レーザろう付け装置及び方法
【課題】 溶接不良の発生を防止すること。
【解決手段】 レーザ発振器１０と、ろう材供給機構１２と、レーザビームLBの光軸AX及びろう材２２の供給方向FDを三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッド１４と、レーザビームLB及びろう材２２に対して部材２０を進行方向MDに相対移動させる部材保持機構１６とを備え、レーザ加工ヘッド１４は、前記供給方向FDについて、所定の進行方向面MDPと所定の供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲とし、そして、進行方向面MDPが、進行方向MDとレーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属し、供給方向面FDPが、進行方向面内の直線であってレーザビームLBの光軸AXと部材２０とが交わる照射点IPを通り進行方向MDと直交する基本軸BXと、供給方向FDとを含む平面に属し、当該レーザ加工ヘッド１４が、ねじり角TAの前記角度範囲内で供給方向FDからろう材２２を供給する供給部１８を備えた。
【解決手段】 レーザ発振器１０と、ろう材供給機構１２と、レーザビームLBの光軸AX及びろう材２２の供給方向FDを三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッド１４と、レーザビームLB及びろう材２２に対して部材２０を進行方向MDに相対移動させる部材保持機構１６とを備え、レーザ加工ヘッド１４は、前記供給方向FDについて、所定の進行方向面MDPと所定の供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲とし、そして、進行方向面MDPが、進行方向MDとレーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属し、供給方向面FDPが、進行方向面内の直線であってレーザビームLBの光軸AXと部材２０とが交わる照射点IPを通り進行方向MDと直交する基本軸BXと、供給方向FDとを含む平面に属し、当該レーザ加工ヘッド１４が、ねじり角TAの前記角度範囲内で供給方向FDからろう材２２を供給する供給部１８を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう付けによる接合技術に関し、特に、ろう材の溶融をレーザビームの照射によって行う接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車部材等のろう付けにおける熱源のひとつとして、レーザビームが用いられている。レーザろう付けの際、部材に表面処理被膜や、油分や、ゴミ等が存在していると、ろう付け時にそれらが蒸発し、ブローホールやピットなどの溶接欠陥が発生してしまう。
ブローホールは、蒸気が溶融池中に気泡となって残留したものであり、ポロシティーともいう。ピットは表面の小さなくぼみであり、発生原因は様々であるが、残留気泡が溶接ビードの表面や近傍に現れることによっても発生する。
【０００３】
特許文献１には、ろう材の軸線とレーザビームの軸線との成す角度を調整することで、レーザビームの入熱効率を高める手法（段落００５３，００５４、図４，図１０）が開示されている。また、予熱用のレーザビームを用意し、部材を予熱することで、ろう材のぬれ性を向上させようとする手法（段落００３１、図６）が開示されている。
特許文献２には、ピットの抑制を図ることを目的として、ろう付け加工点のエネルギー密度をろう付け前方が大となるように調整する手法（段落００１３，００１４，００１９、図２）が開示されている。
特許文献３には、車体用パネルのような長い部材の加工について、欠落、部分ふくれ、熱量不足等の欠陥がなく、熱歪みの少ない良好な状態でろう付け加工すること（段落００１０）を目的として、ろう材の供給軸線とレーザビームの光軸とが成す傾き角を調整し、ろう材の先端を照射スポット内とする手法（段落００３２、図３（ａ））が開示されている。また、特許文献３には、被加工物を直交する二軸回りにて回転又は揺動させる手法（段落００３９）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-130534号公報
【特許文献２】特開2006-346725号公報
【特許文献３】特開2008-814号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、部材の表面を粗面処理し、レーザビームを乱反射させることで入熱効率を向上させ、さらに、レーザビームをろう材の軸線に対して傾斜させることで、レーザビームの乱反射を促し、入熱効率を向上させることが図られている（段落００１２，００１３）が、この傾斜等の手法は、ブローホールやピットの抑制への寄与とはなっていない。
上記特許文献２では、レーザビームのエネルギー密度を進行方向前方側で高くするとともに、レーザビームの幅をろう材の幅よりも広く設定することにより、進行方向前方側の亜鉛メッキの蒸発を促進して、ろう材の溶融後に溶融池に侵入する蒸気を少なくしている。
しかしながら、ろう材の影になる領域では亜鉛メッキの蒸発が不十分となるため、ブローホール及びピットの抑制または防止が十分になされないと想定される。
特許文献３では、ろう材の供給軸線の進行方向への傾き角や、部材の回転又は揺動等の可能性について記載されているが、具体的な方向や数値範囲等と、その効果が開示されておらず、ブローホール及びピットを抑制するために具体的にどうすべきかについては、何ら開示されていない。
【０００６】
［課題１］このように、上記従来例では、レーザろう付けに際して、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を十分には防止することができない、という不都合があった。
【０００７】
［発明の目的］本発明の目的は、レーザろう付けにおいて比較的単純な構成で、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［着眼点］本発明の発明者は、レーザビームを部材の表面に十分に照射し、その直後に接合すると、蒸気等が溶融池に入ることを有効に防止できて良い、という点に着目した。そして、ろう材（ワイヤ）の供給方向を工夫することで、上記課題を解決できるのではないか、との着想に至った。
【０００９】
［課題解決手段１］実施例１に対応する本発明は、装置の発明として、レーザビームを発振するレーザ発振器と、ろう材を供給するろう材供給機構と、前記レーザビームの光軸及び前記ろう材の供給方向を三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッドと、このレーザ加工ヘッドと協調して前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に相対移動させる部材保持機構とを備えている。
そして、レーザ加工ヘッドは、前記供給方向について、所定の進行方向面と所定の供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲としている。ここで、前記進行方向面は、前記進行方向と前記レーザビームの前記光軸とを含む平面に属している。前記供給方向面は、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属している。
さらに、当該レーザ加工ヘッドが、前記ねじり角の前記角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する供給部を備えた、という構成を採っている。
これにより、上記課題１を解決した。
［課題解決手段２］また、実施例１に対応する本発明は、方法の発明として、レーザビームを発振する工程と、このレーザビームを部材に向けて集光する工程と、この集光と並行して、ろう材を前記部材に向けて所定の供給方向にて供給する工程と、この集光及び供給と並行して、前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に連続的に相対移動させることで、前記部材を接合する工程とを備えている。
