JP6681543B2 - 溶接金属部材とその溶接金属部材を有する電池 - Google Patents

Description

本発明は、

バッテリシステムは、複数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くできる。また、バッテリシステムは、複数の電池セルを並列に接続して充放電の電流を大きくできる。

例えば、自動車を走行させるモータの電源に使用される大電流、大出力用のバッテリシステムは、複数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くしている。この用途に使用されるバッテリシステムは、複数の電池セルを金属板のバスバーで接続している。バスバーは、バッテリシステムを構成する電池セルの電極端子にレーザ溶接して接続される。この接続構造は、バスバーに切欠部を設けて、ここに電池セルの電極端子を挿入し、挿入された電極端子とバスバーとの境界にレーザ光を照射し、電極端子とバスバーの両方を境界で溶融して接続している。

電池には正極と負極があり、通常正極側にはアルミニウムの端子、負極側にはニッケルめっきされた銅端子が使用されている。バスバーの切欠部は２つの隣接する電池セルのそれぞれの電極端子を挿通して、隣接する電池セル間を直列又は並列に接続する。このため、ひとつのバスバーには少なくとも２つの電池セルの電極端子が接続される。

バスバーにクラッド材と呼ばれるアルミニウムと銅の結合部材を用いた場合、正極側のアルミニウム端子はクラッド材のアルミニウム側、負極側の銅端子はクラッド材の銅側と溶接すれば良いので、それぞれ同種金属同士の溶接であり、特に技術的に困難な点はない。

しかしながら、このクラッド材はアルミニウムと銅の薄い板を接合部が重なるようにそれぞれ重ね合わせて、熱を加えながら圧力をかけて圧着するため、工程にかかる費用が高くまた直材費も高価なため、低コスト化ができないという問題がある。

そこで、バスバーに安価なアルミニウムを用いることにより、安価で軽いバッテリシステムを生産することが可能となる。しかし、アルミニウムバスバーを用いる場合、正極側はアルミニウムバスバーとアルミニウム端子の同種材溶接で問題無いが、負極側はアルミニウムバスバーとニッケルめっきの銅端子の異種材溶接となり、安定して高品質な溶接を実現することが非常に困難となる。

異種材溶接は異なる金属材料を共に溶融し、混ざり合った後凝固させることにより溶接を行うが、アルミニウムと銅の異種材溶接についてはその合金が十分に加熱されてある温度以上で一定の時間溶融していると、アルミニウムと銅の組成が一定比率の金属間化合物が形成される。ここで、金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）は、２種類以上の金属によって構成される化合物（合金）である。構成元素の原子比は整数である。成分元素と異なる特有の物理的・化学的性質、結晶構造を持つ場合が多い。

ここで、金属間化合物について簡単に説明する。金属間化合物は２種類の金属からなる化合物で、合金の一種である。合金は大きく分けて固溶体と金属間化合物に分けられる。

固溶体は、（ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）とは、２種類以上の元素（金属の場合も非金属の場合もある）が互いに溶け合い、全体が均一の固相となっているものをいう。元の金属のどちらかの構造を保持しながら、もう一方の金属原子がランダムに置換あるいは浸入したもので、その組成はある幅の中で可変であり、性質も元の金属に近い。アルミニウムと銅の固溶体の場合、金属間化合物と比較して柔らかく延性を有している。

一方、金属間化合物は、元の金属とは全く異なる結晶構造を有しており、決まった位置に決まった数だけ金属原子が配置され、簡単な整数比の組成となり、性質も元の金属とは異なる。アルミニウムと銅の金属間化合物は、主にＣｕＡｌ２、ＣｕＡｌ、Ｃｕ９Ａｌ４があり、固溶体と比較して硬くて脆い性質である。

アルミニウムと銅を重ねてアルミニウム側からレーザを照射する異種材溶接の際、接合部に金属間化合物が多く生成されてしまうと、引張りなどの応力が生じたときに硬くて脆い金属間化合物の界面で小さな剥離が生じ、その剥離が広がって接合面全体が小さな応力で剥離してしまう。そのため、応力がかかる部材の接合に異種材溶接が使用できないという問題があった。

突合せの異種材溶接において、接合強度を向上させる方法として、Ｃｕの含有量が５．７重量％未満で、Ａｌを含む第１金属部材と、Ａｌの含有量が９．４重量％未満で、Ｃｕを含む第２金属部材と、第１金属部材と第２金属部材とを接合する接合部とを含み、接合部は、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｕ、ＡｇおよびＰｄからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする接合体が発明されている（特許文献１参照）。

特許文献１によると、高い接合強度に加え、優れた電気伝導性を得るには、第１金属部材中のＡｌの含有量を９９．５重量％以上にすることが望ましい。このような第１金属部材は、不可避不純物の含有量が０．５重量％以下になり、電気伝導率を６０％ＩＡＣＳ以上にすることができる。このような第１金属部材の例としては、例えば１０５０アルミニウム材、１０８０アルミニウム材、１１００アルミニウム材などが挙げられる。また、第２金属部材中のＣｕの含有量を９９．９重量％以上にすることが望ましい。このような第２金属部材は、不可避不純物の含有量が０．１重量％以下となり、電気伝導率を９０％ＩＡＣＳにすることができる。このような第２金属部材の例としては、例えば無酸素銅が挙げられる。

