JPH028333A - 繊維強化金属の成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は繊維強化金属の成形方法に係わり、レーザビー
ムを加熱源として用い、ロール圧延により繊維強化金属
を成形する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

繊維強化金属を成形する方法として、繊維とマトリック
スがあらかじめ一体となっているワイヤプリフォームを
素材として使用し、引き揃えたワイヤプリフォームにレ
ーザビームを照射した直後に圧延し、隣り合うワイヤプ
リフォームを互いに接合させて薄板を製造することが提
案されている（金属学会講演概要６２年秋、（１９８７
／１０）、ｐ５９２）。

第３図はこの成形方法の概念を示す図であり、（１）は
ワイヤプリフォームで、引き揃えたワイヤプリフォーム
（１）を圧延ロール（２）へ供給し、圧延ロール（２）
へワイヤプリフォーム（１）がかみこまれる直前にレー
ザビーム（３）を照射するものである。ワイヤプリフォ
ーム（１）は、レーザビーム（３）の照射によってマト
リックスが溶融する温度近傍に加熱され、この状態で圧
延されて互いに強く接触するため、圧接を生じて一体化
する。複数本のワイヤプリフォームを同時に接合して行
くために、複数本のワイヤプリフォームにレーザビーム
が均等に当たるよう、レーザビーム（３）を集光装置（
４）によって第４図（ａ）、（ｂ）に示したような線状
（第４図（ａ））または台形状（第４図（ｂ））の強度
分布を持つビームとすることが必要である。（ｉｉｉ）
は支持板である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の成形方法は、レーザビームとしてＣＯ□レーザま
たはＹＡＧレーザを単独で用いることが検討されていた
。ところでワイヤプリフォームとしては、現在炭化けい
素繊維強化アルミニウムおよび炭素繊維強化アルミニウ
ムが開発されており、これらがこの発明に係わる繊維強
化金属の成形方法の主対象の素材となっている。しかし
ながら、このアルミニウムマトリックスのワイヤプリフ
ォームに対して、レーザビームを加熱源として用いた成
形方法には次のような欠点があった。

ＣＯ２レーザを用いた場合には、表１に示すようにワイ
ヤプリフォームのマトリックスである金属の反射率は高
く、例えばアルミニウムの反射率は約９７％と非常に高
い。すなわちＣＯ２レーザ吸収率が非常に低くなる。こ
のため、ロール圧延により接合一体化するために必要な
温度までワイヤプリフォームを加熱するには、正味の必
要エネルギーと比べて非常に大きな照射パワーを必要と
する。

一方、ワイヤプリフォームのＣ０２レーザ吸収率は、ワ
イヤプリフォームの表面性状や粗さ、間隔などの形状因
子によって強く影響を受けるが、吸収率が非常に低いと
この変動がワイヤプリフォームの接合条件に大きく効く
ことになり、成形条件が安定しない欠点があった。

（レーザ応用技術ハンドブック、朝食（１９８４）Ｐ２
Ｏ）：３ 一方、単独でＹＡＧレーザを用いた場合においては、マ
トリックスであるアルミニウム等のレーザ反射率が高い
ことは同様であるが、ＣＯ２レーザと比べると低い。し
かしながらＹＡ（ｉレーザはＣＯ２レーザと比べ大きな
出力の発振装置が得られにくい欠点がある。たとえば現
在、ＣＯ２レーザ発振装置の最大出力のものは２０ｋｌ
ｊ、ＹＡＧ　Ｌ／−ザは０．６ｋｌテある。このため多
数本のワイヤプリフォームを同時に接合するためにレー
ザビームを広げて用いると、単位面積あたりの照射パワ
ーが不足する欠点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、レーザ吸収率の向上を図り、多数本のワイヤ
プリフォームを同時に接合することができ、かつ接合条
件が安定するレーザビーム照射による繊維強化金属の成
形方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる繊維強化金属の成形方法は、レーザビ
ー１１を加熱源として用いて繊維強化金属＝４ を成形する方法において、 １）　繊維と７１−リックスとがあらかじめ一体となっ
ているワイヤプリフォームを素材として使用し、 ｉｉ）　　所定の複数本数、所定の方向へ引き揃えたワ
イヤプリフォームにレーザビーｌ＼を照射する工程およ
び ｉ）　レーザ照射により温度上昇したワイヤプリフォー
ムをロール圧延する工程 を含み、特にＣＯ□レーザとＹＡＧレーザとを同時にワ
イヤプリフォームに照射する方法である。

発明者らの単独レーザ照射による実験によれば、ワイヤ
プリフォームに対するＹＡＧレーザの吸収率は文献値よ
り高く、そのためワイヤプリフォームの接合が比較的安
定して行える特徴があった。この発明は、その長所を生
かして、ＣＯ２レーザと同時にワイヤプリフォームへ照
射して、照射パワーが不足するＹＡＧレーザを補い、」
二記欠点を改良するものである。

