レーザー溶接用銅板材
【課題】レーザー溶接を容易に行うことが可能で、しかも、溶接部位に合金成分が混入することがなく、また、レーザーによって貫通孔が形成されてしまったり、剥離を生じたりすることもないレーザー溶接用銅板材を提供する。
【解決手段】銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、前記銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、前記酸化銅皮膜２を介して前記銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３よりなる。また、酸化銅皮膜２の膜厚は１０ｎｍ〜１０μｍ、カーボン皮膜３の膜厚は２０ｎｍ〜５０μｍで、カーボン皮膜３はカーボン成分を９５原子％以上含有する。
【解決手段】銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、前記銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、前記酸化銅皮膜２を介して前記銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３よりなる。また、酸化銅皮膜２の膜厚は１０ｎｍ〜１０μｍ、カーボン皮膜３の膜厚は２０ｎｍ〜５０μｍで、カーボン皮膜３はカーボン成分を９５原子％以上含有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気端子、電気接点や通電用バスパー等の導電材料などに用いられ、特にレーザー溶接を容易に実施することができるレーザー溶接用銅板材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅材料や銅合金材料（以下、銅系材料という。）は導電性に優れる金属材料であり、電気端子、電気接点や通電用バスパー等として広く用いられている。これら銅系材料でなる銅板材は、他の導電材料と接合して用いられるため、接合性が良いことが重要な要件となってくる。この銅板材と接合される導電材料としては、同じ銅系材料の他、アルミニウム、鉄、或いはこれらを基板としてその表面にＮｉやＳｎのメッキを施した金属材料が用いられることが多い。銅板材とこれら導電材料との接合には、かしめや半田付けといった方法が多く採用されているが、その他に、抵抗溶接、アークスポット溶接、或いはレーザー溶接といった溶接も採用されることが多い。
【０００３】
近年、接点の小型化が進み、それに伴い小さな接合部位を高速に作製する必要性がでてきており、前記した接合方法の中でも、特に小さな接合点の形成に優れるレーザー溶接が、銅板材とこれら導電材料との接合に採用されることが多くなってきている。このレーザー溶接には、例えば、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザーを用いた溶接があり、これらの中でも、特に小型で高出力が出せるＹＡＧレーザーやファイバーレーザーが小型溶接に採用されることが多く、様々なアルミ材料の溶接、鉄材料の溶接ではこのレーザー溶接が広く適用されるようになってきている。
【０００４】
しかし、銅系材料は、レーザー溶接に用いられる波長領域での反射率が高く、レーザーの吸収が少ないために、アルミや鉄といった他の金属材料と比較してレーザー溶接を行うことは難しいという特性がある。そのため、これまでは銅系材料の溶接に、容易にレーザー溶接を採用することはできなという問題があった。
【０００５】
具体的には、ＹＡＧレーザーの波長は１０６４ｎｍ、ファイバーレーザーの波長は１０７５ｎｍ、ＬＤ（レーザーダイオード）レーザーの波長は７００〜１５００ｎｍであるが、各種金属材料の９００〜１１００ｎｍでのレーザーの光吸収率は、鉄が３５％、ニッケルが３０％、アルミが２８％前後、スズが４５％程度であるのに対し、銅は僅か１０％以下である。
【０００６】
従って、銅系材料をレーザー溶接する場合、レーザーの殆どが銅系材料の表面で反射され、エネルギーが十分に吸収されないため、銅系材料が溶けにくいという現象が生じる。このような溶けにくい材料をレーザー溶接するためには、一般に大きなレーザーエネルギーが必要になる。
【０００７】
また、レーザー溶接では、レーザー照射で金属材料の表面が溶融するとその表面付近にキーホールと呼ばれる溶融穴が形成される。表面付近に一旦キーホールが形成されると、レーザーはこのキーホール内部で複数回反射を繰り返し、レーザーの吸収が増加して金属材料は溶融しやすくなり、深い溶け込みが可能となる。銅系材料の場合、表面反射率が高いためにレーザーによって、なかなか表面が溶融しないが、それでも非常に大きなエネルギーを投入すればその表面付近にキーホールが形成され溶融が進む。
【０００８】
このように、銅系材料をレーザー溶接する場合、その表面のレーザー吸収が極端に小さいため、非常に大きなエネルギーのレーザーを照射する必要があるが、大きなエネルギーを投入し、一旦銅系材料の表面付近にキーホールが形成されると、キーホール内部のレーザーの吸収が増加して一気に溶融が進むことになる。
【０００９】
すなわち、銅系材料にレーザー照射を行う場合、レーザーのパワーが小さい場合は、反射率が高いために表面を溶融することができないが、その表面を溶融することができる程度の非常に大きなパワーを投入した場合は、表面溶融に続いてキーホール内部の溶融が急激に進行してしまい、特にその銅系材料が銅板材である場合はレーザーが銅板材を貫通することになってしまう。
【００１０】
銅板材に貫通孔を設けることが目的であるレーザー加工の場合は、レーザーが貫通することは特に問題となることはないが、レーザー溶接の場合は、レーザーが完全に材料を貫通してしまうことは必ずしも望ましいことでない。また、銅板材の途中で溶融を止めたい場合があるが、そのような場合もその制御は極めて難しい。
【００１１】
例えば、二枚の銅板材を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合、レーザー照射面でない下側の銅板材（レーザー照射面でない側の銅板材は必ずしも下側に位置するとは限らないが、本明細書では便宜上、下側と表現する。）の板厚が厚い場合には、大きな問題になることは少ないが、下側の銅板材の板厚が薄い場合には、レーザーが貫通しやすくなり、その結果、材料に貫通孔が開いてしまうことで様々な不都合を生じることがある。このように、銅系材料は表面反射率が高いために、比較的低パワーでのレーザー溶接が難しく、また、それでもレーザー溶接を行うために高いパワーを投入した場合は、レーザーが重ね合わせた銅板材を貫通してしまうという問題があった。
【００１２】
また、レーザーの照射面側に板厚が厚い銅板材を用いる場合は、高いレーザー溶接パワーが必要になるが、下側の銅板材は少なくとも同程度の板厚となる場合が多い。このような場合は、非常に大きなパワーを投入することが必要になるため、レーザーが下側の銅板材も貫通してしまう可能性が非常に高くなる。そのため、板厚が厚い銅板材をレーザー溶接する場合には、銅板材の表面の反射率制御を行う必要性が出てくる。
【００１３】
更に、大電流用途向けの溶接の場合は、溶接部位に大きな電流が流れ込むこととなるため、溶接部位の電気抵抗の増加が極めて大きな問題となる。
【００１４】
レーザー溶接用の銅板材には、以上のような種々の問題を発生することなく容易にレーザー溶接できるような銅板材が望まれる。
【００１５】
銅板材のレーザー溶接性を改善するためには、レーザー加工面にめっきなどの表面処理を施せば良く、銅板材表面の反射率を低減させてレーザー吸収率を向上させることが可能になる。実際に、自動車用の端子接続においては、めっき銅を用いたＹＡＧレーザー溶接が多用されている。
【００１６】
