JP2009233712A - 溶接継手構造および溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の溶接継手構造における溶接部の形状として、例えばスポット溶接の円形状や直線形状、あるいはＣ字形状の形状などが知られている。また、直線形状の溶接部では継手強度と製品剛性の向上を図りやすい半面、溶接部の端部で応力集中が発生する。またＣ字形状の形状などでは溶接品質のバラツキにより、想定していた破壊荷重より小さい荷重により破断してしまう可能性があり、接合の信頼性が低く、作業効率が悪い問題があり、作業効率と高強度化の両方を満足することができなかった。
【解決手段】 溶接部の形状を、第１接合部とこれと同じ形状の第２接合部を離間して対向配置させたかっこ形状とする。これにより溶接部の端部の応力集中緩和と、継手強度・製品剛性の確保と、作業時間短縮のすべてを考慮した、重ね合わせレーザ接合における溶接継手構造および溶接方法を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合対象物を複数枚重ね合わせてレーザ溶接する場合の、溶接継手構造および溶接方法に関する。

従来より、接合対象物を複数枚重ね合わせてレーザ溶接する場合の溶接継手構造については、その溶接部５０の形状として図１６（Ａ）に示す直線形状が最も一般的に用いられている。また使用箇所によっては、図１６（Ｂ）に示すループ形状（特許文献１参照。）あるいは図１６（Ｃ）に示すスパイラル形状（特許文献２参照。）が知られている。
特開２０００−１４５４５０号公報 特開２００４−９８１２２号公報

しかしながら、図１６（Ａ）に示す直線形状の溶接部５０を有する溶接継手構造では継手強度と製品剛性の向上を図りやすい半面、溶接強度の不安定な溶接部の端点（レーザ照射の始点と終点）ＥＰ’と溶接形状としての端部Ｅが一致し、点ＥＰ’に応力集中が発生する。これは、直線形状の溶接部５０の場合、レーザ溶接による溶接部の端部Ｅ（端点ＥＰ’）は直径Ｄ１（半径Ｒ１）の半円形状であり、曲率１／Ｒ１を有する。このため、矢印で示す引っ張り方向（あるいはそれと直交する方向）に対して直線形状の端部Ｅ（端点ＥＰ’）は曲率が大きいためである。このため、溶接品質のバラツキにより、想定していた破壊荷重より小さい荷重により破断してしまう可能性があり、接合の信頼性が低い問題がある。

一方、ループ形状（図１６（Ｂ））やスパイラル形状（図１６（Ｃ））の溶接部５０を有する溶接継手構造では、レーザ走査の軌跡によってそれぞれ溶接の端点ＥＰ’は所望の位置にすることができる。つまり溶接部５０の端部Ｅと端点ＥＰ’は一致せず、溶接部５０の端部Ｅを、曲率がそれぞれ、１／Ｒ２（半径Ｒ２、直径Ｄ２）、１／Ｒ３（半径Ｒ３、直径Ｄ３）となる半円形状に溶接できる。このため、引っ張り方向（あるいはそれと直交方向）に対して溶接部５０端部Ｅの応力集中は緩和される。従って、溶接品質のバラツキに対する継手強度の低下は抑制されるものの、直線形状と同等の製品剛性と継手強度を確保するためには、２倍前後の溶接長さを必要とし、溶接作業にかかる時間も同様に２倍前後長くなる問題があった。

このように現状では、重ね合わせレーザ接合において、溶接の作業効率の向上および、溶接部５０の端部Ｅの応力集中緩和、継手強度および製品剛性の確保による高強度化の両方を充足する溶接継手構造および溶接方法を提供することが困難であった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされ、第１に、複数の接合対象物を重ね合わせ、一の領域にレーザを照射した溶接部により前記接合対象物を接合した溶接継手構造であって、前記溶接部は、２つの端点を１つの円弧状の曲線部を含んで結合した形状の第１接合部と、該第１接合部と同等の形状で該第１接合部と対向配置された第２接合部の一対からなる形状を有することにより解決するものである。

また、前記２つの端点は直線部を含んで結合されることを特徴とするものである。

また、前記第１接合部と前記第２接合部は、所望の継手強度に応じた幅で離間されることを特徴とするものである。

また、前記曲線部の直径に対する、前記第１接合部と前記第２接合部の最も離間した２点間の距離の比が２〜４であることを特徴とするものである。

また、前記第１接合部と前記第２接合部の総接合面積における破壊荷重が、同一の接合面積を有する直線形状の接合部と比較して大きいことを特徴とするものである。

また、前記溶接部の内側に、前記第１接合部と前記第２接合部と離間して配置される第３の接合部を設けることを特徴とするものである。

第２に、複数の接合対象物を重ね合わせてレーザ照射し該接合対象物を接合する溶接方法であって、第１のレーザ照射により溶接された２つの端点を１つの円弧状の曲線部を含んで結合した形状の第１接合部を形成する工程と、第２のレーザ照射により溶接され、前記第１接合部と同等の形状で該第１接合部と対向配置された第２接合部を形成し、該第２接合部と前記第１接合部の一対からなる溶接部により前記接合対象物の一の領域を接合する工程と、を具備することにより解決するものである。

