JP2010264503A - 鋼板の重ね溶接方法及び鋼板の重ね溶接継手 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面側鋼板1aと、表面側鋼板1aよりも板厚が大きい高板厚鋼板1b、1cとを、表面側鋼板1aが表面側に配置するように重ね合わせた状態で、鋼板1a〜1cを板厚方向から加圧しながらスポット溶接することにより、鋼板1a〜1cにスポット溶接部5を設けるスポット溶接工程と、スポット溶接部5または前記スポット溶接部5の周囲にレーザ光Lを照射して、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bとをレーザ溶接するレーザ溶接工程と、を具備してなる鋼板の重ね溶接方法を採用する。
【選択図】図4
Description
また、特許文献2に記載の技術では、多孔質シートを挿入する工程が必要となって工程が煩雑になる問題があった。また、溶接工程の後段の塗装工程において、鋼板間に残存した多孔質シートによって、鋼板間へ塗料の付き周りが阻害されてしまう問題があった。
更に、特許文献3に記載の技術では、薄板に特殊な表面処理を施した鋼板が必要となることから、汎用性に欠けるという課題があった。
更に、特許文献4に記載の技術では、例えばレーザ光を照射して亜鉛めっきからなる被覆材を除去する際に、鋼板間に加圧力を印加しない状態でレーザ光を照射するので、レーザ光の照射で亜鉛を蒸発させても、亜鉛の蒸気がその場に留まることが多く、亜鉛めっきを完全に除去できず、溶接強度がばらつく虞があった。
更に、特許文献5に記載の技術では、溶接直後のビード形状を測定する手段と、その測定結果に応じてフィラーワイヤーの供給量等の溶接条件を調整する手段が必要になり、装置が大がかりになる問題があった。
(1) 2以上の鋼板を重ねて溶接する鋼板の重ね溶接方法であって、2以上の前記鋼板には、板厚が0.3〜1mmの範囲の表面側鋼板と、前記表面側鋼板よりも板厚が大きい1以上の高板厚鋼板とが含まれ、前記表面側鋼板及び前記1以上の高板厚鋼板の合計板厚に対する前記表面側鋼板の板厚の比(合計板厚/表面側鋼板の板厚)を5以上とし、前記表面側鋼板を表面側に配置するように前記2以上の鋼板を重ね合わせた状態で、前記2以上の鋼板を板厚方向から加圧しながらスポット溶接することにより、少なくとも前記1以上の高板厚鋼板にスポット溶接部を設けるスポット溶接工程と、前記スポット溶接部または前記スポット溶接部の周囲にレーザ光を照射して、前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とをレーザ溶接するレーザ溶接工程と、を具備してなることを特徴とする鋼板の重ね溶接方法。
(2) 前記レーザ溶接工程において、前記スポット溶接部に重なるように円環状の溶接ビードを形成することを特徴とする(1)に記載の鋼板の重ね溶接方法。
(3) 前記レーザ溶接工程において、前記スポット溶接部の周囲に、前記スポット溶接部を囲む円環状の溶接ビードを形成することを特徴とする(1)に記載の鋼板の重ね溶接方法。
(4) 前記溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部を離間させることを特徴とする(3)に記載の鋼板の重ね溶接方法。
(5) 前記溶接ビードの深さを、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さとすることを特徴とする(1)乃至(4)の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接方法。
(6) 1枚の前記表面側鋼板と2枚の前記高板厚鋼板とを、前記表面側鋼板が表面側に配置されるように重ね合わせた状態で、前記スポット溶接工程において、前記2枚の高板厚鋼板にスポット溶接部を形成するととともに、前記表面側鋼板と前記高板厚鋼板とを圧接し、前記レーザ溶接工程において、圧接状態の前記表面側鋼板と前記高板厚鋼板とをレーザ溶接することを特徴とする(1)乃至(5)の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接方法。