レーザー溶接性に優れた銅系材料に関する提案例としては、特許文献１記載の、表面にＳｎめっき層を形成した銅または銅合金部材がある。また、特許文献２や特許文献３では、表面にＮｉめっき層を形成することで銅系材料のレーザー溶接性を改善する技術が提案されている。
【００１７】
しかしながら、このような特許文献１〜３に記載の技術を、板厚が比較的厚い銅板材の溶接、大電流用途での銅板材の溶接に適用した場合、溶接部位にＳｎやＮｉなどの金属成分が混入して合金化することで、電気抵抗を増加させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平８−２１８１３７号公報
【特許文献２】特開平７−２１４３６９号公報
【特許文献３】特開２００９−２９１８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、レーザー溶接を容易に行うことが可能で、しかも、溶接部位に合金成分が混入することがなく、また、レーザーによって貫通孔が形成されてしまったり、剥離を生じたりすることもないレーザー溶接用銅板材を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１記載の発明は、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板と、前記銅系基板の表面に形成された酸化銅皮膜と、前記酸化銅皮膜を介して前記銅系基板の最表面に形成されたカーボン皮膜よりなることを特徴とするレーザー溶接用銅板材である。
【００２１】
請求項２記載の発明は、前記酸化銅皮膜の膜厚が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接用銅板材である。
【００２２】
請求項３記載の発明は、前記カーボン皮膜の膜厚が、２０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー溶接用銅板材である。
【００２３】
請求項４記載の発明は、前記カーボン皮膜が、カーボン成分を９５原子％以上含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー溶接用銅板材である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のレーザー溶接用銅板材によると、銅板材であるにかかわらずレーザー溶接を容易に行うことが可能で、しかも、溶接部位に合金成分が混入することがなく、また、レーザーによって貫通孔が形成されてしまったり、剥離を生じたりすることもないという作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態のレーザー溶接用銅板材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明者らは、レーザー溶接が容易にできるレーザー溶接用銅板材を得るために、鋭意、実験、研究を進めた。
【００２７】
まず、銅板材のレーザー溶接性を改善するためには、レーザー加工面にめっきなどの表面処理を施せば良いということに着目し、実験、研究を進めることとした。レーザー溶接性に優れた銅系材料としては、特許文献１〜３に記載されたような、表面にＳｎやＮｉなどのめっき層を施した銅板材が既に公知であるが、このように表面に金属めっき層を形成した場合、溶接部位にめっき金属成分が混入して合金化することで、電気抵抗を増加させてしまう。
【００２８】
そのため、銅板材に合金化する金属成分を有することのない表面処理を施すことを検討した。そこで、本発明者らは表面処理を施すための材料としてカーボン系の材料に着目した。カーボン系材料は銅板材表面の反射率を下げることができ、しかも、カーボンは銅系材料と合金化することもないという特長がある。しかし、一方でこのカーボン系材料は銅系材料との密着性が悪いために、剥離が生じやすいという問題がある。
【００２９】
そこで、本発明者らは、銅系材料およびカーボン系材料に対して密着性に優れ、銅系材料とも合金化することのない層を介することで、これらの問題を解消できることができることを知見し、本発明の完成に至った。
【００３０】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００３１】
本発明のレーザー溶接用銅板材は、例えば、図１に示すように、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、その銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、その酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３より構成される。以下、酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３が、銅系基板１の片面に形成された実施形態に基づいて説明するが、酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３が銅系基板１の両面に形成されていても良いことは勿論である。
【００３２】
本発明のレーザー溶接用銅板材に用いられる銅系基板１は、銅材料或いは銅合金材料でなる。レーザー溶接用銅板材に銅合金材料を用いる場合は、含有される合金元素は銅合金材料を電子材料や電気回路材料に用いることができれば特に限定されず、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｎなどを挙げることができる。尚、これら合金元素は、銅合金材料に単独で含有されても良いし、２種類以上が含有されていても良い。
【００３３】
また、銅合金材料の場合、これら合金元素の含有率は、レーザー溶接後に得られる接合体に要求される機械特性や耐熱性、加工性等に応じて適宜調整され、特に限定されることはないが、例えば、Ｚｎの場合は５０質量％以下、Ａｌの場合は１３質量％以下、Ｆｅの場合は７質量％以下、Ｍｎの場合は３質量％以下、Ｓｎの場合は１０質量％以下含有されることが好ましい。
【００３４】
また、本発明のレーザー溶接用銅板材に用いられる銅系基板１の板厚は、特に限定されることはないが、実質的には０．０５〜２０．０ｍｍである。板厚が０．０５ｍｍより薄いと、銅系基板１が薄くなりすぎて箔の状態となって自立せず、何らかの基材に銅板材を貼り付けて用いることになってしまう。その場合、用いる基材によって溶接状態が著しく変わってしまい、場合によれば溶接を行えなくなる。一方、板厚が２０．０ｍｍを超えると、溶接を実施するのに非常に高いエネルギーが必要になり、レーザー溶接機によれば高いエネルギーを出力できず溶接自体が不可能になる。
【００３５】
この銅系基板１の表面に酸化銅皮膜２が形成されるが、この酸化銅皮膜２は、下地となる銅系基板１の表面側にカーボン皮膜３を形成させるための接着剤のような働きをなし、銅系基板１とカーボン皮膜３との密着性を向上させる。
【００３６】
この酸化銅皮膜２は密着性を向上させる役割で用いられるので、膜厚はなるべく薄い方が良いが、極端に薄いと密着性を向上させる作用を発現できなくなる。膜厚を１０ｎｍ以上とすれば、確実に密着性を向上させる作用を発現できる。一方、酸化銅皮膜２の膜厚が厚すぎると、酸化銅皮膜２自体が壊れて剥離することになる。特に酸化銅皮膜２の膜厚が１０μｍを超えると酸化銅皮膜２自体が銅系基板１の表面から剥離する可能性が高くなるので好ましくはない。従って、酸化銅皮膜２の好ましい膜厚は１０ｎｍ〜１０μｍである。より好ましい膜厚は２０ｎｍ〜１μｍである。
【００３７】
この酸化銅皮膜２は、銅系基板１を大気中で熱処理をすることで簡便に形成することができる。具体的には、１５０℃以上の大気加熱処理を施すことで銅系基板１の表面に容易に酸化銅皮膜２を形成することができる。