ここで、進行方向面を、前記進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面に属させて、供給方向面を、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属させる。
そして、前記ろう材の前記供給方向を、前記進行方向面と前記供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向とする。
さらに、ろう材を供給する工程は、前記ねじり角の角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する、という構成を採っている。
これによっても、上記課題１を解決した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、本明細書の記載及び図面を考慮して各請求項記載の用語の意義を解釈し、各請求項に係る発明を認定すると、各請求項に係る発明は、上記背景技術等との関連において次の有利な効果を奏する。
【００１１】
［発明の作用効果１］ 課題解決手段１のレーザろう付け装置又は方法は、供給部又は供給工程が、ねじり角の前記角度範囲内で供給方向からろう材を部材に向けて供給し、このねじり角は、進行方向面と供給方向面との成す角であって、進行方向面を、進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面とし、供給方向面を、基本軸と供給方向とを含む平面としたため、供給部は、照射点を含む部材の平面にて、進行方向とは重ならない方向からろう材（ワイヤ）を供給する。
すなわち、供給部は、ろう材の影となる方向がろう付けの進行方向と一致しなくなるような方向から、ろう材（ワイヤ）を供給する。
これにより、部材のろう付け進行方向前方の領域に対し、接合前にレーザビームが直接照射されるようになり、ろう材の溶融に先立って表面処理皮膜、油等の蒸発が行われるため、溶融池内に侵入する蒸気が少なくなると考えられる。
このため、本発明は、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を抑制または防止できるものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の構成例を示す説明図である。（実施例１）
【図２】レーザ加工ヘッドの構成例を示す正面図である。（実施例１）
【図３】前進角を０度とした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図４】前進角を０度より大きくした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図５】後退角を０度より大きくした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図６】レーザ照射領域の幅とろう材の直径との関係例を示す平面図である。（実施例１）
【図７】レーザ照射領域の軌跡とろう材の直径との関係例を示す平面図である（実施例１）
【図８】レーザ照射領域での溶融池等の状態の一例を示す正面図である。（実施例１）
【図９】図９（Ａ）及び（Ｂ）はろう材の接触角の一例を示す説明図である。（実施例１）
【図１０】図１０（Ａ）及び（Ｂ）はろう材の接触角の他の例を示す説明図である。（実施例１）
【図１１】ねじり角毎とブローホールの個数との関係例を示すグラフ図である。（実施例１）
【図１２】トランクリッドをろう付けした一例を示す説明図である（実施例１）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明を実施するための形態として、１つの実施例を開示する。実施例１はレーザろう付け装置及びレーザろう付け方法である。
【実施例１】
【００１４】
＜1 レーザろう付け装置及び方法＞
＜1.1 ねじり角＞
本実施形態の実施例１を開示する。実施例１は、ブローホール等の溶接欠陥の発生を防止するために、ろう材２２の供給方向FDを工夫したものである。
【００１５】
レーザろう付け装置は、その主要な要素として、レーザ発振器１０と、ろう材供給機構１２と、レーザ加工ヘッド１４と、部材保持機構１６と、供給部１８とを備えている。
図１に示す例では、さらに、レーザ照射部１９と、制御部２４とを備えている。
【００１６】
レーザ発振器１０は、レーザビームLBを発振する。レーザ発振器１０はＹＡＧレーザやＣＯ２レーザのほか、半導体レーザとしても良い。ろう材供給機構１２は、部材２０のレーザ照射領域PPに向けてろう材２２を供給する。ろう材２２はどのような種類の物でも良い。レーザ加工ヘッド１４は、レーザビームLBの照射点IP及び前記ろう材２２の供給方向FDを三次元空間にて調節する。
【００１７】
レーザ加工ヘッド１４は、図２に示すように、ろう材２２の供給方向FDを調節しつつろう材２２を供給する供給部１８と、レーザビームLBを照射するレーザ照射部１９とを備えている。レーザ加工ヘッド１４は、制御部２４からの指令に応じてレーザ照射部１９の位置を駆動すると共に、供給部１８による供給方向FDを変化させる図示しないロボットを備えると良い。
レーザ照射部１９は、図１及び図２に示すように、レーザビームLBを集光し、部材２０に照射する。集光点CPは、レーザ照射部１９の集光レンズによりレーザビームLBのスポット径SDが最も小さくなる点である。照射点IPは、レーザビームLBの光軸AXと部材２０（の表面）との交点である。レーザ照射領域PPは、照射点IPを含み当該照射点IPの近傍にてレーザビームLBが照射される部材表面の領域である。レーザ照射部１９は、照射点IPにレーザビームLBを照射して、供給されたろう材２２を溶融させ、部材２０を接合する。
【００１８】
部材保持機構１６は、レーザ加工ヘッド１４と協調して、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに相対移動させる。進行方向MDは、ろう付けの軌道である。一般的には、部材保持機構１６が部材２０を静止状態で保持し、レーザ加工ヘッド１４が照射点IPを三次元空間内の１点に調節して、ろう付けを開始する。続いて、レーザ加工ヘッド１４及びレーザ照射部１９を移動させることで、照射点IPをろう付けの進行方向MDに進行させる。
また、レーザ加工ヘッド１４を静止状態として、部材保持機構１６が部材２０を進行方向MDの逆方向に移動させることで、照射点IPを進行方向MDに進行させるようにしても良い。さらに、部材保持機構１６とレーザ照射部１９との双方を同時に移動させることで、部材２０の相対移動を実現するようにしても良い。
このレーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６の作用により、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに相対移動させることができる。
【００１９】
前記レーザ加工ヘッド１４は、前記供給方向FDについて、所定の進行方向面MDPと所定の供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲とする。すなわち、供給部１８は、ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給する。ねじり角TAは、図１に示すように、進行方向面MDPと、供給方向面FDPとの成す角である。
【００２０】
前記進行方向面MDPは、前記進行方向MDと、前記レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属する。
そして、前記供給方向面FDPは、基本軸BXと、前記供給方向FDとを含む平面に属する。基本軸BXは、進行方向面MDPにて、前記照射点IPを通り前記進行方向MDと直交する軸である。図１に示す例では、基本軸BXと光軸AXとは同一直線上にある。
そして、ろう材２２の供給方向FDは、ねじり角TAを例えば５度以上９０度以内とすると良い。５度未満では、レーザ照射領域PPにてろう材２２の影となる部分が大きく、溶接不良の抑制が十分とならない。また、ねじり角TAの最大角度は、例えば、９０度としても良い。ねじり角は、より好ましくは、１０度以上１５度以内とすると良い。
供給方向面FDPにて、部材２０（の表面）とろう材の供給方向FDとの成す角を供給角SAとする。この供給角SAは、部材２０と供給部１８との干渉を避けるために、２０度以上とすると良く、ろう材２２（ワイヤ）が部材２０に突き刺さる供給不良の発生を防止するために７０度以下とすると良い。
