JP2014094390A

JP2014094390A - めっき鋼板のレーザー溶接方法

Info

Publication number: JP2014094390A
Application number: JP2012246621A
Authority: JP
Inventors: Takuya Okada; 拓也岡田; Motohiro Yamada; 基弘山田; Ryuichi Yoshida; 龍一吉田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: JP5991152B2

Abstract

【課題】レーザー照射によって必要な締結力を容易に確保する。２つの鋼板のどの面内での曲げに対しても剛性を高める。
【解決手段】レーザー溶接方法は、プレス加工により、側壁１ａ₂を有する窪み部１ａが形成された鋼板１を用い、窪み部１ａの外側の領域で互いに面接触するように、めっき鋼板からなる２つの鋼板１・２を重ね合わせる工程と、重ね合わせた２つの鋼板１・２を、窪み部１ａの空間部Ｓを介してレーザー溶接する工程とを有する。２つの鋼板１・２の接触面に平行な面内で互いに垂直な２方向を、それぞれＸ方向およびＹ方向とする。窪み部１ａが形成された鋼板１において、鋼板２と面接触する領域は、窪み部１ａに対してＸ方向の両側の２つの領域と、窪み部１ａに対してＹ方向の両側の２つの領域との計４つの領域のうち、少なくとも２つの領域を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、めっき鋼板からなる２つの鋼板をレーザーで溶接する、めっき鋼板のレーザー溶接方法に関するものである。

亜鉛めっき鋼板は、溶接性、加工性、防錆性に優れ、主に自動車や複写機のフレーム等に用いられている。近年、自動車の製造に多く用いられているスポット溶接に代わる接合方法として、レーザー溶接の需要が高まっている。また、複写機においては、低歪、高強度でコストメリットがあり、生産自動化に相性の良い技術として、レーザー溶接技術が注目されている。

亜鉛めっき鋼板の重ね溶接において、重ね合わせた鋼板間に隙間が無い場合、鋼板間の締結力が低下する現象が見られる。この締結力の低下は、溶接部（溶接ビード）にブローホールと呼ばれる穴が形成されることが原因であることが判っている。その穴の発生メカニズムは以下の通りである。

すなわち、通常のレーザー溶接では、ビームスポット径程度のキーホールを形成し、ビームの照射部の周辺に溶融池を形成し、キーホールが移動することによって溶接ビードを形成する。ここで、２つの亜鉛めっき鋼板を隙間無く溶接した場合、亜鉛の沸点は９０７℃であり、亜鉛の相変態（固体〜気体）によって体積は２４００倍になり、圧力は２４００気圧になる。レーザービームの照射部の周辺に溶融池を形成する際には、キーホールと溶融池の温度は、鉄の融点である１５３５℃以上になるため、亜鉛ガスがガス圧で溶融池を経由して、溶融した鉄とともに溶接部外に離脱する。この結果、溶接部に穴が開く。

したがって、溶接部において鉄が溶融するよりも先に気化した亜鉛のガス圧を低減することが重要となり、そのようなガス圧を低減するための隙間や空間を設けることが、直接的な対策方法となる。このような対策については、例えば特許文献１〜４で提案されている。

特許文献１では、図１９に示すように、一方の鋼板１０１に凹凸部１０１ａを形成し、凹凸部１０１ａの凸部を介して２つの鋼板１０１・１０２を重ね合わせることにより、２つの鋼板１０１・１０２の間に、溶接時に発生するガスの逃げ道となる隙間を形成するようにしている。なお、凹凸部１０１ａは、中央が窪み、かつ、その周辺が周方向全体にわたって突出する形状で形成されている。

特許文献２では、図２０に示すように、一方の鋼板２０１の表面に断面円弧状頂部を有する条状の凸部２０１ａを形成し、この凸部２０１ａを介して２つの鋼板２０１・２０２を重ね合わせることにより、２つの鋼板２０１・２０２の間に隙間を形成するようにしている。

特許文献３では、図２１に示すように、一方の鋼板３０１に長孔３０１ａを形成して他方の鋼板３０２と重ね合わせ、長孔３０１ａを幅方向（短径方向）にのみまたぐようにレーザーを照射して、２つの鋼板３０１・３０２を溶接するようにしている。レーザーの照射領域（溶接領域）Ｐに対して長孔３０１ａの長径方向の両側には空間が形成されているため、この空間が溶接時に発生するガスの逃げ道となる。

特許文献４では、図２２に示すように、一方の鋼板４０１に段差部４０１ａを形成し、２つの鋼板４０１・４０２を重ね合わせることにより、段差部４０１ａの段差に相当する隙間をガス排出路４０３として形成している。そして、２つの鋼板４０１・４０２をプレッシャローラ４０４で加圧しながら、ガス排出路４０３上に設定した溶接線Ｌｗに沿って溶接ヘッドを移動させて、レーザー溶接を行うようにしている。なお、段差部４０１ａは、溶接線Ｌｗと平行に連続形成されている。

