JP2008119750A

JP2008119750A - レーザーろう付け方法

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Publication number: JP2008119750A
Application number: JP2007293423A
Authority: JP
Inventors: Niclas Palmquist; パルムクイストニクラス; Per Lindahl; リンダルペール; Urban Todal; トダルアーバン; Esa Laurila; ローリラエサ; Glen Hopkins; ホプキンスグレン; Martin Stroemblad; ストロームブラドマーティン
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2008-05-29
Also published as: CN101254562B; US7875827B2; EP1920864B1; CN101254562A; EP1920864A1; US20090114625A1

Abstract

【課題】レーザーろう付け処理を行った後の表面破壊孔が低減又は完全になくなる効率的なレーザーろう付け方法を提供する。
【解決手段】レーザーろう付けヘッド18は、第一レーザー・ビーム20′と第二レーザー・ビーム22′を生成する手段を持つ。そして、本レーザーろう付け方法は、第一部材10を第二部材12と、両部材間に接合部16が形成されるように接触させる工程、接合部16の近傍に充填材14を供給する工程、及び、第一レーザー・ビーム20′が、ろう付け結合部24を形成すべく接合部16を少なくとも部分的に満たすために充填材14を溶融させるよう、接合部16に沿ってレーザーろう付けヘッド18を動かし、第二レーザー・ビーム22′がろう付け結合部24に後熱処理を施す工程を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ろう付けされた結合部における欠陥を低減、或いは、削減する為に、後熱処理を使用するレーザーろう付け方法に関する技術分野に属する。

ろう付けは、二つの面をぴったり合った状態で結合するために使用される一般的な技術である。それは、金属又は合金のような充填材を二つの面の間の接合部に配置する工程と、その充填材が溶融するように加熱する工程を含む。その後、充填材は接合部の中に少なくとも部分的に流入し、ろう付け結合部を形成すべく固化し、その結果、二つの面が堅く結合される。充填材及び面を構成する金属は、その接触面で互いに部分的に融解し、分子レベルにおける強固な結合をもたらす。

正確で調整可能な加熱を提供することが出来るレーザーろう付けにおいては、充填材がレーザーを用いて加熱される。しかしながら、現行のレーザーろう付け処理の問題の一つが、充填材が孔を形成し、それらの幾つかが、ろう付け結合部の表面を破壊し得ることである。従来のレーザーろう付け処理を用いると、ろう付け結合部の２％〜４％が表面破壊孔を有すると推測される。このような表面破壊孔は、充填材の中の少量の不純物、面内の不純物又は欠陥、及び、レーザーろう付け処理そのものに拠ってもたらされると考えられる。充填材の中の不純物及び面内の不純物を低減することにより、表面破壊孔の割合は２％程度まで下げられ得る。表面破壊孔は、ろう付け結合部に対する機械的な作業（例えば、研磨、研削、及び、注入）によって削減され得るが、この技術は多大な時間を必要とし、そして、大きな労働力を要する。ろう付け結合部内の孔は、結合部の物理的特性（例えば、強度）に対する悪影響をもつ傾向があり、そして、表面破壊孔は、滑らかな仕上げを必要とする適用例において特に問題となる。更に、従来のレーザーろう付けにおいては、充填材の表面に、それが冷えたとき、リング模様又は矢筈模様が形成され得る。

特許文献１が、高い熱容量を持つワークピースが第二のレーザー・ビームによって半田付けされる前に第一のレーザー・ビームによって予熱されるように、レーザー・ビームが分割される、半田付け技術を開示する。これは、ワークピースの急激な部分的加熱に付随する問題を解決する。

特許文献２が、欠陥のある結合部を再溶融するためレーザー加熱を使用することによって、ろう付け部にあるピンホールを除去する方法を開示する。

特許文献３が、レーザー・ビーム溶接機及びティグ（TIG）溶接機を有し、ティグ溶接機が、レーザー溶接機から得られるビードの一部を再溶融するために使用されるシステムを開示する。
特開平０７−２１１４２４号公報特開昭６３−１６８２７２号公報米国特許出願公開第２００４／００９９６４号明細書

