JP2017104877A - レーザを用いた接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合材の材質及び形状等に依らず適用可能な固相接合方法であって、特に、レーザを熱源とする簡便な固相接合方法を提案する。【解決手段】２以上の被接合材同士を接合する方法であって、少なくとも一つの被接合材の被接合面に鏡面加工を施す第一工程と、被接合材の被接合面同士を密着させて被接合界面を形成させる第二工程と、レーザの照射によって被接合界面を加熱する第三工程と、を含むこと、を特徴とする接合方法。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いた固相接合方法に関する。

高品質な溶接部を形成させる方法として、従来からレーザ溶接が盛んに研究されている。熱源にレーザを用いて被接合材を局所加熱することで、その他の溶融溶接等と比較して溶融部が小さくなると共に、熱影響部の形成が抑制されることが知られている。

しかしながら、高強度材の接合においては熱影響部における強度低下が避けられず、溶接部は急冷凝固組織となることから、被接合材が有する本来の機械的特性を維持することはできない。一方で、接合部を溶融させない圧接や拡散接合等の固相接合が存在するが、適用できる被接合材の大きさ及び形状等に制限があることに加え、接合部における強度低下を完全に抑制することは困難である。

これに対し、例えば、特許文献１（特開平７−６９３８号公報）では、少なくとも２の部材を接合する方法であって、少なくとも一方の接合面に単分子膜、又は単分子累積膜を形成する過程（Ａ）と、前記接合面を介して前記部材を互いに密着させる過程（Ｂ）と、前記接合面に電界を印加する過程（Ｃ）とを有することを特徴とする固相接合法が提案されている。

上記特許文献１に記載の固相接合方法においては、疎水基同士あるいは親水基同士を互いに結合させることにより、位置決め後のずれを防止することができ、かつ静電引力によって接着面を互いに原子間オーダの距離にまで近づけることができることから、強固な接着を得ることができる、としている。

特開平７−６９３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている固相接合方法では、少なくとも一方の接合面に単分子膜又は単分子累積膜を形成させる過程が必要であり、被接合材の材質及び形状等が制限されるだけでなく、化学処理を施す環境を別途整備する必要がある。また、接合過程においては、被接合材全体に対して電界を印加する必要があり、非効率なプロセスとなってしまう。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、被接合材の材質及び形状等に依らず適用可能な固相接合方法であって、特に、レーザを熱源とする簡便な固相接合方法を提案することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、固相接合方法について鋭意研究を重ねた結果、被接合面の表面粗さ（Ｒａ）を制御し、レーザ照射を用いて被接合界面を加熱すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
２以上の被接合材同士を接合する方法であって、
少なくとも一つの前記被接合材の被接合面に鏡面加工を施す第一工程と、
前記被接合材の前記被接合面同士を密着させて被接合界面を形成させる第二工程と、
レーザの照射によって前記被接合界面を加熱する第三工程と、を含むこと、
を特徴とする接合方法を提供する。

本発明の接合方法においては、被接合面に鏡面加工を施して被接合面同士を近接させ、密着状態の被接合界面に対してレーザ照射を行うことで、被接合面同士が溶融することなく固相状態で接合が達成される。ここで、レーザの出力、照射位置及び照射時間等は、被接合材が溶融しない範囲において、所望する継手の機械的特性等に応じて適宜設定すればよい。

接合に必要な入熱は局所的なレーザ照射によって得られるため、極めてエネルギー効率が高い接合手法であると共に、熱影響部の形成を抑制することができる。

本発明の接合方法においては、前記第一工程において、少なくとも一つの前記被接合材の被接合面の表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とすること、が好ましい。被接合面の表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とすることで、被接合界面同士を十分に近接させることができ、レーザ照射による入熱に起因する原子拡散によって、良好な接合界面を形成させることができる。

本発明の接合方法においては、前記第一工程において、前記被接合面に塑性ひずみを導入すること、が好ましい。被接合面に導入された塑性ひずみが接合の駆動力として働くことで、より小さな入熱によって固相状態での接合が達成される。

