JP2006218499A - 金属薄板のレーザー突合せ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザーにより突合せ溶接された薄板の突合せギャップを低減する溶接方法と、それにより十分なギャップ低減能力とプレス成型性を確保した製品を提供する。
【解決手段】
金属薄板をレーザーによって突合せ溶接して二次加工素材を形成する方法のうち、付合せた状態で溶接前に一方の金属板の一部をマッシュローラーによる塑性変形によって板厚を減少させて、その材料の塑性流れを溶接ギャップを減少させる方向に生じさせる方法において、その塑性変形部の幅をＫ、最大深さをｍ、板厚をｔとするときに、
Ｋ^２/ｍ×ｔ
であらわされる無次元数が１．４以上となるように塑性変形を生じさせることを特徴とする方法およびそれにより得られる製品。
【選択図】 図３

Description

本発明は、金属薄板のレーザー突合せ溶接方法に関するもので、更に詳しくは、プレス等の塑性加工に供される溶接金属薄板を製造するための金属薄板のレーザー突合せ溶接方法に関するものである。

近年、レーザー溶接により複数の金属板を事前に突合せ接合し、その金属板をプレス成型等の塑性加工による二次加工にて所望の形状に成型する技術の適用が、自動車向けとして一般化しつつある。異種または異厚の金属板をプレス成型以前に接合し、一枚の金属板としてプレスを行えば、製品の部分的な補強や軽量化を促す効果がある。レーザーによる突合せ溶接時に生じる問題点は、端面でもって互いに接しあう薄板をきわめて正確に位置決めする必要であり、かつ薄板が薄板間に極狭いギャップを有することしか許さない点にある。良好な溶接シーム品質を得るためには原則としてギャップは０．０５〜０．０８ｍｍ幅を有することしか許されない。このことは取りも直さず両薄板各々が同一直線状から０．０４ｍｍの偏差しか許されないことを意味している。

二次加工製品においては往々にして生じるような長い溶接シームの場合、溶接すべき薄板の、位置決めされた全端面に沿って前記のような微小なギャップ幅を得ることは著しく面倒で不経済である。所要の正確さをもってたとえば２．５ｍ長さのせん断を実施できる精密せん断機は入手可能であるが、このような装置はコストが高くつく。フライス切削法、研削法、レーザー切断法のようなその他エッジ加工方法は付加的に生産時間およびコストを著しく上昇させることになる。また溶接シーム部のひけ等の問題を生じさせないためには、理想的にはギャップ０でなくてはならないが、例え上記のような精密せん断装置を用いても、突合せギャップを０とすることは工業的には不可能である。

このような課題を解決するために、溶接ゾーンの手前でか又は溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板にマッシュローラーによる塑性変形を施して板厚を減少させ、薄板間のギャップを埋めることを特徴とする薄板をレーザー溶接して二次加工素材を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、塑性変形の形態については、材料・サイズ・せん断精度等に応じて試行錯誤で最適化しているのが実態で、とくに塑性変形形態のうちのマッシュローラーによる塑性変形部の幅、深さについてはこれまで明確な指標がなく、いくつかのトライアウト・試作により決定されていたため、そのためのコストが余分にかかっていた問題があった。塑性変形部の幅、深さが適正な範囲で無い場合、ギャップ減少量が十分でなかったり、プレス加工時にその塑性変形部が成型性を阻害する問題が発生する。

このように塑性流れによるギャップ減少量を十分に確保しつつ、プレス成型性を阻害しないための要件は、上記のように実験的に最適化する手法のほかに、大規模計算機による有限要素法による非線形解析を行う方法があり、この場合確認のためのトライアウト・試作は最小限で済むが、解析のための時間・コストは膨大であり、塑性変形部形態最適化の手法として、一般的にとりうる手法ではない。

