KR20180043291A

KR20180043291A - 금속 부재의 용접 구조 및 용접 방법

Info

Publication number: KR20180043291A
Application number: KR1020187006592A
Authority: KR
Inventors: 세이지 구마자와; 도모미 다나카; 다이스케 시오가; 다카유키 아시다
Original assignee: 파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-04-27
Also published as: EP3351339B1; JP6660533B2; JPWO2017047050A1; EP3351339A1; WO2017047050A1; EP3351339A4; JP6846608B2; CN107949454A; US11428251B2; CN107949454B; JP2020089919A; US20180245616A1

Abstract

금속 용접 구조는, 용접의 진행 방향과 직각인 방향의 단면에 대해, 조사하는 에너지가 큰 레이저광의 조사에 의한 겹침 위치로부터의 심도가 깊은 응고부와 조사하는 에너지가 작은 레이저광의 조사에 의한 겹침 위치로부터의 심도가 얕은 응고부를 갖는다.

Description

금속 부재의 용접 구조 및 용접 방법

본 발명은, 상이한 금속판을 적층하여 용접한 용접 구조 및 그 용접 방법에 관한 것이다. 특히, 전지의 전극과, 전극 사이를 접속하는 금속 사이의 용접 구조, 및, 그 용접 방법에 관한 것이다.

배터리 시스템에서는, 복수의 전지 셀을 직렬로 접속하여 출력 전압을 높게 할 수 있다. 또, 배터리 시스템에서는, 복수의 전지 셀을 병렬로 접속하여 충방전의 전류를 크게 할 수 있다. 예를 들면, 자동차를 주행시키는 모터의 전원에 사용되는 대전류, 대출력용 배터리 시스템에서는, 복수의 전지 셀을 직렬로 접속하여 출력 전압을 높게 하고 있다.

이 용도에 사용되는 배터리 시스템에서는, 복수의 전지 셀을 금속판의 버스 바로 접속하고 있다. 버스 바는, 배터리 시스템을 구성하는 전지 셀의 전극 단자에 레이저 용접하여 접속된다. 이 접속 구조는, 버스 바에 절결부를 설치해, 여기에 전지 셀의 전극 단자를 삽입하고, 삽입된 전극 단자와 버스 바의 경계에 레이저광을 조사해, 전극 단자와 버스 바를 둘 다 경계에서 용융하여 접속하고 있다.

전지에는 양극과 음극이 있고, 통상 양극측에는 알루미늄의 단자, 음극측에는 니켈 도금된 구리 단자가 사용되고 있다. 1개의 버스 바에는, 적어도 2개의 절결부가 있다. 2개의 절결부는, 각각, 인접하는 전지 셀의 전극 단자에 삽입 통과된다. 그 결과, 버스 바는, 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 접속할 수 있다.

버스 바로서, 클래드재라 불리는 알루미늄과 구리의 결합 부재를 이용한 경우, 양극측의 알루미늄 단자는 클래드재의 알루미늄측, 음극측의 구리 단자는 클래드재의 구리측과 용접한다. 이 경우, 각각 동종 금속끼리의 용접이며, 특히 기술적으로 어려움은 없다.

그러나, 이 클래드재는 알루미늄과 구리의 얇은 판을 접합부가 겹쳐지도록 각각 겹쳐, 열을 가하면서 압력을 가해 압착한다. 이 때문에, 공정에 드는 비용이 높고, 또, 직접 재료비도 고가이다. 그 결과, 버스 바와 전극의 접합 비용은, 저비용화를 할 수 없다는 문제가 있다.

그래서, 버스 바에 저렴한 알루미늄을 이용함으로써, 저렴하고 가벼운 배터리 시스템을 생산하는 것이 가능해진다. 그러나, 알루미늄의 버스 바를 이용하는 경우, 양극측은 알루미늄의 버스 바와 알루미늄 단자의 동종재 용접으로 문제없으나, 음극측은 알루미늄의 버스 바와 니켈 도금의 구리 단자의 이종재 용접이 되어, 안정적으로 고품질의 용접을 실현하는 것이 매우 곤란해진다.

이종재 용접에서는, 상이한 금속 재료를 함께 용융해, 섞은 후, 응고시킴으로써 용접을 행한다. 그러나, 알루미늄과 구리의 이종재 용접에 대해서는, 그 합금이 충분히 가열되어 있는 온도 이상으로 일정 시간 용융되어 있으면, 알루미늄과 구리의 조성이 일정 비율의 금속간 화합물이 형성된다. 이 금속간 화합물은, 격자 결함이 적고 매우 단단한 층이지만, 응력을 가하면 취약해져 끊어져 버린다. 이 때문에, 단순히, 알루미늄과 구리의 용융 체적을 늘리면 높은 접합 강도가 얻어지는 것은 아니며, 생산에 있어서의 다양한 간극 등의 불균일 요인이 있는 가운데, 안정적으로 고품질의 용접을 실현하는 것이 매우 곤란하다.

이종재 용접에 있어서, 그 강도 대책의 구조로는, 고경도층과 저경도층을 용접의 진행 방향으로 번갈아 반복 적층하여 이루어지 용접 구조가 발명되어 있다(특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1의 방법을, 도 12a, 도 12b의 단면도로 설명한다. 도 12b는, 도 12a의 A-A선에 있어서의 단면도이다. 페라이트계 스테인리스강 또는 저탄소강의 제1 부재(21)와, 마텐자이트계 스테인리스강 또는 고탄소강의 제2 부재(22)를 겹쳐, 제1 부재(21)의 표면에 레이저광을 조사한다.

사선의 영역에서 나타내고 있는 용융 응고부는, 도 12b에 나타낸 바와 같이, 레이저광의 조사 방향과 직각인 방향의 단면에서는, 제1 부재(21)의 표면측으로부터 내부를 향해서 서서히 폭이 좁아지는 역삼각형의 단면 구조를 갖고 있다.

또, 용융 응고부는, 그 표면측에 저경도층(23)을, 내부측에는 고경도층(24)을 갖고 있다. 한편, 고경도층(24)은, 제1층(25)과, 그것보다 경도가 낮은 제2층(26)을 용접 진행 방향으로 번갈아 반복 적층하여 이루어진다.

이 용접 구조의 제작 방법으로서, 제1 부재(21)의 표면에 레이저광을 펄스적으로 조사한다. 우선, 제1 펄스의 레이저광에 의해 제1 부재(21) 및 제2 부재(22)를 용융시켜 이루어지는 제1 용융부를 형성한다.

그 다음에, 제1 용융부의 응고의 성장이 레이저 광축의 이동 거리의 1/2에 도달한 시점에 있어서, 위치를 조금 옮겨, 제2 펄스의 레이저광의 조사를 개시한다. 이에 의해, 제1 용융부와 일부 겹쳐지도록 제2 용융부가 형성된다. 순차적으로 동일하게 제3 이후의 펄스의 레이저광을 소정의 인터벌로 온·오프하면서 조사함으로써, 용접 구조를 형성한다.

