JP4552647B2 - レーザブレージング加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、重ね合わせた二枚の母材のうち一方の母材と他方の母材の端部とのなす内隅部を加工点として、この加工点に例えばワイヤ状の溶加材を供給しながらレーザ光を照射してブレージングビードを形成し、もって母材同士を重ね継手の形態で接合するようにしたレーザブレージング加工装置に関するものである。

自動車の車体構造として、オール鋼板製の車体に代わり、軽量化の観点から車体構成要素である一部のパネルをアルミニウム合金等の非鉄金属パネルに置換することが試みられている。

このような車体構造では、例えば亜鉛めっき鋼板製のパネルと非鉄金属材料であるアルミニウム合金製のパネルとの組み合わせのようにいわゆる異種金属材料同士の接合となるため、特許文献１，２に記載のように、多くの場合にすみ肉溶接と同等の手法により重ね継手の形態でレーザブレージング（ろう付け）加工をもって接合することが行われる。
特許第３５５５６１２号公報（図１，２） 特開２００３−２０５３８２号公報（図１）

上記のような従来の技術では、レーザブレージング工法そのものが母材上の加工点にワイヤ状の溶加材を供給する一方で、同時にレーザ加工ヘッドからレーザ光を照射するものであるのに加えて、実際には母材同士の隙間を加圧矯正する隙間矯正機構や、加工点となるべきパネル重合部の内隅部とレーザ光の照射位置とを合致させるいわゆるトラッキング機構等を付帯させる必要があり、レーザ加工ヘッド周りの構造が複雑且つ錯綜化することとなって好ましくない。

特に隙間矯正機構とトラッキング機構とでは位置規制する方向が互いに異なる（隙間矯正機構による矯正方向が母材同士の重合方向であるのに対して、トラッキング機構による位置規制方向は母材の面に沿った方法となる）ことから、両機構を両立させることが困難となって例えば自動化された量産設備として成立しない可能性があるばかりでなく、場合によってはいずれか一方の機構を犠牲にせざるを得なくなることがある。

また、ブレージングに先立って、接合面のいわゆるぬれ性確保のために母材に予めフラックスを塗布しておく必要があることから、工程数の増加に加えて事前塗布のためにフラックスの塗布面積も大きくならざるを得ず、コストアップを招くおそれがあった。

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、とりわけレーザ加工ヘッド周りの構造のコンパクト化と簡素化を図り、レーザブレージング加工設備として効率良くレーザブレージング加工を行えるようにしたレーザブレージング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、重ね合わせた二枚の母材のうち一方の母材と他方の母材の端部とのなす内隅部を加工点として、この加工点に溶加材を供給しながらレーザ加工ヘッドからレーザ光を照射してブレージングビードを形成し、もって母材同士を重ね継手の形態で接合するようにしたレーザブレージング加工装置であることを前提とする。

その上で、上記加工点よりも接合進行方向前方側において接合線を挟んでその両側の母材にまたがるガイド部材をレーザ加工ヘッドに設け、このガイド部材が加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねているとともに、上記ガイド部材には、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部とともに、加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口を上記ガイドスロット部に臨むように開口形成してあり、上記ガイドスロット部にてフランジ部を受容することで、ガイド部材をそのフランジ部に倣わせるようにしてレーザ加工ヘッドとともに移動させながら、当該ガイド部材をもって加工点での母材同士の隙間を加圧矯正する一方、上記フラックスノズルを兼ねているガイド部材をもって加工点となるべき内隅部にフラックスを塗布するようにしたことを特徴とする。

レーザ加工ヘッドそのものは、例えば多関節型等のロボットのロボットアームに持たせておき、ロボットの自律動作により所定の移動軌跡に沿って移動させるものとする。

上記ガイド部材は、例えば請求項２に記載のように、その一端面を加圧面とするピン状のものであるものとする。

あるいは、請求項３に記載のように、上記ガイド部材は、その一端面を加圧面とする加圧ピンと回転可能なガイドローラとを所定距離隔てて並設することにより形成されていて、それらの加圧ピンとガイドローラとのなす間隙が、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部となっているとともに、ガイドローラには加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口が上記ガイドスロット部に臨むように開口形成されていることにより、上記ガイド部材が加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねていても良い。

