激光接合部件及其制造方法

专利名称：激光接合部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在金属板的重合接合中以较少的激光照射能量得到足够的接合强度的激光接合部件及其制造方法。
背景技术：
作为 现有的激光接合部件及其制造方法，存在如下的方法:在铜板和铜板的重合接合中，在被激光照射的铜板的表面形成镀镍膜，对于该镀膜照射激光从而对于重合的铜板之间进行接合(例如参照专利文献I)。图6是表示记载于专利文献I中的现有的激光接合部件及其制造方法的图。
如图6所示，在复合板材11上配置铜板12。复合板材11由铜和铜一钥烧结体的层叠体形成。在铜板12的表面(上表面)上形成有镀镍膜13。镍的YAG激光吸收率是铜和铜合金的YAG激光吸收率的2.5倍。在对于镀镍膜13照射激光而将铜板12焊接在复合板材11上的情况下，与对于铜板12照射激光而将铜板12焊接在复合板材11上的情况相比，能够以更低的激光功率和能量得到所希望的焊接状态。
另外，图7是表示记载于专利文献2的现有的激光接合部件及其制造方法的图。如图7所示，复合板材22的端面与复合板材23的端面相接触。包层板材22、23均通过高融点材料24与低融点材料25堆叠而构成。在所述端面中，复合板材22的高融点材料24与复合板材23的高融点材料24’相接触，复合板材22的低融点材料25与复合板材23的低融点材料25’相接触。对于高融点材料24、24’的接触部28照射激光来焊接高融点材料24、24’，从而形成焊道部26。接着，同样地对于低融点材料25、25’的接触部29照射激光来焊接低融点材料25、25’，从而形成焊道部27。在该方法中，没有实质上产生高融点材料24和低融点材料25的熔透。因此，复合板材22、23具有的各种特性在利用激光接合所得到的激光接合部件中被保持。(例如参照专利文献2)。
另外，在使第一金属板与第二金属板重合并从第一金属板侧照射激光来接合两金属板的方法中，公知有如下的方法:在第一金属板的一个表面或两个面形成第一镀膜，在第二金属板的一个表面或两个面形成第二镀膜。第一镀膜和第二镀膜的厚度均为数μ m。在第一镀膜的激光吸收率高于第二镀膜的激光吸收率时，能够使激光能量进一步变小。另外，在第一镀膜的融点高于第二镀膜的融点时，能防止因激光照射导致的第一镀膜的爆炸。另夕卜，在第二镀膜的融点高于第一镀膜的融点时，能防止因激光照射导致的第二金属板的爆炸(例如参照专利文献3 6)。另外，公知有如下的方法:在具有焊锡覆膜的铜合金的基板上重叠具有焊锡覆膜的铜或铜合金的罩，对于罩照射激光来接合两部件(例如参照专利文献 7、8)。
专利文献I日本特开2007- 165690号公报
专利文献2日本专利第3272787号公报
专利文献3日本特开2009- 226420号公报
专利文献4美国专利申请公开第2009/ 0236321号说明书
专利文献5国际公开第1992/ 000828号小册子
专利文献6美国专利第5343014号说明书
专利文献7日本特开昭62- 068691号公报
专利文献8美国专利第4697061号说明书发明内容
在上述现有技术中，在对于金属板的材料使用铜、对于镀膜的材料使用镍的情况下，利用表面的镀镍膜使激光吸收率上升。但是，铜的热传导性高、镀镍膜薄，因此，热从激光的照射部分逃散到周边，从而激光的照射部分的周边的温度也上升。因此，在现有技术中存在如下的问题:为了使激光的照射部分的温度足够高而进行激光接合，需要很大的能量。
本发明用于解决上述现有的问题，其目的在于提供一种激光接合部件及其制造方法，该激光接合部件以少量的激光能量确保足够的接合强度，并且周边的温度上升小。
为了实现上述目的，本发明提供以下的激光接合部件。
[I]激光接合部件，包括:
金属部件X，其由第一金属材料构成；
金属部件Y，其由所述第一金属材料构成，并配置在金属部件X之上；
表面层，其形成在所述金属部件Y的上表面并由第二金属材料构成，该第二金属材料能与所述第一金属材料合金化，且激光吸收率高于所述第一金属材料、断裂强度高于所述第一金属材料；以及
再凝固部，其通过利用来自所述表面层上方的激光的照射而发生了熔融的所述第一金属材料和所述第二金属材料的合金化，从而自所述表面层的表面形成到所述金属部件X的内部。
[2]如[I]所述的激光接合部件，其中，
