의 표면으로부터 동판(34)의 내부까지 형성되어 클래드재(31)와 동판(34)을 연결한다. 재응고부(39)는 클래드재(31)와 동판(34)의 계면에서도 합금화하고 있다. 이 재응고부(39)는, 위에서 설명한 바와 같이 교반되면서 응고되었기 때문에, 기둥 형상 조직과 같은 정적인 응고에 특징적인 조직은 적고, 조성도 장소에 따라 변동하여 일정하지 않다. 파단 강도의 한 지표인, 동의 인장 강도는 21.7kgf/mm²(212.8N/mm²), 니켈의 인장 강도는 32.2kgf/mm²(315.8N/mm²)이다. 동보다 높은 강도를 가지는 니켈과 동이 합금화함으로써, 동 단독의 재응고부보다 경도가 보다 높아진다. 이 때문에, 니켈의 함유량에 따라, 재응고부(39)의 강도는, 동 단독적인 재응고부의 강도보다 높아진다. 그 때문에, 동일한 파단 강도를 얻는데 필요한 본 실시형태에 있어서의 용접 면적은, 동 끼리의 레이저 접합의 용접부에 있어서의 용접 면적에 비해서 작게 된다.

예를 들면, 주사 속도 20mm/초로 파이버 레이저를 250W로 조사해서 동과 동을 접합하는 경우, 얻어지는 용접부의 파단 강도는 2N/mm이다. 한편, 본 실시형태의 경우, 주사 속도 120mm/초로 파이버 레이저를 250W로 조사해서 재응고부(39)를 형성했을 경우, 재응고부(39)의 파단 강도는 12N/mm이다. 이와 같이 본 실시형태의 레이저 접합에서는, 동끼리의 레이저 접합에 비해서, 생산성 및 강도가 함께 크게 향상한다. 따라서, 동일한 접합 강도를 얻는 데에, 니켈층(33)을 마련함으로써 적은 레이저 에너지로 충분하게 된다. 또, 니켈은 동보다 내식성이 높기 때문에 방청 효과를 얻을 수도 있다. 이종 금속이 접하면 전해부식이 일어나지만, 3% 염화나트륨 용액중의 갈바니 전위는 동(銅)이 ＋0.04V, 니켈이 -0.03V이다. 이와 같이, 이러한 금속의 조합에 의한 전위차는 매우 작다. 따라서, 이러한 금속으로 이루어지는 재응고부(39)에서는, 전해부식이 발생하기 어렵다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 동판(32)상에 니켈층(33)을 설치하는 구성으로 했지만, 본 발명에 있어서의 제1 금속재료와 제2 금속재료의 조합은, 동과 니켈의 조합에 한정되지 않는다. 표면층을 형성하는 제2 금속재료가, 제1 금속재료에 비해 레이저 광의 반사율이 낮고, 그러면서 또 파단 강도가 높으면, 또 제1 금속재료와 제2 금속재료의 조합이 용이하게 합금화하는 금속의 조합이면, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 제1 금속재료로서 동 대신에 황동, 청동 등의 동을 주성분으로 하는 동합금을 이용하면, 동일한 효과가 얻어진다.

또, 다른 성분계로서 철과 동의 2원계 합금도 전율고용체이며, 반사율이 낮은 철층을 상기 표면층으로서 동판 표면에 형성하는 것으로도, 동일한 효과가 얻어진다. 철과 크롬의 2원계 합금도 전율고용체이며, 반사율이 낮은 철층을 상기 표면층으로서 크롬판 표면에 형성함으로써 동일한 효과가 얻어진다.

그 외, 전율고용체가 아닌 합금으로 이루어지는 재응고부를 형성하는 계로서, 상기 표면층으로서의 크롬층을 알루미늄판 표면에 형성하거나, 상기 표면층으로서의 알루미늄층을 동판 표면에 형성하거나, 또는, 상기 표면층으로서의 철층을 알루미늄판 표면에 형성함으로써, 동일한 효과가 얻어진다.

또, 철 대신에 철을 주성분으로 하는 강철, 혹은, 니켈이나 크롬을 포함한 스텐레스강 등의 강철을 이용하는 것으로도, 동일한 효과가 얻어진다.

