JP2005279686A - Laser brazing apparatus, and its method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いて構造物をろう付け加工するためのレーザろう付装置および方法に関する。 The present invention relates to a laser brazing apparatus and method for brazing a structure using laser light.
最近、構造物を補修する際にワークをろう付加工するため、ワーク加熱熱源としてレーザ光を用いることが試みられている。図6は、従来のレーザろう付方法の一例を示している。この図6において、従来のレーザろう付方法では、ろう付部分に事前にろう材を置く工程と、ろう付部に置かれたろう材をレーザ光により加熱してろう付を行う工程とから構成される。
上述のレーザろう付方法においては、加熱部分の温度計測手段が無いため事前に施工条件を確認する必要がある上、ろう材を事前にろう付部に固定する必要があるため、遠隔補修時には施工管理ができないことが課題である。さらに、レーザ光はエネルギー密度が非常に高い熱源であるため、ろう材だけでなくワークを溶融してしまう可能性があり、品質管理ができない問題もある。 In the laser brazing method described above, since there is no means for measuring the temperature of the heated part, it is necessary to confirm the construction conditions in advance, and it is necessary to fix the brazing material to the brazing part in advance. The problem is that it cannot be managed. Further, since the laser beam is a heat source having a very high energy density, there is a possibility that not only the brazing material but also the workpiece is melted, and there is a problem that quality control cannot be performed.
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、ワークを溶融することなく、ろう材のみを溶融させ、且つ高品質なろう付を提供することのできるレーザろう付装置および方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a laser brazing apparatus and method capable of melting only a brazing material and providing high-quality brazing without melting a workpiece. For the purpose.
上記目的を達成するため、本発明では、請求項1ないし10記載の発明を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides the inventions of claims 1 to 10.
請求項1記載の発明では、パルスYAGレーザを用いてワークに付着した酸化膜や不純物を取除くことにより、ろう材のワークへの濡れ性を高め得ることを特徴とする。 The invention according to claim 1 is characterized in that the wettability of the brazing material to the workpiece can be improved by removing the oxide film and impurities adhering to the workpiece using a pulse YAG laser.
請求項2記載の発明では、パルスYAGレーザの照射条件を特定することにより、ろう材のワークへの濡れ性をより高めることを特徴とする。
The invention according to
請求項3記載の発明では、ワークに供給したフラックスを、高周波加熱、アークまたはレーザ光により加熱することにより、ろう付に最適な温度としてろう材の濡れ性を高めることを特徴とする。
The invention described in
請求項4ないし8記載の発明では、予熱熱源により加熱した後、さらに矩形やドーナツ形状に整形したレーザ光でワークを加熱し
請求項5記載の発明では、ワーク表面を加熱するレーザ光をスキャンさせるため、ワークがろう付けに適した温度に上昇する。
In the invention described in
請求項6記載の発明では、レーザ光が進行方向と直角な方甲に長い矩形であるからワーク表面を均一に加熱することができる。 According to the sixth aspect of the invention, since the laser beam is a long rectangle on the square perpendicular to the traveling direction, the workpiece surface can be heated uniformly.
請求項7記載の発明では、予熱後とレーザ光による加熱後の2箇所で温度計測して温度調節に利用するため、ワークを最適温度に保つことができる。 According to the seventh aspect of the present invention, since the temperature is measured at two locations after preheating and after heating with the laser beam and used for temperature adjustment, the workpiece can be maintained at the optimum temperature.
請求項8記載の発明では、ろう材の融点がワークの融点よりも適当に低いため、ろう材がワークに十分濡れる。
In the invention according to
請求項9記載の発明では、温度検出器で計測した温度がろう付に最適な温度まで十分加熱されなかった場合、再度、ろう付部分の加熱を行うことを特徴とする。
The invention according to
請求項10記載の発明では、パルスYAGレーザによりワークに付着した酸化膜や不純物を取除き、ろう材のワークへの濡れ性を高める方法を提供することができる。
In the invention described in
本発明は上述のように、ワーク表面の酸化膜や不純物を除去し、表面に供給したフラックスを予熱熱源にて過熱し、加熱温度を温度検出器にて計測してフィードバック管理するようにしたため、供給されたろう材がレーザ光にて溶融された後、良好にワークに濡れる。 As described above, the present invention removes oxide films and impurities on the workpiece surface, superheats the flux supplied to the surface with a preheating heat source, measures the heating temperature with a temperature detector, and performs feedback management. After the supplied brazing material is melted by the laser beam, the workpiece is wetted well.
