JP4210857B2 - メッキ板材のレーザー機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による、メッキ板材のレーザー機械加工方法に関する。このタイプの方法は、特許文献２に既に記載されている。

多くのメッキ板材、特に自動車業界で使用される亜鉛メッキ板材、に施されたメッキ原料は、板材原料の融点より著しく低い沸点を有する。このタイプの板材は、重ね継手部分でレーザー溶接され、これがメッキ原料の爆発的蒸発を引き起こし、接合部分の品質に深刻な影響を与える。

接合品質を改善するため、板材の間に、気化したメッキ原料が逃げ込める、間隙を生成するためスペーサの使用が既に提案されている。特許文献１によると、表面のレーザー照射によって、適切なクレータ形状のスペーサを生成することができる。特許文献２によると、レーザースキャナ装置を用いて、ローレット切りタイプのスペーサを生成することができる。

この方法における一番不利な点は、比較的長い時間を機械加工に要するという点で、特に大量生産では、多大な費用を生じる。

特開平１１−０４７９６７号公報 独国特許出願公開第 ４４ ０７ １９０ Ａ１号明細書

本発明の目的は、従って、スペーサの製造に必要な機械加工時間を削減する一方で、機械加工の品質を少なくとも維持し、好ましくは改善することにある。

本発明は、提供される方法に関して、請求項１の特徴によって実現される。別の請求項は、本発明による方法の有利な実施形態及び改良形態を含む（請求項２〜６）。

上記目的は、本発明により、スキャナ装置を用いて表面上にレーザー光線を向けることで達成される。スキャナ装置は、特に高速で可撓性の鋼材偏光装置で、例えばミラーシステム（単一軸もしくは多軸上で運転可能な少なくとも１つの旋回自在な鏡からなる）、さもなければ音響光学変調器等である。

本発明による方法の特許文献１で提案されるものを凌ぐ大きな利点は、スキャナ装置は板材の表面に対して平らに移動し、同時に、スキャナ装置は短時間の機械加工の間レーザー光線を１つの機械加工領域に向け、次に極めて迅速に別の機械加工領域へ向き直す、という点にある。それによって、レーザー光線の位置再調整に必要な時間はほとんど解消され、レーザー装置の極めて有効な使用が可能になる。

対照的に、従来のレーザー装置では、例えば特許文献１で使用されているように、レーザー光線は固定レンズシステムを用いて機械加工領域に向けられる。第２機械加工領域への移動のためには、レンズシステムは構造要素に対して移動しなければならず、その間の時間、レーザーはスイッチを切らなければならない。さらに本発明によると、構造形状変形の位置と配置は、レーザースキャナの作動範囲内で自由にプログラム可能である。固定レンズシステムと比較して、レーザースキャナは、個別の構造形状変形に対して位置決めされる必要はなく、構造形状変形の間を光学的通路に沿って有利に誘導することができる。これらの相違点により、機械加工に必要な時間は極めて異なる結果となる。レーザースキャナを使用すると、約０．３秒間に３０の適切な構造形状変形を生成可能であり、従来のシステムでは約１０倍の機械加工時間を要する。

本発明による１つの有利な実施形態では、レーザー光線は表面上では焦点を結ばない。好ましくは、焦点は、表面上のレーザーの放射範囲が焦点範囲を少なくとも５０％、好ましくは２００％超えるよう、機械加工される板材の表面からの距離を位置決めされる。機械加工領域全体は、レーザー光線の最小限の方向変更によって、放射範囲を移動させることでカバーされる。こうした範囲的加温は、メッキと板材との融合加工を標準化し、適切な構造形状変形の形成を促進する。

