(57)【要約】      （修正有）【課題】熟練した技術を必要とせずに、金型に熱的悪影響を一切与えることなく、金型の極微細な傷や極僅かな変形を補修し、補修後の金型に高い耐久性を付与し得る手段を提供する。【解決手段】１次電極４に溶加材パウダー２を付着させ、金属からなる母材（カッターナイフ３）の溶接部位（刃こぼれ部分）に、溶加材パウダー２を当接させて、１次電極４と、母材に電気的に接続された２次電極５と、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して抵抗熱を発生させ、母材の溶接部位に、溶加材パウダー２を溶着させる（工程Ａ）。次いで、母材の溶接部位に溶着した溶加材パウダー２にレーザービーム６を照射し、溶加材パウダー２及びそれを溶着させた母材の一部を溶融させる（工程Ｂ）。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電極ａに溶加材パウダーを付着させ、金属からなる母材の溶接部位に前記溶加材パウダーを当接させて、前記１次電極ａと、前記母材に電気的に接続された２次電極ａと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して抵抗熱を発生させ、前記母材の溶接部位に前記溶加材パウダーを溶着させる工程Ａと、
前記母材の溶接部位に溶着した前記溶加材パウダーにレーザービームを照射し、前記溶加材パウダー及びそれを溶着させた母材の一部を溶融させる工程Ｂと、
を有する溶接方法。
【請求項２】
１次電極ａに溶加材パウダーを付着させ、金属からなる母材の溶接部位に前記溶加材パウダーを当接させて、前記１次電極ａと、前記母材に電気的に接続された２次電極ａと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して抵抗熱を発生させ、前記母材の溶接部位に前記溶加材パウダーを溶着させる工程Ａと、
前記溶加材パウダーを溶着させた母材の溶接部位の近傍に配設された１次電極ｂと、前記母材に電気的に接続された２次電極ｂと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して、前記１次電極ｂと前記母材との間に断続的にアークを発生させ、アークの発生による熱によって前記溶加材パウダー及びそれが溶着した母材の一部を溶融させる工程Ｃと、
を有する溶接方法。
【請求項３】
前記母材の溶接部位の大きさが、５μｍ以上５００μｍ以下である請求項１又は２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、金属からなる母材の極微細な部分に、金属からなる溶加材を溶融接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品を大量生産する場合、精密な金型は不可欠で重要なものである。特に、近年の電子電気製品では、そのデザインとともに形態の微妙な仕上がりが評価の決め手となる場合があり、金型に対する要求は高まってきている。そのため、価格も高くなり、金型によっては、数億円のオーダーになる場合がある。
【０００３】
このような金型は、多くの場合、高温の成形材料を受け入れ、冷却によって成形する、という温度変化の激しい成形工程で、繰り返し使用される。従って、その繰り返しの使用によって、成形材料が入り込んでパーティングラインに凹みが生じたり、キャビティに、カジリ、摩耗、ピンホール等の傷が生じたり、ダレや潰れ等の変形が生じる場合がある。このような金型に問題が僅かでも発生した場合には、得られる製品が形態の仕上がりの劣るものとなるため、それを使用して成形を続けることは出来ない。特に、形態の仕上がりに僅かな狂いも許されない携帯電話等の携帯電子機器の部品用の金型では、極微細な傷等の存在が、製品の歩留まりを大きく低下させるおそれがあるため、極微細な傷や極僅かな変形も存在しない金型を、常に使用する必要がある。一方、上記の価格より、経済的に、金型を使い捨てにすることは出来ないため、定期的に補修が行われることになる。
【０００４】
尚、金型の補修にかかる先行文献として、特許文献１，２を挙げることが出来る。
【特許文献１】特許第２５０９１２５号公報
【特許文献２】実公平７−１９６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような極微細な傷や極僅かな変形も許されない金型を補修するための、適切な手段は存在していない、というのが現状である。従来、金型の補修手段として知られる一般的なＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接は、不活性ガス雰囲気中で、アークにより溶加材（溶接棒）を連続的に溶かして金型の補修箇所に形成した溶融池へ肉盛り溶接を施し凝固後に余肉を削除し研磨して仕上げる、という方法であるが、熟練した技術を必要とする上に、６０００〜８０００℃という高温のアーク熱を連続的に発生させて溶加材を溶かすため、金型に、ひけ、変形、変色等の熱的悪影響を及ぼし易く、補修したつもりがかえって悪化させることにもなり、極微細な傷等の補修には適用することは不可能である。