特開平６−１５４６９号公報

そこで本発明の課題は、レーザーによる突合せ溶接前に、一方の金属板の一部にマッシュローラーによる塑性変形によって板厚を減少させ、その塑性流れにて突合せギャップを低減する金属薄板のレーザー突合せ溶接方法において、マッシュローラーによる適正な塑性変形形態を極簡単に規定する方法を提供し、それにより、十分なギャップ低減能力と、プレス成型性を確保した製品を製造することができる金属薄板のレーザー突合せ溶接方法を提供することにある。

本発明者は、マッシュローラーによる金属薄板の塑性変形形態の適正な範囲を塑性変形部の幅、最大深さ及び元の板厚を関係付けることで簡単に規定し得ることを見出して本発明を完成した。

本発明の要旨は、以下の通りである。

（１） 金属薄板を突合せた状態でレーザー溶接前に一方の金属薄板の一部をマッシュローラーによる塑性変形によって板厚を減少させて、その材料の塑性流れを、溶接ギャップを減少させる方向に生じさせる金属薄板のレーザー突合せ溶接方法において、その塑性変形部の幅をＫ、最大深さをＭ、板厚をＴとするときに、下記（１）式
Ｋ^２／（Ｍ×Ｔ） ・ ・ ・（１）
であらわされる無次元数が、１．４以上となるように塑性変形を生じさせることを特徴とする金属薄板のレーザー突合せ溶接方法。

（２） 板厚が異なる金属薄板を突き合わせた状態で、レーザー溶接前に板厚が厚い方の金属板の一部をマッシュローラーによって塑性変形させることを特徴とする請求項１記載の金属薄板のレーザー突合せ溶接方法。

本発明を用いれば、溶接ゾーンの手前でか又は溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板にマッシュローラーによる塑性変形を施して板厚を減少させ、薄板間のギャップを埋める方法で金属薄板をレーザー溶接する場合において、その塑性変形形態を試行錯誤や複雑な計算なしに適正化でき、溶接で得られた製品をプレスする工程において板厚減少部分を起点にする割れを生じさせることを防止することが可能となり、プレス成型性を阻害することなしにプレス成型が可能となると同時に、十分なギャップ低減性能を発現することが可能となるため、溶接母材の精密な裁断を不要とし、コストダウンを図るという目的を達成することが可能となる。

特に自動車パネル用のレーザー溶接金属板としては、たとえば衝突安全性の向上と軽量化のためには、パネル製品の部分的な強度を向上させることが求められる。そのため、従来は補強したい部分の強度を高くするために、その部分の板厚を厚くすることで補強が行われてきた。この場合、補強のために、板厚を増やす代わりに、その部分に引っ張り強度の高い鋼板を用いれば、パネルの余分な増肉を回避でき、軽量化に貢献することができる。

このような溶接金属板を製造するために、を製造するために金属薄板の突合せレーザー溶接では、溶接前に２枚の金属薄板を端面で突合せ、突合せ部をレーザービームによって溶接する。ところが、レーザービームは集束径が小さく、例えば０．２ｍｍ直径、良好な溶接ビーム品質を得るためには、突き合わせた薄板間のギャップは最大で０．０８ｍｍ幅を有することしか許されない。これはギャップ幅が０．０８ｍｍを超えると溶接ビームの欠落やレーザービームの通過が生じるからである。

このため、ギャップ幅が広い場合は、溶接ゾーンの手前でか又は溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板にマッシュローラーによる塑性変形を施して板厚を減少させ、薄板間のギャップを埋めることが行われる。

