JP2013146737A - レーザ接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の外観不良の発生を抑制することができるレーザ接合方法を提供する。
【解決手段】レーザビームは、進行方向Ｆの前側に位置する先行ビーム１１０と、進行方向Ｆの後側に位置する後行ビーム１２０から構成される。先行ビーム１１０は、少なくともＡｌ系金属部材２に照射して予熱を行うためのレーザビームである。後行ビーム１２０は、Ｚｎ系ろう材３に照射してＺｎ系ろう材３を溶融させるためのレーザビームである。先行ビーム１１０の照射では、Ａｌ系金属部材２への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定する。この場合、先行ビーム１１０は、Ａｌ用先行ビーム１１１（照射スポットの中心は図２のＰ１）およびＦｅ用先行ビーム１１２（照射スポットの中心は図２のＰ２）から構成されることが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源としてレーザビームを用いて複数の金属部材をろう材により接合するレーザ接合方法に係り、特にレーザビームの照射手法の改良に関する。

各種継手等の金属部材の接合構造は、たとえば異種金属部材の接合により製造されている。異種金属部材の接合では、金属部材の間に介在させたろう材をレーザビーム照射で加熱することにより、ブレージング（ろう付）を行っている。これにより、異種金属部材の間に接合部を形成することにより、金属部材の接合構造を製造している。この場合、異種金属部材として、たとえばＦｅ系材料からなるＦｅ系金属部材およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用いる場合、ろう材として、たとえばＺｎ系ろう材が用いられている。

このような金属部材の接合方法では、たとえば異種金属部材同士の境界部にワイヤ状のＺｎ系ろう材を送出しながら、その先端部にレーザビームを照射する。このようなレーザビーム照射による加熱を異種金属部材同士の境界部の延在方向に沿って行っている。

金属部材の良好な接合構造を得るために、各種レーザ照射手法が提案されている。たとえば特許文献１では、一対のレーザビームの照射スポットを進行方向の前後に位置させ、それら照射スポットを進行方向に沿って移動させる。Ｆｅ系金属部材として合金化溶融亜鉛めっき鋼板を用い、Ａｌ系金属部材としてＡｌ系板材を用いている。

特許文献１の技術では、前側レーザビームの照射により、合金化溶融亜鉛めっき鋼板側被接合部のめっき層を除去し、後側レーザビームの照射により、ろう材であるワイヤを溶融して、前側レーザビームの照射でめっき層が除去された部分にワイヤを溶融・凝固させている。この場合、前側レーザビームの照射スポットは、合金化溶融亜鉛めっき鋼板（Ｆｅ系金属部材）に位置している。

特開２００７−７５８７２号公報

ところで、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する場合、Ａｌ系材料は、Ｆｅ系材料よりも、レーザビーム反射率および熱伝導率が高い。このため、Ａｌ系金属部材に入熱し難く、かつ熱拡散し易いから、Ｆｅ系金属部材側被接合部とＡｌ系金属部材側被接合部とでは、冷却速度が異なる。その結果、溶融ろう材のＦｅ系金属部材側とＡｌ系金属部材側とで収縮速度が異なるため、たとえば接合部であるビード表面の凹凸差が大きくなり、接合部に外観不良が生じる虞がある。

したがって、本発明は、接合部の外観不良の発生を抑制することができるレーザ接合方法を提供することを目的としている。

本発明のレーザ接合方法は、熱源としてのレーザビームを移動させることにより、複数の金属部材をろう材により接合するレーザ接合方法であって、金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、レーザビームとして、進行方向前側に位置する先行ビームと、進行方向後側に位置する後行ビームとを用い、先行ビームを少なくともＡｌ系金属部材に照射して予熱を行い、後行ビームをろう材に照射してろう材を溶融させ、先行ビームは、Ａｌ系金属部材への単位面積当たりの入熱量がＦｅ系金属部材への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように照射することを特徴としている。なお、下記被接合部とは、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合予定部のことを表し、接合部とは、接合後の接合予定部のことを表している。

本発明のレーザ接合方法では、後行ビームをろう材に照射してろう材を溶融させ、後行ビームよりも先行ビームを進行方向前側に位置させ、先行ビーム照射による予熱を行う。ここで、Ａｌ系金属部材は、入熱し難くてかつ熱拡散し易いため、予熱において、たとえばＡｌ系金属部材とＦｅ系金属部材とを同等の熱量で同時に加熱した場合、Ａｌ系金属部材は、Ｆｅ系金属部材よりも冷却速度が速いため、従来技術と同様な上記不具合が生じる。

