JP4308124B2 - レーザビームろう接法及びレーザ照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを照射することでろう材を溶かして被接合材を接合するレーザビームろう接技術に関する。

例えば、代表的な接合技術であるアーク溶接法には、消耗電極法と非消耗電極法とがあるが、いずれも電極と被接合材間に架かるアークを熱源とし、このアーク熱で被接合材（母材）の一部を溶かし接合する技術である。

これに対して、被接合材（母材）を溶かさずに、ろう材のみを溶融させ、接合部位の間隙に流し込み、冷却・固化させることで接合する技術が「ろう接法」であり、アーク溶接法とは別の技術として扱われる。

なお、使用するろう材の融点が４５０℃以上のものを硬ろう付け、４５０℃未満のものを軟ろう付けと呼ばれてきたが、近年、硬ろう付けを「ろう付け」、軟ろう付けを「はんだ付け」と用語が改められた。本発明では、硬ろう付け技術に係るため、ろう付け、ろう接、ろう材の用語を使用する。

ろう材を溶かす熱源は、ガストーチ、電気抵抗加熱、誘導加熱、炉中加熱、電子ビーム、レーザビームなど各種のものが実用に供され、特にレーザビームは局部加熱が容易であることから精密接合に適用される。

従来、レーザビームを熱源としたはんだ付け法の改良技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１９８６７０公報（請求項１、段落番号［０００３］、図１）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１１は従来の技術の基本原理を説明する図であり、被接合材１０１に、レーザビーム投射部１０２及びはんだ材１０３の先端を臨ませ、はんだ材１０３の先端にレーザビーム１０４を照射することで、はんだ材１０３を溶融させる。

ただし、はんだ材１０３の放熱が大きいため、温度上昇に時間がかかる（特許文献１段落番号［０００３］参照）。そこで、ヒータ１０５、不活性ガス容器１０６及びチューブ１０７からなるガス噴射手段を設け、このガス噴射手段でホット不活性ガスをはんだ材１０３の先端に吹き付けることで、はんだ材１０３を暖め、迅速に溶融させるというものである。

特許文献１では、ヒータ１０５、不活性ガス容器１０６及びチューブ１０７からなるガス噴射手段が不可欠であるため、装置全体が複雑になるとともに装置コストが嵩む。
すなわち、ガス噴射手段などを付加することなく、はんだ材（ろう材）を効率よく熱することができる技術が求められている。

本発明は、ガス噴射手段などを付加することなく、ろう材を効率よく熱することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、レーザビームを照射することでろう材を溶かして被接合材を接合し、ろう材として、表面の算術平均高さＲａが０．５μｍ〜４．５μｍの範囲になるように粗面処理したろう材を使用するレーザビームろう接法であって、
前記レーザビームは、前記ろう材の軸線に対して４０°〜６０°傾斜させ、ろう材の粗面に対して傾斜させて照射させることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１記載のレーザビームろう接法を使用するためのレーザ照射装置（４０）であって、
このレーザ照射装置（４０）は、レーザビーム（矢印Ａ）を発生させるレーザ発振器（４１）と、このレーザ発振器（４１）で発生されたレーザビーム（矢印Ａ）が導かれ前記レーザビーム（矢印Ａ）の一部を予熱用レーザビーム（３１）として直進させ残部を反射させるハーフミラー（４５）と、このハーフミラー（４５）により反射されたレーザビーム（矢印Ｃ）の一部を通過させ前記ろう材（１０）を溶融させるためのレーザビーム（２６Ａ）とし残部を反射させ前記ろう材（１０）を溶融させるためのレーザビーム（２６Ｂ）とするハーフミラー（４６）とを備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ろう材の表面を粗面にすることで入熱効率を高めることができた。入熱効率が高まれば、より短時間でろう材を溶かすことができるため、接合作業の生産性を高めることができ、接合に係る製造コストを下げることができる。また、入熱効率が高まれば、ガス噴射手段などを付加しないで、レーザ出力を下げることができ、レーザ照射装置の小型化が可能となり、レーザ照射装置の設置費用を低減することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、ろう材の表面を粗面にした上で、この粗面に傾斜してレーザビームを照射することで、さらに入熱効率を高めることができる。
この結果、より接合作業の生産性を高めることができると共にレーザ照射装置の一層の小型化が可能となる。
請求項２に係る発明では、１台のレーザ発振器が発生したレーザビームを、予熱用のレーザビームと、ろう材を溶融する２本のレーザビームとに分流することができる。高価なレーザ発信器が１台で済むためレーザ照射装置の低コスト化を促すことができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るろう材を対象とする表面処理の原理図であり、細い丸棒状のろう材１０に、ブラストノズル１１を臨ませ、このブラストノズル１１から微細な研磨剤１２を高速で吹き付ける。研磨剤１２が当たった箇所が窪むため、ろう材１０の表面が粗面になる。

