JP6769591B2 - 中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品を接合するためのレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接の方法、及びレーザ溶接方法を使用して製作される物品に関する。

ニコチン送達システム（例えば、電子タバコ又はｅシガレット）等のエアロゾル供給システムは、一般に、典型的にはニコチンを含む配合物を含む原料液体のリザーバを含み、そのリザーバから、気化又は他の手段によってエアロゾルを生成する。したがって、エアロゾル供給システム用のエアロゾル供給源は、リザーバから原料液体の一部分に結合される加熱素子を備えることがある。使用者が装置でを吸うと、加熱素子が作動して少量の原料液体を気化し、したがって、それは使用者によって吸引されるためのエアロゾルに変換される。典型的には、加熱素子は導電性材料から作られ、加熱素子に電流を流すバッテリー等の電源に接続され、その結果、加熱素子は加熱され、原料液体を加熱し、気化する。

このような構成で、加熱素子は、これもまた金属等の導電性材料から作られた一対の電気接点を介して電源に電気的に接続される。加熱素子と接点は互いに接触するように構成することができるが、加熱素子と電気接点との間の物理的な接合又は接続は、より強固な電気的な接合を形成する。

はんだ付けは、電気回路の導電素子等の金属構成部品間を物理的に接合するための技法である。はんだとして知られ、接合される導電素子よりも低融点の溶加材金属は、加熱によって溶融され、その結果、接合領域に流れて、一旦、冷却されて凝固すると構成部品を接続する物理的な接合を形成する。接合領域の不純物によって、うまくはんだ付け接合ができないことがある。これは、フラックス材料を使って、はんだ付け工程中の酸化を防ぐ、及び／又は腐食による何らかの化学的洗浄をすることによって対処することができる。しかしながら、エアロゾルニコチン送達システムの場合には、フラックス材料は加熱素子環境においてはニコチンによって腐食され、これによってエアロゾルが汚染されることがある。

したがって、加熱素子とその電気接点との間の電気接続部を形成するための代替の技法に関心が持たれている。

本書で説明される特定の実施形態の第１の態様によれば、中実の金属構成部品を多孔質の金属構成部品と境界領域で接触させて配置するステップと、中実の金属構成部品にレーザビームを向けて、境界領域の中実の金属構成部品の１つ又は複数の部分を加熱及び溶融するステップと、溶融した金属部分が、多孔質の金属構成部品の隙間内に流れ、冷却によって凝固し、その結果、前記隙間と隣り合う多孔質の金属構成部品の部分が、中実の金属構成部品の金属と一体化されて、中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品を接合するステップとを含むレーザ溶接の方法が提供される。

多孔質の金属構成部品は、一緒に焼結された金属繊維の網目を含み、中実の金属構成部品の金属と一体化された前記隙間と隣り合う多孔質の金属構成部品の部分は金属繊維である。中実の金属構成部品及び多孔質の金属構成部品のうちの一方又は両方はステンレス鋼を含むことができる。

第１の期間にわたって高出力レベルでレーザビームを動作させ、次いで、第２の期間にわたって高出力レベルより低い低出力レベルでレーザビームを動作させることができる。例えば、第１の期間と第２の期間は、１対３〜１対８０の範囲の比の期間を有することができる。低出力レベルは、高出力レベルの４０％〜６０％の間とすることができる。また、第１の期間の前に、レーザの出力レベルをゼロから高出力レベルに増大させる初期期間を設けることができる。高出力レベルは１ｋＷ〜１．８ｋＷ未満の範囲とすることができる。レーザビームは、４．５Ｊより多く、８．０Ｊより少ない範囲の総エネルギー量を金属構成部品に送出することができる。

本方法は、レーザビームが中実の金属構成部品に向けられている間、境界領域にわたって力を加えて、中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品を圧縮するステップをさらに含むことができる。

中実の金属構成部品の厚さは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲とすることができる。

中実の金属構成部品は電気接点であり、多孔質の金属構成部品はエアロゾル供給システムにおいて液体からエアロゾルを形成するための加熱素子であってよい。

本書で提供される特定の実施形態の第２の態様によれば、多孔質の金属構成部品内の隙間と隣り合う多孔質の金属構成部品の部分が、隙間に入った中実の金属構成部品の少なくとも一部分と一体化されることによって、溶接部で一緒に接合された中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品を備えたアセンブリが提供される。

本書で提供される特定の実施形態の第３の態様によれば、第１の態様の方法によるレーザ溶接方法によって作られた、又は得られる溶接部で一緒に接合された中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品を備えたアセンブリが提供される。

このようなアセンブリで、中実の金属構成部品及び多孔質の金属構成部品のうちの一方から他方の構成部品に流れる電流に対する溶接部の電気抵抗は１０ｍＯｈｍ以下とすることができる。

本書で提供される特定の実施形態の第４の態様によれば、中実の金属構成部品を、複数の焼結金属撚糸を含む多孔質の金属構成部品と接触させて配置するステップと、中実の金属構成部品にレーザビームを向けて、エネルギーをその構成部品に送出するステップと、多孔質の金属構成部品と接触している中実の金属構成部品の少なくとも一部分をエネルギーで加熱して溶融させ、その結果、溶融した金属が多孔質の金属構成部品内の金属撚糸の周りに流れるステップと、レーザビームを外すステップと、金属撚糸の周りに流れた溶融した金属を冷却し、その結果、金属撚糸が中実の金属構成部品に埋め込まれて、多孔質の金属構成部品に中実の金属構成部品を接合するステップとを含むレーザ溶接の方法が提供される。

特定の実施形態のこれらの及びさらなる態様は添付の独立請求項及び従属請求項に記載される。従属請求項の特徴は、特許請求の範囲に明示的に記載された以外の組合せで、互いに、及び、独立請求項の特徴と組み合わせることができることは認識されるであろう。さらに、本書で説明する手法は、下記で述べるような特定の実施形態に限定されるものではないが、本書で提示する特徴の任意の適切な組合せを含み、そのようなものが考えられる。例えば、レーザ溶接方法は、必要に応じて、下記で説明する様々な特徴のうちのいずれか１つ又は複数を含む、本書で説明する手法にしたがって提供することができる。

