JP2019025520A

JP2019025520A - 異種金属の接合方法およびレーザ溶接装置

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Publication number: JP2019025520A
Application number: JP2017147770A
Authority: JP
Inventors: 翔平蓬田; Shohei Yomogida; 村瀬　崇; Takashi Murase; 崇村瀬; 福田　敏彦; Toshihiko Fukuda; 敏彦福田
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-02-21
Also published as: CN110997216A; DE112018003900T5; US20200306854A1; WO2019026614A1

Abstract

【課題】Ａｌ系母材とＣｕ系母材とを、適正化を図った溶加材を用いたレーザ溶接によって接合することにより、レーザ照射位置の厳密な制御は不要であり、しかも、高い継手強度を有する溶接継手を製造することができる、異種金属の接合方法等を提供する。
【解決手段】本発明の異種金属の接合方法は、Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材２と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材３との異種金属の接合方法であって、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる溶加材５を用い、レーザ光の照射によって照射した部分を溶融・凝固させるレーザ溶接により、Ａｌ系母材２とＣｕ系母材３とを接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合方法およびレーザ溶接装置に関する。

一般に、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ（銅）系材料は、導電性が高いことから、例えばＬｉ（リチウム）イオン電池の電極及びブスバー（バスバー）、並びに電子デバイス、ワイヤハーネス等の電極、端子及び配線等に使用されている。近年、環境保護の観点から、ハイブリッド自動車及び電気自動車等の研究開発が急速に進められており、これらの自動車等に搭載されるＬｉイオン電池、電子デバイス及び電装部品等には軽量化が要求されている。そして、これらの動力源及び電装部品等の軽量化を達成するために、電極及び端子等の一部を、Ｃｕ系材料に換えて、Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ（アルミニウム）系材料で構成することが検討されている。

即ち、上記電装部品等においては、Ｃｕ系材料からなる電極及び端子等と、Ａｌ系材料からなる電極及び端子等とが混在することになるため、これらの異種金属同士を接合する技術が必要とされている。異種金属同士の接合方法としては、例えば超音波接合、ＭＩＧ溶接、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）及びレーザ溶接が挙げられる。これらの接合方法の中で、特にレーザ溶接は、大きなパワー密度が得られることから、生産性の面で最も優れている。

レーザ溶接においては、溶接対象の２つの母材上にレーザ溶接機によってレーザ光を集光して照射する。照射されるレーザ光は、レンズ又はミラー等によって母材の表面周辺が焦点となるように、例えば円形に集光される。これにより、レーザ光が照射される部分においてレーザ光のパワー（エネルギー）が凝縮され、アーク溶接等と比較して百倍乃至千倍程度のパワー密度を得ることができる。

レーザ溶接は、高速度での溶接が可能であり、熱影響部の幅が狭いため、異種金属の接合に適している。異種金属からなる母材同士のレーザ溶接による接合方法としては、溶込み形状の制御や継手強度の改善等の観点からレーザの照射条件を最適化する検討が盛んに行われている。

例えば、特許文献１では、融点の異なる金属板を突き合せてレーザ溶接した溶接金属板の製造方法が記載されている。特許文献１の方法は、レーザービームの焦点を、突合せ位置よりも、少なくとも融点の高い方の金属板の上面側にシフトするようにレーザーヘッドを移動させてレーザ溶接を行なうものであって、レーザ溶接時における穴空きのない溶接ビード（溶接金属部）を得ることを目的としている。しかしながら、特許文献１に記載された発明は、溶接金属部に生じやすい割れや金属間化合物の発生量の抑制については検討がなされていない。加えて、特許文献１には、溶接する融点の異なる板の組合せとして、鋼板とアルミニウム系板、鋼板と銅系板、鋼板とステンレス鋼板の場合だけが挙げられ、アルミニウム系母材と銅系母材の組合せについては挙げられていない。このため、特許文献１の方法を用いてアルミニウム系母材と銅系母材とをレーザ溶接する場合、レーザービームの焦点を、突合せ位置よりも、融点が高い金属板である銅系母材の上面側にシフトするようにレーザーヘッドを移動させてレーザ溶接を行うことになるが、銅系母材は、熱伝導率及び光の反射率が高いため、レーザ光の照射によって溶融し難く、銅系母材を溶融させるためには、照射するレーザ光のエネルギー密度を大きくする必要があり、さらに、溶融部には、例えばＣｕ_９Ａｌ_４等の脆性が高い金属間化合物が多く生成し、十分な継手強度を得ることができなくなるという問題もある。

また、特許文献２には、アルミニウム部材と銅部材とのレーザ溶接方法であって、アルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光を照射するレーザ溶接方法が記載されている。しかしながら、特許文献２のレーザ溶接方法は、突合せ継手にて照射位置を厳密に制御する必要があるため、継手形状の自由度が低く、施工上の許容度も低いものである。

