JP2021122831A - レーザー接合方法及び接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明のレーザー接合方法の一つの態様は、ステンレス材料からなる第１接合材と亜鉛合金材料からなる第２接合材とをレーザーを用いて接合する方法を提供する。【解決手段】第１接合材の第１面に第２接合材を配置する第１工程と、第２接合材側から第１接合材側に向かってレーザーを照射することで第２接合材の一部を溶融させる第２工程と、第１接合材の第１面を加熱する第３工程と、一部が溶融する第２接合材と、第１面が加熱された第１接合材とを接合する第４工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明はレーザー接合方法及び接合構造体に関する。

下記特許文献１には、異種金属同士をレーザーで接合する技術が開示されている。

特開２００１−２５２７７７号公報

しかしながら、上記特許文献１のレーザー接合方法は、例えば、互いの融点が大きく異なる亜鉛合金材料とステンレス材料とを溶融させて接合する際、ステンレスを溶融させる温度まで加熱すると亜鉛合金が揮発してしまうため、亜鉛合金材料およびステンレス材料をレーザーで溶融させて接合できないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みて、亜鉛合金材料およびステンレス材料を接合可能なレーザー接合方法及び接合構造体を提供することを目的の一つとする。

本発明の第１の態様によれば、ステンレス材料からなる第１接合材と亜鉛合金材料からなる第２接合材とをレーザーを用いて接合する方法であって、第１接合材の第１面に第２接合材を配置する第１工程と、前記第２接合材側から前記第１接合材側に向かってレーザーを照射することで前記第２接合材の一部を溶融させる第２工程と、前記第１接合材の前記第１面を加熱する第３工程と、一部が溶融する前記第２接合材と、前記第１面が加熱された前記第１接合材とを接合する第４工程と、を備えることを特徴とするレーザー接合方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、ステンレス材料からなる第１接合材と亜鉛合金材料からなる第２接合材とを接合した接合構造体であって、前記第１接合材および前記第２接合材は、上記第１の態様のレーザー接合方法により接合されている接合構造体が提供される。

本発明の一つの態様によれば、亜鉛合金材料およびステンレス材料を接合可能なレーザー接合方法及び接合構造体を提供できる。

図１は接合装置の構成を示す図である。 図２はレーザー接合方法の手順の一部を示すフローチャートである。 図３はレーザー接合方法の手順の一部を示す図である。 図４は接合構造体の構成を示す図である。 図５は変形例に係る接合装置の構成の一部を示す図である。

以下の説明においては、各図に適宜示すＺ軸と平行な方向を上下方向と呼び、Ｘ軸と平行な方向を前後方向と呼び、Ｙ軸と平行な方向を左右方向と呼ぶ。前後方向および左右方向は、互いに直交し、かつ、上下方向と直交する方向である。上下方向のうちＺ軸の正の側を上側とし、上下方向のうちＺ軸の負の側を下側とする。前後方向のうちＸ軸の正の側を前側とし、前後方向のうちＸ軸の負の側を後側とする。左右方向のうちＹ軸の正の側を右側とし、左右方向のうちＹ軸の負の側を左側とする。

なお、本実施形態において、上下方向、前後方向、および左右方向等は、単に各部の配置関係等を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。

図１は本実施形態のレーザー接合方法に用いられる接合装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の接合装置１００は、チャンバー１と、保持部２と、レーザー照射部３と、ガス供給部４と、を備える。チャンバー１は、レーザー接合を行う作業空間を閉塞する。保持部２は、チャンバー１内において、レーザー接合を行う対象物１０を保持する。

保持部２は、ベース部２ａと、ベース部２ａとの間で対象物１０を両面から挟み込むことで拘束する押さえ板２ｂと、を含む。ベース部２ａおよび押さえ板２ｂは、例えば、銅などの放熱性に優れた金属で構成される。保持部２は、レーザー接合時に対象物１０を冷却する冷却部材としても機能する。

レーザー照射部３は、対象物に対して所定のレーザー光Ｌを照射する。レーザー照射部３はＹＡＧレーザーを発光するレーザー発光部３ａと、レーザー発光部３ａから発光したレーザーを収束させる光学レンズ３ｂと、を含む。レーザー照射部３は、光学レンズ３ｂをアクチュエータ（図示略）により移動させることでレーザーの収束位置を変化させることができる。

ガス供給部４は、例えば、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガスＧをチャンバー１内に供給することでチャンバー１内を不活性雰囲気に保持する。本実施形態の接合装置１００は、チャンバー１内を不活性雰囲気に保持することで、洗浄な環境下で対象物１０をレーザー接合することで接合信頼性を向上させることができる。

