ホーム > 特許ランキング > 日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社
(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】P2023170245
(43)【公開日】2023-12-01
(54)【発明の名称】レーザ溶接方法、端子継手構造、電力変換装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/21 20140101AFI20231124BHJP
【ＦＩ】
B23K26/21 G
B23K26/21 W
B23K26/21 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022081839
(22)【出願日】2022-05-18
(71)【出願人】
【識別番号】509186579
【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002365
【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】白鳥 浩史
(72)【発明者】
【氏名】宮城 雅徳
(72)【発明者】
【氏名】金澤 拓朗
(72)【発明者】
【氏名】錦見 総徳
(72)【発明者】
【氏名】加藤 徹
(72)【発明者】
【氏名】森 貴裕
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168BA02
4E168BA21
4E168BA54
4E168BA87
4E168CA06
4E168CB04
4E168CB07
4E168CB22
4E168DA03
4E168DA40
4E168EA17
4E168FB03
(57)【要約】
【課題】レーザ溶接におけるスパッタを抑制できる。
【解決手段】レーザ溶接方法は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、第一端子および第二端子をレーザで溶融接合するレーザ溶接方法であって、第一端子において第二端子と重ね合わされる面とは反対面である第一上面と、第二端子において第一端子に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面と、のそれぞれに対し、第一端子の縁に沿ってレーザを照射するレーザ照射工程を含み、レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件でレーザが複数回照射される。
【選択図】図２
【解決手段】レーザ溶接方法は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、第一端子および第二端子をレーザで溶融接合するレーザ溶接方法であって、第一端子において第二端子と重ね合わされる面とは反対面である第一上面と、第二端子において第一端子に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面と、のそれぞれに対し、第一端子の縁に沿ってレーザを照射するレーザ照射工程を含み、レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件でレーザが複数回照射される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、前記第一端子および前記第二端子をレーザで溶融接合するレーザ溶接方法であって、
前記第一端子において前記第二端子と重ね合わされる面とは反対面である第一上面と、前記第二端子において前記第一端子に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面と、のそれぞれに対し、前記第一端子の縁に沿って前記レーザを照射するレーザ照射工程を含み、
前記レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件で前記レーザが複数回照射されるレーザ溶接方法。
前記第一端子において前記第二端子と重ね合わされる面とは反対面である第一上面と、前記第二端子において前記第一端子に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面と、のそれぞれに対し、前記第一端子の縁に沿って前記レーザを照射するレーザ照射工程を含み、
前記レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件で前記レーザが複数回照射されるレーザ溶接方法。
【請求項2】
請求項１に記載のレーザ溶接方法であって、
前記第一端子の縁とは、前記第一端子に設けられた貫通孔の縁であり、
前記レーザ照射工程において、前記貫通孔の縁に沿って、前記第一端子の上面および前記第二端子の上面それぞれに前記レーザを照射するレーザ溶接方法。
前記第一端子の縁とは、前記第一端子に設けられた貫通孔の縁であり、
前記レーザ照射工程において、前記貫通孔の縁に沿って、前記第一端子の上面および前記第二端子の上面それぞれに前記レーザを照射するレーザ溶接方法。
【請求項3】
請求項１に記載のレーザ溶接方法であって、
前記第一端子は、前記第二端子と重なり合う先端側において、前記第二端子と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられるレーザ溶接方法。
前記第一端子は、前記第二端子と重なり合う先端側において、前記第二端子と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられるレーザ溶接方法。
【請求項4】
請求項１に記載のレーザ溶接方法であって、
前記レーザ照射工程において溶融された前記重ね合わせ部が凝固することによって、平均結晶粒径が５０μｍ以上の溶接部が形成される溶接部形成工程を含むレーザ溶接方法。
