CN112638571B - 金属部件的焊接结构以及金属部件的焊接结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种金属部件的焊接结构，具有Cu部件、Al部件以及焊接部，在焊接部中，Cu部件的构成材料和Al部件的构成材料熔融并固化，其中Cu部件具有包含Cu作为主要成分的Cu基材，Al部件具有包含Al作为主要成分的Al基材以及覆盖Al基材的与Cu部件相对的表面侧的镀层，焊接部具有位于Cu部件的表面附近的海‑岛结构，海‑岛结构具有多个各自包含纯Al的岛部，以及位于岛部之间的海部，并且海部具有由Cu‑Al金属间化合物制成的相和由纯Al制成的相的共晶组织。

Description

金属部件的焊接结构以及金属部件的焊接结构的制造方法

技术领域

本公开涉及金属部件的焊接结构以及制造金属部件的焊接结构的方法。

本申请要求基于在2018年9月3日提交的日本专利申请No.2018-164851的优先权，并且将该日本专利申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

作为通过焊接Cu部件和Al部件而形成的金属部件的焊接结构，例如，已知有在专利文献1中通过连接不同种类的金属而形成的结构。通过以下方式制造这种通过连接不同种类的金属而形成的结构：将由铜制成的第一金属部分和由铝制成的第二金属部分彼此堆叠，然后通过加压和加热使它们彼此接合。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.2014-97526

发明内容

根据本公开的金属部件的焊接结构包括：

Cu部件；

Al部件；以及

通过使Cu部件和Al部件各自的材料熔融并固化而形成的焊接部，其中

Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，

Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材、和覆盖Al基材的与Cu部件的表面接近的表面的镀层，

焊接部包括位于Cu部件的表面附近的海-岛结构，

海-岛结构包括

多个包含纯Al的岛部，以及

介于岛部之间的海部，并且

海部具有共晶组织，该共晶组织具有

Cu和Al的金属间化合物相，以及

纯Al相。

根据本公开的制造金属部件的焊接结构的方法包括：

准备Cu部件和Al部件；以及

焊接Cu部件和Al部件，其中

在准备中，

Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，并且

Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材和覆盖Al基材的镀层，

在焊接中，

在Cu部件和Al部件的镀层彼此相对设置的状态下，从Al部件侧向Cu部件照射激光，并且

激光照射条件满足

输出功率为550W以上，并且

扫描速率为10mm/sec以上。

附图说明

图1为示出了根据第一实施方案的示意性金属部件的焊接结构的截面图。

图2为示出了根据第一实施方案的金属部件的焊接结构中的Cu部件和Al部件之间的界面以及界面附近的实例的截面图。

图3为示出了根据第一实施方案的金属部件的焊接结构中的Cu部件和Al部件之间的界面以及界面附近的另一实例的截面图。

图4为示出了根据第一实施方案的金属部件的焊接结构中的Cu部件和Al部件之间的界面以及界面附近的另一实例的截面图。

图5为以放大的方式示出了根据第一实施方案的金属部件的焊接结构中焊接部的Cu部件的表面附近的区域的显微照片。

图6为以放大的方式示出了试样No.1-101的金属部件的焊接结构中焊接部的Cu部件的表面附近的区域的显微照片。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

需要进一步提高金属部件的焊接结构中Cu部件和Al部件之间的接合强度。

因此，本公开的目的是提供Cu部件和Al部件之间的接合强度优异的金属部件的焊接结构。

本公开的另一目的是提供制造金属部件的焊接结构的方法，通过该方法可以制造Cu部件和Al部件之间的接合强度优异的金属部件的焊接结构。

[本公开的有利效果]

根据本公开的金属部件的焊接结构在Cu部件和Al部件之间具有优异的接合强度。

根据本公开的制造金属部件的焊接结构的方法能够制造Cu部件和Al部件之间的接合强度优异的金属部件的焊接结构。

<<本公开的实施方案的描述>>

以下将首先列举本公开的实施方案以用于说明。

(1)根据本公开的一个实施方案的金属部件的焊接结构包括：

Cu部件；

Al部件；以及

通过使Cu部件和Al部件各自的材料熔融并固化而形成的焊接部，其中

Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，

Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材、和覆盖Al基材的与Cu部件的表面接近的一侧的镀层，

焊接部包括位于Cu部件的表面附近的海-岛结构，

海-岛结构包括

多个包含纯Al的岛部，以及

介于岛部之间的海部，并且

海部具有共晶组织，其具有

Cu和Al的金属间化合物相，以及

纯Al相。

金属部件的焊接结构中Cu部件和Al部件之间的接合强度优异。多个岛部存在于焊接部的Cu部件的表面附近的区域中。由于岛部包含纯Al，因此岛部的延展性相对较高。这是因为Cu部件的表面附近的延展性趋于较高。这也是因为多个岛部分布在焊接部的Cu部件的表面附近的区域中，使得作用在该表面附近的区域上的应力容易分散。这也是因为多个岛部存在于焊接部的Cu部件的表面附近的区域中，使得裂纹不易于线性传播。

(2)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，

海-岛结构包括稀疏-密集结构，

稀疏-密集结构包括

密集区域，其包括尺寸较小且数量较多的岛部，以及

稀疏区域，其包括尺寸较大且数量较少的岛部，

密集区域设置在靠近Cu部件的表面的一侧，并且

稀疏区域设置在Cu部件的表面的相反侧。

金属部件的焊接结构中Cu部件和Al部件之间的接合强度更加优异。这是因为在海-岛结构中靠近Cu部件的表面的一侧设置有密集地存在微小岛部的区域，使得焊接部的位于Cu部件的表面附近的区域的延展性趋于较高。这也是因为作用于焊接部的位于Cu部件的表面附近的区域上的应力容易分散。此外，这也是因为提供了包括密集的岛部的区域，使得裂纹不易于线性传播。在金属部件的焊接结构中，海-岛结构具有包括稀疏的岛部的区域，使得容易抑制导电率的过度下降。