特開２００５―２５４２８２号公報特開２０１１−００５４９９号公報

本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ａｌ系母材とＣｕ系母材とを、適正化を図った溶加材を用いたレーザ溶接によって接合することにより、レーザ照射位置の厳密な制御は不要であり、しかも、高い継手強度を有する溶接継手を製造することができる、異種金属の接合方法およびレーザ溶接装置を提供することにある。

本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、Ａｌ系母材とＣｕ系母材とを、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有する、融点が低いＡｌ合金を溶加材として用いた上でレーザ溶接を行なうことにより、高い継手強度を有するＡｌ系母材とＣｕ系母材の溶接継手の製造が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合方法であって、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる溶加材を用い、レーザ光の照射によって照射した部分を溶融・凝固させるレーザ溶接により、前記Ａｌ系母材と前記Ｃｕ系母材とを接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
（２）前記溶加材が、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金もしくはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金である、上記（１）に記載の異種金属の接合方法。
（３）前記溶加材が粉末状溶加材である、上記（１）または（２）に記載の異種金属の接合方法。
（４）前記粉末状溶加材の粉体を、前記Ａｌ系母材の上でかつ前記Ｃｕ系母材に接するように配置し、レーザ光の照射スポットを、前記粉体の表面上を走査させる、上記（３）に記載の異種金属の接合方法。
（５）前記レーザ光の照射スポットが走査される前記粉体は、表面に占める面積率で１％以上となるＦｅ粉をさらに含む、上記（３）または（４）に記載の異種金属の接合方法。
（６）前記粉体は、体積比率で１０％以上のフラックスをさらに含有する、上記（３）〜（５）のいずれか１項に記載の異種金属の接合方法。
（７）前記レーザ溶接における溶接条件は、パワー密度が５０ｋＷ／ｍｍ^２以下であり、溶接速度が１ｍｍ／ｓ以上である、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の異種金属の接合方法。
（８）Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合のために使用されるレーザ溶接装置であって、レーザ出射ユニットと溶加材供給ユニットとを備え、該溶加材供給ユニットが、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる粉末状溶加材を収容し、かつ収容された前記粉末状溶加材を供給する溶加材供給部と、Ｆｅ粉を収容し、かつ収容された前記Ｆｅ粉を供給するＦｅ粉供給部とを有し、前記溶加材供給部が、接合予定位置に前記粉末状溶加材を供給して前記粉末状溶加材の粉体を配置可能に構成され、前記Ｆｅ粉供給部が、前記接合予定位置に配置された前記粉体の表面上に前記Ｆｅ粉が供給配置可能に構成され、前記レーザ出射ユニットが、レーザ光の照射スポットを、前記Ｆｅ粉が配置された前記粉体の表面上で走査可能に構成されることを特徴とするレーザ溶接装置。

本発明によれば、Ａｌ系母材とＣｕ系母材とを、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有する、融点が低いＡｌ合金を溶加材として用いた上でレーザ溶接を行なうことにより、レーザ照射位置の厳密な制御は不要であり、しかも、高い継手強度を有するＡｌ系母材とＣｕ系母材の溶接継手を製造することができる、異種金属の接合方法およびレーザ溶接装置の提供が可能になった。

図１は、本発明の従う異種金属の接合方法を説明するために示したものであって、下板（好適にはアルミニウム系母材）の端部上に、上板（好適には銅系母材）の端部を重ね合わせただけの接合前の状態を示す概略斜視図である。図２は、図１に示すように下板（好適にはアルミニウム系母材）の端部上に上板（好適には銅系母材）の端部を重ね合わせた状態で、下板上でかつ上板の端面に接するように粉末溶加材の粉体を配置したときの接合前の状態を示す概略斜視図である。図３は、図２に示すように配置した粉体表面上にレーザ光を照射してレーザ溶接を行なうことによって下板（好適にはアルミニウム系母材）と上板（好適には銅系母材）とを接合して得られた溶接継手の概略斜視図である。図４は、図３に示す溶接継手を、溶接方向Ｘに対して垂直に切断したときの概略断面図である。図５は、本発明に従うレーザ溶接装置を用い、本発明の異種金属の接合方法によって溶接継手を製造する際の、上板、下板、ならびにレーザ溶接装置を構成するレーザ出射ユニットおよび溶加材供給ユニットの配置関係を説明するため図である。

以下、本発明に係る異種金属の接合方法について詳細に説明する。
＜異種金属の接合方法＞
本発明に係る異種金属の接合方法は、Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合方法であって、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる溶加材を用い、レーザ光の照射によって照射した部分を溶融・凝固させるレーザ溶接により、前記Ａｌ系母材と前記Ｃｕ系母材とを接合することにある。