特開２００９−２５５１７９号公報（請求項１、段落〔００５１〕〜〔００６３〕、図１２等参照）特開２００９−７２７９９号公報（請求項１、段落〔００１０〕〜〔００１３〕、図１等参照）特許第４０００７３９号公報（請求項１、段落〔０００９〕〜〔００１０〕、図３等参照）特開２００１−２７６９９１号公報（請求項３、段落〔００３０〕〜〔００３４〕、図４等参照）

ところが、特許文献１〜４のレーザー溶接方法では、以下の問題が生ずる。

特許文献１の方法では、凹凸部１０１ａ以外の部分において、２つの鋼板１０１・１０２の断面奥行方向（図１９の紙面に垂直な方向）全体にわたって隙間が形成され、しかも、２つの鋼板１０１・１０２の接触は、凹凸部１０１ａの凸部における線接触であるため、２つの鋼板１０１・１０２の接触面積は非常に小さい。このため、２つの鋼板１０１・１０２の曲げ剛性が低下する。

特許文献２の方法においても、特許文献１と同様の問題が生ずる。すなわち、特許文献２の方法では、凸部２０１ａ以外の部分において、２つの鋼板２０１・２０２の断面奥行方向（図２０の紙面に垂直な方向）全体にわたって隙間が形成され、しかも、２つの鋼板２０１・２０２の接触は、凸部２０１ａにおける線接触であるため、２つの鋼板２０１・２０２の接触面積が非常に小さく、この結果、２つの鋼板２０１・２０２の曲げ剛性が低下する。

特許文献３の方法では、レーザーの照射領域Ｐに対して、２つの鋼板３０１・３０２が締結する締結領域Ｑが小さい。このため、レーザー照射によって必要な締結力（締結強度）を確保しにくい。

特許文献４の方法では、２つの鋼板４０１・４０２の隙間（ガス排出路４０３）に対して、片側の１領域でしか、２つの鋼板４０１・４０２が接触しないため、２つの鋼板４０１・４０２の曲げ剛性を十分に向上させることができない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、レーザー照射によって必要な締結力を容易に確保することができるとともに、２つの鋼板の曲げ剛性を十分に向上させることができる、めっき鋼板のレーザー溶接方法を提供することにある。

本発明に係るめっき鋼板のレーザー溶接方法は、めっき鋼板からなる２つの鋼板をレーザーで溶接する、めっき鋼板のレーザー溶接方法であって、前記２つの鋼板の少なくとも一方として、プレス加工により、側壁を有する窪み部が形成された鋼板を用い、前記窪み部の外側の領域で互いに面接触するように、前記２つの鋼板を重ね合わせる工程と、重ね合わせた前記２つの鋼板を、前記窪み部の内側の空間部を介してレーザー溶接する工程とを有し、前記２つの鋼板の接触面に平行な面内で互いに垂直な２方向を、それぞれ第１の方向および第２の方向とすると、前記窪み部が形成された一方の鋼板において、他方の鋼板と面接触する領域は、前記窪み部に対して前記第１の方向の両側の２つの領域と、前記窪み部に対して前記第２の方向の両側の２つの領域との計４つの領域のうち、少なくとも２つの領域を含むことを特徴としている。

前記窪み部が形成された一方の鋼板において、他方の鋼板と面接触する領域は、前記窪み部に対して前記第２の方向の少なくとも片側で、前記第１の方向に沿って位置する第１の領域と、前記窪み部に対して前記第１の方向の少なくとも片側で、前記第２の方向に沿って位置する第２の領域とを含んでいてもよい。

前記第１の領域は、前記窪み部に対して前記第２の方向の両側で前記第１の方向に沿って位置しており、前記第２の領域は、前記窪み部に対して前記第１の方向の両側で前記第２の方向に沿って位置していてもよい。

前記第１の領域および前記第２の領域は、前記窪み部の周囲を囲むように連続していることが望ましい。

前記窪み部の深さは、前記窪み部が形成される鋼板の厚さの１／３０以上であることが望ましい。

前記窪み部の平面形状は、略円形であってもよい。

前記レーザー溶接により、前記第２の方向よりも前記第１の方向に長く溶接ビードが形成される場合において、前記窪み部の前記第１の方向の幅は、前記溶接ビードの前記第１の方向の長さよりも大きいことが望ましい。

