JP2005279686A

JP2005279686A - レーザろう付装置および方法

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Publication number: JP2005279686A
Application number: JP2004095281A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Shiihara; 原克典椎; Yoshinobu Makino; 野吉延牧; Satoru Asai; 井知浅; Masahiro Yamada; 田正博山; Hiroaki Nakano; 野宏明中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】ワークを溶融することなく、ろう材のみを溶融させ、且つ高品質なろう付を提供することのできるレーザろう付装置および方法を提供すること。
【解決手段】ワーク１がろう付時に酸化することを防止した状態で、ワーク表面に付着している酸化膜や不純物７を取除いた上で、フラックスを供給してろう材の濡れ性を高め、かつワークおよびフラックスを加熱してろう付に適正な温度まで加熱されたことを確認しながら、レーザ光によってワークの再加熱および供給されたろう材の溶融を行い、レーザ光によりろう材を再加熱してろう付けを行うレーザろう付装置において、前記ワーク表面の酸化膜および不純物の除去手段として、パルスＹＡＧレーザＡを用いることを特徴とするレーザろう付装置、およびその方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて構造物をろう付け加工するためのレーザろう付装置および方法に関する。

最近、構造物を補修する際にワークをろう付加工するため、ワーク加熱熱源としてレーザ光を用いることが試みられている。図６は、従来のレーザろう付方法の一例を示している。この図６において、従来のレーザろう付方法では、ろう付部分に事前にろう材を置く工程と、ろう付部に置かれたろう材をレーザ光により加熱してろう付を行う工程とから構成される。
特願２００２−３１７３０９号

上述のレーザろう付方法においては、加熱部分の温度計測手段が無いため事前に施工条件を確認する必要がある上、ろう材を事前にろう付部に固定する必要があるため、遠隔補修時には施工管理ができないことが課題である。さらに、レーザ光はエネルギー密度が非常に高い熱源であるため、ろう材だけでなくワークを溶融してしまう可能性があり、品質管理ができない問題もある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、ワークを溶融することなく、ろう材のみを溶融させ、且つ高品質なろう付を提供することのできるレーザろう付装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、請求項１ないし１０記載の発明を提供する。

請求項１記載の発明では、パルスＹＡＧレーザを用いてワークに付着した酸化膜や不純物を取除くことにより、ろう材のワークへの濡れ性を高め得ることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、パルスＹＡＧレーザの照射条件を特定することにより、ろう材のワークへの濡れ性をより高めることを特徴とする。

請求項３記載の発明では、ワークに供給したフラックスを、高周波加熱、アークまたはレーザ光により加熱することにより、ろう付に最適な温度としてろう材の濡れ性を高めることを特徴とする。

請求項４ないし８記載の発明では、予熱熱源により加熱した後、さらに矩形やドーナツ形状に整形したレーザ光でワークを加熱し
請求項５記載の発明では、ワーク表面を加熱するレーザ光をスキャンさせるため、ワークがろう付けに適した温度に上昇する。

請求項６記載の発明では、レーザ光が進行方向と直角な方甲に長い矩形であるからワーク表面を均一に加熱することができる。

請求項７記載の発明では、予熱後とレーザ光による加熱後の２箇所で温度計測して温度調節に利用するため、ワークを最適温度に保つことができる。

請求項８記載の発明では、ろう材の融点がワークの融点よりも適当に低いため、ろう材がワークに十分濡れる。

請求項９記載の発明では、温度検出器で計測した温度がろう付に最適な温度まで十分加熱されなかった場合、再度、ろう付部分の加熱を行うことを特徴とする。

請求項１０記載の発明では、パルスＹＡＧレーザによりワークに付着した酸化膜や不純物を取除き、ろう材のワークへの濡れ性を高める方法を提供することができる。

本発明は上述のように、ワーク表面の酸化膜や不純物を除去し、表面に供給したフラックスを予熱熱源にて過熱し、加熱温度を温度検出器にて計測してフィードバック管理するようにしたため、供給されたろう材がレーザ光にて溶融された後、良好にワークに濡れる。

図１ないし図５を参照して、予熱熱源にＴＩＧアークを用いる方法で、本発明に係るレーザろう付の実施の形態について説明する。

図１により、本発明の一実施例につき説明する。この実施例は、ワーク１表面の酸化膜７および不純物を除去するためのパルスＹＡＧ発振器Ａと、予熱熱源となるＴＩＧアーク電源Ｂと、ワーク１およびろう材３を加熱するためのＹＡＧレーザ発振器Ｃとにより構成される。