前記レーザ照射工程において溶融された前記重ね合わせ部が凝固することによって、平均結晶粒径が５０μｍ以上の溶接部が形成される溶接部形成工程を含むレーザ溶接方法。
【請求項5】
銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザで溶融接合した溶接部を備えた端子継手構造であって、
前記溶接部は、前記第一端子および前記第二端子の重ね合わせ面とは反対面である前記第一端子の上面において前記第一端子の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第一領域と、前記重ね合わせ面と同じ側の面である前記第二端子の上面において前記第一端子の前記縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第二領域と、を含む端子継手構造。
前記溶接部は、前記第一端子および前記第二端子の重ね合わせ面とは反対面である前記第一端子の上面において前記第一端子の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第一領域と、前記重ね合わせ面と同じ側の面である前記第二端子の上面において前記第一端子の前記縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第二領域と、を含む端子継手構造。
【請求項6】
請求項５に記載の端子継手構造であって、
前記溶接部における平均結晶粒径が５０μｍ以上である端子継手構造。
前記溶接部における平均結晶粒径が５０μｍ以上である端子継手構造。
【請求項7】
請求項５に記載の端子継手構造であって、
前記第一端子の前記縁は、前記第一端子に設けられた貫通孔の縁であり、
前記溶接部は、前記貫通孔の前記縁に沿って形成される端子継手構造。
前記第一端子の前記縁は、前記第一端子に設けられた貫通孔の縁であり、
前記溶接部は、前記貫通孔の前記縁に沿って形成される端子継手構造。
【請求項8】
請求項５に記載の端子継手構造であって、
前記第一端子は、前記第二端子と重なり合う先端側において、前記第二端子と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられる端子継手構造。
前記第一端子は、前記第二端子と重なり合う先端側において、前記第二端子と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられる端子継手構造。
【請求項9】
請求項５から請求項８までのいずれか一項に記載された端子継手構造を有する電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ溶接方法、端子継手構造、および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電力変換装置やエンジンコントロールユニット、モータ、電池などでは、電気的な接続を得るため、バスバと呼ばれる導体を用いる。例えば、インバータはバッテリ等の直流電源から交流電流を生成する装置で、スイッチング素子等を備えたパワーモジュール、平滑コンデンサ、バスバ、制御回路等で構成されている。バスバはパワーモジュール、平滑コンデンサなどと電気的に接続されており、パワーモジュールで生成された交流電流はバスバを介してモータへ供給される。バスバは導電性が求められるため、一般的に、銅やアルミが用いられており、接続方法にはTIG（Tungsten Inert Gas）溶接が用いられることが多い。
【0003】
TIG溶接では、拝み継手と呼ばれるバスバを立てて突き合わせた継手が採用される場合が多い。しかし、拝み継手はバスバを立てるための空間効率が低く、小型化や省スペース化には不利な溶接継手である。そのため、バスバを重ね継手を用いて溶接することを検討されている。重ね継手はバスバを上下に重ねて、接合する方法であり、空間効率に優れた溶接継手である。重ね継手の場合、一般的にはエネルギー効率の高いレーザ溶接が用いられる。レーザ溶接の溶融モードはキーホールモードと熱伝導モードに大別される。多くの場合、深溶込みが得られるキーホールモード溶接が採用されるが、一方で、キーホールモード溶接ではスパッタと呼ばれる溶融金属の飛散が生じる。スパッタは溶接部周囲に付着し、短絡等の不具合の原因となる。熱伝導モード溶接はスパッタが発生しない溶融モードであるが、溶込み深さが0.2～0.3mmと浅溶込みとなる欠点がある。バスバの板厚は0.3mm以上であることが多く、厚いものでは0.5mm～1.5mm程度のものまであるため、熱伝導モード溶接では第一端子と第二端子を溶接することが困難である。
【0004】
特許文献１には、加工対象を、レーザ装置からのレーザ光の照射される領域に配置し、前記レーザ装置からの前記レーザ光を前記加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、工程を含み、前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、主ビームのパワー密度は副ビームのパワー密度以上である、加工対象をレーザによって溶接する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第２０１８／１５９８５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載されている発明では、スパッタの抑制に改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１の態様によるレーザ溶接方法は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、前記第一端子および前記第二端子をレーザで溶融接合するレーザ溶接方法であって、前記第一端子において前記第二端子と重ね合わされる面とは反対面である第一上面と、前記第二端子において前記第一端子に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面と、のそれぞれに対し、前記第一端子の縁に沿って前記レーザを照射するレーザ照射工程を含み、前記レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件で前記レーザが複数回照射される。
