(57)【要約】【課題】  銅系部材と鉄系部材の直接レーザ溶接において、経済的で、気密信頼性の高い継手品質を図ることを目的とする。【解決手段】  鉄系部材１１と、Ｎｉ皮膜１２２を施した銅系部材１２とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手１、並びに当該レーザ溶接継手１の製造方法であって、突合せ面Ｆよりも銅系部材１２側に、突合せ面に平行な向きにレーザ照射する工程を含む方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手。
【請求項２】
前記Ｎｉ皮膜が、１〜１０μｍの厚みの無光沢電界Ｎｉめっき膜である、請求項１に記載のレーザ溶接継手。
【請求項３】
前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい外径を有するフランジである、請求項１または２に記載のレーザ溶接継手。
【請求項４】
前記管の端面が、前記管の径方向に対して所定角度傾斜した円錐状のテーパ面を有する接合端面を形成し、前記フランジ端面が前記接合端面に係合する接合受面を形成し、前記接合端面と前記接合受面とが突合せ溶接されてなる、請求項３に記載のレーザ溶接継手。
【請求項５】
前記管の端部が前記フランジに嵌挿され、拡管されて、前記管の外側面と前記フランジ内側面が突合せ溶接されてなる、請求項４に記載のレーザ溶接継手。
【請求項６】
前記フランジの端部が段加工されて、前記管の外径と略同一径の接合受面を有し、前記管の端面と、前記接合受面が突合せ溶接されてなる、請求項３に記載のレーザ溶接継手。
【請求項７】
前記管の端部が段加工されて、前記フランジに嵌挿される凸状接合端部をさらに有する、請求項６に記載のレーザ溶接継手。
【請求項８】
鉄系部材と、少なくともレーザ照射位置にＮｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、突合せ面よりも銅系部材側に、突合せ面に平行にレーザ照射する工程を含む方法。
【請求項９】
前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジである、請求項８に記載の方法であって、
前記管の一端を、前記フランジ内に嵌挿配置する工程と、
前記嵌挿配置した管の一端を拡管加工する工程と、
前記管の拡管傾斜部に、レーザ照射する工程と
を含む方法。
【請求項１０】
前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジである、請求項８に記載の方法であって、
前記管の端面が、前記管の径方向に対して所定角度傾斜した円錐状のテーパ面を有する接合端面を形成し、前記フランジ端面が、前記接合端面に係合する接合受面を形成し、前記接合端面と前記接合受面とが突合せ溶接されてなる、方法。
【請求項１１】
前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジである、請求項８に記載の方法であって、
前記フランジの端部が段加工されて、前記管の外径と略同一径の接合受面を有し、前記管の端面と、前記接合受面が突合せ溶接されてなる方法。
【請求項１２】
前記管の端部が段加工されて、前記フランジに嵌挿される凸状接合端部をさらに有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接継手及びその製造方法に関する。本発明は、特には、気密信頼性の高い継手品質を備えるレーザ溶接継手及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
密閉式ガス封入コンタクタや交換器の配管、電磁弁などの気密性が要求される銅系部材と鉄鋼材料の異種金属接合において、銀ろう材や銅ろうなどを使用した炉中ろう付けが一般的に行われている。ろう付法はコンベア式加熱炉による連続生産や、大型炉による多数個取りが可能であるという利点を備える。一方、全体加熱による強度低下や熱変形、熱に弱い部品を搭載した状態での接合ができないなどの製造上の制約が生じる場合もある。
【０００３】