図1ないし図5を参照して、予熱熱源にTIGアークを用いる方法で、本発明に係るレーザろう付の実施の形態について説明する。 An embodiment of laser brazing according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 by a method using a TIG arc as a preheating heat source.
図1により、本発明の一実施例につき説明する。この実施例は、ワーク1表面の酸化膜7および不純物を除去するためのパルスYAG発振器Aと、予熱熱源となるTIGアーク電源Bと、ワーク1およびろう材3を加熱するためのYAGレーザ発振器Cとにより構成される。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a pulse YAG oscillator A for removing the
また、レーザろう付ヘッドは、ワーク1表面の酸化膜不純物7を除去するためのパルスYAGレーザ光を照射するトーチ8と、ワーク1表面にろう材3の濡れ性を向上させるためのフラックス10を供給するノズル9と、フラックス10とワーク1とを加熱するためのTIGトーチ11と、ワーク1の表面温度を測定する温度検出器12と、ろう材3を供給するノズル13と、ろう材3とワーク1とを過熱するレーザ光学トーチ14と、加熱部全体をシールドガスにて覆うシールドボックス15とにより構成されている。
The laser brazing head also includes a
ここで、ワーク1表面の酸化膜不純物7を除去するためのパルスYAGレーザの条件は、50〜600mJ/パルス、5〜300Hz、パルス幅1〜10nsecとし、シールドガスとしてArや5%程度の水素ガスを混合したArガスを供給しながら施工すると、酸化膜不純物7が還元されて除去が促進される。
Here, the conditions of the pulse YAG laser for removing the
また、ワーク1およびフラックス10を加熱するTIGアークの条件は、5〜20V、100〜200Aとする。ここで、100A以下では、ワーク1およびフラックス10が充分加熱されず、200A以上では、ワーク1が溶融してしまう。フラックス10とワーク1とを加熱する予熱熱源はTIGアーク11を採用しているが、替りに高周波加熱源やレーザ光を採用してもよい。
Moreover, the conditions of the TIG arc which heats the workpiece | work 1 and the
高周波加熱を用いる場合の条件は、100〜100kHz、5〜15kWとする。また、レーザ光にて加熱する場合の条件は、5〜300W/mm2とする。 The conditions for using high-frequency heating are 100 to 100 kHz and 5 to 15 kW. Moreover, the conditions in the case of heating with a laser beam shall be 5-300 W / mm < 2 >.
シールドボックス15内には、不活性ガスArを供給しワーク1表面の過熱による酸化を防止する。また、不活性ガスとして水素ガスを5%混合したArガスを用いてもよい。水素ガスを混合したArガスを使用することで、酸化膜や不純物を除去する際に還元され易くなる効果がある。
An inert gas Ar is supplied into the
ろう材3の供給方法としては、フィラーワイヤーを用いる方法がろう材3の供給量が安定するので望ましい。ワイヤ形状に成形されたろう材3のワイヤ径は、ワーク1表面にて安定して溶融され、且つ供給量の調整が容易に行えるようにφ0.6〜1.6mmの範囲にすることが望ましい。φ0.6mm以下では、レーザ光5によりワーク1が溶融する場合があり、φ1.6mm以上では、ろう材3に熱が吸収されるため、ろう材3の濡れ性が低下する。
As a method for supplying the brazing
図2により本発明の第2の実施例につき説明する。レーザ光5は、ワーク1を加熱するための矩形光とろう材3を溶融するための集光光とに分光される。ワーク1を加熱するための矩形光のパワー密度は、5〜300W/mm2とし、ろう材3を溶融するための集光光のパワー密度は、150〜1000W/mm2とする。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The
このとき、矩形光は光の進行方法に長い矩形とし、例えば3mm×5mmとする。また、集光光は、φ0.6〜3mmとする。φ0.6以下では、ろう材3が急激に加熱されるため、溶融したろう材3がワーク1表面に安定して供給されず、φ3mm以上では、ろう材3を安定して溶融するために必要な温度に上昇する前に、ワーク1に供給されるため、ワーク1にろう材3が濡れずに玉となる。
At this time, the rectangular light is a rectangle that is long in the light traveling method, for example, 3 mm × 5 mm. The condensed light is set to φ0.6 to 3 mm. If φ0.6 or less, the
ワーク1を溶融させずに加熱するために、レーザ光のパワー密度を下げたビームを使用して、その集光位置にろう材3を供給しようとすると、ワーク1の温度がろう材3に逃げ、また、ろう材3が徐々に加熱されるのでワーク1表面に安定してろう材3を溶融させることはできない。