本発明の第２の態様による端子継手構造は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザで溶融接合した溶接部を備えた端子継手構造であって、前記溶接部は、前記第一端子および前記第二端子の重ね合わせ面とは反対面である前記第一端子の上面において前記第一端子の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第一領域と、前記重ね合わせ面と同じ側の面である前記第二端子の上面において前記第一端子の前記縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第二領域と、を含む。
本発明の第３の態様による電力変換装置は、上述した端子継手構造を有する。
本発明の第２の態様による端子継手構造は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子および第二端子を重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザで溶融接合した溶接部を備えた端子継手構造であって、前記溶接部は、前記第一端子および前記第二端子の重ね合わせ面とは反対面である前記第一端子の上面において前記第一端子の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第一領域と、前記重ね合わせ面と同じ側の面である前記第二端子の上面において前記第一端子の前記縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第二領域と、を含む。
本発明の第３の態様による電力変換装置は、上述した端子継手構造を有する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、レーザ溶接におけるスパッタを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】電力変換装置の側面図
【図2】第一端子および第二端子の溶接手法を示す模式図
【図3】溶接装置の概略図
【図4】溶接位置の断面図
【図5】比較例における溶接位置の断面図
【図6】実施例２におけるレーザ光の照射を示す図
【図7】変形例１における溶接方法を示す図
【図8】変形例１の効果を説明する図
【図9】変形例２における第一端子の形状を示す図
【発明を実施するための形態】
【0010】
【0011】
（構成）
図１は、本発明にかかる電力変換装置１の側面図である。図１では、説明の便宜のために相互に直交するＸＹＺ軸を記載している。電力変換装置１は、半導体素子２と、複数の放熱板３と、端子台４と、キャパシタ５とを備える。半導体素子２は複数の接続端子２Ａを有する。端子台４は、半導体側端部４１と、外部側端部４２とを含む。それぞれの放熱板３は、半導体素子２を両側、すなわちＺ軸のプラス側とマイナス側から挟み込む。放熱板３は、側面図では突起のように示されるフィンを有し、効率的な放熱を可能とする。
図１は、本発明にかかる電力変換装置１の側面図である。図１では、説明の便宜のために相互に直交するＸＹＺ軸を記載している。電力変換装置１は、半導体素子２と、複数の放熱板３と、端子台４と、キャパシタ５とを備える。半導体素子２は複数の接続端子２Ａを有する。端子台４は、半導体側端部４１と、外部側端部４２とを含む。それぞれの放熱板３は、半導体素子２を両側、すなわちＺ軸のプラス側とマイナス側から挟み込む。放熱板３は、側面図では突起のように示されるフィンを有し、効率的な放熱を可能とする。
【0012】
半導体側端部４１は、半導体素子２の接続端子２ＡとＺ方向に重なりを有し、この重なり部分において後述する手法により接続端子２Ａと溶接されている。外部側端部４２は、電力変換装置１の外部と接続される。キャパシタ５は、接続端子２ＡとＺ方向に重なりを有し、この重なり部分において後述する手法により接続端子２Ａと溶接されている。半導体側端部４１と接続端子２Ａとの溶接手法は、キャパシタ５と接続端子２Ａとの溶接手法と同一である。以下では溶接対象の部材を一般化して「第一端子」および「第二端子」と呼ぶ。
【0013】
（溶接手法）
図２は、第一端子２１および第二端子２２の溶接手法を示す模式図である。第一端子２１および第二端子２２はＺ軸方向に重なりを有するように配される。図２に示す例では、Ｚ軸プラス方向からレーザ光９が照射される。以下では、第一端子２１におけるＺ軸プラス側の面を第一上面２１Ｕ、第一端子２１におけるＺ軸マイナス側の面を第一下面２１Ｄと呼ぶ。また、第二端子２２におけるＺ軸プラス側の面を第二上面２２Ｕ、第二端子２２におけるＺ軸マイナス側の面を第二下面２２Ｄと呼ぶ。第一端子２１がＺ軸のプラス側に位置し、第二端子２２がＺ軸のマイナス側に位置する。そのため、第一下面２１Ｄと第二上面２２Ｕとが重ね合わされる。第一上面２１Ｕは、第一端子２１において第二端子２２と重ね合わされる第一下面２１Ｄとは反対面である。第二上面２２Ｕは、第二端子２２において第一端子２１に重ね合わされる面と同じ側の面である。
図２は、第一端子２１および第二端子２２の溶接手法を示す模式図である。第一端子２１および第二端子２２はＺ軸方向に重なりを有するように配される。図２に示す例では、Ｚ軸プラス方向からレーザ光９が照射される。以下では、第一端子２１におけるＺ軸プラス側の面を第一上面２１Ｕ、第一端子２１におけるＺ軸マイナス側の面を第一下面２１Ｄと呼ぶ。また、第二端子２２におけるＺ軸プラス側の面を第二上面２２Ｕ、第二端子２２におけるＺ軸マイナス側の面を第二下面２２Ｄと呼ぶ。第一端子２１がＺ軸のプラス側に位置し、第二端子２２がＺ軸のマイナス側に位置する。そのため、第一下面２１Ｄと第二上面２２Ｕとが重ね合わされる。第一上面２１Ｕは、第一端子２１において第二端子２２と重ね合わされる第一下面２１Ｄとは反対面である。第二上面２２Ｕは、第二端子２２において第一端子２１に重ね合わされる面と同じ側の面である。