所述金属部件Y的厚度为0.1mm以上，
所述表面层的厚度为金属部件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，
所述第二金属材料的熔融温`度高于所述第一金属材料的熔融温度。
[4]如[I] [3]中任一项所述的激光接合部件，其中，
所述金属部件X的上表面处的所述再凝固部的宽度大于金属部件Y的上表面处的所述再凝固部的宽度。
[5]如[I] [4]中任一项所述的激光接合部件，其中，
所述第二金属材料的耐腐蚀性高于所述第一金属材料。
[6]如[I] [5]中任一项所述的激光接合部件，其中，
所述第一金属材料为Cu,所述第二金属材料为Ni。
[7]如[I] [6]中任一项所述的激光接合部件，其中，
还包括形成在所述金属部件X的上表面或金属部件Y的下表面的、由所述第二金属材料构成的中间层。
[8]如[I] [7]中任一项所述的激光接合部件，其中，
所述再凝固部的中心轴线相对于所述表面层的表面的法线的倾斜角为5 45度。
另外，本发明为了实现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，
在该第一工序中，准备从下到上依次重叠有金属部件X、金属部件Y以及表面层而得到的层叠体，其中所述金属部件X由第一金属材料构成，所述金属部件Y由所述第一金属材料构成，所述表面层由能与所述第一金属材料合金化的第二金属材料构成且形成在金属部件Y的上表面上，
在该第二工序中，对于所述表面层照射激光，通过使构成所述表面层的所述第二金属材料与构成所述金属部件X和所述金属部件Y的所述第一金属材料的合金化，形成从所述表面层的表面到达金属部件X的内部的再凝固部，
所述第二金属材料的激光吸收率高于所述第一金属材料，并且所述第二金属材料的断裂强度高于所述第一金属材料。
[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对于所述表面层的表面的法线倾斜地照射的工序，
该制造方法还包括如下的工序:在不与包含所述表面层的表面的法线和所述激光的照射轴的面平行的方向上，用所述激光对于所述表面层的表面进行扫描。
[11]如[10]所述的激光接合部件的制造方法，其中，
所述照射轴相对于所述法线的倾斜角为5 45度。
[12]如[9] [11]中任一项所述的激光接合部件的制造方法，其中，
所述激光的波长为0.8 2.0 μ m。
[13]如[9] [12]中任一项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荡器为光纤激光振荡器。
进而，本发明提供一种电池，其包含[I] [8]中任一项所述的激光接合部件。
根据本发明，以断裂强度比第一金属材料更高的第二金属材料形成所述表面层，从表面层侧形成利用激光照射的再凝固部，因此在金属部件X和金属部件Y的激光接合中，能够以更小的接合面积得到足够的接合强度。另外，表面层的厚度通常大于镀膜的厚度。因此，根据本发明的激光接合部件及其制造方法，能够以较少的激光能量确保足够的接合强度，还能够使周边的温度上升变小。


图1是表示本发明实施方式I的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。
图2是表示本发明实施方式2的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。
图3是本发明实施方式2的激光接合部件及其制造方法的接合用材料的剖面图。
图4是表示本发明实施方式3的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。
图5是用于说明本发明中的再凝固部的形状的剖面图。
图6是表示专利文献I所记载的现有的激光接合部件及其制造方法的焊接状态的剖面图。
图7是表示专利文献2所记载的现有的激光接合部件及其制造方法的焊接状态的剖面图。
标记说明
I金属部件X
2金属部件Y
3表面层
4a 4d、39、39b、39c 再凝固部
5金属部件Z
6中间层
11、31、42、44 复合板材
12、32、34 铜板
13镀镍膜
22、23复合板材
24、24’高融点材料
25、25’低融点材料
26、27 焊道部
28、29 接触部