接合部は、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｕ、ＡｇおよびＰｄからなる群より選択される少なくとも１種の「接合元素」を含む。このような構成を有する接合体は、Ａｌと接合元素として選択され得る各元素との反応性はＡｌとＣｕとの反応性よりも高く、Ｃｕと接合元素として選択され得る各元素との反応性はＣｕとＡｌとの反応性よりも高い。つまり、ＡｌおよびＣｕは、ＡｌとＣｕと接合元素とが共存している場合、互いよりも接合元素と優先的に反応する。このため、接合元素を含む接合部を用いることにより、ＡｌとＣｕとの反応を抑えつつ、第１金属部材と第２金属部材とを該接合部を介して強固に接合することができる。これにより、信頼性の高い接合体を得ることができるとある。

また、相対的に融点の低い第１の金属薄板側からエネルギービームを照射し、溶接部として、複数のスポット状の溶接部を形成する工程を有する異金属薄板の溶接方法が発明されている（特許文献２参照）。

特許文献２によると、１つの溶接部は、その断面形状が、上側の正極端子から下側の負極端子に向かって先細りとなるようなくさび型の形状となっており、溶接部のうち、少なくとも溶け込み部およびその近傍の領域は合金化している。重合せ部において溶接部自体の総面積（総量）が少なくなっているため、合金化した溶接部による電気的抵抗の増加が抑えられ、重ね合せ部における電気的特性が良好なものとなっている。また、溶接部同士の間に、正極端子と負極端子とが直に密着した溶接部間領域が形成されており、電気的抵抗が増加していないこの領域に電流を流すことができるため、電気的特性が良好に保たれる。この溶接部間領域は、その上下方向の両側において、端子同士が溶接部によって接合されているため、正極端子と負極端子とが十分に密着した状態となっており、したがって端子同士の間に隙間が生じにくく電流が良好に流れるようになっている。

特許文献２には接合強度のことは記載されていないが、電気的抵抗値の増加と接合強度の低下は金属間化合物の多量の生成が原因であり、この生成を抑えるという点においては方向性として同じである。

特開２０１２−１３８３０６号公報 ＷＯ２００６／０１６４４１号公報

しかしながら、特許文献１に示される従来技術を、アルミニウムバスバーとニッケルめっきの銅端子との溶接に適用する場合、以下に示すような課題がある。

特許文献１に記載している溶接は、第１金属部材と第２金属部材を突合せて配置し、切り欠き部によって形成された空隙に線状の接合材を挿置した後、レーザによってこの接合材をおよび第１金属部材と第２金属部材の一部を溶融し、溶接を行っている。

重合せ溶接を行う際は、初めに第１金属部材を溶融させ、その後溶接部の深さ方向の進展によって接合材、第２金属部材を順次溶融することになり、第１金属部材と比較して第２金属部材の溶接部が非常に小さくなるため、接合部全体の組成について接合材をベースとした組成に制御することが困難である。接合部の上部は第１金属部材の元素が多くなり、接合部の下部は第２金属部材が多くなり、深さ方向に組成が徐々に変化してく構造となる。従って、接合部材１００％の組成の深さ方向の領域が狭くなり、ＡｌとＣｕの直接反応によって形成される金属間化合物が多くなり、接合強度が低くなってしまう。

また、接合材を必要とする点、接合面に接合材を挿置するために第１金属部材あるいは第２金属部材に追加の加工を必要とする点より、溶接のための部材コストが高くなり、低コスト化の妨げとなる。

次に、特許文献２に記載している溶接は、重合せ部に複数のスポット状の溶接部を有している。スポット状の溶接を行う場合には、溶接点にレーザを照射して第１の金属板表面を加熱し、融点以上になると表面付近が溶融する。更にレーザ照射を続けて溶接部が第１の金属板の深い位置まで進展していき、第１の金属板の底まで溶融した後に第２の金属板の上面が続けて溶融し、最終的に第２の金属板の目標の深さまで溶融したところでレーザの照射を停止し、溶接部を固化させて溶接する。この工程を溶接点から離れた点にレーザ照射装置もしくは被溶接部品を相対的に移動させ、同様に複数回繰り返す。

このようなスポット溶接を行うと、一点当りのレーザの照射時間が非常に長いことより溶融時間が長くなり、第１と第２の金属板の元素が混ざり合って原子が規則正しく配列することが容易となるため、接合部に金属間化合物が多く形成されて接合強度が低下する。このように基本的な単位面積当たりの接合強度が低いため、複数点接合部を形成して接合面積を多くしたとしても、金属間化合物が多く生成されるため接合強度を極端に向上させることは難しい。また、小さな端子部を接続するバスバー溶接では、溶接面積を大きく取ること自体が難しくなる。

