JP5124056B1 - レーザ接合部品 - Google Patents
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Abstract
本発明は、少ないレーザエネルギーで十分な接合強度を確保し、周辺の温度上昇も小さいレーザ接合部品およびその製造方法を提供する。重ね合わされた２枚以上の銅板のうち、最上位の銅板の上面に表面層であるニッケル層を十分な厚さで形成し、ニッケル層の上方からレーザを照射して、前記銅板の銅と前記ニッケル層のニッケルとが溶融、合金化してなる再凝固部を最下位の銅板内まで形成し、前記銅板同士を接合する。ニッケルが銅と合金化することにより、高い破断強度の再凝固部が形成される。よって、小さい溶接面積で、少ないレーザエネルギーで、銅板を接合することができる。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、金属板の重ね合わせ接合において、レーザ光の少ない照射エネルギーで十分な接合強度を得るためのレーザ接合部品に関する。
従来のレーザ接合部品およびその製造方法としては、銅板と銅板との重ね合わせ接合において、レーザ光が照射される銅板の表面にニッケルめっき膜を形成し、このめっき膜にレーザ光を照射して、重ね合わされている銅板同士を接合する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。図６は、特許文献１に記載された従来のレーザ接合部品およびその製造方法を示す図である。
図６に示されるように、クラッド材１１上に銅板１２が配置される。クラッド材１１は、銅と銅−モリブデン焼結体の積層体で形成されている。銅板１２の表面（上面）には、ニッケルめっき膜１３が形成されている。ニッケルにおけるＹＡＧレーザ光の吸収率は、銅および銅合金のＹＡＧレーザ光の吸収率の２．５倍である。ニッケルめっき膜１３にレーザ光を照射して銅板１２をクラッド材１１に溶接する場合では、銅板１２にレーザ光を照射して銅板１２をクラッド材１１に溶接する場合に比べて、より低いレーザパワーおよびエネルギーで、所望の溶接状態が得られる。
また、図７は、特許文献２に記載された従来のレーザ接合部品およびその製造方法を示す図である。図７に示すように、クラッド材２２の端面とクラッド材２３の端面とが接触している。クラッド板２２、２３は共に、高融点材料２４と、低融点材料２５とが積み重ねられて構成されている。前記端面において、クラッド材２２の高融点材料２４とクラッド材２３の高融点材料２４’とが接触しており、クラッド材２２の低融点材料２５とクラッド材２３の低融点材料２５’とが接触している。高融点材料２４、２４’の接触部２８にレーザ光を照射して高融点材料２４、２４’を溶接し、ビード部２６を形成する。次に低融点材料２５、２５’の接触部２９に同様にレーザ光を照射して低融点材料２５、２５’を溶接し、ビード部２７を形成する。この方法では、高融点材料２４と低融点材料２５との溶け込みが実質的に生じない。このため、クラッド材２２、２３が有する諸特性が、レーザ接合で得られたレーザ接合部品において保持される。（例えば、特許文献２参照）。
また、第一の金属板と第二の金属板とを重ね合わせ、第一の金属板からレーザ光を照射して両金属板を接合する方法において、第一の金属板の一表面又は両面に第一のめっき膜を形成し、第二の金属板の一表面又は両面に第二のめっき膜を形成する方法が知られている。第一のめっき膜及び第二のめっき膜は、いずれも厚さが数μmである。第一のめっき膜のレーザ光の吸収率が第二のめっき膜のレーザ光の吸収率よりも高い場合では、レーザエネルギーをより小さくすることができる。また、第一のめっき膜の融点が第二のめっき膜の融点よりも高い場合では、レーザ光の照射による第一のめっき膜の爆飛が防止される。また、第二のめっき膜の融点が第一のめっき膜の融点よりも高い場合では、レーザ光の照射による第二の金属板の爆飛が防止される（例えば、特許文献３〜６参照。）。
また、はんだの被膜を有する銅合金のベース板に、はんだの被膜を有する銅又は銅合金のカバーを重ね、カバーにレーザ光を照射して両部材を接合する方法が知られている（例えば、特許文献７及び８参照。）。
上記従来技術において、金属板の材料に銅を用い、めっき膜の材料にニッケルを用いる場合では、表面のニッケルめっき膜によりレーザ光の吸収率は上がる。しかしながら、銅の熱伝導性は高く、ニッケルめっき膜は薄いため、レーザ光の照射部分から熱が周辺へ逃げ、レーザ光の照射部分の周辺の温度も上昇する。そのため、従来技術は、レーザ光の照射部分の温度を十分に高くし、レーザ接合するためには、大きなエネルギーを必要とするという課題を有している。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、少ないレーザエネルギーで十分な接合強度を確保すると共に、周辺の温度上昇が小さいレーザ接合部品を提供することを目的とする。