In order to heat the workpiece 1 without melting it, if a beam having a reduced laser beam power density is used to supply the brazing
この第2の実施例では、レーザ光5をワーク1の加熱光と、ろう材3の溶融光とに分光することで、ワーク1を加熱しながら安定してろう材3を溶融することが可能となる。
In the second embodiment, the
図3により本発明の第3の実施例につき説明する。ろう材3の溶融後のワーク1表面をレーザ光5にて再過熱することにより、ろう材3の浸透が促進される。また、充分にろう材3がワーク1に濡れていない場合でも、レーザ光5にて再加熱することによりワーク1の深さ方向にろう材3を行き渡らせることができる。
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. By reheating the surface of the work 1 after melting the
このとき、レーザ光5は、ろう材3の幅よりも1.5〜3倍広い範囲を加熱できるような矩形にするか、ろう材3の幅よりも1.5〜3倍広い範囲をスキャンすることで、ろう材3およびワーク1の加熱保持時間を長くし、ろう材3のワーク1への濡れを広げ、且つ深さ方向へも進入させることができる。
At this time, the
図4により本発明の第4の実施例につき説明する。ワーク1の温度計測器は、温度計測位置17で予熱熱源後とレーザ光5による加熱後を計測する。予熱後のワーク1の温度がろう付温度に到達していない場合は、レーザ光5の出力を調整しワーク1の温度を上昇させる。
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The temperature measuring instrument of the workpiece 1 measures the temperature after the preheating heat source and the heating by the
更にレーザ照射後のワーク1の温度を計測し、ろう付温度まで到達していない場合には、ろう材3の溶融後に照射するレーザ光5の出力を調整し、ろう材3がワーク1に充分濡れるように加熱する。加熱範囲18が温度上昇する。
Further, the temperature of the workpiece 1 after laser irradiation is measured. If the temperature does not reach the brazing temperature, the output of the
このとき、本発明ではワーク1の加熱を制御し易く、且つろう材3はレーザ光5にて溶融することから、ワーク1の融点がろう材3の融点より100℃以上高ければ、ワーク1を溶融させることなく高品質なろう付を行うことができる。
At this time, in the present invention, it is easy to control the heating of the workpiece 1 and the
また、ろう材3をレーザにて加熱しても充分濡れていない場合には、再度、本発明のレーザろう付装置を使用して、フラックス10および加熱熱源のみを使用してワーク1の表面を加熱する。
If the
図5により本発明の第5の実施例につき説明する。本発明を割れ等の補修に適用すると、パルスYAGレーザにてワーク1表面および割れ2の内部の酸化膜を除去することが可能であることから、割れ2の内部まで充分にろう材3を供給した補修を行うことが可能となる。
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. When the present invention is applied to repair of cracks and the like, it is possible to remove the oxide film on the surface of the work 1 and the inside of the
以下に、亀裂を補修する場合のろう付方法の条件の一例を示す。
ろう材:BAg−8(φ1.0)
ろう材供給量:50〜400mm/min
ワーク:ステライトNo.6
レーザ出力:1〜4kW
ビーム径:φ1〜7mm
シールドガス:Ar,Ar−5%H2
施工速度:10〜500mm/min
Below, an example of the conditions of the brazing method in the case of repairing a crack is shown.
Brazing material: BAg-8 (φ1.0)
Brazing material supply: 50 to 400 mm / min
Work: Stellite No. 6
Laser output: 1-4kW
Beam diameter: φ1-7mm
Shielding gas: Ar, Ar-5% H2
Construction speed: 10 to 500 mm / min
このようにすることにより、割れ等の欠陥部を遠隔操作によってろう付を補修することができる。 By doing in this way, brazing can be repaired by remote control of defect parts, such as a crack.
