JP6954871B2 - レーザー溶接構造、およびレーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル−チタン超弾性合金製のワイヤーをチタン合金製の管状部材に接合したレーザー溶接構造およびレーザー溶接方法に関する。

従来、内視鏡用の処置具にニッケル−チタン超弾性合金製のワイヤーを用いることがある。この際、ワイヤーは、管状の部材に溶接される。ワイヤーと管状部材との接合強度を高強度にするには、溶接面積を大きくする必要がある。

例えば、特許文献１には、ニッケルまたはニッケル系合金製の管状部材と、ニッケル−チタン合金製の線材をレーザー溶接する医療ガイドワイヤーの製造方法が記載されている。図９は、従来のレーザー溶接構造を示す断面図である。特許文献１では、まず、一方の線材１０１の一端、および他方の線材１０３の一端を、旋盤等によって細径化し、細径化された接合部１０１ａ、１０３ａを形成する。その後、この接合部１０１ａ、１０３ａを管状部材１０２にそれぞれ挿入する。管状部材１０２において、接合部１０１ａが挿入された位置と、接合部１０３ａが挿入された位置に、それぞれレーザー光（図９の矢印１０６）を照射して溶接する。この際、接合部１０１ａと管状部材１０２との重ね合わせ面１０５ａ、および接合部１０３ａと管状部材１０２との重ね合わせ面１０５ｂだけでなく、管状部材１０２の端面１０４にもレーザー光を照射することで、溶接面積を確保した構造としている。

また、特許文献２には、鋼板の重ね合わせ溶接において機械的強度が高く、高い能率で接合体を形成する溶接方法が記載されている。特許文献２の溶接方法では、上側の鋼板と下側の鋼板との間の隙間に溶融金属を流入させた後に凝固させて溶接し、溶融金属の一部が上下鋼板の隙間に流入した突起状の凸部が形成された溶接構造が形成される。

特許第４１３６３７０号公報 特開２０１３−２３３５５７号公報

しかしながら、特許文献１は、溶接面積を拡大するため、接合部１０１ａと管状部材１０２との重ね合わせ面１０５ａ、及び接合部１０３ａと管状部材１０２との重ね合わせ面１０５ｂだけでなく、管状部材１０２の端面１０４に対しても別々にレーザー光を照射する。すなわち、特許文献１では、管状部材１０２の端面１０４に対してレーザー照射することによって、少なくとも溶融する工程を２箇所に対して施している。ニッケル−チタン合金は、熱により脆化しやすいため、製品によっては必要とする強度仕様を満たさないおそれがあった。

また、特許文献２の溶接方法では、溶融金属の一部が上下鋼板の隙間に流入した凸部が形成されている溶接構造となっているが、ニッケル−チタン合金を用いてこのような溶接構造とした場合には、隙間に溶融金属が流入するまで熱を与える必要があり、ニッケル−チタン合金が脆化し機械的強度が低下するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ニッケル−チタン合金の脆化を抑制しつつ接合強度を向上させることができるレーザー溶接構造、およびレーザー溶接方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザー溶接構造は、５４．５重量％以上５７．０重量％以下のニッケルを含むニッケル−チタン系の超弾性合金製のワイヤーを、チタン系合金製の管状部材に挿通して接合した前記ワイヤーと前記管状部材とのレーザー溶接構造において、前記管状部材の一部が外表面から内面まで溶融してなる溶け込み部と、前記溶け込み部と前記ワイヤーとの間に設けられ、前記管状部材と前記ワイヤーとが溶け込んでなる溶け込み接合部と、前記溶け込み部の周囲に設けられ、前記ワイヤーと前記管状部材とが接合した固相接合部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザー溶接構造は、上記発明において、前記チタン系合金は、５．５０重量％以上６．７５重量％以下のアルミニウムと、３．５０重量％以上４．５０重量％以下のバナジウムとを含むことを特徴とする。

