(57)【要約】【課題】  アルミニウム材どうしの直接レーザ溶接において、欠陥抑制や溶接品質の安定化を図り、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】  二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記アルミニウム材が、少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金である、レーザ溶接継手。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記アルミニウム材が、少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金である、レーザ溶接継手。
【請求項２】
前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜の厚みが５μｍ以下である、請求項１に記載のレーザ溶接継手。
【請求項３】
前記二枚のアルミニウム材が、全面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金である、請求項１または２に記載のレーザ溶接継手。
【請求項４】
二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、前記アルミニウム材が、少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金であり、レーザ光を、溶接進行方向と反対側に傾斜させて入射する工程を含む、製造方法。
【請求項５】
前記傾斜の角度が、レーザ照射面に対する垂直方向から２０〜４５度である、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
溶接速度が、１ｍ／分以下である、請求項４または５に記載のレーザ溶接継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム材のレーザ溶接継手及びレーザ溶接方法に関する。本発明は、特には、気密信頼性の高いレーザ溶接継手及びレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造部材の軽量化を図るため、自働車や航空機を中心に鋼材などのアルミニウム化が進んでいる。アルミニウム材の接合に関しては、ＴＩＧ溶接による施工が一般的に行われているが、熱伝導性が高い為、溶込みを確保するためには入熱量を大きく取る必要がある。このため、小型・薄肉部品の溶接においては、熱変形の抑制が課題となる。
【０００３】
また、アルミニウム製熱交換機など、気密性が要求される製品の接合においては、アルミろうによる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が、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も多い。
【０００４】
一方、入熱量を抑えた新しい接合方法に摩擦撹拌接合がある。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。アルミニウム材に関しても、今後の接合方法の主力と期待されている。しかしながら、アルミニウム材は高熱伝導であるとともに、レーザ吸収性が低いため、溶込みを確保するには大出力のレーザ発振器を必要とすることが、レーザ溶接導入に向けた大きな障壁となっている。
【０００５】
アルミニウム材表面に亜鉛めっきを施すことで、レーザ吸収率向上を図る方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、亜鉛めっき層はアルミニウム材より沸点が低く、レーザ照射とともに瞬時に消失するため、投入したレーザ出力を十分に母材に伝達することができず、入熱量低減効果が期待できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平7-65193号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ照射でアルミニウム材どうしを重ね合わせ溶接する場合、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、アルミ母材に対して入熱過多となる場合があり、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、高エネルギー溶接のため、溶接時に溶融アルミが爆飛し、アンダーフィルなどの欠陥が発生するため、欠陥抑制による溶込み品質の確保が適用に向けた課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、ろう材や溶加材を用いることなく、アルミニウム材のレーザの吸収率を向上させたレーザ溶接継手を製造すること、及び、特定の製造方法によりポロシティ欠陥や溶け込み状態、アンダーフィル等の欠陥を抑制することに想到し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、一実施形態によれば、二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記アルミニウム材が、少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金である、レーザ溶接継手である。
【００１０】
前記レーザ溶接継手において、前記無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜の厚みが５μｍ以下であるであることが好ましい。
【００１１】
前記レーザ溶接継手において、前記二枚のアルミニウム材が、全面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金であることが好ましい。
【００１２】
本発明は、別の局面によれば、二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、前記アルミニウム材が、少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金であり、レーザ光を、溶接進行方向と反対側に傾斜させて入射する工程を含む、製造方法に関する。
【００１３】
前記レーザ溶接継手の製造方法において、前記傾斜の角度が、レーザ照射面に対する垂直方向から２０〜４５度であることが好ましい。
【００１４】
前記レーザ溶接継手の製造方法において、溶接速度が、１ｍ／分以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