また、レーザろう付ヘッドは、ワーク１表面の酸化膜不純物７を除去するためのパルスＹＡＧレーザ光を照射するトーチ８と、ワーク１表面にろう材３の濡れ性を向上させるためのフラックス１０を供給するノズル９と、フラックス１０とワーク１とを加熱するためのＴＩＧトーチ１１と、ワーク１の表面温度を測定する温度検出器１２と、ろう材３を供給するノズル１３と、ろう材３とワーク１とを過熱するレーザ光学トーチ１４と、加熱部全体をシールドガスにて覆うシールドボックス１５とにより構成されている。

ここで、ワーク１表面の酸化膜不純物７を除去するためのパルスＹＡＧレーザの条件は、５０〜６００ｍＪ／パルス、５〜３００Ｈｚ、パルス幅１〜１０ｎｓｅｃとし、シールドガスとしてＡｒや５％程度の水素ガスを混合したＡｒガスを供給しながら施工すると、酸化膜不純物７が還元されて除去が促進される。

また、ワーク１およびフラックス１０を加熱するＴＩＧアークの条件は、５〜２０Ｖ、１００〜２００Ａとする。ここで、１００Ａ以下では、ワーク１およびフラックス１０が充分加熱されず、２００Ａ以上では、ワーク１が溶融してしまう。フラックス１０とワーク１とを加熱する予熱熱源はＴＩＧアーク１１を採用しているが、替りに高周波加熱源やレーザ光を採用してもよい。

高周波加熱を用いる場合の条件は、１００〜１００ｋＨｚ、５〜１５ｋＷとする。また、レーザ光にて加熱する場合の条件は、５〜３００Ｗ／ｍｍ^２とする。

シールドボックス１５内には、不活性ガスＡｒを供給しワーク１表面の過熱による酸化を防止する。また、不活性ガスとして水素ガスを５％混合したＡｒガスを用いてもよい。水素ガスを混合したＡｒガスを使用することで、酸化膜や不純物を除去する際に還元され易くなる効果がある。

ろう材３の供給方法としては、フィラーワイヤーを用いる方法がろう材３の供給量が安定するので望ましい。ワイヤ形状に成形されたろう材３のワイヤ径は、ワーク１表面にて安定して溶融され、且つ供給量の調整が容易に行えるようにφ０．６〜１．６ｍｍの範囲にすることが望ましい。φ０．６ｍｍ以下では、レーザ光５によりワーク１が溶融する場合があり、φ１．６ｍｍ以上では、ろう材３に熱が吸収されるため、ろう材３の濡れ性が低下する。

図２により本発明の第２の実施例につき説明する。レーザ光５は、ワーク１を加熱するための矩形光とろう材３を溶融するための集光光とに分光される。ワーク１を加熱するための矩形光のパワー密度は、５〜３００Ｗ／ｍｍ^２とし、ろう材３を溶融するための集光光のパワー密度は、１５０〜１０００Ｗ／ｍｍ^２とする。

このとき、矩形光は光の進行方法に長い矩形とし、例えば３ｍｍ×５ｍｍとする。また、集光光は、φ０．６〜３ｍｍとする。φ０．６以下では、ろう材３が急激に加熱されるため、溶融したろう材３がワーク１表面に安定して供給されず、φ３ｍｍ以上では、ろう材３を安定して溶融するために必要な温度に上昇する前に、ワーク１に供給されるため、ワーク１にろう材３が濡れずに玉となる。

ワーク１を溶融させずに加熱するために、レーザ光のパワー密度を下げたビームを使用して、その集光位置にろう材３を供給しようとすると、ワーク１の温度がろう材３に逃げ、また、ろう材３が徐々に加熱されるのでワーク１表面に安定してろう材３を溶融させることはできない。

この第２の実施例では、レーザ光５をワーク１の加熱光と、ろう材３の溶融光とに分光することで、ワーク１を加熱しながら安定してろう材３を溶融することが可能となる。

図３により本発明の第３の実施例につき説明する。ろう材３の溶融後のワーク１表面をレーザ光５にて再過熱することにより、ろう材３の浸透が促進される。また、充分にろう材３がワーク１に濡れていない場合でも、レーザ光５にて再加熱することによりワーク１の深さ方向にろう材３を行き渡らせることができる。

このとき、レーザ光５は、ろう材３の幅よりも１．５〜３倍広い範囲を加熱できるような矩形にするか、ろう材３の幅よりも１．５〜３倍広い範囲をスキャンすることで、ろう材３およびワーク１の加熱保持時間を長くし、ろう材３のワーク１への濡れを広げ、且つ深さ方向へも進入させることができる。

図４により本発明の第４の実施例につき説明する。ワーク１の温度計測器は、温度計測位置１７で予熱熱源後とレーザ光５による加熱後を計測する。予熱後のワーク１の温度がろう付温度に到達していない場合は、レーザ光５の出力を調整しワーク１の温度を上昇させる。