(3)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，海部的厚度为5μm以下。

金属部件的焊接结构中Cu部件和Al部件之间的接合强度更加优异。在上述构成中，海部相对较薄，并且脆性的金属间化合物相的尺寸相对较小。因此，上述构成可以抑制Cu部件的表面和焊接部之间的界面处的接合强度的下降。

(4)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，岛部之间的距离为10μm以下。

金属部件的焊接结构在Cu部件和Al部件之间的接合强度更加优异。这是因为岛部之间的距离不过大，使得裂纹不易于线性传播。

(5)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，各岛部的尺寸为1μm²以上20μm²以下。

当各岛部的尺寸为1μm²以上时，焊接部的位于Cu部件的表面附近的区域的延展性趋于变高。各尺寸为20μm²以下的岛部不过大，并且岛部之间的距离不易于变大。

(6)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，海-岛结构的厚度为3μm以上。

当海-岛结构的厚度为3μm以上时，在Cu部件和Al部件之间实现了更加优异的接合强度。这是因为作用于焊接部的位于Cu部件的表面附近的区域的应力易于分散。

(7)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，

Al基材包含选自以下元素中的一种以上的元素作为添加元素：1质量％以上17质量％以下的Si；0.05质量％以上2.5质量％以下的Fe；0.05质量％以上2.5质量％以下的Mn；以及0.1质量％以上1.0质量％以下的Mg。

当添加元素的含量为它们各自的下限值以上时，Cu部件和Al部件之间的接合强度趋于高于纯Al的接合强度。当添加元素的含量为它们各自的上限值以下时，可以抑制导电率的过度下降。

(8)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，镀层具有单层结构的Ni镀层。

在金属部件的焊接结构中，Cu部件和Al部件之间的接合强度容易提高。这是因为形成了具有高熔点的Ni镀层作为镀层，使得容易形成海-岛结构。这可以抑制在焊接部的Cu部件的表面附近的区域中形成厚的层状金属间化合物或大的岛状金属间化合物。此外，与下文将描述的堆叠结构相比，更易于形成单层结构的镀层。

(9)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，镀层具有通过由Al基材侧起依次堆叠Ni镀层和Sn镀层而形成的堆叠结构。

在金属部件的焊接结构中，Cu部件和Al部件之间的接合强度容易提高。这是因为镀层具有熔点较高的Ni镀层，使得容易形成上述海-岛结构。这也是因为镀层具有位于Ni镀层的表面上的熔点较低的Sn镀层，使得Sn镀层更容易起到接合材料的作用。

(10)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，Cu部件包括覆盖Cu基材的表面的镀层。

即使当Cu部件包括镀层时，金属部件的焊接结构在Cu部件与Al部件之间也具有优异的接合强度。

(11)作为金属部件的焊接结构的一个实施方案，焊接部贯穿Cu部件。

在金属部件的焊接结构中，可以容易地分辨出Cu部件和Al部件被焊接。这是因为在Cu部件的与Al部件相反的一侧上形成有焊接痕迹。此外，与Cu部件部分熔融的情况相比，金属部件的焊接结构的接合强度优异。

(12)根据本公开的一个实施方案的制造金属部件的焊接结构的方法，该方法包括：

准备Cu部件和Al部件；以及

焊接Cu部件和Al部件，其中

在准备中，

Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，并且

Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材和覆盖Al基材的镀层，

在焊接中，

在Cu部件和Al部件的镀层彼此相对设置的状态下，从Al部件侧向Cu部件照射激光，并且

激光照射条件满足

输出功率为550W以上，并且

扫描速率为10mm/sec以上。

制造金属部件的焊接结构的方法能够制造Cu部件和Al部件之间的接合强度优异的金属部件的焊接结构。这是因为Al部件包括镀层，并且激光输出功率和激光扫描速率满足其各自的范围，由此可以在焊接部的Cu部件的表面附近的区域中形成有助于提高延展性并缓和应力的上述海-岛结构。这也是因为通过形成这样的海-岛结构，可以抑制在焊接部的Cu部件的表面附近的区域中形成厚的层状金属间化合物或大的岛状金属间化合物。该金属间化合物为脆性Al₂Cu。较大的金属间化合物可能使Cu部件和Al部件之间的接合强度下降。然而，由于可以抑制大的金属间化合物的形成，因此可以抑制Cu部件和Al部件之间的接合强度的下降。

根据制造金属部件的焊接结构的方法，将激光输出功率设定为550W以上，使得Cu部件的表面可以熔融，从而能够使Cu部件和Al部件之间焊接。

根据制造金属部件的焊接结构的方法，将激光扫描速率设定为10mm/sec以上，由此可以提高生产率。这是因为扫描速率不过低，因此，使Cu部件和Al部件之间焊接所需的时间不过长。