また、前記第１接合部と前記第２接合部が離間するように前記第１のレーザ照射および前記第２のレーザ照射を行うことを特徴とするものである。

また、前記第１接合部と前記第２接合部の間に、前記第１接合部および前記第２接合部と離間した第３の接合部を形成することを特徴とするものである。

本実施形態の溶接継手構造を用いることにより、複数枚接合対象物の重ね合わせレーザ溶接時の接合部の端部における応力集中を緩和し、継手強度および製品剛性を向上させることができる。

具体的には、スポット溶接の一点と同等の接合面積で比較すると、接合部を円形状（スポット溶接）、直線形状、およびＣ字形状に形成した場合のいずれと比較しても破壊荷重を最大にすることができる。

また、本実施形態の溶接方法を用いることにより、複数枚接合対象物の重ね合わせレーザ溶接において、同程度の溶接部回転変形に対する剛性、および溶接部の破壊荷重を有する形状と比較して作業効率を向上させることができる。

図１から図１５を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１から図１４は本発明の第１の実施形態を説明する図である。

図１は、本実施形態の溶接継手構造を示す平面図である。図１（Ａ）は溶接継手構造を説明する平面図であり、図１（Ｂ）は接合対象物上の溶接継手構造を示す図である。

図１（Ａ）を参照して、本発明の溶接継手構造は、複数の接合対象物を重ね合わせて一の領域をレーザ照射し、接合対象物を接合したレーザ溶接接合体の溶接部１０の構造であり、溶接部１０は、第１接合部１１と、第２接合部１２とを有する。

第１接合部１１は２つの端点（レーザ照射の始点と終点）ＥＰ１、ＥＰ２を、円弧状の曲線部１１ａを少なくとも含んで結合した形状である。円弧状とは例えば直径Ｄ（半径Ｒ）の半円弧である。ここでの半円弧は、中心角が１８０度の完全な半円弧に限らず、わずかに中心角が１８０度を超えるか又は不足する略半円弧状のものも含むものとする。また曲線部１１ａは、優弧でもよく、半楕円（短軸長さＤ）であってもよい。

更に図１（Ａ）の如く、第１接合部１１は曲線部１１ａ（半円弧）から溶接部１０の中心線Ｃ方向に延在する直線部１１ｂを含んでもよい。

第２接合部１２は、第１接合部１１と同等の形状であり２つの端点ＥＰ３、ＥＰ４を有し、円弧状の曲線部１２ａと、ここでは直線部１２ｂを有する。第１接合部１１と第２接合部１２は、互いの端点ＥＰ１と端点ＥＰ３、端点ＥＰ２と端点ＥＰ４が互いに向かい合うよう離間して対向配置される。

つまり本実施形態では、分離した第１接合部１１と第２接合部１２を一対により、一の溶接部１０が構成される。第１接合部１１と第２接合部１２の一対が、従来から用いられている円形状の溶接部により一の領域を溶接するスポット溶接の一点に相当するものであり、第１接合部１１と第２接合部１２の総接合面積が、一例として、一般的なスポット溶接の一点の接合面積（例えば１９．６ｍｍ^２）とほぼ同等である。後述するが、本実施形態がスポット溶接の一点に相当する溶接継手構造であることの一例として、ここで接合面積について示したが、必要な継手強度等により接合面積は異なってくる。

以下、主に第１接合部１１について説明するが、第２接合部１２は溶接部１０の中心線Ｃに対して第１接合部１１と線対称に配置され同じ形状である。

第１接合部１１のレーザ溶接部の線幅ＷＬは、例えば１．２ｍｍである。第１接合部１１と第２接合部１２で囲まれたその内側の領域はレーザ溶接されない非接合部２０である。

第１接合部１１と第２接合部１２は、所望の継手強度に応じた離間幅Ｗで分離される。継手強度と離間幅Ｗの関係は後述するが、この離間幅Ｗは、例えば６ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

第１接合部１１の曲線部１１ａの直径Ｄを短辺Ｌ１とし、第１接合部１１と第２接合部１２の最も離間した端部Ｅ間の距離を長辺Ｌ２とすると、短辺Ｌ１に対する長辺Ｌ２の比は２〜４であり、一例として短辺Ｌ１：長辺Ｌ２＝１：３．３である。短辺Ｌ１は、曲線部１１ａが優弧の場合は当該優弧をその一部とする円の直径Ｄであり、曲線部１１ａが半楕円の場合は軸の長さである。

つまり、本実施形態の溶接部１０は、短辺Ｌ１と長辺Ｌ２の比が略限定されており、離間幅Ｗは継手強度に応じて決定されるので、第１接合部１１と第２接合部１２は極端に離間することはない。一例として、長辺Ｌ２は、１６．６ｍｍであり、短辺Ｌ１は５ｍｍである。

図１（Ｂ）を参照して、複数の接合対象物３１、３２を重ね合わせて一の溶接領域３３（破線）にレーザ照射して溶接することによりその溶接部１０が第１接合部１１と第２接合部１２の一対により構成される。ここで溶接領域３３とは、例えばスポット溶接を用いた場合には一点の溶接部で溶接が可能な（十分に溶接できる）程度の領域である。

溶接部１０に矢印で示したＸ方向の引っ張り荷重がかかった場合には、第１接合部１１および第２接合部１２の曲線部１１ａ、１２ａ上の端部Ｅ近傍に最も応力がかかる。しかし曲線部１１ａ、１２ａは曲率１／Ｒを有するため、溶接部５０を直線形状で構成した場合（図１６（Ａ））と比較して端部Ｅ近傍の応力集中を緩和することができる。

