JP2007222891A

JP2007222891A - 眼鏡用金属部材の接合方法

Info

Publication number: JP2007222891A
Application number: JP2006045427A
Authority: JP
Inventors: Seiji Katayama; 聖二片山; Yosuke Kawahito; 洋介川人; Hiroshi Nakamura; 浩中村
Original assignee: Horikawa Co Ltd
Current assignee: Horikawa Co Ltd
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】眼鏡用金属部材同士を鈍らせることなく接合する方法、及びＴｉ系金属材料の眼鏡用金属部材を十分な接合力で簡単に、且つ部材を変形させることなく接合する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の眼鏡用金属部材１と第２の眼鏡用金属部材２の接合部に対してレーザーを照射して溶接を行う。また、レーザーのエネルギ密度が３５０Ｊ/ ｃｍ^２以上、且つ３０００Ｊ/ ｃｍ^２以下である。また溶接後、レーザーのエネルギ密度を下げて第２の溶接を行うことで、ビートを形成する金属組織を拡散させ、ビートを取り除くことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、眼鏡用金属部材同士を接合する技術に関する。
更に詳しくはチタン製眼鏡用部材同士を接合する際にレーザー溶接を用いる眼鏡用金属部材の接合方法に関するものである。

眼鏡を製造する際に、金属製の部材同士を接合する場合は、主としてろう付けによる接合が行われている。
ろう付けは金属部材接合方法の一種で、部材同士を「ろう」と呼ばれる接合部材の金属よりも低融点の金属を媒介として溶かすことで、部材同士を接合する技術である。
すなわち、ろうを溶かし、該ろうを突き合わされた部材間に毛細管現象で侵入させ、部材上を広がる濡れ性を応用しているもので、溶接とは異なり、被接合部材の接合部を溶かすことがない。
ろう付けが可能な条件とは、部材表面でろうが良好な濡れ性を発揮することであり、この条件さえ満たせばどのような材料同士でも利用可能な技術と言える。

特開２０００−２８８７５５号公報

しかし、眼鏡用金属部材をろう付けで接合する場合、一般に接合される眼鏡用金属部材は細いところから、加熱されたろうの熱が上記眼鏡用金属部材に伝わり易い。
このため、上記眼鏡用金属部材はろうの熱によって鈍り、軟化する。
そのため、鈍って軟化した場合にも眼鏡用の部材としての必要十分な剛性を確保する必要上、部材を太くする等の工夫をこらすことがあるが、このことが逆に眼鏡のデザインに制限を与える結果となる。

ところで近年、金属アレルギー患者が使用（接触）した場合でもアレルギー反応を起こさない金属材料が開発されており、その一つであるＴｉ系金属材料（Ｔｉを含有する金属の総称）が眼鏡部材の材料としても使用されている。
そして、熱伝導率が小さいＴｉ系金属材料の眼鏡部材をろう付けする際には、Ｔｉ系金属材料を高温まで加熱させることができるスポット溶接を用いて、ろう付けすることが一般的である。

しかしスポット溶接を行うためには、接合させる眼鏡部材の形状に合わせた電極を作成する必要があり、大きさや形状が異なるロット毎に電極を作成することは余分な工数を必要とするものであった。
さらにスポット溶接の際には、エネルギ効率を高める観点から、電極を眼鏡部材に圧接させて、高電気抵抗体に相当する空気を、電極と眼鏡部材の間の隙間から極力排除させながら電圧を加える操作が行われていた。
しかし、圧接させる際の力は眼鏡部材に加えるにはかなり大きく（通常、２６０ＭＰａ〜４００ＭＰａ）、且つ眼鏡部材には熱が加わって、柔らかくなっているので溶接中に眼鏡部材が変形することが頻繁に発生した。

また、スポット溶接中にＴｉ系金属材料の眼鏡部材はその表面に酸化皮膜を形成し、該酸化皮膜の存在がろうと眼鏡部材が接触することを妨げるので、Ｔｉ系金属材料の眼鏡部材同士の接合は困難なものであった。
そのためＴｉ系金属材料の眼鏡部材表面にニッケルメッキを施し、該ニッケルメッキとろうを接合させることで、間接的にＴｉ系金属材料の眼鏡部材同士を接合させることが一般的であった。
しかし、実際に接合している部分の接合強度は、ろうと極薄いニッケルメッキ部分だけの強度に依存し、且つニッケルメッキは剥がれ易いものであるので、その接合力は非常に弱いものであった。