前記窪み部の平面形状は、矩形であってもよい。

前記レーザー溶接により、前記第２の方向よりも前記第１の方向に長く溶接ビードが形成される場合において、前記窪み部の前記第２の方向の幅は、前記溶接ビードの前記第２の方向の幅よりも大きいことが望ましい。

前記窪み部の長辺方向は、前記第１の方向と平行であることが望ましい。

前記２つの鋼板を重ね合わせた状態で、前記窪み部を有する鋼板側からレーザーを照射して溶接を行ってもよい。

前記２つの鋼板のうち、一方の鋼板にのみ前記窪み部が形成されており、前記２つの鋼板を重ね合わせた状態で、前記窪み部を有する鋼板とは別の鋼板側からレーザーを照射して溶接を行ってもよい。

前記窪み部は、前記第１の方向の一端側および前記第２の方向の一端側の少なくとも一方が露出していてもよい。

前記窪み部は、少なくとも一方の鋼板に対するプレス加工により、前記鋼板のプレス側とは反対側の面が突出することによって形成されてもよい。

前記窪み部は、少なくとも一方の鋼板に対するプレス加工により、前記鋼板の一部のみ厚さが薄くなることによって形成されてもよい。

前記２つの鋼板の少なくとも一方の複数箇所に、前記窪み部が形成されていてもよい。

本発明によれば、窪み部の内側の空間部を介して２つの鋼板をレーザー溶接することにより、レーザー照射領域がそのまま締結領域となるため、レーザー照射によって必要な締結力を容易に確保することができる。また、一方の鋼板において、他方の鋼板と面接触する領域は、窪み部に対して第１の方向の両側の２つの領域と、窪み部に対して第２の方向の両側の２つの領域との計４つの領域のうち、少なくとも２つの領域を含んでいるので、窪み部に対して片側の１領域でのみ２つの鋼板が接触する場合に比べて、２つの鋼板の曲げ剛性を十分に向上させることができる。また、プレス加工によって形成される窪み部の側壁が、２つの鋼板の接触面に対して突出するため、この側壁によっても曲げ剛性を確保することができ、全体の曲げ剛性をさらに高めることができる。

本発明の実施の一形態に係るレーザー溶接方法におけるレーザー溶接の概要を示す説明図である。レーザー溶接前の２つの鋼板の断面図および平面図である。レーザー溶接後の２つの鋼板の断面図および平面図である。実施例１および比較例１におけるレーザー溶接前の２つの鋼板の断面図である。実施例１および比較例１におけるレーザー溶接後の２つの鋼板の断面図である。実施例１における鋼板の歪みおよび歪み角度の一例を示す説明図である。実施例１における鋼板の歪みおよび歪み角度の他の例を示す説明図である。実施例１における鋼板の歪みおよび歪み角度のさらに他の例を示す説明図である。比較例１における鋼板の歪みおよび歪み角度の一例を示す説明図である。比較例１における鋼板の歪みおよび歪み角度の他の例を示す説明図である。比較例１における鋼板の歪みおよび歪み角度のさらに他の例を示す説明図である。他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図および平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図および平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図および平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図および平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図および平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって２つの鋼板を溶接したときの一方の鋼板の平面図である。さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板の断面図である。従来の方法で溶接された２つの鋼板の断面図である。従来の他の方法で溶接された２つの鋼板の断面図である。従来のさらに他の方法で溶接された２つの鋼板の平面図および断面図である。従来のさらに他の方法で溶接された２つの鋼板の断面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（１．レーザー溶接の概要）
図１は、本実施形態のレーザー溶接方法におけるレーザー溶接の概要を示す説明図である。本実施形態では、２つの鋼板１・２のレーザー溶接に、ファイバーレーザー溶接機を用いる。レーザーは発振機からファイバーを通して溶接ヘッド１０に供給され、溶接ヘッド１０から鋼板１・２の溶接部に照射される。発振機としては、レーザーの発振波長が１０７０〜１０８０ｎｍであり、連続発振のものを用いているが、これに限定されるわけではない。溶接ヘッド１０は、光学倍率４倍、ワーキングディスタンスＷＤ＝５００ｍｍのものであり、多軸ロボットに取り付けられている。

溶接前の鋼板１・２は、溶接部から両側に２０ｍｍの位置をネジ１１・１２の締結等によって仮固定される。そして、鋼板２の一端部をクランプ１３によって固定した上で、溶接が行われる。本実施形態での溶接においては、溶接出力を２ｋＷとし、溶接速度を板厚によって１．５〜９ｍ／ｍｉｎの間で調節し（例えば板厚が０．７ｍｍの場合は４．５ｍ／ｍｉｎとし）、溶接面に対してほぼ垂直にビームを当てる。

