JP2005219115A - 金属薄板の突合せ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生を防止することができる金属薄板の突合せ溶接方法を提供する。
【解決手段】金属薄板１の端縁同士を突合せた突合せ部１１に沿って熱源１２を走査せしめ、熱源１２から突合せ部１１にエネルギを照射して突合せ部１１を含む溶融部１７を形成して突合せ部１１を一体化する。熱源１２は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備え、溶融部１７の幅が金属薄板１１の板厚の３．９倍以上となるように、熱源１２から突合せ部１１にエネルギを照射する。溶融部１７の幅が、好ましくは金属薄板１の板厚の３．９〜７．８倍、さらに好ましくは４．８〜７．８倍の範囲になるように、熱源１２から突合せ部１１にエネルギを照射する。熱源１２は、半導体レーザまたはプラズマアークである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、無段変速機用金属ベルトの構成要素である積層リングの製造に用いられる金属薄板の端縁同士を突合せて溶接する金属薄板の突合せ溶接方法に関する。

無段変速機用の金属ベルトは、無段変速機のプーリに接する多数の板状エレメントと、該エレメントを環状に積層した状態で結束する積層リングとにより構成される。前記積層リングは、複数の金属リングを積層してなる。

前記金属リングの製造に際しては、まず、超強力鋼であるマルエージング鋼等の金属薄板をロール状に曲げ、その端縁同士を突合せ、突合せ部を溶接して円筒状のドラムを形成し、得られたドラムを所定幅に裁断して複数の薄板状金属リングを形成する。そして、前記薄板状金属リングに圧延加工を施すことにより、所定の長さの前記金属リングを形成する。

従来、前記突合せ溶接は、一般に前記突合せ部に沿ってＹＡＧレーザ（イットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザ）を走査せしめ、該突合せ部をキーホール溶接することにより行われている（例えば特許文献１参照）。

前記キーホール溶接は、ＹＡＧレーザ等の高パワー密度のレーザーを材料に照射して、照射部の材料を瞬時に溶融、蒸発させて、該照射部に細い縦深の空洞（キーホール）を形成し、次いで溶融した金属が該キーホールを埋め戻して冷却、凝固することにより溶接するものである。ところが、前記キーホール溶接によれば、前記突合せ部に沿って前記ＹＡＧレーザを走査せしめると、前記キーホールが十分に埋め戻されないうちに溶融した金属が凝固して、金属組織中に残存するキーホールにより、ブローホールが生じることがある。

このようにして得られたドラムは、前記溶接された部分に直径４０μｍ以上の大きさのブローホールが存在すると、該ドラムを裁断後、前記薄板状金属リングを圧延したときに割れが生じ、該金属リングが使用できなくなる。そこで、前記溶接後、得られたドラムを裁断する前に、予め前記溶接部のＸ線検査を行ない、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールがないドラムのみを裁断工程に回すことが行われている。

しかしながら、前記Ｘ線検査を行うと手間がかかりコスト増となる上、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールが発見されたドラムは使用できないため歩留まりが低下するという不都合がある。
特開平７−３２１７１号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生を防止することができる金属薄板の突合せ溶接方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、金属薄板の端縁同士を突合せた突合せ部に沿って熱源を走査せしめ、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射して該突合せ部を含む溶融部を形成して該突合せ部を一体化する突合せ溶接方法において、該熱源は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備え、該溶融部の幅が該金属薄板の板厚の３．９倍以上となるように、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射することを特徴とする。

前記熱源は、パワー密度が０．３ｋＷ／ｍｍ^２未満ではエネルギ不足となって前記突合せ部の溶接自体が困難になる。また、前記熱源のパワー密度がＹＡＧレーザー等のように５ｋＷ／ｍｍ^２を超えると、前記突合せ部の溶け込みが深くなり、いわゆるキーホール溶接となって、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生が避けられない。

これに対して、０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備える熱源を該突合せ部に沿って走査せしめ、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射すると、該エネルギにより発生した熱が該突合せ部から両側に伝導し、該突合せ部を含む溶融部が形成される。前記溶融部では、前記熱により前記金属薄板の成分の一部が気化し、あるいは周囲の雰囲気が巻き込まれ、該溶融部の内部に気泡が発生する。