【００３８】
この酸化銅皮膜２の表面、すなわち、酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面にはカーボン皮膜３が形成されるが、このカーボン皮膜３が銅板材表面の反射率を低下させ、銅板材の低パワーでのレーザー溶接を可能にさせる。
【００３９】
このカーボン皮膜３の好ましい膜厚は２０ｎｍ〜５０μｍである。カーボン皮膜３の膜厚が２０ｎｍ未満であると、銅板材表面の反射率の低下が十分でなくなる。一方、カーボン皮膜３の膜厚が５０μｍを超えると、カーボン皮膜３が下地の酸化銅皮膜２の表面から剥離しやすくなる。反射率低下の観点からは２０ｎｍ以上で効果が現れ始め、５０ｎｍ以上であればその効果の発現度合いには変わりはない。従って、剥離しにくいという観点からはなるべく薄い方が望ましい。一方で薄い膜を制御良く形成するのは困難であるという問題がある。従って、これら反射率、剥離性、成膜容易性という観点を総合すると、カーボン皮膜３の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍとすることがより好ましい。
【００４０】
銅板材最表面にこのカーボン皮膜３を形成することで、その主成分の炭素材料（カーボン成分）はレーザー溶接時に銅材料と合金化しなくなるため、接合部の電気抵抗が増加する現象を最小限に抑えることができる。
【００４１】
尚、このカーボン皮膜３の形成に用いる炭素材料は、どのような材料であっても基本的には反射率の低下に寄与できるため特に限定する必要はないが、代表的な炭素材料として、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、或いはコークス、更には天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト等を例示することができる。これら炭素材料は、単独で用いても２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００４２】
このカーボン皮膜３は、前記炭素材料を９５原子％以上含有することが好ましく、炭素材料を９５原子％以上含有することで反射率を確実に低下させることができる。また、この炭素材料の含有率は出来る限り高いことが好ましく、より好ましくは９６原子％以上、更に好ましくは９７原子％以上である。
【００４３】
尚、カーボン皮膜３を構成する残量元素は、シリコン、マグネシウム、鉄、カルシウム、アルミニウム等である。水素、リチウム、ホウ素、窒素、酸素等の軽元素も微量に含有するが、定量的な分析が難しいため、本発明では炭素残量の含有率を求める際の計算対象からは除外する。
【００４４】
カーボン皮膜３を形成する方法は特に限定する必要はないが、例えば、前記炭素材料とバインダー成分とを混練した後、溶媒を添加してペースト化し、このペーストを銅板材の最表面に塗布した後、溶媒を除去する方法を例示することができる。
【００４５】
カーボン皮膜３を形成する際に用いる前記溶媒としては、炭素材料やバインダー成分を変質させるおそれがなく、且つ、加熱により除去が容易に行える溶媒であれば特に限定する必要はない。例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、セルソルブアセテート、カルビトールアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、メチルアセテート、エチルアセテートを挙げることができるが、エチルアルコールを用いることが好ましい。これらの溶媒は、単独で用いても２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００４６】
また、炭素材料を９５原子％以上含有するカーボン皮膜３を形成するためには、乾燥時に蒸発しやすいバインダーを用いることが必要であり、これに適したバインダーとして、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリプレングリコール、ポリエチレングリコールを例示することができる。また、乾燥防止剤として、テルピネオール、ブチルカルビトールアセテートを用いれば良い。
【００４７】
このように、本発明のレーザー溶接用銅板材は、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、その銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、その酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３より構成される。よって、表面処理が施されていない未処理の銅板材と比較して低いレーザー出力で、且つ、制御性良くレーザー溶接することが可能になる。また、酸化銅皮膜２により、カーボン皮膜３の銅系基板１への密着性が向上し、加工中の膜剥がれを防止することができる。
【００４８】
また、本発明のレーザー溶接用銅板材を表面未処理の銅板材と重ねてレーザー溶接を実施する際には、レーザー照射によりレーザー照射面が溶融し始めるエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面（レーザー照射面と逆側の面）に達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差が大きくなるため、レーザーによる溶融を接合体の内部で止め、レーザーによって貫通孔が形成されることのないレーザー照射要件を設定することが容易になる。
【００４９】
そこで、板厚０．５ｍｍの銅系基板１の表面側に、適正な膜厚の酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３を順次形成してなる本発明のレーザー溶接用銅板材を、銅系基板１の表面が露出している側の未処理面が接合面となるようにして２枚重ね合わせ、レーザー溶接を実施した。カーボン皮膜３側から、ファイバーレーザーをスポット径：０．１ｍｍφ、速度：２０００ｍｍ／ｍｉｎで照射した際の、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差を測定したところ２００Ｗ以上であった。
【００５０】
このように、レーザー出力差が２００Ｗ以上であると、レーザーによる銅材料の溶融を接合体の内部で止め、レーザーによって貫通孔が形成されることのないレーザー照射要件を設定することが容易になる。尚、このレーザー出力差は３００Ｗ以上であることが好ましく、４００Ｗ以上であることがより好ましく、５００Ｗ以上であることが更に好ましい。尚、このレーザー出力差の上限については制限することはないが、実際は６００Ｗ程度である。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５２】
（発明例１）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、１５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングして、レーザー溶接用銅板材とした。酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０ｎｍであった。
【００５３】
また、カーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース２ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で前記酸化銅皮膜の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００５４】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００５５】