본 실시형태에서는, 동판(32)의 두께는, 구조재로서의 강도를 확보하는 관점에서, 예를 들면 0.1mm 이상이다. 많은 가공용 레이저가 가지는 파장 0.5~10.6μm의 빛의 금속재료의 흡수 깊이는 0.007~0.037μm이다. 따라서, 레이저 광의 흡수율 향상만을 목적으로 한다면, 니켈층(33)의 두께는, 동판(32)의 두께 0.1mm의 0.04%이면 된다. 두께가 수μm가 되는 니켈 도금층의 두께는, 동판(32)에 있어서의 0.1mm의 판두께의 수 %가 된다. 그러나, 표면층의 금속(본 실시형태에서는 니켈)과 금속재료의 금속의 합금에 있어서, 금속재료의 금속 성분보다 소량인 표면층의 금속 성분이, 표면층의 금속의 물성을 현저하면서도 의미있게 발현하기 위해서는, 합금중에 표면층의 금속 성분이 적어도 10% 이상 50% 이하의 양으로 함유되는 것이 필요하다고 생각된다. 이러한 관점에서, 니켈층(33)의 두께는, 동판(32)에 두께에 대해서 10분의 1 이상 2분의 1 이하로 하는 것이 바람직하다.

[실시형태 2]

도 2는, 본 발명의 실시형태 2에 따른, 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다. 도 2의 (e)는, 실시형태의 2에 따른 레이저 접합 부품의 재응고부를 포함하는 단면의 광학 현미경 사진(디스플레이 상에 표시한 중간조 화상)이다. 도 2에서 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 이용하고 설명을 생략한다.

도 2에서 도 1과 다른 점은, 도 2의 (a)에 나타내는 것처럼, 클래드재(31)를, 동판(32) 및 니켈층(33)에 더해, 동판(32)의 아래(하면)에 두께 0.05mm의 니켈층(40)을 더 가지는 클래드재(42)로 한 것이다. 니켈층(40)은 상기 중간층에 상당한다.

도 2의 (b)에서 레이저 광(35)의 조사 순서는 도 1과 동일하다. 도 2의 (c)에서, 도 1과 마찬가지로, 키 홀 가공에 의해, 깊이가 길고 폭이 좁은 니켈 용융 영역(37b)이 형성된다. 또 니켈 용융 영역(37b)의 주위에는, 열의 전파에 의해, 동의 용융 영역(38b)이 형성된다. 니켈 용융 영역(37b)이 니켈층(40)에 달하면, 새로이 니켈이 용융한다. 이 때문에, 깊이 방향으로 니켈 용융 영역(37b)이 성장할 뿐만 아니라, 폭이 넓은 동 용융 영역(38c)이 동판(34) 내에서 형성된다.

그 결과, 도 2의 (d)의 모식도와 도 2의 (e)의 단면 사진에 나타내는 것처럼, 재응고부(39b)의 형상은 니켈층(40)과 동판(34)의 계면에서 지름이 약간 커진다(W1＞W2). 또 재응고부(39b)에서 지름이 커진 부분의 니켈 농도가 높아진다. 이에 의해 접합 면적이 커질 뿐만 아니라 니켈량이 증가했기 때문에, 접합 강도가 보다 향상한다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 도 3에 표시되는 것처럼, 동판(34)을 대신해서, 동판(34)과 그 상면에 형성된 니켈층(45)으로 이루어지는 클래드재(44)를 이용해도 동일한 결과가 얻어진다.

[실시형태 3]

도 4는, 본 발명의 실시형태 3에 따른, 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다. 도 4의 (c)는, 실시형태 3에서 레이저 접합 부품의 재응고부를 포함한 단면의 광학 현미경 사진(디스플레이상에 표시한 중간조 화상)이다.

도 4에서 도 2와 다른 점은, 도 4의 (a)에 나타내는 것처럼, 레이저 광(35b)을 비스듬하게 조사할 수 있도록 집광렌즈(36b)를 기울여 설치하고, 도 4의 (a)의 지면에 수직 방향으로, 레이저 광으로 니켈층(33)의 표면을 주사한 것이다. 주사 방향은, 도 4의 (a)에 나타내는 것처럼, 니켈층(33)의 표면의 법선 Ns와, 이것에 교차하는 레이저 광의 조사축 A_L을 포함한 면에 대해서 수직 방향이다. 또, 법선 Ns와 이것에 교차하는 조사축 A_L이 니켈층(33)의 표면상에서 형성하는 각을 경사각 I_A이라 한다.

주사 방향은, 반드시 도 4의 (a)에서 지면에 직각 방향이 아니어도 좋다. 이와 같이 레이저 광(35b)을 비스듬하게 조사함으로써, 레이저 광(35b)이 니켈층(33)의 표면에서 일부 반사되어 레이저 발진기로 되돌아가, 레이저 발진기에의 발진 상태가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다. 또, 도 4의 (b)의 모식도와 도 4의 (c)의 단면 사진에 나타내는 것처럼, 합금화한 재응고부(39c)가 클래드재(42)와 동판(34)의 내부에, 법선 Ns에 대해서 비스듬하게 형성된다.

