(57)【要約】【課題】スパッタの発生量を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】金属の第１母材と、前記第１母材の表面に重ねて配置されている金属の第２母材とをレーザーを用いて溶接する重ね継手溶接方法であって、前記第２母材の表面に前記レーザーを斜めに照射した状態で前記第２母材の前記表面に沿って前記レーザーを移動させる照射ステップを備えており、前記照射ステップでは、前記第２母材の前記表面に対する前記レーザーの入射角度が２０°以上３５°以下であり、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鋭角が形成されている側から、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鈍角が形成されている側へ前記レーザーを移動させる、重ね継手溶接方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の第１母材と、前記第１母材の表面に重ねて配置されている金属の第２母材とをレーザーを用いて溶接する重ね継手溶接方法であって、
前記第２母材の表面に前記レーザーを斜めに照射した状態で前記第２母材の前記表面に沿って前記レーザーを移動させる照射ステップを備えており、
前記照射ステップでは、前記第２母材の前記表面に対する前記レーザーの入射角度が２０°以上３５°以下であり、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鋭角が形成されている側から、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鈍角が形成されている側へ前記レーザーを移動させる、重ね継手溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、重ね継手溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に溶接方法が開示されている。特許文献１の溶接方法は、金属の第１母材と、第１母材の表面に重ねて配置されている金属の第２母材とをレーザーを用いて溶接する方法である。この溶接方法では、第２母材の表面にレーザーを垂直に照射した状態で第２母材の表面に沿ってレーザーを移動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の溶接方法では、第２母材の表面にレーザーを照射したときに多量のスパッタが発生するという問題があった。多量のスパッタが発生すると、製造される製品の品質に影響がおよぶことがある。そこで本明細書は、スパッタの発生を抑制することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する重ね継手溶接方法は、金属の第１母材と、前記第１母材の表面に重ねて配置されている金属の第２母材とをレーザーを用いて溶接する方法である。重ね継手溶接方法は、前記第２母材の表面に前記レーザーを斜めに照射した状態で前記第２母材の前記表面に沿って前記レーザーを移動させる照射ステップを備えている。前記照射ステップでは、前記第２母材の前記表面に対する前記レーザーの入射角度が２０°以上３５°以下であり、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鋭角が形成されている側から、前記第２母材の前記表面と前記レーザーとの間に鈍角が形成されている側へ前記レーザーを移動させる。
【０００６】
この構成によれば、第２母材にレーザーを照射したときに発生するガスが、レーザーが移動する方向と反対側の方向に排出される。そのため、第２母材にレーザーを照射したときに発生する溶融金属がレーザーの前方でガスによって飛散することを抑制することができ、スパッタの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例に係る重ね継手溶接方法を示す図である。
【図２】試験１の試験結果を示す図である。
【図３】試験２の試験結果を示す図である。
【図４】他の実施例に係る重ね継手溶接方法を示す図である。
【図５】実施例に係る重ね継手溶接方法を電力変換装置に適用した場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施例に係る重ね継手溶接方法について図面を参照して説明する。図１に示すように、実施例に係る重ね継手溶接方法は、金属の第１母材１０と金属の第２母材２０とをレーザーＬを用いて接合する方法である。
【０００９】
金属の第１母材１０は、板状に形成されている。第１母材１０を形成する金属は、例えば銅（Ｃｕ）等である。この第１母材１０は、例えば半導体装置における端子や電力変換装置におけるバスバー等である。
【００１０】
金属の第２母材２０は、第１母材１０と同様に、板状に形成されている。第２母材２０を形成する金属は、例えば銅（Ｃｕ）等である。この第２母材２０は、第１母材１０の表面１１に重ねて配置されている。第２母材２０の裏面２２と、第１母材１０の表面１１が接触している。第１母材１０と第２母材２０が縦方向に積層されている。金属の第２母材２０は、例えば半導体装置における端子や電力変換装置におけるバスバー等である。
【００１１】
第１母材１０と第２母材２０とを接合する重ね継手溶接方法では、第２母材２０の表面２１に対してレーザーＬが照射される。このレーザーＬは、レーザー照射装置９０から照射される。レーザー照射装置９０は、第２母材２０の斜め上方に配置されている。レーザー照射装置９０は、第２母材２０の表面２１にレーザーＬを照射するときの照射角度を調整可能に構成されている。レーザー照射装置９０の動作は制御装置１００によって制御される。レーザー照射装置９０の構成は特に限定されるものではない。