【００２１】
制御部２４は、レーザ発振器１０のレーザ発振のパワー（出力）と、そのオン・オフとを制御する。また、制御部２４は、ろう材供給機構１２でのろう材２２の供給速度を制御する。制御部２４は、レーザ加工ヘッド１４のレーザ照射部１９の位置決めと、集光レンズの位置の駆動制御により集光点CP等を位置決めする。また、レーザ照射部１９の姿勢を制御することで、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を調整する。制御部２４は、さらに、供給部１８の姿勢を制御することで、供給方向FDを制御する。また、制御部２４は、レーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６を制御することで、レーザ照射領域PPを進行方向MDに進行させる。
【００２２】
図３から図５を参照すると、レーザビームLBは、進行方向面MDP内にて、前進角AAや後退角BAを有することがある。
図３は、レーザビームLBの光軸AXと、基本軸BXとが同一の直線に属する例である。この例では、供給方向面FDPを、ろう材２２の中心軸（供給方向FD）と、レーザビームLBの中心軸（光軸AX）とを含む面と定義することができる。そして、進行方向面MDPを、ろう付けの進行方向MDとレーザビームLBの中心軸（光軸AX）とを含む面と定義することができる。そして、ねじり角TAは、供給方向面FDPと、進行方向面MDPとの成す角である。
【００２３】
図４に示す例では、進行方向面MDPと、供給方向面FDPとは、図３に示す例と同様である。しかし、レーザビームLBの光軸AXが、進行方向面MDP内で、照射点IPを中心として、進行方向MD側に傾いている。この傾きを前進角AAという。この例でも、進行方向面MDPは、進行方向MDと、レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属すると定義できる。一方、供給方向面FDPは、図４に示す基本軸BXと、供給方向FDとを含む平面に属すると定義することができる。すなわち、ねじり角TA及び供給方向面FDPは、光軸AXの前進角AA(及び後退角BA)に依存して傾斜することはない。また、進行方向面MDPと供給方向面FDPとは基本軸BXで交わる。
【００２４】
図５に示す例では、図４とは逆に、レーザビームLBの光軸AXが、進行方向面MDP内で、照射点IPを中心として、進行方向MDの逆側に傾いている。この傾きを後退角BAという。後退角BAが０度より大きい際には、前進角AAが０度より大きい場合と同様に、供給方向面FDPは基本軸BXと供給方向FDとを含む平面に属し、当該平面は、光軸AXを含まない。
【００２５】
図３から図５に示す例では、進行方向MDをX軸、基本軸BXをZ軸とすると、照射点IPはZ軸上にある。この三次元空間では、進行方向面MDPはX軸とZ軸からなる平面（Y = 0）であり、供給方向面FDPは進行方向面MDPをZ軸周りにねじり角TA分回転させた平面となる。
【００２６】
図６を参照すると、本実施例の構成によれば、部材２０の接合部分２６となるろう付けビード形成領域のほとんどに、ろう材２２の溶融前にレーザビームLBが到達する。特に、図６の符号２１Ａで示す領域のように、レーザビームLBの進行方向MDにて、ろう材２２の影とならずに部材２０にレーザビームLBが直接照射される。また、符号２１Ｂで示す領域にように、ろう材２２の影となった部分についても、その直後にレーザビームLBが直接照射される。
【００２７】
すると、ろう材２２の溶融に先立って、部材２０の表面処理層３１（例えば、亜鉛めっき層）、油・ゴミ３０等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなる。このため、ブローホール及びピットを効果的に減少させることができる。
【００２８】
また、図６及び図７に示すように、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWは、ろう材２２の幅（直径DI）に対して２倍以上から３倍以内に設定すると良い。ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給し、かつ、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWをろう材２２の直径DIの２倍以上３倍以内とすることによって、接合前の時点にて部材２０にレーザビームLBを直接照射する領域をより拡大することができる。
【００２９】
図３から図７に示す例では、ねじり角TAについいて、進行方向MDを正面とした際の右側とし、当該右側（図６中下側）からろう材２２を供給しているが、左側（図６中上側）としても良い。
また、ねじり角TAを確保しようとすると、部材２０とろう材２２とが干渉するような際には、進行方向面MDPをX軸中心として傾けると良い。この場合、基本軸BXも同一角度で傾き、進行方向面MDPと供給方向面FDPとの成す角を維持することができる。
【００３０】
例えば、自動車部材等の連続的なレーザろう付けでは、ろう付け軌道が直線ではなく、折れ曲がりが含まれることがある。折れ曲がりの方向は、デザインや機能の要件を満たすべく任意に設定されうる。
このような折れ曲がり部分では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を一定に維持するのが困難であるが、本実施例では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、溶融池３２が形成される領域にレーザビームLBを直接到達させて、溶融池３２に侵入する蒸気を少なくすることができるため、折れ曲がり部分においてもブローホールやピット等の溶接欠陥の発生を防止できる。
【００３１】
図８に示すように、レーザビームLBは、ろう材２２の溶融に先立って、部材２０の油・ゴミ３０や、表面処理層３１を直接照射する。これにより、表面処理層３１等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなる。このため、ブローホール及びピットが減少する。図９では、説明のために溶融池３２内に蒸気２８を含ませているが、レーザ照射領域PPにて、表面処理層３１と溶融池３２との間にレーザビームLBが直接照射され、十分に蒸発するため、実際には、溶接欠陥に直結するような溶融池３２への蒸気２８の進入を有効に防止することができる。溶融池３２は、凝固することで、接合部分２６となる。
【００３２】
図９を参照すると、図９（Ａ）に示す比較例と比較して、本実施例によれば、部材２０の予熱効果が高まるため、図９（Ｂ）に示すように、ろう材２２の接触角CA（濡れ角）が小さくなる。ろう材２２の接触角CAが小さくなると、脚長FL（ぬれ長さ）が向上し、フィレット直径も拡大するため、疲労強度を向上させることができる。そして、この接触角CAを小さくさせるために、ヒーターや予熱用のレーザなどを特別に追加する必要はなく、ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給することで実現可能である。
図１０を参照すると、同様に、本実施例によれば、部材２０の予熱効果が高まるため、図１０（Ａ）に示す比較例と比較して、図１０（Ｂ）に示す本実施例では、ろう材２２の接触角CAが小さくなり、脚長FLが向上し、疲労強度を向上させることができる。
【００３３】
さらに、本実施例では、部材２０の表面に対するレーザビームLBの光軸AXの相対姿勢を一定としなくても、ろう材２２溶融に先立って表面処理層３１等を蒸発させるという効果を得ることができるため、ろう付け軌道の折れ曲がり部に対しても、ブローホール及びピットの防止を期待することができる。
【００３４】
再度図１を参照して、本実施例によるレーザろう付け方法を説明する。まず、レーザ発振器１０は、レーザビームLBを発振する（レーザ発振工程）。レーザ加工ヘッド１４のレーザ照射部１９は、このレーザビームLBを部材２０に向けて集光する（集光工程）。集光工程では、集光点CPの位置を調整し、上述のように、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWが、ろう材２２の幅（直径DI）に対して２倍以上から３倍以内になるように設定すると良い。そして、集光工程では、レーザ照射部１９の姿勢を制御することで、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を調整する。この相対姿勢の調整により、前進角AA又は後退角BAや、進行方向MD（X軸）周りの回転を定めることができる。