【0014】
第一端子２１および第二端子２２の材質は、導電性の高い金属、銅、アルミニウム、銅、またはアルミニウム形合金である。なお、第一端子２１および第二端子２２は平板形状に限定されず、角柱や円柱状のピンであってもよい。本実施の形態では、第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕにおいて、第一端子２１のＸ軸マイナス側の縁に沿って熱伝導モードとなる条件でレーザ光９を複数回照射する。熱のこもりやすい端部に熱伝導モードとなる条件で複数回レーザ照射を行うことで局所的に予熱された状態となり、熱伝導モードであっても深溶込みが得られる。
【0015】
レーザ照射位置は端面からの距離が近すぎると第一端子２１に十分レーザ照射が行われず、逆に遠すぎると第二端子２２溶融部との接合が困難となる。そのため、レーザ光９の照射は端部から０．１ｍｍ～５ｍｍの位置が好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ～３ｍｍ、さらに好ましくは０．３ｍｍ～１．５ｍｍの距離である。レーザ光９を第一端子２１および第二端子２２に照射する順番は任意であり、どちらが先でもよいし、第一端子２１および第二端子２２に複数回照射する場合には１回ずつ交互に照射してもよい。
【0016】
なお、熱伝導モード溶接とは、レーザ入射エネルギーが溶融金属中の熱伝導と対流とによってだけ溶接ルート部に伝わる溶込み比が小さいことが特徴の溶接であり、熱伝導形溶接と呼ばれることもある。熱伝導モード溶接と対称的な溶接がキーホール溶接であり、溶融池先端近傍にキーホール（材料を蒸発させるのに十分なほど高いエネルギー密度のレーザ光を照射した際に形成される溶融金属に囲まれた穴）を形成し、溶込み比の大きい溶込みを得る溶接方法である。
【0017】
ただし、第一端子２１の端部に熱伝導モードとなる条件で複数回レーザ照射をするだけでは第二端子２２が溶融されず、第一端子２１と第二端子２２とが十分に接合されない。そこで、重ね合わせ面と同じ側の面である第二端子２２の上面においても端面に沿って、熱伝導モードとなる条件で複数回レーザ照射を行う。なお、第二端子２２の上面にレーザ照射をする場合においても端面からの距離は近すぎず遠すぎない距離にする必要があり、０．１ｍｍ～５ｍｍの位置が好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ～３ｍｍ、さらに好ましくは０．３ｍｍ～１．５ｍｍの距離である。第二端子２２にもレーザ光９を照射することで、端面付近の第二端子２２の上面である第二上面２２Ｕが溶融し、第一端子２１と繋がることで接合される。
【0018】
（端子溶接装置）
図３は、図２を参照して説明した溶接を行う溶接装置１００の概略図である。溶接装置１００は、シールドガス１２を提供するシールドガスノズル１１と、レーザ光９を照射するレーザ加工ヘッド１３と、レーザ光９を生成するレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４およびレーザ加工ヘッド１３を接続する光ファイバ１５と、溶接対象物を移動させるＸＹステージ１６と、を含む。
図３は、図２を参照して説明した溶接を行う溶接装置１００の概略図である。溶接装置１００は、シールドガス１２を提供するシールドガスノズル１１と、レーザ光９を照射するレーザ加工ヘッド１３と、レーザ光９を生成するレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４およびレーザ加工ヘッド１３を接続する光ファイバ１５と、溶接対象物を移動させるＸＹステージ１６と、を含む。
【0019】
レーザ発振器１４が生成するレーザ光９の波長は特に限定されないが、安定して熱伝導モード溶接を行うために、波長は６００ｎｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましい。具体的には、波長が５３２μｍのグリーンレーザや波長が４５０μｍのブルーレーザが好ましい。シールドガス１２は、たとえばアルゴンガスである。溶接装置１００は、レーザ発振器１４で生成したレーザを光ファイバ１５、レーザ加工ヘッド１３を通じて、第一端子２１および第二端子２２に照射する。レーザ照射中にＸＹステージ１６を動作させて、任意の位置を溶接する。レーザ１０を第一端子２１の端部に沿って、第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕに複数回照射することにより、第一端子２１の端部と第二端子２２が溶融および混合し、第一端子２１および第二端子２２の接合部が形成される。
【0020】
（溶接方法）
溶接装置１００を用いた第一端子２１および第二端子２２の溶接は、レーザ照射工程と溶接部形成工程とに分けられる。まずレーザ照射工程では、溶接装置１００を用いて第一端子２１および第二端子２２にレーザ光９が照射される。次の溶接部形成工程では、レーザ光９の照射領域が少しずつ冷えて溶接部が形成される。溶接部については次の図４で説明する。溶接部形成工程における放熱は、自然放熱でもよいし、冷却を促進または抑制するために周囲温度や空気の流れが制御されてもよい。
溶接装置１００を用いた第一端子２１および第二端子２２の溶接は、レーザ照射工程と溶接部形成工程とに分けられる。まずレーザ照射工程では、溶接装置１００を用いて第一端子２１および第二端子２２にレーザ光９が照射される。次の溶接部形成工程では、レーザ光９の照射領域が少しずつ冷えて溶接部が形成される。溶接部については次の図４で説明する。溶接部形成工程における放熱は、自然放熱でもよいし、冷却を促進または抑制するために周囲温度や空気の流れが制御されてもよい。