異種金属接合方法として、ろう材とレーザ溶接を併用する方法が知られている。例えば、特許文献１は、ワイヤとして銅系ろう材を用い、薄鋼板を相互につき合わせて溶接する方法であって、突合せ部にレーザを照射する工程を含む方法を開示している。特許文献２は、アルミニウム材と鋼材との異種接合において、溶加材を供給しながらレーザ溶接する方法が開示されている
【０００４】
しかし、これらはいずれも、ろう材を必須とする方法であり、ろう材を使用することで、直材費のコストアップや溶接速度の遅延が生じたり、ワイヤ送給機構やワイヤ送り量を制御するための機構が必要になったりする問題があった。
【０００５】
一方、銅と鉄の直接接合の場合、一般的なアーク溶接などはエネルギー密度が低い為、熱伝導性の高い銅材を溶融させるためには予熱や低速溶接が必要となる。特に、小型薄肉部材への適用に当たっては、入熱過多による変形抑制が課題となる場合がある。また、入熱量を抑えた新しい接合方法として、摩擦撹拌接合がある。しかし、この方法は、対応可能な継手形状などに制約が多く、加工部表面のバリ除去など後加工の工数増加も課題である。このような状況の中、レーザ溶接については、ファイバーレーザを中心とした近年のレーザ発振器の進歩により、高エネルギー密度による局所加熱接合が可能になってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2008-55479号公報
【特許文献２】特開2014-180685号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ照射で銅系部材を直接溶接する場合、これらの部材は熱伝導性が高いことに加え、一般的に使われるＣＯ２レーザやＹＡＧレーザなど赤外波長域（λ＝１〜１０μｍ）の吸収率が、鉄系部材などに比べて著しく低い。このために、レーザ光を表面反射させずに溶け込みを得るのに比較的大きなレーザ出力が必要となる。また、一旦溶融が生じると急激に吸収が進むため、部位によって溶け込み深さの異なる、いわゆるスパイク状の溶け込み形態になり易い。さらに銅と鉄の直接溶接においては、溶融部における鉄元素の成分比率が多くなると、溶接ビード部に凝固割れが生じるため、これを防止することが重要となる。
【０００８】
本発明は、銅系部材と鉄系部材の直接レーザ溶接において、入熱量の抑制と溶融部の成分組成の制御により、気密信頼性の高い継手品質を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、ろう材を用いることなく、銅系部材のレーザの吸収率を上げること、及び、特定のレーザ照射方法により、溶融部における鉄の溶け込み量をコントロールすることに想到し、また、このような方法に適した継手構造に想到し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、一実施形態によれば、レーザ溶接継手であって、鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなる。
前記レーザ溶接継手において、前記Ｎｉ皮膜が、１〜１０μｍの厚みの無光沢電界Ｎｉめっき膜であることが好ましい。
【００１１】
前記レーザ溶接継手において、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい外径を有するフランジであることが好ましい。
【００１２】
前記レーザ溶接継手において、前記管の端面が、前記管の径方向に対して所定角度傾斜した円錐状のテーパ面を有する接合端面を形成し、前記フランジ端面が前記接合端面に係合する接合受面を形成し、前記接合端面と前記接合受面とが突合せ溶接されてなることが好ましい。
【００１３】
前記レーザ溶接継手において、前記管の端部が前記フランジに嵌挿され、拡管されて、前記管の外側面と前記フランジ内側面が突合せ溶接されてなることが好ましい。
【００１４】
前記レーザ溶接継手において、前記フランジの端部が段加工されて、前記管の外径と略同一径の接合受面を有し、前記管の端面と、前記接合受面が突合せ溶接されてなることが好ましい。
前記レーザ溶接継手において、前記管の端部が段加工されて、前記フランジに嵌挿される凸状接合端部をさらに有することが好ましい。