また、本発明の接合方法においては、前記第一工程において、転圧加工を用いること、が好ましい。転圧加工を用いることで、被接合面への塑性ひずみの導入と鏡面加工（表面粗さ（Ｒａ）：０．６２以下）を効率的に達成することができる。

また、本発明の接合方法においては、前記第二工程において、前記被接合界面を形成させた状態で前記被接合材をクランプすること、が好ましい。被接合界面に対してレーザ照射することで接合が達成されるが、被接合材をクランプすることで入熱による被接合材のずれ等を防止することができ、より確実に高品質な接合部を形成することができる。また、被接合面同士を密着させる方向に働く押圧力は接合の駆動力になることから、より小さな入熱によって固相状態での接合が達成される。クランプの方法は特に限定されないが、二面拘束又は四面拘束によって被接合材をクランプすることが好ましい。

また、本発明の接合方法においては、前記第二工程において、前記被接合材の表面及び／又は裏面に銅板を配置すること、が好ましい。被接合材の表面及び／又は裏面に銅板を配置し、当該銅板にレーザ照射することで、レーザ照射による被接合材の溶融を防止することができる。なお、銅板を介した熱伝導によって被接合界面への入熱が達成される。

更に、本発明の接合方法においては、前記被接合材の少なくとも一つを、鋼、ニッケル、コバルト、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、チタン及びチタン合金からなる群より選択される金属材とすること、が好ましい。被接合材をこれらの金属材とすることで、第一工程における鏡面加工及び塑性ひずみの導入が容易となることに加え、レーザ照射による小さな入熱によって原子が移動し、確実に固相接合が達成される。

なお、本発明の接合方法で用いるレーザは、本発明の効果を損なわない限りにおいて、従来公知の種々のレーザを用いることができる。本発明の接合方法に用いることができるレーザとしては、ディスクレーザ、半導体レーザ及びファイバレーザ等を例示することができ、被接合材の材質及び大きさ等の観点から、適宜選択すればよい。

本発明によれば、被接合材の材質及び形状等に依らず適用可能な固相接合方法であって、特に、レーザを熱源とする簡便な固相接合方法を提案することができる。

本発明の接合方法の工程図である。 本発明の接合方法の接合中の配置図である。 転圧加工に用いることができる工具の概観写真である。 実施例１の転圧加工面の表面粗さを示す線図である。 実施例１における被接合材のクランプ状況を示す概観写真である。 実施例２の切削加工面の表面粗さを示す線図である。 実施例３の切削加工面の表面粗さを示す線図である。 比較例の放電加工面の表面粗さを示す線図である。 接合部の断面写真である。

以下、図面を参照しながら本発明の接合方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

本発明の接合方法の工程図及び接合中の配置図を、図１及び図２にそれぞれ示す。本発明の接合方法は、被接合面の表面粗さを調整する第一工程（Ｓ０１）と、被接合面同士を密着させて被接合界面を形成させる第二工程（Ｓ０２）と、レーザの照射によって被接合界面を加熱する第三工程（Ｓ０３）と、を含んでいる。以下、これら各工程について詳細に説明する。

（１）表面粗さ調整工程（第一工程（Ｓ０１））
第一工程（Ｓ０１）は、少なくとも一つの被接合材２の被接合面４に鏡面加工を施す工程である。

被接合面４の表面粗さを小さくすることによって接合面の凹凸を低減することができ、第二工程（Ｓ０２）における被接合界面６の密着度を向上させることができる。本発明者は種々の表面粗さ（Ｒａ）を有する被接合材２を用いて接合実験を行った結果、表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とすることで良好な接合部が得られることを見出した。

本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合面４の表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とする方法は特に限定されず、従来公知の研磨装置や鑢を用いた研磨や鏡面加工処理等を用いることができるが、被接合面４に塑性ひずみを導入することが好ましい。被接合面４に導入された塑性ひずみが接合の駆動力として働くことで、より小さな入熱によって固相状態での接合が達成される。