しかしながら、本発明のレーザ接合方法では、予熱において、先行ビームを少なくともＡｌ系金属部材に照射しており、この場合、先行ビームの照射は、入熱し難くてかつ熱拡散し易いＡｌ系金属部材への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定している。これにより、Ａｌ系金属部材の冷却速度を遅くすることができるから、Ａｌ系金属部材の熱履歴をＦｅ系金属部材のものに近づけることができる。その結果、Ａｌ系金属部材の収縮速度をＦｅ系金属部材のものに近づけることができるから、たとえば接合部であるビード表面の凹凸差が小さくなって滑らかになる。このように接合部の外観不良の発生を抑制することができる。

本発明のレーザ接合方法は、種々の構成を用いることができる。たとえば先行ビームを第１先行ビームおよび第２先行ビームから構成し、第１先行ビームをＡｌ系金属部材に選択的に照射し、第２先行ビームをＦｅ系金属部材に選択的に照射する態様を用いることができる。この態様では、Ａｌ系金属部材およびＦｅ系金属部材への入熱量の制御を容易に行うことができる結果、接合部の外観不良の発生を効果的に抑制することができる。

本発明のレーザ接合方法によれば、接合部の外観不良の発生を抑制することができる。

本発明に係る一実施形態のレーザ接合方法により金属部材の接合構造体を製造する状態の概略構成を表す斜視図である。 図１に示す各レーザビームの照射スポット中心を表す概略上面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明に係るレーザ接合方法により得られた金属部材の接合構造体の一例を表す断面構成図である。 実施形態のレーザ接合方法の実施例により得られたＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の温度履歴データを表すグラフである。 レーザ接合方法の比較例により得られたＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の温度履歴データを表すグラフである。 本発明に係る一実施形態のレーザ接合方法により金属部材の接合構造体の変形例を製造する状態の概略構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。 本発明に係る一実施形態のレーザ接合方法により得られた金属部材の接合構造体の変形例を表す断面構成図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態のレーザ接合方法により金属部材の接合構造体を製造する状態の概略構成を表す斜視図である。図２は、図１に示す各レーザビームの照射スポット中心を表し、金属部材の被接合部の拡大概略上面図である。

レーザ接合方法は、たとえばフレア継手を製造する配置を用いている。金属部材として、たとえばＦｅ系材料からなるＦｅ系金属部材１およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材２を用いている。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２は、たとえば湾曲部１１，１２を有している。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の配置では、たとえば湾曲部１１，１２どうしが対向し、それら湾曲部１１，１２により開先形状１３を形成している。この場合、たとえばＦｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との対向部に段差を設けている。

レーザ接合方法では、熱源としてレーザビームを用いることにより、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２をＺｎ系ろう材３により接合する。Ｚｎ系ろう材３は、たとえばワイヤ状をなし、ワイヤガイド（図示略）を通じて開先形状１３の中心部に送出される。Ｚｎ系ろう材３は、Ｓｎ系ろう材よりも十分な接合強度が得られるから、好適である。Ｚｎ系ろう材３は、添加元素としてＡｌやＳｉを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。添加元素としてＳｉを用いる場合、Ｓｉを０．２５〜２．５重量％含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなることが好適である。

レーザビームは、進行方向Ｆの前側に位置する先行ビーム１１０と、進行方向Ｆの後側に位置する後行ビーム１２０から構成される。先行ビーム１１０は、少なくともＡｌ系金属部材２に照射して予熱を行うためのレーザビームである。後行ビーム１２０は、Ｚｎ系ろう材３に照射してＺｎ系ろう材３を溶融させるためのレーザビームである。後行ビーム１２０は、たとえばＺｎ系ろう材３の先端部に照射される。

先行ビーム１１０の照射では、Ａｌ系金属部材２への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定する。この場合、先行ビーム１１０は、Ａｌ用先行ビーム１１１（第１先行ビーム）およびＦｅ用先行ビーム１１２（第２先行ビーム）から構成されることが好適である。なお、単位面積当たりの入熱量は、エネルギー密度（ｍＷ／ｃｍ^２）である。

