JP2014147954A - ろう接装置及びろう接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好にろう接可能なろう接装置及びろう接方法を提供する。
【解決手段】第１被接合部材２１０及び第２被接合部材２２０をろう接するろう接装置１であって、予熱用レーザを照射することで被接合部Ｐを予熱する２つ以上の予熱用レーザ装置と、ろう接方向において予熱用レーザ装置の後方で、予熱された被接合部Ｐに向けてろう材１１０を送出するろう材送出装置と、ろう材送出装置が送り出したろう材１１０に溶融用レーザを照射することで、ろう材１１０を溶融させる溶融用レーザ装置と、を備え、溶融用レーザ装置が溶融用レーザを照射した場合、被接合部Ｐにろう材１１０の影Ｓが形成され、２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザは、影Ｓの前方でオーバーラップする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ろう接装置及びろう接方法に関する。

従来、被接合部材（母材）を溶融させずに、ろう材のみを溶融させて被接合部に流し込み、冷却・固化させて、被接合部材を接合するろう接方法が知られている（特許文献１参照）。

特許第４３０８１２４号公報

ここで、良好にろう接する一方法として、ろう材のぬれ性を高める方法、つまり、被接合部材に対してのろう材の接触角を小さくする方法がある。具体的には、被接合部材の温度が高くなると、被接合部材と溶融したろう材（ろう）との間における固液界面エネルギが低下し、接触角が小さくなり、ぬれ性が高くなる。

ところで、細長のろう材にレーザを照射してろう材を溶融する場合、被接合部にろう材の影、つまり、レーザが照射されない部分（影部分）が形成されてしまう。そして、レーザが照射された部分（照射部分）は昇温するので、影部分の温度は照射部分に対して低くなる。このようにして、被接合部において温度差が形成され、その結果、接触角及びぬれ性に差が形成されるので、溶融したろう材が被接合部に良好に拡がらず、ろう接不良となる虞がある。

そこで、本発明は、良好にろう接可能なろう接装置及びろう接方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、２つの被接合部材をろう接するろう接装置であって、前記２つの被接合部材の被接合部に予熱用レーザを照射することで、前記被接合部を予熱する２つ以上の予熱用レーザ装置と、ろう接方向において前記予熱用レーザ装置の後方で、予熱された前記被接合部に向けてろう材を送出するろう材送出装置と、前記ろう材送出装置が送り出したろう材に溶融用レーザを照射することで、当該ろう材を溶融させる溶融用レーザ装置と、を備え、前記溶融用レーザ装置が溶融用レーザを照射した場合、前記被接合部に前記ろう材の影が形成され、前記２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザは、前記影の前方でオーバーラップすることを特徴とするろう接装置である。

このような構成によれば、２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザが前記影の前方でオーバーラップしているので、つまり、重なっているので、予熱用レーザのオーバーラップした部分の温度は、オーバーラップしていない部分の温度よりも高くなる。そして、予熱用レーザ装置の後方で、ろう材溶融用レーザ装置がろう材送出装置の送り出したろう材に溶融用レーザを照射した場合、被接合部にろう材の影が形成される。この時、影の部分は溶融用レーザによって昇温され難いが、この影の部分は予熱用レーザがオーバーラップすることで、影でない部分に対して既に昇温しているので、影の部分と影でない部分との温度差は小さくなり、ろう接方向と直交する方向（幅方向）において均一な温度となり易い。

このようにして、被接合部の温度が均一となるので、被接合部とろう材とのぬれ性も均一となり易い。したがって、溶融したろう材が被接合部に良好に拡がり易くなり、良好にろう接される。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、２つの被接合部材をろう接するろう接方法であって、２つ以上の予熱用レーザ装置によって、前記２つの被接合部材の被接合部に予熱用レーザを照射することで、前記被接合部を予熱する予熱ステップと、前記予熱ステップで予熱された前記被接合部に向けて送出されたろう材に溶融用レーザを照射することで、当該ろう材を溶融させる溶融ステップと、を含み、前記溶融ステップにおいて、溶融用レーザを照射した場合、前記被接合部に前記ろう材の影が形成され、前記予熱ステップにおいて、前記２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザを、前記影の前方でオーバーラップさせることを特徴とするろう接方法である。

