(57)【要約】　　　（修正有）【課題】ＣｕとＭｏあるいはＣｕとＷのレーザ溶接の難題とされていたＣｕのレーザ反射およびＭｏ、Ｗの溶接割れによる脆さを解決する。【解決手段】Ｃｕ２とＭｏ３またはＣｕ２とＷ３を突合せレーザ溶接するに当たり、Ｃｕの高いレーザ反射を解消するために突合せ面からＭｏ側に０〜１ｍｍの範囲でずらして照射し、また、レーザ溶接後のＭｏ，Ｗの割れを補強するために、突合せ面に対し突合せ方向に荷重７，８を加えるか、あるいはＭｏ、Ｗ以外の金属粉または箔を突合せ面あるいはその近傍に置いてレーザ溶接を行う。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕとＭｏ、またはＣｕとＷの端面を突き合わせてレーザ溶接する際，溶接部において、溶融したＣｕがＭｏまたはＷのレーザ照射側の表面に覆い被さった状態で凝固し溶接されていることを特徴とするレーザ溶接材
【請求項２】
ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷの端面を突合せ、レーザ溶接するに当たり、レーザを接合面からＭｏあるいはＷ側に０〜１ｍｍの範囲でずらして照射することを特徴とするレーザ溶接方法
【請求項３】
ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷの端面を突合せ、レーザ溶接するに当たり、連続波のレーザを使用することを特徴とするレーザ溶接方法
【請求項４】
突合せ面に対し突合せ方向に荷重を加えるか、あるいはＭｏ、Ｗ以外の金属粉または箔を突合せ面あるいはその近傍においてレーザを照射することを特徴とする請求項２または３記載のレーザ溶接方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷをレーザ溶接した材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接は、レーザビームを集光レンズで絞り、エネルギー密度を高めて試料に照射し、その熱で試料を溶融させて接合する方法である。アークや抵抗溶接に比べ、熱影響部が少なく、高能率である等、種々の特長を有しかつ大気中でできる特長を有する。鉄鋼材料を始め、アルミニウム、銅等の非鉄材料の溶接にも広く適用されている。
【０００３】
しかし、材料の種類によりレーザの反射率が異なり、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどは反射率が高くかつ熱伝導率が高いためにレーザ溶接し難い材料といわれている。
【０００４】
一方、Ｍｏ、Ｗなどの高融点材料は融点がそれぞれ２６３０℃、３４００℃と高いために、アーク溶接では溶融しにくいものの、レーザ溶接では、レーザ反射率がさほど高くなく、熱伝導率が低いので溶融可能である。しかし、レーザ照射後に微細な割れが発生するため、引張あるいは曲げ応力が付加されると割れを起点に破壊しやすく、溶接材としては利用価値が無かった。そのため、他の金属と溶接する場合、一般的にはロウ付けで接合されている場合が多く、この他、拡散接合、摩擦圧接といった固相接合の研究例もみられる。
【０００５】
ＣｕとＭｏあるいはＣｕとＷの接合材は導電性と耐磨耗性の観点から電極等の部品に多く用いられている。この接合にロウ付け、拡散接合、摩擦圧接といった前記従来技術を適用した場合、熟練度が必要なこと、製造時間を要するために生産性が低いこと、試料形状に自由度がないことなど、多くの課題があった。そこで、短時間でかつ熟練度を要せず、自由な形状の試料にも適用でき、溶接後の強度等の品質低下の無いレーザ溶接技術について望まれていた。
【０００６】
ＣｕとＭｏあるいはＣｕとＷをレーザ溶接する例は見当らないが、特開昭５４−５１９４４ではＭｏ、Ｗの被接合面にレーザを照射して融着する技術が出されている。明細書中に「クラックは断線の原因となるため、この部分を溶接して修復する必要がある」と記載されており、レーザを照射してクラックを消滅させる技術であるが、単にレーザを照射し材料を溶かすことにより修復するといった方法であり、本発明が問題としているようにレーザを照射することによりさらに割れが生じてしまう点には一切記述は無い。さらに具体的な照射方法、レーザ照射後の材料の欠陥に関しても記述が無く、特開昭５４−５１９４４の技術を適用しても、現在の高品質溶接には適用できない。