JP2008500903A - ろう付けのための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
接合部材(2)を共通の継ぎ目に沿ってろう付けするために、熱源、例えばレーザービーム(3)によって接合部材を加熱する。次いで継ぎ目内には、溶融されたろう材(7)が容器(6)内のストックから充填される。このようにして継ぎ目は、高い速度でろう材によって満たされ、凝固したろう材表面は実質的に気孔なしに形成され、後処理なしに下塗り若しくは塗装を可能にしている。
Description
本発明は、金属性の接合部材を硬ろう付けによって結合する方法であって、この場合に接合部材を少なくとも1つの熱源によって加熱し、かつ接合部材間の継ぎ目内にろう材を充填する形式のものに関する。さらに本発明は、前記方法の実施のための装置に関する。
硬ろう付けによる金属性の部材(接合部材)の結合は公知であり、同じ金属若しくは異なる金属は互いに接合される(例えば鋼/鋼、若しくはアルミニウム/鋼)。自動車車体構造において、例えば自動車ボディの側壁部分と屋根部分とはろう接によって互いに結合され、この場合にろう材は部材(構成部分)間の継ぎ目内に満たされて、後処理なしに下塗り及び塗装可能な表面を形成するようにし、部材間の溶接結合の場合に行われるような継ぎ目の被覆のための処理は施さなくてもすむようにしたい。特に車体部材間の結合において、さらに他の硬ろう付けにおいても、継ぎ目に充填されて凝固したろう材のできるだけ気孔のない表面、並びに継ぎ目幅の変化する場合でもできるだけ一様な充填高さは重要である。国際公開WO 02/064300号明細書には、ろう材線材を予め加熱してバーナーを用いるろう付けを開示してある。さらに実地には、ろう付けすべき接合部材をレーザーによって加熱しかつろう材線材を同じくレーザービームに当てて溶融することも知られている。特に亜鉛めっきされた薄板の場合に、該薄板のめっきは継ぎ目の外側でできるだけ完全な状態で保たれねばならず(亜鉛の蒸発温度は1060℃である)、使用されるCuSiろう材の溶融点若しくは980乃至1060℃の溶融点の銅・亜鉛ろう材の場合には、凝固したろう材の申し分のない若しくは気孔のない表面はほぼ2〜3m/分の低いろう付け速度でしか達成されない。種々の組成の使用可能なろう材は当業者にとって知られているものである。
本発明の課題は、硬ろう付け法を改善して、凝固したろう材の良好な表面品質を高いろう付け速度で達成することである。
前記課題は請求項1に記載の手段によって達成される。液状のろう材の所定の容量を有する容器を設けることによって、ろう付け箇所の加熱とろう材の溶解とは互いに完全に分離される。従ってろう付け箇所、つまり接合部材の加熱は正確に制御され、殊に接合部材の亜鉛めっきの過熱による蒸発のおそれは避けられ、それというのは溶融のためのエネルギーは接合部材の加熱用のエネルギーから取り出されなくなっているからである。ろう材の温度も正確に調整され、その結果、ろう付けは最適な温度で行われて、凝固したろう材の高い表面品質が得られる。さらに、容器内にストックされているろう材の供給量は、変化する継ぎ目寸法に、固形のろう材線材を供給する場合よりも容易に適合され、ろう材の供給量の変化は接合部材の加熱に影響を及ぼすものではない。
有利には、液状のろう材は接合部材の熱源の運動方向で見て熱源の作用領域の後方で接合部材の継ぎ目に供給される。このことは、ろう付け箇所の最適な準備若しくは前処理、つまり熱源による継ぎ目領域の洗浄若しくは脱酸作用を可能にしている。このような作用は加熱領域へのガス若しくは混合気の供給によって高められ、ガス若しくは混合気は単独に若しくは粉末状の脱酸剤を添加して供給されてもよい。固体のろう材線材を用いる従来技術では、ろう材線材は加熱領域の前から例えば引きずるように供給され、レーザービームは該ビームで加熱されるろう材線材によって妨げられ、ろう付け箇所の表面のレーザービームによる洗浄若しくは脱酸作用は十分には活用されない。逆の側からのろう材線材の供給、つまりろう材線材の突き刺すような供給は、ろう材線材の締付け若しくは引っ掛かりを生ぜしめ、ろう付け過程の中断を招いてしまうことになる。
