特開 2023-157664 接合方法、接合製品、及び、加熱処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023157664

(43)【公開日】2023-10-26

(54)【発明の名称】接合方法、接合製品、及び、加熱処理装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20231019BHJP

【ＦＩ】

B23K20/00 310H

B23K20/00 310J

B23K20/00 310L

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022067719

(22)【出願日】2022-04-15

(71)【出願人】

【識別番号】000227836

【氏名又は名称】日本アビオニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】平松 茂

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA08

4E167AA10

4E167AA29

4E167AC09

4E167BA12

4E167DA04

4E167DB09

4E167DC02

(57)【要約】

【課題】メッキ層を有する第１部材と第２部材との拡散接合の接合品質を良好にする。
【解決手段】基材１２と当該基材１２にメッキされたメッキ層１３とを有する電極１１に導電タブを拡散接合する接合方法は、電極１１に対してレーザ光Ｌによる加熱処理を行うことでメッキ層１３の材料の結晶粒を大きくする第１ステップと、電極１１のうち第１ステップにより結晶粒を大きくした部分に導電タブをメッキ層１３の側から抵抗溶接により拡散接合する第２ステップと、を備える。メッキ層１３の材料は、ニッケルであり、導電タブは、銅系材料からなる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材に第２部材を拡散接合する接合方法であって、
前記第１部材に対して加熱処理を行うことで前記メッキ層の材料の結晶粒を大きくする第１ステップと、
前記第１部材のうち前記第１ステップにより前記結晶粒を大きくした部分に前記第２部材を前記メッキ層の側から拡散接合する第２ステップと、
を備える接合方法。

【請求項2】

前記メッキ層の前記材料は、ニッケルであり、
前記第２部材の材料は、銅系材料である、
請求項１に記載の接合方法。

【請求項3】

前記基材の材料は、鋼である、
請求項２に記載の接合方法。

【請求項4】

前記第１部材は、電池の電極であり、
前記第２部材は、前記電池を他の電池と電気的に接続する導電タブである、
請求項３に記載の接合方法。

【請求項5】

前記第１ステップの前記加熱処理では、前記メッキ層の厚み方向から見たときの前記第１部材の一部のみを前記メッキ層の側から照射されるレーザ光により加熱することで、当該一部に前記結晶粒を大きくした前記部分を形成する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の接合方法。

【請求項6】

前記第１ステップの前記加熱処理では、前記第１部材の前記一部のみを、不活性ガスを吹き付けながら、不活性ガスの雰囲気中で、又は、真空中で、前記レーザ光により加熱する、
請求項５に記載の接合方法。

【請求項7】

基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材と、
前記第１部材の前記メッキ層に拡散接合された第２部材と、を備え、
前記メッキ層は、材料の結晶粒が第１の大きさの第１部分と、材料の結晶粒の大きさが第１の大きさよりも大きな第２の大きさの第２部分と、を備え、
前記メッキ層は、前記第２部分で前記第２部材に拡散接合されている、
接合製品。

【請求項8】

前記第１部材は、電池の電極であり、
前記第２部材は、前記電池を他の電池と電気的に接続する導電タブである、
請求項７に記載の接合製品。

【請求項9】

基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材に第２部材を拡散接合する前に、前記第１部材を加熱処理するように構成された加熱処理装置であって、
前記第１部材にレーザ光を前記メッキ層の側から照射して前記第１部材を加熱することで前記メッキ層の材料の結晶粒を大きくするレーザと、
前記レーザ光を前記第１部材に対して相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構及び前記レーザを制御して、前記メッキ層の厚み方向から見たときの前記第１部材の一部であって前記第２部材と拡散接合する部分を含む一部にのみ前記レーザ光を走査するコントローラと、
を備える加熱処理装置。

【請求項10】

前記第１部材の前記レーザ光の照射部分に不活性ガスを吹き付ける吹き付けノズルをさらに備える、
請求項９に記載の加熱処理装置。

【請求項11】

前記第１部材は、電池の電極であり、
前記電池が固定可能に構成されたステージをさらに備える、
請求項９又は１０に記載の加熱処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合方法、接合製品、及び、加熱処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１が開示するように、鉄又は鉄合金製の基材と当該基材にメッキされたニッケルメッキ層とを有する第１部材に、ニッケルメッキ層の側から銅又は銅合金からなる第２部材を抵抗溶接する接合方法が知られている。この接合方法では、第２部材の材料が銅又は銅合金であるため、第２部材は第１部材に拡散接合される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３－２５８４６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の接合方法では、接合後の第２部材が第１部材から剥がれてしまうことがある。この剥がれの原因は、ニッケルメッキ層が厚さ方向途中の位置で破断してしまうことにある。このため、特許文献１に記載の接合方法では、第１部材と第２部材との接合品質が良好でない。このような不都合は、メッキ層を有する第１部材に第２部材を拡散接合する場合一般に生じ得る。

