説明

アルミニウム接合体の製造方法

【課題】Mgを含むアルミニウム材を高生産性で溶接することができ、また溶接部の溶接品質も優れたアルミニウム接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を突合せて配置し、1個の光軸上に2個又は3個の焦点位置を有するレーザ光を照射する。第1のレーザ光の第1焦点位置は被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、第2のレーザ光の第2焦点位置は規準表面から光軸方向の被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定し、第3のレーザ光の第3焦点位置は規準表面から光軸方向の被溶接材の上方に向けて0.2乃至0.5mmの位置となるように設定する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、アルミニウム材という)をレーザ溶接してアルミニウム接合体からなる構造材を製造するアルミニウム接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話及び自動車等に使用されるリチウムイオン電池等の電池ケースは、軽量化のために、その素材として、Al−Mn系アルミニウム合金又はJIS A1050等の純アルミニウムからなるアルミニウム材が使用されている。この電池は、電池ケースの筐体の内部に電池部分を収納し、その後、開口部に蓋を溶接により接合して、電池部分を密封することにより、製造されている。この電池ケースは、筐体と蓋とから構成され、いずれも、アルミニウム材により製造されている。
【0003】
このような電池ケースにおいては、溶接時に発生するスパッタ、割れ及びブローホール等の欠陥は、電池の品質及び性能を大きく劣化させるため、溶接部の品質の向上及び品質維持には、極めて厳しい管理が要求される。
【0004】
一方、電池ケースに対する軽量化の要求は、ますます強くなっており、携帯電話用電池及び車載用電池のいずれも、高強度の材料が要望されており、この材料の高強度化により、電池ケースの厚さを薄くして軽量化することが試みられている。
【0005】
従来のアルミニウム材製の電池ケースとして、筐体と蓋体との封口部をレーザ溶接により融着する際に、溶け込み量が少ない領域を形成して、これを電池内部の圧力の上昇時に開裂する圧力開放部とする密閉型電池が提案されている(特許文献1)。また、楕円又は矩形等の長軸を有する照射スポット形状のレーザ光を、そのスポット中心点を、筐体と蓋体との接合部におき、この接合部が延びる方向にスポットの長軸方向を一致させて、パルスレーザ光を接合部の全周に照射する電池の製造方法が提案されている(特許文献2)。更に、溶接時の熱応力の低減によりクラックの発生を防止するために、外装缶(筐体)の開口縁に、縁部にその周に沿ってリブを有する蓋体を嵌合し、外装缶の開口縁と蓋体の縁部のリブとの間を、レーザ溶接する密閉型電池の製造方法が提案されている(特許文献3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2001−155698号公報
【特許文献2】特開2004−63406号公報
【特許文献3】特許第3594555号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、継手形状の工夫によりある程度の溶接品質の向上は見込まれるものの、電池ケースの強度の向上を図るためには、電池ケースの材料強度自体を向上させる必要がある。アルミニウム材の強度を向上させる元素として、Mg及びCu等があるが、これらの元素を多く含むAl合金、例えば、JIS3004、3104、5052及び5182等のAl合金は、特に、Mg蒸気の発生により、スパッタの発生を抑制できず、また溶接部の割れ、及び溶接部へのブローホールの残留という溶接品質の劣化が問題となり、溶接部強度、溶接作業性、溶接品質の全てが満足できるアルミニウム材ではなかった。
【0008】
また、従来、特に携帯電話機用電池等の薄肉材の接合に使用されているパルスレーザは、溶接割れ等の問題が生じ易く、また、溶接速度も、連続レーザ光に比して著しく遅く、生産性が低いという問題点がある。
【0009】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Mgを含むアルミニウム材を高生産性で溶接することができ、また溶接部の溶接品質も優れたアルミニウム接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る第1のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、1個の光軸上に2個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第1焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定することを特徴とする。
【0011】
本発明に係る第2のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、1個の光軸上に3個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第1焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第3の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて0.2乃至0.5mmの位置となるように設定することを特徴とする。
【0012】