이 용접 구조의 특징으로서, 상술한 바와 같이 용접의 진행 방향과 직각인 방향의 단면(도 12b)은, 역삼각형의 구조로 되어 있다. 또, 진행 방향의 단면(도 12a)은 진행 방향으로 제1층(25)과 제2층(26)이 반복 적층되고, 용융 깊이가 제1층(25)과 제2층(26)이 거의 일정하게 되어 있다.

일본국 특허 공개 평 11-239888호 공보

본 발명의 하나의 실시형태에서는, 복수의 전지 셀을 접속하는 버스 바와 셀의 단자와 용접할 때에, 용접 강도가 높은 안정된 용접을 실현함으로써, 고성능이고 또한 저비용의 배터리 시스템을 제조한다.

상기를 위해, 본 발명에 따른 금속 부재의 용접 구조는, 제1 부재와, 제1 부재에 적층된 제2 부재를 포함한다. 또한, 제1 부재의 표면에서 내부로 연장된 제1 응고부와, 제1 부재와 제2 부재에 걸쳐 용융된 제2 응고부와, 제1 부재와 제2 부재에 걸쳐 용융된 제3 응고부를 포함한다. 제3 응고부는 제2 응고부보다, 제2 부재의 비적층면측에 가깝게 위치한다.

본 발명에 따른 금속 부재의 제1의 용접 방법에서는, 레이저광을 직선형으로 주사하는 제1의 주사 조건과, 상기 제1의 주사 조건에 의해 주사하는 레이저광의 궤도와는 다른 궤도를, 상기 제1의 레이저광보다 출력이 낮은 레이저광을 직선형으로 주사하는 제2의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사한다.

본 발명에 따른 금속 부재의 제2의 용접 방법에서는, 직경이 상이한 동심원형으로 레이저광을 주사하여, 레이저광을 원형으로 주사하는 제1의 주사 조건과, 상기 제1의 레이저광의 궤도와는 상이하고 또한 상기 제1의 레이저광보다 출력이 낮은 레이저광을 원형으로 주사하는 제2의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사한다.

본 발명에 따른 금속 부재의 제3의 용접 방법에서는, 레이저광을 직선형으로 주사하는 제3의 주사 조건과, 상기 제3의 주사 조건에 의해 주사하는 레이저광의 궤도와는 다른 궤도를, 상기 제3의 레이저광보다 속도가 빠른 레이저광을 직선형으로 주사하는 제4의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사한다.

본 발명에 따른 금속 부재의 제4의 용접 방법에서는, 직경이 상이한 동심원형으로 레이저광을 주사하여, 레이저광을 원형으로 주사하는 제3의 주사 조건과, 상기 제3의 레이저광의 궤도와는 상이하고 또한 상기 제3의 레이저광보다 속도가 빠른 레이저광을 원형으로 주사하는 제4의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사한다.

본 실시형태에 의하면, 배터리 시스템에 있어서의 복수의 전지 셀을 접속하는 저비용의 알루미늄 버스 바와 셀의 단자와 용접하는 공정에 있어서, 모든 용접점에 있어서 안정된 고품질, 고속의 용접을 실현할 수 있다. 그 때문에, 고용량, 고신뢰성이며 저비용인 배터리 시스템의 제조를 가능하게 하여, 하이브리드카나 전기자동차 등의 에코카의 보급에 기여한다.

도 1a는, 실시형태 1과 실시예 1, 8의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 1b는, 실시형태 1과 실시예 1, 8의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 1c는, 실시형태 1과 실시예 1, 8의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 2a는, 실시형태 1과 실시예 2, 9의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 2b는, 실시형태 1과 실시예 2, 9의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 2c는, 실시형태 1과 실시예 2, 9의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 3a는, 실시형태 1과 실시예 3, 10의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 3b는, 실시형태 1과 실시예 3, 10의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 3c는, 실시형태 1과 실시예 3, 10의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 4는, 인장 강도와 심도의 비율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5a는, 비교예 1의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 5b는, 비교예 1의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 5c는, 비교예 1의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 6a는, 비교예 2의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 6b는, 비교예 2의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 6c는, 비교예 2의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 7a는, 실시형태 2와 실시예 5, 11의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 7b는, 실시형태 2와 실시예 5, 11의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 7c는, 실시형태 2와 실시예 5, 11의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 8a는, 실시형태 2와 실시예 6, 12의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 8b는, 실시형태 2와 실시예 6, 12의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 8c는, 실시형태 2와 실시예 6, 12의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 9a는, 실시형태 2와 실시예 7, 13의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 9b는, 실시형태 2와 실시예 7, 13의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 9c는, 실시형태 2와 실시예 7, 13의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 10a는, 실시형태 5의 레이저 조사 패턴을 나타내는 상면도이다.
도 10b는, 실시형태 5의 간극이 없는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 평행인 방향의 단면도이다.
도 10c는, 실시형태 5의 간극이 있는 경우의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 평행인 방향의 단면도이다.
도 11은, 실시형태 5에 있어서의 알루미늄 버스 바측에서 본 레이저 조사 패턴을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 12a는, 종래의 용접 구조를 나타내는 주사 방향과 직각인 방향의 단면도이다.
도 12b는, 도 12a의 A-A선에 있어서의 단면도이다.

본 발명의 실시형태의 설명에 앞서, 종래 기술에 있어서의 문제점을 간단히 설명한다. 특허 문헌 1에 나타난 종래 기술을, 알루미늄 버스 바와 니켈 도금의 구리 단자의 용접에 적용하는 경우, 이하에 나타낸 바와 같은 과제가 있다.

첫번째 과제로서, 용접의 진행 방향으로 제1층(25)과 제2층(26)을 번갈아 반복해서 적층시키기 위해서, 펄스 레이저를 조사하고 있는 점이다.

용접의 응고 균열을 막기 위해, 진행 방향에 대해 앞의 펄스로 용융한 응고 시간과 지금부터 조사하는 펄스의 용융 시간을 감안하여 급랭 응고부와 완랭 응고를 반복한다. 이 때문에, 응고 시간에 주사 속도가 제한을 받아, 5~수 10mm/s 정도의 속도밖에 올려지지 않는다. 알루미늄과 구리의 이종재 용접에서는, 수 100mm/s이상의 고속으로 단시간의 용융과 응고를 실현하지 않으면, 금속간 화합물이 용접계면에 다량으로 형성되어, 높은 접합 강도가 얻어지지 않게 된다.

또, 용접 속도가 늦으면 접합에 시간이 걸리기 때문에, 용접 공정의 택트가 길어져 제품의 저비용화를 방해해 버린다.

두번째 과제로서, 제1층(25)과 제2층(26)의 용접 심도가 동일하기 때문에, 공정의 불균일로 발생하는 간극(제1 부재(21)와 제2 부재(22) 사이)에 대해 약하다. 간극이 거의 없는 경우에는, 구리측에 알루미늄이 깊게 녹아들어 용융 체적이 증가하므로, 금속간 화합물이 많이 형성되어 접합 강도가 약해진다. 접합 강도를 높게 하려면, 용접 심도를 얕게 하여 금속간 화합물의 생성을 억제할 필요가 있다. 그러나, 용접 심도를 얕게 하면 간극이 발생한 경우에 더욱 용접 심도가 얕아져, 용접 강도가 극단적으로 저하된다는 문제가 발생한다.

