JP2015147236A - 高エネルギービーム溶接用被接合部材及び接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を煩雑化せずに、溶接速度を高速化することが可能な高エネルギービーム溶接用被接合部材及び接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】金属材料からなる第１部材１と、第１部材１と同種又は異種の金属材料からなる第２部材２とを重ね合わせて、重ね継手（被溶接部材１０）を形成する。その際、第１部材１及び第２部材２の少なくとも一方の溶接位置に溶加材３を配置するか、又は、溶接位置に溶加材３が配置されている被溶接部材（第１部材１・第２部材２）を用いる。そして、第１部材１と前記第２部材２とを高エネルギービーム溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高エネルギービーム溶接用被接合部材及び高エネルギービーム溶接による接合体の製造方法に関する。より詳しくは、電子ビーム溶接やレーザ溶接などの高エネルギービーム溶接により同種又は異種金属接合体を製造する技術に関する。

電子ビーム溶接やレーザ溶接などの高エネルギービーム溶接は、溶け込みが深く、溶接熱影響が非常に少ないことから、特に、自動車、鉄道車両及び船舶などの輸送機分野において注目されている。一方、高エネルギービーム溶接は、施工において溶接金属の凝固収縮量が大きい場合は、割れなどの溶接欠陥が発生することがあり、被溶接材に適合した溶接条件を設定する必要がある。

そこで、従来、高エネルギービーム溶接を行う際には、レーザ光照射部にワイヤ状の溶加材を連続的に供給しながら溶接したり、溶融金属部を急激に冷やさないように冷却速度を制御したりすることにより、溶接欠陥の発生を防止している（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平９−２２５６６４号公報 特表２００８−５０１５２７号公報 特開２０１１−６７８３０号公報

しかしながら、ワイヤ状の溶加材を供給しながら溶接する方法は、溶接部にレーザ光を照射するための機構とは別に、ワイヤを供給するための機構が必要となるため、装置が煩雑化するという問題点がある。また、この溶接方法は、ワイヤ供給機構の構造上、レーザ光照射速度と同等レベルまでワイヤ供給速度を上げることができず、溶接速度がワイヤ供給速度に依存するため、溶接速度を向上させることが難しい。

同様に、溶接金属の冷却条件を制御する方法も、別途、溶融金属部の冷却速度を遅らせるための設備が必要となるため、装置が煩雑化すると共に、溶接速度の向上が難しいという問題点がある。

そこで、本発明は、装置を煩雑化せずに、溶接速度を高速化することが可能な高エネルギービーム溶接用被接合部材及び接合体の製造方法を提供することを主目的とする。

本発明に係る高エネルギービーム溶接用被接合部材は、金属材料からなる第１部材と、前記第１部材の溶接位置に接触配置された１又は２個以上の溶加材と、を有する。
前記溶加材は、前記第１部材の表面上に配置されていてもよく、又は少なくとも一部が前記第１部材内に埋め込まれ若しくはねじ込まれていてもよい。
また、前記第１部材は、所定形状に成形されていてもよい。
本発明の高エネルギービーム溶接用被接合部材は、更に、前記第１部材と同種又は異種の金属材料からなり、前記第１部材の少なくとも一部に重ね合わされた第２の部材を有していてもよい。
その場合、前記第２部材は、所定形状に成形されていてもよい。

本発明に係る接合体の製造方法は、金属材料からなる第１部材と、前記第１部材と同種又は異種の金属材料からなる第２部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の溶接位置に溶加材を接触配置する工程と、前記第１部材と前記第２部材と前記溶加材を高エネルギービーム溶接する工程と、を有する。
前記溶加材は、例えば前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方の表面上に配置することができる。
又は、前記溶加材は、前記第１部材と前記第２部材との間に配置してもよい。
また、前記溶加材の少なくとも一部を、前記第１部材及び前記第２部材のいずれか一方又は両方に埋め込むこともできる。
又は、前記溶加材の少なくとも一部を、前記第１部材及び前記第２部材のいずれか一方又は両方にねじ込んでもよい。
本発明の接合体の製造方法は、前記溶加材を配置する工程の後で、前記重ね継ぎ手を形成する工程を行うことができる。
また、凹部を有する裏当て材の前記凹部内に前記溶加材を収容し、前記裏当て材を前記第１部材に当接させることにより、前記溶加材を前記第１部材の溶接位置に配置してもよい。
一方、本発明の他の接合体の製造方法は、前述した被接合部材を高エネルギービーム溶接して接合体を得る。
これら接合体の製造方法においては、前記高エネルギービーム溶接が、電子ビーム溶接又はレーザ溶接であってもよい。
そして、前記高エネルギービーム溶接がレーザ溶接である場合は、レーザ光をデフォーカス状態で照射してもよい。
また、前記高エネルギービーム溶接がレーザ溶接である場合は、リモート溶接を行うことができる。
更に、前記高エネルギービーム溶接がレーザ溶接である場合は、レーザ光を螺旋状、渦巻き状、円形状又は同心円状に照射することができる。なお、ここでいう円形状は、真円状に限定されるものではなく、略円形状や楕円形状も含む。

