JP7347432B2 - 金属部材の溶接構造、及び金属部材の溶接構造の製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2018年9月3日付の日本国出願の特願2018-164851に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
Cu部材と、
Al部材と、
前記Cu部材と前記Al部材の各構成材料が溶融凝固された溶接部とを備え、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と、前記Al基材における前記Cu部材の表面側を覆うめっき層とを有し、
前記溶接部は、前記Cu部材の表面の近傍に海島構造を備え、
前記海島構造は、
純Alを含む複数の島部と、
前記島部同士の間に介在される海部とを有し、
前記海部は、CuとAlとの金属間化合物の相と純Alの相との共晶組織を有する。
Cu部材と、Al部材とを準備する工程と、
前記Cu部材と前記Al部材とを溶接する工程とを備え、
前記準備する工程において、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と前記Al基材を覆うめっき層とを有し、
前記溶接する工程では、前記Cu部材と前記Al部材の前記めっき層とを対向配置させ、前記Al部材側からレーザーを照射し、
前記レーザーの照射条件は、
出力が550W以上、
走査速度が10mm/sec以上を満たす。
金属部材の溶接構造におけるCu部材とAl部材との接合強度の更なる向上が望まれている。
本開示に係る金属部材の溶接構造は、Cu部材とAl部材との接合強度に優れる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
Cu部材と、
Al部材と、
前記Cu部材と前記Al部材の各構成材料が溶融凝固された溶接部とを備え、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と、前記Al基材における前記Cu部材の表面側を覆うめっき層とを有し、
前記溶接部は、前記Cu部材の表面の近傍に海島構造を備え、
前記海島構造は、
純Alを含む複数の島部と、
前記島部同士の間に介在される海部とを有し、
前記海部は、CuとAlとの金属間化合物の相と純Alの相との共晶組織を有する。
前記海島構造は、疎密構造を備え、
前記疎密構造は、
前記島部の大きさが小さくて数が多い密な領域と、
前記島部の大きさが大きくて数が少ない疎な領域とを有し、
前記密な領域は、前記Cu部材の表面側に設けられ、
前記疎な領域は、前記Cu部材の表面側とは反対側に設けられることが挙げられる。
前記海部の厚さが5μm以下であることが挙げられる。
前記島部同士の間隔が10μm以下であることが挙げられる。
前記島部の大きさが1μm2以上20μm2以下であることが挙げられる。
前記海島構造の厚さが3μm以上であることが挙げられる。
前記Al基材は、添加元素として、Siを1質量%以上17質量%以下、Feを0.05質量%以上2.5質量%以下、Mnを0.05質量%以上2.5質量%以下、及びMgを0.1質量%以上1.0質量%以下の中から選択される1つ以上を含むことが挙げられる。
前記めっき層は、Niめっき層の単層構造であることが挙げられる。
前記めっき層は、前記Al基材側から順にNiめっき層、Snめっき層が積層された積層構造であることが挙げられる。
前記Cu部材は、前記Cu基材の表面を覆うめっき層を有することが挙げられる。
前記溶接部は、前記Cu部材を貫通していることが挙げられる。
Cu部材と、Al部材とを準備する工程と、
前記Cu部材と前記Al部材とを溶接する工程とを備え、
前記準備する工程において、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と前記Al基材を覆うめっき層とを有し、
前記溶接する工程では、前記Cu部材と前記Al部材の前記めっき層とを対向配置させ、前記Al部材側からレーザーを照射し、
前記レーザーの照射条件は、
出力が550W以上、
走査速度が10mm/sec以上を満たす。
前記レーザーは、ファイバーレーザーであることが挙げられる。
前記レーザーは、前記Cu部材を貫通するように照射することが挙げられる。
前記Cu部材は、前記Cu基材の表面を覆うめっき層を有し、
前記溶接する工程では、前記Cu部材の前記めっき層と前記Al部材の前記めっき層とを対向配置させて溶接することが挙げられる。
本開示の実施形態の詳細を、以下に説明する。実施形態での説明は、金属部材の溶接構造、金属部材の溶接構造の製造方法、の順に行う。
[金属部材の溶接構造]