図１は、突き合わせた一方の金属薄板の板厚をマッシュローラーで塑性変形させ、突合せギャップ部へ塑性流れを生じさせて、ギャップを埋めながらレーザー溶接する方法の鳥瞰図である。図２は溶接すべき２枚の金属薄板のギャップ近傍におけるマッシュローラー部の垂直断面図である。図１及び図２に示すように、２枚の金属薄板１、２を突合せ、溶接ゾーン７上流に設置したマッシュローラー８で溶接進行方向６に向かって、一方の金属薄板２の板厚を減じるように塑性変形し、塑性変形による板厚減少部５によってギャップを閉じる方向の塑性流れ１１を生じさせ、ギャップ９を埋めながらレーザートーチ３からのレーザービームにより、溶接ビード４を形成するようにレーザー溶接する。即ち、溶接ゾーン手前で突合せた金属薄板の少なくともどちらか一方の方に板厚を減ずるような塑性加工を施し、その塑性流れによってギャップを低減することで、高い溶接品質を得ることが出来る。しかしながら、マッシュローラーによって突き合わせた金属薄板に塑性変形を施す場合、その適正な塑性変形形態については明確な指標がない。

つまり、塑性変形量が不足するとギャップ幅減少量が不十分となり、一方、塑性変形量が過大であると、プレス成型時に金属薄板の塑性変形による板厚減少部が起点となって割れを生じさせ、プレス成型性を阻害することとなる。

本発明ではマッシュローラーによる金属薄板の塑性変形形態の適正な範囲を塑性変形の幅、深さ及び板厚に基づいて極簡単に規定できることを見出した。

即ち、マッシュローラーによる塑性変形により板厚が低減した減肉部の体積が、塑性流れによってギャップ部に流出した関係になると想定し、この関係を塑性変形部の幅及び最大深さ、元の板厚並びに塑性流れによるギャップ減少量で規定した。この塑性変形の幾何学的形態を求めるために、図３に示すごとくパラメーターを規定した。図３は塑性変形部の代表断面を表した図であるが、図中塑性変形部の幅をＫ、塑性変形部の最大深さをＭ、元の板厚をＴ，塑性流れによるギャップ減少量をＧとしたときに、これらの無次元な関係式として下記の（２）式にてこれらのパラメーターが十分な精度にて関連付けられることを知見した。

この式の精度を検証するために、板厚１．４ｍｍの鋼板を用い、種々ＫおよびＭを変え実験を行った。その結果実験結果と（２）式は良く一致し、本式によって金属板の肉厚を溶接ゾーン上流に設置したマッシュローラーによる塑性変形により減じ、母材の突合せギャップ部への塑性流れを生じさせ、ギャップを埋めるプロセスの幾何学的様相を精度良く表現することができた。なお、実験結果との比較の最小二乗法による相関係数はＲ＝０．９８であった。表１に実験条件および結果と（２）式を用いた計算値との比較を示す。

また、上記のような塑性変形による減厚加工を施すとき、元の板厚に対する減少量を大きくしすぎると、溶接後の次工程でのプレス成型時に、その部分が割れることがあり問題となる。板厚０．５ｍｍから２．０ｍｍの鋼板を用いていくつかの条件にて実験を行いエリクセン試験で成型性を評価したところ、成型性を阻害しないための減厚部の要件としては、板厚に対する減厚量の比すなわちＭ／Ｔが０．２５以下である必要があった。すなわちＭ／Ｔが０．２５以上の場合、プレス成型時に成型性に支障を来たす恐れがある。

つぎに塑性流れによるギャップの減少量Ｇは、精密せん断装置を用いずに理想的なギャップなし状態とするためには出来るだけ大きいほうがよい。通常安価に入手可能な板金加工用の直刃せん断機にて板厚１．５ｍｍの鋼板でせん断試験を実施した結果、そのせん断面の長手方向の直線度は、０．０５〜０．１０ｍｍであった。したがってこの鋼板をつき合わせたときの突合せギャップの最大値は０．２０ｍｍであり、溶接品質上問題とならないギャップである０．０５ｍｍとするためには少なくとも０．１５ｍｍ（０．２０−０．０５＝０．１５）以上のギャップ低減効果を発現することが必要で、したがってこの場合Ｇ／Ｔすなわちギャップ低減量と元の板厚の比は０．１以上であらねばならない。また板厚３．０ｍｍの鋼板でも同様の試験を実施したが、板厚の増大によりせん断反力が増すために直線度は悪化したため、１．５ｍｍの場合と粗同様にＧ／Ｔは０．１以上必要であることが判った。

