JP4823715B2 - 眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は眼鏡用金属部材同士をレーザー光で溶接するレーザー光溶接方法に関する。
さらに詳しくは、眼鏡用の金属部材である第一金属部材に第二部材を起立させた状態で該第二金属部材の方向からレーザー光を照射して両金属部材の接合部を溶接するレーザー光溶接方法に関する。

従来、眼鏡用の金属部材同士を接合する場合は、ろう付けにより接合を行っていた。
このろう付けは金属部材接合方法の一種で、溶接とは異なり、金属部材同士を「ろう」と呼ばれる低融点の金属（接合する金属部材よりも低融点）を媒介にして、接合部を溶かすことなく、金属部材同士を接合する方法である(特許文献１参照)。
ろう付けは、金属部材自体を溶かすことがないため、融点の異なる異種金属同士であっても容易に接合することができ、比較的汎用性がある。

特開２００５- ８８０４７号公報 特開２０００−２８８７５５号公報

しかしピン状の細長い金属部材を起立させた状態で、別の金属部材に対してろう付けして接合する場合には、細長い金属部材は熱容量が小さいので、ろうが持つ熱に過敏に影響され、僅かな熱が伝わっただけでも容易に鈍り、軟化する。
金属部材が鈍って軟化すると、眼鏡としてのフレーム全体の弾性が低下するので、鈍りによる軟化の影響を最小限に抑える工夫が必要である。
そのため、設計の段階から熱による影響を考慮して太さの大きい金属部材を用いることが行われており、デザインや重さの上で様々な制限が加わることになっていた。

この問題を解決する方法として、特定の小さい部分に集中的に加熱することができる溶接、すなわちレーザー光を使ったレーザー溶接方法が採用されている（特許文献２参照）。
この場合、第一金属部材である金属板の上に第二金属部材である金属棒を平行に沿わせて配置しレーザー溶接により両者を接合するのであるが、第一金属部材に第二金属部材を起立させて照射する場合には、一般に図１０に示すような方法が採用されている。
すなわち第一金属部材に第二金属部材を起立させた状態にして、第二金属部材の側面側から溶接部（いわゆる第二金属部材２の付け根の部分）に対して斜め方向からレーザー光を照射して両金属部材をレーザーで点溶接する方法である。
より具体的には、焦点の位置を溶接部に合わせ、照射口を第二金属部材の周囲に沿って移動させながら、溶接部に対して斜め方向から順次レーザー光を照射して点溶接していく手法である。
このレーザー光を使った溶接方法により、両金属部材に加わる熱影響を極力排除することができる。

しかし、この従来のレーザー光の溶接方法は、レーザー光の照射口を移動させて点溶接を繰り返し行っていく方法であり、レーザー光の照射口を移動させることが必要となる。
或いは、レーザー光の照射口を一定位置に固定し溶接部、すなわちワークである第一金属部材と第二金属部材とを同時に同体で移動させなければならない。
何れにしてもレーザー光照射口やワークを移動させる必要があり、位置決めやレーザー光の焦点合わせという観点では不正確（照射精度が不正確）になり易い。
そのため、溶接位置や溶接強度が各照射毎に異なり、結果的に溶接ムラが生じて接合強度も低下する。
特に第一金属部材に第二金属部材を起立させた状態の溶接においては、例えば、ある一定の方向からの力に対して第二金属部材の支持強度が弱くなる。
そして、多数回レーザーを照射して、点溶接を行っていく方法では溶接効率が悪い。

本発明は上記のような課題を背景になされたものである。
即ち、本発明の目的は、第一金属部材に第二金属部材を起立させた状態で該第二金属部材の方向からレーザー光を照射して両金属部材の接合部を溶接する眼鏡用部材のレーザー光溶接の方法において、高い照射精度を必要とせずに均一な接合強度が得られ、且つ溶接効率が良いレーザー光の溶接の方法を提供することを目的とする。

本発明者は、以上のような技術的背景のもとで鋭意研究を重ねた結果、眼鏡用の金属部材である第一金属部材上に起立させた第二金属部材に対して、両金属部材の接合部をレーザー光照射領域に内包させることで、上記の諸問題点を解決することができることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させた。

すなわち本発明は、（１）、第一金属部材に第二金属部材を垂直に起立させた状態で該第二金属部材の方向からレーザー光を照射して両金属部材の接合部を溶接する眼鏡用部材のレーザー溶接方法であって、レーザー光の焦点の位置を接合部の位置から離隔させて、レーザー光の照射領域内に接合部を内包させる眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（２）、接合部と反対側の第二金属部材の端部にレーザー光反射用のキャップを被せる上記（１）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（３）、レーザー光反射用のキャップが第二金属部材の太さより大きい筒状に形成されている上記（２）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（４）、第一金属部材に第二金属部材よりも大きい窪み部を設け、該窪み部に第二金属部材を起立させる上記（１）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（５）、窪み部がレーザー照射領域に内包させる上記（４）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（６）、第一金属部材及び第二金属部材の少なくとも一方の材質がチタンまたはチタン合金である上記（１）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