（２．レーザー溶接の詳細）
以下、本実施形態のレーザー溶接方法の詳細について説明する。図２および図３は、レーザー溶接を行う前後での、２つの鋼板の断面図および平面図である。なお、平面図では、便宜上、上側（溶接ヘッド１０側）に位置する鋼板の図示を省略している（他の図面でも同様とする）。

なお、本実施形態で用いる２つの鋼板は、ともに亜鉛めっき鋼板であり、その厚さはどちらも０．７ｍｍであるが、この厚さに限定されるわけではなく、例えば０．４〜１．２ｍｍの厚さの亜鉛めっき鋼板を用いることができる。

まず、図２に示すように、２つの鋼板として、プレス加工によって窪み部１ａが形成された鋼板１と、窪み部が形成されていない平板状の鋼板２とを用いる。そして、窪み部１ａの外側の領域で互いに面接触するように、２つの鋼板１・２を重ね合わせる（重ね合わせ工程）。なお、予め窪み部１ａが形成された鋼板１を用いるのではなく、プレス加工によって窪み部１ａを鋼板１に形成する工程自体を、重ね合わせ工程の前に行ってもよい。

ここで、以下での説明の便宜上、方向を次のように定義しておく。すなわち、２つの鋼板１・２の接触面に平行な面内で互いに垂直な２方向を、それぞれＸ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）とする。そして、接触面（ＸＹ面）に垂直な方向をＺ方向とする。なお、接触面とは、鋼板１における鋼板２との接触側の面、および鋼板２における鋼板１との接触側の面の少なくとも一方を指す。

上記の窪み部１ａは、平面視で長方形状の底面部１ａ₁の周囲に４つの側壁１ａ₂が立設して形成されている。すなわち、窪み部１ａの平面形状は矩形である。窪み部１ａの長辺方向（Ｘ方向）の長さは例えば１５ｍｍであり、短辺方向（Ｙ方向）の長さは例えば１０ｍｍである。また、窪み部１ａは半抜き加工で形成されており、深さ方向（Ｚ方向）に貫通してはいない。つまり、窪み部１ａは、鋼板１に対するプレス加工により、鋼板１のプレス側とは反対側の面が突出することによって形成されている。したがって、鋼板１・２を重ね合わせたとき、窪み部１ａの内部に閉じた空間（空間部Ｓ）が形成される。なお、窪み部１ａの深さｄは、例えば０．１ｍｍである。

次に、図３に示すように、重ね合わせた２つの鋼板１・２を、窪み部１ａの内側の空間部Ｓを介してレーザー溶接する（溶接工程）。これにより、鋼板１・２の溶接部（接合部）である溶接ビード３が形成される。なお、溶接ビード３は、窪み部１ａの長辺方向と平行に形成される。すなわち、溶接ビード３は、Ｙ方向よりもＸ方向に長く形成され、そのＸ方向の長さは、例えば１０ｍｍである。また、溶接ビード３のＹ方向の幅は、例えば１ｍｍである。なお、溶接ビード３のビード長およびビード幅はこれらに限定されるわけではない。

ここで、レーザー溶接は、図１で示したように、２つの鋼板１・２を重ね合わせた状態で、窪み部１ａを有する鋼板１とは別の鋼板２側からレーザーを照射して行ってもよいし、窪み部１ａを有する鋼板１側からレーザーを照射して行ってもよい。どちらの場合でも、窪み部１ａの内部の空間部Ｓを介して、２つの鋼板１・２を溶接することができる。

以上のように、空間部Ｓを介して２つの鋼板１・２をレーザー溶接することにより、鋼板１・２として亜鉛めっき鋼板を用いた場合でも、溶接時に発生する亜鉛ガスを空間部Ｓに逃がしてガス圧を低減させることができる。これにより、ブローホールの発生を抑えることができるとともに、ブローホールによる締結力の低下を回避することができる。また、レーザーが照射される領域（溶接領域）がそのまま締結領域となるため、レーザー照射によって必要な締結力を容易に確保することができる。

また、本実施形態では、鋼板１の窪み部１ａの深さｄは、例えば０．１ｍｍであるが、窪み部１ａが形成される鋼板１の厚さの１／３０以上であればよい。この場合、窪み部１ａの内部に、溶接時に発生するガスを逃がすための空間を確実に確保することができる。例えば、めっき量３０ｇ／ｍ²以下の鋼板１を、プレス面積１５０ｍｍ²以上の条件でプレスして窪み部１ａを形成した場合でも、窪み部１ａの深さｄが上記範囲に設定されていれば、ブローホールの発生を抑える効果がある。

