JP7328835B2

JP7328835B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP7328835B2
Application number: JP2019162341A
Authority: JP
Inventors: 哲男坂井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP2020142298A

Description

本発明の実施形態は、溶接方法に関する。

レーザ光を照射することで複数の被溶接材料同士を溶接する方法がある。例えば、銅などを含む被溶接材料に近赤外領域に波長をもつレーザ光を照射することで溶接しようとすると、レーザ光の吸収率が低い（すなわち、レーザ光の反射率が高い）ために溶け込みが安定せず、安定した溶接が困難であるという問題がある。

岡本康寛、"銅の微細レーザ溶接における光吸収率と溶け込み深さの安定化に関する検討"、[online]、公益財団法人天田財団、[平成３１年２月１９日検索]、インターネット<URL:http://www.amada-f.or.jp/r_report2/kkr/31/AF-2015221.pdf>

本発明が解決しようとする課題は、レーザ光の吸収率が低い被溶接材料を溶接する場合にも安定した溶接が可能な溶接方法を提供することである。

実施形態に係る溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を含む。準備工程では、第１被溶接材料及び第２被溶接材料を準備する。溶接工程では、第１被溶接材料及び第２被溶接材料の少なくとも一方にレーザ光を照射することで、第１被溶接材料及び第２被溶接材料を溶接する。第１被溶接材料及び第２被溶接材料の少なくとも一方は、第１部分と第２部分とを有する。第２部分のレーザ光吸収率は、第１部分のレーザ光吸収率よりも高い。溶接工程では、第２部分にレーザ光を照射することで、第１被溶接材料及び第２被溶接材料を溶接する。

図１（ａ）～図１（ｃ）は、実施形態に係る溶接方法のフローを模式的に表す説明図である。実施形態に係る溶接方法の準備工程における表面処理加工を模式的に表す説明図である。実施形態に係る溶接方法の溶接工程を模式的に表す説明図である。実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分周辺を模式的に表す断面図である。実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の一部を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。実施形態の変形例に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の一部を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の断面を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。実施形態の変形例に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の断面を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１（ａ）～図１（ｃ）は、実施形態に係る溶接方法のフローを模式的に表す説明図である。
図１（ａ）～図１（ｃ）に表したように、実施形態に係る溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を含む。

実施形態に係る溶接方法では、まず、図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、溶接の対象となる第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを準備する（準備工程）。

第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂの少なくとも一方は、第１部分１１と第２部分１２とを有する。第２部分１２のレーザ光吸収率は、第１部分１１のレーザ光吸収率よりも高い。換言すれば、第２部分１２のレーザ光反射率は、第１部分１１のレーザ光反射率よりも低い。

この例では、第１被溶接材料１０ａは第１部分１１ａと第２部分１２ａとを有し、第２被溶接材料１０ｂは、第１部分１１ｂと第２部分１２ｂとを有する。すなわち、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂの両方が、第１部分１１と第２部分１２とを有する。なお、第１部分１１及び第２部分１２は、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂの一方にだけ形成されてもよい。

準備工程においては、まず、図１（ａ）に表したように、母材１ａ及び母材１ｂを準備する。母材１ａ及び母材１ｂは、例えば、金属を含む。母材１ａ及び母材１ｂは、例えば、銅またはアルミニウムを含む。母材１ａ及び母材１ｂは、同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。

準備工程においては、次に、図１（ｂ）に表したように、母材１ａの一部及び母材１ｂの一部に対して、レーザ光吸収率を向上させるための表面処理加工を施す。これにより、レーザ光吸収率が相対的に低い部分（すなわち、第１部分１１）とレーザ光吸収率が相対的に高い部分（すなわち、第２部分１２）とを有する第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂが作製される。

つまり、母材１ａ及び母材１ｂのうち、表面処理加工を施されレーザ光吸収率が向上した部分が第２部分１２になり、表面処理加工を施されずレーザ光吸収率が向上しなかった部分が第１部分１１になる。このように、母材１ａ及び母材１ｂに表面処理加工を施すことで、均一なレーザ光吸収率を有する母材１ａ及び母材１ｂから、レーザ光吸収率が相対的に低い第１部分１１とレーザ光吸収率が相対的に高い第２部分１２とを有する第１被溶接材料１０ａまたは第２被溶接材料１０ｂを作製することができる。表面処理加工については、後述する。

