アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法
【課題】アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせレーザ溶接する場合において、母材同士を十分な継手強度で確実に接合させることができるアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】
アルミニウム部材２と銅部材３とを突き合わせて配置し、突き合わせ部４周辺にレーザ光１を照射してアルミニウム部材２と銅部材３とをレーザ溶接する。アルミニウム部材２及び銅部材３に対するレーザ光の照射領域１０のうち、アルミニウム部材２への照射面積が銅部材３への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光１を照射する。
【解決手段】
アルミニウム部材２と銅部材３とを突き合わせて配置し、突き合わせ部４周辺にレーザ光１を照射してアルミニウム部材２と銅部材３とをレーザ溶接する。アルミニウム部材２及び銅部材３に対するレーザ光の照射領域１０のうち、アルミニウム部材２への照射面積が銅部材３への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光１を照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法に関し、特に、電子デバイス、ワイヤハーネス等の電極、端子及び配線等に使用されるアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅は導電性が高く、例えばＬｉイオン電池の電極及びブスバー（バスバー）、並びに電子デバイス、ワイヤハーネス等の電極、端子及び配線等に使用されている。近時、環境保護の観点からハイブリッド自動車及び電気自動車等の研究開発が急速に進められており、これらの自動車等に搭載されるＬｉイオン電池、電子デバイス及び電装部品等には軽量化が要求されている。そして、これらの動力源及び電装部品等の軽量化を達成するために、電極及び端子等の一部を、銅に換えてアルミニウムで構成することが検討されている。
【０００３】
即ち、上記電装部品等においては、銅からなる電極及び端子等とアルミニウムからなる電極及び端子等とが混在することとなるため、これらの異種金属同士を接合する技術が必要とされている。異種金属同士の接合方法としては、例えば超音波接合、ＭＩＧ溶接、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）及びレーザ溶接が挙げられるが、大きなパワー密度が得られることから、生産性の面ではレーザ溶接が最も優れている。
【０００４】
レーザ溶接においては、溶接対象の２つの母材上にレーザ溶接機によってレーザ光を集光して照射する。照射されるレーザ光は、レンズ又はミラー等によって母材の表面周辺が焦点となるように例えば円形に集光される。これにより、レーザ光が照射される部分においてレーザ光のパワーが凝縮され、アーク溶接等と比較して百乃至千倍程度のパワー密度を得ることができる。
【０００５】
異種金属からなる母材同士のレーザ溶接による接合方法としては、母材同士を一部重ね合わせ、重ね合わせ部分にレーザ光を照射して接合する重ね合わせレーザ溶接（例えば、特許文献１）、母材同士を突き合わせて配置し、突き合わせ部にレーザ光を照射して接合する突き合わせレーザ溶接（例えば、特許文献２）等がある。
【０００６】
図４は、従来の突き合わせレーザ溶接方法におけるレーザ光と母材との位置関係を示す上面図及び断面図である。図４に示すように、突き合わせレーザ溶接においては、２つの母材５を突き合わせて配置し、突き合わせ部４にレーザ溶接機から出射されたレーザ光１を集光し、突き合わせ部４を溶接する。このように、突き合わせレーザ溶接は母材同士の重ね代を必要としないため、特許文献１の重ね合わせレーザ溶接に比して溶接継手部のスペースを小型化できるという点で優れている。また、突き合わせレーザ溶接は、溶接継手部で母材同士が重なり合わないため、接合後の絞り加工性が優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／０１６４４１号
【特許文献２】特開２００５−２５４２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題点がある。上述の如く、特許文献１の重ね合わせレーザ溶接は、母材同士の接合に重ね代を必要とするものであり、継手部の厚さが厚くなるだけでなく、溶接後の継手部の絞り加工性が突き合わせレーザ溶接に比して劣る。
【０００９】
また、重ね合わせレーザ溶接における上記問題点を解決するために突き合わせレーザ溶接を採用した場合においては、異種金属からなる母材同士の融点の差により、レーザ光の照射領域において母材同士の溶融が不均一となるという問題点がある。特許文献２には、融点が異なる異種金属同士を突き合わせレーザ溶接する際に、レーザ光照射領域の面積を融点が高い金属部材側で大きくなるようにレーザ光の焦点位置をシフトしてレーザ光を照射し、融点が高い側の溶融金属からの伝熱により融点が低い側の金属部材を溶融させて、異種金属同士を接合することが開示されている。
【００１０】
特許文献２の技術をアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接に適用すると、レーザ光の焦点位置を融点が高い銅部材側にシフトしてレーザ溶接することになる。しかしながら、銅は熱伝導率及び光の反射率が高いため、レーザ光の照射によって溶融し難く、銅部材を溶融させるためには、照射するレーザ光のエネルギー密度を大きくする必要がある。また、この場合、溶融部には例えばＣｕ９Ａｌ４等の脆性が高い金属間化合物が多く生成し、十分な継手強度を得ることができなくなるという問題点がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせレーザ溶接する場合において、母材同士を十分な継手強度で確実に接合させることができるアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接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】