また、本発明は、（７）、離隔する距離を調整することで、溶接部分の面積を変更する上記（１）記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば上記（１）から（７）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明のレーザー溶接方法は、第一金属部材に第二金属部材を起立させた状態で該第二金属部材の方向からレーザー光を照射して両金属部材の接合部を溶接するので、接合部全体を一挙（短時間）にしかも均一に加熱し、瞬時に溶接を完了させることができる。

またレーザー光を移動させたり、また金属部材自体を移動させる必要がないため、レーザー光の焦点合わせを正確かつ容易に行うことができるので、高い照射精度を必要とせず、且つ接合強度にムラを発生させることなく溶接することができる。
また、第一金属部材及び第二金属部材の少なくとも一方の材質がチタン系金属の場合にも、同様な効果が期待できるものである。

本発明のレーザー光の溶接方法は、第一金属部材上に第二金属部材を起立させ、且つレーザー光の焦点を接合部（すなわち第一金属部材と第二金属部材の接触部分よりやや大きい部分）から離隔させて該接合部をレーザー光照射領域に内包させるものである。
以下、図面を用いて本発明における実施の形態について説明する。

図１は、レーザー溶接を行う際の第一金属部材（例えば平板）と第二金属部材（例えば円柱）の位置関係を示した説明図である。
図に示す通り、第一金属部材１上に第二金属部材２を垂直に起立させ、その上方にレーザー光照射口３を配置する。
この時、接合部のレーザー光の照射強度が周方向に均一となるように、レーザー光の中心と第二金属部材２の中心を一致させることが好ましい。
ここで第一金属部材１の形状は特に限定されるものではなく、表面が平面となっているものであれば採用可能であり、例えば平板や角柱を用いることができる。
また、第二金属部材の形状としては円柱に限らず、第一金属部材に対して垂直に起立した状態に当接できる細長い部材であればよく、例えば角柱でも採用可能である。

そして、第二金属部材２とレーザー光照射口３の配置関係を決定したら、第一金属部材と第二金属部材２の接合部Ｓ２（すなわち第一金属部材と第二金属部材の接触部分Ｓ１よりやや大きい部分）がレーザー光照射領域に内包されるように、焦点距離Ｌ２をレーザー光照射口と接触部分Ｓ１までの距離Ｌよりも長くする。
すなわち図２に示すように、接合部Ｓ２がレーザー照射領域に内包されるように、焦点距離Ｌ２を距離Ｌよりも離隔距離Ｌ１だけ長くすることで、溶接部Ｐ（いわゆる第二金属部材２の付け根の部分）が確実にレーザー照射領域内に内包される。
なお、第二金属部材２付近は、レーザー光照射口３付近よりも拡大して示してある。
この状態で溶接部Ｐに向かってレーザー光を照射すると、環状の溶接部Ｐを一度に加熱することができるので一回の照射で溶接を完了でき極めて効率がよい。
また溶接部Ｐを点状に複数回溶接するのではなく、環状に一挙に加熱することできるため均一な接合強度を得ることが可能となる。

本発明では、第一金属部材１と第二金属部材２の接合部Ｓ２がレーザー光照射領域に内包されるようにしているので、第二金属部材２の接合部と反対側の端面Ｔも加熱されるが、該端面Ｔはレーザー光照射領域の中心部に位置するためにレーザー光の密度が粗となり熱の影響を極力受けにくい。
図３は、図４のレーザー光照射領域内にある第二金属部材２（実線）の端面Ｔの位置Ａでの熱量を示した図である（なお、図は測定値を模式化して示した）。
図３から分かるように、端面Ｔの位置における熱量分布は、レーザー光の中心部の熱量が他と較べて小さい。

ところで、本発明では、レーザー光の溶接の際に、第二金属部材２の接合部Ｓ２とは反対側の端面Ｔは先述したように熱の影響を極力排除できるが、より完全に熱の影響を排除するために、該端面Ｔにレーザー光を反射できるレーザー光反射用のキャップを嵌め込むことが行われる。
レーザー光反射用のキャップとしては、例えば、銅製キャップ、アルミ製キャップ、ステンレス製キャップ等が採用される。
このキャップは、第二金属部材の端面Ｔが覆い被せることができる形状のものであればよく、円筒状や角筒状のものが好ましい。
このキャップは、端面Ｔに被せることができる限り、異なる金属部材のロットにも適用可能である。

特に、第二金属部材２として、内側にネジが形成されている比較的径大の袋ネジ部材を用いた場合、レーザー光の熱で袋ネジ部材先端の周縁が溶けて内方に曲がり、中空部が塞がれる現象が発生する場合があるが（図５参照）、端面にレーザー光反射用のキャップを被せておくことでこのような現象が回避される（図６参照）。

本発明のレーザー光溶接では、実用上十分な接合強度を発揮することができるが、より高い接合強度が必要になる場合には、第一金属部材に図７に示すような窪み部Ｋを設けることが好ましい。
図７は、第一金属部材に窪み部Ｋを形成した場合における溶接前と溶接後を概略的に示す説明図である。
第一金属部材１に第二金属部材２の太さよりも大きい窪み部Ｋを設け、そこに第二金属部材２を挿入して起立させる。