このような構成によれば、予熱ステップにおいて、２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザを、前記影の前方でオーバーラップさせるので、予熱用レーザのオーバーラップした部分の温度は、オーバーラップしていない部分の温度よりも高くなる。
そして、溶融ステップにおいて、ろう材に溶融用レーザを照射した場合、被接合部にろう材の影が形成される。この時、影の部分は溶融用レーザによって昇温され難いが、この影の部分は予熱用レーザがオーバーラップすることで、影でない部分に対して既に昇温しているので、影の部分と影でない部分との温度差は小さくなり、ろう接方向と直交する方向（幅方向）において均一な温度となり易い。

このようにして、被接合部の温度が均一となるので、被接合部とろう材とのぬれ性も均一となり易い。したがって、溶融したろう材が被接合部に良好に拡がり易くなり、良好にろう接される。

本発明によれば、良好にろう接可能なろう接装置及びろう接方法を提供できる。

本実施形態に係るろう接装置の斜視図である。 図１のＸ１−Ｘ１線断面図である。 図１のＸ２−Ｘ２線断面図である。 図１のＸ１−Ｘ１線断面において、予熱用レーザによって昇温した被接合部の温度分布を示すグラフである。 図１のＸ２−Ｘ２線断面において、溶融用レーザによって昇温した被接合部の温度分布を示すグラフである。 予熱用レーザ及び溶融用レーザによる合成温度分布を示すグラフである。

本発明の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

本実施形態に係るろう接装置１は、金属製の第１被接合部材２１０（上板）及び第２被接合部材２２０（上板）の重ね合わせ部（重ね継ぎ手部）である被接合部Ｐをろう接する装置である。第１被接合部材２１０及び第２被接合部材２２０はクランプ等の固定手段（図示しない）によって固定されている。なお、被接合部は、突き合わせ部でもよい。

≪第１被接合部材、第２被接合部材≫
まず、接合対象である、第１被接合部材２１０、第２被接合部材２２０について説明する。
第１被接合部材２１０は、板材がプレス加工することで形成された部品であって、板状の本体２１１と、本体２１１の外縁から本体２１１の厚さ方向（図２の紙面上下方向）に延びる縦壁部２１２と、縦壁部２１２の下端から本体２１１の面方向外側に延びる横壁部２１３（フランジ部）と、を備えている。ここで、縦壁部２１２と横壁部２１３との間に形成される谷線を説明の都合上、基準線Ｑとする。なお、後記するように、基準線Ｑ上に、ろう材１１０の影Ｓが形成される（図３参照）。

第２被接合部材２２０は、例えば四角板状を呈しており、直線状である縁部２２１が横壁部２１３の上に重ねられている。よって、縁部２２１の上角部であるエッジ２２２は直線状であり、エッジ２２２に沿う方向がろう接方向となる。ゆえに、本実施形態において、ろう接方向は直線であり、図１において、紙面左手前側がろう接方向前であり、紙面右奥側がろう接方向後である。そして、エッジ２２２を中心とする所定幅の部分であって、ろう接方向に延びる部分が、被接合部Ｐである。ただし、第２被接合部材２２０の端面が曲線であり、ろう接方向は曲線あってもよい。また、平板同士の重ね合わせ部でもよい。

縁部２２１と縦壁部２１２との間には、適度なクリアランスＣ（例えば、３．５〜５．０ｍｍ、図２参照）が形成されており、縁部２２１と横壁部２１３との隙間（ギャップ）は０．５ｍｍ程度となっている。言い換えると、縁部２２１が縦壁部２１２に近すぎると、縦壁部２１２と横壁部２１３との間に形成されるＲ状の折り曲げ内面によって、縁部２２１（第２被接合部材２２０）が浮き上がり、前記隙間が大きくなり易い。

