CN113199141A - 激光接合方法及接合结构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供激光接合方法及接合结构体，该激光接合方法是使用激光接合由不锈钢材料形成的第一接合材料和由锌合金材料形成的第二接合材料的方法，且具备以下步骤：第一步骤，在第一接合材料的第一面配置第二接合材料；第二步骤，通过从第二接合材料侧向第一接合材料侧照射激光而使第二接合材料的一部分熔融；第三步骤，加热第一接合材料的第一面；以及第四步骤，将一部分熔融的第二接合材料和第一面被加热了的第一接合材料接合。

Description

激光接合方法及接合结构体

技术领域

本发明涉及一种激光接合方法及接合结构体。

背景技术

下记专利文献1中公开了一种通过激光接合异种金属彼此的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2001－252777号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，就上述专利文献1的激光接合方法而言，例如，在使彼此的熔点显著不同的锌合金材料和不锈钢材料熔融而接合时，若加热至使不锈钢熔融的温度，则导致锌合金挥发，因此，存在不能通过激光使锌合金材料和不锈钢材料熔融而接合的问题。

鉴于上述情况，本发明的目的之一在于提供一种能够将锌合金材料及不锈钢材料接合的激光接合方法及接合结构体。

用于解决课题的方案

根据本发明的第一方案，可提供一种激光接合方法，为使用激光接合由不锈钢材料形成的第一接合材料和由锌合金材料形成的第二接合材料的方法，其特征在于，具备以下步骤：第一步骤，在第一接合材料的第一面配置第二接合材料；第二步骤，通过从上述第二接合材料侧向上述第一接合材料侧照射激光使上述第二接合材料的一部分熔融；第三步骤，加热上述第一接合材料的上述第一面；以及第四步骤，将一部分熔融的上述第二接合材料和上述第一面被加热了的上述第一接合材料接合。

根据本发明的第二方案，可提供一种接合结构体，将由不锈钢材料形成的第一接合材料和由锌合金材料形成的第二接合材料接合而成，其特征在于，上述第一接合材料及上述第二接合材料通过上述第一方案的激光接合方法接合。

发明效果

根据本发明的一个方案，能够提供一种能够接合锌合金材料和不锈钢材料的激光接合方法及接合结构体。

附图说明

图1是表示接合装置的结构的图。

图2是表示激光接合方法的顺序的一部分的流程图。

图3是表示激光接合方法的顺序的一部分的图。

图4是表示接合结构体的结构的图。

图5是表示变形例的接合装置的结构的一部分的图。

图中：

1a、11a—第一面，11—第一接合材料，12—第二接合材料，20—接合结构体，L—激光，S1—配置工序(第一工序)，S2—熔融工序(第二工序)，S3—加热工序(第三工序)，S4—接合工序(第四工序)。

具体实施方式

在以下的说明中，将与各图中适当地示出的Z轴平行的方向称为上下方向，将与X轴平行的方向称为前后方向，将与Y轴平行的方向称为左右方向。前后方向及左右方向为互相正交，且与上下方向正交的方向。将上下方向中的Z轴的正的侧设为上侧，将上下方向中的Z轴的负的侧设为下侧。将前后方向中的X轴的正的侧设为前侧，将前后方向中的X轴的负的侧设为后侧。将左右方向中的Y轴的正的侧设为右侧，将左右方向中的Y轴的负的侧设为左侧。

此外，在本实施方式中，上下方向、前后方向以及左右方向等仅为用于说明各部分的配置关系等的名称，实际的配置关系等可以为由这些名称表示的配置关系以外的配置关系等。

图1是表示用于本实施方式的激光接合方法的接合装置的结构的图。

如图1所示，本实施方式的接合装置100具备腔室1、保持部2、激光照射部3以及供气部4。腔室1封闭进行激光接合的作业空间。保持部2在腔室1内保持进行激光接合的对象物10。

保持部2包括底座部2a和在与底座部2a之间将对象物10通过从两面夹住而约束的压板2b。底座部2a及压板2b例如由铜等散热性优异的金属构成。保持部2还作为在激光接合时冷却对象物10的冷却部件发挥功能。