(7) 2以上の鋼板が重ねられて溶接された鋼板の重ね溶接継手であって、前記2以上の鋼板には、板厚が0.3〜1mmの範囲の表面側鋼板と、前記表面側鋼板よりも板厚が大きい1以上の高板厚鋼板とが含まれ、前記表面側鋼板及び前記1以上の高板厚鋼板の合計板厚に対する前記表面側鋼板の板厚の比(合計板厚/表面側鋼板の板厚)が5以上とされ、前記表面側鋼板が表面側に配置された状態で前記2以上の鋼板が重ね合わされ、少なくとも前記1以上の高板厚鋼板に、ナゲットを含むスポット溶接部が設けられるとともに、前記スポット溶接部または前記スポット溶接部の周囲に、前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とを溶接する溶接ビードが設けられていることを特徴とする鋼板の重ね溶接継手。
(8) 前記溶接ビードが、前記スポット溶接部に重なって円環状に設けられていることを特徴とする(7)に記載の鋼板の重ね溶接継手。
(9) 前記溶接ビードが、前記スポット溶接部の周囲において前記スポット溶接部を囲むように円環状に設けられていることを特徴とする(7)に記載の鋼板の重ね溶接継手。
(10) 前記溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部とが離間されていることを特徴とする(9)に記載の鋼板の重ね溶接継手。
(11) 前記溶接ビードの深さが、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さであることを特徴とする(7)乃至(10)の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接継手。
(12) 1枚の前記表面側鋼板と2枚の前記高板厚鋼板とが、前記表面側鋼板を表面側に配置した状態で重ね合わされ、少なくとも前記スポット溶接部によって前記2枚の高板厚鋼板が溶接されているとともに、少なくとも前記溶接ビードによって前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とが溶接されていることを特徴とする(7)乃至(11)の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接継手。
また、全ての鋼板に渡ってスポット溶接部を設ける必要がないので、スポット溶接工程における溶接電流及び電流印加時間を少なくすることができ、スポット溶接の連続打点性を向上できる。
更に、本発明の鋼板の重ね溶接方法によれば、スポット溶接部の周囲に、スポット溶接部を囲む円環状のレーザ溶接ビードを形成するので、スポット溶接部と溶接ビードとが離間され、設計通りの溶接強度を発現できる。
更にまた、本発明の鋼板の重ね溶接方法によれば、溶接ビードの形成時に、鋼板が過熱されることによって発生した鋼板由来の金属蒸気が、溶融ビードとスポット溶接部との間に充満されるおそれがあるところ、溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部を離間させることで、金属蒸気を逃がすことができ、安定してレーザ溶接を行うことができる。
また、本発明の鋼板の重ね溶接方法によれば、溶接ビードの深さを、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さとすることで、表面側鋼板に隣接する高板厚鋼板と表面側鋼板とを確実に溶接できる。また、溶接ビードの深さを表面側鋼板の板厚の1.2倍程度とすることで、小さな発振器でレーザ溶接工程を実現でき、初期設備コストを低減できる。
更に、本発明の鋼板の重ね溶接継手によれば、スポット溶接部の周囲に、スポット溶接部を囲む円環状のレーザ溶接ビードを設けることにより、スポット溶接部と溶接ビードとが離間されるので、設計通りの溶接強度を発現できる。
更にまた、本発明の鋼板の重ね溶接継手によれば、レーザ溶接ビードの始端部と終端部を離間させることで、レーザ溶接に伴う金属蒸気を逃がすことができ、安定した溶接ビードを形成することができる。
また、本発明の鋼板の重ね溶接継手によれば、溶接ビードの深さを、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さとすることで、表面側鋼板に隣接する高板厚鋼板と表面側鋼板とを確実に溶接できる。
以下、本発明の第1の実施形態である鋼板の重ね溶接方法及び鋼板の重ね溶接継手について、図面を参照して説明する。
