專(zhuān)利名稱(chēng)：激光接合部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在金屬板的重合接合中以較少的激光照射能量得到足夠的接合強(qiáng)度的激光接合部件及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為 現(xiàn)有的激光接合部件及其制造方法，存在如下的方法:在銅板和銅板的重合接合中，在被激光照射的銅板的表面形成鍍鎳膜，對(duì)于該鍍膜照射激光從而對(duì)于重合的銅板之間進(jìn)行接合(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)I)。圖6是表示記載于專(zhuān)利文獻(xiàn)I中的現(xiàn)有的激光接合部件及其制造方法的圖。
如圖6所示，在復(fù)合板材11上配置銅板12。復(fù)合板材11由銅和銅一鑰燒結(jié)體的層疊體形成。在銅板12的表面(上表面)上形成有鍍鎳膜13。鎳的YAG激光吸收率是銅和銅合金的YAG激光吸收率的2.5倍。在對(duì)于鍍鎳膜13照射激光而將銅板12焊接在復(fù)合板材11上的情況下，與對(duì)于銅板12照射激光而將銅板12焊接在復(fù)合板材11上的情況相比，能夠以更低的激光功率和能量得到所希望的焊接狀態(tài)。
另外，圖7是表示記載于專(zhuān)利文獻(xiàn)2的現(xiàn)有的激光接合部件及其制造方法的圖。如圖7所示，復(fù)合板材22的端面與復(fù)合板材23的端面相接觸。包層板材22、23均通過(guò)高融點(diǎn)材料24與低融點(diǎn)材料25堆疊而構(gòu)成。在所述端面中，復(fù)合板材22的高融點(diǎn)材料24與復(fù)合板材23的高融點(diǎn)材料24’相接觸，復(fù)合板材22的低融點(diǎn)材料25與復(fù)合板材23的低融點(diǎn)材料25’相接觸。對(duì)于高融點(diǎn)材料24、24’的接觸部28照射激光來(lái)焊接高融點(diǎn)材料24、24’，從而形成焊道部26。接著，同樣地對(duì)于低融點(diǎn)材料25、25’的接觸部29照射激光來(lái)焊接低融點(diǎn)材料25、25’，從而形成焊道部27。在該方法中，沒(méi)有實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生高融點(diǎn)材料24和低融點(diǎn)材料25的熔透。因此，復(fù)合板材22、23具有的各種特性在利用激光接合所得到的激光接合部件中被保持。(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。
另外，在使第一金屬板與第二金屬板重合并從第一金屬板側(cè)照射激光來(lái)接合兩金屬板的方法中，公知有如下的方法:在第一金屬板的一個(gè)表面或兩個(gè)面形成第一鍍膜，在第二金屬板的一個(gè)表面或兩個(gè)面形成第二鍍膜。第一鍍膜和第二鍍膜的厚度均為數(shù)μ m。在第一鍍膜的激光吸收率高于第二鍍膜的激光吸收率時(shí)，能夠使激光能量進(jìn)一步變小。另外，在第一鍍膜的融點(diǎn)高于第二鍍膜的融點(diǎn)時(shí)，能防止因激光照射導(dǎo)致的第一鍍膜的爆炸。另夕卜，在第二鍍膜的融點(diǎn)高于第一鍍膜的融點(diǎn)時(shí)，能防止因激光照射導(dǎo)致的第二金屬板的爆炸(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)3 6)。另外，公知有如下的方法:在具有焊錫覆膜的銅合金的基板上重疊具有焊錫覆膜的銅或銅合金的罩，對(duì)于罩照射激光來(lái)接合兩部件(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn) 7、8)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)I日本特開(kāi)2007- 165690號(hào)公報(bào)
專(zhuān)利文獻(xiàn)2日本專(zhuān)利第3272787號(hào)公報(bào)
專(zhuān)利文獻(xiàn)3日本特開(kāi)2009- 226420號(hào)公報(bào)
專(zhuān)利文獻(xiàn)4美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)第2009/ 0236321號(hào)說(shuō)明書(shū)
專(zhuān)利文獻(xiàn)5國(guó)際公開(kāi)第1992/ 000828號(hào)小冊(cè)子
專(zhuān)利文獻(xiàn)6美國(guó)專(zhuān)利第5343014號(hào)說(shuō)明書(shū)
專(zhuān)利文獻(xiàn)7日本特開(kāi)昭62- 068691號(hào)公報(bào)
專(zhuān)利文獻(xiàn)8美國(guó)專(zhuān)利第4697061號(hào)說(shuō)明書(shū)發(fā)明內(nèi)容
在上述現(xiàn)有技術(shù)中，在對(duì)于金屬板的材料使用銅、對(duì)于鍍膜的材料使用鎳的情況下，利用表面的鍍鎳膜使激光吸收率上升。但是，銅的熱傳導(dǎo)性高、鍍鎳膜薄，因此，熱從激光的照射部分逃散到周邊，從而激光的照射部分的周邊的溫度也上升。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中存在如下的問(wèn)題:為了使激光的照射部分的溫度足夠高而進(jìn)行激光接合，需要很大的能量。
本發(fā)明用于解決上述現(xiàn)有的問(wèn)題，其目的在于提供一種激光接合部件及其制造方法，該激光接合部件以少量的激光能量確保足夠的接合強(qiáng)度，并且周邊的溫度上升小。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下的激光接合部件。
