JP2005138153A - アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工業的に使用されている出力が３乃至５ｋＷ程度のレーザ装置又はレーザ発振機を備えた複合溶接装置を使用しても十分な溶け込み深さが得られ、要求されるのど厚を確保することができるアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法を提供する。
【解決手段】 先ず、被溶接材である板状のアルミニウム合金材１及び２の溶接される側の端面１ａ及び２ａに、夫々、一方の長辺に沿って延び、溶接方向に対して垂直な断面の形状が四角形であり、高さが等しい突起１ｂ及び２ｂを形成する。そして、アルミニウム合金材１及び２を、突起１ｂ及び突起２ｂの高さが揃うように、即ち、突起１ｂの上端面と、突起２ｂの上端面が同一平面になるようにして、互いに密着させる。この状態で、端面１ａと端面２ａとの境界部、即ち、突起１ｂと突起２ｂの境界部にレーザ光３を照射し、アルミニウム合金材１とアルミニウム合金材２とを溶接する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接又はレーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接によるアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法に関し、特に、へり継手溶接形式のアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法に関する。

自動車部品等のように、成形加工が施された厚さが２ｍｍ以上の比較的厚板のアルミニウム合金材同士を接合する場合には、アーク溶接法により脚長がある重ねすみ肉継手溶接が利用されている。また、近時、ロボット又は半自動溶接等を適用して溶接作業の高効率化及び省力化を図るために、アルミニウム合金材の溶接にもＭＩＧ溶接が採用されつつある。しかしながら、ＭＩＧ溶接による施工は、溶接加工速度に限界があるため、生産性が低下する。このため、従来、アルミニウム合金材の溶接にＭＩＧ溶接を適用する場合、複数台の溶接機を導入し、且つ複雑な制御システムを構築しなければならなかった。

一方、レーザ溶接及びレーザ溶接とアーク溶接とを併用した複合溶接等の高エネルギー密度溶接は、溶け込みが深く、且つＭＩＧ溶接の数倍の加工速度で溶接することが可能である。一般に、アルミニウム合金をレーザ溶接した場合、溶接速度にもよるが、１ｋＷあたり０．５ｍｍ程度の溶け込み深さが得られるとされており（特許文献１及び非特許文献１参照。）、複合溶接の場合は、それよりも若干溶け込み深さが深くなると考えられている。このような高エネルギー密度溶接を、前述のアルミニウム合金部材の接合に適用する場合は、深い溶け込み特性を活かしたへり継手溶接形式が有効である。

特開平１０−２１６９７３号公報 沓名宗春，「レーザ加工技術（ＨＰＬ）研究委員会の活動」，溶接技術，１９８９年８月号，ｐ．９０−９５

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示す問題点がある。図４はレーザ溶接法によりへり継手溶接形式でアルミニウム合金材を接合する従来の溶接方法を示す斜視図である。また、図５（ａ）は図４に示すアルミニウム合金材の溶接前のへり示す断面図であり、図５（ｂ）は溶接後のへりを示す断面図である。図４及び図５（ａ）に示すように、へり継手溶接形式で溶接する場合、被溶接材であるアルミニウム合金材１１及び１２を、それらの端面１１ａ及び１１ｂの位置が揃うように密着させて、端面１１ａと端面１２ａとの境界部にレーザ光３を照射して溶接する。通常、アルミニウム合金材１１及び１２の端面１１ａ及び１２ａは、切断された状態のままでは平坦な面であり、この部分をレーザ溶接又は複合溶接すると、図５（ｂ）に示すように、溶接金属１４ののど厚ｔに関係し、接合強度を支配する溶け込み深さｄが、アルミニウム合金材１１及び１２の板厚に対して十分でなく、接合強度が低いという問題点がある。

また、アルミニウム合金材１１及び１２の板厚に見合う溶け込み深さｄを得るためには、出力が数十ｋＷのレーザ発振機を備えた加工装置が必要であり、装置価格が極めて高価になると共に、レーザ光を発生させるために必要な電力等の稼働コストも膨大になるため、工業的に導入が困難である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、出力が３乃至５ｋＷ程度のレーザ装置又はレーザ発振機を備えた複合溶接装置を使用しても、十分な溶け込み深さが得られ、要求されるのど厚を確保することができるアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法を提供することを目的とする。

本願第１発明に係るアルミニウム及びアルミニウム合金材の溶接方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる複数個の被溶接材を重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接する方法において、前記被溶接材は、前記端面の前記重ね合わせ面側の部分がその反対側の部分より突出しており、この重ね合わされた被溶接材の突出部が前記レーザ溶接により溶融して、その下方に溶接金属が形成されることを特徴とする。