ろう材１０は、銅ろう、黄銅ろう、銀ろうなどのいわゆる硬ろうであれば種類は問わない。しかし、板厚が１．０ｍｍ程度の溶融亜鉛メッキ鋼板を被接合材とするときには、５〜１５質量％の亜鉛を含み残部を銅及び不可避的不純物としたＣｕ−Ｚｎ系ろう材が好ましい。

５〜１５質量％の亜鉛を含むため、ろう接部が固溶強化されて強度が高くなり、且つ含有率が１５質量％以下であるため、亜鉛の蒸発による気泡の発生が抑制され、ろう接部の強度、外観品質が良好となる。しかも、亜鉛を５質量％以上含有するため、化成被膜（薬液処理により金属表面に形成される薄い膜）が良好に形成され、その後の塗装も良好となる。このことは、耐食性や塗料の密着性が要求される自動車ボディ、家電製品、スチール家具などに有益である。

また、５〜１５質量％の亜鉛及び６質量％以下のマンガンを含み残部を銅及び不可避的不純物としたＣｕ−Ｚｎ−Ｍｇ系ろう材を用いてもよい。

Ｃｕ−Ｚｎ系ろう材の作用・効果に加えて、マンガンの結晶粒微細化作用によって、ろう接部の結晶粒が微細化され、ろう接部の強度がさらに向上するとともに靱性が向上するからである。特に、靱性は、ろう接部に破損、亀裂等が発生、進行しないために最も重要な機械的特性の一つである。この靱性によって、これらの損傷を防止し、ろう接部の信頼性（耐久性）を向上させることができる。
なお、６質量％以上のマンガンを含有するとろう材に気泡が残存する可能性があるため、６質量％以下とした。

図２はろう材を局部的に処理するときの説明図であり、本発明では、ろう材１０の全周をブラスト処理する必要はなく、後述するレーザビームに面する部位だけブラスト処理すれば済む。
そのためには、例えば、マスク１３、１３をろう材１０に沿える若しくは被せる。マスク１３が不要な研磨剤１４を遮断するため、必要な部位に研磨剤１２を当てることで、必要な部位だけブラスト処理を施すことができる。

粗面の定量的評価はＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」に規定されている。便利のために、この規格から本発明に必要な用語及び定義を抜粋し、次図で説明する。

図３は粗さの定義に関するグラフである。
（ａ）は輪郭曲線の算術平均高さ（以下、算術平均粗さＲａという）を説明するグラフであり、粗さの凹凸（山谷）を示す粗さ曲線２０から、輪郭曲線のカットオフ値で規定される粗さ曲線用の基準長さｌｒ（以下、基準長さｌｒという）を切り出し、この基準長さｌｒにおける粗さ曲線２０の平均線２１を定める。

この平均線ｘ軸を兼ねる。
そして、原点Ｏからｘだけ離れた位置における高さをＺ（ｘ）とし、原点Ｏからｘ＝ｌｒまでの高さを積分する。この積分値を、算術平均粗さＲａと呼ぶ。