このとき、本発明では、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９倍以上となるように、前記熱源から前記突合せ部にエネルギを照射する。このようにすると、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９倍未満の場合に比較して、前記溶融部が凝固するまでの時間が長くなり、前記気泡が外部に放出され、あるいは周囲の金属組織に拡散する。

従って、本発明によれば、前記気泡が前記溶融部内に残存してブローホールを形成することを抑制して、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生を防止することができる。

一方、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９倍未満では、前記溶融部が凝固するまでの時間が短く、ブローホールの形成を十分に抑制することができないので、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生が避けられない。

前記溶融部の幅は、前記金属薄板の板厚の３．９倍以上であればよいが、前記金属薄板の板厚の３．９〜７．８倍の範囲になるように、前記熱源から前記突合せ部にエネルギを照射することが好ましい。

前記溶融部の幅は、前記熱源のパワー密度と走査速度とを調整することにより前記範囲とすることができる。このとき、前記熱源のパワー密度が一定であれば、前記走査速度が遅いほど、前記溶融部の幅が大きくなる。しかし、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の７．８倍を超えると、溶接時間が長くなり、生産効率が低下する。

前記溶融部の幅は、前記金属薄板の板厚の４．８〜７．８倍の範囲になるように、前記熱源から前記突合せ部にエネルギを照射することがさらに好ましい。前記溶融部の幅が前記範囲になるようにすることにより、ブローホール自体の発生を防止して、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの発生を確実に防止することができる。

前記範囲のパワー密度を備える熱源として、例えば、半導体レーザまたはプラズマアークを挙げることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は積層リングの製造工程の要部を模式的に示す工程図、図２は本実施形態の突合せ溶接方法を示す説明図、図３は薄板の突合せ部の溶接後の状態を示す説明的断面図、図４はブローホールの大きさと数との関係を示すヒストグラムである。

無段変速機用の金属ベルトは、例えば図１に示す工程に従って製造される。まず、マルエージング鋼等の金属薄板１をベンディングしてループ化したのち、端縁同士を突合せ溶接して円筒状のドラム２を形成する。このとき、前記金属薄板１は溶接の熱により時効硬化を示し、ドラム２の溶接部分２ａの両側に硬度の高い部分が出現する。

そこで、次に、ドラム２を真空炉３に収容して所定温度に所定時間保持することにより第１の溶体化処理を行い、前記溶接熱により部分的に硬くなった硬度を均質化する。前記第１の溶体化処理が終了したならば、ドラム２を真空炉３から搬出し、該ドラム２を周方向に所定幅に裁断して複数の薄板状金属リング４を形成する。次に、薄板状金属リング４を圧下率４０〜５０％で夫々異なった周長に圧延し、所定の長さの金属リング５を形成する。

次に、金属リング５を、加熱炉６に収容して所定温度に所定時間保持することにより第２の溶体化処理を行い、圧延組織を再結晶させ、圧延により変形された金属組織の形状を復元する。前記第２の溶体化処理が終了したならば、金属リング５を加熱炉６から冷却室７に移動し、冷却室７内で冷却した後、搬出し、周長補正を行う。そして、前記周長補正が施された各金属リング５を、図示しない熱処理装置に収容して時効処理及び窒化処理を施した後、少しずつ周長の異なる複数の金属リング５を相互に径方向に積層することにより、積層リング８が形成される。

積層リング８は、環状に積層された多数の板状エレメント（図示せず）に組み付けられることにより、前記無段変速機用の金属ベルトを構成する。

前記突合せ溶接は、図２に示すように、ループ化して円筒状とした金属薄板１を、突合せ部１１を熱源１２に対向させてテーブル１３上に載置し、テーブル１３を円筒状の金属薄板１の長手方向に移動させることにより、熱源１２を突合せ部１１に沿って走査せしめ、
突合せ部１１にエネルギを照射することにより行う。熱源１２は、例えば半導体レーザ溶接装置であり、半導体レーザ発振器１４と、半導体レーザ発振器１４からのレーザビーム１５を集光して突合せ部１１に照射する照射ヘッド１６とを備えている。半導体レーザ発振器１４は、図示しないコントローラ、電源装置に接続されている。

