(57)【要約】【課題】溶接母材に金属薄板を溶接する際に、金属薄板を良好に母材に密着させることができる溶接方法を提供する。【解決手段】治具ベース７上に開口面９ｂを下にしてフレーム１を設置し、金属薄板８ａをフレーム１の開口面９ａを塞ぐように載置し、フレーム１内を真空引きすることによって金属薄板８ａをフレーム１に密着させる。この状態で溶接箇所に沿ってレーザービーム１１を照射し、フレーム１と金属薄板８ａを溶接接合する。溶接面２ａに多少の凹凸があっても、その形状にならって金属薄板８ａが変形し密着する。金属薄板８ａを押さえつける治具を用いて溶接面２ａに押し当てる場合に比べて隙間をなくすことができ、溶接入熱により金属薄板８ａに穴が開くことを防止できる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚さ及び所定の高さを有し、開口面（９ａ、９ｂ）が平面で形成されている枠形状を有するフレーム（１）の、少なくともいずれかの開口面を第１の金属薄板（８ａ）で溶接して密閉する溶接方法であって、
前記フレームの一方の開口面（９ｂ）を密閉し、
前記フレームの他方の開口面（９ａ）を閉じるように前記第１の金属薄板を前記フレームの溶接面（２ａ）に押し当て、
前記フレームと前記第１の金属薄板によって形成された空間を真空引きすることによって前記第１の金属薄板を前記フレームの溶接面に密着させた状態で、
前記フレームと前記第１の金属薄板を溶接することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記フレームの側壁面（３）に吸引口（４）が設けられており、前記吸引口を通じて真空引きすることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記フレームの一方の開口面を、金属で形成された治具ベース（７）に押し当てて密閉することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記フレームの一方の開口面を、前記治具ベースと前記フレームの間に介在させた弾性材で形成されたシート（２３）に押し当てて密閉することを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記フレームの少なくとも一方の溶接面上に、溶接箇所に沿って吸引用の溝（２４）が設けられており、
前記溝は、前記吸引口に接続されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項６】
前記フレームの一方の開口面を前記第１の金属薄板で溶接した後、前記フレームの他方の開口面を閉じるように第２の金属薄板（８ｂ）を前記フレームの溶接面（２ｂ）に押し当て、
前記フレームと前記第１の金属薄板と前記第２の金属薄板で形成された空間を真空引きすることによって前記第２の金属薄板を前記フレームの溶接面に密着させた状態で、
前記フレームと前記第２の金属薄板を溶接することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項７】
前記フレームと前記第１の金属薄板と前記第２の金属薄板で形成された空間内に封止する封止対象物（１２）の厚さが前記フレームの高さを超えている場合、
少なくとも前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板のいずれか一方が撓み、かつ、前記第１の金属薄板および前記第２の金属薄板で前記封止対象物を挟むように固定しつつ前記第２の金属薄板を前記フレームの溶接面に押し当てた状態で溶接を行うことを特徴とする請求項６記載の溶接方法。
【請求項８】
前記フレームは矩形枠形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項９】
前記フレームの溶接面のうちいずれか一方の溶接面（２ｃ）が枠内側に向かってフレーム高さが漸減するように傾斜した斜め形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項１０】
前記フレームの溶接面のうちいずれか一方の溶接面と枠の内側面とで形成される稜線が丸められた形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項１１】
前記フレームは、ステンレス鋼、鉄、アルミ又は銅のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項１２】
前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板は、ステンレス鋼、鉄、アルミ又は銅のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項１３】
