(57)【要約】【課題】銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、強い接合強度に溶融接合することが可能な、異種金属の突合せ接合方法を提供する。【解決手段】  銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、端面同士を突合せることで突合せ界面を形成し、当該突合せ界面近傍に高エネルギー密度を有するビームを照射して接合部を形成し、当該接合部を介して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属と、前記鉄を主成分とする金属を接合する、異種金属の突合せ接合方法であって、前記高エネルギー密度を有するビームの照射中心の位置を、前記突合せ界面から離れた前記銅と亜鉛を主成分とする金属の表面にし、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の前記突合せ界面に隣接する部分を溶融して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の溶融組織からなる前記接合部を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、端面同士を突合せることで突合せ界面を形成し、当該突合せ界面近傍に高エネルギー密度を有するビームを照射して接合部を形成し、当該接合部を介して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属と、前記鉄を主成分とする金属を接合する、異種金属の突合せ接合方法において、前記高エネルギー密度を有するビームの照射中心の位置を、前記突合せ界面から離れた前記銅と亜鉛を主成分とする金属の表面にし、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の前記突合せ界面に隣接する部分を溶融して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の溶融組織からなる前記接合部を形成することを特徴とする異種金属の突合せ接合方法。
【請求項２】
前記銅と亜鉛を主成分とする金属の前記突合せ界面に隣接する部分を溶融して、前記接合部を形成する際、前記高エネルギー密度を有するビームにより、キーホールを形成しながら溶融することを特徴とする請求項１に記載の異種金属の突合せ接合方法。
【請求項３】
前記高エネルギー密度を有するビームが、レーザビームであることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属の突合せ接合方法。
【請求項４】
前記高エネルギー密度を有するビームを、前記突合せ界面に沿って連続的に一定速度で移動させながら照射することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の異種金属の突合せ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を突合せ、溶融接合する異種金属の突合せ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子部品、輸送機械または一般産業機器などの分野において、融点の異なる異種金属が接合されてなる異種金属接合体が利用されてきたが、近年の、例えば、情報処理機器や情報通信機器の小型化・低背化、あるいは、地球環境保全の観点からの製品の軽量化、長寿命化など各種の目的を達成するため、歪や欠陥が少なく、高い接合強度を備えた、健全な接合部を有する、異種金属接合体を、効率的に形成可能な、異種金属の接合技術の確立への要請が高まっている。ここで、異種金属とは、被接合物を構成する主たる組成が異なるものを言い、例えば、主たる組成が鉄と銅であるそれぞれの合金としてのステンレス鋼と黄銅は異種であり、主たる組成が鉄として共通するその合金としてのステンレス鋼と炭素鋼は同種である。
【０００３】
ここで、異種金属を接合する技術としては、固相接合である拡散接合や超音波接合、液相接合である溶接やロウ接合などがあるが、いずれの接合技術も、接合部の品質面および効率面から一長一短があり、上記要請を満足するレベルにないのが実情である。一方で、高エネルギー密度を有するレーザは、大気中において、ごく微小な領域を瞬時に加熱し溶融して効率的に接合部を形成できるとともに、レーザが照射された領域以外の部分には熱影響が及び難く、歪や欠陥が少ない、良質な接合部を形成できる接合技術として、従来から注目されている。そして、近年、ＣＯ２レーザに比べ波長が短いため金属表面における反射が少なく、レーザスポット径の小さな、ＹＡＧレーザやＬＤレーザの高出力化に伴い、異種金属の接合技術として、当該レーザを利用するための研究開発が展開されており、その技術の一例が、下記特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された異種金属の接合技術は、ステンレス鋼と、ステンレス鋼より融点が低い黄銅系金属（銅と亜鉛を主成分とする金属）の接合面近傍に、レーザビームを照射して接合する接合方法であって、前記接合面を挟んで両者の間にビームをウィービングし、黄銅系金属を融点より低い温度までに加熱した後、ビームをステンレス鋼側に照射し、ステンレス鋼が溶融するまで加熱する、異種金属の接合方法である。