次に、前記表面処理を行った銅板材と表面未処理の純銅板材を用いてレーザー溶接を実施した。詳しくは、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に、前記表面処理を行った銅板材を重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００５６】
その結果、レーザーパワーを８００Ｗ以上にすると、レーザー溶接が可能となり、レーザーパワーを１３００Ｗ以上にすると、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成された。すなわち、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差は、約５００Ｗであった。
【００５７】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験では、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。その結果、９０度の折り曲げ、１８０度の折り曲げともに、カーボン皮膜の剥離は確認できなかった。
【００５８】
（発明例２）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、１５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０ｎｍであった。
【００５９】
引き続き、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングして、レーザー溶接用銅板材とした。このカーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース０．２ｇと、エタノール２０ｍｌを混合して溶液を作製し、その溶液に酸化銅皮膜を表面に形成した銅系基板を浸漬させ引き上げることによりその酸化銅皮膜の表面にカーボン成分を付着させた後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００６０】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００６１】
次に、前記表面処理を行った銅板材と表面未処理の純銅板材を用いてレーザー溶接を実施した。詳しくは、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に、前記表面処理を行った銅板材を重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００６２】
その結果、レーザーパワーを９００Ｗ以上にすると、レーザー溶接が可能となり、レーザーパワーを１３００Ｗ以上にすると、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成された。すなわち、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差は、約４００Ｗであった。
【００６３】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験では、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。その結果、９０度の折り曲げ、１８０度の折り曲げともに、カーボン皮膜の剥離は確認できなかった。
【００６４】
（比較例１）
板厚０．５ｍｍの純銅板の表面を５％希硫酸で洗浄して表面の酸化膜を除去した後、純水洗浄した銅板材を、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００６５】
その結果、レーザーパワーが１３００Ｗ以下では、銅板材の表面に疵ひとつ付けることができず、更に、レーザーパワーを１４００Ｗに上げたところ、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成されてしまった。
【００６６】
（比較例２）
板厚０．５ｍｍの純銅板の表面を５％希硫酸で洗浄して表面の酸化膜を除去した。次に、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）５ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で銅系基板（純銅板）の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで、カーボン皮膜を形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５００ｎｍであった。
【００６７】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ、ＣＭＣ由来のＮａ成分が６．０原子％含まれており、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９４原子％以下であった。
【００６８】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験で、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約５％で剥離が発生していた。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約１５％で剥離が発生していた。
【００６９】
（比較例３）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、３５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングした。酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０μｍであった。
【００７０】
また、カーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース２ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で前記酸化銅皮膜の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００７１】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００７２】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験で、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約１０％で剥離が発生していた。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約２０％で剥離が発生していた。この結果は、酸化銅皮膜の膜厚が厚すぎたため、得られた結果である。
【符号の説明】
【００７３】
１…銅系基板
２…酸化銅皮膜
３…カーボン皮膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気端子、電気接点や通電用バスパー等の導電材料などに用いられ、特にレーザー溶接を容易に実施することができるレーザー溶接用銅板材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅材料や銅合金材料（以下、銅系材料という。）は導電性に優れる金属材料であり、電気端子、電気接点や通電用バスパー等として広く用いられている。これら銅系材料でなる銅板材は、他の導電材料と接合して用いられるため、接合性が良いことが重要な要件となってくる。この銅板材と接合される導電材料としては、同じ銅系材料の他、アルミニウム、鉄、或いはこれらを基板としてその表面にＮｉやＳｎのメッキを施した金属材料が用いられることが多い。銅板材とこれら導電材料との接合には、かしめや半田付けといった方法が多く採用されているが、その他に、抵抗溶接、アークスポット溶接、或いはレーザー溶接といった溶接も採用されることが多い。