【0005】

本発明は、メッキ層を有する第１部材と第２部材との拡散接合の接合品質を良好にすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係る接合方法は、基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材に第２部材を拡散接合する接合方法であって、前記第１部材に対して加熱処理を行うことで前記メッキ層の材料の結晶粒を大きくする第１ステップと、前記第１部材のうち前記第１ステップにより前記結晶粒を大きくした部分に前記第２部材を前記メッキ層の側から拡散接合する第２ステップと、を備える。

【0007】

一例として、前記メッキ層の前記材料は、ニッケルであり、前記第２部材の材料は、銅系材料である。

【0008】

一例として、前記基材の材料は、鋼である。

【0009】

一例として、前記第１部材は、電池の電極であり、前記第２部材は、前記電池を他の電池と電気的に接続する導電タブである。

【0010】

一例として、前記第１ステップの前記加熱処理では、前記メッキ層の厚み方向から見たときの前記第１部材の一部のみを前記メッキ層の側から照射されるレーザ光により加熱することで、当該一部に前記結晶粒を大きくした前記部分を形成する。

【0011】

一例として、前記第１ステップの前記加熱処理では、前記第１部材の前記一部のみを、不活性ガスを吹き付けながら、不活性ガスの雰囲気中で、又は、真空中で、前記レーザ光により加熱する。

【0012】

本発明に係る接合製品は、基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材と、前記第１部材の前記メッキ層に拡散接合された第２部材と、を備え、前記メッキ層は、材料の結晶粒が第１の大きさの第１部分と、材料の結晶粒の大きさが第１の大きさよりも大きな第２の大きさの第２部分と、を備え、前記メッキ層は、前記第２部分で前記第２部材に拡散接合されている。

【0013】

一例として、前記第１部材は、電池の電極であり、前記第２部材は、前記電池を他の電池と電気的に接続する導電タブである。

【0014】

本発明に係る加熱処理装置は、基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材に第２部材を拡散接合する前に、前記第１部材を加熱処理するように構成された加熱処理装置であって、前記第１部材にレーザ光を前記メッキ層の側から照射して前記第１部材を加熱することで前記メッキ層の材料の結晶粒を大きくするレーザと、前記レーザ光を前記第１部材に対して相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構及び前記レーザを制御して、前記メッキ層の厚み方向から見たときの前記第１部材の一部であって前記第２部材と拡散接合する部分を含む一部にのみ前記レーザ光を走査するコントローラと、を備える。

【0015】

一例として、加熱処理装置は、前記第１部材の前記レーザ光の照射部分に不活性ガスを吹き付ける吹き付けノズルをさらに備える。

【0016】

一例として、前記第１部材は、電池の電極であり、前記電池が固定可能に構成されたステージをさらに備える。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、メッキ層を有する第１部材と第２部材との拡散接合の接合品質が良好となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る接合方法の態様を示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る接合方法のフロー図である。

【図3】図３は、加熱処理前の電極のメッキ層の様子を示す一部断面図である。

【図4】図４は、加熱処理中の電極のメッキ層の様子を示す一部断面図である。

【図5】図５は、メッキ層の一部断面図である。

【図6】図６は、接合製品の立面図である。

【図7】図７は、加熱処理装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態に係る接合方法、接合製品、及び、加熱処理装置について、図面を参照して説明する。図面の各要素は、模式的に誇張して描かれており、各要素間の寸法（特に厚み）の関係は、実際のものと異なる場合がある。

【0020】

本実施形態に係る接合方法では、図１に示すように、電池１０の正の電極１１（第１部材）に対して導電タブ２０（第２部材）を、一対の溶接用電極Ｅ１及びＥ２により抵抗溶接する。

【0021】

電極１１は、純鉄又は鉄合金（鋼など）などの鉄系材料からなる鉄板又は鋼板などの板状の基材１２と、基材１２に対してメッキされたメッキ層１３と、を備える。メッキ層１３は、ニッケル又はニッケル合金などのニッケル系材料からなる。一例として、基材１２を鋼製とし、メッキ層１３をニッケル製とすることができる。