しかしながら、ろう付け結合部内の孔形成、及び、望ましくない表面パターンが低減され得、特に、表面破壊孔の存在が低減又は完全に削除され得る、レーザーろう付けのための効率的な方法が、依然として必要である。これは、塗装される予定のろう付け結合部においては、塗装後に表面の凹凸や表面破壊孔がはっきりとそれと分かる場合があるので、特に重要である。また、シンプルで、経済的な解決法を提供すべきであり、そして、現存する処理、具体的には、大量生産品に使用される高速処理に容易に適合される必要がある。

本発明は、レーザーろう付けヘッドを使用して第一の部材を第二の部材にレーザーろう付けするための方法を提供する。レーザーろう付けヘッドは、第一レーザー・ビームを供給する第一手段、及び、第二レーザー・ビームを供給する第二手段を持つ。そして、本発明の方法は、a)第一部材を第二部材と接触させて、それらの間に接合部が形成されるように接触配置する工程、b)接合部の近傍に充填材を供給する工程、及び、c)ろう付け結合部を形成すべく接合部を少なくとも部分的に満たすため第一レーザー・ビームが充填材を溶融させ、そして、第二レーザー・ビームがろう付け結合部の後熱処理をもたらすように、レーザーろう付けヘッドを接合部に沿って動かす工程、を有する。

第一レーザー・ビームによって提供される単位面積あたりのエネルギー（＝強度）が、第二レーザー・ビームによって提供される単位面積あたりのエネルギー以上であることが、好適である。例えば、第一レーザー・ビームによって提供される単位面積あたりのエネルギー（＝強度）が、第二レーザー・ビームによって提供される単位面積あたりのエネルギーの２倍、５倍、又は、１０倍であり得る。

上記レーザーろう付け方法においては、充填材が、第一レーザー・ビームによって溶融された後で且つ、第二レーザー・ビームによって後熱処理される前に固化され得ることが望ましい。

第一レーザー・ビーム及び第二レーザー・ビームを供給する第一手段及び第二手段は、独立したレーザー源に個別に連結され得る。或いは、第一手段及び第二手段は、単一のレーザー源に連結される場合がある。

実施形態の一つにおいて、充填材は、銀、錫、銅、亜鉛、アルミニウム、及び、それらの合金から構成される群から選択される。

レーザーろう付けヘッドは、毎分０．２メートル(m/min)乃至８メートル(m/min)の間、好ましくは、毎分１メートル(m/min)乃至３．５メートル(m/min)の間の、適切な速度で接合部に沿って動かされる。そして、第一レーザー・ビームと第二レーザー・ビームとが接合部に到達する位置における、第一レーザー・ビームと第二レーザー・ビームとの、レーザーろう付けヘッドの移動方向に沿った中心間の距離Ａは、１ミリメートル（mm）乃至５０ミリメートル(mm)の間、好ましくは、３ミリメートル（mm）乃至１５ミリメートル（mm）の間である。

更に、フラックスが接合部の近傍に供給される場合がある。具体的な実施形態において、ろう付けヘッドはまた、接合部の近傍に充填材を供給する手段を有する。

ここで、「ろう付け」という言葉は、二つの材料を結合する方法のことを指す。充填材は、二つの材料の間の接合部に導かれ、その後、ろう付け結合部を形成すべく溶融される。ろう付けと半田付けの違いは、半田付けで使用される充填材（半田）が低い融点を持つことであるが、本発明において「ろう付け」は、半田付け処理と、ろう付け処理の両方を含む。

図１乃至図３は、本発明に従った一般的な方法を示す。この方法の第一の工程は、第一部材10を第二部材12に、それらの間に接合部16が形成されるように接触して配置することである。

図１は、第一部材10及び第二部材12が、それらの端部において互いに隣接する単純な構造（ビーム・トラップ・シーム： beam trap seam）を示す。しかしながら、二つの部材10、12をそのように配置することは重要ではなく、そして、それらは、一方の部材の端部が他方の大きな面に隣接するように配置される場合もあれば（フィレ・シーム： fillet seam（図６を参照））、オーバーラップする態様で隣接する場合もある（エッジ・シーム： edge seam（図７を参照））。最も強固なろう付け結合部24を得るためには、第一部材10及び第二部材12の表面は、きれいで、且つ、実質的に酸化物の無い状態にされる必要がある。

