(57)【要約】【課題】本発明の課題は、銅製または銅合金製の異径管を接合する際のコストのみならず、その製造時の環境負荷をも低減することである。【解決手段】本発明に係る「銅製または銅合金製の異径管の接合方法」では、銅製または銅合金製の異径の直管Ｃｃ，Ｃｓの互いの軸Ａｃ，Ａｓが平行となるように直管を接触させた状態で直管を直管の軸方向に送りながら、異径の直管の軸を含む第１仮想面Ｐａに垂直であって直管の接触箇所を含む第２仮想面Ｐｐよりも小径直管側寄りに配設されたレーザ出射装置１１２から、接触箇所Ｌｃよりも小径直管側にずれた焦点位置Ｓｔに向かってレーザ光線ＬＢを照射して、異径の直管を連続的にレーザ接合する。なお、接触箇所からの焦点位置のズレ幅は、レーザ光線のスポット径の２分の１以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅製または銅合金製の異径の直管の互いの軸が平行となるように前記直管を接触させた状態で前記直管を前記直管の軸方向に送りながら、前記異径の直管の軸を含む第１仮想面に垂直であって前記直管の接触箇所を含む第２仮想面よりも小径直管側寄りに配設されたレーザ出射装置から、前記接触箇所よりも前記小径直管側にずれた焦点位置に向かってレーザ光線を照射して、前記異径の直管を連続的にレーザ接合する
銅製または銅合金製の異径管の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、径が異なる銅製または銅合金製の管の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去に「キャピラリーチューブを圧縮機の吸入管に螺旋状に巻き付けてろう付けする」という技術が提案されている（例えば、特開２００１−１０８３３３号公報等参照）。
【０００３】
近年、キャピラリーチューブおよび吸入管は通常、銅製または銅合金製であるが、最近、コストダウン等を目的として、それらの管体をアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成してレーザ溶接することが提案されている（例えば、特開２０１３−０９２２８７号公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０８３３３号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、銅製または銅合金製の管体は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製の管体よりも、曲げ加工性や、耐腐食性、耐久性、熱伝導性、リサイクル性、薄肉化性に優れ、結合部品とろう付けしやすい特徴がある。このため、今後も、銅製または銅合金製のキャピラリーチューブおよび吸入管の接合体を望む声が小さくなることはないと思われる。
【０００６】
しかし、社会的には、依然としてコストダウンの要求が高まる一方であり、環境負荷の低減を目的としてろう材に含まれる希少金属の使用量を低減することも要求されている。
【０００７】
本発明の課題は、銅製または銅合金製の異径管を接合する際のコストのみならず、その製造時の環境負荷をも低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る「銅製または銅合金製の異径管のレーザ接合方法」では、銅製または銅合金製の異径の直管の互いの軸が平行となるように直管を接触させた状態で直管を直管の軸方向に送りながら、異径の直管の軸を含む第１仮想面に垂直であって直管の接触箇所を含む第２仮想面よりも小径直管側寄りに配設されたレーザ出射装置から、接触箇所よりも小径直管側にずれた焦点位置に向かってレーザ光線を照射して、異径の直管を連続的にレーザ接合する。なお、ここにいう「直管」とは、真っ直ぐな円筒管である。また、接触箇所からの焦点位置のズレ幅は、レーザ光線のスポット径の２分の１以下である。また、上下方向の焦点位置は、小径直管の外表面から内表面の間に設定することが好ましい。
【０００９】
本発明に係る方法では、銅製または銅合金製の異径管がレーザ接合される。このため、本発明に係る方法では、銅製または銅合金製の異径管の接合に際してろう材（ハンダを含む）が不要となる。また、本発明に係る方法は、ろう付け方法よりも製造速度が格段に速くなることが確認されている。したがって、本発明に係る方法を用いれば、銅製または銅合金製の異径管を接合する際のコストのみならず、廃材のリサイクル性が高くなってリサイクルコストを下げることができる（廃材にろう材が付着しないため廃材に付加価値がつく。）と共に環境負荷を下げることができる。
