JP2019535535A - レーザー圧接で加工部品を製造する方法、設備及びレーザー圧接で製造した加工部品 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー圧接で加工部品を製造する方法、設備及びレーザー圧接で製造した加工部品の提供。【解決手段】本発明のレーザー圧接で加工部品を製造する方法、設備及びレーザー圧接で製造した加工部品は、該方法及び設備が第１金属部材と第２金属部材を結合するために用いられ、第１金属部材が第１連接部位とその第１連接表面を備え、第２金属部材が第２連接部位とその第２連接表面を備え、まずレーザーを第１金属部材の第１連接部位に照射して第１連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が第１金属部材の再結晶温度と溶融温度の間であり、レーザーを第２金属部材の第２連接部位に照射し、第２連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が第２金属部材の再結晶温度と溶融温度の間であり、第１金属部材の第１連接表面を第２金属部材の第２連接表面上にしっかりと押圧し、第１金属部材と第２金属部材の第１連接表面、第２連接表面をその再結晶温度より低く冷却させる。【選択図】図４Ａ

Description

本発明はレーザー圧接に関し、特に、第１連接表面を備えた第１金属部材と、第２連接表面を備えた第２金属部材を相互に結合する方法と、該方法の実施に用いる設備、及び該方法により製造した加工部品に関する。

ドイツ特許ＤＥ １０ ２００８ ０１４ ９３４ Ａ１では第１連接表面を備えた第１金属部材と、第２連接表面を備えた第２金属部材を相互に結合する方法が公開されており、この方法では、第１連接表面及び第２連接表面が磁場作用により第１金属部材及び第２金属部材の再結晶温度と溶融温度の間の所定の温度までそれぞれ加熱された後、第１金属部材と第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面がそれぞれ再結晶温度より低く冷却されるまで相互にしっかり押圧される。

ドイツ特許第ＤＥ １０ ２００８ ０１４ ９３４ Ａ１号明細書

本発明の目的は、この既知の方法を改善した、レーザー圧接で加工部品を製造する方法、設備及びレーザー圧接で製造した加工部品を提供することにある。

本発明の一側面に基づき、本発明の第１金属部材と第２金属部材の結合に用いる方法は、第１金属部材が第１連接部位及びその第１連接表面を備え、第２金属部材が第２連接部位及びその第２連接表面を備えており、レーザーを第１金属部材の第１連接部位に照射し、第１連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が第１金属部材の再結晶温度と溶融温度の間である工程と、レーザーを第２金属部材の第２連接部位に照射し、第２連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が第２金属部材の再結晶温度と溶融温度の間である工程と、第１金属部材の第１連接表面を第２金属部材の第２連接表面上に、第１連接表面及び第２連接表面がその再結晶温度より低く冷却されるまで、しっかり押圧する工程を含む。

上述の既知の技術において、第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面が磁場作用により加熱されるとき、磁場の相互の影響により、第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面に使用する材料を互いに無関係に任意に選択することができない。このため、磁場作用により圧接を行うとき、第１金属部材及び第２金属部材は基本的に同じ再結晶温度と溶融温度を有する材料とする必要がある。同様の問題は摩擦加熱による圧接においてはより顕著になる。第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面が相互摩擦によって加熱されるため、第１金属部材及び第２金属部材の温度を相互に任意に調整することができない。上述の２つの方法には連接表面が幾何形状の制限を受けるというもう１つの欠点がある。少なくとも摩擦加熱で溶接を行うとき、連接表面は封鎖されており、かつ可能な限り平面である必要があり、特に不能位於第１金属部材及び第２金属部材の凹溝中に位置してはならず、さもないと第１連接表面及び第２連接表面箇所で第１金属部材及び第２金属部材を加熱することがまったくできなくなる。

本発明の基本理念は、圧接過程でレーザーを使用して加熱することで、従来の圧接方法に代替するものである。これにより、レーザーは１本のペンのように、凹面や部分的に破砕した輪郭に到達できるため、第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面がどのような輪郭であっても加熱が可能である。第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面上のエネルギー入力もレーザーを通じて互いに影響することなくそれぞれ調節できる。このため、この方法は完全に異なる再結晶温度を有する第１金属部材及び第２金属部材、例えば再結晶温度が１５０℃のアルミニウムと再結晶温度が６００℃のニッケルなどを相互に結合することができ、これは従来の圧接方法では実現不可能である。

第１連接部位と第２連接部位の第１連接表面及び第２連接表面を加熱するほか、さらに第１金属部材及び第２金属部材のその他表面を含むこともでき、レーザービームを照射することで第１連接部位と第２連接部位を加熱する。前提条件は、加熱される表面が可能な限り第１連接部位と第２連接部位に近いことであり、それによりその熱エネルギーを加熱される表面上に伝達できるよう確約する。このため、加熱される表面はレーザー照射で直接加熱するか、その相隣する表面へのレーザー照射で間接的に加熱することができる。