【００１２】
本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法は、アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせて配置し、突き合わせ部周辺にレーザ光を照射して前記アルミニウム部材と銅部材とをレーザ溶接するアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法であって、前記アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、前記アルミニウム部材への照射面積が前記銅部材への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光を照射することを特徴とする。
【００１３】
この場合、例えばレーザ光照射領域の中心位置を前記突き合わせ部よりも前記アルミニウム部材側に寄せてレーザ光を照射する。
【００１４】
また、前記レーザ光照射領域が円形である場合において、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが１５．０乃至４５．０％であることが好ましく、３０．０乃至４５．０％であることが更に好ましい。
【００１５】
そして、前記レーザ光照射領域が円形である場合において、その外径Ｄは例えば０．７ｍｍ以下であり、前記レーザ光の平均エネルギー密度は例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法は、アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、アルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積よりも大きくなるように、レーザ光照射領域の中心位置を突き合わせ部よりもアルミニウム部材側へと寄せてレーザ光を照射する。従って、溶接部がアルミリッチな組成となり、Ｃｕ９Ａｌ４等の脆性が高い金属間化合物の生成が抑えられ、アルミニウム部材と銅部材との接合性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法における母材とレーザ光との位置関係を示す断面図、（ｂ）はその上面図である。
【図２】銅部材に切断バリがある場合の突き合わせレーザ溶接を示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法の変形例を示す上面図である。
【図４】（ａ）は従来の突き合わせレーザ溶接方法におけるレーザ光と母材との位置関係を示す上面図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法における母材とレーザ光との位置関係を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。
【００１９】
本発明においては、図１に示すように、アルミニウム部材２と銅部材３とが突き合わされて配置されており、この突き合わせ部４に対して、レーザ溶接機から出射されたレーザ光１を集光して照射する。このレーザ光１は、突き合わせ部４の周辺のアルミニウム部材２及び銅部材３の上に照射される。これらのアルミニウム部材２及び銅部材３に対するレーザ光１の照射領域１０は、例えば円形である。レーザ光１の出力源としては、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ又はファイバーレーザ等、各種のレーザ発信器を適宜使用することができる。照射されるレーザ光１は、レンズ又はミラー等によって溶接母材の表面周辺が焦点となるように集光される。従って、レーザ光１の照射領域１０においてレーザ光１のパワーが凝縮され、アーク溶接等と比較して百乃至千倍程度のパワー密度を得ることができる。本実施形態においては、母材上に照射される円形のレーザ光照射領域１０は、外径Ｄが例えば０．７ｍｍ以下である。このように、極めて狭い範囲にレーザ光を集光することにより、レーザ光の照射領域における平均エネルギー密度を大きく設定することができる。レーザ光照射領域１０における平均エネルギー密度は、例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上である。
【００２０】
本発明における溶接対象の母材は、図１に示すように、アルミニウム部材２及び銅部材３である。アルミニウム部材２としては、例えばＪＩＳ Ａ １０００系の純アルミニウムの他、ＪＩＳ Ａ ２０００系、３０００系、４０００系、６０００系及び７０００系のアルミニウム合金を使用することができる。銅部材３としては、例えばＯＦＣ（Ｏｘｙｇｅｎ−Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ、無酸素銅）、りん脱酸銅及びタフピッチ銅といった純銅の他、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系、Ｃｕ―Ｆｅ−Ｐ系及びＣｕ−Ｎｉ−Ｐ系のような各種銅合金を使用することができる。
【００２１】