本発明に係る第3のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を突合せて配置し、1個の光軸上に2個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第1焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定することを特徴とする。
【0013】
本発明に係る第4のアルミニウム接合体の製造方法は、アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を突合せて配置し、1個の光軸上に3個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第1焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第3の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて0.2乃至0.5mmの位置となるように設定することを特徴とする。
【0014】
これらのアルミニウム接合体の製造方法において、前記アルミニウム材は、例えば、JIS1000系、3000系又は5000系である。
【0015】
また、これらのアルミニウム接合体の製造方法において、一方のアルミニウム材をJIS1000系とし、他方のアルミニウム材をJIS3000系又は5000系とし、そして、前記一方のアルミニウム材により電池ケースの蓋を作成し、前記他方のアルミニウム材により電池ケースの筐体を作成して、前記筐体に前記蓋を接合するように構成することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、Mgを多量に含むアルミニウム材であっても、高生産性でレーザ溶接することができ、高品質の溶接部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施形態のアルミニウム接合体の製造方法を示す模式図である。
【図2】3種のレーザ光の焦点位置を示す図である。
【図3】被溶接材と溶接部とを示す断面図である。
【図4】(a)、(b)は、電池ケースの筐体と蓋との配置関係を示す図である。
【図5】レーザ光の照射により形成された溶融池を示す断面図である。
【図6】キーホールを示す図である。
【図7】本発明の効果を示す図であり、(a)は従来の単一焦点の場合、(b)は本発明のダブル焦点の場合の溶融池の大きさを示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の実施形態のアルミニウム接合体の製造方法に使用する装置を示す模式図である。レーザ光の光源1には、第1波長の第1レーザ光を出射する発振器2と、第2波長の第2レーザ個を出射する発振器3とが設けられており、この光源1から、第1波長及び第2波長の2種類のレーザ光が出射される。レーザ光の光源4には、第3波長の第3レーザ光を出射する発振器が設けられている。これらの光源1、4からのレーザ光は、光導波路5a、5bを介して光合成器6に供給され、第1乃至第3のレーザ光が同一光軸上に合成される。そして、この光合成器6を出射したレーザ光は、光学系7a,7bにより被溶接材の表面上に収束する。
【0019】
このとき、図2に示すように、第1のレーザ光は、被溶接材の加工表面の近傍に焦点位置が設定され、第2のレーザ光は、被溶接材の加工表面よりも材料の内部側に焦点位置が設定され、第3のレーザ光は、被溶接材の加工表面よりも上方に焦点位置が設定される。即ち、第1のレーザ光は第1の焦点位置にて収束し、第2のレーザ光は第2の焦点位置にて収束し、第3のレーザ光は第3の焦点位置にて収束する。これらの第1乃至第3のレーザ光は、光学系7a、7bからは同一光軸上に出射されるが、これらのレーザ光の焦点距離は、第2のレーザ光が最も長く、次いで、第1のレーザ光、第3のレーザ光となり、第2のレーザ光の焦点距離が最も短い。そして、第1のレーザ光の第1の焦点位置は、被溶接材の表面の近傍であり、この被溶接材の表面を規準表面とすると、光軸上において、この規準表面から0.2mm上方の位置から0.2mm下方の位置までの範囲に設定される。第2のレーザ光の第2の焦点位置は、被溶接材の表面から被溶接材の内部に入り込む位置であり、光軸上において、規準表面から0.2乃至0.9mmだけ材料内部に入り込んだ位置である。更に、第3のレーザ光の第3の焦点位置は、被溶接材の表面の上方の位置であり、光軸上において、規準表面から0.2乃至0.5mmだけ材料よりも上方の位置である。なお、レーザ光は、第1及び第2の2種のレーザ光を混合したものを使用してもよいし、第1乃至第3の3種のレーザ光を混合したものを使用してもよい。
【0020】
この場合、電池ケースは、図4(a)に示すように、筐体10の上端が開口しており、この筐体10の上端開口部の上に蓋11を載置して、矢印にて示すように、蓋11の下面と筐体10の上端との間の位置を接合するか、又は、図4(b)に示すように、蓋11が筐体10の上端開口部内に嵌合する大きさを有していて、蓋11を筐体10に嵌合して、矢印にて示すように、この蓋11の縁部と筐体10の上端内面との間の位置を接合する。
【0021】
従って、例えば、図4(b)の場合は、図3に示すように、筐体10の上端面と蓋11の上面端部との間に溶接部12が形成される。そして、これらの被溶接材(蓋11及び筐体10)は、その溶接部において、レーザ光が照射される表面は基本的には面一である。このため、図2に示すように、第1乃至第3のレーザ光の焦点位置を設定するための基準となる被溶接材の基準面の位置は双方の被溶接材で同一である。しかしながら、上述のように、被溶接材の表面が面一でない場合、即ち、両被溶接材の表面に段差がある場合は、第1乃至第3のレーザ光の焦点位置を設定するための基準となる基準面として、いずれか一方の被溶接材の表面を採用する。
【0022】