(13)作为制造金属部件的焊接结构的方法的一个实施方案，激光为光纤激光。

根据制造金属部件的焊接结构的方法，Cu部件和Al部件易于彼此焊接。

(14)作为制造金属部件的焊接结构的方法的一个实施方案，照射激光以能够贯穿Cu部件。

制造金属部件的焊接结构的方法能够制造这样的金属部件的焊接结构，其可以容易地分辨出Cu部件和Al部件彼此焊接。这是因为在Cu部件的与Al部件相反的一侧上形成有焊接痕迹。认为通过Cu的熔融使得能够贯穿Cu部件，从而形成脆性金属间化合物，由此接合强度下降。然而，当以特定照射条件对所准备的具有镀层的Al部件照射激光时，脆性金属间化合物的尺寸趋于变小。因此，可以抑制接合强度的下降。因此，上述制造金属部件的焊接结构的方法能够制造这样的金属部件的焊接结构，其接合强度与Cu部件部分熔融的情况下的结合强度相当。

(15)作为制造金属部件的焊接结构的方法的一个实施方案，Cu部件具有覆盖Cu基材的表面的镀层，并且

在焊接中，在Cu部件的镀层和Al部件的镀层彼此相对设置的状态下，将Cu部件的镀层和Al部件的镀层焊接。

制造金属部件的焊接结构的方法能够制造这样的金属部件的焊接结构，即使当Cu部件具有镀层时，该金属部件的焊接结构在Cu部件和Al部件之间也具有优异的接合强度。

<<本公开的实施方案的细节>>

以下将描述本公开的实施方案的细节。将按照以下顺序依次描述实施方案：金属部件的焊接结构，以及制造金属部件的焊接结构的方法。

[第一实施方案]

[金属部件的焊接结构]

在本文中，将参考图1至图5对根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A进行描述。金属部件的焊接结构1A包括Cu部件2、Al部件3、以及将Cu部件2和Al部件3接合的焊接部4(图1)。金属部件的焊接结构1A的一个特征在于，焊接部4包括具有特定结构的海-岛结构5(图5)。以下将详细描述各构成。在以下说明书中，将Cu部件2的靠近Al部件3的一侧定义为正面侧(图1的上侧)，并且将该正面侧的相反侧定义为背面侧(图1的下侧)。在以下说明书中，将Al部件3的靠近Cu部件2的一侧定义为背面侧(图1的下侧)，并且将该背面侧的相反侧定义为正面侧(图1的上侧)。在以下说明书中，将该正-背方向定义为厚度方向。图2至4各自以放大的方式示出了图1中由粗点线包围的矩形部分。也就是说，图2至4各自以放大的方式示出了Cu部件2和Al部件3之间的界面以及该界面附近。图5以放大的方式示出了图1中由粗虚线包围的矩形部分。也就是说，图5为以放大的方式示出了焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域的显微照片。在各附图中，相同的附图标记表示具有相同名称的部件。

(Cu部件)

Cu部件2包括Cu基材21(图1至图5)。Cu部件2仅由Cu基材21形成(图1至图3和图5)。可以由包括Cu基材21和将在下文描述的镀层22的包覆部件形成Cu部件2(图4)。

<Cu基材>

Cu基材21包含Cu作为主要成分，其是指纯Cu和Cu基合金。Cu基材21能够包含不可避免的杂质。Cu基合金的添加元素为选自(例如)Si(硅)、Fe(铁)、Mn(锰)、Ti(钛)、Mg(镁)、Sn(锡)、Ag(银)、In(铟)、Sr(锶)、Zn(锌)、Ni(镍)、Al(铝)和P(磷)中的一种以上的元素。这些添加元素的含量可以适当选择，以使其落入导电率不会过度下降的范围内。添加元素的总含量优选为(例如)0.001质量％以上0.1质量％以下，进一步优选为0.005质量％以上0.07质量％以下，并且特别优选为0.01质量％以上0.05质量％以下。在这种情况下，Cu基材21为纯Cu。

可以适当地选择Cu基材21的形状。Cu基材21代表性地呈板状。可以适当地选择Cu基材21的厚度。例如，Cu基材21的厚度为0.15mm以上0.6mm以下，并且进一步为0.25mm以上0.5mm以下，并且特别地为0.35mm以上0.4mm以下。将Cu基材21的厚度定义为Cu基材21的除焊接部4之外的厚度。这也同样适用于下文描述的镀层22的厚度(图4)和Al部件3的Al基材31和镀层32的厚度。

<镀层>

镀层22覆盖Cu基材21的表面(图4)。也就是说，镀层22覆盖Cu基材21的靠近Al部件3的一侧的表面。镀层22代表性地为Ni镀层。可以适当地选择镀层22的厚度。例如，镀层22的厚度为1μm以上10μm以下，并且进一步为1.5μm以上8μm以下，并且特别地为2μm以上6μm以下。

(Al部件)

Al部件3为包括Al基材31和镀层32的包覆部件。镀层32覆盖Al基材31的背面。也就是说，镀层32覆盖Al基材31的靠近Cu部件2的一侧的表面。

<Al基材>

Al基材31包含Al作为主要成分，其是指纯Al和Al基合金。Al基材31能够包含不可避免的杂质。Al基合金的添加元素为选自Si、Fe、Mn和Mg中的一种以上的元素。

Si的含量(例如)为1质量％以上17质量％以下，并且进一步为2.5质量％以上15质量％以下，并且特别地为4质量％以上13质量％以下。Fe的含量为(例如)0.05质量％以上2.5质量％以下，并且进一步为0.25质量％以上2质量％以下，并且特别地为0.5质量％以上1.5质量％以下。Mn的含量为(例如)0.05质量％以上2.5质量％以下，并且进一步为0.25质量％以上2质量％以下，并且特别地为0.5质量％以上1.5质量％以下。Mg的含量为(例如)0.1质量％以上1.0质量％以下，并且进一步为0.2质量％以上0.9质量％以下，并且特别地为0.3质量％以上0.8质量％以下。由于这些添加元素的含量在它们各自的下限值以上，因此Cu部件2和Al部件3之间的接合强度趋于高于纯Al的接合强度。由于这些添加元素的含量为它们各自的上限值以下，因此可以抑制导电率的过度下降。在这种情况下，Al基材31由纯Al制成。如下所述，在第二实施方案中，将描述Al基材31由Al基合金制成的方式。