激光照射部3对对象物照射预定的激光L。激光照射部3包括发出YAG激光的激光发射部3a和使从激光发射部3a发出的激光聚焦的光学透镜3b。激光照射部3能够通过利用驱动器(未图示)使光学透镜3b移动来改变激光的聚焦位置。

供气部4例如通过向腔室1内供给氮气或氩气等惰性气体G而将腔室1内保持为惰性气氛。本实施方式的接合装置100通过将腔室1内保持为惰性气氛，且在洁净的环境下对对象物10进行激光接合，能够提高接合的可靠性。

通过本实施方式的接合装置100接合的对象物10是层叠由不锈钢材料形成的第一接合材料11和由锌合金材料形成的第二接合材料12而成的层叠体。作为构成第一接合材料11的不锈钢材料，使用奥氏体不锈钢(SUS304)，作为构成第二接合材料12的锌合金材料，使用锌压铸材料(ZDC2)。

在本实施方式中，对构成激光接合的对象物10的第一接合材料11及第二接合材料12分别为板状的情况进行说明。此外，第一接合材料11及第二接合材料12的形状不作特别限定。

在此，构成第一接合材料11的SUS304的熔点约为1370度，构成第二接合材料12的ZDC2的熔点约为470度。即，第一接合材料11及第二接合材料12的熔点的差约为900度。

以往，无法通过激光使熔点这样显著不同的异种材料彼此熔融而接合。这是因为，在加热至使熔点高的SUS304熔融的温度的情况下，ZDC2便会挥发，不能成为使两种材料分别熔融的状态。

对于此，如下述地，本实施方式的接合装置100能够接合作为熔点显著不同的异种材料的第一接合材料11(SUS304)和第二接合材料12(ZDC2)。

图2是表示使用了本实施方式的接合装置100的激光接合方法的顺序的一部分的流程图。图3是表示激光接合方法的顺序的一部分的图。图3是将接合装置100的腔室1内放大了的图。图4是表示通过本实施方式的激光接合方法接合而成的接合结构体的结构的图。

如图2所示，使用了本实施方式的接合装置100的激光接合方法包括配置工序(第一工序)S1、熔融工序(第二工序)S2、加热工序(第三工序)S3以及接合工序(第四工序)S4。本实施方式的接合装置100在腔室1内进行配置工序S1、熔融工序S2、加热工序S3以及接合工序S4。即，在本实施方式的激光接合方法中，配置工序S1、熔融工序S2、加热工序S3以及接合工序S4分别在腔室1内的惰性气氛下进行。

配置工序S1是如图1所示地将激光接合的对象物10配置于接合装置100的腔室1内的工序。熔融工序S2是通过向第二接合材料12照射激光来使第二接合材料12的一部分熔融的工序。加热工序S3是加热第一接合材料11的第一面11a的工序。接合工序S4是将一部分熔融的第二接合材料12和第一面11a被加热的第一接合材料11接合的工序。

具体地，在配置工序S1中，如图3所示，通过保持部2保持在第一接合材料11的第一面11a上配置有第二接合材料12的对象物10。在本实施方式的配置工序S1中，以成为第二接合材料12位于第一接合材料11的上侧的状态将对象物10配置于腔室1内。保持部2由于在底座部2a与压板2b之间夹着对象物10而保持为加压的状态。即，第一接合材料11及第二接合材料12以在上下方向上被加压的状态被保持。

本实施方式的接合装置100中，除了在配置工序S1，在熔融工序S2、加热工序S3以及接合工序S4的期间也保持通过保持部2对对象物10进行加压的状态。即，在本实施方式的激光接合方法中，在配置工序S1、熔融工序S2、加热工序S3以及接合工序S4中保持为将第一接合材料11和第二接合材料12加压的状态。

如图3所示，本实施方式的接合装置100在熔融工序S2中从对象物10的上侧向下侧照射激光L。即，在熔融工序S2中，从第二接合材料12侧向第一接合材料11侧照射激光L。