［１］ 第一の金属材料からなる金属部材Ｘと、
前記第一の金属材料からなり、金属部材Ｘ上に配置される金属部材Ｙと、
金属部材Ｙの上面に形成され、前記第一の金属材料と合金化することができ、前記第一の金属材料よりもレーザ光の吸収率が高く、かつ前記第一の金属材料よりも破断強度が高い第二の金属材料からなる表面層と、
前記表面層上からのレーザ光の照射による、前記表面層の前記第二の金属材料と、前記金属部材Ｘ及び前記金属部材Ｙの前記第一の金属材料との溶融及び合金化により、前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部まで形成されている再凝固部と、を含む、レーザ接合部品。
［２］ 金属部材Ｙの厚さは０．１ｍｍ以上であり、
前記表面層の厚さは金属部材Ｙの厚さの１０分の１以上２分の１以下である、［１］に記載のレーザ接合部品。
前記第一の金属材料からなり、金属部材Ｘ上に配置される金属部材Ｙと、
金属部材Ｙの上面に形成され、前記第一の金属材料と合金化することができ、前記第一の金属材料よりもレーザ光の吸収率が高く、かつ前記第一の金属材料よりも破断強度が高い第二の金属材料からなる表面層と、
前記表面層上からのレーザ光の照射による、前記表面層の前記第二の金属材料と、前記金属部材Ｘ及び前記金属部材Ｙの前記第一の金属材料との溶融及び合金化により、前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部まで形成されている再凝固部と、を含む、レーザ接合部品。
［２］ 金属部材Ｙの厚さは０．１ｍｍ以上であり、
前記表面層の厚さは金属部材Ｙの厚さの１０分の１以上２分の１以下である、［１］に記載のレーザ接合部品。
本発明によれば、第一の金属材料に比べて破断強度がより高い第二の金属材料で前記表面層を形成し、表面層側からレーザ照射による再凝固部が形成されることから、金属部材Ｘ及び金属部材Ｙのレーザ接合において、より小さな接合面積で十分な接合強度を得ることができる。また、表面層の厚さは、通常、めっき膜の厚さよりも大きくなる。よって、本発明のレーザ接合部品によれば、少ないレーザエネルギーで十分な接合強度を確保することができ、周辺の温度上昇も小さくすることができる。
本発明のレーザ接合部材は、金属部材Ｘと、金属部材Ｘ上に配置される金属部材Ｙと、金属部材Ｙの上面に形成される表面層と、前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部まで形成されている再凝固部と、を含む。
金属部材Ｘ及び金属部材Ｙは、共に、第一の金属材料から作られている。前記第一の金属材料は、金属又は合金の中から、レーザ接合部材の用途に応じて選ぶことができる。金属部材Ｘの形状は、金属部材Ｙを重ねられれば、特に限定されない。
金属部材Ｙは、後述する再凝固部が形成される位置の厚さが、レーザ接合によって前記再凝固部を形成することができる範囲の厚さであれば、特に限定されない。金属部材Ｙの厚さは、構造材としての強度を確保する観点から、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、前記再凝固部をレーザ接合によって形成する観点から、金属部材Ｙの前記再凝固部が形成される部分の厚さは、２．０ｍｍ以下であることが好ましい。
前記表面層は、第二の金属材料で作られる。前記第二の金属材料は、金属又は合金の中から、後述する条件を満足する金属又は合金を選ぶことができる。まず、前記第二の金属材料は、前記第一の金属材料と溶融したときに合金を形成することができる。前記第二の金属材料は、前記第一の金属材料と全率固溶体を構成する材料であることが好ましいが、合金を形成することができる金属材料であればよい。
また前記第二の金属材料のレーザ光の吸収率は、前記第一の金属材料のレーザ光の吸収率よりも高い。或いは、前記第二の金属材料の反射率は、前記第一の金属材料の反射率に比べて小さい。前記第一の金属材料の前記反射率に対する前記第二の金属材料の前記反射率の差が１％以上であることが、レーザエネルギーの削減の観点から好ましい。前記第一の金属材料の前記反射率、及び前記第二の金属材料の前記反射率は、例えば分光光度計によって求めることができる。
さらに前記第二の金属材料の破断強度は、前記第一の金属材料の破断強度よりも大きい。前記破断強度は、引張強度の測定によって求めることができる。前記第二の金属材料の破断強度は、前記第一の金属材料の破断強度に比べて、０．２ｋｇ／ｍｍ２以上大きいことが、レーザ接合における十分な接合強度を得る観点から好ましい。