[I]激光接合部件，包括:
金屬部件X，其由第一金屬材料構(gòu)成；
金屬部件Y，其由所述第一金屬材料構(gòu)成，并配置在金屬部件X之上；
表面層，其形成在所述金屬部件Y的上表面并由第二金屬材料構(gòu)成，該第二金屬材料能與所述第一金屬材料合金化，且激光吸收率高于所述第一金屬材料、斷裂強(qiáng)度高于所述第一金屬材料；以及
再凝固部，其通過(guò)利用來(lái)自所述表面層上方的激光的照射而發(fā)生了熔融的所述第一金屬材料和所述第二金屬材料的合金化，從而自所述表面層的表面形成到所述金屬部件X的內(nèi)部。
[2]如[I]所述的激光接合部件，其中，
所述金屬部件Y的厚度為0.1mm以上，
所述表面層的厚度為金屬部件Y的厚度的10分之I以上且2分之I以下。
[3]如[I]或[2]所述的激光接合部件，其中，
所述第二金屬材料的熔融溫`度高于所述第一金屬材料的熔融溫度。
[4]如[I] [3]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件，其中，
所述金屬部件X的上表面處的所述再凝固部的寬度大于金屬部件Y的上表面處的所述再凝固部的寬度。
[5]如[I] [4]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件，其中，
所述第二金屬材料的耐腐蝕性高于所述第一金屬材料。
[6]如[I] [5]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件，其中，
所述第一金屬材料為Cu,所述第二金屬材料為Ni。
[7]如[I] [6]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件，其中，
還包括形成在所述金屬部件X的上表面或金屬部件Y的下表面的、由所述第二金屬材料構(gòu)成的中間層。
[8]如[I] [7]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件，其中，
所述再凝固部的中心軸線(xiàn)相對(duì)于所述表面層的表面的法線(xiàn)的傾斜角為5 45度。
另外，本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的而提供以下的激光接合部件的制造方法。
[9]激光接合部件的制造方法，其包括第一工序和第二工序，
在該第一工序中，準(zhǔn)備從下到上依次重疊有金屬部件X、金屬部件Y以及表面層而得到的層疊體，其中所述金屬部件X由第一金屬材料構(gòu)成，所述金屬部件Y由所述第一金屬材料構(gòu)成，所述表面層由能與所述第一金屬材料合金化的第二金屬材料構(gòu)成且形成在金屬部件Y的上表面上，
在該第二工序中，對(duì)于所述表面層照射激光，通過(guò)使構(gòu)成所述表面層的所述第二金屬材料與構(gòu)成所述金屬部件X和所述金屬部件Y的所述第一金屬材料的合金化，形成從所述表面層的表面到達(dá)金屬部件X的內(nèi)部的再凝固部，
所述第二金屬材料的激光吸收率高于所述第一金屬材料，并且所述第二金屬材料的斷裂強(qiáng)度高于所述第一金屬材料。
[10]如[9]所述的激光接合部件的制造方法，其中，
所述第二工序是使所述激光相對(duì)于所述表面層的表面的法線(xiàn)傾斜地照射的工序，
該制造方法還包括如下的工序:在不與包含所述表面層的表面的法線(xiàn)和所述激光的照射軸的面平行的方向上，用所述激光對(duì)于所述表面層的表面進(jìn)行掃描。
[11]如[10]所述的激光接合部件的制造方法，其中，
所述照射軸相對(duì)于所述法線(xiàn)的傾斜角為5 45度。
[12]如[9] [11]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件的制造方法，其中，
所述激光的波長(zhǎng)為0.8 2.0 μ m。
[13]如[9] [12]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件的制造方法，其中，
照射所述激光的激光振蕩器為光纖激光振蕩器。
進(jìn)而，本發(fā)明提供一種電池，其包含[I] [8]中任一項(xiàng)所述的激光接合部件。
根據(jù)本發(fā)明，以斷裂強(qiáng)度比第一金屬材料更高的第二金屬材料形成所述表面層，從表面層側(cè)形成利用激光照射的再凝固部，因此在金屬部件X和金屬部件Y的激光接合中，能夠以更小的接合面積得到足夠的接合強(qiáng)度。另外，表面層的厚度通常大于鍍膜的厚度。因此，根據(jù)本發(fā)明的激光接合部件及其制造方法，能夠以較少的激光能量確保足夠的接合強(qiáng)度，還能夠使周邊的溫度上升變小。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式I的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施方式2的激光接合部件及其制造方法的接合用材料的剖面圖。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式3的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。
圖5是用于說(shuō)明本發(fā)明中的再凝固部的形狀的剖面圖。
圖6是表示專(zhuān)利文獻(xiàn)I所記載的現(xiàn)有的激光接合部件及其制造方法的焊接狀態(tài)的剖面圖。
圖7是表示專(zhuān)利文獻(xiàn)2所記載的現(xiàn)有的激光接合部件及其制造方法的焊接狀態(tài)的剖面圖。
標(biāo)記說(shuō)明
I金屬部件X
2金屬部件Y
3表面層
4a 4d、39、39b、39c 再凝固部