【００１０】
なお、銅や銅合金は、アルミニウムやアルミニウム合金に比べ、レーザ光線の反射率が高く、レーザ溶接には向いていない素材とされている。しかし、本願発明者らは、その技術的困難性を克服して本願発明を完成させた。この点でも本願発明は画期的である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システムの概念図である。
【図２】図１の異径管付近の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システムの溶接対象である銅製または銅合金製の異径管の接合箇所の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る「銅製または銅合金製の異径管のレーザ接合方法」は、図１に示される異径管レーザ溶接システム１００によって実現される。以下、この異径管レーザ溶接システム１００について詳述する。
【００１３】
＜異径管レーザ溶接システムの構成＞
異径管レーザ溶接システム１００は、図１に示されるように、主に、ファイバーレーザ照射装置１１０、焦点合わせカメラ１２０、モニタ１２５、ガス供給装置１３０、制御装置１４０および異形管送り装置１５０から構成されている。以下、これらの装置について詳述する。
【００１４】
（１）ファイバーレーザ照射装置
ファイバーレーザ照射装置１１０は、図１に示されるように、主に、本体ユニット１１１、出射ユニット１１２および光ファイバーＯｆから構成されている。以下、これらの構成要素について詳述する。
【００１５】
本体ユニット１１１は、レーザ光線を生成し、光ファイバーＯｆを介してそのレーザ光線を出射ユニットに送る。また、この本体ユニット１１１は、図１に示されるように、信号線Ｔｌを介して制御装置１４０に通信接続されている。なお、レーザ光線の発振波長は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの範囲内であることが好ましく、１０７０ｎｍから１０８０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
【００１６】
出射ユニット１１２は、図１に示されるように、異径管Ｃｃ，Ｃｓの軸Ａｃ，Ａｓを含む第１仮想面Ｐａに垂直であって異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃを含む第２仮想面Ｐｂよりも小径直管側寄りに配設されており、主に、第１レンズＬｓ１および第２レンズＬｓ２から構成されている。第１レンズＬｓ１は、本体ユニット１１１から光ファイバーＯｆを介して送られてきたレーザ光線ＬＢ１を平行化する役目を担う。第２レンズＬｓ２は、第１レンズＬｓ１で平行化されたレーザ光線ＬＢ２を集光する役目を担う。そして、この出射ユニット１１２は、図１に示されるように、その光軸Ａｌが第２仮想面Ｐｂと平行な面Ｐｐと所定の角度θをなすように傾け配設されている。なお、本実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００では、この角度θは、１２°以上１６°以下の範囲内であることが好ましい。また、本実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００では、第２レンズＬｓ２で集光されたレーザ光線（以下「集束レーザ光線」という）ＬＢ３は、図１および図３に示されるように、異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃよりも小径直管側にずれた焦点位置Ｓｔに向かって照射される。なお、本発明の実施の形態では、集束レーザ光線ＬＢ３のスポット径をｒとすると、接触箇所Ｌｃからの焦点位置Ｓｔのズレ幅は０超ｒ／２以下（すなわち、図３の符号Ｌｃで示される線から符号Ｂｒで示される線の間の領域内（ただし、符号Ｌｃで示される線上は除かれる。））であることが好ましい。また、出射ユニット１１２の出力は、異径管の送り速度が速くなる程、高くすることが好ましい。なお、本発明の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００では、出力を０．０３３３×Ｖｓ＋０．８以上とすることが好ましい。
【００１７】
（２）焦点合わせカメラ
焦点合わせカメラ１２０は、図１に示されるように、その光軸が第２仮想面Ｐｂに沿うように、即ち異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃの真上を撮像するように配設されている。そして、この焦点合わせカメラ１２０は、信号線Ｔｃを介してモニタ１２５に通信接続されており、この信号線Ｔｃを介して撮像データをモニタ１２５に送信している。