버스 바의 구조나 누름 지그의 구조를 고안하여 간극의 발생을 어느 정도 억제하는 것은 가능하다. 그러나, 생산 공정에 있어서 고정밀도로 안정적으로 간극을 제어하는 것은 실제로는 불가능하며, 불안정하게 발생하는 간극에서도 안정된 접합 강도를 얻는 것이 곤란하다. 특히, 접합 방향과 수직으로 걸리는 응력에 대한 박리 강도를 향상시키는 것이, 제1층(25)과 제2층(26)의 용접 심도가 동일하기 때문에 접합 면적을 크게 할 수 없고, 또 계면에서의 앵커 효과도 기대할 수 없으므로, 매우 곤란하다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 설명의 간략화를 위해, 실질적으로 동일한 기능을 갖는 구성 요소를 동일한 참조 부호로 나타낸다.

실시형태 1~4과 각각 대응하는 실시예의 관계를 정리하여 표 1에 나타낸다. 이하에 각 실시형태에 대해서 설명한다.

(실시형태 1)

도 1a~도 3c는, 본 발명의 실시형태 1에 있어서의, 셀의 니켈 도금의 구리 단자와 알루미늄 버스 바의 용접 구조를 설명하는 도면이다. 도 1a는, 알루미늄 버스 바측에서 본 상면도이다. 도 1b와 도 1c는, 도 1a의 A-A'의 단면도이다. 도 2a~도 3c도 동일하다.

니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)를 중합시켜 배치한다. 이 때, 도 1b에 도시하고 있지 않지만, 알루미늄 버스 바(2)의 레이저를 조사하지 않는 표면 부분을, 도 1b의 상방으로부터 하방을 향해 누르는 지그에 의해, 알루미늄 버스 바(2)와 니켈 도금의 구리 단자(1)의 간극(9)을 가능한 한 작아지도록 한다. 알루미늄 버스 바(2)는 제1 부재, 구리 단자(1)는 제1 부재와 적층된 제2 부재이다.

다음에, 도 1a에 나타낸 궤도(7)를 따라서, 도 1a의 상방으로부터 하방향을 향해, 즉, 도 1b의 안쪽에서 앞쪽으로 일정한 출력으로 설정된 레이저광(6a)을 조사하면서 주사함으로써, 알루미늄 버스 바(2)의 레이저광(6a)이 조사된 근방이 용융된다.

그 후, 레이저광(6a)이 멀어짐으로써 용융된 알루미늄이 응고되어, 표면으로부터 니켈 도금의 구리 단자(1)의 계면에 가까운 부분은 알루미늄의 응고부(3)가 된다.

한편, 계면 부근으로부터 니켈 도금의 구리 단자(1)의 계면 근방이 용융된 부분은, 알루미늄과 도금인 미소한 니켈과 구리가 용융된 상태로 섞이고, 레이저광(6a)이 멀어짐으로써 심도가 얕은 합금의 응고부(4)가 된다.

다음에, 도 1a에 나타낸 궤도(8)를 따라서, 상기 궤도(7)의 레이저광(6a)보다 고출력인 레이저광(6b)을 동일하게 도면의 상방으로부터 하방향으로, 즉 도 1b의 안쪽에서 앞쪽으로 주사한다. 그 후, 레이저광(6b)이 멀어짐으로써 용융된 알루미늄이 응고되어, 표면으로부터 니켈 도금의 구리 단자(1)의 계면에 가까운 부분은 알루미늄의 응고부(3)가 된다. 한편, 계면 부근으로부터 니켈 도금의 구리 단자(1)의 계면 근방이 용융된 부분은, 알루미늄과 도금인 미소한 니켈과 구리가 용융된 부분이며, 레이저광(6b)의 출력이 레이저광(6a)보다 높은 만큼, 보다 깊게까지 섞인다. 그 결과, 레이저광(6b)이 멀어짐으로써 심도가 깊은 합금의 응고부(5)가 된다.

계속해서, 도 1b에 있어서 동일하게 궤도를 어긋나게 한 레이저광(6b)을 조사하면서 주사하고, 마찬가지로 알루미늄 버스 바(2)의 표면에 가까운 부분은 알루미늄의 응고부(3)를, 계면 근방은 심도가 깊은 합금의 응고부(5)를 형성한다. 순차적으로 레이저광을 어긋나게 해 동일하게 주사함으로써, 도 1b에 나타낸 용접 구조가 된다. 이 용접 구조에 있어서, 응고부(3)는, 제1 부재의 표면에서 내부로 연장된 제1 응고부, 응고부(4)는, 제1 부재와 제2 부재에 걸쳐 용융 형성된 제2 응고부이다. 응고부(5)는, 제1 부재와 제2 부재에 걸쳐 용융 형성되고, 제2 응고부보다 제2 부재의 비적층면측에 가깝게 위치하는 제3 응고부이다.

도 1b에 있어서, 심도가 얕은 합금의 응고부(4)는, 레이저광(6a)의 출력이 낮기 때문에 용융시의 온도가 낮다. 그 때문에 레이저광(6a)이 이동하여 용융부로부터 멀어지면 신속하게 응고된다. 이 때문에 용융 시간이 짧고, 금속간 화합물로 되지 않고 통상의 합금(격자 결함이 많이 존재함)이 된다. 그 결과, 인장 응력에 대해 격자의 어긋남이 쉽게 일어나고, 응력을 완화하므로, 인장 응력에 대해 안정된 용접 구조가 된다.

한편, 레이저광의 출력이 높은 응고부(5)는, 응고부(4)에 비해 출력이 높기 때문에, 용융시의 온도가 높다. 이 때문에, 레이저광(6b)이 이동하여 용융부로부터 멀어지고 나서 응고될 때까지, 충분히 시간이 길게 걸린다. 그 결과, 격자 결함의 거의 없는 금속간 화합물이 형성된다. 이 금속간 화합물은, 인장 응력에 대해 격자의 어긋남이 일어나기 어려워 응력을 완화할 수 없다. 이 때문에, 응고부(4)보다 낮은 인장력으로 격자간의 박리가 발생해, 인장 강도가 낮다는 특징을 갖는다.

도 1b와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 거의 없는 경우에도, 응고부(4)에 의해서 높은 강도를 유지할 수 있다. 또, 생산의 불균일에 의해 도 1c와 같이 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 발생한 경우에는, 반대로 심도가 얕은 응고부(4)는 거의 구리 단자(1)와 용융되어 있지 않고, 응고부(4)에 의한 인장 강도는 거의 없다.