5金屬部件Z
6中間層
11、31、42、44 復(fù)合板材
12、32、34 銅板
13鍍鎳膜
22、23復(fù)合板材
24、24’高融點(diǎn)材料
25、25’低融點(diǎn)材料
26、27 焊道部
28、29 接觸部
33、40、45 鎳層
35、35b 激光
36、36b 聚光鏡
37、37b鎳熔融區(qū)域
38、38c銅熔融區(qū)域
Al激光35b的照射軸
Ax再凝固部4a 4d的中心軸線(xiàn)
Ia傾斜角
L再凝固部4a 4d的長(zhǎng)度
Li再凝固部4a 4d中的中間層6的長(zhǎng)度
Ls再凝固部4a 4d中的表面層3的長(zhǎng)度
Lx再凝固部4a 4d中的金屬部件X的長(zhǎng)度
Ly再凝固部4a 4d中的金屬部件Y的長(zhǎng)度
Lz再凝固部4a 4d中的金屬部件Z的長(zhǎng)度
Ns鎳層33的上表面的法線(xiàn)
Wl金屬部件X的上表面中的再凝固部4a 4d的寬度
W2金屬部件Y的上表面中的再凝固部4a 4d的寬度具體實(shí)施方式
本發(fā)明的激光接合部件包括金屬部件X、配置在金屬部件X之上的金屬部件Y、形成在金屬部件Y的上表面的表面層、以及從所述表面層的表面形成到金屬部件X的內(nèi)部為止的再凝固部。
金屬部件X和金屬部件Y均由第一金屬材料制造。所述第一金屬材料能夠根據(jù)激光接合部件的用途從金屬或合金中選擇。金屬部件X的形狀只要能與金屬部件Y重疊，則沒(méi)有特別限制。
作為金屬部件Y的形成后述再凝固部的位置的厚度，只要為能夠利用激光接合形成所述再凝固部這一范圍的厚度，則沒(méi)有特別限定。金屬部件Y的厚度從確保作為構(gòu)造材料的強(qiáng)度的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選為0.1mm以上。另外，從利用激光接合形成所述再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選金屬部件Y的形成所述再凝固部的部分的厚度為2.0mm以下。
所述表面層由第二金屬材料制造。作為所述第二金屬材料，能夠從金屬或合金中選擇滿(mǎn)足后述條件的金屬或合金。首先，所述第二金屬材料能夠在與所述第一金屬材料發(fā)生熔融時(shí)形成合金。所述第二金屬材料優(yōu)選為與所述第一金屬材料構(gòu)成無(wú)限固溶體的材料，但為能夠形成合金的金屬材料即可。
另外，所述第二金屬材料的激光吸收率高于所述第一金屬材料的激光吸收率?；蛘?，所述第二金屬材料的反射率小于所述第一金屬材料的反射率。從減少激光能量的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的所述反射率相對(duì)于所述第一金屬材料的所述反射率之差為1%以上。所述第一金屬材料的所述反射率和所述第二金屬材料的所述反射率例如能夠由分光光度計(jì)求出。
進(jìn)而，所述第二金屬材料的斷裂強(qiáng)度大于所述第一金屬材料的斷裂強(qiáng)度。所述斷裂強(qiáng)度能夠通過(guò)拉伸強(qiáng)度的測(cè)量而求出。從得到激光接合中的足夠接合強(qiáng)度的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的斷裂強(qiáng)度與所述第一金屬材料的斷裂強(qiáng)度相比大出0.2kg / mm2以上。
另外，從所述表面層的表面到更深的位置形成所述再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的熔融溫度高于所述第一金屬材料的熔融溫度。從上述觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的熔融溫度比所述第一金屬材料的熔融溫度高出80°C以上。
另外，從以更小的激光照射面積形成所述再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的熱傳導(dǎo)率低于所述第一金屬材料的熱傳導(dǎo)率。從上述觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的熱傳導(dǎo)率與所述第一金屬材料的熱傳導(dǎo)率相比低出low / (m-K)以上。
另外，從得到防銹效果的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第二金屬材料的耐腐蝕性高于所述第一金屬材料的耐腐蝕性。所述第一金屬材料的伽伐尼電位與所述第二金屬材料的伽伐尼電位之差越小，則所述耐腐蝕性越高。從上述觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述第一金屬材料的伽伐尼電位與所述第二金屬材料伽伐尼電位之差為0.2V以下。
所述表面層形成在金屬部件Y的上表面。所述表面層既可以形成在金屬部件Y的整個(gè)上表面，也可以?xún)H形成在激光的照射部分及其周邊。優(yōu)選的是，例如所述表面層以該表面層大于由被匯聚成的激光所照射的區(qū)域的方式形成在金屬部件Y的上表面，并且，優(yōu)選的是，所述表面層以例如應(yīng)被激光照射的部分至少由0.1 1.0mm的寬度或其以上寬度的區(qū)域所包圍的方式形成在金屬部件Y的上表面。
至少激光的照射部分處的所述表面層的厚度優(yōu)選為金屬部件Y的厚度的10分之I以上且2分之I以下。通過(guò)后述的再凝固部中的“合金化”，斷裂強(qiáng)度等所述第二金屬材料的物理性能充分地附加在再凝固部上，從這一觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述表面層的厚度為上述范圍。另外，從形成到達(dá)金屬部件X內(nèi)部的再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述表面層的厚度為1.0mm以下。