したがって、これらの条件（Ｍ／Ｔ）≦０．２５、および（Ｇ／Ｔ）≧０．１を（２）式に代入すると、下記（１）式なる条件が導出される。
Ｋ^２／（ＭＴ）≧１．４ ・ ・ ・（１）
すなわちＫ^２／（ＭＴ）≧１．４の条件においては、（Ｍ／Ｔ）≦０．２５且つ（Ｇ／Ｔ）≧０．１を満たすことが出来る。ゆえにＫ^２／（ＭＴ）が１．４より大きくなる条件設定を行えば、成型性に問題を及ぼさない範囲で且つ十分なギャップ低減効果を持つ塑性変形を与えることが可能となる。なお、Ｋ^２／（ＭＴ）の値の最大値は実用上２００の値を採りうると予想される。

また、板厚が異なる金属薄板を突き合わせた状態で、レーザー溶接前に金属薄板の一部をマッシュローラーによって塑性変形させて板厚を減少させるには、板厚が厚い方の金属薄板の板厚を減少させたほうが（１）式の条件をよく満足する。

このようにＫ^２／（ＭＴ）≧１．４の値が１．４以上となるような塑性変形を施すことを特徴とする本技術を用いれば、溶接ゾーンの手前でか又は溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板にマッシュローラーによる塑性変形を施して板厚を減少させ、薄板間のギャップを埋める方法で金属薄板をレーザー溶接する場合において、薄板の板厚を部分的に減ずる塑性変形を施した場合にも、その製品をプレスする工程において板厚減少部分を起点にする割れを生じさせることを防止することが可能となり、製品のプレス成型性を阻害することがない。また同時に十分なギャップ低減効果を発現できるため、溶接母材の精密な裁断を不要とし、コストダウンを図るという目的においても本発明を適用することで、低コストに高品質の製品を得ることが出来る。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

板厚が１ｍｍ、３ｍｍの鋼板を試験材として準備し、マッシュローラーの形状・圧下形態を種々変えて実験を行った。このときマッシュローラー先端形状は、角度９０度の楔形状とした。まず板厚３ｍｍの鋼板において、板厚減少量０．５ｍｍで、塑性変形の幅を１ｍｍとしたときには、ギャップ閉じ量は０．１６ｍｍでしかなく、十分なギャップ閉じ量である板厚の１０％の０．３ｍｍを得ることができなかった。このときの（１）式の値は１．３であり、本発明による必要条件の１．４以下であった（比較例１）。次に同じ板厚３ｍｍの鋼板において、板厚減少量０．８ｍｍとし、塑性変形の幅を１．６ｍｍとしたときには、ギャップ閉じ量は約０．４３ｍｍとなり、十分なギャップ閉じ効果を得ることが出来たが、一方成型性による板厚減少限界の２５％を超え、プレス成型時にこの板厚減少部から破断した。ことのきの（１）式の値は、１．１であり、本発明による必要条件の１．４以下であった（比較例２）。

同様に板厚１ｍｍの鋼板において、板厚減少量０．２ｍｍで、塑性変形の幅を０．４ｍｍとしたときには、ギャップ閉じ量は０．０８ｍｍでしかなく、十分なギャップ閉じ量である板厚の１０％の０．１ｍｍを得ることができなかった。このときの（１）式の値は０．８であり、本発明による必要条件の１．４以下であった（比較例３）。次に同じ板厚１ｍｍの鋼板において、板厚減少量０．３ｍｍとし、塑性変形の幅を０．６ｍｍとしたときには、ギャップ閉じ量は約０．１８ｍｍとなり、十分なギャップ閉じ効果を得ることが出来たが、一方成型性による板厚減少限界の２５％を超え、プレス成型時にこの板厚減少部から破断した。ことのきの（１）式の値は、１．２であり、本発明による必要条件の１．４以下であった（比較例４）。