実施形態に係る溶接方法では、次に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に表したように、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂの少なくとも一方にレーザ光を照射することで、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを溶接する（溶接工程）。この例では、溶接工程において、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂの両方にレーザ光を照射している。

溶接工程においては、第２部分１２にレーザ光を照射することで、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを溶接する。この例では、溶接工程において、第１被溶接材料１０ａの第２部分１２ａ及び第２被溶接材料１０ｂの第２部分１２ｂの両方にレーザ光を照射することで、第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを溶接する。

第２部分１２にレーザ光が照射されると、第２部分１２及びその周辺は加熱されて溶融する。その後、溶融した部分が冷却されて凝固すると、ビード１５が形成される。ビード１５により、第１被溶接材料１０ａと第２被溶接材料１０ｂとが接合される。溶接工程については、後述する。

上述のように、第２部分１２のレーザ光吸収率は、第１部分１１のレーザ光吸収率よりも高い。そのため、溶接工程においてレーザ光吸収率が相対的に高い第２部分１２にレーザ光を照射することで、照射されたレーザ光を十分に吸収させることができる。換言すれば、溶接工程においてレーザ光を照射する部分のレーザ光吸収率を相対的に高くしておくことで、溶接工程においてレーザ光を照射した際に、照射されたレーザ光を十分に吸収させることができる。これにより、レーザ光の吸収率が低い被溶接材料を溶接する場合にも、溶接工程においてレーザ光を十分に吸収させて溶け込みを安定化させることができ、安定した溶接を行うことができる。

また、実施形態によれば、溶接工程においてレーザ光吸収率が相対的に高い第２部分１２にレーザ光を照射することで、レーザ光を十分に吸収させることができるため、溶接工程におけるレーザの照射時間を短縮できる。これにより、歩留まりを向上できるとともに、スパッタの発生を抑制できる。

また、通常、銅などを含む被溶接材料を溶接する場合には、レーザ光の吸収率が低い（すなわち、レーザ光の反射率が高い）ために、高出力でレーザ光を照射することが求められる。したがって、銅などを含む被溶接材料を溶接する場合には、ビード１５の幅や深さを調節することが難しい。これに対し、実施形態によれば、溶接工程においてレーザ光吸収率が相対的に高い第２部分１２にレーザ光を照射するため、低出力でレーザ光を照射した場合にも、被溶接材料を溶接することができる。したがって、ビード１５の幅や深さを調節し、より微細な溶接をすることができる。

また、実施形態においては、第２部分１２の幅を調節することで、ビード１５の幅を調節することができる。すなわち、第２部分１２の幅を広くしてビード１５の幅を広くしたり、第２部分１２の幅を狭くしてビード１５の幅を狭くしたりすることができる。

また、実施形態においては、照射されるレーザ光の出力を調節することで、ビード１５の深さを調節することができる。すなわち、照射されるレーザ光の出力を小さくしてビード１５の深さを浅くしたり、照射されるレーザ光の出力を大きくしてビード１５の深さを深くしたりすることができる。

なお、図１（ａ）～図１（ｃ）では、第１被溶接材料１０ａと第２被溶接材料１０ｂとを突合せ継手で溶接する場合を例示しているが、実施形態に係る溶接方法における継手は、これに限定されない。実施形態に係る溶接方法における継手は、例えば、Ｔ継手、かど継手、及び重ね継手などでもよい。

例えば、第１被溶接材料１０ａと第２被溶接材料１０ｂとを重ね、第１被溶接材料１０ａ側からレーザ光を照射して重ね継手で溶接する場合には、溶接工程において第１被溶接材料１０ａにのみレーザ光が照射される。したがって、この場合には、第１被溶接材料１０ａにのみ第２部分１２を形成し、第２被溶接材料１０ｂには第２部分１２を形成しなくてもよい。換言すれば、この場合には、第１被溶接材料１０ａになる母材１ａにのみ表面処理加工を施し、第２被溶接材料１０ｂになる母材１ｂには表面処理加工を施さなくてもよい。