同様に、請求項４に記載のように、上記ガイド部材は、その円筒外周面を加圧面とするローラ状のものとして形成されているとともに、加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねていて、そのガイド部材の円筒外周面には、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部を形成してあるとともに、加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口が上記ガイドスロット部に臨むように開口形成されていても良い。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、レーザ加工ヘッドに付帯させたガイド部材を他方の母材の端部に倣わせるようにしてレーザ加工ヘッドとともに移動させることで、加工点となるべき母材同士の内隅部とレーザ光とが常に一致するようになり、いわゆるトラッキング機構としての機能を発揮することになる。

しかも、ガイド部材は他方の母材の端部に倣うようにして移動しながらも、同時に母材同士を重合方向に加圧して加工点での母材同士の隙間を加圧矯正して、先に述べたトラッキング機構としての機能を発揮することになる。

このように、ガイド部材が実質的に隙間矯正機構としての機能とトラッキング機構としての機能を併せ持つことにより、両機構を併存させる必要がなくなり、レーザ加工ヘッド周りの簡素化が図れるようになる。

請求項１に記載の発明によれば、ガイド部材が、加工点となるべき母材同士の内隅部とレーザ光とを常に一致させる機能と、母材同士の隙間矯正機能とを発揮することから、従来のように独立した双方の機構を併存させる必要がなくなって、レーザ加工ヘッド周りの構造のコンパクト化と簡素化が図れるほか、レーザブレージング加工設備として効率良くレーザブレージング加工を行えるようになる。

図１〜４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す図であり、特に図１，２はその全体の概略説明図であって、図２は図１の左側面図を、図３，４は図１，２の要部の詳細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接合する場合、すなわち例えば亜鉛めっき鋼板である下側のパネルＷ１と非鉄金属材料であるアルミニウム合金板製の上側のパネルＷ２とをそれぞれ母材として重ね継手の形態でブレージング接合する場合の例を示している。

その上で、後述するように、上側のパネルＷ２の端部にはフランジ部Ｆが予め直立姿勢にて曲折成形されている（図４参照）ことから、そのフランジ部Ｆと下側のパネルＷ１とのなす内隅部Ｒを加工点Ｐとしてブレージングを施すことになる。なお、フランジ部Ｆの角度はパネルＷ２に対して垂直にするのが好ましいが、パネルＷ２に対して一定角度を保てれば所定角度傾斜していてもかまわない。

図１，２に示すように、多関節型の産業用ロボット（以下、単に「ロボット」と言う）のロボットアーム１のリスト部１ａには取付ブラケット３を介してレーザ加工ヘッド４が装着されている。レーザ加工ヘッド４にはレーザ発振器５にて励起増幅されたレーザ光Ｌが光ファイバーケーブル６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パネル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。

レーザ加工ヘッド４にはブラケット７を介してガイド部材２としての円柱状の加圧ピン８が装着されている。この加圧ピン８は加工点Ｐよりもわずかに接合進行方向前方側に位置し、且つ平面視にて接合線（フランジ部Ｆ）を挟んでその両側のパネルＷ１，Ｗ２にまたがるように設定されている（図３参照）。そして、パネルＷ１，Ｗ２をその重合方向に加圧して加工点Ｐにおける両者の隙間Ｇを矯正する役目をするもので、加圧ピン８は後述するようにロボットの自律動作によりレーザ加工ヘッド４とともに移動することになる。つまり、加圧ピン８にて加圧矯正した部位を追いかけるようにしてレーザ光Ｌが照射されて、順次レーザブレージング加工が施されることになる。

また、レーザ加工ヘッド４が装着された取付ブラケット３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１１を介して溶加材供給手段としてのワイヤ供給装置１２から溶加材ワイヤ（ろう材）１３が供給されるようになっている。なお、ワイヤ供給装置１２は、周知のように所定直径の溶加材ワイヤ１３が巻回されたワイヤリール１４から溶加材ワイヤ１３を繰り出しながらワイヤノズル１０側に連続供給する機能を有している。

そして、パネルＷ１，Ｗ２を固定側、レーザ加工ヘッド４や加圧ピン８およびワイヤノズル１０等を可動側とした場合、レーザ加工ヘッド４等の移動に基づくレーザブレージングの進行に併せて加工点Ｐに溶加材ワイヤ１３が所定速度で連続供給される。これによりパネルＷ１，Ｗ２同士がブレージングされることになる。