【0021】
（断面図）
図４は溶接位置の断面図である。図４の上部は断面写真であり、図４の下部は断面写真を説明する模式図である。断面写真を得るための詳細な手順は後述する。なお図４上部に示す矢印の長さは、参考のための寸法を示している。図４下部の模式図に示すように、図示上部からレーザ光９が照射された。レーザ光９が照射位置に向かって、柱状の結晶粒８０１が形成される。以下では、第一端子２１においてこの結晶粒８０１が存在する領域を第一結晶粒領域８１０と呼び、第二端子２２においてこの結晶粒８０１が存在する領域を第二結晶粒領域８２０と呼ぶ。第一結晶粒領域８１０および第二結晶粒領域８２０は熱伝導モードで複数回のレーザ照射を行った領域に特有の組織形態であり、溶融凝固過程の冷却速度が極めて遅いことに起因している。一般的に結晶粒界は電気伝導の障害となるため、電気伝導が律速される接合部においては結晶粒径は大きい方が好ましく、４５μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは５５μｍ以上であり、さらに好ましくは６５μｍ以上である。
図４は溶接位置の断面図である。図４の上部は断面写真であり、図４の下部は断面写真を説明する模式図である。断面写真を得るための詳細な手順は後述する。なお図４上部に示す矢印の長さは、参考のための寸法を示している。図４下部の模式図に示すように、図示上部からレーザ光９が照射された。レーザ光９が照射位置に向かって、柱状の結晶粒８０１が形成される。以下では、第一端子２１においてこの結晶粒８０１が存在する領域を第一結晶粒領域８１０と呼び、第二端子２２においてこの結晶粒８０１が存在する領域を第二結晶粒領域８２０と呼ぶ。第一結晶粒領域８１０および第二結晶粒領域８２０は熱伝導モードで複数回のレーザ照射を行った領域に特有の組織形態であり、溶融凝固過程の冷却速度が極めて遅いことに起因している。一般的に結晶粒界は電気伝導の障害となるため、電気伝導が律速される接合部においては結晶粒径は大きい方が好ましく、４５μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは５５μｍ以上であり、さらに好ましくは６５μｍ以上である。
【0022】
以下では、第一端子２１および第二端子２２の領域であり、レーザ光９により溶解され、その後の冷却により接合される領域を溶接部８００と呼ぶ。溶接部８００には、第一結晶粒領域８１０および第二結晶粒領域８２０が含まれる。
【0023】
図５は、比較例であるキーホールモード溶接における溶接位置の断面図である。図５の上部は断面写真であり、図５の下部は断面写真を説明する模式図である。図５においても第一端子２１および第二端子２２が図示上下方向に重なっている。キーホールモード溶接なので、レーザ光９は中央の深い位置まで到達した。キーホールモード溶接では、冷却速度が比較的早いため、結晶粒径は細かい。また、結晶の形状もビード中央部に等軸晶８５１と呼ばれる等方的な微細結晶粒が生じ、柱状結晶８５２がそのビード中央部に向かって延在した組織となる。
【0024】
（実施例）
以下では、本実施形態のレーザ溶接方法を具体的に説明する。
以下では、本実施形態のレーザ溶接方法を具体的に説明する。
【0025】
（実施例１）
幅８ｍｍ、厚み１ｍｍの第一端子と幅８ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第二端子を重ね合わせ、重ね合わせ部のレーザ溶接を行った。レーザの波長は５３２ｎｍのグリーンレーザを使用し、熱伝導モード溶接となるように、エネルギー密度が１５００ｋＷ／ｃｍ２以下となる条件を採用した。レーザ照射は、第一上面２１Ｕにレーザを照射した後で第二上面２２Ｕにレーザを照射する工程を１回として、この工程を１回だけ実施するパターンと、この工程を１０回実施するパターンとの２パターン実施した。
幅８ｍｍ、厚み１ｍｍの第一端子と幅８ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第二端子を重ね合わせ、重ね合わせ部のレーザ溶接を行った。レーザの波長は５３２ｎｍのグリーンレーザを使用し、熱伝導モード溶接となるように、エネルギー密度が１５００ｋＷ／ｃｍ２以下となる条件を採用した。レーザ照射は、第一上面２１Ｕにレーザを照射した後で第二上面２２Ｕにレーザを照射する工程を１回として、この工程を１回だけ実施するパターンと、この工程を１０回実施するパターンとの２パターン実施した。
【0026】
なお、レーザ軌道は第一端子２１および第二端子２２のいずれに照射する場合においても、第一端子２１の端面に沿った軌道である。また、端面からレーザ照射位置の距離は０．５ｍｍとした。レーザ溶接実験中は、高速度カメラにより溶融池を撮影し、スパッタの有無を確認した。なお、高速度カメラには９５０ｎｍ±５０ｎｍのバンドパスフィルタを装着し、フレームレートは５００ｆｐｓとして撮影を行った。レーザ溶接実験の結果、レーザ照射工程１回の場合と１０回の場合、どちらもスパッタは発生しなかったが、１回だけの場合には第一端子２１と第二端子２２は接合されず、１０回実施した場合には第一端子２１と第二端子２２の接合が確認された。
【0027】
次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した。採取した断面サンプルを、まず耐水エメリー紙＃１０００で研磨した。そして、９μｍ、３μｍ、および１μｍのダイヤモンド研磨剤を用いて鏡面研磨した。さらに、塩酸およびエタノールで塩化鉄を溶かした水溶液でエッチングして光学顕微鏡により断面観察を実施したものが図４の上部に示したものである。図４より、レーザ光９を照射した位置に向かって粗大な柱状の結晶粒８０１が延在している様子が確認できる。
【0028】
