(57)【要約】【課題】熱源としてレーザを用いたブレージングによる重ね継ぎ手における接合強度の低下を抑制し、継ぎ手強度の安定化が可能なレーザブレージング方法を提供する。【解決手段】重ね継ぎ手を構成する上下２枚の板材１及び２の間に、適度の隙間、例えば０．２ｔ〜０．６ｔ（ｔ：上側板材の板厚）の隙間Ｇを設けた状態で、レーザビームＢを照射してろう材３を溶融させ、下側板材１の表面と上側板材２の端面の間を接合する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料から成る２枚の板材を重ねたのち、レーザビームを熱源とするブレージングにより下側板材の表面と上側板材の端面の間を隅肉接合するに当たり、接合部の強度が母材強度以上となるに十分な隙間を上記２枚の板材の間に設けることを特徴とするレーザブレージング方法。
【請求項２】
上記２枚の板材の間に設ける隙間をＧ、上側板材の板厚をｔとするとき、０．２ｔ≦Ｇ≦０．６ｔの関係を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザブレージング方法。
【請求項３】
上記２枚の板材の間に隙間を設けるに際して、少なくとも一方の板材に、連続した突起を予めプレス成形しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザブレージング方法。
【請求項４】
上記２枚の板材の間に隙間を設けるに際して、少なくとも一方の板材に、裏面側に突出する断続的な打痕を予め成形しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザブレージング方法。
【請求項５】
上記２枚の板材の間に隙間を設けるに際して、板材の合わせ面に接着性材料を予め配置しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザブレージング方法。
【請求項６】
レーザビーム中心軸の位置を上側板材端面の頂角部に対して、接合部の強度が母材強度以上となるに十分な距離に保持することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のレーザブレージング方法。
【請求項７】
上記上側板材端面の頂角部とレーザビーム中心軸との距離をＤ、上記頂角部を含む面におけるレーザビームの半径をＲとするとき、０．６Ｒ≦Ｄ≦１．２Ｒの関係を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザブレージング方法。
【請求項８】
上記上側板材端面の頂角部がろう材を主体とする接合金属部に接しているか、該接合金属部に覆われていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のレーザブレージング方法。
【請求項９】
銅合金から成るろう材を使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のレーザブレージング方法。
【請求項１０】
鉄系材料から成る２枚の板材を重ねた被接合材の表面に当接するローラと該ローラに加わる圧力を検出する圧力センサを有し、移動手段に接続されて被接合材の接合部に沿って移動する装置本体と、被接合材の表面までの距離を検出する距離センサとレーザビームを上記接合部に照射する集光光学系を有する加工ヘッドと、上記装置本体と加工ヘッドの間を連結し、当該加工ヘッドを上記被接合材の表面に対して平行に移動させるジョイント部を備えたことを特徴とするレーザブレージング装置。
【請求項１１】
上記ローラに被接合材の降伏強度の３０〜５０％の圧力を加えた状態でレーザビームを照射することを特徴とする請求項１０に記載のレーザブレージング装置。
【請求項１２】
上記ジョイント部によって加工ヘッドを移動させ、加工ヘッドの距離センサにより検出した被接合材の表面までの距離が被接合材の上側板材の板厚以上に変化した位置を上側板材端面の頂角部と認識してレーザビームの照射位置を調整することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のレーザブレージング装置。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のレーザブレージング方法により接合された接合部を有することを特徴とする自動車用車体構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを熱源として用いたレーザブレージング（硬ろう付け）方法と、このようなブレージングを自動的に行うためのレーザブレージング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば銅合金などのような４５０℃より高い溶融点を有するろう材（硬ろう）を用いたブレージングは、電子部品、構造物、自動車などに広く使用されており、例えば自動車ボディ、鉄道車両等の結合部などに適用されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１３９２９５号公報
