JP4548109B2 - レーザブレージング加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、母材上の加工点にブレージング用の溶加材（ろう材）を供給しながらレーザ光を照射して、母材とレーザ光を相対移動させながらブレージングを行う加工方法と加工装置に関するものである。

この種のレーザブレージングに関する技術として特許文献１に記載のものが提案されている。この従来の技術では、ワイヤ供給装置から母材上の加工点に対しワイヤ状の溶加材を供給しつつレーザ加工ヘッドから同じく加工点にレーザ光を照射する一方、母材に接触しながら回転するローラを併用し、そのローラの回転をエンコーダにて検出した上で母材とレーザ光の相対移動速度を算出し、この相対移動速度に応じたワイヤの供給量となるようにワイヤ供給装置からのワイヤの送り量を制御するようになっている。

上記特許文献１に記載のような技術を前提として、異材質の母材同士の接合、例えば鋼板とアルミニウム合金板について重ね継手の形態でブレージングを行おうとする場合、いわゆる「ぬれ性」確保のためにブレージング部位に予めフラックスを塗布しておくことが必要となる。

すなわち、予めフラックスを塗布しておくことにより、レーザ光の照射により溶加材であるろう材を溶かす一方で、フラックスを活性化させることにより母材表面の酸化皮膜を除去して、溶加材をぬれ拡がらせるようにして接合を行うことになる。
特許第３５５５６１２号公報（図１，２）

しかしながら、上記のようにフラックスを併用するレーザブレージング加工方法では、次に列挙するような不具合がある。

（ａ）ブレージング前にフラックスを塗布する作業が必要となる一方、ブレージング後に残ったフラックスを除去する作業が必要となり、工数増加が余儀なくされる。

（ｂ）フラックスの除去が十分でなくフラックスが残っていると、母材の腐食の一因となる。

（ｃ）フラックスが活性化する際に一部が気化するため、排気装置を設ける必要がある。

（ｄ）特に重ね継手の形態でのブレージングでは、レーザ加工ヘッド以外に母材相互間の隙間矯正を行う装置および軌跡制御のためのいわゆるシームトラッキング装置が必要となる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特にブレージングの進行に併せて、そのブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落とすことにより「ぬれ性」を確保してフラックスの塗布を不要とし、もって上記のような従来の種々の問題点を一挙に解決することができるレーザブレージング加工方法と加工装置を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、母材上の加工点に溶加材を供給しながらレーザ光を照射して、母材とレーザ光を相対移動させながらブレージングを行う方法であって、重ね継手の形態でブレージングを行うにあたり、下側の母材がめっき鋼板であり、上側の母材の表面と端面とのなすコーナー部に段付き状の回転ピンを押し当てて、下側の母材に対しては回転ピンを常時非接触状態として、母材同士の隙間の矯正と併せてブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落としながらブレージングを行うことを特徴とする。

ブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落とす手段は、請求項２に記載のように、例えば加工点よりもブレージング進行方向前方側の直近位置に配置した回転ピンとし、回転ピンの回転運動をもって表面の酸化皮膜を積極的に削ぎ落とすものとする。

請求項４に記載の発明は、実質的に請求項１に記載の技術を装置として捉えたものであって、母材上の加工点に対し溶加材供給手段にて溶加材を供給しながらレーザ光を照射して、母材とレーザ光を相対移動させながらブレージングを行う装置として、重ね継手の形態でブレージングを行うにあたり、下側の母材がめっき鋼板であり、上側の母材の表面と端面とのなすコーナー部に段付き状の回転ピンを押し当てて、下側の母材に対しては回転ピンが常時非接触状態となっていて、母材同士の隙間の矯正と併せてブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落とす削ぎ落とし手段を備えていることを特徴とする。

したがって、請求項１，４に記載の発明では、重ね継手の形態でブレージングを行うにあたり、ブレージングにあずかる部分の表面の酸化皮膜をブレージングの直前に削ぎ落とすことで「ぬれ性」が改善され、フラックスを併用することなしに所定の接合強度のもとでのブレージングが可能となる。また、回転ピンを下方に押し付けることにより母材相互間の隙間を矯正することができる。更に、下側の母材の表面にはめっき層が残存していので、溶融金属と下側の母材の鋼基地との直接接触が妨げられて、ブレージング接合部には不適とされる脆弱な金属間化合物の生成を未然に防ぐことができる。

請求項１に記載の発明によれば、フラックスの使用が不要となることによって、フラックス塗布作業およびフラックス除去作業を廃止できることから、工数の削減によりコストの低減と併せて生産性の向上が期待できるほか、フラックスの使用に伴う二次的不具合の発生も未然に防止できるようになる。

また、従来は必須とされた排気装置も廃止できるようになり、設備の簡素化も併せて実現できる効果がある。

図１〜３は本発明に係るレーザブレージング加工装置のより具体的な実施の形態を示しており、図１はその概略説明図を、図２は図１の左側面図を、図３，４は図２の要部拡大図をそれぞれ示している。そして、本実施の形態では、異材質の母材同士をブレージングする場合、すなわち例えば亜鉛めっき鋼板である下側の母材Ｗ１とアルミニウム合金である上側の母材Ｗ２とを重ね継手（重ね接合）の形態でブレージングする場合の例を示している。