在此，就激光L的能量而言，焦点部分最高。在熔融工序S2中，激光照射部3以使激光L聚焦在第二接合材料12的比厚度的一半靠第一面11a侧的方式进行激光照射。

在本实施方式中，激光照射部3从激光发射部3a以脉冲振荡的方式发出激光L。即，在熔融工序S2中，以脉冲状照射激光L。在本实施方式中，从激光照射部3以脉冲状照射的激光L的功率例如设定为0.7kW，一个脉冲时间设定为5μ秒。通过这样以脉冲状照射激光L，能够向第二接合材料12的厚度方向下侧、即第一面1a侧容易地传播激光L的能量。

本实施方式的激光照射部3以使激光L聚焦在第一接合材料11的第一面11a上的方式进行激光照射。由此，激光L在第一面11a上形成焦点La。如上所述地，就激光L的能量而言，焦点La最高，因此就第二接合材料12的温度而言，激光L的焦点La所处的第一面1a的附近最高。此时，为在第二接合材料12形成有与第一接合材料11的第一面11a接触的下表面12a的一部分熔融而成的熔融部13的状态。这样，通过熔融工序S2，形成使第二接合材料12的一部分熔融而成的熔融部13。

在本实施方式中，激光照射部3以在能量最高的焦点La部分可以使第二接合材料12熔融的方式设定激光L的功率。由此，能够使第二接合材料12中的焦点La的附近部分、即第一面11a的附近部分选择性地熔融而形成熔融部13。

另外，在本实施方式中，第一接合材料11的第一面11a被在第一面11a上形成焦点La的激光L高效地加热。即，在本实施方式的激光接合方法中，加热工序S3利用使第二接合材料12的一部分熔融的激光L的热对第一接合材料11的第一面11a进行加热。此外，如上所述地，第一接合材料11的熔点比第二接合材料12的熔点高得多，因此第一接合材料11的第一面11a不会熔融。

这样，根据本实施方式的激光接合方法，能够在同一工序进行熔融工序S2和加热工序S3。由此，能够缩短对象物10的接合时间。

另外，本实施方式的激光照射部3对对象物10从上侧向下侧照射激光L。具体而言，激光照射部3对第一接合材料11的第一面11a从垂直方向(Z轴方向)照射激光L。根据这样的结构，能够难以在对象物10的表面、即第二接合材料12的表面12b反射激光L。由此，激光L向第二接合材料12的厚度方向的下侧高效地射入，因此，第一接合材料11的第一面11a被激光L高效地加热。即，根据本实施方式的激光接合方法，在熔融工序S2及加热工序S3中，能够高效地利用激光L的热。

根据本实施方式的激光接合方法，通过熔融工序S2及加热工序S3，能够在第二接合材料12的下表面12a的一部分产生熔融部13，并且能够加热第一接合材料11的第一面11a。

在本实施方式的激光接合方法中，通过在熔融工序S2及加热工序S3的期间将第一接合材料11及第二接合材料12利用保持部2保持为被加压的状态，第一接合材料11的第一面11a和第二接合材料12的下表面12a可保持为紧贴的状态。由此，第二接合材料12的下表面12a产生的熔融部13与第一接合材料11的第一面11a良好地紧贴。

在接合工序S4中，将第一接合材料11的第一面11a和第二接合材料12的下表面12a保持为紧贴的状态，并停止来自激光照射部3的激光照射。由此，熔融部13随着温度降低而硬化，形成接合第一接合材料11的第一面11a和第二接合材料12的接合层14。

在本实施方式的激光接合方法中，通过在加热工序S3中加热第一接合材料11的第一面11a，在进行接合工序S4时使第一面1a的温度预先上升。具体而言，第一面11a中的与熔融部13接触的部分的温度成为与熔融部13大致相等的温度。即，在本实施方式的激光接合方法中，能够在进行接合工序S4时成为将第一面11a的温度与熔融部13的熔点的温度差缩小了的状态。

本发明人得到了以下发现：进行接合工序S4时，如果第一面11a与熔融部13的温度差较大，则熔融部13硬化生成的接合层14与第一面11a的密合性降低。对此，在本实施方式的激光接合方法中，通过利用加热工序S3将第一面11a加热，能够在将第一接合材料11的第一面11a与第二接合材料12的熔融部13的温度差缩小了的状态下进行接合工序S4。由此，将第一接合材料11及第二接合材料12之间接合的接合层14的接合可靠性提高。