また、これらを含む先行文献については、接合部の組成の表記をしているものもあるが、接合部のどの位置をどのようにして組成を評価するかの詳しい表記はなく、金属間化合物と固溶体が混在する溶接部の具体的な評価方法が確立されていないのが現状である。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、材料の異なる２つの金属を溶接する際に、溶接強度の高い安定した溶接部を有する溶接金属部材とその溶接金属部材を有する電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１部材と、上記第１部材に積層され上記第１部材と異なる材料の第２部材と、上記第２部材を貫いて上記第１部材まで達する溶接部と、を含み、上記溶接部における上記第１部材の金属と上記第２部材の金属とを含む金属間化合物の割合は、１５％以上６０％以下である溶接金属部材を用いる。上記第１部材がバスバーであり、上記第２部材が電池の電極である、上記溶接金属部材を有する電池を用いる。

本発明によれば、バッテリシステムにおける複数の電池セルを接続する低コストのアルミニウムバスバーとセルの端子と溶接する工程において、全ての溶接点において安定した高品質、高速の溶接を実現できる。その他、電気二重層コンデンサや他の電気、電子部品にも同様の効果が得られる。

そのため、高容量、高信頼性で低コストであるバッテリシステムの製造を可能とし、ハイブリッドカーや電気自動車などのエコカーの普及に寄与する。

実施の形態１の溶接構造を示す溶接部の上面図 図１Ａの溶接部の断面図 図１Ａの溶接部の断面図 比較例の溶接部の平面図 本発明のレーザ光を走査する軌道を模式的に示す図 本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムと銅の元素ＭＡＰを示す図 本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムと銅の元素ＭＡＰを示す図 本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムと銅の元素ＭＡＰを示す図 Ａ〜Ｄ本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムの各組成領域に対する元素ＭＡＰを示す図 Ａ〜Ｄ本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムの各組成領域に対する元素ＭＡＰを示す図 Ａ〜Ｄ本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムの各組成領域に対する元素ＭＡＰを示す図 Ａ〜Ｄ本発明の溶接部の破面の電子顕微鏡写真とアルミニウムニウムの各組成領域に対する元素ＭＡＰを示す図 銅とアルミニウムの状態図 実施の形態１における実施例と比較例での引張り強度に対する金属間化合物の面積率（割合）をプロットしたグラフ 実施の形態２の溶接構造を示す溶接部の上面図 実施例５の溶接構造を示す溶接部の上面図 実施の形態２における実施例と比較例での引張り強度に対する金属間化合物の面積率（割合）をプロットしたグラフ

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。実施の形態１〜２とそれぞれに対応する実施例や比較例の関係をまとめたものを、表１に示す。以下に各実施の形態について説明する。
表１で剥離強度の欄と金属間化合物の面積割合の欄とのデータは、それぞれ、順番に対応している。

（実施の形態１）
図１Ａ〜図１Ｃは、実施の形態１における、第１部材１と、第１部材１上に積層された第１部材と異なる材料の第２部材２と、第１部材１と第２部材２とに渡って位置する溶接部３とを有する溶接金属部材を示している。図１Ａは第２部材２の上方から見た上面図、図１Ｂは溶接部Ａ−Ａ’の断面、図１Ｃは溶接部Ｂ−Ｂ‘の断面の構造を表す断面図である。

第１部材１と第２部材２の材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、マグネシウム等の金属材料からなる異なる材料の組合せである。１例として第１部材１を銅、第２部材２をアルミニウムとして以下説明する。

銅板の第１部材１の上に、アルミニウム板の第２部材２を重合せて配置する。この時、図１Ｂに図示していないが、第２部材２のレーザを照射しない表面部分を、図１Ｂの上方より下方に向って押し当てる治具により、第２部材２と第１部材１の隙間をなるべく小さくなるようにする。

次に、図２に示すような軌道に沿って、図１Ａの溶接部３の位置を上下方向に位置を少しずつずらしながら、レーザ光を左右方向に複数回走査する。このとき、レーザ光の加工点でのスポット径を小さくなるように設定し、且つ高速で走査することが重要である。

小さなスポットだとレーザ光により局所的に小さな面積が溶融し、このスポットを高速で走査する。このことにより、任意の箇所での溶融時間が非常に短くなり銅とアルミニウムが十分に混ざり合わないため、金属間化合物の成長が抑制されて、図１Ｂに示す溶接部３の中には固溶体が多く残る。

また、この時、図１Ａの上方から見た溶接部３は、図１Ｄとならないのが好ましい。図１Ｄは図１Ａに相当する図で、溶接部３を説明する図である。図１Ｄでは、溶接部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが走査位置を少しずつずらされ分離されている。このように分離せず、溶接部が少しずつ重なり合って一つの大きな溶接部３となっていることが重要である。スポット径が小さく高速で走査するため、１回の走査での溶融幅は非常に小さい。図１Ｄの構造で、第１部材１と第２部材２とを互いに反対方向に引張った時の接合強度は、細い溶接部３ｄは低い強度で剥離してしまう。同様に溶接部３ｃ、３ｂ、３ａも低い強度しかもたない。結果、溶接部３ａから溶接部３ｄのトータルの引張り強度も低くなる。