（Ａｌ系母材）
Ａｌ（アルミニウム）系母材は、Ａｌ合金もしくは純Ａｌからなっている。
Ａｌ合金としては、特に限定はしないが、例えばＡｌ−Ｍｎ系合金（ＪＩＳ３０００系合金）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０００系合金）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＪＩＳ６０００系合金）が挙げられ、純アルミニウムは、ＪＩＳ１０００系合金が挙げられる。具体的には、Ａ１１００、Ａ１０５０、Ａ３００３、Ａ３００４、Ａ５０５２、Ａ５０８３、Ａ６０６１等である。

（Ｃｕ系母材）
Ｃｕ（銅）系母材は、Ｃｕ合金もしくは純Ｃｕからなっている。
銅合金としては、特に限定はしないが、例えばＣｕ−Ｚｎ系合金（黄銅）、Ｃｕ−Ｓｎ系合金（青銅）等が挙げられ、純銅としては、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等が挙げられる。具体的には、Ｃ１０２０、Ｃ１１００、Ｃ１２０１、Ｃ２６００、Ｃ５１９１、Ｃ６１９１等である。

（溶加材）
［溶加材の合金組成］
本発明に係る異種金属の接合方法は、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる溶加材を使用する。溶加材の好適な合金組成系としては、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金が挙げられる。このようなＡｌ合金からなる溶加材は、純Ａｌの融点（６６０℃）よりも低い融点を有する。Ａｌ系母材と銅系母材との溶接においては、溶接部（溶接金属部および熱影響部を含んだ部分）で金属間化合物の生成量が多くなって、継手強度が低下すること、および、溶接時に高温である時間が長いほど金属間化合物の生成量が増加することがわかっている。すなわち、本発明では、上述した融点の低い溶加材を使用してレーザ溶接することで、溶接部が高温になっている時間を短くできることから、金属間化合物の生成量が抑制される結果、高い継手強度を有する溶接継手を製造することができる。溶加材の融点は純Ａｌの融点に比べて１０℃以上低いことが望ましい。

溶加材がＡｌ−Ｓｉ系合金の場合には、Ｓｉ含有量を１〜１４質量％とすることが望ましい。Ｓｉ含有量が１質量％未満では、融点が純アルミニウムの融点に比べて十分に低下させることができず、溶接部が高温になっている時間を短くすることができず、金属間化合物の生成を十分に抑制することができない傾向がある。一方、Ｓｉ含有量が１４質量％を超えると、溶加材の融点が上昇して、溶接部で生成される金属間化合物の量が増加する傾向がある。

溶加材がＡｌ−Ｃｕ系合金の場合には、Ｃｕ含有量を３０質量％以下とすることが好ましい。Ｃｕ含有量が３０質量％よりも多いと、溶加材の融点が上昇して、溶接部で生成される金属間化合物の量を抑制する効果が十分に発揮できないおそれがあるからである。

溶加材がＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の場合には、Ｃｕ含有量を３０質量％以下、Ｓｉ含有量を７質量％以下とすることが好ましい。ＣｕおよびＳｉの含有量の少なくとも一方が上記範囲よりも多いと、溶加材の融点が上昇して、溶接部で生成される金属間化合物の量を抑制する効果が十分に発揮できないおそれがあるからである。

溶加材がＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金の場合には、Ｃｕ含有量を３０質量％以下、Ｚｎ含有量を７質量％以下とすることが好ましい。ＣｕおよびＺｎの含有量が上記範囲よりも多いと、溶加材の融点が上昇して、溶接部で生成される金属間化合物の量を抑制する効果が十分に発揮できないおそれがあるからである。

溶加材がＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金の場合には、Ｃｕ含有量を３０質量％以下、Ｓｉ含有量を７質量％以下、Ｚｎ含有量を７質量％以下とすることが好ましい。Ｃｕ、ＳｉおよびＺｎの含有量の少なくとも一つが上記範囲よりも多いと、溶加材の融点が上昇して、溶接部で生成される金属間化合物の量を抑制する効果が十分に発揮できないおそれがあるからである。