【０００４】
このようなブレージングにおいて、ろう材を溶融するための熱源としては、従来、ＭＩＧ、ＴＩＧをはじめとする種々のものが利用されてきたが、近年、レーザ加工技術の発達により、高速加工が可能で、しかも外観上の見栄えの良いレーザブレージング技術による車体接合のニーズが高まってきており、構造部材への適用も考えられる。しかし、鉄系材料から成る構造部材への適用においては接合強度をいかに安定させるかが重要であり、安定した強度を得るには接合部近傍への変形入力負荷の際、母材での破断が望ましいことになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザブレージングにおいては高密度、高入熱による加工速度向上というメリットがある反面、母材を過剰に溶融させてしまう可能性が高いことから、ろう材を主体とする接合金属部内に、脆い鉄−銅の金属間化合物が形成され易く、場合によっては当該接合部で破断し、継ぎ手としての接合強度が低下する可能性があるという問題点があり、このような問題点の解消がレーザ熱源によるブレージングにおける課題となる。
【０００６】
本発明は、レーザブレージングにおける上記課題を解消すべくなされたものであって、その目的とするところは、レーザによるブレージング継ぎ手における接合強度の低下を抑制し、継ぎ手強度の安定化が可能なレーザブレージング方法と、このようなレーザブレージングに用いられるレーザブレージング装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザブレージング方法においては、レーザビームを熱源とするブレージングにより、鉄系材料から成る２枚の板材を重ねて得られる下側板材の表面と上側板材の端面の間を隅肉接合して重ね継ぎ手を形成するに際して、上記２枚の板材の間に、接合部の強度が母材強度以上となるに十分な隙間、例えば、Ｇ＝０．２ｔ〜０．６ｔ（ｔ：上側板材の板厚）の隙間を設けて接合するようになすことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明のレーザブレージング装置は、上記レーザブレージングに好適なものであって、ロボットアームやＮＣテーブルなどの移動手段に接続されて被接合材の接合部に沿って移動する装置本体と、ジョイント部と、加工ヘッドから主に構成され、装置本体は２枚の板材を重ねた被接合材の表面に当接するローラと、このローラに加わる圧力を検出する圧力センサを備え、ジョイント部は装置本体と加工ヘッドの間を連結して加工ヘッドを被接合材の表面に対して平行に移動させ、加工ヘッドは被接合材の表面までの距離を検出する距離センサと、レーザビームを接合部に照射する集光光学系を備えていることを特徴としている。
【０００９】
そして、本発明の自動車用車体構造は、本発明の上記レーザブレージング方法により接合された接合部を有していることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、更に詳細に説明する。
【００１１】
図１（ａ）は、本発明のレーザブレージング方法の要領を説明する概略図であって、本発明のレーザブレージング方法においては、図に示すように、鉄系材料から成る２枚の板材１及び２を重ね、下側板材１の表面と上側板材２の端面の間に形成される入隅部に、例えば銅合金から成るろう材３をフィラーワイヤとして供給しながら、レーザビームＢを照射してろう材３を溶融させて、上記入隅部にろう材３から成る接合金属部Ｍを溶着させ、下側板材１と上側板材２を隅肉接合することによって重ね継ぎ手が得られることになる。
【００１２】
本発明においては、このとき下側板材１と上側板材２の間に、適当な隙間Ｇを設けるようにしているので、図１（ｂ）に示すように、溶融したろう材３が重ね継ぎ手構造部の合せ面における隙間Ｇに入り込み、これによって被接合材である板材１及び２と凝固したろう材（隅肉金属部Ｍ）との接触面積、すなわち接合面積が増加することから、隙間がない場合、あるいは隙間Ｇがあってもろう材が入り込めない程度に小さい場合に較べて、継ぎ手強度が向上することになる。
さらに、このような重ね継ぎ手にせん断方向の応力が加わった場合、ろう材の一部が隙間Ｇに入り込むことによって、隙間による切欠効果が緩和されることになり、結果として継ぎ手強度の低下が抑制できるようになる。
【００１３】
また、両板材１及び２の間に形成する隙間は、小さ過ぎると、ろう材が隙間に入り込めなくなって上記のような効果が得られず、逆に大き過ぎれば、ろう材による接合金属部Ｍの形状不良による強度低下が生じることになる。