本発明は、以上のような技術的課題を背景としてなされたものである。
即ち、本発明は眼鏡用金属部材同士を鈍らせることなく接合する方法、及びＴｉ系金属材料の眼鏡用金属部材を十分な接合力で簡単に、且つ部材を変形させることなく接合する方法を提供することを目的とする。

以上のような課題背景を鑑み、発明者は鋭意研究を重ねた結果、眼鏡用金属部材同士の接合にレーザー溶接を用いることで、課題を解決できることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち本発明は、（１）、２つの眼鏡用金属部材を溶接する方法であって、レーザーを両眼鏡用金属部材の接合部に対して照射して溶接を行う眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（２）、眼鏡用金属部材の少なくとも片方がＴｉ又はＴｉ合金である上記（１）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（３）、レーザーのエネルギ密度が３００Ｊ/ ｃｍ^２以上、且つ３０００Ｊ/ ｃｍ^２以下である上記（２）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（４）、溶接後、レーザーのエネルギ密度を下げて第２の溶接を行う上記（２）記載の眼眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（５）、第２の溶接の際のエネルギ密度が第１の溶接のエネルギ密度の１０％〜３０％である上記（４）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（６）、両眼鏡用金属部材の接合部をテーパ状に面取りを行う上記（２）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（７）、レーザーの出力の波形がパルス波形であって、該パルス波形はレーザーの出力が段階的に上昇し、下降する波形である上記（２）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

また、本発明は、（８）、レーザーの出力の波形がパルス波形であって、該パルス波形はレーザーの出力が連続的に上昇し、下降する波形である上記（２）記載の眼鏡用金属部材の接合方法に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば上記（１）〜（８）までの発明を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明によれば、眼鏡用金属部材同士の接合にレーザー溶接を用いることで、瞬間的に溶接を完了させることができる。
その結果、眼鏡用金属部材の接合部周辺には熱が殆ど伝わらず、眼鏡用金属部材が鈍ることなく、軟化もしない。
結果として、眼鏡用金属部材全体の弾性は失われず、従来のように弾性を確保するために予め接合部を肉厚にする等の必要がない。
これにより眼鏡用金属部材としてデザイン上の制限を受けず、より自由な発想で眼鏡全体の設計をすることが可能になる。

また、眼鏡用金属部材の材料としてＴｉ系金属材料を用いた場合には、眼鏡用金属部材同士を直接接合するので、従来のスポット溶接のように電極を作成する必要が無くなり、溶接完了までの工数を削減することが可能になる。
また眼鏡用金属部材に圧力を加える必要も無いので、スポット溶接中に部材を変形させることも無い。
さらに、ニッケルメッキを使った間接的な接合ではないので、その接合力も必要十分なものになる。

本発明は、眼鏡用金属部材同士を接合する方法として、レーザーによる溶接を用いるものである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

本発明のレーザー溶接方法は、二つの眼鏡用金属部材を突き合わせ、その突き合わされた接合部全体にレーザーを照射していき、溶接を行うものである。
なお、本発明においてレーザーの種類（例えば、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザー等）としては特に限定されるものではなく適宜自由に状況に応じて選択が可能である。
なお、波形制御が容易であるという観点からＹＡＧレーザーを用いることが好ましい。
そしてまたレーザー出力の波形としては、溶接領域が大きくならない観点からパルス波形の出力を用いることが好ましい。

ところで、レーザー溶接は２つの眼鏡用金属部材の接合部に対しエネルギを与えることで、その部分を加熱して金属を溶融させ、該溶融金属が冷えて固まる際に、周囲の眼鏡用金属部材とその組織が一体化する原理を適用したものである。
従って、溶融金属が周囲の眼鏡用金属部材と接触する面積の大きさと、接合強度との間には相関関係が生ずる。
すなわち、出力が大きいレーザーを照射することで、出力が小さいレーザーを照射した場合よりも眼鏡用金属部材に深い穿孔溝を形成することが可能になるので、溶融金属が周囲の眼鏡用金属部材と接触する面積が増大し、出力が小さいレーザーを照射した場合よりも接合強度が増す。

ただし、眼鏡用金属部材は一般の鋼材と比べて極めて細いことから、レーザーの出力を上げるに従い、接合部周辺の金属組織に与える熱影響が大きくなる。
そのため、出力を上げると共にレーザー光の直径( いわゆる「スポット径」という）を小さくし、レーザー光が照射される部分の面積を、極力縮小化させることで、接合部周辺の金属組織に対する熱影響を軽減させる必要がある。
すなわち、単位面積あたりのエネルギ（エネルギ密度）を上げることで、接合力の向上と熱影響による金属組織の変化防止の両方を実現することが可能になる。