次に、添付図面を参照して単に例として様々な実施形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態を使用して溶接することができる構成部品を含むアセンブリの斜視図である。 本発明の実施形態を使用して溶接することができる構成部品を含むアセンブリの斜視図である。 本発明の実施形態による方法のステップのフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は図３の例の方法のステップを実施するための装置の概略図である。 本発明の実施形態を使用して溶接された第１の例の被加工物の概略断面図である。 本発明の実施形態を使用して溶接された第２の例の被加工物の概略断面図である。 本発明の実施形態で使用するのに適したレーザ出力の例のプロットである。

特定の例及び実施形態の態様及び特徴について、本書において論じられ説明されている。しかし、特定の例及び実施形態における幾つかの態様及び特徴は、従来一般に具現化されている場合もあり、それらは簡略化するために詳細には論じることも説明することもしない。したがって、詳細に説明していない本書で論じた装置及び方法の態様及び特徴は、そのような態様及び特徴を具現化するための任意の従来技術に従って具現化され得ることは理解されたい。

本開示は、ｅシガレット等のエアロゾル供給システムの製造に使用することができるレーザ溶接の方法に関する（しかしながら、本方法はこれに限定されず、他の場合にも適用可能である）。以下の説明を通じて、「ｅシガレット」という用語を使用することがあるが、この用語はエアロゾル（蒸気）供給システムと互換的に使用することができることを理解されたい。

図１は、エアロゾル供給システムのカートリッジアセンブリで使用することができる加熱素子支持モジュールのいくつかの構成部品の概略図である。ここで、カートリッジアセンブリは、原料液体を貯蔵して、原料液体からエアロゾルを生成するように意図されたシステムの一部分である。本発明の実施形態は、このようなアセンブリの製作に使用することができる。

図１の構成部品１０は、加熱素子１２を支持するために構成された支持モジュールの要素の下部である。この支持要素はクレードル（受け台）と呼ばれることがあり、構成部品１０は下部クレードルとして示されている。上部クレードル（図示せず）は、下部クレードル１０の上に嵌り、それらの間に加熱素子を挟んで支持する。アセンブリは、加熱素子１２と、加熱素子１２の第１の端部に接続するための第１の電気接触子１４と、加熱素子１２の第２の端部に接続するための第２の電気接触子１６とをさらに備える。

この例の下部クレードル１０は、ガラス繊維を多く含んだプラスチック材料から成形される。上部及び下部クレードルのそれぞれには、その長さに沿って延在する凹部１８（図１には、下部クレードル１０に対してのみ見えている）が設けられており、その結果、２つのクレードル構成部品が加熱素子１２を挟むように合わさって一緒になると、それぞれの凹部１８によって画定された空気流通路を有する略管状形状のクレードルを形成する。凹部１８は、管の内部を通って、その中に加熱素子１２が配置される。

第１及び第２の電気接触子１４、１６は、シートメタル材料から形成することができる。このシートメタル材料としては、例えば、従来の製造法による装置の他の素子の形状及び構成を考慮した適切な形状に形成された銅片が含まれる。他の場合では、第１及び第２の電気接触子１４、１６は、従来の可撓性配線を含むことができる。いくつかの例では、第１及び／又は第２の電気接触子には、例えば、金めっき又は銀めっき等のめっきを施して、接触抵抗を低くする、及び／又は腐食の危険性を減らす助けとすることができる。

カートリッジアセンブリのこの例では、加熱素子１２は、焼結金属繊維材料から形成され、概して、薄板の形態である。加熱素子の性質と構造は下記でさらに説明する。この特定の例では、加熱素子１２は、それぞれの電気接触子１４、１６に接触するために各端部で電気接点延長部１２Ｂを有する主要部分１２Ａを備える。この例では、加熱素子の主要部分１２Ａは、約２０ｍｍの長さ（すなわち、電気接点延長部１２Ｂ間の方向）、及び訳８ｍｍの幅の略矩形である。この例の加熱素子１２を含む薄板の厚さは約０．１５ｍｍである。図２で分かるように、加熱素子１２の概ね矩形の主要部分１２Ａは、長い方の側面のそれぞれから内側に延びる溝を有する。この形状によって、電流は、加熱素子１２に沿って一方の電気接点延長部１２Ｂから他方に流されて曲がりくねった経路を辿り、その結果、溝の端部の周りに電流が集中し、したがって電力が集中する。その結果生じる加熱分布と、それに対応した温度勾配はエアロゾル供給システムの場合においては望ましいものとなり得る。加熱素子のこの形状、大きさ、及び構成は、一例に過ぎないことに留意されたい。本発明の実施形態は、加熱素子の他の構成に適用することができ、実際、同様な構成の他の金属構成部品に適用することができる。

図１に示すように、第１及び第２の電気接触子１４、１６は下部クレードル１０に取り付けられており、加熱素子１２は、それを定位置に置く準備ができた下部クレードル１０の上に示されている。第２の電気接触子１６は、下部クレードル１０の第２の端部（図１の向きでは最も左端）に取り付けられている。下部クレードル１０は、導電体をプラスチックの本体部分に取り付けるために、第２の電気接触子１６の第１の部分の形状を受け入れて、それに合うように、従来の製造法により形成されている。第２の電気接触子１６の一端には、加熱素子１２の電気接点延長部１２Ｂの一方に接続させるための第２の電気接触子フラップ部分１６Ａが設けられ、一方、第２の電気接触子１６の他端は、図に概略的に示すように下部クレードル１０から離れるように延在している。第１の電気接触子１４は、凹部１８の壁と隣り合う下部クレードル１０の長さに沿って通るように取り付けられている。第２の電気接触子１６と同様に、第１の電気接触子１４の一端は、図に概略的に示すように下部クレードル１０の第２の端部から離れる方向に延在している。第１の電気接触子１４の他端には、加熱素子１２の電気接点延長部１２Ｂの他方を受け入れるための、下部クレードル１０の第１の端部（図１では最も右端）に配置された第１の電気接触子フラップ部分１４Ａが設けられている。