次に、断面サンプルを鏡面研磨した後、活性酸化物琢磨懸濁液を用いて表面のひずみを除去したうえで電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron backscatter diffraction）法により接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は６７．２μｍ、最大結晶粒径は３１２．２μｍであることがわかった。なお、結晶粒径は円相当径として算出した値である。
【0029】
（実施例２）
図６は、実施例２におけるレーザ光９の照射を示す図である。実施例２では、実施例１と同様に第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、図６の点線で示すように第一端子２１および第二端子２２の両方の上面にレーザが照射されるような楕円軌道を描きながら、ウォブリングと呼ばれる照射方法によりレーザ溶接を実施した。ウォブリングとはレーザ光の照射位置が円を描きながら所定方向に移動するように照射位置を走査することである。
図６は、実施例２におけるレーザ光９の照射を示す図である。実施例２では、実施例１と同様に第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、図６の点線で示すように第一端子２１および第二端子２２の両方の上面にレーザが照射されるような楕円軌道を描きながら、ウォブリングと呼ばれる照射方法によりレーザ溶接を実施した。ウォブリングとはレーザ光の照射位置が円を描きながら所定方向に移動するように照射位置を走査することである。
【0030】
なお、楕円の長軸、短軸の長さはそれぞれ、７ｍｍ、１ｍｍとした。また、ウォブリングの条件は、幅０．８ｍｍ、ピッチ０．２ｍｍ、回転周波数２５０Ｈｚとした。実施例２においてもレーザの波長は５３２ｎｍのグリーンレーザを使用し、熱伝導モード溶接となるように、エネルギー密度が１５００ｋＷ／ｃｍ２以下となる条件を採用した。楕円軌道を１周する工程を１回として、前記工程を１回、５回、８回実施した。なお、５回および８回実施する場合は、レーザ照射を１周毎に止めることなく連続してレーザ照射を実施した。その結果、いずれもスパッタが発生しなかったが、１回だけレーザ照射した場合には接合されなかった。５回実施した場合には一部は接合されたが未接合部が確認された。一方で、８回実施した場合においては未接合部がなく接合されることが確認された。
【0031】
次に、８回実施したサンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した。断面サンプルを耐水エメリー紙＃１０００を用いて研磨し、９μｍ、３μｍ、および１μｍのダイヤモンド研磨剤を用いて鏡面研磨した。さらに、活性酸化物琢磨懸濁液を用いてサンプル表面のひずみを除去したうえでＥＢＳＤ法により接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は５５．７μｍ、最大結晶粒径が１９８．７μｍであることがわかった。
【0032】
（比較例１）
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、重ね合わせ部をキーホール溶接となる条件、たとえばエネルギー密度が１５００ｋＷ／ｃｍ２以上となる条件にて隅肉溶接を実施した。なお、レーザは実施例１と同じ波長５３２ｎｍのグリーンレーザを使用し、溶接回数は１回とした。その結果、１回の溶接だけで接合されたが、スパッタが多量に発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は３０．１μｍ、最大結晶粒径は９２．８μｍであることがわかった。
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、重ね合わせ部をキーホール溶接となる条件、たとえばエネルギー密度が１５００ｋＷ／ｃｍ２以上となる条件にて隅肉溶接を実施した。なお、レーザは実施例１と同じ波長５３２ｎｍのグリーンレーザを使用し、溶接回数は１回とした。その結果、１回の溶接だけで接合されたが、スパッタが多量に発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は３０．１μｍ、最大結晶粒径は９２．８μｍであることがわかった。
【0033】
（比較例２）
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、キーホール溶接となる条件にて重ね溶接を実施した。なお、レーザ波長１０６４ｎｍのＩＲレーザを使用し、溶接は同じ軌道で２回実施した。その結果、第一端子２１および第二端子２２は接合されたものの、比較例１と同様にスパッタが多量に発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は２４．４μｍ、最大結晶粒径は１０１．４μｍであることがわかった。
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、キーホール溶接となる条件にて重ね溶接を実施した。なお、レーザ波長１０６４ｎｍのＩＲレーザを使用し、溶接は同じ軌道で２回実施した。その結果、第一端子２１および第二端子２２は接合されたものの、比較例１と同様にスパッタが多量に発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は２４．４μｍ、最大結晶粒径は１０１．４μｍであることがわかった。
【0034】
（比較例３）
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、キーホール溶接となる条件にて重ね溶接を実施した。なお、レーザ波長１０６４ｎｍのＩＲレーザを使用し、ウォブリング溶接を実施した。その結果、第一端子２１および第二端子２２は接合され、比較例１および比較例２よりはスパッタが抑制されたものの、スパッタが発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は４２．２μｍ、最大結晶粒径は１５９．２μｍであることがわかった。