また、非接合部２０を第１接合部１１および第２接合部１２により囲い込むことで、溶接部１０に負荷がかかった場合、非接合部２０が第１接合部１１および第２接合部１２と一体的に挙動し、効率よく機械的強度を得ることができる。

溶接部１０の端点ＥＰ１〜ＥＰ４は、一般的に溶接強度が不安定となる。しかし、曲線部１１ａ、１２ａから中心線Ｃ方向に延在する直線部１１ｂ、１２ｂを設けることで、端点ＥＰ１〜ＥＰ４を端部Ｅから離間した溶接部１０の中心線Ｃよりに配置でき、端点ＥＰ１〜ＥＰ４への応力集中を緩和することができる。これにより、矢印で示したＸ方向のみならず、Ｙ方向においても引っ張り応力に対する破壊荷重を高めることができる。

以下、図２から図１４を参照してこれについて説明する。

まず、異なる溶接部ＰＷの形状を有する溶接継手構造について強度解析を行った。

図２および図３は、溶接部の形状と破壊荷重の関係を示す図である。図２が溶接部ＰＷの形状を説明する図であり、図３が強度評価の解析結果を示す図である。

図２に示すように、溶接部ＰＷの形状をパラメータ化するために、接合対象物３１、３２の引っ張り方向に対してそれぞれ異なる、特徴的な７つの溶接部ＰＷの形状を決定した。そして２枚の板状の接合対象物をそれぞれの形状の溶接部ＰＷにて溶接した場合を想定した。

形状ｆ１（図２（Ａ））は、溶接部ＰＷの形状が、図１６（Ａ）に示した直線形状であり、長手方向が接合対象物３１、３２の引っ張り方向（矢印）に沿って溶接された場合を示す。

形状ｆ２（図２（Ｂ））および形状ｆ３（図２（Ｃ））は、同じ面積を維持して形状ｆ１を円形状（形状ｆ４）に近づけるように変形したものであり、形状ｆ２より形状ｆ３の方が長手方向が短く円形状に近づいている。形状ｆ２、形状ｆ３のいずれも長手方向が引っ張り方向に沿って溶接された場合である。

形状ｆ４（図２（Ｄ））は、溶接部ＰＷの形状が円形状であり、従来のスポット溶接の溶接部の場合である。

形状ｆ５（図２（Ｅ））、形状ｆ６（図２（Ｆ））、形状ｆ７（図２（Ｇ））は、それぞれ形状ｆ３、形状ｆ２、形状ｆ１を９０度回転させ、それぞれの形状の長手方向が引っ張り方向に対して直交するように溶接された場合である。

図２の形状をパラメータとし、強度解析により、各溶接部形状の強度評価を行った。

パラメータ化による良好な継手形状の導出法とは、具体的には以下の通りである。現状の最適化手法では、接合面積が同一という条件以外の形状の自由度が無限である場合（どのような形状でも良いという条件で）の導出方法が存在しないため、どのような形状が最適であるという解を得ることはできない。

そこで検討段階で得られた知見を基に、強度が良好であると考えられる形状領域に絞って、同一接合面積の形状について、検討した。すなわち、１）丸形状を中心とし、２）直線形状の縦横という両極端な形状と、３）その中間形状、という形状をパラメータ（変更可能要素）として、どのような形状が良好な継手強度を有するかを比較検討し、その結果を基により良い形状を決定する要因を導出した。

図２に示した形状ｆ２、ｆ３、ｆ５、ｆ６は、形状としてのみ考えた時に円形状（形状ｆ４）と直線形状（形状ｆ１、ｆ７）の理想的な中間形状である。つまり、既述の破壊荷重を決定する要因を導出するにあたり、形状パラメータがスムーズに変化するように上記の形状を選択したものである。レーザ溶接では線幅が一定の線状の溶接であるため、上記の中間形状のような溶接は現実的でない。ここでは、形状をパラメータとした時の特性を検討する上での、理想的な中間形状として選択した。

図３は、図２に示す各形状で、ワークの変形、材料の非線形性を考慮した非線形解析を行った結果を示す。

これによると、直線形状（形状ｆ１、形状ｆ７）が、直線形状の長手方向及び長手方向に対して垂直方向のいずれの方向から引張り荷重をかけた場合においても、良好な強度があることが分かった。

図４では、実験（実測）のため、溶接部ＰＷの形状として現実的な直線形状（形状ｆ１、ｆ７）および円形状（形状ｆ４）に加え、直線形状をＣ字形状に変形させて接続部ＷＰの端部の曲率を小さくし、引っ張り方向が端部同士の延長線方向（Ｃ字が縦）になるように溶接した形状ｆ８と、引っ張り方向と端部同士の延長戦方向が直交方向（Ｃ字が横）となるように溶接した形状ｆ９を追加し、形状のパラメータ化を行った。

実験の結果、形状１、形状４、形状７、形状８及び形状９について、図３に示した解析結果と傾向が一致したため、上記の解析が妥当であることが確認できた。

つまりこの場合も、直線形状（形状ｆ１、形状ｆ７）が、直線形状の長手方向及び長手方向に対して垂直方向のいずれの方向から引張り荷重をかけた場合においても、良好な強度があることが分かった。

図４の実線は、上記の実験により得られた破壊荷重を定性的にプロットしたものである。一点鎖線は、初期応力に基づく破壊荷重であり、線形解析により得られた応力分布を基に予想される破壊荷重を定性的にプロットしたものである。