一方、図１Ａの溶接部３のように全体として一つの溶接部を形成していれば、大きなスポット径で走査した場合と同様な、高い引張り強度を実現できる。

＜溶接部３の分析＞
次に、このように剥離した第２部材２を、剥離部分を触らずにフラットにして、剥離面すなわち図１Ｂの下面側に電子銃から電子線を照射して、放出される特性Ｘ線を検出器により検出した。電子線に対し第２部材２を相対的に移動し、検出した特性Ｘ線から元素を特定する特定部によりそれぞれの箇所の元素分析を行い、図３Ａ，図３Ｂに示すように第２部材２の溶接部３の剥離面のアルミニウムと銅の元素ＭＡＰを演算して表示する演算表示部に表示する。

図３Ａは溶接部３の剥離面のアルミニウムの元素ＭＡＰ、図３Ｂは同様に剥離面の銅の元素ＭＡＰをそれぞれ示している。この時、溶接部３の剥離面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真図３Ｃも同様のアングルで撮影した。

図３ＣのＳＥＭ写真より、実際の溶接箇所のみを選択し、溶接面積を算出する。次に、図３Ａおよび図３Ｂに示すアルミニウムと銅の元素ＭＡＰから、各測定点に対してアルミニウムと銅の合計の組成を１００％としたときに、アルミニウムの組成領域を任意の３領域に設定し、演算表示部にて再演算した。結果を図４Ａ〜図４Ｃに示すように各組成領域毎に２値化してＭＡＰ表示する。

図４Ａは、アルミニウムの割合が０〜２５％の組成の合金のＭＡＰを示している。同様に図４Ｂはアルミニウムの割合が２６〜７５％の組成の合金のＭＡＰを、図４Ｃはアルミニウムの割合が７６〜１００％の組成の合金のＭＡＰをそれぞれ示している。

演算部にて、金属間化合物の組成領域の面積、すなわち、図４Ｂに示す合金が生成されている部分（図では白色部分）の面積を算出して、図３Ｃより選択された溶接箇所の溶接面積で除して金属間化合物の面積率（割合）を計算する。この割合は、溶接部３中の金属間化合物の平均割合と推定できる。

図５にアルミニウムと銅の状態図を示す。右からアルミニウムの組成が０〜２５％（Ｃｕ合金領域、図４Ａ、図３Ａ）、２６〜７５％（金属間化合物領域、図４Ｂ、図３Ｂ）、７６〜１００％（Ａｌ合金領域、図４Ｃ、図３Ｃ）の各組成領域に分けている。アルミニウムが２６〜７５％の金属間化合物領域に、Ｃｕ９Ａｌ４（約３１％）、ＣｕＡｌ（５０％）、ＣｕＡｌ２（約６７％）の主な金属間化合物が存在する。金属間化合物の以外の組成は、アルミニウムあるいは銅の固溶体である。金属間化合物の組成に近い部分では、実際は金属間化合物と固溶体の混合領域で、金属間化合物が多く含まれている。従って、Ｃｕ９Ａｌ４とＣｕＡｌ２の外側の組成を含むアルミニウムが２６〜７５％の組成領域を、アルミニウムと銅の金属間化合物の組成領域と定義した。従って、図４Ｂにおいて、溶接面積に対するアルミニウムが２６〜７５％の組成領域の面積率（割合）（図では白い部分の面積率（割合））を、アルミニウムと銅の金属間化合物の面積率（割合）とした。

金属間化合物は硬くて脆いため、溶接部に多く生成されてしまうと接合強度が低くなってしまう。金属間化合物の生成量が少ない接合部を形成することにより、接合強度の高い高品質で低コストな溶接金属部材を提供することが可能となる。

本実施の形態ではアルミニウムと銅の異種材溶接について記載してきたが、チタン、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、マグネシウム等からなる異種材溶接についても同様のことが言える。但し、金属間化合物が生成した際に接合強度が低下する割合は、材料の組合せにより大きく異なる。本実施の形態で説明したアルミニウムと銅の異種材溶接においては、金属間化合物の生成による接合強度の低下が大きいため、金属間化合物の生成の抑制による接合強度の向上の効果がより大きい。

また、本実施の形態では第２部材２の材料として銅について説明したが、銅の表面にニッケルめっきを施した材料でも同様の効果が得られる。その他にも、鉄に亜鉛めっきを施した場合のように、第１部材１や第２部材２に関わらずその表面にめっきを施しても、金属間化合物を生成する金属原子の量から見てめっき材の原子の量は僅かなため、めっき材料に関わらず同様の効果が得られる。