実施例１と寸法が同じ第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、キーホール溶接となる条件にて重ね溶接を実施した。なお、レーザ波長１０６４ｎｍのＩＲレーザを使用し、ウォブリング溶接を実施した。その結果、第一端子２１および第二端子２２は接合され、比較例１および比較例２よりはスパッタが抑制されたものの、スパッタが発生することが確認された。次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は４２．２μｍ、最大結晶粒径は１５９．２μｍであることがわかった。
【0035】
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１に用いられるレーザ溶接方法は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、重ね合わせた領域をレーザで溶融接合する。このレーザ溶接方法は、第一端子２１において第二端子２２と重ね合わされる面とは反対面である第一上面２１Ｕと、第二端子２２において第一端子２１に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面２２Ｕと、のそれぞれに対し、第一端子２１の縁に沿ってレーザを照射するレーザ照射工程を含む。レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件でレーザが複数回照射される。そのため、溶接によるスパッタの発生を抑制できる。
（１）電力変換装置１に用いられるレーザ溶接方法は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、重ね合わせた領域をレーザで溶融接合する。このレーザ溶接方法は、第一端子２１において第二端子２２と重ね合わされる面とは反対面である第一上面２１Ｕと、第二端子２２において第一端子２１に重ね合わされる面と同じ側の面である第二上面２２Ｕと、のそれぞれに対し、第一端子２１の縁に沿ってレーザを照射するレーザ照射工程を含む。レーザ照射工程では、熱伝導モード溶接となる条件でレーザが複数回照射される。そのため、溶接によるスパッタの発生を抑制できる。
【0036】
（２）レーザ照射工程において溶融された重ね合わせ領域が凝固することによって、平均結晶粒径が５０μｍ以上の溶接部８００が形成される溶接部形成工程を含む。そのため、溶接部８００の電気伝導率が向上できる。詳しくは次のとおりである。一般に、金属材料では結晶粒界は電気伝導の障害となる。本実施の形態における溶接方法では、熱伝導モードのレーザを複数回照射することで、図４に示したように接合部の結晶粒はレーザ照射点に向かって成長する粗大な結晶粒になる。これにより結晶粒界密度が減少し、電気伝導率が向上する。また、電気伝導率が向上することにより、発熱やエネルギー損失を抑制できる。
【0037】
（３）電力変換装置１は、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料からなる第一端子２１および第二端子２２を重ね合わせ、第一端子２１および第二端子２２をレーザで溶融接合した溶接部８００を備えた端子継手構造を含む。溶接部８００は、第一端子２１よび第二端子２２の重ね合わせ面とは反対面である第一上面２１Ｕにおいて第一端子２１の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第一結晶粒領域８１０と、重ね合わせ面と同じ側の面である第二上面２２Ｕにおいて第一端子２１の縁に沿った領域に向かって柱状の結晶粒が延在した第二結晶粒領域８２０と、を含む。この接手構造によれば結晶粒が粗大化しやすいので、結晶粒界密度が減少し電気伝導率が向上する。
【0038】
（４）電力変換装置１に含まれる端子継手構造は、溶接部８００における平均結晶粒径が５０μｍ以上である。そのため、電気伝導率が良好な溶接部８００を得ることができる。
【0039】
（５）電力変換装置１は、前述の端子継手構造を有する。そのため、電気伝導率が良好な電力変換装置１が得られる。
【0040】
（変形例１）
上述した実施の形態では、第一端子２１のＸ軸方向マイナス側の縁に沿ってレーザ光９を照射した。しかし、第一端子２１に貫通孔を設けて、その貫通孔の縁に沿ってレーザ光９を照射してもよい。
上述した実施の形態では、第一端子２１のＸ軸方向マイナス側の縁に沿ってレーザ光９を照射した。しかし、第一端子２１に貫通孔を設けて、その貫通孔の縁に沿ってレーザ光９を照射してもよい。
【0041】
図７は、変形例１における溶接方法を示す図である。第一端子２１には貫通孔２１Ｈが設けられ、貫通孔２１Ｈを介して第二上面２２ＵがＺ軸プラス側に露出している。本変形例では、第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕにおける貫通孔２１Ｈの縁にレーザ光９を照射する。レーザ光９を照射する位置と縁の位置関係は上述した実施の形態と同様である。本変形例によれば、レーザ光９が反射した悪影響を抑制できる効果を有する。この効果を図８を参照して説明する。
【0042】
図８は、変形例１の効果を説明する図である。端面に沿って第一端子２１に複数回レーザ照射を行うと、図８のように端面が溶けて形状が変化した場合や、レーザをデフォーカスさせてスポット径が大きくなりその一部が端面からはみ出た場合には、端面においてレーザ反射９Ｒが生じる可能性がある。レーザ反射９Ｒが生じると、周囲の部材、たとえばモジュールや回路が損傷する可能性がある。そこで、図７のように第一端子２１に貫通孔２１Ｈを設け、貫通孔２１Ｈの縁に沿ってレーザ光９を照射することで、レーザ反射９Ｒが生じた場合にも貫通孔２１Ｈの内部に留まる。したがって、レーザ反射９Ｒの影響を抑制でき、周囲へのダメージも軽減できる。
