JP3555612B2

JP3555612B2 - レーザブレージング加工方法および加工装置

Info

Publication number: JP3555612B2
Application number: JP2002025914A
Authority: JP
Inventors: 伸介武村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003225784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ発振器から発振されるレーザ光を、加工ヘッドがワークに対して相対移動しつつ照射するとともに、レーザ光が照射される加工点にブレージング用の溶融材料を供給してレーザブレージング加工を行うレーザブレージング加工方法および加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などにおける車体パネルの接合方法の一つとして、パネル接合部分に銅を主成分としたワイヤを供給するとともに、そのワイヤを熱で溶融させてパネル相互を接合するブレージング工法が従来から知られている。
【０００３】
ワイヤを溶融させる熱源としては、ＭＩＧ溶接などによるアークが一般的だが、熱によるパネルの歪みが発生するため、自動車に用いるような薄い鋼板の接合では、接合前後の精度変化が大きく、接合後に仕上げまたは修正が必要となっている。
【０００４】
このため、現在では、極めて狭い範囲に集中的に熱を発生させることができるレーザ光を熱源として用いることにより、ブレージング加工速度を上げて生産性を高めるとともに、パネルの熱歪みを減少させることが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したレーザ光を用いてブレージング加工を行う場合には、多関節ロボットなどに加工ヘッドと呼ばれるレーザ出射装置を取り付け、この加工ヘッドを加工面に対して連続的に移動させてブレージング加工を行う。
【０００６】
ここで、加工面と加工ヘッドとの相対姿勢変化が少ないほど、加工面の強度および外観などブレージング品質が安定するため、パネルの曲げ部などの曲面を連続的にブレージング加工する際にも、加工面に対して姿勢を変化させずに行うことが望ましい。
【０００７】
しかしながら、一般的な多関節ロボットなどで、図７に示すように、ワークＷおける小さい曲げＲ部に対し、加工ヘッド１の相対姿勢を変化させずに、かつレーザ光３が照射される加工点Ｐの移動速度を一定に維持しつつ、ロボット５を追従させようとすると、曲げＲ部では、加工点Ｐの移動速度に対し、その外周側に位置するロボット５の移動速度が数倍必要になる。
【０００８】
このため、曲げＲ部においては、ロボット５が平面部Ｈにおける加工点Ｐの移動速度を維持できず、移動速度が低下、つまり加工点Ｐの移動速度が平面部Ｈでの移動速度に対して低下する。加工点Ｐの移動速度が低下すると、ワイヤの供給量については一定であることから、加工点Ｐでのワイヤ溶融量が変化し、ブレージング品質が低下するという問題がある。
【０００９】
なお、図７中でロボット５の移動速度Ｖは、
Ｖ＝（ａ／ｒ）×加工点Ｐの移動速度
ａ：ワーク加工面とロボット５との距離
ｒ：曲げＲ部の半径
となる。
【００１０】
そこで、この発明は、ブレージング品質を向上させることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、レーザ発振器から発振されるレーザ光を取り込む加工ヘッドが、ワークに対して相対移動しつつ前記レーザ光を照射するとともに、このレーザ光が照射される加工点にブレージング用の溶融材料を供給するレーザブレージング加工方法において、前記溶融材料の単位時間あたりの供給量を、溶融した溶融材料とワークとの接触部の前記相対移動方向と直交する方向のぬれ長さが所定長以上となる量で、かつ前記接触部における溶融した溶融材料の前記相対移動方向と直交する断面で外観部分に盛り上がりなどが発生しない所定量以下として、レーザブレージング加工を行うレーザブレージング加工方法としてある。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明のレーザブレージング加工方法において、前記溶融材料の供給時には、前記加工点のワークに対する相対移動速度が、前記レーザ光から受ける熱量が所定量以上となって、溶融材料の溶融不良が発生しない所定速度以下としてある。