その後、レーザー光を照射して溶接を行うと、第二金属部材の周囲の窪み部Ｋに対して溶けた金属が入り込んで一挙に埋まる。
そのために溶接跡が均一となる。
因みに従来のように多数回、点状に溶接した場合には、まず溶接部Ｐ１を点状に固まらせて、次に該溶接部Ｐ１に隣接した溶接部Ｐ２を溶融させて点状に固まらせる。
以降、同様な操作を繰り返していくために、溶接部Ｐ１と溶接部Ｐ２との界面に温度差が生じて不連続な金属組織層が形成される（図８参照）。

以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
先ず、以下の条件の下で本発明の溶接方法で溶接を行った。
第一金属部材としてチタン製の平板（厚さ２ｍｍ）を用い、第二金属部材としてチタン製の中実の円筒（長さ１０ｍｍ、直径２ｍｍ）を用いた。
レーザー照射装置にはＹＡＧレーザー照射装置を用いた。
そして、レーザーの焦点を接合部から１５ｍｍ離隔させ、出力８ｋｗで７ｍｍｓｅｃ間第二金属部材に照射した。

次に、本発明の効果を証明するために、接合強度を調べる試験を行った。
その試験方法は、接合した眼鏡用部材を引っ張り試験機で加重していき、破断したときの加重の大きさを記録した。
その試験結果を表１に示す。

〔実施例２〕
レーザー光の焦点の位置を接合部から１７ｍｍ離隔させたこと以外は全て実施例１と同様の条件で実施及び試験をし、その試験結果を実施例１と比較して表１に示す。

〔実施例３〕
第一金属部材に窪み部を設けたこと以外は全て実施例１と同様の条件で実施及び試験をし、その試験結果を実施例と比較して表１に示す。
なお、参考までに窪み部を設けて溶接を行った状態を撮影した写真を図９に示す。

〔表１〕

表１に示す通り、全ての試験を通じて眼鏡として製品化する際に最低限必要な強度である９８ＭＰａを超えているので、本発明のレーザー光溶接が有効である。
そして、参考までに製造から検品までに要する工程を、従来の接合方法の場合と、レーザー光溶接を行った場合の両方について比較した表を表２に示す。

〔表２〕

表２から分かるように、ろう材が不必要になったこと、及び熱によって第二金属部材の変形等が無くなったことで、従来は検品までに２０工程を要していたが、１２工程で検品できるようになった。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は実施の形態に限定されることなく種々の変形例が可能である。

図１は、レーザー溶接を行う際の第一金属部材と第二金属部材の位置関係を示した断面図である。 図２は、レーザー光を溶接部から離隔させた状態を説明する断面図である。 図３は、図４のレーザー光照射領域内にある第二金属部材（実線）の端面Ｔの位置Ａでの熱量を示したグラフである。 図４は、第二金属部材の端面の位置を示す説明図である。 図５は、袋ネジ部材先端の周縁が内方に曲がった様子を示す断面図である。 図６は、袋ネジ部材先端にレーザー光反射用キャップを嵌め込んだ状態で溶接を行った場合の断面図である。 第一金属部材に窪み部を形成した場合における溶接前と溶接後を概略的に示す説明図である。 第一金属部材の窪み部に第二部材を起立させ従来の溶接方法で溶接したときの様子を模式的に示した説明図である 第一金属部材に窪み部を設けて溶接を行ったときの状態を撮影した写真である。 従来の溶接方法で第一金属部材に第二金属部材を溶接する場合を、模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
３ レーザー光照射口
Ｋ 窪み部
Ｌレーザー照射口と接触部分までの距離
Ｌ１離隔距離
Ｌ２焦点距離
Ｐ溶接部
Ｐ１溶接部
Ｐ２溶接部
Ｓ１ 接触部分
Ｓ２ 接合部

Claims (7)

1. 第一金属部材に第二金属部材を起立させた状態で該第二金属部材の方向からレーザー光を照射して両金属部材の接合部を溶接する眼鏡用金属部材のレーザー溶接方法であって、
   レーザー光の焦点の位置を接合部の位置から離隔させて、レーザー光の照射領域内に接合部を内包させることを特徴とする眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
2. 接合部と反対側の第二金属部材の端部にレーザー光反射用のキャップを被せることを特徴とする請求項１記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
3. レーザー光反射用のキャップが第二金属部材の太さより大きい筒状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
4. 第一金属部材に第二金属部材よりも大きい窪み部を設け、該窪み部に第二金属部材を起立させることを特徴とする請求項１記載の眼鏡用部材のレーザー光溶接方法。
5. 窪み部がレーザー照射領域に内包させることを特徴とする請求項４記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
6. 第一金属部材及び第二金属部材の少なくとも一方の材質がチタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
7. 離隔する距離を調整することで、溶接部分の面積を変更することを特徴とする請求項１記載の眼鏡用金属部材のレーザー光溶接方法。
   

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