可以适当地选择Al基材31的形状。与Cu部件2相同，Al基材31代表性地呈板状。可以适当地选择Al基材31的厚度。Al基材31的厚度(例如)为0.2mm以上1.2mm以下，并且进一步为0.25mm以上0.9mm以下，并且特别地为0.3mm以上0.6mm以下。

<镀层>

例如，镀层32可以具有单层结构或堆叠结构。单层结构可为由Ni镀层321(图2)形成的结构。堆叠结构可为由Al基材31侧起依次堆叠Ni镀层321和Sn镀层322而形成的结构(图3至图5)。可以适当地选择镀层32的厚度。例如，当镀层32具有单层结构时，Ni镀层321的厚度为1μm以上10μm以下，并且进一步为1.5μm以上8μm以下，并且特别地为2μm以上6μm以下。当镀层32具有堆叠结构时，Ni镀层321和Sn镀层322各自的厚度为1μm以上10μm以下，并且进一步为1.5μm以上8μm以下，并且特别地为2μm以上6μm以下。Ni镀层321可以包含添加元素，这取决于形成Ni镀层321的方法，这将在下文进行描述。添加元素的实例可为磷(P)等。添加元素的含量相对较小。

(焊接部)

焊接部4起到将Cu部件2和Al部件3接合的作用，并且通过使Cu部件2和Al部件3的材料熔融并固化形成焊接部4。也就是说，焊接部4的主要构成元素为Al和Cu。在金属部件的焊接结构1A的厚度方向上形成焊接部4的区域可限定为由Al部件3的表面延伸至Cu部件2的至少一部分的区域。也就是说，焊接部4在Al部件3的正面和背面之间贯穿Al部件3。优选的是，形成有焊接部4的区域延伸到Cu部件2的背面。也就是说，优选的是，焊接部4在Cu部件2的正面和背面之间贯穿Cu部件2。当焊接部4贯穿Cu部件2时，可以容易地分辨出Cu部件2与Al部件3彼此焊接。这是因为在Cu部件2的背面形成有焊接痕迹。

在焊接部4中，在Cu部件2的表面附近，基本上不存在图6(如下文所述)所示的厚的层状金属间化合物600或大的岛状金属间化合物600(图5)。金属间化合物600为脆性Al₂Cu。因此，金属间化合物600越大，使得Cu部件2和Al部件3之间的接合强度越低。也就是说，由于在焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域中，基本上不存在大的金属间化合物600，因此Cu部件2和Al部件3之间的接合强度增加。焊接部4包括位于Cu部件2的表面附近的海-岛结构5。

<海-岛结构>

如图5所示，海-岛结构5包括多个分散在其中的较小的岛部51和介于岛部51之间的海部52。由于海-岛结构5，作用于焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域的应力容易分散。这是因为，与金属间化合物600(图6)相比，在焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域中，各岛部51的表面积趋于较大。因此，金属部件的焊接结构1A在Cu部件2和Al部件3之间的接合强度优异。

例如，海-岛结构5的厚度优选为3μm以上。当海-岛结构5的厚度为3μm以上时，作用于焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域的应力容易分散。因此，Cu部件2和Al部件3之间的接合强度趋于较高。海-岛结构5的厚度进一步优选为5μm以上，并且特别优选为7μm以上。例如，海-岛结构5的厚度的上限优选为30μm以下。厚度为30μm以下的海-岛结构5可以抑制裂纹的线性传播。这是因为海-岛结构5不过厚，并且岛部51之间的距离不过大。

如下获得海-岛结构5的厚度。首先，获得焊接部4的截面。该截面是沿着与金属部件的焊接结构1A的厚度方向和焊接部4的长度方向(图1的垂直方向)这两者正交的方向(图1中的左右方向)的截面(横截面)。在Cu部件2的表面附近，沿着该截面取得一个以上的观察视野。设定各视野的放大倍率和各视野的尺寸，使得Cu部件2的表面和在与Cu部件2的表面正交的方向上距Cu部件2的表面最远的岛部51包括在同一视野内。在各视野中，绘制与Cu部件2的表面正交的三条以上的假想线。沿着各假想线，测定Cu部件2的表面和距Cu部件2的表面最远的岛部51在Cu部件2的相反侧的交点之间的长度。将全部长度的平均值定义为海-岛结构5的厚度。

海-岛结构5包括具有密集区域511和稀疏区域512的稀疏-密集结构510。密集区域511为岛部51以高密度存在的区域。将密集区域511设置在靠近Cu部件2的表面的一侧。稀疏区域512为岛部51的密度较低的区域。稀疏区域512设置在与Cu部件2的表面相反的一侧。密集区域511中的岛部51的尺寸相对较小，并且数量相对较多。此外，稀疏区域512中的岛部51的尺寸相对较大，并且数量相对较少。在稀疏-密集结构510中，作用于焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域的应力容易分散。因此，Cu部件2和Al部件3之间的接合强度趋于变高。此外，在由密集区域511向稀疏区域512的方向上，岛部51的尺寸趋于变大，并且数量趋于减少。