所述表面層例如能夠通過(guò)使用了粉末的厚膜形成法形成在金屬部件Y的上表面。另外，能夠?qū)⑹惺鄣膹?fù)合板材用作具有所述表面層的金屬部件Y。
所述再凝固部為所述第一金屬材料和所述第二金屬材料的合金。所述再凝固部與所述再凝固部相鄰的所述第二金屬材料和所述第一金屬材料一體地接合。
通過(guò)利用激光照射在所述表面層上而發(fā)生了熔融的所述第一金屬材料與所述第二金屬材料的合金化，所述再凝固部從所述表面層的表面形成到金屬部件X的內(nèi)部。在此，“合金化”指的是所述第一金屬材料與所述第二金屬材料形成合金，以使得所述第二金屬材料的物理性顯著且有意義地被顯現(xiàn)。所述第二金屬材料的物理性包含斷裂強(qiáng)度。
本發(fā)明中的“合金化”是出于使第二金屬材料的所希望的物理性在所述再凝固部中顯著且有意義地被顯現(xiàn)的觀(guān)點(diǎn)，不同于使用現(xiàn)有的鍍膜的激光接合。如上所述，公知的是，在銅板之間的激光接合中，在激光的照射面形成鎳的鍍膜來(lái)進(jìn)行所述激光接合。鍍膜的厚度通常為數(shù)μ m左右。因此，在通過(guò)對(duì)鍍膜照射激光來(lái)進(jìn)行的激光接合中，在再凝固部的合金組成中，第二金屬材料(鎳)的量相對(duì)于第一金屬材料(銅)的量的比率小。因此，在這樣的再凝固部中，通常鎳的物理性(例如斷裂強(qiáng)度)并不會(huì)充分顯現(xiàn)。這樣，在現(xiàn)有的形成第二金屬材料的鍍膜的金屬部件X和金屬部件Y的激光接合中，再凝固部中的第二金屬材料的含量少于使第二金屬材料的所希望的物理性顯著且有意義地顯現(xiàn)的量。
所述再凝固部能夠通過(guò)用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察包含所述再凝固部的剖面的所述激光接合部件的剖面來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。在無(wú)法區(qū)別所述再凝固部和所述第一金屬材料的差異時(shí)，根據(jù)需要利用酸或堿對(duì)于所述剖面進(jìn)行蝕刻，從而能夠以可由顯微鏡識(shí)別所述再凝固部的方式進(jìn)行表示。另外，所述再凝固部的金屬材料的組成能夠通過(guò)俄歇電子分光法或X線(xiàn)光電子分光法等檢測(cè)金屬材料的組成的通常方法來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。
圖5A表不在由金屬部件X (標(biāo)記I)、金屬部件Y (標(biāo)記2)、以及表面層(標(biāo)記3)構(gòu)成的層疊體上沿著表面層的表面的法線(xiàn)而形成的再凝固部(標(biāo)記4a)。圖5B表示相對(duì)于所述表面層表面的法線(xiàn)傾斜而形成在所述層疊體的再凝固部(標(biāo)記4b)。再凝固部4b的中心軸線(xiàn)相對(duì)于所述表面層表面的法線(xiàn)的傾斜角例如為5 45度。將沿著所述表面層表面的法線(xiàn)的所述再凝固部的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)。另外，將沿著所述法線(xiàn)的所述再凝固部中的金屬部件X的部分的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)x、將沿著所述法線(xiàn)的所述再凝固部中的金屬部件Y的部分的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)y、將沿著所述法線(xiàn)的所述再凝固部中的表面層的部分的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)s。
在圖5A和圖5B中，所述再凝固部的合金組成中第二金屬材料的量相對(duì)于第一金屬材料的量的比率(第二金屬材料的量/第一金屬材料的量)根據(jù)Ls的大小而不同。例如，若使Ls相對(duì)于Ly的比率(厚度比)變大，則能夠使所述合金組成中的第二金屬材料的比率變大。因此，能夠使所述再凝固部中的第二金屬材料的物理性更顯著地被發(fā)現(xiàn)。
本發(fā)明的激光接合部件也可以在能得到本發(fā)明的效果的范圍下還包含其他結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明的激光接合部件也可以在金屬部件X和金屬部件Y之間還具備由所述第一金屬材料構(gòu)成的金屬部件Z。使用的金屬部件Z的數(shù)量既可以為一個(gè)也可以為多個(gè)。
圖5C表示在由金屬部件X (標(biāo)記I)、金屬部件Z (標(biāo)記5)、金屬部件Y (標(biāo)記2)、以及表面層(標(biāo)記3)構(gòu)成的層疊體上沿著表面層的法線(xiàn)所形成的再凝固部(標(biāo)記4c)。將沿著所述法線(xiàn)的所述再凝固部中的金屬部件Z的部分的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)z。Lz也是金屬部件Z的厚度。能夠在所述再凝固部可從所述表面層經(jīng)由金屬部件Y和金屬部件Z而到達(dá)金屬部件X內(nèi)部的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)卮_定金屬部件Z的厚度。
另外，本發(fā)明的激光接合部件還可以包括形成在金屬部件X的上表面或金屬部件Y的下表面的中間層。所述中間層由所述第二金屬材料構(gòu)成。所述中間層與所述表面層同樣，既可以形成在金屬部件X的整個(gè)上表面或金屬部件Y的整個(gè)下表面，也可以?xún)H形成在與激光照射部分對(duì)應(yīng)的位置上。