また、本実施形態のように、窪み部１ａの平面形状が矩形である場合、例えば、窪み部１ａの長辺方向および短辺方向の長さと同じ長さを、長径方向および短径方向に有する、平面視で略円形（楕円形）の窪み部を形成した場合に比べて（この場合のプレス量は同じとする）、窪み部１ａ内部の空間部Ｓの容積が大きくなる。これにより、溶接時に発生するガスを空間部Ｓに逃がして、ブローホールの発生を確実に抑え、締結力の低下も確実に回避することができる。

また、窪み部１ａのＹ方向の幅（例えば１０ｍｍ）は、溶接ビード３のＹ方向の幅（例えば１ｍｍ）よりも大きいため、溶接ビード３の幅方向の両側にも空間部Ｓが形成される。これにより、ブローホールの発生を抑えて締結力の低下を回避する効果を確実に得ることができる。

また、窪み部１ａの長辺方向（Ｘ方向）と、溶接ビード３が形成される方向とは平行であるため、窪み部１ａの内部の空間部Ｓが、溶接ビード３が形成される方向に長く形成される。つまり、溶接時に発生するガスを逃がす空間として、溶接ビード３の形成方向に追従した空間を確保することができる。これにより、溶接時のブローホールの発生を抑えて締結力の低下を回避する効果をより確実に得ることができる。特に、窪み部１ａのＸ方向の長さ（例えば１５ｍｍ）が溶接ビード３のＸ方向の長さ（例えば１０ｍｍ）よりも大きいので、溶接ビード３の長さ方向の両側にも空間が確保される。これにより、溶接時のブローホールの発生を抑えて締結力の低下を回避する効果をより一層確実に得ることができる。

（３．面接触の詳細について）
次に、鋼板１・２の重ね合わせ時の面接触の詳細について説明する。本実施形態では、鋼板１において、鋼板２と重ね合わせたときに面接触する領域は、図２に示すように、窪み部１ａに対してＹ方向の両側で、Ｘ方向に沿って位置する第１の領域Ｒ１と、窪み部１ａに対してＸ方向の両側で、Ｙ方向に沿って位置する第２の領域Ｒ２とを含む。特に、図２のように、鋼板１の中央に窪み部１ａが形成されている場合、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２は、窪み部１ａの周囲を囲むように位置して連続している（交互につながっている）と言える。

このように、窪み部１ａに対してＸ方向の両側に位置する２つの領域（２つの第２の領域Ｒ２）と、窪み部１ａに対してＹ方向の両側に位置する２つの領域（２つの第１の領域Ｒ１）との計４つの領域で、鋼板１・２が面接触するので、窪み部１ａに対して片側の１領域でのみ面接触する構成に比べて、２つの鋼板１・２の曲げ剛性を十分にかつ確実に向上させることができる。

また、鋼板１において、鋼板２と面接触する領域が、互いに垂直なＸ方向およびＹ方向のそれぞれに延びる第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２を含む場合、Ｘ方向を含むＺＸ面内での曲げに対しては、Ｘ方向に延びる第１の領域Ｒ１と鋼板２との面接触がＺＸ面内での曲げを阻止する方向に働くため、ＺＸ面内での曲げ剛性を高めることができる。また、Ｙ方向を含むＹＺ面内での曲げに対しては、Ｙ方向に延びる第２の領域Ｒ２と鋼板２との面接触がＹＺ面内での曲げを阻止する方向に働くため、ＹＺ面内での曲げ剛性を高めることができる。さらに、鋼板１・２の接触面に垂直な面であって上記以外の面内での曲げに対しては、第１の領域Ｒ１と鋼板２との面接触、および第２の領域Ｒ２と鋼板２との面接触の両方が、上記面内での曲げを阻止する方向に働くため、上記面内での曲げ剛性を高めることができる。したがって、接触面に垂直な、どの面内での曲げに対しても、２つの鋼板１・２の曲げ剛性を高めることができる。

しかも、平面視で矩形状の窪み部１ａは、４つの側壁１ａ₂を有しており、これら４つの側壁１ａ₂は鋼板１・２の接触面にいずれも垂直である。したがって、４つの側壁１ａ₂のうち、ＺＸ面に平行な２つの側壁１ａ₂は、ＺＸ面内での曲げを阻止する方向に働き、ＹＺ面に平行な２つの側壁１ａ₂は、ＹＺ面内での曲げを阻止する方向に働く。また、鋼板１・２の接触面に垂直な面であって上記以外の面内での曲げに対しては、４つの側壁１ａ₂が全体で上記面内での曲げを阻止する方向に働く。したがって、窪み部１ａが側壁１ａ₂を有していることにより、２つの鋼板１・２の曲げ剛性をさらに高めることができる。