また前記第二の金属材料の溶融温度は、前記第一の金属材料の溶融温度よりも高いことが、前記表面層の表面からより深い位置まで前記再凝固部を形成する観点から好ましい。前記第二の金属材料の溶融温度は、前記第一の金属材料の溶融温度に比べて、８０℃以上高いことが、上記の観点から好ましい。
また前記第二の金属材料の熱伝導率は、前記第一の金属材料の熱伝導率より低いことが、より小さなレーザ照射面積で前記再凝固部を形成する観点から好ましい。前記第二の金属材料の熱伝導率は、前記第一の金属材料の熱伝導率に比べて、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上低いことが、上記の観点から好ましい。
また前記第二の金属材料の耐食性は、前記第一の金属材料の耐食性よりも高いことが、防錆効果を得る観点から好ましい。前記耐食性は、前記第一の金属材料のガルバニ電位と前記第二の金属材料ガルバニ電位との差が小さい程高い。前記第一の金属材料のガルバニ電位と前記第二の金属材料ガルバニ電位との差は、０．２Ｖ以下であることが、上記の観点から好ましい。
前記表面層は、金属部材Ｙの上面に形成される。前記表面層は、金属部材Ｙの上面の全面に形成されていてもよいし、レーザ光の照射部分及びその周辺のみに形成されていてもよい。例えば前記表面層は、集光されたレーザ光で照射される領域よりも前記表面層が大きくなるように、金属部材Ｙの上面に形成されることが望ましく、例えばレーザ光が照射されるべき部分を、少なくとも０．１〜１．０ｍｍかそれ以上の幅の領域で囲むように、金属部材Ｙの上面に前記表面層が形成されることが望ましい。
少なくともレーザ光の照射部分における前記表面層の厚さは、金属部材Ｙの厚さの１０分の１以上２分の１以下であることが好ましい。前記表面層の厚さが上記の範囲であることは、後述する再凝固部における「合金化」によって、破断強度等の前記第二の金属材料の物性が、再凝固部に十分に付加される観点から好ましい。また、前記表面層の厚さは、金属部材Ｘの内部に達する再凝固部を形成する観点から、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
前記表面層は、例えば、粉末を用いた厚膜形成法によって、金属部材Ｙの上面に成膜することができる。また、市販のクラッド材を、前記表面層を有する金属部材Ｙとして用いることができる。
前記再凝固部は、前記第一の金属材料と前記第二の金属材料との合金である。前記再凝固部は、前記再凝固部に隣接する前記第二の金属材料及び前記第一の金属材料とは一体的に接合している。
前記再凝固部は、前記表面層上へのレーザ光の照射によって溶融した前記第一の金属材料と前記第二の金属材料の合金化によって、前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部まで形成される。ここで「合金化」とは、前記第二の金属材料の物性が、顕著に、かつ有意に発現するように、前記第一の金属材料と前記第二の金属材料とが合金化すること、を言う。前記第二の金属材料の物性は、破断強度を含む。
本発明における「合金化」は、前記再凝固部において、第二の金属材料の所望の物性を顕著かつ有意に発現させる観点で、従来のめっき膜を用いるレーザ接合と異なる。前述したように、銅板同士のレーザ接合では、レーザ光の照射面にニッケルのめっき膜を形成して前記レーザ接合を行うことが知られている。めっき膜の厚さは、通常、数μm程度である。このため、めっき膜へのレーザ光の照射によるレーザ接合では、再凝固部の合金組成において、第一の金属材料（銅）の量に対する第二の金属材料（ニッケル）の量の割合が小さくなる。このため、このような再凝固部では、通常、ニッケルの物性（例えば破断強度）が十分には発現されない。このように、従来の、第二の金属材料のめっき膜を形成する金属部材Ｘ及び金属部材Ｙのレーザ接合では、再凝固部における第二の金属材料の含有量は、第二の金属材料の所望の物性を顕著かつ有意に発現させる量よりも少ない。
前記再凝固部は、前記再凝固部の断面を含む前記レーザ接合部品の断面を、光学顕微鏡で観察することによって確認することができる。前記再凝固部と前記第一の金属材料との違いが区別できない場合には、必要に応じて前記断面を酸又はアルカリによってエッチングすることによって、前記再凝固部を顕微鏡で識別可能に示すことが可能である。また前記再凝固部の金属材料の組成は、オージェ電子分光法やＸ線光電子分光等の、金属材料の組成を検出する通常の方法によって確認することが可能である。
図５Ａは、金属部材Ｘ（符号１）、金属部材Ｙ（符号２）、及び表面層（符号３）からなる積層体に、表面層の表面の法線に沿って形成された再凝固部（符号４ａ）を示す。図５Ｂは、前記表面層の表面の法線に対して傾斜させて前記積層体に形成された再凝固部（符号４ｂ）を示す。前記表面層の表面の法線に対する再凝固部４ｂの中心軸線の傾斜角は、例えば５〜４５度である。前記表面層の表面の法線に沿う前記再凝固部の長さをＬとする。また、前記法線に沿う前記再凝固部中の金属部材Ｘの部分の長さをＬｘ、前記法線に沿う前記再凝固部中の金属部材Ｙの部分の長さをＬｙ、前記法線に沿う前記再凝固部中の表面層の部分の長さをＬｓ、とする。