レーザ加工ヘッド１４の供給部１８は、この集光工程と並行して、ろう材２２を前記部材２０に向けて所定の供給方向FDにて供給する（ろう材供給工程）。レーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６が、この集光工程及びろう材供給工程と並行して、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに連続的に相対移動させる。これにより、前記部材２０を接合する（接合工程）。
【００３５】
そして、本実施例では、まず、進行方向面MDPを、前記進行方向MDと前記レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属させる。そして、供給方向面FDPを、前記進行方向面MDP面内の直線であって、前記レーザビームLBの前記光軸AXと前記部材２０とが交わる照射点IPを通り前記進行方向MDと直交する基本軸BXと、前記供給方向FDとを含む平面に属させる。
そして、ろう材２２の供給方向FDを、前記進行方向面MDPと前記供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向とする。
さらに、前記ろう材供給工程が、前記ねじり角TAの角度範囲内で前記供給方向FDから前記ろう材２２を前記部材２０に向けて供給する。この角度範囲は、１０度以上９０度以内とすると良く、より好ましくは、１０度以上１５度以内とすると良い。
図６及び図７に示すように、レーザ照射領域PPおよびレーザ照射領域PPの軌跡３４にて、進行方向MD側にてろう材２２が部材２０を隠さず、レーザビームLBが直接に部材２０に照射される。これにより、図８に示すように、部材２０の接合前に油・ゴミ３０や表面処理層３１を十分に蒸発させ、溶融池３２に蒸気２８が進入することを有効に防止することができる。このため、溶融池３２内の蒸気２８を原因とするブローホールやピット等の溶接欠陥の発生を有効に防止することができる。
その他、レーザろう付け装置に関する開示は、レーザろう付け方法についての開示として援用し、重複説明を省略する。
【００３６】
・1.1 ねじり角の効果
上述のように、ろう材２２の供給方向FDについて、ねじり角TAを設定したため、部材２０のろう付けの軌道にレーザが直接到達する。このため、ろう材２２（ワイヤ）の溶融に先立って、部材２０の表面処理層３１等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなり、ブローホール及びピットの発生を減少させることができる。
さらに、本実施例では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、レーザビームLBがろう付けの進行方向MDの前方の領域に直接到達するため、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、ブローホール及びピットの発生を抑制または防止できるものと期待できる。
そして、部材２０のろう付けの進行方向MDの前方領域が十分に予熱されるために、溶融したろう材２２の接触角CA（濡れ角）が減少し、ぬれ長さが拡大すると考えられる。このため、外観上の盛り上がりが発生しなくなるうえ、疲労強度の向上を期待することができる。
さらに、ねじり角TAを設定するのみであるため、ろう付けの進行方向MD（軌道）に折れ曲がり部があっても、ブローホール及びピットの発生を効果的に抑止することができる。
【００３７】
＜1.2 ねじり角を１０度から１５度＞
図１１に、亜鉛めっき鋼板を、本実施例の手法（装置及び方法）でろう付けした結果を示す。図１１に示す例では、ねじり角TAを０度から１５度まで５度間隔とし、また、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢について、前進角AAを０度（図３）、前進角AAを１０度（図４）及び後退角BAを１０度（図５）として、それぞれのブローホールの個数（個／50 [mm]）を計数した。
図１１に示した元のデータを表１（Ａ）に示す。このデータは、２回の測定の平均値である。また、図１１に示した測定の溶接条件を表１（Ｂ）に開示する。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図１１に示すように、ろう材２２（ワイヤ）を供給する際のねじり角TAを１０度以上付与すると、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、ブローホールが減少することを確認した。このため、本実施例では、任意にレーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を定めることができる。
また、図１１に示す結果から、本実施例での装置及び方法では、前記ねじり角TAの角度範囲を、前記進行方向MDを０度として１０度以上１５度以内とすることが望ましい。
【００４０】
・1.2 ねじり角を１０度から１５度の効果
上述のように、ねじり角TAを１０度以上１５度以内とすることで、ブローホールの個数を減少させることができ、そして、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢に依存せずブローホールの個数を減少させることができる。
【００４１】
＜1.3 折れ曲がり部分＞
図１２に、接合の軌道に折れ曲がり部分のあるトランクリッドを本実施例の手法（装置及び方法）によりろう付けした結果を示す。ねじり角TAを１０度以上から１５度以内とした。
【００４２】
・1.3 折れ曲がり部分の効果
ねじり角0度に設定した場合は、ろう付けの軌道の折れ曲がり部におけるピット発生率は10%以上であったが、ねじり角10度以上15度以内に設定した場合は、ろう付けの軌道の折れ曲がり部におけるピット発生率は1%以下であった。
【符号の説明】
【００４３】
１０ レーザ発振器
１２ ろう材供給機構
１４ レーザ加工ヘッド
１６ 部材保持機構
１８ 供給部
１９ レーザ照射部
２０ 部材
２２ ろう材
２４ 制御部
２６ 接合部分
２８ 蒸気
３０ 油・ゴミ
３１ 表面処理層
３２ 溶融池
３４ 部材表面のレーザ照射領域の軌跡
LB レーザビーム
IP 照射点
PP 部材表面のレーザ照射領域
PPW 部材表面のレーザ照射領域の軌跡の幅
CP 集光点
FD 供給方向
MD 進行方向
AX 光軸
BX 基本軸
TA ねじり角
MDP 進行方向面
FDP 供給方向面
SD スポット径
DI 直径
AA 前進角
BA 後退角
CA 接触角
FL 脚長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう付けによる接合技術に関し、特に、ろう材の溶融をレーザビームの照射によって行う接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車部材等のろう付けにおける熱源のひとつとして、レーザビームが用いられている。レーザろう付けの際、部材に表面処理被膜や、油分や、ゴミ等が存在していると、ろう付け時にそれらが蒸発し、ブローホールやピットなどの溶接欠陥が発生してしまう。
ブローホールは、蒸気が溶融池中に気泡となって残留したものであり、ポロシティーともいう。ピットは表面の小さなくぼみであり、発生原因は様々であるが、残留気泡が溶接ビードの表面や近傍に現れることによっても発生する。
【０００３】
特許文献１には、ろう材の軸線とレーザビームの軸線との成す角度を調整することで、レーザビームの入熱効率を高める手法（段落００５３，００５４、図４，図１０）が開示されている。また、予熱用のレーザビームを用意し、部材を予熱することで、ろう材のぬれ性を向上させようとする手法（段落００３１、図６）が開示されている。
特許文献２には、ピットの抑制を図ることを目的として、ろう付け加工点のエネルギー密度をろう付け前方が大となるように調整する手法（段落００１３，００１４，００１９、図２）が開示されている。