-岛部

岛部51包含纯Al。由于岛部51包含纯Al，因此岛部51的延展性相对较高。在靠近Cu部件2的表面的一侧存在多个岛部51。因此，Cu部件2和Al部件3之间的接合强度趋于较高。当Al基材31由Al基合金制成时，岛部51可包含除纯Al之外的Al基合金的添加元素。该添加元素优选固溶于纯Al中。可以通过能量分散X射线分析仪(EDX)分析岛部51的组成。

例如，岛部51的尺寸优选为1μm²以上20μm²以下。当岛部51的尺寸为1μm²以上时，Cu部件2和Al部件3之间的接合强度趋于较高。这是因为焊接部4的延展性容易提高。当各岛部51的尺寸为20μm²以下时，岛部51不过大，并且岛部51之间的距离不易于变大。各岛部51的尺寸进一步优选为2μm²以上15μm²以下，并且特别优选为3μm²以上10μm²以下。

岛部51的尺寸是存在于焊接部4的截面中的两个以上的视野中的全部岛部51的面积的平均值。通过市售的图像分析软件计算各岛部51的面积。如上所述截取截面。将各视野的放大倍率设定为10000倍，并且在与Cu部件2的表面正交的方向上距该表面15μm的范围内，将各视野的尺寸设定为10μm×10μm。

例如，岛部51之间的距离优选为10μm以下。这是因为岛部51之间的距离不会过大，因此可以抑制裂纹的线性传播。岛部51之间的距离进一步优选为7μm以下，并且特别优选为5μm以下。例如，岛部51之间的距离的下限为0.5μm以上。当岛部51之间的距离为0.5μm以上时，岛部51之间的距离不会过窄，并且作用于焊接部4上的应力容易分散。特别地，作用于焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域上的应力容易分散。

如下所述获得岛部51之间的距离。首先，沿着焊接部4的截面获取两个以上的观察视野。然后，对于各视野，绘制与Cu部件2的表面正交的五条以上的假想线。测量各假想线上的相邻岛部51的中心点之间的长度。将全部的中心点之间的长度的平均值定义为岛部51之间的距离。以与获得岛部51的尺寸相同的方式获得截面和视野。

-海部

海部52在岛部51之间以三维网状形状形成。海部52具有金属间化合物相以及纯Al相的共晶组织。金属间化合物包含Cu和Al。金属间化合物代表性地为Al₂Cu。当Al基材31由Al基合金制成时，金属间化合物相和纯Al相中的至少一个相可以包含Al基合金的添加元素。该添加元素优选固溶于所含的相中。该共晶组织呈金属间化合物相和纯Al相交替堆叠的层状形状。相比于金属间化合物相和纯Al相排列为沿一个方向堆叠，更优选的是，金属间化合物相和纯Al相随机排列从而沿各个方向堆叠。这是因为作用于焊接部4的应力更容易分散。

例如，海部52的厚度优选为5μm以下。当海部52的厚度为5μm以下时，海部52相对较薄，并且脆性金属间化合物相的尺寸相对较小。因此，容易抑制Cu部件2和Al部件3之间的接合强度的下降。海部52的厚度进一步优选为3μm以下，并且特别优选为2μm以下。

通过与获得岛部51之间的距离的方法相同的方法获得海部52的厚度。具体而言，沿着焊接部4的截面截取两个以上的观察视野。对于各视野，绘制与Cu部件2的表面正交的五条以上的假想线。测量各假想线上的相邻的岛部51之间的长度。将全部长度的平均值定义为海部52的厚度。以与获得岛部51的尺寸相同的方式获得截面和视野。

[用途]

根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A可以适当地用于各种类型的汇流条(バスバー)和车载电池组件。

[作用和效果]

根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A在Cu部件2和Al部件3之间的接合强度优异。

[金属部件的焊接结构的制造方法]

将参考图1对根据第一实施方案的金属部件的焊接结构的制造方法进行适当地描述。根据第一实施方案的金属部件的焊接结构的制造方法包括：准备Cu部件2和Al部件3(以下也可以称为准备步骤)；以及照射激光以焊接Al部件3和Cu部件2(以下也可以称为焊接步骤)。金属部件的焊接结构的制造方法的一个特征是在准备步骤中准备具有镀层32的Al部件3，以及在焊接步骤中以特定的照射条件照射激光。该金属部件的焊接结构的制造方法能够制造上述金属部件的焊接结构1A。以下将描述各步骤的细节。

[准备步骤]

在准备步骤中，准备Cu部件2和Al部件3。

(Cu部件)

由包含Cu作为主要成分的Cu基材21形成Cu部件2。如上所述，可以由包括Cu基材21和镀层22的包覆部件形成Cu部件2。Cu基材21的组成、形状和厚度如上所述。在这种情况下，Cu基材21的组成为纯Cu。Cu基材21呈板状。镀层22的类型和厚度如上所述。可以通过电镀或化学镀形成镀层22。

(Al部件)

Al部件3包括含有Al作为主要成分的Al基材31和镀层32。Al基材31的组成、形状和厚度如上所述。在这种情况下，Al基材31的组成为纯Al。Al基材31呈板状。镀层32具有通过由Al基材31侧起依次堆叠Ni镀层321和Sn镀层322而形成的堆叠结构(图3)。镀层32也可以具有Ni镀层321的单层结构(图2)。由于Al部件3包括镀层32，因此在如下文所述的焊接步骤中进行激光焊接时，可以在焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域形成有助于缓和应力的海-岛结构5。如此形成的海-岛结构5可以抑制在焊接部4的Cu部件2的表面附近的区域中形成如图6所示的厚的层状金属间化合物600和大的岛状金属间化合物600(在下文描述)。因此，可以制造在Cu部件2和Al部件3之间具有优异的接合强度的金属部件的焊接结构1A。可以通过与形成Cu部件2的镀层22相同的方式，通过电镀或化学镀形成镀层32。