下部クレードル１０の上面は、加熱素子１２の溝と位置合わせされ、及び、対応した位置にある上部クレードルの穴（図示せず）にも位置合わせされた複数の位置決めペグ２０を備えている。これらの位置決めペグは、組み立てるときに、上部クレードル１０を下部クレードルと位置合わせすることを助けるため、及び、加熱素子１２を上部及び下部クレードル１０に対して位置合わせすることを助けるためのものである。

図２は、第１及び第２の電気接触子１４、１６を含む下部クレードル１０に取り付けられた加熱素子１２を概略的に示す。加熱素子１２は、位置決めペグ２０が加熱素子１２の溝と位置合わせされた状態で、下部クレードル１０の上面に置くだけで、下部クレードル１０に取り付けられる。第１及び第２の電気接触子フラップ部分１４Ａ、１６Ａは、加熱素子１２の各端部の電気接点延長部１２Ｂのそれぞれの上に、及び／又はその周りに延在するように下に折り曲げられる。良好な機械的及び電気的な接続を提供するために、電気接触子フラップ部分１４Ａ及び１６Ａは、本発明の実施形態によるレーザ溶接方法によって加熱素子１２の電気接点延長部１２Ｂに物理的に接合される。

図１及び図２に関して説明した加熱素子と電気接点は、本発明の実施形態によるレーザ溶接によって接合することができる構成部品の一例に過ぎないことに留意されたい。異なるタイプのエアロゾル供給システムにおけるこれらの構成部品の他の構成もまた、具現化した方法によって接合することができ、本方法の実施形態はまた、他の製品、システム、及び装置の構成部品を接合するために適用可能である。また、図１及び図２の例は、電気接点が下部クレードルに取り付けられてから加熱素子に接続されるように示しているが、本方法の実施形態はこれに限定されるものではなく、レーザ溶接による接続又は接合を実行してから、溶接した部品を他の構成部品に組み付けることができる。

上記のように、この例の加熱素子は、焼結金属繊維材料から形成され、概して、薄板の形態である。この種の材料は、網目又は不規則な格子のものと考えることができ、間隔を空け、ランダムに並べられた配置又は列の金属繊維又は金属撚糸を一緒に焼結することによって生成される。単一の層の繊維を使用することができ、又は、最大５層等のいくつかの層の繊維を使用することができる。一例として、直径８マイクロメートルの金属繊維が、０．１６ｍｍの厚さの薄板に配置され、材料密度を２００〜２５０ｇ／ｍ^２及び空隙率を８４％になるように間隔を空けることができる。間に隙間を有するランダムに配置された金属繊維を含むこの材料構造物の目的は、流体（液体及び気体）が隙間の中に侵入し、隙間に沿って、及び隙間を通って流れることができる多孔質の金属材料を提供することである。エアロゾル供給システムの加熱素子の場合では、多孔質の構造物は、毛細管作用によって原料液体を導き、電流を加熱素子に流したときに加熱された金属と直接接触させることができる。しかしながら、この特定の用途には、他の多孔質の導電材を使用することができる。本発明の溶接方法は、焼結された網目状のものだけでなく、他の多孔質の金属構造物にも適用することができる。例えば、金属繊維から織られた、又は編まれた薄板は同様に多孔質である。皺にした、又は折り曲げられた金属薄板、或いは、成形、機械的な穴あけ又は穴抜き、或いはレーザ穴あけによって生成された穴を有する中実の金属ブロックは、いくつかの用途に対しては適切な多孔質（多孔性を有するもの）となることができる。この用途の場合には、多孔質の金属材料又は構造物は、１種又は複数種の金属から作られ、流体が流れて通ることができる、１ミリメートル、１マイクロメートル、又はこれより小さな、規則的な、不規則な、又はランダムな網状の、又は列状の穴、通路、又は隙間を有する物品、構成部品、又は要素を意味する。例えば、多孔質の金属材料又は構造物は、６６％以上、又は７０％以上、又は７５％以上、又は８０％以上、又は８５％以上、又は８６％以上の空隙率を有することができる。例えば、空隙率は実質的に８４％である。材料は金属繊維又は撚糸から作られる場合もあるし、そうでない場合もある。また、用途の性質によっては、いかなる金属も使用することができる。金属繊維又は撚糸から作られる多孔質の材料に対しては、材料は、１種類だけの金属の繊維、又は任意の比率の２種類以上の金属の繊維を含むことができる。一例として、エアロゾル供給システム用の加熱素子では、金属はステンレス鋼、例えば、ステンレス鋼３０１とすることができる。他の金属としては、他のステンレス鋼、非ステンレス鋼、鉄、銅、タングステン、アルミニウム、真鍮及び他の合金、或いは任意の他の金属（元素、化合物、又は合金）が挙げられる。

逆に、図１及び図２の例の加熱素子に溶接される電気接点は、多孔質の金属材料の空隙構造がなく、したがって、大きな空隙がない中実の金属から作られる。例えば、中実の金属は、１０％以下、又は７．５％以下、又は５％以下、又は２．５％以下、又は１％以下、又は０．５％以下、又は０．２５％以下の空隙率を有することができる。また、中実の金属構成部品は、多孔質の金属構成部品よりも稠密、すなわち、高密度である可能性がある。本発明の実施形態は、レーザ溶接を用いて中実の金属構成部品を多孔質の金属構成部品に融合又は接合して、はんだ付け及びそれに関連するフラックスを使用する必要なしに、このような構成部品間を電気的に接続及び／又は機械的に接合することを提示する。中実の構成部品はまた、用途にしたがって、任意の金属のものとすることができる。一例として、エアロゾル供給システムでは、加熱素子に接続するための電気接点は、ステンレス鋼３１６Ｌ等のステンレス鋼から作ることができる。他の金属としては、他のステンレス鋼、非ステンレス鋼、鉄、銅、タングステン、アルミニウム、真鍮及び他の合金、或いはアルミニウムでめっきしたステンレス鋼、或いは任意の他の金属又は金属の組合せ（元素、化合物、合金、或いはめっき又は積層構造）が挙げられる。