33、40、45 镍层
35、35b 激光
36、36b 聚光镜
37、37b镍熔融区域
38、38c铜熔融区域
Al激光35b的照射轴
Ax再凝固部4a 4d的中心轴线
Ia倾斜角
L再凝固部4a 4d的长度
Li再凝固部4a 4d中的中间层6的长度
Ls再凝固部4a 4d中的表面层3的长度
Lx再凝固部4a 4d中的金属部件X的长度
Ly再凝固部4a 4d中的金属部件Y的长度
Lz再凝固部4a 4d中的金属部件Z的长度
Ns镍层33的上表面的法线
Wl金属部件X的上表面中的再凝固部4a 4d的宽度
W2金属部件Y的上表面中的再凝固部4a 4d的宽度具体实施方式
本发明的激光接合部件包括金属部件X、配置在金属部件X之上的金属部件Y、形成在金属部件Y的上表面的表面层、以及从所述表面层的表面形成到金属部件X的内部为止的再凝固部。
金属部件X和金属部件Y均由第一金属材料制造。所述第一金属材料能够根据激光接合部件的用途从金属或合金中选择。金属部件X的形状只要能与金属部件Y重叠，则没有特别限制。
作为金属部件Y的形成后述再凝固部的位置的厚度，只要为能够利用激光接合形成所述再凝固部这一范围的厚度，则没有特别限定。金属部件Y的厚度从确保作为构造材料的强度的观点出发，优选为0.1mm以上。另外，从利用激光接合形成所述再凝固部的观点出发，优选金属部件Y的形成所述再凝固部的部分的厚度为2.0mm以下。
所述表面层由第二金属材料制造。作为所述第二金属材料，能够从金属或合金中选择满足后述条件的金属或合金。首先，所述第二金属材料能够在与所述第一金属材料发生熔融时形成合金。所述第二金属材料优选为与所述第一金属材料构成无限固溶体的材料，但为能够形成合金的金属材料即可。
另外，所述第二金属材料的激光吸收率高于所述第一金属材料的激光吸收率。或者，所述第二金属材料的反射率小于所述第一金属材料的反射率。从减少激光能量的观点出发，优选所述第二金属材料的所述反射率相对于所述第一金属材料的所述反射率之差为1%以上。所述第一金属材料的所述反射率和所述第二金属材料的所述反射率例如能够由分光光度计求出。
进而，所述第二金属材料的断裂强度大于所述第一金属材料的断裂强度。所述断裂强度能够通过拉伸强度的测量而求出。从得到激光接合中的足够接合强度的观点出发，优选所述第二金属材料的断裂强度与所述第一金属材料的断裂强度相比大出0.2kg / mm2以上。
另外，从所述表面层的表面到更深的位置形成所述再凝固部的观点出发，优选所述第二金属材料的熔融温度高于所述第一金属材料的熔融温度。从上述观点出发，优选所述第二金属材料的熔融温度比所述第一金属材料的熔融温度高出80°C以上。
另外，从以更小的激光照射面积形成所述再凝固部的观点出发，优选所述第二金属材料的热传导率低于所述第一金属材料的热传导率。从上述观点出发，优选所述第二金属材料的热传导率与所述第一金属材料的热传导率相比低出low / (m-K)以上。
另外，从得到防锈效果的观点出发，优选所述第二金属材料的耐腐蚀性高于所述第一金属材料的耐腐蚀性。所述第一金属材料的伽伐尼电位与所述第二金属材料的伽伐尼电位之差越小，则所述耐腐蚀性越高。从上述观点出发，优选所述第一金属材料的伽伐尼电位与所述第二金属材料伽伐尼电位之差为0.2V以下。
所述表面层形成在金属部件Y的上表面。所述表面层既可以形成在金属部件Y的整个上表面，也可以仅形成在激光的照射部分及其周边。优选的是，例如所述表面层以该表面层大于由被汇聚成的激光所照射的区域的方式形成在金属部件Y的上表面，并且，优选的是，所述表面层以例如应被激光照射的部分至少由0.1 1.0mm的宽度或其以上宽度的区域所包围的方式形成在金属部件Y的上表面。
至少激光的照射部分处的所述表面层的厚度优选为金属部件Y的厚度的10分之I以上且2分之I以下。通过后述的再凝固部中的“合金化”，断裂强度等所述第二金属材料的物理性能充分地附加在再凝固部上，从这一观点出发，优选所述表面层的厚度为上述范围。另外，从形成到达金属部件X内部的再凝固部的观点出发，优选所述表面层的厚度为1.0mm以下。
所述表面层例如能够通过使用了粉末的厚膜形成法形成在金属部件Y的上表面。另外，能够将市售的复合板材用作具有所述表面层的金属部件Y。
所述再凝固部为所述第一金属材料和所述第二金属材料的合金。所述再凝固部与所述再凝固部相邻的所述第二金属材料和所述第一金属材料一体地接合。