ここで、上記加圧ピン８は、図３，４に示すように、パネルＷ１，Ｗ２同士をその重合方向に加圧矯正する機能を有しているだけでなく、加工点ＰとなるパネルＷ１，Ｗ２同士の内隅部Ｒとレーザ光照射位置Ｐとを合致させるための位置規制ピンを兼ねているとともに、レーザ光照射によるブレージングに先立って上記内隅部Ｒにいわゆる接合面のぬれ性確保のためにフラックスｆを塗布するフラックスノズルを兼ねている。円柱状の加圧ピン８には、図３に示すようにガイドスロット部として先端がスカート状に拡開したスリット状のパネルガイド溝１５が形成されていて、このパネルガイド溝１５にて上側のパネルＷ１のフランジ部Ｆを受容することになる。

また、加圧ピン８にはその軸心方向に沿ってフラックス導入通路１６が形成されていて、そのフラックス導入通路１６の末端のフラックス吐出口１７がパネルガイド溝１５の下端に開口している。そして、フラックス導入通路１６はフラックス供給パイプ１８を介して図１のフラックス供給装置１９に接続されており、フラックス供給装置１９は例えば液状のフラックスｆをフラックス吐出口１７側に供給することになる。

なお、レーザブレージングによって、予め塗布したフラックスｆが活性化する際に一部が気化することから、その対策として図１に示すように排気装置２０を併用することもある。

このように構成されたレーザブレージング加工装置によれば、図１，３に示すように、加圧ピン８のパネルガイド溝１５にて上側のパネルｗ２のフランジ部Ｆを受容するように両者を係合させるとともに、所定の加圧力をもって双方のパネルＷ１，Ｗ２同士を加圧矯正した上で、互いに重ね合わせた上下のパネルＷ１，Ｗ２に対して、取付ブラケット３を母体として集約したレーザ加工ヘッド４や加圧ピン８およびワイヤノズル１０等をロボットの自律動作により所定の軌跡に沿って移動させる。同時に、図３のフラックス吐出口１７からフラックスｆを吐出させるとともに、加工点Ｐとなるべき内隅部Ｒにレーザ光Ｌを照射しながら同部位に対して溶加材ワイヤ１３を供給する。なお、加圧ピン８は着座面８ａをもって上側のパネルＷ２に圧接するのに対して、下側のパネルＷ１との間には所定の隙間ｇが確保されるように設定されていて、加圧ピン８は下側のパネルＷ１には直接接触しない。

これにより、レーザ光Ｌの照射に先行する加圧ピン８によって先ずパネルＷ１，Ｗ２同士が加圧矯正され、同時にフラックス吐出口１７からのフラックスｆの吐出によりそのフラックスｆが塗布された上で、図４に示すように加工点ＰであるパネルＷ１，Ｗ２同士の内隅部Ｒに溶加材ワイヤ１３が溶融したものがいわゆるぬれ拡がるように盛られてブレージングビードＢと化することでブレージングが施されることになる。

その際に、加圧ピン８にてパネルＷ１，Ｗ２同士を加圧矯正することで必要十分な接合強度が得られるとともに、フランジ部Ｆをパネルガイド溝１５にて受容している加圧ピン８がそのフランジ部Ｆに倣うようにして移動することで、フランジ部Ｆとレーザ加工ヘッド４の水平方向での相対位置決めがなされることから、加圧矯正位置や加工点Ｐであるレーザ光照射位置が常に内隅部Ｒに一致し、蛇行等のない滑らかなブレージングビードＢをもって接合を行うことができることになる。

また、上記の内隅部Ｒに近接しているフラックス吐出口１７から直接フラックスｆが塗布されることから、フラックスｆの塗布範囲も必要最小限の範囲で済み、コスト的に有利になるとともに、後工程での余剰のフラックスｆの拭き取り作業も不要となる。

図５，６は本発明の第２の実施の形態を示し、ガイド部材２の別の例を示している。

この第２の実施の形態では、図５に示すように、近接配置した円柱状の加圧ピン２１とガイドローラ２２をもってガイド部材２を形成してあり、同時に両者のなす対向間隙をもってパネルＷ２側のフランジ部Ｆを受容するためのガイドスロット部たるパネルガイド溝２３を形成している。なお、加圧ピン２１の先端の根元部には切欠部２１ａを形成してある。

一方、ガイドローラ２２は、図５のほか図６に示すように、垂直な段付き軸状の回転軸２４にローラ本体２５を回転可能に装着したものであり、回転軸２４の先端の大径軸部２６にはパネルＷ１，Ｗ２同士のなす内隅部Ｒを指向するフラックス吐出口２７を形成してあるとともに、そのフラックス吐出口２７は、先の第１の実施の形態と同様にフラックス導入通路１６およびフラックス導入パイプ１８を介して図１のフラックス供給装置１９に接続されている。