【0022】

導電タブ２０は、複数の電池１０の電極１１同士を電気的に接続するための板状部材である。導電タブ２０は、銅又は銅合金などの銅系材料からなる。導電タブ２０は、錫などによりメッキされてもよい。導電タブ２０は、電極１１に、メッキ層１３の側から抵抗溶接される。導電タブ２０は、銅系材料であるため、抵抗溶接によりメッキ層１３に拡散接合されることになる。この拡散接合により、導電タブ２０は、電極１１に電気的に接続される。

【0023】

本実施形態に係る接合方法は、図２に示すように、電極１１に対して加熱処理を行うステップＳ１１と、ステップＳ１１で加熱処理が行われたあとの電極１１に導電タブ２０をメッキ層１３の側から抵抗溶接するステップＳ１２と、を有する。

【0024】

ステップＳ１１では、電極１１に対して加熱処理を行うことで、メッキ層１３を改質し、メッキ層１３の材料つまりニッケルなどの結晶粒を加熱処理前よりも大きくする。

【0025】

図３に示すように、加熱処理前のメッキ層１３は、当該メッキ層１３の材料つまりニッケルなどの結晶粒１３Ａから構成されている。結晶粒１３Ａは、比較的均一な大きさの微結晶である。この結晶粒１３Ａを加熱処理により大きくする。

【0026】

加熱処理の具体的方法は任意であるが、例えば、図４に示すように、レーザ５１からのレーザ光Ｌを電極１１に照射することで行う。レーザ光Ｌは、メッキ層１３の側から電極１１に照射され、これにより電極１１の主にメッキ層１３が加熱される。レーザ光Ｌの照射時には、メッキ層１３が酸化しないよう、吹き付けノズル５２から不活性ガスＧをレーザ光Ｌの照射箇所に吹き付けるとよい。不活性ガスＧとしては、ヘリウム、アルゴンなどの希ガス、又は、窒素、アンモニアなどの中性ガスが採用される。不活性ガスＧは、複数種類のガスの組み合わせであってもよい。不活性ガスＧの吹き付けに代えて、レーザ光Ｌの照射を不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行ってもよい。メッキ層１３の加熱前の結晶粒１３Ａ（微結晶）は、レーザ光Ｌにより加熱されることで他の結晶粒１３Ａを取り込んで結晶成長する。その結果、メッキ層１３の加熱処理された部分の各結晶粒１３Ｂは、加熱前の結晶粒１３Ａよりも大きくなっている。各結晶粒１３Ｂの大きさは、結晶粒１３Ａに比べて不均一となっている。

【0027】

レーザ光Ｌの出力などを調整することで、ステップＳ１１の加熱処理で、基材１２とメッキ層１３とのうちの少なくとも一方を溶融させ、基材１２とメッキ層１３との接合強度を高めてもよい。ただし、メッキ層１３が蒸発するまでの加熱は避ける必要がある。

【0028】

加熱処理では、例えば、レーザ光Ｌを電極１１の全体に走査して、電極１１（より具体的にはメッキ層１３）の全部を加熱してもよいが、電池１０への余計な熱影響を避けるため、その一部（メッキ層１３の厚み方向（図３乃至図６の紙面上下方向）から見たときの一部）を局所的に加熱するとよい。当該局所的な加熱は、レーザ５１により容易に実現可能となる。図５に示すように、加熱される前記一部つまり加熱対象部位Ｒは、溶接予定部位、つまり、一対の溶接用電極Ｅ１及びＥ２により通電されて導電タブ２０と抵抗溶接される２つの部分Ｒ１及びＲ２を含めばよい。加熱対象部位Ｒは、離れた位置にある部分Ｒ１及びＲ２のみからなってもよい。