【０００６】
又、銀ろう付け、メッキ肉盛り、及びたたき出し等の金型補修手段も知られているが、これらの方法は、同じく熟練した技術を必要とする上に、補修後の耐久性に劣るため、補修頻度が多くなって、成形する製品の生産性低下を招来することから、電子電気機器の部品用の金型を補修する手段として、適切ではない。
【０００７】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熟練した技術を必要とせずに、金型に熱的悪影響を一切与えることなく、金型の極微細な傷や極僅かな変形を補修し、補修後の金型に高い耐久性を付与し得る手段を提供することにある。検討が重ねられた結果、以下に示す手段により、上記目的を達成出来ることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、先ず、本発明によれば、１次電極ａに溶加材パウダーを付着させ、金属からなる母材の溶接部位に溶加材パウダーを当接させて、１次電極ａと、母材に電気的に接続された２次電極ａと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して抵抗熱を発生させ、母材の溶接部位に溶加材パウダーを溶着させる工程Ａと、母材の溶接部位に溶着した溶加材パウダーにレーザービームを照射し、溶加材パウダー及びそれを溶着させた母材の一部を溶融させる工程Ｂと、を有する溶接方法（本発明に係る第１の溶接方法ともいう）が提供される。
【０００９】
次に、本発明によれば、１次電極ａに溶加材パウダーを付着させ、金属からなる母材の溶接部位に溶加材パウダーを当接させて、１次電極ａと、母材に電気的に接続された２次電極ａと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して抵抗熱を発生させ、母材の溶接部位に溶加材パウダーを溶着させる工程Ａと、溶加材パウダーを溶着させた母材の溶接部位の近傍に配設された１次電極ｂと、母材に電気的に接続された２次電極ｂと、の間に、通電の時間が１／１０００〜４／１０００秒になるように、パルス状に１〜３００アンペアの電流を通電して、１次電極ｂと母材との間に断続的にアークを発生させ、アークの発生による熱によって溶加材パウダー及びそれが溶着した母材の一部を溶融させる工程Ｃと、を有する溶接方法（本発明に係る第２の溶接方法ともいう）が提供される。単に本発明に係る溶接方法というときは、本発明に係る第１の溶接方法と第２の溶接方法の両方を指す。
【００１０】
上記何れの溶接方法も、母材の溶接部位の大きさが、５μｍ以上５００μｍ以下である場合に、好ましく適用することが出来る。又、上記何れの溶接方法も、母材の溶接部位の大きさが、５μｍ以上１００μｍ以下である場合にも、好ましく適用することが出来る。尚、本明細書において、母材の溶接部位の大きさとは、溶接部位を溶接する側（１次電極の側）からみたときの溶接部位の平面形状の内側に収まる最大円の直径を指すものとする。
【００１１】
本発明に係る溶接方法の工程Ａで行うのは、小さい熱による抵抗溶接であり、これを溶着と表現している。溶着は、抵抗溶接装置を用いて行うことが出来る。溶着とは、母材と溶加材（パウダー）とが完全に溶融し一体化してはいない、軽い圧接状態であり、互いの一部が溶けて着合した状態を指し、溶着するとは、そのような状態にすることを意味する。
【００１２】
工程Ａにおける通電の時間（１／１０００〜４／１０００秒）、及びパルス状の電流の大きさ（１〜３００アンペア）は、母材の溶接部位の大きさ（径）によって決められる。母材の溶接部位の大きさが、５μｍ以上１００μｍ以下である場合には、通電の時間は１／１０００〜２／１０００秒とし、パルス状の電流の大きさは１〜１００アンペアとすることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る溶接方法において、溶加材パウダーとは、金属からなる溶加材の粉粒状物を指す。種々の金属の、数十〜数百μｍの粒径のものが市販されており、容易に入手出来る。溶加材パウダーの材料は、金属からなる母材の材料に合わせて選択すればよい。母材及び溶加材パウダーの材料としては、金型材料として好適に利用されている、鉄鋼、ステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金等が、例示される。