図５Ａ及び図５Ｂにおいて、前記再凝固部の合金組成における第一の金属材料の量に対する第二の金属材料の量の比率（第二の金属材料の量／第一の金属材料の量）は、Ｌｓの大きさによって異なる。例えば、Ｌｙに対するＬｓの比率（厚み比）を大きくすると、前記合金組成における第二の金属材料の比率を大きくすることができる。それによって、前記再凝固部での第二の金属材料の物性をより顕著に発現させることができる。
本発明のレーザ接合部品は、本発明の効果が得られる範囲において、他の構成をさらに含んでいてもよい。例えば、本発明のレーザ接合部品は、金属部材Ｘと金属部材Ｙとの間に、前記第一の金属材料からなる金属部材Ｚをさらに有していてもよい。用いる金属部材Ｚの数は、単数でも複数でもよい。
図５Ｃは、金属部材Ｘ（符号１）、金属部材Ｚ（符号５）、金属部材Ｙ（符号２）、及び表面層（符号３）からなる積層体に、表面層の法線に沿って形成された再凝固部（符号４ｃ）を示す。前記法線に沿う前記再凝固部中の金属部材Ｚの部分の長さをＬｚとする。Ｌｚは金属部材Ｚの厚さでもある。金属部材Ｚの厚さは、前記再凝固部が、前記表面層から、金属部材Ｙ及び金属部材Ｚを介して、金属部材Ｘの内部まで届くことが可能な範囲で、適宜に決めることができる。
また、本発明のレーザ接合部品は、金属部材Ｘの上面又は金属部材Ｙの下面に形成される中間層をさらに含んでいてもよい。前記中間層は、前記第二の金属材料からなる。前記中間層は、前記表面層と同様に、金属部材Ｘの上面又は金属部材Ｙの下面の全体に形成されていてもよいし、レーザ照射部分に対応する位置にのみ形成されていてもよい。
図５Ｄは、金属部材Ｘ（符号１）、中間層（符号６）、金属部材Ｙ（符号２）、及び表面層（符号３）からなる積層体に、表面層の表面の法線に沿って形成された再凝固部（符号４ｄ）を示す。前記法線に沿う前記再凝固部中の前記中間層の部分の長さをＬｉとする。Ｌｉは中間層の厚さでもある。
ここで、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、金属部材Ｘの上面における幅をＷ１とし、金属部材Ｙの上面における幅をＷ２とする。Ｗ１は、金属部材Ｘと金属部材Ｙ（図５Ｃでは金属部材Ｚ）との界面と、前記再凝固部の中心軸線Ａｘとの交点における前記再凝固部の幅でもある。Ｗ２は、金属部材Ｙと表面層との界面と、前記再凝固部の中心軸線Ａｘとの交点における前記再凝固部の幅でもある。また、前記再凝固部における表面層側を基端側とし、金属部材Ｘ側を先端側とする。前記再凝固部は、通常、基端部では一定の幅を有し、先端部では漸次幅が縮む形状を有する。よって、Ｗ１はＷ２よりも、通常は小さい。
本発明のレーザ接合部品は、以下の方法で製造することができる。
本発明におけるレーザ接合部品の製造方法は、金属部材Ｘと、金属部材Ｙと、前記表面層と、を下からこの順で重ねた積層体を準備する第一の工程と、前記積層体をレーザ光で照射して前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部に達する再凝固部を形成する第二の工程と、を含む。前記第二の工程では、前記表面層を構成する前記第二の金属材料と金属部材Ｘ及び金属部材Ｙを構成する前記第一の金属材料とを、レーザ光の照射によって溶かしながら合金化する。
本発明におけるレーザ接合部品の製造方法は、金属部材Ｘと、金属部材Ｙと、前記表面層と、を下からこの順で重ねた積層体を準備する第一の工程と、前記積層体をレーザ光で照射して前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部に達する再凝固部を形成する第二の工程と、を含む。前記第二の工程では、前記表面層を構成する前記第二の金属材料と金属部材Ｘ及び金属部材Ｙを構成する前記第一の金属材料とを、レーザ光の照射によって溶かしながら合金化する。
前記第一の工程は、金属部材Ｙの上面に前記表面層を形成し、この金属部材Ｙを金属部材Ｘに載せることによって行うことができる。或いは前記第一の工程は、金属部材Ｘにクラッド材を載せることによって行うことができる。前記「クラッド材」は、前記第一の金属材料の部材と、この部材の上面に形成される前記第二の金属材料の前記表面層とを有し、前記第二の金属材料が前記第一の金属材料と圧接してなる。金属部材Ｙ又は前記クラッド材は、金属部材Ｘに、位置決めのために仮止めされてもよい。