≪ろう接装置の構成≫
ろう接装置１は、第１予熱用レーザ装置と、第２予熱用レーザ装置と、ろう材送出装置と、溶融用レーザ装置と、を備えている。第１予熱用レーザ装置、第２予熱用レーザ装置、ろう材送出装置及び溶融用レーザ装置は、溶接ロボットのアーム（図示しない）に取り付けられ、各機器の相対位置は所定関係となっている。そして、前記アームが図１の紙面左手前方向に移動することで、ろう接が進行するようになっている。前記アームの前進速度、つまり、ろう接速度は、例えば、３．５ｍ／ｍｉｎである。

＜第１予熱用レーザ装置、第２予熱用レーザ装置＞
第１予熱用レーザ装置、第２予熱用レーザ装置は、被接合部Ｐに予熱用レーザを照射することで、被接合部Ｐを予熱する装置である（図１、図２、図４参照）。

第１予熱用レーザ装置は、第１予熱用レーザＬ１１を照射する第１予熱用ヘッド１１（第１光源）と、第１予熱用レーザＬ１１を発生させる第１予熱用レーザ発生器（図示しない）と、を備えている。第２予熱用レーザ装置は、第２予熱用レーザＬ２１を照射する第２予熱用ヘッド２１（第２光源）と、第２予熱用レーザＬ２１を発生させる第２予熱用レーザ発生器（図示しない）と、を備えている。なお、第１予熱用レーザＬ１１の直径φ１１、第２予熱用レーザＬ２１の直径φ２１は、例えば２〜３ｍｍである。

第１予熱用ヘッド１１及び第２予熱用ヘッド２１は、ろう接方向において、ろう材１１０の溶融位置よりも所定距離Ｄ１前方であって、ろう接方向と直交するＸ１−Ｘ１線断面に配置されると共に、アーム６１によって相互に連結されている。詳細には、第１予熱用ヘッド１１は、第１予熱用レーザＬ１１が主に基準線Ｑから縦壁部２１２の下側面を照射するように配置され、第２予熱用ヘッド２１は、第２予熱用レーザＬ２１が主に基準線Ｑから横壁部２１３の上面及び第２被接合部材２２０の直線状の縁部２２１の上面を照射するように配置されている（図２参照）。

さらに、第１予熱用ヘッド１１及び第２予熱用ヘッド２１は、第１予熱用レーザＬ１１及び第２予熱用レーザＬ２１が基準線Ｑ上でオーバーラップし（重なり）、オーバーラップ部Ｒ（重なり部）が形成されるように配置されている。すなわち、オーバーラップ部Ｒは、ろう接方向において、後記する影Ｓの前方に形成されることになる。なお、オーバーラップ部Ｒは、重複してレーザが照射されているので、他の部分よりも昇温する（図４参照）。つまり、オーバーラップ部Ｒ（第１予熱用ヘッド１１、第２予熱用ヘッド２１の高さ、照射角度等）は、溶融用レーザＬ４１を照射した場合における影Ｓによって相対的に低温となる部分（基準線Ｑ付近部分）を補うように設定される。

オーバーラップ部Ｒは、被接合部Ｐの幅方向において、基準線Ｑを中心としており、オーバーラップ部Ｒの幅方向長さは、影Ｓの幅方向長さよりも大きい（図６参照）。
なお、影Ｓの幅方向長さ（ろう材１１０の太さ）に対応して、基準線Ｑを中心とするオーバーラップ部Ｒの幅方向長さが可変可能であるように、第１予熱用ヘッド１１及び第２予熱用ヘッド２１は、ろう接方向と平行である首振り軸を備える首振り機構（図示しない）によって、Ｘ１−Ｘ１線断面において首振り可能に構成されることが好ましい。