この発明において用いる繊維としては、炭化けい素繊維
、炭素繊維など、マトリックス金属の強化繊維として使
用できるものがあげられる。またマトリックスとしては
、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウムなど任意の金属
があげられる。

この発明において用いる素材としては、繊維とマトリッ
クスがあらかじめ一体となっているワイヤプリフォーム
を使用する。７１ヘリツクスが溶融温度近傍まで加熱さ
れた状態であっても、ワイヤプリフォームは繊維により
形状を保っており、ロール圧延することが容易である。

また、７トリツクスとなる金属と繊維とをそれぞれ素材
としてロール圧延と同時に複合化させる場合と比べて、
圧接された後内部欠陥が少ない。

〔作　用〕

ワイヤプリフォームは、所定の複数本数、所定の方向へ
引き揃えられ、ロール圧延する工程において互いに強く
接触するように並べられる。

ＣＯ□レーザと’／ＡＧレーザを同時に照射するレーザ
照射により、ワイヤプリフォームは温度−上昇し、ロー
ル圧延により熱間圧接可能な温度に加熱される。レーザ
照射はロール圧延の直前であることが好ましい。レーザ
照射によるワイヤプリフォームの温度上昇は、速度が他
の加熱方法と比べて著しく速く、高温において生じる繊
維の劣化を最小とすることができる。

２種類のレーザの役割は次のように考えられる。

’／ＡＧレーザは、主にワイヤプリフォームの予熱に用
いられる。ＹＡＧレーザを用いた場合においても、マト
リックスであるアルミニウムのレーザ吸収率が低いこと
は同様であるが、ＣＯ２レーザと比べると優れている。

レーザビームを広げて多数本のワイヤプリフォームに同
時に照射した場合、ワイヤプリフォームをマトリックス
の溶融温度近傍まで加熱するには不十分であっても、あ
る程度温度上昇させることは可能である。またワイヤプ
リフォームの温度上昇のバラツキもＣＯ２レーザと比べ
ると少ない。

ＣＯ２レーザは、ワイヤプリフォームをマトリックスの
溶融温度近傍まで加熱するために主に利用される。マト
リックスのアルミニウム等は温度が上昇するに伴い、Ｃ
Ｏ２レーザの吸収率が上昇する吸収特性を持つ。したが
ってＹＡＧレーザを用い十分に温度上昇させることがで
きれば、ワイヤプリフォームに対するＣＯ２レーザの吸
収率を実質的にあげることができる。単独でのレーザ照
射に関する発明者らの実験によれば、照射パワーとワイ
ヤプリフォームの熱変化の関係にはあるクリティカルな
照射パワー値があり、それ以下ではワイヤプリフォーム
はほとんど変化せず、その値以上では急激に温度上昇し
て熱変化を生じる。この原因は明らかではないが、吸収
率の温度変化に依存するものと考えられており、ＹＡＧ
レーザとＣＯ２レーザを同時に照射することにより、こ
のクリティカルな照射パワー値を低くする作用がある。

〔発明の実施例〕 この発明の実施例を以下に説明する。第１図において、
（１）はワイヤプリフォームであり、支持板（ｉｉｉ）
の上に固定されている。（６）はＣＯ２レーザ発振装置
であって、ワイヤプリフォーム（１）に集光装置（４ａ
）を経てＣＯ２レーザビーム（３ａ）が照射される。（
７）はＹＡＧレーザ発振装置であって、ワイヤプリフォ
ーム（１）に集光装置（４ｂ）を経てＷＡＧレーザビー
ム（３ｂ）がＣＯ□レーザビーム（３ａ）と同時に照射
される。圧延ロール（２）は、ワイヤプリフォーム（１
）を支持板（ｉｉｉ）ととともに噛みこんで圧延を行う
。

支持板（ｉｉｉ）はロールとの間に挿入され、ロールの
保護または圧延ロール（２）へのワイヤプリフォーム（
１）の付着防止を行う。ワイヤプリフォーム（１）を固
定してその送り機構として用いてもよい。

この発明の実施例において成形する素材に用いたワイヤ
プリフォームは、日本カーボン■製の一方向炭化けい素
繊維強化アルミニウム（７トリツクスはＪＩＳ　Ａ１０
５０相当）および米ＭＣＩ社製の一方向炭素繊維強化ア
ルミニウム（マトリックスはＪＩＳ　Ａ６０６１相当）
である。またワイヤプリフォーｌ＼の径は０．５＋＠で
あった。これらのワイヤプリフォームを一層に一方向に
引き揃えて配列し、支持板（ｉｉｉ）の上に固定した。

支持板（ｉｉｉ）を圧延ロール（２）に噛みこませた状
態で圧延ロール（２）の回転をスタートさせ、ワイヤプ
リフォーム（１）を圧延ロール（２）に噛みこませて行
き、ワイヤプリフォーム（１）が圧延ロール（２）に噛
みこまれる直前にＣＯ２レーザビーム（３ａ）およびＹ
ＡＧレーザビーム（３ｂ）を照射する。