更にレーザ照射後のワーク１の温度を計測し、ろう付温度まで到達していない場合には、ろう材３の溶融後に照射するレーザ光５の出力を調整し、ろう材３がワーク１に充分濡れるように加熱する。加熱範囲１８が温度上昇する。

このとき、本発明ではワーク１の加熱を制御し易く、且つろう材３はレーザ光５にて溶融することから、ワーク１の融点がろう材３の融点より１００℃以上高ければ、ワーク１を溶融させることなく高品質なろう付を行うことができる。

また、ろう材３をレーザにて加熱しても充分濡れていない場合には、再度、本発明のレーザろう付装置を使用して、フラックス１０および加熱熱源のみを使用してワーク１の表面を加熱する。

図５により本発明の第５の実施例につき説明する。本発明を割れ等の補修に適用すると、パルスＹＡＧレーザにてワーク１表面および割れ２の内部の酸化膜を除去することが可能であることから、割れ２の内部まで充分にろう材３を供給した補修を行うことが可能となる。

以下に、亀裂を補修する場合のろう付方法の条件の一例を示す。
ろう材：ＢＡｇ−８（φ１．０）
ろう材供給量：５０〜４００ｍｍ／ｍｉｎ
ワーク：ステライトＮｏ．６
レーザ出力：１〜４ｋＷ
ビーム径：φ１〜７ｍｍ
シールドガス：Ａｒ，Ａｒ−５％Ｈ２
施工速度：１０〜５００ｍｍ／ｍｉｎ

このようにすることにより、割れ等の欠陥部を遠隔操作によってろう付を補修することができる。

図１(a)ないし(d)は、本発明の一実施例を示す説明図。本発明の第２の実施例を示す説明図。本発明の第３の実施例を示す説明図。本発明の第４の実施例を示す説明図。本発明の第５の実施例を示す説明図。従来のレーザろう付方法を示す説明図。

符号の説明

１ワーク、２割れ、３ろう材、４バインダー、５レーザ光、
６シールドガスノズル、７酸化膜、８酸化膜除去装置、
９フラックス供給ノズル、１１予熱熱源、１２温度検出器、
１３ろう材供給チップ、１４レーザ光学トーチ、１５シールドボックス、
ＡパルスＹＡＧレーザ発振器、ＢＴＩＧアーク電源、ＣＹＡＧレーザ発振器

Claims

ワークがろう付時に酸化することを防止した状態で、ワーク表面に付着している酸化膜や不純物を取除いた上で、フラックスを供給してろう材の濡れ性を高め、かつワークおよびフラックスを加熱してろう付に適正な温度まで加熱されたことを確認しながら、レーザ光によってワークの再加熱および供給されたろう材の溶融を行い、レーザ光によりろう材を再加熱してろう付けを行うレーザろう付装置において、
前記ワーク表面の酸化膜および不純物の除去手段として、パルスＹＡＧレーザを用いることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
前記パルスＹＡＧレーザの照射条件は、５０〜６００ｍＪ／パルス、５〜１００Ｈｚ、パルス幅１〜１０ｎｓｅｃとすることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
ワークおよびフラックスの予熱手段として、高周波加熱、アークまたはレーザ光を用いることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
ワークを再加熱するレーザ光は、ろう付進行方向に長い矩形光と、ろう材を溶融するために集光されたレーザ光とに分光されることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
ろう材供給後、ワーク表面を加熱するレーザ光は、ワーク表面をスキャンすることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
ろう材供給後に加熱するレーザ光は、進行方向と垂直な方向に長い矩形光とすることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
温度を確認するために放射温度計を用い、予熱後とレーザ光による加熱後の２箇所を計測することを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１記載のレーザろう付装置において、
前記ろう材は、ワークの融点よりも１００℃以上融点の低い材料とすることを特徴とするレーザろう付装置。
請求項１ないし９の何れかの記載のレーザろう付装置を用いて、
前記ワークに前記ろう材を供給する工程と、前記ワークに供給された前記ろう材を再度、予熱熱源とレーザ光とを用いて溶融する工程とをそなえることを特徴とするレーザろう付装置。
ワークがろう付時に酸化することを防止した状態で、ワーク表面に付着している酸化膜や不純物を取除いた上で、フラックスを供給してろう材の濡れ性を高め、かつワークおよびフラックスを加熱してろう付に適正な温度まで加熱されたことを確認しながら、レーザ光によってワークの再加熱および供給されたろう材の溶融を行い、レーザ光によりろう材を再加熱してろう付けを行うレーザろう付方法において、
前記ワーク表面の酸化膜および不純物の除去手段として、パルスＹＡＧレーザをそなえたことを特徴とするレーザろう付方法。