【００１３】
請求項３の発明は、レーザ発振器から発振されるレーザ光を取り込む加工ヘッドが、ワークに対して相対移動しつつ前記レーザ光を照射するとともに、このレーザ光が照射される加工点に、溶融材料供給手段によりブレージング用の溶融材料を供給してレーザブレージング加工を行うレーザブレージング加工装置において、前記溶融材料供給手段は、前記溶融材料の単位時間あたりの供給量が、溶融した溶融材料とワークとの接触部の前記相対移動方向と直交する方向のぬれ長さが所定長以上となる量で、かつ前記接触部における溶融した溶融材料の前記相対移動方向と直交する断面で外観部分に盛り上がりなどが発生しない所定量以下である構成としてある。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、前記加工ヘッドのワークに対する相対移動速度は、前記加工点のワークに対する相対移動速度が、前記レーザ光から受ける熱量が所定量以上となって、前記溶融材料の溶融不良が発生しない所定速度以下となる構成としてある。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４の発明の構成において、前記加工ヘッドに設けられ、前記ワークの加工点近傍に沿ってワークに接触しながら回転移動する回転体と、この回転体の回転数を検出する回転数検出手段と、この回転数検出手段が検出した回転数に基づいて前記加工点の相対移動速度を算出し、この算出した相対移動速度に基づいて、前記溶融材料供給手段による溶融材料の供給量を制御する制御手段とを有する構成としてある。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１または３の発明によれば、溶融材料の単位時間あたりの供給量を、溶融した溶融材料とワークとの接触部における、加工ヘッドのワークに対する相対移動方向と直交する方向のぬれ長さが所定長以上となる量で、かつ前記接触部における溶融した溶融材料の前記相対移動方向と直交する断面で外観部分に盛り上がりなどが発生しない所定量以下としているので、加工面の強度および外観などのブレージング品質を向上させることができる。
【００１７】
請求項２または４の発明によれば、加工点のワークに対する相対移動速度を、レーザ光から受ける熱量が所定量以上となって、溶融材料の溶融不良が発生しない所定速度以下としているので、加工面の強度および外観などのブレージング品質を確実に向上させることができる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、加工点のワークに対する相対移動速度に応じて溶融材料を最適に供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
図１は、この発明の実施の一形態を示すレーザブレージング加工装置の全体構成図で、図２は図１の右側面図である。この加工装置は、多関節ロボット７のヘッド保持ブラケット７ａに支持された加工ヘッド９とレーザ発振器１１とが、光ファイバ１３により接続されている。レーザ発振器１１から光ファイバ１３を通して加工ヘッド９に導入されるレーザ光１５は、ワークＷの加工点Ｐに向けて照射される。
【００２１】
ここでのワークＷは、例えば自動車の車体パネルを構成する２枚の薄い鋼板製のパネルであり、この各パネルの折り曲げ部相互の突き合わせ部に対してレーザブレージング加工を行う。
【００２２】
