JP2023110582A - 接合体の製造方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】流路を有する部品を形成する際に、接合部分に用いられる接合材に含まれる物質が流路内へ溶出することを抑制する技術を提供する。【解決手段】２枚の金属板を接合することで形成される、液体が通過する流路部を備える接合体の製造方法である。接合体の製造方法は、配置工程と、接合工程と、を備える。配置工程では、２枚の金属板の間に接合材が設けられるように、２枚の金属板及び接合材を配置する。接合工程では、接合材が配置される位置よりも流路部側の所定の位置において、２枚の金属板のうちいずれか一方にレーザ光を照射し、第１接合部と第２接合部とを形成する。第１接合部は、レーザ溶接により形成される。第２接合部は、レーザ溶接時に発生する熱により接合材が溶融することによって形成される。【選択図】図２

Description

本開示は、接合体の製造方法及び接合体に関する。

特許文献１には、熱交換器に用いられる複数のブレージングシートにおける接合面同士の接合に、ろう付けが用いられることが開示されている。接合面同士がろう付けにより接合された状態にある複数のブレージングシートの接合面に隣接する非接合隣接面同士の間の空間は、冷却水が流れる冷却流路として機能する。

特開２０２１－６３２６３号公報

しかしながら、上述したようなブレージングシートにおけるろう付けされた接合部分と冷却水とが接触すると、ろう材に含まれるフラックスが冷却水に溶出する可能性があるという問題があった。

本開示の一局面は、流路を有する部品を形成する際に、接合部分に用いられる接合材に含まれる物質が流路内へ溶出することを抑制する技術を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、２枚の金属板を接合することで形成される、液体が通過する流路部を備える接合体の製造方法である。流路部は、２枚の金属板の非接合部分であり、２枚の金属板によって囲われた空間により構成される。接合体の製造方法は、配置工程と、接合工程と、を備える。配置工程では、２枚の金属板の間に接合材が設けられるように、２枚の金属板及び接合材を配置する。接合工程では、接合材が配置される位置よりも流路部側の所定の位置において、２枚の金属板のうちいずれか一方にレーザ光を照射し、第１接合部と、第２接合部と、を形成する。第１接合部は、レーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により形成される。第２接合部は、レーザ溶接時に発生する熱により接合材が溶融することによって形成される。

このような構成では、接合材が配置される位置よりも流路部側の所定の位置においてレーザ光が照射される。このため、レーザ溶接により形成される第１接合部が、接合材が溶融することによって形成される第２接合部よりも流路部側に位置する。すなわち、流路部と第２接合部との間には、第１接合部が位置する。これにより、流路部を通過する液体と第２接合部とが接触しにくい。したがって、第２接合部を形成する接合材に含まれる物質が流路内へ溶出することを抑制することができる。また、第１接合部と第２接合部とが形成されることによって、第１接合部及び第２接合部のいずれか一方しか形成されない構成と比較して、シール性及び接合強度を向上させることができる。

本開示の一態様では、接合材は、ろう材であってもよい。このような構成では、レーザ溶接時に発生する熱により溶融したろう材が固まることによって第２接合部が形成される。そして、第２接合部と流路部との間に位置する第１接合部によって流路部を通過する液体と第２接合部とが接触しにくいため、ろう材に含まれるフラックスが流路内に溶出することを抑制することができる。また、レーザ溶接により形成される第１接合部のシール性をろう材によるろう付けによって補助することができる。また、第２接合部は、第１接合部を形成するレーザ溶接時に発生する熱により溶融したろう材が固まることによって形成されるため、第２接合部を形成する際に、ろう付けで用いられるような加熱炉を要しない。

本開示の一態様では、レーザ光は、所定の位置において、２枚の金属板に対して斜めに入射してもよい。このような構成では、所定の位置において、金属板に対して斜めからレーザ光が入射する。このため、所定の位置において、金属板に対して略垂直にレーザ光が入射する場合と比較して、第１接合部におけるレーザ溶接によって溶ける金属の溶け込み距離が長くなり、その結果接合強度を向上させることができる。