有利には、容器内のストック量から液状のろう材を継ぎ目内へ充填(供給)することは、送り速度に関連して一定の制御温度を保つために、さらに充填前の継ぎ目の検出、殊に例えば光学式の検出手段を用いた継ぎ目寸法の検出に依存して制御して行われる。これによって、供給されるろう材の量は継ぎ目に沿って継ぎ目の大きさの変化に適合されて、継ぎ目に沿って継ぎ目表面の形が変化していない均一に充填された継ぎ目を達成できるようになっている。充填後の継ぎ目の検出、例えば同じく光学式の検出も制御値として用いられてよい。さらに、加熱された接合部材のろう材充填前及び/又はろう材充填後の温度測定も用いられてよい。
容器からのろう材の供給(流出)は、閉じられている、つまり密閉式の容器においては容器内に圧力(正圧若しくは負圧)を形成することによって正確に制御されてよい。このために容器に制御可能な構成要素、例えばプランジャーを設けてあり、プランジャーは駆動装置によって多かれ少なかれ容器内へ送り込まれ、若しくは容器から抜き出される。このような構成要素(エレメント)は有利には、容器内へ溶融のために供給されるろう材線材であってよい。フレキシブルな容器壁に、若しくは容器壁の一部分に力を加えて、ろう材溶融物の供給若しくは供給停止のための圧力を形成することも可能である。開いている、つまり開放式の容器においては容器を多かれ少なかれ傾け、つまり例えば注出部と逆の側を持ち上げ、若しくは戻すことによって、供給量を制御することができる。
次に本発明を図示の実施例に基づく詳細に説明する。図面において、
図1は、本発明に基づく方法を実施するための装置の1つの実施例の概略図であり、
図2は、接合部材の接合箇所を継ぎ目の長手方向で見た図であり、
図3は、本発明に基づく方法を実施するための装置の別の実施例の概略図であり、
図4乃至図6は、本発明に基づき接合しようとする種々の形式の接合部材の、図2に対応する図である。
図1は、本発明に基づく方法を実施するための装置の1つの実施例の概略図であり、
図2は、接合部材の接合箇所を継ぎ目の長手方向で見た図であり、
図3は、本発明に基づく方法を実施するための装置の別の実施例の概略図であり、
図4乃至図6は、本発明に基づき接合しようとする種々の形式の接合部材の、図2に対応する図である。
図1は、本発明に基づく方法の実施のための装置の第1の実施例を示している。図面は装置の概略図である。図示の装置を用いて、例えば図2に示す接合部材1,2をろう付け(硬ろう付け)によって互いに結合するようになっており、この場合にろう材は接合部材1,2間の継ぎ目5を多かれ少なかれ満たし、ろう材の凝固の後にできるだけ気孔のない表面を形成するようになっており、表面は後処理なしに若しくは極めてわずかな後処理で下塗りされ、かつ塗装されるようになっている。この場合に継ぎ目5は、できるだけ均一に満たされ、これによってろう材は、例えば車体構成部分間、例として自動車ボディの第1の接合部材1によって形成されたルーフ部分と第2の接合部材2によって形成されたサイド部分との間の見える均一な接合充填部を形成するようになっている。このことは例としてあげてあるのであり、本発明に基づき互いに結合される金属性の任意の接合部材(例えば冒頭に述べた種々の金属から成る構成部材)についていえることである。接合部材は別の結合手段によって、例えば継ぎ目5の下側のスポット溶接に基づく固定部によって互いに付加的に結合されていてよい。図1の概略側面図では、接合部材2を水平の線で示してあり、該接合部材は図1では見えない別の接合部材1(図2)と一緒に、継ぎ目(隙間)を形成しており、該継ぎ目はろう材で満たされるものである。
接合部材1,2は第1の熱源を用いて、継ぎ目の、ろう付けのために準備された領域を加熱される。該加熱は、ろう付け領域の下方の境界部を約450℃以上の所要のろう付け温度で行われ、ろう付け温度は使用されるろう材に依存していて、例えば自動車産業で約950℃乃至約1030℃若しくは1060℃である。熱源3を用いて、ろう付け領域だけを所要の温度にして、接合部材1,2の隣接の領域への不都合な熱影響を避けるようにしてあり、それというのは接合部材は、高い熱にさらされてならない被覆された薄板、殊に亜鉛めっきされた薄板であるからである。