JP2007152381A - レーザブレージング加工方法およびレーザブレージング加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度を向上させるとともに接合部位の外観を良好とすることが可能なレーザブレージング加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】複数のレーザ光の照射領域を接合対象物１，２の接合予定部に沿った加工方向に移動させつつ、少なくとも複数のレーザ光のいずれかの照射領域に接合材料Ｗを供給することにより、接合対象物１，２を接合するレーザブレージング加工方法であって、複数のレーザ光は、接合予定部への接合材料Ｗの供給位置よりも加工方向前方から照射される先行レーザ光３と、供給位置よりも加工方向後方から照射される後行レーザ光４と、を含んでおり、先行レーザ光３を、供給位置に対して加工方向前方に位置する接合予定部に照射するとともに、後行レーザ光４を、供給位置に供給される接合材料Ｗに照射することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を取り込む加工ヘッドが、母材に対して相対移動しつつレーザ光を照射するとともに、このレーザ光が照射される接合予定部にレーザブレージング用のワイヤを供給するレーザブレージング加工方法およびレーザブレージング加工装置に関する。

このようなレーザブレージング加工方法および加工装置としては、たとえば、特許文献１に挙げる方法および装置が知られており、その加工装置の一例を図５に示した。図５において、レーザブレージング加工装置Ｂは紙面垂直方向に沿って移動し、加工を行う。また、ワイヤＷは、この加工の進行方向前方より供給されている。

図５に示すようにレーザブレージング加工装置Ｂは、光ファイバ１０６によって導入されたレーザ光を装置内で二つに分離し、図中左右方向から、母材である鋼板１０１と鋼板１０２との接合予定部に供給されるワイヤＷに照射する装置である。このレーザブレージング加工装置Ｂは、レーザ光の分離手段として、コリメーションレンズ１０７と、ビームスプリッタ１０９と、二つの反射鏡１１０と、集光レンズ１０８とを備えて構成されている。

ところで、レーザブレージングによって接合された部位の強度は溶融後のワイヤＷと母材とが接触している面積、いわゆる濡れ面積に依存する。融解したワイヤＷの母材への濡れ性をよくして濡れ面積を拡大させるためには、母材の温度を高くする必要がある。このため、レーザブレージング加工装置Ｂを用いた加工方法では、二本のレーザ光でワイヤＷを図中左右から照射することで、母材を加熱し、接合強度の向上を図っている。

しかしながら、上記の方法では、ワイヤＷに照射されるレーザ光の光量と、ワイヤＷに当たらずに母材に照射されるレーザ光の光量とは、母材とレーザブレージング加工装置Ｂとの位置関係によって固定されてしまい、調整することができなかった。すなわち、ワイヤＷに照射されるレーザ光の光量を増やそうとすると、母材に照射されるレーザ光の光量が減少し、十分な接合強度を得ることが出来ない。また、母材に照射されるレーザ光の光量を増やそうとすると、ワイヤＷに照射されるレーザ光の光量が減少し、ワイヤＷを十分に溶融させることが出来ない。このように、レーザブレージング加工装置Ｂは、ワイヤＷおよび母材の形状や材質などの変更に対応することが困難であった。

特開２００３−３１１４５２号公報

本発明は、接合強度を向上させるとともに接合部位の外観を良好とすることが可能なレーザブレージング加工方法および加工装置の提供を課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を採用した。

本発明の第１の側面において提供されるレーザブレージング加工方法は、複数のレーザ光の照射領域を接合対象物の接合予定部に沿った加工方向に移動させつつ、少なくとも上記複数のレーザ光のいずれかの照射領域に接合材料を供給することにより、上記接合対象物を接合するレーザブレージング加工方法であって、上記複数のレーザ光は、上記接合予定部への上記接合材料の供給位置よりも上記加工方向前方から照射される先行レーザ光と、上記供給位置よりも上記加工方向後方から照射される後行レーザ光と、を含んでおり、上記先行レーザ光を、上記供給位置に対して上記加工方向前方に位置する上記接合予定部に照射するとともに、上記後行レーザ光を、上記供給位置に供給される上記接合材料に照射することを特徴とする。