【０００３】
近年、接点の小型化が進み、それに伴い小さな接合部位を高速に作製する必要性がでてきており、前記した接合方法の中でも、特に小さな接合点の形成に優れるレーザー溶接が、銅板材とこれら導電材料との接合に採用されることが多くなってきている。このレーザー溶接には、例えば、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザーを用いた溶接があり、これらの中でも、特に小型で高出力が出せるＹＡＧレーザーやファイバーレーザーが小型溶接に採用されることが多く、様々なアルミ材料の溶接、鉄材料の溶接ではこのレーザー溶接が広く適用されるようになってきている。
【０００４】
しかし、銅系材料は、レーザー溶接に用いられる波長領域での反射率が高く、レーザーの吸収が少ないために、アルミや鉄といった他の金属材料と比較してレーザー溶接を行うことは難しいという特性がある。そのため、これまでは銅系材料の溶接に、容易にレーザー溶接を採用することはできなという問題があった。
【０００５】
具体的には、ＹＡＧレーザーの波長は１０６４ｎｍ、ファイバーレーザーの波長は１０７５ｎｍ、ＬＤ（レーザーダイオード）レーザーの波長は７００〜１５００ｎｍであるが、各種金属材料の９００〜１１００ｎｍでのレーザーの光吸収率は、鉄が３５％、ニッケルが３０％、アルミが２８％前後、スズが４５％程度であるのに対し、銅は僅か１０％以下である。
【０００６】
従って、銅系材料をレーザー溶接する場合、レーザーの殆どが銅系材料の表面で反射され、エネルギーが十分に吸収されないため、銅系材料が溶けにくいという現象が生じる。このような溶けにくい材料をレーザー溶接するためには、一般に大きなレーザーエネルギーが必要になる。
【０００７】
また、レーザー溶接では、レーザー照射で金属材料の表面が溶融するとその表面付近にキーホールと呼ばれる溶融穴が形成される。表面付近に一旦キーホールが形成されると、レーザーはこのキーホール内部で複数回反射を繰り返し、レーザーの吸収が増加して金属材料は溶融しやすくなり、深い溶け込みが可能となる。銅系材料の場合、表面反射率が高いためにレーザーによって、なかなか表面が溶融しないが、それでも非常に大きなエネルギーを投入すればその表面付近にキーホールが形成され溶融が進む。
【０００８】
このように、銅系材料をレーザー溶接する場合、その表面のレーザー吸収が極端に小さいため、非常に大きなエネルギーのレーザーを照射する必要があるが、大きなエネルギーを投入し、一旦銅系材料の表面付近にキーホールが形成されると、キーホール内部のレーザーの吸収が増加して一気に溶融が進むことになる。
【０００９】
すなわち、銅系材料にレーザー照射を行う場合、レーザーのパワーが小さい場合は、反射率が高いために表面を溶融することができないが、その表面を溶融することができる程度の非常に大きなパワーを投入した場合は、表面溶融に続いてキーホール内部の溶融が急激に進行してしまい、特にその銅系材料が銅板材である場合はレーザーが銅板材を貫通することになってしまう。
【００１０】
銅板材に貫通孔を設けることが目的であるレーザー加工の場合は、レーザーが貫通することは特に問題となることはないが、レーザー溶接の場合は、レーザーが完全に材料を貫通してしまうことは必ずしも望ましいことでない。また、銅板材の途中で溶融を止めたい場合があるが、そのような場合もその制御は極めて難しい。
【００１１】
例えば、二枚の銅板材を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合、レーザー照射面でない下側の銅板材（レーザー照射面でない側の銅板材は必ずしも下側に位置するとは限らないが、本明細書では便宜上、下側と表現する。）の板厚が厚い場合には、大きな問題になることは少ないが、下側の銅板材の板厚が薄い場合には、レーザーが貫通しやすくなり、その結果、材料に貫通孔が開いてしまうことで様々な不都合を生じることがある。このように、銅系材料は表面反射率が高いために、比較的低パワーでのレーザー溶接が難しく、また、それでもレーザー溶接を行うために高いパワーを投入した場合は、レーザーが重ね合わせた銅板材を貫通してしまうという問題があった。
【００１２】
また、レーザーの照射面側に板厚が厚い銅板材を用いる場合は、高いレーザー溶接パワーが必要になるが、下側の銅板材は少なくとも同程度の板厚となる場合が多い。このような場合は、非常に大きなパワーを投入することが必要になるため、レーザーが下側の銅板材も貫通してしまう可能性が非常に高くなる。そのため、板厚が厚い銅板材をレーザー溶接する場合には、銅板材の表面の反射率制御を行う必要性が出てくる。
【００１３】
更に、大電流用途向けの溶接の場合は、溶接部位に大きな電流が流れ込むこととなるため、溶接部位の電気抵抗の増加が極めて大きな問題となる。
【００１４】
レーザー溶接用の銅板材には、以上のような種々の問題を発生することなく容易にレーザー溶接できるような銅板材が望まれる。
【００１５】
銅板材のレーザー溶接性を改善するためには、レーザー加工面にめっきなどの表面処理を施せば良く、銅板材表面の反射率を低減させてレーザー吸収率を向上させることが可能になる。実際に、自動車用の端子接続においては、めっき銅を用いたＹＡＧレーザー溶接が多用されている。
【００１６】
レーザー溶接性に優れた銅系材料に関する提案例としては、特許文献１記載の、表面にＳｎめっき層を形成した銅または銅合金部材がある。また、特許文献２や特許文献３では、表面にＮｉめっき層を形成することで銅系材料のレーザー溶接性を改善する技術が提案されている。
【００１７】
しかしながら、このような特許文献１〜３に記載の技術を、板厚が比較的厚い銅板材の溶接、大電流用途での銅板材の溶接に適用した場合、溶接部位にＳｎやＮｉなどの金属成分が混入して合金化することで、電気抵抗を増加させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平８−２１８１３７号公報
【特許文献２】特開平７−２１４３６９号公報
【特許文献３】特開２００９−２９１８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、レーザー溶接を容易に行うことが可能で、しかも、溶接部位に合金成分が混入することがなく、また、レーザーによって貫通孔が形成されてしまったり、剥離を生じたりすることもないレーザー溶接用銅板材を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１記載の発明は、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板と、前記銅系基板の表面に形成された酸化銅皮膜と、前記酸化銅皮膜を介して前記銅系基板の最表面に形成されたカーボン皮膜よりなることを特徴とするレーザー溶接用銅板材である。
【００２１】
請求項２記載の発明は、前記酸化銅皮膜の膜厚が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接用銅板材である。
【００２２】
請求項３記載の発明は、前記カーボン皮膜の膜厚が、２０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー溶接用銅板材である。
【００２３】