この接合方法によれば、黄銅系金属を融点以上まで直接的に加熱せず、ステンレス鋼の溶融に伴う輻射熱や伝熱により、間接的に加熱して、接合面近傍の黄銅系金属を溶融せしめ、相互の金属が混在した溶融池を形成するので、強固な接合部を得ることができる、と記載されている。また、ウィービングによる加熱は、伝熱等の間接的な黄銅系金属の溶融までの加熱速度の遅さを考慮して、黄銅系金属を加熱し、ステンレス鋼の溶融と溶融時期を近似させている、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３６９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ステンレス鋼と黄銅系金属の接合では、加熱が強すぎると黄銅系金属に含まれる亜鉛が気化し、接合部にブローホール欠陥が形成され、ステンレス鋼と黄銅系金属との接合強度が弱くなってしまう問題がある。従って、ステンレス鋼と黄銅系金属の接合では、亜鉛を気化させずに接合部を形成する必要があるが、特許文献１のように、ステンレス鋼を溶融しながら間接的に黄銅系金属の加熱具合を制御する方法では、亜鉛が気化しやすく、光学顕微鏡によりブローホール欠陥が観察されなくても、ミクロ的にブローホール欠陥が形成され、ステンレス鋼と黄銅系金属との接合強度が弱くなってしまう可能性が高い。
【０００７】
そこで、本発明では、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属の異種金属を、接合部を介して溶融接合する方法において、接合部にブローホール欠陥等の接合欠陥が発生するのを抑制し、２つの金属を強い接合強度に溶融接合することが可能な、異種金属の突合せ接合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の異種金属の突合せ接合方法は、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、端面同士を突合せることで突合せ界面を形成し、当該突合せ界面近傍に高エネルギー密度を有するビームを照射して接合部を形成し、当該接合部を介して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属と、前記鉄を主成分とする金属を接合する、異種金属の突合せ接合方法であって、前記高エネルギー密度を有するビームの照射中心の位置を、前記突合せ界面から離れた前記銅と亜鉛を主成分とする金属の表面にし、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の前記突合せ界面に隣接する部分を溶融して、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の溶融組織からなる前記接合部を形成することを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の異種金属の突合せ接合方法では、前記銅と亜鉛を主成分とする金属の前記突合せ界面に隣接する部分を溶融して、前記接合部を形成する際、前記高エネルギー密度を有するビームにより、キーホールを形成しながら溶融することが好ましい。このように、銅と亜鉛を主成分とする金属を溶融することで、溶融した金属表面から亜鉛の揮発を少なくすることができ、接合部にブローホール欠陥等の接合欠陥が発生するのを抑制することができる。
そして、本発明の異種金属の突合せ接合方法では、前記高エネルギー密度を有するビームが、レーザビームであることが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明の異種金属の突合せ接合方法では、、前記レーザビームを、前記突合せ界面に沿って連続的に一定速度で移動させながら照射することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異種金属の突合せ接合方法によれば、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、強い接合強度に溶融接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、接合するのに用いることが可能な、接合装置の概略構成を示す図である。
【図２】レーザビームの、シフト量とデフォーカス量を説明する図である。
【図３】水密試験に用いた治具の、概略構成を示す図である。
【図４】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、表面状態を示す図である。
【図５】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、断面状態を示す図である。
【図６】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、破断応力を示す図である。
【図７】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、水密試験の結果を示す図である。
【図８】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、接合部のＸ線回折結果を示す図である。