本発明者等は、所定の溶け込み深さを得るため、溶接時における熱集中の高効率化及びのど厚部の拡張に着眼し、鋭意実験検討を行った。その結果、従来のへり継手溶接では、単に被接合材の端面を揃えるだけであったため、熱伝導性が高いアルミニウム材及びアルミニウム合金材では、接合部が溶融して溶け込み深さを得るために必要な熱が、板厚方向に拡散してしまうということを見出した。

そこで、本発明においては、端面の重ね合わせ面側の部分に突出部が形成されたアルミニウム合金又はアルミニウム合金材を重ね合わせ、それらの端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接する。これにより、前記突出部が溶融する共に、その下方に溶融金属が形成されるため、出力が３乃至５ｋＷ程度のレーザ装置を使用しても十分なのど厚を確保することができ、従来の重ねすみ肉形式の溶接方法よりも高速度で溶接加工することができる。その結果、生産効率を向上させることができるため、アルミニウム合金材の適用範囲を拡大することができ、構造物の軽量化及び省エネルギー化へ大きく寄与することができる。

本願第２発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる複数個の被溶接材を重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接により溶接する方法において、前記被溶接材は、前記端面の前記重ね合わせ面側の部分がその反対側の部分より突出しており、この重ね合わされた被溶接材の突出部が前記複合溶接により溶融して、その下方に溶接金属が形成されることを特徴とする。

本発明においては、端面の重ね合わせ面側の部分に突出部が形成された被溶接材を重ね合わせ、これらの端面を重ね合わせ面に沿って溶接する。これにより、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接においても、十分なのど厚を確保することができる。

前記突出部の高さ及び幅は、前記被溶接材の厚さの（１／２）未満であることが好ましい。これにより、板厚方向への熱拡散量が減少し、レーザからの熱が溶接部へ集中するため、溶接金属の溶け込み深さが増加する。

本発明によれば、端面の重ね合わせ面側の部分に突出部が形成された被溶接材を、へり継手溶接形式で、その端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接することにより、前記突出部に熱を集中させ、板厚方向への熱拡散が抑制することができるため、溶接金属の溶け込み深さを増加させることができると共に、前記突出部が溶融して肉盛りが形成されるため、被溶接材の厚さ以上ののど厚を得ることができる。

以下、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金材の溶接方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態の溶接方法における溶接前のアルミニウム合金材のへりを示す断面図であり、図１（ｂ）は溶接後のへりを示す断面図である。本実施形態の溶接方法は、レーザ溶接法によりアルミニウム合金材をへり継手溶接する方法である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の溶接方法においては、先ず、被溶接材である板状のアルミニウム合金材１及び２の溶接される側の端面１ａ及び２ａに、夫々、一方の長辺に沿って延び、溶接方向に対して垂直な断面の形状が四角形であり、高さが等しい突起１ｂ及び２ｂを形成する。そして、アルミニウム合金材１及び２を、突起１ｂ及び突起２ｂの高さが揃うように、即ち、突起１ｂの上端面と、突起２ｂの上端面が同一平面になるようにして重ね合わせる。そして、この状態で端面１ａ及び端面２ａを重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接する。

これにより、図１（ｂ）に示すように、突起１ｂ及び２ｂが溶融し、更にこれらの下方が溶融して溶融プールが形成され、溶接金属４が形成される。このように、レーザ光３を照射する部分を他の部分より突出させることにより、この突出部（突起１ｂ及び２ｂ）が溶融して肉盛りｃが形成されると共に、突起１ｂ及び２ｂにレーザからの熱が集中し、これらの下方へ効率的に熱が伝達されるため、従来の溶接方法よりも溶接金属４の溶け込み深さｄが深くなる。その結果、のど厚ｔが大きくなり、接合強度を向上させることができる。

なお、本実施形態のアルミニウム合金の溶接方法においては、突起１ｂ及び２ｂの高さを揃え、且つ密着させた状態で溶接することが好ましい。突起１ｂと突起２ｂとが密着しておらず、突起１ｂと突起２ｂとの間に隙間があると、レーザ光３を照射した際に、肉盛りｃの形成が十分になされなくなると共に、レーザ光３が攪乱反射して熱エネルギーが減衰してしまい、溶け込み深さｄが少なくなる。

また、本実施形態の溶接方法においては、レーザ溶接法を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限定するものではなく、レーザを使用する溶接方法であればよく、例えば、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接方法でもよい。更に、本実施形態の溶接方法において使用されるレーザ発振機としては、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ及び半導体レーザ等が挙げられるが、これらに限定されるものではい。また、複合溶接方法を適用する場合のアーク溶接方法は、ＴＩＧ及びＭＩＧのいずれの溶接方法でもよい。