圖表不在由金屬部件X (標(biāo)記I)、中間層(標(biāo)記6)、金屬部件Y (標(biāo)記2)以及表面層(標(biāo)記3)構(gòu)成的層疊體上沿著表面層表面的法線(xiàn)所形成的再凝固部(標(biāo)記4D)。將沿著所述法線(xiàn)的所述再凝固部中的所述中間層的部分的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)i。Li也是中間層的厚度。
在此，如圖5A 圖所示，將金屬部件X的上表面處的寬度設(shè)為W1、將金屬部件Y的上表面處的寬度設(shè)為W2。Wl也是金屬部件X和金屬部件Y (在圖5C中為金屬部件Z)的界面與所述再凝固部的中心軸線(xiàn)Ax之間的交點(diǎn)處的所述再凝固部的寬度。W2也是金屬部件Y和表面層的界面與所述再凝固部的中心軸線(xiàn)Ax之間的交點(diǎn)處的所述再凝固部的寬度。另外，將所述再凝固部處的表面層側(cè)取為基端側(cè)，將金屬部件X側(cè)取為前端側(cè)。所述再凝固部通常具有在基端部具有一定的寬度，在前端部寬度漸漸縮小的形狀。因此，Wl通常小于W2。
本發(fā)明的激光接合部件能夠用以下的方法制造。
本發(fā)明中的激光接合部件的制造方法包括第一工序和第二工序，其中該第一工序準(zhǔn)備從下到上依次重疊金屬部件X、金屬部件Y、所述表面層而成的層疊體；該第二工序以激光照射所述層疊體而形成從所述表面層的表面到達(dá)金屬部件X的內(nèi)部的再凝固部。在所述第二工序中，利用激光照射熔化構(gòu)成所述表面層的所述第二金屬材料和構(gòu)成金屬部件X和金屬部件Y的所述第一金屬材料，同時(shí)使它們合金化。
能夠通過(guò)在金屬部件Y的上表面形成所述表面層、將該金屬部件Y載于金屬部件X上來(lái)進(jìn)行所述第一工序。或者，能夠通過(guò)將復(fù)合板材載于金屬部件X上來(lái)進(jìn)行所述第一工序。所述“復(fù)合板材”具有所述第一金屬材料的部件和形成在該部件的上表面上的所述第二金屬材料的所述表面層，所述第二金屬材料與所述第一金屬材料壓接而成。也可以是，為了定位而使金屬部件Y或所述復(fù)合板材暫時(shí)固定在金屬部件X上。
在所述第二工序中照射的激光也能夠根據(jù)所述第一金屬材料和所述第二金屬材料的種類(lèi)進(jìn)行選擇。作為所述激光，能夠適當(dāng)?shù)剡x擇例如這樣的激光，該激光具有所述第一金屬材料的鏡面處的光的反射率相對(duì)于所述第二金屬材料的鏡面處的光的反射率之差為I %以上的波長(zhǎng)。例如，在以本發(fā)明的方法對(duì)于通常在電子設(shè)備中的電極部件、構(gòu)造材料中使用的金屬部件進(jìn)行激光接合時(shí)，所述激光的波長(zhǎng)優(yōu)選為0.8 2.0 μ m。
從使所述再凝固部的軸方向的剖面面積變小、并且形成沿著所述軸方向更長(zhǎng)的所述再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述激光是以小照射面積更深地被金屬部件吸收的激光。作為這樣的激光源，例如列舉出光纖激光。
所述第二工序若是使所述激光相對(duì)于所述表面層表面的法線(xiàn)傾斜地進(jìn)行照射的工序，則能得到相對(duì)于所述法線(xiàn)傾斜的所述再凝固部。傾斜的所述再凝固部從更加提高沿著所述法線(xiàn)方向的接合強(qiáng)度的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)為優(yōu)選的。從激光照射的穩(wěn)定化的觀(guān)點(diǎn)、以及得到足夠深度的所述再凝固部的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，所述激光的照射軸相對(duì)于所述法線(xiàn)的傾斜角優(yōu)選為5 45度(圖4)。
作為本發(fā)明中的激光接合部件的制造方法，也可以在能得到本發(fā)明的效果的范圍內(nèi)進(jìn)一步包含其他工序。作為該其他的工序，例如列舉出以所述激光對(duì)于所述表面層的表面進(jìn)行掃描的工序。在這樣的激光掃描工序中，從通過(guò)相對(duì)于所述法線(xiàn)傾斜地照射激光而得到更高的所述接合強(qiáng)度的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，用激光進(jìn)行掃描的方向?yàn)椴慌c包含所述法線(xiàn)和所述照射軸的面平行的方向。從上述觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，用激光進(jìn)行掃描的方向優(yōu)選為垂直于包含所述法線(xiàn)和所述照射軸的面(實(shí)施方式3)。
本發(fā)明的電池包含上述的本發(fā)明的激光接合部件。在本發(fā)明的電池中，所述激光接合部件適合于單體電池或電池組中的電極部件。另外，所述激光接合部件還能夠用于所述電池組的構(gòu)造材料。
以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
[實(shí)施方式I]
圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式I的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。
如圖1 (a)所示，在厚度0.4mm的銅板34上重疊復(fù)合板材31。在厚度0.2mm的銅板32之上形成厚度0.1mm的鎳層33而形成復(fù)合板材31。使鎳層33位于上方，將復(fù)合板材31重疊在銅板34上的所希望的位置。銅板34相當(dāng)于金屬部件X。銅板32相當(dāng)于金屬部件Y。鎳層33相當(dāng)于所述表面層。銅相當(dāng)于所述第一金屬材料。鎳相當(dāng)于所述第二金屬材料。在銅板32上重疊復(fù)合板材31而成的部件相當(dāng)于所述層疊體。