本実施形態の鋼板の重ね溶接方法は、2以上の鋼板を重ね合わせて仮組みする準備工程と、2以上の鋼板を板厚方向から加圧しながらスポット溶接するスポット溶接工程と、レーザ溶接工程とから概略構成されている。
表面側鋼板1a以外の鋼板としては、板厚が表面側鋼板1aより大きな1または2以上の高板厚鋼板を用いることができる。本実施形態では、2枚の高板厚鋼板1b、1cを用いる。表面側鋼板1aの板厚は、0.3〜1.0mmの範囲が好ましい。また、高板厚鋼板1b、1cの板厚は0.8mm〜5mm程度の範囲であればよい。尚、高板厚鋼板とは、表面側鋼板よりも板厚が大きい鋼板を意味する用語であり、所謂厚板と同義ではない。
板厚比が5未満であれば、総板厚に対する表面側鋼板1aの板厚の占める割合が十分大きくなり、この場合は通常のスポット溶接で重ね溶接することが可能なので、あえて本発明に係る重ね溶接方法を用いる必要はない。板厚比が5未満でも本発明に係る重ね溶接方法は適用可能だが、レーザ溶接を行う点で経済的に不利になる。
また、板厚比の上限については特に制限はないが、板厚比の上限は板厚比が10を超える組み合わせについては、適用例があまり見あたらないので、板厚比の上限を10とする。
また、ナゲット3の周囲には、高板厚鋼板1b、1cの母材金属が固相圧接されたコロナボンド部4が形成される。このように、重ね溶接の対象となる鋼板1には、ナゲット3とコロナボンド部4とを含むスポット溶接部5が形成される。
また、コロナボンド部4は高板厚鋼板1bの一面まで広がり、先の密着部分1dにおいて表面側鋼板1aとが固相溶接される。
この固相溶接の強度は比較的弱いものであるが、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bを仮止めするには十分な強度になる。
このとき、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bとの圧接部分1dの周囲には、表面側鋼板1aの塑性流動に伴って板の浮き上がり現象(以下、シートセパレーション現象という)が起こる。このシートセパレーション現象によって、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bとの間にギャップG1が設けられる。ギャップGは比較的均一なギャップになるので、レーザ溶接をする際の溶接条件の安定化に寄与することになる。尚、シートセパレーション現象は、塑性流動のみならず、溶接電流の通電に伴う板体積の熱膨張分が鋼板間に膨出されることにより助長される。
直径R1が2mm未満になると、円環状の溶接ビード6の内側まで熱伝導で溶融し、凝固割れが生じやすくなるので好ましくない。
また、溶接ビード6の直径R1は、コロナボンド部4の外周径R2よりも1mm程度短い値がよい。これは、溶接ビード6がコロナボンド部4の外側に形成させないための制限である。溶接ビード6をコロナボンド部4の外側に形成させる場合は、後に述べるように溶接始端部6aと溶接終端部6bとを離間させる必要がある。尚、幅方向中心線Bは、溶接ビード6を形成する際のレーザ光Lの軌跡に対応する。
また、コロナボンド部4の外周径R2は、図4に示すように板厚方向に沿って一定ではなく、高板厚鋼板1b、1cの間において最大となり、そこから離れるに従って徐々に小さくなっている。この場合のコロナボンド部4の外周径R2は、高板厚鋼板1bの表面側鋼板1側の面におけるコロナボンド部4の外周径を採用すればよい。
更にレーザ溶接の際のシールドガスとしては、窒素、炭酸ガス、アルゴン、ヘリウム、乾燥空気を用いることが好ましい。特に、窒素または炭酸ガスを用いることで、レーザ光Lの照射を表面側鋼板1a側から行う非貫通溶接時において、溶接ビード6における気孔の発生を抑制できる。
また、本実施形態の重ね溶接継手においては、溶接ビード6の底部がナゲット3に侵入しており、溶接ビード6とスポット溶接部5とが一体になっている。
また、全ての鋼板1a〜1cに渡ってスポット溶接部を設ける必要がないので、スポット溶接工程における溶接電流及び電流印加時間を少なくすることができ、スポット溶接の連続打点性を向上できる。
また、コロナボンド部4の内側に円環状の溶接ビード6を形成することで、溶接部位の占める面積を小さくすることができ、外観に優れた重ね溶接継手を形成できる。また、コロナボンド部4の内側に円環状の溶接ビード6を形成することで、溶接ビード6の底部がナゲット3に侵入し、溶接ビード6とスポット溶接部5とが一体になるので、溶接強度を高めることができる。