［溶加材の形状］
溶加材の形状は、粉末状であることが好ましい。一般的に用いられる棒状、ワイヤー状、箔状の溶加材では、溶加材を溶融させるために必要な熱量が大きくなる。溶加材を溶融させるために必要な熱量が大きいと、銅系母材への熱伝導による伝熱量も多くなり、金属間化合物の生成量が増大する。一方、粉末状の溶加材は、棒状、ワイヤー状、箔状の溶加材に比べて、単位質量（または単位体積）あたりの表面積（比表面積）が大きくなるため、照射したレーザ光の光吸収率が高まることに加え、溶融に必要な熱量が少なくて済むため、投入する熱量を低減してもよい。その結果、銅系母材への熱伝導による伝熱量は少なくなるため、金属間化合物の生成量を抑制することができる。また、粉末状溶加材の充填率を向上させるため、平均粒径が２〜１０μｍである小粒径の粉末状溶加材Ａと、平均粒径が５０〜５００μｍである大粒径の粉末状溶加材Ｂとの２種類の異なる粒径サイズの粉末状溶加材を、質量比にして、粉末状溶加材Ａ：粉末状溶加材Ｂ＝１：９５〜１０５で混合して使用することが望ましい。さらに、粉末状溶加材は、Ａｌ系母材の上でかつ銅系部材に接するように供給されて粉体として配置され、レーザ光の照射スポットを、粉体の表面上を走査させることが好ましい。これによって、溶接部が高温になっている時間を短くでき、金属間化合物の生成量の抑制が可能になる。

［溶加材の配置方法］
溶加材の配置方法は、事前に配置してもよく、あるいはレーザ照射直前に供給される方法（図５参照）を採ってもよい。いずれの場合も、Ａｌ系母材とＣｕ系母材の双方に溶加材が接するように配置されるのが好ましい。溶加材の配設量は、各母材の板厚や開先形状に応じて適宜調整すればよい。棒状やワイヤー状の溶加材を用いる場合は、線径を変化させることで調整が可能である。粉末状溶加材を用いる場合は、接合予定位置への粉末状溶加材の供給量を適宜調整すればよい。また、粉末状溶加材の場合には、充填率を高めるために、さらにポリエチレングリコールやポリエーテル等を含む分散材を使用することも可能である。

（溶加材以外の（粉体を構成する）成分）
［Ｆｅ粉］
また、他の実施形態として、レーザ光の照射スポットが走査される粉体は、表面に占める面積率で１％以上、好ましくは５０％以上となるＦｅ（鉄）粉をさらに含むことが好ましい。Ｆｅ粉は、レーザ光の反射率が、Ａｌ系母材やＣｕ系母材に比べて低いため、レーザ光吸収補助材として用いることができる。すなわち、粉体の表面にＦｅ（鉄）粉を配置することにより、より低いエネルギーで溶加材（粉体）を溶融させることができるようになり、Ａｌ系母材とＣｕ系母材とを著しく溶融させないためのエネルギー制御がより容易になる。なお、粉体の表面に占めるＦｅ粉の面積率を１％以上としたのは、１％未満では、レーザ光が照射される粉体表面での光吸収率の向上効果が十分に得られない場合があるからである。

Ｆｅ粉の配置方法は、例えば、図１に示すように接合予定位置Ｗに粉末状溶加材を供給して粉末状溶加材の粉体５を配置し、その後、この粉体５の表面を覆うように配置（図示せず）してもよい。この場合、粉体５の表面を覆うように配置したＦｅ粉の層の厚さは１ｍｍ以下にするのが好ましい。Ｆｅ粉の層の厚さが１ｍｍよりも厚いと、レーザのエネルギーが有効に届かないＦｅ粉が粉体上に存在し、溶加材やＡｌ系母材への熱伝達が阻害される恐れがある。

また、Ｆｅ粉の他の配置方法としては、粉末状溶加材とＦｅ粉とを混合し、混合したＦｅ粉の一部が粉体の表面に露出するように配置してもよい。この場合、粉末状溶加材（粉体）に占めるＦｅ粉の混合割合は、体積率で１〜５０％の範囲とすることが好ましい。Ｆｅ粉の混合割合が１％未満では、粉体の表面に占めるＦｅ粉の面積率を１％以上にすることができず、レーザ光が照射される粉体表面での光吸収率の向上効果が十分に得られない場合があるからであり、一方、Ｆｅ粉の混合割合が５０％超えでは、溶加材が十分流動できなくなり、接合性が阻害される恐れがあるからである。さらに、鉄粉の平均粒子径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。