また、実施形態においては、予め第１部分１１と第２部分１２とが形成された第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを用いてもよい。このような第１被溶接材料１０ａ及び第２被溶接材料１０ｂを用いる場合には、母材１ａ及び母材１ｂに対する表面処理加工は省略可能である。

図２は、実施形態に係る溶接方法の準備工程における表面処理加工を模式的に表す説明図である。
図２に表したように、表面処理加工は、例えば、レーザアブレーションにより行われる。レーザアブレーションは、レーザ光の照射により部材の表面を加工する技術である。レーザアブレーションにおいては、レーザ装置５０から照射されたレーザ光をレンズ５５で集光し、母材１ａの一部及び母材１ｂの一部に照射する。

母材１ａのうち、レーザ光が照射された部分は、レーザ光により改質されて第２部分１２ａになり、レーザ光が照射されなかった部分は、改質されずに残る（すなわち、第１部分１１ａになる）。同様に、母材１ｂのうち、レーザ光が照射された部分は、レーザ光により改質されて第２部分１２ｂになり、レーザ光が照射されなかった部分は、改質されずに残る（すなわち、第１部分１１ｂになる）。

例えば、表面処理加工を薬剤により行うことが考えられるが、この方法では、表面処理加工後の洗浄が不十分だと溶接工程においてビード１５に薬剤（不純物）が混入し、溶接の品質が低下するおそれがある。また、表面処理加工を行わずに、レーザ光吸収率を向上させるシートなどを第１被溶接材料１０ａや第２被溶接材料１０ｂに貼り付ける方法も考えられるが、この方法では、シートに含まれる成分（不純物）が溶接工程においてビード１５に混入し、溶接の品質が低下するおそれがある。

これに対し、表面処理加工をレーザアブレーションにより行うことで、ビード１５に不純物が混入することを抑制でき、溶接の品質が低下することを抑制できる。また、表面処理加工を薬剤により行う場合やレーザ光吸収率を向上させるシートなどを第１被溶接材料１０ａや第２被溶接材料１０ｂに貼り付ける場合に比べて、手間やコストを低減することができる。

レーザアブレーションに用いられるレーザ装置５０は、例えば、パルス状の出力を一定の繰り返し周波数（パルス幅）で発振するパルスレーザである。レーザ装置５０は、例えば、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザである。換言すれば、レーザアブレーションにおいて照射されるレーザ光のパルス幅は、例えば、数フェムト秒または数ピコ秒である。また、レーザアブレーションにおいて照射されるレーザ光の波長は、例えば、３００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下である。

このように、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを用いることで、レーザ照射時の熱によって母材１ａまたは母材１ｂが変形したり、母材１ａまたは母材１ｂの材質が変化したりするなどの影響が生じることを抑制できる。また、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを用いることで、より微細な加工をすることができる。すなわち、母材１ａや母材１ｂの所望の位置に所望の大きさで第２部分１２を形成することができる。

図３は、実施形態に係る溶接方法の溶接工程を模式的に表す説明図である。
図３に表したように、溶接工程においては、例えば、レーザ装置５１から照射されたレーザ光をレンズ５５で集光し、第１被溶接材料１０ａの第２部分１２ａ及び第２被溶接材料１０ｂの第２部分１２ｂに照射する。

第１被溶接材料１０ａのうち、レーザ光が照射された第２部分１２ａは、レーザ光により溶融してビード１５になり、レーザ光が照射されなかった第１部分１１ａは、溶融せずに残る。同様に、第２被溶接材料１０ｂのうち、レーザ光が照射された第２部分１２ｂは、レーザ光により溶融してビード１５になり、レーザ光が照射されなかった第１部分１１ｂは、溶融せずに残る。

溶接工程に用いられるレーザ装置５１は、例えば、一定の出力を連続して発振するＣＷ(Continuous Wave)レーザである。レーザ装置５１は、パルスレーザでもよい。また、溶接工程において照射されるレーザ光の波長は、例えば、１０２０ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、好ましくは１０６０ｎｍである。