本発明において、レーザー溶接の際のエネルギ密度の範囲は、３５０Ｊ/ ｃｍ^２以上３０００Ｊ/ ｃｍ^２以下であることが好ましい。
エネルギ密度が３５０Ｊ/ ｃｍ^２より小さいと眼鏡用金属部材同士の接合強度が不足し、また３０００Ｊ/ ｃｍ^２より大きいと接合部に過度に大きな穿孔を形成し、外観の悪化を生じさせる。

ところで、レーザーが発生させる熱量は非常に大きく、特にレーザーの中心部の温度は眼鏡用金属部材の沸点を優に超えるものとなり、溶接中に眼鏡用金属部材が蒸発を始める。
その結果、蒸発した金属（スパッタ）は、その蒸気圧のためレーザーによって作られた穿孔溝から飛び出し、接合部周辺の眼鏡用金属部材に付着する。
いわゆる「スパッタ飛散現象」が発生するのである。
この現象により、接合部周辺にはスパッタの付着痕が残り、仕上がり時の美観が損なわれることとなる。

このスパッタの発生を防止するためには、図１に示すように、第１の眼鏡用金属部材１と第２の眼鏡用金属部材２の付近をテーパ状に面取りした後に、レーザー溶接することが好ましい。
ここで面取りとは、接合部の接合線を最低位置としてその両側をテーパ状に形成した状態のことである。
このように、本実施形態のレーザー溶接方法によれば、接合線よりも低く下がった位置で眼鏡用金属部材を溶接することで、運動エネルギが小さいスパッタの飛散を極力防止することができる。

また、先述したように使用するレーザーの出力は特にパルス波形とすることが好ましいが、その場合は、出力の立ち上がりを徐々に変化させながら上げることでもスパッタの飛散を軽減させることができる。
出力の立ち上がりを変化させる方法として、図２に示すレーザーの出力波形のように、レーザーの出力がピークに達するまで、その出力を段階的に上昇させ、段階的に下降させていく方法がある。
また図３に示すレーザーの出力波形のように、レーザーの出力がピークに達するまで、その出力を連続的に上昇させ、連続的に下降させていく方法がある。

ところで、図１から分かるように、パルス波形のレーザーで溶接を行う場合、垂直方向から接合部に沿ってパルス波形のレーザー光を順次与えて、照射していき、接合部全体が点状（Ｐ点参照）に連なるように溶接する（第１の溶接）。

しかし、図１に示すとおり、レーザーが照射された部分（溶接部）の周縁には溶融金属による凹凸、すなわちビートが溶接部に残り易い。
本発明では、この溶接部のビートを平坦化し、ビートを形成する金属組織を拡散させるために、第１の溶接後に第１の溶接のエネルギ密度よりも小さいエネルギ密度で第２の溶接を行うことが好ましい。

なお、新たにビートを発生させることなく、且つビートを十分に取り除くという観点から、第２の溶接の際のエネルギ密度は、第１の溶接の際のエネルギ密度の１０％〜３０％であることがより好ましい。
１０％よりも小さいエネルギ密度で第２の溶接を行った場合では、ビートの平坦化及び金属組織の拡散を十分には行えず、またエネルギ密度が３０％よりも大きい場合では、新たなビートを発現させることがある。

以下具体的な実施例を挙げて発明を説明するが、発明の目的を逸脱しない限り以下の実施例に限定されることはない。

〔実施例１〕
実際に眼鏡用金属部材に対してレーザー溶接を行い、その有効性を証明する。実施条件は以下の通りである。
試験用眼鏡用金属部材として、チタン製長尺状平板（長さ４０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を使用した。
また、使用溶接機械はＹＡＧレーザー溶接機械であり、そのレーザー照射口の移動速度は１ｍｍ/ ｓとした。
そして、使用するＹＡＧレーザーの波形はパルス幅１．５ｍｓｅｃのパルス波形とし、またレーザーのエネルギ密度は２０００Ｊ／ｃｍ^２とした。
また、接合面の接合力（剥離強度）を測定する試験として、溶接部に対して接合面に平行な荷重を加えていき、溶接部が破断した時の荷重の大きさを記録した。