［フラックス］
さらに、他の実施形態としては、接合性を向上させるため、フラックスを使用してもよい。Ａｌの酸化被膜は強固であり、レーザで破壊してもすぐに再酸化し接合を阻害する。そこで、フラックスにより酸化被膜破壊を促進させるとより接合性が向上する。フラックスとしては、例えば、通常のＡｌ系母材を溶接する際に使用されるフッ化物系もしくは塩化物系、またはフッ化物系と塩化物系の混合物が挙げられる。フッ化物系フラックスとしては、ＫＡｌＦ_４、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_２ＡｌＦ_５・Ｈ_２Ｏ、Ｋ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＫＺｎＦ_３、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｃｓ_３ＡｌＦ_６、ＣｓＡｌＦ_４・２Ｈ_２Ｏ、Ｃｓ_２ＡｌＦ_５・Ｈ_２Ｏ等が挙げられるが、これらは１種又は２種以上の混合物として用いられる。また、塩化物系フラックスとしては、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ、ＺｎＣｌ_２等が挙げられるが、これらは１種又は２種以上の混合物として用いられる。この中で、特に低融点かつ非腐食性である、ＣｓとＦを含有するフッ化物系フラックスを用いるのがより好適である。具体的には、Ｃｓ_３ＡｌＦ_６、ＣｓＡｌＦ_４・２Ｈ_２Ｏ、Ｃｓ_２ＡｌＦ_５・Ｈ_２Ｏ等が挙げられる。フッ化物系と塩化物系の混合物のフラックスとしては、ＮａＣｌ＋ＫＣｌ＋Ｎａ_２ＳｉＦ_６、ＮａＣｌ＋ＫＣｌ＋ＮａＦ等が挙げられる。

フラックスの配置方法は、（Ｉ）溶加材設置前にＡｌ系母材とＣｕ系母材のそれぞれ接合予定位置を含む部分にわたって塗布する、（ＩＩ）溶加材設置後に溶加材（粉体）の表面に塗布する、（ＩＩＩ）フラックスを粉末状溶加材とともに混合する、のいずれか１つ若しくは２つの方法の組み合わせによって行なうことができる。なお、上記（ＩＩＩ）の場合は、フラックスは、混合粉（粉体）中に体積比率で１０％以上とすることが好ましい。フラックスの体積比率が１０％未満だと、酸化被膜破壊を促進させる効果が十分に得られないおそれがある。また、混合粉中に占めるフラックスの体積比率は、５０％を超えると溶加材が不足して接合性が顕著に低下するおそれがあることから、５０％以下にすることが好ましい。なお、フラックスを混合する場合には、粉末溶加材の体積率は３０％以上であることが望ましい。粉末溶加材の体積率が３０％未満だと、溶加材が不足して接合性が顕著に低下するおそれがある。

［レーザ溶接］
（溶接形状）
本発明においては、図２に示すようにＡｌ系母材とＣｕ系母材からなる２枚の板（下板２と上板３）を重ね合わせて配置した後、下板２上でかつ上板３との接合予定位置Ｗ（図１に斜線で示す。）に溶加材を供給して、図２に示すように粉末状溶加材の粉体５を配置し、下板２上にある粉末状溶加材の粉体５の表面上に、レーザ溶接装置（図５）のレーザヘッドから出射されたレーザ光を集光して照射される照射スポットＳを走査させることにより、下板２と上板３とを接合して、図３および図４に示す溶接継手１を形成する。この場合、下板２はＡｌ系母材、上板３はＣｕ系母材とすることが好ましい。溶接継手１の継手形状は、図３に示す重ね隅肉形状の他、Ａｌ系母材に開先を設けた突合せ形状や、拝み継手形状等の他の継ぎ手形状を採用することも可能である。レーザ溶接は、片側より１パスで実施されることが望ましいが、接合体である溶接継手１の板厚によっては複数回溶接してもよい。複数回溶接する場合は、溶接後に再度溶加材を配置する工程を含んでもよい。

（レーザ照射条件）
レーザの照射位置は、Ａｌ系母材を下板２とし、重ね合わせた部分ではないＡｌ系母材の表面側に幾分オフセットした溶加材（粉体５）の表面上の位置とするのが好ましい。これは、上板３のＣｕ系母材に比べて、Ａｌ系母材２の方が溶加材との濡れ性が悪く、Ｃｕ系母材３上に溶加材を配置して溶接すると、溶融した溶加材がＡｌ系母材に対して十分に濡れることができず、接合することが難しい場合があるからである。

本発明のレーザ照射による加熱は、広範囲で溶加材が溶融されるように制御し、Ｃｕ系母材への熱伝導を極力抑制するのが好ましい。そのため、レーザ溶接における溶接条件は、パワー密度が５０ｋＷ／ｍｍ^２以下であり、溶接速度が１ｍｍ／ｓ以上であることが好ましい。パワー密度が５０ｋＷ／ｍｍ^２を超えるとＣｕ系母材への熱伝導による伝熱量が多くなり、溶接部で生成される金属間化合物の量が増大して継手強度が低下するおそれがある。また、溶接速度が１ｍｍ／ｓ未満では、溶接部の冷却速度が小さくなるため金属間化合物の生成量が増加する傾向がある。加えて、溶接速度が２０００ｍｍ／ｓを超えると、溶加材の溶融が不十分となって、適正な接合部を形成することができない場合が生じることから、溶接速度の上限は２０００ｍｍ／ｓとすることが好ましい。なお、使用されるレーザは、連続波（ＣＷ）、パルス波（ＰＷ）の何れでもよい。