さらに本発明が課題としているように、Ｃｕとの溶接の場合には、さらにＣｕの反射率と熱伝達率が高いことによる溶融の困難さが付加されるので、該従来技術は適用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の課題である、低生産性、試料形状の拘束等を解消し、短時間で製造できかつ熟練度を要しないレーザ溶接をＣｕとＭｏあるいはＣｕとＷの接合に適用し、従来難題とされていたＣｕのレーザ溶融およびＭｏ、Ｗの溶接割れを解決したものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題を解決するために以下のように行った。ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷを突合せレーザ溶接するに当たり、Ｃｕの高いレーザ反射を解消するために、Ｃｕにレーザを照射せず、突合せ面からＭｏ側に０〜１ｍｍの範囲でずらして照射すること、また、レーザ溶接後のＭｏ，Ｗの割れを防ぐために連続波による照射を行った。また割れてもその割れを補強するために、突合せ面に対し突合せ方向に荷重を加えるか、あるいはＭｏ、Ｗ以外の金属粉または箔を突合せ面あるいはその近傍に置いてレーザ溶接を行うこととした。
【０００９】
突合せ面にレーザを照射すると、ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷのそれぞれ両方にレーザが照射されるが、Ｃｕに照射されたレーザは大部分反射し溶融に寄与しない。そこで、吸収率の高いＭｏあるいはＷにずらして照射することにより、ＭｏあるいはＷに熱が吸収され、接触しているＣｕにその熱が伝達されてＣｕを溶かすことが可能となる。溶融過程を図１〜３に示す。またＭｏ、Ｗは融点がそれぞれ２６３０、３４００℃と高いために固体状態を高温まで維持でき、蓄熱するには好適な金属である。さらにＣｕの融点は１０８０℃と低いので伝達した熱で溶融させやすい。そのため突合せ面からＭｏ側に０〜１ｍｍの範囲でずらして照射した。Ｍｏ側に１ｍｍを超えて照射するとＣｕへの熱伝達距離が長くなり伝達途中で温度低下しＣｕを溶融させることができなくなる。
【００１０】
なお、ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷは合金をつくらないので，接合強度は濡れによるところが大きく，どちらかが溶融して液体化した状態で相手材に付着する必要がある。Ｃｕは融点が１０８０℃と比較的低いために液体状態を保ちやすく、またＭｏ，Ｗに対しても濡れやすく付着する力が大きい。そのため、本発明の特徴として図４に示すように，突合せ面において溶融したＣｕがＭｏまたはＷに付着した状態で凝固するため，ＣｕがＭｏまたはＷ表面に覆い被さった状態になっている。
【００１１】
次に、レーザ溶接後のＭｏ、Ｗの割れを防ぐ方法について記す。割れは溶接強度の低下、実用時の安全性にも関係するので防ぐ必要がある。割れはレーザ照射後の冷却過程で生じる。レーザ波形がパルスでは冷却速度が速く割れを助長する傾向があるので、本発明では連続波を適用した。連続波は比較的冷却速度が遅く割れの防止が可能である。但し，パルスでも波形制御等で冷却速度を制御可能な場合は適用可能である。
【００１２】
本発明では，さらに，割れを補強する方法も発明したので以下に記す。
【００１３】
まず第一に、突合せ方向に荷重を加える方法である。接合面の密着度が増し熱伝達が容易になり、溶融したＣｕがＭｏあるいはＷに融着しやすくなり、さらにＭｏ、Ｗに割れが生じた場合でも割れの中に溶融した液体のＣｕが圧力により浸入し割れの補強になる。
【００１４】
次に、Ｍｏ、Ｗ以外の金属粉または箔を突合せ面あるいはその近傍に置いてレーザ溶接を行う方法である。この方法では、金属粉または箔が溶けて接合部を覆うので、やはり割れの補強になり、溶接強度の低下を防げる。該金属紛または箔がＭｏあるいはＷであると、例え溶融しても接合面に流れ込み難く、かつ凝固時に割れが起こるために除外した。
【００１５】
本発明を適用することにより、ＭｏまたはＷの溶接時の割れ防止が可能となり、また、例えＭｏ、Ｗに割れが生じても、溶融したＣｕがＭｏまたはＷの割れの中に浸入し補強するので、十分な溶接強度が確保できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述のように、レーザ溶接をＣｕとＭｏあるいはＣｕとＷの接合に適用し、従来レーザ溶接の難題とされていたＣｕのレーザ溶融およびＭｏ、Ｗの溶接割れによる強度低下を解決したものである。本発明は炭酸ガス、ＹＡＧ、半導体など発振体によらず適用でき、さらに同じ高エネルギー密度溶接として実用化されている電子ビーム溶接でも適用可能である。本発明は以下のとおりに実施できる。