特許文献３には、車体用パネルのような長い部材の加工について、欠落、部分ふくれ、熱量不足等の欠陥がなく、熱歪みの少ない良好な状態でろう付け加工すること（段落００１０）を目的として、ろう材の供給軸線とレーザビームの光軸とが成す傾き角を調整し、ろう材の先端を照射スポット内とする手法（段落００３２、図３（ａ））が開示されている。また、特許文献３には、被加工物を直交する二軸回りにて回転又は揺動させる手法（段落００３９）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-130534号公報
【特許文献２】特開2006-346725号公報
【特許文献３】特開2008-814号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、部材の表面を粗面処理し、レーザビームを乱反射させることで入熱効率を向上させ、さらに、レーザビームをろう材の軸線に対して傾斜させることで、レーザビームの乱反射を促し、入熱効率を向上させることが図られている（段落００１２，００１３）が、この傾斜等の手法は、ブローホールやピットの抑制への寄与とはなっていない。
上記特許文献２では、レーザビームのエネルギー密度を進行方向前方側で高くするとともに、レーザビームの幅をろう材の幅よりも広く設定することにより、進行方向前方側の亜鉛メッキの蒸発を促進して、ろう材の溶融後に溶融池に侵入する蒸気を少なくしている。
しかしながら、ろう材の影になる領域では亜鉛メッキの蒸発が不十分となるため、ブローホール及びピットの抑制または防止が十分になされないと想定される。
特許文献３では、ろう材の供給軸線の進行方向への傾き角や、部材の回転又は揺動等の可能性について記載されているが、具体的な方向や数値範囲等と、その効果が開示されておらず、ブローホール及びピットを抑制するために具体的にどうすべきかについては、何ら開示されていない。
【０００６】
［課題１］このように、上記従来例では、レーザろう付けに際して、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を十分には防止することができない、という不都合があった。
【０００７】
［発明の目的］本発明の目的は、レーザろう付けにおいて比較的単純な構成で、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［着眼点］本発明の発明者は、レーザビームを部材の表面に十分に照射し、その直後に接合すると、蒸気等が溶融池に入ることを有効に防止できて良い、という点に着目した。そして、ろう材（ワイヤ）の供給方向を工夫することで、上記課題を解決できるのではないか、との着想に至った。
【０００９】
［課題解決手段１］実施例１に対応する本発明は、装置の発明として、レーザビームを発振するレーザ発振器と、ろう材を供給するろう材供給機構と、前記レーザビームの光軸及び前記ろう材の供給方向を三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッドと、このレーザ加工ヘッドと協調して前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に相対移動させる部材保持機構とを備えている。
そして、レーザ加工ヘッドは、前記供給方向について、所定の進行方向面と所定の供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲としている。ここで、前記進行方向面は、前記進行方向と前記レーザビームの前記光軸とを含む平面に属している。前記供給方向面は、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属している。
さらに、当該レーザ加工ヘッドが、前記ねじり角の前記角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する供給部を備えた、という構成を採っている。
これにより、上記課題１を解決した。
［課題解決手段２］また、実施例１に対応する本発明は、方法の発明として、レーザビームを発振する工程と、このレーザビームを部材に向けて集光する工程と、この集光と並行して、ろう材を前記部材に向けて所定の供給方向にて供給する工程と、この集光及び供給と並行して、前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に連続的に相対移動させることで、前記部材を接合する工程とを備えている。
ここで、進行方向面を、前記進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面に属させて、供給方向面を、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属させる。
そして、前記ろう材の前記供給方向を、前記進行方向面と前記供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向とする。
さらに、ろう材を供給する工程は、前記ねじり角の角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する、という構成を採っている。
これによっても、上記課題１を解決した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、本明細書の記載及び図面を考慮して各請求項記載の用語の意義を解釈し、各請求項に係る発明を認定すると、各請求項に係る発明は、上記背景技術等との関連において次の有利な効果を奏する。
【００１１】
［発明の作用効果１］ 課題解決手段１のレーザろう付け装置又は方法は、供給部又は供給工程が、ねじり角の前記角度範囲内で供給方向からろう材を部材に向けて供給し、このねじり角は、進行方向面と供給方向面との成す角であって、進行方向面を、進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面とし、供給方向面を、基本軸と供給方向とを含む平面としたため、供給部は、照射点を含む部材の平面にて、進行方向とは重ならない方向からろう材（ワイヤ）を供給する。
すなわち、供給部は、ろう材の影となる方向がろう付けの進行方向と一致しなくなるような方向から、ろう材（ワイヤ）を供給する。
これにより、部材のろう付け進行方向前方の領域に対し、接合前にレーザビームが直接照射されるようになり、ろう材の溶融に先立って表面処理皮膜、油等の蒸発が行われるため、溶融池内に侵入する蒸気が少なくなると考えられる。
このため、本発明は、ブローホール及びピット等の溶接欠陥の発生を抑制または防止できるものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の構成例を示す説明図である。（実施例１）
【図２】レーザ加工ヘッドの構成例を示す正面図である。（実施例１）
【図３】前進角を０度とした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図４】前進角を０度より大きくした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図５】後退角を０度より大きくした状態の配置関係例を示す斜視図である。（実施例１）
【図６】レーザ照射領域の幅とろう材の直径との関係例を示す平面図である。（実施例１）
【図７】レーザ照射領域の軌跡とろう材の直径との関係例を示す平面図である（実施例１）
【図８】レーザ照射領域での溶融池等の状態の一例を示す正面図である。（実施例１）
【図９】図９（Ａ）及び（Ｂ）はろう材の接触角の一例を示す説明図である。（実施例１）
【図１０】図１０（Ａ）及び（Ｂ）はろう材の接触角の他の例を示す説明図である。（実施例１）
【図１１】ねじり角毎とブローホールの個数との関係例を示すグラフ図である。（実施例１）
【図１２】トランクリッドをろう付けした一例を示す説明図である（実施例１）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明を実施するための形態として、１つの実施例を開示する。実施例１はレーザろう付け装置及びレーザろう付け方法である。
【実施例１】
【００１４】