また、照射するレーザ光のスポット径は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。レーザ光のスポット径が０．１ｍｍ未満では、溶加材の溶融が不十分となって、健全な接合体が得られないおそれがある。

さらに、溶接金属部４の酸化を防ぐために、レーザ溶接する際にはシールドガスを用いてもよい。シールドガスは、例えばアルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスを使用し、流量１〜６０Ｌ／ｍｉｎの間で適宜選択される。

使用するレーザの波長は、特に規定しないが、７００〜２０００ｎｍとするのが好ましい。この波長においては、Ａｌの方がＣｕに比べて反射率が低く、Ａｌ系合金からなる溶加材の光吸収率が高くなるからである。

＜レーザ溶接装置＞
次に、本発明のレーザ溶接装置について、以下で説明する。
図５は、本発明に従う実施形態のレーザ溶接装置の概念図であって、上板、下板、ならびにレーザ溶接装置を構成するレーザ出射ユニットおよび溶加材供給ユニットの配置関係を示したものである。

本発明のレーザ溶接装置１０は、Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材２と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材３との異種金属の接合のために使用され、レーザ出射ユニット２０と溶加材供給ユニット３０とを備えている。

レーザ出射ユニット２０は、レーザを発振するためのレーザ発振器２２と、発振し集光したレーザ光を照射するレーザヘッド２４とを有し、レーザヘッド２４および溶接する上板３および下板２を固定するステージ（図示せず）の一方を他方に対して相対的に溶接方向Ｘに移動させながら、レーザヘッド２４から照射されるレーザ光の照射スポットＳが、粉体５の表面上、図５では粉体５上にさらにＦｅ粉６が配置された表面上を走査できるように構成されている。

溶加材供給ユニット３０は、溶加材供給部３２およびＦｅ粉供給部３４と、溶加材供給ヘッド３６およびＦｅ粉供給ヘッド３８とを有している。

溶加材供給部３２は、ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる粉末状溶加材を収容し、かつ収容された粉末状溶加材を供給する。また、溶加材供給部３２は、接合予定位置Ｗに粉末状溶加材を供給して粉末状溶加材の粉体５を配置可能に構成されている。

Ｆｅ粉供給部３４は、Ｆｅ粉を収容し、かつ収容されたＦｅ粉を供給する。Ｆｅ粉供給部３４は、接合予定位置Ｗに配置された粉体５の表面上にＦｅ粉６が供給配置可能に構成されている。

溶加材供給ヘッド３６は、溶加材供給部３２に収容されている粉末状溶加材を接合予定位置Ｗに所定量ずつ供給できるように構成されている。

Ｆｅ粉供給ヘッド３８は、Ｆｅ粉供給部３４に収容されているＦｅ粉を、接合予定位置Ｗに載置された粉体５上に、所定量ずつ供給できるように構成されている。

また、溶加材供給ヘッド３６およびＦｅ粉供給ヘッド３８は、レーザヘッド２４と同期させながら溶接方向Ｘに先行させて接合予定位置Ｗに供給されるように構成されている。かかる場合、レーザヘッド２４の場合と同様に、溶加材供給ヘッド３６およびＦｅ粉供給ヘッド３８は、溶接する上板３および下板２を固定するステージ（図示せず）に対して相対的に移動できる構成であればよく、例えば、溶加材供給ヘッド３６およびＦｅ粉供給ヘッド３８を移動させても、あるいは、溶接する上板３および下板２を固定するステージを移動させてもよい。

上述したところは、この発明の実施形態の例を示したにすぎず、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

以下に、本発明の実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（発明例１〜１５ならびに比較例１および２）
長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのサイズを有し、Ａ１０５０からなるＡｌ系母材と、Ｃ１１００からなるＣｕ系母材の２枚の板を使用した。Ａｌ系母材とＣｕ系母材は、図３に示すように重ねすみ肉継手となるように重ねた後に、溶加材を用いたレーザ溶接によって接合した。なお、図中の符号２を下板、３を上板として以後、表記する。