前記溶接の手段は、レーザー溶接、ＴＩＧ溶接又は抵抗溶接のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属薄板の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の金属材料の圧延技術の進歩により、例えば、数十μｍ程度の厚さのステンレス鋼の金属薄板が利用可能になっており、気密水密性が求められる用途などに、こうした金属薄板の溶接が用いられるようになってきている。
【０００３】
膜厚が数十μｍ程度の金属薄板溶接において、溶接母材と金属薄膜との間に隙間が生じた状態で溶接を行うと、この隙間が生じた部分で金属薄板に入力された熱エネルギーが吸収、蓄積されてしまい、金属薄板が溶けて穴があいてしまうという課題がある。特に、気密水密性が求められる用途では、このような穴が生じると気密水密性が損なわれてしまうため、穴が生じないように溶接を行う必要がある。特許文献１には、２枚以上の金属薄板を高密度エネルギービームにより溶接する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−３０６０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、溶接箇所近傍だけを押圧して溶接を行うと、熱のため金属薄板にしわが生じたりして金属薄板との間に微小な隙間が発生し、この部分で入力された熱エネルギーが吸収、蓄積されて穴があいてしまい、溶接不良が生じてしまう。
【０００６】
また、溶接箇所近傍に金属薄板の溶接個所への密着を阻害するような構造物が存在する場合は、その形状に沿って金属薄板を溶接箇所に押し当てるために特別な形状を有した押さえ治具を必要とし、あるいは、形状によっては金属薄板を密着させること自体が困難な場合がある。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑み、溶接母材に金属薄板を溶接する際に、金属薄板を良好に母材に密着させることができる溶接方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載した溶接方法は、所定の厚さ及び所定の高さを有し、開口面が平面で形成されている枠形状を有するフレームの、少なくともいずれかの開口面を金属薄板で溶接して密閉する溶接方法である。ここで、このフレームの一方の開口面を密閉し、フレームの他方の開口面を閉じるように金属薄板をフレームの溶接面に押し当てる。そして、フレームと金属薄板によって形成された空間を真空引きすることによって金属薄板をフレームの溶接面に密着させた状態で、フレームと金属薄板を溶接する。真空引きすることで、金属薄板がフレームの溶接面に良好に密着して隙間が生じることがないため、溶接によって穴が生じることを回避でき、良好な溶接を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態において溶接を行う概念的な構成を模式的に示す図
【図２】溶接時の概念的な状況を模式的に示す図
【図３】フレームの構造を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上方向から見た平面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡＡ線に沿った断面をＶ方向から見た図
【図４】溶接装置、操作部、溶接対象物を含む全体構成を示す図
【図５】溶接方法を工程順に説明するための図（その１）
【図６】溶接方法を工程順に説明するための図（その２）
【図７】溶接方法を工程順に説明するための図（その３）
【図８】溶接方法を模式的に示す断面図であって、図３（ｂ）のＢＢ線に沿った断面図に相当する図
【図９】本発明の第２の実施形態を示す図８相当図
【図１０】本発明の第３の実施形態での封止対象物がフレーム厚さより厚い場合を示す図８相当図
【図１１】本発明の第４の実施形態での吸引用溝を設けたフレームを模式的に示す斜視図
【図１２】吸引用溝を設けたフレームを溶接する状況を模式的に示す斜視図
【図１３】吸引用溝を設けたフレームを溶接する状況を示す図８相当図
【図１４】吸引用溝の種々の断面構造を模式的に示す図
【図１５】本発明の第５の実施形態において、溶接面が斜め形状であるフレームを溶接する状況を示す図８相当図
【図１６】本発明の第６の実施形態において、溶接面と枠の内側面とで形成される稜線（角部）が丸められた形状であるフレームを溶接する状況を示す図８相当図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、同一の機能、構成を有する構成要素については、同一符号を付している。図面は模式的なものであり、厚みや平面寸法、もしくはそれらの比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１、図２又は図３において、溶接母材であるフレーム１は、上下方向に開口した矩形枠形状を有しており、その枠部分の上面及び下面がそれぞれ溶接面２ａ及び２ｂとされている。それぞれの溶接面２ａ、２ｂを含む面（以下、開口面９ａ及び９ｂという）は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、略平面になるように形成されている。フレーム１は、例えば、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４により形成されている。