＜1 レーザろう付け装置及び方法＞
＜1.1 ねじり角＞
本実施形態の実施例１を開示する。実施例１は、ブローホール等の溶接欠陥の発生を防止するために、ろう材２２の供給方向FDを工夫したものである。
【００１５】
レーザろう付け装置は、その主要な要素として、レーザ発振器１０と、ろう材供給機構１２と、レーザ加工ヘッド１４と、部材保持機構１６と、供給部１８とを備えている。
図１に示す例では、さらに、レーザ照射部１９と、制御部２４とを備えている。
【００１６】
レーザ発振器１０は、レーザビームLBを発振する。レーザ発振器１０はＹＡＧレーザやＣＯ２レーザのほか、半導体レーザとしても良い。ろう材供給機構１２は、部材２０のレーザ照射領域PPに向けてろう材２２を供給する。ろう材２２はどのような種類の物でも良い。レーザ加工ヘッド１４は、レーザビームLBの照射点IP及び前記ろう材２２の供給方向FDを三次元空間にて調節する。
【００１７】
レーザ加工ヘッド１４は、図２に示すように、ろう材２２の供給方向FDを調節しつつろう材２２を供給する供給部１８と、レーザビームLBを照射するレーザ照射部１９とを備えている。レーザ加工ヘッド１４は、制御部２４からの指令に応じてレーザ照射部１９の位置を駆動すると共に、供給部１８による供給方向FDを変化させる図示しないロボットを備えると良い。
レーザ照射部１９は、図１及び図２に示すように、レーザビームLBを集光し、部材２０に照射する。集光点CPは、レーザ照射部１９の集光レンズによりレーザビームLBのスポット径SDが最も小さくなる点である。照射点IPは、レーザビームLBの光軸AXと部材２０（の表面）との交点である。レーザ照射領域PPは、照射点IPを含み当該照射点IPの近傍にてレーザビームLBが照射される部材表面の領域である。レーザ照射部１９は、照射点IPにレーザビームLBを照射して、供給されたろう材２２を溶融させ、部材２０を接合する。
【００１８】
部材保持機構１６は、レーザ加工ヘッド１４と協調して、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに相対移動させる。進行方向MDは、ろう付けの軌道である。一般的には、部材保持機構１６が部材２０を静止状態で保持し、レーザ加工ヘッド１４が照射点IPを三次元空間内の１点に調節して、ろう付けを開始する。続いて、レーザ加工ヘッド１４及びレーザ照射部１９を移動させることで、照射点IPをろう付けの進行方向MDに進行させる。
また、レーザ加工ヘッド１４を静止状態として、部材保持機構１６が部材２０を進行方向MDの逆方向に移動させることで、照射点IPを進行方向MDに進行させるようにしても良い。さらに、部材保持機構１６とレーザ照射部１９との双方を同時に移動させることで、部材２０の相対移動を実現するようにしても良い。
このレーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６の作用により、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに相対移動させることができる。
【００１９】
前記レーザ加工ヘッド１４は、前記供給方向FDについて、所定の進行方向面MDPと所定の供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲とする。すなわち、供給部１８は、ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給する。ねじり角TAは、図１に示すように、進行方向面MDPと、供給方向面FDPとの成す角である。
【００２０】
前記進行方向面MDPは、前記進行方向MDと、前記レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属する。
そして、前記供給方向面FDPは、基本軸BXと、前記供給方向FDとを含む平面に属する。基本軸BXは、進行方向面MDPにて、前記照射点IPを通り前記進行方向MDと直交する軸である。図１に示す例では、基本軸BXと光軸AXとは同一直線上にある。
そして、ろう材２２の供給方向FDは、ねじり角TAを例えば５度以上９０度以内とすると良い。５度未満では、レーザ照射領域PPにてろう材２２の影となる部分が大きく、溶接不良の抑制が十分とならない。また、ねじり角TAの最大角度は、例えば、９０度としても良い。ねじり角は、より好ましくは、１０度以上１５度以内とすると良い。
供給方向面FDPにて、部材２０（の表面）とろう材の供給方向FDとの成す角を供給角SAとする。この供給角SAは、部材２０と供給部１８との干渉を避けるために、２０度以上とすると良く、ろう材２２（ワイヤ）が部材２０に突き刺さる供給不良の発生を防止するために７０度以下とすると良い。
【００２１】
制御部２４は、レーザ発振器１０のレーザ発振のパワー（出力）と、そのオン・オフとを制御する。また、制御部２４は、ろう材供給機構１２でのろう材２２の供給速度を制御する。制御部２４は、レーザ加工ヘッド１４のレーザ照射部１９の位置決めと、集光レンズの位置の駆動制御により集光点CP等を位置決めする。また、レーザ照射部１９の姿勢を制御することで、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を調整する。制御部２４は、さらに、供給部１８の姿勢を制御することで、供給方向FDを制御する。また、制御部２４は、レーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６を制御することで、レーザ照射領域PPを進行方向MDに進行させる。
【００２２】
図３から図５を参照すると、レーザビームLBは、進行方向面MDP内にて、前進角AAや後退角BAを有することがある。
図３は、レーザビームLBの光軸AXと、基本軸BXとが同一の直線に属する例である。この例では、供給方向面FDPを、ろう材２２の中心軸（供給方向FD）と、レーザビームLBの中心軸（光軸AX）とを含む面と定義することができる。そして、進行方向面MDPを、ろう付けの進行方向MDとレーザビームLBの中心軸（光軸AX）とを含む面と定義することができる。そして、ねじり角TAは、供給方向面FDPと、進行方向面MDPとの成す角である。
【００２３】
図４に示す例では、進行方向面MDPと、供給方向面FDPとは、図３に示す例と同様である。しかし、レーザビームLBの光軸AXが、進行方向面MDP内で、照射点IPを中心として、進行方向MD側に傾いている。この傾きを前進角AAという。この例でも、進行方向面MDPは、進行方向MDと、レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属すると定義できる。一方、供給方向面FDPは、図４に示す基本軸BXと、供給方向FDとを含む平面に属すると定義することができる。すなわち、ねじり角TA及び供給方向面FDPは、光軸AXの前進角AA(及び後退角BA)に依存して傾斜することはない。また、進行方向面MDPと供給方向面FDPとは基本軸BXで交わる。
【００２４】
図５に示す例では、図４とは逆に、レーザビームLBの光軸AXが、進行方向面MDP内で、照射点IPを中心として、進行方向MDの逆側に傾いている。この傾きを後退角BAという。後退角BAが０度より大きい際には、前進角AAが０度より大きい場合と同様に、供給方向面FDPは基本軸BXと供給方向FDとを含む平面に属し、当該平面は、光軸AXを含まない。
【００２５】
図３から図５に示す例では、進行方向MDをX軸、基本軸BXをZ軸とすると、照射点IPはZ軸上にある。この三次元空間では、進行方向面MDPはX軸とZ軸からなる平面（Y = 0）であり、供給方向面FDPは進行方向面MDPをZ軸周りにねじり角TA分回転させた平面となる。
【００２６】
図６を参照すると、本実施例の構成によれば、部材２０の接合部分２６となるろう付けビード形成領域のほとんどに、ろう材２２の溶融前にレーザビームLBが到達する。特に、図６の符号２１Ａで示す領域のように、レーザビームLBの進行方向MDにて、ろう材２２の影とならずに部材２０にレーザビームLBが直接照射される。また、符号２１Ｂで示す領域にように、ろう材２２の影となった部分についても、その直後にレーザビームLBが直接照射される。
【００２７】