請求項４記載の発明は、前記カーボン皮膜が、カーボン成分を９５原子％以上含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー溶接用銅板材である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のレーザー溶接用銅板材によると、銅板材であるにかかわらずレーザー溶接を容易に行うことが可能で、しかも、溶接部位に合金成分が混入することがなく、また、レーザーによって貫通孔が形成されてしまったり、剥離を生じたりすることもないという作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態のレーザー溶接用銅板材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明者らは、レーザー溶接が容易にできるレーザー溶接用銅板材を得るために、鋭意、実験、研究を進めた。
【００２７】
まず、銅板材のレーザー溶接性を改善するためには、レーザー加工面にめっきなどの表面処理を施せば良いということに着目し、実験、研究を進めることとした。レーザー溶接性に優れた銅系材料としては、特許文献１〜３に記載されたような、表面にＳｎやＮｉなどのめっき層を施した銅板材が既に公知であるが、このように表面に金属めっき層を形成した場合、溶接部位にめっき金属成分が混入して合金化することで、電気抵抗を増加させてしまう。
【００２８】
そのため、銅板材に合金化する金属成分を有することのない表面処理を施すことを検討した。そこで、本発明者らは表面処理を施すための材料としてカーボン系の材料に着目した。カーボン系材料は銅板材表面の反射率を下げることができ、しかも、カーボンは銅系材料と合金化することもないという特長がある。しかし、一方でこのカーボン系材料は銅系材料との密着性が悪いために、剥離が生じやすいという問題がある。
【００２９】
そこで、本発明者らは、銅系材料およびカーボン系材料に対して密着性に優れ、銅系材料とも合金化することのない層を介することで、これらの問題を解消できることができることを知見し、本発明の完成に至った。
【００３０】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００３１】
本発明のレーザー溶接用銅板材は、例えば、図１に示すように、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、その銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、その酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３より構成される。以下、酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３が、銅系基板１の片面に形成された実施形態に基づいて説明するが、酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３が銅系基板１の両面に形成されていても良いことは勿論である。
【００３２】
本発明のレーザー溶接用銅板材に用いられる銅系基板１は、銅材料或いは銅合金材料でなる。レーザー溶接用銅板材に銅合金材料を用いる場合は、含有される合金元素は銅合金材料を電子材料や電気回路材料に用いることができれば特に限定されず、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｎなどを挙げることができる。尚、これら合金元素は、銅合金材料に単独で含有されても良いし、２種類以上が含有されていても良い。
【００３３】
また、銅合金材料の場合、これら合金元素の含有率は、レーザー溶接後に得られる接合体に要求される機械特性や耐熱性、加工性等に応じて適宜調整され、特に限定されることはないが、例えば、Ｚｎの場合は５０質量％以下、Ａｌの場合は１３質量％以下、Ｆｅの場合は７質量％以下、Ｍｎの場合は３質量％以下、Ｓｎの場合は１０質量％以下含有されることが好ましい。
【００３４】
また、本発明のレーザー溶接用銅板材に用いられる銅系基板１の板厚は、特に限定されることはないが、実質的には０．０５〜２０．０ｍｍである。板厚が０．０５ｍｍより薄いと、銅系基板１が薄くなりすぎて箔の状態となって自立せず、何らかの基材に銅板材を貼り付けて用いることになってしまう。その場合、用いる基材によって溶接状態が著しく変わってしまい、場合によれば溶接を行えなくなる。一方、板厚が２０．０ｍｍを超えると、溶接を実施するのに非常に高いエネルギーが必要になり、レーザー溶接機によれば高いエネルギーを出力できず溶接自体が不可能になる。
【００３５】
この銅系基板１の表面に酸化銅皮膜２が形成されるが、この酸化銅皮膜２は、下地となる銅系基板１の表面側にカーボン皮膜３を形成させるための接着剤のような働きをなし、銅系基板１とカーボン皮膜３との密着性を向上させる。
【００３６】
この酸化銅皮膜２は密着性を向上させる役割で用いられるので、膜厚はなるべく薄い方が良いが、極端に薄いと密着性を向上させる作用を発現できなくなる。膜厚を１０ｎｍ以上とすれば、確実に密着性を向上させる作用を発現できる。一方、酸化銅皮膜２の膜厚が厚すぎると、酸化銅皮膜２自体が壊れて剥離することになる。特に酸化銅皮膜２の膜厚が１０μｍを超えると酸化銅皮膜２自体が銅系基板１の表面から剥離する可能性が高くなるので好ましくはない。従って、酸化銅皮膜２の好ましい膜厚は１０ｎｍ〜１０μｍである。より好ましい膜厚は２０ｎｍ〜１μｍである。
【００３７】
この酸化銅皮膜２は、銅系基板１を大気中で熱処理をすることで簡便に形成することができる。具体的には、１５０℃以上の大気加熱処理を施すことで銅系基板１の表面に容易に酸化銅皮膜２を形成することができる。
【００３８】
この酸化銅皮膜２の表面、すなわち、酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面にはカーボン皮膜３が形成されるが、このカーボン皮膜３が銅板材表面の反射率を低下させ、銅板材の低パワーでのレーザー溶接を可能にさせる。
【００３９】
このカーボン皮膜３の好ましい膜厚は２０ｎｍ〜５０μｍである。カーボン皮膜３の膜厚が２０ｎｍ未満であると、銅板材表面の反射率の低下が十分でなくなる。一方、カーボン皮膜３の膜厚が５０μｍを超えると、カーボン皮膜３が下地の酸化銅皮膜２の表面から剥離しやすくなる。反射率低下の観点からは２０ｎｍ以上で効果が現れ始め、５０ｎｍ以上であればその効果の発現度合いには変わりはない。従って、剥離しにくいという観点からはなるべく薄い方が望ましい。一方で薄い膜を制御良く形成するのは困難であるという問題がある。従って、これら反射率、剥離性、成膜容易性という観点を総合すると、カーボン皮膜３の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍとすることがより好ましい。
【００４０】
銅板材最表面にこのカーボン皮膜３を形成することで、その主成分の炭素材料（カーボン成分）はレーザー溶接時に銅材料と合金化しなくなるため、接合部の電気抵抗が増加する現象を最小限に抑えることができる。
【００４１】
尚、このカーボン皮膜３の形成に用いる炭素材料は、どのような材料であっても基本的には反射率の低下に寄与できるため特に限定する必要はないが、代表的な炭素材料として、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、或いはコークス、更には天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト等を例示することができる。これら炭素材料は、単独で用いても２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００４２】