溶加材としては、Ａ４０４７ＢＷまたはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金からなる直径１．２ｍｍの２種類の棒状溶加材、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金からなる３種類の粉末状溶加材を用意した。なお、粉末状溶加材は、平均粒径が５μｍの粉末と、平均粒径が１００μｍの粉末とを質量比１：１００で混合して作製した。さらに、粉末状溶加材には、さらにフラックスとしてフッ化物系フラックスであるＣｓ_３ＡｌＦ_６を体積比率で２０％含むものも用意した。溶加材は、下板２上に上板３の端面に接する位置に配置した。粉末状溶加材を使用する場合は、上板３の端面に接する位置に厚さが１．５ｍｍ、幅が１．５ｍｍとなる溶接長５０ｍｍとなるように粉末溶加材の粉体５を、下板２の全幅にわたって配置した。
発明例で用いた、棒状溶加材であるＡ４０４７ＢＷおよびＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金の組成成分、ならびに粉状溶加材であるＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金およびＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金の組成成分は以下のとおりである。

＜棒状溶加材＞
［Ａ４０４７ＢＷ］
Ｓｉ：１２質量％、Ｆｅ：０．３質量％、残部Ａｌ
［Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金］
Ｃｕ：２０質量％、Ｓｉ：５質量％、Ｚｎ：５質量％、残部Ａｌ

＜粉状溶加材＞
［Ａｌ−Ｓｉ合金］
Ｓｉ：１２質量％、残部Ａｌ
［Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金］
Ｃｕ：２０質量％、Ｓｉ：５質量％、残部Ａｌ
［Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ合金］
Ｃｕ：２０質量％、Ｓｉ：５質量％、Ｚｎ：５質量％、残部Ａｌ

レーザ溶接には、ＩＰＧ製のＹＬＳ２０００を使用し、ＣＷレーザにて溶接を行った。レーザの波長は１０７０ｎｍである。スポット径は０．２ｍｍとし、出力は２ｋＷ、１ｋＷの２条件とした。なお、出力が２ｋＷである場合のパワー密度は約７０ｋＷ／ｍｍ^２であり、出力が１ｋＷである場合のパワー密度は約３５ｋＷ／ｍｍ^２である。溶接速度は、０．５ｍｍ／ｓ、１ｍｍ／ｓおよび５ｍｍ／ｓの３条件とした。シールドガスには窒素を使用し、流量は２０Ｌ／ｍｉｎとした。レーザの照射位置は、上板３の端面から０．２ｍｍだけ下板２の重なり合っていない表面側にオフセットし、上板３の端面に対して平行に走査して、Ａｌ系母材とＣｕ系母材を接合して溶接継手（接合体）を作製した。なお、溶加材を使用せずに溶接する際には、上板３の端面位置を照射した。また、一部の実施例では、レーザ光の照射前に、粉末状溶加材の粉体５の表面上に、平均粒子径が１００μｍの鉄粉６を吸収補助材としてさらに添加した。鉄粉６は、粉末溶加材の粉体５上のレーザ照射領域において幅０．１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍとして溶接長５０ｍｍの下板の全幅にわたって添加した。レーザ光の照射領域が、スポット径０．２ｍｍ×溶接長５０ｍｍ＝１０ｍｍ^２であるのに対して、鉄粉の添加面積は、幅０．１５ｍｍ×溶接長５０ｍｍ＝７．５ｍｍ^２であり、粉体５の表面に占める鉄粉の面積率は７５％であった。

なお、Ａｌ系母材とＣｕ系母材の配置関係の組合せ、溶加材の組成および形状、粉体中におけるフラックスの含有の有無および体積比率、粉体の表面上における吸収補助材（Ｆｅ粉）の存在の有無および粉体表面に占める吸収補助材（Ｆｅ粉）の面積率、ならびにレーザ溶接におけるレーザ照射条件（パワー密度および溶接速度）については表１に示す。

＜性能評価＞
作製した各溶接継手について、溶接金属部の溶け込み形状および引張せん断強度（破断荷重）を評価した。

（ｉ）溶接部の溶け込み形状の評価
作製した各溶接継手に対して、図３に示すように溶接金属部４を溶接方向Ｘに対して垂直に切断した断面（図４）の溶接金属部４の溶込み形状を観察し、溶接金属部４の下板２側の脚長Ｌ１および上板３側の脚長Ｌ２を測定した。表２にそれらの測定結果を示す。なお、表２において、下板２側の脚長Ｌ１は、１．０ｍｍ以上である場合を「○」、０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満である場合を「△」、そして、０．７ｍｍ未満であれば「×」として評価し、また、上板３側の脚長Ｌ２は、０．９〜１．０ｍｍである場合を「○」、０．７ｍｍ以上０．９ｍｍ未満である場合を「△」、そして０．７ｍｍ未満の場合を「×」として評価した。

（ｉｉ）引張せん断強度（破断荷重）の測定方法
また、作製した各溶接継手について、溶接部が中心となるような幅１０ｍｍの短冊状サンプルを作製し、引張せん断試験を実施し、破断荷重を測定した。その測定結果を表２に示す。なお、表２に示す破断荷重は、１ｋＮを超えた場合を「○」、０．６ｋＮ以上１．０ｋＮ未満の場合を「△」、そして、０．６ｋＮ未満である場合を「×」として評価した。