本開示の一態様では、第１接合部及び第２接合部は、流路部に沿って延びるように形成されてもよい。このような構成では、第１接合部及び第２接合部が流路部に沿って延びるため、流路部を通過する液体と第２接合部との間には必ず第１接合部が位置する。これにより、第１接合部によって第２接合部と流路部とが物理的に隔離されるため、当該液体と第２接合部とが接触する可能性が低い。したがって、第２接合部を形成する接合材に含まれる物質が流路内へ溶出することをより抑制することができる。

本開示の一態様は、２枚の金属板を接合することで形成される接合体であって、第１接合部と、第２接合部と、液体が通過する流路部と、を備える。第１接合部は、レーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接によって２枚の金属板が接合されている。第２接合部は、２枚の金属板の間に設けられる接合材によって２枚の金属板が接合されている。流路部は、２枚の金属板の非接合部分であり、２枚の金属板によって囲われた空間により構成される。第１接合部は、流路部と第２接合部との間に位置する。このような構成では、流路部と第２接合部との間に、第１接合部が位置する。これにより、流路部を通過する液体と第２接合部とが接触しにくい。したがって、第２接合部を形成する接合材に含まれる物質が流路内へ溶出することを抑制することができる。また、第１接合部と第２接合部とが形成されることによって、第１接合部及び第２接合部のいずれか一方しか形成されない構成と比較して、シール性及び接合強度を向上させることができる。

液体が通過する流路を備える接合体を上面から見た模式的な断面図である。 図２Ａは配置工程における２枚の金属板の間に接合材が配置された状態を示す模式的な断面図である。図２Ｂは接合工程におけるレーザ溶接により第１接合部が形成された状態を示す模式的な断面図である。図２Ｃは接合工程におけるレーザ溶接時に発生する熱により溶融した接合材が固まって第２接合部が形成された状態を示す模式的な断面図である。 接合工程における所定の位置において金属板の外表面に対して斜めに入射したレーザ光によって第１接合部及び第２接合部が形成された状態を示す模式的な断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、接合材が配置される側から流路部側に向かって一方側のレーザ光が傾いて照射され、流路部側から接合材が配置される側に向かって他方側のレーザ光が傾いて照射される２つの態様を示す図である。図４Ｃは、接合材が配置される側から流路部側に向かって両側のレーザ光が傾いて照射される態様を示す図である。図４Ｄは、流路部側から接合材が配置される側に向かって両側のレーザ光が傾いて照射される態様を示す図である。

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．構成］
図１及び図２Ｃに示す接合体１００は、２枚の金属板１ａ，１ｂを重ね合わせた状態で接合することで形成される部材である。接合体１００は、２枚の金属板１ａ，１ｂによって囲われた空間により構成される流路部２が設けられるように形成される。以下では、２枚の金属板１ａ，１ｂのうち、上方側に配置される金属板を上方金属板１ａと称し、上方金属板１ａの下方に配置される金属板を下方金属板１ｂと称する。なお、接合体１００を形成する２枚の金属板１ａ，１ｂが上下方向に配置される構成を例示したが、２枚の金属板１ａ，１ｂの配置は例示的な方向に限定されるものではない。なお、図１では、上方金属板１ａの図示は説明の便宜上省略する。接合体１００は、例えば、流路部２に冷却水を流すような熱交換器に用いられる。接合体１００は、上方金属板１ａと、下方金属板１ｂと、流路部２と、第１接合部３と、第２接合部４と、を備える。

上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂは、熱伝導率が高い金属により形成される。上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂには、例えば、銅、アルミなどが用いられることが望ましい。図２Ａに示す例では、上方金属板１ａは、平面部１１と、傾斜部１２と、当接部１３と、を有する。平面部１１は、平面状に広がる下方金属板１ｂと間隔を空けて平行に、平面状に広がる部分である。傾斜部１２は、平面部１１の端部から金属板１ｂに向かって延びる部分である。当接部１３は、傾斜部１２の端部から下方金属板１ｂと平行に平面状に広がる部分であり、後述する第１接合部３及び第２接合部４を介して下方金属板１ｂと当接する部分である。なお、上方金属板が平面状に広がり、下方金属板が上述した平面部、傾斜部及び当接部を有していてもよい。また、上方金属板及び下方金属板の両方とも、上述した平面部、傾斜部及び当接部を有していてもよい。なお、上方金属板及び下方金属板の形状は上述した形状に限定されるものではなく、様々な形状を有してもよい。すなわち、２つの金属板１ａ，１ｂによって形成される流路部の形状は、例えば円形、多角形状等の様々な形状を有してもよい。