図1~図5を参照して実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aを説明する。金属部材の溶接構造1Aは、Cu部材2と、Al部材3と、Cu部材2とAl部材3とを接合する溶接部4とを備える(図1)。金属部材の溶接構造1Aの特徴の一つは、溶接部4が特定の組織の海島構造5を備える点にある(図5)。以下、各構成を詳細に説明する。以下の説明は、Cu部材2のAl部材3側を表(図1の紙面上側)、その反対側を裏(図1の紙面下側)として行う。また、以下の説明は、Al部材3のCu部材2側を裏(図1の紙面下側)とし、その反対側を表(図1の紙面上側)として行う。そして、以下の説明は、この表裏方向を厚さ方向として行う。図2~図4は、図1の太点線の四角内を拡大して示している。即ち、図2~図4は、Cu部材2とAl部材3との界面の近傍を拡大して示す。図5は、図1の太破線の四角内を拡大して示している。即ち、図5は、溶接部4におけるCu部材2の表面の近傍を拡大した顕微鏡写真である。図中の同一符号は同一名称物を示す。
Cu部材2は、Cu基材21を有する(図1~図5)。Cu部材2は、ここではCu基材21のみで構成している(図1~図3,図5)。なお、Cu部材2は、Cu基材21と後述のめっき層22(図4)とを有する被覆部材で構成していてもよい。
Cu基材21は、Cuを主成分とする。Cuを主成分とするとは、純CuやCu基合金をいう。Cu基材21は、不可避的不純物を含むことを許容する。Cu基合金の添加元素は、例えば、Si(ケイ素),Fe(鉄),Mn(マンガン),Ti(チタン),Mg(マグネシウム),Sn(スズ),Ag(銀),In(インジウム),Sr(ストロンチウム),Zn(亜鉛),Ni(ニッケル),Al(アルミニウム),及びP(リン)から選択される1種以上の元素が挙げられる。これらの添加元素の含有量は、導電率の過度な低下が生じない範囲で適宜選択できる。添加元素の合計含有量は、例えば0.001質量%以上0.1質量%以下が好ましく、更に0.005質量%以上0.07質量%以下が好ましく、特に0.01質量%以上0.05質量%以下が好ましい。ここでは、Cu基材21は、純Cuとしている。
めっき層22は、Cu基材21の表面を覆う(図4)。即ち、めっき層22は、Cu基材21におけるAl部材3側の面を覆う。めっき層22は、代表的には、Niめっき層が挙げられる。めっき層22の厚さは、適宜選択できる。めっき層22の厚さは、例えば、1μm以上10μm以下が挙げられ、更に1.5μm以上8μm以下が挙げられ、特に2μm以上6μm以下が挙げられる。
Al部材3は、Al基材31とめっき層32とを有する被覆部材である。めっき層32は、Al基材31の裏面を覆う。即ち、めっき層32は、Al基材31におけるCu部材2の側の面を覆う。
Al基材31は、Alを主成分とする。Alを主成分とするとは、純AlやAl基合金をいう。Al基材31は、不可避的不純物を含むことを許容する。Al基合金の添加元素は、Si、Fe、Mn、及びMgの中から選択される1種以上の元素が挙げられる。
めっき層32は、例えば、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。単層構造としては、Niめっき層321で構成することが挙げられる(図2)。積層構造としては、Al基材31側から順にNiめっき層321とSnめっき層322とが積層された構造が挙げられる(図3~図5)。めっき層32の厚さは、適宜選択できる。例えば、めっき層32が単層構造の場合、Niめっき層321の厚さは、1μm以上10μm以下が挙げられ、更に1.5μm以上8μm以下が挙げられ、特に2μm以上6μm以下が挙げられる。めっき層32が積層構造の場合、Niめっき層321及びSnめっき層322の厚さはそれぞれ、1μm以上10μm以下が挙げられ、更に1.5μm以上8μm以下が挙げられ、特に2μm以上6μm以下が挙げられる。Niめっき層321は、後述するNiめっき層321の形成方法によっては添加元素を含むことがある。その添加元素は、例えば、リン(P)などが挙げられる。その添加元素の含有量は、少量である。
溶接部4は、Cu部材2とAl部材3とを接合する部分であり、各構成材料が溶融凝固されて構成されている。即ち、溶接部4の主たる構成元素は、Al,及びCuである。金属部材の溶接構造1Aの厚さ方向に沿った溶接部4の形成領域は、Al部材3の表面からCu部材2の少なくとも一部にわたった領域とすることが挙げられる。即ち、溶接部4は、Al部材3をその表裏に貫通している。この溶接部4の形成領域は、Cu部材2の裏面にわたる領域とすることが好ましい。即ち、溶接部4は、Cu部材2をその表裏に貫通していることが好ましい。溶接部4がCu部材2を貫通していれば、Cu部材2とAl部材3とが溶接されていることを容易に判別できる。Cu部材2の裏面に溶接痕が形成されるからである。