本発明に係るレーザー溶接方法は、５４．５重量％以上５７．０重量％以下のニッケルを含むニッケル−チタン系の超弾性合金製のワイヤーを、前記ニッケル−チタン系の超弾性合金よりも融点が高く、かつ熱伝導率が低いチタン系合金製の管状部材に挿通して、不活性ガス雰囲気中で接合する前記ワイヤーと前記管状部材とのレーザー溶接方法において、出力を一定に維持した後、経時的に前記出力が低下するダウンスロープ型の出力波形のレーザー光を前記管状部材の外表面に照射する、ことを特徴とする。

本発明に係るレーザー溶接方法は、上記発明において、５．５０重量％以上６．７５重量％以下のアルミニウムと、３．５０重量％以上４．５０重量％以下のバナジウムとを含む前記チタン系合金製の管状部材と、前記ワイヤーとを接合することを特徴とする。

本発明によれば、ニッケル−チタン合金の脆化を抑制しつつ接合強度を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る溶接構造を有する接合体の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る溶接構造を示す断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る接合体の形成を説明する図である。 図４は、レーザー溶接を行う際に用いるレーザー光の特性を説明する図である。 図５は、レーザー溶接を行う際のレーザー光の出力の時間変化を説明する図である。 図６は、接合体の断面像を示す図である。 図７Ａは、図６に示す断面像の一部の元素分布（ニッケル）を示す図である。 図７Ｂは、図６に示す断面像の一部の元素分布（アルミニウム）を示す図である。 図８は、接合体の引張試験結果を説明する図である。 図９は、従来のレーザー溶接構造を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面は模式的なものであり、各部の寸法の関係や比率は、現実と異なる。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る溶接構造を有する接合体の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る溶接構造を示す断面図であって、図１に示す接合体の中心軸と平行、かつ溶接部を通過する平面を切断面とする断面図である。図１および図２に示す接合体１は、線状をなすワイヤー２と、管状部材３とを備え、ワイヤー２が管状部材３の内部に挿通された状態で接合された構成をなす。接合体１には、レーザー溶接によって一部が溶融固化してなり、ワイヤー２と管状部材３とを接合する溶接部４が形成されている。図１において、ワイヤー２の中心軸と、管状部材３の中心軸とは、中心軸Ｎと一致している。

ワイヤー２は、ニッケル−チタン系の超弾性合金を用いて構成される。具体的に、ニッケル−チタン系の超弾性合金は、５４．５重量％以上５７．０重量％以下のニッケルを含むニッケル−チタン合金である。このニッケル−チタン合金は、例えば、熱伝導率が１２．１（Ｗ／（ｍ／ｋ））であり、融点が１２５０℃以上１２８０℃以下である。

管状部材３は、６４チタン（Ti6AL4V）を用いて構成される。具体的に、６４チタンは、５．５０重量％以上６．７５重量％以下のアルミニウムと、３．５０重量％以上４．５０重量％以下のバナジウムとを含むチタン合金である。このチタン合金は、例えば、熱伝導率が７．５（Ｗ／（ｍ／ｋ））であり、融点が１５４０℃以上１６５０℃以下である。このため、管状部材３は、熱伝導率が、ワイヤー２の熱伝導率より低い。また、管状部材３は、融点が、ワイヤー２の融点より高い。

ワイヤー２と管状部材３とは、レーザー光によるスポット溶接によって接続される。具体的に、接合体１には、図１および図２に示すように、ワイヤー２と管状部材３とを接続する溶接部４が形成されている。溶接部４は、スポット溶接によって形成される溶接ビードである。溶接ビードは、スポット溶接によってワイヤー２および管状部材の一部が溶融した後に固化してなる。