Ａｌ用先行ビーム１１１は、Ａｌ系金属部材２に選択的に照射するためのレーザビームである。この場合、たとえば図２に示すように、Ａｌ用先行ビーム１１１の照射スポットの中心Ｐ１は、Ａｌ系金属部材２の被接合部上に位置している。Ｆｅ用先行ビーム１１２は、Ｆｅ系金属部材１に選択的に照射するレーザビームである。Ｆｅ用先行ビーム１１２の照射スポットの中心Ｐ２は、Ｆｅ系金属部材１の被接合部上に位置している。

Ａｌ用先行ビーム１１１の照射スポットの中心Ｐ１は、たとえばＦｅ用先行ビーム１１２の照射スポットの中心Ｐ２よりも進行方向Ｆの前側に位置している。なお、図２の符号Ｑは、後行ビーム１２０の照射スポットの中心を示している。各ビームは、ハーフミラー等を用いて１つのレーザ光源から分岐させて得てもよいし、各ビームに対応してレーザ光源を設けてもよい。各部材への単位面積当たりの入熱量は、各ビームのエネルギー密度（＝ビームのエネルギー／照射スポット面積）や照射スポットの中心位置等を変更することにより調整することができる。

本実施形態では、レーザビームを進行方向Ｆに移動させることにより、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２をＺｎ系ろう材３により接合する。後行ビーム１２０については、たとえば特開２０１０−１３７２７７で本出願人が提案している手法を用いることが好適である。具体的には、後行ビーム１２０の照射により、Ｚｎ系ろう材３を蒸発させるとともに、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２で形成した開先形状１３の表面で後行ビーム１２０を多重反射させる。

このような後行ビーム１２０の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って進行方向Ｆに行うことにより、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体１０を製造することができる。接合構造体１０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には、Ｚｎ系材料からなる接合部４が形成されている。

Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いない場合、図３（Ａ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１と接合部４との境界部には、均一な層状の金属間化合物層５が形成されている。Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いる場合、図３（Ｂ）に示すように、従来の接合構造体と異なり、Ｆｅ系金属部材１と接合部４との境界部には、金属間化合物層（反応層）が存在しない。この場合、接合部４では、Ｓｉ粒がマトリックス中に散在し、その粒径が小さい方が好適である。具体的には、Ｓｉの粒径は、Ｚｎの有する機械的伸びを阻害しないサイズ（たとえば１０μｍ以下）が好適である。

なお、後行ビーム１２０の多重反射は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２で形成した開先形状１３の表面で行う代わりに、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の被溶接部を溶融して形成したキーホール内で行うようにしてもよい。この場合、後行ビーム１２０の照射による加熱では、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の被接合部をＦｅ系材料の融点以上の温度に設定することが好適である。

ここで本実施形態では、後行ビーム１２０よりも先行ビーム１１０を進行方向Ｆの前側に位置させ、先行ビーム１１０を少なくともＡｌ系金属部材２に照射して予熱を行っている。この場合、先行ビーム１１０の照射では、入熱し難くてかつ熱拡散し易いＡｌ系金属部材２への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定しているから、Ａｌ系金属部材の冷却速度を遅くすることができる。

これについて実施例および比較例を用いて具体的に説明する。実施例および比較例では、図１に示す配置形態と同様にＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材を配置し、それら金属部材の湾曲部により開先形状を形成し、Ｚｎ系ろう材としてワイヤを用いた。この場合、添加元素としてＳｉを添加させた。これにより、図１に示す構成を有するフレア継手形状の金属部材の接合構造体を製造した。

実施例および比較例では、ワイヤの挿入角度は、（Ｒｘ（Ｘ方向挿入角度），Ｒｙ（Ｙ方向挿入角度））を（２５°，２５°）に設定した。Ｆｅ系金属部材として鋼板（板厚１．０ｍｍ）、Ａｌ系金属部材としてＡｌ合金板（板厚１．２ｍｍ）を用いた。レーザとしてＹＡＧレーザ（波長λ１０６４ｎｍ）を用い、そのレーザビーム（総出力１．３ｋＷ）を先行ビームおよび後行ビームとして分岐させた。

実施例では、先行ビームをＡｌ用先行ビームおよびＦｅ用先行ビームに分岐し、各ビームのエネルギー比率（Ａｌ用先行ビーム：Ｆｅ用先行ビーム：後行ビーム）を２：２：６に設定した。