海島構造5は、図5に示すように、分散する複数の小さな島部51と、島部51同士の間に介在される海部52とを備える。この海島構造5は、溶接部4におけるCu部材2の表面の近傍に作用する応力を分散させ易い。溶接部4におけるCu部材2の表面の近傍において、上記金属間化合物600(図6)に比較して島部51の表面積が大きくなり易いからである。そのため、金属部材の溶接構造1Aは、Cu部材2とAl部材3との接合強度に優れる。
島部51は、純Alを含む。島部51が純Alを含むため、島部51の延性は相対的に高い。この島部51はCu部材2の表面側に多く存在する。そのため、Cu部材2とAl部材3との接合強度が高くなり易い。Al基材31がAl基合金の場合、島部51は、純Alに加えてAl基合金の添加元素を含むことがある。この添加元素は、純Al中に固溶していることが好ましい。島部51の組成は、EDX(エネルギー分散型X線分析装置)により分析できる。
海部52は、島部51同士の間に三次元網目状に形成されている。海部52は、金属間化合物の相と純Alの相との共晶組織を有する。金属間化合物は、CuとAlとを含む。金属間化合物は、代表的にはAl2Cuが挙げられる。Al基材31がAl基合金の場合、金属間化合物の相と純Alの相の少なくとも一方の相は、Al基合金の添加元素を含むことがある。この添加元素は、含まれる相に固溶していることが好ましい。この共晶組織は、金属間化合物の相と純Alの相とが交互に積層されるラメラ状である。金属間化合物の相と純Alの相の積層方向が一方向に揃っているよりも、積層方向が種々の方向を向くように金属間化合物の相と純Alの相とがランダムに配置されていることが好ましい。溶接部4に作用する応力がより一層分散し易いからである。
実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aは、各種のバスバーや、車載電池モジュールに好適に利用できる。
実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aは、Cu部材2とAl部材3との接合強度に優れる。
適宜図1を参照して、実施形態1に係る金属部材の溶接構造の製造方法を説明する。実施形態1に係る金属部材の溶接構造の製造方法は、Cu部材2とAl部材3とを準備する工程(以下、準備工程ということがある)と、レーザーを照射してAl部材3とCu部材2とを溶接する工程(以下、溶接工程ということがある)とを備える。この金属部材の溶接構造の製造方法の特徴の一つは、準備工程でめっき層32を有するAl部材3を準備する点と、溶接工程で特定の照射条件のレーザーを照射する点とにある。この金属部材の溶接構造の製造方法は、上述した金属部材の溶接構造1Aを製造できる。以下、各工程の詳細を説明する。
準備工程では、Cu部材2とAl部材3とを準備する。
Cu部材2は、Cuを主成分とするCu基材21で構成している。なお、Cu部材2は、上述のようにCu基材21とめっき層22とを有する被覆部材で構成してもよい。Cu基材21の組成、形状、及び厚さは、上述した通りである。ここでは、Cu基材21の組成は、純Cuとしている。Cu基材21の形状は、板状としている。めっき層22の種類や厚さは上述した通りである。めっき層22の形成は、電気めっきや無電解めっきなどで行える。
Al部材3は、Alを主成分とするAl基材31とめっき層32とを有する。Al基材31の組成、形状、及び厚さは、上述した通りである。ここでは、Al基材31の組成は純Alとしている。Al基材31の形状は、板状としている。めっき層32は、Al基材31側から順にNiめっき層321、Snめっき層322が積層された積層構造としている(図3)。勿論、めっき層32は、Niめっき層321の単層構造としてもよい(図2)。Al部材3がめっき層32を備えることで、後述の溶接工程でレーザー溶接すると、溶接部4におけるCu部材2の表面の近傍に、応力を緩和し易い海島構造5を形成できる。この海島構造5の形成により、溶接部4におけるCu部材2の表面の近傍に、後述する図6に示すような厚さの厚い層状の金属間化合物600や大きさの大きな島状の金属間化合物600が形成されることを抑制できる。そのため、Cu部材2とAl部材3との接合強度に優れる金属部材の溶接構造1Aを製造できる。めっき層32の形成は、Cu部材2のめっき層22と同様、電気めっきや無電解めっきなどで行える。
溶接工程では、Cu部材2とAl部材3とを溶接する。この溶接は、Cu部材2とAl部材3のめっき層32とを対向配置させ、Al部材3側からレーザーを照射することで行う。レーザーの照射により、Al部材3とCu部材2の各構成材料が溶融凝固された溶接部4が形成される。この溶接部4によって、Al部材3とCu部材2とが接合された金属部材の溶接構造1Aが製造される。なお、Cu部材2がめっき層22を有する場合には、Cu部材2のめっき層22とAl部材3のめっき層32とを互いに対向配置させて溶接する。