流路部２は、接合された状態にある接合体１００における、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの非接合部分であり、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂによって囲われた空間により構成される。本実施形態では、上方金属板１ａの平面部１１及び傾斜部１２と、下方金属板１ｂと、の間に形成される空間である。流路部２には、例えば、熱交換器において熱を回収するために用いられる冷却水等の液体が通過する。

第１接合部３及び第２接合部４は、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に形成され、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂ同士が接合された部分である。図２Ｂに示すように、第１接合部３は、レーザ光Ｌを照射するように構成されたレーザ発振器２００を用いて形成される。第１接合部３は、レーザ光Ｌを照射して溶接を行うレーザ溶接により形成される。第１接合部３は、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂのうちいずれか一方の外表面、本実施形態では上方金属板１ａの外表面にレーザ光Ｌを照射することによって形成される。外表面とは、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂにおける、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に配置された図２Ａに示す接合材４１と対向しない側の面である。具体的には、第１接合部３は、レーザ発振器２００から照射されるレーザ光Ｌを熱源に上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂを溶かして、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂを接合させることによって形成される。

第２接合部４は、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に配置される接合材４１に熱を加え、接合材４１が溶けた後に固まることによって形成される。本実施形態では、第１接合部３を形成する際のレーザ光Ｌの照射によって発生する熱により接合材４１が溶融する。すなわち、第２接合部４は、レーザ溶接時に発生する熱により溶融した接合材４１が固まることによって形成される。本実施形態では、接合材４１には、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂよりも融点の低い、例えばろう材が用いられる。接合材４１として用いられるろう材は、例えば、２枚の金属板１ａ，１ｂが銅材である場合、銅ろう、リン銅ろうなどが望ましく、２枚の金属板１ａ，１ｂがアルミ材である場合、アルミろうが望ましい。

本実施形態では、図１及び図２Ｃに示すように、接合体１００において、第１接合部３は、液体が通過する流路部２と第２接合部４との間に位置する。また、図１に示すように、第１接合部３及び第２接合部４は、流路部２に沿って延びるように形成される。換言すると、第１接合部３及び第２接合部４は、流路部２を通過する液体の流れ方向に沿って延びるように形成される。図１に示す例では、接合体１００は、折れ曲がる部分を複数有するように蛇行した流路部２が形成されるように接合されている。

［２．接合体の製造方法］
次に、接合体１００の製造方法について説明する。接合体１００の製造方法には、配置工程と、接合工程と、が含まれる。

＜配置工程＞
まず、図２Ａに示すように、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に接合材４１が設けられるように、上方金属板１ａ、下方金属板１ｂ及び接合材４１が配置される。具体的には、上方金属板１ａの当接部１３と、下方金属板１ｂと、の間に接合材４１が配置される。なお、接合材４１は、互いに対向するように配置された状態の上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に挿入されるように配置されてもよい。また、接合材４１は、下方金属板１ｂの上に配置され、その後接合材４１を挟むように上方金属板１ａが下方金属板１ｂの上方に配置されてもよい。

＜接合工程＞
次に、図２Ｂに示すように、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間にある接合材４１が配置される位置よりも流路部２側の所定の位置において、上方金属板１ａの外表面にレーザ発振器２００を用いてレーザ光Ｌが照射される。これにより、接合材４１が配置された位置と流路部２との間に第１接合部３が形成される。本実施形態では、レーザ光Ｌは、上方金属板１ａの外表面に対して略垂直に入射して、第１接合部３が形成される。なお、流路部２側の所定の位置とは、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの間に配置された接合材４１にレーザ光Ｌによる熱Ｈが届く範囲であって、レーザ溶接時に発生する熱Ｈによって接合材４１が溶融する範囲内における位置である。

そして、レーザ光Ｌの照射によって発生する上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂのレーザ溶接時の熱Ｈにより、接合材４１が溶け広がる。このように溶け広がった接合材４１が冷えて固まることによって、図２Ｃに示すような第２接合部４が形成される。
上述した方法によって、流路部２と第２接合部４との間に第１接合部３が位置するように構成された接合体１００が形成される。