Ａｌ用先行ビームについて、ワイヤに対する相対的位置（ｘ，ｙ）を（１．０ｍｍ，−０．５ｍｍ）、照射角度（Ｒｘ（Ｘ方向照射角度），Ｒｙ（Ｙ方向照射角度））を（０°，５０°）、集光径φを１．８ｍｍに設定した。Ｆｅ用先行ビームについて、ワイヤに対する相対的位置（ｘ，ｙ）を（０．５ｍｍ，１．０ｍｍ）、照射角度（Ｒｘ（Ｘ方向照射角度），Ｒｙ（Ｙ方向照射角度））を（２５°，５０°）、集光径φを３．０ｍｍに設定した。後行ビームについて、ワイヤに対する相対的位置（ｘ，ｙ）を（−０．５ｍｍ，０ｍｍ）、照射角度（Ｒｘ（Ｘ方向照射角度），Ｒｙ（Ｙ方向照射角度））を（２５°，０°）、集光径φを３．０ｍｍに設定した。

比較例では、実施例と異なる点は、先行ビームを分岐しないこと（すなわち、先行ビームをＦｅ用先行ビームとしてのみ用いること）であって、それ以外は、実施例と同様な条件に設定した。この場合、各ビームのエネルギー比率（Ｆｅ用先行ビーム：後行ビーム）を４：６に設定した。

実施例および比較例の実験結果を図４，５に示す。図４は、実施形態に係るレーザ接合方法の実施例により得られたＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の温度履歴データを表すグラフである。図５は、レーザ接合方法の比較例により得られたＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の温度履歴データを表すグラフである。Ｆｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の温度は、Ｆｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材の裏面（接合部が形成されていない面）における接合部下端部に対応する位置で測定した。

比較例では、先行ビームとして、照射スポット中心がＦｅ系金属部材の被接合部に位置するＦｅ用先行ビームのみを用い、Ｆｅ系金属部材側の被接合部を集中的に予熱した。このように入熱し難くてかつ熱拡散し易いＡｌ系金属部材への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材への単位面積当たりの入熱量よりも小さくなるように設定したから、図５中の枠Ｈで囲まれる部分から判るように、Ａｌ系金属部材の冷却速度が速く、Ｆｅ系金属部材の冷却速度と大きく異なった。また、得られた接合構造体の接合部であるビードを調べた結果、最大凹凸差０．２ｍｍ程度の大きな凹凸が観察された。

これに対して実施例では、先行ビームとして、照射スポット中心がＡｌ系金属部材側の被接合部に位置するＡｌ用先行ビーム、および、照射スポット中心がＦｅ系金属部材側の被接合部に位置するＦｅ用先行ビームを用いるとともに、Ａｌ用先行ビームの集光径を小さく設定した。これによりＡｌ系金属部材側の被接合部を集中的に予熱した。

このように入熱し難くてかつ熱拡散し易いＡｌ系金属部材への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定したから、図４，５中の枠Ｈで囲まれる部分から判るように、実施例のＡｌ系金属部材の冷却速度は、比較例のＡｌ系金属部材の冷却速度よりも遅くなり、Ｆｅ系金属部材の冷却速度と略同等となった。また、得られた接合構造体の接合部であるビードを調べた結果、最大凹凸差０．０６ｍｍ程度の極めて小さな凹凸が観察された。このように実施例では、Ａｌ系金属部材の熱履歴をＦｅ系金属部材のものと略同等にすることができるとともに、接合部の外観不良の抑制を図ることができることを確認した。なお、実施例および比較例のＡｌ系金属部材の温度履歴では、図４，５から判るようにピーク温度が略同等であるが、これはＡｌ系金属部材側の被接合部近傍において温度が飽和していたためである。

以上のように本実施形態では、先行ビーム１１０の照射では、入熱し難くてかつ熱拡散し易いＡｌ系金属部材２への単位面積当たりの入熱量をＦｅ系金属部材１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定しているから、Ａｌ系金属部材２の被接合部の冷却速度を遅くすることができる。これにより、Ａｌ系金属部材２の被接合部の熱履歴をＦｅ系金属部材１の被接合部のものに近づけることができるから、Ａｌ系金属部材２の被接合部の収縮速度をＦｅ系金属部材１の被接合部のものに近づけることができる。したがって、接合部４であるビード表面の凹凸差が小さくなって滑らかになるから、接合部４の外観不良の発生を抑制することができる。たとえば接合構造体１０に塗装を施した場合、接合部４の塗装を良好に行うことができる。

