JP2008506535A - 焼結材料からなる要素をレーザ熔接するための方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

焼結材料をレーザ熔接するための方法が記載されている。レーザ熔接は、熔接材料の付加とともに実行される。熔接材料は、連結される部分1，2の間にある接合領域で、金属ダストの形で熔接ステップと同時に付加される。

Description

本発明は、焼結材料からなる要素をレーザ熔接するための方法に関する。

以前、この分野で開発された技術及びプロセスは、得られた熔接の質の観点からすると全く満足できるものではない。これは、焼結材料が固い（solid）鋼に関して密度の違いを有していることによる。熔接操作の間に、熔融材料は、体積収縮しようとして、残余の孔隙を満たしに行く。熔融された領域を冷却する間に、この現象は、傷と割れ目の形成をもたらし、熔接の健全性を危うくする。さらに、孔隙に含まれていた空気は、前述の傷の形成に寄与する。

この問題を解決しようとして、以前提案された解決策(例えば、特許文献１を参照すること)は、全く満足できるものではなく、どんな場合も、プロセスの複雑さ、及びそれに対する専用のツールの複雑さを要する。

特許文献２は、第一の要素及び第二の要素をレーザ熔接するための方法を開示している。それには、少なくとも前記の第一の要素が焼結材料からなり、レーザ・ビームが熔接領域の近くで合焦されている。前記方法は、固体の挿入の形で、レーザ熔接操作が熔接材料の付加とともに行われることを特徴としている。この解決策は、満足であることを必ずしも立証するものではない。

ドイツ国特許出願DE ４０ １９ ０９８号公報 日本国特許出願平成０８−２９０２９２号公開公報

本発明の目的は、前述の欠点をすべて克服することであり、高品質を持った焼結材料のレーザ熔接の獲得を特に保証することである。

この目的の達成のために、本発明は、第一の要素及び第二の要素をレーザ熔接するための方法に関する。少なくとも前記の第一の要素は焼結材料からなり、レーザ・ビームは熔接領域の近くに合焦され、レーザ熔接操作は熔接材料の付加とともに行われ、熔接材料は、熔接操作に同時に付加されて（adducted）、金属ダストの形をしていることを特徴とする。

本願出願人によって行なわれた研究及び経験（experience）は、本発明の方法が、前述の特徴のおかげで、上記欠点をすべて克服することができることを示している。

レーザ熔接操作の間に、熔接領域にダストの流れを供給することは、ヨーロッパ特許出願EP-A-0 444 550号公報から知られていることは注目されるべきである。しかしながら、この従来の解決策が熔接する固い（solid）金属片のために発明されているものの、本発明は、焼結片の熔接の分野にこの概念の新規の適用することを基本としている。

熔接材料として用いられるダストは、金属ダストの混合物が好適である。その組成は、熔接される焼結材料に従って変わる。

好ましくは、ダストの粒度は、0.010mm乃至0.100mmの範囲である。ダストは、付加ノズルによって熔接領域に付加される。前記ノズルは、レーザ熔接操作の間に必要な覆いガスを付加するために通常用いられるノズルから別個のノズルとすることができる。あるいは、単一のノズルが、熔接ダスト用及び覆いガス用の両方に用いることができる。その選択は、熔接される接合の幾何学的形状に主として依存する。

さらに好ましくは、ダストを付加する角度は、熔接される接合の面に対して15度乃至75度の間である。さらに、特別なタイプの接合については、最適の方法で熔接領域を覆うために、特別に形づくられたレーザ・ビームが用いられる。それは、例えば、断面が長方形又は正方形のものや、二重の合焦ポイントのもの(つまり二重のスポットを備えたもの)である。好ましくは、熔接が行なわれる二つの要素間の接合では、金属ダストを受け入れるための、適切な幾何学的形状を持ったのど状部（throat）が設けられる。

焼結材料の特別の組成については、異なった波長を持ったレーザ・ソース(炭酸ガスレーザ、Nd-YAGレーザ、高出力レーザダイオード)を用いることが可能である。

当然に、本発明は、前述の方法を実施するためのデバイスに関する。

本発明は、さらに、単なる非限定的な実施例として提供されている添付図面を参照して説明される。

添付した図に示される実施例は、自動車のトランスミッション（transmission）の中で用いられる、焼結材料のギア1の場合(図１に単に部分的に示される)を示している。ギア1上に、例えば大規模の（massive）又は固い（solid）鋼で作られたシンクロナイザー（synchroniser）・リング2が、干渉（interference）して取り付けられて、その結果としてレーザ熔接される。参照符号3は、レーザ・ビームLの合焦ヘッドの終端部分を示す。図示した実施例において、合焦ヘッドは、ギア1の軸5と平行な縦軸4に従って指向している。ギアの一端で、ギア1とシンクロナイザー・リング2との間の連結表面に沿って環状の熔接ビードWの実施をもたらす小片に対するレーザ・ビームLの相対的な動きをもたらすように、熔接プロセスの間に、ギア1は、その軸を中心に回転する状態にセットされている(いずれかの既知のタイプの設備による)。

