JP2005169450A - 重ね溶接継手および溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板材間に隙間があっても、溶け落ちによる溶接強度の低下を招くことがない重ね溶接継手を提供する。
【解決手段】二枚の板材１０Ａ，１０Ｂ同士を重ね合わせた上でレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接接合してなる重ね溶接継手である。上側の板材１０Ｂのうち溶接部の近傍の端末から非正規継手形状部として張り出し部１８を予め延長形成しておき、その張り出し部１８を上側の板材１０Ｂ側に当て板１６として折り返すことで溶接部を三枚重ね構造とする。その三枚重ね構造部の当て板１６の上から溶接を施し、溶接ビード１７に残る溶け落ちＱが板材１０Ａ，１０Ｂ同士の溶接強度に影響しないようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用したいわゆるハイブリッド溶接にて溶接接合された重ね溶接継手とその溶接方法に関するものである。

自動車の車体部品に代表されるような薄鋼板同士の溶接接合にレーザ溶接を用いた場合、板材同士の接合面に隙間があると接合強度が低下したりあるいは接合できないと言った不具合が発生しやすい。その対策として、クランプなどの治具で板材を加圧して隙間を矯正することが行われているが、特に三次元的な造形形状を有する車体部品では、板材の剛性が高くで十分に矯正できなかったり、構造的に矯正できない部位もあり、適用できる部位が著しく限定されてしまうことになる。その上、矯正によって板材間の隙間を完全になくしてしまうと、例えば亜鉛めっき鋼板等の特定の鋼板ではブローホールが発生して溶接強度が低下してしまうことから、逆に極小の隙間を積極的に確保する必要があり、その隙間管理に多大な工数を要することとなって好ましくない。

そこで、別の対策として、例えば特許文献１に記載されているように、レーザ溶接とアーク溶接（例えばＭＩＧ溶接）を併用することで一般的なレーザ溶接に比べて板材間の隙間の許容範囲を拡大化した溶接法が提案されている。
特開２００２−１０３０６９号公報（図２）

しかしながら、特許文献１に記載のようにレーザ溶接とアーク溶接とを併用したいわゆるハイブリッド溶接では、溶接用ワイヤの溶融分をもって溶接ビードの溶け落ちを埋めることができるため、板材間の隙間の許容範囲を拡大化することが可能である。その一方、溶接速度を高くすると、溶接ビードの溶け落ちの発生とともに板材間における隙間の許容範囲の拡大化効果が緩慢となるために低速にて溶接を行う必要があり、レーザ溶接の本来の特徴でもある高速溶接を実現することができず、生産性が低下することとなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ高速溶接を行っても溶接ビードの溶け落ちが発生しないように考慮された重ね溶接継手とその溶接方法を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、二枚の板材同士を重ね合わせた上でレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接接合してなる重ね溶接継手であって、上側の板材のうち溶接部の近傍の端末から予め延長形成してある張り出し部をその上側の板材側に当て板として折り返すことで溶接部を三枚重ね構造とし、その三枚重ね構造部の当て板の上から溶接を施したことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、上記請求項１に記載の技術を溶接方法として特定したものであって、上側の板材のうち溶接部の近傍の端末から正規継手形状以外の領域として予め張り出し部を延長形成しておき、この張り出し部を上側の板材側に当て板として折り返すことで溶接部を三枚重ね構造とし、その三枚重ね構造部の当て板の上から溶接を施すことで重ね溶接継手とすることを特徴とする。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、正規継手形状以外の領域として予め設定した張り出し部をあて板として折り返して三枚重ね構造とし、その三枚重ね構造部の当て板の上からレーザ溶接とアーク溶接を併用して溶接を施すと、最上段の当て板には溶接ビードの溶け落ちが発生したとしても、本来の板材である二，三枚目の板材には溶接ビードの溶け落ちは発生せず、仮にそれらの二，三枚目の板材間に隙間があったとしても両者は確実に溶接接合されることになる。