【００１５】
本発明は、別の局面によれば、鉄系部材と、少なくともレーザ照射位置にＮｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、突合せ面よりも銅系部材側に、突合せ面に平行にレーザ照射する工程を含む方法に関する。
【００１６】
前記レーザ溶接継手の製造方法において、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジであり、前記管の一端を、前記フランジ内に嵌挿配置する工程と、前記嵌挿配置した管の一端を拡管加工する工程と、前記管の拡管傾斜部に、レーザ照射する工程とを含むことが好ましい。
【００１７】
前記レーザ溶接継手の製造方法において、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジである、請求項８に記載の方法であって、前記管の端面が、前記管の径方向に対して所定角度傾斜した円錐状のテーパ面を有する接合端面を形成し、前記フランジ端面が前記接合端面に係合する接合受面を形成してなる方法が好ましい。
【００１８】
前記レーザ溶接継手の製造方法において、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい内径を有するフランジである、請求項８に記載の方法であって、前記フランジの端部が段加工されて、前記管の外径と略同一径の接合受面を有し、前記管の端面と、前記接合受面が突合せ溶接されてなる、方法が好ましい。
前記管の端部が段加工されて、前記フランジに嵌挿される凸状接合端部をさらに有する、方法がさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るレーザ溶接継手及びその製造方法によれば、銅系部材と、鉄系部材との直接溶接において、レーザ出力を低減することができ、凝固割れの発生を抑制し、気密信頼性の高い継手品質を確保することが可能となる。また、特に、所定の継手構造とすることで、例えば、管とフランジのレーザ溶接において、より気密信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接継手、及びレーザ照射方法を模式的に示す図である。
【図２】厚膜めっき突合せ時の溶接ギャップを示す概念図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接継手を構成するフランジと管の構造を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接継手、及びレーザ照射方法を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るレーザ溶接継手、及び拡管治具を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るレーザ溶接継手の製造方法を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るレーザ溶接継手を構成するフランジの構造を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係るレーザ溶接継手、及びレーザ照射方法を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係るレーザ溶接継手を構成する管の一端の構造を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係るレーザ溶接継手、及びレーザ照射方法を模式的に示す図である。
【図１１】銅系部材の、レーザ吸収率を示すグラフである。
【図１２】一般的なパイプ突合せ構造における問題点を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図面は本発明を説明するための例示的な概略図であって、装置を構成する各部材の寸法や相対的な関係は、本発明を限定するものではない。
【００２２】
［第１実施形態］