＜ろう材送出装置＞
ろう材送出装置は、ろう接方向において、第１予熱用ヘッド１１及び第２予熱用ヘッド２１の後方で、Ｘ１−Ｘ１線断面よりも後方のＸ２−Ｘ２線断面の予熱された被接合部Ｐに向けてワイヤ状のろう材１１０を送り出す装置である。ろう材１１０の直径φ１１０（図５参照）は、例えば、１．２ｍｍ、１．６ｍｍである。

ろう材送出装置は、その内部をろう材１１０が挿通する円筒状のろう材ガイド３１と、ろう材１１０を送り出す送り出しローラ（図示しない）と、送り出しローラを回転させる送り出しモータ（図示しない）と、を備えている。ろう材１１０の送り出し速度は、例えば、５ｍ／ｍｉｎである。ろう材ガイド３１は、ろう接方向の後側に傾いており、例えば、側面視においてろう材１１０と横壁部２１３とのなす角度は約４５°、ろう接方向視においてろう材１１０と横壁部２１３とのなす角度は約４５°に設定される。

ここで、ろう材１１０の送り出し側先端１１１は、鉛直方向において、上板である第２被接合部材２２０のエッジ２２２の真上に設定され（図３参照）、ろう接中もエッジ２２２に追従するように構成される。これにより、ろう材１１０が溶融して形成されるろうが、エッジ２２２の真上に滴下し、エッジ２２２を中心として幅方向に拡がる。そして、このろうが温度低下し凝固後、エッジ２２２を幅方向において跨ぐビード（例えば幅方向長さ５ｍｍ）が形成され、良好にろう接されるようになっている。

＜溶融用レーザ装置＞
溶融用レーザ装置は、ろう材ガイド３１が送り出したろう材１１０に溶融用レーザＬ４１を照射することで、ろう材１１０を溶融する装置である（図１、図３、図５参照）。なお、ろう材１１０が溶融してなるろうは、その自重によって落下し、被接合部Ｐの主に幅方向に広がった後に凝固し、ビード（図示しない）が形成される。

溶融用レーザ装置は、溶融用レーザＬ４１を照射する溶融用ヘッド４１（第３光源）と、溶融用レーザＬ４１を発生させる溶融用レーザ発生器（図示しない）と、を備えている。溶融用レーザＬ４１の直径φ４１は、例えば２〜３ｍｍである。

溶融用ヘッド４１は、Ｘ１−Ｘ１線断面よりも後方のＸ２−Ｘ２線断面に配置されており、送り出されたろう材１１０及び基準線Ｑに向かって略斜め４５°で溶融用レーザＬ４１を照射するように構成されている（図３参照）。これにより、基準線Ｑ上には、ろう材１１０の影Ｓが形成されるようになっている（図３、図５参照）。なお、溶融用レーザＬ４１は直進性が高いので、影Ｓの幅は、ろう材１１０の直径φ１１０と略等しくなる。

ここで、溶融用レーザＬ４１によっても被接合部Ｐは昇温するから、溶融用レーザＬ４１による昇温に着目すると、溶融用レーザＬ４１が照射されない影Ｓの部分の温度は、溶融用レーザＬ４１が照射される他の部分の温度よりも相対的に低くなる（図５参照）。

≪ろう接装置の動作・効果（ろう接方法）≫
ろう接装置１の動作・効果と共に、ろう接方法を説明する。ろう接方法は、被接合部Ｐを予熱する予熱ステップと、ろう材１１０を溶融させる溶融ステップと、ろうが凝固しビードが形成されるビード形成ステップと、を含んでいる。

＜予熱ステップ＞
第１予熱用ヘッド１１、第２予熱用ヘッド２１によって、第１予熱用レーザＬ１１、第２予熱用レーザＬ２１を被接合部Ｐに照射し、被接合部Ｐを予熱する。このとき、第１予熱用レーザＬ１１、第２予熱用レーザＬ２１が、溶融ステップにおいて影Ｓの形成される基準線Ｑを含む部分でオーバーラップし、オーバーラップ部Ｒが形成される。そして、このオーバーラップ部Ｒは、幅方向において他の部分よりも昇温する（図４参照）。