本実施形態の接合装置１００によって接合される対象物１０は、ステンレス材料からなる第１接合材１１と亜鉛合金材料からなる第２接合材１２とを積層した積層体である。第１接合材１１を構成するステンレス材料としてはオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用い、第２接合材１２を構成する亜鉛合金材料としては亜鉛ダイキャスト材料（ＺＤＣ２）を用いた。

本実施形態においては、レーザー接合する対象物１０を構成する第１接合材１１および第２接合材１２がそれぞれ板状とする場合について説明する。なお、第１接合材１１および第２接合材１２の形状は、特に限定されない。

ここで、第１接合材１１を構成するＳＵＳ３０４の融点は約１３７０度であり、第２接合材１２を構成するＺＤＣ２の融点は約４７０度である。すなわち、第１接合材１１および第２接合材１２の融点の差は約９００度である。
従来、このように融点の大きく異なる異種材料同士をレーザーで溶融させて接合することはできなかった。これは、融点の高いＳＵＳ３０４を溶融させる温度まで加熱した場合、ＺＤＣ２が揮発してしまい、両材料をそれぞれ溶融させた状態とすることができないためである。

これに対して本実施形態の接合装置１００は、後述のように、融点の大きく異なる異種材料である第１接合材１１（ＳＵＳ３０４）と第２接合材１２（ＺＤＣ２）とを接合することができる。

図２は、本実施形態の接合装置１００を用いたレーザー接合方法の手順の一部を示すフローチャートである。図３はレーザー接合方法の手順の一部を示す図である。図３は接合装置１００のチャンバー１内を拡大した図である。図４は本実施形態のレーザー接合方法により接合された接合構造体の構成を示す図である。

図２に示すように、本実施形態の接合装置１００を用いたレーザー接合方法は、配置工程（第１工程）Ｓ１と、溶融工程（第２工程）Ｓ２と、加熱工程（第３工程）Ｓ３と、接合工程（第４工程）Ｓ４と、を含む。本実施形態の接合装置１００は、配置工程Ｓ１、溶融工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３および接合工程Ｓ４をチャンバー１内で行う。すなわち、本実施形態のレーザー接合方法において、配置工程Ｓ１、溶融工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３および接合工程Ｓ４は、チャンバー１内の不活性雰囲気でそれぞれ行われる。

配置工程Ｓ１は、図１に示したように接合装置１００のチャンバー１内にレーザー接合の対象物１０を配置する工程である。溶融工程Ｓ２は、第２接合材１２にレーザーを照射することで第２接合材１２の一部を溶融させる工程である。加熱工程Ｓ３は、第１接合材１１の第１面１１ａを加熱する工程である。接合工程Ｓ４は、一部が溶融する第２接合材１２と、第１面１１ａが加熱された第１接合材１１とを接合する工程である。

具体的に配置工程Ｓ１では、図３に示すように、第１接合材１１の第１面１１ａ上に第２接合材１２を配置した対象物１０を保持部２によって保持する。本実施形態の配置工程Ｓ１では、第２接合材１２が第１接合材１１の上側に位置した状態となるように対象物１０をチャンバー１内に配置する。保持部２は、ベース部２ａおよび押さえ板２ｂ間に対象物１０を挟み込むことで加圧した状態で保持する。すなわち、第１接合材１１および第２接合材１２は上下方向において加圧された状態で保持される。

本実施形態の接合装置１００では、配置工程Ｓ１に加えて、溶融工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３および接合工程Ｓ４の間においても対象物１０を保持部２によって加圧した状態で保持する。すなわち、本実施形態のレーザー接合方法において、配置工程Ｓ１、溶融工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３および接合工程Ｓ４では、第１接合材１１および第２接合材１２を加圧した状態で保持する。

本実施形態の接合装置１００は、溶融工程Ｓ２において、図３に示すように、対象物１０の上側から下側に向かってレーザーＬを照射する。すなわち、溶融工程Ｓ２では、第２接合材１２側から第１接合材１１側に向かってレーザーＬを照射する。

ここで、レーザーＬのエネルギーは焦点部分が最も高くなる。溶融工程Ｓ２において、レーザー照射部３は、第２接合材１２の厚さの半分よりも第１面１１ａ側でレーザーＬを収束させるように、レーザー照射を行う。

本実施形態において、レーザー照射部３は、レーザー発光部３ａからパルス発振でレーザーＬを発光する。すなわち、溶融工程Ｓ２では、レーザーＬをパルス状に照射する。本実施形態において、レーザー照射部３からパルス状に照射されるレーザーＬのパワーは例えば０．７ｋＷに設定され、１パルス時間は５μ秒に設定される。このようにレーザーＬをパルス状に照射することで、レーザーＬのエネルギーを第２接合材１２の厚さ方向下側、すなわち、第１面１ａ側に伝わりやすくすることができる。