すると、ろう材２２の溶融に先立って、部材２０の表面処理層３１（例えば、亜鉛めっき層）、油・ゴミ３０等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなる。このため、ブローホール及びピットを効果的に減少させることができる。
【００２８】
また、図６及び図７に示すように、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWは、ろう材２２の幅（直径DI）に対して２倍以上から３倍以内に設定すると良い。ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給し、かつ、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWをろう材２２の直径DIの２倍以上３倍以内とすることによって、接合前の時点にて部材２０にレーザビームLBを直接照射する領域をより拡大することができる。
【００２９】
図３から図７に示す例では、ねじり角TAについいて、進行方向MDを正面とした際の右側とし、当該右側（図６中下側）からろう材２２を供給しているが、左側（図６中上側）としても良い。
また、ねじり角TAを確保しようとすると、部材２０とろう材２２とが干渉するような際には、進行方向面MDPをX軸中心として傾けると良い。この場合、基本軸BXも同一角度で傾き、進行方向面MDPと供給方向面FDPとの成す角を維持することができる。
【００３０】
例えば、自動車部材等の連続的なレーザろう付けでは、ろう付け軌道が直線ではなく、折れ曲がりが含まれることがある。折れ曲がりの方向は、デザインや機能の要件を満たすべく任意に設定されうる。
このような折れ曲がり部分では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を一定に維持するのが困難であるが、本実施例では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、溶融池３２が形成される領域にレーザビームLBを直接到達させて、溶融池３２に侵入する蒸気を少なくすることができるため、折れ曲がり部分においてもブローホールやピット等の溶接欠陥の発生を防止できる。
【００３１】
図８に示すように、レーザビームLBは、ろう材２２の溶融に先立って、部材２０の油・ゴミ３０や、表面処理層３１を直接照射する。これにより、表面処理層３１等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなる。このため、ブローホール及びピットが減少する。図９では、説明のために溶融池３２内に蒸気２８を含ませているが、レーザ照射領域PPにて、表面処理層３１と溶融池３２との間にレーザビームLBが直接照射され、十分に蒸発するため、実際には、溶接欠陥に直結するような溶融池３２への蒸気２８の進入を有効に防止することができる。溶融池３２は、凝固することで、接合部分２６となる。
【００３２】
図９を参照すると、図９（Ａ）に示す比較例と比較して、本実施例によれば、部材２０の予熱効果が高まるため、図９（Ｂ）に示すように、ろう材２２の接触角CA（濡れ角）が小さくなる。ろう材２２の接触角CAが小さくなると、脚長FL（ぬれ長さ）が向上し、フィレット直径も拡大するため、疲労強度を向上させることができる。そして、この接触角CAを小さくさせるために、ヒーターや予熱用のレーザなどを特別に追加する必要はなく、ねじり角TAを有する方向からろう材２２を供給することで実現可能である。
図１０を参照すると、同様に、本実施例によれば、部材２０の予熱効果が高まるため、図１０（Ａ）に示す比較例と比較して、図１０（Ｂ）に示す本実施例では、ろう材２２の接触角CAが小さくなり、脚長FLが向上し、疲労強度を向上させることができる。
【００３３】
さらに、本実施例では、部材２０の表面に対するレーザビームLBの光軸AXの相対姿勢を一定としなくても、ろう材２２溶融に先立って表面処理層３１等を蒸発させるという効果を得ることができるため、ろう付け軌道の折れ曲がり部に対しても、ブローホール及びピットの防止を期待することができる。
【００３４】
再度図１を参照して、本実施例によるレーザろう付け方法を説明する。まず、レーザ発振器１０は、レーザビームLBを発振する（レーザ発振工程）。レーザ加工ヘッド１４のレーザ照射部１９は、このレーザビームLBを部材２０に向けて集光する（集光工程）。集光工程では、集光点CPの位置を調整し、上述のように、レーザ照射領域PPの軌跡３４の幅PPWが、ろう材２２の幅（直径DI）に対して２倍以上から３倍以内になるように設定すると良い。そして、集光工程では、レーザ照射部１９の姿勢を制御することで、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を調整する。この相対姿勢の調整により、前進角AA又は後退角BAや、進行方向MD（X軸）周りの回転を定めることができる。
レーザ加工ヘッド１４の供給部１８は、この集光工程と並行して、ろう材２２を前記部材２０に向けて所定の供給方向FDにて供給する（ろう材供給工程）。レーザ加工ヘッド１４及び部材保持機構１６が、この集光工程及びろう材供給工程と並行して、前記レーザビームLB及び前記ろう材２２に対して前記部材２０を進行方向MDに連続的に相対移動させる。これにより、前記部材２０を接合する（接合工程）。
【００３５】
そして、本実施例では、まず、進行方向面MDPを、前記進行方向MDと前記レーザビームLBの光軸AXとを含む平面に属させる。そして、供給方向面FDPを、前記進行方向面MDP面内の直線であって、前記レーザビームLBの前記光軸AXと前記部材２０とが交わる照射点IPを通り前記進行方向MDと直交する基本軸BXと、前記供給方向FDとを含む平面に属させる。
そして、ろう材２２の供給方向FDを、前記進行方向面MDPと前記供給方向面FDPとの成す角であるねじり角TAを予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向とする。
さらに、前記ろう材供給工程が、前記ねじり角TAの角度範囲内で前記供給方向FDから前記ろう材２２を前記部材２０に向けて供給する。この角度範囲は、１０度以上９０度以内とすると良く、より好ましくは、１０度以上１５度以内とすると良い。
図６及び図７に示すように、レーザ照射領域PPおよびレーザ照射領域PPの軌跡３４にて、進行方向MD側にてろう材２２が部材２０を隠さず、レーザビームLBが直接に部材２０に照射される。これにより、図８に示すように、部材２０の接合前に油・ゴミ３０や表面処理層３１を十分に蒸発させ、溶融池３２に蒸気２８が進入することを有効に防止することができる。このため、溶融池３２内の蒸気２８を原因とするブローホールやピット等の溶接欠陥の発生を有効に防止することができる。
その他、レーザろう付け装置に関する開示は、レーザろう付け方法についての開示として援用し、重複説明を省略する。
【００３６】
・1.1 ねじり角の効果
上述のように、ろう材２２の供給方向FDについて、ねじり角TAを設定したため、部材２０のろう付けの軌道にレーザが直接到達する。このため、ろう材２２（ワイヤ）の溶融に先立って、部材２０の表面処理層３１等が蒸発し、溶融池３２内に進入する蒸気２８が少なくなり、ブローホール及びピットの発生を減少させることができる。
さらに、本実施例では、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、レーザビームLBがろう付けの進行方向MDの前方の領域に直接到達するため、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、ブローホール及びピットの発生を抑制または防止できるものと期待できる。
そして、部材２０のろう付けの進行方向MDの前方領域が十分に予熱されるために、溶融したろう材２２の接触角CA（濡れ角）が減少し、ぬれ長さが拡大すると考えられる。このため、外観上の盛り上がりが発生しなくなるうえ、疲労強度の向上を期待することができる。
さらに、ねじり角TAを設定するのみであるため、ろう付けの進行方向MD（軌道）に折れ曲がり部があっても、ブローホール及びピットの発生を効果的に抑止することができる。
【００３７】
＜1.2 ねじり角を１０度から１５度＞