레이저 접합 부재에 있어서, 판두께 방향(법선 Ns를 따르는 방향)으로 박리 응력이 발생하면, 재응고부와 제1 금속재료의 계면에서의 파괴가 일어나기 쉬워진다. 그렇지만, 재응고부(39c)는 각 동판에 대해서 비스듬하게 형성되어 있기 때문에, 판두께 방향의 박리 응력에 의해서 파괴되기 어렵다. 이 때문에, 상기 박리 응력에 대한 저항력을, 각 동판의 표면에 대해서 수직하게 재응고부가 형성되는 경우에 비해, 보다 높일 수 있다. 레이저 광(35b)을 기울이는 각도(경사각)가 니켈층(33)의 표면의 법선으로부터 5도 이상이면, 조사된 레이저 광의 레이저 발진기로의 되돌아감을 회피할 수 있다. 경사각이 크면 레이저 광(35b)의 표면층에서의 반사율이 커져서, 조사 에너지가 클래드재(42)에 흡수되기 어렵게 되는 일이 있다. 또 재응고부(39c)의 깊이가 얕아지는 일이 있다. 이러한 관점에서, 경사각은 45도 이하인 것이 바람직하다.

본 출원은, 2011년 3월 14일에 출원한 특허출원 2011-055113에 기초하는 우선권을 주장한다. 해당 출원 명세서에 기재된 내용은, 모두 본원 명세서에 원용된다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명의 레이저 접합 부품 및 그 제조 방법은, 적은 레이저 에너지로 충분한 접합 강도를 확보하고, 주변의 온도 상승도 작게 할 수 있다. 이 때문에, 기구 부품뿐만 아니라, 전지의 전극 재료 등의 강도 확보나 전기 및 열 등의 전도성 확보의 용도에도 적용할 수 있다.

1 금속 부재 X
2 금속 부재 Y
3 표면층
4a~4d, 39, 39b, 39c 재응고부
5 금속 부재 Z
6 중간층
11, 31, 42, 44 클래드재
12, 32, 34 동판
13 니켈 도금막
22, 23 클래드판
24, 24＇ 고융점 재료
25, 25＇ 저융점 재료
26, 27 비드부
28, 29 접촉부
33, 40, 45 니켈층
35, 35b 레이저 광
36, 36b 집광 렌즈
37, 37b 니켈 용융 영역
38, 38c 동 용융 영역
A_L 레이저 광(35b)의 조사축
Ax 재응고부(4a~4d)의 중심축선
I_A 경사각
L 재응고부(4a~4d)의 길이
Li 재응고부(4a~4d) 중의 중간층(6)의 길이
Ls 재응고부(4a~4d) 중의 표면층(3)의 길이
Lx 재응고부(4a~4d) 중의 금속 부재 X의 길이
Ly 재응고부(4a~4d) 중의 금속 부재 Y의 길이
Lz 재응고부(4a~4d) 중의 금속 부재 Z의 길이
Ns 니켈층(33) 상면의 법선
W1 금속 부재 X의 상면에서의 재응고부(4a~4d)의 폭
W2 금속 부재 Y의 상면에서의 재응고부(4a~4d)의 폭

Claims

제1 금속재료로 이루어지는 금속 부재 X와,
상기 제1 금속재료로 이루어지고, 금속 부재 X 상에 배치되는 금속 부재 Y와,
금속 부재 Y의 상면에 형성되고, 상기 제1 금속재료와 합금화할 수 있고, 상기 제1 금속재료보다 레이저 광의 흡수율이 높고, 또한 상기 제1 금속재료보다 파단 강도가 높은 제2 금속재료로 이루어지는 표면층과,
상기 표면층상으로부터의 레이저 광의 조사에 의한, 상기 표면층의 상기 제2 금속재료와, 상기 금속 부재 X 및 상기 금속 부재 Y의 상기 제1 금속재료의 용융 및 합금화에 의해, 상기 표면층의 표면으로부터 금속 부재 X의 내부까지 형성되어 있는 재응고부를 포함하는, 레이저 접합 부품.
제1항에 있어서,
금속 부재 Y의 두께는 0.1mm 이상이고,
상기 표면층의 두께는 금속 부재 Y의 두께의 10분의 1 이상 2분의 1 이하인, 레이저 접합 부품.
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