熱源3は例えばレーザービームであってよく、レーザービームは図面には外周ビーム3によって概略的に示してある。レーザービーム3の焦点は、接合部材1,2の接合領域で、若しくは供給されるろう材を受容する領域で接合部材のできるだけ均一で最適な加熱を達成するために、たいていは継ぎ目5の下側に位置している。1つのレーザービーム3ではなく、複数のビームを用いてもよく、このことは例えば図2にビーム経過線4で概略的に示してある。もちろんレーザービーム3の代わりに、別の任意の単数若しくは複数の熱源を用いて、接合部材1,2の接合箇所を所要のろう付け温度に加熱することも可能である。熱源として例えば、プラズマジェット熱源、アーク放電熱源、火炎熱源、高周波熱源若しくは誘導式の加熱手段を用いることもできる。熱源、例えばレーザービーム3は継ぎ目5に沿って移動させられ、これによって継ぎ目の領域は順次に加熱されつつ、ろう材で満たされる。ろう付け装置の熱源と継ぎ目との間の相対運動は、ろう付け装置が不動の接合部材1,2上を運動させられ、若しくは接合部材1,2が不動(定置)のろう付け装置に沿って運動させられることによって行われる。
図1において、矢印Aは運動方向を示しており、描かれた箱27は、装置と接合部材1,2との相対運動にとって必要なすべての運動手段若しくは移動装置を象徴的に表している。この種の運動手段の構成は当業者にとって知られており、その詳細な説明をここでは省略してある。公知のあらゆる種類の運動手段は使用の対象になっている。運動手段はろう付け装置の制御装置20によって制御されるようになっていてよく、このことは箱27へ延びる鎖線の制御ラインによって暗示してある。制御装置20は、運動手段のための独立の制御装置と接続されていて、運動に関する情報を受け取り、かつろう付けに関する情報を再び運動手段へ送るようになっていてもよい。本発明に基づき、液状のろう材7のストック量のみを容器6内に収容してあり、該ろう材は溶融状態で、接合部材1,2間の継ぎ目5内に供給される。液状のろう材を容器6内に収容するようになっていることは、図1に容器内の液状のろう材7をハッチングで描いてあることによって示してある。液状のろう材7は、容器から熱源の熱作用領域にできるだけ直接に続いて接合部材1,2の継ぎ目5内へ注ぎ込まれ、若しくは射出されるようになっている。レーザービーム3と容器6若しくは容器の注出部12との間の図1に示した間隔は、概略的に表されたものであり、接合部材1,2上へのレーザービーム3の作用領域と容器6の注出部12の注出開口との間の必ずしも正確な間隔を示してあるものではない。継ぎ目内へのろう付材7の充填若しくは供給は、接合部材がろう付けに必要な温度にされているところで行われる。このために温度測定装置28を設けてあってよく、温度測定装置は、加熱された接合部材の温度測定値をろう付け装置の制御装置20へ送るようになっている。容器6の注出部の注出開口(注出端部)とレーザービーム3との間の間隔は、調節されるように、特に運転中に制御装置20によって調節されるようになっていてよい。
ろう材7は容器6内で液状に保たれている。容器6は加熱手段を有していてよく、加熱手段は図面では符号9で概略的に示してあり、同じく制御装置20によって制御されるようになっている。加熱手段は、容器6内へ液状状態で供給されたろう材を液状に保つように構成されており、若しくは加熱手段は、容器6内へ固体の状態で供給されたろう材を溶融させて液状に保つように構成されていてよい。ろう材を溶融させて液状に保つ例が図面に示してあり、この場合に固体状態のろう材線材8はストック部(巻き線部分)25からろう材線材供給部18によって繰り出されて、容器6内へ送り込まれて、そこで溶融され、溶融状態で液状のろう材ストック7を形成している。ろう材線材供給部は制御装置によって制御されるようになっていてよい。