[焊接步骤]

在焊接步骤中，将Cu部件2和Al部件3彼此焊接。在Cu部件2和Al部件3的镀层32彼此相对设置的状态下，通过从Al部件3侧照射激光来进行该焊接。通过照射激光，从而形成通过使Al部件3和Cu部件2各自的材料熔融并固化而获得的焊接部4。该焊接部4能够制作金属部件的焊接结构1A，其中Al部件3和Cu部件2彼此接合。当Cu部件2具有镀层22时，将Cu部件2的镀层22和Al部件3的镀层32彼此相对设置并进行焊接。

通过照射激光，使Al部件3从激光照射部位的正面到其背面熔融，并且也使Cu部件2的与Al部件3的熔融部分相对的至少一部分熔融。根据激光照射条件，以与Al部件3的情况相同的方式使Cu部件2的正面和背面熔融。在这种情况下，熔融并固化的焊接部4贯穿Cu部件2。当焊接部4贯穿Cu部件2时，可以容易地分辨出Al部件3和Cu部件2彼此焊接。这是因为在Cu部件2的背面形成有焊接痕迹(未图示)。此前认为使Cu充分熔融以贯穿Cu部件2会导致形成脆性金属间化合物(Al₂Cu)，从而使接合强度降低。然而，当在特定照射条件下对所准备的具有镀层32的Al部件3照射激光时，脆性金属间化合物的尺寸趋于变小。因此，可以抑制接合强度的下降。因此，即使当Cu熔融以能够贯穿Cu部件2时，也可以制造具有与Cu部件2部分熔融的情况相当的接合强度的金属部件的焊接结构1A。

可以照射任何类型的激光，只要可以使Al部件3和Cu部件2熔融彼此焊接即可。激光器的类型可以包括介质为固体的固态激光器。此外，激光器的类型优选为选自(例如)光纤激光器、YAG激光器和YVO₄激光器中的一种。这些激光器能够容易地在Al部件3和Cu部件2之间进行焊接。这些激光器还包括介质掺杂有各种材料的已知的激光器。也就是说，对于上述光纤激光器，在作为其介质的纤芯中掺杂有稀土元素等。稀土元素的实例可为Yb等。对于YAG激光器，其介质可以掺杂有Nd、Er等。对于YVO₄激光器，其介质可以掺杂有Nd等。

可以根据Al部件3或Cu部件2的厚度、焊接部4的厚度、激光的种类等适当地选择激光照射条件。优选的是将激光照射条件设定为足以贯穿Cu部件2。

激光输出功率为550W以上。当激光输出功率为550W以上时，可以使Cu部件2的表面熔融，使得Al部件3和Cu部件2可以彼此焊接。激光输出功率优选为570W以上，并且进一步优选为600W以上。此外，激光输出功率优选为850W以下。当激光输出功率为850W以下时，可以防止过高的输出功率。激光输出功率进一步优选为830W以下，并且特别优选为800W以下。

激光扫描速率为10mm/sec以上。当激光扫描速率为10mm/sec以上时，可以提高生产率。这是因为扫描速率不过慢，并且焊接Al部件3和Cu部件2所需的时间不过长。激光扫描速率优选为15mm/sec以上，并且进一步优选为20mm/sec以上。激光扫描速率优选为90mm/sec以下。当激光扫描速率为90mm/sec以下时，扫描速率不过高，其结果是Cu部件2的表面可以熔融。激光扫描速率进一步优选为60mm/sec以下，并且特别优选为30mm/sec以下。可以适当地选择激光扫描方向。在这种情况下，将激光扫描方向限定为图1中的垂直方向。

优选的是在激光照射期间使用的辅助气体为氮气。优选的是，辅助气体的喷射方向与激光的照射方向正交。

[作用和效果]

根据第一实施方案的金属部件的焊接结构的制造方法能够制造具有优异的接合强度的金属部件的焊接结构1A。

[第二实施方案]

根据第二实施方案的金属部件的焊接结构与根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A的相同之处在于，根据第二实施方案的金属部件的焊接结构包括Cu部件2、Al部件3和焊接部4。根据第二实施方案的金属部件的焊接结构与根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A的不同之处在于，Al部件3的Al基材31由Al基合金制成。具体而言，Al基合金为包含Mn作为添加元素的Al-Mn合金。Mn的含量如上所述。金属部件的焊接结构的焊接部具有位于Cu部件2的表面附近的海-岛结构。该海-岛结构与已参考图5进行描述的根据第一实施方案的金属部件的焊接结构1A中的焊接部4的海-岛结构5相同。也就是说，海-岛结构包括分散在其中的多个小的岛部和介于岛部之间的海部。这些岛部除了包含纯Al之外，各自还包含Al基合金的添加元素。海部具有金属间化合物相和纯Al相的共晶组织。金属间化合物包含Cu和Al。金属间化合物相和纯Al相中的至少一者包含Al基合金的添加元素。

<<试验例1>>

在试验例1中，制作金属部件的焊接结构，并且评价其接合强度。

[试样No.1-1至No.1-6和No.1-101]

以与上述金属部件的焊接结构的制造方法相同的方式，通过准备步骤和焊接步骤制作各试样的金属部件的焊接结构。

[准备步骤]

在准备步骤中，准备Cu部件和Al部件。各试样中的Cu部件和Al部件的组合如表1所示。

(试样No.1-1)