この評価を基に形状パラメータと強度の関係を成立させている基本特性（応力と剛性）を、以下の如く把握した。すなわち直線形状を長手方向に引張り荷重を負荷した場合（形状ｆ１）の弾性域の初期応力は、溶接部ＰＷの端部Ｅに応力が集中するため全形状中最大になるにもかかわらず、良好な継手強度が得られる。つまり、溶接部ＰＷの形状による接合部強度を決定する要因として、線形強度解析（比較的単純なシミュレーション）での荷重初期の応力（力学）形態（弾性域において同一荷重を負荷したときの応力分布・最大応力）のほかに、溶接部ＰＷの回転変形に対する剛性を考慮することで，継手形状と破壊荷重の関係に整合性を得ることができる。

溶接部の回転変形は、重ね合わせ溶接に起因する変形であり、引張り荷重軸（接合対象物３１、３２の板厚方向中心位置）のずれにより発生する。

図５は、接合部の回転変形を説明する概要図であり、接合対象物の板厚方向（例えば図１（Ｂ）のＶ１方向）から見た溶接部５０の拡大図である。なお形状ｆ１から形状ｆ９のいずれの接合部であっても回転変形のメカニズムは同様である
接合対象物３１、３２は溶接部ＰＷによって接合されている。この接合対象物３１、３２をそれぞれ矢印方向に引っ張り荷重をかけると、接合部ＰＷの重心を通り引っ張り荷重軸と平行な軸ＡＸに対して角度θで溶接部ＰＷが傾く回転変形が発生する。

溶接部ＰＷの回転変形に対する剛性が低い場合、軸ＡＸを中心とする溶接部回転変形量が大きくなりやすく、溶接部ＰＷと接合対象物３１、３２の境界部Ｂ（丸印）では、接合対象物３１、３２側の局所ひずみが増大し、破断にいたる。

図６および図７は、溶接部ＰＷの回転変形に対する剛性を説明する図である。図６は溶接部ＰＷの形状ｆ１（図６（Ａ））および形状ｆ８（図６（Ｂ））を示す平面図であり、図７（Ａ）（Ｂ）はそれぞれの形状のａ−ａ線、ｂ−ｂ線の断面を図６のＶ２方向から見た概要図である。

尚、形状ｆ１は従来構造（図１６（Ａ））と同等の形状とし、長手方向の長さＬ３が本実施形態の溶接部１０の長辺Ｌ２（＝１６．６．ｍｍ）と等しいとする。また形状ｆ８は従来構造(図１６（Ｂ）と同等の形状とし、曲線部の直径Ｄ（半径Ｒ）は溶接部１０の直径Ｄ（半径Ｒ）と等しいとする。形状ｆ８の端部間の距離（長手方向の長さ）Ｌ４は７．８ｍｍである。またいずれもレーザ溶接部の線幅ＷＬは１．２ｍｍとする。

図６および図７において太矢印（ブロック矢印）が引っ張り方向である。また図７においてハッチング部分が溶接部ＰＷである。

重ね合わせ溶接の場合、太矢印方向に荷重をかけると、荷重ベクトルＰが、溶接部ＰＷの重心を通る軸ＡＸと一致するように、溶接部ＰＷを角度θ分回転させようとする力Ｆｍが働く。

この力Ｆｍは、図６および図７の如く、端部Ｅ間の距離が長い方が、小さくなり、回転変形に対する剛性が高くなる。つまり図７（Ａ）の端部Ｅ間の拒理Ｌ３は図７（Ｂ）の端部Ｅ間の距離Ｌ４より長いことから，両者を比較すると図７（Ａ）つまり形状ｆ１の方が回転変形に対する剛性が高くなり，この要因から推定される破壊荷重は向上する。

再び図４を参照して、初期応力に基づく破壊荷重（一点鎖線）に、溶接部回転変形に対する基本特性（破線）を重ねて示す。この基本特性とは、図６および図７の回転変形に対する剛性の考え方から推測される定性的な破壊荷重である。

これによれば、初期応力に基づく破壊荷重（一点鎖線）および、溶接部回転変形に対する基本特性（破線）の２つの特性を組み合わせることで実線で示す実際の破壊荷重と定性的に整合がとれた。

このため、既述のごとく、荷重初期の応力と、溶接部ＰＷの回転変形に対する剛性とを考慮して、好適な溶接部ＰＷの形状を推察した。

直線形状（形状ｆ１、形状ｆ７）は、強度上好ましい。しかし、レーザ溶接の溶接継手構造の形状は一般的に、連続した線描き（一筆書き）であり、２つの端点ＥＰ’（図１６（Ａ）参照）に溶接不良が発生しやすく、特に形状ｆ１、形状ｆ７では端点ＥＰ’に最大応力が発生する問題がある。

そこで、直線形状に近い形状で且つ端点（レーザ溶接の始点と終点）が応力集中部（各形状の端部Ｅ）と重ならない形状とすることで、図４の細破線丸印付近の特性が得られると考えた。そして新たな形状ｆ１０および形状ｆ１１を導出し、これらの形状を有する溶接部１０’の特性を検討した。

図８は、溶接部１０’の形状ｆ１０を説明する図であり、図８（Ａ）が形状ｆ１０を示す平面図である。また図８（Ｂ）（Ｃ）は、形状ｆ１０の応力分布図である。尚、形状ｆ１１は、引っ張り応力を負荷する方向が９０度異なるのみであり、形状ｆ１０と同様である。