通过利用激光照射在所述表面层上而发生了熔融的所述第一金属材料与所述第二金属材料的合金化，所述再凝固部从所述表面层的表面形成到金属部件X的内部。在此，“合金化”指的是所述第一金属材料与所述第二金属材料形成合金，以使得所述第二金属材料的物理性显著且有意义地被显现。所述第二金属材料的物理性包含断裂强度。
本发明中的“合金化”是出于使第二金属材料的所希望的物理性在所述再凝固部中显著且有意义地被显现的观点，不同于使用现有的镀膜的激光接合。如上所述，公知的是，在铜板之间的激光接合中，在激光的照射面形成镍的镀膜来进行所述激光接合。镀膜的厚度通常为数μ m左右。因此，在通过对镀膜照射激光来进行的激光接合中，在再凝固部的合金组成中，第二金属材料(镍)的量相对于第一金属材料(铜)的量的比率小。因此，在这样的再凝固部中，通常镍的物理性(例如断裂强度)并不会充分显现。这样，在现有的形成第二金属材料的镀膜的金属部件X和金属部件Y的激光接合中，再凝固部中的第二金属材料的含量少于使第二金属材料的所希望的物理性显著且有意义地显现的量。
所述再凝固部能够通过用光学显微镜观察包含所述再凝固部的剖面的所述激光接合部件的剖面来进行确认。在无法区别所述再凝固部和所述第一金属材料的差异时，根据需要利用酸或碱对于所述剖面进行蚀刻，从而能够以可由显微镜识别所述再凝固部的方式进行表示。另外，所述再凝固部的金属材料的组成能够通过俄歇电子分光法或X线光电子分光法等检测金属材料的组成的通常方法来进行确认。
图5A表不在由金属部件X (标记I)、金属部件Y (标记2)、以及表面层(标记3)构成的层叠体上沿着表面层的表面的法线而形成的再凝固部(标记4a)。图5B表示相对于所述表面层表面的法线倾斜而形成在所述层叠体的再凝固部(标记4b)。再凝固部4b的中心轴线相对于所述表面层表面的法线的倾斜角例如为5 45度。将沿着所述表面层表面的法线的所述再凝固部的长度取为L。另外，将沿着所述法线的所述再凝固部中的金属部件X的部分的长度取为Lx、将沿着所述法线的所述再凝固部中的金属部件Y的部分的长度取为Ly、将沿着所述法线的所述再凝固部中的表面层的部分的长度取为Ls。
在图5A和图5B中，所述再凝固部的合金组成中第二金属材料的量相对于第一金属材料的量的比率(第二金属材料的量/第一金属材料的量)根据Ls的大小而不同。例如，若使Ls相对于Ly的比率(厚度比)变大，则能够使所述合金组成中的第二金属材料的比率变大。因此，能够使所述再凝固部中的第二金属材料的物理性更显著地被发现。
本发明的激光接合部件也可以在能得到本发明的效果的范围下还包含其他结构。例如，本发明的激光接合部件也可以在金属部件X和金属部件Y之间还具备由所述第一金属材料构成的金属部件Z。使用的金属部件Z的数量既可以为一个也可以为多个。
图5C表示在由金属部件X (标记I)、金属部件Z (标记5)、金属部件Y (标记2)、以及表面层(标记3)构成的层叠体上沿着表面层的法线所形成的再凝固部(标记4c)。将沿着所述法线的所述再凝固部中的金属部件Z的部分的长度取为Lz。Lz也是金属部件Z的厚度。能够在所述再凝固部可从所述表面层经由金属部件Y和金属部件Z而到达金属部件X内部的范围内适当地确定金属部件Z的厚度。
另外，本发明的激光接合部件还可以包括形成在金属部件X的上表面或金属部件Y的下表面的中间层。所述中间层由所述第二金属材料构成。所述中间层与所述表面层同样，既可以形成在金属部件X的整个上表面或金属部件Y的整个下表面，也可以仅形成在与激光照射部分对应的位置上。
图表不在由金属部件X (标记I)、中间层(标记6)、金属部件Y (标记2)以及表面层(标记3)构成的层叠体上沿着表面层表面的法线所形成的再凝固部(标记4D)。将沿着所述法线的所述再凝固部中的所述中间层的部分的长度取为Li。Li也是中间层的厚度。
在此，如图5A 图所示，将金属部件X的上表面处的宽度设为W1、将金属部件Y的上表面处的宽度设为W2。Wl也是金属部件X和金属部件Y (在图5C中为金属部件Z)的界面与所述再凝固部的中心轴线Ax之间的交点处的所述再凝固部的宽度。W2也是金属部件Y和表面层的界面与所述再凝固部的中心轴线Ax之间的交点处的所述再凝固部的宽度。另外，将所述再凝固部处的表面层侧取为基端侧，将金属部件X侧取为前端侧。所述再凝固部通常具有在基端部具有一定的宽度，在前端部宽度渐渐缩小的形状。因此，Wl通常小于W2。