【0029】

図２のステップＳ１２では、導電タブ２０を電極１１にメッキ層１３の側から当接させる。そして、溶接用電極Ｅ１及びＥ２を、導電タブ２０のうち、加熱処理により結晶粒を大きくしたメッキ層１３の加熱対象部位Ｒに当接している部位に当てて加圧及び通電することにより、導電タブ２０を電極１１に抵抗溶接する。導電タブ２０は、銅系材料からなるため、抵抗溶接の結果、電極１１のメッキ層１３に拡散接合される。電極１１は、加熱対象部位Ｒに含まれる２つの部分Ｒ１及びＲ２で導電タブ２０に拡散接合される。導電タブ２０が、錫などによりメッキされている場合、当該錫などは、抵抗溶接時に溶融して導電タブ２０とメッキ層１３との間から押し出され、導電タブ２０とメッキ層１３とが直接接触して拡散接合される。導電タブ２０にメッキされた錫などは、導電タブ２０とメッキ層１３との接合境界面に残留してもよい。例えば、導電タブ２０にメッキされた錫などの少なくとも一部は、導電タブ２０とメッキ層１３との拡散接合時に、前記のように押し出されるのではなく、導電タブ２０の材料と化合物（Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ｃｕ３Ｓｎなど）を構成してもよい。つまり導電タブ２０の、メッキ層１３と拡散接合される部分の少なくとも一部は、導電タブ２０にメッキされた錫などとの化合物となって、メッキ層１３と拡散接合してもよい。導電タブ２０とメッキ層１３との抵抗溶接ないし拡散接合は、このような化合物の形成及び化合物の接合を含んでもよい。

【0030】

ステップＳ１１の加熱処理を行っていないメッキ層１３に導電タブ２０を拡散接合すると、当該メッキ層１３の厚さ方向の途中が破断して、導電タブ２０がはがれてしまうことがある。本願発明者は、この点を詳細に検討したところ、加熱処理によりメッキ層１３の結晶粒を大きくすることで、前記の破断が生じ難くなることを見出した。前記の破断の原因は、加熱処理をしていないメッキ層１３では微結晶である結晶粒１３Ａの間に有機物などの不純物が存在し、この不純物がメッキ層１３の結晶粒１３Ａ間の結合を弱くしていることによるもの本願発明者は推測している。他方、加熱処理によりメッキ層１３の結晶粒１３Ａが結晶粒１３Ｂのように大きくなることで、この変化の過程で前記の不純物が蒸発しかつメッキ層１３の外部に押し出されてメッキ層１３から除去され、これにより結晶粒１３Ｂ間が強く結合し、その結果、前記の破断が生じ難くなっていると本願発明者は推測している。

【0031】

以上のように、本実施形態に係る接合方法では、拡散接合の前に加熱処理を行うことでメッキ層１３の材料つまりニッケルなどのニッケル系材料の結晶粒を大きくする。これにより、上述したメッキ層１３の拡散接合部分の破断が生じ難くになり、メッキ層１３を有する電極１１と、導電タブ２０との拡散接合の接合品質が良好となる。また、当該接合方法により、複数の電池１０と導電タブ２０とを接合した接合製品が量産された場合、量産される当該接合製品の歩留りが向上する。

【0032】

また、加熱の対象である加熱対象部位Ｒを、メッキ層１３の一部のみとすることにより、電池１０における加熱対象部位Ｒ以外の部分の温度上昇が抑制され、これにより、電池１０への熱による悪影響が低減される。また、加熱をレーザ光Ｌによって行うことで、加熱する部位などを容易に制御できる。

【0033】

また、レーザ光Ｌによる加熱処理時に、不活性ガスＧ又は真空を用いることでメッキ層１３の材料の酸化が抑制される。

【0034】

上記接合方法により、図６に示すような複数の電池１０の正の電極１１同士及び負の電極１５同士を２つの導電タブ２０によりそれぞれ電気的に接続した電池パックとしての接合製品３０が生産される。負の電極１５も上記の接合方法により導電タブ２０と接合されることができる。電極１５は、電極１１と同様に基材１２及びメッキ層１３を備える。接合製品３０のメッキ層１３は、図３及び図４の結晶粒１３Ａで構成された第１部分Ｐと、図４の結晶粒１３Ｂで構成された上記加熱対象部位Ｒである第２部分Ｒと、を備える。そして、メッキ層１３の第２部分Ｒが電極１１又は１５に拡散接合されている。結晶粒の大きい第２部分Ｒ（上記のように不純物が取り除かれた部分といえる）が、電極１１又は１５に拡散接合されていることで、上記のように接合品質が良好となる。

【0035】

ステップＳ１１の加熱処理を行う加熱処理装置としては、例えば、図７に示すような構成を有することができる。図７に示すように加熱処理装置５０は、レーザ５１と、吹き付けノズル５２と、移動機構５３と、コントローラ５４と、を備える。加熱処理装置５０は、さらに、電池１０が固定可能に構成されたステージＳを備える。ステージＳは、電池１０を固定するための治具Ｊなどを備える。