図１，２に示すように、多関節型の溶接ロボットのロボットアーム１のリスト部２には取付ブラケット３を介してピン駆動装置４が装着されているとともに、このピン駆動装置４にはブラケット５を介してレーザ加工ヘッド６が装着されている。レーザ加工ヘッド６にはレーザ発振器７から出力されたレーザ光が光ファイバーケーブル８を介して導入されて、内部の光学系を経た上でそのレーザ光Ｌは被溶接部材である母材Ｗ１，Ｗ２上の加工点（レーザ光照射位置）Ｐに対して集光・照射される。また、ピン駆動装置４には補助ブラケット９を介してワイヤノズル１０が装着されており、このワイヤノズル１０は加工点Ｐ方向を指向しているとともに、ワイヤノズル１０にはコンジットチューブ１２を介して溶加材供給手段としてのワイヤ供給装置１３から溶加材ワイヤ（ろう材）１４が供給されるようになっている。

ワイヤ供給装置１３は、所定直径の溶加材ワイヤ１４が巻回されたワイヤリール１５と、そのワイヤリール１５から溶加材ワイヤ１４を繰り出しながらワイヤノズル１０側に連続供給するサーボモータ駆動の図示外のワイヤ供給ローラを備えており、例えば母材Ｗ１，Ｗ２を固定側、ピン駆動装置４およびレーザ加工ヘッド６等を可動側とした場合、レーザ加工ヘッド６の移動に基づくブレージング動作の進行に併せて加工点Ｐに溶加材ワイヤ１４が所定速度で連続供給される。これにより母材Ｗ１，Ｗ２同士がブレージングされることになる。

また、ピン駆動装置４にはガスノズル１６が付設されており、このガスノズル１６はガスホース１７を介して図示外のガス供給源に接続されている。そして、ガスノズル１６は加工点Ｐの近傍に向けてシールドガスとして不活性ガスであるところのアルゴン（Ａｒ）ガスを供給することになる。

上記のピン駆動装置４は、図３に示すように先端の小径部１８ａと大径部１８ｂとをもっていわゆる段付きピン形状とした削ぎ落とし手段および回転部材としての直立姿勢の金属製の回転ピン１８を、その軸心を回転中心として図示外の電動モータ等により回転駆動させる機能を有している。より詳しくは、同図から明らかなように、回転ピン１８の段状部である大径部１８ｂの下端面を押し付け力Ｆ１をもって上側の母材Ｗ２の上面に、同じく回転ピン１８の段状部である小径部１８ａの円筒外周面を押し付け力Ｆ２をもって上側の母材Ｗ２の端面にそれぞれ押し当てた上で、その回転ピン１８を上側の母材Ｗ２の端面に沿って移動させることで、上側の母材Ｗ２のうちブレージングにあずかる外隅部の表面の皮膜、すなわち上側の母材Ｗ２のうち回転ピン１８の当接部分の酸化皮膜を積極的に剥離もしくは削ぎ落とす機能を有している。

ここで、回転ピン１８の小径部１８ａの長さＨは上側の母材Ｗ２の板厚よりも予め小さく設定してあり、図３に示すように回転ピン１８の段状部を上側の母材Ｗ２に押し当てたとしても、その回転ピン１８における小径部１８ａの先端面が下側の母材Ｗ１の上面に当たらないように隙間Ｇを設定してある。これは、下側の母材Ｗ１である亜鉛めっき鋼板のめっき層までも剥離してしまわないようにするためである。

また、図３および図４から明らかなように、加工点（レーザ光照射位置）Ｐに向けて溶加材ワイヤ１４を供給することを前提とした場合、回転ピン１８の位置は加工点Ｐよりもブレージング進行方向前方側の直近位置とし、その位置に向けてガスノズル１６からアルゴンガスを吹き付けるものとする。

したがって本実施の形態によれば、図３，４に示すように、互いに重ね合わせた上下の母材Ｗ１，Ｗ２を固定側とするとともに、回転ピン１８を主要素とするピン駆動装置４を母体として集約したレーザ加工ヘッド６やワイヤノズル１０およびガスノズル１６等を可動側として、レーザ光Ｌを照射しながら同部位に対して溶加材ワイヤ１４やアルゴンガスを供給するとともに、回転ピン１８を上側の母材Ｗ２の外隅部に押し付け力Ｆ１，Ｆ２をもって二方向から押し付けながらＭ方向に回転駆動させて、その状態で上記の各要素を図３の紙面と直交方向（図４の進行方向ａ）に相対移動させることにより、上下の母材Ｗ１，Ｗ２同士の段差をもって形成された内隅部に溶融金属がビードＢとして盛られてブレージングが施されることになる。

