JP2008207246A

JP2008207246A - レーザブレージング法

Info

Publication number: JP2008207246A
Application number: JP2008018567A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitani; 靖木谷; Taikan Horikoshi; 大寛堀越; Moriaki Ono; 守章小野; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】薄板の重ね隅肉継手に好適なレーザブレージング法を提供する。
【解決手段】上板と下板の鋼製板状部材を重ね合わせた重ね隅肉継手の隅肉部下面側で、上面側のレーザビームが照射される位置に相対する部分に接する裏当金を接触させ、銅合金からなるろう材を供給しつつ、近赤外光あるいは遠赤外光の波長のレーザビームを照射して前記ろう材を溶融させる。適用個所に応じて、裏当金は回転体、摺動部材としたり、または重ね隅肉継手の下面側全面に密着させても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザブレージング法に関し、特に薄鋼板の重ね隅肉継手に用いて好適なものに関する。

被接合材料を溶融させずに，被接合材料よりも低い融点を有するろう材を介して接合を行うブレージングは電子部品、自動車などに広く用いられ、その熱源には，炉加熱，ガス炎，アークまたはレーザなど様々なものが使用されている。

これらのうち、レーザブレージングは，ろう付に要する入熱が小さくて熱歪が発生しにくく部材の精度が保持され，見栄えの良い継手を効率的に作製することができるため自動車車体のような薄鋼板からなる構造部材の重ね隅肉継手の接合に用いられる。

図７は重ね隅肉継手のレーザブレージングを説明する模式図で，下板２に接した上板１のエッジ部にろう材ワイヤ３を供給し，ろう材ワイヤ３のワイヤ径よりも大きなスポット径のレーザビーム４によってろう材ワイヤ３、上板１のエッジ部，下板２の表面を照射，加熱し，ワイヤ供給点とレーザビーム４を同時に移動させることによってろう付けを行う。

自動車車体の重ね隅肉継手のレーザブレージングに関しては、その接合強度や外観向上を目的に特許文献１〜３が提案されている。

特許文献１には、重ね隅肉継手における上板と下板の間に、一定の隙間を設け、溶融したろう材が当該隙間に入り込むことによって接合面積を増大させることが記載されている。

特許文献２は、ビードの肉盛を大きくすることなく、互いに重ね合わせた一対の部材相互間の接合強度を高めるレーザブレージング加工方法およびその装置に関し、重ね隅肉継手の上板と下板の間に隙間確保用ローラを挿入して隙間を設け、溶融ろう材を入り込ませてぬれ面積を拡大させることが記載されている。

また、特許文献３は、多関節ロボットに加工ヘッドと称されるレーザ出射装置を取り付けて曲げ部をレーザブレージングする方法に関し、曲げ部での加工点の移動速度に応じて溶融材料の供給量を調整し、外観部分に盛り上がりなどが発生しないようにすることが記載されている。
特開２００５−５９００９号公報特開２００６−１７５４８１号公報特許第３５５５６１２号公報

レーザブレージングを適正に行うためには，レーザビームにより溶融したろう材が上板エッジ部および下板表面に十分に濡れ広がるよう，上板および下板を加熱することが必要で、この際、熱歪や変形を増大させないように母材を溶融させないことが重要である。

図８はレーザブレージング後の重ね隅肉継手の継手断面を模式的に示し、上板１と下板２の重ね部端部にろう付けによる溶着金属５が形成された状態で（ａ）は下板２（母材）の溶融が生じなかった場合、（ｂ）は溶融部６が生じた場合を示す。

鋼板のレーザブレージングの場合，ろう材として鋼よりも融点が低く，比較的高い強度の溶着金属が得られる銅合金（融点：約１，０００℃）がよく用いられるが，Ｎｄ：ＹＡＧレーザ，炭酸ガスレーザ等の近赤外光あるいは遠赤外光の波長のレーザの場合，銅よりも鋼に対して吸収率が高く，故に銅合金ワイヤを溶融させる条件では，母材となる鋼板表面のレーザ照射部は、鋼板の融点を超える温度に加熱される。

レーザ照射直下の母材鋼板内には鋼板内の熱伝導によってレーザ照射された表面が最高温度となる温度分布が形成されるが，母材の板厚が薄い場合は，板厚方向の熱伝導が小さく鋼板表面はより高温になりやすく、母材の溶融が生じやすい。