【0036】

レーザ５１は、ステージＳに固定された電池１０の電極１１（図６の電極１５でもよい。以下同じ）にレーザ光Ｌを照射して電極１１のメッキ層１３を加熱することでメッキ層１３の材料の結晶粒を大きくする上記加熱処理を行う。吹き付けノズル５２は、ガス供給部ＧＳからの不活性ガスＧを、電極１１のメッキ層１３のレーザ光Ｌの照射部分に吹き付ける。移動機構５３は、リニアモータ、ボールネジなどの機構を用いた移動機構である。移動機構５３は、ステージＳを移動させることで、レーザ５１からのレーザ光Ｌと吹き付けノズル５２からの不活性ガスＧとを電極１１に対して相対的に移動させる。これにより、電極１１上においてレーザ光Ｌの照射位置及び不活性ガスＧの吹き付け位置が移動する、つまり、電極１１上でレーザ光Ｌ及び不活性ガスＧが走査される。移動機構５３は、レーザ５１と吹き付けノズル５２とを移動させることでレーザ光Ｌと不活性ガスＧとを電極１１に対して相対的に移動させるように構成されてもよい。コントローラ５４は、コンピュータなどの制御回路からなり、移動機構５３及びレーザ５１を制御して、電極１１のメッキ層１３の厚さ方向から見たときの一部（上記の加熱対象部位Ｒ）にのみレーザ光Ｌ及び不活性ガスＧを走査する。コントローラ５４は、さらに、ガス供給部ＧＳを制御して不活性ガスＧの吹き付けを制御してもよい。移動機構５３は、レーザ光Ｌを移動させるつまり走査する構成として、ガルバノスキャナを有してもよい。吹き付けノズル５２は、移動不可に固定され、レーザ光Ｌの走査領域（加熱対象部位Ｒ）全体に不活性ガスＧを吹き付けるように構成されてもよい。

【0037】

加熱処理装置５０は、上記抵抗溶接を行うための上記溶接用電極Ｅ１及びＥ２を備えてもよい。この場合、コントローラ５４が溶接用電極Ｅ１及びＥ２を介した抵抗溶接のための通電を制御する。加熱処理装置５０は、吹き付けノズル５２を備えなくてもよい。この場合、加熱処理装置５０は、電池１０、ステージＳ、レーザ５１などを収容し、不活性ガスＧにより満たされるか真空引きされるチャンバを備えてもよい。

【0038】

電極１１の導電タブ２０に対する上記加熱処理に加熱処理装置５０を用いることで、上記拡散接合の接合品質が容易に良好となる。

【0039】

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態に対する様々な変更が含まれる。

【0040】

例えば、基材１２の材料は、任意であり、例えば鉄系材料以外の金属材料であってもよい。メッキ層１３の材料は、任意であり、例えばクロム又はクロム合金などのクロム系材料であってもよい。メッキ層１３は、ニッケル系材料からなるメッキ層の上にクロム系材料からなるメッキ層を形成したニッケルクロムメッキ層であってもよい。導電タブ２０の材料も銅系材料に限定されず任意である。材料が変更されても、メッキ層１３に混入した不純物は、メッキ層１３の結晶粒を大きくすることでメッキ層１３から排除され、拡散接合の接合品質が良くなる。導電タブ２０には、抵抗溶接時の無効分流を抑制するためのスリットが形成されてもよい。また、導電タブ２０の電極１１との接合部分にプロジェクションが形成されていてもよい。抵抗溶接は、インダイレクト方式で行われてもよい。

【0041】

電極１１と導電タブ２０との拡散接合は、抵抗溶接以外の方法により行われてもよい。不活性ガスＧは、メッキ層１３全体を加熱する際にも用いられるとよい。

【0042】

本発明は、基材と当該基材にメッキされたメッキ層とを有する第１部材に第２部材を拡散接合する技術全般に適用可能である。従って、上記で説明した接合は、電池１０の電極１１との接合以外の接合に使用されてもよい。この場合、接合製品３０は、電池パック以外であってもよい。

【符号の説明】

【0043】

１０…電池、１１…電極、１２…基材、１３…メッキ層、１３Ａ，１３Ｂ…結晶粒、１５…電極、２０…導電タブ、３０…接合製品、５０…加熱処理装置、５１…レーザ、５２…ノズル、５３…移動機構、５４…コントローラ、Ｅ１，Ｅ２…溶接用電極、Ｇ…不活性ガス、ＧＳ…ガス供給部、Ｊ…治具、Ｌ…レーザ光、Ｐ…第１部分、Ｒ…加熱対象部位（第２部分）、Ｒ１，Ｒ２…部分、Ｓ…ステージ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】