原則上、同一のレーザービームを用いて第１金属部材及び第２金属部材の第１連接部位及び第２連接部位を加熱することができる。しかしながら、第１金属部材及び第２金属部材の第１連接表面及び第２連接表面上で冷却により生じるエネルギー損失を可能な限り抑えるために、第１連接部位及び第２連接部位はそれぞれのレーザービームで照射を行うべきである。２つ目のレーザーの使用は、まずそれによって生じる設備コスト高を考慮する必要があるが、２つのレーザービームによる並行作業は、冷却により引き起こされるエネルギー損耗を抑えることができるため、時間の推移に伴い、節約されるエネルギー損耗は相当なものとなる。

本発明の一改善案に基づき、第１連接表面と第２連接表面が対応する第１レーザーと第２レーザーに照射されるとき、第１連接表面と第２連接表面の面法線方向が相対する。このような配置を通じ、第１金属部材及び第２金属部材が再結晶温度を超えるまで加熱された後先に方向転換して相対させる必要がなく、方向転換に必要なアクチュエータを省くことができるだけでなく、方向転換移動で生じる冷却時間が長くなることを回避でき、エネルギーコストを抑制することができる。

本発明の特別な改善案に基づき、第１レーザー及び第２レーザーが対応する第１連接表面及び第２連接表面に照射されるとき、その面法線と一定の角度を成す。該加熱過程において、第１連接表面及び第２連接表面は同軸であり、加熱完了後は該軸上で相対移動させるだけで相互の押圧が実現される。これにより、相互の押圧を実現するために必要な第１金属部材及び第２金属部材の移動経路を短縮し、冷却によって生じるエネルギー損失を最小に抑えることができる。

本発明の別の改善案に基づき、第１レーザー及び第２レーザーを第１金属部材及び第２金属部材の第１連接部位及び第２連接部位に照射して加熱するとき、対応する第１連接部位及び第２連接部位上で１本の曲線経路に沿って移動し、設定されたレーザー強度で対応する第１連接表面及び第２連接表面に照射する。この方法を通じ、対応する第１連接部位及び第２連接部位は１本のペンで色を塗るように、レーザーで圧接に必要な作業温度まで効果的に加熱される。

ここで、レーザーは１回のみに限らず、一定のエネルギー重畳頻度で周期的に曲線に沿って移動する。これによりレーザービームが対応する第１連接部位及び第２連接部位上の局部に停留する時間が長くなりすぎ、対応する第１金属部材及び第２金属部材の局部が受ける熱が過多になって溶融温度以上になり、損壊することを回避する。

上述のエネルギー重畳頻度の選択は、対応する第１連接部位及び第２連接部位の曲線上の任意の加熱点で、レーザー照射期間のエネルギー増加が、レーザーが曲線の残り部分を照射しているときに冷却で生じるエネルギー損失より大きくなるようにする。これにより、エネルギー増加合計値が対応する第１連接部位及び第２連接部位を再結晶温度より高くなるまで加熱するに足るよう保証することができる。

上述の技術的特徴は第１金属部材の第１連接部位に関するものであるが、圧接を行うには第１連接部位の第１連接表面及び第２連接部位の第２連接表面のいずれも再結晶温度を超えるまで加熱する必要があるため、上述の技術的特徴は同様に第２金属部材の第２連接部位にも適用される。第１金属部材及び第２金属部材の材料が異なる場合、技術工程中で、例えばエネルギー重畳頻度及び（または）対応するレーザービームの強度及び（または）その他パラメータなど、異なるパラメータを選択する必要がある。

本発明の別の一側面に基づき、本発明は上述の技術過程の１つを実施するために用いる設備を設計・製造する。該設備は、第１金属部材の挟持に用いる第１チャックと、第２金属部材の挟持に用いる第２チャックと、第１金属部材の第１連接表面と第２金属部材の第２連接表面をレーザーで加熱するレーザー発生器と、第１連接表面及び第２連接表面箇所で加熱される第１金属部材及び第２金属部材を挟持し、第１金属部材及び第２金属部材を第１連接表面及び第２連接表面箇所で相互に押圧させるために用いる加圧設備を含む。

本発明の別の一側面に基づき、本発明は加工部品を提供する。該加工部品が、第１材料で製造され、第１連接表面を備えた第１金属部材と、第１材料と異なる第２材料で製造され、第２連接表面を備えた第２金属部材を含み、そのうち、第１連接表面と第２連接表面が上述の方法の１つを通じて相互連接が実現される。