本実施形態においては、アルミニウム部材２及び銅部材３は、例えば厚さが０．５乃至４．０ｍｍの板状である。そして、図１（ａ）に示すように、これらの板状母材を突き合わせて配置し、母材同士の突き合わせ部４の周辺に上方からレーザ光１を照射する。本発明においては、レーザ光照射領域１０の中心位置を母材同士の突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せてレーザ光を照射する。なお、本実施形態において、アルミニウム部材２及び銅部材３は板材であるが、夫々が箔材、押し出し形材、棒材若しくは線材であるか、又はこれらを組み合わせた形状であってもよい。
【００２２】
レーザ光照射領域１０の中心位置として具体的には、図１（ｂ）に示すように、レーザ光照射領域１０の中心位置を母材同士の突き合わせ部４からアルミニウム部材２側にオフセット量ｄだけ寄せる。このとき、レーザ光照射領域１０が円形である場合に、その外径をＤとすると、レーザ光照射領域１０の外径Ｄに対するオフセット量ｄの比ｄ／Ｄは、例えば１５．０乃至４５．０％である。
【００２３】
次に、本実施形態のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法の動作について説明する。まず、シャーリング等によって所定の大きさに切断された溶接対象のアルミニウム部材２と銅部材３とを、図１に示すように突き合わせて配置する。アルミニウム部材２及び銅部材３には、配置前の切断加工時にバリが発生している場合があるが、この場合には、図２に示すように、バリ３ａに直接レーザ光１が照射されるようにバリ３ａをレーザ光１の光源と対向するように配置する。
【００２４】
次に、溶接対象部位を例えばヘリウム又はアルゴン等のシールドガス雰囲気とした状態で、レーザ光１の焦点位置を調整し、母材同士の突き合わせ部４周辺にレーザ光１を集光させる。このとき、レーザ光照射領域１０の外径Ｄを例えば０．７ｍｍ以下となるように調整し、平均エネルギー密度を例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上に設定する。次に、レーザ光照射領域１０の中心位置が突き合わせ部４から上記所定の範囲の１５．０乃至４５．０％となるように母材同士を互いに突き合わせたまま移動させるか、又はレーザ光源の向きを調整する。
【００２５】
このとき、レーザ光１が照射された領域においては、まず融点が低いアルミニウム部材２が溶融する。アルミニウムの溶融熱は銅部材３に伝わり、溶融したアルミニウムからの伝熱によって銅部材３の温度が上昇する。そして、銅部材３の温度が融点に達すると、銅部材３は突き合わせ部４を起点として順次溶融していく。このとき、アルミニウム部材２側にバリがある場合はレーザ光１の照射によって容易に溶融するが、図２に示すように銅部材３側にバリ３ａがある場合においては、銅部材３上に照射されるレーザ光１の照射エネルギーはバリ３ａに集中する。すると、バリ３ａは、レーザ光の照射による温度上昇と溶融アルミニウムからの伝熱による温度上昇とにより容易に溶融するようになる。そして、溶融したアルミニウム及び銅は、レーザ光照射領域１０にキーホール（溶融池）を形成する。
【００２６】
キーホール（溶融池）の形成が確認できたら、レーザ光照射領域１０を突き合わせ部４に沿って移動させる。このときの溶接速度は、例えば８乃至２０ｍ／分である。そうすると、キーホール（溶融池）はレーザ光照射領域１０に追従して移動していく。そして、レーザ光照射領域１０の移動方向に対して後方に位置する溶融部は、急速に冷却されて順次凝固してビード５ａが形成される。本実施形態においては、レーザ光照射領域１０の中心位置をアルミニウム部材２側に寄せてレーザ光１を照射するため、アルミニウム部材２への照射面積が銅部材３への照射面積よりも大きくなり、溶融部はアルミリッチな組成となる。従って、溶融部が凝固したビード部５ａに生成する金属間化合物は、脆性が高いＣｕ９Ａｌ４等よりも、溶接継手強度を低下させない例えばＣｕＡｌ２等の組成の方が多くなる。これにより、十分な強度の溶接継手を得ることができる。
【００２７】
また、レーザ光照射領域１０の直径Ｄを０．７ｍｍ以下に設定し、照射するレーザ光１の平均エネルギー密度を１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上に設定することにより、レーザ光１のエネルギーを溶融池だけに集中させることができる。これにより、レーザ光を照射した後の溶融部を急速に冷却することができる。溶融部の冷却を迅速に行うことにより、金属間化合物の生成量を抑制することができ、接合領域における結晶組織を微細化し、結晶間の結合力を増加させて継手強度を向上させることができる。
【００２８】
更に、本実施形態においては、レーザ光照射領域１０の中心位置をレーザ光照射領域１０の外径Ｄを基準として適正な割合でアルミニウム部材２側に寄せることにより、溶融部に生成される金属間化合物の組成を適正な範囲に維持して、十分な強度の溶接継手を得ることができる。また、このようにレーザ光照射領域１０の中心位置のオフセット量を、レーザ光照射領域１０の外径Ｄを基準として規定することにより、レーザ光照射領域１０の外径Ｄが変化した場合においても、十分な強度の溶接継手を恒常的に得ることができる。上記ｄ／Ｄの値を例えば３０．０乃至４５．０％の範囲にすれば、接合部の継手強度を更に向上させることができる。
【００２９】