本発明によれば、被接合部材の溶接位置に溶加材が接触配置されているため、装置を煩雑化することなく、高速で高エネルギービーム溶接することが可能となる。

Ａは本発明の第１の実施形態の被接合部材の構造を模式的に示す斜視図である。 図１に示すａ−ａ線による断面図である。 Ａ〜Ｆは溶加材３の形態例を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例の被接合部材の構造例を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例の被接合部材の構造例を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の接合体の構成例を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の接合体の製造方法を示すフローチャート図である。 Ａ及びＢは溶加材配置方法を模式的に示す断面図である。 Ａ及びＢは他の溶加材配置方法を模式的に示す断面図である。 Ａ及びＢは他の溶加材配置方法を模式的に示す断面図である。 裏当て材で溶加材を保持する方法を模式的に示す断面図である。 Ａ〜Ｃは溶接方法を模式的に示す断面図である。 Ａ〜Ｃは他の溶接方法を模式的に示す断面図である。 ミラー・スキャン法によるリモート溶接方法の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例の接合体の製造方法を示すフローチャート図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係る被接合部材について説明する。図１は本実施形態の被接合部材の構造を模式的に示す図であり、図２は図１に示すａ−ａ線による断面図である。本実施形態の被接合部材１０は、高エネルギービーム溶接に用いられるものであり、図１及び図２に示すように、金属材料からなる第１部材１の溶接位置に、１又は２個以上の溶加材３が配置されている。

溶加材３は、例えば、第１部材１における高エネルギービームが照射される側の面の溶接する予定の箇所（以下、溶接予定箇所という。）に、それぞれ平置きされている。この場合、溶加材３の配置数は、第１部材１の溶接予定箇所の数に応じて適宜設定することができる。

また、溶加材３の大きさ及び形状も、特に限定されるものではなく、照射されるビームの径及びパワーなどの溶接条件に応じて適宜選択することができる。図３Ａ〜Ｆは溶加材３の形態例を模式的に示す図である。本実施形態の被接合部材１０では、図３Ａに示す円盤状の溶加材３ａの他、図３Ｂに示すような平板状の溶加材３ｂ、図３Ｃに示すような棒状又はワイヤ状の溶加材３ｃなどを使用することができる。また、図３Ｄ〜Ｆに示すような溶加材３ｄ〜３ｆの内部にフラックス８が充填されていてもよい。

更に、溶加材３，３ａ〜３ｆや併用されるフラックス８の成分組成も、特に限定されるものではなく、被溶接部材１０の材質などに応じて適宜設定することができる。例えば、被溶接部材１０がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合、溶加材３，３ａ〜３ｆには、例えばＪＩＳ Ｚ３２３２に規定されているＡ４０４３やＡ４０４７などのいわゆるＡ４０００系合金（Ａｌ−Ｃｕ合金）材を使用することができる。また、フラックス８は、ＫＦ、ＡｌＦ_３及びＫ_３ＡｌＦ_６などのフッ素系化合物を主成分とするものが好ましく、これらの成分に加えて、ＣｓＦ、ＣｓＡｌＦ_４及びＣｓＫＡｌＦなどのセシウム化合物を含有するものがより好ましい。

本実施形態の被接合部材１０は、第１部材１の少なくとも一部に、第２部材２が重ね合わされ、重ね継手となっていてもよい。この場合、第１部材１と第２部材２とは、同種の金属材料で形成されていてもよく、異種の金属材料で形成されていてもよい。また、第１部材１と第２部材２とが同種の金属材料で形成されている場合、これらは同一組成の金属材料であってもよく、同種であるが組成が異なる金属材料であってもよい。