【００１８】
（３）モニタ
モニタ１２５は、図１に示されるように、信号線Ｔｃを介して焦点合わせカメラ１２０
に通信接続されている。このモニタ１２５には、焦点合わせカメラ１２０から信号線Ｔｃを介して送信されてくる撮像データが映し出される。なお、このモニタ１２５には、具体的には、直管Ｃｃ，Ｃｓの接触部分付近の映像が映し出される。そして、ユーザは、このモニタ１２５でレーザ光線の焦点位置を確認しながら、出射ユニット１１２の傾斜角度や高さ位置等を手動で調節する。なお、異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃからの焦点位置のズレ幅は、集束レーザ光線ＬＢ３のスポット径の２分の１以下とされる。
【００１９】
（４）ガス供給装置
ガス供給装置１３０は、図１に示されるように、主に、ガスボンベ１３１、バルブ１３２、噴射ノズル１３３およびホースＨｓから構成されている。ガスボンベ１３１には、圧縮されたガスが溜められている。なお、ここで、ガスとは、例えば、空気や、窒素ガスおよびアルゴンガス等の不活性ガス等である。バルブ１３２は、図１に示されるように、ガスボンベ１３１の上部に配設されており、ガスボンベ１３１からのガスの流出力を調節する。噴射ノズル１３３は、図１に示されるように、ホースＨｓを介してバルブ１３２に接続されており、出射ユニット１１２の焦点位置Ｓｔの付近に向かってガスを連続的に供給するように配設されている。また、ガスの供給方向は、異径管Ｃｃ，Ｃｓの移動方向と同一方向であることが好ましい。このようにすれば、溶接個所に塵や埃などが侵入することを効率的に防止することができるからである。なお、ガスの供給流量は１０Ｌ／分程度であることが好ましい。
【００２０】
（５）制御装置
制御装置１４０は、例えば、コンピュータであって、本体、ディスプレイ、入力装置等から構成されており、上述の通り、信号線Ｔｌを介してファイバーレーザ照射装置１１０の本体ユニット１１１に通信接続されている。そして、この制御装置１４０は、レーザ光線の発振波長等を制御する。
【００２１】
（６）異径管送り装置
異形管送り装置１５０は、図１に示されるように、主に、大径直管送りローラ１５１および小径直管送りローラ１５２から構成されている。なお、図示はされていないが、大径直管送りローラ１５１および小径直管送りローラ１５２は、図１の紙面奥側および手前側に複数存在している。大径直管送りローラ１５１および小径直管送りローラ１５２は、図１に示されるように、直管Ｃｃ，Ｃｓの外径に合わせた円弧状の溝が形成された溝付きローラであって、互いに対向するように配設されている。そして、大径直管送りローラ１５１および小径直管送りローラ１５２は、大径直管Ｃｓおよび小径直管Ｃｃを押圧しながら、直管Ｃｃ，Ｃｓを直管Ｃｃ，Ｃｓの軸方向（図１の符号Ａｃ，Ａｓ参照）に送っていく。なお、集束レーザ光線ＬＢ３の焦点位置Ｓｔは、大径直管送りローラ１５１と小径直管送りローラ１５２との回転軸を結ぶ線上か、その近傍に設定されることが好ましい。
【００２２】
＜溶接対象＞
上述の通り、異径管Ｃｃ，Ｃｓは、銅製であるか銅合金製である。本実施の形態に係る異径管を形成し得る銅合金としては、例えば、Ｃ１２２０およびＣ１８６２等が挙げられる。
【００２３】
＜異径管のレーザ接合方法＞
大径直管送りローラ１５１および小径直管送りローラ１５２により、銅製または銅合金製の大径直管Ｃｓと銅製または銅合金製の小径直管Ｃｃを互いの軸Ａｃ，Ａｓが平行となるように大径直管Ｃｓと小径直管Ｃｃとを接触させた状態で、直管Ｃｃ，Ｃｓを直管Ｃｃ，Ｃｓの軸方向（図１のＡｃ，Ａｓおよび図３の白抜き矢印参照）に送りながら、出射ユニット１１２から、異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃよりも小径直管側にずれた小径直管Ｃｃの表面上の焦点位置Ｓｔに向かって集束レーザ光線ＬＢ３を照射して、異径管Ｃｃ，Ｃｓを連続的にレーザ溶接する。
【００２４】
＜レーザ接合の推察原理＞
本願発明者は、本発明の実施の形態に係る異径管のレーザ接合原理を以下の通りに推察している。
【００２５】