【００１４】
溶加材パウダーが磁性材料である場合には、１次電極ａに永久磁石または電磁石を埋め込んでおくことが好ましい。１次電極ａに溶加材パウダーを付着させることが容易になるからである。この場合に、溶加材パウダーを付着させる部分を除いて、１次電極ａを、非磁性材料で構成することが好ましい。溶加材パウダーを付着させる部分が特定され、作業が簡単に行えるようになるからである。
【００１５】
本発明に係る第１の溶接方法の工程Ｂで行うのは、レーザー溶接である。レーザー発振器としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザー、炭酸ガスレーザーを採用することが出来、その他、母材の溶接部位の大きさ（径）が小さい場合には、ｋＷオーダーの高出力を要しないので、半導体レーザー（固体レーザー）も採用することが可能である。それらから発振させたレーザービームを、集光レンズ、必要に応じミラー等を備えた出射装置（ヘッド）から、母材の溶接部位に溶着した溶加材パウダーを目指して照射させると、レーザービームの熱で溶加材パウダー及びそれを溶着させた母材の一部が溶融する。その後、冷却し、余肉を削除し、研磨等を施し、仕上げることで、高品質な溶接が完了する。
【００１６】
このレーザー溶接において、レーザービームの出射は、パルス状に行うことが好ましい。又、レーザービームを照射させる際には、母材の溶接部位の酸化を防止するために、その母材の溶接部位の近傍の空間へ不活性ガスを供給することが好ましい。不活性ガスとしては、アルゴンガス又はヘリウムガスが好適に採用される。
【００１７】
本発明に係る第２の溶接方法の工程Ｃで行うのは、低電流による極短い時間のアーク溶接である。１次電極ｂとしては、例えば、非消耗電極であるタングステン電極が用いられる。アークを発生させる際には、母材の溶接部位の近傍の空間をシールするために、その空間へ不活性ガスを供給することが好ましい。不活性ガスとしては、アルゴンガス又はヘリウムガスが好適に採用される。１次電極ｂと母材との間に断続的にアークを発生させると、アークの発生による熱によって溶加材パウダー及びそれを溶着させた母材の一部が溶融する。その後、冷却し、余肉を削除し、研磨等を施し、仕上げることで、高品質な溶接が完了する。
【００１８】
工程Ｃにおける通電の時間（１／１０００〜４／１０００秒）、及びパルス状の電流の大きさ（１〜３００アンペア）は、母材の溶接部位の大きさ（径）によって決められる。母材の溶接部位の大きさが、５μｍ以上１００μｍ以下である場合には、通電の時間は１／１０００〜２／１０００秒とし、パルス状の電流の大きさは１〜１００アンペアとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る溶接方法は、予め、抵抗溶接によって母材の溶接部位に溶加材パウダーを溶着させておき、その後に、それを目標として、レーザー溶融（本発明に係る第１の溶接方法）又は断続アーク溶融（本発明に係る第２の溶接方法）を行って、母材と溶加材（パウダー）とを完全に溶融し一体化する（融接する）ので、母材の、数十μｍオーダーの極小さな溶接部位に、特段の熟練した技術を要さずに、母材に熱的悪影響を与えることなく、容易に溶接を行うことが可能である。
【００２０】
従来では、溶加材を使用する場合には、ワイヤー状（棒状）又は板状の溶加材を、溶接部位に突き合わせながら、溶接（溶融）を行うことを要していた。そうすると、レーザービームを照射する位置、又はアークを発生させる位置（１次電極ｂの位置）の位置決めと併せて、溶加材の位置決めを行う必要があることから、特段の熟練した技術、あるいは特別な位置決め装置が必要となる。本発明では、先に溶加材パウダーを溶接部位に付着させているから、溶融に際し、レーザービームを照射する位置、又はアークを発生させる位置の位置決めに専念することが出来、且つ、先に付着させた溶加材パウダーが目標物となるので、特段の熟練した技術、あるいは特別な位置決め装置を用いることなく、溶接を行うことが可能である。
【００２１】
本発明に係る溶接方法では、数十〜数百μｍの溶加材パウダーを用いるとともに、溶融手段として、集光が容易なレーザービームの照射、又は、パルス状の低電流による熱量の小さい断続的なアークの発生、を利用しているので、母材の溶接部位の径が５μｍ以上５００μｍ以下の極小さな場所に、ひけ、変形、変色等の熱的悪影響を及ぼすことなく、容易に溶接を行うことが出来る。
【００２２】
従って、本発明に係る溶接方法を採用すれば、金型を補修する場合に、熟練した技術を必要とせずに、金型に熱的悪影響を与えることなく、金型の極微細な傷や極僅かな変形を補修し、補修後の金型に高い耐久性を付与することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００２４】
