JP2020157321A - 金属線の溶融接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】径の異なる金属線の先端同士を接合する溶融接合において、細径の金属線の断線と、接合不良の発生を抑制することが可能な、溶融接合方法を提供する。【解決手段】第１の金属線の先端と第２の金属線の先端とを重ね合わせ、かつ、前記第２の金属線に金属板を接触させて配置し、前記第１の金属線に高エネルギー密度ビームを照射して前記第１の金属線の先端に溶融金属溜りを形成し、前記溶融金属溜りを凝固させ、前記第１の金属線と前記第２の金属線とを接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、径の異なる金属線の先端同士を接合する金属線の溶融接合方法に関する。

金属線の先端同士を接合する接合方法として、圧着接合、ろう付け、溶融接合等がある。圧着接合と溶融接合は、他の部材を介さずに、金属線の先端同士を接合できるので、経済的に好ましい接合方法にすることができる。特に、高エネルギー密度ビームによる溶融接合は、接合を短時間に完了することができるので、効率の良い接合方法にすることができる。

金属線の先端同士を高エネルギー密度ビームにより溶融接合する方法として、例えば、特許文献１や特許文献２の方法が開示されている。

特開２０１３−１６３６６号公報 特開２００５−１１８８０５号公報

特許文献１の溶融接合は、略同径の金属線の先端同士を接合する溶融接合である。しかし、径の異なる金属線同士の溶融接合では、溶融金属溜りの形成と凝固に起因する引っ張り応力が発生し、細径の金属線が引っ張られて断線してしまう可能性があった。
また、特許文献２の溶融接合では、径の異なる金属線の先端同士を接合する溶融接合を開示している。しかし、この方法では、金属線の高エネルギー密度ビームが照射される面とその反対の面の溶融状態がアンバランスになる可能性があり、ビームが照射される面と反対の面に溶融不良が発生して、強度的な接合不良になる可能性があった。

そこで本発明は、径の異なる金属線の先端同士を接合する溶融接合において、溶融金属溜りによる細径の金属線の断線と、接合不良の発生を抑制することが可能な、溶融接合方法を提供する。

本発明の金属線の溶融接合方法は、第１の金属線の先端と前記第１の金属線より細径の第２の金属線の先端とを溶融接合する金属線の溶融接合方法であって、前記第１の金属線の先端と前記第２の金属線の先端とを重ね合わせ、かつ、前記第２の金属線に金属板を接触させて配置し、前記第１の金属線に高エネルギー密度ビームを照射して前記第１の金属線の先端に溶融金属溜りを形成し、前記溶融金属溜りを凝固させ、前記第１の金属線と前記第２の金属線とを接合する。

また、本発明では、前記高エネルギー密度ビームに、レーザを用いることが好ましい。

また、本発明では、前記金属板の、前記溶融金属溜りが形成される位置に、前記溶融金属溜りを保持する凹部を有することが好ましい。

本発明によれば、径の異なる金属線の先端同士を接合する溶融接合において、細径の金属線の断線と、接合不良の発生を抑制することが可能になる。

実施形態に用いる各構成の配置を示す図 実施形態により金属線を溶融接合する工程を示す図 第２の金属線２が溶断することを示す模式図 金属板７の斜視図、および断面図 金属板７の別の実施形態を示す図 実施例で溶融接合した金属線の接合部写真

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の説明に用いる各構成を示す図である。本実施形態では、第１の金属線１と第２の金属線２と金属板７とを有し、第２の金属線２は第１の金属線１より細径である。第１の金属線１の先端３から所定の距離Ｌ１離れた位置に第２の金属線２の先端４を、オーバーラップして重ね合わるとともに、第２の金属線２と金属板７とを接触するように配置している。ここで、第１の金属線１と金属板７とは接触していない。さらに、第１の金属線１の先端３から所定の距離Ｌ６離れた位置にレーザヘッド５を配置し、高エネルギー密度ビームであるレーザ６を第１の金属線１に照射できるようにしている。

次に、図２により第１の金属線１と第２の金属線２とを溶融接合する工程について説明する。図２（ａ）はレーザ６の照射前、図２（ｂ）はレーザ６の照射初期、図２（ｃ）はレーザ６の照射中期、図２（ｄ）はレーザ６の照射終期、を示している。

図２（ａ）に示す状態からレーザ６を照射すると、図２（ｂ）に示すように、第１の金属線１の一部が溶融する。さらにレーザ６を継続して照射すると、図２（ｃ）に示すように、第１の金属線１の先端３まで溶融して溶融金属溜りＷを形成する。この溶融金属溜りＷは、表面張力によって球状化するとともに、第２の金属線２の先端４近傍を覆う。そして、第２の金属線２の先端４を覆いこんだ溶融金属溜りＷは、第２の金属線２の直下に設けられた金属板７に接触する。この時、レーザ６のエネルギーが過剰でなければ、図２（ｄ）に示すように、レーザ６が照射を継続しても、金属板７のへの放熱、冷却効果によって溶融金属溜りＷは凝固を開始する。つまり、レーザ６の照射位置、つまりレーザ６の照射位置と第１の金属線１の先端３との距離Ｌ６を決めることによって溶融金属溜りＷの形成位置を制御することができる。