溶接後に接合部周辺の金属組織が受ける熱影響の様子を観察するために、接合部に対して垂直に切断し、その断面状態を観察する。
図４に断面の状態を撮影した写真を示す。
また、剥離強度は２７７ＭＰaであった。

〔実施例２〕
エネルギ密度を２００Ｊ/ ｃｍ^２としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その断面の写真を図５に示す。
また、剥離強度は８０ＭＰaであった。この剥離強度は眼鏡部品として十分な接合強度である。

〔実施例３〕
エネルギ密度を４０００Ｊ/ ｃｍ^２としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。
その断面の写真を図６に示す。
また、剥離強度は３５０ＭＰaであった。

図４〜図６より分かる通り、レーザーのエネルギ密度が３５０Ｊ/ ｃｍ^２以下の場合であると、エネルギ密度の大きさが不足し、十分な溶け込み深さを得ることができず、またエネルギ密度が３０００Ｊ/ ｃｍ^２以上の場合、逆に溶け込み深さを深く成りすぎて溶接後の接合部に穿孔が残り、外観を損なわせる。

〔実施例４〕
両眼鏡用金属部材の接合部をテーパ状に面取りして、レーザー溶接を行ったこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。

図７は実施例１における溶接後の接合部周辺の写真であり、図８は実施例４における溶接後の接合部周辺の写真である。
なお、写真に写る白い点がスパッタである。二枚の写真から分かるように金属部材の接合部をテーパ状に面取りをおこなった場合の方が、明らかにスパッタの飛散が軽減していることが分かる。

〔実施例５〕
実施例１と同じ条件で部材を溶接した後、エネルギ密度を実施例１のエネルギ密度の２０％（２６７Ｊ/ ｃｍ^２）にして、溶接部に対して第２の溶接を行った。
第２の溶接後の溶接部の写真を図９に示す。

〔実施例６〕
実施例１と同じ条件で部材を溶接した後、エネルギ密度を実施例１のエネルギ密度の５％（７０Ｊ/ ｃｍ^２）にして、溶接部に対して第２の溶接を行った。
第２の溶接後の溶接部の写真を図１０に示す。

図７、図９及び図１０を比較すれば分かるように、溶接を一回だけ行った場合よりも、第２の溶接を行った場合の方がビートが平坦化され、該ビートを形成していた金属組織が拡散されていることが分かる。
特に第２の溶接のエネルギ密度を、第１の溶接のエネルギ密度の１０％〜３０％にした場合に最も確実にビートを取り除くことができることが分かる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は実施の形態に限定されることなく種々の変形例が可能である。

図１は、眼鏡用金属部材の端部をテーパ状に面取りして溶接する様子を示す図である。図２は、レーザーの出力を段階的に上げた場合の波形を示す図である。図３は、レーザーの出力を連続的に上げた場合の波形を示す図である。図４は、実施例１の接合部の断面の様子を撮影した写真である。図５は、実施例２の接合部の断面の様子を撮影した写真である。図６は、実施例３の接合部の断面の様子を撮影した写真である。図７は、実施例１の接合部周辺の様子を撮影した写真である。図８は、実施例４の接合部周辺の様子を撮影した写真である。図９は、実施例５の溶接部の様子を撮影した写真である。図１０は、実施例６の溶接部の様子を撮影した写真である。

符号の説明

１眼鏡用金属部材
２眼鏡用金属部材
３レーザー照射装置
Ｐ溶接済み部分

Claims

２つの眼鏡用金属部材を溶接する方法であって、レーザーを両眼鏡用金属部材の接合部に対して照射して溶接を行うことを特徴とする眼鏡用金属部材の接合方法。
眼鏡用金属部材の少なくとも片方がＴｉ又はＴｉ合金であることを特徴とする請求項１記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
レーザーのエネルギ密度が３５０Ｊ/ ｃｍ^２以上、且つ３０００Ｊ/ ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
溶接後、レーザーのエネルギ密度を下げて第２の溶接を行うことを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
第２の溶接の際のエネルギ密度が第１の溶接のエネルギ密度の１０％〜３０％であることを特徴とする請求項４記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
両眼鏡用金属部材の接合部をテーパ状に面取りを行うことを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
レーザーの出力の波形がパルス波形であって、
該パルス波形はレーザーの出力が段階的に上昇し、下降する波形であることを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材の接合方法。
レーザーの出力の波形がパルス波形であって、
該パルス波形はレーザーの出力が連続的に上昇し、下降する波形であることを特徴とする請求項２記載の眼鏡用金属部材の接合方法。