容器内の液状のろう材ストックから、液状のろう材7は継ぎ目5内に注入されて、そこでろう材充填部を形成し、該ろう材充填部の表面は図2に線7′で示してある。図2にはさらに容器6の注出部2も示してある。(継ぎ目5の配置若しくは形状に応じて複数の注出部2を設け、これによって液状のろう材を継ぎ目内へ最適に注入するようにすることも可能である。)容器6のための加熱手段9は、ろう材を溶融して液状に保つ任意の加熱装置、例えば抵抗式の加熱装置若しくは誘導式の加熱装置であってよい。加熱エネルギーを熱源から導き、つまり加熱手段9を、接合部材の加熱のために用いられる熱源自体によって形成することも可能である。容器6は熱絶縁されていてよく、液状のろう材によって侵食若しくは腐食されない材料から成っており、該材料は従って液状のろう材と結合せず、ろう材の付着は生じないようになっている。容器は例えば耐高熱性の金属若しくはセラミックから成っていてよい。
図1には閉じられた容器を示してあり、該容器からろう材の注出は、注出部2からのろう材の注出の開始のために容器内に圧力を生ぜしめることによって行われてよく、注出の中止は容器内の圧力を減少させ若しくは容器内に負圧を生ぜしめることによって行われる。容器内への圧力の形成は、容器に力を作用させることによって行われてよく、力は容器の壁部分を押し付けるように生ぜしめられる。ろう材は液面高さに応じて(注出開口によって規定されて)一定の量で流出し、継ぎ目の充填量は接合部材と注出部との間の相対速度によって制御される。ろう材の注出量(流出量)は、生ぜしめられる圧力によって調節されてよい。図示の実施例では、閉じられた容器6内の圧力形成若しくは負圧形成、つまり制御は、ろう材線材8を圧力制御手段として用いて行われ、すなわち、ろう材線材8を、制御装置20で制御可能なろう材線材供給部18によって容器内へ所定の速度で送り込むことによって、若しくは停止させ、或いは容器内から所定の速度で部分的に引き戻すことによって行われ、この場合に付加的に送り込まれ若しくは必要に応じて引き戻されるろう材線材の体積に基づき容器6内に発生する圧力変化は、圧力形成若しくは負圧形成を生ぜしめることになる。圧力形成によって、液状のろう材は容器の注出端部の注出開口から送り出される。別の手段を設けることも可能であり、該手段は容器内へ走入可能並びに容器から走出可能なプランジャーから成っていてよく、プランジャーは容器内の圧力の制御のために用いられる。溶融状態の、つまり液状のろう材は圧力の制御によって継ぎ目内へ流れて、継ぎ目を制御装置20の制御パラメータ、例えば送り速度に依存して満たされ、多くのろう材を供給する場合には、接合部材1,2に対する熱源3及び容器6の相対的な送り速度は増大される。
有利には検出装置32を設けてあり、検出装置は接合部材1,2の製作及び曲げ誤差に左右される継ぎ目の大きさを検出して、検出値を制御装置20に送るようになっている。ろう材の供給量若しくは充填量は、前記検出値に依存して、継ぎ目容積の小さい領域ではろう材の供給量を少なくしかつ継ぎ目容積の大きい領域ではろう材の供給量を多くすることによって制御されて、継ぎ目に沿ってできるだけ一様なろう材表面7′を形成するようになっている。検出装置32は、任意の構造で形成され、例えば継ぎ目を光学式に検出する光学装置によって形成されていてよい。凝固したろう材の表面を検出して該検出に基づく検出信号、例えば気孔頻度に関する信号を制御装置20に送る検出装置31を設けることも可能である。制御装置は熱源3を制御するようになっており、このことは制御装置20から熱源3へ延びる制御ラインによって示してあり、さらに制御装置は加熱手段9を介して液状のろう材の温度を制御するようになっていてよい。
熱源の作用領域の前に、若しくはレーザービーム3の前に継ぎ目のための洗浄手段24、例えば機械的なクリーニング装置を設けてあってもよい。熱供給領域自体内では、クリーニング及び脱酸は熱源若しくはレーザービーム3の熱によって行われる。脱酸作用はガス若しくは混合気を、添加された粉末状の脱酸剤と一緒に若しくは脱酸剤なしに供給することによって高められ、このことは粉末状の脱酸剤の添加のための添加源若しくはガス源10によって、かつガス流若しくは脱酸剤の流れを表す矢印Bによって概略的に示してある。ろう材の供給にとって保護ガス若しくは不活性ガスを用いることも可能であり、このことはガス源11及び矢印Cによって概略的に示してある。クリーニングを助成するガス及び保護ガスの供給は、図示の両方のガス源10,11の代わりに唯一のガス源によって行われてもよい。