なお、レーザ光照射領域１０の形状は円形に限らず、種々の形状にすることが可能である。例えば、図３（ａ）に示すように、楕円形状のレーザ光照射領域１０にしてもよい。また、レーザ光照射部１０の形状が例えば線対称である場合においては、その対称軸を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せ、レーザ光照射部１０の形状が点対称である場合においては、その対称中心の位置を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せればよく、アルミニウム部材２へのレーザ光１の照射面積を銅部材３へのレーザ光１の照射面積よりも大きくすることができる。更に、図３（ｂ）に示すように、レーザ光照射領域１０の形状が三角形等である場合において、重心位置を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せて配置しなくてもよく、例えば、重心位置が突き合わせ部４に一致するように配置しても、アルミニウム部材２へのレーザ光の照射面積が銅部材３へのレーザ光の照射面積よりも大きくなり、溶融部をアルミリッチな組成にして、十分な強度の溶接継手を得ることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明のアルミニウム部材と銅部材とのレーザ溶接方法の効果を示す実施例について、その比較例と比較して具体的に説明する。
【００３１】
溶接対象のアルミニウム部材としては、ＪＩＳ Ａ １０５０に規定されているアルミニウム板（厚さ１．０ｍｍ）を使用し、銅部材としては、ＪＩＳ Ｃ １０２０に規定されている銅板（厚さ１．０ｍｍ）を使用した。これらのアルミニウム板と銅板とを突き合わせて配置し、突き合わせ部にレーザ光を円形に照射して、突き合わせレーザ溶接を実施した。
【００３２】
レーザ溶接機としては、トルンプ社製、ＨＬ４００６Ｄを使用し、レーザ光の焦点を溶接対象のアルミニウム板又は銅板の表面上に設定し、レーザ光照射領域の外径Ｄが０．６５ｍｍとなるように設定した。そして、レーザ溶接機のレーザ出力を２．５乃至４．０ｋＷ（９．０乃至１２．１ｋＷ／ｍｍ２）に設定し、レーザ光照射領域をシールドガスでシールドした状態で上記アルミニウム板と銅板との突き合わせ部を溶接速度１２ｍ／分で溶接長さ５０ｍｍ溶接した。なお、シールドガスとしてはヘリウムガスを使用した。
【００３３】
そして、レーザ光照射領域における外径Ｄが一定の条件で、レーザ光照射領域の中心位置を、アルミニウム板と銅板との突き合わせ部からアルミニウム部材側へ種々の距離だけオフセットさせることによりオフセット率ｄ／Ｄを変化させて実施例及び比較例とし、突き合わせレーザ溶接による接合の可否を確認した。即ち、本実施例においては、オフセット率ｄ／Ｄの値が正の場合はレーザ光照射領域の中心位置がアルミニウム部材側にあり、オフセット率ｄ／Ｄが負の場合はレーザ光照射領域の中心位置が銅部材側にある。そして、オフセット率ｄ／Ｄが０を超え０．５未満である場合に、レーザ光照射領域のうちアルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積よりも大きい。表１に溶接対象板同士の突き合わせ部からレーザ光照射領域の中心位置までの距離ｄ、オフセット率ｄ／Ｄ、照射したレーザ光の平均エネルギー密度及び接合可否を示す。更に、アルミニウム板と銅板とを接合できた場合については、接合部の剪断強度を測定し、これにより接合部の評価を行った。接合部の剪断強度については、接合後の実施例及び比較例の接合板を幅２５ｍｍだけ切り出して測定試料とし、ＪＩＳ Ｚ ３１３６に規定されている剪断強度測定試験によって測定した。測定した剪断強度を、アルミニウム部材同士を接合した場合の剪断強度を１００としたときの割合として表１に示す。そして、剪断強度比が７０％以上であったものを◎、５０％以上７０％未満であったものを○、５０％未満であったものを△と判定し、表１にあわせて示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、実施例１乃至１１はレーザ光照射領域の中心位置をアルミニウム板側に寄せており、アルミニウム部材へのレーザ光照射面積が銅部材へのレーザ光照射面積よりも大きい。従って、アルミニウム部材へのレーザ光照射面積と銅部材へのレーザ光照射面積とが等しい比較例１、銅部材へのレーザ光照射面積がアルミニウム部材へのレーザ光照射面積よりも大きい比較例２及び３、並びにレーザ光照射領域が母材同士の突き合わせ部から外れた比較例４に比して、接合性が向上した。
【００３６】
また、実施例１乃至１１のうち、実施例１乃至７はレーザ光照射領域のオフセット率が本発明の請求項３の範囲を満足する実施例であり、本発明の請求項３の範囲を満足しない実施例８及び９に比して剪断強度が向上した。
【００３７】
更に、実施例３乃至５及び実施例７は、レーザ光照射領域のオフセット率が本発明の請求項４の範囲を満足する実施例であり、請求項３の範囲を満足するが請求項４の範囲を満足しない実施例１，２及び６に比して更に剪断強度が向上した。
【００３８】
実施例１乃至１１のうち、実施例１０及び１１は、レーザ光の平均エネルギー密度が本発明の請求項５の範囲を満足せず、請求項５の範囲を満足する実施例１及び実施例５乃至７に比して剪断強度が低下した。
【符号の説明】
【００３９】
１：レーザ光、１０：レーザ光照射領域、２：アルミニウム部材、３：銅部材、３ａ：バリ、４：突き合わせ部、５：母材、５ａ：ビード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法に関し、特に、電子デバイス、ワイヤハーネス等の電極、端子及び配線等に使用されるアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅は導電性が高く、例えばＬｉイオン電池の電極及びブスバー（バスバー）、並びに電子デバイス、ワイヤハーネス等の電極、端子及び配線等に使用されている。近時、環境保護の観点からハイブリッド自動車及び電気自動車等の研究開発が急速に進められており、これらの自動車等に搭載されるＬｉイオン電池、電子デバイス及び電装部品等には軽量化が要求されている。そして、これらの動力源及び電装部品等の軽量化を達成するために、電極及び端子等の一部を、銅に換えてアルミニウムで構成することが検討されている。
【０００３】