図１〜図５は、カッターナイフを示す図である。以下の説明においては、本発明に係る溶接方法が溶接の対象とする、金属からなる母材の一例として、炭素鋼からなるカッターナイフを挙げて説明する。図１は、使用を重ねたカッターナイフの側面図であり、図２は、図１のＡＡ断面を示す断面図である。又、図３は、図２における刃の部分を拡大した（断面）図である。図４は、本発明に係る溶接方法によって補修を施した後の、刃を拡大した図（図３に相当する断面図）であり、図５は、補修後のカッターナイフの側面図（図１に相当する図）である。図１〜図３に示されるように、カッターナイフ３は、使用によって刃１がこぼれ（欠け、あるいは削られ）、徐々に対象物を切り難くなってくるが、本発明に係る溶接方法を用いて、補修すれば、図４、図５に示されるように、刃こぼれが直り、鋭い切れ味を取り戻すことが可能である。
【００２５】
尚、カッターナイフ自体は安価なものであり、現実には、補修がされる機会はない、といってよい。ここで、カッターナイフを例示するのは、図３のＤで示されるカッターナイフの刃のこぼれた部分（刃こぼれ部分）の大きさは、一般に、数μｍ〜数十μｍオーダーだからである。即ち、本発明に係る溶接方法によれば、このような極微細な刃こぼれ部分を溶接することが可能であるので、形態の仕上がりに僅かな狂いも許されない携帯電話等の携帯電子機器の部品用の金型に、極微細な傷や極僅かな変形が生じたときに、本発明に係る溶接方法によって、これを補修し得ることが理解されると考えるからである。又、本発明に係る溶接方法は、図１〜図５に示されるカッターナイフ３の刃１のような凸部の溶接だけではなく、極微細な部分であって、隅部、突合せ部、角部等である部分も、容易に溶接することが可能である。
【００２６】
先ず、本発明に係る第１の溶接方法について説明する。図６は本発明に係る第１の溶接方法の説明図であり、理解し易いように、カッターナイフ３の、大きさを変更し、形状をデフォルメしている。図６において、工程は（ａ）から（ｅ）へ進められる。溶接部位である刃こぼれ部分の大きさ（図３のＤを参照）は、（例えば）３０μｍである。
【００２７】
本発明に係る第１の溶接方法では、工程Ａにおいて、電源装置１８、１次電極４（１次電極ａ）、２次電極５（２次電極ａ）、からなる抵抗溶接装置を使用する（図６の（ａ）を参照）。１次電極４は、永久磁石が埋め込まれ先端以外は非磁性材料で構成されたものである。溶接を行うにあたっては、先ず、（例えば）炭素鋼からなる、粒径が（例えば）１００μｍの溶加材パウダー２を用い、これを１次電極４に付着させる。溶加材パウダー２は１次電極４の先端に吸い寄せられので、適量を容易に付着させることが出来る。
【００２８】
次に、カッターナイフ３の刃こぼれ部分（溶接部位）に、溶加材パウダー２を当接させて、１次電極４と、カッターナイフ３に電気的に接続された２次電極５と、の間に、通電の時間を（例えば）１／１０００秒として、パルス状の（例えば）５０アンペアの電流を通電する（図６の（ｂ）を参照）。そうすると、抵抗熱が発生し、カッターナイフ３の刃こぼれ部分に溶加材パウダー２が溶着され、仮留めされる（図６の（ｃ）を参照）。これを、刃こぼれ部分の長さ方向に繰り返し行う。
【００２９】
次いで、工程Ｂを行う。工程Ｂにおいては、（例えば）ＹＡＧレーザー発信器１９、出射装置２１、からなるレーザー溶接装置を使用する（図６の（ｄ）を参照）。レーザービームの照射の前に、図示しないシールドガス供給装置により、（例えば）アルゴンガスをシールドガス７として、カッターナイフ３の刃こぼれ部分の近傍の空間に供給し、この空間をシールしておく。そして、ＹＡＧレーザー発信器１９から、（例えば）５０Ｗの出力でレーザービーム６が発信され、光ファイバー２０を介して、出射装置２１から、カッターナイフ３の刃こぼれ部分に溶着させた溶加材パウダー２に、（例えば）１／１０秒間、パルス状に、レーザービーム６を照射する。
【００３０】
レーザービーム６は、出射装置２１に備わる集光レンズによって、カッターナイフ３の刃こぼれ部分に集光される。そうすると、レーザービームによって熱が発生し、溶加材パウダー２及びそれを溶着させたカッターナイフ３の刃こぼれ部分が溶融し、一体化する。これを、刃こぼれ部分の長さ方向に繰り返し行う。その後、冷却すれば、肉盛り溶接の状態になる（図６の（ｅ）を参照）ので、仕上げとして、公知の手段を用いて、肉盛り部分を削り取り、研磨すれば、カッターナイフ３の刃こぼれは、元の通りに修復される。
【００３１】