図3は装置の別の実施例を示しており、同じ符号は同じ構成部材若しくは構成要素を表していて、前述のあらゆる手段は図3に示す実施例にも適切に用いられるものである。図3では閉じられた容器の代わりに、開かれた容器、つまり開放形の容器16を用いてあり、該容器も注出部12を有している。ろう材7は、容器内に液状で受容されていて、加熱手段9によって液状に保たれるようになっている。ここでは液状のろう材の供給若しくは注ぎ出しは、容器を旋回軸14を中心として旋回させることによって行われるようになっており、この場合に旋回は、該旋回軸と相対する側の端部を昇降手段13によって上昇させ若しくは降下させることによって生ぜしめられる。容器からのろう材の注ぎ出し若しくは中止は、ろう材液体の液面高さが容器の注出部12まで到達させられるか、注出部12を下回るようにすること基づき行われる。昇降手段13は、液状のろう材を継ぎ目内に調量して供給するために制御装置20によって制御されるようになっている。
図4、図5及び図6は、種々の接合部材1,2を示しており、接合部材は該接合部材間に継ぎ目を形成している。図には、継ぎ目のろう材充填部の表面7′も示してある。図示の縁を曲げられた接合部材の代わりに、互いに突き合わされた接合部材も本発明の手段に基づきろう付けされ、この場合に接合部材は継ぎ目の形成のための開先を有している。
本発明に基づく方法及び該方法のための本発明に基づく装置は、本発明によって達成される接合部品質に基づき、銀を含有しないろう材若しくはろう付合金の使用を可能にしており、本発明に基づくろう付けによる接合部若しくは継手の品質は、従来の銀含有のろう材によるろう付けに比べて損なわれていない。さらに本発明に基づく方法及び該方法のための本発明に基づく装置は、互いに接合すべき金属部分の表面を溶解する場合にも用いられるものである。
1,2 接合部材、 3 熱源、 5 継ぎ目、 6 容器、 7 ろう材、 7′ ろう材表面、 8 ろう材線材、 9 加熱手段、 12 注出部、 13 昇降手段、 14 旋回軸、 16 容器、 18 ろう材線材供給部、 20 制御装置、 25 ストック、 28 温度測定装置
Claims (25)
- 金属性の接合部材(1,2)を硬ろう付けによって結合する方法であって、この場合に接合部材(1,2)を少なくとも1つの熱源(3,4)によって加熱し、かつ接合部材(1,2)間の継ぎ目(5)内にろう材を充填する形式のものにおいて、ろう材を、溶融状態の所定量のろう材(7)の入っている容器(6;16)から制御装置(20)によって制御して、若しくは調量して継ぎ目(5)内に充填することを特徴とする、ろう付けのための方法。
- 少なくとも1つの熱源(3,4)及び容器(6;16)は継ぎ目に対して制御して運動させられ、特に制御装置(20)によって制御して運動させられ、容器(6;16)は運動方向で熱源の後を移動させられる請求項1に記載の方法。
- 容器から継ぎ目内へのろう材供給は、継ぎ目(5)の検出及び/又はろう材供給の前の温度測定に依存して制御される請求項1又は2に記載の方法。
- 検出は光学式の検出装置、及び/又は音響式の検出装置、磁気式の検出装置、及び/又は機械式の検出装置によって行われる請求項3に記載の方法。
- 継ぎ目内へのろう材充填は、制御装置によって制御され、このために閉じられた容器(6)内に圧力変化を生ぜしめて、若しくは周囲の圧力に比べて高い圧力若しくは低い圧力を形成し、或いは開かれた容器(16)を傾斜させ若しくは旋回させる請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 容器内の圧力形成は、容器内で溶融される固体のろう材(8)の供給によって、若しくはろう材線材の供給によって行われる請求項5に記載の方法。
- 容器は少なくとも1つの注出部(12)を有している請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 少なくとも1つの熱源(3,4)は、レーザービーム発生装置、及び/又はプラズマジェット発生装置、及び/又はアーク放電発生装置、及び/又は火炎発生装置、及び/又は誘導式の加熱装置によって形成されている請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