上記した加工ヘッド９には、図２に示すように、ワイヤ供給用ブラケット１７が装着され、ワイヤ供給用ブラケット１７の下部には溶融材料としてのワイヤ１９を、前記した加工点Ｐに供給する溶融材料供給手段としてのサーボモータ２１が取り付けられている。ワイヤ１９は、サーボモータ２１によって回転する一対の供給ローラ２３相互間にガイドされ、さらにワイヤ供給用ブラケット１７先端のノズル２５を介して加工点Ｐに供給される。上記したサーボモータ２１は、制御手段としての制御装置２７によって駆動制御される。
【００２３】
多関節ロボット７におけるヘッド保持ブラケット７ａの加工ヘッド９と反対側の側面下部には、ローラ保持用ブラケット２９が装着され、ローラ保持用ブラケット２９の下部には、加工点Ｐ近傍のワークＷに接触する回転体としてのローラ３１が、ローラ回転軸３３を介して回転可能に設けられている。
【００２４】
ローラ３１は、レーザブレージング加工時に、多関節ロボット７がワークＷに対して図１中で紙面裏側に向けて移動する際に、ワークＷに接触しながら回転する。ローラ回転軸３３には、ローラ３１の回転数を検出する回転数検出手段としてのエンコーダ３５が備えられ、エンコーダ３５が検出した回転数は前記した制御装置２７に送られる。制御装置２７は、ローラ３１の回転数に基づいて加工点Ｐの移動速度を算出し、この移動速度に応じてサーボモータ２３を駆動制御して、ワイヤ１９の供給量を調整する。
【００２５】
次に作用を説明する。レーザ発振器１１で発振されたレーザ光１５は、光ファイバ１３を通して加工ヘッド９から、ワークＷに向けて照射され、加工点Ｐで発熱させる。このとき、加工点Ｐには、サーボモータ２３の駆動によりワイヤ１９が供給され、供給されたワイヤ１９は、レーザ光１５の発熱作用によって溶融し、その溶融部によりワークＷにおける２枚のパネル相互が接合される。
【００２６】
このようなパネル接合作業は、多関節ロボット７が、図１中で紙面裏側（図２中では右側）に向けて移動しながら行う。この移動時には、ローラ３１がワークＷの加工点Ｐ近傍の表面に接触しながら回転する。このローラ３１の回転数はエンコーダ３５によって検出され、さらに制御装置２７が、この回転数に基づき加工点Ｐの移動速度を算出し、算出した移動速度に応じてサーボモータ２３を駆動制御して、ワイヤ１９の供給量を調整する。
【００２７】
ここで、ワークＷと加工ヘッド９との相対位置関係、加工ヘッド９の移動速度およびワイヤ１９の供給量は、接合するパネルの合わせ面断面構造、レーザ発振器１１の出力および、ブレージング加工部分に必要とされる品質などにより決定され、上記した相対位置関係、移動速度がある範囲から外れた場合には、ブレージング品質が低下する。
【００２８】
このようなブレージング品質の低下は、前記図７に示したように、特にワークＷにおける小さい曲げＲ部に沿ってブレージング加工を行う場合に、加工点Ｐの移動速度が低下するので、顕著なものとなる。
【００２９】
例えば、図３（ａ）に示すような合わせ面構造でのブレージング品質の良否範囲を、図４に示す。上記図３のような合わせ面構造の接合部では、接合部の強度はもちろんのこと、外部に露出する部分である場合には、図６（ａ）に示すように、外観品質が良好であることが要求される。図６（ｂ）〜（ｆ）は、いずれも外観品質が不良なものを示している。
【００３０】
なお、図３（ａ）中で、ＡおよびＢは、ワイヤ１９が溶融した後のワイヤ溶融部１９ａと、ワークＷの２枚のパネルとが接合する接合長さ、つまりぬれ長さである。すなわち、このぬれ長さは、加工ヘッド９の移動方向と直交する方向のワイヤ溶融部１９ａとワークＷとの接触部の長さに相当する。
【００３１】
図３（ｂ），（ｃ）は、ワークＷの他の合わせ面構造を示している。（ｂ）は、一方のパネルの表面に他方のパネルの端部を突き当てたものであり、（ｃ）は、２枚のパネルの端部を、面と平行な方向に互いにずらせた状態で重ね合わせたものである。
【００３２】