即ち、上記電装部品等においては、銅からなる電極及び端子等とアルミニウムからなる電極及び端子等とが混在することとなるため、これらの異種金属同士を接合する技術が必要とされている。異種金属同士の接合方法としては、例えば超音波接合、ＭＩＧ溶接、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）及びレーザ溶接が挙げられるが、大きなパワー密度が得られることから、生産性の面ではレーザ溶接が最も優れている。
【０００４】
レーザ溶接においては、溶接対象の２つの母材上にレーザ溶接機によってレーザ光を集光して照射する。照射されるレーザ光は、レンズ又はミラー等によって母材の表面周辺が焦点となるように例えば円形に集光される。これにより、レーザ光が照射される部分においてレーザ光のパワーが凝縮され、アーク溶接等と比較して百乃至千倍程度のパワー密度を得ることができる。
【０００５】
異種金属からなる母材同士のレーザ溶接による接合方法としては、母材同士を一部重ね合わせ、重ね合わせ部分にレーザ光を照射して接合する重ね合わせレーザ溶接（例えば、特許文献１）、母材同士を突き合わせて配置し、突き合わせ部にレーザ光を照射して接合する突き合わせレーザ溶接（例えば、特許文献２）等がある。
【０００６】
図４は、従来の突き合わせレーザ溶接方法におけるレーザ光と母材との位置関係を示す上面図及び断面図である。図４に示すように、突き合わせレーザ溶接においては、２つの母材５を突き合わせて配置し、突き合わせ部４にレーザ溶接機から出射されたレーザ光１を集光し、突き合わせ部４を溶接する。このように、突き合わせレーザ溶接は母材同士の重ね代を必要としないため、特許文献１の重ね合わせレーザ溶接に比して溶接継手部のスペースを小型化できるという点で優れている。また、突き合わせレーザ溶接は、溶接継手部で母材同士が重なり合わないため、接合後の絞り加工性が優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／０１６４４１号
【特許文献２】特開２００５−２５４２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題点がある。上述の如く、特許文献１の重ね合わせレーザ溶接は、母材同士の接合に重ね代を必要とするものであり、継手部の厚さが厚くなるだけでなく、溶接後の継手部の絞り加工性が突き合わせレーザ溶接に比して劣る。
【０００９】
また、重ね合わせレーザ溶接における上記問題点を解決するために突き合わせレーザ溶接を採用した場合においては、異種金属からなる母材同士の融点の差により、レーザ光の照射領域において母材同士の溶融が不均一となるという問題点がある。特許文献２には、融点が異なる異種金属同士を突き合わせレーザ溶接する際に、レーザ光照射領域の面積を融点が高い金属部材側で大きくなるようにレーザ光の焦点位置をシフトしてレーザ光を照射し、融点が高い側の溶融金属からの伝熱により融点が低い側の金属部材を溶融させて、異種金属同士を接合することが開示されている。
【００１０】
特許文献２の技術をアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接に適用すると、レーザ光の焦点位置を融点が高い銅部材側にシフトしてレーザ溶接することになる。しかしながら、銅は熱伝導率及び光の反射率が高いため、レーザ光の照射によって溶融し難く、銅部材を溶融させるためには、照射するレーザ光のエネルギー密度を大きくする必要がある。また、この場合、溶融部には例えばＣｕ９Ａｌ４等の脆性が高い金属間化合物が多く生成し、十分な継手強度を得ることができなくなるという問題点がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせレーザ溶接する場合において、母材同士を十分な継手強度で確実に接合させることができるアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接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】
【００１２】
本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法は、アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせて配置し、突き合わせ部周辺にレーザ光を照射して前記アルミニウム部材と銅部材とをレーザ溶接するアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法であって、前記アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、前記アルミニウム部材への照射面積が前記銅部材への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光を照射することを特徴とする。
【００１３】
この場合、例えばレーザ光照射領域の中心位置を前記突き合わせ部よりも前記アルミニウム部材側に寄せてレーザ光を照射する。
【００１４】
また、前記レーザ光照射領域が円形である場合において、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが１５．０乃至４５．０％であることが好ましく、３０．０乃至４５．０％であることが更に好ましい。
【００１５】
そして、前記レーザ光照射領域が円形である場合において、その外径Ｄは例えば０．７ｍｍ以下であり、前記レーザ光の平均エネルギー密度は例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法は、アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、アルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積よりも大きくなるように、レーザ光照射領域の中心位置を突き合わせ部よりもアルミニウム部材側へと寄せてレーザ光を照射する。従って、溶接部がアルミリッチな組成となり、Ｃｕ９Ａｌ４等の脆性が高い金属間化合物の生成が抑えられ、アルミニウム部材と銅部材との接合性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法における母材とレーザ光との位置関係を示す断面図、（ｂ）はその上面図である。