加工部品はドリルビットとすることができ、そのうち第１金属部材がドリル先端部であり、第２金属部材がドリルビット溝である。ドリルビット溝とドリル先端部は完全に異なる製造技術でそれぞれロット生産してから相互に連接することができるだけでなく、材料の選択においても制限を受けない。例えば、ドリル先端部の製造には非常に硬い焼結材料を選択し、ドリルビット溝には簡単な切削加工に適した材料を選択することができる。

生産ラインの概略図である。 図１に示す生産ライン中のレーザー圧接機を実施例とした旋盤の透視図である。 図２に示すレーザー圧接機の拡大図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機の実施例１の作業の流れを示す概略図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機中のレーザーの第１金属部材上における経路を示す概略図である。 図４Ｂ中の第１金属部材のエネルギーの時間に伴う変化を示すグラフである。 図２と図３に示すレーザー圧接機の実施例２の作業の流れを示す概略図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機の実施例３の作業の流れを示す概略図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機の実施例４の作業の流れを示す概略図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機の実施例５の作業の流れを示す概略図である。 加工部品の第１金属部材の正面図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機で製造した加工部品の側面断面図であり、図中には図７Ａに示す第１金属部材が含まれる。 図７Ｂに示す加工部品の第２金属部材の正面図である。 図２と図３に示すレーザー圧接機での製造に用いることができる別の加工部品の立体図である。

図において、同じ技術部材は一律同じ符号を使用して表示しており、かつ各技術部材について一度説明する。図はいずれも概略図であり、実物部材中の真実の幾何関係を反映していない。

図１に生産ラインの概略図を示す。生産ライン１では工具を用いて部材を加工し、完成品とする。該完成品について以下では詳細に説明しない。

生産ライン１は、部材の格納に用いる部材格納槽２と、工具の格納に用いる工具格納槽３を含む。部材格納槽２と工具格納槽３にはそれぞれロボットアーム４が配備され、それぞれ対応する部材または工具を挟んで準備ステーション５のトレイ６に入れることができる。トレイ格納槽７内には十分な数量のトレイ６が用意される。

部材または工具を入れたトレイ６はコンベアベルト８によりいくつかの旋盤１０で構成される旋盤列９へ搬送される。これらの旋盤１０は共同で１つの生産過程を実行し、この生産過程を通じて上述の作業を完了する。即ち、部材と工具を用いて加工部品を組み立てるが、該加工部品については詳細に説明しない。

旋盤列９中の各旋盤１０は生産過程の１つまたは複数の中間工程を実行する。ロボットアーム４はトレイ６から部材及び（または）工具を掴み、旋盤１０がそれを組立て、これにより対応する中間工程を実行する。中間工程の完了後またはある工具が必要なくなった場合、ロボットアーム４は半成品または完成品、或いは不要になった工具を対応するトレイ６に戻し、続いて次の旋盤１０に送り、次の中間工程を実行するか、部材格納槽２または工具格納槽３に送り返す。２つの用語「加工部品」と「部材」を明確に区分するため、「部材」は旋盤１０に送られて加工される材料と定義し、部材格納槽２からの部材、前の中間工程からのもの、その他旋盤からの半成品とすることもできる。「加工部品」は１つの旋盤１０を経て加工された部材と定義する。このため、１つの旋盤１０を出た加工部品は別の旋盤１０の部材であり得る。

図示していない制御ステーションはロボットアーム４とトレイ６を利用して原料の搬送を調整できる。

図２と図３に図１に示す生産ライン中のレーザー圧接機を実施例とした旋盤１０の透視図を示す。後続の符号１０はレーザー圧接機に付され、加工される部材は金属部材である。

レーザー圧接機１０は座体１３により支持された作業台１２を含む。図２は座体１３のすべてを表示していない。作業台１２上にモーター駆動される万力１４と第１カラム１５ａ、第２カラム１５ｂが支持される。説明の利便性のため、レーザー圧接機１０がＸ方向１６、Ｙ方向１７、Ｚ方向１８を備えた空間内に配置されているものと定義する。

万力１４は、位置が固定された第１アンカー部材１９と、Ｘ方向に沿って一定距離間を隔て、位置が固定された第２アンカー部材２０を含む。これら２つの位置が固定された第１アンカー部材１９及び第２アンカー部材２０の間に４本の送り軸２１が挟まれるが、はっきりと図示するために、図２と図３ではすべての送り軸に対して符号が付されているわけではない。２つの位置が固定された第１アンカー部材１９及び第２アンカー部材２０の間の送り軸上には往復台２２が摺動可能に設置され、往復台２２はモーター２３により駆動され、１つの親ねじ２４により２つの位置が固定された第１アンカー部材１９及び第２アンカー部材２０の間でＸ方向１６上を往復移動する。該親ねじ２４は図示されていない内ねじを通じて位置が固定された第２アンカー部材２０に導入される。万力１４により、上述の部材をＸ方向１６上で相互に押圧することができる。