次に、本発明に係る第２の溶接方法について説明する。図７は本発明に係る第２の溶接方法の説明図であり、図６と同様に、理解し易いように、カッターナイフ３の、大きさを変更し、形状をデフォルメしている。図７において、工程は（ａ）から（ｅ）へ進められる。溶接部位である刃こぼれ部分の大きさ（図３のＤを参照）は、（例えば）８０μｍである。
【００３２】
本発明に係る第２の溶接方法では、工程Ａは、第１の溶接方法に準じる。即ち、電源装置１８、１次電極４（１次電極ａ）、２次電極５（２次電極ａ）、からなる抵抗溶接装置を使用する（図７の（ａ）を参照）。１次電極４は、永久磁石が埋め込まれ先端以外は非磁性材料で構成されたものである。溶接を行うにあたっては、先ず、（例えば）炭素鋼からなる、粒径が（例えば）２００μｍの溶加材パウダー２を用い、これを１次電極４に付着させる。溶加材パウダー２は１次電極４の先端に吸い寄せられので、適量を容易に付着させることが出来る。
【００３３】
次に、カッターナイフ３の刃こぼれ部分（溶接部位）に、溶加材パウダー２を当接させて、１次電極４と、カッターナイフ３に電気的に接続された２次電極５と、の間に、通電の時間を（例えば）２／１０００秒として、パルス状に（例えば）１００アンペアの電流を通電する（図７の（ｂ）を参照）。そうすると、抵抗熱が発生し、カッターナイフ３の刃こぼれ部分に溶加材パウダー２が溶着され、仮留めされる（図７の（ｃ）を参照）。これを、刃こぼれ部分の長さ方向に繰り返し行う。
【００３４】
次いで、工程Ｃを行う。工程Ｃにおいては、電源装置２８、１次電極１４（１次電極ｂ）、２次電極１５（２次電極ｂ）、からなるアーク溶接装置を使用する（図７の（ｄ）を参照）。１次電極１４は、融点が高く溶融し難い非消耗の電極である、（例えば）タングステン電極である。アーク８を発生させる前に、図示しないシールドガス供給装置により、（例えば）窒素ガスをシールドガス７として、カッターナイフ３の刃こぼれ部分の近傍の空間に供給し、この空間をシールしておく。
【００３５】
そして、溶加材パウダー２を溶着させたカッターナイフ３の刃こぼれ部分の近傍に１次電極１４を配設し、カッターナイフ３に２次電極１５を電気的に接続する。この状態で、１次電極１４と、カッターナイフ３に電気的に接続された２次電極１５と、の間に、通電の時間を（例えば）４／１０００秒として、パルス状の（例えば）２０アンペアの電流を断続的に通電する。通電の時間を１／１０００秒として、パルス状の８０アンペアの電流を断続的に通電してもよく、通電の時間を２／１０００秒として、パルス状の４０アンペアの電流を断続的に通電してもよく、通電の時間を３／１０００秒として、パルス状の２７アンペアの電流を断続的に通電してもよい。電流を断続的に通電すると、アーク８が発生し、それによる熱によって、溶加材パウダー２及びそれを溶着させたカッターナイフ３の刃こぼれ部分が溶融し、一体化する。これを、刃こぼれ部分の長さ方向に繰り返し行う。その後、冷却すれば、肉盛り溶接の状態になる（図７の（ｅ）を参照）ので、仕上げとして、公知の手段を用いて、肉盛り部分を削り取り、研磨すれば、カッターナイフ３の刃こぼれは、元の通りに修復される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る溶接方法は、あらゆる金型の潰れや傷の補修及び寸法補正を行う手段として利用される。特に、極微細な傷も許されない携帯電話をはじめとする各種電子電気機器の部品の成形用金型を補修する手段として、好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る溶接方法が対象とする、金属からなる母材の一例である、使用を重ねたカッターナイフの側面図である。
【図２】図１のＡＡ断面を示す断面図である。
【図３】図２における刃を拡大した部分断面図である。
【図４】本発明に係る溶接方法によって補修を施した後の、刃を拡大した断面図である。
【図５】本発明に係る溶接方法によって補修を施した後の、カッターナイフの側面図である。
【図６】本発明に係る第１の溶接方法の説明図である。
【図７】本発明に係る第２の溶接方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  刃
２  溶加材パウダー
３  カッターナイフ
４  １次電極
５  ２次電極
６  レーザービーム
７  シールドガス
８  アーク
１４  １次電極
１５  ２次電極
１８  電源装置
１９  ＹＡＧレーザー発信器
２０  光ファイバー
２１  出射装置
２８  電源装置
【図１】
2008080388.tif 000003
【図２】
2008080388.tif 000004
【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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