그러나, 이 경우는 심도가 깊은 응고부(5)가 넓은 면적으로 구리 단자(1)와 용융되어 있고, 하나 하나의 응고부(5)는 인장 강도가 낮지만, 전체적으로 큰 인장 강도를 갖는 접합부를 형성할 수 있다. 이와 같이, 용접의 진행 방향과 직각인 방향의 단면에 대해, 조사하는 에너지가 큰 레이저광의 조사에 의한 심도가 깊은 응고부(5)와, 조사하는 에너지가 작은 레이저광의 조사에 의한 심도가 얕은 응고부(4)를 적어도 1개소 이상 갖고 있다. 이로 인해, 생산의 불균일에 의해 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 거의 없는 경우에도, 혹은 큰 간극(9)이 발생한 경우에서도, 어느 경우에나 접합 강도가 높은 안정된 용접을 저렴한 누름 지그를 이용하여 제작할 수 있다.

심도가 얕은 응고부(4)는, 1개소라도 있으면, 상기와 같이 간극(9)이 거의 없는 경우에 있어서 접합 강도를 유지하는 효과를 갖지만, 2개소 이상 있는 것이, 응력이 1개소에 집중하지 않고 분산되므로 바람직하다. 그 경우, 간극(9)이 있는 경우에 동일한 이유로, 심도가 깊은 응고부(5)도 2개소 이상 있는 것이 바람직하다. 그 일례로서, 심도가 깊은 응고부(5)가 중앙에 6개소 또한 심도가 얕은 응고부(4)가 양단에 2개소 있는 경우에 대해서, 도 2a에 레이저의 궤도, 도 2b와 도 2c에 단면을 각각 나타낸다. 또한, 도 2a에서는 양단에 심도가 얕은 응고부(4)가 있는데, 위치는, 양단이 아니어도 된다. 그 위치는 어느 곳이어도 문제없으며, 또 3개소 이상이어도 무방하다.

도 3a~도 3c에서는, 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)가 번갈아 배치되고, 그 수가 동일한 경우를 나타낸다. 인장의 응력이 용접부 전체에 균등하게 분산되므로, 응력 집중되지 않고 파괴에 대한 내성이 향상되어 안정되므로 가장 바람직하다.

(실시예 1)

실시예 1에 대해서 설명한다. 도 1b에 있어서, 도금 두께 6μm 니켈 도금을 실시한 두께 2mm의 구리 단자(1) 위에 두께 1mm의 알루미늄 버스 바(2)를 겹쳤다. 알루미늄 버스 바(2)의 상방으로부터 하방을 향해 누르는 지그(도시하지 않음)에 의해, 간극(9)이 가능한 한 벌어지지 않도록 배치했다. 알루미늄 버스 바(2)의 표면으로부터 심도가 얕은 응고부(4)를 형성하기 위한 궤도(7)(도 1a)를 따라서 섬유 레이저로부터 발진한 출력 800W의 레이저광(6a)을 500mm/s의 속도로 10mm의 거리를 조사하면서 주사했다.

다음에, 궤도(7)에 대해 0.1mm 가로로 어긋나게 하여, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하기 위한 8의 궤도를 따라서 1000W의 레이저광(6b)을 동일하게 800mm/s의 속도로 주사했다. 순차적으로 0.1mm씩 어긋나게 하면서, 동일하게 합계 7회 주사했다. 이 때의 도 1b의 상방으로의 인장 강도(박리 강도)를 측정한 바, 동일하게 제작한 3개의 샘플에서, 170N, 133N, 127N이며, 모두 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다. 인장 강도는 적어도 30N이상 이면 된다. 바람직하게는, 인장 강도는, 90N 이상이다. 이 값은, 이하의 실시예에서도 동일하다.

다음에, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm 벌어지도록 배치했다. 상기와 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도는, 183N, 198N, 145N이며, 간극(9)이 0.1mm인 경우에도, 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 1b의 가장 우측으로부터, 우측에서부터 4번째 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 간극(9)이 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 100N을 넘는 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치가 가장 좌측의 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 간극(9)이 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 100N을 넘는 인장 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 반드시 1개소는 심도가 얕은 응고부(4)를 형성하고, 심도가 깊은 응고부(5)를 복수 개 형성하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 안정된 용접 구조체를 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는 도금 두께나 단자의 두께, 버스 바의 두께의 일례를 나타냈는데, 이 값으로 한정된 내용은 아니다. 또, 레이저 출력, 용접 속도, 주사 간격 등의 조건은, 용접하는 금속 부재의 재료나 표면 상태, 판두께, 지그를 포함한 총 열용량에 의존하기 때문에, 상기로 한정된 내용은 아니다.

또, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부의 위치를, 가장 우측, 우측에서부터 4번째, 가장 좌측의 3개소에 대해서만 설명했는데, 어느 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 2)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(7)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(8)의 배치 이외에는 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다.

도 2b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치했다. 그 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 우측과 가장 좌측의 2개소가 되도록 레이저 조사 패턴(도 2a)을 설정하고, 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 181N, 153N, 161N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 144N, 152N, 177N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 2a의 가장 우측과 가장 좌측으로부터, 가장 우측과 우측에서부터 4번째 위치가 되도록 레이저 조사 패턴으로 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 간극(9)이 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 150~190N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치가 우측에서부터 4번째와 가장 좌측의 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여, 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 간극(9)이 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 150N~190N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부(4)를 2개소와, 그 이외의 복수 개소를 심도가 깊은 응고부(5)로 하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 보다 안정된 용접 구조체를 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 가장 우측과 가장 좌측, 가장 우측과 우측에서부터 4번째, 우측에서부터 4번째와 가장 좌측의 3개의 배치에 대해서만 설명했는데, 임의의 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 3)

도 3b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치했다. 그 후, 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)를 번갈아 배치하는 용접 구조로 하는 레이저 조사 패턴(도 3a)으로 설정하여, 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 163N, 177N, 165N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에 도 3c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 166N, 163N, 178N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)를 번갈아 배치하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 더욱 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치를 가장 우측에 배치하고, 순서대로 심도가 깊은 응고부(5)를 형성했는데, 반대로 심도가 깊은 응고부(5)를 먼저 형성하고 그 후 심도가 얕은 응고부(4)를 순차적으로 형성해도 동일한 효과가 얻어졌다.

(실시예 4)

심도가 얕은 응고부(4)의 심도와 심도가 깊은 응고부(5)의 심도의 비율과, 접합 강도의 관계를 조사했다.

접합 강도의 평가로서, 도 3b에 있어서의 알루미늄 버스 바(2)의 상방향으로의 인장 강도(박리 강도)의 측정을 행했다. 니켈 도금의 구리 단자(1)를 바이스로 고정하고, 계측 스탠드(인장 시험기)에 고정한 포스 게이지에 부착한 클램프에 의해 알루미늄 버스 바(2)의 용접되어 있지 않은 개소를 상방향으로 일정 속도로 인장했다. 니켈 도금의 구리 단자(1)가 박리되었을 때의 포스 게이지의 표시값을 인장 강도로 했다.

도 3b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 우측으로 하고, 다음에 심도가 깊은 응고부(5)를, 번갈아 형성했다. 이 때의 심도가 얕은 응고부(4)를 형성하기 위한 레이저광(6a)의 출력을 800W로 하고, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하기 위한 레이저광(6b)을 900W, 1000W, 1100W, 1200W, 1300W, 1400W의 조건으로 해, 각각으로 용접 구조를 형성했다. 레이저광의 주사 속도는 어느 것이나 500mm/s로 일정하게 했다. 계속해서, 도 3c에 나타낸 바와 같이 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다.