また、鋼板１において、窪み部１ａに対してＹ方向の両側の第１の領域Ｒ１が鋼板２と面接触し、窪み部１ａに対してＸ方向の両側の第２の領域Ｒ２が鋼板２と面接触するので、曲げ剛性を高める効果を、窪み部１ａに対してＸ方向の両側、およびＹ方向の両側でバランスよく得ることができる。つまり、Ｘ方向を含むＺＸ面内での曲げ剛性を高める効果を、窪み部１ａに対してＹ方向の両側でバランスよく得ることができ、Ｙ方向を含むＹＺ面内での曲げ剛性を高める効果を、窪み部１ａに対してＸ方向の両側でバランスよく得ることができる。

また、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２が、窪み部１ａの周囲を囲むように連続している場合、窪み部１ａの周囲の領域全体を、面接触による曲げ剛性の向上に寄与させることができ、その効果を確実に得ることができる。

（４．レーザー溶接時の歪み抑制効果について）
２つの鋼板をレーザー溶接する場合、溶接時の熱によって鋼板に歪みが生じやすくなるが、上記したレーザー溶接方法によれば、鋼板の曲げ剛性の向上により、レーザー溶接時の歪みを抑えることができる。この点は、以下の実施例１および比較例１を参照することでより明らかとなる。

＜実施例１＞
実施例１では、図４に示すように、厚さが０．４ｍｍで、図２で示したものと同じ材質および形状の鋼板１・２を用意し、これらを窪み部１ａの外側で面接触するように重ね合わせ、溶接部から離れた位置において、ボルト１５およびナット１６によって仮固定した。このとき、溶接の際の熱歪みが仮固定しているボルト１５およびナット１６によって抑制されないようにするため、ボルト１５（ネジの頭部）と鋼板１との間にバネ１７を配置して、１Ｎ程度の最低限の固定とした。そして、図５に示すように、空間部Ｓを介して鋼板１側からレーザーを照射して２つの鋼板１・２を溶接し、溶接ビード３を形成した後、ボルト１５およびナット１６を外した。なお、窪み部１ａの深さの設計値は０．１ｍｍである。

＜比較例１＞
比較例１では、図４に示すように、鋼板１・２と同じ材質、同じ厚さで窪み部の無い平板状の鋼板１’・２’を用意し、溶接部から離れた位置に厚さ０．０５ｍｍのシム１４（スペーサ）を配置し、そのシム１４を挟むように鋼板１’・２’を配置して、ボルト１５およびナット１６によって仮固定した。このとき、実施例１と同様に、ボルト１５と鋼板１’との間にバネ１７を配置して、１Ｎ程度の最低限の固定とした。そして、図５に示すように、シム１４の厚さに相当する隙間を介して鋼板１’側からレーザーを照射して２つの鋼板１’・２’を溶接し、溶接ビード３’を形成した後、ボルト１５およびナット１６を外した。

＜評価について＞
実施例１および比較例１ともに上記の処理を３回行い、サンプルを３つずつ得た。そして、表面形状測定装置（Ambios社製ＸＰ−２００）を用い、図５に示す歪み計測範囲にて、溶接に伴う歪みおよび歪み角度をそれぞれ計測した。

図６〜図８は、実施例１の３つのサンプル（Ｎｏ．１〜３）のそれぞれにおける、鋼板１の歪み（形状）および歪み角度を示しており、図９〜図１１は、比較例１の３つのサンプル（Ｎｏ．１〜３）のそれぞれにおける、鋼板１’の歪み（形状）および歪み角度を示している。実施例１では、３つのサンプルの歪み角度の平均値が０．３６°であったのに対して、比較例１では、３つのサンプルの歪み角度の平均値が０．５０°であった。このことから、実施例１では、比較例１よりも、レーザー溶接時の歪み抑制効果が高いと言える。これは、実施例１では、比較例１とは異なり、一方の鋼板１が窪み部１ａを有し、その窪み部１ａの周囲で鋼板１・２が面接触していることと、窪み部１ａの側壁１ａ₂の存在とによって曲げ剛性が高められ、これによって歪みが抑制されているためと考えられる。

なお、図６〜図８において、窪み部１ａの測定形状が若干異なっているのは、窪み部１ａの加工精度（加工のバラツキ）によるものである。

（５．レーザー溶接方法のバリエーションについて）
図１２は、他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板１・２の断面図および平面図であって、窪み部１ａの他の形状を示すものである。鋼板１に形成される窪み部１ａの平面形状は、略円形（例えば楕円形）であってもよい。この場合、鋼板１において、鋼板２と面接触する領域は、窪み部１ａに対してＹ方向の両側で、Ｘ方向に沿って位置する第１の領域Ｒ１と、窪み部１ａに対してＸ方向の両側で、Ｙ方向に沿って位置する第２の領域Ｒ２と、窪み部１ａの開口部の縁と第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とで囲まれた第３の領域Ｒ３とを含むことになる。