【００１２】
重ね継手溶接方法は、第１母材１０と第２母材２０とを重ね合わせた状態で、第２母材２０の表面２１にレーザーＬを照射する照射ステップを備えている。照射ステップでは、レーザー照射装置９０が、第２母材２０の表面２１に対してレーザーＬを斜めに照射する。このときに、第２母材２０の表面２１に対するレーザーＬの入射角度αは２０°以上３０°以下である。すなわち、第２母材２０の表面２１の法線Ｎと、レーザーＬの軸線Ｍとのなす角度は、２０°以上３０°以下である。第２母材２０の表面２１にレーザーＬを照射したときに、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間には、鋭角β１と鈍角β２（１８０°−β１）が形成される。このときの鋭角β１は、レーザーＬの進行方向後方に形成される。これに対して、鈍角β２は、レーザーＬの進行方向前方に形成される。
【００１３】
また、照射ステップでは、第２母材２０の表面２１にレーザーＬを照射した状態で、第２母材２０の表面２１に沿ってレーザーＬを移動させる。より詳細には、照射ステップでは、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２（１８０°−β１）が形成されている側へ、レーザーＬを移動させる。制御装置１００がレーザー照射装置９０を移動させることによってレーザーＬが移動する。制御装置１００は、第２母材２０の表面２１に沿ってレーザー照射装置９０を平行移動させる。制御装置１００は、図１の左から右へ（矢印Ｐの方向へ）レーザー照射装置９０を移動させる。
【００１４】
重ね継手溶接方法では、レーザー照射装置９０がレーザーＬを第２母材２０の表面２１に照射すると、第２母材２０とその下の第１母材１０が溶融する。また、溶融した第２母材２０と第１母材１０の金属が再び凝固することによって第２母材２０と第１母材１０が接合される。
【００１５】
上記の説明から明らかなように、上記の重ね継手溶接方法では、金属の第１母材１０と、第１母材１０の表面１１に重ねて配置されている金属の第２母材２０とをレーザーＬを用いて溶接する。重ね継手溶接方法は、第２母材２０の表面２１にレーザーＬを斜めに照射した状態で第２母材２０の表面２１に沿ってレーザーＬを移動させる照射ステップを備えている。第２母材２０の表面２１に対するレーザーＬの入射角度αが２０°以上３５°以下である。照射ステップでは、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２が形成されている側へレーザーＬを移動させる。
【００１６】
この構成によれば、第２母材２０の表面２１にレーザーＬを照射したときに発生するガスが、レーザーＬが移動する方向と反対側の方向（鋭角β１が形成されている側）に排出される。そのため、レーザーＬの前方（鈍角β２が形成されている側）にガスが排出されることが抑制される。これによって、第２母材２０にレーザーＬを照射したときに発生する溶融金属がレーザーＬの前方で発生するガスによって飛散することを抑制することができる。そのため、ガスと溶融金属に起因して生じるスパッタの発生を抑制することができる。
【００１７】
［試験例］
上記の重ね継手溶接方法について試験１及び試験２を行った。試験１及び試験２では、重ね継手溶接方法において発生するスパッタを高感度カメラで撮影して観察した。
【００１８】
試験１及び試験２の試験体における第１母材１０の厚みは、０．８ｍｍとした。また、第２母材２０の厚みは、０．５ｍｍとした。また、第１母材１０及び第２母材２０の金属は、銅（Ｃ１０２０）とした。
【００１９】
また、試験１及び試験２では、照射ステップにおけるレーザーＬの出力を５．５ｋＷとした。また、第２母材２０の表面２１におけるレーザーＬのスポットサイズを直径０．４５ｍｍとした。また、レーザーＬを移動させるときの移動速度を２５０ｍｍ／ｓとした。また、レーザーＬの照射時間を１０ｍｓとした。
【００２０】
［試験１］
試験１では、以下に説明する試験例１と比較例１を比較した。試験例１及び比較例１では、それぞれ５０個の試験体を用いて重ね継手溶接方法を実施した。試験例１及び比較例１では、各試験体に対して照射ステップを６回繰り返して行った。すなわち、試験例１及び比較例１では、それぞれ３００回（＝５０個×６回）の照射ステップを行った。また、試験例１及び比較例１では、第２母材２０の表面２１に対するレーザーＬの入射角度αを３５°とした。
【００２１】
［試験例１］
試験例１では、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２が形成されている側へ、レーザーＬを移動させた。すなわち、図１に示す矢印Ｐの方向へレーザーＬを移動させた。
【００２２】
［比較例１］
比較例１では、上記の試験例１と反対に、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側へ、レーザーＬを移動させた。すなわち、図１に示す矢印Ｐと反対の方向へレーザーＬを移動させた。
【００２３】
［試験１の試験結果］
上述したように、試験例１及び比較例１では、それぞれ３００回の照射ステップを実行した。試験例１及び比較例１において、１回の照射ステップにおいて少なくとも１粒のスパッタが発生した場合は、その照射ステップをスパッタの発生回数としてカウントした。また、１回の照射ステップにおいて複数のスパッタが発生した場合は、高感度カメラで撮影した画像から、複数のスパッタのうちで最も大きいスパッタの径（スパッタの最大径）を測定した。
【００２４】
試験１の試験結果を図２に示す。図２では、試験例１及び比較例１におけるスパッタの発生率及びスパッタの最大径を示している。スパッタの発生率は、照射ステップを実行した回数に対するスパッタの発生回数の割合である。すなわち、スパッタの発生率＝スパッタの発生回数／照射ステップの実行回数（試験１では３００回）である。