【図９】レーザビームをステンレス鋼側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合体の、接合部のＥＰＭＡ面分析結果を示す図である。
【図１０】レーザビームのシフト量を０ｍｍにして接合した接合体の、接合部のＥＰＭＡ面分析結果を示す図である。
【図１１】レーザビームを真鍮側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合体の、接合部のＥＰＭＡ面分析結果を示す図である。
【図１２】レーザビームのシフト量を変えて接合した接合体の、接合部のＥＰＭＡ線分析結果を示す図である。
【図１３】銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、異なる組み合わせで接合した接合体の、断面状態を示す図である。
【図１４】銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、異なる組み合わせで接合した接合体の、破断応力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、突合せて接合する異種金属の突合せ接合方法について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（接合装置）
図１に、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を接合するのに用いる接合装置の概略構成の一例を示す。接合装置１は、レーザビームにより異種金属を突合せ接合する装置であり、レーザ発振器１ａ、レーザ発振器で励起されたレーザ光を外部に取り出す光ファイバ１ｂ、レーザ光を集光してレーザビームＬとして照射する集光ヘッド１ｃ、板状の銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂを保持するステージ１ｄ、ステージ１ｄ上に並べられた、板状の銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂを側面から加圧して突き合わせる加圧機構１ｅ、ステージ１ｄをＸＹ平面上で移動可能にするＸ軸駆動機構１ｆ、Ｙ軸駆動機構１ｇ、ステージ１ｄに対する集光ヘッド１ｃの高さを調整するＺ軸駆動機構１ｈ、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂを接合した接合体２に、Ａｒガスを噴き付けて酸化を防止するノズル１ｊ、により構成されている。
【００１５】
板状の銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、板状の鉄を主成分とする金属２ｂは、接合装置１で接合されるにあたって、突合せ界面２ｃの方向と、ステージ１ｄのＹ軸移動方向を一致させてステージ１ｄ上に並べられ、加圧機構１ｅにより側面が加圧され、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂが突合されて固定される。そして、レーザ発振器１ａで励起されたレーザ光が集光ヘッド１ｃで集光され、レーザビームＬとして突合せ界面２ｃ近傍に上方から照射される。その際、ステージ１ｄをＹ軸駆動機構１ｇにより、突合せ界面２ｃに沿った方向に連続的に一定速度で移動させることで、レーザビームＬが突合せ界面２ｃに沿って連続的に一定速度で移動して照射され、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂの突合せ界面２ｃに沿った連続的な接合部が形成され、２つの金属が接合された異種金属接合体２が形成される。
【００１６】
（シフト量とデフォーカス量）
図２は、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂの、突合せ界面２ｃ近傍に照射される、レーザビームＬの、（ａ）シフト量（ｂ）デフォーカス量を説明する図である。レーザビームＬのシフト量は、（ａ）の図中のＳで示されるものであり、突合せ界面２ｃと、レーザビームＬの照射中心の位置の間隔により定義される。そして、レーザビームＬのデフォーカス量は、（ｂ）の図中のＤで示されるものであり、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａ（あるいは鉄を主成分とする金属２ｂ）の表面と、レーザビームＬの焦点Ｆの間隔により定義される。シフト量Ｓは、ステージ１ｄの位置をＸ軸駆動機構１ｆにより移動させて調整することができ、また、デフォーカス量Ｄは、集光ヘッド１ｃの高さをＺ軸駆動機構１ｈにより上下に移動させて調整することができる。シフト量Ｓとデフォーカス量Ｄの設定は、ビームプロファイラ等により、レーザビームＬの照射中心の位置と焦点Ｆの位置を、確認しながら行えば良い。
【００１７】
（接合条件）