【0043】
（実施例３）
図７に示すように第一端子２１に貫通孔２１Ｈを設け、第二端子２２と重ね合わせ、貫通孔２１Ｈの縁に沿って第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕにそれぞれレーザ照射を実施した。なお、第一端子２１および第二端子２２の寸法、レーザ光９の波長、レーザ光９の照射条件は前述の実施例１と同じであり、レーザ照射位置は縁から０．５ｍｍの位置とした。第一上面２１Ｕと第二上面２２Ｕにレーザ光９を照射する工程を１回として、この工程を１回だけ実施する場合と８回実施する場合の２パターン実施した。その結果、どちらもスパッタは発生しなかったが、１回だけの場合には第一端子２１と第二端子２２は接合されず、８回実施した場合には第一端子２１と第二端子２２の接合が確認された。
図７に示すように第一端子２１に貫通孔２１Ｈを設け、第二端子２２と重ね合わせ、貫通孔２１Ｈの縁に沿って第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕにそれぞれレーザ照射を実施した。なお、第一端子２１および第二端子２２の寸法、レーザ光９の波長、レーザ光９の照射条件は前述の実施例１と同じであり、レーザ照射位置は縁から０．５ｍｍの位置とした。第一上面２１Ｕと第二上面２２Ｕにレーザ光９を照射する工程を１回として、この工程を１回だけ実施する場合と８回実施する場合の２パターン実施した。その結果、どちらもスパッタは発生しなかったが、１回だけの場合には第一端子２１と第二端子２２は接合されず、８回実施した場合には第一端子２１と第二端子２２の接合が確認された。
【0044】
次に、接合された溶接サンプルをレーザ走査方向と垂直な方向に切断し、断面サンプルを採取した後、実施例１と同様の方法で鏡面研磨およびＥＢＳＤ法による接合部の結晶粒径を測定した。その結果、平均結晶粒径は８８．７μｍ、最大結晶粒径は４１５．４μｍであることがわかった。
【0045】
変形例１によれば次の作用効果が得られる。
（６）第一端子２１の縁とは、第一端子２１に設けられた貫通孔２１Ｈの縁である。レーザ照射工程において、貫通孔２１Ｈの縁に沿って、第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕそれぞれにレーザを照射し、溶接部８００は貫通孔２１Ｈの縁に沿って形成される。そのため、図８に示すようなレーザ反射９Ｒの影響を抑制でき、周囲へのダメージも軽減できる。
（６）第一端子２１の縁とは、第一端子２１に設けられた貫通孔２１Ｈの縁である。レーザ照射工程において、貫通孔２１Ｈの縁に沿って、第一上面２１Ｕおよび第二上面２２Ｕそれぞれにレーザを照射し、溶接部８００は貫通孔２１Ｈの縁に沿って形成される。そのため、図８に示すようなレーザ反射９Ｒの影響を抑制でき、周囲へのダメージも軽減できる。
【0046】
（変形例２）
上述した実施の形態では第一端子２１は平板形状であったが、レーザ光９を照射したことにより温度が上昇しやすいように第一端子２１を加工してもよい。たとえば、第一端子２１においてレーザ光９が照射される領域の熱容量を減らしてもよいし、レーザ光９を照射していない領域に熱が移動しにくいように熱の移動経路を減らしてもよい。
上述した実施の形態では第一端子２１は平板形状であったが、レーザ光９を照射したことにより温度が上昇しやすいように第一端子２１を加工してもよい。たとえば、第一端子２１においてレーザ光９が照射される領域の熱容量を減らしてもよいし、レーザ光９を照射していない領域に熱が移動しにくいように熱の移動経路を減らしてもよい。
【0047】
図９は、変形例２における第一端子２１の形状を示す図である。図９では符号「２１－１」から符号「２１－６」までの６つの例を示している。いずれの例においても図示右側にレーザ光９を照射する。符号「２１－１」および符号「２１－２」で示す第一端子２１は、レーザ光９が照射される、点線で示す範囲において熱容量が減らされている。符号「２１－３」～符号「２１－６」で示す第一端子２１は、レーザ光９が照射される領域の面積は実施の形態と同様であるが、破線で囲む領域においてレーザ光９を照射していない領域に熱が移動しにくいように熱の移動経路が減らされている。符号「２１－１」～符号「２１－６」のいずれも、破線で囲む領域は熱容量が他の領域に比べて相対的に小さい、低熱容量領域である。
【0048】
変形例２によれば次の作用効果が得られる。
（７）第一端子２１は、第二端子２２と重なり合う先端側において、第二端子２２と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられる。そのため、少ない入熱でレーザ溶接が可能となるので、溶接が容易になる利点と、周囲の部材への熱による損傷を低減できる利点とを有する。
（７）第一端子２１は、第二端子２２と重なり合う先端側において、第二端子２２と重ならない領域よりも相対的に熱容量が小さい低熱容量領域が設けられる。そのため、少ない入熱でレーザ溶接が可能となるので、溶接が容易になる利点と、周囲の部材への熱による損傷を低減できる利点とを有する。
【0049】
上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【0050】
１ ：電力変換装置
２ ：半導体素子
２Ａ ：接続端子
９ ：レーザ光
１０ ：レーザ
２１ ：第一端子
２１Ｈ ：貫通孔
２１Ｕ ：第一上面
２２ ：第二端子
２２Ｕ ：第二上面
８００ ：溶接部
８０１ ：結晶粒
８１０ ：第一結晶粒領域
８２０ ：第二結晶粒領域
２ ：半導体素子
２Ａ ：接続端子
９ ：レーザ光
１０ ：レーザ
２１ ：第一端子
２１Ｈ ：貫通孔
２１Ｕ ：第一上面
２２ ：第二端子
２２Ｕ ：第二上面
８００ ：溶接部
８０１ ：結晶粒
８１０ ：第一結晶粒領域
８２０ ：第二結晶粒領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】