本実施の形態では、組成領域の設定をアルミニウムの組成が０〜２５％（Ｃｕ合金領域）、２６〜７５％（金属間化合物領域）、７６〜１００％（Ａｌ合金領域）としたが、金属間化合物領域がＣｕ９Ａｌ４、ＣｕＡｌ、ＣｕＡｌ２を含む範囲であれば、この設定に限ったことではない。

更に、本実施例では剥離した第２部材２の元素分析を行ったが、剥離した第１部材１側を同様に元素分析しても、同様の効果が得られる。

（実施例１）
第１の実施の形態おいて、具体的な実施例、比較例について説明する。

図１Ａ〜図１Ｃにおいて、厚み２ｍｍの銅板である第１部材１の上に厚み０．５ｍｍのアルミニウム板である第２部材２の一部を重ねて、図示しない第２部材２の上方から下方に向けて押し当てるジグにより、隙間がなるべく開かないように配置した。銅とアルミニウムの電食を防止する目的で、銅板である第１部材１の表面にめっき厚６μｍ程度のニッケルめっきを施しても構わない。

第２部材２の表面に、ファイバーレーザ発振器から出射した出力１２００Ｗのレーザ光を、集光レンズによって第２部材２表面でスポット径が５０μｍのスポット光とし、５００ｍｍ／ｓの速度で１０ｍｍの距離を照射しながら、図では右方向へと走査した。

次に、走査した位置から０．１ｍｍ（図では手前方向に）レーザ光を移動して、先程とは逆の方向に同様に走査した。順次０．１ｍｍずつずらしながら、図２に示す軌道のように計４回走査した。この時、図１Ｂで、第１部材１を固定し、第２部材２の上方への引張り強度（剥離強度）を測定したところ、同様に作製した３つのサンプルで、１２９Ｎ、１５４Ｎ、１１６Ｎであり、何れも１００Ｎを超える高い引張り強度を実現した。

最低の基準は平均８０Ｎ以上である。この場合、自動車用の電池として実用化が可能である。振動などに耐えうる。１００Ｎ以上の好ましい。１２０Ｎ以上がさらに好ましい。この基準を表１の合否の基準とした。

次に、剥離後の第２部材２の剥離面を、剥離部に触らず、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）にてアルミニウムと銅の元素分析を行い、図３Ａ，図３Ｂに示したようにアルミニウムと銅について元素ＭＡＰを作成した。また、図３Ｃ示したように、同じアングルでＳＥＭ写真を撮影した。ＳＥＭ写真から、剥離部（溶接部）が凹凸となっているため、溶接部の境界をトレースして溶接範囲を設定し、この部分の面積を算出した。

図３Ａ，図３Ｂのアルミニウムと銅の元素ＭＡＰにおいて、溶接部３の各点のアルミニウムと銅の組成の合計が１００％となるようノイズ分を補正して、アルミニウムの元素ＭＡＰを組成領域０〜２５％、２６〜７５％、７６〜１００％の３つの範囲で再度演算し、それぞれを２値化表示した。

図４Ａ〜図４Ｃに示したように２値化した元素ＭＡＰを作成した。図４Ｂの２６〜７５％の元素ＭＡＰは接合部の金属間化合物の分布を表しており、全体に点在し（疎らに）均一的に分布していた。また、図４Ａの０〜２５％は銅リッチの固溶体の分布を表しており、金属間化合物と同様接合部全体に疎らに均一的に分布していた。一方、図４Ｃの７６〜１００％の元素ＭＡＰはアルミリッチの固溶体の分布を表しており、金属間化合物や銅リッチの固溶体と比較すると、部分的に偏在している傾向があった。

図４Ｂの金属間化合物、すなわち２６〜７５％の白色部分の総面積を算出し、溶接面積で除して面積率（割合）を計算したところ、同様に作製した３つのサンプルでそれぞれ２２％、３４％、１５％であった。

＜比較例１＞
同様に、出力８００Ｗで作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ６３Ｎ、２９Ｎ、３８Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ１２％、８％、１１％であり、金属間化合物は溶接部全体ではなく走査した軌道の形に細い線状に分布していた。

＜実施例２＞
更に、出力１８００Ｗで同様に作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１４２Ｎ、７５Ｎ、１０８Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ４５％、７１％、６０％であり、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

以上のことより、８０Ｎ以上の比較的高い引張り強度が得られるサンプルの溶接部３の金属間化合物の面積率（割合）は、１５〜６０％の範囲内であることが分かった。走査速度が５００ｍｍ／ｓの高速での走査では、基準となる出力１２００Ｗに対してかなり高出力にしてもばらつきはやや大きいが引張り強度の大きな低下はなく、金属間化合物の面積率（割合）も高くならない。

この時の金属間化合物が接合面全体に疎らに（点在）分布していたことより、高速に走査することによって出力が高くても短時間でしか金属が溶融しないため、金属原子が十分に混ざり合って金属間化合物の配置になり難いためだと思われる。また、金属間化合物が疎らに（点在）分布することによって、極端に強度が低い金属間化合物の大きな塊が存在することなく、接合部全体に渡って剥離の起点となる脆弱部が無いため、安定して高強度を実現することが可能となる。