作为试样No.1-1的Cu部件，准备由纯Cu的板材制成的Cu基材。Cu基材的厚度为0.3mm。作为Al部件，准备了包括由纯Al的板材制成的Al基材和覆盖Al基材的表面的镀层的包覆部件。Al基材的厚度为0.6mm。由单层结构的Ni镀层形成镀层。镀层的厚度为2μm。

(试样No.1-2)

试样No.1-2与试样No.1-1相同，不同之处在于，Al基材由不同的材料制成。由包含1质量％的Mn的Al-Mn合金制成的板材形成Al基材。

(试样No.1-3)

试样No.1-3与试样No.1-1相同，不同之处在于，设置于Al部件中的镀层由堆叠结构形成。通过由Al基材侧起依次堆叠Ni镀层和Sn镀层来形成镀层。Ni镀层的厚度和Sn镀层的厚度各自为2μm。

(试样No.1-4)

试样No.1-4与试样No.1-1相同，不同之处在于以下两点。

(1)Cu部件形成为包括Cu基材和覆盖Cu基材的表面的镀层的包覆部件。

(2)设置于Al部件中的镀层由堆叠结构形成。

Cu基材与试样No.1-1相同。由单层结构的Ni镀层形成Cu部件的镀层。Ni镀层的厚度为2μm。通过由Al基材侧起依次堆叠Ni镀层和Sn镀层从而形成Al部件的镀层。Ni镀层的厚度和Sn镀层的厚度各自为2μm。

(试样No.1-5)

试样No.1-5与试样No.1-1相同，不同之处在于以下两点。

(1)Al基材由不同的材料制成。

(2)设置于Al部件上的镀层由堆叠结构形成。

由包含1质量％的Mn的Al-Mn合金制成的板材形成Al基材。通过由Al基材侧起依次堆叠Ni镀层和Sn镀层从而形成Al部件的镀层。Ni镀层的厚度和Sn镀层的厚度各自为2μm。

(试样No.1-6)

试样No.1-6与试样No.1-1相同，不同之处在于以下两点。

(1)Cu部件形成为包括Cu基材和覆盖Cu基材的表面的镀层的包覆部件。

(2)Al基材由不同的材料制成。

Cu基材与试样No.1-1相同。由单层结构的Ni镀层形成Cu部件的镀层。镀层的厚度为2μm。由包含1质量％的Mn的Al-Mn合金制成的板材形成Al基材。

(试样No.1-101)

试样No.1-101与试样No.1-1相同，不同之处在于Al部件仅由Al基材形成。也就是说，试样No.1-1的Al部件不具有镀层。

[焊接步骤]

在焊接步骤中，将Cu部件和Al部件的镀层彼此相对设置，从Al部件侧向其照射激光。通过如此照射激光，将Cu部件和Al部件焊接。在Cu部件具有镀层的情况下，将镀层设置为彼此相对并进行焊接。在表1所示的输出功率(W)和扫描速率(mm/sec)的条件下照射激光。

[结构分析]

分析了各试样的金属部件的焊接结构中的焊接部的组织。图5和图6分别代表性地示出了试样No.1-3的焊接部4和试样No.1-101的焊接部400的显微照片。

如上所述，发现了试样No.1-3的焊接部4具有位于Cu部件2的表面附近的海-岛结构5。如上所述，还发现了试样No.1-3的焊接部4的海-岛结构5具有包括密集区域511和稀疏区域512的稀疏-密集结构510。密集区域511为岛部51以高密度存在的区域。密集区域511设置在靠近Cu部件2的表面的一侧。稀疏区域512为岛部51以低密度存在的区域。稀疏区域512设置在与Cu部件2的表面相反的一侧。虽然未示出，但试样No.1-1、试样No.1-2以及试样No.1-4至试样No.1-6的焊接部各自具有与试样No.1-3的焊接部的海-岛结构相同的海-岛结构。通过上述测定方法测定了各试样的焊接部中海-岛结构的厚度(μm)、各岛部的尺寸(μm²)、岛部之间的距离(μm)以及海部的厚度(μm)。结果示于表2。发现试样No.1-1至No.1-6的海-岛结构的厚度为3μm以上，并且进一步为5μm以上，并且特别为7μm以上。还发现试样No.1-1至No.1-6的各岛部的尺寸为1μm²以上20μm²以下，并且进一步为15μm²以下，并且特别为10μm²以下。发现试样No.1-1至No.1-6的岛部之间的距离为10μm以下，并且进一步为7μm以下，并且特别为5μm以下。发现试样No.1-1至No.1-6的海部的厚度为5μm以下，并且进一步为3μm以下。

另一方面，在试样No.1-101的焊接部400中，没有形成如试样No.1-3中的海-岛结构(图6)。在试样No.1-101的焊接部400中，在与Cu部件200的表面的界面处形成了由Al₂Cu制成的非常厚的层状金属间化合物600以及由Al₂Cu制成的非常大的岛状金属间化合物600。

[接合强度的评价]

通过测定当(i)沿着垂直于彼此相对的Cu部件2和Al部件3的表面的方向并且(ii)沿着使Cu部件2和Al部件3彼此远离的方向拉动Cu部件2和Al部件3时获得的最大拉伸力(N)，从而评价各试样的接合强度。在这种情况下，拉动这两个部件，使得焊接部沿着激光扫描方向(焊接部的纵向方向)剥离。将焊接部的剥离速率设定为50mm/min。各试样的最大拉伸力的结果示出了：在各试样No.1-1、No.1-2和No.1-101中，在评价数量n＝3时的最大拉伸力的平均值；以及在各试样No.1-2至No.1-6中，在评价数量n＝5时的最大拉伸力的平均值。结果示于表2。