1 ワーク、2 割れ、3 ろう材、4 バインダー、5 レーザ光、
6 シールドガスノズル、7 酸化膜、8 酸化膜除去装置、
9 フラックス供給ノズル、11 予熱熱源、12 温度検出器、
13 ろう材供給チップ、14 レーザ光学トーチ、15 シールドボックス、
A パルスYAGレーザ発振器、B TIGアーク電源、C YAGレーザ発振器
1 work, 2 cracks, 3 brazing material, 4 binder, 5 laser light,
6 Shield gas nozzle, 7 Oxide film, 8 Oxide film removal device,
9 Flux supply nozzle, 11 Preheating heat source, 12 Temperature detector,
13 Brazing material supply chip, 14 Laser optical torch, 15 Shield box,
A pulse YAG laser oscillator, B TIG arc power supply, C YAG laser oscillator
Claims (10)
前記ワーク表面の酸化膜および不純物の除去手段として、パルスYAGレーザを用いることを特徴とするレーザろう付装置。 While preventing the workpiece from being oxidized during brazing, remove the oxide film and impurities adhering to the workpiece surface, and then supply flux to increase the wettability of the brazing material. While confirming that it was heated to a temperature appropriate for brazing, the workpiece was reheated with laser light and the supplied brazing material was melted, and the brazing material was reheated with laser light to perform brazing. In laser brazing equipment,
A laser brazing apparatus using a pulse YAG laser as means for removing an oxide film and impurities on the workpiece surface.
前記パルスYAGレーザの照射条件は、50〜600mJ/パルス、5〜100Hz、パルス幅1〜10nsecとすることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
The laser brazing apparatus characterized in that the irradiation conditions of the pulse YAG laser are 50 to 600 mJ / pulse, 5 to 100 Hz, and a pulse width of 1 to 10 nsec.
ワークおよびフラックスの予熱手段として、高周波加熱、アークまたはレーザ光を用いることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus using high-frequency heating, arc or laser light as a preheating means for work and flux.
ワークを再加熱するレーザ光は、ろう付進行方向に長い矩形光と、ろう材を溶融するために集光されたレーザ光とに分光されることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus characterized in that laser light for reheating a workpiece is split into rectangular light that is long in the brazing direction and laser light that is focused to melt the brazing material.
ろう材供給後、ワーク表面を加熱するレーザ光は、ワーク表面をスキャンすることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus characterized in that, after the brazing material is supplied, laser light for heating the work surface scans the work surface.
ろう材供給後に加熱するレーザ光は、進行方向と垂直な方向に長い矩形光とすることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus characterized in that the laser light heated after supplying the brazing material is rectangular light that is long in a direction perpendicular to the traveling direction.
温度を確認するために放射温度計を用い、予熱後とレーザ光による加熱後の2箇所を計測することを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus characterized by using a radiation thermometer to check temperature and measuring two places after preheating and after heating with laser light.
前記ろう材は、ワークの融点よりも100℃以上融点の低い材料とすることを特徴とするレーザろう付装置。 The laser brazing apparatus according to claim 1,
A laser brazing apparatus characterized in that the brazing material is made of a material having a melting point lower than the melting point of the workpiece by 100 ° C.
前記ワークに前記ろう材を供給する工程と、前記ワークに供給された前記ろう材を再度、予熱熱源とレーザ光とを用いて溶融する工程とをそなえることを特徴とするレーザろう付装置。 Using the laser brazing apparatus according to any one of claims 1 to 9,
A laser brazing apparatus comprising: supplying the brazing material to the workpiece; and melting the brazing material supplied to the workpiece again using a preheating heat source and laser light.
前記ワーク表面の酸化膜および不純物の除去手段として、パルスYAGレーザをそなえたことを特徴とするレーザろう付方法。 While preventing the workpiece from being oxidized during brazing, remove the oxide film and impurities adhering to the workpiece surface, and then supply flux to increase the wettability of the brazing material. While confirming that it was heated to a temperature appropriate for brazing, the workpiece was reheated with laser light and the supplied brazing material was melted, and the brazing material was reheated with laser light to perform brazing. In the laser brazing method,
A laser brazing method comprising a pulse YAG laser as means for removing an oxide film and impurities on the workpiece surface.
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2004
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