このほか、第１アンカー部材１９上に、往復台２２側に向けて第１チャック２６を備えた第１支持板２５が設置される。同じ方式で、往復台２２上に、第１アンカー部材１９側に向けて第２チャック２８を備えた第２支持板２７が設置される。第１チャック２６及び第２チャック２８は既知の方式を用いてそれぞれ１つの部材を挟持でき、該２つの部材がモーター２３の駆動下でＸ方向１６に相互に押圧される。

第１カラム１５ａ及び第２カラム１５ｂは第１ガイドレール２９と第２ガイドレール３０に沿ってＸ方向１６上で移動し、Ｙ方向１７に沿って見るとわかるように、第２ガイドレール３０は第１ガイドレール２９の後方に位置する。第１カラム１５ａ及び第２カラム１５ｂはいずれもそれぞれのモーター３１の駆動下で、それぞれの親ねじ３２を利用して、第１ガイドレール２９及び第２ガイドレール３０に沿ってＸ方向１６上でそれぞれ往復移動する。

第１カラム１５ａ及び第２カラム１５ｂはそれぞれ１つのスライドシステム３３を有し、それぞれにＺ方向１８上で移動可能な揺動アーム３４が設置される。各揺動アーム３４は駆動システムによってＺ方向１８上で移動でき、該駆動システムは図２と図３に示されていない。スライドシステム３３の詳細な動作原理は本発明の実施原理と関連性がないため、ここでは説明を省略する。第１カラム１５ａの揺動アーム３４上に第１レーザー設備の第１レーザー発生器３５が設置される（図２と図３に完全には示されていない）。対応して、第２カラム１５ｂの揺動アーム３４上に第２レーザー設備の第２レーザー発生器３６が設置される（図２と図３に完全には示されていない）。揺動アーム３４は第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６をそれぞれ動かし、Ｙ方向１７を揺動軸として揺動する。揺動アーム３４はそれぞれ図２と図３に示されていない駆動システムにより駆動されて揺動する。

以下で第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６について具体的に説明する。分かりやすさのため、図３中の第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６のみ符号を付している。第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６はいずれも、図２と図３中に破線で示すレーザー光ファイバケーブル３７を備え、それにより第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６にレーザー３８を提供する。レーザー３８はコリメーター３９を経由して平行ビームにされ、さらに偏光鏡４０を介してビームガイド装置４１に導入される。該第１レーザー発生器３５のビームガイド装置４１はレーザー３８が発生した第１レーザー４２を出力し、第２レーザー発生器３６のビームガイド装置４１はレーザー３８が発生した第２レーザー４３を出力する。第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６それぞれのビームガイド装置４１により出力される第１レーザー４２及び第２レーザー４３は、調節可能な反射鏡とレンズ（図示しない）によって走査範囲４４中の任意の一点に照準が合わせられる。具体的な動作方法は既知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

第１カラム１５ａのスライドシステム３３と揺動アーム３４により、第１レーザー発生器３５の照準を第２チャック２８にほぼ合わせることができる。第２チャック２８中に挟持された部材は、第１チャック２６側に向けられた一部位を第１レーザー発生器３５が出力する第１レーザー４２によりその再結晶温度を超えるまで加熱させることができる。対応して、第２カラム１５ｂのスライドシステム３３と揺動アーム３４により、第２レーザー発生器３６の照準を第１チャック２６にほぼ合わせることができる。同様に、第１チャック２６中に挟持された部材は、第２チャック２８側に向けられた一部位を第２レーザー発生器３６が出力する第２レーザー４３によりその再結晶温度を超えるまで加熱させることができる。最後に、２つの部材のすでに加熱された部位を万力１４により相互に緊密に押圧し、圧接させることができる。図２と図３では２つの第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６を使用しているが、これは技術コストが特に低い実施態様である。コストを考慮して、第１カラム１５ａと第１レーザー発生器３５を単独で使用することもできる。

レーザー圧接機１０の操作について上述のとおり基本的に説明したが、以下では図４Ａを参照しながらより詳細に説明する。図４Ａは非常に具体的に第１チャック２６中に挟持される第１金属部材４５と、第２チャック２８中に挟持される第２金属部材４６が示されている。図４Ａに示す第１金属部材４５及び第２金属部材４６を連接する圧接方法において、第１レーザー４２及び第２レーザー４３は動作時に相互に交差する。つまり、第１レーザー４２が第２金属部材４６を加熱し、同時に第２レーザー４３が第１金属部材４５を加熱する。第１金属部材４５は第１連接部位４７’とその第１連接表面４７を備え、第２金属部材４６は第２連接部位４８’とその第２連接表面４８を備えている。図４Ａにおいて、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８は直接加熱され、圧力によって結合される。