以下、図１の装置１を用いて、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂを接合した例について説明する。接合装置１のレーザ発振器１ａには、トルンプ社製のディスクレーザを用い、発振形態を連続発振、ビーム波長を１０６４ｎｍ、最大出力を１ｋＷとした。レーザ光は、レーザ発振器１ａで励起された後、コア径０．１５ｍｍの光ファイバ１ｂを通して集光ヘッド１ｃに伝送され、集光ヘッド１ｃ中に配された集光レンズにより集光され、レーザビームＬとして、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａ（あるいは鉄を主成分とする金属２ｂ）の表面に照射した。レーザビームＬは、比較的、エネルギー密度を高くして照射されるものであり、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａ（あるいは鉄を主成分とする金属２ｂ）は、表面にキーホールと呼ばれる窪みが形成されながら溶融される。
【００１８】
そして、接合においては、レーザビームＬの照射条件を、レーザ出力を７５０Ｗ、送り速度を３００ｍｍ／ｍｉｎ、デフォーカス量を＋０．５ｍｍとし、シフト量を変えて接合を行った。ここで、デフォーカス量の「＋」とは、図２（ｂ）で、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａ（あるいは鉄を主成分とする金属２ｂ）の表面を基準とし、焦点位置Ｆが表面の上方にある状態を意味するものである。
【００１９】
そして、以下の実験例では、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａとして、真鍮のＣ２６８０の板を用い、鉄を主成分とする金属２ｂとして、ステンレス鋼のＳＵＳ３０４の板を用いた。いずれの金属板も、厚み１．５ｍｍ．幅２５ｍｍ，長さ５０ｍｍに加工した後、接合に供した。
【００２０】
なお、本実施例では、銅と亜鉛を主成分とする金属２ａと、鉄を主成分とする金属２ｂを接合するのに、レーザビームを用いているが、レーザビーム以外の他の高エネルギー密度を有するビーム、例えば、電子線ビーム等を用いてもよい。
【００２１】
（接合体の評価方法）
接合体２の接合状態は、接合体２の表面と、接合体２の断面を光学顕微鏡で観察した後、引張試験、水密試験、Ｘ線回折、ＥＰＭＡ分析を用いて評価を行った。
【００２２】
接合体２の断面の光学顕微鏡観察は、接合体２を接合部を含むように切断した後、断面を研磨し、真鍮２ａ／接合部／ステンレス鋼２ｂの境界を明瞭にするために、３％過酸化水素水：２ｃｃ、アンモニア水：５ｃｃ、蒸留水：５ｃｃの混合液で１分間、さらに、５％塩酸で１時間エッチングし、洗浄・乾燥後、観察を行った。
【００２３】
引張試験では、接合した接合体２を、幅５ｍｍ×平行部長さ５０ｍｍに切断して試験片に加工し、当該試験片を、島津製作所社製のオートグラフを用いて、１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張り、破断強度（応力）を算出し、接合部を含む接合体２の強度を評価した。
【００２４】
水密試験では、図３の概略構成図に示されるような治具３を用い、接合体２が隙間を形成せず、良好に接合しているかを確認した。
【００２５】
治具３では、接合体２が蓋となって容器３ａの開口部を塞ぐ構造になっており、接合体２と容器３ａがＯリング３ｂを介して密着し、接合体２が、押え板３ｃとボルト３ｄにより容器３ａに押し付けられて固定される。そして、注水口３ｅが容器３ｂの下面に設けられ、水が注水口３ｅを通して容器３ａ中に注入され、水圧が接合体２の接合部に加えられる。
【００２６】
水密試験には、接合体２を２５ｍｍ×２５ｍｍに加工した試験片を用い、０．６ＭＰａの水圧を１時間印加した後、目視で接合部からの漏水の有無を確認した。そして、漏水が発生した接合体２については、１分間当たりの漏水量をマイクロシリンジで測定した。
【００２７】
Ｘ線回折には、接合体２を断面研磨した試験片を用い、接合部からの真鍮のピークと銅のピークを計測した。測定条件は、Ｘ線出力を４０ｋＶ−２００ｍＡ、回転速度を６０ｍｍ−１、スキャンスピードを２°ｍｉｎ―１、サンプリング幅を０．０２°とした。
【００２８】
ＥＰＭＡ分析にも、接合体２を断面研磨した試験片を用い、接合部および接合部近傍の元素（鉄、銅、亜鉛）分布について調査した。分析に用いたビーム径は、１μｍとした。
【００２９】
（光学顕微鏡観察結果）
図４に、レーザビームの照射中心の位置を変えて接合したときの、接合体２の表面の光学顕微鏡写真を示す。
【００３０】
（ａ）（ｂ）は、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側に、それぞれ、０．４ｍｍ、０．２ｍｍシフトさせて接合した、接合体２の表面である。これらの接合条件では、接合部４ａ、４ｂは、０．８ｍｍから１ｍｍ程度の幅に形成されたが、接合時に溶融した金属の飛散が多く、接合部４ａ、４ｂの表面は荒れた状態に形成された。また、接合部の表面には、亜鉛の気化により発生したと思われる、ブローホール欠陥４ｅ、４ｆが発生した。
【００３１】
また、（ｃ）は、レーザビームの照射中心の位置を、突合せ界面２ｃ上（すなわち、シフト量を０ｍｍ）にして接合した、接合体２の表面である。この接合条件でも、（ａ）（ｂ）の条件と同じように、接合部４ｃの表面は荒れた状態に形成され、ブローホール欠陥４ｇが発生した。
【００３２】