前記第二の工程において照射するレーザ光は、前記第一の金属材料及び前記第二の金属材料の種類に応じて選ぶこともできる。前記レーザ光には、例えば、前記第二の金属材料の鏡面における光の反射率に対する前記第一の金属材料の鏡面における光の反射率の差が１％以上になる波長を有するレーザ光を好適に選ぶことができる。例えば、電子機器における電極部材や構造材に通常使用される金属部材を本発明の方法でレーザ接合する場合には、前記レーザ光の波長は、好ましくは０．８〜２．０μｍである。
前記レーザ光は、小さな照射面積で金属部材により深く吸収されるレーザ光であることが、前記再凝固部の軸方向の断面積を小さくし、かつ前記軸方向に沿ってより長い前記再凝固部を形成する観点から好ましい。このようなレーザ光源としては、例えばファイバーレーザが挙げられる。
前記第二の工程は、前記レーザ光を前記表面層の表面の法線に対して傾斜させて照射する工程であると、前記法線に対して斜めの前記再凝固部が得られる。斜めの前記再凝固部は、前記法線方向に沿った接合強度をより高める観点から好ましい。前記法線に対する前記レーザ光の照射軸の傾斜角は、レーザ照射の安定化の観点、及び十分な深さの前記再凝固部を得る観点から、５〜４５度であることが好ましい（図４）。
本発明におけるレーザ接合部品の製造方法は、本発明の効果が得られる範囲で、他の工程をさらに含んでいてもよい。このような他の工程としては、例えば、前記レーザ光で前記表面層の表面を走査する工程が挙げられる。このようなレーザ光走査工程において、レーザ光を走査する方向は、前記法線に対して傾斜させてレーザ光を照射することによるより高い前記接合強度を得る観点から、前記法線と前記照射軸とを含む面に平行でない方向である。レーザ光を走査する方向は、上記の観点から、前記法線と前記照射軸とを含む面に対して垂直であることが好ましい（実施の形態３）。
本発明の電池は、前述した本発明のレーザ接合部品を含む。本発明の電池において、前記レーザ接合部品は、単電池又は電池パックにおける電極部材に好適である。また前記レーザ接合部品は、前記電池パックの構造材にも用いることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、厚さ０．４ｍｍの銅板３４の上にクラッド材３１を重ねる。クラッド材３１は、厚さ０．２ｍｍの銅板３２の上に厚さ０．１ｍｍのニッケル層３３を形成してなる。クラッド材３１は、ニッケル層３３を上方にして、銅板３４上の所望の位置に重ねられる。銅板３４は金属部材Ｘに相当する。銅板３２は金属部材Ｙに相当する。ニッケル層３３は前記表面層に相当する。銅は前記第一の金属材料に相当する。ニッケルは前記第二の金属材料に相当する。銅板３２にクラッド材３１を重ねたものは前記積層体に相当する。
図１（ｂ）に示すように、ニッケル層３３の上方から照射されたレーザ光３５を集光レンズ３６で集光し、ニッケル層３３に照射する。レーザ光３５は、出力２６０Ｗで照射された波長１．０８μｍのファイバーレーザである。そして、速度７０ｍｍ／秒で、図１（ｂ）における紙面に垂直な方向に、レーザ光３５でニッケル層３３の上面を走査する。
第２高調波ＹＡＧレーザに対応する波長０．５μｍの光の、銅の鏡面における反射率とニッケルの鏡面における反射率は、いずれも６２％である。炭酸ガスレーザに対応する波長１０．６μｍの光の、銅の鏡面における反射率とニッケルの鏡面における反射率は、いずれも９７％以上である。ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザや半導体レーザに近い波長１．０６μｍの光の、銅の鏡面における反射率は９８％であるのに対して、ニッケルの鏡面における反射率は６７％である。よって、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザや半導体レーザの、ニッケルの吸収効率は、銅の吸収効率に比べてかなり高い。このため、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどの、波長が０．８〜２．０μｍであるレーザを用いてニッケル層にレーザを効率的に吸収させることが好ましい。
また、銅の溶融温度は１，０８３℃で、ニッケルの溶融温度は１，４５３℃ある。銅の密度とニッケルの密度はいずれも８．９３ｇ／ｃｍ２である。このため、レーザ光３５を照射すると、銅の溶融温度を超えて加熱された溶融ニッケルが、ニッケル層３３に接する銅板３２を加熱する。このため、レーザ光による銅の加熱に加え、溶融ニッケルも銅を加熱し、銅は一層溶融しやすくなる。また、銅の熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ニッケルの熱伝導率は９０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。このため、レーザ光３５の照射部分の近傍における平面方向への熱拡散を抑えることができる。そのため、クラッド材３１と銅板３４との接合が効率的なだけでなく、周辺への熱拡散も低減できる。このため、本実施の形態のレーザ接合は、高温にさらされて損傷するおそれがある電子部品等の近くで行うレーザ接合に好適である。