図８（Ａ）を参照して、溶接部１０’の形状ｆ１０は、両端部Ｅが直径Ｄ（半径Ｒ）の半円からなる曲線部１０ａ’で、これらを直線部１０ｂ’で結び、溶接後の形状としては端点を有さない閉じたループ形状である。溶接部１０’の内側は非接合部２０’である。

レーザの線幅ＷＬは例えば１．２ｍｍである。またループ形状の短軸方向の長さＬ１’が例えば、５ｍｍであり、長軸方向の長さＬ２’が、例えば１６．６ｍｍである。

また、形状ｆ１０、形状ｆ１１の溶接部１０’について、ＪＩＳＺ３１３６「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」で規定された寸法の試験片モデルを用いて強度解析を行った結果を図８（Ｂ）（Ｃ）に示す。

図８（Ｂ）（Ｃ）を参照して、形状ｆ１０にかかる応力について説明する。図８（Ｂ）は荷重方向がＹ方向の場合（形状ｆ１１）の応力分布図であり、図８（Ｃ）は荷重方向がＸ方向の場合（形状ｆ１０）の応力分布図である。

形状ｆ１０、形状ｆ１１の溶接部１０’を有する溶接継手構造によれば、端点ＥＰ（溶接部１０’の始点と終点）を例えば直線部１０ｂ’上にすることで、端点ＥＰにかかる応力を緩和できる。また溶接部１０’の端部Ｅは曲率１／Ｒを有する形状であるので、端部Ｅでの応力集中を緩和できる。更に溶接部１０’と非接合部２０’を一体的に挙動させることで剛性を高めることができる。

ところで、図８（Ｂ）（Ｃ）において、太破線で示した直線部１０ｂ’の内側の非接合部２０’は、いずれの荷重方向であっても応力が低い領域であることがわかる。また、直線部１０ｂ’上の応力は曲線部１０ａ’の近傍の応力に比して低いことがわかった。以下、両端の曲線部を除いた、応力が低い略矩形の非接合部２０を、低応力域２１と称する。

低応力域２１の直線部１０ｂ’は継手強度には影響が少ないと考えられるので、この部分の溶接を省くことができる。これらのことから、本実施形態の第１接合部１１および第２接合部１２を一対とするかっこ形状の溶接部１０の形状を得た（図１）。

継手強度にあまり寄与しない低応力域２１の溶接を省くことで、強度の低下を抑制しつつ、図６に示した直線形状（形状ｆ１）およびＣ字形状（形状ｆ８）と同一の溶接距離で、かつ形状ｆ１の長辺Ｌ３と同等の長辺Ｌ２を有し、形状ｆ８と同じ端部Ｅの曲率1／Ｒを有する溶接部１０を得ることができる。

形状ｆ８、ｆ９（Ｃ字形状）は、曲率１／Ｒを所望の値に選択できる（小さくできる）ので、形状ｆ１、ｆ７（直線形状）と比較して溶接部ＰＷの端部Ｅにかかる引っ張り応力を低減できる。しかし、特に形状ｆ８とｆ１を比較した場合、図７の如く、形状ｆ１の方が、回転変形に対する剛性が高い。

本実施形態の溶接部１０は、第１接合部１１と第２接合部１２の形状がかっこ形状でありＣ字形状の如く曲率1／Ｒを小さくすることができる。そして、第１接合部１１と第２接合部１２を離間して、長辺Ｌ２を長くすることによりＣ字形状より溶接部１０の回転変形の剛性を高めることができる。

図９は、本実施形態の溶接部１０の回転変形に対する剛性を示す図である。図９(Ａ)は溶接部１０の形状を示す平面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のｃ−ｃ線の断面をＶ２方向から見た概要図である。

図９において太矢印（ブロック矢印）が引っ張り方向である。また図９においてハッチング部分が溶接部１０である。

既述の如く、重ね合わせ溶接の場合には、太矢印方向に荷重をかけると、荷重ベクトルＰが、接合部重心を通る直線ＡＸと一致するように、溶接部１０を角度θ分回転させる力Ｆｍが働く。

溶接距離が同等の場合には、溶接部１０の長手方向の長さ、すなわちこの場合は長辺Ｌ２（図９（Ａ））が長い方が、力Ｆｍは小さくなり，溶接部回転変形に対する剛性が高くなる。

つまり溶接部１０は、低応力域２１の溶接を省略したかっこ形状とすることで、Ｃ字形状（形状ｆ８）と同じ溶接距離（≒接合面積）を確保する場合に、第１接合部１１と第２接合部の端部Ｅの距離を離間（長辺Ｌ２を増加）させることができる。

つまり、Ｃ字形状（形状ｆ８）の長手方向の長さＬ４より、長辺Ｌ２を長くできるので、Ｃ字形状より回転変形に強い形状となる。

このように本実施形態によれば、重ね合わせレーザ溶接において、端部Ｅの応力緩和によって溶接部が直線形状（形状ｆ１）の場合より初期応力が低く、Ｃ字形状（形状ｆ８）より溶接部回転変形に対する剛性を向上させ、破壊荷重を上昇させた溶接部１０を提供できる。