本実施形態では、金属板７への放熱、冷却効果により、強制的に溶融金属溜りＷの凝固を開始して位置制御をする。この理由についてさらに詳しく説明する。
図３は、図２の状態から金属板７がない場合の模式図である。図３（ａ）はレーザ６の照射前、図３（ｂ）はレーザ６の照射初期、図３（ｃ）はレーザ６の照射中期、図3（ｄ）はレーザ６の照射終期、を示している。

図３（ａ）に示す状態からレーザ６を照射すると、図３（ｂ）に示すように、第１の金属線１の一部が溶融して第２の金属線２に接触する。さらにレーザ６を継続して照射すると、図３（ｃ）に示すように、第１の金属線１の先端３が全て溶けきって、溶融金属溜りＷを形成する。溶融金属溜りＷは表面張力によって球状化するとともに、第１の金属線１の先端３とは反対方向へ移動する。その過程で第２の金属線２が溶融金属溜りＷに接触していると、図３（ｄ）に示すように第２の金属線２が溶断する可能性が高い。

上述の溶断する理由は、溶融金属溜りＷ内に第２の金属線２が溶融している状態で継続してレーザ６が照射されると、溶融金属溜りＷがさらに加熱され溶融を継続して移動するためである。そのため、溶融金属溜りＷが第２の金属線２に接触した後は溶融金属溜りＷが動かないようにしなければならない。その手段として、レーザ６を停止して溶融金属溜りＷの溶融を止めることが考えられるが、後で説明するように、本実施形態では第１の金属線１は７本の金属単線からなる金属線であるので、単線の密着具合によって熱伝導の状態が変わり、溶融金属溜りＷの形成時間も変わる。例えば、７本の単線に隙間があると、熱伝導効率が低下して、第１の金属線１の先端３の溶融に要する時間が長くなる。このように、第１の金属線１の先端３の溶融時間にはばらつきが生じるため、レーザ６の照射時間を仮に固定した場合、溶融不足になることがある。

そのため、本実施形態では、第１の金属線１の先端３を十分な時間溶融しつつ、溶融金属溜りＷを金属板７に接触させることにしている。このようにすることで、第１の金属線１の先端３が溶融した状態で、溶融金属溜りＷが移動することなく、第２の金属線２と接合することが可能である。また、第２の金属線２は金属板７に接触しているため、第２の金属線２は冷却されることで過剰に溶融されることなく溶融金属溜りＷに覆われ、接合できる。

本実施形態では、第１の金属線１の径に対して、第２の金属線２が十分に細い線であっても溶断することなく接合できる。つまり、金属線を溶融するために必要なエネルギーに差がある金属線同士でも、優れた接合強度を得ることができる。

本実施形態では、２つの金属線のうち、径の太い金属線、つまり第１の金属線１にレーザ６を照射して溶融金属溜りＷを形成する。このようにすることで、径の細い第２の金属線２に対して十分大きな溶融金属溜りＷを形成することができ、図２（ｄ）に示すように、溶融金属溜りＷが第２の金属線２の先端４へ到達して接触した際に、第２の金属線２の先端４を十分に覆うことが可能である。すなわち、接合効果が高まり、優れた接合強度を得ることができる。

次に、レーザ６の照射位置について説明する、レーザ６の照射位置によって溶融金属溜りＷの形成位置を制御するとともに、溶融金属溜りＷの大きさを決定する。図２（ｄ）に示すように、溶融金属溜りＷの直径ＤＷが第１の金属線１の径より大きいことで、接合対象である第２の金属線２と接触できることから、照射位置つまり、レーザ６の照射位置と第１の金属線１の先端３との距離Ｌ６は、溶融金属溜りＷの形成位置、溶融金属溜りＷの直径ＤＷによって適宜設定できる、つまり、第２の金属線２の先端４を十分に覆い、金属板７に接触できる条件であれば良い。

次に、第２の金属線２の先端４の位置について説明する。本発明はレーザ６の照射位置に溶融金属溜りＷを形成して凝固させる。そのため、溶融金属溜りＷが形成された時に第２の金属線２の先端４が溶融金属溜りＷに接触するようにＬ１の長さとＬ６の長さは決定される。ここで、Ｌ１の長さは、Ｌ６の長さ、２つの金属線の径により変わるので、溶融金属溜りＷが形成された時に第２の金属線２の先端４が十分覆われる長さであれば良い。また、接合条件によっては第２の金属線２の先端４が溶融金属溜りＷ内に含まれる必要はない。つまり、第２の金属線２のいずれかの個所が、溶融金属溜りＷに覆われていれば良いのであれば、Ｌ１の長さはＬ６の長さよりも大きくて良い。