図１及び２の実施態様の場合には、レーザ熔接プロセスの間に通常用いられる覆いガスを付加するためのノズルNが、レーザの合焦ヘッドに隣接して設けられる。

本発明のこの実施態様によれば、ノズルNも、金属ダストの形で熔接材料を付加するために用いられる。必要ならば、ノズルN(図２)から離れている第二のノズルTは、ダストを付加するために設けることができる。この場合、ノズルNはもっぱら覆いガスを供給するために用いられる。

上に示されたように、用いられるダストは、熔接される焼結材料に従って、及び熔接によって必要とされる機械的な性能で、その組成が変わる金属ダストの混合物である。

ダストの粒度は、好ましくは、0.010mm乃至0.100mmの範囲である。

さらに、上に述べたように、ダストを付加するために用いられるノズルは、好ましくは、接合の面(図面に関して水平面)に対して15度乃至75度の間の角度で傾斜している。

上に示したように、本発明に従って提供される熔接材料の組成は、用途に従って変わり、主として熔接される焼結材料の機能（function）として、及び熔接によって必要とされる機械的な性能で変わる。

実施態様と独立して、接合の軸に対するレーザ・ビームLの軸の相対的な位置は、熔接される材料に従って選択されている。また、この点では、ある場合には、熔接される二つの部分のうちの一つにより多くのレーザ・ビームLを合焦することは好ましいであろう。例えば例示された場合を参照すると、レーザ・スポットの直径の３分の１が、焼結材料からなるギア1上に合焦することができ、その３分の２が、固い（solid）鋼リング2上に合焦することができる。

さらに、上に示されたように、レーザ・ビームは、これが最適の方法で熔接領域を覆うのに望ましい場合、特別のやり方で、例えば、断面が長方形又は正方形のような非円形で、又は生成されたスポット・レーザの間で距離が変化する二重焦点の光学系で、形づくることができる。

最後に、方法は、炭酸ガスレーザ、Nd-YAGレーザ、高出力レーザダイオード・ソースを含むあらゆる種類のレーザ・ソースの使用を提供する（provide for）。

当然に、本発明の原理を変更せずに、構造の細部及び実施態様は、それによって本発明の範囲を逸脱すること無く、単なる実施例として本願に記載され且つ図示されたものを幅広く変更することができる。

自動車のトランスミッション用のギアの熔接に適用される、本発明に係る熔接方法の第一の可能な（possible）実施態様を模式的に示す。 図１の矢印IIから図１のデバイスを見たときの図である。

Claims (17)

1. 第一の要素(1)及び第二の要素(2)をレーザ熔接するための方法であって、
   少なくとも前記の第一の要素は、焼結材料であり、熔接領域(W、6)に隣接したレーザ・ビーム(L)を合焦するステップを備え、
   レーザ熔接操作は、熔接材料(7)の付加とともに行われ、
   前記熔接材料は、熔接操作に同時に付加されるとともに、金属ダストの形をしていることを特徴とする方法。
2. 用いられるダストは、金属ダストの混合物であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ダストの粒度は、0.010mm乃至0.100mmの範囲であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. ダストを付加するためのノズル(T)は、覆いガスを付加するためのノズル(N)から分離して設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. ダストは、覆いガスを供給するために用いられるノズル(N)によって付加されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. ダストを付加するための角度は、熔接領域(W)の面に対して15度乃至75度の間であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. レーザ熔接は、第一の及び第二の要素(1、2)の間の接合領域で行われるとともに、ダスト材料を受け入れるための座部又はのど状部が前述の接合領域に設けられることを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 前記座部又はのど状部は、第一の要素(1)に部分的に形成されるとともに、熔接される第二の要素(2)に部分的に形成されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 熔接領域(W)の面に対するレーザ・ビーム(L)の軸の相対的な位置は、前記の第一の及び第二の要素(1、2)を構成する材料に従って選択されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. レーザ・ビーム(L)は、他方よりも第一の及び第二の要素(1、2)のうちの一方により大きな程度で合焦されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. レーザ・ビームは、断面が正方形又は長方形のような非円形形状で形づくられることを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. レーザ・ビームは、生成されたレーザ・スポットの間の距離の変化を備えた二重焦点の光学系によって形づくられることを特徴とする、請求項１記載の方法。
13. 炭酸ガスレーザ、Nd-YAGレーザ、高出力レーザダイオードの中から選択されたレーザ・ソースが用いられることを特徴とする、請求項１記載の方法。
14. 第一の要素(1)及び第二の要素(2)をレーザ熔接するためのデバイスであって、
    少なくとも前記の第一の要素が焼結材料からなるとともに、
    熔接される二つの要素を支持するための手段と、
    熔接領域(W)にあるレーザ・ビーム(L)を合焦するための合焦ヘッドと、
    熔接ビードを形成するために、合焦ヘッド(3)と熔接される要素(1、2)との間での相対的な動きを与えるための手段と、
    熔接を実施する間に金属ダストの流れを熔接領域(W、6)に供給するための手段と、を備えることを特徴とするデバイス。
15. 前記手段は、合焦ヘッドに対して固定された位置に熔接領域の近くに配置されたダストを供給するためのノズル(N、T)を含んでいることを特徴とする、請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記ノズル(T)は、覆いガスを供給するために用いられるノズル(N)に対して別個のノズルであることを特徴とする、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記ノズルは、覆いガスを供給するためにも用いられることを特徴とする、請求項１５に記載のデバイス。
    

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