ファイバーレーザは、特に集光性が良く、集光スポット径を数１０μｍまで絞れる。このため、図１（ｃ）に示すように、ニッケル層３３の表面での面積が小さな溶融部が形成され、かつ、前記積層体内部の深くまでレーザエネルギーが到達する。よって、キーホール加工により細く深い溶融部を形成できる。この溶融部が、レーザによる穿孔部に流れ込むことで、深さが長く幅が細いニッケル溶融領域３７を形成し、その周囲に、熱の伝播により銅溶融領域３８を形成する。そして、ニッケル溶融領域３７と銅溶融領域３８は、レーザエネルギーや溶融領域での対流などにより相互に攪拌される。
両金属の合金は、全率固溶体である。このため、図１（ｄ）に示すように、両金属は溶けながら任意の組成比で容易に合金化し、合金化は深さ方向に進行する。その結果、合金化による再凝固部３９が、ニッケル層３３の表面から銅板３４の内部まで形成され、クラッド材３１と銅板３４とを連結する。再凝固部３９は、クラッド材３１と銅板３４との界面においても合金化している。この再凝固部３９は、上述のように攪拌されながら凝固したため、柱状組織のような静的な凝固に特徴的な組織は少なく、組成も場所によって変動し一定しない。破断強度の一指標である、銅の引張強度は２１．７ｋｇｆ／ｍｍ２（２１２．８Ｎ／ｍｍ２）、ニッケルの引張強度は３２．２ｋｇｆ／ｍｍ２（３１５．８Ｎ／ｍｍ２）である。銅よりも高い強度を有するニッケルと銅とが合金化することによって、銅単体の再凝固部の硬度よりも再凝固部３９の硬度がより高まる。このため、ニッケルの含有量に応じて、再凝固部３９の強度は、銅単体の再凝固部の強度よりも高くなる。そのため、同じ破断強度を得るのに必要な本実施形態における溶接面積は、銅同士のレーザ接合の溶接部における溶接面積に比べて小さくて済む。
例えば、走査速度２０ｍｍ／秒でファイバーレーザを２５０Ｗで照射して銅と銅を接合する場合、得られる溶接部の破断強度は２Ｎ／ｍｍである。一方、本実施形態の場合、走査速度１２０ｍｍ／秒でファイバーレーザを２５０Ｗで照射して再凝固部３９を形成した場合、再凝固部３９の破断強度は１２Ｎ／ｍｍである。このように本実施形態のレーザ接合では、銅同士のレーザ接合に比べて、生産性及び強度がともに大きく向上する。従って、同じ接合強度を得るのに、ニッケル層３３を設けることで、少ないレーザエネルギーで済むことになる。また、ニッケルは銅よりも耐食性が高いため、防錆効果を得ることもできる。異種金属が接すると電食が起こるが、３％塩化ナトリウム溶液中のガルバニ電位は、銅が＋０．０４Ｖ、ニッケルが−０．０３Ｖである。このように、これらの金属の組み合わせによる電位差は非常に小さい。よって、これらの金属からなる再凝固部３９では、電食は発生しにくい。
なお、本実施の形態において、銅板３２上にニッケル層３３を設ける構成としたが、本発明における第一の金属材料と第二の金属材料との組み合わせは、銅とニッケルとの組み合わせに限定されない。表面層を形成する第二の金属材料が、第一の金属材料に比べ、レーザ光の反射率が低く、かつ破断強度が高ければ、また第一の金属材料と第二の金属材料の組み合わせが容易に合金化する金属の組み合わせであれば、同様の効果を得ることができる。例えば、第一の金属材料として、銅の代わりに黄銅、青銅など銅を主成分とする銅合金を用いれば、同様の効果が得られる。
また、他の成分系として、鉄と銅の２元系合金も全率固溶体であり、反射率の低い鉄層を前記表面層として銅板表面に形成することでも、同様の効果が得られる。鉄とクロムの２元系合金も全率固溶体であり、反射率の低い鉄層を前記表面層としてクロム板表面に形成することで同様の効果が得られる。
その他、全率固溶体ではない合金からなる再凝固部を形成する系として、前記表面層としてのクロム層をアルミニウム板表面に形成したり、前記表面層としてのアルミニウム層を銅板表面に形成したり、或いは、前記表面層としての鉄層をアルミニウム板表面に形成することで、同様の効果が得られる。
また、鉄の代わりに鉄を主成分とする鋼、或いは、ニッケルやクロムを含むステンレス鋼などの鋼を用いることでも、同様の効果が得られる。