図１０は、第１接合部１１および第２接合部１２間の離間幅Ｗと破壊荷重の関係を示す図である。グラフの横軸が離間幅Ｗ（ｍｍ）であり、縦軸が破壊荷重（ｋＮ）である。

グラフは、一例として、所望の板厚（例えば２枚とも１ｍｍ）の接合対象物（例えば冷間圧延鋼（ＳＰＣＣ：steel cold rolled １種））について、離間幅Ｗと破壊荷重の関係を示したものであり、このような特性図を準備しておくことで、必要な継手強度を得る離間幅Ｗを適切に選択できる。例えば、必要な継手強度が６．５ｋＮであれば、第１接合部１１と第２接合部１２の離間幅Ｗは、８．５ｍｍが好適となる。

第１接合部１１および第２接合部１２間の離間幅Ｗは、破壊荷重に影響し、破壊荷重は接合対象物３１、３２の材質や板厚などによっても適正値が変動する。従って、接合対象物ごとに図１０の如き離間幅Ｗと継手強度の相間を表す線図を、強度解析または実験により作成する。そして、溶接継手構造に必要とされる強度を得るために適切な離間幅Ｗを決定する。これにより必要な強度を得るに十分な最低限の溶接長を有し、作業性を向上した形状を得ることができる。

尚、離間幅Ｗは、直線部１１ｂ、１２ｂの長さを伸縮することで調整する。つまり、端部Ｅ間の距離Ｌ２を維持して、直線部１１ｂ、１２ｂを伸縮させて離間幅Ｗを増減させる。

以下、本実施形態の溶接部１０の特性について、実験した結果を示す。

図１１および図１２はそれぞれの形状における溶接部の強度を比較する図である。

図１１は比較した溶接部の形状を示す平面図である。

図１１（Ａ）が本実施形態のかっこ形状（ｆ１２、ｆ１３）であり、図１１（Ｂ）がスポット溶接の円形状（形状ｆ４）であり、図１１（Ｃ）がＣ字形状の形状ｆ８、ｆ９であり、図１１（Ｄ）が直線形状（形状ｆ１、ｆ７）である。

接合面積は全て形状ｆ４のスポット溶接の接合面積（１９．６ｍｍ^２）と同一とした。またスポット溶接以外のレーザの線幅ＷＬは１．２ｍｍである。

図１１（Ａ）を参照して、本実施形態の溶接部１０は、矢印のＸ方向に引っ張る場合を形状ｆ１２、Ｙ方向に引っ張る場合を形状ｆ１３とした。また、溶接部１０の短辺Ｌ１は５．０ｍｍ、長辺Ｌ２は１６．６ｍｍ、第１接合部１１と第２接合部１２の離間幅Ｗは、９．２ｍｍである。

接合対象物は厚さ１ｍｍの冷間圧延鋼（ＳＰＣＣ）板材で、この板材２枚を重ね合せ上記の形状で溶接し、ＪＩＳＺ３１３６に規定された形状の試験片モデルまたは試験片を作成し、強度解析と引張試験を実施した。

図１２にはその結果を示す。図１２（Ａ）がＸ方向の引張試験の結果であり、図１２（Ｂ）がＹ方向の引張試験の結果である。

図１２（Ａ）（Ｂ）において、横軸が各種形状であり、縦軸が破壊荷重（ｋＮ）であり、実験結果と非線形解析（ε＝０．７）の結果を併記した。

この結果から、溶接強度の不安定な溶接部の端部ＥＰ’（端点）に応力集中が生じる直線形状（形状ｆ１、ｆ７）では、実験による破壊荷重が大きくばらつくのに対し、本実施形態の溶接部１０の形状ｆ１２、形状ｆ１３では安定した破壊荷重となることがわかる。またＣ字形状の形状ｆ８、形状ｆ９の破壊荷重は溶接部の端部ＥＰ’の応力集中が緩和されているため、破壊荷重は安定しているものの、本実施形態の溶接部１０の形状ｆ１２、ｆ１３と比較して、１割程度低い破壊荷重となった。

この破壊荷重の検証は、各種の形状を有する溶接継手構造によるレーザ溶接接合体が、例えば自動車の車体の場合には衝突安全性に影響する。

更に、いずれの引っ張り荷重方向であっても、本実施形態の溶接部１０の形状ｆ１２、ｆ１３は、総接合面積における破壊荷重が、同一の接合面積を有する直線形状（形状ｆ１、ｆ７）の接合部と比較して大きく、従来の形状（形状ｆ４、形状ｆ８、形状ｆ９）と比較しても最も大きいことがわかる。

図１３は、同一引っ張り荷重（５ｋＮ、Ｘ方向の引張試験）時における非線形解析の結果を示す図であり、図１３（Ａ）が本実施形態の溶接部１０（形状ｆ１２）の場合であり、図１３（Ｂ）が直線形状（形状ｆ１）、図１３（Ｃ）がＣ字形状（形状ｆ８）の溶接部５０（溶接部ＰＷ）の場合である。また図１３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図９（Ａ）および図６のＶ２方向から見た断面図である。

これによれば、形状ｆ８が、他の形状より回転角度が大きく、溶接部ＰＷと接合対象物３１、３２の境界部Ｂ（丸印）では、接合対象物３１、３２側の局所ひずみが増大していることがわかる。