이 때의, 레이저 출력, 심도의 비율, 인장 강도의 관계를 표 2에 나타낸다. 도 4에, 간극(9)이 없는 경우의 인장 강도와 심도의 비율의 관계를 나타낸다. 인장 강도가, 100N 이상인 것을 합격으로 했다. 이 값은, 전지로서 필요한 조건이다.

또한, 심도는 평균의 심도로 했다. 표 2를 보면, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하기 위한 레이저광(6b)이 900W일 때에는, 심도가 얕고 접합 강도가 낮다. 동출력을 1000W 이상으로 올리면 심도가 깊어져, 심도의 증가에 따라 접합 강도가 향상되었다. 1000W의 간극(9)이 없는 사례에서, 심도가 깊은 응고부(5)의 심도가 얕은 응고부(4)에 대한 심도의 비율이 1.64배 이상에 있어서, 접합 강도가 향상되는 효과를 확인할 수 있었다. 적어도, 그 비는, 1.5배이면 된다.

또한, 본 실시예에서는 레이저 출력, 용접 속도의 설정의 일례를 나타냈는데, 이들의 값은 도금 두께나 단자의 두께, 버스 바의 두께에 따라서 최적치가 상이하다. 또, 용접하는 금속 부재의 재료나 표면 상태, 판두께, 지그를 포함한 총 열용량에 의존한다. 그러므로, 상기 값으로 한정한 내용은 아니다.

(비교예 1)

심도가 얕은 응고부(4)만을 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다.

상기와 동일하게, 레이저의 궤도를 도 5a, 접합부의 단면도를 도 5b, 도 5c에 나타낸다.

이 때의 인장 강도를 측정한 바, 198N, 205N, 177N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에, 간극(9)이 0.1mm일 때의 결과를 도 5c에 나타낸다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 15N, 7N, 49N이 되어, 모두 100N 미만인 낮은 접합 강도였다.

심도가 얕은 응고부(4)만의 용접 구조에서는, 간극(9)이 없을 때에는 금속간 화합물의 생성이 억제되어 응력에 강한 통상의 합금층이 되므로, 인장 응력을 완화할 수 있어 높은 접합 강도를 얻을 수 있다. 한편, 간극(9)이 있는 경우에는, 니켈 도금의 구리 단자(1)와 합금을 생성하는 용융량이 극단적으로 적어져, 현저하게 접합 강도가 저하되어 버린다. 이와 같이 간극(9)을 없앨 수 있으면 높은 접합 강도가 얻어지지만, 실제 생산에 있어서 안정적으로 확실하게 간극(9)을 없애는 것은 곤란하므로, 안정된 생산을 행할 수 없다.

(비교예 2)

심도가 깊은 응고부(5)만을 형성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다. 상기와 동일하게 레이저의 궤도를 도 6a, 접합부의 단면도를 도 6b, 도 6c에 나타낸다.

이 때의 인장 강도를 측정한 바, 52N, 83N, 77N이 되어, 모두 100N 미만인 접합 강도가 되었다.

다음에, 간극(9)이 0.1mm일 때의 결과를 도 6c에 나타낸다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 76N, 74N, 57N이 되어, 간극(9)이 없는 경우와 동일한 접합 강도가 얻어졌다.

심도가 깊은 응고부(5)만의 용접 구조에서는, 간극(9)이 없을 때에는 금속간 화합물이 대량으로 생성되어 인장 응력을 완화할 수 없다. 이 때문에, 비교예 1의 간극(9)이 없는 상태에 비해 반분 이하의 접합 강도밖에 얻어지지 않는다.

한편, 간극(9)이 있는 경우에 있어서도, 니켈 도금의 구리 단자(1) 내에 금속간 화합물이 대량으로 형성되므로, 간극(9)이 없는 경우와 동일한 접합 강도가 된다. 이와 같이 조사하는 레이저광의 출력을 향상시키면, 간극(9)의 유무에 상관없이, 어느 일정 정도의 접합 강도는 안정적으로 얻어진다. 그러나, 좁은 접합 면적으로 높은 접합 강도를 안정적으로 얻을 수는 없고, 높은 접합 강도가 필요한 버스 바 용접에 있어서는 용접 면적을 크게 할 필요가 있어, 저비용으로의 생산이 곤란해진다.

이상으로부터, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 용접에서는, 간극(9)의 유무에 상관없이, 안정된 용접이 가능하며, 수율이 높고 저비용인 용접을 실현할 수 있다.

(실시형태 2)

도 7a는, 실시형태 2에서의 레이저의 조작 방향을 나타내는 평면도이다. 도 7b는, 실시형태 2에 있어서의, 셀의 니켈 도금의 구리 단자(1)와 알루미늄 버스 바(2)의 용접 구조를 설명하는 단면도이다. 도 7b와 도 7c는, 도 7a의 B-B'의 단면도이다. 도 7c는, 간극(9)이 0.1mm일 때의 접합부의 단면이다.

실시형태 1과는, 레이저의 조작 경로(궤도)가 상이하다. 동심원이 되도록, 레이저를 조작한다.

(실시예 5)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(10)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(11) 이외에는 실시예 1과 동일하게 용접을 행했다.

도 7b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측으로 하고, 그 내측(도면에서는 좌측)에 심도가 깊은 응고부(5)가 되도록 했다. 또한 그 내측에도, 응고부(4)와 응고부(5)가 순차적으로 배치되는 용접 구조로 했다. 이 때의 레이저 조사 패턴을 도 7a에 나타낸다. 섬유 레이저로부터 발진한 출력 800W의 레이저광(6a)을 500mm/s의 속도로 직경 5mm의 원형의 궤도(10)를 따라서 주사했다. 다음에, 동심원으로 직경 4.8mm인 궤도(11)를 따라서 1000W의 레이저광(6b)을 동일하게 800mm/s의 속도로 주사했다. 순차적으로 직경을 0.2mm씩 작게 하면서 동일하게 합계 7회 원형으로 주사했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 동일하게 제작한 3개의 샘플에서, 159N, 140N, 183N이며, 모두 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다.

간극(9)이 있는 경우를, 도 7c에 나타낸다. 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 177N, 186N, 170N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 반드시 1개소는 있는 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)를 복수 개 형성하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이, 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서 나타낸 레이저 출력, 용접 속도, 주사 간격 등의 조건은, 용접하는 금속 부재의 재료나 표면 상태, 판두께, 지그를 포함한 총 열용량에 의존하기 때문에, 상기로 한정된 내용은 아니다.

또, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치를 가장 외측에 배치했을 경우에 대해서만 설명했는데, 어느 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다. 조사의 순서에 대해서도, 외측에서부터 시작하거나 내측에서부터 시작해도 용접의 원리 그 자체는 달라지지 않으므로, 임의의 순서로 조사해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 6)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(10)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(11)의 배치 이외에는 실시예 5와 동일하게 용접을 행했다.