【図２】銅部材に切断バリがある場合の突き合わせレーザ溶接を示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法の変形例を示す上面図である。
【図４】（ａ）は従来の突き合わせレーザ溶接方法におけるレーザ光と母材との位置関係を示す上面図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本発明に係るアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法における母材とレーザ光との位置関係を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。
【００１９】
本発明においては、図１に示すように、アルミニウム部材２と銅部材３とが突き合わされて配置されており、この突き合わせ部４に対して、レーザ溶接機から出射されたレーザ光１を集光して照射する。このレーザ光１は、突き合わせ部４の周辺のアルミニウム部材２及び銅部材３の上に照射される。これらのアルミニウム部材２及び銅部材３に対するレーザ光１の照射領域１０は、例えば円形である。レーザ光１の出力源としては、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ又はファイバーレーザ等、各種のレーザ発信器を適宜使用することができる。照射されるレーザ光１は、レンズ又はミラー等によって溶接母材の表面周辺が焦点となるように集光される。従って、レーザ光１の照射領域１０においてレーザ光１のパワーが凝縮され、アーク溶接等と比較して百乃至千倍程度のパワー密度を得ることができる。本実施形態においては、母材上に照射される円形のレーザ光照射領域１０は、外径Ｄが例えば０．７ｍｍ以下である。このように、極めて狭い範囲にレーザ光を集光することにより、レーザ光の照射領域における平均エネルギー密度を大きく設定することができる。レーザ光照射領域１０における平均エネルギー密度は、例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上である。
【００２０】
本発明における溶接対象の母材は、図１に示すように、アルミニウム部材２及び銅部材３である。アルミニウム部材２としては、例えばＪＩＳ Ａ １０００系の純アルミニウムの他、ＪＩＳ Ａ ２０００系、３０００系、４０００系、６０００系及び７０００系のアルミニウム合金を使用することができる。銅部材３としては、例えばＯＦＣ（Ｏｘｙｇｅｎ−Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ、無酸素銅）、りん脱酸銅及びタフピッチ銅といった純銅の他、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系、Ｃｕ―Ｆｅ−Ｐ系及びＣｕ−Ｎｉ−Ｐ系のような各種銅合金を使用することができる。
【００２１】
本実施形態においては、アルミニウム部材２及び銅部材３は、例えば厚さが０．５乃至４．０ｍｍの板状である。そして、図１（ａ）に示すように、これらの板状母材を突き合わせて配置し、母材同士の突き合わせ部４の周辺に上方からレーザ光１を照射する。本発明においては、レーザ光照射領域１０の中心位置を母材同士の突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せてレーザ光を照射する。なお、本実施形態において、アルミニウム部材２及び銅部材３は板材であるが、夫々が箔材、押し出し形材、棒材若しくは線材であるか、又はこれらを組み合わせた形状であってもよい。
【００２２】
レーザ光照射領域１０の中心位置として具体的には、図１（ｂ）に示すように、レーザ光照射領域１０の中心位置を母材同士の突き合わせ部４からアルミニウム部材２側にオフセット量ｄだけ寄せる。このとき、レーザ光照射領域１０が円形である場合に、その外径をＤとすると、レーザ光照射領域１０の外径Ｄに対するオフセット量ｄの比ｄ／Ｄは、例えば１５．０乃至４５．０％である。
【００２３】
次に、本実施形態のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法の動作について説明する。まず、シャーリング等によって所定の大きさに切断された溶接対象のアルミニウム部材２と銅部材３とを、図１に示すように突き合わせて配置する。アルミニウム部材２及び銅部材３には、配置前の切断加工時にバリが発生している場合があるが、この場合には、図２に示すように、バリ３ａに直接レーザ光１が照射されるようにバリ３ａをレーザ光１の光源と対向するように配置する。
【００２４】
次に、溶接対象部位を例えばヘリウム又はアルゴン等のシールドガス雰囲気とした状態で、レーザ光１の焦点位置を調整し、母材同士の突き合わせ部４周辺にレーザ光１を集光させる。このとき、レーザ光照射領域１０の外径Ｄを例えば０．７ｍｍ以下となるように調整し、平均エネルギー密度を例えば１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上に設定する。次に、レーザ光照射領域１０の中心位置が突き合わせ部４から上記所定の範囲の１５．０乃至４５．０％となるように母材同士を互いに突き合わせたまま移動させるか、又はレーザ光源の向きを調整する。
【００２５】