また、溶接ビード6の深さを、表面側鋼板1aの板厚の1.2倍以上の深さとすることで、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bとを確実に溶接できる。また、溶接ビード6の深さを表面側鋼板1aの板厚の1.2倍程度とすることで、小さな発振器でレーザ溶接工程を実現でき、初期設備コストを低減できる。
また、溶接ビード6の底部がナゲット3に侵入して、溶接ビード6とスポット溶接部5とが一体になるので、溶接強度を高めることができる。
次に、本発明の第2の実施形態である鋼板の重ね溶接方法及び鋼板の重ね溶接継手について、図面を参照して説明する。
本実施形態の重ね溶接方法は、レーザ溶接による溶接ビードを形成する際に、コロナボンド部の外側に溶接ビードを形成する点において第1の実施形態と異なっている。
更にレーザ溶接の際のシールドガスとしては、窒素、炭酸ガス、アルゴン、ヘリウム、乾燥空気を用いることが好ましい。特に、窒素または炭酸ガスを用いることで、レーザ光Lの照射を表面側鋼板1a側から行う非貫通溶接時において、溶接ビード16における気孔の発生を抑制できる。
また、スポット溶接部5の周囲に円環状の溶接ビード16が設けられることで、スポット溶接部5と溶接ビード16とが常に離間した状態になる。
即ち、本実施形態の重ね溶接方法によれば、スポット溶接部5の周囲にレーザ溶接を施すので、表面側鋼板1aと高板厚鋼板1bとのギャップG1が一定の範囲に管理された状態でレーザ溶接を実施でき、レーザ溶接を安定して行うことができ、表面側鋼板1aを含む鋼板1を確実に重ね溶接できる。このギャップG1は、溶接電極の先端の曲率半径R、溶接電極による加圧力、または通電条件によって制御可能なので、ギャップG1が大きすぎてレーザ溶接が不可能となる事態は避けられる。また、ギャップG1が安定するので、従来のように必要量のフィラーを送給するという複雑な機構が不要となる。
得られた重ね溶接継手について、レーザ溶接による溶接ビードの外観を観察した。また、JIS Z 3137に規定された溶接継手の十字引張試験法に準じて、十字引張試験を行った。また、十字引張試験では、鋼板の重ね枚数が3枚の場合は、表面側鋼板と2枚目の高板厚鋼板の間で引っ張った。また、鋼板の重ね枚数が4枚の場合は、表面側鋼板と2枚目の高板厚鋼板の間で引っ張った。溶接ビードの外観の観察結果と、十字引張試験の結果を表3に示す。なお、鋼板の重ね枚数が3枚の場合の、2枚目の高板厚鋼板と3枚目の高板厚鋼板との間の引張試験、およびで鋼板の重ね枚数が4枚の場合の、各高板厚鋼板間の引張試験では、良好な継手強度が得られた。
また、試験例5では、表面側鋼板の厚みが1.2mmと厚く、表面側鋼板にもナゲットが形成された。この例では、レーザ溶接を行う必要がなかった。
また、試験例6では、板厚比が4.7と低く、表面側鋼板にもナゲットが形成された。この例では、レーザ溶接を行う必要がなかった。
試験例8は、試験例7の比較としてレーザ溶接を適用しなかったもので、界面破断となりまた十分な継手強度が得られなかった。
試験例10は、試験例9の比較としてレーザ溶接を適用しなかったもので、界面破断となりまた十分な継手強度が得られなかった。
試験例21は、スポット溶接部のコロナボンド部の外周上に溶接ビードを形成しており、本発明では始終端を重ねずに隙間(非溶接部)を設けるべきところ、あえて溶接した例であり、終端にピット(溶鋼の飛散による溶接ビードの穴あき)が発生し、継手強度に影響を与えてしまった例である。
試験例25では、スポット溶接部の周囲に溶接ビードを設けたが、溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部を重ねたため、溶接ビードの溶接始端部付近にピットが発生し、外観不良となり、継手強度を低下させてしまった。
試験例27は、試験例26の比較としてレーザ溶接を適用しなかったもので、部分的に界面破断となり、また十分な継手強度が得られなかった。
試験例29は、試験例28の比較としてレーザ溶接を適用しなかったもので、界面破断となり、また十分な継手強度が得られなかった。
Claims (12)
- 2以上の鋼板を重ねて溶接する鋼板の重ね溶接方法であって、