一方、出力８００Ｗで作製したサンプルは引張り強度がかなり低いが、金属間化合物が走査した軌道上に細い線状に分布していることより、スポットの中心部の温度が高いところのみ溶融して、第２部材２の表面は全体が溶融しているが、実際の接合面積が非常に小さいために金属間化合物の面積率（割合）も低く算出されたためだと思われる。出力８００Ｗでは、低出力による溶融体積不足（接合面積不足）が強度の低い要因であり、このように面積率（割合）が低く算出される場合は、接合強度も低くなることが分かった。

なお、本実施例では銅板やアルミニウム板の厚みあるいはめっき厚みの一例を示したが、この値に限った内容ではない。また、レーザ出力、溶接速度、スポット径、走査条数、走査長さ、走査間隔等の条件は、溶接する金属部材の材料や表面状態、板厚、治具を含めた総熱容量に依存するため、上記に限った内容ではない。走査の方法としても、光学系自体を走査する方法、ガルバノスキャナ等でレーザ光を走査する方法、ワークが移動する方法等、レーザ光とワークとが相対的に走査できれば何れの方法でも構わない。

また、本実施例では、レーザ発振器としてファイバーレーザを用いたが、高出力が得られるディスクレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、半導体レーザ等の他のレーザを用いても、同様の効果が得られる。また、レーザ以外の電子ビームを熱源としても、同様の効果が得られる。

（比較例２）
レーザの出力と走査速度以外は実施例１と同様に溶接を行った。

レーザ出力は１２００Ｗに固定して、走査速度を３００ｍｍ／ｓに設定して同様に溶接を行った結果、引張り強度はそれぞれ７８Ｎ、５６Ｎ、４０Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ６３％、７０％、８１％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

＜比較例３＞
同様に走査速度を１００ｍｍ／ｓに設定して溶接を行った結果、引張り強度はそれぞれ３３Ｎ、５２Ｎ、４５Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ８４％、７８％、８６％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

レーザの走査速度を遅くしていくと、出力を高くした場合よりも引張り強度の低下が大きく、且つ金属間化合物の面積率（割合）が高くなっている。これは、走査速度が低くなることによって溶融時間が長くなり、金属原子が十分に混ざり合って金属間化合物の配置になり易く多くの金属間化合物が生成されてしまい、その結果引張り強度が低下したためだと思われる。

なお、本実施例では出力が１２００Ｗの場合について記載したが、他の出力で行っても同様の結果が得られる。

（実施例３）
レーザの出力と走査速度以外は実施例１と同様に溶接を行った。

レーザ光を走査する軌道において、図２における溶接初め（図では上方）の横方向のラインを出力１２００Ｗで５００ｍｍ／ｓにて走査した。次に、縦方向（図では下方）に０．１ｍｍ移動させた後、２番目の横方向のラインを出力１２００Ｗで１００ｍｍ／ｓにて走査した。これを一つのセットとして、３から４番目のラインも同様に１セット溶接した。

この時の引張り強度はそれぞれ１３３Ｎ、１２７Ｎ、１０７Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ４３％、５６％、６０％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

レーザ光の走査速度は、速い速度と遅い速度を交互に走査しても溶接部全体に金属間化合物が疎らに（点在）分布し、高い接合強度が得られる。これは、遅い速度で走査したときに多少金属間化合物が多めに生成されても、その隣の軌道を高速で走査するため、金属間化合物が連続して広範囲に生成されるのを防ぐためである。

なお、本実施例では出力が１２００Ｗの際に走査速度が５００ｍｍ／ｓと１００ｍｍ／ｓの場合について記載したが、他の出力と走査速度で行っても同様の結果が得られる。

（比較例４）
レーザ出力、走査速度とスポット径以外は実施例１と同様に溶接を行った。
ファイバーレーザのファイバーコア径の大きな発振器を用いて、加工点におけるレーザ光のスポット径が２００μｍとなるように設定した。実施例１と同程度の溶融深度となるように、３５００Ｗの出力で１００ｍｍ／ｓの走査速度で同様に溶接した。この時の引張り強度はそれぞれ２８Ｎ、３６Ｎ、２５Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ８７％、８８％、８０％で、金属間化合物は溶接部全体に亘って広く分布していた。

レーザ光のスポット径が大きくなると、出力を高くしてもパワー密度が低くなるため実施例１と同程度の溶込み深さを得ようとすると、走査速度を低くして任意の点に入射されるエネルギ量を増やす必要がある。その結果、スポット径が大きく高い出力のスポットがゆっくり通過するので任意の箇所の金属の溶融時間が長くなり、金属間化合物が接合部全面に亘って多く生成されてしまうために、金属間化合物の面積率（割合）が高くなり、引張り強度は低くなってしまう。