したがって、上記隙間Ｇの大きさとしては、接合部の強度が母材強度以上となるような大きさ、言い換えると継ぎ手引張り試験において母材破断となるに十分な大きさのものとすることが必要となるが、その目安として、上側板材２の板厚ｔに応じて、０．２ｔ〜０．６ｔの範囲の値を選択するようにすることができ、これによって隙間Ｇの過不足による上記のような弊害を未然に防止することができる。
【００１４】
そして、両板材１及び２の間に隙間を形成するための手段としては、例えば、図２（ａ）に示すように、接合部となる上側板材２の端面に沿ってビード４をプレス加工することによって、予め上側板材２に図中下側に湾曲した連続的な突起を形成しておくことができ、これによって所望の大きさの隙間を容易に形成することができる。
また、図２（ｂ）に示すように、予め上側板材２の端面に沿って打痕５を適当な間隔に形成することにより、上側板材２の裏面側に突出させるようにすることもできる。なお、これらの場合、ビード４や打痕５を下側板材１の側に形成しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００１５】
さらに、図２（ｃ）に示すように、両板材１及び２の合わせ面に、予め接着性材料６を配置しておくことによって隙間を設けることもでき、接着性材料６の厚さを変えることによって隙間の大きさを調整することができる。また、接着性材料６が本来有する接着力が接合強度に加味されることから、接合部材の強度、剛性が向上するなど、付加的効果が得られることになる。
なお、このような接着性材料としては、エポキシ系２液混合型接着剤、高分子系の接着テープ、熱硬化性の接着剤や接着シートなどを用いることができる。
【００１６】
本発明のようなレーザブレージングにおいては、先に述べたように、レーザービームによって、母材を過剰に溶融させてしまうことがないとは言えず、例えば上側板材２の端面頂角部２ａ（図１（ｂ）参照）が溶融して、ろう材から成る接合金属部Ｍに溶け込んだ場合、鉄と銅から成る脆い金属間化合物が生成して、強度が低下する危険性があることから、上記頂角部２ａの接合金属部Ｍへの溶け込みを最小限に抑えることが望ましい。
【００１７】
このような観点から、接合に際しては、レーザビームの中心軸位置を上記頂角部２ａに対して、接合部の強度が母材強度以上となるに十分な距離に保持することが望ましい。
具体的には、図３に示すように、上側板材２の上記頂角部２ａとレーザビームＢの中心軸Ｃとの距離を、当該頂角部２ａを含む面におけるレーザビームＢの半径Ｒに対して０．６Ｒ≦Ｄ≦１．２Ｒの関係式を満たすような距離Ｄに保持するようになすことによって、レーザビームＢのパワー密度分布において単位面積あたりのエネルギの高いレーザビームＢの中心部が熱容量の小さい上側板材２の頂角部２ａに直接照射するような事態を回避することができ、接合金属部Ｍへの母材の過剰な溶け込みが抑制されて、母材とろう材との溶融による脆い金属間化合物の形成が最小限のものとなり、継ぎ手強度の低下を防止することができる。
【００１８】
そして、上記レーザブレージングによる接合部形状としては、図１（ｂ）に示したように、上側板材２の頂角部２ａが露出することなく、少なくともろう材を主体とする接合金属部Ｍに接しているか、あるいはこの接合金属部Ｍによって上記頂角部２ａが覆われていることが望ましく、これによって頂角部２ａと接合金属部Ｍとの境界部における凹みの発生がなくなり、応力集中による強度低下が防止されることになる。
【００１９】
本発明のレーザブレージングにおいては、ろう材として、銅合金、特に銅を基材として、Ｓｉ及びＭｎを添加した銅合金を使用することが望ましく、これによって、接合部に優れた防錆性能を持たせると共に、滑らかな表面形状を有する外観上優れた接合部を形成することができる。
【００２０】
図４は、本発明のレーザブレージング装置の構造例を示す概略説明図であって、図に示すレーザブレージング装置１０は、装置本体１１と、ジョイント部１４と、加工ヘッド１５から主に構成されている。
装置本体１１は、この例においては、移動手段であるロボットアームＡの先端部に取付けられ、２枚の板材１及び２を重ねた被接合材の接合部に沿って移動するようになっており、その下端部に上記被接合材の上面に当接するローラ１２と、このローラ１２に加わる圧力を検出する圧力センサ１３を備え、ローラ１２を介して被接合材を所定の圧力で押圧するようになっている。
【００２１】
加工ヘッド１５は、図外のレーザ発振器に光ファイバー１６によって接続され、発振器からのレーザを集光して被接合材の接合部に照射する集光光学系１７を備えると共に、その底面部に被接合材の表面までの距離を検出する距離センサ１８を備えている。
【００２２】