Ｃ０２レーザおよびＶＡＧレーザビー１１はそれぞれ集
光装置（４ａ）および（４ｂ）によって第４図（ａ）に
示した線状のパワー密度分布を持つビーｌ、に集光され
、ワイヤプリンオー１Ｓ（ｔ）の幅全域に均等にあたっ
ている。ＣＯ２レーザのパワー密度は０．５〜３×１０
７１１１／ｍ２、ＹＡＧレーザのパワー密度は０．１〜
２　Ｘ　］０’Ｗ／耐とした。圧延速度が１〜５０　Ｘ
　１０−′ｍ／ｓの条件下で繊維強化金属の薄板が成形
可能であった。

第２図において、繊維強化金属が成形可能であったＣＯ
２レーザおよびＹＡＧレーザのパワー密度の範囲はＹ軸
および線Ａ、Ｂ、Ｃで囲まれる範囲であった。なお薄板
の厚さはＱ、３５ｍｎであった。レーザビーム照射パワ
ーが高過ぎると、ワイヤプリフォームが七しく損傷する
。レーザビーム照射パワーが低過ぎると、ワイヤプリフ
ォームが接合されない。レーザビーム照射によるワイヤ
プリフォームの温度上昇はレーザビーム照射パワーと圧
延速度によってコン１ヘロールされた。

単独でレーザビームを照射して繊維強化金属の成形を試
みた比較例の場合には、ＣＯ□レーザのパワー密度は１
〜３×１０７シ／♂、ＹＡＧレーザのパワー密度は１〜
３×１０″ｗ／ｒｒ？の範囲に接合可能条イ１が存在し
た。したがってこの実施例においては、成形できるレー
ザのパワー密度が低下する効果が認められた。

なおこの実施例については線状のパワー密度分布を持つ
レーザビームを用いたが、パワー密度分布が台形状であ
っても同様の効果が得られる。レーザビームの集光装置
は、レンズ、ミラー、駆動型ミラーなど所定のパワー密
度分布を得られるものであればよい。レーザビームの照
射位置はワイヤプリフォームが圧延ロールへ食い込まれ
る直前であることが好ましいが、装置の構成上で可能な
圧延ロールへ十分に近い距離であればこの発明の効果が
得られる。ＹＡＧレーザの予熱効果が得られる範囲であ
れば、ＹＡＧレーザとＣＯ２レーザは、ワイヤプリフォ
ームの全く同一の箇所へ全く同時に月 照射されなくてもよい。

また第１図には示していないが、レーザを照射する部分
またはレーザを照射する部分を含む成形装置の−・部に
カス雰囲気を形成するようにすることができる。不活性
ガス雰囲気を形成することにより、繊維強化金属の成形
条件が安定する効果がある。

〔発明の効果〕

この発明のよれば、ＣＯ□レーザおよびＹＡＧレーザビ
ームを同時にワイヤプリフォームに照射するようにした
ので、繊維強化金属の薄板の成形可能条件を広げること
ができ、かつ成形が安定した繊維強化金属の成形方法を
得ることができる。従来のレーザビームの単独照射の成
形方法と比べ、同じ出力の発振装置を用いてより多数の
ワイヤプリフォームを同時に成形することができ、生産
性が向上する効果がある。また同一の本数のワイヤプリ
フォームを成形する場合には、出力の小さなレーザ発振
装置を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の繊維強化金属の成形方法を示す概念
図、第２図はこの発明における繊維強化金属の成形可能
条件を示すグラフ、第３図は従来の繊維強化金属の成形
方法を示す概念図、第４図はレーザビームの形状を示す
図である。 各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、（１）
はワイヤプリフォーム、（２）は圧延ロール、（３）は
レーザビーム、（３ａ）はＣＯ□レーザビーム、（３ｂ
）はＹＡＧレーザビーム、（４）　、　（４ａ）　、　
（４ｂ）は集光装置、（ｉｉｉ）は支持板、（６）はＣ
０２レーザ発振装置、（７）はＹＡＧレーザ発振装置で
ある。 工業技術院長　飯　塚　幸　三 （ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを加熱源として用いて繊維強化金属
   を成形する方法において、 ｉ）繊維とマトリックスとがあらかじめ一体となってい
   るワイヤプリフォームを素材として使用し、 ｉｉ）所定の複数本数、所定の方向へ引き揃えたワイヤ
   プリフォームにレーザビームを照射する工程および ｉｉｉ）レーザ照射により温度上昇したワイヤプリフオ
   ームをロール圧延する工程を含み、ＣＯ＿２レーザとＹ
   ＡＧレーザとを同時にワイヤプリフォームに照射するこ
   とを特徴とする繊維強化金属の成形方法。