（ｂ）は輪郭曲線の最大高さ（以下、最大高さ粗さＲｚという）を説明するグラフであり、基準長さｌｒの範囲で最も高い山の頂と、最も深い谷の底との差を、最大高さ粗さＲｚと定める。

（ｃ）は輪郭曲線要素の平均長さ（以下、平均長さＲＳｍという）を説明するグラフであり、隣接する谷と山を単位にしてＸＳｎ（ｎ＝１〜ｍ）を求め、ＸＳｎ（ｎ＝１〜ｍ）の総和を個数ｍで割ることで得られる単純平均値を、平均長さＲＳｍと定める。
以上のＲａ、Ｒｚ及びＲＳｍは公知の粗さ測定装置で測定することができる。粗さ測定装置については説明を省略する。

次に、本発明に係るレーザビームろう接法の原理を説明する。
図４は本発明に係るレーザビームろう接法の原理図であり、ろう材１０を、ろう材ガイド２３で案内しつつ、被接合材２４へ送る。そして、ろう材１０の軸線２５が被接合材２４と交わる点の直前位置にて、ろう材１０にレーザビーム２６を照射し、ろう材１０を溶融させる。２７はビーム照射管である。

被接合材２４を一定速度で白抜き矢印のごとく移動させつつ、ろう材１０を送れば、ろう接部２８を能率良く形成することができる。なお、被接合材２４を静止させて、ろう材ガイド２３並びにビーム照射管２７を白抜き矢印とは逆方向へ移動させてもよい（以下同様）。
また、ろう材１０の軸線２５とレーザビーム２６の軸線とのなす角度をθとする。この傾斜角度θについては後述する。

図５は図４の変更実施例図であり、ろう材１０を２本のビーム照射管２７Ａ、２７Ｂから照射したレーザビーム２６Ａ、２６Ｂで加熱することを示す。１本のレーザビームより、２本のレーザビーム２６Ａ、２６Ｂの方が効果的にろう材１０を溶融させることができる。

図６は図４のさらなる変更実施例図であり、ろう材ガイド２３の前方（図左）に、予熱用ビーム照射管２９を配置し、レーザビーム３１で被接合材２４を予熱することで、ろう材１０の温度低下を防止する。この結果、ビーム照射管２７から照射するレーザビーム２６の負担を軽減し、必要なレーザ出力を低減することが可能となる。加えて、レーザビーム３１で被接合材２４を予熱することで、ろう材１０のぬれ性を向上させ、安定したろう付けを行うことができる。

図７はレーザ照射装置の原理図であり、レーザ照射装置４０に、レーザ発振器４１、レーザビームを導く導波管４２、４３、４４、ハーフミラー４５、４６及びレンズ４７〜５２を備える。
そして、レーザ発振器４１で発生させたレーザビームを矢印Ａのごとく、ハーフミラー４５に導き、一部を矢印Ｂのごとく直進させて予熱用のレーザビーム３１とし、残部を矢印Ｃのごとく反射させる。

矢印Ｃのビームは、次のハーフミラー４６で通過成分（矢印Ｄ）と反射成分（矢印Ｅ）に分離され、通過成分は最終的にレンズ５１で絞られてレーザビーム２６Ａとなり、反射成分は最終的にレンズ５２で絞られてレーザビーム２６Ｂとなり、ろう材１０の溶融作用を発揮する。

１台のレーザ発信器４１が発生したレーザビームを、予熱用のレーザビーム３１と、ろう材１０を溶融する２本のレーザビーム２６Ａ、２６Ｂとに分流することができる。高価なレーザ発信器４１が１台で済むためレーザ照射装置４０の低コスト化を促すことができる。

また、予熱用のレーザビーム３１で被接合材２４、２４を予熱し、２本のレーザビーム２６Ａ、２６Ｂでろう材１０を溶融するため、ろう材１０を迅速に溶融することができ、白抜き矢印で示す被接合材２４、２４の送り速度を高めることができ、生産性を大いに高めることができる。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
本発明はろう材の表面を粗面にしたことを特徴とする。粗さの大きさを種々設定してレーザビームの吸収性能、すなわち入熱効率を確認する実験を行った。