溶接部４は、主として管状部材３が溶融してなる溶け込み部４１と、ワイヤー２と管状部材３との隙間に形成され、固相接合部４２とを有する。また、溶接部４には、溶け込み部４１とワイヤー２との間において、管状部材３の溶融物にワイヤー２の成分が溶け込んでなる溶け込み接合部４１ａが形成される。溶け込み接合部４１ａは、溶融して液状化した管状部材３の熱によってワイヤー２が溶融し、その溶融したワイヤー２が、管状部材３の溶融物に溶け込んでなる。なお、溶接の過程によっては、溶け込み部４１にワイヤー２の成分が拡散している場合がある。

固相接合部４２は、固相状態のワイヤー２と管状部材３とが接合してなる。固相接合部４２は、互いに内面まで溶融されておらず、接合可能な加熱状態の管状部材３とワイヤー２とが加熱接合物を形成している。固相接合部４２は、溶け込み部４１からワイヤー２の外表面（または管状部材３の内周面）に広がっている。固相接合部４２は、ワイヤー２と管状部材３との融点の差異によって形成される。

溶接部４では、溶け込み部４１におけるワイヤー２との境界部分の溶け込み幅をｄ₁、固相接合部４２の接合幅をｄ₂としたとき、接合幅ｄ₂は、溶け込み幅ｄ₁よりも大きくなっている。なお、溶け込み幅ｄ₁および接合幅ｄ₂は、中心軸Ｎに対して平行である。

次に、上述した接合体１の製造方法について、図３〜５を参照して説明する。図３は、本発明の一実施の形態に係る接合体の形成を説明する図である。なお、図３では、図の下方に重力が加わるものとして説明する。

まず、管状部材３にワイヤー２を挿通する。この際、管状部材３の内周面と、ワイヤー２の外周面との間には隙間が形成されている。この隙間を維持するため、公知の治具等を用いて管状部材３に対するワイヤー２の配置を固定することが好ましい。

管状部材３にワイヤー２を挿通した後、管状部材３の外周面に向けてレーザー光を照射して溶接する。レーザー光は、発振周期をナノ秒から数秒単位で制御可能である。

図４は、レーザー溶接を行う際に用いるレーザー光の特性を説明する図である。図４は、レーザー光の焦点面におけるスポットＳ_Pを示している。レーザー光は、ホルダを溶融可能な下限強度Ｉ_Lにおけるビーム径Ｗ_Lと、ピーク強度Ｉ_Pにおけるビーム径Ｗ_Pの値が略同じで、ビームの縁から中心に向かってビーム強度が急峻に立ち上がってピーク強度Ｉ_Pに達するトップハット型の強度分布を有する。これにより、照射領域の単位面積当たりの蓄積エネルギーが略均一なレーザー光がホルダに照射される。また、例えば、一般的に知られているガウシアン型の強度分布を有するレーザー光を、ビーム強度分布変換を行う光学系を通過させることによって、ビーム径Ｗ_Lとビーム径Ｗ_Pとが略同じでビーム断面の縁から内部に向かってビーム強度が急峻に立ち上がるトップハット型の強度分布に変換して照射するようにしてもよい。

図５は、レーザー溶接を行う際のレーザー光の出力の時間変化を説明する図である。本実施の形態において、レーザー光は、レーザー出力を一定に保った後、レーザー出力が経時的に低下するダウンスロープ型の台形波である（図５参照）。具体的に、レーザー光は、照射開始と同時に最大出力まで上昇し、一定期間Ｔ_Cの間はレーザー出力が一定に維持され、その後、下降期間Ｔ_Dの間に徐々に低下してレーザー出力がゼロとなる。なお、下降期間Ｔ_Dにおけるレーザー出力（出力波形）は、弧状に変化してもよいし、段階的に（階段状に）変化してもよい。すなわち、このダウンスロープ型には、弧状に変化する態様や、段階的に変化する態様を含む。