次に、本発明の実施形態の動作について説明する。先ず、例えば、筐体10と蓋11とを図3に示すように配置し、突合せ継手を構成する。そして、図1に示すように、光源1又は光源1及び光源2からレーザ光を出射し、第1の焦点位置をもつ第1のレーザ光と第2の焦点位置をもつ第2のレーザ光を、同一光軸上で、溶接部12に照射するか、第1の焦点位置をもつ第1のレーザ光、第2の焦点位置をもつ第2のレーザ光及び第3の焦点位置をもつ第3のレーザ光を、同一光軸上で、溶接部12に照射する。そして、レーザ光が照射された部分がレーザ光のエネルギにより加熱されて溶融し、溶融池が形成され、レーザ光の照射位置を図3の紙面に垂直の方向である溶接線に沿って移動させることにより、蓋11の縁部がその全域で筐体10の上端部に接合される。
【0023】
レーザ溶接においては、図5に示すように、レーザ光20の照射に伴い、キーホール21が形成され、キーホール21よりもレーザ光の進行方向(溶接方向)の反対方向の位置に溶融池22が形成される。そして、キーホール21の形成過程で気泡24が発生し、この気泡24が溶融池22内で浮上しきれず、溶融池22が凝固したときに溶接金属中に取り込まれると、ポロシティ又はブローホール等の欠陥23が発生する。このとき、Mgを多く含むアルミニウム合金、例えば、JIS3004合金、JIS3104合金、JIS5052合金、又はJIS5182合金は、Mgが蒸発しやすく、このため、Mgの蒸発により発生する気泡24により、ブロイーホール欠陥23が発生しやすい。また、Mgを多量に含むアルミニウム合金は、Mgの蒸発により溶融池の溶湯が跳ねて形成されるスパッタ欠陥も生じ易くなる。更に、レーザ溶接の場合は、急激なエネルギの付与による材料の溶接部の熱膨張収縮により、溶接割れが生じ易い。
【0024】
従来、このような溶接欠陥又はスパッタの発生を防止するために、レーザ光のエネルギ密度を高くしてビーム径を小さくして溶接したり、逆に、レーザ光をデフォーカスして、ビーム径を大きくして溶接する等の試みがなされていた。しかし、高エネルギ密度のビームで溶接した場合は、上述のスパッタ及び溶接割れの問題が大きくなり、逆に、レーザビームをデフォーカスした場合は、十分な接合強度を得るために必要な溶け込み深さを得にくいという問題点がある。なお、キーホール21は、常に一定形状に維持されているのではなく、レーザ光の移動と共に、図6に示すように、局部的に閉塞したり、拡がったりしている。
【0025】
本発明においては、特に、Mgを多量に含むアルミニウム材をレーザ溶接する際の上述の問題点を解消するために、焦点位置が異なる2種又は3種のレーザ光を、光軸を同一にして同時に被溶接材に照射する。この焦点位置が異なる2種又は3種のレーザ光を得るために、波長が異なる2種又は3種のレーザ光を重畳させて合成し、同一のレンズを透過させて被溶接材に照射する。これにより、光軸上で、焦点位置が異なる2種又は3種のレーザ光が被溶接材に照射される。
【0026】
このとき、第1のレーザ光が、その焦点位置が、被溶接材の表面位置の近傍で焦点を結ぶので、被溶接材の表面近傍の部分が加熱され、溶融する。この第1のレーザ光の照射は、エネルギ密度が高いレーザ光(被溶接材の表面で焦点を結び、表面でビーム径が小さい)を被溶接材に照射した場合と同様の作用を有する。一方、同時に、その焦点位置が材料の内部に位置する第2のレーザ光も照射する。これにより、被溶接材の内部が加熱され、溶融する。この第2のレーザ光の照射は、デフォーカスしたレーザ光を照射した場合と同様の作用を有する。このような2種類の焦点位置を有するレーザ光を照射することにより、被溶接材においては、その溶融池の長さが長くなる。即ち、図7(a)に示す従来のシングル焦点の場合は、レーザ進行方向(溶接方向)における溶融池の幅が小さいのに対し、本発明のように焦点位置が2個のダブル焦点である場合は、図7(b)に示すように、溶融池がレーザ進行方向(溶接方向)の後方に延び、レーザ進行方向における溶融池の幅が大きくなる。このように、本発明の場合は、溶融池がレーザ進行方向に長く拡がる結果、発生した気泡は、溶融池内で上昇して、溶融池の表面から離脱しやすくなり、溶融池が凝固した後の溶接部にブローホール及びポロシティ等の欠陥が発生することが抑制される。このため、Mgを多量に含むアルミニウム材であっても、発生した気泡が溶融池から離脱しやすく、凝固後の溶接部にブローホール等の欠陥が発生することが防止される。また、溶融池が拡がることにより、気泡が溶融池内で暴れることが抑制され、スパッタの発生も防止される。
【0027】
一方、上記第1及び第2のレーザ光に加えて、焦点距離が短い第3のレーザ光も照射した場合は、更に、デフォーカスしたレーザ光の照射が加わり、溶融池が更に拡がる。これにより、溶接部欠陥を一層低減することができる。更に、スパッタもより一層低減することができる。
【実施例】
【0028】
次に、本発明の効果を実証する実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。レーザ光源1の発振器2,3から、半導体レーザ光を出射し、レーザ光源4から、連続YAGレーザ光又はパルス発振式YAGレーザ光を出射した。半導体レーザ光は、発振器2,3から出射したものであり、夫々、波長が808nm、940nmである。YAGレーザ光は波長が1064nmである。
【0029】
半導体レーザの出射条件は、レーザ出力が2.8乃至3.5kW、溶接速度が10m/分、シールドガスがArガスで流量が20リットル/分であり、発振器2,3からレンズ(光学系7a、7b)まで直径が0.4mmの光ファイバ(導波路5a、5b)で伝送した。
【0030】
連続YAGレーザは、レーザ出力が3.0乃至4.0kW、溶接速度が10m/分、シールドガスがArガスで流量が20リットル/分であり、発振器からレンズまで直径が0.4mmの光ファイバで伝送した。パルスYAGレーザは、レーザ出力が300W、溶接速度が1m/分、シールドガスがArガスで流量が20リットル/分であり、発振器からレンズまで直径が0.4mmの光ファイバで伝送した。