如圖1 (b)所示，由聚光鏡匯聚從鎳層33的上方照射來(lái)的激光35，并將其照射在鎳層33上。激光35為以260W的輸出功率照射的、波長(zhǎng)1.08 μ m的光纖激光。然后，在圖1(b)中的垂直于紙面的方向使用激光35以70mm /秒的速度對(duì)于鎳層33的上表面進(jìn)行掃描。
與第二高次諧波YAG激光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)0.5 μ m的光在銅鏡面處的反射率和在鎳鏡面處的反射率均為62%。與碳酸氣體激光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)10.6μπι的光在銅鏡面處的反射率和在鎳鏡面處的反射率均為97 %以上。接近于YAG激光、光纖激光或半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)1.06 μ m的光在銅鏡面處的反射率為98%，而在鎳鏡面處的反射率為67%。因此，對(duì)于YAG激光、光纖激光或半導(dǎo)體激光的、鎳的吸收效率與銅的吸收效率相比相當(dāng)高。因此，優(yōu)選使用YAG激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光等波長(zhǎng)為0.8 2.0 μ m的激光而在鎳層高效率地吸收激光。
另外，銅的熔融溫度為1083°C，鎳的熔融溫度為1453°C。銅的密度和鎳的密度均為8.93g / cm2。因此，若照射激光35，則超過(guò)銅的熔融溫度而被加熱了的熔融鎳對(duì)于與鎳層33接觸的銅板32進(jìn)行加熱。因此，除了由激光對(duì)銅加熱之外，還由熔融鎳對(duì)銅加熱，從而銅更容易熔融。另外，銅的熱傳導(dǎo)率為398W / (111*10，鎳的熱傳導(dǎo)率為90.51 / (m.K)。因此，能夠抑制在激光35的照射部分的附近處向平面方向的熱擴(kuò)散。因此，復(fù)合板材31與銅板34的接合不僅是高效率的，還能夠降低向周邊的熱擴(kuò)散。因此，本實(shí)施方式的激光接合適于在有可能暴露于高溫下而受到損傷的電子部件等的附近進(jìn)行的激光接合。
光纖激光的聚光性尤為良好，其聚光點(diǎn)徑可集中到數(shù)10 μ m。因此，如圖1 (C)所示，形成鎳層33的表面處的面積小的熔融部，并且激光能量到達(dá)所述層疊體內(nèi)部的深處。因此，能夠通過(guò)小孔加工形成又細(xì)又深的熔融部。該熔融部流入利用激光形成的穿孔部，從而形成深度長(zhǎng)、寬度細(xì)的鎳熔融區(qū)域37，并在其周?chē)ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)形成銅熔融區(qū)域38。然后，鎳熔融區(qū)域37和銅熔融區(qū)域38通過(guò)激光能量或在熔融區(qū)域中的對(duì)流等而相互攪拌。
兩金屬的合金為無(wú)限固溶體。因此，如圖1 (d)所示，兩金屬容易在熔融的同時(shí)以任意的組成比進(jìn)行合金化，合金化朝深度方向進(jìn)行。其結(jié)果是，通過(guò)合金化形成的再凝固部39從鎳層33的表面形成到銅板34的內(nèi)部，對(duì)復(fù)合板材31和銅板34進(jìn)行連結(jié)。再凝固部39在復(fù)合板材31和銅板34的界面處也進(jìn)行合金化。該再凝固部39在如上述那樣被攪拌的同時(shí)發(fā)生了凝固，因此如柱狀結(jié)構(gòu)那樣的、靜態(tài)凝固的特征性的結(jié)構(gòu)少，組成也根據(jù)部位而發(fā)生變動(dòng)，并不為恒定。作為斷裂強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)的、銅的拉伸強(qiáng)度為21.7kgf / mm2(212.8N / mm2)、鎳的拉伸強(qiáng)度為32.2kgf / mm2(315.8N / mm2)。通過(guò)具有比銅高的強(qiáng)度的鎳與銅進(jìn)行合金化，再凝固部39的硬度比銅單體的再凝固部的硬度進(jìn)一步提高。因此，根據(jù)鎳的含量，再凝固部39的強(qiáng)度變得高于銅單體的再凝固部的強(qiáng)度。因此，為了得到相同斷裂強(qiáng)度所需要的本實(shí)施方式中的焊接面積小于銅之間的激光接合的焊接部處的焊接面積即可。
例如，以?huà)呙杷俣?0mm /秒并以250W照射光纖激光而對(duì)銅和銅進(jìn)行接合時(shí)，所得到的焊接部的斷裂強(qiáng)度為2N / mm。另一方面，在為本實(shí)施方式的情況下，以?huà)呙杷俣?20mm /秒并以250W照射光纖激光而形成了再凝固部39時(shí)，再凝固部39的斷裂強(qiáng)度為12N / _。這樣，在本實(shí)施方式的激光接合中，與銅之間的激光接合相比，生產(chǎn)性和強(qiáng)度均得到很大提高。因此，通過(guò)設(shè)置鎳層33，為了得到相同的接合強(qiáng)度使用少量的激光能量即可。另外，鎳的耐腐蝕性高于銅，因此也能夠得到防銹效果。不同種類(lèi)的金屬接觸會(huì)引起電蝕，但3%氯化鈉溶液中的伽伐尼電位，銅為+ 0.04V，鎳為一 0.03V。這樣，基于這些金屬的組合的電位差非常小。因此，在由這些金屬構(gòu)成的再凝固部39中難以產(chǎn)生電蝕。
此外，在本實(shí)施方式中，取為在銅板32上設(shè)置鎳層33的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明中的第一金屬材料和第二金屬材料的組合并不限于銅和鎳的組合。只要形成表面層的第二金屬材料與第一金屬材料相比其激光的反射率低且斷裂強(qiáng)度高、并且第一金屬材料和第二金屬材料的組合是容易進(jìn)行合金化的金屬的組合，則能夠得到同樣的效果。例如，若作為第一金屬材料使用黃銅、青銅等以銅為主要成分的銅合金來(lái)代替銅，則能夠得到同樣的效果。
