(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023128922
(43)【公開日】2023-09-14
(54)【発明の名称】板材、接合体、板材の接合方法及び板材の製造方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/32 20140101AFI20230907BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20230907BHJP
B23K 26/364 20140101ALN20230907BHJP
【FI】
B23K26/32
B23K26/21 G
B23K26/21 W
B23K26/364
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022033611
(22)【出願日】2022-03-04
(71)【出願人】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】泊 圭一郎
【テーマコード(参考)】
4E168
【Fターム(参考)】
4E168AD01
4E168BA02
4E168BA58
4E168BA87
4E168CB04
4E168DA28
4E168EA15
(57)【要約】
【課題】ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑えつつ円滑にレーザ溶接して接合させることができる板材、板材が被接合側の板材に接合された接合体、板材の接合方法及び板材の製造方法を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる被接合側の板材13に重ね合わされてレーザ溶接される銅又は銅合金からなる板材11であって、レーザ光Lが照射される面に、レーザ光Lの走査方向Aに交差する複数の溝部21がレーザ光Lの走査方向Aに沿って間隔をあけて付与されている。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
銅又は銅合金からなる被接合側板材に重ね合わされてレーザ溶接される銅又は銅合金からなる板材であって、
レーザ光が照射される面に、前記レーザ光の走査方向に交差する複数の溝部が前記レーザ光の走査方向に沿って間隔をあけて付与されている、
板材。
【請求項2】
前記溝部は、幅寸法が板厚の1倍~2倍であり、深さ寸法が板厚の1/3以下であり、ピッチが板厚の2倍~4倍である、
請求項1に記載の板材。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の板材が、前記溝部と交差する方向に形成されたビードによって、前記被接合側板材に接合されている、
接合体。
【請求項4】
請求項1又は請求項2に記載の板材を被接合側板材に重ね合わせ、
前記板材に形成された複数の溝部と交差する方向に沿ってレーザ光を照射させて前記板材を前記被接合側板材にレーザ溶接する、
板材の接合方法。
【請求項5】
銅又は銅合金からなる被接合側板材に重ね合わされてレーザ溶接される銅又は銅合金からなる板材の製造方法であって、
レーザ溶接時にレーザ光が照射される被照射部に、前記レーザ光の走査方向に交差する複数の溝部を、レーザ加工、圧延加工又はプレス加工によって前記レーザ光の走査方向に沿って間隔をあけて付与する、
板材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、板材、接合体、板材の接合方法及び板材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、銅合金板同士を接合し、べーパーチャンバ等の放熱部材や電子部品等を作製する場合、ろう付けやかしめによって銅合金板同士を接合している。しかし、これらの接合方法は、生産性が低く、また、設備費が嵩張ってしまう。これに対して、銅合金板同士をレーザ溶接する接合方法によれば、コストを抑えつつ高い生産性が得られる。
【0003】
特許文献1には、一方の板状部材と他方の板状部材とを溶接して構成されたべーパーチャンバが示されている。このべーパーチャンバでは、一方の板状部材の溶融部における板厚が、他方の板状部材の溶融部における板厚よりも薄くされていることが示されている。
【0004】
また、特許文献2には、互いに重ね合わされた金属部材の一方の表面に、レーザ光の吸収率が高くかつ金属材料よりも破断強度が高い金属材料からなる表面層を形成し、表面層上からレーザ光を照射することで、表面層の表面から金属部材の内部まで再凝固部を形成して、双方の金属部材を接合することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第2018/147283号