実施形態において、溶接工程後には、第２部分１２が残らないことが好ましい。換言すれば、第２部分１２は、溶接工程においてレーザ光が照射される部分をカバーする最小限の範囲に設けられることが好ましい。

図４は、実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分周辺を模式的に表す断面図である。
図５は、実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の一部を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。
図４は、図１（ｂ）に示したＡ１－Ａ２線による断面図である。
図４及び図５に表したように、第２部分１２は凹凸を有する。例えば、第２部分１２の表面粗さは、第１部分１１の表面粗さよりも大きい。

より具体的には、第２部分１２は、例えば、粒状の突起１３を有する。ここで、粒状の突起１３とは、レーザ光が照射される側に向かって球状に突出した部分である。

このように、第２部分１２が粒状の突起１３を有することで、より効果的にレーザ光の吸収率を向上させることができる。これは、溶接工程においてレーザ光が照射された際に、レーザ光が粒状の突起１３によって散乱し、散乱したレーザ光が粒状の突起１３の隙間に入射することで、反射されずに第２部分１２に吸収されやすくなるためと考えられる。

粒状の突起１３の外接円の直径Ｒ１の平均は、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。粒状の突起１３がこのような大きさであれば、より効果的にレーザ光の吸収率を向上させることができる。粒状の突起１３の外接円の直径Ｒ１の平均は、例えば、図５に示したような電子顕微鏡写真の所定範囲内に存在する粒状の突起１３の外接円の直径Ｒ１の平均として求めることができる。

第２部分１２に存在する粒状の突起１３の密度は、例えば、１万個／ｍｍ^２以上１００万個／ｍｍ^２以下である。粒状の突起１３の密度がこのような密度で第２部分１２に存在すれば、より効果的にレーザ光の吸収率を向上させることができる。

表面処理加工による加工の深さｄ１は、例えば、０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０１ｍｍ以下である。加工の深さｄ１は、レーザ光が照射される方向における第１部分１１と第２部分１２との間の距離である。

このように、加工の深さｄ１を０．１ｍｍ以下とすることで、表面処理加工による寸法の変化を抑制できる。また、このような加工の深さｄ１であれば、表面処理加工に要する時間が短いため、表面処理加工時の熱によって母材１ａまたは母材１ｂが変形したり、母材１ａまたは１ｂの材質が変化したりするなどの影響が生じることを抑制できる。

粒状の突起１３の大きさ、粒状の突起１３の密度、及び表面処理加工による加工の深さｄ１は、例えば、表面処理加工を行う際の加工条件により調節することができると考えられる。より具体的には、例えば、表面処理加工をレーザアブレーションで行う場合、パルスレーザの出力、パルス幅、及びレーザ光の照射時間の少なくともいずれかを調節することで、粒状の突起１３の大きさ、粒状の突起１３の密度、及び表面処理加工による加工の深さｄ１を調節することができると考えられる。

レーザアブレーションにおいて照射されるレーザ光のパルス幅は、１００ピコ秒以下であることが好ましい。パルス幅が１００ピコ秒以下であれば、パルス幅が１００ピコ秒を超える場合と比べて、粒状の突起１３が形成されやすい。したがって、表面処理加工後の第２部分１２において、レーザ光の吸収率を向上させやすい。

また、実施形態においては、レーザアブレーションを行う際の雰囲気によって、粒状の突起１３の大きさなどを調節することもできる。レーザアブレーションは、例えば、酸素含有雰囲気下または不活性ガスにより酸素をパージした不活性ガス雰囲気下で行われる。不活性ガスは、例えば、窒素、ヘリウム、またはアルゴンである。ヘリウム及びアルゴンのガス粘度は、窒素のガス粘度よりも低い。このため、ヘリウムまたはアルゴンを用いることで、窒素を用いた場合と比べて、第２部分１２におけるボイドの発生を抑制することができる。

以下、レーザアブレーションを行う際の雰囲気の違いによる表面処理加工後の第２部分１２の状態の違いについて説明する。

図６は、実施形態の変形例に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の一部を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。
図７は、実施形態に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の断面を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。
図８は、実施形態の変形例に係る溶接方法における被溶接材料の第２部分の断面を拡大して表す電子顕微鏡写真の一例である。
図５は、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の一部を表している。また、図７は、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の断面を表している。一方、図６は、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の一部を表している。また、図８は、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の断面を表している。