本发明的激光接合部件能够用以下的方法制造。
本发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，其中该第一工序准备从下到上依次重叠金属部件X、金属部件Y、所述表面层而成的层叠体；该第二工序以激光照射所述层叠体而形成从所述表面层的表面到达金属部件X的内部的再凝固部。在所述第二工序中，利用激光照射熔化构成所述表面层的所述第二金属材料和构成金属部件X和金属部件Y的所述第一金属材料，同时使它们合金化。
能够通过在金属部件Y的上表面形成所述表面层、将该金属部件Y载于金属部件X上来进行所述第一工序。或者，能够通过将复合板材载于金属部件X上来进行所述第一工序。所述“复合板材”具有所述第一金属材料的部件和形成在该部件的上表面上的所述第二金属材料的所述表面层，所述第二金属材料与所述第一金属材料压接而成。也可以是，为了定位而使金属部件Y或所述复合板材暂时固定在金属部件X上。
在所述第二工序中照射的激光也能够根据所述第一金属材料和所述第二金属材料的种类进行选择。作为所述激光，能够适当地选择例如这样的激光，该激光具有所述第一金属材料的镜面处的光的反射率相对于所述第二金属材料的镜面处的光的反射率之差为I %以上的波长。例如，在以本发明的方法对于通常在电子设备中的电极部件、构造材料中使用的金属部件进行激光接合时，所述激光的波长优选为0.8 2.0 μ m。
从使所述再凝固部的轴方向的剖面面积变小、并且形成沿着所述轴方向更长的所述再凝固部的观点出发，优选所述激光是以小照射面积更深地被金属部件吸收的激光。作为这样的激光源，例如列举出光纤激光。
所述第二工序若是使所述激光相对于所述表面层表面的法线倾斜地进行照射的工序，则能得到相对于所述法线倾斜的所述再凝固部。倾斜的所述再凝固部从更加提高沿着所述法线方向的接合强度的观点出发为优选的。从激光照射的稳定化的观点、以及得到足够深度的所述再凝固部的观点出发，所述激光的照射轴相对于所述法线的倾斜角优选为5 45度(图4)。
作为本发明中的激光接合部件的制造方法，也可以在能得到本发明的效果的范围内进一步包含其他工序。作为该其他的工序，例如列举出以所述激光对于所述表面层的表面进行扫描的工序。在这样的激光扫描工序中，从通过相对于所述法线倾斜地照射激光而得到更高的所述接合强度的观点出发，用激光进行扫描的方向为不与包含所述法线和所述照射轴的面平行的方向。从上述观点出发，用激光进行扫描的方向优选为垂直于包含所述法线和所述照射轴的面(实施方式3)。
本发明的电池包含上述的本发明的激光接合部件。在本发明的电池中，所述激光接合部件适合于单体电池或电池组中的电极部件。另外，所述激光接合部件还能够用于所述电池组的构造材料。
以下，参照

本发明的实施方式。
[实施方式I]
图1是表示本发明实施方式I的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。
如图1 (a)所示，在厚度0.4mm的铜板34上重叠复合板材31。在厚度0.2mm的铜板32之上形成厚度0.1mm的镍层33而形成复合板材31。使镍层33位于上方，将复合板材31重叠在铜板34上的所希望的位置。铜板34相当于金属部件X。铜板32相当于金属部件Y。镍层33相当于所述表面层。铜相当于所述第一金属材料。镍相当于所述第二金属材料。在铜板32上重叠复合板材31而成的部件相当于所述层叠体。
如图1 (b)所示，由聚光镜汇聚从镍层33的上方照射来的激光35，并将其照射在镍层33上。激光35为以260W的输出功率照射的、波长1.08 μ m的光纤激光。然后，在图1(b)中的垂直于纸面的方向使用激光35以70mm /秒的速度对于镍层33的上表面进行扫描。
与第二高次谐波YAG激光对应的波长0.5 μ m的光在铜镜面处的反射率和在镍镜面处的反射率均为62%。与碳酸气体激光对应的波长10.6μπι的光在铜镜面处的反射率和在镍镜面处的反射率均为97 %以上。接近于YAG激光、光纤激光或半导体激光的波长1.06 μ m的光在铜镜面处的反射率为98%，而在镍镜面处的反射率为67%。因此，对于YAG激光、光纤激光或半导体激光的、镍的吸收效率与铜的吸收效率相比相当高。因此，优选使用YAG激光、光纤激光、半导体激光等波长为0.8 2.0 μ m的激光而在镍层高效率地吸收激光。