＜溶融ステップ＞
予熱ステップで予熱された被接合部Ｐに向けてろう材１１０を送出しつつ、送出したろう材１１０に溶融用レーザＬ４１を照射し、ろう材１１０を溶融する。

このとき、基準線Ｑ上にはろう材１１０の影Ｓが形成されるので、影Ｓの部分の昇温程度は、溶融用レーザＬ４１の照射部分よりも小さくなるが（図５参照）、予熱ステップにおいて影Ｓの部分は予め他の部分に対して昇温しているので（図４参照）、被接合部Ｐの温度（合成温度）は幅方向において略均一となる（図６参照）。これにより、被接合部Ｐのぬれ性は幅方向において略均一となる。

一方、溶融用レーザＬ４１が照射することでろう材１１０は溶融してろうとなり、ろうは自重によりエッジ２２２に落下した後、ぬれ性が均一である影Ｓを含む被接合部Ｐの幅方向に沿って拡がる。

＜ビード形成ステップ＞
その後、前記幅方向に拡がったろうが温度低下して凝固し、ビードが形成される。前記ビードは、エッジ２２２を中心として、エッジ２２２を幅方向に跨ぐように形成され、さらに、影Ｓであった部分にも形成される。これにより、第１被接合部材２１０と第２被接合部材２２０とが良好にろう接される。

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、２つの予熱用レーザ装置（第１予熱用レーザ装置、第２予熱用レーザ装置）を備える構成としたが、３つ以上の予熱用レーザ装置を備える構成としてもよい。

１ ろう接装置
１１ 第１予熱用ヘッド（第１予熱用レーザ装置）
２１ 第２予熱用ヘッド（第２予熱用レーザ装置）
３１ ろう材ガイド（ろう材送出装置）
４１ 溶融用ヘッド（溶融用レーザ装置）
１１０ ろう材
２１０ 第１被接合部材
２２０ 第２被接合部材
Ｌ１１ 第１予熱用レーザ
Ｌ２１ 第２予熱用レーザ
Ｌ４１ 溶融用レーザ
Ｐ 被接合部
Ｒ オーバーラップ部
Ｓ 影

Claims (2)

1. ２つの被接合部材をろう接するろう接装置であって、
   前記２つの被接合部材の被接合部に予熱用レーザを照射することで、前記被接合部を予熱する２つ以上の予熱用レーザ装置と、
   ろう接方向において前記予熱用レーザ装置の後方で、予熱された前記被接合部に向けてろう材を送出するろう材送出装置と、
   前記ろう材送出装置が送り出したろう材に溶融用レーザを照射することで、当該ろう材を溶融させる溶融用レーザ装置と、
   を備え、
   前記溶融用レーザ装置が溶融用レーザを照射した場合、前記被接合部に前記ろう材の影が形成され、
   前記２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザは、前記影の前方でオーバーラップする
   ことを特徴とするろう接装置。
2. ２つの被接合部材をろう接するろう接方法であって、
   ２つ以上の予熱用レーザ装置によって、前記２つの被接合部材の被接合部に予熱用レーザを照射することで、前記被接合部を予熱する予熱ステップと、
   前記予熱ステップで予熱された前記被接合部に向けて送出されたろう材に溶融用レーザを照射することで、当該ろう材を溶融させる溶融ステップと、
   を含み、
   前記溶融ステップにおいて、溶融用レーザを照射した場合、前記被接合部に前記ろう材の影が形成され、
   前記予熱ステップにおいて、前記２つ以上の予熱用レーザ装置が照射する予熱用レーザを、前記影の前方でオーバーラップさせる
   ことを特徴とするろう接方法。

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