中実及び多孔質の金属構成部品に対して、用語「構成部品」は、これが、より大きな物品又は製品の一部分の最終形態であろうと、なかろうと、及び、より大きな物品又は製品内に使用されていようと、なかろうと、特定の中実及び多孔質の金属から作られた任意の物品又は要素を包含することを意図する。図１及び図２のエアロゾル供給システムは、本発明の実施形態を使用することができる製品の一例に過ぎない。本発明は、これに限定されるものではない。

図３は、本方法の実施形態による方法のステップのフローチャートを示す。

第１のステップＳ１において、中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品が選択される。ここでは、２つの構成部品は、例えば、電気的な接続、機械的な接合、又はその両方のために、一緒に固定されることが望ましい。これらの構成部品は、例えば、上記のような材料及び構造を有することができる。

第２のステップＳ２において、中実の金属構成部品と多孔質の金属構成部品は、互いに接触して、それぞれの所望の位置に配置される。接触する範囲は、２つの構成部品の表面間の境界領域として考えることができる。構成部品の大きさ、及び任意の最終装置内での配置に応じて、境界領域は、片方又は両方の構成部品の接触面の表面積の全部、又はそれより小さい面積とすることができる。例えば、図１及び図２の構成では、境界領域は、電気接点の面積のほとんど、又はすべてであるが、加熱素子の面積のほんのわずかな部分である。他の例では、２つの構成部品は、境界領域が両方の表面積より小さくなるように重ねられて配置することができる、或いは、構成部品は、境界領域が両方の表面積のほとんど又はすべてを含むように同様の大きさの接触面を有することができる。

構成部品は、溶接後には外される一時的な締付又は保持手段で、接触位置に保持することができる。これに代えて、図１及び図２の例のように、２つの構成部品は、より大きな装置又は製品内の所望の最終位置に組み付けられてから溶接することができる。正しく配置され、定位置に保持されて溶接の準備ができた構成部品は、被加工物として考えることができる。

第３のステップＳ３において、レーザからの光のビームは、境界領域の反対側で境界領域に実質的に直交した、中実の金属構成部品の外面（表面近く）に向けられる。言い換えれば、レーザビームは、２つの金属構成部品のうちの密度の高い方の構成部品に向けられる。レーザビームは、中実の金属構成部品の表面近くに、すなわち、境界領域の接触面の反対側の表面に実質的に焦点を合わせることができる。中実の金属構成部品の厚さ、送出されるエネルギー量、及び溶接される面積の大きさに応じて、焦点は、表面近くの平面より上又は下に配置することもできる。レーザビームは、光ファイバを通して、或いは１つ又は複数のレンズを通して、或いは両方を組み合わせて送出することができる。ファイバ及び／又はレンズは、被加工物（適切に配置された構成部分）の上で、又はそれと隣り合って、必要とされる場所に正確に位置決めするように構成された専用のビーム送出ヘッドに取り付けることができる。レーザ溶接に使用するのに適したレーザの例としては、ルビーレーザ及びＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、並びにヘリウム、窒素、及び炭酸ガスレーザ等の気体レーザが挙げられる。

第４のステップＳ４において、レーザビームからのエネルギーは境界領域の溶接部に送出される。これは、エネルギー吸収及び熱伝達によって達成される。中実の金属構成部品の表面近くに向けられたレーザビームは、エネルギーを金属に送出する。このエネルギーは金属によって吸収される。これによって金属が加熱される。金属内に侵入することができるビームの深さは、レーザビームの出力及び波長、並びに金属のタイプによって決定され、エネルギーの直接吸収と、エネルギーを吸収した隣り合う領域からの熱伝達とが組み合わさって、境界領域の中実の金属構成部品の１つ又は複数の部分の温度が上昇し、それによって金属が溶融する。レーザの侵入深さに対する中実の金属構成部品の厚さもまた、境界領域で達成される温度上昇に影響する。当業者は、金属の熱特性及びその放熱能力を考慮して、レーザ出力及び波長、並びに構成部品の厚さを調節して、必要とされる溶融を達成することを理解するであろう。多孔質金属の構造物にもいくらかの加熱及び溶融が生じる場合がある。

第５のステップＳ５において、中実の構成部品から生じた溶融金属は、境界領域の中実の構成部品の表面から外側に流れることができる。これは、レーザビーム及び被加工物が実質的に鉛直方向の軸線に沿って配置され、中実の金属構成部品の上にレーザビームが実質的に下向きに向けられ、構成部品が２つの水平な層として配置された場合に促進される。その結果、溶融金属は重力の助けによって表面から流れ出る。しかしながら、この構成は必須ではない。溶融金属は、多孔質構造物の隙間に入って、その近くの多孔質構造物の繊維、撚糸、又は他の部分を包み込む、取り巻く、又は取り囲むことによって、隣り合う多孔質の金属構成部品内に流れることができる。

第６のステップＳ６において、必要なエネルギー量を送出すると、レーザビームは止められる（又は被加工物から遮蔽されるもしくは逸らされる）。これについては、下記でさらに説明する。

最後のステップＳ７において、エネルギー源（レーザビーム）が被加工物から外されると、溶融金属は冷えて凝固することができる。溶融金属は多孔質の金属構成部品の隙間内に流れたので、温度が下がるとそこに留まり、したがって、固体状態に戻ると、多孔質の金属構成部品の撚糸は、固体金属内に埋め込まれて、それと一体となる。これによって、２つの構成部品間を機械的に接合して、溶接が完了する。