その際に、ブレージングが施される直前に上側の母材Ｗ２のうちブレージングにあずかる部分、すなわち上側の母材Ｗ２のうちその上面の一部と端面とにおいて表面の酸化被膜が回転ピン１８によって削ぎ落とされて、その瞬間に粗面となった新生面があらわれ、同時にその新生面はアルゴンガスの吹き付けにより再酸化が抑制される。そして、その新生面が次々と加工点Ｐに移動してブレージングに供されることにより「ぬれ性」としては必要十分なものとなり、フラックスの併用の必要なくして、溶加材ワイヤ１４が溶融することでできた溶融金属がぬれ拡がることでビードＢをもってブレージングが施されることになる。つまり、酸化皮膜が削ぎ落とされることで形成されたばかりの新生面を加工点Ｐが追いかけるようにして連続的に移動することでビードＢをもってブレージングが施される。

なお、上側の母材Ｗ２の上面には、回転ピン１８の大径部１８ｂが通過した痕跡としてカッタパスのごとき粗面が残存することになる。

この時、回転ピン１８を押し付け力Ｆ１をもって下方に押し付けることにより母材Ｗ１，Ｗ２相互間の隙間矯正効果が発揮されて、同時に摩擦熱で上側の母材Ｗ２の軟化が促進されるため、小さな加圧力Ｆ１で母材Ｗ１，Ｗ２相互間の隙間を矯正することができるとともに、下側の母材Ｗ１の撓みも同時に抑制することができる。

また、回転ピン１８の先端面は下側の母材Ｗ１に接触することはなく、回転ピン１８が通過した後においても下側の母材Ｗ１の表面には亜鉛めっき層が残存している。そのため、溶融金属と下側の母材の鋼基地との直接接触が妨げられて、ブレージング接合部には不適とされる脆弱な金属間化合物の生成を未然に防ぐことができる。

その上、図３から明らかなように、上側の母材Ｗ２の端面に回転ピン１８側の小径部１８ａが実際に当接する位置と加工点（レーザ光照射位置）Ｐとのなす距離をピンオフセットＳとすると、このピンオフセットＳを上側の母材Ｗ２の端面の精度ばらつきの最大許容幅よりも予め大きく設定してあることにより、回転ピン１８の位置からレーザ光Ｌを照射すべき位置を容易に推定可能であり、したがって上側の母材Ｗ２の端面を検知するためのいわゆるシームトラッキング機構を必要としない。

このようの本実施の形態によれば、異材質の母材Ｗ１，Ｗ２同士のブレージングでありながらも、フラックスを併用することなしに接合強度に優れたブレージングを行うことが可能となる。

本発明に係るブレージング加工装置のより具体的な実施の形態を示す構成説明図。 図１の左側面説明図。 図１，２の要部拡大説明図。 図４の斜視図。

符号の説明

４…ピン駆動装置
６…レーザ加工ヘッド
７…レーザ発振器
１３…ワイヤ供給装置（溶加材供給手段）
１４…溶加材ワイヤ
１６…ガスノズル
１８…回転ピン（削ぎ落とし手段，回転部材）
Ｌ…レーザ光
Ｐ…加工点（レーザ光照射位置）
Ｗ１，Ｗ２…母材

Claims (6)

1. 母材上の加工点に溶加材を供給しながらレーザ光を照射して、母材とレーザ光を相対移動させながらブレージングを行う方法であって、
   重ね継手の形態でブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落としながらブレージングを行うにあたり、
   下側の母材がめっき鋼板であり、
   上側の母材の表面と端面とのなすコーナー部に段付き状の回転ピンを押し当てて、下側の母材に対しては回転ピンを常時非接触状態として、母材同士の隙間の矯正と併せてブレージングにあずかる部分の表面の削ぎ落としを行うことを特徴とするレーザブレージング加工方法。
2. 加工点よりもブレージング進行方向前方側の直近位置に配置した回転ピンによって表面の削ぎ落としを行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザブレージング加工方法。
3. 加工点近傍にシールドガスを供給しながらブレージングを行うことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザブレージング加工方法。
4. 母材上の加工点に対し溶加材供給手段にて溶加材を供給しながらレーザ光を照射して、母材とレーザ光を相対移動させながらブレージングを行う装置であって、
   重ね継手の形態で加工点の近傍にてブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落としブレージングを行う装置として、
   下側の母材がめっき鋼板であり、
   上側の母材の表面と端面とのなすコーナー部に段付き状の回転ピンを押し当てて、下側の母材に対しては回転ピンが常時非接触状態となっていて、母材同士の隙間の矯正と併せてブレージングにあずかる部分の表面を削ぎ落とす削ぎ落とし手段を備えていることを特徴とするレーザブレージング加工装置。
5. 回転ピンを加工点よりもブレージング進行方向前方側の直近位置に配置したことを特徴とする請求項４に記載のレーザブレージング加工装置。
6. 加工点近傍にシールドガスを供給しながらブレージングを行うことを特徴とする請求項４または５に記載のレーザブレージング加工装置。
   

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