（ｉｉｉ）総合評価
上記（ｉ）および（ｉｉ）の評価結果から、下記に示す総合評価基準に基づいて綜合評価を行なった。その結果を表２に示す。

＜総合評価基準＞
◎：上記（ｉ）における下板および上板の脚長の評価がいずれも「○」で、かつ上記（ｉｉ）における破断荷重の評価も「○」である場合。
○：上記（ｉ）における下板および上板の脚長の評価と上記（ｉｉ）における破断荷重の評価のうち、いずれかの２つの評価が「○」、残り１つの評価が「△」である場合。
△：上記（ｉ）における下板および上板の脚長の評価および上記（ｉｉ）における破断荷重の評価のうち、少なくとも２つ以上が「△」であり、かつ「×」の評価がない場合。
×：上記（ｉ）における下板および上板の脚長の評価および上記（ｉｉ）における破断荷重の評価の中に「×」の評価がある場合。

表２に示す評価結果から、本発明に係る接合方法（レーザ溶接）で作製した発明例１〜１５の接合継手は、下板の脚長が０．８ｍｍ以上であり、上板の脚長が０．７ｍｍ以上であり、溶接部が良好な溶け込み形状を有し、また、引張せん断試験における破断荷重が０．６ｋＮ以上であり、高い継手強度を有していた。一方、溶加材を使用せずにレーザ溶接で作製した比較例１及び２は、溶接部が良好な溶け込み形状を有していたものの、引張せん断試験における破断荷重が０．５ｋＮ以下であり、継手強度が不足していた。

本発明によれば、レーザ照射位置の厳密な制御は不要であり、しかも、高い継手強度を有するＡｌ系母材とＣｕ系母材の溶接継手を製造することができる、異種金属の接合方法およびレーザ溶接装置の提供が可能になった。

１溶接継手
２下板
３上板
４溶接金属部
５粉体（または溶加材）
６Ｆｅ粉
１０レーザ溶接装置
２０レーザ出射ユニット
２２レーザ発振器
２４レーザヘッド
３０溶加材供給ユニット
３２溶加材供給部
３４Ｆｅ粉供給部
３６溶加材供給ヘッド
３８Ｆｅ粉供給ヘッド
Ｘ溶接方向

Claims

Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合方法であって、
ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる溶加材を用い、レーザ光の照射によって照射した部分を溶融・凝固させるレーザ溶接により、前記Ａｌ系母材と前記Ｃｕ系母材とを接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
前記溶加材が、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金もしくはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金である、請求項１に記載の異種金属の接合方法。
前記溶加材が粉末状溶加材である、請求項１または２に記載の異種金属の接合方法。
前記粉末状溶加材の粉体を、前記Ａｌ系母材の上でかつ前記Ｃｕ系母材に接するように配置し、レーザ光の照射スポットを、前記粉体の表面上を走査させる、請求項３に記載の異種金属の接合方法。
前記レーザ光の照射スポットが走査される前記粉体は、表面に占める面積率で１％以上となるＦｅ粉をさらに含む、請求項３または４に記載の異種金属の接合方法。
前記粉体は、体積比率で１０％以上のフラックスをさらに含有する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の異種金属の接合方法。
前記レーザ溶接における溶接条件は、パワー密度が５０ｋＷ／ｍｍ^２以下であり、溶接速度が１ｍｍ／ｓ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の異種金属の接合方法。
Ａｌ合金もしくは純ＡｌからなるＡｌ系母材と、Ｃｕ合金もしくは純ＣｕからなるＣｕ系母材との異種金属の接合のために使用されるレーザ溶接装置であって、
レーザ出射ユニットと溶加材供給ユニットとを備え、
該溶加材供給ユニットが、
ＳｉおよびＣｕの少なくとも一方を含有するＡｌ合金からなる粉末状溶加材を収容し、かつ収容された前記粉末状溶加材を供給する溶加材供給部と、
Ｆｅ粉を収容し、かつ収容された前記Ｆｅ粉を供給するＦｅ粉供給部と
を有し、
前記溶加材供給部が、接合予定位置に前記粉末状溶加材を供給して前記粉末状溶加材の粉体を配置可能に構成され、
前記Ｆｅ粉供給部が、前記接合予定位置に配置された前記粉体の表面上に前記Ｆｅ粉が供給配置可能に構成され、
前記レーザ出射ユニットが、レーザ光の照射スポットを、前記Ｆｅ粉が配置された前記粉体の表面上で走査可能に構成されることを特徴とするレーザ溶接装置。