このような方法によれば、上記加工方向の前方からの上記先行レーザ光の照射で上記接合予定部の予熱と付着物を除去する等の表面処理を行うことができる。さらに、上記進行方向の後方から上記後行レーザ光で上記接合材料を溶融させるため、接合材料は円滑に融解する。予熱によって上記接合予定部が比較的高温とされているので、溶融した上記接合材料は、上記接合予定部を容易に回り込み、優れた外観の接合部を得ることができる。また、上記接合部の接合強度の向上を図ることができる。

本発明の第２の側面において提供されるレーザブレージング加工装置は、接合対象物の接合予定部に沿った加工方向において移動自在とされており、上記接合予定部に複数のレーザ光を照射可能なレーザ光照射手段と、上記複数のレーザ光に照射された上記接合予定部に接合材料を供給する接合材料供給手段と、を備えたレーザブレージング加工装置であって、上記レーザ光照射手段は、上記接合予定部への上記接合材料の供給位置よりも上記加工方向前方から上記接合予定部に先行レーザ光を照射し、かつ上記供給位置よりも上記加工方向後方から上記接合材料に後行レーザ光を照射する構成とされていることを特徴とする。

このような装置によれば、本発明の第１の側面において提供されるレーザブレージング加工方法を好適に実施可能である。

本発明のその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に行う詳細な説明から、より明らかとなろう。

以下、本発明の第１実施形態に係るレーザブレージング加工装置Ａ１について、図１および図２を参照にして説明する。

図１には、レーザブレージング加工装置Ａ１の加工進行方向Ｘを含む平面で切った断面図を示している。図中、加工進行方向Ｘは、接合対象物としての鋼板２の端縁と鋼板１とが重なる部分である接合予定部に沿う方向である。また、鋼板１，２の法線方向をＺ方向とし、図中に示した。図２はレーザブレージング加工装置Ａ１を加工方向Ｘに沿って見た断面図である。

図１に示すように、このレーザブレージング加工装置Ａ１は先行レーザヘッドＨａ、後行レーザヘッドＨｂ、およびワイヤ送給器５を備えて構成されている。このレーザブレージング加工装置Ａ１は、たとえば、接合したい鋼板１と鋼板２との接合予定部へ、ワイヤ送給器５よりワイヤＷを供給し、各レーザヘッドＨａ，Ｈｂよりレーザ光を照射し、ワイヤＷを溶融させて接合を行う装置である。

各レーザヘッドＨａ，Ｈｂは、光ファイバ６ａ，６ｂ、コリメーションレンズ７ａ，７ｂ、集光レンズ８ａ，８ｂとを備えている。光ファイバ６ａ，６ｂは、図示しないレーザ光発振器から出射され、図示しない分光手段によって２つに分割されたレーザ光を各レーザヘッドＨａ，Ｈｂに導入するものである。コリメーションレンズ７ａ，７ｂは、光ファイバ６ａ，６ｂによって導入されたレーザ光を平行光とし、集光レンズ８ａ，８ｂへ向けて照射するためのものである。集光レンズ８ａ，８ｂは、上記のレーザ光を接合予定部に対して十分な熱量を供給できるように集束させるためのものである。

各レーザヘッドＨａ，Ｈｂからは先行および後行レーザ光３，４が照射される。各レーザ光３，４の光軸はそれぞれ光軸Ｌａ，Ｌｂである。先行レーザ光３は、加工方向Ｘ前方より、接合予定部のうちワイヤＷの供給位置に隣接する領域を照射する。また、レーザ光４は、加工方向Ｘ後方より、ワイヤＷを一定長さに渡って照射する。なお、各レーザヘッドＨａ，Ｈｂにおける集光レンズ８ａ，８ｂの曲率半径の差や、コリメーションレンズと集光点との相対的な位置関係によって、先行レーザ光３は相対的に焦点距離が長く、後行レーザ光４は相対的に焦点距離が短くなっている。よって、たとえば、先行レーザ光３の半径は３．０〜４．０ｍｍであり、後行レーザ光４の半径が、１．０〜１．５ｍｍとなる。

ワイヤ送給器５は、ワイヤＷを所定の入射角および速度で接合予定部へ供給するための装置である。このワイヤ送給器５は、加工速度に応じた速度でワイヤＷを接合予定部に送り出すことができる。