ここで、被接合面４に塑性ひずみを導入しつつ表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とする方法としては、転圧加工を用いることが好ましい。転圧加工とは、ローラやボール状の工具により局所的な塑性変形を被処理材の表面に逐次繰り返し与えて、表面処理を施す鏡面加工方法である。本発明の効果を損なわない限りにおいて、従来公知の種々の転圧加工方法を用いることができるが、例えば、株式会社スギノマシン製の「スパロール」を用いて転圧加工することができる。図３に転圧加工に用いることができる工具の概観写真を示す。当該装置を用いて被接合面４を塑性変形させ、加工表面直下に残留応力を与えることで、表面粗さ（Ｒａ）を０．１以下にすることができる。

被接合材２の少なくとも一つを、鋼、ニッケル、コバルト、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、チタン及びチタン合金からなる群より選択される金属材とすること、が好ましい。被接合材２をこれらの金属材とすることで、第一工程（Ｓ０１）における鏡面加工及び塑性ひずみの導入が容易となることに加え、第三工程（Ｓ０３）のレーザ照射による小さな入熱によって被接合界面６近傍の原子が移動して確実に固相接合される。

（２）被接合界面形成工程（第二工程（Ｓ０２））
第二工程（Ｓ０２）は、被接合材２の被接合面４同士を密着させて被接合界面６を形成させるための工程である。

被接合界面６において被接合面４同士が密着していれば外力を印加する必要はないが、被接合材２をクランプすることが好ましい。本発明の接合方法においては、被接合界面６に対してレーザ照射することで接合が達成されるが、被接合材２をクランプすることで入熱による被接合材４のずれ等を防止することができ、より確実に高品質な接合部を形成することができる。また、被接合面４同士を密着させる方向に働く押圧力は接合の駆動力になることから、より小さな入熱によって固相状態での接合が達成される。

被接合材２のクランプ方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に制限されず、従来公知の種々のクランプ方法を用いることができる。当該クランプ方法としては、例えば、ボルトやネジを用いたクランプ機構や、油圧や空気圧を用いたクランプ機構等を用いることができる。ここで、クランプは被接合材２の側面に対して、二面拘束又は四面拘束することが好ましい。

（３）レーザ照射工程（第三工程（Ｓ０３））
第三工程（Ｓ０３）は、レーザの照射によって被接合界面６を加熱し、接合を完了する工程である。

レーザ照射を行うためのレーザ接合装置の構成は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、例えば、レーザ加工ヘッド８、光学系ユニット１０、ノズル１２及び発振器１４を備えたレーザ接合装置１６を用い、被接合界面６にレーザを照射することができる。

また、レーザの種類についても、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、被接合材２の材質、形状及び大きさ等に応じて従来公知の種々のレーザを用いることができる。レーザとしては、半導体レーザ、ディスクレーザ及びファイバレーザ等を例示することができる。

ここで、レーザ出力等のプロセス条件は、用いるレーザの種類や被接合材２の材質、形状及び大きさ等に応じて適宜調整すればよいが、例えば、波長１０３０ｎｍのディスクレーザを用い、出力を１．０〜１０ｋＷとすることができる。

レーザ照射は被接合材２の表面に対して直接施してもよいが、被接合材２の上面及び／又は下面に銅板等の熱導電性の高い部材を配置することが好ましい。当該部材の配置により、レーザのエネルギーをより効率的に接合箇所に導入することができ、作業効率を高めることができる。加えて、直接のレーザ照射による被接合材２の溶融を抑制することができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

≪実施例１≫
被接合材として板厚１ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を用い、側面に転圧加工（スパロール加工）を施した。表面粗さ計を用いて計測した当該側面の表面粗さを図４に示す。表面粗さ（Ｒａ）は０．０７７であった。

２つの被接合材を上記加工面同士で突合せて被接合界面を形成させ、被接合材の上下に銅板を配置し、万力及びボルトによって四面拘束した。当該クランプの状況を図５に示す。その後、図６に示す状況で被接合界面の上方からレーザを照射し、接合体を得た。

レーザは波長１０３０ｎｍのディスクレーザ（連続波）を用い、レーザ出力は１．０〜２．０ｋＷの間で０．１ｋＷ刻みの１１段階とした。なお、レーザの移動速度は０．３ｍ／ｍｉｎで一定とし、５０Ｌ／ｍｉｎでシールドガス（アルゴンガス）をフローさせた。