実施形態1に係る金属部材の溶接構造の製造方法は、接合強度に優れる金属部材の溶接構造1Aを製造できる。
実施形態2に係る金属部材の溶接構造は、Cu部材2とAl部材3と溶接部4とを備える点は実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aと同様である。実施形態2に係る金属部材の溶接構造は、Al部材3におけるAl基材31がAl基合金で構成されている点が実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aと相違する。具体的には、Al基合金は、添加元素としてMnを含むAl-Mn合金である。Mnの含有量は、上述した通りである。この金属部材の溶接構造における溶接部は、Cu部材2の表面の近傍に海島構造を有する。この海島構造は、図5を参照して説明した実施形態1に係る金属部材の溶接構造1Aにおける溶接部4の海島構造5と同様である。即ち、海島構造は、分散する複数の小さな島部と、島部同士の間に介在される海部とを備える。この島部は、純Alに加えてAl基合金の添加元素を含む。海部は、金属間化合物の相と純Alの相との共晶組織を有する。金属間化合物は、CuとAlとを含む。金属間化合物の相と純Alの相の少なくとも一方の相は、Al基合金の添加元素を含む。
試験例1では、金属部材の溶接構造を作製して、その接合強度を評価した。
各試料の金属部材の溶接構造は、上述の金属部材の溶接構造の製造方法と同様にして、準備工程と溶接工程とを経て作製した。
準備工程では、Cu部材とAl部材とを準備した。各試料におけるCu部材とAl部材の組み合わせは表1の通りである。
試料No.1-1のCu部材には、純Cuの板材からなるCu基材を用意した。Cu基材の厚さは、0.3mmとした。Al部材には、純Alの板材からなるAl基材と、Al基材の表面を覆うめっき層とを備える被覆部材を用意した。Al基材の厚さは、0.6mmとした。めっき層は、Niめっき層の単層構造とした。めっき層の厚さは、2μmとした。
試料No.1-2は、Al基材の材質を異ならせた点を除き、試料No.1-1と同じとした。Al基材は、Mnを1質量%含むAl-Mn合金の板材で構成した。
試料No.1-3は、Al部材に備わるめっき層を積層構造で構成した点を除き、試料No.1-1と同じとした。めっき層は、Al基材側から順に、Niめっき層とSnめっき層とを積層したものである。Niめっき層の厚さとSnめっき層の厚さは、いずれも2μmとした。
試料No.1-4は、以下の2つの点を除き、試料No.1-1と同じとした。
(1)Cu部材を、Cu基材とCu基材の表面を覆うめっき層とを備える被覆部材とした点
(2)Al部材に備わるめっき層を積層構造で構成した点
Cu基材は、試料No.1-1と同じとした。Cu部材のめっき層は、Niめっき層の単層構造とした。このNiめっき層の厚さは、2μmとした。Al部材のめっき層は、Al基材側から順に、Niめっき層とSnめっき層とを積層したものである。このNiめっき層の厚さとSnめっき層の厚さは、いずれも2μmとした。
試料No.1-5は、以下の2つの点を除き、試料No.1-1と同じとした。
(1)Al基材の材質を異ならせた点
(2)Al部材に備わるめっき層を積層構造で構成した点
Al基材は、Mnを1質量%含むAl-Mn合金の板材で構成した。Al部材のめっき層は、Al基材側から順に、Niめっき層とSnめっき層とを積層したものである。このNiめっき層の厚さとSnめっき層の厚さは、いずれも2μmとした。
試料No.1-6は、以下の2つの点を除き、試料No.1-1と同じとした。
(1)Cu部材を、Cu基材と、Cu基材の表面を覆うめっき層とを備える被覆部材とした点
(2)Al基材の材質を異ならせた点
Cu基材は、試料No.1-1と同じとした。Cu部材のめっき層は、Niめっき層の単層構造とした。めっき層の厚さは、2μmとした。Al基材は、Mnを1質量%含むAl-Mn合金の板材で構成した。
試料No.1-101は、Al部材をAl基材のみで構成した点を除き、試料No.1-1と同じとした。即ち、試料No.1-1のAl部材は、めっき層を有していない。
溶接工程では、Cu部材とAl部材のめっき層とを対向配置させ、Al部材側からレーザーを照射した。このレーザーの照射により、Cu部材とAl部材とを溶接した。Cu部材がめっき層を有する場合には、めっき層同士を対向配置させて溶接した。レーザーの照射条件は、表1に示す出力(W)及び走査速度(mm/sec)とした。
各試料の金属部材の溶接構造における溶接部の組織を分析した。図5,図6に、代表的に試料No.1-3の溶接部4と試料No.1-101の溶接部400の顕微鏡写真を示す。