理論に縛られたくはないが、溶融金属は、加熱された領域の個別部分、又は「節」領域に流れる傾向があり、それぞれの節は、多孔質構造物の金属繊維撚糸の群の周りに塊又は瘤を形成する（撚糸もまた、ある程度、溶融又は軟化することがある）と思われる。この結果生じた溶接構造は、針刺し（節又は塊）の針（撚糸又は繊維）として考えることができる。言い換えれば、溶融金属は、多孔質金属の撚糸又は他の金属構造物の間にあり、それらと隣り合う隙間内に流れ、多孔質の金属構成部品のこれらの部分を取り囲む又は包み込む。典型的には、いくつかの節が生成される。溶接点当たりの節の量、及び節当たりの撚糸の比率は、レーザ出力及びレーザビーム送出時間を調節することによって修正することができる。これについては下記でさらに説明する。溶接部の機械的強度とその電気抵抗は共に、節及び撚糸の比率及び構成に依存し、したがって、溶接は、その目的（物理的な接合、電気的な接続、又は両方）に応じて良好な性能になるように調整することができる。

図４は、図３の方法を実行するための装置の概略図を示す。本図は原寸に比例したものではない。図４（Ａ）では、中実の金属構成部品３０が、例えば、一緒に焼結された、多数の金属の撚糸を含む多孔質の金属構成部品３２と接触して配置されている。中実の金属構成部品３０は、（図の向きで）上面又は表面近く３０ａと、多孔質の金属構成部品の表面３２ａと接触する位置にある反対側の下面３０ｂとを有する。２つの接触面は境界領域３４を含み、境界領域３４は、この例では、中実の金属構成部品３０の下面３０ｂの全表面積に相当し、多孔質の金属構成部品３２の上面３２ａの表面積の一部分に相当する。溶接部が境界領域３４に生成されて、２つの構成部品を接合することになる。

図４（Ｂ）では、レーザ３８は、１つのレンズ（又は複数のレンズ）４２によって焦点４０を形成するレーザビーム３６を発生する。焦点４０は中実の金属構成部品の表面近く３０ａに配置される。

図４（Ｃ）では、中実の金属構成部品３０を貫通するように加熱し（影の部分で示されている）、したがって、境界領域の中実の金属を溶融するのに十分なエネルギーが、レーザビーム３６によって中実の金属構成部品に送出されている。溶融金属は、多孔質の金属構成部品３２のいくつかの撚糸４４の周りを流れて、瘤４６を形成する。

図４（Ｄ）では、レーザビーム３６は外されて、中実の金属構成部品３０の溶融部分は冷えて凝固している。したがって、瘤４６はこのときは中実の金属で、多孔質の金属構成部品３２の複数の撚糸４４の部分内に埋め込まれている。したがって、２つの構成部品３０、３２は、この接合によって一緒に固定又は融合され、これは、物理的、機械的な接合、及び、構成部品が金属で導電性の場合には、電気的な接続にもなる。

瘤、及び瘤の中に埋め込まれた撚糸又は繊維の構成は、異なったレーザ出力送出状態又は手順を使用することによって修正することができる。

図５は、本発明の実施形態にしたがって溶接された第１の例の被加工物の断面図（原寸に比例したものではない）を示す。中実の金属構成部品３０は、溶接工程で溶融され、流れて２つの節又は瘤４６を形成した。各節に、多孔質の金属構成部品３２内に含まれる複数の金属繊維４４が侵入することによって、これらの金属繊維４４は、中実の金属構成部品３０の材料と一体化される。例示のため、この例では、７〜８本の撚糸４４で複数を代表している。少なくとも繊維４４の何本かは瘤４６の側面を貫通して延在し、瘤の内側にその長さの一部分を有し（周りの凝固した金属によって固定され）、瘤の外側にその長さの一部分を有して多孔質の金属構成部品の多孔質構造を形成する。何本かの繊維４４は完全に瘤４６内にある場合がある。実例では、瘤１つ当たりに、より多くの、又はより少ない撚糸を有するより多くの瘤が形成される場合がある。しかしながら、単一のレーザビームを使用した単一の溶接作業から複数の瘤を形成することができることに留意されたい。１回の溶接作業又はビーム露出につき、瘤が１つだけということではない。溶接部の機械的強度（例えば、溶接された構成部品を剥離させるのに必要な力を測定する剥離試験で評価される）は、瘤の数、及び瘤１つ当たりの撚糸の数とともに変わる。同様に、電気抵抗も、これらの構造因子とともに変わる。いくつかの用途に対しては、電気抵抗は特に関心を持たれ、例えば、高強度となる非常に強固な溶接部はまた、特定の用途に対しては抵抗が高すぎることを見出すことがある（特に、２つの溶接部が、図１及び図２の電気加熱素子等の電気回路に含まれることがあることを留意されたい）。溶接手順を修正すると、その構造を変化させて、適当な機械的強度に対してバランスをとるように電気抵抗を下げることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態にしたがって溶接された第２の例の被加工物の断面図（原寸に比例したものではない）を示す。この例では、図５の例に比べて低いレーザ出力が使用された。他のパラメータは同じである。この状態では、瘤４６の数は多いが（この例では４つが示されている）、瘤１つ当たりの撚糸４４の数は少ない（２〜３本が示されている）、又は、逆に言うと、撚糸当たりの瘤の数が多い。これらの数は単に例示しているだけで、必ずしも実例を代表しているわけではない。しかしながら、レーザ出力を下げて使用すると、このように溶接構造を修正することができる。この異なる構造では、たとえ溶接部にわたって含まれる撚糸の合計数が少なくても、より多くの瘤が形成されるので、図５の例に比べて電気抵抗が低くなりやすく、また、機械的強度は同様にする、又は向上させることができる。