【特許文献2】国際公開第2012/124255号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
レーザ溶接は高速で溶接できるため生産性高く、板材同士の隙間を封止する接合方法として関心が高まっている。
ところで、放熱部材等に使われる銅又は銅合金板は小型軽量化の観点から、例えば、合計肉厚が0.3mm以下となるような薄肉化が求められている。また、銅の特性として、固体状態でレーザ光の吸収率が低く、溶融状態になるとレーザ光の吸収率が急激に高まることが知られている。このため、レーザ溶接によって銅又は銅合金板同士を接合させる場合、溶融池が安定せず、ブローホール等の欠陥が発生しやすい。特に、極薄板では溶け落ち等の欠陥が発生するおそれがある。
【0007】
特許文献1のように、薄板の銅又は銅合金の板材同士をレーザ溶接する場合、単に、一部の板厚を厚くしたり、特許文献2のように、レーザ光の照射面に表面層を形成したりするだけでは、ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑制できない。しかも、特許文献1の技術では、一方の板状部材の溶融部における板厚を増やすため、重量が増加してしまう。また、特許文献2の技術では、表面層をめっきできない部材の接合は困難である。
【0008】
そこで本発明は、ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑えつつ、円滑にレーザ溶接して接合できる板材、この板材が被接合側板材に接合された接合体、板材の接合方法及び板材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は下記構成からなる。
(1) 銅又は銅合金からなる被接合側板材に重ね合わされてレーザ溶接される銅又は銅合金からなる板材であって、
レーザ光が照射される面に、前記レーザ光の走査方向に交差する複数の溝部が前記レーザ光の走査方向に沿って間隔をあけて付与されている、
板材。
(2) (1)に記載の板材が、前記溝部と交差する方向に形成されたビードによって、前記被接合側板材に接合されている、
接合体。
(3) (1)に記載の板材を被接合側板材に重ね合わせ、
前記板材に形成された複数の溝部と交差する方向に沿ってレーザ光を照射させて前記板材を前記被接合側板材にレーザ溶接する、
板材の接合方法。
(4) 銅又は銅合金からなる被接合側板材に重ね合わされてレーザ溶接される銅又は銅合金からなる板材の製造方法であって、
レーザ溶接時にレーザ光が照射される被照射部に、前記レーザ光の走査方向に交差する複数の溝部を、レーザ加工、圧延加工又はプレス加工によって前記レーザ光の走査方向に沿って間隔をあけて付与する、
板材の製造方法。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑えつつ、円滑にレーザ溶接して板材同士を接合できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】板材と被接合側の板材とをレーザ溶接する様子を模式的に示す斜視図である。
【
図3】板材に形成した溝部を示す板材の一部拡大平面図である。
【
図4】板材と被接合側の板材とをレーザ溶接する様子を示す平面図である。
【
図5】板材と被接合側の板材とをレーザ溶接した接合体の平面図である。
【
図6】他の形状の溝部を形成してレーザ溶接した接合体の一部の平面図である。
【
図8A】板材と被接合側の板材とを接合させた接合体におけるレーザ光の照射側の画像である。
【
図8B】板材と被接合側の板材とを接合させた接合体におけるレーザ光の照射側と反対側の画像である。
【
図8C】板材と被接合側の板材とを接合させた接合体における接合箇所の断面の画像である。
【
図9A】レーザ光による板材の溶融が不十分な非貫通状態の板材の裏面側の画像である。
【
図9B】レーザ光によって溶け落ちが生じた状態の板材の裏面側の画像である。
【
図10】実施例及び比較例におけるレーザ光の適正出力範囲を示すグラフである。
【
図11A】実施例における下限出力でレーザ光を照射した板材の照射側の画像である。
【
図11B】実施例における下限出力でレーザ光を照射した板材の照射側と反対側の画像である。
【
図12A】比較例における下限出力でレーザ光を照射した板材の照射側の画像である。
【
図12B】比較例における下限出力でレーザ光を照射した板材の照射側と反対側の画像である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、板材11と被接合側の板材13とをレーザ溶接する様子を模式的に示す斜視図である。
【0013】