前記図４中で、横軸は加工点Ｐの移動速度（ｍ／ｍｉｎ）、縦軸はワイヤ１９の供給量（ｍｍ^３／ｍｉｎ）であり、加工点出力が３ｋＷのＹＡＧレーザを使用した場合である。図４中で○印は外観品質が良好、△印は外観品質が一部不良、×印は外観品質が不良の場合をそれぞれ示している。
【００３３】
ところで、接合部の静的引っ張り強度は、図５に示すように、ワイヤ溶融部１９ａとパネル表面とのぬれ長さ合計（図３中でＡ＋Ｂ）に依存する。図５中で横軸がぬれ長さ合計（ｍｍ）で、縦軸が引張荷重（Ｎ）である。
【００３４】
上記図５に示したように、接合部の必要とする強度を得るためには、その強度に対応するぬれ長さ合計が必要であり、そのための単位時間あたりのワイヤ供給量の最低量を、図４中で線分ｂとして示してある。すなわち、このワイヤ供給量の最低量は、上記したぬれ長さ合計が所定長となる量に対応している。なお、上記した線分ｂについては、▲１▼接合部の必要な強度（図５中の引張荷重）→▲２▼ぬれ長さ合計→▲３▼必要な溶融部断面形状→▲４▼必要な溶融部断面積→▲５▼必要なワイヤ溶融量→▲６▼必要なワイヤ供給量、の順に求めている。
【００３５】
また、加工点Ｐの移動速度がある速度以上では、レーザ光１５による熱量が不足することになり、ワイヤ１９の溶融不良による外観品質不良（図６（ｂ）の凹凸，同（ｆ）の欠落）となるため、そのための移動速度限界が、図４中の線分ｃである。
【００３６】
さらに、ワイヤ供給量が多すぎる場合にも、外観部分の盛上がりなどの外観品質不良（図６（ｃ）の部分ふくれ，同（ｄ）の盛上がり，同（ｅ）のワイヤ余り）となるため、そのためのワイヤ供給量の最大量を、図４中の線分ｄとして示している。すなわち、このワイヤ供給量の最大量は、溶融部１９ａの外観部分の盛り上がりなどの外観不良が発生しない所定量に対応している。
【００３７】
上記した図６（ｃ），（ｄ），（ｅ）の外観品質不良は、図６（ｃ）が、ワイヤ供給過多の割合が小さく、不良の程度が最も小さく、同（ｅ）が、ワイヤ供給過多の割合が大きく、不良の程度が最も大きいものである。図４においては、線分ｈからｉに向けてワイヤ供給量過多の割合が徐々に大きくなり、これに伴い外観品質の程度も徐々に大きく（悪く）なる状態を示している。
【００３８】
なお、上記した外観品質不良となる溶融部１９ａの外観部分の盛上がりは、溶融部１９ａにおける加工ヘッド９のワークＷに対する移動方向と直交する断面でのものである。
【００３９】
また、図４中の線分ｊは、接合部の強度を考慮せず、単に外観品質が不良となるときの単位時間あたりのワイヤ供給量の最低量を表している。すなわち、この最低量以下になると、図６（ｆ）のような欠落不良が発生する。
【００４０】
以上より、接合部の強度および外観品質ともに満足する条件は、図４中でｅの範囲となる。すなわち、このときのワイヤ１９の単位時間あたりの供給量は、溶融部１９ａによるワークＷに対する接合部の必要強度が得られるためのぬれ長さが所定長以上となる量（図４中の線分ｂ）以上で、かつ溶融部１９ａの外観部分の盛り上がりなどの外観不良が発生しない所定量（図４中の線分ｄ）以下とするとともに、加工点ＰのワークＷに対する移動速度が、レーザ光１５から受ける熱量が所定量以上となって、ワイヤ１９の溶融不良が発生しない所定速度（図４中の線分ｃ）以下としてある。これにより、接合部の強度および外観品質ともに良好とすることが可能となる。
【００４１】
この場合、加工点Ｐの移動速度の許容範囲は、ワイヤ供給量を同等としたときに、最大でも０．５ｍ／ｍｉｎ程度となっている。
【００４２】
ところが、前述したように、加工面が平面部となる加工点を例えば３〜４ｍ／ｍｉｎで移動させ、その移動速度を前記図７に示したような曲げＲ部でも維持しようとすると、ロボット７が加工点の移動速度に追従できず、５０％程度加工点速度が低下してしまう。このため、この加工点速度低下に合わせてワイヤ供給量も低下させる必要がある。
【００４３】