次に、金属板７について説明する。図４（ａ）は図２（ａ）の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ‘断面図をそれぞれ示している。形成された溶融金属溜りＷが第２の金属線２を十分に覆う過程で金属板７に接触すると、第２の金属線２を十分に覆いこむ前に凝固が開始され、接合ばらつきが生じる可能性がある。そこで、より確実な接合強度を得るため、溶融金属溜りＷの直径ＤＷと同等の大きさの凹部Ｈを接合個所に設定してもよい。このようにすることで、溶融金属溜りＷの成長を阻害せず、溶融金属溜りＷは十分な大きさで形成されるので、第２の金属線２を十分覆い込み終わると金属板７と接触して凝固を開始させることが可能である。ここで、凹部Ｈの大きさは、溶融金属溜りＷの直径ＤＷの大きさ、第２の金属線２の径により変わる。つまり、溶融金属溜りＷが第２の金属線２を十分に覆い込んだ後に溶融金属溜りＷに接触する形状、サイズであれば良く、例えば、半球状で、溶融金属溜りＷの直径ＤＷの１／２以上の径を有するものとすることができる。
なお、金属板７材質として、熱伝導率の高い、例えば銅または銅合金を使用できるが、これに限ったものではない、十分に冷却効果を得られることが出来ればあらゆる材料が対象となる。

本実施形態では、金属板７は第２の金属線２の直下に配置しているが、それには限られない。例えば、図５に示すように、側面に配置しても良い。

以上が本実施形態を示す説明である。本実施形態の第１の金属線１と第２の金属線２はともに７本の金属単線からなる金属線を示したが、これに限らない。第１の金属線１と第２の金属線２は、同一の金属単線が複数集合している金属線、単一の金属線からなる単線、双方を含み、その組み合わせも限られない。

上記の実施形態を用いた実施例を以下に説明する。

第１の金属線として直径０．２５ｍｍの銅単線７本からなる直径０．７ｍｍの撚線を、第２の金属線として表面に銀メッキが施された直径０．０５ｍｍの銅単線７本からなる直径０．１５ｍｍの撚線を用いた。第２の金属線の先端を第１の金属線の先端から１．０ｍｍの位置に接触させる構成で溶融接合し、接合評価を行った。銅製の金属板を第２の金属線の直下に配置して、接合個所となる第２の金属線の先端から１．０ｍｍの位置にはＲ０．５ｍｍの凹部を設けた。レーザとして波長１０６４ｎｍのファイバーレーザを用いて、１１．３Ｊのエネルギーで単発照射を行い、第１の金属線から離れる方向にデフォーカスを２．０ｍｍかけた。

図６に金属線接合後の接合部を示す。接合部表面を確認したところ、孔等の欠陥は認められなかった、また、接合部を研磨して内部監察したところ、孔、ボイド等の欠陥は認められなかった。

次に、第２の金属線を固定して、第１の金属線を線方向に破断するまで引っ張り、破断強度と破断個所の確認を行った。細径である第２の金属線の破断強度はＭｉｎ．１１．７Ｎであるのに対して、接合品の破断強度はＭｉｎ．１１．９Ｎであった。また、破断後のサンプルを確認したところ、接合部ではなく第２の金属線で破断していた。ことから、接合部の破断は第２の金属線で起こっており、接合部起因による破断は認められなかった。

以上、本発明について、実施形態を用いて説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術範囲において、その内容を変更することが可能である。

１：第１の金属線
２：第２の金属線
３：第１の金属線１の先端
４：第２の金属線２の先端
５：レーザヘッド
６：レーザ
７：金属板
Ｌ１：第１の金属線１の先端３と第２の金属線の先端４との距離
Ｌ６：レーザ６の照射位置と第１の金属線１の先端３との距離
Ｗ：第１の金属線１の先端３が溶融してできた球状の溶融金属溜り
ＤＷ：溶接金属溜りＷの直径
Ｈ：金属板に設けられた凹部

Claims (3)

1. 第１の金属線の先端と前記第１の金属線より細径の第２の金属線の先端とを溶融接合する金属線の溶融接合方法であって、
   前記第１の金属線の先端と前記第２の金属線の先端とを重ね合わせ、かつ、前記第２の金属線に金属板を接触させて配置し、
   前記第１の金属線に高エネルギー密度ビームを照射して前記第１の金属線の先端に溶融金属溜りを形成し、
   前記溶融金属溜りを凝固させ、前記第１の金属線と前記第２の金属線とを接合する
   ことを特徴とする金属線の溶融接合方法。
2. 前記高エネルギー密度ビームに、レーザを用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属線の溶融接合方法。
3. 前記金属板の、前記溶融金属溜りが形成される位置に、前記溶融金属溜りを保持する凹部を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属線の溶融接合方法。