一方、（ｄ）は、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合体２の表面である。この接合条件では、接合時に溶融した金属の飛散が少なく、接合部４ｄの表面は滑らかな状態に形成され、ブローホール欠陥の発生は見られなかった。そして、接合部４ｄの幅は、（ａ）〜（ｃ）の接合条件と比べて狭く、０．５ｍｍ程度の幅に形成された。
【００３３】
図には示していないが、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側に０．９ｍｍを超えてシフトさせた接合条件、および、レーザービームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側に０．４ｍｍを越えてシフトさせた条件についても、接合体２の作成を試みたが、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂは接合されなかった。
【００３４】
図５に、レーザビームの照射中心の位置を変えて接合したときの、接合体２の断面の光学顕微鏡写真を示す。
【００３５】
（ａ）（ｂ）は、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側に、それぞれ、０．４ｍｍ、０．２ｍｍシフトさせて接合した、接合体２の断面である。これらの接合条件では、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂは、真鍮２ａと接合部４ａ、４ｂの境界において、複雑に混ざり合った金属組織を形成して接合された。しかし、接合部４ａ、４ｂには、アンダーフィルと呼ばれる接合欠陥４ｈ、４ｊが発生し、接合部の厚みは、シフト量０．４ｍｍの条件で１．０ｍｍ、シフト量０．２ｍｍの条件で０．７５ｍｍに、薄くなってしまった。また、（ｃ）は、レーザビームの照射中心のシフト量を０ｍｍにして、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂを接合した、接合体２の断面である。この条件では、接合部４ｃ内に、亜鉛の気化により発生したと思われる、０．３ｍｍ程度の空洞欠陥４ｋが発生した。
【００３６】
一方、（ｄ）は、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した、接合体２の断面である。接合部４ｄは、深さ方向に狭い幅の断面で形成されており、真鍮２ａの板厚１．５ｍｍ方向に０．５ｍｍ程度の幅で形成された。そして、接合部４ｄは、（ａ）〜（ｃ）のように、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが複雑に混ざり合った金属組織に形成されず、接合部４ｄとステンレス鋼２ｂの界面が明瞭で、真鍮２ａだけが溶融したような金属組織の接合部４ｄが形成された。そして、接合部４ｄの内部および接合部４ｄの近傍には、クラックやブローホール欠陥等の接合欠陥は発生しなかった。これは、真鍮２ａがレーザビームの照射によりキーホールを形成しながら溶融され、キーホールの窪み内において金属の蒸気圧が高められた結果、亜鉛の気化が抑制されたためである。
【００３７】
上記のように、真鍮２ａをキーホールを形成しながら溶融するレーザー溶融方法は、亜鉛の気化を抑制するのに加え、板厚方向に狭い幅でレーザ溶融することができるので、接合部４ａから真鍮２ａへの熱影響が小さく、真鍮２ａの焼鈍による強度低下を小さくすることができ、接合体２の強度低下も小さくすることができる。箔のように薄い真鍮２ａとステンレス鋼２ｂの接合体では、小さいエネルギーにより金属を溶融できるので、キーホールを形成しないようなレーザ溶融（たとえば、熱伝導型のレーザ溶融方法）を用いて接合体を形成することもできるが、ある程度の板厚を有する真鍮２ａとステンレス鋼２ｂの接合体では、接合部を形成するのに高いエネルギーが必要になるので、キーホールを形成するようなレーザ溶融を用いるのが好ましい。
【００３８】
（引張試験結果）
図６に、レーザビームの照射中心の位置を変えて接合したときの、接合体２の引張試験の結果を示す。図は、各条件について５サンプルの破断応力を示したものであり、以下の結果説明においては、破断応力を、真鍮２ａの破断応力（３５０ＭＰａ）、焼鈍した真鍮２ａの破断応力（２７５ＭＰａ）と比較しながら説明する。なお、ステンレス鋼２ｂの破断応力は、真鍮２ａの破断応力より大きい、５７０ＭＰａである。
【００３９】
レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側にシフトさせた接合条件のうち、シフト量を、０．１ｍｍ、０．２ｍｍにした条件では、全ての接合体２が、焼鈍無しの真鍮２ａの破断応力（３５０ＭＰａ）と同等の破断応力で破断した。そして、破断の様態は、真鍮２ａ母材破断もしくは接合部破断の両方が観察された。
【００４０】
これらの結果から、上記の接合条件においては、１）接合部においてブローホール欠陥等の接合欠陥の発生が抑制され、真鍮２ａと同等の破断応力を有する良好な接合部が形成されている。２）接合部と真鍮２ａ、および、接合部とステンレス鋼２ｂの接合は、真鍮２ａの破断強度と同等以上の接合強度にして、良好な状態に接合されている。３）接合部近傍の真鍮２ａが、焼鈍により強度低下を起こしていない。ということが言える。
【００４１】