第一部材10及び第二部材12は、ろう付け処理に適合可能であれば如何なる材料からも作られ得る。二つの部材10,12は、ろう付けに特に適した、鉄又はその合金から作られるのが好ましい。アルミニウム、銅、亜鉛、及び、それらの合金もまた、本発明の方法によって、ろう付けされ得る。第一部材10及び第二部材12は、同じ材料である必要はない。例えば、第一部材10が鋼鉄から作られる一方、第二部材12がアルミニウムから作られる場合がある。

図２に示すように、充填材14が、第一部材10と第二部材12との間の接合部16の近傍に供給される。充填材14は、本技術分野において既知のいずれかの方法によって置かれ得る。好ましくは、充填材14は、接合部16の近傍に供給されるワイヤーの形式である。充填材14は接合部16に沿って連続的に供給される必要はないが、充填材14が接合部16に沿って連続的に供給されるとき、より良い効果が得られる場合がある。

図５に示す代替案の一つにおいて、ろう付けヘッド18はまた、接合部16の近傍に充填材14を供給する手段30を有する。したがって、充填材14が供給され、その結果、レーザーろう付けヘッド18の移動方向に沿ったろう付け結合部24となり得る。ライン・フィード（line feed）が、充填材14を供給する為に使用可能である。

本発明においては種々の充填材14が使用可能である。充填材14の選択は、ろう付けされる材料に依存するのが通常である。銀、錫、銅、亜鉛、アルミニウム、及び、それらの合金が、充填材14として特に適切である。これらの金属の互いの合金もまた、適切である。銅合金が、充填材料14として特に適切である。

或る特定の状況では、充填材14を供給する手段30と第一及び第二部材10,12との間に低い電圧をかけることが望ましい結果をもたらす。これは、充填材14の中に電流を流し、それにより加熱する。そのようにして、充填材14が予め暖められる。これは、充填材14の柔軟性を増し、充填材14の敷設を補助する。同時に、後に続くレーザーろう付けが改善され、充填材14の急な局所加熱に起因する欠陥が低減され得る。

充填材14が接合部16の近傍に供給されると、レーザーろう付けヘッド18が接合部16に沿って動かされる（図３を参照）。レーザーろう付けヘッド18は、第一レーザー・ビーム20′を供給する為の第一手段20、及び、第二レーザー・ビーム22′を供給する為の第二手段22を持つ。

第一レーザー・ビーム20′及び第二レーザー・ビーム22′を供給する第一手段20及び第二手段22は、独立したレーザー源（不図示）に個別に連結され得る。これらのレーザー源は、レーザーろう付けヘッドそれ自体の中に配置される必要は無いが、そうされる可能性もある。レーザーろう付けヘッド18の重量を低減する目的で、独立したレーザー源が、レーザーろう付けヘッド18の中では無いどこか別のところに配置され、光ファイバー又は他の光学システムによって第一手段20及び第二手段22に連結されるのが好ましい。

あるいは、第一及び第二レーザー・ビーム20′,22′を供給する第一および第二手段20,22は両方とも単一のレーザー源に連結される場合がある。換言すれば、単一のレーザー源が適切な光学機械を用いて分割され、そして、出力が第一及び第二手段20，22に連結される。ビーム分割は、本技術分野の当業者によって理解されるように、標準的な光学機械を使用することにより実行可能である。繰り返しになるが、単一のレーザー源はレーザーろう付けヘッド18それ自体の中に置かれる必要はなく、重量低減を目的に、レーザーろう付けヘッド18の中では無いどこか別のところに配置され、光ファイバー又は他の光学システムによって第一手段20及び第二手段22に連結される。この実施形態は、単一のレーザー源のみが必要とされる利点を有し、ろう付け処理におけるエネルギー節約を与える。さらに、この実施形態によれば、本発明に従ったレーザーろう付けヘッド18を提供するための適切な光学機械を備えることにより、単一のレーザー源を備えた通常のレーザーろう付けヘッド18が容易に再構築され得る。