本発明による方法の別の有利な実施形態では、レーザー光線は、機械加工領域の付近でこの板材を継続的に溶解することで、少なくとも１枚の板材の上記光線とは反対側に少なくとも１つの構造形状変形を生成する。このためには、溶け込み点までの適切な機械加工時間を事前に特定するか、さもなければ機械加工時間を制御する溶け込みセンサを設けなければならない。この実施形態は、複数の板材が一緒に溶接される場合、さらなる高速化を可能にする。特許文献１による方法では、先ず１枚の板材を並べ、次にこの板材に対して構造形状変形が行われ、その後もう１枚の板材を供給して１枚目に対して並べ、それからこの２枚に一緒に圧力をかけ一緒に溶接する。しかし、２枚の板材を接触圧なしに繋げて並べる方がより有利である。ほとんどの塗付で十分な、最小限の間隙は、適切な配列装置を用いて確保することもできるが、接触圧が無ければ間隙は板材の間に残る。この後、本発明の方法のこの有利な実施形態による構造形状変形は、板材の片面もしくは両面にわたって導入される。次に、板材は一緒に圧力をかけられ一緒に溶接される。高速のスキャナ装置と構造形状変形の生成を考慮すると、配列工程の節約は、非常に多大な時間的節約を意味する。

さらにレーザー光線は、機械加工領域の中心の回りに段々狭くなる螺旋状を描くように、スキャナ装置によって誘導されると有利である。これにより、特に素早く移動する機械加工の場合、より均等な溶解及び冷却加工と、同様に輪郭を合わせ***した形の構造形状変形の形成を可能にする。

本発明による方法の別の有利な実施形態では、少なくとも１枚の別の板材が、少なくとも１枚メッキ板材と接触して、少なくとも１つの突出した構造形状変形はこの少なくとも２枚の板材の間に少なくとも１つの間隙の形成もたらし、この少なくとも２枚の板材は、加工工程で形成される蒸気生成物がこの少なくとも１つ間隙の中に逃げることができるように、この少なくとも１つの間隙の付近で溶接される。蒸気生成物を逃がす機能により、かなり高品質な溶接継ぎ目が確保される。

本発明による方法の別の有利な実施形態では、この少なくとも２枚の板材は、結果として得られる溶接継ぎ目が少なくとも部分的にそれより前に生成された少なくとも１つの構造形状変形と重なり合うように一緒に溶接される。

各々のこうした構造形状変形部は、レーザー放射によって、気化して板材を露出させたままになるので、メッキに対する傷となる。自動車の製造では、特に、亜鉛メッキが腐食保護として使用される。如何なる傷も、将来の腐食の発生源となり得る。溶接継ぎ目もこうした傷を形成するが、接合部にとっては重要である。構造形状変形の上に溶接継ぎ目が引かれ、少なくとも部分的にそれに取って代わるということは、つまり、多くの腐食の可能性のある発生源が削減され、従って腐食の危険性は縮小するということである。これに続く耐腐食処理のためには、特に亜鉛メッキ用にとっては、構造形状変形の形状は重要である。本発明によると、同様に輪郭を合わせた凸部が形成され、特開平１１−０４７９６７号公報によるとクレータが形成される。凸部は、同じ量の原料で形成されたクレータより小さい表面を有し、従って腐食による攻撃の面積も少ない。加えて、凸部は２つの板材の間の回り全てに亜鉛メッキができ、一方でクレータは上に置かれる板材で覆われ、内部は亜鉛メッキできない。板材が一緒に接合されると湿気がクレータ内部に侵入し、構造形状変形は腐食の発生源となる。

本発明による方法について、２つの例証的実施形態を参照しつつ以下により詳細を説明する。

第１例証的実施形態では、１つのメッキ板材が並べられ、スキャナ装置はその上を平らに移動し、レーザー光線を複数の機械加工領域の上へ次々と向ける。スキャナ装置は、コンピュータ制御で二次元的に旋回自在なミラーシステムからなる。スキャナ装置は、板材の表面までの距離が約３２０ｍｍあり、レーザーの焦点は、表面より手前約２０ｍｍで結ばれる。レーザー光線の焦点をぼかすことで、機械加工領域の範囲的な均等な加温が生成される。これにより、メッキのより均等な気化と、同様に輪郭を合わせた凸部の形の構造形状変形の形成とがもたらされる。必要な数の構造形状変形の生成に続いて、第２の板材が供給され並べられ、その後２つは一緒に圧力をかけられ、一緒に溶接される。