したがって、この第２の実施の形態によれば、加圧ピン２１とガイドローラ２２との組み合わせをもって初めて図３に示した加圧ピン８と同等のはたらきをすることになり、レーザ光Ｌの照射に先行する加圧ピン２１によって先ずパネルＷ１，Ｗ２同士が加圧矯正され、同時にフラックス吐出口２７からのフラックスｆの吐出によりそのフラックスｆが塗布された上で、図４に示すように加工点ＰであるパネルＷ１，Ｗ２同士の内隅部Ｒに溶加材ワイヤ１３が溶融したものがいわゆるぬれ拡がるように盛られてブレージングビードＢと化することでブレージングが施されることになる。なお、図５の加圧ピン２１はその着座面２１ｂをもって上側のパネルＷ２に圧接するのに対して、ガイドローラ２２は下側のパネルＷ１との間には図３と同様に所定の隙間ｇが確保されるように設定されていて、ガイドローラ２２は下側のパネルＷ１には直接接触しない。

その際に、加圧ピン２１にてパネルＷ１，Ｗ２同士を加圧矯正することで必要十分な接合強度が得られるとともに、フランジ部Ｆをパネルガイド溝２３にて受容している加圧ピン２１とガイドローラ２２がローラ本体２５の回転を伴いながらそのフランジ部Ｆに倣うようにして移動することで、フランジ部Ｆとレーザ加工ヘッド４の水平方向での相対位置決めがなされることから、加圧矯正位置や加工点Ｐであるレーザ光照射位置が常に内隅部Ｒに一致し、図４のように蛇行等のない滑らかなブレージングビードＢをもって接合を行うことができることになる。

これにより、この第２の実施の形態においても先の第１の実施の形態と同様の作用効果が得られるほか、特にローラ本体２５が転動することでフランジ部Ｆに対するガイド部材２の追従性が一段と安定化する利点がある。

図７，８は本発明の第３の実施の形態を示し、ガイド部材２の別の例を示している。すなわち、本実施の形態ではガイド部材２としてローラタイプのものを使用した場合の例を示している。

図７に示すように、円板状のフランジ部２８を有する水平な回転軸２９にフランジ部２８と重合するようにこれと同径のガイドローラ３０を回転可能に装着することでガイド部材２を形成してある。そして、フランジ部２８とガイドローラ３０との重合部にはその円周方向に沿ってガイドスロット部として機能することになるパネルガイド溝３１を形成してあるとともに、フランジ部２８にはパネルガイド溝３１に臨むフラックス吐出口３２を開口形成してある。そして、フラックス吐出口３２はフランジ部２８自体に形成されたフラックス導入通路１６およびフラックス供給パイプ１８を介して図１のフラックス供給装置１９に接続されている。

したがって、この第３実施の形態によれば、ガイド部材２がいわゆるローラタイプではあるものの、図３と比較すると明らかなように、その断面形状は同図（Ａ）に示した第１の実施の形態のものと同様であるから、先の第１の実施の形態のものと全く同様の作用効果が得られるほか、先の第２の実施の形態と同様に、ガイドローラ３０が転動することでフランジ部Ｆに対するガイド部材２の追従性が一段と安定化する利点がある。

ただし、図７に示すように、ガイドローラ３０は着座面３０ａをもって上側のパネルＷ２に圧接するのに対して、フランジ部２８との間には所定隙間が確保されるように設定されていて、フランジ部２８は下側のパネルＷ１には直接接触しない。

本発明に係るレーザブレージング加工装置の概略構成を示す説明図。 図１の左側面説明図。 図１の要部拡大説明図で、（Ａ）はその断面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の下面図。 図３の（Ａ）の形態でのブレージングが完了したパネルの断面説明図。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、（Ａ）は図３の（Ａ）に相当する断面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の下面図。 図５の（Ａ）に示すガイドローラの拡大断面図。 本発明の第３の実施の形態を示す図で、図３の（Ａ）に相当する断面説明図。 （Ａ）は図７の右側面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の左側面説明図。