図１４は、本実施形態の溶接方法を説明するための図である。

本実施形態の溶接方法は、例えばガルバノスキャナを用いたリモートレーザビーム装置によって、レーザ溶接を行う。

図１４（Ａ）を参照して、レーザ光学系はスキャニング方式の光学系であり、レーザ装置（不図示）などにより発生したレーザ光ＬＡを光ファイバを介するなどしてガルバノスキャナ４１、４２に伝送し、接合対象物の一の領域にレーザ照射して、接合対象物を接合する。

図１４（Ｂ）を参照して、第１のレーザ照射により熱処理を施し、半円弧の曲線部１１ａと直線部１１ｂからなるかっこ形状の第１接合部１１を形成する。例えば端点ＥＰ１が始点であり端点ＥＰ２が終点である。

次に、第２のレーザ照射により熱処理を施し、第１接合部１１と同等の形状で第１接合部１１と対向配置された第２接合部を形成する。すなわち、半円弧の曲線部１２ａと直線部１２ｂからなるかっこ形状の第２接合部１２を形成する。例えば端点ＥＰ３が始点であり端点ＥＰ４が終点である。

低応力域２１の溶接を省くことで、作業効率を向上させることができる。一例として、低応力域２１を溶接しない本実施形態の溶接部１０の溶接時間は、図８に示す溶接部１０’の約４５％程度である。つまり、同程度の溶接部回転変形に対する剛性、および溶接部の破壊荷重を有する形状と比較して作業効率を向上させることができる。

図１４（Ｃ）を参照して、溶接部１０は、第１接合部１１と第２接合部１２が一対で、例えば従来のスポット溶接の一点の溶接部５０に対応した溶接となり、破線で示した一の溶接領域３３が溶接される。

例えば図の如く、スポット溶接にて３箇所の溶接を行う方法に代えて、本実施形態の溶接部１０を３対（３組）設けるレーザ溶接を行うことで、高い破壊荷重を得ることができる。

さらに溶接部１０は、第１接合部１１と第２接合部１２が離間した形状であるため、同一の溶接距離を維持したまま、溶接箇所の状況や必要な製品剛性に応じて、長辺Ｌ２（端部Ｅ間の距離）を変更できる。

図１４（Ｄ）を参照して説明する。

例えば溶接可能な領域（溶接領域３３）が狭い場合、第１接合部１１と第２接合部１２の形状（直線部１１ｂ、１２ｂの長さ）を維持したまま、両者を近づけて長辺Ｌ２を接合領域３３内に納めることができる。

レーザ溶接に当たり、レーザビームＬＡをガルバノスキャナ装置４１、４２により走査する、リモートレーザ溶接装置を用いることにより、溶接部１０の形状生成の正確性が向上し、溶接部１０の強度が解析値に近づくことが期待される。

尚、本実施形態のレーザ溶接は、上記の装置に限らず、通常のロボット溶接装置でも同様に実施できる。

図１５は、本実施形態の溶接部１０の他の形状を示す図である。

上記の実施形態では、第１接合部１１（第２接合部１２も同様）は、半円弧の曲線部１１ａと直線部１１ｂからなり、端点ＥＰ１、ＥＰ２が、半円弧を溶接部１０の中心方向に延在した直線上（直線部１１ｂ上）に存在する場合を例に示した。

しかし継手強度によっては、第１接合部１１には直線部１１ｂが含まれなくてもよく、直径Ｄの半円弧のみからなってもよい。

また、図１５（Ａ）の如く、端点ＥＰ１〜ＥＰ４は、半円弧の延長線（破線）上より内側の低応力域２１に位置してもよい。第１接合部１１と第２接合部１２およびこれらの（曲線部１１ｂ）を直線（破線）で結んでなる領域の内側は、低応力域２１である（図８（Ｂ）（Ｃ）参照）。

図１５（Ｂ）は、比較のために端点ＥＰ１、ＥＰ２が低応力域２１の外側を向く形状（例えば劣弧のみの曲線部、または劣弧の曲線部とそこから延在する直線部を有する形状）の接合部１０’’を示す。この形状は、低応力域２１の外側に位置する端点ＥＰ１’〜ＥＰ４’に応力集中が発生するため望ましくない。

従って、図１５（Ａ）の如く、第１接合部１１を、半円弧の曲線部１１ａと直線部１１ｂからなる形状で、端点ＥＰ１、ＥＰ２が低応力域２１の内側（溶接部１０の重心Ｇ方向）に配置される形状にすることで、端点ＥＰ１〜ＥＰ４における応力集中を回避できる。この場合は、図１に示した接合部１０より更に端点ＥＰ１〜ＥＰ４における応力集中を緩和できる。

また、第１接続部１１は優弧の曲線部１１ａのみからなる形状でもよく、この場合も低応力域２１の内側に端点ＥＰ１、ＥＰ２が配置される。更に優弧の曲線部１１ａから直線部１１ｂを溶接部１０の重心Ｇ方向に延在させた形状でもよい。

更に、第１接続部１１は、半楕円の曲線部１１ａのみ、または半楕円の曲線部１１ａと直線部１１ｂの結合した形状であってもよい。

図１５（Ｂ）は、第１接合部１１と第２接合部１２の間にこれらと離間した第３接合部１３を設ける形状である。

第１接合部１１と第２接合部１２に囲まれた非接合部２０の一部（例えば低応力域２１の重心Ｇ付近）を接合し、第３接合部１３を設ける。

第３接合部１３は、例えばレーザ溶接により形成する。すなわち、第１のレーザ照射により第３接続部１３を形成する。その後、第２のレーザ照射により第１接続部１１を、第３のレーザ照射により第２接続部１２を形成する（図１４（Ｂ）参照）。