【００１２】
図３（ａ）に示すように、フレーム１の側壁面３には枠の内外方向に貫通する真空引き用穴（吸引口）４を有しており、真空引き用穴４には外側から真空引き用パイプ５が接続されている。真空引き用パイプ５は、後述する真空ポンプ６（図４に図示）に接続されて、フレーム１と、後述する治具ベース７、金属薄板８ａ又は８ｂとで形成される内部空間内を真空引きする用途に用いられる。
【００１３】
図１に示すように、金属薄板８ａ及び８ｂは、それぞれフレーム１の図における上下方向から開口面９ａ及び９ｂを塞ぐように押し当てられる。図２に示すように、金属薄板８ａ及び８ｂによってフレーム１の開口面９ａ、９ｂを塞ぎ、フレーム１内を真空引きすることによって金属薄板８ａ及び８ｂをフレーム１に密着させる。この状態で溶接箇所１０に沿ってレーザービーム１１を照射し、フレーム１と金属薄板８ａ、８ｂを溶接接合する。このように、フレーム１、金属薄板８ａ及び８ｂで形成された密閉空間を形成することができる。金属薄板８ａ及び８ｂは、例えば、膜厚およそ３０μｍから１００μｍ程度のステンレス鋼ＳＵＳ３０４である。
【００１４】
この実施形態では封止対象物として熱電モジュール１２を想定しているため、熱電モジュール１２で発生した電流を取り出すための配線１３が、フレーム１に設けられたフィールドスルー１４を通じてフレーム１の枠の外部に引き出されている。
【００１５】
なお、上述した図１及び図２は本実施形態を概念的に示したものであって、実際には、後述するように、溶接面２ａ、２ｂを片面ずつ、それぞれ金属薄板８ａ、８ｂで順に溶接していく。
【００１６】
溶接装置は、図４に示す構成を備えている。すなわち、溶接対象物を載せる台となる治具ベース７と、治具ベース７を載せるＸＹステージ１５と、ＸＹステージ１５の上下方向位置を調整するＺ軸ステージ１６を備える。治具ベース７は、例えば、アルミニウムにより形成されている。また、レーザー発振機１７と、レーザー発振機１７から出射したレーザービーム１１をＸＹステージ１５方向に向けるための反射ミラー１８と、レーザービーム１１を集光させるための集光レンズ１９を備える。さらに、溶接時にフレーム１の内部空間を真空引きするための真空ポンプ６が設置されている。真空ポンプ６として、例えばロータリーポンプを用いることができる。
【００１７】
これらの装置は、エンクロージャー２０の内部に設置されている。エンクロージャー２０の外部には、ＸＹステージ１５及びＺ軸ステージ１６の位置調節、真空ポンプ６、レーザー発振機１７の操作等をするための操作盤２１が設置されている。
【００１８】
次に、図５から図８を用いて、具体的な溶接方法を工程順に説明する。
まず、図５に示すように、フレーム１を、その開口面９ｂを下にして治具ベース７上に密着させるようにして設置する。次に、フレーム１の上側の開口面９ａを金属薄板８ａによって塞ぐように金属薄板８ａを載置し、次いで、図６に示すように、押さえ治具２２を金属薄板８ａの端部に沿って設置する。押さえ治具２２は、例えば銅によって形成されており、図示しないボルトによって治具ベース７に固定する。これにより、フレーム１は、その開口面９ｂ、９ａが、それぞれ治具ベース７、金属薄板８ａにより閉鎖された状態で固定される。押さえ治具２２は、金属薄板８ａの位置決め固定のためと、後述する真空引き時に金属薄板８ａがフレーム１の内側に引き込まれるのを防止するために使用している。
フレーム１と治具ベース７と金属薄板８ａによって形成されたフレーム１の内部空間は、真空引き用パイプ５を介して真空ポンプ６に接続されている。開口面９ａ及び９ｂは概略平面であるため、治具ベース７及び金属薄板８ａにほぼ隙間がない状態で接している。
【００１９】
次に、図７に示すように、フレーム１の内部空間を、真空引き用パイプ５を介して真空ポンプ６で真空引きする。そうすると、金属薄板８ａが、全面にわたってフレーム１の内部方向に引っ張られて溶接面２ａに密着し、金属薄板８ａと溶接面２ａの間に隙間なく密着した状態を作り出すことができる。一方、フレーム１と治具ベース７は、上述のようにボルトによって固定されており、フレーム１内に形成された空間を真空引きするのに十分な密着性を有している。ここで真空とは、周囲の圧力に対して減圧された状態を意味し、治具ベース７及び金属薄板８ａが、それぞれフレーム１の内部空間方向に吸引されて、フレーム１の溶接面２ｂ及び２ａに密着する用途に利用できる程度の圧力に減圧された状態を意味する。