このカーボン皮膜３は、前記炭素材料を９５原子％以上含有することが好ましく、炭素材料を９５原子％以上含有することで反射率を確実に低下させることができる。また、この炭素材料の含有率は出来る限り高いことが好ましく、より好ましくは９６原子％以上、更に好ましくは９７原子％以上である。
【００４３】
尚、カーボン皮膜３を構成する残量元素は、シリコン、マグネシウム、鉄、カルシウム、アルミニウム等である。水素、リチウム、ホウ素、窒素、酸素等の軽元素も微量に含有するが、定量的な分析が難しいため、本発明では炭素残量の含有率を求める際の計算対象からは除外する。
【００４４】
カーボン皮膜３を形成する方法は特に限定する必要はないが、例えば、前記炭素材料とバインダー成分とを混練した後、溶媒を添加してペースト化し、このペーストを銅板材の最表面に塗布した後、溶媒を除去する方法を例示することができる。
【００４５】
カーボン皮膜３を形成する際に用いる前記溶媒としては、炭素材料やバインダー成分を変質させるおそれがなく、且つ、加熱により除去が容易に行える溶媒であれば特に限定する必要はない。例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、セルソルブアセテート、カルビトールアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、メチルアセテート、エチルアセテートを挙げることができるが、エチルアルコールを用いることが好ましい。これらの溶媒は、単独で用いても２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００４６】
また、炭素材料を９５原子％以上含有するカーボン皮膜３を形成するためには、乾燥時に蒸発しやすいバインダーを用いることが必要であり、これに適したバインダーとして、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリプレングリコール、ポリエチレングリコールを例示することができる。また、乾燥防止剤として、テルピネオール、ブチルカルビトールアセテートを用いれば良い。
【００４７】
このように、本発明のレーザー溶接用銅板材は、銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板１と、その銅系基板１の表面に形成された酸化銅皮膜２と、その酸化銅皮膜２を介して銅系基板１の最表面に形成されたカーボン皮膜３より構成される。よって、表面処理が施されていない未処理の銅板材と比較して低いレーザー出力で、且つ、制御性良くレーザー溶接することが可能になる。また、酸化銅皮膜２により、カーボン皮膜３の銅系基板１への密着性が向上し、加工中の膜剥がれを防止することができる。
【００４８】
また、本発明のレーザー溶接用銅板材を表面未処理の銅板材と重ねてレーザー溶接を実施する際には、レーザー照射によりレーザー照射面が溶融し始めるエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面（レーザー照射面と逆側の面）に達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差が大きくなるため、レーザーによる溶融を接合体の内部で止め、レーザーによって貫通孔が形成されることのないレーザー照射要件を設定することが容易になる。
【００４９】
そこで、板厚０．５ｍｍの銅系基板１の表面側に、適正な膜厚の酸化銅皮膜２とカーボン皮膜３を順次形成してなる本発明のレーザー溶接用銅板材を、銅系基板１の表面が露出している側の未処理面が接合面となるようにして２枚重ね合わせ、レーザー溶接を実施した。カーボン皮膜３側から、ファイバーレーザーをスポット径：０．１ｍｍφ、速度：２０００ｍｍ／ｍｉｎで照射した際の、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差を測定したところ２００Ｗ以上であった。
【００５０】
このように、レーザー出力差が２００Ｗ以上であると、レーザーによる銅材料の溶融を接合体の内部で止め、レーザーによって貫通孔が形成されることのないレーザー照射要件を設定することが容易になる。尚、このレーザー出力差は３００Ｗ以上であることが好ましく、４００Ｗ以上であることがより好ましく、５００Ｗ以上であることが更に好ましい。尚、このレーザー出力差の上限については制限することはないが、実際は６００Ｗ程度である。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５２】
（発明例１）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、１５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングして、レーザー溶接用銅板材とした。酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０ｎｍであった。
【００５３】
また、カーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース２ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で前記酸化銅皮膜の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００５４】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００５５】
次に、前記表面処理を行った銅板材と表面未処理の純銅板材を用いてレーザー溶接を実施した。詳しくは、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に、前記表面処理を行った銅板材を重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００５６】
その結果、レーザーパワーを８００Ｗ以上にすると、レーザー溶接が可能となり、レーザーパワーを１３００Ｗ以上にすると、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成された。すなわち、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差は、約５００Ｗであった。
【００５７】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験では、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。その結果、９０度の折り曲げ、１８０度の折り曲げともに、カーボン皮膜の剥離は確認できなかった。
【００５８】
（発明例２）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、１５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０ｎｍであった。
【００５９】
引き続き、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングして、レーザー溶接用銅板材とした。このカーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース０．２ｇと、エタノール２０ｍｌを混合して溶液を作製し、その溶液に酸化銅皮膜を表面に形成した銅系基板を浸漬させ引き上げることによりその酸化銅皮膜の表面にカーボン成分を付着させた後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００６０】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００６１】