本発明は、第１実施形態によれば、レーザ溶接継手であって、鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなる。図１は、本発明の第１実施形態による、レーザ溶接継手を模式的に示すものである。図１において、レーザ溶接継手１は、鉄系部材１１と銅系部材１２とが、突合せ面Ｆにて突合せ溶接されてなる。
【００２３】
鉄系部材１１は、鉄を主成分とする一般的な鋼材であればよく、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼等が挙げられるが、これらには限定されない。
【００２４】
銅系部材１２は、銅を主成分とする部材、すなわち、純銅、あるいは銅合金であってよい。これらの部材として、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、黄銅、りん青銅、ベリリウム銅、青銅鋳物、が挙げられるが、これらには限定されない。
【００２５】
溶接される部材の厚みは、特には限定されず、レーザ溶接により接合可能な一般的な厚みであればよく、例えば、２〜３ｍｍであってよいが、これらには限定されない。
【００２６】
本発明において、銅系部材１２は、銅もしくは銅合金に、Ｎｉ皮膜が施されている。Ｎｉ皮膜は、Ｎｉを主成分とし、硫黄やリンを含まない皮膜である。典型的な実施形態においては、銅系部材１２は、銅もしくは銅合金１２１に、無光沢電解ＮｉめっきからなるＮｉ皮膜１２２が施されている。光沢Ｎｉめっきは光沢剤に含まれる硫黄やリン成分などの影響で粒界割れが生じるおそれがあるため、好ましくない。無光沢電解Ｎｉめっきは、１〜１０μｍの厚みであることが好ましい。図２に示すように、電解めっきによる皮膜１２２は、一般的に、コーナー部やエッジ部など、電解強度の高い部位にめっきが厚く生成する傾向がある。過剰な厚膜めっき化は、局部的な膜厚差による突合せ面の密着性悪化を招く原因となり、溶接ギャップＧによる溶け落ち不良が生じる場合がある。これを防止するため、銅系部材１２表面の無光沢電解Ｎｉめっき厚さを上記範囲とすることが好ましい。無光沢電解Ｎｉめっきは、通常の方法に従って、銅もしくは銅合金に無光沢電解Ｎｉめっきを行うことで、形成することができる。
【００２７】
図１、２に示す形態においては、突合せ面Ｆを含め、銅系部材１２は、その全面に無光沢電解ＮｉめっきからなるＮｉ皮膜１２２が施されており、一般的に、めっき処理の効率性の観点から、このようなめっき形態が用いられる場合が多い。しかし、本発明において、「Ｎｉ皮膜が施されている」とは、必ずしも、銅系部材の表面全体が、無光沢電界Ｎｉめっきにより覆われる必要はなく、少なくとも、レーザ照射される箇所（レーザ照射位置）及びその近傍が無光沢電解Ｎｉめっきにより覆われていればよい。レーザ照射位置は、突合せ面に平行に銅系部材にシフトした位置であってよく、シフト距離などのより詳細な条件は後述する。したがって、例えば、銅系部材のレーザ照射位置に、レーザ照射径と同程度の幅をもつ帯状（線状）のＮｉ皮膜が施されていればよい。また、突合せ面Ｆについても、無光沢電界Ｎｉめっきにより覆われていることが好ましい。なお、本発明に係る銅系部材は、無光沢電解Ｎｉめっきによる皮膜に代えて、スパッタリングにより形成されたＮｉ皮膜を備えるものであってもよい。この場合のＮｉ皮膜も、Ｎｉを主成分とし、硫黄やリン成分を含まず、上記厚み程度の皮膜であればよい。
【００２８】
次に、再び図１を参照して、本実施形態に係るレーザ溶接継手１の製造方法について説明する。本実施形態に係るレーザ溶接継手１の製造方法は、鉄系部材１１と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材１２との突合せ面Ｆを基準とし、突合せ面Ｆよりも銅系部材１２側に、突合せ面Ｆに平行にレーザ照射する工程を含む。
【００２９】
本実施形態において使用可能なレーザとしては、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧレーザなど、波長が赤外波長域（λ＝約１〜１０μｍ）にあるレーザ装置が挙げられるが、これらには限定されない。
【００３０】