第１連接表面４７及び第２連接表面４８を加熱するために、まず第１レーザー発生器３５と第２レーザー発生器３６の照準をそれぞれ対応して第２金属部材４６と第１金属部材４５に合わせる。照準を合わせる目的は、第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６それぞれの走査範囲４４が互いに重ならず、かつ第２金属部材４６及び第１金属部材４５の照射されるべきでない部位に照射しないようにして、第１金属部材４５、第２金属部材４６がそれぞれ相手に向けて照射する第１レーザー４２及び第２レーザー４３を遮らないようにすることにある。図４Ａに破線で示す部分とアポストロフィーが付された符号は、第１レーザー発生器３５’及び第２レーザー発生器３６’がある１つの位置を示しており、該位置上で、第１金属部材４５及び第２金属部材４６が第１レーザー発生器３５’及び第２レーザー発生器３６’の第１レーザー４２’及び第２レーザー４３’の走査範囲４４の一部を相互に遮る。

第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６の位置決めを完了した後、照射過程が開始される。このとき、第１金属部材４５及び第２金属部材４６に照準を合わせた第２レーザー発生器３６及び第１レーザー発生器３５が対応する第２レーザー４３及び第１レーザー４２を交差させて第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８に照射し、これにより第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８をその再結晶温度以上まで加熱する。再結晶温度は材料自体によって決まる。例えば、合金の成分と構造の違いに基づき、鋼鉄の再結晶温度は約６００℃〜７００℃である。加熱は第１金属部材４５及び第２金属部材４６それぞれの溶融温度を超過してはならず、さもないと、第１金属部材４５及び第２金属部材４６が局部的に損壊し、圧接過程に影響する可能性がある。

第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８の平面を均一に加熱するために、第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６は第１レーザー４２及び第２レーザー４３を走査範囲４４内で動かし、第１連接表面４７及び第２連接表面４８上で曲線移動させる。つまり、第１レーザー４２及び第２レーザー４３はそれぞれ第１連接表面４７及び第２連接表面４８に対して相対移動される。この相対移動を実現するために、第１金属部材４５及び第２金属部材４６を移動してもよく、図４Ａに示すように、第１金属部材４５及び第２金属部材４６は回転軸６３の周りを旋回運動６２する。第１金属部材４５及び第２金属部材４６のこの運動を実現するために、図２と図３におけるレーザー圧接機１０の万力１４を対応して調整する。

図４Ｂに螺旋曲線４９を上述の曲線運動の経路とした一例を示す。該螺旋曲線４９は第２レーザー４３により第１金属部材４５の第１連接表面４７上を走査または描画して形成される。第１連接表面４７上に照射される第２レーザー４３は第１連接表面４７を逐点加熱する。第２レーザー発生器３６により動かされる第２レーザー４３の移動は、逐点加熱を螺旋曲線４９に沿って行う。

以下で第１連接表面４７上のある加熱点５０が加熱される状況を具体的に分析する。第２レーザー４３の該加熱点５０に対する加熱は二段階に分けることができ、以下では図４Ｃを参照しながら説明する。図４Ｃに加熱点５０の熱エネルギー５１の時間５２に伴う変化図を示す。加熱点５０との関連性を示すために、図では符号５０’を用いる。

第２レーザー４３を第１連接表面４７上の加熱点５０に照射すると、加熱段階５３にある第１連接表面４７上の加熱点５０が熱エネルギー５１の熱増加５４（エネルギー増加５４と呼んでもよい）を通じて加熱される。図４Ｃには３つの加熱段階５３が示されている。つまり、第２レーザー４３は該加熱点５０を３回照射し、即ち、螺旋曲線４９に沿って３回走査を行う。熱エネルギー５１の熱増加５４は図４Ｃにおいて第１の加熱段階５３にのみ符号が付されている。第２レーザー４３が螺旋曲線４９上の加熱点５０以外のその他点を照射すると、加熱点５０が冷却段階５５となり、冷却が開始される。これにより加熱点５０上の熱エネルギー５１に熱損失５６（エネルギー損失５６と呼んでもよい）が引き起こされる。加熱点５０を効果的に加熱するために、第２レーザー４３が螺旋曲線４９に沿って完全な走査を１回行ったとき、熱エネルギー５１の熱増加５４と熱エネルギー５１の熱損失５６の間のエネルギー差値５７が正の値となる必要がある。これによってのみ第１連接表面４７全体上で効果的な加熱５８を達成することができ、この効果的な加熱５８は図４Ｃにおいて太い破線矢印で示されている。