上述の通り、本発明の実施の形態に係る異形管のレーザ接合方法では、異径管Ｃｃ，Ｃｓの接触箇所Ｌｃよりも小径直管側にずれた焦点位置Ｓｔに向かって集束レーザ光線ＬＢ３が照射され、その結果、異径管Ｃｃ，Ｃｓがレーザ溶接される。かかる場合、図２に示されるように、集束レーザ光線ＬＢ３の照射面積は大径直管Ｃｓよりも小径直管Ｃｃの方が大きくなるが、小径直管Ｃｃの表面で反射された集束レーザ光線ＬＢ３の一部が大径直管Ｃｓに向かうため、小径直管Ｃｃおよび大径直管Ｃｓがバランスよく昇温される。このため、異径管Ｃｃ，Ｃｓが良好にレーザ溶接されるものと思われる。
【００２６】
＜本発明の実施の形態に係る異径管レーザ溶接方法の特徴＞
本発明の実施の形態に係る異径管レーザ溶接方法を用いることによって、銅製または銅合金製の異径管Ｃｃ，Ｃｓがレーザ溶接される。このため、この異径管レーザ溶接方法では、銅製または銅合金製の異径管Ｃｃ，Ｃｓの接合に際してろう材（ハンダを含む）が不要となる。また、この異径管レーザ溶接方法は、ろう付け方法よりも製造速度が格段に速くなることが確認されている。したがって、この異径管レーザ溶接方法を用いれば、銅製または銅合金製の異径管を接合する際のコストのみならず、廃材のリサイクル性が高くなってリサイクルコストを下げることができる（廃材にろう材が付着しないため廃材に付加価値がつく。）と共に環境負荷を下げることができる。
【００２７】
＜変形例＞
（Ａ）
先の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００ではレーザ照射装置としてファイバーレーザ照射装置１１０が採用されたが、本発明の技術的意義を逸脱しない範囲内で他の種類のレーザ照射装置を採用してもよい。
【００２８】
（Ｂ）
先の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００では出射ユニット１１２が固定された状態で、異径管送り装置１５０により異径管Ｃｃ，Ｃｓが異径管Ｃｃ，Ｃｓの軸方向（図１のＡｃ，Ａｓおよび図３の白抜き矢印参照）に送られたが、異径管Ｃｃ，Ｃｓが固定された状態で、出射ユニット１１２を同軸Ａｃ，Ａｓと平行に移動させるようにしてもよい。また、異径管送り装置１５０により異径管Ｃｃ，Ｃｓを異径管Ｃｃ，Ｃｓの軸方向（図１のＡｃ，Ａｓおよび図３の白抜き矢印参照）に送りながら、出射ユニット１１２を同軸Ａｃ，Ａｓと平行な方向に沿って異径管送り側の反対側に移動させるようにしてもよい。
【００２９】
（Ｃ）
先の実施の形態に係る異径管レーザ溶接システム１００では集束レーザ光線ＬＢ３の照射方向は平面視において異径管Ｃｃ，Ｃｓの軸Ａｃ，Ａｓと直交したが（図３参照）、集束レーザ光線ＬＢ３の照射方向は平面視において異径管Ｃｃ，Ｃｓの送り方向上流側に傾いていてもよいし（すなわち、集束レーザ光線ＬＢ３が異径管Ｃｃ，Ｃｓの送り方向前方側に向けて照射される）、異径管Ｃｃ，Ｃｓの送り方向下流側に傾いていてもよい（すなわち、集束レーザ光線ＬＢ３が異径管Ｃｃ，Ｃｓの送り方向後方側に向けて照射される）。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例および比較例を示して、本発明をより詳細に説明する。なお、以下に示す実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明が、以下に示す実施例に限定されることはない。
【００３１】
（実施例１）
異径管レーザ溶接システムを以下の通りに設定して銅製異径管のレーザ溶接試験を行ったところ、異径管は良好に溶接された（表１、表２および表３参照）。
・レーザ照射装置：ファイバーレーザ照射装置
・発振波長：１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍ
・光ファイバーのファイバー径：０．１５ｍｍ
・レーザ光線照射角θ：１２．５°
・レーザ光線のスポット径：０．２ｍｍ
・焦点位置：異径管の接触位置から小径直管側に＋０．１ｍｍオフセット
・ピーク出力：２．８ｋＷ
・ガス供給量：１０Ｌ／分
・異径管の送り速度：３６ｍ／分
【００３２】
なお、銅製異径管の詳細は以下の通りである。
１）小径直管
・内径：φ０．７４ｍｍ
・外径：φ１．６０ｍｍ
・肉厚：０．４３ｍｍ
２）大径直管
・内径：φ７．１４ｍｍ
・外径：φ７．９４ｍｍ
・肉厚：０．４０ｍｍ
【００３３】
（実施例２）
レーザ光線照射角θを１３．５°とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表１参照）。
【００３４】
（実施例３）
レーザ光線照射角θを１４．５°とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表１参照）。
【００３５】
（実施例４）