次に、この状態で、溶接箇所１０に沿ってレーザービーム１１を照射し、金属薄板８ａと溶接面２ａを溶接して接合する。これにより、金属薄板８ａと溶接面２ａの間の隙間をなくすることができるため、溶接箇所に穴が生じることを防止し、良好な溶接が可能となる。
【００２０】
次に、金属薄板８ａが溶接されたフレーム１を上下反転させ、図５、図６、図７で説明した工程と同様の工程を進めて、金属薄板８ｂと溶接面２ｂを溶接して接合する。このようにして、フレーム１は、その開口面９ａ、９ｂがそれぞれ金属薄板８ａ、８ｂにより塞がれて密閉される。封止対象物が存在する場合は、上下反転したフレーム１内に封止対象物を設置し、金属薄板８ｂと溶接面２ｂを溶接する。封止対象物が存在する場合の溶接方法については後に詳述する。
【００２１】
図８は、図７に示した工程、すなわち、フレーム１の内部空間を、真空引き用パイプ５を介して真空ポンプ６で真空引きし、フレーム１に金属薄板８ａを密着させている状況を断面図によって示したものである。ここではフレーム１の内部に封止物が存在しない場合を示しているため、真空引き時に金属薄板８ａが下方向に撓んだ形状となっている。図８において、開口面９ｂは治具ベース７に押圧されて密閉され、開口面９ａは金属薄板８ａによって閉じられている。このような状態で、フレーム１の内部空間を真空引きすると、金属薄板８ａ及び治具ベース７は吸引されて、それぞれフレーム１の溶接面２ａ及び２ｂに密着する。この状態でレーザービーム１１を照射し、金属薄板８ａと溶接面２ａを溶接して接合する。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態によれば、金属薄板８ａ、８ｂをフレーム１の溶接面２ａ、２ｂに真空引きによって吸着させているため、溶接面２ａ、２ｂに多少の凹凸があっても、その形状にならって金属薄板８ａ、８ｂが変形し、密着することが可能である。従って、金属薄板８ａ、８ｂを押さえつける治具を用いて溶接面に押し当てる場合に比べて隙間をなくすことが可能となり、溶接入熱により金属薄板８ａ、８ｂに穴が開くことを防止できる。
【００２３】
（第２の実施形態）
図９において、フレーム１は、弾性材で形成されたシート２３を介して治具ベース７に押圧されている。これは、開口面９ｂ又は溶接面２ｂに凹凸が存在して平面度が不足し、フレーム１と治具ベース７との間で気密状態が達成できない場合に、補助的にシート２３を用いて平面度の不足もしくは凹凸を補い、気密状態を実現するための手段として適用することができる。シート２３は例えばシリコーンゴムで形成されたシートを用いることができる。
【００２４】
（第３の実施形態）
図１０は、本実施形態によって、フレーム１の中に熱電モジュール１２を封止する溶接工程を断面図で示したものである。図１０において、フレーム１に金属薄板８ａを溶接した状態で、当該金属薄板８ａと、次に溶接する金属薄板８ｂとによって熱電モジュール１２を挟み込むように配置する。さらに、押さえ治具２２によって、金属薄板８ｂを撓ませながら押圧し溶接面２ｂに固定する。ここで、熱電モジュール１２の厚さがフレーム１の厚さよりも厚いのは、金属薄板８ａと８ｂによって熱電モジュール１２を挟んで固定するためである。フレーム１の厚さは、熱電モジュール１２の厚さと、金属薄板８ｂの撓みを考慮して設定している。
【００２５】
次に、真空ポンプ６を作動させ、フレーム１内の空間を真空引きする。そうすると、金属薄板８ｂは真空引きによって吸引され、熱電モジュール１２とフレーム１によって形成された形状にならって変形し、溶接面２ｂ表面に密着固定される。図１０はこの状態を示している。その後、溶接箇所１０にレーザービーム１１を照射し溶接を行う。
【００２６】
このように、封止物（ここでは熱電モジュール１２）をフレーム１の厚さよりも厚く設定して、金属薄板８ａ及び８ｂで挟み込むように溶接することで、封止物をフレーム１内に固定することができる。また、このように封止すると、封止物と金属薄板８ａ、８ｂが密着し、金属薄板８ａ、８ｂを介した熱伝導効率が向上するため、例えば本実施形態のように熱電モジュール１２を用いた場合に好適となる。
【００２７】
本実施形態によれば、金属薄板８ｂを溶接面２ｂに、真空引きによって吸着させているため、溶接面２ｂ近傍に、金属薄板８ｂの溶接面２ｂへの密着を阻害するような構造物（本実施形態では、熱電モジュール１２）が存在する場合でも、その形状に沿って金属薄板８ｂが変形し、溶接面２ｂに密着させることが可能である。従って、金属薄板８ｂを溶接面２ｂに密着させるための特殊な形状を有する治具を用いる必要がなく、容易に隙間をなくすことが可能となり、良好な溶接が可能となる。
【００２８】
（第４の実施形態）
図１１から図１４は、溶接面２ａもしくは２ｂに、吸引用の溝２４を形成した場合の実施形態を示している。図１１から図１４に示すように、溝２４は、フレーム１の溶接面２ａに、一周に亘り溶接箇所１０に沿ってその内側と外側に、２列に並行して形成されている。金属薄板８ａが開口面９ａを塞ぐように固定された状態で、溶接箇所１０にレーザービームを照射して溶接する。