実験結果

溶接量について試験を行った。これらの実験では、中実の金属構成部品は、電気接点（例えば、図１及び図２に示したもの）であり、ステンレス鋼３０１から作られ、厚さが０．２ｍｍであった。多孔質の金属構成部品は、厚さが０．１６ｍｍの加熱素子（例えば、図１及び図２で示したもの）であり、一緒に焼結されランダムに並べられて材料密度２００〜２５０ｇ／ｍ^２、空隙率８４％となる直径８μｍの金属繊維を含むステンレス鋼３１６Ｌから作られた。

使用されたレーザは、Ａｍａｄａ Ｍｉｙａｃｈｉ製のＭＬ−２４５０Ａレーザであった。これは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであり、したがって、１０６４ｎｍの波長で動作する。ビームは、焦点の大きさが４００μｍになるように合わされ、この焦点を中実の金属構成部品の表面近くに配置した。例えば、溶接面積の意図する大きさを参考にして、４００μｍ〜６００μｍの間等の他の焦点の大きさを使用することができる。溶接を達成するために、レーザは、溶接している時間にわたって出力を変えながら動作させた。

図７は、溶接工程でのレーザの出力を示すプロットを示す。時刻ｔ０で始動して、時刻ｔ１まで期間Δｔ１にわたって続く初期の始動期間（スイッチオン時間）では、出力はゼロ〜１００％まで徐々に上がった。１００％最大出力の値（レーザ出力の設定）は、実験間で変えられた。直線状の傾斜が仮定されている。次いで、ｔ１からｔ２まで続く時間Δｔ２にわたって、レーザを１００％出力で動作させた。最後に、時刻ｔ２で始まって、出力は５０％まで下がり、さらなる時間Δｔ３の間レーザを動作させて、時刻ｔ３で終了した。時間Δｔ１、Δｔ２、及びΔｔ３、並びに全溶接時間Δｔ１＋Δｔ２＋Δｔ３もまた、実験間で変えられた。

表１は、各被加工物に送出された総エネルギー量を含む、３０回の実験に対する出力状態を示す。エネルギー量の計算は、連続波レーザの動作を仮定している。

この結果得られた、溶接された被加工物は、溶接部の機械的強度又は剥離強度、及び溶接部の電気抵抗を試験され、特徴付けられた。剥離強度は、不可（接合していないことを示す）、良又は優（又は、試験されていなければ、該当なし（Ｎ／Ａ：ｎｏｔ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ））として特徴付けられた。電気抵抗は、高（２０ｍＯｈｍを超える）、中（１０〜２０ｍＯｈｍ）、又は低（１０ｍＯｈｍより低い）として特徴付けられた。結果は、表１にも示したエネルギーを含めて表２に示している。

これらの結果から、少量のエネルギーを送出したとき（番号が小さい実験）、結果が、溶接部の機械的強度が不可で、抵抗が高である、概ね不可の状態があることが分かる。対照的に、かなり多量のエネルギーを送出した、大きな番号の実験に対する状態も、いくつかの適用に対して結果は不可である。機械的接合の強度は改善されたものもあるが、抵抗はまだ高い。中くらいの量のエネルギーを送出する中間状態では、機械的強度は良又は優で、電気抵抗は低又は中の、特に有用な結果が得られる。

この特定の例の被加工物に関する形態を考えると、４．５Ｊを超えて、８．０Ｊを超えない総エネルギー量を、図７に示したものと同様な状態を使用して送出したときに有用な結果を与えることに気付くことができる。より詳細には、約６．０Ｊ〜７．０Ｊの間のエネルギーを送出すると、剥離強度が良で抵抗が低という点で特に良い結果が得られる。

より詳細に結果を見ると、最も有用な結果は、Δｔ３の時間がΔｔ２の時間を大きく超えるレーザ動作手順に相当する、中くらいのエネルギー送出から生じたことに留意されたい。言い換えれば、下げた出力レベルを使用した時間は、最大出力レベル又は高出力レベルを使用した時間の数倍である（高出力は、レーザの能力の最大動作出力の場合もあり、そうでない場合もある）。Δｔ３がΔｔ２と同じか、Δｔ２より２倍又は２．５倍しか長くない、表１及び表２の上部及び下部の実験結果は、低い剥離強度及び／又は高い抵抗という点で良くない結果を示した。逆に、表１及び表２の中間部分の結果は、より良い結果に対応する。Δｔ２の間、最大出力での初期エネルギー量を送出して、加熱と溶融を開始させ、次に、どちらかの構成部品を損傷させ得る過剰なエネルギー量を供給せずに、又は溶融させすぎることもなしに、より長い時間スケールΔｔ３にわたって下げた量のエネルギーを送出して、熱の伝播及び溶融状態を維持し、瘤が形成される時間を与える。これらの結果から、Δｔ２とΔｔ３の比が１対３以上又は１対４以上の状態が有用と考えられ得る。また、低出力であってもエネルギーを多く送出しすぎると有害になることがあり、したがって、上限もまた、例えば、１対４〜１対８の間の比、又は１対３〜１対８の間の比と考えることができる（これらの範囲の後者の比は、実験データの最大値である）。この範囲内では、表２では、より大きな比はより良い結果に一致し、したがって、いくつかの実施形態では、この比は、１対６〜１対８の範囲に設定することができる。

他の実験では、もっと大きな比で良い結果になることを見出した。いくつかの実験では、高出力レベルは１．２ｋＷから１．４ｋＷの範囲であった。このような高出力レベルは、０．１ｍｓ〜０．２ｍｓの間、送出され、次いで、例えば、高出力レベルの５０％の、下げた出力レベルをさらに４ｍｓ〜８ｍｓの間、送出することができる。低出力は、高出力より２０倍又は４０倍又は８０倍長く送出される。したがって、Δｔ２とΔｔ３の比は、場合によっては、１対２０以上、又は１対４０以上、又は１対８０以上、又は１対２０〜１対８０の範囲、又は１対２０〜１対４０の範囲、又は１対４０〜１対８０の範囲とすることができる。これらの値の間の比、及び１対１０〜１対１５の範囲等、上記のより小さな比もまた使用することができる。