各試料の接合強度は、Cu部材2とAl部材3とを互いの対向面に対して垂直方向にかつ互いに離れる方向に引張ったときの最大引張力(N)を測定することで評価した。ここでは、レーザーの走査方向(溶接部の長手方向)に沿って溶接部が剥がれるように、両部材を引っ張った。溶接部の剥がれる速度は50mm/minとなるようにした。各試料の最大引張力の結果は、試料No.1-1,No.1-2,No.1-101では評価数n=3の最大引張力の平均とし、試料No.1-2~No.1-6では評価数n=5の最大引張力の平均とした。その結果を表2に示す。
2 Cu部材
21 Cu基材
22 めっき層
3 Al部材
31 Al基材
32 めっき層
321 Niめっき層
322 Snめっき層
4 溶接部
5 海島構造
51 島部
510 疎密構造
511 密な領域
512 疎な領域
52 海部
200 Cu部材
400 溶接部
600 金属間化合物
Claims (15)
- Cu部材と、
Al部材と、
前記Cu部材と前記Al部材の各構成材料が溶融凝固された溶接部とを備え、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と、前記Al基材における前記Cu部材の表面側を覆うめっき層とを有し、
前記溶接部は、前記Cu部材の表面の近傍に海島構造を備え、
前記海島構造は、
純Alを含む複数の島部と、
前記島部同士の間に介在される海部とを有し、
前記海部は、CuとAlとの金属間化合物の相と純Alの相との共晶組織を有する、
金属部材の溶接構造。 - 前記海島構造は、疎密構造を備え、
前記疎密構造は、
前記島部の大きさが小さくて数が多い密な領域と、
前記島部の大きさが大きくて数が少ない疎な領域とを有し、
前記密な領域は、前記Cu部材の表面側に設けられ、
前記疎な領域は、前記Cu部材の表面側とは反対側に設けられる請求項1に記載の金属部材の溶接構造。 - 前記海部の厚さが5μm以下である請求項1又は請求項2に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記島部同士の間隔が10μm以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記島部の大きさが1μm2以上20μm2以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記海島構造の厚さが3μm以上である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記Al基材は、添加元素として、Siを1質量%以上17質量%以下、Feを0.05質量%以上2.5質量%以下、Mnを0.05質量%以上2.5質量%以下、及びMgを0.1質量%以上1.0質量%以下の中から選択される1つ以上を含む請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記めっき層は、Niめっき層の単層構造である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記めっき層は、前記Al基材側から順にNiめっき層、Snめっき層が積層された積層構造である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記Cu部材は、前記Cu基材の表面を覆うめっき層を有する請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- 前記溶接部は、前記Cu部材を貫通している請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造。
- Cu部材と、Al部材とを準備する工程と、
前記Cu部材と前記Al部材とを溶接する工程とを備え、
前記準備する工程において、
前記Cu部材は、Cuを主成分とするCu基材を有し、
前記Al部材は、Alを主成分とするAl基材と前記Al基材を覆うめっき層とを有し、
前記溶接する工程では、前記Cu部材と前記Al部材の前記めっき層とを対向配置させ、前記Al部材側からレーザーを照射し、
前記レーザーの照射条件は、
出力が550W以上、
走査速度が10mm/sec以上90mm/sec以下を満たす、
金属部材の溶接構造の製造方法。 - 前記レーザーは、ファイバーレーザーである請求項12に記載の金属部材の溶接構造の製造方法。
- 前記レーザーは、前記Cu部材を貫通するように照射する請求項12又は請求項13に記載の金属部材の溶接構造の製造方法。
- 前記Cu部材は、前記Cu基材の表面を覆うめっき層を有し、
前記溶接する工程では、前記Cu部材の前記めっき層と前記Al部材の前記めっき層とを対向配置させて溶接する請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の金属部材の溶接構造の製造方法。
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