具体的には、レーザ光Ｌの照射中心位置を、突合せ面Ｆを基準として、銅系部材１２側に距離Ｓだけシフトすることで、銅系部材１２と鉄系部材１１の接合を図るとともに、溶融部における鉄元素の溶け込みを制御し、凝固時のビード割れを抑制することができる。より具体的には、シフト距離Ｓを、レーザ照射径の２倍以下とすることが好ましい。レーザ照射の中心位置を鉄系部材１１側にシフトした場合や銅系部材１２と鉄系部材１１の突合せ面Ｆとした場合、熱伝導率の低い鉄系部材１１のみが溶融・溶け落ちし、安定した接合品質が確保できない。逆に銅系部材１２側へのシフト量が大き過ぎると、突合せ界面Ｆが入熱不足となり、これもまた接合に至らない。適正なレーザ照射位置は、レーザ光が鉄系部材１１側に直接当たらず、かつ銅系部材１２側からの熱伝導で突合せ界面Ｆが溶融するだけの入熱量が得られる範囲であり、上記範囲内となる。また、この範囲とすることで、溶融部における鉄元素の比率を概ね３０％以下に抑えることができ、溶接ビード部における凝固割れを防止することができる。
【００３１】
［第２実施形態］
本発明は、第２実施形態によれば、鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい外径を有するフランジであり、前記管の端面が、前記管の径方向に対して所定角度傾斜した円錐状のテーパ面を有する接合端面を形成し、前記フランジ端面が前記接合端面に係合する接合受面を形成し、前記接合端面と前記接合受面とが突合せ溶接されてなる。すなわち、各部材の端部が、同じ角度で面取りされ、係合する構造的特徴を備えている。
【００３２】
図３（ａ）を参照すると、第２実施形態による銅系部材は、第１実施形態と同様に、Ｎｉ皮膜２２２を施した銅もしくは銅合金２２１から構成される管状部材２２である。以下、本実施形態において、この部材を省略して、銅管２２とも指称する。銅管２２の端面は、管の径方向に対して所定角度θ２だけ傾斜した、あるいは、管の流路方向に対して、所定角度９０−θ２だけ傾斜した、円錐状のテーパ面を有する接合端面Ｆ２を形成している。なお、銅管２２のテーパ面は、管の先端に向かって先細となるテーパ面である。
【００３３】
図３（ｂ）を参照すると、第２実施形態による鉄系部材は、未処理の炭素鋼などの鉄系部材からなるフランジ２１である。以下、本実施形態において、この部材を省略して、フランジ２１とも指称する。フランジ２１の端面もまた、フランジの径方向に対して所定角度θ１だけ傾斜した、あるいは、フランジ２１の流路方向に対して、所定角度９０−θ１だけ傾斜した、円錐状のテーパ面を有する接合受面Ｆ１を形成している。フランジのテーパ面は、銅管２２のテーパ面と係合する構造であり、端部に向かって広くなるテーパ面である。
【００３４】
ここで、フランジ２１のテーパ面の傾斜角度θ１と、銅管２２のテーパ面の傾斜角度θ２とは、同一であり、３０°〜４５°程度であることが好ましい。位置合わせをしやすくするとともに、レーザ照射により接合可能な適切な接合厚みとするためである。本実施形態においては、接合端面Ｆ２と接合受面Ｆ１とから構成される突合せ面Ｆが、頂点を欠いた円錐形状となり、第２実施形態によるレーザ溶接継手は、この面にてレーザ溶接されてなる。
【００３５】
次に、図４を参照して、第２実施形態によるレーザ溶接継手２の製造方法（レーザ溶接方法）について説明する。本製造方法は、フランジ２１と銅管２２とを当接させる第１工程と、フランジ２１と銅管２２との突合せ面Ｆを基準として、銅管２２側にシフトした位置に、突合せ面Ｆに平行にレーザＬを照射する第２工程とを含む。第１工程については、通常の方法にしたがって、フランジ２１と銅管２２とを係合させ、当接させて、固定することができる。第２工程については、第１実施形態において詳述したとおりのシフト位置に、銅管２２の長手方向に９０−θ２の角度でレーザ照射することができる。一般的には、レーザ照射装置を固定し、フランジ２１と銅管２２とを所定の治具で固定して、回転させながらレーザ照射することができるが、特定の方法には限定されない。
【００３６】