また第３接合部１３については、レーザ溶接以外の接続方法であってもよく、例えば接着性樹脂による接着や、ロウ材による接着によって接合してもよい。

これにより、第１接合部１１から第３接合部１３のそれぞれの端点ＥＰ１〜ＥＰ６の応力集中を互いに低減し合い、かつ非接合部２０の剛性を向上させることができる。

以上、本実施形態では、抵抗スポット溶接による接続部（溶接継手）との強度比較を行うため、同一の接合面積となる形状とした。その他レーザ溶接形状も含めて引張破壊荷重を比較した結果、本実施形態のかっこ形状（形状ｆ１２、ｆ１３）が同一接合面積（レーザ溶接同士では、接合面積と接合長さは同義）でもっとも良好であった。

実際に使用する場合は、必要継手強度や接合箇所の形状等により、第１接合部１１および第２接合部１２の端部Ｅ間の距離（長辺Ｌ２）や、離間幅Ｗ、短辺Ｌ１を適宜選択する。従って、接合面積も変化し、スポット溶接による接合部と同等とは限らない。

例えば既存のスポット溶接径が今回検討した５ｍｍより大きい場合には、本実施形態のかっこ形状の溶接部１０を同一の比率で拡大すると接合面積はスポット溶接の場合より小さくなり、逆にスポット溶接径が小さい場合は、スポット溶接よりかっこ形状の溶接部１０の接合面積は大きくなる。

今後利用の拡大が予想されるレーザ溶接において、作業時間短縮と機械的性能（高強度・高剛性）を両立した溶接継手構造および溶接方法として有用である。

本実施形態の溶接継手構造の溶接部を示す平面図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明する平面図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明する特性図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明する特性図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明するための応力状態の断面図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明するための平面図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明するための応力状態の断面図である。 本実施形態の溶接部の導出手法を説明するための（Ａ）平面図、（Ｂ）応力分布図、（Ｃ）応力分布図である。 本実施形態の溶接部を説明するための（Ａ）平面図、（Ｂ）応力状態の断面図である。 本実施形態の溶接部を説明するための特性図である。 本実施形態の溶接部の形状と他の溶接部の形状を示す平面図である。 本実施形態の溶接部と他の溶接部を比較する特性図である。 本実施形態の溶接部と他の溶接部を比較する応力状態の断面図である。 本実施形態の溶接方法を説明するための（Ａ）装置概略図、（Ｂ）平面図、（Ｃ）平面図、（Ｄ）平面図である。 本実施形態の他の形態を説明する平面図である。 従来の溶接部の形状を説明するための平面図である。

符号の説明

１０、１０’、１０’’、５０、ＰＷ 溶接部
１０ａ’、１１ａ、１２ａ 曲線部
１０ｂ’、１１ｂ、１２ｂ 直線部
１１ 第１接合部
１２ 第２接合部
１３ 第３接合部
２０、２０’ 非接合部
２１ 低応力域
３１、３２、５１、５２ 接合対象物
３３ 溶接領域
４１、４２ ガルバノスキャナ
Ｅ、Ｅ’ 端部
ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＰ３、ＥＰ４、ＥＰ５、ＥＰ６、ＥＰ’ 端点
ＷＬ レーザ幅
Ｗ 離間幅
Ｌ２’ 接合長さ
Ｌ１ 短辺
Ｌ２ 長辺
ＬＡ レーザビーム

Claims (9)

1. 複数の接合対象物を重ね合わせ、一の領域にレーザを照射した溶接部により前記接合対象物を接合した溶接継手構造であって、
   前記溶接部は、
   ２つの端点を１つの円弧状の曲線部を含んで結合した形状の第１接合部と、
   該第１接合部と同等の形状で該第１接合部と対向配置された第２接合部の一対からなる形状を有することを特徴とする溶接継手構造。
2. 前記２つの端点は直線部を含んで結合されることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
3. 前記第１接合部と前記第２接合部は、所望の継手強度に応じた幅で離間されることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
4. 前記曲線部の直径に対する、前記第１接合部と前記第２接合部の最も離間した２点間の距離の比が２〜４であることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
5. 前記第１接合部と前記第２接合部の総接合面積における破壊荷重が、同一の接合面積を有する直線形状の接合部と比較して大きいことを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
6. 前記溶接部の内側に、前記第１接合部と前記第２接合部と離間して配置される第３の接合部を設けることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
7. 複数の接合対象物を重ね合わせてレーザ照射し該接合対象物を接合する溶接方法であって、
   第１のレーザ照射により溶接された２つの端点を１つの円弧状の曲線部を含んで結合した形状の第１接合部を形成する工程と、
   第２のレーザ照射により溶接され、前記第１接合部と同等の形状で該第１接合部と対向配置された第２接合部を形成し、該第２接合部と前記第１接合部の一対からなる溶接部により前記接合対象物の一の領域を接合する工程と、
   を具備することを特徴とする溶接方法。
8. 前記第１接合部と前記第２接合部が離間するように前記第１のレーザ照射および前記第２のレーザ照射を行うことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。
9. 前記第１接合部と前記第２接合部の間に、前記第１接合部および前記第２接合部と離間した第３の接合部を形成することを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。