【００１７】
【実施例】
板厚１．５ｍｍのＣｕ板、Ｍｏ板、Ｗ板を用い、炭酸ガスレーザでＣｕとＭｏ、ＣｕとＷの突き合わせ溶接を行った。条件は，レーザ出力５００〜１５００Ｗ，Ａｒガスシールド，試料の搬送速度５００ｍｍ／ｍｉｎである。評価は溶接部におけるＸ線透過像による欠陥の有無とスポット溶接用電極として使用した時の耐用回数で行った。溶接割れは欠陥を起点に発生し、繰り返し荷重を付加することにより伝播していくので，起点の有無を評価するためにＸ線透過像を、伝播過程を評価するため、スポット溶接用電極として使用した時の耐用回数を用いた。なお、Ｘ線透過像評価では、０．１ｍｍ以上の大きさの欠陥が一つでもある場合を「有り」、それ以外を「無し」とした。必要により、接合面への荷重付加、接合部への金属紛あるいは箔を置いてレーザを照射した。結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
本発明１〜６および比較例１〜６はＣｕとＭｏの接合についての結果である。
【００２０】
比較例１はレーザ照射位置がＭｏ側へ１．１ｍｍずれており，本発明の０〜１ｍｍから外れているために熱伝達が不十分でＣｕが溶融しなかった。そのため接合不良が発生し，欠陥の発生および電極耐用回数が本発明例に比べて極端に低下した。
【００２１】
比較例２は比較例１に突合せ方向への荷重を加えた場合であり、比較例１よりもＣｕの溶け込みが改善され電極耐用回数の向上はあるが、レーザ照射位置が１ｍｍを超えているために接合不良は改善できず、本発明４並みの特性は得られなかった。
【００２２】
比較例３は比較例１の接合面にＮｉ粉を置いてレーザ照射した例であるが、やはりレーザ照射位置が１ｍｍを超えているために比較例２同様、改善効果は小さかった。
【００２３】
比較例４〜６はＣｕ側に０．１ｍｍずらした例であり、いずれもレーザの反射が大きく熱が吸収され難かったために、接合不良が発生した。比較例５，６のように荷重付加、金属箔を置いてレーザ照射しても効果は見られなかった。
【００２４】
本発明７〜１２および比較例７〜１２はＣｕとＷの接合についての結果であるが、ＣｕとＭｏの結果と同じように比較例の結果は思わしくなかった。
【００２５】
これに対し、本発明の実施例は、いずれも溶接欠陥が発生せず、電極耐用回数が優れたものであり、工業的に利用価値の高い発明であることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上のように実施できるので、既述の技術的課題を解決する顕著な効果がある。本発明により、ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷのレーザ溶接が実用上可能で、工業的メリットは大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷのレーザ溶接過程の初期段階を示す正面図であり，ＭｏまたはＷが溶融し，Ｃｕに熱が伝わる前の状態を示す。
【図２】ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷのレーザ溶接過程の中期段階を示す正面図であり，ＭｏまたはＷからＣｕに熱伝達されＣｕが溶融し始めた状態を示す。
【図３】ＣｕとＭｏまたはＣｕとＷのレーザ溶接過程の後期段階を示す正面図であり，ＭｏまたはＷからＣｕに熱伝達が十分に行われ，Ｃｕが溶融し溶接された状態を示す。
【図４】溶接部において、溶融したＣｕがＭｏまたはＷのレーザ照射側の表面に覆い被さった状態で凝固した状態を示す概観図である。
【図５】突合せ溶接部に金属粉を置いてレーザ照射した場合の突合せ部分の拡大概観図である。
【図６】突合せ溶接部に金属箔を置いてレーザ照射した場合の突合せ部分の拡大概観図である。
【符号の説明】
１：ＭｏまたはＷ側に０〜１ｍｍずらした位置にあるレーザビーム
２：Ｃｕ板
３：ＭｏまたはＷ板
４：ＭｏまたはＷの溶融部
５：Ｃｕの溶融部
６：溶接後のＣｕがＭｏまたはＷ側に覆い被さった状態で凝固したときの境界線
７，８：突合せ面に対する荷重付加方向
９：金属粉
１０：金属箔
【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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