本実施形態においては、突合せ面Ｆを、図３、４に示すように、フランジ２１及び銅管２２の径方向から、傾斜させることで、シフト距離Ｓにおけるレーザ照射を容易に、かつ干渉させずに実施することができる。これについて、一般的には、図１２に示すような鉄系部材１０１と銅管１０２の突合せ構造が考えられるが、この場合、突合せ面Ｆに対してレーザ光Ｌを平行入射しようとしても、レーザ光Ｌの広がりのため、鉄系部材１０１とレーザ光Ｌとの干渉Ｉが生じてしまい、溶接が不可能となる。本発明においては、突合せ面Ｆを、図示する所定の構成とすることで、このような干渉を防止したものであり、気密信頼性の高い継手品質を得ることができる。
【００３７】
第２実施形態によれば、銅系部材と、鉄系部材の密着性を確保するとともに、位置合わせを容易にし、かつ、レーザ光の中心位置を銅系部材と鉄系部材の突合せ面を基準として、銅系部材側にシフトすることで、突合せ面に対するレーザ光の平行入射を実現することができる。
【００３８】
［第３実施形態］
本発明は、第３実施形態によれば、鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい外径を有するフランジであり、前記管の端部が前記フランジに嵌挿され、拡管されて、前記管の外側面と前記フランジ内側面が突合せ溶接されてなる。
【００３９】
図５を参照すると、第３実施形態による銅系部材は、第１、第２実施形態と同様に、Ｎｉ皮膜３２２を施した銅もしくは銅合金３２１から構成される管状部材３２である。以下、本実施形態において、この部材を省略して、銅管３２とも指称する。第３実施形態による鉄系部材もまた、未処理の炭素鋼などの鉄系部材からなるフランジであり、この部材を省略して、フランジ３１とも指称する。本実施形態においては、銅管３２は、その端部が、フランジ３１に嵌挿され、拡管されている３２５。これにより、嵌挿位置にある銅管３２の外側面は、フランジ３１の内側面と当接し、好ましくは密着している。そして、当接面である、フランジ３１の内側面Ｆ１と、銅管３２の外側面Ｆ２とが突合せ面Ｆを形成する。そして、第３実施形態によるレーザ溶接継手３は、この突合せ面Ｆにて、フランジ３１と銅管３２とを突合せレーザ溶接してなる。
【００４０】
次に、第３実施形態によるレーザ溶接継手３の製造方法（レーザ溶接方法）について説明する。本製造方法は、銅管３２の一端を、前記フランジ３１内に嵌挿配置する第１工程と、前記嵌挿配置した銅管３２の一端を拡管加工する第２工程と、前記銅管３２の拡管傾斜部３２４に、レーザ照射する工程とを含む。
【００４１】
第１工程では、銅管３２の一端を、前記フランジ３１内に嵌挿配置する。図６（ａ）に、第１工程終了後のフランジ３１及び銅管３２の位置関係の一例を、模式的に示す。銅管３２の端部が、フランジ３１の一端から挿入される。なお、銅管３２の端部は、必ずしもフランジ３１の他端から突出していなくてもよい
【００４２】
第２工程では、銅管３２の一端から、拡管治具８を挿入し、銅管３２に拡管加工を行う。先に参照した図５は、第２工程で拡管治具８を挿入した状態の一例を、模式的に示す。拡管加工は、拡管後の銅管端部３２５の外側面が、フランジ３１の内側面に当接し、密着する程度にまで行うことが好ましい。
【００４３】
第３工程では、前記銅管３２の拡管傾斜部３２４にレーザ照射する。図６（ｂ）に、突合せ面Ｆから距離Ｓだけシフトした位置である拡管傾斜部３２４に、レーザＬを照射する形態の一例を、模式的に示す。本実施形態においては、突合せ面Ｆは、銅管３２とフランジ３１の当接面である。レーザ照射位置を、突合せ面Ｆを基準として、銅系部材側に距離Ｓだけシフトすると、レーザ照射位置が、拡管傾斜部３２４にあたる。シフト距離Ｓは、第１実施形態において説明したとおり、レーザ照射径の２倍以下であることが好ましい。また、距離Ｓだけシフトしたレーザ照射位置が拡管傾斜部３２４にあたるように、前述の銅管３２の外径と、フランジ３１の内径とを設計することができる。したがって、突合せ面Ｆに平行に、すなわち、管の長手方向あるいは流路方向に平行に、拡管傾斜部３２４にレーザ照射することができる。
【００４４】
第３実施形態によれば、銅系部材と鉄系部材の密着性を確保するとともに、レーザ光の中心位置を銅系部材と鉄系部材の突合せ面を基準として、銅系材側にレーザ照射シフトすることで、突合せ面に対するレーザ光の平行入射を実現することができる。
【００４５】
［第４実施形態］