前記半導体レーザ溶接装置によれば、半導体レーザ発振器１４からのレーザビーム１５を照射ヘッド１６で集光することにより、パワー密度（ビームスポット面積に対するビームエネルギー出力）が０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のエネルギが突合せ部１１に照射される。この結果、金属薄板１の突合せ部１１では、レーザビーム１５の移動に伴ってレーザビーム１５が照射された部分では熱伝導により金属薄板が溶融して、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成される。一方、レーザビーム１５が移動した部分では、溶融部１７が次第に凝固して一体化し、突合せ部１１が溶接される。

このとき、テーブル１３を所定速度で移動させることにより、図３に示すように、溶融部１７の幅Ｗが金属薄板１の板厚ｄの３．９倍以上になるようにする。ここで、溶融部１７の幅Ｗは、ドラム２の溶接部分を円周方向に切断したときの表面側の幅Ｗ_１と、裏面側の幅Ｗ_２との平均値であり、溶融部１７の幅Ｗの金属薄板１の板厚ｄに対する倍率をアスペクト比Ａ（＝Ｗ／ｄ）とする。すなわち、溶融部１７の幅Ｗが金属薄板１の板厚ｄの３．９倍以上であるとは、アスペクト比Ａ≧３．９であることを意味する。前記アスペクト比Ａは、好ましくは３．９〜７．８の範囲であり、さらに好ましくは４．８〜７．８の範囲である。

前記突合せ溶接では、レーザビーム１５照射時の熱により金属薄板１の成分の一部が気化したり、あるいはレーザビーム１５の移動に伴って周囲の雰囲気が巻き込まれたりすることにより、溶融部１７の内部に気泡が発生する。しかし、前記アスペクト比Ａが３．９〜７．８の範囲となるようにすることにより、溶融部１７が凝固するまでの間に、前記気泡が外部に放出されたり、周囲の金属組織中に拡散することができ、ブローホールの形成を抑制して、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの形成を防止することができる。

また、前記アスペクト比Ａが４．８〜７．８の範囲となるようにすることにより、ブローホール自体の形成を防止することができる。

前記突合せ溶接は、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールの形成を防止するためには、前述のように前記アスペクト比が３．９以上になるようにすればよい。しかし、アスペクト比が７．８を超える溶融部１７を形成するには、テーブル１３の移動速度を遅くしなければならず、溶接時間が長くなって、生産効率の低下が避けられない。

次に、実施例と比較例とを示す。

本実施例では、まず、板厚０．３２ｍｍのマルエージング鋼製金属薄板１をベンディングしてループ化し、円筒状とした。前記円筒状とされた金属薄板１は、１５０ｍｍの長さの突合せ部１１を備えていた。

次に、図２に示す熱源１２として半導体レーザ溶接装置を用いて、突合せ部１１の突合せ溶接を行った。前記突合せ溶接は、半導体レーザ発振器１４から発振される波長８００〜９４０ｎｍ、レーザ出力５００Ｗのレーザビーム１５を照射ヘッド１６で集光し、突合せ部１１にビームスポット面積０．６３ｍｍ^２、パワー密度０．７９ｋＷ／ｍｍ^２で照射することにより行なった。また、テーブル１３は、１５００ｍｍ／分の速度で移動させ、レーザビーム１５が突合せ部１１に沿って相対的に走査されるようにした。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本実施例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝１．４ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝１．３５ｍｍ、平均値Ｗ＝１．３７５ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝４．３であった。前記溶接条件と、溶融部１７の寸法とを表１に示す。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部の２５ヶ所を透過型マイクロフォーカスＸ線装置にて検査したところ、ブローホールは全く検出されなかった。結果を表１と、図４（ａ）とに示す。

本実施例では、レーザ出力３００Ｗ、パワー密度０．４８ｋＷ／ｍｍ^２とし、テーブル１３を９００ｍｍ／分の速度で移動させた以外は、実施例１と全く同一にして突合せ部１１の突合せ溶接を行った。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本実施例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝１．２７ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝１．２２ｍｍ、平均値Ｗ＝１．２４５ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝３．９であった。前記溶接条件と、溶融部１７の寸法とを表１に示す。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部の２５ヶ所を実施例１と全く同一にして検査したところ、直径３０μｍ以上４０μｍ未満の大きさのブローホールが２個検出されたが、直径４０μｍ以上の大きさのブローホールは全く検出されなかった。結果を表１と、図４（ｂ）とに示す。