ところが、シフト量を真鍮２ａ側に０．３ｍｍにした接合条件にすると、全ての接合体２が接合部で破断してしまい、破断応力が、焼鈍無しの真鍮２ａの破断応力（３５０ＭＰａ）を下回るような、接合体２が発生するようになった。そして、シフト量を真鍮２ａ側に０．４ｍｍにした接合条件にすると、全ての接合体２が、１００ＭＰａ以下の破断応力で破断してしまった。このように、シフト量を０．３ｍｍ以上の接合条件にすると、破断応力が低下してしまうのは、真鍮２ａの突合せ界面２ｃに隣接した部分、すなわち、ステンレス鋼２ｂに接する真鍮２ａの部分が完全に溶融されなくなり、接合が不完全になるためである。
【００４２】
また、レーザビームの照射中心のシフト量が０ｍｍの接合条件では、全ての接合体２が接合部で破断し、破断応力は、焼鈍無しの真鍮２ａの破断応力（３５０ＭＰａ）より低い３００ＭＰａ以下になってしまった。そして、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側にシフトさせ、シフト量が、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの接合条件では、破断応力が３５０ＭＰａを超える接合体２と、３００ＭＰａに満たない接合体２の両方が発生した。
【００４３】
このように、接合体２の破断応力が弱くなってしまう現象は、１）図５（ａ）〜（ｃ）の断面観察写真に示されたように、接合部内に亜鉛が気化してブローホール欠陥等の接合欠陥が発生して、接合部自体の破断応力が低下した。２）接合部と真鍮２ａ、もしくは、接合部とステンレス鋼２ｂの接合界面に、亜鉛が気化してブローホール等の接合欠陥が発生して、接合部と真鍮２ａ、もしくは、接合部とステンレス鋼２ｂの接合強度が低下した。のいずれかと言える。
【００４４】
また、シフト量がステンレス鋼２ｂ側に、０．６〜０．８ｍｍの接合条件では、全ての接合体２が接合部で破断し、破断応力は、焼鈍した真鍮の破断応力（２７５ＭＰａ）以下の破断応力になってしまった。このように、シフト量を０．６ｍｍ以上の接合条件にすると、破断応力が低下してしまうのは、ステンレス鋼２ｂの突合せ界面２ｃに隣接した部分、すなわち、真鍮２ａに接するステンレス鋼２ｂの部分が完全に溶融されなくなり、接合が不完全になるためである。
【００４５】
以上の結果を纏めると、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが接合して良好な破断強度の接合体２とする、すなわち、接合体２が真鍮２ａの破断応力で破断するには、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側にシフトさせ、レーザビームの照射中心の位置を、ある程度突合せ界面２ｃ近く（実施例では、シフト量０．１ｍｍ、０．２ｍｍ）にし、突合せ界面２ｃと隣接する真鍮２ａを溶融するのが好ましいと言える。
【００４６】
なお、上記の結果から、レーザビームを突合せ界面２ｃ上に照射しないほうが好ましいことから、レーザビームの照射中心の位置を突合せ界面２ｃに近づけるにしても、レーザビームが突合せ界面２ｃを積極的に加熱しないようなレーザビームの照射中心の位置、すなわち、レーザビーム範囲（対ピーク比のエネルギー密度が１／ｅ２以上の範囲）が、突合せ界面２ｃにかからないようなのレーザビームの照射中心の位置にするのが好ましい。このようなレーザビームの照射中心の位置にすることで、ステンレス鋼２ｂの突合せ界面２ｃに隣接する部分に、レーザビームが直接照射されなくなるので、ステンレス鋼２ｂが高温に加熱されて真鍮２ａも熱伝導により高温に加熱されることがなくなるので、亜鉛を気化させにくくすることができる。真鍮２ａは、熱伝導率が０．２７９ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ、レーザの吸収率が０．２、ステンレス鋼２ｂは、熱伝導率が０．０３９ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ、レーザの吸収率が０．４なので、ステンレス鋼２ｂのほうがレーザビームの照射により温度上昇しやすく、ステンレス鋼２ｂに隣接する真鍮２ａも温度上昇されやすい。したがって、真鍮２ａの温度上昇を抑えて亜鉛を気化させにくくするには、レーザビームの範囲を、真鍮２ａ内に収めたほうが良いのである。
【００４７】
（水密試験結果）
図７に、レーザビームの照射中心の位置を変えて接合したときの、接合体２の水密試験の結果を示す。図は、各条件について３サンプルの評価結果を示したものである。レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側にシフトさせて接合した接合体２と、レーザビームの照射中心のシフト量を０ｍｍにして接合した接合体２の全てについて漏水が発生した。特に、レーザビームの照射中心のシフト量を０ｍｍの条件にして接合した接合体２では、全ての接合体２について毎分５ｍｌを超える漏水が発生し、接合部、もしくは、接合部と真鍮２ａ（あるいはステンレス鋼２ｂ）の界面に、隙間が形成されていることを確認できた。これら原因は、図５（ａ）〜（ｃ）の断面観察写真にあるように、亜鉛が気化してブローホール欠陥等の接合欠陥が発生したためか、あるいは、突合せ界面２ｃに隣接した金属部分の溶融が不完全であったためと言える。
【００４８】