したがって、概して、溶接方法は、Δｔ２とΔｔ３の比が１対３〜１対８０の範囲で実施することができるが、これは限定しているわけではない。

実験は、Δｔ３の間は、Δｔ２での最大出力の５０％に下げた出力を使用した。しかしながら、例えば、下限が３０％又は３５％又は４０％又は４５％で、上限が５５％又は６０％又は６５％又は７０％の範囲に下げた他の出力レベルでも有用な結果を得ることができる。また、出力を下げた段階を省略することができ、その結果、Δｔ３の間、最大出力、又は少なくともΔｔ２の間と同じ出力が用いられる。それでも溶接は達成される。「最大出力」及び１００％出力は、必ずしも、レーザが発生することができる総出力を意味するのではなく、むしろ、Δｔ２の期間の間に使用される出力レベル、及び、Δｔ１の期間の間に徐々に上げていく動作出力の目標の出力レベルを意味することに留意されたい。使用されるレーザのタイプに応じて、徐々に上げていくいかなる期間も多少とも重要になることがあり、又は、シャッタシステムは、スイッチオン段階中に被加工物を遮蔽するために、したがって、徐々に上げていくこの段階をエネルギー送出手順から除くために使用することができる。好ましい結果に対応する実験例では、徐々に上げていく期間Δｔ１の時間は、徐々に上げていく期間Δｔ２と同じである。しかしながら、これは必須ではない。

また、実験結果から、１．８ｋＷを超えない最大出力レベルの期間の出力レベルで良い結果が得られたことに気付くことができる。１．８ｋＷ以上の出力レベルは、特に、電気抵抗が高である点で、良くない溶接になる傾向があることが分かった。また、出力レベルが非常に低いと、長い溶接時間が必要となり、閾値より低いと、必要な溶融度合いにするのに十分な加熱とならない。１ｋＷ〜１．８ｋＷ未満の範囲の１００％出力レベルが特に有用と考えられる。１．２ｋＷ〜１．６ｋＷ、又は１．２ｋＷ〜１．４ｋＷの範囲の最大出力もまた使用されることがある。出力を下げると、瘤１つ当たりより少ない繊維を有するより多くの節を生じた、図６の例で示す構造を思い出すと、これは、１．５ｋＷ以下、例えば、１．０ｋＷ〜１．５ｋＷの間の最大出力レベルで達成することができる。当業者であれば認識するように、出力レベルは、金属のタイプ、レーザの波長、及び中実の金属構成部品の厚さにしたがって修正すべきである。したがって、本発明の実施形態は、上記の出力レベルに限定されるものではない。これらは単なる例である。

これらの実験では、中実の金属構成部品の厚さは０．２ｍｍで、多孔質の金属構成部品の厚さは０．１６ｍｍであることを思い出されたい。明らかに、０．２ｍｍより数倍厚い中実の金属構成部品では、レーザビームは、境界領域から離れたところで吸収され、熱の伝播は、境界領域の金属を溶融するのに適正でないため、上記の出力及びエネルギー状態での溶接は良好な結果を生まない。しかしながら、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の厚さ、例えば、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．４５ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．４５ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．３５ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．２５ｍｍ、０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍ、０．１５ｍｍ〜０．４５ｍｍ、０．１５ｍｍ〜０．４ｍｍ、０．１５ｍｍ〜０．３５ｍｍ、０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍ、又は０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲の厚さの中実の金属構成部品では、上記の手順を使用すれば良好な結果の溶接となることが期待される。多孔質の金属構成部品の厚さは、レーザ及び熱エネルギーがこの層を貫通して溶接部を形成する必要がないので、それほど重要ではないと考えられる。その代わり、多孔質の金属構成部品が非常に薄い場合には、溶接すると、多孔質の金属構成部品の下にある任意の付加の構成部品、すなわち入射レーザビームの反対側の構成部品に被加工物を少なくとも部分的に接合する場合もあるので、多孔質の金属構成部品の薄さにより関心がある環境があり得る。これは、例えば、瘤の溶融金属が多孔質の構成部品の厚みすべてを貫通すること、或いは、多孔質の金属構成部品の金属撚糸が溶融又は軟化すること、或いは、付加の構成部品の材料が溶融又は軟化することから生じることがある。このような接合のいずれも重要な場合もあり、又は重要でない場合もあり、場合によっては有益なときもある。これは、溶接前に多孔質の金属構成部品を下にある他の構成部品に組み付けないで、溶接中は、被加工物を離して保持することによって対処することができる。しかしながら、この本例では、多孔質の金属構成部品の厚さは、例えば、０．１５ｍｍ〜０．１７ｍｍ、０．１４ｍｍ〜０．１８ｍｍ、０．１３ｍｍ〜０．１９ｍｍ、又は０．１２ｍｍ〜０．２ｍｍ、０．１ｍｍ〜０．２２ｍｍ、又は０．０８〜０．２４ｍｍの範囲とすることができる。

電気的な接続を提供するために溶接が必要な用途では、低い電気抵抗に関心がある。本発明の実施形態は、１０ｍＯｈｍ以下の抵抗を達成することができる。１０ｍＯｈｍ〜２０ｍＯｈｍの間の抵抗値は、いくつかの装置では関心のある場合がある。

レーザ溶接を含むいかなる溶接工程中も、溶接接合部に気泡が形成されることを避けることが望ましい。これは、レーザ溶接では、溶接中に圧縮力を加えることによって対処することができる。本件では、多孔質の金属構成部品があるため、圧縮力を注意して用いるべきである。圧縮力が強すぎると、押しつぶされたままになり、したがって、多孔質材料の構造を傷つけ、空隙率を減らし、密度を上げ、おそらく意図した目的に合わなくなることがある。したがって、本発明の実施形態を使用するときに、気泡の形成を除去する必要があることが分かった場合、０．１Ｎ〜５．０Ｎの間の力で圧縮することができる。圧縮は必要でない、すなわち力は０Ｎであることが分かることがある。概して、０Ｎと５Ｎを含めてその間の圧縮力は、レーザビームを使って溶接部を形成している間、境界領域にわたってかけることができる。この大きさの力は、本書で説明した実験で使用された多孔質の金属構成部品のタイプに適している。これより大きな力は、多孔質の金属構成部品が耐えることができるならば、又は、起こり得る構造的な損傷があまり重要でなければ使用することができる。