次に、マッシュローラーの先端を図３に示す如く円弧形状として実験した。このとき円弧の曲率半径は１．５ｍｍとした。まず板厚３ｍｍの鋼板において、板厚減少量を０．６ｍｍとした場合、塑性変形の幅は２．４ｍｍでありギャップ閉じ量は０．３３ｍｍとなった。この場合、成型上問題ない上、十分なギャップ閉じ量を得ることが可能であった。このとき（１）式の値は３．２であり、本発明の要件を満たす（本発明例１）。

同様に板厚１ｍｍの鋼板において、板厚減少量を０．１５ｍｍとした場合、塑性変形の幅は１．３ｍｍでありギャップ閉じ量は０．１３ｍｍとなった。この場合、成型上問題ない上、十分なギャップ閉じ量を得ることが可能であった。なおこのとき（１）式の値は１１．４であり、本発明の要件を満たす（本発明例２）。

これらの実験から、金属薄板をレーザーによって突合せ溶接して二次加工素材を形成する方法のうち、付合せた状態で溶接前に一方の金属板の一部をマッシュローラーによる塑性変形によって板厚を減少させて、その材料の塑性流れを、溶接ギャップを減少させる方向に生じさせる方法において、その塑性変形部の幅をＫ、最大深さをＭ、板厚をＴとするときに、
Ｋ^２／（Ｍ×Ｔ） ・ ・ ・（１）
であらわされる無次元数が、本発明の要件である１．４以上となるように塑性変形形態を制御すれば、十分なギャップ閉じ効果を得つつ、成型性に問題の無い溶接方法であることがわかった。
表２に実験結果をまとめて示す。

なお、本実験による上記パラメーター測定は、溶接後の板から数箇所の断面写真を撮影し、その写真を測定することにより計測を行った。また板厚減少部分が板エッジ部までを抱合し、変形幅Ｍの判定がつきにくい場合には、溶接ビードの対角線中央位置を変形幅の開始点とした。また複数対のマッシュローラーにて幅方向で、もしくは表裏面で複数の塑性変形個所を持つ場合には、パラメーターＭ、Ｋはそれぞれの合算値を採用する。

金属板のレーザー接合プロセスの模式鳥瞰図である。 溶接すべき２枚の金属薄板のギャップ近傍でマッシュローラー部の垂直断面図である マッシュローラー部の垂直断面図である

符号の説明

１ 金属薄板１
２ 金属薄板２
３ レーザートーチ
４ 溶接ビード
５ 塑性変形による板厚減少部
６ 溶接進行方向
７ 溶接ゾーン
８ マッシュローラー
９ ギャップ
１０ 薄板クランプ
１１ ギャップを閉じる方向の塑性流れ
Ｇ ギャップ減少量
Ｋ 塑性変形部の幅
Ｍ 塑性変形部の最大深さ
Ｔ 板厚

Claims (2)

1. 金属薄板を突合せた状態でレーザー溶接前に一方の金属薄板の一部をマッシュローラーによる塑性変形によって板厚を減少させて、その材料の塑性流れを、溶接ギャップを減少させる方向に生じさせる金属薄板のレーザー突合せ溶接方法において、その塑性変形部の幅をＫ、最大深さをＭ、板厚をＴとするときに、下記（１）式
   Ｋ^２／（Ｍ×Ｔ） ・ ・ ・（１）
   であらわされる無次元数が、１．４以上となるように塑性変形を生じさせることを特徴とする金属薄板のレーザー突合せ溶接方法。
2. 板厚が異なる金属薄板を突き合わせた状態で、レーザー溶接前に板厚が厚い方の金属板の一部をマッシュローラーによって塑性変形させることを特徴とする請求項１記載の金属薄板のレーザー突合せ溶接方法。

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