１つの加熱段階５３と１つの冷却段階５５の合計持続時間は、以下でエネルギー重畳持続時間５９と呼ぶ。エネルギー重畳持続時間５９の逆数（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）をエネルギー重畳頻度（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と呼び、これは第２レーザー４３が螺旋曲線４９に沿って移動する速度を表す。すべての加熱段階５３とすべての冷却段階５５の合計持続時間を以下で加熱時間６０と呼ぶ。

第１連接表面４７上の螺旋曲線４９上のすべての点が第１金属部材４５の再結晶温度超えを達成できる熱エネルギー５１を具備するとき、加熱時間６０が足りていることになる。第２連接表面４８の加温または加熱方法は第１連接表面４７と同じである。

第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８が再結晶温度を超えるまで加熱されたとき、第１金属部材４５及び第２金属部材４６が万力１４により相互に押圧され、第１金属部材４５及び第２金属部材４６が再結晶温度を下回るまで冷却された後、図４A’に示すように、このとき第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接部位４７’及び第２連接部位４８’にバリ６１が形成されることがあり、これは例えば切削加工で除去することができる。

第１金属部材４５及び第２金属部材４６が相互に機械連結された後、万力１４上から取り外し、続いて加工することができ、例えば生産ライン１中に送り、さらに加工することができる。

図５Ａに第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接表面４７及び第２連接表面４８に対して加熱を行う別の実施方法を示す。分かりやすさのため、図５Ａではすべての要素に符号が付されているわけではなく、図５Ａの実施例では、第１レーザー発生器３５及び第２レーザー発生器３６のうちのいずれかを省くことができ、図では括弧６４で第１レーザー発生器３５を示している。

まず第１レーザー発生器３５が第１金属部材４５を加熱し、第２レーザー発生器３６が第２金属部材４６を加熱する作業方法について説明する。

図５Ａの実施例において、第１レーザー４２と第２レーザー４３は第１連接表面４７及び第２連接表面４８に直接照射されず、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の側面表面を通じて間接的に第１連接部位４７’と第２連接部位４８’に照射される。回転軸６３から分かるように、第１レーザー４２及び第２レーザー４３はそれぞれ径方向内側に向かって第１金属部材４５と第２金属部材４６の側面表面の対応する部分に照準を合わせる。図４Ａと異なり、第１レーザー４２及び第２レーザー４３が交差して第１金属部材４５及び第２金属部材４６に照射されるのではない。

このため、図５Ａにおいて、第１連接表面４７及び第２連接表面４８は直接第１レーザー４２及び第２レーザー４３の照射を通じて加熱されるのではない。より明確には、第１レーザー４２が第１金属部材４５の第１連接部位４７’の側面表面に照射されることにより、間接的に第１連接表面４７が再結晶温度を超えるまで加熱される。同じ方法で、第２レーザー４３が間接的に照射され、第２連接表面４８が再結晶温度を超えるまで加熱される。図５Ａに示すように、該作業過程の終了は図４Ａに示すものと同じ方法を用いることができる。

括弧６４を付した第１レーザー発生器３５の使用を省くために、第２レーザー発生器３６は第１連接部位４７’と第２連接部位４８’の間に配置でき、第２レーザー４３はその間で往復揺動できる。該揺動モードは図５Ａで破線を用いて示されており、即ち、第１連接部位 ４７’に照準を合わせた第２レーザー４３である。

図５Ｂに示すように、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の回転軸６３が一直線上になくても、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接部位４７’及び第２連接部位４８’を加熱させることができる。第１金属部材４５及び第２金属部材４６の相互押圧過程を完了するためには、一本の共同の線上で位置を合わせて押圧する必要があり、この操作は簡単に万力１４を使用して実現することはできない。つまり、アクチュエータを選択する必要があり、それにより相互押圧の前に、第１金属部材４５及び第２金属部材４６を１本の軸線上に配置することができる。該アクチュエータは図５Ｂにおいて符号１４’が付されている。図５Ｂに示すように、該作業過程の終了は図４Ａに示すものと同じ方法を用いることができる。

図６Ａと図６Ｂに、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の第１連接部位４７’及び第２連接部位４８’を加熱する別の実施例を示す。第１金属部材４５及び第２金属部材４６はそれぞれの回転軸６３が互いに角度を成している。この実施例において、第１金属部材４５及び第２金属部材４６の相互押圧を実現するためには、同様に先にそれらを１本の軸線上に配置する必要がある。図５Ａで言及した第２金属部材４６の移動に用いるアクチュエータ１４’のほか、さらに第１金属部材４５の移動に用いるドライバ１４”を追加すると、効率が向上される。図６Ａと図６Ｂに示すように、該作業過程の終了は図４Ａに示すものと同じ方法を用いることができる。