レーザーろう付けヘッド18は、第一レーザー・ビーム20′が、ろう付け結合部24を形成するために接合部16を少なくとも部分的に満たすべく充填材14を溶融させるように、接合部16に沿って動かされる。その後、第二レーザー・ビーム22′が、ろう付け結合部24の後熱処理をもたらす（図３を参照）。図４は、図３のIV−IVに沿った断面図を示す。

そのような後熱処理を備えることにより、概して孔が少なく、そして、表面破壊孔の少ない或いは無い、ろう付け結合部24が生成され得る。ろう付け結合部24に大きな改善を提供するのに、レーザーろう付けヘッド18の接合部16全体に亘る単一の移動で十分である。さらに、単一のレーザーろう付けヘッド18が高品質のろう付け結合部24を提供するために使用され得るという事実は、研磨や研削のような別の処理が必要ないということを意味する。本発明の方法は、ろう付け工程を含む既存の製造プロセスへの適合性が高い。

接合部16におけるレーザー・ビーム20′,22′の単位面積あたりのエネルギー（＝強度）は、ガウス分布を持つ。一方の端部から中心を通って他方に向かってレーザー・ビームを横断したとき、強度は中心における最大値に向かって連続的に増加し、中心を通った後は低下する。したがって、二つのレーザー・ビームの強度を比較するときに、このように比較することが重要である（即ち、第一レーザー・ビーム20′内の所定の点において実施された測定の結果は、第二レーザー・ビームの対応する点において実施された測定の結果と比較されなければならない）。

接合部16において第一レーザー・ビーム20′によって供給される単位面積あたりのエネルギー（＝強度）は、第二レーザー・ビーム22′によって供給される単位面積あたりのエネルギー以上であるべきである。例えば、第一レーザー・ビーム20′によって供給される単位面積あたりのエネルギーは、第二レーザー・ビーム22′によって供給される単位面積あたりのエネルギーの２倍、５倍、又は、１０倍であり得る。そのような設定は、第二レーザー・ビーム22′が、充填材14を完全に溶融させるよりむしろ、後熱処理のみを供給することを確かなものとする。

図８は、接合部16の表面における二つのレーザー・ビーム20′,22′の相対位置を示す。この図８において、レーザーろう付けヘッド18の移動方向が、矢印で示される。接合部16の表面におけるレーザー・ビーム20′,22′の中心間の距離（レーザーろう付けヘッド18の移動方向に沿った距離）は、矢印Ａで示される。後で説明する或る特定の場合において、二つのレーザー・ビーム20′,22′の中心点が、レーザーろう付けヘッド18の移動方向に対して垂直の方向に互いにオフセットするのが望ましい。第一レーザー・ビーム20′及び第二レーザー・ビーム22′の径は、図８において夫々ｘ１及びｘ２で表わされていて、接合部16において２〜３ミリメートルが通常である。

レーザーろう付けヘッド18の速度、第一レーザー・ビーム20′及び第二レーザー・ビーム22′が接合部16の同じ部分に到達する時間間隔、及び、接合部16におけるレーザー・ビーム20′，22′間の距離Ａは、互いに関連し合っている。接合部16上のレーザーろう付けヘッド18の速い動きが、所定距離Ａの間隔を持つ二つのレーザー・ビーム20′，22′の接合部16の同じ部分への到達時間間隔を短くするだろう。

レーザーろう付けヘッド18は、毎分０．２ｍ〜８ｍ、好ましくは、毎分１ｍ〜３．５ｍの間の適切な速度で、接合部16に沿って移動させられる。そして、レーザー・ビーム20′，22′が接合部16に到達するところにおける、両ビーム20′，22′の中心間の距離Ａは、好ましくは１mm〜５０mm、より好ましくは、３mm〜１５mmである。