請求項１に記載の発明によれば、少なくとも溶接部について三枚重ね構造としているので、最上段の当て板には溶接ビードの溶け落ちが発生したとしても、二，三枚目の板材には溶け落ちは発生しないので、それらの二，三枚目の板材間に隙間があったとしても両者は確実に溶接接合され、ブローホールの発生を伴うことなく連続溶接をもって溶接強度に優れた重ね溶接継手とすることができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、溶け落ちのない良好な溶接ビードが得られるとともに必要な溶接強度を確保できることから、本来の高速溶接が可能となって生産性が向上する。

図１，２は本発明に係る重ね溶接継手の基本原理を示す説明図である。

図１において、１はレーザ溶接ヘッド、２は同レーザ溶接ヘッド１から照射されるレーザビーム、３はアーク溶接用トーチ、３ａはアーク、４はアーク溶接用ワイヤである。また、５Ａ，５Ｂは被溶接物としての上下二枚の板材であって、両者の間には所定の隙間Ｇ１が確保されているとともに、上側の板材５Ｂの上には当て板６が密着するように重ね合わされて、少なくとも溶接部では三枚重ね構造となっている。ただし、当て板６はあくまで当て板としての所定の板厚さえ有していれば十分であり、それ自体の強度も溶接強度も特に必要としなければ、重ね溶接継手としては何ら機能しないものである。

レーザ溶接とアーク溶接とを併用したハイブリッド溶接に際しては、レーザ溶接ヘッド１から当て板６の上にレーザビーム２を照射してレーザ溶接を施す一方、レーザ溶接による加工点のわずかに後方側を狙ってアーク溶接を施し、これらのレーザ溶接ヘッド１とアーク溶接用トーチ３を所定速度で溶接方向に移動させて連続溶接を施す。

このような溶接の過程では、板材５Ａ，５Ｂ同士の間に隙間Ｇ１があるために溶融金属が隙間Ｇ１側に広がり、図２に示すように溶接ビード７の表面には溶け落ちＱが発生する。この場合、溶接に伴う溶融金属が板材５Ａ，５Ｂ間の隙間Ｇ１側に広がることによって一旦は上側の板材５Ｂの表面に溶け落ちが発生することになるものの、その板材５Ｂ側の溶け落ちが当て板６側に発生する溶け落ちによって埋められることになる。したがって、図２のように溶接ビード７に最終的に残されることになる溶け落ちＱが上側の板材５Ｂと当て板６との溶接強度に影響することはあっても、板材５Ａ，５Ｂ同士の溶接強度には何ら影響しないことになる。その結果、板材５Ａ，５Ｂ同士の間に隙間Ｇ１があったとしても、板材５Ａ，５Ｂ相互間では必要十分な溶接強度を確保できることになる。

因みに、上記の当て板６を併用せずに溶接を行った場合には、図３に示すように溶接ビード７のうち上側の板材５Ｂに相当する部分に溶け落ちＱが発生し、この溶け落ちＱの発生のために板材５Ａ，５Ｂ同士の溶接強度が極端に低下することになる。

図４，５は本発明に係る重ね溶接継手の好ましい実施の形態を示す図である。

この重ね溶接継手は、略ハット形断面形状をなす板材１０Ａ，１０Ｂ同士を長手方向でも一部アーバーラップするように重ね合わせたものであって、各板材１０Ａ，１０Ｂの左右のフランジ部１１，１２同士をそれぞれ密着させた上で、先に述べたレーザ溶接とアーク溶接との併用によるハイブリッド溶接にてそれらフランジ部１１，１２の長手方向に連続溶接を施して接合する一方（その溶接部となる溶接ビードを符号１３で示す）、板材１０Ａ，１０Ｂの頂部平面部１４，１５同士についても当て板１６を併用した上で同様にハイブリッド溶接にてそれら頂部平面部１４，１５の幅方向に沿って連続溶接を施して接合してある（その溶接部となる溶接ビードを符号１７で示す）。このような形態の重ね溶接継手は例えば自動車の車体部品の溶接接合部に採用される。

なお、上記の当て板１６は、一方の板材１０Ｂにおける頂部平面部１５の端部に予め非継手領域として当て板となるべき張り出し部１８を延長形成しておき、これをハイブリッド溶接に先立って頂部平面部１５側に折り返してその頂部平面部１５に密着させたものである。