一方、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側にシフトさせて接合した接合体２では、シフト量が０．１ｍｍと０．２ｍｍの条件の接合体２では漏水が発生せず、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが、隙間なく良好に接合されていることが確認できた。しかし、シフト量を０．３ｍｍにして接合した接合体２では、突合せ界面２ｃに隣接した金属部分の溶融が不完全であったため、漏水が発生した。
【００４９】
以上の水密試験の結果は、図６の引張試験の結果と一致するものであり、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂを良好に接合するには、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが、良好な破断強度、すなわち、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが接合して良好な破断強度の接合体２となる条件、すなわち、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮２ａ側にシフトさせ、レーザビームの照射中心の位置を、ある程度突合せ界面近く（実施例では、シフト量０．１ｍｍ、０．２ｍｍ）にし、突合せ界面２ｃと隣接する真鍮２ａを溶融するのが好ましいと言える。
【００５０】
（Ｘ線回折結果）
図８に、レーザビームの照射中心の位置を変えて接合したときの、接合体２の接合部のＸ線回折結果を示す。
【００５１】
（ａ）の図のように、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合部４ｂからは、銅の強いピークが検出され、真鍮のピークは僅かであった。そして、（ｂ）の図のように、シフト量を０ｍｍにして接合した接合部４ｃからも、同様に銅の強いピークが検出され、真鍮のピークは弱くしか検出されなかった。これら結果から、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス２ｂ側にシフトさせた条件、あるいは、シフト量が０ｍｍの条件では、接合部は真鍮と銅が混ざり合った状態、すなわち、亜鉛が一部気化して接合部から消失してしまっていることが分かる。気化した亜鉛の一部は、接合部にブローホール欠陥等の接合欠陥となって存在するようになるので、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂとの接合強度が弱まることになり好ましくない。
【００５２】
一方、（ｃ）の図のように、レーザビームの照射中心の位置を、真鍮側に０．２ｍｍシフトして接合した接合部４ｄからは、銅のピークが僅かに検出されるものの、真鍮のピークが強く検出された。したがって、この接合条件では、真鍮が溶融しても亜鉛は僅かしか気化せず、ブローホール欠陥等の接合欠陥の発生が抑制されることが分かる。
【００５３】
（ＥＰＭＡ分析結果）
図９から図１１に、接合部を含む、接合体２断面のＥＰＭＡ面分析結果を示す。なお分析は、概ね接合部の厚み中央部分について行ったものである。
【００５４】
図９は、レーザビームの照射中心の位置を、ステンレス鋼２ｂ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合部４ｂ、および、接合部４ｂ近傍の元素マッピングである。接合部４ｂの主成分は鉄であり、内部に、銅、亜鉛、鉄が存在していることが分かる。そして、接合部内では、銅に対して亜鉛が少なくなっている部分があり、亜鉛の一部が気化して失われていることが分かる。
【００５５】
また、図１０は、レーザビームのシフト量を０ｍｍにして接合した接合部４ｃ、および、接合部４ｃ近傍の元素マッピングである。接合部４ｃ内では、銅、亜鉛、鉄が複雑に混ざり合っており、図９と同様に、亜鉛の一部が気化して失われてしまっていることが分かる。
【００５６】
一方、図１１は、レーザビームを真鍮２ａ側に０．２ｍｍシフトさせた接合した、接合部４ｄの元素マッピングであり、接合部４ｄは、ステンレス鋼２ｂとの間に平滑な界面を形成し、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが混ざり合うような金属組織になっていない。そして、接合部４ｄからは、ほぼ銅と亜鉛がしか検出されず、鉄は殆ど検出されなかった。
【００５７】
図１２に、接合部を含む、接合体２の断面のＥＰＭＡ線分析結果を示す。なお分析は、概ね接合体２の厚み中央付近について行ったものである。
【００５８】
図１２（ａ）、および、図１２（ｂ）は、それぞれ、レーザビームをステンレス鋼２ｂ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合体２と、レーザビームのシフト量を０ｍｍにして接合した接合体２の、元素のラインプロファイルであり、図９および図１０の元素マッピングと同様に、接合部４ｂおよび４ｃの内部に、銅、亜鉛、鉄が存在していることが分かる。
【００５９】