レーザ光線照射角θを１５．５°とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表１参照）。
【００３６】
（実施例５）
出力：ファイバーレーザ照射装置のピーク出力を２．０ｋＷとした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表２参照）。
【００３７】
（実施例６）
出力：ファイバーレーザ照射装置のピーク出力を１．９ｋＷとすると共に、異径管の送り速度を３３ｍ／分とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表２参照）。
【００３８】
（実施例７）
出力：ファイバーレーザ照射装置のピーク出力を１．８ｋＷとすると共に、異径管の送り速度を３０ｍ／分とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表２参照）。
【００３９】
（実施例８）
出力：ファイバーレーザ照射装置のピーク出力を１．７ｋＷとすると共に、異径管の送り速度を２７ｍ／分とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表２参照）。
【００４０】
（実施例９）
出力：ファイバーレーザ照射装置のピーク出力を１．５ｋＷとすると共に、異径管の送り速度を１８ｍ／分とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は、実施例１で得られた結果とほぼ同様に良好に溶接されていた（表２参照）。
【００４１】
（比較例１）
異径管の接触位置から小径直管側に−０．１ｍｍ（すなわち大径直管側に＋０．１ｍｍ）オフセットした位置を焦点位置とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は溶接されなかった（表３参照）。
【００４２】
（比較例２）
異径管の接触位置から小径直管側に０．０ｍｍオフセットした位置（すなわち、異径管の接触位置）を焦点位置とした以外は実施例１と同様にして銅製異径管のレーザ溶接試験を行った。その結果、異径管は溶接されたものの、実施例１で得られた結果ほど良好ではなかった（表３参照）。
【００４３】
【表１】
2017192967.tif 000003
【００４４】
表１に示される通り、レーザ光線照射角θ１２．５°から１５．５°までの範囲内において銅製異径管を良好にレーザ溶接することができることが明らかとなった。
【００４５】
【表２】
2017192967.tif 000004
【００４６】
表２に示される通り、銅製異径管の送り速度に対してレーザ光線のピーク出力を調整することによって銅製異径管を良好にレーザ溶接することができることが明らかとなった。なお、この結果から出力を０．０３３３×（送り速度）＋０．８以上とすれば良好にレーザ溶接することが明らかとなった。
【００４７】
【表３】
2017192967.tif 000005
【００４８】
表３に示される通り、銅製異径管の接触位置から小径直管側にオフセットすることによって銅製異径管を良好にレーザ溶接することができることが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係る「銅製または銅合金製の異径管の接合方法」は、銅製または銅合金製の異径管を接合する際のコストのみならず、その製造時の環境負荷をも低減することができるという特徴を有しており、例えば、銅製または銅合金製のサックションパイプ（圧縮機の吸入配管）と銅製または銅合金製のキャピラリーチューブとを接合する方法として有益である。なお、通常、キャピラリーチューブは、概ね、内径がφ０．５ｍｍ以上φ４．０ｍｍ以下の範囲内であり、外径がφ１．０ｍｍ以上φ５．０ｍｍ以下の範囲内である。また、サクションパイプは、概ね、内径がφ３．４ｍｍ以上φ８．０ｍｍ以下の範囲内であり、外径がφ４．０ｍｍ以上φ１０．０ｍｍ以下の範囲内である。また、キャピラリーチューブとサクションパイプの長さは、概ね６００〜５，０００ｍｍ程度である。
【符号の説明】
【００５０】
１１２      出射ユニット（レーザ出射装置）
Ａｃ        小径直管の軸
Ａｓ        大径直管の軸
Ｃｃ        小径直管
Ｃｓ        大径直管
ＬＢ        レーザ光線
Ｌｃ        異径管の接触箇所
Ｐａ        第１仮想面
Ｐｐ        第２仮想面
Ｓｔ        焦点位置
【図１】
2017192967.tif 000006
【図２】
2017192967.tif 000007
【図３】
2017192967.tif 000008