そして、ジョイント部１４は、基端側で装置本体１１に固定されると共に、先端側において上記加工ヘッド１５に連結されており、当該加工ヘッド１５を被接合材の表面に平行に移動させ、レーザビームＢが接合部の最適位置に照射されるように調整する。なお、当該ジョイント部１４は、上下２本のジョイントアームから成り、これらの延出長さを変えることによって、レーザビームＢの角度を調整できるようになっている。
なお、当該レーザブレージング装置１０においては、加工ヘッド１５の進行方向側にワイヤフィーダを備え、ワイヤ状のろう材３をレーザビームＢの照射位置に送給できるようにしてある。
【００２３】
上記レーザブレージング装置１０を用いて、両板材１及び２を接合するには、先ず、上側板材２の接合端面に沿って、例えばビード４をプレス成形したのち、この板材２を下側板材１の上に載置して、被接合材とする。
【００２４】
次いで、ロボットアームＡによってレーザブレージング装置１０を被接合材上に移動させると共に、ローラ１２を上側板材２のビード４の位置で押し付け、上側板材２を下側板材１に対して加圧し、両者の間の隙間Ｇを最適範囲、例えば上記のように、０．２ｔ〜０．６ｔの範囲に設定する。
このとき、上側板材２に対する加圧力を圧力センサ１３によって検出し、板材２の降伏強度の３０〜５０％の範囲内にコントロールすることが望ましく、これによって両板材間の隙間Ｇをビード４の大きさに応じた一定の値に維持しながらブレージングを行うことができるようになる。
【００２５】
次に、加工ヘッド１５に備えた距離センサ１８によって、被接合材の表面までの距離を検出しながら、ジョイント部１４によって加工ヘッド１５を水平移動させ、検出された距離Ｘが上側板材２の板厚ｔ以上に変化した位置を上側板材２の頂角部２ａと認識し、この位置を基準にしてレーザビームＢの照射位置を最適位置、例えば上記したように、頂角部２ａとレーザビームＢの中心軸Ｃとの距離Ｄがビーム半径Ｒの０．６〜１．２倍の範囲内となるように設定したのち、ろう材３を送給しながらレーザビームＢを照射し、被接合材のブレージングを実行する。
本発明のブレージング装置によれば、両板材１，２間の隙間制御と、レーザビームＢの照射位置制御を複雑な装置を用いることなく容易に行うことができるようになり、これらを最適な状態に保持することによって、安定した接合品質を備えたブレージング継ぎ手を得ることが可能になる。
【００２６】
本発明のブレージング方法は、特に限定されることなく種々の部材に適用することができるが、上記のように安定な接合強度と良好な外観が得られることから、自動車の車体構造に適用することができ、車体構造部位へのブレージングの適用範囲を拡大することができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、更に具体的に説明する。
【００２８】
図４に示したレーザブレージング装置１０を使用し、下側板材１の板厚を一定のものとし、上側板材２の板厚と上下板材間の隙間Ｇを変えて、種々の条件のもとに、図１に示した要領のブレージングを行った後、図５に示すような継ぎ手引張り試験片を切り出し、静的引張り試験を実施した。
すなわち、被接合材として自動車用鋼板を使用し、下側板材１には板厚２ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を用い、上側板材２には板厚０．６ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍの２７０ＭＰａ級鋼板を用いた。
【００２９】
ろう材３としては、銅系合金で一般的に入手が可能なＣｕ−３Ｓｉ−１Ｍｎの成分組成を有し、ワイヤー径１．０ｍｍのものを使用した。
熱源としては、ＹＡＧレーザを使用し、レーザ出力を２．０〜４．０ｋＷの範囲とし、ろう材３が適切に溶融できる加工速度となり、図１（ｂ）に示した接合部形状となるように各種条件を設定した。この際、レーザビームについては、加工点におけるビーム径が３ｍｍから５ｍｍの範囲となるようにデフォーカスして用いた。
【００３０】
ブレージングに際しては、まず、下側板材１の上に、あらかじめ凹形状のビード４を種々の深さに成形しておいた上側板材２を重ねた被接合材に対して、上記ビード４の上にローラ１２が当接するようにレーザブレージング装置１０を移動させたのち、当該レーザブレージング装置１０を加工させ、ローラ１２を介して被接合材を加圧した。このとき、ローラ１２に掛かる圧力を圧力センサ１３によって検知し、被接合材に掛かる圧力が常に上側板材２の降伏強度の４０％となるように制御した。
【００３１】
次に、レーザブレージング装置１０の加工ヘッド１５に設けた距離センサ１８によって、被接合材の表面までの距離を検出しながらジョイント部１４の作動によって加工ヘッド１５を被接合材の表面に対して平行に移動させ、距離センサー１８からの距離情報が上側板材の板厚と同等以上の変位となったところで加工ヘッド１５の移動を中止し、上側板材２の頂角部２ａとレーザビームＢの中心軸Ｃとの距離Ｄが上記頂角部２ａを含みレーザビーム中心軸Ｃに垂直な面（加工点）におけるレーザビームＢの半径Ｒの０．８倍（０．８Ｒ）となるように加工ヘッド１５の位置を設定した（図３参照）うえで、レーザビームＢを照射し板厚、隙間の異なる重ね継ぎ手の隅肉ブレージングをそれぞれ実施した。なお、レーザビームＢの傾斜角度については、５°に固定した。