2以上の前記鋼板には、板厚が0.3〜1mmの範囲の表面側鋼板と、前記表面側鋼板よりも板厚が大きい1以上の高板厚鋼板とが含まれ、前記表面側鋼板及び前記1以上の高板厚鋼板の合計板厚に対する前記表面側鋼板の板厚の比(合計板厚/表面側鋼板の板厚)を5以上とし、前記表面側鋼板を表面側に配置するように前記2以上の鋼板を重ね合わせた状態で、
前記2以上の鋼板を板厚方向から加圧しながらスポット溶接することにより、少なくとも前記1以上の高板厚鋼板にスポット溶接部を設けるスポット溶接工程と、
前記スポット溶接部または前記スポット溶接部の周囲にレーザ光を照射して、前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とをレーザ溶接するレーザ溶接工程と、
を具備してなることを特徴とする鋼板の重ね溶接方法。 - 前記レーザ溶接工程において、前記スポット溶接部に重なるように円環状の溶接ビードを形成することを特徴とする請求項1に記載の鋼板の重ね溶接方法。
- 前記レーザ溶接工程において、前記スポット溶接部の周囲に、前記スポット溶接部を囲む円環状の溶接ビードを形成することを特徴とする請求項1に記載の鋼板の重ね溶接方法。
- 前記溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部を離間させることを特徴とする請求項3に記載の鋼板の重ね溶接方法。
- 前記溶接ビードの深さを、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さとすることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接方法。
- 1枚の前記表面側鋼板と2枚の前記高板厚鋼板とを、前記表面側鋼板が表面側に配置されるように重ね合わせた状態で、
前記スポット溶接工程において、前記2枚の高板厚鋼板にスポット溶接部を形成するととともに、前記表面側鋼板と前記高板厚鋼板とを圧接し、
前記レーザ溶接工程において、圧接状態の前記表面側鋼板と前記高板厚鋼板とをレーザ溶接することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接方法。 - 2以上の鋼板が重ねられて溶接された鋼板の重ね溶接継手であって、
前記2以上の鋼板には、板厚が0.3〜1mmの範囲の表面側鋼板と、前記表面側鋼板よりも板厚が大きい1以上の高板厚鋼板とが含まれ、前記表面側鋼板及び前記1以上の高板厚鋼板の合計板厚に対する前記表面側鋼板の板厚の比(合計板厚/表面側鋼板の板厚)が5以上とされ、前記表面側鋼板が表面側に配置された状態で前記2以上の鋼板が重ね合わされ、
少なくとも前記1以上の高板厚鋼板に、ナゲットを含むスポット溶接部が設けられるとともに、
前記スポット溶接部または前記スポット溶接部の周囲に、前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とを溶接する溶接ビードが設けられていることを特徴とする鋼板の重ね溶接継手。 - 前記溶接ビードが、前記スポット溶接部に重なって円環状に設けられていることを特徴とする請求項7に記載の鋼板の重ね溶接継手。
- 前記溶接ビードが、前記スポット溶接部の周囲において前記スポット溶接部を囲むように円環状に設けられていることを特徴とする請求項7に記載の鋼板の重ね溶接継手。
- 前記溶接ビードの溶接始端部と溶接終端部とが離間されていることを特徴とする請求項9に記載の鋼板の重ね溶接継手。
- 前記溶接ビードの深さが、前記表面側鋼板の板厚の1.2倍以上の深さであることを特徴とする請求項7乃至請求項10の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接継手。
- 1枚の前記表面側鋼板と2枚の前記高板厚鋼板とが、前記表面側鋼板を表面側に配置した状態で重ね合わされ、
少なくとも前記スポット溶接部によって前記2枚の高板厚鋼板が溶接されているとともに、少なくとも前記溶接ビードによって前記表面側鋼板に隣接する前記高板厚鋼板と前記表面側鋼板とが溶接されていることを特徴とする請求項7乃至請求項11の何れか一項に記載の鋼板の重ね溶接継手。
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