○実験に用いたろう材
ろう材の径：１．６ｍｍ
ろう材の材質：Ｓｉが３．５質量％で残部が銅。９６．５Ｃｕ−３．５Ｓｉと表記する。
表面処理：ブラスト処理
粗さ：次表に示す。

○実験に用いたレーザ照射装置
レーザの種類：ＹＡＧレーザ
最大出力：４ｋＷ

○実験の方法
レーザ出力を低めに設定し、大気中に置いたろう材にレーザビームを照射する。１／３０秒以内に１．６ｍｍ径の全断面が溶解すれば「ろう材が溶解した」と判断する。
レーザ出力を段階的に増加して実験を行い、ろう材が溶解したときのレーザ出力を記録する。

実験の条件と結果を次表で説明する。

・比較例１：
１．６ｍｍ径で９６．５Ｃｕ−３．５Ｓｉのろう材で且つ表面処理を施さないろう材で実験した。表面処理を施さないため、算術平均粗さＲａは０．１μｍ、最大高さ粗さは１μｍ、平均長さは２３０μｍであった。このようなろう材を溶解するのに必要なレーザ出力は１５０Ｗであった。このレーザ出力を１００％と表記する。

・実施例１：
１．６ｍｍ径で９６．５Ｃｕ−３．５Ｓｉのろう材で且つ表面処理を施したろう材で実験した。表面処理を施したので、算術平均粗さＲａは０．５μｍ、最大高さ粗さは４μｍ、平均長さは５０μｍになった。このようなろう材を溶解するのに必要なレーザ出力は比較例１に比較して６５％で十分であった。

・実施例２〜実施例６：
粗さを徐々に大きくして必要なレーザ出力を調べた。実施例３の必要レーザ出力が最小であり、実施例３より粗さを大きくした実施例４〜６では必要レーザ出力が大きくなった。

・比較例２：
１．６ｍｍ径で９６．５Ｃｕ−３．５Ｓｉのろう材で且つ表面処理を施したろう材で実験した。粗さを大きくしたので、算術平均粗さＲａは５．５μｍ、最大高さ粗さは４０μｍ、平均長さは１８０μｍになった。このようなろう材を溶解するのに必要なレーザ出力は８５％まで増加した。

図８はレーザビームと粗さの関係を考察する図である。
（ａ）は比較例１の説明図であり、平滑なろう材１０へレーザビーム２６を照射すると点Ｐ１で反射する。
（ｂ）は実施例の説明図であり、凹凸（山谷）のあるろう材１０へレーザビーム２６を照射すると、点Ｐ１で反射し、この反射光が点Ｐ２で反射し、さらに点Ｐ３で反射する。

レーザビーム２６が衝突した点でろう材１０は発熱すると考えられる。（ａ）は衝突点が１点、（ｂ）は衝突点が３点であるから、（ａ）より（ｂ）の方が発熱が大きくなり、入熱効率は高いことになる。これが、ろう材１０にブラスト処理を施して表面を粗面にする理由である。

しかし、粗さを大きくしすぎると凹凸（山谷）の数が減り、ビームの衝突点の総数が減少する。そのために比較例２などではレーザ出力を上げる必要があった。
以上のことから、ろう材に付与する粗さには好適範囲が存在することが分かった。

図９は粗さと必要レーザ出力の関係を示すグラフであり、上表の表面粗さを横軸にとり、必要レーザ出力を縦軸にとってグラフ化した。
（ａ）は算術平均粗さＲａと必要レーザ出力の関係を示すグラフであるが、横軸で０〜０．５μｍの範囲では、必要レーザ出力が急激に変化した。また、横軸で４．５μｍを超える範囲では、必要レーザ出力が急増する。逆に、横軸で０．５μｍ〜４．５μｍの範囲では、７０％以下のレーザ出力に安定的に抑えることができる。