도 8b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측과 가장 내측의 2개소가 되는 도 8a에 나타낸 레이저 조사 패턴으로 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 165N, 163N, 148N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에 도 8c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 152N, 128N, 138N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 8b, 도 8c의 가장 외측과 가장 내측으로부터, 가장 외측과 외측에서 4번째 위치가 되는 레이저 조사 패턴으로 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 120~170N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치가 외측에서부터 4번째와 가장 내측의 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 120~170N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부를 2개소, 그 이외의 복수 개소를 심도가 깊은 응고부로 하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 보다 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 가장 외측과 가장 내측, 가장 외측과 외측에서부터 4번째, 외측에서부터 4번째와 가장 내측의 3개의 배치에 대해서만 설명했는데, 임의의 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 7)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(10)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(11)의 배치 이외에는 실시예 6과 동일하게 용접을 행했다.

도 9b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한다. 그 후, 도 9b에 나타낸 바와 같이 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측으로 하고, 심도가 깊은 응고부(5)와 심도가 얕은 응고부(4)가 번갈아 배치되도록, 레이저 조사 패턴(도 9a)으로 변경하여 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 179N, 184N, 199N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에 도 9c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 194N, 177N, 179N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부와 심도가 깊은 응고부를 번갈아 배치하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 더욱 안정된 용접을 실현할 수 있고, 조사 패턴을 동심원형으로 함으로써, 안정된 높은 접합 강도의 이종재 용접이 얻어졌다.

또한, 본 실시예에서는, 동심원 상의 외측의 원주형상의 궤도부터 조사하기 시작해 내측으로 이동해가는 방법을 나타냈는데, 임의의 개소부터 시작해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시형태 3)

실시형태 3에서는, 실시형태 1과 달리, 레이저의 출력을 변화시키지 않고, 조작 속도를 바꾼다. 도 1a에서, 궤도(7)에서의 레이저의 조작 속도는 빠르고, 궤도(8)에서의 레이저의 조작 속도는 늦게 한다. 레이저의 조작 이외에, 실시형태 1과 동일하며, 동일한 도면으로 설명한다.

도 1b에 있어서, 심도가 얕은 합금의 응고부(4)는, 레이저광(6a)의 주사 속도가 빠르기 때문에 가열 시간이 짧고 용융시의 온도가 낮다. 그 때문에 레이저광(6a)이 이동하여 용융부로부터 멀어지면 신속하게 응고되므로 용융 시간이 짧고, 금속간 화합물로 되지 않는다. 결과, 통상의 합금(격자 결함이 많이 존재함)이 되어, 인장 응력에 대해 격자의 어긋남이 쉽게 일어난다. 그 때문에, 응력을 완화시킬 수 있어, 강도가 높은 용접이 된다.

한편, 레이저광의 주사 속도가 늦은 응고부(5)는, 응고부(4)에 비해 주사 속도가 늦고 가열 시간이 길어진다. 그 결과, 용융시의 온도가 높기 때문에, 레이저광(6b)이 이동하여 용융부로부터 멀어져도 응고되기까지 충분히 시간이 길게 걸린다. 그 때문에, 격자 결함이 거의 없는 금속간 화합물이 형성된다. 이 금속간 화합물은, 인장 응력에 대해 격자의 어긋남이 일어나기 어렵고 응력을 완화시킬 수 없다. 이 때문에, 응고부(4)보다 낮은 인장력으로 격자간의 박리가 발생해, 인장 강도가 낮다는 특징을 갖는다.

도 1b와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 거의 없는 경우에도, 응고부(4)에 의해서 높은 강도를 유지할 수 있다. 또, 생산의 불균일로 인해 도 1c와 같이 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 발생한 경우에는, 반대로 심도가 얕은 응고부(4)는 거의 구리 단자(1)와 용융되어 있지 않고, 응고부(4)에 의한 인장 강도는 거의 없다.

그러나, 이 경우에는 심도가 깊은 응고부(5)가 넓은 면적에서 구리 단자(1)와 용융되어 있고, 하나하나의 응고부(5)는 인장 강도가 낮다. 그러나, 전체적으로 큰 인장 강도를 갖는 접합부를 형성할 수 있다. 이와 같이, 용접의 진행 방향과 직각인 방향의 단면에 대해, 조사하는 에너지가 큰 레이저광의 조사에 의한 심도가 깊은 응고부(5)와, 조사하는 에너지가 작은 레이저광의 조사에 의한 심도가 얕은 응고부(4)를 적어도 1개소 이상 갖고 있다. 이에 따라, 생산의 불균일로 인해 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 거의 없는 경우에도, 혹은 큰 간극(9)이 발생한 경우에서도, 어느 경우에나 접합 강도가 높은 안정된 용접을 저렴한 누름 지그를 이용하여 제작할 수 있다.

심도가 얕은 응고부(4)는, 1개소라도 있으면 상기와 같이 간극(9)이 거의 없는 경우에 있어서, 접합 강도를 유지하는 효과를 갖는다. 그러나, 심도가 얕은 응고부(4)가 2개소 이상 있는 것이, 응력이 1개소에 집중되지 않고 분산되기 때문에 바람직하다. 그 경우, 간극(9)이 있는 경우에 동일한 이유로, 심도가 깊은 응고부(5)도 2개소 이상 있는 것이 바람직하다. 그 일례로서, 심도가 깊은 응고부(5)가 중앙에 6개소, 또한, 심도가 얕은 응고부(4)가 양단에 2개소 있는 경우에 대해서, 도 2b에 간극(9)이 없는 경우, 도 2c에 간극(9)이 있는 경우를 각각 나타낸다. 또, 그 때의 상면에서 본 레이저광의 조사 패턴을 도 2a에 나타낸다. 또한, 도 2b 및 도 2c에서는 양단에 심도가 얕은 응고부(4)가 있는데, 위치는 어느 곳이어도 문제없고, 또 3개소 이상이어도 무방하다.

다음에, 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부가 번갈아 배치되어 그 수가 동일한 경우를 나타낸다. 도 3b에 간극(9)이 없는 경우, 도 3c에 간극(9)이 있는 경우를 나타낸다. 이 경우, 인장의 응력이 용접부 전체에 균등하게 분산되므로, 응력 집중되지 않고 파괴에 대한 내성이 향상되어 안정되므로 가장 바람직하다.

(실시예 8)

실시예 8은, 실시예 7과 달리, 레이저의 조작 방향이 상이하다. 도 1a에 나타낸 바와 같이 레이저를 조작시킨다. 그 밖에, 실시예 7과 동일하다.

알루미늄 버스 바(2)의 표면으로부터 심도가 얕은 응고부(4)를 형성하기 위한 궤도(7)를 따라서 섬유 레이저로부터 발진한 출력 1200W의 레이저광(6a)을800mm/s의 속도로 10mm의 거리를 조사하면서 주사했다. 다음에, 궤도(7)에 대해 0.1mm 가로로 어긋나게 하여, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하기 위해 궤도(8)를 따라서 1200W의 레이저광(6b)을 500mm/s의 속도로 주사했다. 순차적으로 0.1mm씩 어긋나게 하면서, 동일하게 합계 7회 주사했다. 이 때의 도 1b의 상방으로의 인장 강도(박리 강도)를 측정한 바, 동일하게 제작한 3개의 샘플에서, 136N, 182N, 144N이며, 모두 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다.