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、アルミニウム材どうしの重ね合わせ溶接において、アルミニウム材の少なくともレーザ照射面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を設けることで、レーザ出力を低減することができ、溶け込み不良やポロシティ欠陥、アンダーフィル欠陥を抑制し、気密信頼性の高い品質を確保したレーザ溶接継手を提供する。特に、無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜をアルミニウム材の略全面に設ける態様においては、使用環境における耐食性も付与したレーザ溶接継手を提供することができる点で、さらに有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接継手、及びその製造方法を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態において重ね合わせて接合される、１枚のアルミニウム材を模式的に示す図である。
【図３】無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を設けたアルミニウム材及び表面未処理のアルミニウム材のレーザ吸収率を示すグラフである。
【図４】本発明のレーザ溶接継手の製造方法におけるレーザ光照射の傾斜角度と溶け込み深さの関係を示すグラフである。
【図５】本発明のレーザ溶接継手の溶接後の断面写真を示す図である。
【図６】一般的なレーザ溶接方法における問題点である、爆飛を示す概念図である。
【図７】一般的なレーザ溶接方法における問題点である、スパイク状の溶け込みを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
本発明は、一実施形態によれば、二枚のアルミニウム材を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手である。図１は、本発明の一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１００は、二枚のアルミニウム材１ａ、１ｂが、重ね合わせ溶接されてなる。
【００１９】
アルミニウム材１ａ、１ｂは、少なくともレーザ照射面１ａＳに無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２が施されているアルミニウムもしくはアルミニウム合金１１である。アルミニウムもしくはアルミニウム合金１１は、アルミニウムを主成分とする例えば板状等の部材であって、純アルミニウム、もしくはアルミニウム合金であってもよい。アルミニウム合金は、任意のアルミニウム合金であってよく、例えばＪＩＳ規格による２０００番台（Ａｌ−Ｃｕ系合金）、３０００番台（Ａｌ−Ｍｎ系合金）のアルミニウム合金が好ましい溶接対象材となりうるが、これらには限定されない。また、重ね合わせて溶接される二枚のアルミニウム材１ａ、１ｂを構成するアルミニウムもしくはアルミニウム合金は、典型的には組成が同一であるが、アルミニウムを主成分とする部材であれば組成が異なっていてもよい。
【００２０】
溶接されるアルミニウム材１ａ、１ｂ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い。例えば、厚みが２ｍｍ以下の小型・薄肉部品であってよいが、これらには限定されない。また、重ね合わせて溶接される二枚のアルミニウム材１ａ、１ｂは、厚みが同一であっても異なっていてもよい。
【００２１】
無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２は、重ね合わせて溶接される二枚のアルミニウム材１ａ、１ｂのうち、少なくともレーザ照射面１ａＳを備えるアルミニウムもしくはアルミニウム合金１１に施されている必要がある。無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２は、レーザ照射面１ａＳの全面に設けられていてもよいが、少なくともレーザが照射される部位に設けられていればよい。母材アルミニウムもしくはアルミニウム合金よりも高融点の無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２により、レーザ光の吸収性を向上し、レーザ照射エネルギーをアルミニウム材に効率的に熱伝導させて、低入熱化による欠陥抑制や溶接品質の安定化を図るためである。
【００２２】
無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２は、５μｍ以下の厚みであることが好ましい。厚すぎると、めっき内にピットなどの欠陥を生じやすく、まためっき処理に時間を要し、コスト上昇に繋がるためである。一方、無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２は、めっき膜が形成されていれば、理論上、厚みの下限はないが、一般的には、１μｍ〜５μｍの範囲で適宜選択することができる。無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２は、通常の方法に従って、アルミニウム材に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行うことで、形成することができる。その場合のめっき浴組成も、通常の任意の無電解Ｎｉ−Ｐめっき浴組成とすることができる。
【００２３】
ある実施形態においては、レーザ光が照射されるアルミニウム材１ａは、レーザ照射面１ａＳ、裏面、側面を含めた全面に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２を施したアルミニウムもしくはアルミニウム合金１１であってもよい。このようなアルミニウム材１ａの概念的な断面図を、図２に示す。部材の全面をめっきすることで、レーザ吸収性を向上させる効果だけでなく、レーザ溶接継手を備えてなる機器の使用環境中における耐食性を向上させるといったさらなる利点が得られるためである。あるいは、図示はしないが、重ね合わせて溶接される二枚のアルミニウム材のうち、レーザが直接照射されないアルミニウム材は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を持たないアルミニウムもしくはアルミニウム合金であってもよく、耐食性を要する部位に部分的に無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を施したアルミニウムもしくはアルミニウム合金であってもよい。目的と用途に応じて任意の皮膜形成態様が可能である。
【００２４】
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１００の製造方法について説明する。なお、本明細書において、レーザ溶接継手１００の製造方法は、レーザ溶接方法という用語と互換的に用いる場合がある。本実施形態に係るレーザ溶接継手１００の製造方法は、レーザ光Ｌを、溶接進行方向ｄと反対側に傾斜させて、アルミニウム材１ａに入射する工程を含む。