以下で図７Ａから図７Ｃまでを参照しながら、レーザー圧接機１０の利点をより詳細に説明する。図には２つの仮想第１金属部材４５及び第２金属部材４６が示されており、これらは前述の方法で圧接し、問題なく相互に連結させることができる。一般的な圧接方法を用いてこの第１金属部材４５及び第２金属部材４６を連結することはできない。

第１金属部材４５の正面には凹陥溝６５が設けられ、凹陥溝底面６６上に４つの凸部６７が配置されている。第１金属部材４５の第１連接表面４７はこれら４つの凸部６７上に分布されている。該４つの凸部６７は径方向の外側が第１金属部材４５の側壁６８に囲まれている。

第２金属部材４６の正面に凸部６９が設けられ、その上端６６’上に同様に４つの凸部６７’が配置されている。第２金属部材４６の第２連接表面４８はこれら４つの凸部６７’上に分布されている。第１金属部材４５の凸部６７と第２金属部材４６の凸部６７’は一定の分布を成し、凸部６９が軸方向に沿って凹陥溝６５に挿入されたとき、第１金属部材４５の凸部６７と第２金属部材４６の凸部６７’の位置が相互に合わせられ、相互の緊密な押圧が実現される。

電磁場作用を利用した圧接技術では、側壁６８が電磁場に対するシールド作用を発揮し、凹陥溝６５中の第１連接表面４７を加熱することができない。摩擦熱を利用して操作する圧接技術は、構造の制限を受けるため、第１連接表面４７及び第２連接表面４８を加熱することができない。

一方、第１レーザー４２及び第２レーザー４３を利用して行う加熱にはそういった問題がなく、これは凹陥溝６５内に照射させることができるだけでなく、さらに１つの連接表面をそれぞれ加熱することができるためである。上述のレーザー照射を利用して第１連接表面４７及び第２連接表面４８を加熱する方法は、圧接する第１金属部材４５及び第２金属部材４６の構造と材料に対していかなる制限もない。

上述の第１レーザー４２及び第２レーザー４３を利用して第１連接表面４７及び第２連接表面４８を加熱する圧接方法は、多くの応用分野に用いることができ、例えば図８にレーザー圧接で製造した加工部品（ドリルビット７０）の原理を示す立体図を示す。

ドリルビット７０は、第１金属部材４５とするドリル先端部と、第２金属部材４６とするドリルビット溝を含む。ドリル先端部４５とドリルビット溝４６は原則的に異なる外観形状の要求を有するため、通常用いられる材料も異なる。

この状況に、第１レーザー４２及び第２レーザー４３を利用して第１連接表面４７及び第２連接表面４８を加熱する上述の圧接方法が非常に適している。第１レーザー４２及び第２レーザー４３は互いに影響せず、第１連接表面４７及び第２連接表面４８の加熱過程も相互に独立しているため、２つの完全に異なる再結晶温度を有する材料の相互連結を実現することができる。例えば、ドリル先端部４５は焼結硬質材料で製造し、ドリルビット溝４６は軟鋼で製造することができる。このような連結は従来の圧接方法を用いて実現することはできない。

上述の実施例の説明を総合すると、本発明の操作、使用及び本発明の効果について充分に理解することができる。以上の実施例は、本発明の最良の実施例に基づくものであり、これらを以って本発明の実施の範囲を限定することはできず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいた同等効果の簡単な変化や修飾はすべて本発明の範囲内に含まれる。

１ 生産ライン
２ 部材格納槽
３ 工具格納槽
４ ロボットアーム
５ 準備ステーション
６ トレイ
７ トレイ格納槽
８ コンベアベルト
９ 旋盤列
１０ 旋盤(レーザー圧接機、レーザー圧接で加工部品を製造する設備)
１２ 作業台
１３ 座体
１４ 万力(加圧設備)
１４’ アクチュエータ
１４” ドライバ
１５ａ 第１カラム
１５ｂ 第２カラム
１６ Ｘ方向
１７ Ｙ方向
１８ Ｚ方向
１９ 第１アンカー部材
２０ 第２アンカー部材
２１ 送り軸
２２ 往復台
２３ モーター
２４ 親ねじ
２５ 第１支持板
２６ 第１チャック
２７ 第２支持板
２８ 第２チャック
２９ 第１ガイドレール
３０ 第２ガイドレール
３１ モーター
３２ 親ねじ
３３ スライドシステム
３４ 揺動アーム
３５、３５’ 第１レーザー発生器
３６、３６’ 第２レーザー発生器
３７ レーザー光ファイバケーブル
３８ レーザー
３９ コリメーター
４０ 偏光鏡
４１ ビームガイド装置
４２、４２’ 第１レーザー
４３、４３’ 第２レーザー
４４ 走査範囲
４５ 第１金属部材(ドリル先端部)
４６ 第２金属部材(ドリルビット溝)
４７ 第１連接表面
４７’ 第１連接部位
４８ 第２連接表面
４８’ 第２連接部位
４９ 螺旋曲線
５０ 加熱点
５０’ 加熱点５０の熱エネルギー５１対時間５２の関係
５１ 熱エネルギー
５２ 時間
５３ 加熱段階
５４ 熱増加(エネルギー増加)
５５ 冷却段階
５６ 熱損失(エネルギー損失)
５７ エネルギー差値
５８ 効果的な加熱
５９ エネルギー重畳持続時間
６０ 加熱時間
６１ バリ
６２ 旋回運動
６３ 回転軸
６４ 括弧
６５ 凹陥溝
６６ 凹陥溝底面
６７ 凸部
６７’ 凸部
６８ 側壁
６９ 凸部
６６’ 上端
７０ ドリルビット（加工部品）