다음에, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm 벌어지도록 배치하고, 상기와 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도는, 133N, 175N, 188N이며, 간극(9)이 0.1mm인 경우에도, 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 1b의 가장 우측으로부터, 우측에서부터 4번째 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 100N을 넘는 인장 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 반드시 1개소는 있는 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)를 복수 개 형성하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는 도금 두께나 단자의 두께, 버스 바의 두께의 일례를 나타냈는데, 이 값으로 한정한 내용은 아니다. 또, 레이저 출력, 용접 속도, 주사 간격 등의 조건은, 용접하는 금속 부재의 재료나 표면 상태, 판두께, 지그를 포함한 총 열용량에 의존하기 때문에, 상기로 한정된 내용은 아니다.

(실시예 9)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(7)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(8)의 배치 이외에는 실시예 8과 동일하게 용접을 행했다. 실시예 9의 레이저 조작 방향을 도 2a에 나타낸다. 접합부의 단면도를 도 2b에 나타낸다.

이 때의 인장 강도를 측정한 바, 166N, 203N, 190N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에 도 2c는, 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 154N, 181N, 199N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 2b의 가장 우측과 가장 좌측으로부터, 가장 우측과 우측에서부터 4번째 위치가 되도록 레이저 조사 패턴으로 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 150~210N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치가 우측에서부터 4번째와 가장 좌측의 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 150에서 210N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부의 위치를, 가장 우측과 가장 좌측, 가장 우측과 우측에서부터 4번째, 우측에서부터 4번째와 가장 좌측의 3개의 배치에 대해서만 설명했는데, 임의의 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 10)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(7)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(8)의 배치 이외에는 실시예 8과 동일하게 용접을 행했다.

레이저 조작 방향을 도 3a에, 접합부의 단면도를 도 3b에 나타낸다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 178N, 176N, 192N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 200N, 173N, 177N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부와 심도가 깊은 응고부를 번갈아 배치하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 더욱 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또한, 실시예 10에서는, 심도가 얕은 응고부의 위치를 가장 우측에 배치하고, 순서대로 심도가 깊은 응고부를 형성했는데, 반대로 심도가 깊은 응고부를 먼저 형성하고 그 후 심도가 얕은 응고부를 순차적으로 형성해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시형태 4)

실시형태 4는, 실시형태 3과 달리, 레이저의 조작 방향이 상이하다. 그 밖에 설명하지 않는 사항은 실시형태 2와 동일하다. 그래서, 실시형태 2의 도면을 이용하여 설명한다.

(실시예 11)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도의 이외에는 실시형태 2와 동일하게 용접을 행했다.

도 7b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측으로 하고, 그 내측(도면에서는 좌측)에 심도가 깊은 응고부(5)가 되도록, 또한 그 내측도 심도가 깊은 응고부(5)가 되도록 순차적으로 배치하는 용접 구조로 하는 레이저 조사 패턴을 도 7a에 나타냈다. 섬유 레이저로부터 발진한 출력 1200W의 레이저광(6a)을 800mm/s의 속도로 직경 5mm인 원형의 궤도(10)를 따라서 주사했다. 다음에, 동심원으로 직경 4.8mm인 궤도(11)를 따라서 동일하게 1200W의 레이저광(6b)을 500mm/s의 속도로 주사했다. 순차적으로 직경을 0.2mm씩 작게 하면서 동일하게 합계 7회 원형으로 주사했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 동일하게 제작한 3개의 샘플에서, 124N, 150N, 169N이며, 모두 100N을 넘는 높은 인장 강도를 나타냈다.

다음에 도 7c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 133N, 160N, 155N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

이와 같이, 반드시 1개소는 있는 심도가 얕은 응고부와 심도가 깊은 응고부를 복수 개 형성하는 용접 구조로 함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 안정된 용접을 실현할 수 있었다.

또, 본 실시예에서는, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치를 가장 외측에 배치한 경우에 대해서만 설명했는데, 어느 개소에 배치해도 동일한 효과가 얻어진다. 조사 순서에 대해서도, 외측에서부터 시작하거나 내측에서부터 시작해도 용접의 원리 그 자체는 달라지지 않으므로, 임의의 순서로 조사해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시예 12)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(10)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(11)의 배치 이외에는 실시예 11과 동일하게 용접을 행했다.

도 8b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치한 후, 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측과 가장 내측의 2개소가 되는 도 8a에 나타낸 레이저 조사 패턴으로 동일하게 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 177N, 154N, 147N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 158N, 163N, 139N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

심도가 얕은 응고부(4)의 위치를, 도 8b의 가장 외측과 가장 내측으로부터, 가장 외측과 외측에서부터 4번째 위치가 되는 레이저 조사 패턴으로 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 130~180N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

또한, 심도가 얕은 응고부(4)의 위치가 외측에서부터 4번째와 가장 내측의 위치가 되도록 레이저 조사 패턴을 변경하여 동일한 용접을 행한 결과, 간극(9)이 없는 경우와 0.1mm인 경우 둘 다에 있어서, 동일하게 130~180N 사이의 높은 인장 강도가 얻어졌다.

(실시예 13)

심도가 얕은 응고부(4)를 형성하는 레이저광(6a)의 궤도(10)와, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성하는 레이저광(6b)의 궤도(11)의 배치 이외에는 실시예 12와 동일하게 용접을 행했다.

도 9b에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 없도록 배치했다. 그 후, 도 9a에 나타낸 바와 같은 심도가 얕은 응고부(4)를 가장 외측으로 하고, 그 내측에 심도가 깊은 응고부(5)가 되도록, 또한, 내측에, 응고부(4)와 응고부(5)를 번갈아 배치하는 용접 구조로 했다. 그래서, 레이저 조사 패턴을 설정해 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 203N, 190N, 199N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

다음에 도 9c에 나타낸 바와 같이, 니켈 도금의 구리 단자(1) 위에 알루미늄 버스 바(2)의 간극(9)이 0.1mm가 되도록 배치한 후, 동일한 용접을 행했다. 이 때의 인장 강도를 측정한 바, 184N, 198N, 188N이 되어, 모두 100N을 넘는 높은 접합 강도가 얻어졌다.

또한, 본 실시예에서는, 동심원 상의 외측의 원주형상의 궤도에서부터 조사하기 시작해 내측으로 이동해가는 방법을 나타냈는데, 임의의 개소부터 시작해도 동일한 효과가 얻어진다.

(실시형태 5)

실시형태 5에 있어서의 레이저 조사 패턴을 도 10a의 평면도에 나타낸다. 도 10b, 도 10c는, 도 10a의 레이저의 주사 방향에 평행인 방향의 C-C'에 있어서의 단면도이다.