このとき、レーザ光１が照射された領域においては、まず融点が低いアルミニウム部材２が溶融する。アルミニウムの溶融熱は銅部材３に伝わり、溶融したアルミニウムからの伝熱によって銅部材３の温度が上昇する。そして、銅部材３の温度が融点に達すると、銅部材３は突き合わせ部４を起点として順次溶融していく。このとき、アルミニウム部材２側にバリがある場合はレーザ光１の照射によって容易に溶融するが、図２に示すように銅部材３側にバリ３ａがある場合においては、銅部材３上に照射されるレーザ光１の照射エネルギーはバリ３ａに集中する。すると、バリ３ａは、レーザ光の照射による温度上昇と溶融アルミニウムからの伝熱による温度上昇とにより容易に溶融するようになる。そして、溶融したアルミニウム及び銅は、レーザ光照射領域１０にキーホール（溶融池）を形成する。
【００２６】
キーホール（溶融池）の形成が確認できたら、レーザ光照射領域１０を突き合わせ部４に沿って移動させる。このときの溶接速度は、例えば８乃至２０ｍ／分である。そうすると、キーホール（溶融池）はレーザ光照射領域１０に追従して移動していく。そして、レーザ光照射領域１０の移動方向に対して後方に位置する溶融部は、急速に冷却されて順次凝固してビード５ａが形成される。本実施形態においては、レーザ光照射領域１０の中心位置をアルミニウム部材２側に寄せてレーザ光１を照射するため、アルミニウム部材２への照射面積が銅部材３への照射面積よりも大きくなり、溶融部はアルミリッチな組成となる。従って、溶融部が凝固したビード部５ａに生成する金属間化合物は、脆性が高いＣｕ９Ａｌ４等よりも、溶接継手強度を低下させない例えばＣｕＡｌ２等の組成の方が多くなる。これにより、十分な強度の溶接継手を得ることができる。
【００２７】
また、レーザ光照射領域１０の直径Ｄを０．７ｍｍ以下に設定し、照射するレーザ光１の平均エネルギー密度を１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上に設定することにより、レーザ光１のエネルギーを溶融池だけに集中させることができる。これにより、レーザ光を照射した後の溶融部を急速に冷却することができる。溶融部の冷却を迅速に行うことにより、金属間化合物の生成量を抑制することができ、接合領域における結晶組織を微細化し、結晶間の結合力を増加させて継手強度を向上させることができる。
【００２８】
更に、本実施形態においては、レーザ光照射領域１０の中心位置をレーザ光照射領域１０の外径Ｄを基準として適正な割合でアルミニウム部材２側に寄せることにより、溶融部に生成される金属間化合物の組成を適正な範囲に維持して、十分な強度の溶接継手を得ることができる。また、このようにレーザ光照射領域１０の中心位置のオフセット量を、レーザ光照射領域１０の外径Ｄを基準として規定することにより、レーザ光照射領域１０の外径Ｄが変化した場合においても、十分な強度の溶接継手を恒常的に得ることができる。上記ｄ／Ｄの値を例えば３０．０乃至４５．０％の範囲にすれば、接合部の継手強度を更に向上させることができる。
【００２９】
なお、レーザ光照射領域１０の形状は円形に限らず、種々の形状にすることが可能である。例えば、図３（ａ）に示すように、楕円形状のレーザ光照射領域１０にしてもよい。また、レーザ光照射部１０の形状が例えば線対称である場合においては、その対称軸を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せ、レーザ光照射部１０の形状が点対称である場合においては、その対称中心の位置を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せればよく、アルミニウム部材２へのレーザ光１の照射面積を銅部材３へのレーザ光１の照射面積よりも大きくすることができる。更に、図３（ｂ）に示すように、レーザ光照射領域１０の形状が三角形等である場合において、重心位置を突き合わせ部４よりもアルミニウム部材２側に寄せて配置しなくてもよく、例えば、重心位置が突き合わせ部４に一致するように配置しても、アルミニウム部材２へのレーザ光の照射面積が銅部材３へのレーザ光の照射面積よりも大きくなり、溶融部をアルミリッチな組成にして、十分な強度の溶接継手を得ることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明のアルミニウム部材と銅部材とのレーザ溶接方法の効果を示す実施例について、その比較例と比較して具体的に説明する。
【００３１】
溶接対象のアルミニウム部材としては、ＪＩＳ Ａ １０５０に規定されているアルミニウム板（厚さ１．０ｍｍ）を使用し、銅部材としては、ＪＩＳ Ｃ １０２０に規定されている銅板（厚さ１．０ｍｍ）を使用した。これらのアルミニウム板と銅板とを突き合わせて配置し、突き合わせ部にレーザ光を円形に照射して、突き合わせレーザ溶接を実施した。
【００３２】
レーザ溶接機としては、トルンプ社製、ＨＬ４００６Ｄを使用し、レーザ光の焦点を溶接対象のアルミニウム板又は銅板の表面上に設定し、レーザ光照射領域の外径Ｄが０．６５ｍｍとなるように設定した。そして、レーザ溶接機のレーザ出力を２．５乃至４．０ｋＷ（９．０乃至１２．１ｋＷ／ｍｍ２）に設定し、レーザ光照射領域をシールドガスでシールドした状態で上記アルミニウム板と銅板との突き合わせ部を溶接速度１２ｍ／分で溶接長さ５０ｍｍ溶接した。なお、シールドガスとしてはヘリウムガスを使用した。
【００３３】