ここで、上記のようないわゆるハット形断面形状の重ね溶接継手では、左右のフランジ部１１，１２のみならず頂部平面部１４，１５において溶接接合することで構造体としての強度と剛性を確保しようとするものであるが、板材１０Ａ，１０Ｂの個々の寸法や形状のばらつきを吸収するためにフランジ部１１，１２同士の間もしくは頂部平面部１４，１５同士の間に所定の隙間Ｇを確保する必要がある。しかしながら、例えば頂部平面部１４，１５同士の間に隙間Ｇを設定すると、それらの頂部平面部１４，１５同士の溶接接合に際してレーザ溶接やアーク溶接等のいわゆる連続溶接を採用することができず、スポット溶接等のいわゆる点溶接に頼らざるを得ず、重ね溶接継手としての強度と剛性の向上が望めないことになる。

これに対して、先に述べたような本実施の形態の重ね溶接継手によれば、頂部平面部１４，１５同士の溶接接合部に当て板１６を併用するだけで同部位において連続溶接を施すことが可能となることから、重ね溶接継手としての強度と剛性の向上の上で著しく有利となる。

図６以下の図面は図４，５に示した重ね溶接継手の溶接手順を示しており、最初に図６，７に示すように、相互に重ね合わされることになる上下の板材１０Ａ，１０Ｂのうち上側となる板材１０Ｂの頂部平面部１５について、溶接部となるべき部位の近傍の端縁から正規継手形状以外の領域として予め矩形状の張り出し部１８を延長形成しておくものとする。続いて、この張り出し部１８を根元部からその板材１０Ｂの頂部平面部１５側に折り返し、当て板１６として頂部平面部１５に密着するように重ね合わせる。

こうして、予め当て板１６が付帯している板材１０Ｂが得られたならば、図示しない治具を用いてその板材１０Ｂとともう一方の板材１０Ａとを重ね合わせて、図８に示すように板材１０Ａ，１０Ｂの左右のフランジ部１１，１２同士を密着させると、双方の板材１０Ａ，１０Ｂの頂部平面部１４，１５同士の重合部では当て板１６が付帯しているが故に部分的に三枚重ね構造となり、同時に頂部平面部１４，１５同士に間には予め設定されている所定の隙間Ｇが確保されることになる。

この状態で、図４，５に示したように、先に述べたレーザ溶接とアーク溶接との併用によるハイブリッド溶接にてフランジ部１１，１２同士の重合部にその長手方向に沿って連続溶接を施し、同時に、図９に示すように板材１０Ａ，１０Ｂの頂部平面部１４，１５同士の重合部についても当て板１６の上からハイブリッド溶接にてそれら頂部平面部１４，１５の幅方向に沿って連続溶接を施す。

その結果、頂部平面部１４，１５同士の重合部での溶接ビード１７は図４の（Ｂ）のようになる。すなわち、頂部平面部１４，１５同士の間に隙間Ｇが確保されていることによって溶接ビード１７の溶け落ちが顕著となるものの、板材１０Ａ，１０Ｂの頂部平面部１４，１５同士の間に相当する部分での溶け落ちが、それよりも上方の当て板１６側での溶け落ちにより補充されて埋められることになる。そのため、図４の（Ｂ）に示すように溶接ビード１７に最終的に残ることになる溶け落ちＱが板材１０Ａまたは１０Ｂ側にまで及ぶことはなく、必要十分な溶接強度が得られることになる。なお、当て板１６は溶接後の構造体に付帯してはいても強度部材としては何ら機能しない。

図１０〜１２は図４の（Ｂ）と同等部位の溶接ビード１７の断面の顕微鏡写真であり、図１０は上下の板材１０Ａ，１０Ｂが共に同一板厚である場合を、図１１は上下の板材１０Ａ，１０Ｂの板厚を異ならしめるとともに当て板１６に相当する薄い板材を模擬的に重ね合わせて溶接した場合をそれぞれ示している。また、図１２は当て板１６を併用せずに溶接した場合を示している。図１０，１１から明らかなように、当て板１６を併用した場合には当て板１６側に発生した溶け落ちＱが板材１０Ａ，１０Ｂ同士の接合部に及んでいないことが明確に表れている。これに対して、図１２では溶け落ちＱの発生によって溶接強度がきわめて乏しいものであることが観察できる。