【００２５】
図２に示すように、試験例１では比較例１よりもスパッタの発生率が低かった。試験例１でのスパッタの発生率は、１．６％であった。一方、比較例１でのスパッタの発生率は、２９．９％であった。また、試験例１では比較例１よりも発生するスパッタの最大径が大きかった。試験例１では、発生するスパッタの最大径が０．２ｍｍ以下であった。
【００２６】
［試験２］
試験２では、以下に説明する試験例２−５と比較例２−８を比較した。試験例２−５及び比較例２−８では、それぞれ９６個の試験体を用いて重ね継手溶接方法を実施した。試験例２−５及び比較例２−８では、各試験体に対して照射ステップを６回繰り返して行った。すなわち、試験例１及び比較例１では、それぞれ５７６回（＝９６個×６回）の照射ステップを行った。
【００２７】
［試験例２−５］
試験例２では、第２母材２０の表面２１に対するレーザーＬの入射角度αを２０°とした。また、試験例３，４，５では、それぞれ、レーザーＬの入射角度αを２５°，３０°，３５°とした。
【００２８】
また、試験例２−５では、上記の試験例１と同様に、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２が形成されている側へ、レーザーＬを移動させた。すなわち、図１に示す矢印Ｐの方向へレーザーＬを移動させた。
【００２９】
［比較例２−８］
比較例２では、第２母材２０の表面２１に対するレーザーＬの入射角度αを０°とした。また、比較例３，４，５，６，７，８では、それぞれ、レーザーＬの入射角度αを５°，１０°，１５°，４０°，４５°，５０°とした。
【００３０】
また、比較例２−８では、上記の比較例１と同様に（上記の試験例２−５と反対に）、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鈍角β２が形成されている側から、第２母材２０の表面２１とレーザーＬとの間に鋭角β１が形成されている側へ、レーザーＬを移動させた。すなわち、図１に示す矢印Ｐと反対の方向へレーザーＬを移動させた。
【００３１】
［試験２の試験結果］
上述したように、試験例２−５及び比較例２−８では、それぞれ５７６回の照射ステップを実行した。試験例２−５及び比較例２−８において、１回の照射ステップにおいて少なくとも１粒のスパッタが発生した場合は、その照射ステップをスパッタの発生回数としてカウントした。また、１回の照射ステップにおいて複数のスパッタが発生した場合は、高感度カメラで撮影した画像から、複数のスパッタのうちで最も大きいスパッタの径（スパッタの最大径）を測定した。
【００３２】
試験２の試験結果を図３に示す。図３では、試験例２−５及び比較例２−８におけるスパッタの発生率及びスパッタの最大径を示している。スパッタの発生率は、照射ステップを実行した回数に対するスパッタの発生回数の割合である。すなわち、スパッタの発生率＝スパッタの発生回数／照射ステップの実行回数（試験２では５７６回）である。
【００３３】
図３に示すように、試験例２−５では比較例２−８よりもスパッタの発生率が低かった。試験例２−５でのスパッタの発生率は、１．１％以下であった。一方、比較例２−８でのスパッタの発生率は、１．２％以上であった。また、試験例２−５では比較例２−８よりも発生するスパッタの最大径が大きかった。試験例２−５では、発生するスパッタの最大径が０．２ｍｍ以下であった。
【００３４】
上記の試験１及び試験２の試験結果から明らかなように、レーザーＬを用いた重ね継手溶接方法について研究したところ、レーザーＬの入射角度αと、レーザーＬを移動させる方向とを工夫することによって、第２母材２０にレーザーＬを照射したときにスパッタの発生を抑制することができることが確認された。
【００３５】
以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
上記の実施例では、第１母材１０と第２母材２０が縦方向に積層されていたが、この構成に限定されず、他の実施例では、図４に示すように、第１母材１０と第２母材２０が横方向に積層されていてもよい。このような場合でも重ね継手溶接方法を用いることができる。
【００３７】
また、上記の重ね継手溶接方法は、例えば自動車部品の溶接に適用されてもよい。例えば、図５に示すように、重ね継手溶接方法は、自動車における電力変換装置７０に適用されてもよい。電力変換装置７０は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されている。電力変換装置７０は、直流電力を交流電力に変換するインバーター７１を備えている。インバーター７１は、複数のバスバー７２と、複数の半導体装置８０とを備えている。半導体装置８０は、複数の端子８１を備えている。複数のバスバー７２と、複数の端子８１とが並んで配置されている。各バスバー７２と、各半導体装置８０の各端子８１とが、上記の重ね継手溶接方法によって接合される。この場合、バスバー７２が第１母材１０に相当し、端子８１が第２母材２０に相当している。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０：第１母材、１１：表面、２０：第２母材、２１：表面、２２：裏面、７０：電力変換装置、７１：インバーター、７２：バスバー、８０：半導体装置、８１：端子、９０：レーザー照射装置、１００：制御装置、Ｌ：レーザー、α：入射角度、β１：鋭角、β２：鈍角
【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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