レーザー光を照射すると、溶接ビードが形成される。この際、一定期間Ｔ_Cでは、管状部材３の溶融物は、重力によってワイヤー２側に垂れ、ワイヤー２の表面に広がった後、溶接部４が形成される。この際、管状部材３の溶融物の熱によって、ワイヤー２が溶融する。溶融したワイヤー２は、一部が管状部材３の溶融物内に拡散する。この拡散によって、一部の溶融物の融点（以下、Ｍ_M1という）が、６４チタンの融点（以下、Ｍ_64Tiという）よりも下がり、６４チタンの融点と、ニッケル−チタン合金の融点（以下、Ｍ_Ni-Tiという）との間の温度に変化する。以下、変化後の溶融物の融点をＭ_M2とする。
また、溶融したワイヤー２は、ワイヤー２と管状部材３との間の隙間に広がる。この広がった部分を漏出部という。

その後、下降期間Ｔ_Dにおいて、レーザー出力の低下によって溶融物（管状部材３の溶融物、ワイヤー２の溶融物、および、管状部材３の溶融物にワイヤー２の溶融物が拡散した溶融物を含む）の温度が徐々に低下する。溶融物の温度が６４チタンの融点Ｍ_64Tiよりも下がると、溶融物のうち、管状部材３の成分（６４チタン）が凝固して、溶け込み部４１が形成される。この際、出力を下げながらレーザー光の照射が維持されているため、ワイヤー２近傍の溶け込み（拡散）部分については、溶融状態が維持されている。

さらにレーザー出力が低下し、溶融物の温度が変化後の溶融物の融点Ｍ_M2よりも下がると、管状部材３にワイヤー２が拡散した部分を含む溶け込み接合部分が凝固して、溶け込み接合部４１ａが形成される。

その後さらにレーザー出力が低下し、溶融物の温度がニッケル−チタン合金の融点Ｍ_Ni-Tiよりも下がると、漏出部（ワイヤー２の成分：ニッケル−チタン合金）が凝固して、固相接合部４２が形成される。

以上説明した過程を経て、各部材の成分を段階的に凝固させることによって、図１および図２に示す溶接部４が形成された接合体１が完成する。

接合体の一例として、レーザー出力を２５０Ｗ以上３００Ｗ以下、一定期間Ｔ_Cを１０ミリ秒、下降期間Ｔ_Dを４ミリ秒として、ワイヤーと管状部材とを接合した。また、溶接時の酸化を防止するため、溶接箇所の周囲をチャンバーで囲い、チャンバー内を不活性ガス（ここではアルゴンガス）雰囲気に置換して溶接を行った。不活性ガスの流量は、例えば毎分１０Ｌに設定される。

図６は、接合体の断面像を示す図である。図６に示す断面像では、ワイヤー２１と、管状部材３１とを接合する溶接部４０において、溶け込み部４１０の形成と、固相接合部４２０の形成とが確認できる。また、溶接部４０では、固相接合部４２０の溶け込み幅をｄ₁₂が、溶け込み部４１０におけるワイヤー２１との境界部分の溶け込み幅ｄ₁₁よりも大きいことが分かる。さらに、管状部材４１０の溶融物にワイヤー２１の成分が拡散してなる溶け込み層４１０ａが確認できる。

図７Ａは、図６に示す断面像の一部の元素分布（ニッケル）を示す図である。図７Ｂは、図６に示す断面像の一部の元素分布（アルミニウム）を示す図である。破線枠で示す領域Ｅ₄₂₀は、固相接合部４２０に対応する。図７Ａおよび図７Ｂにおいて、この領域Ｅ₄₂₀に注目すると、ワイヤー２の成分であるニッケル−チタン合金のニッケルと、６４チタンの成分であるアルミニウムとの両方が存在していることが確認できる。したがって、固相接合部４２０は、ワイヤー２１の成分と管状部材３１の成分とが溶け合っているものといえる。