另外，作為其他的成分方面，鐵和銅的二元合金也是無(wú)限固溶體，將反射率低的鐵層作為所述表面層形成在銅板表面，從而也能得到同樣的效果。鐵和鉻的二元合金也是無(wú)限固溶體，將反射率低的鐵層作為所述表面層形成在鉻板表面，從而也能得到同樣的效果。
除此之外，作為形成由非無(wú)限固溶體的合金構(gòu)成的再凝固部的方法，通過(guò)如下方案也能得到同樣的效果，即:將作為所述表面層的鉻層形成在鋁板表面、將作為所述表面層的鋁層形成在銅板表面、或者將作為所述表面層的鐵層形成在鋁板表面，從而能夠得到同樣的效果。
另外，通過(guò)使用以鐵為主要成分的鋼、或者包含鎳或鉻的不銹鋼等鋼來(lái)代替鐵，也能夠得到同樣的效果。在本實(shí)施方式中，從確保作為構(gòu)造材料的強(qiáng)度的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，銅板32的厚度例如為0.1mm以上。對(duì)于許多加工用激光具有的波長(zhǎng)0.5 10.6μπι的光的、金屬材料的吸收深度為0.007 0.037 μ m。因此，若目的僅在于提高激光吸收率，鎳層33的厚度取為銅板32的厚度0.1mm的0.04%即可。厚度為數(shù)μ m的鍍鎳層的厚度為銅板32的厚度0.1mm的數(shù)％。但是，考慮到在表面層的金屬(本實(shí)施方式中為鎳)與作為金屬材料的金屬的合金中，為了顯著且有意義地顯現(xiàn)表面層的金屬的物理性，比金屬材料的金屬成分少的表面層的金屬成分需要在合金中至少含有10%以上、50%以下的量的表面層的金屬成份。從這樣的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，鎳層33的厚度優(yōu)選為銅板32的厚度的10分之I以上且2分之I以下。
[實(shí)施方式2]
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。圖2(e)是實(shí)施方式2的激光接合部件的包含再凝固部的剖面的光學(xué)顯微鏡照片(顯示在顯示器上的半色調(diào)圖像)。在圖2中，對(duì)于與圖1相同的構(gòu)成要素使用相同的標(biāo)記，省略其說(shuō)明。
在圖2中，與圖1的不同之處在于，如圖2 (a)所示那樣，將復(fù)合板材31換成復(fù)合板材42，該復(fù)合板材42具有銅板32和鎳層33之外，在銅板32之下(下表面)進(jìn)一步具有厚度0.05mm的鎳層40。鎳層40相當(dāng)于所述中間層。
在圖2 (b)中的激光35的照射順序與圖1相同。在圖2 (C)中，與圖1同樣，利用小孔加工而形成深度深、寬度細(xì)的鎳熔融區(qū)域37b。另外，在鎳熔融區(qū)域37b的周?chē)?，通過(guò)熱傳導(dǎo)形成銅的熔融區(qū)域38b。在鎳熔融區(qū)域37b到達(dá)鎳層40后，鎳重新熔融。因此，不僅是在深度方向鎳熔融區(qū)域37b伸長(zhǎng)，而且在銅板34內(nèi)形成寬度寬的銅熔融區(qū)域38c。
其結(jié)果是，如圖2 Cd)的示意圖和圖2 Ce)的剖面照片所示那樣，對(duì)于再凝固部39b的形狀，在鎳層40和銅板34的界面直徑稍許增大(Wl > W2)。進(jìn)而，再凝固部39b中的直徑增大了的部分的鎳濃度變高。由此，不僅接合面積變大，而且鎳量也增加，所以接合強(qiáng)度進(jìn)一步提聞。
此外，在本實(shí)施方式中，如圖3所示那樣，而使用由銅板34和形成在該銅板34的上表面的鎳層45構(gòu)成的復(fù)合板材44來(lái)代替使用銅板34，也能夠得到同樣的結(jié)果。
[實(shí)施方式3]
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式3的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面圖。圖4 (c)是實(shí)施方式3的激光接合部件的包含再凝固部的剖面的光學(xué)顯微鏡照片(顯示在顯示器上的中間色調(diào)圖像)。
在圖4中，與圖2的不同之處在于，如圖4 (a)所示，傾斜設(shè)置聚光鏡36b，以能夠使激光35b傾斜地照射，在垂直于圖4 Ca)的紙面的方向，以激光對(duì)于鎳層33的表面進(jìn)行掃描。如圖(a)所不,掃描方向?yàn)榇怪庇诎噷?3的表面的法線(xiàn)Ns、以及與該法線(xiàn)Ns交叉的激光的照射軸Al的面的方向。另外，將法線(xiàn)Ns和與該法線(xiàn)Ns交叉的照射軸Al在鎳層33的表面上所形成的角設(shè)為傾斜角IA。
掃描方向也可以未必是垂直于圖4 (a)的紙面的方向。通過(guò)這樣傾斜地照射激光35b,能夠防止激光35b在鎳層33的表面一部分發(fā)生反射而返回到激光振蕩器,激光振蕩器中的振蕩狀態(tài)變得不穩(wěn)定。進(jìn)而，如圖4 (b)的示意圖和圖4 (c)的剖面照片所示那樣，被合金化了的再凝固部39c相對(duì)于法線(xiàn)Ns傾斜地形成在復(fù)合板材42和銅板34的內(nèi)部。
在激光接合部件中，若在板厚方向(沿著法線(xiàn)Ns的方向)產(chǎn)生剝離應(yīng)力，則容易引起再凝固部與第一金屬材料的界面處的損壞。但是，再凝固部39c相對(duì)于各銅板傾斜地形成，因此難以被板厚方向的剝離應(yīng)力所損壞。因此，與垂直于各銅板的表面地形成再凝固部的情況相比，能夠使針對(duì)所述剝離應(yīng)力的抵抗力進(jìn)一步提高。激光35b傾斜的角度(傾斜角)只要為相對(duì)于鎳層33表面的法線(xiàn)傾斜5度以上，就能夠避免被照射了的激光返回激光振蕩器。若傾斜角變大，則在激光35b的表面層處的反射率變大，有時(shí)照射能難以被吸收到復(fù)合板材42中。另外，有時(shí)再凝固部39c的深度會(huì)變淺?；谶@些觀(guān)點(diǎn)，優(yōu)選傾斜角為45度以下。