図１及び図２に示す重ね継手形の被接合部材１０を製造する際は、予め第１部材１の溶接位置に溶加材３を配置しておき、この溶加材３が配置されている第１部材１を、第２部材２と重ね合わせてもよく、また、第１部材１と第２部材２とを重ね合わせた後で、溶接位置に溶加材３を配置してもよい。

なお、図１には第１部材１と第２部材２とが板状である場合を例に示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１部材１及び第２部材２のいずれか一方又は両方が、各種形状に成形されていてもよい。この場合も、高エネルギービームが照射される第１部材１の各溶接予定箇所に、溶加材３が配置される。

本実施形態の被接合部材１０は、溶接位置に溶加材３が配置されているため、ワイヤ供給機構や溶融金属部の冷却速度を制御するための装置を設けなくても、溶接欠陥の発生を防止することができる。また、本実施形態の被接合部材１０は、ワイヤ供給機構や溶融金属部の冷却速度制御が不要であるため、例えば、リモート溶接などの高速で高エネルギービームを照射することが可能な手法を利用することにより、高速で高エネルギービーム溶接することが可能となる。

更に、本実施形態の被接合部材１０は、溶加材３がターゲットポインターとして機能するため、従来品に比べて、溶接開始時に行うビーム照射位置の設定が容易である。

（第１の実施形態の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の変形例に係る被接合部材について説明する。前述した第１の実施形態では、溶加材を平置きした場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶加材は、第１部材の溶接位置に配置されていればよい。図４及び図５は本変形例の被接合部材の構造例を模式的に示す断面図である。

具体的には、図４に示す被接合部材１１のように、第１部材１に溶加材３が押し込まれれていてもよく、また、図５に示す被接合部材１２のように、第１部材１に溶加材３がねじ込まれていてもよい。これにより、溶加材３が第１部材１に固定されるため、被接合部材１１，１２を移動させた場合でも、溶加材３の位置が変更される虞がない。なお、図４及び図５に示す変形例の被接合部材１１，１２においても、第１部材１及び第２部材２は、いずれも、板状でもよく、所定形状に成形されていてもよい。

本変形例の被接合部材１１，１２においても、溶接位置に溶加材３が配置されているため、前述した第１の実施形態の被接合部材１０と同様に、装置を煩雑化することなく、高速で高エネルギービーム溶接することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る接合体の製造方法について説明する。図６は本実施形態の接合体の製造方法により製造される接合体の構成例を模式的に示す斜視図である。図７は本実施形態の接合体の製造方法を示すフローチャート図である。図７に示すように、本実施形態の接合体の製造方法では、重ね継手形成工程（ステップＳ１）と、溶加材配置工程（ステップＳ２）と、溶接工程（ステップＳ３）とを行い、図６に示す接合体２０を得る。

［ステップＳ１：重ね継手形成工程］
重ね継手形成工程Ｓ１では、金属材料からなる第１部材１と、第２部材２とを重ね合わせて、重ね継手を形成する。ここで、第１部材１と第２部材２とは、同種の金属材料で形成されていてもよく、異種の金属材料で形成されていてもよい。また、第１部材１と第２部材２とが同種の金属材料で形成されている場合、これらは同一組成の金属材料であってもよく、同種であるが組成が異なる金属材料であってもよい。

更に、第１部材１及び第２部材２は板状であってもよく、その一方又は両方が各種形状に成形されていてもよい。第１部材１及び第２部材に、予め成形されている部材を用いる場合、その成形方法は特に限定されるものではなく、プレス成形品や押出成形品の他、鋳物などでもよく、種々の成形品を用いることができる。

［ステップＳ２：溶加材配置工程］
溶加材配置工程Ｓ２では、第１部材１及び第２部材２の少なくとも一方の溶接位置に溶加材３を配置する。図８〜１１は溶加材３の配置方法を模式的に示す断面図である。例えば、第１部材１に溶加材３を配置する場合は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第１部材１の表面上に溶加材３を平置きすることができる。

又は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、第１部材１の表面上に溶加材３を配置した後、重ね継手を下型３２上に配置し、ポンチ３１などの押圧部材を用いて溶加材３を第１部材１に押し込んでもよい。更に、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、溶加材３を第１部材１にねじ込むこともできる。なお、図８〜１０では、第１部材１側に溶加材３を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１部材１と第２部材２の両方に溶加材３を配置してもよく、また、第１部材１と第２部材２との間に溶加材３を配置することもできる。

更に、凹部を有する裏当て材により、溶加材３を保持することもできる。具体的には、図１１に示すように、裏当て材４の凹部４ａ内に溶加材３を収容し、裏当て材４を第１部材１に当接させることにより、溶加材３を第１部材１の溶接位置に配置する。