一方、図１２（ｃ）は、レーザビームを真鍮２ａ側に０．２ｍｍシフトさせて接合した接合体２の、元素のラインプロファイルであり、接合部４ｄの銅と亜鉛の組成比が、真鍮２ａの銅と亜鉛の組成比と、同等になっていることが分かる。また、接合部４ｄの鉄の濃度と、真鍮２ａの鉄の濃度も同等であり、接合部４ｄが、ほぼ真鍮２ａの組成のままの溶融組織であることが分かる。したがって、この接合条件で接合すれば、真鍮２ａが溶融して接合部４ｄを形成しても、亜鉛が殆どが失われることなく接合部４ｄ内に残るので、ブローホール欠陥等の接合欠陥の発生が抑制され、真鍮２ａとステンレス鋼２ｂが良好に接合し、良好な破断強度の接合体２とすることが可能になる。
【００６０】
図１２（ｃ）の接合部４ｄにおいて、亜鉛が殆ど失われずに残るのは、レーザビームの照射中心の位置を真鍮２ａ側にすると、真鍮２ａの融点がステンレス鋼２ｂの融点より低いので、真鍮２ａの突合せ界面２ｃと隣接する部分が、キーホールが形成されながら積極的に溶融し、亜鉛の蒸気圧がキーホール内で高くなって、気化が抑制されるためである。
【００６１】
一方、レーザビームの照射中心の位置をステンレス鋼２ｂ側にすると、真鍮２ａの融点がステンレス鋼２ｂの溶融より低いので、レーザビームの照射によりステンレス鋼２ｂが溶融すると同時に真鍮２ａも溶融してしまい、溶融した真鍮２ａとステンレス鋼２ｂの対流が発生して溶融幅が広くなってしまう。その結果、溶融幅が広くなってキーホールが形成されにくくなり、亜鉛が気化してしまうのである。
【００６２】
以上、真鍮（Ｃ２６８０）とステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とのレーザ突合せ接合方法を用いて、本発明である異種金属の突合せ接合方法を説明したが、接合される材質は必ずしもＣ２６８０とＳＵＳ３０４に限定されない。すなわち、Ｃ２６８０を、銅を主成分として亜鉛を含む銅合金に置き換えたり、同じく、ＳＵＳ３０４を、鉄を主成分とする炭素鋼等に置き換えることも可能である。
【００６３】
例えば、図１３は、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属を、異なる組み合わせで接合した接合体の、断面状態を示す図であり、銅と亜鉛を主成分とする金属として、Ｃ２６００（Ｃｕ：７０％，Ｚｎ：３０％）、Ｃ２６８０（Ｃｕ：６４〜６８％，Ｚｎ：３２〜３６％）、Ｃ２８０１（Ｃｕ：６０％．Ｚｎ：４０％）、鉄を主成分とする金属として、純鉄、ＳＵＳ３０４、炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）の組み合わせで接合した接合体である。
図に示される接合体のうち、鉄を主成分とする金属が、純鉄，ＳＵＳ３０４のものは、厚み１．５ｍｍ．幅２５ｍｍ，長さ５０ｍｍに加工した金属板どうしを接合したものであり、鉄を主成分とする金属が炭素鋼のものは、厚み０．５ｍｍ．幅２５ｍｍ，長さ５０ｍｍに加工した金属板どうしを接合したものである。
いずれの図の接合体も、左が銅と亜鉛を主成分とする金属、右が鉄を主成分とする金属であり、レーザビームを、突合せ界面から銅と亜鉛を主成分とする金属側に、０．２ｍｍシフトさせて接合したものであるが、いずれの図の接合体も、接合部と、鉄を主成分とする金属との界面が明瞭であり、本発明の接合方法による特徴である、銅と亜鉛を主成分とする金属だけが溶融したような接合部が形成されていた。
【００６４】
また、図１４は、図１３に示され接合体の、破断応力を示す図であり、鉄を主成分とする金属種を横軸、銅と亜鉛を主成分とする金属種をグラフ上の記号で示したものである。
図１４は、各金属の組み合わせについて３回ずつ、破断応力の評価を行った結果であるが、いずれの接合体も、３００MPａ以上の安定した破断強度であり、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属が、異なる組み合わせであっても、強い接合強度に溶融接合されることが確認できた。
【００６５】
そして、上記の異種金属の突合せ接合方法によって作成された、銅と亜鉛を主成分とする金属と、鉄を主成分とする金属の突合せ接合体は、比較的熱伝導率の高い金属（銅と亜鉛を主成分とする金属）と、比較的機械的強度に優れた金属（鉄を主成分とする金属）の組み合わせであるので、効率的に熱交換を行う必要がある部分を銅と亜鉛を主成分とする金属、強度が必要な部分を鉄を主成分とする金属に使い分けることで、品質や耐久性がこれまで以上に高い、ボイラーやラジエータなどの熱交換器や配管などに適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１：接合装置
１ａ：レーザ発振器
１ｂ：光ファイバ
１ｃ：集光ヘッド
１ｄ：ステージ
１ｅ：加圧機構
１ｆ：Ｘ軸駆動機構
１ｇ：Ｙ軸駆動機構
１ｈ：Ｚ軸駆動機構
１ｊ：ノズル
２：接合体
２ａ：銅と亜鉛を主成分とする金属（銅と亜鉛を主成分とする金属）、真鍮
２ｂ：鉄を主成分とする金属（鉄を主成分とする金属）、ステンレス鋼
２ｃ：突合せ界面
３：水密試験治具
３ａ：容器
３ｂ：Ｏリング
３ｃ：押え板
３ｄ：ボルト
３ｅ：注水口
４ａ〜４ｄ：接合部
４ｅ，４ｆ，４ｇ：ブローホール
４ｈ，４ｊ：アンダーフィル
４ｋ：欠陥
Ｄ：デフォーカス量
Ｆ：焦点位置
Ｌ：レーザビーム
Ｓ：シフト量
【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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