この設定は、第一レーザー・ビーム20′と第二レーザー・ビーム22′との間の充填材14がどうなるかを決定する。ろう付けヘッド18を接合部16の上を迅速に移動させること、或いは、相対的に小さな離間距離で二つのレーザー・ビーム20′，22′を設けることは、充填材14が第二レーザー・ビーム22′によって後熱処理される前に十分に固化されるのを可能としないであろう。充填材14が第一レーザー・ビーム20′によって溶融された後で、且つ、第二レーザー・ビーム22′によって後熱処理される前に固化されることが可能なとき、非常に望ましい結果が得られる。これは、レーザーろう付けヘッドを接合部16上で比較的ゆっくり（例えば、毎分２ｍ〜５ｍ）移動させること、或いは、レーザー・ビーム20′，22′間に大きな分離距離（例えば、１０mm〜３０mm）を設けることにより、達成され得る。

最適な結果は、レーザーろう付けヘッド18が毎分１ｍ乃至３．５ｍの間の速度で動き、そして、レーザー・ビーム20′，22′が３mm乃至１５mmの間の距離Ａによって離間しているときに、達成される。

第一部材10と第二部材12との異なる配置が、第一レーザー・ビーム20′及び第二レーザー・ビーム22′の異なる配置構造を必要とする。例えば、図７に示すようなエッジ・シームがろう付けされるとき、第一レーザー・ビーム20′は、第一部材10及び第二部材12の上部が下部よりも加熱されるように、方向付けされる。このようにして、充填材14が上方に向かって流れるよりむしろ、接合部16内に下方へ向かって流れる。その後、第二レーザー・ビーム22′は、ろう付け結合部24がその表面において直接的に後熱処理されるように、ろう付け結合部24自体の中に向かう。二つのレーザー・ビーム間のオフセットd（図８参照）が、所望の効果を提供する為に変えられ得る。

ろう付けは、ろう付け処理の間の酸化物の形成を妨げるフラックスの存在下で実施されることがしばしばある。したがって、本発明の方法に従った実施形態の一つにおいて、接合部16の近傍にフラックスが供給される場合もある。フラックスとして使用するのに好ましい材料は、ホウ砂ベースのフラックスである。しかしながら、標準的なレーザーろう付け技術は、処理速度が速すぎてフラックスが必要無いことが多い。

本発明のレーザーろう付け処理は、燃焼リスクを最小化するために不活性雰囲気で行われる場合がある。アルゴン、窒素、又は、ヘリウムが、不活性雰囲気として使用され得る。

レーザーろう付けの間、第一部材10及び第二部材12は共に固定され得る。あるいは、レーザーろう付けヘッド18は、第一部材10又は第二部材12に押圧力を与えるための手段（例えば、ホイールや指状突起）を備える。これは、第一レーザー・ビーム20′の処理の少なくとも前に、第一部材10又は第二部材12に当接するように配設される。これらの押圧ホイール又は指状突起は、第一及び第二部材10，12がろう付けされるときに蜜に接触するように、第一部材10及び第二部材12に均一な力を付与する。それらはまた、レーザーろう付けヘッド18が第一及び第二部材10，12からの設定距離を保持する一助ともなる。

レーザーろう付けヘッド18はまた、レーザーろう付けヘッド18が接合部16に対応する位置に留まるのを確かなものとするための、接合部16に沿って動く手段を有する場合がある。その最も簡易な形式において、これは、ろう付けの間、蓄音機の再生装置上を針が動くのと同じ要領で、接合部16に沿って動くように配置されたポインターを有する。より複雑な接点追跡手段が、レーザーろう付けヘッド18の接合部16との位置関係を保持するために使用される場合がある。

二つの材料をレーザーろう付けで一つにするために、鋼板材料、及び銅合金充填材つまりCuSi₃を用いるのが一般的である。二つの材料は、間隙の無い結合を形成するため、締め付けホイール、あるいは、可動/間欠回転（movable/indexing）の材料固定具によって、一緒に固定される。二つのスポットを持つビームは、通常、標準的なレーザー光学における楔レンズ（wedge lens）を使用し、ビームの一部（一般的に２０％）の光学経路を変更し、第二のスポットを作ることによって生成される。ろう付け速度に応じて、二つのスポット間の距離（上記距離Ａ）が最適な効果を得るべく調節される必要がある。毎分２ｍのろう付け速度において、シームの中心をたどる第二のビーム・スポットを用いて最適な結果を得るための、２つのスポット間の一般的な距離は、８〜１０mmである。