従って、実施例１に示すように金属間化合物の生成を抑制するためには、小さなスポット径でレーザ光を高速に走査し、任意の点における金属の溶融時間を短くする必要がある。

なお、本比較例では銅板やアルミニウム板の厚みあるいはめっき厚みの一例を示したが、この値に限った内容ではない。また、レーザ出力、溶接速度、スポット径、走査条数、走査長さ、走査間隔等の条件は、溶接する金属部材の材料や表面状態、板厚、治具を含めた総熱容量に依存するため、上記に限った内容ではない。

（比較例５）
レーザ光を走査する軌道において、図２における溶接初め（図では上方）二つの横方向のラインと、溶接終わり（図では下方）二つの横方向のラインに分けて、それぞれ別の速度で走査した以外は、実施例３と同様に溶接を行った。

先ず初めに、出力１２００Ｗで５００ｍｍ／ｓにて二つの横方向のラインを走査した。その後、１２００Ｗで１００ｍｍ／ｓにて残り二つの横方向のラインを走査した。この時の引張り強度はそれぞれ５５Ｎ、８３Ｎ、８４Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ６７％、７０％、６６％で、金属間化合物は溶接部全体に亘って分布していた。

実施例３と比較し金属間化合物の面積率（割合）は高くなり、引張り強度が低下する傾向になる。同じ走査でも順番を入れ替えて遅い走査速度の部分をまとめてしまうと、走査速度の遅い部分で金属間化合物がほぼ全面に生成して接合強度が低下してしまうため、速い速度と遅い速度の両方で走査する場合は、交互に走査するのが好ましい。

本実施例では出力が同じで走査速度が速い領域と遅い領域に分けたが、走査速度は同じで出力が高い領域と低い領域で分けたときも、同様の効果が得られる。

本実施の形態における実施例１〜３と比較例１〜５のサンプルの金属間化合物の面積率（割合）に対する引張り強度をプロットしたものが図６である。面積率（割合）が１５％から６０％のとき引張り強度が８０Ｎ以上の高い値を示しており、破面の金属間化合物の溶接面積に対する面積率（割合）は、１５％から６０％の範囲が好ましい。さらに、その割合が２５％以上４５％以下なら、剥離強度が、１３０Ｎで前後で一定となり好ましい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における、第１部材１と、第１部材１上に積層された第１部材１と異なる材料の第２部材２と、第１部材１と第２部材２とに渡って位置する溶接部３とを有する溶接金属部材を示している。図７は、第１部材１の上方から見た上面図である。第２部材２には図７に示すように切欠部４を有していてもよい。また、図示していないが切欠部４の内側に、第１部材１の突起部があっても構わない。この切欠部４の形状は、図では長方形の角が丸くなった形状をしているが、例えば円形などどのような形状であっても構わない。

第２部材２の表面にレーザ光を走査させて、図７に示す溶接部３ａ、３ｂの２箇所で溶接を行う。それぞれの溶接部において、図２に示すように４回ずつ走査する。２箇所溶接部を設けることにより、単に溶接面積が広くなって引張り強度が向上するだけでなく、強度が非常に安定する。これは、剥離強度を評価する場合、図７の溶接部３ａの上端の直線部に先ず応力が掛かるが、ここが剥離した後も再度、溶接部３ｂの上端の直線部で応力を受け、それぞれのばらつきを吸収できるためである。更に、図２に示すように直線状にレーザ光を走査して各溶接部の上端部を直線にすることにより、この部分の応力を直線の長さで分散できるため、高い接合強度を得ることができる。

（実施例４）
図７に示すように、溶接部３ａ、３ｂの２箇所ある以外は、レーザ出力は１２００Ｗ、走査速度を５００ｍｍ／ｓに設定して、実施例１と同様に溶接を行った。溶接部３ａ、３ｂは、図２に示すように、長手方向（横方向）にそれぞれ４回ずつ走査した。

この時の引張り強度はそれぞれ１７３Ｎ、１８２Ｎ、１８４Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ２２％、４０％、２０％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。同様に、出力８００Ｗで作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１３３Ｎ、１２４Ｎ、１１１Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ１５％、１９％、１４％であり、金属間化合物は溶接部全体ではなく走査した軌道の形に細い線状に分布していた。更に、出力１８００Ｗで同様に作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１６６Ｎ、１３５Ｎ、１４８Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ３８％、４６％、４８％であり、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

このように、溶接部を２箇所設けることによって、高い引張り強度を有する溶接金属部材を実現することができる。本実施例では溶接部が２箇所の場合を記載したが、３箇所以上設けても同様に高い引張り強度を安定して実現できる。

なお、本実施例では走査速度を５００ｍｍ／ｓの場合について記載したが、他の走査速度で行っても同様の結果が得られる。

（実施例５）
図８に示すように、溶接部３が周回状の形状をしている以外は、レーザ出力は１２００Ｗ、走査速度を５００ｍｍ／ｓに設定して、実施例４と同様に溶接を行った。

レーザ光の軌道は、切欠部４の外周に沿って１周走査し、０．１ｍｍ外側に移動させた後前回の軌道より０．１ｍｍ外側の同じ形状の軌道を走査した。これを繰り返し、合計４周走査を行った。