本発明は、第４実施形態によれば、鉄系部材と、Ｎｉ皮膜を施した銅系部材とを突合せ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記銅系部材が管であり、前記鉄系部材が前記管の外径よりも大きい外径を有するフランジであり、前記フランジの端部が段加工されて、前記管の外径と略同一径の接合受面を有し、前記管の端面と、前記接合受面が突合せ溶接されてなる。
【００４６】
図７を参照すると、第４実施形態による鉄系部材もまた、未処理の炭素鋼などの鉄系部材からなるフランジであり、この部材を省略して、フランジ４１とも指称する。本実施形態においては、フランジ４１は、その一端が段加工されて、フランジ本体部４１１から突出した凸部４１２となっている。凸部４１２の先端は、フランジ４１の径方向に略平行な平坦面であり、前記管の外径と略同一径の接合受面Ｆ１を有する。フランジ４１の、他端もまた、段加工され、フランジ本体部４１１に向けて、凹部４１３が形成されている。これは、金型プレス成形により、段加工を行った場合の断面形態を示したものである。しかし、少なくともフランジ４１の一端に、接合受面Ｆ１を有する凸部４１２が設けられていればよく、他端の構造的特徴は、限定されるものではない。
【００４７】
図８を参照すると、第４実施形態による銅系部材は、第１、第２実施形態と同様に、Ｎｉ皮膜４２２を施した銅もしくは銅合金４２１から構成される管状部材４２である。以下、本実施形態において、この部材を省略して、銅管４２とも指称する。銅管４２は、直管であり、その端面は、銅管４２の長手方向あるいは流路方向に略垂直な平坦面である、接合端面Ｆ２を有する。
【００４８】
本実施形態においては、フランジ４１の接合受面Ｆ１と、銅管４２の接合端面Ｆ２が、突合せ面Ｆを構成する。本実施形態における突合せ面Ｆは、銅管４２の長手方向もしくは流路方向に対し、略垂直な面である。第４実施形態によるレーザ溶接継手４は、この突合せ面Ｆにて、フランジ４１と銅管４２とを突合せレーザ溶接してなる。
【００４９】
次に、第４実施形態によるレーザ溶接継手４の製造方法（レーザ溶接方法）について説明する。本製造方法は、フランジ４１と銅管４２とを当接させる第１工程と、フランジ４１と銅管４２との突合せ面Ｆを基準として、銅管４２側に距離Ｓだけシフトした位置に、突合せ面Ｆに平行にレーザＬを照射する第２工程とを含む。第１工程については、通常の方法にしたがって、フランジ４１と銅管２４とを当接させ、必要に応じて治具等で固定することができる。第２工程については、第１実施形態において詳述したとおりのシフト位置に、銅管４２の長手方向あるいは流路方向に垂直に、レーザ照射することができる。
【００５０】
第４実施形態によれば、鉄系部材の突合せ部に凸形状加工を施すことで、レーザ光と鉄系部材との干渉を防止し、突合せ面に対するレーザ光の平行入射を実現することができる。
【００５１】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による接合継手は、第４実施形態による接合継手の変形形態であって、前記管の端部が段加工されて、前記フランジに嵌挿される凸状接合端部をさらに有する。
【００５２】
第５実施形態による鉄系部材もまた、未処理の炭素鋼などの鉄系部材からなるフランジ５１であってよく、この部材を省略して、フランジとも指称する。第５実施形態によるフランジ５１は、特には、図７に示すフランジ４１と同一の構造的特徴を備えるものであってよく、フランジ本体部５１１、凸部５１２、凹部５１３から構成される。
【００５３】
図９を参照すると、第５実施形態による銅系部材は、第１〜第４実施形態と同様に、Ｎｉ皮膜５２２を施した銅もしくは銅合金５２１から構成される管状部材５２である。本実施形態において、この部材を省略して、銅管５２とも指称する。本実施形態による銅管５２は、その一端に端部が段加工された凸状接合端部５２３を有する。凸状接合端部５２３の外径は、銅管５２の本体部５２４の外径よりも小さく、前記フランジ５１の内部に嵌挿されるように構成されている。したがって、段加工は、フランジ５１の形状にしたがい、傾斜面を持つ段加工ではなく、直角に段加工されていることが好ましい。第５実施形態による銅管５２において、接合端面Ｆ２は、銅管５２の長手方向あるいは流路方向に略垂直な平坦面であり、この点においても、第４実施形態と共通する。