なお、溶加材３の配置数は、第１部材１の溶接予定箇所の数に応じて適宜設定すればよい。また、溶加材３の大きさ及び形状も、特に限定されるものではなく、照射されるビームの径及びパワーなどの溶接条件に応じて適宜選択することができる。更に、溶加材３の成分組成も、特に限定されるものではなく、第１部材１や第２部材２の材質などに応じて適宜設定することができる。

［ステップＳ３：溶接工程］
溶接工程Ｓ３では、第１部材１と第２部材２とを高エネルギービーム溶接する。図１２及び図１３は溶接方法を模式的に示す断面図である。例えば図８〜１０に示す方法で溶加材３を配置した場合は、図１２Ａ〜Ｃに示すように溶加材３に高エネルギービーム５を照射し、溶加材３、第１部材１及び第２部材２を溶融させて（溶融金属６）、第１部材１から第２部材２に溶接金属７が形成された接合体２１を得る。

また、例えば図１１に示す方法で溶加材３を配置した場合は、図１３Ａ〜Ｃに示すように、第２部材２側に高エネルギービーム５を照射し、第１部材１及び第２部材２を貫通して溶加材３も溶融させる（溶融金属６）、その後、裏当て材４を取り除き、第１部材１及び第２部材２を貫通する溶融金属７が形成された接合体２２を得る。

ここで、高エネルギービーム溶接としては、例えば電子ビーム溶接やレーザ溶接を適用することができる。そして、レーザ溶接の場合、例えばレーザ光をデフォーカス状態で照射してもよい。これにより、ポロシティ及び割れの発生を低減することができる。

また、レーザ溶接では、溶接予定箇所にレーザ光を螺旋状、渦巻き状、円形状又は同心円状に照射することもできる。ここでいう「円形状」には、真円状だけでなく、略円形状や楕円形状も含まれる。このようにレーザ光の照射位置を移動しながら溶接すると、溶接部における温度勾配を小さくすることができるため、凝固収縮量が少なくなり、割れの発生を更に低減することが可能となる。この場合、溶接方向は、右回り及び左回りのいずれでもよく、また、溶接開始位置も内側及び外側のいずれでもよい。

更に、レーザ溶接の場合は、リモート溶接を適用することもできる。リモート溶接法は、焦点距離の長い集光光学系を用いて溶接する方法であり、ミラー・スキャン法とロボット・スキャン法がある。図１４はミラー・スキャン法によるリモート溶接方法の概要を示す図である。図１４に示すように、ミラー・スキャン法では、レーザ発振器４０から出射されたレーザ光Ｌは、光ファイバーケーブル４１を介してレーザ加工ヘッド５０に導入される。

レーザ加工ヘッド５０の光学系は、例えば、凹レンズ５１、集光レンズ５２及びミラー５３などで構成されており、導入されたレーザ光Ｌは、凹レンズ５１で拡大され、集光レンズ５２で集光された後、ミラー５３で反射されて、溶接予定箇所に照射される。このミラー・スキャン法では、ミラー５３の向きを調整することにより、レーザ照射位置を変更することができるため、高速でレーザ照射することが可能となる。

本実施形態の接合体の製造方法は、前述したリモート溶接を適用することにより、溶接速度を更に向上させることができる。なお、リモート溶接の場合も、レーザ光を、溶加材や溶接部材に、デフォーカス状態で照射することができ、また、螺旋状、渦巻き状、円形状及び同心円状に照射することもできる。

なお、本実施形態の接合体の製造方法では、溶加材３を配置する前、又は溶加材３の配置後溶接前に、第１部材１及び／又は第２部材に、フラックスを塗布することができる。その際、フラックスの塗布方法は、特に限定されるものではなく、スプレーや刷毛塗りなど、一般に用いられている方法を適用することができる。

また、本実施形態の製造方法は、第１部材１及び第２部材２として板材を使用した場合、重ね継手形成後で溶加材３の配置前又は溶加材３の配置後で溶接前に、所定形状に成形する工程を行ってもよい。

本実施形態の接合体の製造方法では、溶接位置に溶加材３が配置されているため、溶接時に溶加材ワイヤを供給したり、溶融金属部の冷却速度を制御しなくても、溶接欠陥の発生を防止することができる。また、リモート溶接などの高速で高エネルギービームを照射することが可能な手法を利用することにより、高速で高エネルギービーム溶接することが可能となる。更に、本実施形態の接合体の製造方法は、溶加材３をターゲットポインターとして利用することができるため、溶接開始時に行うビーム照射位置の設定が容易になる。