図１１に、亜鉛めっき鋼板を、本実施例の手法（装置及び方法）でろう付けした結果を示す。図１１に示す例では、ねじり角TAを０度から１５度まで５度間隔とし、また、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢について、前進角AAを０度（図３）、前進角AAを１０度（図４）及び後退角BAを１０度（図５）として、それぞれのブローホールの個数（個／50 [mm]）を計数した。
図１１に示した元のデータを表１（Ａ）に示す。このデータは、２回の測定の平均値である。また、図１１に示した測定の溶接条件を表１（Ｂ）に開示する。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図１１に示すように、ろう材２２（ワイヤ）を供給する際のねじり角TAを１０度以上付与すると、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢にかかわらず、ブローホールが減少することを確認した。このため、本実施例では、任意にレーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢を定めることができる。
また、図１１に示す結果から、本実施例での装置及び方法では、前記ねじり角TAの角度範囲を、前記進行方向MDを０度として１０度以上１５度以内とすることが望ましい。
【００４０】
・1.2 ねじり角を１０度から１５度の効果
上述のように、ねじり角TAを１０度以上１５度以内とすることで、ブローホールの個数を減少させることができ、そして、レーザビームLBの光軸AXの部材２０に対する相対姿勢に依存せずブローホールの個数を減少させることができる。
【００４１】
＜1.3 折れ曲がり部分＞
図１２に、接合の軌道に折れ曲がり部分のあるトランクリッドを本実施例の手法（装置及び方法）によりろう付けした結果を示す。ねじり角TAを１０度以上から１５度以内とした。
【００４２】
・1.3 折れ曲がり部分の効果
ねじり角0度に設定した場合は、ろう付けの軌道の折れ曲がり部におけるピット発生率は10%以上であったが、ねじり角10度以上15度以内に設定した場合は、ろう付けの軌道の折れ曲がり部におけるピット発生率は1%以下であった。
【符号の説明】
【００４３】
１０ レーザ発振器
１２ ろう材供給機構
１４ レーザ加工ヘッド
１６ 部材保持機構
１８ 供給部
１９ レーザ照射部
２０ 部材
２２ ろう材
２４ 制御部
２６ 接合部分
２８ 蒸気
３０ 油・ゴミ
３１ 表面処理層
３２ 溶融池
３４ 部材表面のレーザ照射領域の軌跡
LB レーザビーム
IP 照射点
PP 部材表面のレーザ照射領域
PPW 部材表面のレーザ照射領域の軌跡の幅
CP 集光点
FD 供給方向
MD 進行方向
AX 光軸
BX 基本軸
TA ねじり角
MDP 進行方向面
FDP 供給方向面
SD スポット径
DI 直径
AA 前進角
BA 後退角
CA 接触角
FL 脚長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
ろう材を供給するろう材供給機構と、
前記レーザビームの光軸及び前記ろう材の供給方向を三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッドと、
このレーザ加工ヘッドと協調して前記レーザビーム及び前記ろう材に対して部材を進行方向に相対移動させる部材保持機構とを備え、
前記レーザ加工ヘッドは、前記供給方向について、所定の進行方向面と所定の供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲とし、
前記進行方向面が、前記進行方向と前記レーザビームの前記光軸とを含む平面に属し、
前記供給方向面が、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属し、
当該レーザ加工ヘッドが、前記ねじり角の前記角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する供給部を備えた、
ことを特徴とするレーザろう付け装置。
【請求項２】
前記ねじり角の角度範囲を、前記進行方向を０度として１０度以上１５度以内とした、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザろう付け装置。
【請求項３】
レーザビームを発振する工程と、
このレーザビームを部材に向けて集光する工程と、
この集光と並行して、ろう材を前記部材に向けて所定の供給方向にて供給する工程と、
この集光及び供給と並行して、前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に連続的に相対移動させることで、前記部材を接合する工程とを備え、
前記ろう材を供給する工程が、
進行方向面を、前記進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面に属させて、
供給方向面を、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属させるとした際に、
前記ろう材の前記供給方向を、前記進行方向面と前記供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向として、
前記ねじり角の角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する、
ことを特徴とするレーザろう付け方法。
【請求項１】
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
ろう材を供給するろう材供給機構と、
前記レーザビームの光軸及び前記ろう材の供給方向を三次元空間にて調節するレーザ加工ヘッドと、
このレーザ加工ヘッドと協調して前記レーザビーム及び前記ろう材に対して部材を進行方向に相対移動させる部材保持機構とを備え、
前記レーザ加工ヘッドは、前記供給方向について、所定の進行方向面と所定の供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲とし、
前記進行方向面が、前記進行方向と前記レーザビームの前記光軸とを含む平面に属し、
前記供給方向面が、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属し、
当該レーザ加工ヘッドが、前記ねじり角の前記角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する供給部を備えた、
ことを特徴とするレーザろう付け装置。
【請求項２】
前記ねじり角の角度範囲を、前記進行方向を０度として１０度以上１５度以内とした、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザろう付け装置。
【請求項３】
レーザビームを発振する工程と、
このレーザビームを部材に向けて集光する工程と、
この集光と並行して、ろう材を前記部材に向けて所定の供給方向にて供給する工程と、
この集光及び供給と並行して、前記レーザビーム及び前記ろう材に対して前記部材を進行方向に連続的に相対移動させることで、前記部材を接合する工程とを備え、
前記ろう材を供給する工程が、
進行方向面を、前記進行方向と前記レーザビームの光軸とを含む平面に属させて、
供給方向面を、前記進行方向面内の直線であって、前記レーザビームの前記光軸と前記部材とが交わる照射点を通り前記進行方向と直交する基本軸と、前記供給方向とを含む平面に属させるとした際に、
前記ろう材の前記供給方向を、前記進行方向面と前記供給方向面との成す角であるねじり角を予め定められた０度を超える角度範囲内とした方向として、
前記ねじり角の角度範囲内で前記供給方向から前記ろう材を前記部材に向けて供給する、
ことを特徴とするレーザろう付け方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−３１２９８（Ｐ２０１１−３１２９８Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８３１２０（Ｐ２００９−１８３１２０）
【出願日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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