本実施形態に係る板材11は、他の板材である被接合側の板材(被接合側板材)13にレーザ溶接によって接合される。板材11,13は、それぞれの一部が互いに重ね合わされ、この重ね合わせた部分が被照射部15となる。そして、この被照射部15にレーザ照射装置100によってレーザ光Lが照射されることで、板材11と被接合側の板材13とがレーザ溶接される。レーザ光Lは、上記した被照射部15の少なくとも一部の範囲に照射され、被照射部15からはみ出すことはない。
【0014】
板材11,13は、銅又は銅合金からなる板材である。銅合金の場合、銅(Cu)に含まれる成分としては、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)又はリン(P)等である。板材11,13としては、厚さ0.10mm~1.0mmの薄板が用いられる。なお、板材11,13の板厚は等しくてもよく、いずれか一方が他方より厚くてもよい。
【0015】
図2は、板材11に形成した溝部21を示す平面図である。
図3は、板材11に形成した溝部21を示す板材11の一部拡大平面図である。
図2及び
図3に示すように、板材11の被照射部15におけるレーザ光Lが照射される面には、複数の溝部21がレーザ光Lの走査方向Aに沿って間隔をあけて配置されている。
【0016】
各溝部21は、幅寸法Wが板材11の板厚の1倍~2倍であり、深さ寸法Dが板材11の板厚の1/3以下であり、ピッチPが板材11の板厚の2倍~4倍である。
【0017】
レーザ溶接のために被照射部15にレーザ光Lを照射するレーザ照射装置100としては、ガルバノスキャナユニットを備えたものを例示できる。ガルバノスキャナユニットを備えたレーザ照射装置100では、ファイバレーザ発振器からのレーザをガルバノミラーで反射させ、レンズによって集光させて被照射部15へ照射する。このレーザ照射装置100によれば、回転軸に取り付けられたガルバノミラーの角度を制御することにより、レーザ光Lを高速かつ高精度に走査できる。ただし、レーザ照射装置100は、これに限らず他の方式の照射装置であってもよい。
【0018】
次に、本実施形態に係る板材11と被接合側の板材13とをレーザ溶接する接合方法について説明する。
(溝部の形成)
板材11に複数の溝部21を形成する。この溝部21はレーザ加工によって成形する。具体的には、被照射部15において、レーザ照射装置100を走査方向Aに沿って移動させながらレーザ光Lをウォブリング動作させる。これにより、レーザ光Lが周期的に旋回しながら間欠的に被照射部15に照射され、走査方向Aに沿って間隔あけて配置された複数の溝部21が形成される。このように、レーザ加工によって板材11に溝部21を形成すれば、溝部21の加工後に実施する被接合側の板材13へのレーザ溶接を、一括して行うことができ、製造工程を簡略化できる。
【0019】
溝部21は、レーザ照射装置100によるレーザ加工に限らず、圧延加工やプレス加工によって形成してもよい。圧延加工やプレス加工によって溝部21を形成する場合、一般的な製造ラインを流用でき、製造コストの増加が抑えられる。
【0020】
(レーザ溶接による接合)
次に、溝部21を形成した板材11を被接合側の板材13に重ね合わせる。そして、板材13に重ね合わせた板材11の被照射部15に対して、レーザ照射装置100からのレーザ光Lを被照射部15の一端15aから他端15bへ向けて走査する。これにより、
図4に示すように、板材11の複数の溝部21と交差する走査方向Aに沿ってレーザ光Lが照射され、板材11と板材13とがレーザ溶接されたビード23が形成される。
【0021】
レーザ照射装置100のレーザ光Lによってレーザ溶接を行うと、板材11と被接合側の板材13との接合部(被照射部15)におけるレーザ光Lの照射箇所は溶融して、照射面側からレーザ光Lの照射側と反対側の被接合側の板材13の裏面までが溶融する。この溶融部分が冷却されて凝固・硬化することで、
図5に示すように、溝部21と交差する方向にビード23が連続して形成される。これにより、板材11と被接合側の板材13とが良好に接合された接合体25が得られる。
【0022】
以上、説明したように、本構成の板材11によれば、複数の溝部21に交差するようにレーザ光Lを照射させることにより、溝部21を有する板厚の薄い部分から入熱が促進される。これにより、低出力で溶融池を形成でき、ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑えつつ、被接合側の板材13とのレーザ溶接を円滑に行える。また、被接合側の板材13にレーザ溶接する際に、溶接可能となるレーザ光Lの出力範囲が拡大して、板材11と被接合側の板材13とを高品質、かつ容易に接合できる。
【0023】