上記した加工点Ｐの移動速度の低下は、多関節ロボット７の移動に伴うローラ３１の回転をエンコーダ３５が検出することで求めることができ、低下した移動速度に応じたワイヤ供給量となるように、制御装置２７がサーボモータ２３を駆動制御することで、安定したブレージング品質が得られることになる。
【００４４】
なお、加工点Ｐの移動速度の下限値は、図４では１ｍ／ｍｉｎ程度まで外観品質良好範囲となっているが、生産性を考慮すると、１．５ｍ／ｍｉｎ以上が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すレーザブレージング加工装置の全体構成図である。
【図２】図１の右側面図である。
【図３】（ａ）はブレージング加工部の詳細を示す断面図、（ｂ）および（ｃ）は他の合わせ面構造によるブレージング加工部の詳細を示す断面図ある。
【図４】加工点移動速度とワイヤ供給量との関係に基づくブレージング加工部の外観品質の良否を示す説明図である。
【図５】ブレージング加工部におけるぬれ長さと引張荷重との相関図である。
【図６】ブレージング加工部の外観品質の良否を示したモデル図で、（ａ）は良好、（ｂ）〜（ｆ）は不良である。
【図７】曲げＲ部を備えたワークに対して加工ヘッドが相対姿勢を変化させずに移動する状態を示す動作説明図である。
【符号の説明】
９加工ヘッド
１１レーザ発振器
１５レーザ光
１９ワイヤ（溶融材料）
２３サーボモータ（溶融材料供給手段）
２７制御装置（制御手段）
３１ローラ（回転体）
３５エンコーダ（回転数検出手段）
Ｗワーク
Ｐ加工点

Claims

レーザ発振器から発振されるレーザ光を取り込む加工ヘッドが、ワークに対して相対移動しつつ前記レーザ光を照射するとともに、このレーザ光が照射される加工点にブレージング用の溶融材料を供給するレーザブレージング加工方法において、前記溶融材料の単位時間あたりの供給量を、溶融した溶融材料とワークとの接触部の前記相対移動方向と直交する方向のぬれ長さが所定長以上となる量で、かつ前記接触部における溶融した溶融材料の前記相対移動方向と直交する断面で外観部分に盛り上がりなどが発生しない所定量以下として、レーザブレージング加工を行うことを特徴とするレーザブレージング加工方法。
前記溶融材料の供給時には、前記加工点のワークに対する相対移動速度が、前記レーザ光から受ける熱量が所定量以上となって、溶融材料の溶融不良が発生しない所定速度以下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加工方法。
レーザ発振器から発振されるレーザ光を取り込む加工ヘッドが、ワークに対して相対移動しつつ前記レーザ光を照射するとともに、このレーザ光が照射される加工点に、溶融材料供給手段によりブレージング用の溶融材料を供給してレーザブレージング加工を行うレーザブレージング加工装置において、前記溶融材料供給手段は、前記溶融材料の単位時間あたりの供給量が、溶融した溶融材料とワークとの接触部の前記相対移動方向と直交する方向のぬれ長さが所定長以上となる量で、かつ前記接触部における溶融した溶融材料の前記相対移動方向と直交する断面で外観部分に盛り上がりなどが発生しない所定量以下であることを特徴とするレーザブレージング加工装置。
前記加工ヘッドのワークに対する相対移動速度は、前記加工点のワークに対する相対移動速度が、前記レーザ光から受ける熱量が所定量以上となって、前記溶融材料の溶融不良が発生しない所定速度以下であることを特徴とする請求項３記載のレーザブレージング加工装置。
前記加工ヘッドに設けられ、前記ワークの加工点近傍に沿ってワークに接触しながら回転移動する回転体と、この回転体の回転数を検出する回転数検出手段と、この回転数出手段が検出した回転数に基づいて前記加工点の相対移動速度を算出し、この算出した相対移動速度に基づいて、前記溶融材料供給手段による溶融材料の供給量を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項４記載のレーザブレージング加工装置。