- 容器内のろう材は、少なくとも1つの熱源から独立した加熱源(9)によって液状に保たれ、若しくは少なくとも1つの熱源によって液状に保たれ、ろう材は、450℃乃至1060℃、若しくは950℃乃至1030℃の範囲で溶融するろう材であり、若しくは銀非含有のろう材である請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 接合部材の脱酸は熱源によって行われ、若しくはガス又は混合気の供給下で、或いは粉末状の脱酸剤(10)の添加されたガス又は混合気の供給下で熱源によって行われる請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 継ぎ目内への液状のろう材の充填は、保護ガス(11)の供給下で行われる請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
- 接合部材(1,2)は自動車のボディ構成部分、若しくは被覆された構成部分、或いは亜鉛めっきされた構成部分である請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。
- 接合部材は突合せで接合され、若しくは片側の縁曲げ部若しくは両側の縁曲げ部(21,22)で互いに接合される請求項1から13のいずれか1項に記載の方法。
- 接合部材(1,2)をろう付けによって結合するための装置であって、少なくとも1つの熱源(3;4)、ろう材供給装置、並びに接合部材(1,2)と熱源及びろう材供給装置との間の相対運動のための装置(27)を備えている形式のものにおいて、ろう材供給装置は、液状の所定量のろう材(7)の受容のための加熱可能な容器(6;16)及び充填手段(12;13.14;18)を有しており、該充填手段を介して液状のろう材(7)は、熱源によって加熱された接合部材間の継ぎ目(5)内に充填されるようになっていることを特徴とする装置。
- 制御装置(20)を設けてあり、該制御装置は熱源及び容器と接合部材との間の相対運動の速度を制御し、及び/又は容器(6;16)から継ぎ目内へ注入されるろう材(7)の量を制御するようになっている請求項14に記載の装置。
- 制御装置は継ぎ目検出装置(32)、及び/又は温度測定装置(28)、及び/又はろう継ぎ手部検出装置(31)に依存して制御されるようになっており、前記検出装置は光学式の検出部を有している請求項15に記載の装置。
- 容器(6)は閉じられた容器であり、容器からのろう材供給は、容器内に圧力を形成するための手段(8,18,20)によって制御されるようになっている請求項14から16のいずれか1項に記載の装置。
- 容器内に圧力を形成するための手段は、容器内に入り込み可能な構成要素を有しており、この場合に前記構成要素は、制御可能な線材供給装置(18)によって容器内へ送り込まれるろう材線材(8)によって形成されている請求項17項に記載の装置。
- 容器(6)は開かれた容器であり、容器からのろう材供給は、容器のための旋回装置(13,14)によって制御されるようになっている請求項16項に記載の装置。
- 容器は少なくとも1つの注出部(12)を有している請求項14から19のいずれか1項に記載の装置。
- 少なくとも1つの熱源は、レーザービーム発生装置、及び/又はプラズマジェット発生装置、及び/又はアーク放電発生装置、及び/又は火炎発生装置、及び/又は誘導式の加熱装置によって形成されている請求項14から20のいずれか1項に記載の装置。
- 容器内のろう材は、少なくとも1つの熱源から独立した加熱源(9)によって溶融されるようになっている請求項14から21のいずれか1項に記載の装置。
- 該装置は継ぎ目のためのクリーニング手段(24)を有している請求項14から22のいずれか1項に記載の装置。
- 該装置はガス供給装置(10)を有しており、該ガス供給装置を介してガスは熱源の作用領域に供給されるようになっている請求項14から23のいずれか1項に記載の装置。
- 該装置は保護ガス供給装置(11)を有しており、該保護ガス供給装置を介してガスはろう材の充填領域に供給されるようになっている請求項14から24のいずれか1項に記載の装置。
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