図１によると、ワイヤ送給器５のワイヤ送給方向は、Ｚ軸に対して図中左に１５度傾いている。また、光軸Ｌａが、この供給方向からさらに図中左に２２．５度傾くように、加工ヘッドＨａは配置されている。一方、光軸Ｌｂが、Ｚ軸に対して図中右に７．５度傾くように加工ヘッドＨｂは配置されている。図２に示すように、加工ヘッドＨａ，Ｈｂおよびワイヤ送給器５は、Ｚ軸に対して図２中右方に２５度傾いている。接合予定部が鋼板１の表面と鋼板２の端縁であるため、このように光軸Ｌａ，Ｌｂおよびワイヤ送給方向を傾けると、接合効率が向上する。なお、これらの各角度は好適な一例であり、適宜に変更可能である。

以下、本発明に係るレーザブレージング加工方法について、図３を参照にして説明する。図３は、図１における接合予定部周辺を拡大して示したものである。ただし、図３においては、既に溶融して鋼板１と鋼板２を接合しているワイヤＷは図示していない。なお、この接合はＸ方向に沿って図中右方から左方へ向かって進行していく。

図３に示したレーザブレージング加工方法は、接合予定部にワイヤＷの供給と、接合予定部にＸ方向前方（図中左方）からの先行レーザ光３の照射と、接合予定部に供給されたワイヤＷにＸ方向後方（図中右方）からの後行レーザ光４の照射と、を同時に行うものである。

光軸Ｌａ，Ｌｂに沿って各レーザ光３，４を入射させつつ、上記の方向に沿ってワイヤＷを供給する。これにより、先行レーザ光３は接合予定部をワイヤＷの前方から照射し、後行レーザ光４はワイヤＷを加工方向Ｘの後方から照射することになる。すなわち、先行レーザ光３はワイヤＷが供給される前に接合予定部を加熱する予熱用のレーザ光であり、後行レーザ光４はワイヤＷを加熱し、溶融させるためのレーザ光である。なお、溶融と予熱を効率よく行うために、図示しない光源から射出されたレーザ光を図示しない分光手段で先行レーザ光３の比率が全体の３０〜４０％程度となるように分光することが好ましい。より好適な割合としては、先行レーザ光の比率が３５％であり、後行レーザ光４の比率が６５％であることが望ましい。また、レーザ光発振器を複数用意し、先行レーザ光３および後行レーザ光４として別々の光源を用意しても構わない。

この加工方法で使用されるレーザ光の出力は２５００〜５０００Ｗが好ましい。より好ましくは、３４００〜４０００Ｗである。また、図１における集光レンズ８ａ，８ｂ（図３では図示略）によって各レーザ光３，４は集光されている。さらに、各レーザ光３，４は、ともにそのビームウェスト部が接合部付近に位置するように調整されている。先行レーザ光３は、その光軸Ｌａが、ワイヤＷの中心軸が鋼板１と交差する位置よりもＸ方向に沿って１．０〜２．０ｍｍ前方で鋼板１と交差するように照射されている。先行レーザ光３が、たとえば、光軸Ｌａと鋼板１との交差点を中心とする半径３．２〜３．４ｍｍの円状あるいは同程度の大きさの楕円状の領域を照射するように、先行レーザヘッドＨａを設置することが好ましい。一方、後行レーザ光４は、その光軸ＬｂがワイヤＷの表面と交差し、その交差点がワイヤＷの下端点Ｔから１．０〜１．５ｍｍの位置となるように照射されている。特に、この照射位置を下端点Ｔから１．５ｍｍとし、後行レーザ光４が下端点Ｔを含む領域を照射するように、後行レーザヘッドＨｂを設置するのが好ましい。

ワイヤＷの直径は０．８〜１．２ｍｍであり、ワイヤ送給器５（図３では図示略）から７．０〜１０ｍｍ程度突き出しており、特に７ｍｍの場合が好適である。ワイヤ送給速度はワイヤＷの太さやその他の環境によって調整するのがよい。このワイヤＷの送給速度とワイヤＷの溶融速度によって加工進行速度は２．５〜３．０ｍ／分の範囲内で調整するのがよい。たとえば、ワイヤＷの直径が０．８ｍｍであり、ワイヤＷを７．７５ｍ／分で送給する場合は加工進行速度を３ｍ／分とするのが好ましい。