另外，铜的熔融温度为1083°C，镍的熔融温度为1453°C。铜的密度和镍的密度均为8.93g / cm2。因此，若照射激光35，则超过铜的熔融温度而被加热了的熔融镍对于与镍层33接触的铜板32进行加热。因此，除了由激光对铜加热之外，还由熔融镍对铜加热，从而铜更容易熔融。另外，铜的热传导率为398W / (111*10，镍的热传导率为90.51 / (m.K)。因此，能够抑制在激光35的照射部分的附近处向平面方向的热扩散。因此，复合板材31与铜板34的接合不仅是高效率的，还能够降低向周边的热扩散。因此，本实施方式的激光接合适于在有可能暴露于高温下而受到损伤的电子部件等的附近进行的激光接合。
光纤激光的聚光性尤为良好，其聚光点径可集中到数10 μ m。因此，如图1 (C)所示，形成镍层33的表面处的面积小的熔融部，并且激光能量到达所述层叠体内部的深处。因此，能够通过小孔加工形成又细又深的熔融部。该熔融部流入利用激光形成的穿孔部，从而形成深度长、宽度细的镍熔融区域37，并在其周围通过热传导形成铜熔融区域38。然后，镍熔融区域37和铜熔融区域38通过激光能量或在熔融区域中的对流等而相互搅拌。
两金属的合金为无限固溶体。因此，如图1 (d)所示，两金属容易在熔融的同时以任意的组成比进行合金化，合金化朝深度方向进行。其结果是，通过合金化形成的再凝固部39从镍层33的表面形成到铜板34的内部，对复合板材31和铜板34进行连结。再凝固部39在复合板材31和铜板34的界面处也进行合金化。该再凝固部39在如上述那样被搅拌的同时发生了凝固，因此如柱状结构那样的、静态凝固的特征性的结构少，组成也根据部位而发生变动，并不为恒定。作为断裂强度的一个指标的、铜的拉伸强度为21.7kgf / mm2(212.8N / mm2)、镍的拉伸强度为32.2kgf / mm2(315.8N / mm2)。通过具有比铜高的强度的镍与铜进行合金化，再凝固部39的硬度比铜单体的再凝固部的硬度进一步提高。因此，根据镍的含量，再凝固部39的强度变得高于铜单体的再凝固部的强度。因此，为了得到相同断裂强度所需要的本实施方式中的焊接面积小于铜之间的激光接合的焊接部处的焊接面积即可。
例如，以扫描速度20mm /秒并以250W照射光纤激光而对铜和铜进行接合时，所得到的焊接部的断裂强度为2N / mm。另一方面，在为本实施方式的情况下，以扫描速度120mm /秒并以250W照射光纤激光而形成了再凝固部39时，再凝固部39的断裂强度为12N / _。这样，在本实施方式的激光接合中，与铜之间的激光接合相比，生产性和强度均得到很大提高。因此，通过设置镍层33，为了得到相同的接合强度使用少量的激光能量即可。另外，镍的耐腐蚀性高于铜，因此也能够得到防锈效果。不同种类的金属接触会引起电蚀，但3%氯化钠溶液中的伽伐尼电位，铜为+ 0.04V，镍为一 0.03V。这样，基于这些金属的组合的电位差非常小。因此，在由这些金属构成的再凝固部39中难以产生电蚀。
此外，在本实施方式中，取为在铜板32上设置镍层33的结构，但本发明中的第一金属材料和第二金属材料的组合并不限于铜和镍的组合。只要形成表面层的第二金属材料与第一金属材料相比其激光的反射率低且断裂强度高、并且第一金属材料和第二金属材料的组合是容易进行合金化的金属的组合，则能够得到同样的效果。例如，若作为第一金属材料使用黄铜、青铜等以铜为主要成分的铜合金来代替铜，则能够得到同样的效果。
另外，作为其他的成分方面，铁和铜的二元合金也是无限固溶体，将反射率低的铁层作为所述表面层形成在铜板表面，从而也能得到同样的效果。铁和铬的二元合金也是无限固溶体，将反射率低的铁层作为所述表面层形成在铬板表面，从而也能得到同样的效果。
除此之外，作为形成由非无限固溶体的合金构成的再凝固部的方法，通过如下方案也能得到同样的效果，即:将作为所述表面层的铬层形成在铝板表面、将作为所述表面层的铝层形成在铜板表面、或者将作为所述表面层的铁层形成在铝板表面，从而能够得到同样的效果。