特に、銅又は銅合金においては、固体状態におけるレーザ光の吸収率が5%以下と低く、溶融状態となると数十%以上に急激に高まる。そのため、一旦溶融すると溶融池が安定せず、スパッタやブローホール等の欠陥が発生しやすく、薄肉板では溶け落ちが生じやすくなる。しかし、上記のように板材11に予め複数の溝部21を形成し、溝部21に交差するようにレーザ光を照射することで、急激な溶融が抑制される。つまり、本構成では、レーザ光Lの走査方向Aに沿って適度に肉厚の薄い部分が混在して配置される。これにより、熱伝導によって溝部21における薄肉部分から溶融が始まり、形成される溶融池の周囲に向けて熱伝導され、その結果、レーザ照射域よりも広い範囲が加熱される。溶融部分では、レーザ光のエネルギ吸収が高まるが、周囲への熱拡散と相まって、急激な溶融の進行が抑制される。よって、レーザ光の出力が低くても溶融が開始され、出力が高くても先に溶融開始した部分の熱拡散により、過度な入熱が生じることが抑えられる。こうして、溶接可能なレーザ光の出力範囲を拡大できる。
【0024】
そして、溝部21の幅寸法を板厚の1倍~2倍、溝部21の深さ寸法Dを板厚の1/3以下、溝部21のピッチを板厚の2倍~4倍として最適化することで、上記の効果が顕著に現れる。
【0025】
このように板材11と被接合側の板材13とをレーザ溶接することで、溝部21と交差する方向に形成されたビード23によって板材11と被接合側の板材13とが高品質に接合された接合体25が得られる。
【0026】
また、本構成の板材の接合方法によれば、板材11を被接合側の板材13に重ね合わせ、複数の溝部21と交差する方向に沿ってレーザ光Lを照射させることにより、板材11と被接合側の板材13とを、溶け落ちを抑えつつ良好に接合できる。
【0027】
さらに、複数の溝部21が付与された板材11を製造する際、レーザ加工による溝部21の形成と、被接合側の板材13とのレーザ溶接とを一括して実施でき、製造工程を簡略化できる。また、圧延加工又はプレス加工によって溝部21を形成する場合、一般的な圧延又はプレスの製造ラインを流用することで、溝部21を有する銅又は銅合金からなる板材11を、製造コストを抑えて製造できる。
【0028】
なお、上記構成例では、レーザ照射装置100を走査方向Aに沿って移動させながらレーザ光Lをウォブリング動作させることにより、湾曲状の複数の溝部21を形成した場合を例示したが、レーザ光Lの走査形態は任意である。例えば、
図6に示すように、溝部21の形状は、直線状でもよい。板材11を被接合側の板材13と接合する際は、直線状の複数の溝部21と交差する走査方向Aに沿ってレーザ光Lを照射させ、板材11と被接合側の板材13とをレーザ溶接してもよい。この場合も、ブローホール、溶け落ち等の欠陥の発生を十分に抑えつつ、板材11と被接合側の板材13とのレーザ溶接を円滑に行える。また、被接合側の板材13にレーザ溶接する際に、溶接可能なレーザ光Lの出力範囲が拡大され、双方の溶接を容易に実施できる。
【実施例0029】
レーザ加工によって溝部21を付与した板材11を被接合側の板材13に重ね合わせてレーザ溶接して接合体25を作製し、作製した接合体25における溶接個所の表面、裏面及び断面を観察して評価した。板材11及び被接合側の板材13としては、板厚0.15mmの銅合金板を用いた。
【0030】
(溝部の形成)
図7は、溝部21を形成した板材11の画像である。
図7に示すように、板材11に複数の溝部21を形成した。溝部21のレーザ加工は、レーザ光の走査パターンを、直径1.6mm、周波数100Hzの円形ウォブリングとし、出力3kW、溶接速度7m/minの条件で行った。
【0031】
(レーザ溶接)
溝部21を付与した板材11を被接合側の板材13に重ね合わせ、出力3kW、溶接速度10m/minの条件でレーザ溶接を行った。
【0032】
(評価結果)
図8A~
図8Cは、板材11と板材13とを接合させた接合体25の画像であり、
図8Aはレーザ光の照射側の画像、
図8Bはレーザ光の照射側と反対側の画像、
図8Cは接合箇所における断面の画像である。
【0033】
図8Aに示すように、レーザ光Lの照射側の板材11の表面では、レーザ溶接によって溝部21と交差する方向に直線状のビード23が形成された。また、
図8Bに示すように、レーザ光Lの照射側と反対側の被接合側の板材13の表面においても、直線状のビード23が形成され、そのビード幅は、長手方向にわたってばらつきが抑えられて略均一であり、溶け落ちが生じた形跡もなかった。また、
図8Cに示すように、板材11と被接合側の板材13との接合箇所では、板厚方向にわたって偏りなく貫通したビード23が形成されていた。このように、外観及び断面のいずれも安定した溶接個所を有する接合体25が得られた。
銅合金板からなる板材P1,P2に対して直線状にレーザ光を照射した。そして、レーザ光の照射個所の表面及び裏面を観察し、溶接可能なレーザ光の出力範囲を調査した。
このように、レーザ光を照射する板材の表面に複数の溝部を形成し、これらの溝部に交差するようにレーザ光を照射することにより、溝部を付与しない場合と比べ、レーザ溶接する際のレーザ光の溶接可能な出力範囲が拡大され、容易に接合可能となることがわかった。
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。