如表2所示，试样No.1-1至No.1-6的最大拉伸力为试样No.1-101的最大拉伸力的1.24倍以上。特别是，试样No.1-5的最大拉伸力为试样No.1-101的最大拉伸力的两倍以上。

因此，发现与通过仅对由纯Al制成且不具有镀层的基材照射激光而获得的金属部件的焊接结构相比，通过以特定的照射条件对所准备的具有Al基材和镀层的Al部件照射激光以进行焊接而获得的金属部件的焊接结构的接合强度更加优异。

通过在试样No.1-1和试样No.1-2之间进行比较、在试样No.1-3和试样No.1-5之间进行比较、以及在试样No.1-4和试样No.1-6之间进行比较，获得了以下结果。具体而言，与各自包括由纯Al制成的Al基材的试样No.1-1、试样No.1-3和试样No.1-4相比，各自包括由Al基合金制成的Al基材的试样No.1-2、试样No.1-5以及试样No.1-6的接合强度更加优异。

通过在试样No.1-3和试样No.1-4之间进行比较以及在试样No.1-5和试样No.1-6之间进行比较，获得以下结果。具体而言，与各自包括由具有Cu基材和镀层的包覆部件形成的Cu部件的试样No.1-4和试样No.1-6相比，各自包括仅由Cu基材形成的Cu部件的试样No.1-3和试样No.1-5的接合强度更加优异。

在试样No.1-1和试样No.1-3之间进行比较示出了当Al基材由纯Al制成时，与具有Ni镀层和Sn镀层的堆叠结构的试样No.1-3相比，包括由单层结构的Ni镀层形成的镀层的试样No.1-1的接合强度更加优异。相反，在试样No.1-2和试样No.1-5之间进行比较示出了当Al基材由Al基合金制成时，与具有单层结构的Ni镀层的试样No.1-2相比，包括由Ni镀层和Sn镀层的堆叠结构形成的镀层的试样No.1-5的接合强度更加优异。

本发明由权利要求的权项限定，但不限于以上说明性描述，并且旨在包括与权利要求的权项等同的含义和范围内的任何修改。

附图标记列表

1A金属部件的焊接结构、2Cu部件、21Cu基材、22镀层、3Al部件、31Al基材、32镀层、321Ni镀层、322Sn镀层、4焊接部、5海-岛结构、51岛部、510稀疏-密集结构、511密集区域、512稀疏区域、52海部、200Cu部件、400焊接部、600金属间化合物。

Claims (15)

1.一种金属部件的焊接结构，包括：

Cu部件；

Al部件；以及

通过使所述Cu部件和所述Al部件各自的材料熔融并固化而形成的焊接部，其中

所述Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，

所述Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材和覆盖所述Al基材的表面的镀层，所述表面靠近所述Cu部件的表面，

所述焊接部包括位于所述Cu部件的表面附近的海-岛结构，

所述海-岛结构包括

多个包含纯Al的岛部，以及

介于所述岛部之间的海部，并且

所述海部具有共晶组织，其具有

Cu和Al的金属间化合物相，以及

纯Al相。

2.根据权利要求1所述的金属部件的焊接结构，其中

所述海-岛结构包括稀疏-密集结构，

所述稀疏-密集结构包括

所述岛部的尺寸小且数量多的密集区域，以及

所述岛部的尺寸大且数量少的稀疏区域，

所述密集区域设置在靠近所述Cu部件的表面的一侧，并且

所述稀疏区域设置在所述Cu部件的所述表面的相反侧。

3.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述海部的厚度为5μm以下。

4.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述岛部之间的距离为10μm以下。

5.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述岛部各自的尺寸为1μm²以上20μm²以下。

6.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述海-岛结构的厚度为3μm以上。

7.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述Al基材包含选自以下元素中的一种以上的元素作为添加元素：1质量％以上17质量％以下的Si；0.05质量％以上2.5质量％以下的Fe；0.05质量％以上2.5质量％以下的Mn；以及0.1质量％以上1.0质量％以下的Mg。

8.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述镀层具有单层结构的Ni镀层。

9.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述镀层具有通过由Al基材侧起依次堆叠Ni镀层和Sn镀层而形成的堆叠结构。

10.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述Cu部件包括覆盖所述Cu基材的表面的镀层。

11.根据权利要求1或2所述的金属部件的焊接结构，其中所述焊接部贯穿所述Cu部件。

12.一种制造金属部件的焊接结构的方法，该方法包括：

准备Cu部件和Al部件；以及

焊接所述Cu部件和所述Al部件，其中

在所述准备中，

所述Cu部件包括含有Cu作为主要成分的Cu基材，并且

所述Al部件包括含有Al作为主要成分的Al基材和覆盖所述Al基材的镀层，

在所述焊接中，

在所述Cu部件和所述Al部件的所述镀层彼此相对设置的状态下，由Al部件侧向所述Cu部件照射激光，并且

激光照射条件满足

输出功率为550W以上，并且

扫描速率为10mm/sec以上90mm/sec以下。

13.根据权利要求12所述的制造金属部件的焊接结构的方法，其中所述激光为光纤激光。

14.根据权利要求12或13所述的制造金属部件的焊接结构的方法，其中照射所述激光以能够贯穿所述Cu部件。

15.根据权利要求12或13所述的制造金属部件的焊接结构的方法，其中

所述Cu部件具有覆盖所述Cu基材的表面的镀层，并且

在所述焊接中，将彼此相对设置的所述Cu部件的所述镀层和所述Al部件的所述镀层焊接。

Images