溶接工程中に金属によるレーザエネルギーの吸収を増大させるために、いかなる高反射表面も除去することができる。例えば、境界領域の構成部品の表面からいかなる反射コーティング又は層も除去することができ、境界領域の範囲にはいかなる表面研磨も用いないことができる。特に反射率を下げる表面処理もまた使用することができる。

本書で説明した様々な実施形態は、特許請求される特徴の理解と教示を助けるためだけに提示されている。これらの実施形態は、実施形態の単なる代表的な例として供され、すべての実施形態を網羅するものでもなければ、他の実施形態を排除するものでもない。本書で説明した利点、実施形態、例、機能、特徴、構造、及び／又は他の態様は、特許請求の範囲によって規定されたように本発明の範囲を限定するものと考えるべきではなく、或いは特許請求の範囲に対する均等物を制限するものと考えるべきではなく、特許請求される本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用し、変形を施すことができることを理解されたい。本発明の様々な実施形態は、本書で詳細に説明されたもの以外の、開示された要素、構成、特徴、部品、ステップ、手段等の適切な組合せを適切に含み、それらのみから構成され、或いは実質的にそれらから構成されてもよい。さらに、本開示は、現在は特許請求されていないが将来特許請求される可能性のある他の発明を含むことができる。

Claims (15)

1. 中実の金属構成部品を、隙間を有する多孔質の金属構成部品に境界領域で接触させて配置するステップと、
   前記中実の金属構成部品にレーザビームを向けて、前記境界領域の前記中実の金属構成部品の１つ以上の部分を加熱及び溶融するステップと、
   前記溶融した金属部分が、前記多孔質の金属構成部品の前記隙間に流れて前記隙間に入り、冷却によって凝固し、その結果、前記隙間と隣り合う前記多孔質の金属構成部品の部分が、前記中実の金属構成部品の金属と一体化されて、前記中実の金属構成部品と前記多孔質の金属構成部品とを接合するステップと
   を含むレーザ溶接の方法であって、
   前記多孔質の金属構成部品が、一緒に焼結された金属繊維の網目を含み、前記中実の金属構成部品の金属と一体化された前記隙間と隣り合う前記多孔質の金属構成部品の前記部分が金属繊維である、方法。
2. 前記中実の金属構成部品及び前記多孔質の金属構成部品のうちの一方又は両方がステンレス鋼を含む、請求項１に記載の方法。
3. 第１の期間にわたって高出力レベルで前記レーザビームを動作させ、次いで、第２の期間にわたって前記高出力レベルより低い低出力レベルで前記レーザビームを動作させる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の期間と前記第２の期間が、１対３〜１対８０の範囲の比の期間を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記低出力レベルが、前記高出力レベルの４０％〜６０％の間である、請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記第１の期間の前に、前記レーザビームの出力レベルをゼロから前記高出力レベルに増大させる初期期間がある、請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記高出力レベルが１ｋＷ〜１．８ｋＷ未満の範囲である、請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記レーザビームが、４．５Ｊより多く、８．０Ｊより少ない範囲の総エネルギー量を前記金属構成部品に送出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記レーザビームが前記中実の金属構成部品に向けられている間、前記境界領域にわたって力を加えて、前記中実の金属構成部品と前記多孔質の金属構成部品を圧縮するステップをさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記中実の金属構成部品の厚さが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記中実の金属構成部品が電気接点であり、前記多孔質の金属構成部品がエアロゾル供給システムにおいて液体からエアロゾルを形成するための加熱素子である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
12. 多孔質の金属構成部品内の隙間と隣り合う前記多孔質の金属構成部品の部分が、前記隙間に入った中実の金属構成部品の少なくとも一部分と一体化されることによって、溶接部で一緒に接合された前記中実の金属構成部品と前記多孔質の金属構成部品を備えるアセンブリであって、
    前記多孔質の金属構成部品が、一緒に焼結された金属繊維の網目を含み、前記中実の金属構成部品の金属と一体化された前記隙間と隣り合う前記多孔質の金属構成部品の前記部分が金属繊維である、アセンブリ。
13. 中実の金属構成部品と、一緒に焼結された金属繊維の網目を含む多孔質の金属構成部品とを備えたアセンブリであって、前記中実の金属構成部品と前記多孔質の金属構成部品とが請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法によって、溶接部で一緒に接合されたものである、アセンブリ。
14. 前記中実の金属構成部品及び前記多孔質の金属構成部品のうちの一方から他方の構成部品に流れる電流に対する前記溶接部の電気抵抗が１０ｍＯｈｍ以下である、請求項１２又は１３に記載のアセンブリ。
15. 中実の金属構成部品を、複数の焼結金属撚糸を含み、隙間を有する多孔質の金属構成部品と接触させて配置するステップと、
    前記中実の金属構成部品にレーザビームを向けて、エネルギーを前記中実の構成部品に送出するステップと、
    前記多孔質の金属構成部品と接触している前記中実の金属構成部品の少なくとも一部分を前記エネルギーで加熱して溶融させ、その結果、溶融した金属が前記多孔質の金属構成部品内の金属撚糸の周りに流れ、前記隙間に入るステップと、
    前記レーザビームを外すステップと、
    前記金属撚糸の周りに流れた前記溶融した金属を冷却し、その結果、前記金属撚糸が前記中実の金属構成部品に埋め込まれて、前記多孔質の金属構成部品に前記中実の金属構成部品を接合するステップと
    を含むレーザ溶接の方法。

Images