【００３２】
そして、得られた重ね継ぎ手から、長さ２１０ｍｍ、幅４０ｍｍの継ぎ手引張り試験片（図５参照）を採取して、静的引張り試験を実施した。この結果として、各種板厚の継ぎ手強度と隙間Ｇの関係を図６に示す。
【００３３】
図６の結果から明らかなように、上側板材２の板厚ｔが０．６ｍｍの場合（図中○印）には、隙間Ｇが０．１２〜０．３６ｍｍのときに母材破断となり、これ以外の範囲では接合部（接合金属部Ｍ）で破断し、継ぎ手強度が低下することが判明した。
また、上側板材２の板厚ｔが１．０ｍｍ（図中□印）及び１．５ｍｍ（図中△印）の場合には、隙間Ｇがそれぞれ０．２〜０．６ｍｍ、０．３〜０．９ｍｍのときに母材破断となり、隙間Ｇが板厚ｔの２０％以上６０％以下の範囲のときに良好な継ぎ手性能が得られることが確認された。
【００３４】
次に、上側板材２の板厚ｔを１．０ｍｍ、上下板材１，２間の隙間Ｇを０．３ｍｍにそれぞれ固定し、上側板材２の頂角部２ａとレーザビーム中心軸Ｃとの距離Ｄを１．５〜３ｍｍの範囲で、頂角部２ａを含む面上（加工点）におけるビーム半径Ｒを１．５〜２．５ｍｍの範囲でそれぞれ変化させて、同様のブレージングを行い、得られた重ね継ぎ手について同様の静的引張り試験を実施した。
【００３５】
この結果として、上側板材２の頂角部２ａとレーザビーム中心軸Ｃとの距離Ｄと加工点におけるビーム半径Ｒの比（Ｄ／Ｒ）と継ぎ手強度との関係を図７に示す。
すなわち、上側板材２の頂角部２ａとレーザビーム中心軸Ｃとの距離Ｄが加工点ビーム半径Ｒに対して、０．６Ｒ以上１．２Ｒ以下の場合には、母材破断となって母材並みの引張り強度が得られた。これに対して、距離Ｄが０．６Ｒに満たない場合には、接合金属部Ｍにて破断し、距離Ｄが１．２Ｒを超えた場合には、接合金属部Ｍと上側板材２との界面から破断し、いずれの場合も継手強度の低下が認められた。
【００３６】
そこで、接合金属部Ｍから破断した距離Ｄが０．６Ｒ未満の条件の試験片の破断面をＥＰＭＡによる簡易定量評価を実施したところ、ろう材３には本来含まれないはずのＦｅの存在を示す高いピークが確認された。このことから、ビーム位置が上側板材２に近い０．６Ｒ未満の場合には、銅−鉄系の脆い金属間化合物が形成され易く、このような金属間化合物の生成によって接合部の強度が低下したものと考えられる。
一方、ビームまでの距離Ｄが１．２Ｒを超え、ビーム位置が上側板材２の端面から離れすぎた場合には、上側板材２及びろう材３へのレーザビームによる入熱が不十分となって、健全な接合界面が形成されなかったものと考えられる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、重ね継手のレーザブレージングに際して、上下板材の間に適度な隙間を設けるようにしていることから、溶融したろう材が当該隙間に入り込むことによってろう材と板材の接触面積、すなわち接合面積が増大し、優れた継手強度を安定して得ることができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）  本発明のレーザブレージング要領を説明する斜視図である。
（ｂ）  図１（ａ）に示したレーザブレージングによって得られる接合部形状を示す断面図である。
【図２】（ａ）ないし（ｃ）は本発明のレーザブレージング方法において板材間に隙間を形成するための具体的手段を説明するそれぞれ斜視図である。
【図３】板材に対するレーザビームの照射位置を示す説明図である。
【図４】本発明のレーザブレージング装置の構成を示す概略図である。
【図５】実施例に用いた継手引張り試験片の形状を示す斜視図である。
【図６】板材間に設ける隙間と継手強度の関係を示すグラフである。
【図７】上側板材の頂角部からレーザビーム中心軸までの距離Ｄとレーザビームの加好転半径Ｒの比（Ｄ／Ｒ）と継ぎ手強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  下側板材
２  上側板材
２ａ  頂角部
３  ろう材
４  ビード
５  打痕
６  接着性材料
１０  レーザブレージング装置
１１  装置本体
１２  ローラ
１３  圧力センサ
１４  ジョイント部
１５  加工ヘッド
１７  集光光学系
１８  距離センサ
Ｂ  レーザビーム
Ｃ  中心軸
【図１】
2005059009.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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