続いて、上述した溶接方法によって得られた接合体の強度を測定するため、引張試験を行った。この引張試験では、直径が０．５ｍｍのワイヤー、および外径が０．８５ｍｍ、内径が０．５ｍｍ、肉厚が０．１７５ｍｍの管状部材を使用し、管状部材の中心軸に対して対向する位置に溶接部をそれぞれ形成してワイヤーと管状部材とを接合した接合体を用いた。図８は、接合体の引張試験結果を説明する図である。引張強度−変形量の関係を示す曲線Ｑにおいて、引張強度がほぼ一定値をなすプラトー領域Ｅ₁と、プラトー領域Ｅ₁を超えて引張強度が向上する塑性領域Ｅ₂とが確認できる。この試験結果によって、本実施の形態に係る接合体（溶接構造）は、レーザー光の熱に起因する脆化が抑制され、ニッケル−チタン合金の特性を維持できていることが確認できる。図８において、降伏点における接合強度Ｐ_Bは１１０Ｎ、最大応力における接合強度Ｐ_S（本接合体の接合強度）は１６０Ｎである。

以上説明した本発明の実施の形態では、ニッケル−チタン合金製のワイヤー２と、６４チタン製の管状部材を接合した接合体１において、管状部材３の溶融物にワイヤー２の成分が拡散してなる溶け込み部４１と、溶接部４１の周囲に設けられ、固相状態のワイヤー２と管状部材３とが接合してなる固相接合部４２とを有する溶接部４を形成した。本実施の形態によれば、固相接合部４２によって、ワイヤー２と管状部材３との接合面積が確保され、その結果、接合体において、ニッケル−チタン合金の脆化を抑制しつつ接合強度を向上させることができる。また、本実施の形態によれば、固相接合部４２の形成によって接合面積が確保されるため、レーザー光の照射点数を少なくしても、所望の接合強度を得ることができる。

なお、上述した実施の形態では、発振周期をナノ秒から数秒単位で制御可能なレーザー光を照射するものとして説明したが、管状部材３を溶融して固化させることができれば、これに限らず、連続波のレーザー光の照射を行うようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、溶接部４は、一箇所にレーザー光を照射して形成するようにしてもよいし、複数箇所にレーザー光を照射し、一部で繋がる複数の溶接ビードを形成して、これを溶接部としてもよい。この際、溶け込み接合部の周囲には、固相接合部が形成されている。

ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみに限定されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載した技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な実施の形態を含みうるものである。

１ 接合体
２ ワイヤー
３ 管状部材
４ 溶接部
４１ 溶け込み部
４１ａ 溶け込み接合部
４２ 固相接合部

Claims (4)

1. ５４．５重量％以上５７．０重量％以下のニッケルを含むニッケル−チタン系の超弾性合金製のワイヤーを、チタン系合金製の管状部材に挿通して接合した前記ワイヤーと前記管状部材とのレーザー溶接構造において、
   前記管状部材の一部が外表面から内面まで溶融してなる溶け込み部と、
   前記溶け込み部と前記ワイヤーとの間に設けられ、前記管状部材と前記ワイヤーとが溶け込んでなる溶け込み接合部と、
   前記溶け込み部の周囲に設けられ、前記ワイヤーと前記管状部材とが接合した固相接合部と、
   を備えることを特徴とするレーザー溶接構造。
2. 前記チタン系合金は、５．５０重量％以上６．７５重量％以下のアルミニウムと、３．５０重量％以上４．５０重量％以下のバナジウムとを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接構造。
3. ５４．５重量％以上５７．０重量％以下のニッケルを含むニッケル−チタン系の超弾性合金製のワイヤーを、前記ニッケル−チタン系の超弾性合金よりも融点が高く、かつ熱伝導率が低いチタン系合金製の管状部材に挿通して、不活性ガス雰囲気中で接合する前記ワイヤーと前記管状部材とのレーザー溶接方法において、
   出力を一定に維持した後、経時的に前記出力が低下するダウンスロープ型の出力波形のレーザー光を前記管状部材の外表面に照射する、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
4. ５．５０重量％以上６．７５重量％以下のアルミニウムと、３．５０重量％以上４．５０重量％以下のバナジウムとを含む前記チタン系合金製の管状部材と、前記ワイヤーとを接合する
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー溶接方法。

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