各接合体について接合部の断面観察を行い、被接合材が溶融することなく良好な接合部が得られた場合は○、被接合材が溶融することなく接合部が得られたものの取扱い中に破断した場合は△、被接合材が溶融した場合及び接合部が得られなかった場合は×とした。得られた結果を表１に示した。

≪実施例２≫
側面に切削加工を施したこと以外は実施例１と同様にして接合体を作製した。表面粗さ計を用いて計測した切削加工面の表面粗さを図６に示す。表面粗さ（Ｒａ）は０．１５１であった。また、実施例１と同様にして接合体の断面観察を行い、得られた結果を表１に示した。

≪実施例３≫
側面に切削加工を施したこと以外は実施例１と同様にして接合体を作製した。表面粗さ計を用いて計測した切削加工面の表面粗さを図７に示す。表面粗さ（Ｒａ）は０．６２０であった。また、実施例１と同様にして接合体の断面観察を行い、得られた結果を表１に示した。

≪比較例≫
側面に放電加工を施したこと以外は実施例１と同様にして接合体を作製した。表面粗さ計を用いて計測した放電加工面の表面粗さを図８に示す。表面粗さ（Ｒａ）は３．７７７であった。また、実施例１と同様にして接合体の断面観察を行い、得られた結果を表１に示した。

表１より、被接合面の表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とした本発明の接合方法を用いて接合した場合、被接合材が溶融することなく良好な接合部が得られるプロセス条件（レーザ出力）が存在することが分かる。ここで、表面粗さ（Ｒａ）を小さくすることで、好適なプロセス条件が拡大する。

実施例１でレーザ出力を１．７ｋＷとして得られた接合体、実施例２でレーザ出力を１．２ｋＷとして得られた接合体、及び被接合材の引張試験を行った。得られた値を表２に示した。なお、引張試験には島津製作所製のＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＴＥＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ（型式：ＲＨ−５０）を用いた。

表２より、本発明の接合方法を用いて得られた接合体は７０％以上の継手効率を示しており、溶融や圧力の印加を利用することなく、接合が達成されていることが分かる。また、被接合面の表面粗さ（Ｒａ）をより小さくした接合体において、より高い接合強度が得られている。

実施例１におけるレーザ出力１．７ｋＷの条件を用い、板厚６ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を突合せ接合して得られた接合部の断面写真を図９に示す。レーザを照射した面に近い領域の被接合界面は消失しており、接合が達成されていることが分かる。

２・・・被接合材、
４・・・被接合面、
６・・・被接合界面、
８・・・レーザ加工ヘッド、
１０・・・光学系ユニット、
１２・・・ノズル、
１４・・・発振器、
１６・・・レーザ接合装置。

Claims (8)

1. ２以上の被接合材同士を接合する方法であって、
   少なくとも一つの前記被接合材の被接合面に鏡面加工を施す第一工程と、
   前記被接合材の前記被接合面同士を密着させて被接合界面を形成させる第二工程と、
   レーザの照射によって前記被接合界面を加熱する第三工程と、を含むこと、
   を特徴とする接合方法。
2. 前記第一工程において、少なくとも一つの前記被接合材の被接合面の表面粗さ（Ｒａ）を０．６２以下とすること、
   を特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第一工程において、前記被接合面に塑性ひずみを導入すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
4. 前記第一工程において、転圧加工を用いること、
   を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の接合方法。
5. 前記第二工程において、前記被接合界面を形成させた状態で前記被接合材をクランプすること、
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の接合方法。
6. 二面拘束又は四面拘束によって前記被接合材をクランプすること、
   を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の接合方法。
7. 前記第二工程において、前記被接合材の表面及び／又は裏面に銅板を配置すること、
   を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載の接合方法。
8. 前記被接合材の少なくとも一つを、鋼、ニッケル、コバルト、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、チタン及びチタン合金からなる群より選択される金属材とすること、
   を特徴とする請求項１〜７のうちのいずれかに記載の接合方法。