（第２の実施形態の変形例）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例に係る接合体の製造方法について説明する。前述した第２の実施形態の接合体の製造方法では、重ね継手を形成した後で、溶加材を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１部材１及び／又は第２部材２に溶加材３を配置した後で、重ね継手を形成することもできる。

図１５は本変形例の接合体の製造方法を示すフローチャート図である。図１５に示すように、本実施形態の接合体の製造方法では、溶加材配置工程（ステップＳ１１）と、重ね継手形成工程（ステップＳ１２）と、溶接工程（ステップＳ１３）とを、この順に行って、図６に示す接合体２０を得る。

このように、溶加材配置工程（ステップＳ１１）後に、重ね継手形成工程（ステップＳ１２）を行った場合でも、前述した第２の実施形態の接合体の製造方法と同様に、装置を煩雑化することなく、高速で高エネルギービーム溶接することができる。

なお、前述した第２の実施形態及びその変形例の接合体の製造方法では、前述した第１の実施形態及びその変形例の被接合部材１０〜１２を用いることもでき、その場合、溶加材配置工程及び／又は重ね継手形成工程を省略することができる。

１ 第１部材
２ 第２部材
３、３ａ〜３ｆ 溶加材
４ 裏当て材
４ａ 凹部
５ ビーム
６ 溶融金属
７ 溶接金属
８ フラックス
１０〜１２ 被接合部材
２０〜２２ 接合体
３１ ポンチ
３２ 下型
４０ レーザ発振器
４１ 光ファイバーケーブル
５０ レーザ加工ヘッド
５１ 凹レンズ
５２ 集光レンズ
５３ ミラー
Ｌ レーザ光

Claims (17)

1. 金属材料からなる第１部材と、
   前記第１部材の溶接位置に接触配置された１又は２個以上の溶加材と、
   を有する高エネルギービーム溶接用被接合部材。
2. 前記溶加材は、前記第１部材の表面上に配置されているか、又は少なくとも一部が前記第１部材内に埋め込まれ若しくはねじ込まれている請求項１に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
3. 前記第１部材は、所定形状に成形されている請求項１又は２に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
4. 更に、前記第１部材と同種又は異種の金属材料からなり、前記第１部材の少なくとも一部に重ね合わされた第２の部材を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
5. 前記第２部材は、所定形状に成形されている請求項４に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
6. 金属材料からなる第１部材と、前記第１部材と同種又は異種の金属材料からなる第２部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の溶接位置に溶加材を接触配置する工程と、
   前記第１部材と前記第２部材と前記溶加材を高エネルギービーム溶接する工程と、
   を有する接合体の製造方法。
7. 前記溶加材を、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方の表面上に配置する請求項６に記載の接合体の製造方法。
8. 前記溶加材を、前記第１部材と前記第２部材との間に配置する請求項６に記載の接合体の製造方法。
9. 前記溶加材の少なくとも一部を、前記第１部材及び前記第２部材のいずれか一方又は両方に埋め込む請求項６又は８に記載の接合体の製造方法。
10. 前記溶加材の少なくとも一部を、前記第１部材及び前記第２部材のいずれか一方又は両方ににねじ込む請求項６又は８に記載の接合体の製造方法。
11. 前記溶加材を配置する工程の後、前記重ね継ぎ手を形成する工程を行う請求項６〜１０のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
12. 凹部を有する裏当て材の前記凹部内に前記溶加材を収容し、
    前記裏当て材を前記第１部材に当接させることにより、前記溶加材を前記第１部材の溶接位置に配置する請求項６に記載の接合体の製造方法。
13. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の被接合部材を高エネルギービーム溶接して接合体を得る接合体の製造方法。
14. 前記高エネルギービーム溶接は、電子ビーム溶接又はレーザ溶接であることを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
15. 前記高エネルギービーム溶接はレーザ溶接であり、レーザ光をデフォーカス状態で照射する請求項１４に記載の接合体の製造方法。
16. 前記高エネルギービーム溶接はレーザ溶接であり、リモート溶接を行う請求項１４又は１５に記載の接合体の製造方法。
17. 前記高エネルギービーム溶接はレーザ溶接であり、レーザ光を螺旋状、渦巻き状、円形状又は同心円状に照射する請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

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