符号の説明

２…ガイド部材
４…レーザ加工ヘッド
８…加圧ピン
１０…ワイヤノズル
１２…ワイヤ供給装置
１３…溶加材ワイヤ
１５…パネルガイド溝（ガイドスロット部）
１７…フラックス吐出口
１９…フラックス供給装置
２１…加圧ピン
２２…ガイドローラ
２３…パネルガイド溝（ガイドスロット部）
２７…フラックス吐出口
３０…ガイドローラ
３１…パネルガイド溝（ガイドスロット部）
３２…フラックス吐出口
Ｂ…ブレージングビード
Ｆ…フランジ部
ｆ…フラックス
Ｌ…レーザ光
Ｐ…加工点
Ｒ…内隅部
Ｗ１，Ｗ２…パネル（母材）

Claims (5)

1. 重ね合わせた二枚の母材のうち一方の母材と他方の母材の端部とのなす内隅部を加工点として、この加工点に溶加材を供給しながらレーザ加工ヘッドからレーザ光を照射してブレージングビードを形成し、もって母材同士を重ね継手の形態で接合するようにしたレーザブレージング加工装置であって、
   上記加工点よりも接合進行方向前方側において接合線を挟んでその両側の母材にまたがるガイド部材をレーザ加工ヘッドに設け、
   このガイド部材が加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねているとともに、
   上記ガイド部材には、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部とともに、加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口を上記ガイドスロット部に臨むように開口形成してあり、
   上記ガイドスロット部にてフランジ部を受容することで、ガイド部材をそのフランジ部に倣わせるようにしてレーザ加工ヘッドとともに移動させながら、当該ガイド部材をもって加工点での母材同士の隙間を加圧矯正する一方、
   上記フラックスノズルを兼ねているガイド部材をもって加工点となるべき内隅部にフラックスを塗布するようにしたことを特徴とするレーザブレージング加工装置。
2. 上記ガイド部材はその一端面を加圧面とするピン状のものである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装置。
3. 重ね合わせた二枚の母材のうち一方の母材と他方の母材の端部とのなす内隅部を加工点として、この加工点に溶加材を供給しながらレーザ加工ヘッドからレーザ光を照射してブレージングビードを形成し、もって母材同士を重ね継手の形態で接合するようにしたレーザブレージング加工装置であって、
   上記加工点よりも接合進行方向前方側において接合線を挟んでその両側の母材にまたがるガイド部材をレーザ加工ヘッドに設け、
   このガイド部材は、その一端面を加圧面とする加圧ピンと回転可能なガイドローラとを所定距離隔てて並設することにより形成されていて、
   それらの加圧ピンとガイドローラとのなす間隙が、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部となっているとともに、
   ガイドローラには加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口が上記ガイドスロット部に臨むように開口形成されていることにより、上記ガイド部材が加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねていて、
   上記ガイドスロット部にてフランジ部を受容することで、ガイド部材をそのフランジ部に倣わせるようにしてレーザ加工ヘッドとともに移動させながら、当該ガイド部材をもって加工点での母材同士の隙間を加圧矯正する一方、
   上記フラックスノズルを兼ねているガイド部材をもって加工点となるべき内隅部にフラックスを塗布するようにしたことを特徴とするレーザブレージング加工装置。
4. 重ね合わせた二枚の母材のうち一方の母材と他方の母材の端部とのなす内隅部を加工点として、この加工点に溶加材を供給しながらレーザ加工ヘッドからレーザ光を照射してブレージングビードを形成し、もって母材同士を重ね継手の形態で接合するようにしたレーザブレージング加工装置であって、
   上記加工点よりも接合進行方向前方側において接合線を挟んでその両側の母材にまたがるガイド部材をレーザ加工ヘッドに設け、
   このガイド部材は、その円筒外周面を加圧面とするローラ状のものとして形成されているとともに、加工点にフラックスを塗布するフラックスノズルを兼ねていて、
   そのガイド部材の円筒外周面には、他方の母材の端部に予め形成したフランジ部を受容可能なガイドスロット部を形成してあるとともに、加工点となるべき内隅部に向けてフラックスを吐出するフラックス吐出口が上記ガイドスロット部に臨むように開口形成されていて、
   上記ガイドスロット部にてフランジ部を受容することで、ガイド部材をそのフランジ部に倣わせるようにしてレーザ加工ヘッドとともに移動させながら、当該ガイド部材をもって加工点での母材同士の隙間を加圧矯正する一方、
   上記フラックスノズルを兼ねているガイド部材をもって加工点となるべき内隅部にフラックスを塗布するようにしたことを特徴とするレーザブレージング加工装置。
5. 一方の母材が鋼板製のパネルであり、他方の母材が非鉄金属板製のパネルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザブレージング加工装置。

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