本実施形態のレーザー照射部３は、第１接合材１１の第１面１１ａ上にレーザーＬを収束させるように、レーザー照射を行っている。これにより、レーザーＬは第１面１１ａ上に焦点Ｌａを結ぶ。上述のようにレーザーＬのエネルギーは焦点Ｌａが最も高くなるため、第２接合材１２における温度は、レーザーＬの焦点Ｌａが位置する第１面１ａの近傍が最も高くなる。このとき、第２接合材１２には、第１接合材１１の第１面１１ａに接触する下面１２ａの一部が溶融した溶融部１３が生成された状態となる。このように溶融工程Ｓ２によって、第２接合材１２の一部を溶融させた溶融部１３が生成される。

本実施形態において、レーザー照射部３は、最もエネルギーが高くなる焦点Ｌａ部分において第２接合材１２を溶融可能となるようにレーザーＬのパワーを設定している。これにより、第２接合材１２のうち焦点Ｌａの近傍部分、すなわち、第１面１１ａの近傍部分を選択的に溶融させて溶融部１３を生成できる。

また、本実施形態において、第１接合材１１の第１面１１ａは、第１面１１ａ上に焦点Ｌａを結ぶレーザーＬによって効率良く加熱される。すなわち、本実施形態のレーザー接合方法において、加熱工程Ｓ３は、第２接合材１２の一部を溶融させるレーザーＬの熱を利用して第１接合材１１の第１面１１ａを加熱している。なお、上述のように第１接合材１１の融点は第２接合材１２の融点よりも十分高いため、第１接合材１１の第１面１１ａが溶融することはない。

このように本実施形態のレーザー接合方法によれば、溶融工程Ｓ２および加熱工程Ｓ３を同一工程で行うことができる。よって、対象物１０の接合時間を短縮することができる。

また、本実施形態のレーザー照射部３は、対象物１０に対して上側から下側に向かってレーザーＬを照射している。具体的にレーザー照射部３は、第１接合材１１の第１面１１ａに対して垂直方向（Ｚ軸方向）からレーザーＬを照射する。この構成によれば、対象物１０の表面、すなわち、第２接合材１２の表面１２ｂでレーザーＬを反射され難くすることができる。よって、レーザーＬが第２接合材１２の厚さ方向下側に効率良く入射するので、第１接合材１１の第１面１１ａがレーザーＬによって効率良く加熱される。すなわち、本実施形態のレーザー接合方法によれば、溶融工程Ｓ２および加熱工程Ｓ３において、レーザーＬの熱を効率良く利用することができる。

本実施形態のレーザー接合方法によれば、溶融工程Ｓ２および加熱工程Ｓ３によって、第２接合材１２の下面１２ａの一部に溶融部１３を生じさせるとともに、第１接合材１１の第１面１１ａを加熱することができる。

本実施形態のレーザー接合方法において、溶融工程Ｓ２および加熱工程Ｓ３の間、第１接合材１１および第２接合材１２は保持部２によって加圧された状態で保持されることで、第１接合材１１の第１面１１ａと第２接合材１２の下面１２ａとは密着した状態で保持される。これにより、第２接合材１２の下面１２ａに生じた溶融部１３は第１接合材１１の第１面１１ａに良好に密着する。

接合工程Ｓ４では、第１接合材１１の第１面１１ａと第２接合材１２の下面１２ａとを密着させた状態で保持し、レーザー照射部３からのレーザー照射を停止する。これにより、溶融部１３は温度低下に伴って固化し、第１接合材１１の第１面１１ａと第２接合材１２とを接合する接合層１４を生成する。

本実施形態のレーザー接合方法では、加熱工程Ｓ３において第１接合材１１の第１面１１ａを加熱することで、接合工程Ｓ４を行う際、第１面１ａの温度を予め上昇させている。具体的に第１面１１ａのうち溶融部１３に接触する部分の温度は溶融部１３と略等しい温度となっている。すなわち、本実施形態のレーザー接合方法では、接合工程Ｓ４を行う際、第１面１１ａの温度と溶融部１３の融点との温度差を小さくした状態とすることができる。

本発明者らは、接合工程Ｓ４を行う際に第１面１１ａと溶融部１３との温度差が比較的大きいと、溶融部１３が固化して生成される接合層１４と第１面１１ａとの密着性が弱くなるとの知見を得た。これに対して本実施形態のレーザー接合方法では、加熱工程Ｓ３によって第１面１１ａを加熱することで、第１接合材１１の第１面１１ａと第２接合材１２の溶融部１３との温度差を小さくした状態で接合工程Ｓ４を行うことができる。これにより、第１接合材１１および第２接合材１２間を接合する接合層１４の接合信頼性が向上する。