次に、レーザブレージング加工装置Ａ１およびこれを用いた方法の作用について、以下に説明する。

レーザブレージング加工装置Ａ１を用いて、鋼板１と鋼板２を接合するとき、接合予定部は、まず先行レーザ光３により予熱される。この予熱された接合予定部に対してワイヤＷが供給され、供給されたワイヤＷの先端部分は、後行レーザ光４によって適切に溶融される。これにより、十分に溶融されたワイヤＷを比較的高温とされた接合予定部に速やかに回り込ませることが可能である。したがって、鋼板１，２の接合強度を高めるとともに、この接合部の外観を良好とすることができる。また、各レーザ光３，４のビームウェスト部が接合部付近に位置することにより、各レーザ光３，４の照射領域の大きさを安定させることができる。これは、接合強度の向上および接合部の外観を良好とするのに好ましい。

また、ワイヤＷを溶融するための後行レーザ光４は、比較的に焦点距離が短い集光レンズ８ｂを備えた後行レーザヘッドＨｂによって集光される。焦点距離が短いほど、後行レーザ光４を小さい領域に集光することが可能である。したがって、直径０．８〜１．２ｍｍ程度のワイヤＷに対して後行レーザ光４を集中的に照射することが可能であり、ワイヤＷの溶融を促進するのに適している。一方、接合予定部を予熱するための先行レーザ光３は、比較的に焦点距離が長い集光レンズ８ａを備えた先行レーザヘッドＨａによって集光される。接合予定部を予熱し、濡れ面積を増大させるためには、接合予定部の比較的広い領域に対して先行レーザ光３を照射することが好ましい。この観点から、先行レーザ光３を比較的長い焦点距離で集光することは合理的である。さらに、先行レーザヘッドＨａの焦点距離が比較的長いと、先行レーザヘッドＨａを接合予定部に対して比較的離間した位置に配置することが可能である。このため、先行レーザヘッドＨａをＺ軸に対して加工方向Ｘ前方に大きく傾けつつ、鋼板１，２から先行レーザヘッドＨａまでの高さを高くすることが可能である。これは、たとえば、先行レーザヘッドＨａが鋼板１，２またはこれらを保持するための治具などと不当に干渉することを防止するのに有利である。

レーザブレージング加工装置Ａ１においては、各レーザヘッドＨａおよびＨｂは独立に設置されており、自在に配置変更が可能な構成である。このため、鋼板１，２の形状や材質、または、ワイヤＷの形状や材質等に応じて照射位置や各レーザ光３，４の照射領域の大きさ等を各レーザヘッドＨａ，Ｈｂを移動させるだけで容易に変更可能である。また、ワイヤＷの加熱と母材の加熱とを別々のレーザ光で行っているので、それぞれのレーザ光の強度を状況に応じて調整するのは容易である。従って、レーザブレージング加工装置Ａ１は汎用性に富み、多様な接合作業において利用可能となっている。

以下、本発明の第２実施形態に係るレーザブレージング加工装置Ａ２について、図４を参照にして説明する。

図４はレーザブレージング加工装置Ａ２の断面図である。図４によると、レーザブレージング加工装置Ａ２は、光ファイバ６ｃによって導入されたレーザ光を装置内で二つに分離し、加工進行方向の前後から、母材の接合予定部に向けて照射する装置である。このレーザブレージング加工装置Ａ２は、コリメーションレンズ７ｃと、ビームスプリッタ９と、反射鏡１０と、集光レンズ８ｃ，８ｄとを備えて構成されている。また、図示していないが、本発明の第１実施形態の場合と同様のワイヤ送給器を用いて接合予定部に向けてワイヤＷを供給している。なお、レーザブレージング加工装置Ａ２とワイヤ送給器が一体となっていても構わない。