【００５４】
図１０を参照すると、第５実施形態によるレーザ溶接継手５においては、フランジ５１の接合受面Ｆ１と、銅管５２の接合端面Ｆ２とが、銅管５２の長手方向あるいは流路方向に略垂直な面である突合せ面Ｆを形成する。
【００５５】
次に、第５実施形態によるレーザ溶接継手５の製造方法（レーザ溶接方法）について説明する。本製造方法は、フランジ５１と銅管５２とを当接させる第１工程と、フランジ５１と銅管５２との突合せ面Ｆを基準として、銅管５２側にシフトした位置に、突合せ面Ｆに平行にレーザＬを照射する第２工程とを含む。第５実施形態の製造方法においては、第１工程において、銅管５２の凸状接合端部５２３を、フランジ５１内に、の内部に嵌挿配置することを除いて、第４実施形態と同様であってよい。
【００５６】
第５実施形態によれば、銅系部材の先端に段付加工を施す事で、第４実施形態と同様に、突合せ面に対するレーザ光の平行入射を実現することに加え、銅系部材と鉄系部材との位置合わせを容易にすることができる点でより有利である。
【実施例】
【００５７】
［参考例］
無光沢電解Ｎｉめっきの有無による、レーザ吸収率を評価した。無酸素銅表面に５μｍのＮｉ皮膜を施した試料と、めっきを施さない試料を作成した。紫外・可視分光法によるレーザ吸収率の評価では、表面未処理材の吸収率９％に対し、電解Ｎｉめっきを施すことで３８％まで向上が図られた。図１１にグラフを示す。これにより、レーザ表面溶融に必要なレーザ出力を約５０％程度低減できる。ゆえに、コストを押さえ、かつ入熱を抑えた溶接が可能となることが示された。
【００５８】
［実施例１］
図５に示すレーザ溶接継ぎ手を製造した。銅系部材としては、図６（ａ）に示すような、表面全体に５μｍのＮｉ皮膜を施した無酸素銅からなる直管を用い、鉄系部材としては、同じく図６（ａ）に示すような、炭素鋼からなるフランジを用いた。フランジは、その内径が、銅直管の外径より、１ｍｍ程度大きいものとした。図６（ａ）に示すように、銅直管をフランジに嵌挿配置した。次いで、図５に示すように、常温下で銅直管の端部から、拡管治具を挿入し、銅直管の端部に拡管加工した。その結果、銅管は、図６（ｂ）に示すように、拡管傾斜部３４を持ち、かつ、その外側面がフランジ３１の内側面に当接し、密着するものとなった。次いで、出力が２ｋＷのファイバーレーザ（ＩＰＧ社製）を用いて、レーザ溶接した。レーザは、治具の挿入とは逆の向きから、接合面Ｆとなるフランジの内側面に平行に、拡管傾斜部に照射し、溶接した。
【００５９】
製造後の突合せ面を切断し、不具合の有無を観察したところ、溶融部分において、銅と鉄が均一に撹拌され、凝固割れやブローホールなどの欠陥の発生の無い、良好な溶け込み状態が観察され、不具合は見当たらなかった。また、気密性について、ヘリウムリーク試験により測定した結果、検出限界に近い１０−１０Ｐａ・ｍ３／ｓ以下の良好な気密性が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によるレーザ溶接継手は、ＨＶコンタクタ、自販機電磁弁など、気密信頼性を要する製品において有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１、２、３、４、５      レーザ溶接継ぎ手
１１                    鉄系部材
２１、３１、４１、５１  フランジ（鉄系部材）
１２                    銅系部材
２２、３２、４２、５２  管（銅系部材）
Ｆ                      突合せ面
Ｌ                      レーザ光
Ｓ                      レーザ照射位置シフト
Ｇ                      溶接ギャップ
θ                      テーパ角度
【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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