另外，通过使用以铁为主要成分的钢、或者包含镍或铬的不锈钢等钢来代替铁，也能够得到同样的效果。在本实施方式中，从确保作为构造材料的强度的观点出发，铜板32的厚度例如为0.1mm以上。对于许多加工用激光具有的波长0.5 10.6μπι的光的、金属材料的吸收深度为0.007 0.037 μ m。因此，若目的仅在于提高激光吸收率，镍层33的厚度取为铜板32的厚度0.1mm的0.04%即可。厚度为数μ m的镀镍层的厚度为铜板32的厚度0.1mm的数％。但是，考虑到在表面层的金属(本实施方式中为镍)与作为金属材料的金属的合金中，为了显著且有意义地显现表面层的金属的物理性，比金属材料的金属成分少的表面层的金属成分需要在合金中至少含有10%以上、50%以下的量的表面层的金属成份。从这样的观点出发，镍层33的厚度优选为铜板32的厚度的10分之I以上且2分之I以下。
[实施方式2]
图2是表示本发明实施方式2的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。图2(e)是实施方式2的激光接合部件的包含再凝固部的剖面的光学显微镜照片(显示在显示器上的半色调图像)。在图2中，对于与图1相同的构成要素使用相同的标记，省略其说明。
在图2中，与图1的不同之处在于，如图2 (a)所示那样，将复合板材31换成复合板材42，该复合板材42具有铜板32和镍层33之外，在铜板32之下(下表面)进一步具有厚度0.05mm的镍层40。镍层40相当于所述中间层。
在图2 (b)中的激光35的照射顺序与图1相同。在图2 (C)中，与图1同样，利用小孔加工而形成深度深、宽度细的镍熔融区域37b。另外，在镍熔融区域37b的周围，通过热传导形成铜的熔融区域38b。在镍熔融区域37b到达镍层40后，镍重新熔融。因此，不仅是在深度方向镍熔融区域37b伸长，而且在铜板34内形成宽度宽的铜熔融区域38c。
其结果是，如图2 Cd)的示意图和图2 Ce)的剖面照片所示那样，对于再凝固部39b的形状，在镍层40和铜板34的界面直径稍许增大(Wl > W2)。进而，再凝固部39b中的直径增大了的部分的镍浓度变高。由此，不仅接合面积变大，而且镍量也增加，所以接合强度进一步提闻。
此外，在本实施方式中，如图3所示那样，而使用由铜板34和形成在该铜板34的上表面的镍层45构成的复合板材44来代替使用铜板34，也能够得到同样的结果。
[实施方式3]
图4是表示本发明实施方式3的激光接合部件及其制造方法的工序的剖面图。图4 (c)是实施方式3的激光接合部件的包含再凝固部的剖面的光学显微镜照片(显示在显示器上的中间色调图像)。
在图4中，与图2的不同之处在于，如图4 (a)所示，倾斜设置聚光镜36b，以能够使激光35b倾斜地照射，在垂直于图4 Ca)的纸面的方向，以激光对于镍层33的表面进行扫描。如图(a)所不,扫描方向为垂直于包含镍层33的表面的法线Ns、以及与该法线Ns交叉的激光的照射轴Al的面的方向。另外，将法线Ns和与该法线Ns交叉的照射轴Al在镍层33的表面上所形成的角设为倾斜角IA。
扫描方向也可以未必是垂直于图4 (a)的纸面的方向。通过这样倾斜地照射激光35b,能够防止激光35b在镍层33的表面一部分发生反射而返回到激光振荡器,激光振荡器中的振荡状态变得不稳定。进而，如图4 (b)的示意图和图4 (c)的剖面照片所示那样，被合金化了的再凝固部39c相对于法线Ns倾斜地形成在复合板材42和铜板34的内部。
在激光接合部件中，若在板厚方向(沿着法线Ns的方向)产生剥离应力，则容易引起再凝固部与第一金属材料的界面处的损坏。但是，再凝固部39c相对于各铜板倾斜地形成，因此难以被板厚方向的剥离应力所损坏。因此，与垂直于各铜板的表面地形成再凝固部的情况相比，能够使针对所述剥离应力的抵抗力进一步提高。激光35b倾斜的角度(倾斜角)只要为相对于镍层33表面的法线倾斜5度以上，就能够避免被照射了的激光返回激光振荡器。若倾斜角变大，则在激光35b的表面层处的反射率变大，有时照射能难以被吸收到复合板材42中。另外，有时再凝固部39c的深度会变浅。基于这些观点，优选倾斜角为45度以下。
本申请主张基于2011年3月14日申请的日本特愿第2011 — 055113号的优先权。记载于该申请说明书的内容被全部引用于本申请说明书中。
产业上的可利用性
本发明的激光接合部件及其制造方法能够以少量的激光能量确保足够的接合强度，并能使周边的温度上升也变小。因此，除了能够适用于机构部件以外，还能够适用于电池的电极材料等的强度确保或者电、热等的传导性确保的用途。