［３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。

（３ａ）本実施形態では、接合材４１が配置される位置よりも流路部２側の所定の位置においてレーザ光Ｌが照射される。このため、レーザ溶接により形成される第１接合部３が、接合材４１が溶融することによって形成される第２接合部４よりも流路部２側に位置する。すなわち、流路部２と第２接合部４との間には、第１接合部３が位置する。また、上記実施形態では、第１接合部３及び第２接合部４が流路部２に沿って延びるため、流路部２を通過する液体と第２接合部４との間には必ず第１接合部３が位置する。これにより、第１接合部３によって第２接合部４と流路部２とが物理的に隔離されるため、流路部２を通過する液体と第２接合部４とが接触する可能性が低い。したがって、第２接合部４を形成する接合材４１に含まれる物質が流路内へ溶出することを抑制することができる。

（３ｂ）本実施形態では、第１接合部３と第２接合部４とが形成されるため、第１接合部３及び第２接合部４のいずれか一方しか形成されない構成と比較して、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの接合におけるシール性及び接合強度を向上させることができる。

（３ｃ）本実施形態では、接合材４１としてろう材が用いられ、レーザ溶接時に発生する熱Ｈにより溶融したろう材が固まることによって第２接合部４が形成される。そして、第２接合部４と流路部２との間に位置する第１接合部３によって流路部２を通過する液体と第２接合部４とが接触しにくいため、ろう材に含まれるフラックスが流路内へ溶出することを抑制することができる。例えば、熱交換器に用いられる冷却水にろう材に含まれるフラックスが溶出した場合、冷却水の絶縁性が低下する。このようにフラックスが溶出した冷却水が熱交換器内から漏れ出て、熱交換器を備える装置内の電極等の導通部に接触した場合、短絡が発生する可能性がある。このため、ろう材に含まれるフラックスが流路内へ溶出することが抑制される結果、流路内から冷却水が漏れ出た場合にも、短絡等の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、レーザ溶接により形成される第１接合部３のシール性をろう材によるろう付けによって補助することができる。また、第２接合部４は、第１接合部３を形成するレーザ溶接時に発生する熱Ｈにより溶融したろう材が固まることによって形成される。このため、第２接合部４を形成する際に、ろう付けで用いられるような加熱炉を要しない。また、加熱炉を用いずにろう材を溶融させることができるため、加熱炉を用いる場合と比較して、第２接合部４を形成する時間、すなわち上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの接合時間を短縮することができる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（４ａ）上記実施形態では、上方金属板１ａの外表面に対してレーザ光Ｌが略垂直に入射して第１接合部３が形成されたが、第１接合部を形成するためのレーザ光Ｌの入射角度はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、上方金属板１ａの外表面に対してレーザ光Ｌが斜めに入射して第１接合部３ａが形成されてもよい。ここで、上方金属板１ａの外表面に対して斜めに入射するとは、当該外表面に対して直交する仮想線Ｓに対して所定の角度θを有するように入射することである。具体的には、仮想線Ｓに対して、所定の角度θは、約７０°以下の値をとりうる。約２０°以上であることが望ましく、また、約５０°以下であることが望ましい。このように、レーザ光Ｌが斜めに入射する場合、レーザ光Ｌが略垂直に入射する場合と比較して、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂにおける溶け込み距離、すなわち第１接合部３ａ長さを長くすることができる。このため、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂの接合強度を向上させることができる。

また、上方金属板１ａの外表面に対してレーザ光Ｌを斜めに入射させる場合、レーザ光Ｌを傾ける向きは限定されるものではなく、例えば、レーザ光Ｌを傾ける向きは、仮想線Ｓを中心として３６０°の様々な向きをとりうる。例えば、上方金属板１ａの外表面に対して、接合材４１が配置される側から流路部２側に向かってレーザ光Ｌが斜めに入射するように、レーザ光Ｌを傾けてもよい。また、例えば、上方金属板１ａの外表面に対して、流路部２側から接合材４１が配置される側に向かってレーザ光Ｌが斜めに入射するように、レーザ光Ｌを傾けてもよい。また、例えば、上方金属板１ａの外表面に対して、流路部２の長さ方向に沿って、下流側から上流側又は上流側から下流側に向かってレーザ光Ｌが斜めに入射するように、レーザ光Ｌを傾けてもよい。