Claims (10)

1. レーザー圧接で加工部品を製造する方法であって、第１金属部材と第２金属部材を相互に結合するために用いられ、そのうち、該第１金属部材が第１連接部位及びその第１連接表面を備え、該第２金属部材が第２連接部位及びその第２連接表面を備え、該方法が、
   レーザーを該第１金属部材の該第１連接部位に照射して該第１連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が該第１金属部材の再結晶温度と溶融温度の間である工程と、レーザーを該第２金属部材の該第２連接部位に照射して、該第２連接表面を所定の温度まで加熱し、該温度が第２金属部材の再結晶温度と溶融温度の間である工程と、該第１金属部材の該第１連接表面を該第２金属部材の該第２連接表面上に緊密に押圧し、該第１金属部材と該第２金属部材の該第１連接表面及び該第２連接表面をその再結晶温度より低く冷却させる工程と、を含むことを特徴とする、レーザー圧接で加工部品を製造する方法。
2. 前記第１レーザーと該第２レーザーをそれぞれ用いて対応する該第１連接部位と該第２連接部位に同時に照射することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
3. 前記第１連接部位と該第２連接部位が対応する該第１レーザーと該第２レーザーに照射されるとき、該第１連接表面及び該第２連接表面の面法線方向が相対することを特徴とする、請求項２に記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
4. 相対する該第１連接表面及び該第２連接表面が軸線を共有し、かつ該第１レーザー及び該第２レーザーが該第１連接表面及び該第２連接表面を照射するとき、その面法線と一定角度を成すことを特徴とする、請求項３に記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
5. 前記第１連接部位の加熱に用いる該第１レーザーが、螺旋曲線に沿って該第１連接部位上で移動し、設定されたレーザー強度で該第１連接部位を走査することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
6. 前記第１レーザーが一定のエネルギー重畳頻度で周期的に該螺旋曲線に沿って移動することを特徴とする、請求項５に記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
7. 前記第１連接部位上の該螺旋曲線の各加熱点が該第１レーザーに照射されるときの加熱段階の熱増加が、該第１レーザーによって該螺旋曲線上の残りの部分が照射されるときの冷却段階の熱損失より大きくなるように、一定のエネルギー重畳頻度を選択することを特徴とする、請求項６に記載のレーザー圧接で加工部品を製造する方法。
8. レーザー圧接で加工部品を製造する設備であって、
   第１金属部材を挟持するために用いる第１チャックと、
   第２金属部材を挟持するために用いる第２チャックと、
   第１レーザー及び第２レーザーを用いて対応する該第１金属部材の第１連接表面と該第２金属部材の第２連接表面を加熱する第１レーザー発生器及び第２レーザー発生器と、
   該第１連接表面がすでに加熱された該第１金属部材と、該第２連接表面がすでに加熱された該第２金属部材を挟持し、該第１金属部材及び該第２金属部材を該第１連接表面及び該第２連接表面箇所で相互に緊密に押圧させる加圧設備と、
   を含むことを特徴とする、レーザー圧接で加工部品を製造する設備。
9. レーザー圧接で製造した加工部品であって、
   第１材料で製造され、第１連接表面を備えた第１金属部材と、
   該第１材料と異なる第２材料で製造され、第２連接表面を備えた第２金属部材と、
   を含み、そのうち、該第１金属部材及び該第２金属部材が、該第１連接表面及び該第２連接表面箇所で、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法により、相互に緊密に押圧される、ことを特徴とする、レーザー圧接で製造した加工部品。
10. 前記第１金属部材がドリル先端部であり、該第２金属部材がドリルビット溝であることを特徴とする、請求項９に記載のレーザー圧接で製造した加工部品。

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