这样，根据本实施方式的激光接合方法，通过接合工序S4，如图4所示地，能够得到将第一接合材料11及第二接合材料12之间用接合层14接合而成的接合结构体20。就该接合结构体20而言，通过接合层14，第一接合材料11及第二接合材料12间的接合可靠性高，因此可提供可靠性优异的接合结构体。

如以上地，根据本实施方式的激光接合方法，能够形成接合结构体20，该接合结构体20是通过激光接合将熔点显著不同的第一接合材料11及第二接合材料12接合而成。本实施方式的接合结构体20通过激光接合由不锈钢材料形成的第一接合材料11和由锌合金材料形成的第二接合材料12而构成，因此，可提供价格低廉的接合结构体。

(变形例)

接着，对变形例的激光接合方法进行说明。图5是表示用于变形例的激光接合方法的激光接合装置的结构的一部分的图。如图5所示，变形例的接合装置101具有与上述实施方式的保持部2不同的保持部102。本实施方式的保持部102包括底座部102a、压板2b、以及设于底座部102a的加热器部102c。

本变形例的保持部102通过利用加热器部102c加热底座部2a而直接加热保持于底座部102a上的对象物10。本变形例中，保持部102通过加热器部102c加热第一接合材料11的第一面11a。

根据变形例的激光接合方法，通过具备保持部102的加热器部102c，能够使用从激光照射部3照射的激光L仅进行使第二接合材料12的一部分熔融的熔融工序S2，并使用加热器部102c进行加热第一接合材料11的第一面11a的加热工序S3。根据本变形例的激光接合方法，与上述实施方式不同，可以通过不同的工序进行熔融工序S2和加热工序S3。在本变形例的激光接合方法中，能够与上述实施方式同样地形成将熔点显著不同的第一接合材料11和第二接合材料12激光接合而成的接合结构体20。

以上，在本说明书中说明了的结构可以在不相互矛盾的范围内适当组合。

例如，在上述实施方式中以激光照射部3对对象物10从上下方向照射激光L的情况为例进行了列举，但激光L的照射方向不作特别限定。即，激光照射部3也可以从斜上方照射激光L。

Claims (10)

1.一种激光接合方法，使用激光接合由不锈钢材料形成的第一接合材料和由锌合金材料形成的第二接合材料，该激光接合方法的特征在于，具备以下步骤：

第一步骤，在第一接合材料的第一面配置第二接合材料；

第二步骤，通过从所述第二接合材料侧向所述第一接合材料侧照射激光，使所述第二接合材料的一部分熔融；

第三步骤，加热所述第一接合材料的所述第一面；以及

第四步骤，将一部分熔融的所述第二接合材料和所述第一面被加热了的所述第一接合材料接合。

2.根据权利要求1所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第三步骤中，利用使所述第二接合材料的一部分熔融的所述激光的热加热所述第一接合材料的所述第一面。

3.根据权利要求2所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第二步骤中，以使所述激光聚焦在所述第二接合材料的比厚度的一半靠所述第一面侧的方式进行激光照射。

4.根据权利要求3所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第二步骤中，以使所述激光聚焦在所述第一接合材料的所述第一面上的方式进行激光照射。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第二步骤中，对所述第一接合材料的所述第一面从垂直方向即Y轴方向进行激光照射。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第二步骤中，以脉冲状照射所述激光。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的激光接合方法，其特征在于，

在所述第一工序至所述第四工序中，以加压的状态保持所述第一接合材料和所述第二接合材料。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的激光接合方法，其特征在于，

使用YAG激光作为所述激光。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的激光接合方法，其特征在于，

所述第一工序至所述第四工序在惰性气氛下进行。

10.一种接合结构体，将由不锈钢材料形成的第一接合材料和由锌合金材料形成的第二接合材料接合而成，其特征在于，

所述第一接合材料及所述第二接合材料通过权利要求1～9中任意一项所述的激光接合方法接合。

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