平面視で略円形の窪み部１ａを形成した場合、窪み部１ａの長径方向および短径方向の長さ（幅）と同じ長さを長辺方向および短辺方向に有する、平面視で矩形状の窪み部を形成した場合に比べて、鋼板２との面接触領域が第３の領域Ｒ３の分だけ増大するため、曲げ剛性をより高めることができる。

また、平面視で矩形状の窪み部のプレス加工の際には、金型として断面矩形状のものを用いることになるが、この場合は、プレス時の応力が窪み部の四隅に対応する金型の角部に集中しやすく、金型が損傷しやすくなる。これに対して、平面視で略円形の窪み部１ａのプレス加工の際には、金型として、側面（プレス時に窪み部１ａの側壁１ａ₂と対向する面）に角部（稜線）がない金型を用いることができる。これにより、プレス加工時の応力集中による金型の損傷を低減できるとともに、プレスによる窪み部１ａの加工性も良好となる。

また、図１２で示すように、レーザー溶接により、Ｙ方向よりもＸ方向に長く溶接ビード３が形成される場合において、窪み部１ａのＸ方向の幅は、溶接ビード３のＸ方向の長さよりも大きい。この場合、溶接時に発生するガスを逃がすための空間部Ｓが、溶接ビード３よりもＸ方向に長く形成されるため、窪み部１ａが平面視で楕円形状である場合でも、ブローホールの発生およびそれによる締結力の低下を確実に回避することができる。

図１３および図１４は、さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板１・２の断面図および平面図であって、それぞれ、窪み部１ａの形成位置を図２および図３とは異ならせたものである。これらの図に示すように、窪み部１ａは、Ｘ方向の一端側およびＹ方向の一端側の少なくとも一方が露出していてもよい。なお、図１３は、窪み部１ａのＸ方向の一端側のみが露出している例を示しており、図１４は、窪み部１ａのＸ方向の一端側およびＹ方向の一端側の両方が露出している例を示している。

上記いずれの場合でも、窪み部１ａの周囲の２つ以上の領域で鋼板１・２が面接触するため、窪み部１ａの片側の１領域でのみ面接触する場合に比べて、鋼板１・２の曲げ剛性を十分に向上させることができる。また、窪み部１ａの内部の空間部Ｓが外部と連通するため、溶接時に発生したガスを、空間部Ｓを介して外部に逃がすことができ、溶接時のブローホールの発生を確実に回避することができる。

また、図１３のように、鋼板１において窪み部１ａを一方の側辺側にずらしたものや、図１４のように鋼板１の角部に窪み部１ａを形成したものを用いてレーザー溶接を行うことができるため、用いる鋼板１は、窪み部１ａが中央に形成されたものに限定されない。したがって、溶接領域（締結領域）の位置のバリエーションが増大し、レーザー溶接による設計の自由度も増大する。

図１５は、さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板１・２の断面図および平面図である。このように、窪み部１ａは、Ｘ方向においてのみ両端が露出していてもよい。この場合でも、溶接時に発生したガスを、空間部Ｓを介して外部に逃がすことができ、溶接時のブローホールの発生を確実に回避することができる。また、窪み部１ａのＹ方向の両側で、Ｘ方向に延びる２つの第１の領域Ｒ１で鋼板１・２が面接触するため、Ｘ方向を含む断面内（ＺＸ面内）での曲げ剛性を、Ｙ方向の片側でのみ面接触する図２２の構成よりも向上させることができる。なお、図示はしないが、窪み部１ａは、Ｙ方向においてのみ両端が露出していてもよい。

以上では、窪み部１ａが、鋼板１のプレス側とは反対側の面が突出するようなプレス加工によって形成される例について説明したが、窪み部１ａは、このようなプレス加工による形成には限定されない。

図１６は、さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板１・２の断面図および平面図であって、窪み部１ａのさらに他の形状を示すものである。同図に示すように、窪み部１ａは、鋼板１の一部のみ厚さが薄くなるようなプレス加工によって形成されてもよい。このような窪み部１ａは、鋼板１のプレス側とは反対側の面全体を平板状の台に当接させた状態で鋼板１の一部に金型を押し当ててプレス加工を行うことで実現することができる。

このように窪み部１ａが鋼板１の板厚を変化させることによって形成される場合でも、窪み部１ａの外側の領域で互いに面接触するように、２つの鋼板１・２を重ね合わせた状態で、窪み部１ａの内側の空間部Ｓを介して２つの鋼板１・２をレーザーで溶接できる点に変わりはない。したがって、図１６で示した鋼板１を用いてレーザー溶接を行う場合でも、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１７は、さらに他のレーザー溶接方法によって２つの鋼板１・２を溶接したときの一方の鋼板１の平面図である。このように、上記した窪み部１ａは、鋼板１の複数箇所に、形成されていてもよい。この場合、２つの鋼板１・２を、複数の窪み部１ａに対応する複数箇所で、それぞれの空間部を介してレーザー溶接することができる。