【0031】
下記表1に示すように、素材を組合せて溶接した。溶接継手は、図3に示す筐体10とこの筐体10の上端開口部に嵌合された蓋11との間に形成されるI開先の下向継手であり、溶接線に垂直の断面はL字形である。蓋11及び筐体10の中で、蓋11は厚板側、筐体10は薄板側であり、厚板側アルミニウム材は厚さが1.0乃至1.5mmであり、薄板側アルミニウム材は厚さが0.3乃至0.8mmである。なお、表1の品種欄は厚板側のアルミニウム材の合金種と薄板側のアルミニウム材の合金種を、JIS記号で表したものである。焦点位置は図2のA,B,Cの位置である。
【0032】
【表1】

【0033】
スパッタ量は、溶接部の外観に付着した球状の溶融金属の凝固物の数を測定した。そして、10mm長あたり、スパッタ粒子が0個の場合を◎、1個以下の場合を○、1個を超え5個以下の場合を△、5個を超えた場合を×としてスパッタ量を評価した。
【0034】
ポロシティ及び溶接割れの判定は、溶接線方向に平行の溶接部断面を研磨し、この溶接前に開先位置であった部分の研磨面を拡大鏡にて10倍に拡大して、ポロシティ及び溶接割れを観察した。そして、ポロシティは、10mm長あたり、0個の場合を◎、1個以下の場合を○、1個を超え5個以下の場合を△、5個を超えた場合を×として評価した。割れは、1個でも存在した場合は、×とした。表1の評価欄は、溶接品質において、◎が2個以上あれば◎、×が2個以上あれば×、×が1個又は△が2個であれば△、×及び△がない場合は○とした。
【0035】
この表1に示すように、本発明の実施例1乃至12は、溶接品質がいずれも○か◎であり、評価も◎か○であり、優れたものであった。これに対し、本発明の範囲から外れる比較例1乃至14は、いずれかの溶接品質が×か△であり、評価も×か△であった。
【符号の説明】
【0036】
1,4:光源
2,3:発振器
7a,7b:光学系
10:筐体
11:蓋
20:レーザ光
21:キーホール
22:溶融池
23:欠陥(ブローホール)
24:気泡

【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、1個の光軸上に2個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第1焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
【請求項2】
アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を溶接すべき態様に配置し、1個の光軸上に3個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第1焦点位置を前記被溶接材のいずれか一方の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第3の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて0.2乃至0.5mmの位置となるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
【請求項3】
アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を突合せて配置し、1個の光軸上に2個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が短い方の第1焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
【請求項4】
アルミニウム材からなる1対の被溶接材同士を突合せて配置し、1個の光軸上に3個の焦点位置を有するレーザ光を、前記被溶接材の溶接位置に照射して前記被溶接材を溶融溶接し、このとき、焦点距離が中間の第1焦点位置を前記被溶接材の表面を規準表面としてこの規準表面から光軸方向に0.2mm以内の位置となるように設定し、前記焦点距離が長い方の第2焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材内部に向けて0.2乃至0.9mmの位置になるように設定し、前記焦点距離が短い方の第3の焦点位置を前記規準表面から光軸方向の前記被溶接材の上方に向けて0.2乃至0.5mmの位置となるように設定することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
【請求項5】
前記アルミニウム材は、JIS1000系、3000系又は5000系であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
【請求項6】
一方のアルミニウム材がJIS1000系、他方のアルミニウム材がJIS3000系又は5000系であり、前記一方のアルミニウム材が電池ケースの蓋であり、前記他方のアルミニウム材が電池ケースの筐体であり、前記筐体に前記蓋が接合された電池ケースを製造することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアルミニウム接合体の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−45570(P2012−45570A)
【公開日】平成24年3月8日(2012.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−189460(P2010−189460)
【出願日】平成22年8月26日(2010.8.26)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】