したがって、入熱効率を高める（一定のレーザ出力で効果的にろう材を加熱し溶融する、若しくは溶融に必要なレーザ出力を下げる）には、ろう材に付与する粗さは、算術平均粗さＲａで、０．５μｍ〜４．５μｍの範囲に設定する必要があることが分かった。

次に、最大高さ粗さを示す（ｂ）及び平均長さを示す（ｃ）まで、縦軸７０％の線を横軸に平行に延長する。
ろう材に付与する粗さを、最大高さ粗さＲｚで表す場合は（ｂ）から４μｍ〜３０μｍの範囲に設定すればよく、平均長さＲＳｍで表す場合は（ｃ）から５０μｍ〜１５０μｍの範囲に設定すればよい。

ところで、本発明者等は研究を進める中で、ろう材に対するレーザビームの傾斜角度θ（図４参照）が必要レーザ出力と関係することを知った。そこで傾斜角度θを３０°から９０°まで変更しながら必要レーザ出力を調べた。

図１０は傾斜角度と必要レーザ出力との関係を示すグラフであり、傾斜角度３０°の必要レーザ出力を１００％としたところ、４０°〜６０°で必要レーザ出力が８０％以下となり、さらには４５°〜５０°で必要レーザ出力は７５％まで下げることができた。

すなわち、入熱効率を高める（一定のレーザ出力で効果的にろう材を加熱し溶融する、若しくは溶融に必要なレーザ出力を下げる）には、傾斜角度θを４０°〜６０°に設定し、望ましくは４５°〜５０°に設定すればよいことが分かった。

尚、本発明のレーザビームろう接法は、いわゆる硬ろうの接合の他、軟ろう（はんだ）に適用することは差し支えない。
また、請求項１での粗面は、ブラスト処理の他、ヤスリなどでも形成可能であるから、処理方法は任意である。

本発明は、レーザビームを照射することでろう材を溶かして被接合材を接合するレーザビームろう接法に好適である。

本発明に係るろう材を対象とする表面処理の原理図である。 ろう材を局部的に処理するときの説明図である。 粗さの定義に関するグラフである。 本発明に係るレーザビームろう接法の原理図である。 図４の変更実施例図である。 図４のさらなる変更実施例図である。 レーザ照射装置の原理図である。 レーザビームと粗さの関係を考察する図である。 粗さと必要レーザ出力の関係を示すグラフである。 傾斜角度と必要レーザ出力との関係を示すグラフである。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０…ろう材、２４…被接合材、２５…ろう材の軸線、２６、２６Ａ、２６Ｂ…レーザビーム、３１…予熱用レーザビーム、４０…レーザ照射装置、４１…レーザ発振器、４５、４６…ハーフミラー、θ…傾斜角度。

Claims (2)

1. レーザビームを照射することでろう材を溶かして被接合材を接合し、
   前記ろう材として、表面の算術平均高さＲａが０．５μｍ〜４．５μｍの範囲になるように粗面処理したろう材を使用するレーザビームろう接法であって、
   前記レーザビームは、前記ろう材の軸線に対して４０°〜６０°傾斜させ、ろう材の粗面に対して傾斜させて照射させることを特徴とするレーザビームろう接法。
2. 請求項１記載のレーザビームろう接法を使用するためのレーザ照射装置（４０）であって、
   このレーザ照射装置（４０）は、レーザビーム（矢印Ａ）を発生させるレーザ発振器（４１）と、このレーザ発振器（４１）で発生されたレーザビーム（矢印Ａ）が導かれ前記レーザビーム（矢印Ａ）の一部を予熱用レーザビーム（３１）として直進させ残部を反射させるハーフミラー（４５）と、このハーフミラー（４５）により反射されたレーザビーム（矢印Ｃ）の一部を通過させ前記ろう材（１０）を溶融させるためのレーザビーム（２６Ａ）とし残部を反射させ前記ろう材（１０）を溶融させるためのレーザビーム（２６Ｂ）とするハーフミラー（４６）とを備えることを特徴とするレーザ照射装置。

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