このように本実施形態のレーザー接合方法によれば、接合工程Ｓ４によって、図４に示すように、第１接合材１１および第２接合材１２間を接合層１４で接合した接合構造体２０を得ることができる。この接合構造体２０は、接合層１４によって第１接合材１１および第２接合材１２間の接合信頼性が高いため、信頼性に優れた接合構造体が提供される。

以上のように本実施形態のレーザー接合方法によれば、大きく融点の異なる第１接合材１１および第２接合材１２をレーザー接合で接合した接合構造体２０を生成できる。本実施形態の接合構造体２０は、ステンレス材料からなる第１接合材１１と亜鉛合金材料からなる第２接合材１２とをレーザー接合して構成されるため、安価な接合構造体が提供される。

（変形例）
続いて、変形例に係るレーザー接合方法について説明する。図５は変形例のレーザー接合方法に用いられるレーザー接合装置の構成の一部を示す図である。図５に示すように、変形例の接合装置１０１は、上記実施形態の保持部２と異なる保持部１０２を有している。本実施形態の保持部１０２は、ベース部１０２ａと、押さえ板２ｂと、ベース部１０２ａに設けたヒーター部１０２ｃと、を含む。

本変形例の保持部１０２は、ヒーター部１０２ｃによってベース部２ａを加熱することでベース部１０２ａ上に保持される対象物１０を直接加熱する。本変形例において、保持部１０２は、ヒーター部１０２ｃによって第１接合材１１の第１面１１ａを加熱する。

変形例に係るレーザー接合方法によれば、保持部１０２のヒーター部１０２ｃを備えることで、レーザー照射部３から照射したレーザーＬを用いて第２接合材１２の一部を溶融させる溶融工程Ｓ２のみを行い、ヒーター部１０２ｃを用いて第１接合材１１の第１面１１ａを加熱する加熱工程Ｓ３を行うことができる。本変形例に係るレーザー接合方法によれば、上記実施形態と異なり、溶融工程Ｓ２と加熱工程Ｓ３とを別々の工程で行うことが可能となる。本変形例のレーザー接合方法においても、上記実施形態と同様、大きく融点の異なる第１接合材１１および第２接合材１２をレーザー接合した接合構造体２０を生成することができる。

以上、本明細書において説明した構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

例えば、上記実施形態において、レーザー照射部３は、対象物１０に対して上下方向からレーザーＬを照射する場合を例に挙げたが、レーザーＬの照射方向は特に限定されない。すなわち、レーザー照射部３は、斜め上方からレーザーＬを照射してもよい。

１ａ，１１ａ…第１面、１１…第１接合材、１２…第２接合材、２０…接合構造体、Ｌ…レーザー、Ｓ１…配置工程（第１工程）、Ｓ２…溶融工程（第２工程）、Ｓ３…加熱工程（第３工程）、Ｓ４…接合工程（第４工程）。

Claims (10)

1. ステンレス材料からなる第１接合材と亜鉛合金材料からなる第２接合材とをレーザーを用いて接合する方法であって、
   第１接合材の第１面に第２接合材を配置する第１工程と、
   前記第２接合材側から前記第１接合材側に向かってレーザーを照射することで前記第２接合材の一部を溶融させる第２工程と、
   前記第１接合材の前記第１面を加熱する第３工程と、
   一部が溶融する前記第２接合材と、前記第１面が加熱された前記第１接合材とを接合する第４工程と、を備える
   ことを特徴とするレーザー接合方法。
2. 前記第３工程では、前記第２接合材の一部を溶融させる前記レーザーの熱を利用して前記第１接合材の前記第１面を加熱する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー接合方法。
3. 前記第２工程では、前記第２接合材の厚さの半分よりも前記第１面側で前記レーザーを収束させるように、レーザー照射を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー接合方法。
4. 前記第２工程では、前記第１接合材の前記第１面上に前記レーザーを収束させるように、レーザー照射を行う
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー接合方法。
5. 前記第２工程では、前記第１接合材の前記第１面に対して垂直方向（Ｙ軸方向）からレーザー照射を行う
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のレーザー接合方法。
6. 前記第２工程では、前記レーザーをパルス状に照射する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザー接合方法。
7. 前記第１工程から前記第４工程において、前記第１接合材および前記第２接合材を加圧した状態で保持する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザー接合方法。
8. 前記レーザーとしてＹＡＧレーザーを用いる
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザー接合方法。
9. 前記第１工程から前記第４工程は、不活性雰囲気で行われる
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレーザー接合方法。
10. ステンレス材料からなる第１接合材と亜鉛合金材料からなる第２接合材とを接合した接合構造体であって、
    前記第１接合材および前記第２接合材は、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のレーザー接合方法により接合されている
    ことを特徴とする接合構造体。

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