本申請(qǐng)主張基于2011年3月14日申請(qǐng)的日本特愿第2011 — 055113號(hào)的優(yōu)先權(quán)。記載于該申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容被全部引用于本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)中。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的激光接合部件及其制造方法能夠以少量的激光能量確保足夠的接合強(qiáng)度，并能使周邊的溫度上升也變小。因此，除了能夠適用于機(jī)構(gòu)部件以外，還能夠適用于電池的電極材料等的強(qiáng)度確?；蛘唠?、熱等的傳導(dǎo)性確保的用途。
權(quán)利要求
1.激光接合部件，包括: 金屬部件X，其由第一金屬材料構(gòu)成； 金屬部件Y，其由所述第一金屬材料構(gòu)成，并配置在金屬部件X之上； 表面層，其形成在所述金屬部件Y的上表面并由第二金屬材料構(gòu)成，該第二金屬材料能與所述第一金屬材料合金化，且激光吸收率高于所述第一金屬材料、斷裂強(qiáng)度高于所述第一金屬材料；以及 再凝固部，其通過(guò)利用來(lái)自所述表面層上方的激光的照射而發(fā)生了熔融的所述第一金屬材料和所述第二金屬材料的合金化，從而自所述表面層的表面形成到所述金屬部件X的內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述金屬部件Y的厚度為0.1mm以上， 所述表面層的厚度為金屬部件Y的厚度的10分之I以上且2分之I以下。
3.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述第二金屬材料的熔融溫度高于所述第一金屬材料的熔融溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述金屬部件X的上表面處的所述再凝固部的寬度大于金屬部件Y的上表面處的所述再凝固部的寬度。
5.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件,其中， 所述第二金屬材料的耐腐蝕性高于所述第一金屬材料。
6.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述第一金屬材料為Cu,所述第二金屬材料為Ni。
7.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件,其中， 還包括形成在所述金屬部件X的上表面或金屬部件Y的下表面的、由所述第二金屬材料構(gòu)成的中間層。
8.如權(quán)利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述再凝固部的中心軸線(xiàn)相對(duì)于所述表面層的表面的法線(xiàn)的傾斜角為5 45度。
9.激光接合部件的制造方法，其包括第一工序和第二工序， 在該第一工序中，準(zhǔn)備從下到上依次重疊有金屬部件X、金屬部件Y以及表面層而得到的層疊體，其中所述金屬部件X由第一金屬材料構(gòu)成，所述金屬部件Y由所述第一金屬材料構(gòu)成，所述表面層由能與所 述第一金屬材料合金化的第二金屬材料構(gòu)成且形成在金屬部件Y的上表面， 在該第二工序中，對(duì)于所述表面層照射激光，通過(guò)使構(gòu)成所述表面層的所述第二金屬材料與構(gòu)成所述金屬部件X和所述金屬部件Y的所述第一金屬材料的合金化，形成從所述表面層的表面到達(dá)金屬部件X的內(nèi)部的再凝固部， 所述第二金屬材料的激光吸收率高于所述第一金屬材料，并且所述第二金屬材料的斷裂強(qiáng)度高于所述第一金屬材料。
10.如權(quán)利要求9所述的激光接合部件的制造方法，其中， 所述第二工序是使所述激光相對(duì)于所述表面層的表面的法線(xiàn)傾斜地照射的工序， 該制造方法還包括如下的工序:在不與包含所述表面層的表面的法線(xiàn)和所述激光的照射軸的面平行的方向上，用所述激光對(duì)于所述表面層的表面進(jìn)行掃描。
11.如權(quán)利要求10所述的激光接合部件的制造方法，其中， 所述照射軸相對(duì)于所述法線(xiàn)的傾斜角為5 45度。
12.如權(quán)利要求9所述的激光接合部件的制造方法，其中， 所述激光的波長(zhǎng)為0.8 2.0 μ m。
13.如權(quán)利要求9所述的激光接合部件的制造方法，其中， 照射所述激光的激光振蕩器為光纖激光振蕩器。
14.電池，其包含權(quán) 利要求1所述的激光接合部件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光接合部件及其制造方法，該激光接合部件以少量的激光能量確保足夠的接合強(qiáng)度，并且周邊的溫度上升也很小。在重合的2片以上的銅板中位于最上方的銅板的上表面以足夠的厚度形成作為表面層的鎳層，從鎳層的上方照射激光，從而將所述銅板的銅和所述鎳層的鎳熔融、合金化而成的再凝固部形成到最下方的銅板內(nèi)為止，對(duì)所述銅板之間進(jìn)行接合。通過(guò)將鎳與銅進(jìn)行合金化，從而形成斷裂強(qiáng)度高的再凝固部。因此，能夠以小焊接面積、少量的激光能量對(duì)銅板進(jìn)行接合。
文檔編號(hào)B23K26/32GK103140320SQ20128000315
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者西川幸男, 田中知實(shí), 糸井俊樹(shù), 古林義玲 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社