【００２９】
図１３に示すように、溝２４は、フレーム１の枠内部において真空引き用穴４に接続されている。真空引き用パイプ５を介して真空引きすると、溝２４に沿って治具ベース７と金属薄板８ａが吸引され、それぞれ溶接面２ｂと２ａに密着する。このように、溶接箇所１０に沿って吸引用の溝２４を形成すると、溶接面２ａにおいても金属薄板８ａを吸引する作用が生じるため、金属薄板８ａが溶接面２ａの溶接箇所１０に沿って密着し、さらに隙間が生じにくくなる。なお、図１３において、押さえ治具２２は省略している。
【００３０】
図１４は、本実施形態における様々な溝の形状を断面図によって示したものである。溝２４は、図１４（ａ）に示すように溶接面２ａ及び２ｂに設けても良い。また、溝２４が接続する真空引き用穴４は、図１４（ｂ）に示すように、フレーム１の側壁部を貫通せず、溝２４だけに接続されている構造でも良い。この場合は、フレーム１の内部空間は真空引きされることがなく、金属薄板８ａ、８ｂは溝２４において局所的に吸引される。
【００３１】
（第５実施形態）
図１５において、フレーム１の溶接面２ｃは、枠の内側方向に向かって、フレーム高さが漸減するように傾斜した斜め形状である。金属薄板８ａを開口面９ａに押し当て、フレーム１と金属薄板８ａ及び治具ベース７で形成された空間が真空引きされることで、金属薄板８ａは下方向に吸引されて図のように下側に撓んで変形するため、斜め形状の溶接面２ｃにおいて、形状がより一致して密着することが可能となる。
【００３２】
（第６実施形態）
図１６において、フレーム１の溶接面２ａ、２ｂと枠の内壁面とで形成される稜線（角部）Ｐが丸められている。真空引きによって金属薄板８ａが下方向に撓んだ状態となると、稜部の角度が鋭角の場合に、ここに応力がかかるため破れが生じやすい。しかし、上記のように稜部を丸められた形状にすることによって応力を緩和できるため、この部分での金属薄板８ａの破れの発生を抑制することができる。
【００３３】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
本実施形態では、開口面９ａ、９ｂ及び溶接面２ａ、２ｂは、厳密な平面である必要はなく、概略平面であればよい。すなわち、後述する治具ベース７及び金属薄板８ａ又は８ｂが、真空引きによって内部空間方向に引っ張られた結果、フレーム１の溶接面２ａ又は２ｂに密着し、枠の内部空間を減圧するのに十分な平面度であればよい。
【００３４】
本実施形態では、一例として、フレーム１の内部空間に熱電モジュール１２を封止する実施形態を示しているが、熱電モジュール以外のデバイスや様々な部材を封止することもできる。また、封止物がない状態でも良い。
【００３５】
本実施形態では、膜厚３０μｍから１００μｍ程度の金属薄板を矩形枠形状のフレームに溶接する溶接方法として説明したが、金属薄板の膜厚はこの範囲の膜厚に限定されない。例えば、数μｍ、数百μｍ、もしくは数ｍｍ程度の膜厚の金属薄板であっても良い。
【００３６】
フレームは矩形枠形状に限定されない。丸型枠形状でも良いし、その他の枠形状でも良い。片方の開口面が閉じられた有底のフレームであっても良い。第５の実施形態において、一方の溶接面が斜めになった例を示したが、フレームの上下両方の溶接面が斜めになっていても良い。第６の実施形態において、一方の稜線（角部）が丸められた例を示したが、フレームの上下両方の稜線が丸められていても良い。
【００３７】
本実施形態では、金属薄板８ａ、８ｂ、及びフレーム１の材質として、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を例示して説明したが、他のステンレス鋼を用いることもできる。また、ステンレス鋼に限らず、他の金属、例えば、鉄、アルミ又は銅を用いることができる。
【００３８】
本実施形態では、溶接手段としてレーザー溶接を適用した例を示したが、レーザー溶接に限定されず、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas溶接）又は抵抗溶接を用いることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
図面中、１はフレーム、２ａ、２ｂ、２ｃは溶接面、３は側壁面、４は真空引き用穴（吸引口）、５は真空引き用パイプ、６は真空ポンプ、７は治具ベース、８ａ、８ｂは金属薄板、９ａ、９ｂは開口面、１０は溶接箇所、２３は弾性材で形成されたシート、２４は吸引用の溝、である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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