そのときの引張り強度はそれぞれ１９５Ｎ、１８８Ｎ、１８０Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ３４％、２９％、３０％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。同様に、出力８００Ｗで作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１３０Ｎ、１０８Ｎ、１１５Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ２４％、１８％、１６％であり、金属間化合物は溶接部全体ではなく走査した軌道の形に細い線状に分布していた。

＜実施例６＞
更に、出力１８００Ｗで同様に作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１２２Ｎ、１３３Ｎ、１２６Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ５２％、４８％、５７％であり、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

このように、溶接部が周回状の形状をすることによって、高い引張り強度を有する溶接金属部材を実現することができる。本発明では剥離方向の引張り強度について記載しているが、溶接部の形状を周回状にすることにより、あらゆる方向からの引張りに対して応力の分散ができるため、より安定して高い接合強度を実現することができる。

なお、本実施例では走査速度を５００ｍｍ／ｓの場合について記載したが、他の走査速度で行っても同様の結果が得られる。

（実施例７）
図１Ａにおいて溶接部３のレーザ光の軌道が、図２の横方向の直線部の走査数を８回として、実施例４の図７における溶接部３ａと３ｂの合計の面積が同じになるようにしたこと以外は、実施例１と同様に溶接を行った。

この時の引張り強度はそれぞれ１５２Ｎ、１３７Ｎ、１５２Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ２５％、２４％、２１％で、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

＜実施例８＞
更に、出力１８００Ｗで同様に作製したサンプルの引張り強度は、それぞれ１５３Ｎ、１３７Ｎ、１２８Ｎであった。これらの接合部の金属間化合物の面積率（割合）は、それぞれ４５％、６３％、６０％であり、金属間化合物は溶接部全体に疎らに（点在）分布していた。

このように、実施例４と比較すると、溶接部の面積が同じであっても溶接箇所が複数ある方が、負荷時の応力を分散する箇所が多くなるので好ましい。但し、図１Ｄに示すように各溶接箇所の幅が短く、各箇所での引張り強度が極端に低い場合は該当しないため、１箇所の溶接部の面積（溶接幅）を大きくすることが重要である。

本実施の形態における実施例４と５および比較例３のサンプルの引張り強度に対する金属間化合物の面積率（割合）をプロットしたものが図９である。面積率（割合）が２５％から４５％のとき引張り強度が１５０Ｎ以上の非常に高い値を示しており、金属間化合物の溶接面積に対する面積率（割合）は２５％から４５％の範囲がより好ましい。また、この範囲は他の領域より臨界的な剥離強度を示す領域である。

なお、割合が、１５％以上６０％以下の時、引張り強度は８０Ｎ以上ありよい。また、表１に示すように少なくとも、平均の割合値が、１５％以上６０％以下ならよい。割合の平均値が、２５％から４５％の範囲がより好ましい。

このように、金属間化合物の溶接面積に対する面積率（割合）が１５％から６０％の範囲、好ましくは２５％から４５％の範囲にある異種材金属溶接した溶接金属部材は、高くて安定した接合強度を実現できる。そのため、電池、バッテリシステムを低コストで提供することができる。更には、高出力を必要とする車載用電池や定置用蓄電システムとして適用できる。

（全体として）
電池では、第１部材１が電池本体の電極であり、第２部材２がバスバーである。１つのバスバーで複数の電極間を結ぶ電池となる。

上記実施の形態、実施例は、それぞれ、組み合わせることができる。

本発明によれば、高品質且つ低コストでアルミニウムとニッケルめっきの銅の異種材溶接を可能とする。そのため、バッテリシステムを低コストで提供することができる。更には、高出力を必要とする車載用電池や定置用蓄電システムとして適用できる。

本願発明は、電池、バッテリシステム以外にも、キャパシタやその他の電気部品、電子部品の接続や固定に対して、同様に接合強度の高い溶接部材を実現することができる。

１ 第１部材
２ 第２部材
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、Ａ，Ｂ 溶接部
４ 切欠部

Claims (7)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に積層され前記第１部材と異なる材料の第２部材と、
   前記第２部材を貫いて前記第１部材まで達する溶接部と、を含み、
   前記溶接部における前記第１部材の金属と前記第２部材の金属とを含む金属間化合物の割合は、１５％以上６０％以下である溶接金属部材であり、
   前記第１部材が銅、前記第２部材がアルミニウムである溶接金属部材。
2. 前記割合が、２５％以上４５％以下である請求項１に記載の溶接金属部材。
3. 前記金属間化合物の領域は、前記溶接部の前記第１部材と前記第２部材との積層面に平行な面上に、均質に点在している請求項１または２に記載の溶接金属部材。
4. 前記割合は、前記金属間化合物が存在する領域の割合である請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接金属部材。
5. 前記第２部材の表面での前記溶接部の形状が、周回状である請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接金属部材。
6. 前記第２部材の表面での前記溶接部の形状が、直線部を含む少なくとも２箇所の溶接部からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接金属部材。
7. 前記第１部材が電池の電極であり、前記第２部材がバスバーであり、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接金属部材を有する電池。
   

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