コリメーションレンズ７ｃは光ファイバ６ｃによって導入されたレーザ光の向きを揃えてビームスプリッタ９へ導くためのレンズである。ビームスプリッタ９は、たとえばハーフミラーのように、レーザ光を２方向へ分割する機能を備えた装置である。集光レンズ８ｃ，ｄは、このビームスプリッタ９によって２方向に分割された２本のレーザ光を各々接合予定部近辺で集束させるためのレンズである。レーザブレージング加工装置Ａ２においては、ハーフミラーであるビームスプリッタ９を透過したレーザ光が後行レーザ光となるように各構成要素が配置されている。また、ビームスプリッタ９で反射したレーザ光を、さらに反射鏡１０で反射させて接合部位へ誘導することで先行レーザ光としている。なお、上記の先行および後行レーザ光は、本発明の第１実施形態における各レーザ光３，４と同様である。

このレーザブレージング加工装置Ａ２は、本発明の第１実施形態においては装置外で分光していたレーザ光を装置内で分光することで、光ファイバを１本とし、装置をコンパクトな形状にまとめたものである。すなわち、本発明の第１実施形態においては別個になっていたレーザヘッドが一体となったものであり、その他の構成は第１実施形態と同じである。

レーザブレージング加工装置Ａ２においては、装置全体と反射鏡１０とを適宜移動させることにより、先行レーザ光と後行レーザ光の照射位置を調整することができる。

本発明に係るレーザブレージング加工装置および方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、レーザブレージング加工装置Ａ２において、ビームスプリッタ９として反射面を２つ備えた反射鏡を用いて分光を行ってもよい。また、レーザブレージング加工装置Ａ２においては直進している後行レーザ光を反射鏡で曲げて進路を調整しても構わない。さらに、第１および第２実施形態の双方において、レーザヘッドの形状に関しては様々な形態をとることが可能である。

本発明の第１実施形態に係るレーザブレージング加工装置の一例を示す断面図である。 本発明に係る第１実施形態にレーザブレージング加工装置の一例を示す断面図である。 本発明に係る第１実施形態にレーザブレージング加工方法の一例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザブレージング加工装置の一例を示す断面図である。 従来のレーザブレージング加工装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２ レーザブレージング加工装置
Ｗ ワイヤ（接合材料）
Ｔ 下端点
Ｈａ 先行レーザヘッド
Ｈｂ 後行レーザヘッド
Ｌａ，Ｌｂ 光軸
Ｘ 加工進行方向
Ｚ 鋼板の法線方向
１，２ 鋼板（接合対象物）
３ 先行レーザ光
４ 後行レーザ光
５ ワイヤ送給器
６ａ,６ｂ,６ｃ 光ファイバ
７ａ,７ｂ,７ｃ コリメーションレンズ
８ａ,８ｂ,８ｃ,８ｄ 集光レンズ
９ ビームスプリッタ
１０ 反射鏡

Claims (2)

1. 複数のレーザ光の照射領域を接合対象物の接合予定部に沿った加工方向に移動させつつ、
   少なくとも上記複数のレーザ光のいずれかの照射領域に接合材料を供給することにより、上記接合対象物を接合するレーザブレージング加工方法であって、
   上記複数のレーザ光は、上記接合予定部への上記接合材料の供給位置よりも上記加工方向前方から照射される先行レーザ光と、上記供給位置よりも上記加工方向後方から照射される後行レーザ光と、を含んでおり、
   上記先行レーザ光を、上記供給位置に対して上記加工方向前方に位置する上記接合予定部に照射するとともに、
   上記後行レーザ光を、上記供給位置に供給される上記接合材料に照射することを特徴とする、レーザブレージング加工方法。
2. 接合対象物の接合予定部に沿った加工方向において移動自在とされており、上記接合予定部に複数のレーザ光を照射可能なレーザ光照射手段と、
   上記複数のレーザ光に照射された上記接合予定部に接合材料を供給する接合材料供給手段と、を備えたレーザブレージング加工装置であって、
   上記レーザ光照射手段は、上記接合予定部への上記接合材料の供給位置よりも上記加工方向前方から上記接合予定部に先行レーザ光を照射し、かつ上記供給位置よりも上記加工方向後方から上記接合材料に後行レーザ光を照射する構成とされていることを特徴とする、レーザブレージング加工装置。

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