〔比較例１〕
本比較例では、レーザ出力１５０Ｗ、パワー密度０．２４ｋＷ／ｍｍ^２とし、テーブル１３を３４０ｍｍ／分の速度で移動させた以外は、実施例１と全く同一にして突合せ部１１の突合せ溶接を行った。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本比較例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝１．１３ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝１．０７ｍｍ、平均値Ｗ＝１．１ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝３．４であった。前記溶接条件と、溶融部１７の寸法とを表１に示す。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部の２５ヶ所を実施例１と全く同一にして検査したところ、ブローホールが２２個検出され、このうち直径４０μｍ以上の大きさのブローホールは７個であった。結果を表１と、図４（ｃ）とに示す。

〔比較例２〕
本比較例では、レーザ出力１５０Ｗ、パワー密度０．２４ｋＷ／ｍｍ^２とし、テーブル１３を５４０ｍｍ／分の速度で移動させた以外は、実施例１と全く同一にして突合せ部１１の突合せ溶接を行った。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本比較例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝０．８２ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝０．７ｍｍ、平均値Ｗ＝０．７６ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝２．４であった。前記溶接条件と、溶融部１７の寸法とを表１に示す。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部の２５ヶ所を実施例１と全く同一にして検査したところ、ブローホールが２３個検出され、このうち直径４０μｍ以上の大きさのブローホールは６個であった。結果を表１と、図４（ｄ）とに示す。

〔比較例３〕
本比較例では、レーザ出力３００Ｗ、パワー密度０．４８ｋＷ／ｍｍ^２とし、テーブル１３を１３５０ｍｍ／分の速度で移動させた以外は、実施例１と全く同一にして突合せ部１１の突合せ溶接を行った。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本比較例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝０．６ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝０．３ｍｍ、平均値Ｗ＝０．４５ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝１．４であった。前記溶接条件と、溶融部１７の寸法とを表１に示す。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部の２５ヶ所を実施例１と全く同一にして検査したところ、ブローホールが２４個検出され、このうち直径４０μｍ以上の大きさのブローホールは８個であった。結果を表１と、図４（ｅ）とに示す。

表１と、図４（ａ）〜（ｂ）とから、アスペクト比Ａ≧４．３の場合（実施例１）には、
溶接部にブローホール自体が全く無く、アスペクト比Ａ≧３．９の場合（実施例２）には、溶接部にブローホールは存在するものの直径４０μｍ以上の大きさのブローホールは無いことが明らかである。また、表１と、図４（ｃ）〜（ｅ）とから、アスペクト比Ａ＜３．９の場合（比較例１〜３）には、溶接部に直径４０μｍ以上の大きさのブローホールが存在することが明らかである。

尚、前記実施形態では、熱源１２として半導体レーザを用いる場合を例に挙げて説明しているが、熱源１２は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備えるものであればよく、例えば、プラズマアークを前記半導体レーザに準じる条件で用いることもできる。

積層リングの製造工程の要部を模式的に示す工程図。 本発明の突合せ溶接方法の一実施形態を示す説明図。 金属薄板の突合せ部の溶接後の状態を示す説明的断面図。 ブローホールの大きさと数との関係を示すヒストグラム。

符号の説明

１…金属薄板、 １１…突合せ部、 １２…熱源、 １７…溶融部。

Claims (4)

1. 金属薄板の端縁同士を突合せた突合せ部に沿って熱源を走査せしめ、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射して該突合せ部を含む溶融部を形成して該突合せ部を一体化する突合せ溶接方法において、
   該熱源は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備え、該溶融部の幅が該金属薄板の板厚の３．９倍以上となるように、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射することを特徴とする金属薄板の突合せ溶接方法。
2. 前記溶融部の幅が、前記金属薄板の板厚の３．９〜７．８倍の範囲になるように、前記熱源から該突合せ部にエネルギを照射することを特徴とする請求項１記載の金属薄板の突合せ溶接方法。
3. 前記溶融部の幅が、前記金属薄板の板厚の４．８〜７．８倍の範囲になるように、前記熱源から該突合せ部にエネルギを照射することを特徴とする請求項１または請求項２記載の金属薄板の突合せ溶接方法。
4. 前記熱源は、半導体レーザまたはプラズマアークであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の金属薄板の突合せ溶接方法。

Images