また、例えば、流路部２を形成するために当該流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａは、上述したようにレーザ光Ｌを傾けて、それぞれ同じ方向に傾くように形成されてもよい。具体的には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、上方金属板１ａの外表面に対して、接合材４１が配置される側から流路部２側に向かって一方側のレーザ光Ｌが傾いて照射され、流路部２側から接合材４１が配置される側に向かって他方側のレーザ光Ｌが傾いて照射されることで、流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａがそれぞれ同じ方向に傾くように形成されてもよい。

また、例えば、流路部２を形成するために当該流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａは、上述したようにレーザ光Ｌを傾けて、それぞれ異なる方向に傾くように形成されてもよい。具体的には、図４Ｃに示すように、上方金属板１ａの外表面に対して、接合材４１が配置される側から流路部２側に向かって両側のレーザ光Ｌが傾いて照射されることで、流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａがそれぞれ異なる方向に傾くように形成されてもよい。また、図４Ｄに示すように、上方金属板１ａの外表面に対して、流路部２側から接合材４１が配置される側に向かって両側のレーザ光Ｌが傾いて照射されることで、流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａがそれぞれ異なる方向に傾くように形成されてもよい。

上述した態様のうち、上方金属板１ａの外表面に対して、接合材４１が配置される側から流路部２側に向かって両側のレーザ光Ｌが傾いて照射されることで、流路部２の両側に配置される２つの第１接合部３ａが形成される図４Ｃに示す態様が最も好ましい。図４Ｃに示す態様では、レーザ光Ｌの照射により温度が高くなる部分がより接合材４１に近くなるため、接合材４１に最も熱が伝わりやすい。このため、レーザ溶接時の熱により、接合材４１を溶けやすくすることができる。

（４ｂ）上述した接合体１００の製造方法で説明した第１接合部３及び第２接合部４を形成する方法は、熱交換器に用いられる接合体１００の形成に限定されるものではなく、例えば、熱交換器以外に用いられるようなパイプの接合の際にも活用することができる。

（４ｃ）上記実施形態では、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂに用いられる熱伝導率が高い金属として、銅及びアルミを例示したが、上方金属板１ａ及び下方金属板１ｂには、レーザ光Ｌの照射によるレーザ溶接が可能な他の金属が用いられてもよい。他の金属としては、例えば、ステンレス、鉄などが挙げられる。

（４ｄ）上記実施形態では、接合材４１としてろう材が用いられることを例示したが、接合材はこれに限定されるものではない。接合材として、例えば、熱可逆性樹脂の接着剤などが用いられてもよい。

（４ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１ａ…上方金属板、１ｂ…下方金属板、２…流路部、３，３ａ…第１接合部、４…第２接合部、１１…平面部、１２…傾斜部、１３…当接部、４１…接合材、１００…接合体、２００…レーザ発振器、Ｈ…熱、Ｌ…レーザ光、Ｓ…仮想線。

Claims (5)

1. ２枚の金属板を接合することで形成される、液体が通過する流路部を備える接合体の製造方法であって、
   前記流路部は、前記２枚の金属板の非接合部分であり、前記２枚の金属板によって囲われた空間により構成され、
   前記２枚の金属板の間に接合材が設けられるように、前記２枚の金属板及び前記接合材を配置する配置工程と、
   前記接合材が配置される位置よりも前記流路部側の所定の位置において、前記２枚の金属板のうちいずれか一方にレーザ光を照射し、前記レーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により形成される第１接合部と、前記レーザ溶接時に発生する熱により前記接合材が溶融することによって形成される第２接合部と、を形成する接合工程と、
   を備える、接合体の製造方法。
2. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
   前記接合材は、ろう材である、接合体の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法であって、
   前記レーザ光は、前記所定の位置において、前記２枚の金属板に対して斜めに入射する、接合体の製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の接合体の製造方法であって、
   前記第１接合部及び前記第２接合部は、前記流路部に沿って延びるように形成される、接合体の製造方法。
5. ２枚の金属板を接合することで形成される接合体であって、
   レーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接によって前記２枚の金属板が接合されている第１接合部と、
   前記２枚の金属板の間に設けられる接合材によって前記２枚の金属板が接合されている第２接合部と、
   前記２枚の金属板の非接合部分であり、前記２枚の金属板によって囲われた空間により構成される、液体が通過する流路部と、
   を備え、
   前記第１接合部は、前記流路部と前記第２接合部との間に位置する、接合体。

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