【００２５】
溶接対象となる２枚のアルミニウム材１ａ、１ｂについては、前述の通りであり、少なくともレーザ照射面１ａＳに無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２を施したアルミニウムもしくはアルミニウム合金１１であってよい。
【００２６】
本実施形態において使用可能なレーザ装置としては、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。また、レーザの出力等の条件は特には限定されず、溶接対象となるアルミニウム材１ａ、１ｂの仕様等により、通常の重ね合わせ溶接が実施可能な範囲に、当業者が適宜決定することができる。
【００２７】
レーザ光の照射においては、レーザ光Ｌを、溶接進行方向ｄと反対側（逆向き）に傾斜させて、アルミニウム材１ａに入射し、連続溶接を実施する。このとき、照射面１ａＳに垂直な方向からの傾斜角θは、２０〜４５度とすることが好ましい。傾斜角θが４５度を超えると、十分な溶込み深さが得られず、必要な溶込みを確保するためにはレーザ出力を上げる必要があり、低入熱化の効果が薄れてしまう場合があるためである。一方、傾斜角θが小さいとガス放出の効果が得られない場合がある。本発明においては、少なくとも照射面１ａＳに設けられた無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜と被めっき母材であるアルミニウムもしくはアルミニウム合金の融点差に起因して、無電解Ｎｉ−Ｐめっきが溶融する際にアウトガスが生じ、溶融金属３中にポロシティ４が生成する場合がある。このポロシティ４が溶融金属３中に残存した状態で金属が凝固すると、ポロシティ欠陥が生じる。本発明者らは、上記のような傾斜角θを与えてレーザ光Ｌをアルミニウム材１ａに入射することで、図示するようにポロシティ４の放出を容易にして、ポロシティ欠陥をなくすことに想到した。溶接の開始から終了まで、傾斜角θは変化させず一定とすることが好ましい。
【００２８】
また、連続溶接における溶接速度を、通常の溶接速度よりもかなり遅い速度である、１ｍ／分以下とすることが好ましい。溶融金属部３に生じるポロシティ４を大気中に放出させる時間を確保し、ポロシティ欠陥を防止するためである。
【００２９】
図６、７は、表面未処理のアルミニウム材の重ね合わせレーザ溶接継手を模式的に示す図である。図６に示すレーザ溶接継手２００の溶接においては、比較的大きなレーザ出力を必要し、入熱過多となるため、アルミニウム材が急激に溶解し、溶融金属２０３の爆飛２０５によるアンダーフィル欠陥が問題となることがあった。また、図７に示すように、同様の理由により、溶融金属２０３が、部位によって溶け込み深さの異なるスパイク状の溶け込み形態２０６となり、溶け込みの品質の確保が不可能になる場合があった。本発明においては、図１、２に示す無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２を少なくとも照射面１ａＳに設けることで、レーザ照射箇所において、アルミニウム材のレーザ吸収性を向上し、レーザ出力を低減することができるため、爆飛２０５を低減することが可能となり、また、溶け込み深さが略均一な溶け込みを得ることができる。
【実施例】
【００３０】
［参考例］
無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜の有無による、アルミニウム材のレーザ吸収率を評価した。純アルミニウム材に５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を施した試料と、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１６％に対し、無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜を施すことで３６％まで向上が図られた。図３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３４％程度低減できることがわかった。
【００３１】
［実施例・比較例］
次に、図１に示すレーザ溶接継手１００を製造した。アルミニウム材１ａ、１ｂとしては、図２に示すような、表面全体に５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜１２を施した純アルミニウムからなる薄板１１を用いた。２枚のアルミニウム材は同じ組成とし、レーザ照射面をもつアルミニウム材１ａが０．５ｍｍ、もう一方のアルミニウム材１ｂが２．０ｍｍとした。図１に示すように、２枚のアルミニウム材１ａ、１ｂを重ねて配置し、出力が２ｋＷのファイバーレーザ（ＩＰＧ社製）を用いて、１ｍ／分の溶接速度で連続溶接した。比較例においては、レーザ光は、レーザ照射面１ａＳに対して垂直に入射した。実施例においては、レーザ光Ｌは、溶接進行方向と反対側に傾斜させて入射した。傾斜角は、垂直から１０度、２０度、４５度とした。
【００３２】
レーザ照射角と溶け込み深さの関係を図４のグラフに示す。溶け込み深さは、溶接後の重ね合わせ部位を切断し、断面観察により得た。図４から、角度が４５°を超えると溶込み深さが垂直入射の約７５％以下となってしまうことがわかる。一方、実施例、比較例ともに、溶け込みの状態は略均一で良好であった。
【００３３】
また、実施例においては、溶融部分においては、２枚のアルミニウム材が均一に撹拌され、ポロシティ欠陥は確認されなかった。また、スパイク状の溶け込みの無い、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。実施例の方法（傾斜角度２０度）で接合した継手の断面写真を図５に示す。図５において、紙面手前から奥へ向かう向きが溶接進行方向である。写真から、欠陥のない良好な接合状態を確認することができる。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】
【００３４】
本発明によるレーザ溶接継手は、アルミニウム製の冷却体、例えばアルミニウム製熱交換器など、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】
【００３５】
１００  レーザ溶接継手
１ａ    アルミニウム材
１ａＳ  レーザ照射面
１ｂ    アルミニウム材
１１    アルミニウムもしくはアルミニウム合金
１２    無電解Ｎｉ−Ｐめっき膜
１３    溶融金属
１４    ポロシティ
Ｌ      レーザ光
ｄ      溶接進行方向
θ      レーザ入射の傾斜角
【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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