本実施の形態では、銅板３２の厚さは、構造材としての強度を確保する観点から、例えば０．１ｍｍ以上である。多くの加工用レーザが有する波長０．５〜１０．６μｍの光の金属材料の吸収深さは０．００７〜０．０３７μｍである。従って、レーザ光の吸収率向上だけを目的にするのであれば、ニッケル層３３の厚さは、銅板３２の厚さ０．１ｍｍの０．０４％あればよい。厚さが数μｍとなるニッケルめっき層の厚さは、銅板３２における０．１ｍｍの板厚の数％となる。しかし、表面層の金属（本実施形態ではニッケル）と金属材料の金属との合金において、金属材料の金属成分より少量の表面層の金属成分が、表面層の金属の物性を顕著かつ有意に発現するためには、合金中に、表面層の金属成分が、少なくとも１０％以上で５０％以下の量で含有されることが必要と考えられる。このような観点から、ニッケル層３３の厚さは、銅板３２に厚さに対して１０分の１以上２分の１以下とすることが好ましい。
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２に係る、レーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。図２（ｅ）は、実施の形態の２におけるレーザ接合部品の再凝固部を含む断面の光学顕微鏡写真（ディスプレイ上に表示した中間調画像）である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図２は、本発明の実施の形態２に係る、レーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。図２（ｅ）は、実施の形態の２におけるレーザ接合部品の再凝固部を含む断面の光学顕微鏡写真（ディスプレイ上に表示した中間調画像）である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図２において、図１と異なる点は、図２（ａ）に示すように、クラッド材３１を、銅板３２及びニッケル層３３に加えて、銅板３２の下（下面）に厚さ０．０５ｍｍのニッケル層４０をさらに有するクラッド材４２としたことである。ニッケル層４０は、前記中間層に相当する。
図２（ｂ）におけるレーザ光３５の照射の手順は、図１と同様である。図２（ｃ）において、図１と同様に、キーホール加工により、深さが長く、幅が細いニッケル溶融領域３７ｂが形成される。またニッケル溶融領域３７ｂの周囲には、熱の伝播により、銅の溶融領域３８ｂが形成される。ニッケル溶融領域３７ｂが、ニッケル層４０に達すると、新たにニッケルが溶融する。このため、深さ方向にニッケル溶融領域３７ｂが伸びるだけでなく、幅の広い銅溶融領域３８ｃが、銅板３４内で形成される。
その結果、図２（ｄ）の模式図と図２（ｅ）の断面写真に示すように、再凝固部３９ｂの形状は、ニッケル層４０と銅板３４との界面で径が僅かに大きくなる（Ｗ１＞Ｗ２）。さらに再凝固部３９ｂにおける径の大きくなった部分のニッケル濃度が高くなる。これにより接合面積が大きくなるだけでなく、ニッケル量が増えたために、接合強度がより向上する。
なお、本実施の形態において、図３に示されるように、銅板３４に代えて、銅板３４とその上面に形成されたニッケル層４５とからなるクラッド材４４を用いても同様の結果が得られる。
［実施の形態３］
図４は、本発明の実施の形態３に係る、レーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。図４（ｃ）は、実施の形態の３におけるレーザ接合部品の再凝固部を含む断面の光学顕微鏡写真（ディスプレイ上に表示した中間調画像）である。
図４は、本発明の実施の形態３に係る、レーザ接合部品およびその製造方法の工程を示す断面図である。図４（ｃ）は、実施の形態の３におけるレーザ接合部品の再凝固部を含む断面の光学顕微鏡写真（ディスプレイ上に表示した中間調画像）である。
図４において、図２と異なる点は、図４（ａ）に示すように、レーザ光３５ｂを斜めから照射できるように集光レンズ３６ｂを傾けて設け、図４（ａ）の紙面に垂直な方向に、レーザ光でニッケル層３３の表面を走査したことである。走査方向は、図４（ａ）に示すように、ニッケル層３３の表面の法線Ｎｓと、これに交差するレーザ光の照射軸ＡＬとを含む面に対して垂直な方向である。また、法線Ｎｓとこれに交差する照射軸ＡＬとがニッケル層３３の表面上で形成する角を傾斜角ＩＡとする。
走査方向は、必ずしも図４（ａ）における紙面に直角な方向でなくともよい。このようにレーザ光３５ｂを斜めから照射することで、レーザ光３５ｂが、ニッケル層３３の表面で一部反射してレーザ発振器に戻り、レーザ発振器における発振状態が不安定になることを防ぐことができる。さらには、図４（ｂ）の模式図と図４（ｃ）の断面写真に示すように、合金化した再凝固部３９ｃがクラッド材４２と銅板３４の内部に、法線Ｎｓに対して斜めに形成される。