실시형태 1~4에서는, 레이저광의 주사의 진행 방향에 대해 직각인 방향의 단면에 대해 기술해 왔는데, 실시형태 5에서는 레이저광의 주사 방향에 평행인 방향의 단면에 대해서 기술한다.

도 10a는, 직선형으로 레이저광을 주사할 때에, 레이저 출력이 낮은 구간(17)과 레이저 출력이 높은 구간(18)을 번갈아 반복한다. 다음에, 주사 위치를 옮겨, 반대로 레이저 출력이 높은 구간과 낮은 구간을 반복하고, 또한 그것들을 번갈아 반복하고 있는 레이저 조사 패턴이다.

도 10b에 나타낸 바와 같이, 레이저의 주사 방향의 단면에서는, 출력이 낮은 레이저광(6a)을 복수의 구간에 조사해, 심도가 얕은 응고부(4)를 형성한다. 다음에, 출력이 높은 레이저광(6b)을 상이한 복수의 구간에 조사해, 심도가 깊은 응고부(5)를 형성한다. 이것을 반복함으로써, 레이저광의 진행 방향의 단면에 대해 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)를 번갈아 형성한 용접 구조를 형성하고 있다.

다음에, 레이저의 주사 위치를 옮겨, 이번에는 출력이 높은 레이저광(6b)을 복수의 구간에 조사하고, 그 후, 출력이 낮은 레이저광(6a)을 상이한 복수의 구간에 조사한다. 이것을 반복함으로써, 레이저광의 진행 방향의 단면에 대해 심도가 깊은 응고부(5)와 심도가 얕은 응고부(4)를 번갈아 형성한 용접 구조를 형성하고 있다.

이 레이저 조사 패턴을 반복함으로써, 도 10b에 나타낸 바와 같이 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)가 번갈아 형성된다. 또한, 레이저의 주사 방향에 직각인 방향의 단면 A-A'에 대해서도, 도 10b에 나타낸 바와 같이 심도가 얕은 응고부(4)와 심도가 깊은 응고부(5)가 번갈아 형성되어 있는 용접 구조로 되어 있다.

이러한 구조로 함으로써, 니켈 도금의 구리 단자(1)와 알루미늄 버스 바(2) 사이의 접합 면적이 커지고, 또한, 그 형상이 요철로 되어 있으므로, 앵커 효과가 작용하여, 어느 방향의 인장 응력에 대해서도 접합 강도의 향상과 안정화가 도모된다.

또한, 도 11에 나타낸 상면으로부터 본 용접 형상을 원형으로 함으로써, 또한 인장 응력의 균일한 분산이 가능해, 보다 접합 강도가 안정된다.

또한, 도 10c에 나타낸 바와 같이 간극(9)이 있었다고 해도, 접합 강도가 보다 안정된다.

이와 같이, 심도가 얕은 응고부와 심도가 깊은 응고부를 평면적으로 번갈아 배치함으로써, 간극(9)의 유무에 상관없이 더욱 안정된 보다 높은 접합 강도를 갖는 용접을 실현할 수 있다.

상기에서는, 알루미늄, 구리로 설명했는데, 금속간 화합물을 만드는 금속의 조합이라면 적응할 수 있다. 예를 들면, Ti와 Al이나 Ni와 Al, Fe와 Ti 등이 있으며, 이것들에 적용 가능하다.

본 실시예에서는, 레이저 발진기로서 섬유 레이저를 이용했는데, 고출력이 얻어지는 디스크 레이저, YAG 레이저, CO₂ 레이저, 반도체 레이저 등의 다른 레이저를 이용해도, 동일한 효과가 얻어진다.

본 발명에 의하면, 고품질 또한 저비용으로 알루미늄과 니켈 도금의 구리의 이종재 용접을 가능하게 한다. 그 때문에, 배터리 시스템을 저비용으로 제공할 수 있다. 또한, 고출력을 필요로 하는 차재용 전지나 정치(定置)용 축전 시스템으로서 적용할 수 있다.

1: 구리 단자 2: 알루미늄 버스 바
3: 알루미늄의 응고부 4: 응고부
5: 응고부 6a, 6b: 레이저광
7, 8, 10, 11, 12, 13: 궤도 9: 간극
17, 18: 구간 21: 제1 부재
22: 제2 부재 23: 저경도층
24: 고경도층 25: 제1층
26: 제2층

Claims

제1 부재와,
상기 제1 부재와 적층된 제2 부재의 금속 부재의 용접 구조로서,
상기 제1 부재의 표면에서 내부로 연장된 제1 응고부와,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재에 걸쳐 용융된 제2 응고부와,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재에 걸쳐 용융된 제3 응고부를 포함하고,
상기 제3 응고부는 상기 제2 응고부보다, 상기 제2 부재의 비적층면측에 가깝게 위치하는, 금속 부재의 용접 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 응고부는 복수 개 있는, 금속 부재의 용접 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 응고부는 복수 개 있고,
상기 복수의 제3 응고부와 상기 복수의 제2 응고부는 번갈아 위치하는, 금속 부재의 용접 구조.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 응고부의 적층면 방향의 길이는,
상기 제2 응고부의 적층면 방향의 길이의 1.5배 이상인, 금속 부재의 용접 구조.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 응고부와 상기 제3 응고부는 용접으로 형성되고,
상기 용접의 진행 방향에 수직인 단면에 대해, 상기 제2 응고부와 상기 제3 응고부가 번갈아 형성되어 있는, 금속 부재의 용접 구조.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부재는 알루미늄이며,
상기 제2 부재는 구리인, 금속 부재의 용접 구조.
레이저광을 직선형으로 주사하는 제1의 주사 조건과,
상기 제1의 주사 조건에 의해 주사하는 레이저광의 궤도와는 다른 궤도를,
상기 제1의 레이저광보다 출력이 낮은 레이저광을 직선형으로 주사하는 제2의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.
직경이 상이한 동심원형으로 레이저광을 주사하여, 레이저광을 원형으로 주사하는 제1의 주사 조건과,
상기 제1의 레이저광의 궤도와는 상이하고 또한 상기 제1의 레이저광보다 출력이 낮은 레이저광을 원형으로 주사하는 제2의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 제1의 주사 조건과 상기 제2의 주사 조건을 번갈아 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.
레이저광을 직선형으로 주사하는 제3의 주사 조건과,
상기 제3의 주사 조건에 의해 주사하는 레이저광의 궤도와는 다른 궤도를,
상기 제3의 레이저광보다 속도가 빠른 레이저광을 직선형으로 주사하는 제4의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.
직경이 상이한 동심원형으로 레이저광을 주사하여, 레이저광을 원형으로 주사하는 제3의 주사 조건과, 상기 제3의 레이저광의 궤도와는 상이하고 또한 상기 제3의 레이저광보다 속도가 빠른 레이저광을 원형으로 주사하는 제4의 주사 조건 중 적어도 각각 1회씩은 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
상기 제3의 주사 조건과 상기 제4의 주사 조건을 번갈아 주사하는, 금속 부재의 용접 방법.