例えば，板厚０．８ｍｍ，引張強さ２７０Ｎ／ｍｍ^２の鋼板の重ね隅肉継手において，ＪＩＳＺ３３４１ＹＣｕＳｉＢ相当のけい素青銅製ワイヤ（線径１．２ｍｍ）をろう材として使用したレーザブレージングでは，レーザ出力３ｋＷ，照射レーザビームスポット径２．４ｍｍ，接合速度３ｍ／ｍｉｎ，ろう材ワイヤ供給速３ｍ／ｍｉｎの条件で，下板表面のろう付け部がレーザ照射によって深さ０．１〜０．２ｍｍ程度溶融する。

これは，下板鋼板の板厚が薄く熱伝導が起こり難いため，レーザ照射によって下板表面温度が鋼板の融点以上になったためであり，レーザ照射条件を調節しても，ろう材ワイヤの溶融・濡れが十分でかつ下板鋼板の溶融を防止できるような条件は得られない。

そこで、本発明は、重ね隅肉継手の母材が薄鋼板であっても、母材を溶融させずにろう付けが可能な、レーザブレージング法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．上板と下板の、鋼製の板状部材を重ね合わせた重ね隅肉継手の隅肉部に銅合金からなるろう材を供給しつつ、レーザビームを照射して前記ろう材を溶融させるレーザブレージング方法であって、前記重ね隅肉継手の下面側で、上面側のレーザビームが照射される位置に相対する部分に接する裏当金を設けることを特徴とするレーザブレージング法。
２．前記裏当金が、上面側のレーザビームが照射される位置に相対する下面側部分と接触しつつ、レーザビームの進行に同期して移動可能であることを特徴とする１記載のレーザブレージング法。
３．前記裏当金が、回転体または摺動部材であることを特徴とする２記載のレーザブレージング法。
４．レーザが近赤外光あるいは遠赤外光の波長のレーザであることを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載のレーザブレージング法。

本発明によれば、レーザが照射される位置での母材鋼板の溶融が抑制され、熱歪や変形が少ない重ね隅肉継手が得られ産業上極めて有用である。

本発明は、重ね隅肉継手の下板で、少なくとも、レーザビームが照射される部分の裏面側となる位置に、抜熱のための裏当金を設けることを特徴とする。

図１は、本発明の一実施例に係る重ね隅肉継手のレーザブレージング法を説明する図で、上板１と下板２で重ね隅肉継手を構成し、隅肉部にレーザビーム４を照射して、ワイヤ状のろう材３を供給する。図では重ね隅肉継手の上板１と下板２のそれぞれをクランプ装置７で固定している。

重ね隅肉継手の下板２には裏当金８を接触させ、照射されたレーザビーム４で加熱された部分から熱伝導により抜熱する。

図４は、レーザビーム４の照射位置を説明する図で、重ね隅肉継手の幅方向断面図を示す。レーザビーム４の照射位置は、ビーム中心軸近傍が上板１の端部１ａより外側となり直接下板２の上面に照射され、且つレーザビーム４の外縁が上板１の一部にかかる位置にするとろう材が上板端面および下板表面に濡れやすくなり、健全な溶着部を形成する上で
好ましい。

下板２において、レーザビーム４のビーム中心軸近傍に曝される被照射上面部２ａが溶融しやすくなるので、裏当金８の取り付け位置は、その幅方向中心が、下板２の裏面側において、被照射上面部２ａに相対する位置内となるようにすることが、冷却効率上好ましい。

裏当金８の幅は、抜熱効果を大きくするためレーザビーム４のビーム径以上とし、更に水冷することが好ましい。

裏当金８は、所望する、重ね隅肉継手の熱歪量に応じて、継手断面における幅、継手長さに対する接触部の長さなどの寸法形状や、材質、水冷などの冷却構造の有無などの冷却能力を適宜選択する。通常、裏当金８は、重ね隅肉継手の継手の長さ方向全長に亘って下板下面側に接触するように設置する。

裏当金８は金属製が好ましく，レーザ照射を行う母材と同等あるいはそれ以上の熱伝導率を有するものが，熱伝導・抜熱の観点から望ましい。

また，下板２から照射による熱を効率良く伝導させるためには，下板２に密着させることが重要である。本発明では、裏当金８の形状は特に規定せず、使用環境に応じて種々のものとすることが可能である。

図２は、本発明の他の実施例を示し、下板裏面側に鋼板あるいは銅板からなる板状裏当金９を重ねて接触させ，表面側から下板を機械的あるいは空圧等によって押圧するような配置とし，レーザ照射部と相対する下板裏面に板状裏当金９が押し付けられるようにしたものの一例を示す。

また、裏当金を、下板裏面側において、下板上面側のレーザビームが照射される位置と相対する部分に接触しつつ、レーザビームの進行に同期して移動可能な部材、例えば、回転ローラなどの回転体や、角形部材としても良い。