第２の例証的実施形態では、２枚のメッキ板材が一定間隔離して重ねて並べられる。スキャナ装置はそれらの上を平らに移動し、レーザー光線を複数の機械加工領域の上へ次々と向ける。スキャナ装置は、コンピュータ制御で二次元的に旋回自在なミラーシステムからなる。スキャナ装置は、板材の表面までの距離が約３０５ｍｍあり、レーザーの焦点は、表面より手前約４〜７ｍｍで結ばれる。レーザー光線は、機械加工領域の中心の回りに段々狭くなる螺旋状を描くように、スキャナ装置によって誘導される。レーザー光線の焦点をぼかすことで、機械加工領域の範囲的な均等な加温が生成される。外側から内側への螺旋状の移動の結果、同様に輪郭を合わせた凸部の形で、レーザーとは反対側の板材により均等な構造形状変形の形成がもたらされる。必要な数の構造形状変形の生成に続いて、２枚の板材が一緒に圧力をかけられ、一緒に溶接される。溶接継ぎ目はここでは構造形状変形の少なくとも一部を覆って誘導される。

上記に述べた実施例の実施形態では、本発明による方法は、自動車産業におけるメッキ板材のレーザー溶接に特に適していることを証明している。

特に、機械加工時間に関しては、著しい利点が得られる。さらに腐食保護も、構造形状変形の改善された形状によって、並びに構造形状変形の少なくとも一部を覆う溶接継ぎ目の誘導によって、向上可能である。

本発明は、前述した例証的実施形態に限定されるものではなく、他の形態にも転用できる。

従って、例えばミラーシステムのかわりに、音響光学変調器によってスキャナ装置を形成することも考えられる。さらに、構造的要素の表面の上にレーザースキャナを誘導する代わりに、構造的要素を固定スキャナの下で動かすことも可能である。適切な場合、スキャナ及び構造的要素は、相互に調整した動作を実行することもできる。

スキャナ装置の板材からの距離及び焦点をぼかす程度は、決定的に重要なわけではなく、必要な場合は、例えばレーザー出力に一致し、あるいは、板材及び／又はメッキ原料に対して等しい。さらに、放射中にレーザー出力が適切に変化するとおそらく有利である。

Claims (3)

1. レーザー機械加工により、メッキ板材の１面上に、前記１面の表面から突出した構造形状変形が形成され、その構造形状変形は、前記メッキ板材が前記メッキ板材とは別の板材と接触させられると、二つの板材の間に少なくとも一つの間隙の形成をもたらし、その二つの板材は、溶接工程で形成される蒸気生成物が前記少なくとも１つの間隙へ逃げ込めるようにして、溶接される溶接方法であって、
   前記表面から突出した少なくとも１つの構造形状変形は、コンピュータ制御で二次元的に旋回自在なミラーシステムからなるスキャナ装置が発するレーザー光線を用いて生成され、
   前記レーザー光線が前記１面上の機械加工領域の中心の回りに段々狭くなる螺旋状を描くよう前記スキャナ装置を動作させ、前記メッキ板材を継続的に溶解することで、前記メッキ板材の前記レーザー光線とは反対側に、前記少なくとも１つの構造形状変形を生成することを特徴とする溶接方法。
2. 前記レーザー光線は前記表面の上に焦点を結ばないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 結果として得られる溶接継ぎ目が、少なくとも部分的に、それより前に生成された前記少なくとも１つの構造形状変形と置き換わるような方法で、前記二つの板材が一緒に溶接されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。