本発明は、ここに記述された実施形態及び図面によって限定されるものとして考慮されるべきではなく、本発明の範囲は、この記述を参照しながら、特許請求の範囲によって判断されるべきである。

本発明に従ったレーザーろう付け方法の一部（第一部材を第二部材と接触させる工程）を示す斜視図である。本発明に従ったレーザーろう付け方法の一部（接合部の近傍に充填材を供給する工程）を示す斜視図である。本発明に従ったレーザーろう付け方法の一部（充填材を溶融させかつ結合部に後熱処理を施す工程）を示す斜視図である。図３及び図５のIV−IV線に沿った断面図である。接合部の近傍に充填材を供給する手段を有するレーザーろう付けヘッドを用いた場合を示す図３相当図である。結合部の代替配置を示す斜視図である。結合部の更なる代替配置を示す図である。接合部の表面上における二つのレーザー・ビームの相対位置を示す図である。

符号の説明

10 第一部材
12 第二部材
14 充填材
18 レーザーろう付けヘッド
20 第一手段
20′ 第一レーザー・ビーム
22 第二手段
22′ 第二レーザー・ビーム
24 ろう付け結合部
30 充填材供給手段

Claims

第一レーザー・ビーム（20′）を供給する第一手段(20)、及び、第二レーザー・ビーム(22′)を供給する第二手段(22)を備えたレーザーろう付けヘッド(18)を使用して、第一部材（10）を第二部材（12）にレーザーろう付けする方法において、
上記第一部材（10）を上記第二部材（12）と、該両部材間に接合部（16）が形成されるように接触させる工程、
上記接合部（16）の近傍に充填材(14)を供給する工程、及び、
上記第一レーザー・ビーム（20′）が、結合部（24）を形成すべく上記接合部(16)を少なくとも部分的に満たすために上記充填材（14）を溶融させるよう、上記接合部(16)に沿って上記レーザーろう付けヘッド(18)を動かし、そして、上記第二レーザー・ビーム（22′）が上記結合部に後熱処理を施す工程、
を有するレーザーろう付け方法。
上記第一レーザー・ビーム(20′)によって供給される単位面積あたりのエネルギーが、上記第二レーザー・ビーム(22′)によって供給される単位面積あたりのエネルギー以上の大きさである、
請求項１に記載のレーザーろう付け方法。
上記充填材(14)が、上記第一レーザー・ビーム(20′)によって溶融された後で且つ、上記第二レーザー・ビームによって後熱処理される前に、固化することが可能である、
請求項１又は２に記載のレーザーろう付け方法。
上記第一手段（20）及び上記第二手段（22）が、別個のレーザー源に独立して連結されている、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記第一手段（20）及び上記第二手段（22）が、単一のレーザー源に連結されている、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記充填材(14)の材料が、銀、錫、銅、亜鉛、アルミニウム、及び、それらの合金から成る群から選択される、
請求項１乃至５のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記レーザーろう付けヘッド（18）が、毎分０．２乃至８メートルの間の速さで、上記接合部（16）に沿って動かされる、
請求項１乃至６のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記レーザーろう付けヘッド（18）が、毎分１乃至３．５メートルの間の速さで、上記接合部（16）に沿って動かされる、
請求項７に記載のレーザーろう付け方法。
上記第一及び第二レーザー・ビーム（20′,22′)が上記接合部（16）に到達するところにおける、上記第一及び第二レーザー・ビーム（20′,22′)の、上記レーザーろう付けヘッド（16）が移動する方向に沿った中心間の距離（A）が、１ミリメートル乃至５０ミリメートルの間である、
請求項１乃至８のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記中心間の距離(A)が、３ミリメートル乃至１５ミリメートルの間である、
請求項９に記載のレーザーろう付け方法。
更に、上記接合部(16)の近傍にフラックスが供給される、
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。
上記ろう付けヘッド（18）が、上記接合部（16）の近傍に上記充填材（14）を供給する為の手段(30)を更に有する、
請求項１乃至１１のいずれか一つに記載のレーザーろう付け方法。