このように本実施の形態によれば、溶接ビード１７に最終的に残ることになる溶け落ちＱが板材１０Ａ，１０Ｂ側にまで及ばないことが保証されているため、頂部平面部１４，１５同士の間の隙間Ｇの許容範囲の拡大化を維持しながら、また過剰な溶け落ちの発生を招くことなく、高速溶接を施すことが可能となる。

その上、頂部平面部１４，１５同士の間に所定の隙間Ｇが確保されているため、例えば板材１０Ａ，１０Ｂとして亜鉛めっき鋼板製のものを採用した場合でも、上記の隙間Ｇが気化した亜鉛蒸気の逃げ道として機能して、溶接ビード１７でのブローホールの発生を抑制することができる。

ここで、フランジ部１１，１２同士の重合部については、同部位での密着性さえ確保できるならば、必要に応じ上記のようなハイブリッド溶接に代えてレーザ溶接もしくはアーク溶接による連続溶接としてもよい。

本発明に係る溶接方法の基本原理を示す説明図。 同じく本発明に係る重ね溶接継手の基本原理を示す断面説明図。 図２に示す当て板を使用しなかった場合の溶接部の断面説明図。 （Ａ）は本発明に係る重ね溶接継手の好ましい実施の形態を示す斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ−ａ線に沿う拡大断面図。 図４の（Ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。 図４の（Ａ）の重ね溶接継手に溶接を施す前の状態を示す斜視図。 図６のｃ−ｃ線に沿う拡大断面図。 図６のｄ−ｄ線に沿う断面図。 図７の当て板側からハイブリッド溶接を施している状態を示す断面説明図。 図４の（Ｂ）に示した溶接部の断面での顕微鏡写真。 同じく図４の（Ｂ）に示した溶接部で板厚を変えた断面の顕微鏡写真。 図４の（Ｂ）の当て板を使用しない場合の顕微鏡写真。

符号の説明

１…レーザ溶接ヘッド
２…レーザビーム
３…アーク溶接用トーチ
５Ａ，５Ｂ…板材
６…当て板
７…溶接ビード
１０Ａ，１０Ｂ…板材
１１，１２…フランジ部
１４，１５…頂部平面部
１６…当て板
１７…溶接ビード
１８…張り出し部
Ｇ，Ｇ１…隙間
Ｑ…溶け落ち

Claims (4)

1. 二枚の板材同士を重ね合わせた上でレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接接合してなる重ね溶接継手であって、
   上側の板材のうち溶接部の近傍の端末から予め延長形成してある張り出し部をその上側の板材側に当て板として折り返すことで溶接部を三枚重ね構造とし、
   その三枚重ね構造部の当て板の上から溶接を施したことを特徴とする重ね溶接継手。
2. 略ハット形断面形状をなす二枚の板材同士を重ね合わせた上で、各板材のフランジ部同士および頂部平面部同士をそれぞれ溶接接合してなる重ね溶接継手であって、
   上側の板材の頂部平面部のうち溶接部の近傍の端末から予め延長形成してある張り出し部をその頂部平面部側に当て板として折り返すことで頂部平面部同士の溶接部を三枚重ね構造とし、
   その三枚重ね構造部の当て板の上からレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を施したことを特徴とする重ね溶接継手。
3. レーザ溶接とアーク溶接との併用による溶接部近傍には、それら二枚の板材間に予め所定の隙間が確保されていることを特徴とする請求項１または２に記載の重ね溶接継手。
4. 二枚の板材同士を重ね合わせた上でレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接接合することで重ね溶接継手とする方法であって、
   上側の板材のうち溶接部の近傍の端末から正規継手形状以外の領域として予め張り出し部を延長形成しておき、
   この張り出し部を上側の板材側に当て板として折り返すことで溶接部を三枚重ね構造とし、
   その三枚重ね構造部の当て板の上から溶接を施すことを特徴とする溶接方法。