図５及び図６に表したように、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の粒状の突起１３の外接円の直径Ｒ２の平均は、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の粒状の突起１３の外接円の直径Ｒ１の平均よりも大きい。つまり、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の粒状の突起１３の大きさは、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の粒状の突起１３の大きさよりも大きい。不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合、粒状の突起１３のサイズ（直径Ｒ２）は、数十ｎｍから数μｍまでの範囲で分布しているが、基本的には、ミー散乱理論により直径３８０ｎｍ以上で散乱効率が高くなり、直径３８０ｎｍ以上のサイズなら同じ効果を示す。

このように、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行うことで、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行う場合よりも、第２部分１２の粒状の突起１３を大きくすることができる。これにより、第２部分１２のレーザ光の吸収率を向上させることができる。

一方、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合、第２部分１２は、雰囲気中の酸素により酸化される。母材１ａ及び母材１ｂが銅またはアルミニウムを含む場合、第２部分１２の銅またはアルミニウムは、酸化されて黒色の酸化銅または酸化アルミニウムになる。これにより、第２部分１２のレーザ光の吸収率を向上させることができる。

また、図７及び図８に表したように、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の改質領域の深さＬ２は、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合の第２部分１２の改質領域の深さＬ１よりも大きい。

このように、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行うことで、酸素含有雰囲気下でレーザアブレーションを行う場合よりも、第２部分１２を深い位置まで改質させることができる。これにより、第２部分１２のレーザ光の吸収率を向上させることができる。第２部分１２の改質領域の深さが大きいほど、第２部分１２のレーザ光の吸収率を向上させることができる。

また、図８に表したように、不活性ガス雰囲気下でレーザアブレーションを行った場合、第２部分１２は、櫛状に改質される。レーザ光が櫛状に改質された第２部分１２の隙間に入射することで、第２部分１２のレーザ光の吸収率をさらに向上させることができる。

以上のように、実施形態によれば、レーザ光の吸収率が低い被溶接材料を溶接する場合にも安定した溶接が可能な溶接方法を提供することができる。

以上、本発明の実施形態を例示したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。この実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａ、１ｂ…母材、１０ａ…第１被溶接材料、１０ｂ…第２被溶接材料、１１、１１ａ、１１ｂ…第１部分、１２、１２ａ、１２ｂ…第２部分、１３…粒状の突起、１５…ビード、５０、５１…レーザ装置、５５…レンズ、ｄ１…深さ、Ｌ１、Ｌ２…深さ、Ｒ１、Ｒ２…直径

Claims

第１被溶接材料及び第２被溶接材料を準備する準備工程と、
前記第１被溶接材料及び前記第２被溶接材料の少なくとも一方にレーザ光を照射することで、前記第１被溶接材料及び前記第２被溶接材料を溶接する溶接工程と、
を備え、
前記第１被溶接材料及び前記第２被溶接材料の前記少なくとも一方は、第１部分と、前記第１部分のレーザ光吸収率よりも高いレーザ光吸収率を有する第２部分と、を有し、
前記溶接工程において、前記第２部分に前記レーザ光を照射することで、前記第１被溶接材料及び前記第２被溶接材料を溶接し、
前記準備工程において、母材の一部にレーザ光吸収率を向上させるための表面処理加工を施すことで、前記第１部分及び前記第２部分を有する前記第１被溶接材料及び前記第２被溶接材料の少なくとも一方を作製し、
前記第２部分は、粒状の突起を有し、
前記粒状の突起の密度は、１万個／ｍｍ ^２以上１００万個／ｍｍ ^２以下であり、
前記粒状の突起の外接円の直径の平均は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、溶接方法。
前記表面処理加工は、レーザアブレーションにより行われる、請求項１記載の溶接方法。
前記レーザアブレーションにおいて照射されるレーザ光のパルス幅は、１００ピコ秒以下である、請求項２記載の溶接方法。
前記表面処理加工による加工の深さは、０．１ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか１つに記載の溶接方法。