レーザ接合部材において、板厚方向（法線Ｎｓに沿う方向）に剥離応力が発生すると、再凝固部と第一の金属材料との界面での破壊が起きやすくなる。しかしながら、再凝固部３９ｃは、各銅板に対して斜めに形成されているため、板厚方向の剥離応力に対して破壊されにくい。このため、前記剥離応力に対する抵抗力を、各銅板の表面に対して垂直に再凝固部が形成される場合に比べて、より高めることができる。レーザ光３５ｂを傾ける角度（傾斜角）は、ニッケル層３３の表面の法線から５度以上であれば、照射されたレーザ光のレーザ発振器への戻りを回避できる。傾斜角が大きいとレーザ光３５ｂの表面層での反射率が大きくなり、照射エネルギーがクラッド材４２に吸収されにくくなることがある。また再凝固部３９ｃの深さが浅くなることがある。これらの観点から、傾斜角は４５度以下であることが好ましい。
本出願は、２０１１年３月１4日出願の特願２０１１−０５５１１３に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明のレーザ接合部品は、少ないレーザエネルギーで十分な接合強度を確保し、周辺の温度上昇も小さくすることができる。このため、機構部品だけでなく、電池の電極材料等の強度確保や電気および熱等の伝導性確保の用途にも適用できる。
１ 金属部材Ｘ
２ 金属部材Ｙ
３ 表面層
４ａ〜４ｄ、３９、３９ｂ、３９ｃ 再凝固部
５ 金属部材Ｚ
６ 中間層
１１、３１、４２、４４ クラッド材
１２、３２、３４ 銅板
１３ ニッケルめっき膜
２２、２３ クラッド板
２４、２４’ 高融点材料
２５、２５’ 低融点材料
２６、２７ ビート部
２８、２９ 接触部
３３、４０、４５ ニッケル層
３５、３５ｂ レーザ光
３６、３６ｂ 集光レンズ
３７、３７ｂ ニッケル溶融領域
３８、３８ｃ 銅溶融領域
ＡＬ レーザ光３５ｂの照射軸
Ａｘ 再凝固部４ａ〜４ｄの中心軸線
ＩＡ 傾斜角
Ｌ 再凝固部４ａ〜４ｄの長さ
Ｌｉ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の中間層６の長さ
Ｌｓ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の表面層３の長さ
Ｌｘ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｘの長さ
Ｌｙ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｙの長さ
Ｌｚ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｚの長さ
Ｎｓ ニッケル層３３の上面の法線
Ｗ１ 金属部材Ｘの上面における再凝固部４ａ〜４ｄの幅
Ｗ２ 金属部材Ｙの上面における再凝固部４ａ〜４ｄの幅
２ 金属部材Ｙ
３ 表面層
４ａ〜４ｄ、３９、３９ｂ、３９ｃ 再凝固部
５ 金属部材Ｚ
６ 中間層
１１、３１、４２、４４ クラッド材
１２、３２、３４ 銅板
１３ ニッケルめっき膜
２２、２３ クラッド板
２４、２４’ 高融点材料
２５、２５’ 低融点材料
２６、２７ ビート部
２８、２９ 接触部
３３、４０、４５ ニッケル層
３５、３５ｂ レーザ光
３６、３６ｂ 集光レンズ
３７、３７ｂ ニッケル溶融領域
３８、３８ｃ 銅溶融領域
ＡＬ レーザ光３５ｂの照射軸
Ａｘ 再凝固部４ａ〜４ｄの中心軸線
ＩＡ 傾斜角
Ｌ 再凝固部４ａ〜４ｄの長さ
Ｌｉ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の中間層６の長さ
Ｌｓ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の表面層３の長さ
Ｌｘ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｘの長さ
Ｌｙ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｙの長さ
Ｌｚ 再凝固部４ａ〜４ｄ中の金属部材Ｚの長さ
Ｎｓ ニッケル層３３の上面の法線
Ｗ１ 金属部材Ｘの上面における再凝固部４ａ〜４ｄの幅
Ｗ２ 金属部材Ｙの上面における再凝固部４ａ〜４ｄの幅
Claims (2)
- 第一の金属材料からなる金属部材Ｘと、
前記第一の金属材料からなり、金属部材Ｘ上に配置される金属部材Ｙと、
金属部材Ｙの上面に形成され、前記第一の金属材料と合金化することができ、前記第一の金属材料よりもレーザ光の吸収率が高く、かつ前記第一の金属材料よりも破断強度が高い第二の金属材料からなる表面層と、
前記表面層上からのレーザ光の照射による、前記表面層の前記第二の金属材料と、前記金属部材Ｘ及び前記金属部材Ｙの前記第一の金属材料との溶融及び合金化により、前記表面層の表面から金属部材Ｘの内部まで形成されている再凝固部と、を含む、レーザ接合部品。 - 金属部材Ｙの厚さは０．１ｍｍ以上であり、
前記表面層の厚さは金属部材Ｙの厚さの１０分の１以上２分の１以下である、請求項１に記載のレーザ接合部品。
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