図１８は、さらに他のレーザー溶接方法によって溶接された２つの鋼板１・２の断面図である。２枚の鋼板１・２が窪み部１ａの外側の領域で面接触するのであれば、鋼板１・２の接触面は平面に限定されるわけではなく、曲率が同じ曲面であってもよい。この場合でも、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、鋼板１・２として、亜鉛めっき鋼板を用いているが、めっき材は亜鉛に限定されるわけではなく、めっき材の沸点が基材の融点よりも高い材料であればよい。

なお、本実施形態では、２つの鋼板１・２のうち、一方の鋼板１にのみ窪み部１ａが形成されている場合について説明したが、他方の鋼板２にのみ窪み部が形成されていてもよく、両方の鋼板１・２に窪み部が形成されていてもよい。これらの場合でも、上述した本実施形態のレーザー溶接方法を適用して、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、めっき鋼板からなる２つの鋼板をレーザーで溶接する場合に利用可能である。

１鋼板（めっき鋼板）
１ａ窪み部
１ａ₂ 側壁
２鋼板（めっき鋼板）
３溶接ビード
Ｒ１第１の領域
Ｒ２第２の領域
Ｓ空間部

Claims

めっき鋼板からなる２つの鋼板をレーザーで溶接する、めっき鋼板のレーザー溶接方法であって、
前記２つの鋼板の少なくとも一方として、プレス加工により、側壁を有する窪み部が形成された鋼板を用い、前記窪み部の外側の領域で互いに面接触するように、前記２つの鋼板を重ね合わせる工程と、
重ね合わせた前記２つの鋼板を、前記窪み部の内側の空間部を介してレーザー溶接する工程とを有し、
前記２つの鋼板の接触面に平行な面内で互いに垂直な２方向を、それぞれ第１の方向および第２の方向とすると、
前記窪み部が形成された一方の鋼板において、他方の鋼板と面接触する領域は、前記窪み部に対して前記第１の方向の両側の２つの領域と、前記窪み部に対して前記第２の方向の両側の２つの領域との計４つの領域のうち、少なくとも２つの領域を含むことを特徴とするめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部が形成された一方の鋼板において、他方の鋼板と面接触する領域は、前記窪み部に対して前記第２の方向の少なくとも片側で、前記第１の方向に沿って位置する第１の領域と、前記窪み部に対して前記第１の方向の少なくとも片側で、前記第２の方向に沿って位置する第２の領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記第１の領域は、前記窪み部に対して前記第２の方向の両側で前記第１の方向に沿って位置しており、
前記第２の領域は、前記窪み部に対して前記第１の方向の両側で前記第２の方向に沿って位置していることを特徴とする請求項２に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記第１の領域および前記第２の領域は、前記窪み部の周囲を囲むように連続していることを特徴とする請求項３に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部の深さは、前記窪み部が形成される鋼板の厚さの１／３０以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部の平面形状は、略円形であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記レーザー溶接により、前記第２の方向よりも前記第１の方向に長く溶接ビードが形成される場合において、
前記窪み部の前記第１の方向の幅は、前記溶接ビードの前記第１の方向の長さよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部の平面形状は、矩形であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記レーザー溶接により、前記第２の方向よりも前記第１の方向に長く溶接ビードが形成される場合において、
前記窪み部の前記第２の方向の幅は、前記溶接ビードの前記第２の方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部の長辺方向は、前記第１の方向と平行であることを特徴とする請求項８または９に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記２つの鋼板を重ね合わせた状態で、前記窪み部を有する鋼板側からレーザーを照射して溶接を行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記２つの鋼板のうち、一方の鋼板にのみ前記窪み部が形成されており、
前記２つの鋼板を重ね合わせた状態で、前記窪み部を有する鋼板とは別の鋼板側からレーザーを照射して溶接を行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部は、前記第１の方向の一端側および前記第２の方向の一端側の少なくとも一方が露出していることを特徴とする請求項１または２に記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部は、少なくとも一方の鋼板に対するプレス加工により、前記鋼板のプレス側とは反対側の面が突出することによって形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記窪み部は、少なくとも一方の鋼板に対するプレス加工により、前記鋼板の一部のみ厚さが薄くなることによって形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。
前記２つの鋼板の少なくとも一方の複数箇所に、前記窪み部が形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザー溶接方法。