更にまた、本実施形態の溶接方法における突起１ｂ及び２ｂの形状は、溶接される側の縁部の高さが最も高く、突き合わせた際に密着する形状であればよく、その断面形状は自由に設計することができる。図２（ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の溶接方法に適用可能な突起形状を示す断面図であり、図３（ａ）乃至（ｄ）は適用できない突起形状を示す断面図である。本実施形態の溶接方法における突起の形状は、図１（ａ）に示すように、溶接方向に垂直な断面が四角形でなくてもよく、例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、溶接方向に垂直な断面が三角形又は扇形でもよい。また、図２（ｃ）に示すように、重ね合わされる側の縁部に向かって高さが高くなるテーパ状でもよい。更に、図２（ｄ）に示すように、被溶接材の突起形状が異なっていてもよい。なお、突起１ｂ及び２ｂが、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すような形状の場合、溶接部が他の部分より低くなっているため、前述の効果は得られない。

更にまた、本実施形態の溶接方法における突起１ｂ及び２ｂの高さａ及び幅ｂは、熱集中性の観点から、アルミニウム合金材の板厚の（１／２）未満であることが好ましい。突起１ｂ及び２ｂの高さａ及び厚さｂが板厚の（１／２）以上になると、熱集中が劣化し、溶融に必要な熱量が拡散して、のど厚ｔが小さくなったり、溶け込み深さｄが浅くなったりするため、結果として溶接継手強度の低下を引き起こすことがある。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本発明の実施例及び比較例として、ＹＡＧレーザを使用したレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用した複合溶接により、端面に異なる形状の突起が形成された板厚が３．５ｍｍのＪＩＳ規格Ａ５４５４アルミニウム合金板材を２枚重ね合わせて、へり継手溶接した。その際の溶接条件は、レーザ出力を３ｋＷ、焦点距離を１５０ｍｍとし、焦点位置は被溶接材表面（突起が形成されている場合は突起表面）とした。また、ＭＩＧ溶接電流は２００Ａ、電圧は２１Ｖとし、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５５５４−ＷＶで規定されている直径１．２ｍｍの溶解材を使用した。更に、シールドガスはアルゴンを使用し、シールドガス流量は３０リットル／分、溶接速度は３ｍ／分とした。なお、被溶接材の端部はフライス盤を使用して機械加工を施した。

上述の条件で溶接した結果を下記表１に示す。なお、下記表１に示す評価結果は、のど厚ｔがアルミニウム合金板材の板厚（３．５ｍｍ）以上で、継手性能が十分であった場合を○、のど厚ｔが４．０ｍｍ以上で、高信頼性の継手が得られた場合を◎、のど厚が板厚（３．５ｍｍ）未満で継手性能に乏しかった場合を×とした。

上記表１に示すように、従来の溶接方法と同様に突起を形成せずに溶接した比較例１の継手は、のど厚ｔが２．４ｍｍと少なく、溶接強度が低かった。また、突起が溶接部分から外れている比較例２及び３の継手は、肉盛りｃは増加したが、溶け込み深さｄは比較例１と同等であったため、のど厚ｔが３．５ｍｍ未満であり、継手性能に乏しかった。一方、溶接部分を他の部分より高くした実施例１乃至３は、肉盛りｃ及び溶け込み深さｄが増加し、継手性能を確保するために十分なのど厚ｔが得られた。特に、突起の高さａ及び幅ｂが板厚の（１／２）未満である実施例１及び２の継手は、優れた継手性能が得られた。

（ａ）は本発明の実施形態の溶接方法における溶接前のアルミニウム合金材のへりを示す断面図であり、（ｂ）は溶接後のへりを示す断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の溶接方法に適用可能な突起形状を示す断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の溶接方法に適用できない突起形状を示す断面図である。 レーザ溶接法によりへり継手溶接形式でアルミニウム合金材を溶接する従来の溶接方法を示す斜視図である。 （ａ）は図４に示すアルミニウム合金材の溶接前のへりを示す断面図であり、（ｂ）は溶接後のへりを示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ、２、２ａ、１１、１１ａ、１２、１２ａ：アルミニウム合金材
１ａ、２ａ、１１ａ、１２ａ：端面
１ｂ、２ｂ：突起
３：レーザ光
４、１４：溶接金属
ａ：高さ
ｂ：幅
ｃ：肉盛り
ｄ：溶け込み深さ
ｔ：のど厚

Claims (3)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる複数個の被溶接材を重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接する方法において、前記被溶接材は、前記端面の前記重ね合わせ面側の部分がその反対側の部分より突出しており、この重ね合わされた被溶接材の突出部が前記レーザ溶接により溶融して、その下方に溶接金属が形成されることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法。
2. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる複数個の被溶接材を重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿ってレーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接により溶接する方法において、前記被溶接材は、前記端面の前記重ね合わせ面側の部分がその反対側の部分より突出しており、この重ね合わされた被溶接材の突出部が前記複合溶接により溶融して、その下方に溶接金属が形成されることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法。
3. 前記突出部の高さ及び幅は、前記被溶接材の厚さの（１／２）未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接方法。
   

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