そして、レーザ光照射領域における外径Ｄが一定の条件で、レーザ光照射領域の中心位置を、アルミニウム板と銅板との突き合わせ部からアルミニウム部材側へ種々の距離だけオフセットさせることによりオフセット率ｄ／Ｄを変化させて実施例及び比較例とし、突き合わせレーザ溶接による接合の可否を確認した。即ち、本実施例においては、オフセット率ｄ／Ｄの値が正の場合はレーザ光照射領域の中心位置がアルミニウム部材側にあり、オフセット率ｄ／Ｄが負の場合はレーザ光照射領域の中心位置が銅部材側にある。そして、オフセット率ｄ／Ｄが０を超え０．５未満である場合に、レーザ光照射領域のうちアルミニウム部材への照射面積が銅部材への照射面積よりも大きい。表１に溶接対象板同士の突き合わせ部からレーザ光照射領域の中心位置までの距離ｄ、オフセット率ｄ／Ｄ、照射したレーザ光の平均エネルギー密度及び接合可否を示す。更に、アルミニウム板と銅板とを接合できた場合については、接合部の剪断強度を測定し、これにより接合部の評価を行った。接合部の剪断強度については、接合後の実施例及び比較例の接合板を幅２５ｍｍだけ切り出して測定試料とし、ＪＩＳ Ｚ ３１３６に規定されている剪断強度測定試験によって測定した。測定した剪断強度を、アルミニウム部材同士を接合した場合の剪断強度を１００としたときの割合として表１に示す。そして、剪断強度比が７０％以上であったものを◎、５０％以上７０％未満であったものを○、５０％未満であったものを△と判定し、表１にあわせて示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、実施例１乃至１１はレーザ光照射領域の中心位置をアルミニウム板側に寄せており、アルミニウム部材へのレーザ光照射面積が銅部材へのレーザ光照射面積よりも大きい。従って、アルミニウム部材へのレーザ光照射面積と銅部材へのレーザ光照射面積とが等しい比較例１、銅部材へのレーザ光照射面積がアルミニウム部材へのレーザ光照射面積よりも大きい比較例２及び３、並びにレーザ光照射領域が母材同士の突き合わせ部から外れた比較例４に比して、接合性が向上した。
【００３６】
また、実施例１乃至１１のうち、実施例１乃至７はレーザ光照射領域のオフセット率が本発明の請求項３の範囲を満足する実施例であり、本発明の請求項３の範囲を満足しない実施例８及び９に比して剪断強度が向上した。
【００３７】
更に、実施例３乃至５及び実施例７は、レーザ光照射領域のオフセット率が本発明の請求項４の範囲を満足する実施例であり、請求項３の範囲を満足するが請求項４の範囲を満足しない実施例１，２及び６に比して更に剪断強度が向上した。
【００３８】
実施例１乃至１１のうち、実施例１０及び１１は、レーザ光の平均エネルギー密度が本発明の請求項５の範囲を満足せず、請求項５の範囲を満足する実施例１及び実施例５乃至７に比して剪断強度が低下した。
【符号の説明】
【００３９】
１：レーザ光、１０：レーザ光照射領域、２：アルミニウム部材、３：銅部材、３ａ：バリ、４：突き合わせ部、５：母材、５ａ：ビード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせて配置し、突き合わせ部周辺にレーザ光を照射して前記アルミニウム部材と銅部材とをレーザ溶接するアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法であって、
前記アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、前記アルミニウム部材への照射面積が前記銅部材への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光を照射することを特徴とするアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記レーザ光照射領域の中心位置を前記突き合わせ部よりも前記アルミニウム部材側に寄せてレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが１５．０乃至４５．０％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが３０．０乃至４５．０％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径Ｄが０．７ｍｍ以下であり、前記レーザ光の平均エネルギー密度が１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項１】
アルミニウム部材と銅部材とを突き合わせて配置し、突き合わせ部周辺にレーザ光を照射して前記アルミニウム部材と銅部材とをレーザ溶接するアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法であって、
前記アルミニウム部材及び銅部材に対するレーザ光の照射領域のうち、前記アルミニウム部材への照射面積が前記銅部材への照射面積よりも大きくなるようにレーザ光を照射することを特徴とするアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記レーザ光照射領域の中心位置を前記突き合わせ部よりも前記アルミニウム部材側に寄せてレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが１５．０乃至４５．０％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径をＤ、前記突き合わせ部からアルミニウム部材側に寄せた前記レーザ光照射領域の中心位置のオフセット量をｄとするとき、前記レーザ光照射領域の外径に対する前記オフセット量の比ｄ／Ｄが３０．０乃至４５．０％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記レーザ光照射領域が円形であり、その外径Ｄが０．７ｍｍ以下であり、前記レーザ光の平均エネルギー密度が１０．０ｋＷ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−５４９９（Ｐ２０１１−５４９９Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４８２８４（Ｐ２００９−１４８２８４）
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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