いずれの場合も、材質は抜熱効果が大きい金属製とし、空冷効果が得られるようにフィンや、開口部を設け、下板裏面に接しながら移動させることが好ましい。

図５に裏当金を回転ローラ９とした場合、図６に裏当金を摺動部材１０とした場合を示す。摺動部材１０の場合は、下面と面接触しつつ摺動することが容易で且つ抜熱効果も大きくなるように接触面が平坦でかつ被接合母材と同等以下の表面粗度を有する角型外観の金属製とするのが良い。

本発明に係るレーザブレージング法は板厚方向への熱伝導による抜熱が殆どない、板厚1mm以下の鋼板の重ね隅肉継手において特に有効である。

以上のように，下板鋼板裏面に裏当金を密着させ，裏当金への熱伝導によって下板鋼板の抜熱を行うことで，薄鋼板のレーザブレージングにおけるレーザ照射部の鋼板溶融を防止でき，レーザブレージングの熱歪が少ないなどの利点・品質を保持することが可能となる。

下板および上板に板厚0.8mm×幅150mm×長さ300mmの冷延鋼板（JIS G 3141 SPCC相当）を使用し，線径1.2mmの銅合金ワイヤ（Cu-3.5%Si-1%Mn，JIS Z 3341 YCuSiB相当）をろう材として，重ね代15mmの重ね隅肉継手のレーザブレージングを行った。

重ね隅肉継手は、１．レーザ照射部に相対する下板裏面に25mm×25mm×300mmの角棒状の銅片を配置・密着させたもの（図１）、２．下板裏面側に下板鋼板と同サイズ（板厚0.8mm×幅150mm×長さ300mm）の鋼板（SPCC）を配置し下板鋼板とともにクランプしたもの（図２）、３．前記鋼板（ＳＰＣＣ）に替えて銅板としたもの（図2）、４．下板鋼板裏側に移動式の銅製ローラを配置したもの（図５）および５．下板鋼板裏側に摺動部材として移動式の銅製ブロックを配置したもの（図６）の５つの実施例と、６．上板および下板のみをクランプしてレーザ照射部の下板裏面に何も配置しないもの（図３）とした。

夫々の重ね隅肉継手において上板と下板（図２の場合は裏当金も含む）は、空圧によって稼動するクランプ機構によってレーザ照射部から20mm離れたところを固定した。

レーザは，Nd:YAGレーザを使用し，レーザ出力3kW，ビームスポット径2.4mmとしてレーザ照射を行い，接合速度3m/min，ワイヤ供給速度を3m/minとしてブレージング継手を作製した。

継手の評価は，ブレージング長さ300mmに対し，ブレージング開始端から30mm，ブレージング中央，ブレージング終了端から30mmの３箇所の接合部断面観察によって行い，下板鋼板の溶融がなかった継手を合格と判定した。

表１に試験結果を示す。本発明の実施例であるNo.１〜５の継手では，いずれも銅片，鋼板，銅板の抜熱効果によって上板鋼板の溶融が防止できて合格判定となっているのに対し，下板鋼板裏面に何も配置しない比較例No.６では，レーザ照射によって上板鋼板表面が溶融している状態が観察され不合格の判定となった。

本発明例。本発明の他の実施例。従来例。図１に示した本発明例の詳細図。本発明例（裏当金：回転ロール）本発明例（裏当金：摺動部材）重ね隅肉継手のレーザブレージングを説明する模式図重ね隅肉継手の継手断面で（ａ）は母材の溶融が生じない場合、（ｂ）は母材に溶融が生じた場合を示す図。

符号の説明

１上板
２下板
３ろう材
４レーザ
５溶着金属
６溶融部
７クランプ装置
８裏当金
９回転ロール
１０摺動部材

Claims

上板と下板の、鋼製の板状部材を重ね合わせた重ね隅肉継手の隅肉部に銅合金からなるろう材を供給しつつ、レーザビームを照射して前記ろう材を溶融させるレーザブレージング方法であって、前記重ね隅肉継手の下面側で、上面側のレーザビームが照射される位置に相対する部分に接する裏当金を設けることを特徴とするレーザブレージング法。
前記裏当金が、上面側のレーザビームが照射される位置に相対する下面側部分と接触しつつ、レーザビームの進行に同期して移動可能であることを特徴とする請求項１記載のレーザブレージング法。
前記裏当金が、回転体または摺動部材であることを特徴とする請求項２記載のレーザブレージング法。
レーザが近赤外光あるいは遠赤外光の波長のレーザであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のレーザブレージング法。