次に、前記表面処理を行った銅板材と表面未処理の純銅板材を用いてレーザー溶接を実施した。詳しくは、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に、前記表面処理を行った銅板材を重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００６２】
その結果、レーザーパワーを９００Ｗ以上にすると、レーザー溶接が可能となり、レーザーパワーを１３００Ｗ以上にすると、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成された。すなわち、レーザー照射面が溶融し始めるのに要するレーザーのエネルギー（溶接開始時レーザー出力）と、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達するのに要するエネルギー（溶融貫通時レーザー出力）との差は、約４００Ｗであった。
【００６３】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験では、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認した。その結果、９０度の折り曲げ、１８０度の折り曲げともに、カーボン皮膜の剥離は確認できなかった。
【００６４】
（比較例１）
板厚０．５ｍｍの純銅板の表面を５％希硫酸で洗浄して表面の酸化膜を除去した後、純水洗浄した銅板材を、板厚０．５ｍｍの表面未処理の純銅板材の上に重ね合わせて、住友機械エレクトロニクス社製のＹｂファイバーレーザーを用い、ファイバーレーザーで重ね合わせ溶接を行った。ファイバー径は０．１ｍｍφとし、前進角５度、加工速度２０００ｍｍ／ｍｉｎとし、また、溶接長を２０ｍｍとした。
【００６５】
その結果、レーザーパワーが１３００Ｗ以下では、銅板材の表面に疵ひとつ付けることができず、更に、レーザーパワーを１４００Ｗに上げたところ、レーザー照射による溶融が接合体の裏面に到達し貫通孔が形成されてしまった。
【００６６】
（比較例２）
板厚０．５ｍｍの純銅板の表面を５％希硫酸で洗浄して表面の酸化膜を除去した。次に、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）５ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で銅系基板（純銅板）の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで、カーボン皮膜を形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５００ｎｍであった。
【００６７】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ、ＣＭＣ由来のＮａ成分が６．０原子％含まれており、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９４原子％以下であった。
【００６８】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験で、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約５％で剥離が発生していた。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約１５％で剥離が発生していた。
【００６９】
（比較例３）
板厚０．５ｍｍの純銅でなる銅系基板の表面に、３５０℃３０分の大気熱処理を施して酸化銅皮膜を形成した後、その酸化銅皮膜の表面にカーボン皮膜をコーティングした。酸化銅皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ２０μｍであった。
【００７０】
また、カーボン皮膜は、市販のカーボン粉末（和光純薬：カーボンブラック）１０ｇに、テルピネオール２０ｇ、エチルセルロース２ｇと、少量のエタノールを混合してペーストを作製し、スクリーン印刷法で前記酸化銅皮膜の表面に一層印刷した後、１２０℃で乾燥させ、更に、窒素雰囲気中３５０℃で焼成することで形成した。カーボン皮膜の膜厚を触針式膜厚計で測定したところ５２０ｎｍであった。
【００７１】
また、カーボン皮膜中の不純物の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散式Ｘ線マイクロアナリシス）分析で調べたところ１．０原子％以下であり、このカーボン皮膜中のカーボン成分は９９原子％以上であった。
【００７２】
次に、銅系基板の表面へのカーボン皮膜の密着性を評価するために、折り曲げ試験を行った。この折り曲げ試験で、半径１０ｍｍの当て金を試験片に密着させ、万力によって９０度に折り曲げて、４倍の顕微鏡によってカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約１０％で剥離が発生していた。また、試験片を１８０度に折り曲げて、同様にカーボン皮膜の剥離の有無を確認したところ、折り曲げ部分の約２０％で剥離が発生していた。この結果は、酸化銅皮膜の膜厚が厚すぎたため、得られた結果である。
【符号の説明】
【００７３】
１…銅系基板
２…酸化銅皮膜
３…カーボン皮膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板と、前記銅系基板の表面に形成された酸化銅皮膜と、前記酸化銅皮膜を介して前記銅系基板の最表面に形成されたカーボン皮膜よりなることを特徴とするレーザー溶接用銅板材。
【請求項２】
前記酸化銅皮膜の膜厚が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接用銅板材。
【請求項３】
前記カーボン皮膜の膜厚が、２０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー溶接用銅板材。
【請求項４】
前記カーボン皮膜が、カーボン成分を９５原子％以上含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー溶接用銅板材。
【請求項１】
銅材料或いは銅合金材料でなる銅系基板と、前記銅系基板の表面に形成された酸化銅皮膜と、前記酸化銅皮膜を介して前記銅系基板の最表面に形成されたカーボン皮膜よりなることを特徴とするレーザー溶接用銅板材。
【請求項２】
前記酸化銅皮膜の膜厚が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接用銅板材。
【請求項３】
前記カーボン皮膜の膜厚が、２０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー溶接用銅板材。
【請求項４】
前記カーボン皮膜が、カーボン成分を９５原子％以上含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー溶接用銅板材。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−９２４０５（Ｐ２０１２−９２４０５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１８０９（Ｐ２０１０−２４１８０９）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【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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