特に、先行ビーム１１０による金属部材への予熱後、後行ビーム１２０を、キーホール内あるいは開先形状１３の表面で多重反射させることにより、その全表面を略均一に加熱することができる結果、たとえば特開２０１０−１３７２７７で本出願人が提案している手法と同様、Ｆｅ系金属部材１と接合部４との境界部の接合強度を向上させることができる等の効果を得ることができる。また、先行ビーム１１０をＦｅ系金属部材１の被接合部に照射することにより、その被接合部のめっき部を除去することができる。

上記実施形態を用い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く、種々の変形が可能である。たとえば上記実施形態では、本発明が適用可能な継手としてフレア継手を用いたが、これに限定されるものではなく、種々の継手に適用することができる。たとえば図６，７に示す重ね隅肉継手に本発明を適用することができる。

上記態様では、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２は板状をなし、Ｆｅ系金属部材１の表面の一部が露出するようにＦｅ系金属部材１上にＡｌ系金属部材２に配置している。Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との境界部は、Ｆｅ系金属部材１の表面露出部上のＡｌ系金属部材２の端部に沿って形成される。レーザビームとして、上記実施形態と同様、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように先行ビーム１１０および後行ビーム１２０を用いる。Ｚｎ系ろう材３は、ワイヤガイド２０１を通じて上記境界部の中心部に送出される。そのようなレーザビームを進行方向Ｆに移動させることにより、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２をＺｎ系ろう材３により接合する。これにより、たとえば図７に示す接合構造体１０Ａが得られる。

継手の種類によってＦｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との境界部の形態が異なるため、ビームの反射率が異なる。重ね隅肉継手を用いる場合、そのようなビームの反射率を考慮すると、Ａｌ用先行ビーム１１１の照射スポット中心を、図２に示すフレア継手の場合と比較して、Ａｌ系金属部材２側（すなわち、Ｙ方向のマイナス側）にシフトさせることが好適である。これにより、フレア継手の場合と同等の効果を得ることができる。本発明は、上記継手のほかに、レーザビームが照射可能なＦｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との境界部に適用することができ、この場合、上記のように境界部の形態によってビームの反射率が異なるから、それに対応するために、各ビームのエネルギー密度 （＝エネルギー／照射スポット面積）や照射スポットの中心位置等を変更する。

また、上記実施形態では、先行ビーム１１０をＡｌ用先行ビーム１１１およびＦｅ用先行ビーム１１２の２つのビームから構成したが、１つのビームから構成してもよい。この場合、たとえばビームの照射スポットの中心位置やビームの走査形態を適宜設定することにより、Ａｌ系金属部材２への単位面積当たりの入熱量がＦｅ系金属部材１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように設定する。

たとえばビームの照射スポットの中心位置をＡｌ系金属部材２側に位置させた状態でビームを進行方向Ｆに移動させる態様を用いることができる。また、たとえばビームの照射スポットの中心がＦｅ系金属部材１側とＡｌ系金属部材２側上に交互に位置するようにビームを進行方向Ｆに移動させ、その軌跡が波形状をなす態様を用いることができる。このようなビーム走査では、Ａｌ系金属部材２での照射面積がＦｅ系金属部材１での照射面積よりも大きくなるように設定することができる。

１…Ｆｅ系金属部材、２…Ａｌ系金属部材、３…Ｚｎ系ろう材、４…接合部、５…金属間化合物層、１０，１０Ａ…接合構造体、１１，１２…湾曲部、１３…開先形状、１１０…先行ビーム、１１１…Ａｌ用先行ビーム（第１先行ビーム）、１１２…Ｆｅ用先行ビーム（第２先行ビーム）、１２０…後行ビーム、Ｆ…進行方向、Ｐ１，Ｐ２，Ｑ…照射スポットの中心

Claims (2)

1. 熱源としてのレーザビームを移動させることにより、複数の金属部材をろう材により接合するレーザ接合方法において、
   前記金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、
   前記レーザビームとして、進行方向前側に位置する先行ビームと、進行方向後側に位置する後行ビームとを用い、
   前記先行ビームを少なくとも前記Ａｌ系金属部材に照射して予熱を行い、前記後行ビームを前記ろう材に照射して前記ろう材を溶融させ、
   前記先行ビームは、Ａｌ系金属部材への単位面積当たりの入熱量がＦｅ系金属部材への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように照射することを特徴とするレーザ接合方法。
2. 前記先行ビームを第１先行ビームおよび第２先行ビームから構成し、前記第１先行ビームを前記Ａｌ系金属部材に選択的に照射し、前記第２先行ビームを前記Ｆｅ系金属部材に選択的に照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合方法。

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