权利要求
1.激光接合部件，包括: 金属部件X，其由第一金属材料构成； 金属部件Y，其由所述第一金属材料构成，并配置在金属部件X之上； 表面层，其形成在所述金属部件Y的上表面并由第二金属材料构成，该第二金属材料能与所述第一金属材料合金化，且激光吸收率高于所述第一金属材料、断裂强度高于所述第一金属材料；以及 再凝固部，其通过利用来自所述表面层上方的激光的照射而发生了熔融的所述第一金属材料和所述第二金属材料的合金化，从而自所述表面层的表面形成到所述金属部件X的内部。
2.如权利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述金属部件Y的厚度为0.1mm以上， 所述表面层的厚度为金属部件Y的厚度的10分之I以上且2分之I以下。
3.如权利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述第二金属材料的熔融温度高于所述第一金属材料的熔融温度。
4.如权利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述金属部件X的上表面处的所述再凝固部的宽度大于金属部件Y的上表面处的所述再凝固部的宽度。
5.如权利要求1所述的激光接合部件,其中， 所述第二金属材料的耐腐蚀性高于所述第一金属材料。
6.如权利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述第一金属材料为Cu,所述第二金属材料为Ni。
7.如权利要求1所述的激光接合部件,其中， 还包括形成在所述金属部件X的上表面或金属部件Y的下表面的、由所述第二金属材料构成的中间层。
8.如权利要求1所述的激光接合部件，其中， 所述再凝固部的中心轴线相对于所述表面层的表面的法线的倾斜角为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， 在该第一工序中，准备从下到上依次重叠有金属部件X、金属部件Y以及表面层而得到的层叠体，其中所述金属部件X由第一金属材料构成，所述金属部件Y由所述第一金属材料构成，所述表面层由能与所 述第一金属材料合金化的第二金属材料构成且形成在金属部件Y的上表面， 在该第二工序中，对于所述表面层照射激光，通过使构成所述表面层的所述第二金属材料与构成所述金属部件X和所述金属部件Y的所述第一金属材料的合金化，形成从所述表面层的表面到达金属部件X的内部的再凝固部， 所述第二金属材料的激光吸收率高于所述第一金属材料，并且所述第二金属材料的断裂强度高于所述第一金属材料。
10.如权利要求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对于所述表面层的表面的法线倾斜地照射的工序， 该制造方法还包括如下的工序:在不与包含所述表面层的表面的法线和所述激光的照射轴的面平行的方向上，用所述激光对于所述表面层的表面进行扫描。
11.如权利要求10所述的激光接合部件的制造方法，其中， 所述照射轴相对于所述法线的倾斜角为5 45度。
12.如权利要求9所述的激光接合部件的制造方法，其中， 所述激光的波长为0.8 2.0 μ m。
13.如权利要求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荡器为光纤激光振荡器。
14.电池，其包含权 利要求1所述的激光接合部件。
全文摘要
本发明提供一种激光接合部件及其制造方法，该激光接合部件以少量的激光能量确保足够的接合强度，并且周边的温度上升也很小。在重合的2片以上的铜板中位于最上方的铜板的上表面以足够的厚度形成作为表面层的镍层，从镍层的上方照射激光，从而将所述铜板的铜和所述镍层的镍熔融、合金化而成的再凝固部形成到最下方的铜板内为止，对所述铜板之间进行接合。通过将镍与铜进行合金化，从而形成断裂强度高的再凝固部。因此，能够以小焊接面积、少量的激光能量对铜板进行接合。
文档编号B23K26/32GK103140320SQ20128000315
公开日2013年6月5日 申请日期2012年2月14日 优先权日2011年3月14日
发明者西川幸男, 田中知实, 糸井俊树, 古林义玲 申请人:松下电器产业株式会社