JP2015147237A

JP2015147237A - 接合体の製造方法及び高エネルギービーム溶接用被接合部材

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Publication number: JP2015147237A
Application number: JP2014021735A
Authority: JP
Inventors: 一正海読; Kazumasa Kaitoku; 松本　剛; Takeshi Matsumoto; 松本　　剛; 今村　美速; Yoshihaya Imamura; 美速今村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: JP6400916B2

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接合体の製造方法及び高エネルギービーム溶接用被接合部材を提供する。
【解決手段】金属材料からなる第１部材と、第１部材と同種又は異種の金属材料からなる第２部材の少なくとも一方の溶接位置に凹部を形成し（ステップＳ１）、第１部材及び第２部材の少なくとも一方の凹部に溶加材を配置した後（ステップＳ２）、第１部材と第２部材とを高エネルギービーム溶接して（ステップＳ３）、接合体を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、高エネルギービーム溶接による接合体の製造方法及び高エネルギービーム溶接用被接合部材に関する。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、レーザ光の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接合体の製造方法及び高エネルギービーム溶接用被接合部材を提供することを主目的とする。

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部材の少なくとも一方の溶接位置に凹部を形成する工程と、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の凹部に溶加材を配置する工程と、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。
前記凹部は、例えばエンボス状又はビード状である。
本発明の接合体の製造方法は、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を所定形状に成形する工程を有していてもよい。
その場合、前記成形する工程の前又は前記成形する工程の後で、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方に前記凹部を形成することができる。
又は、前記成形する工程において、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方に前記凹部を形成することもできる。
一方、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前又は前記溶加材を配置する工程の後に、前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせて重ね継手を形成する工程を行うことができる。
その場合、前記第１部材の凹部と前記第２部材の凹部を重ね合わせてもよい。
又は、前記第１部材の凹部と前記第２部材の凹部を対向配置し、その間に前記溶加材を配置してもよい。
本発明の接合体の製造方法において、前記高エネルギービーム溶接は、例えば電子ビーム溶接又はレーザ溶接である。
そして、例えば前記高エネルギービーム溶接がレーザ溶接である場合、レーザをデフォーカス状態で照射することができる。
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、リモート溶接を行ってもよい。
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部材の溶接位置に配置された１又は２以上の溶加材と、を有し、前記第１部材の溶接位置には凹部が形成されており、前記凹部内に前記溶加材が配置されている。
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、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部材も、所定形状に成形されていてもよい。

本発明によれば、被接合部材の溶接位置に溶加材が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。

本発明の第１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は凹部形成方法を模式的に示す斜視図である。Ａ〜Ｃは溶加材配置方法を模式的に示す断面図である。Ａ〜Ｆは溶加材３の形態例を模式的に示す斜視図である。Ａ〜Ｃは重ね継手の構成例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１の実施形態の第１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。本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る接合体の製造方法で形成される重ね継手の分解斜視図である。

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の実施形態に係る接合体の製造方法について説明する。図１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１に示すように、本実施形態の接合体の製造方法では、凹部形成工程（ステップＳ１）と、溶加材配置工程（ステップＳ２）と、重ね継手形成工程（ステップＳ３）と、溶接工程（ステップＳ４）とを行う。

［ステップＳ１：凹部形成工程］
図２Ａ及び図２Ｂは凹部形成方法を模式的に示す斜視図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、凹部形成工程では、金属材料からなる第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、凹部４を形成する。凹部４の形状は、特に限定されるものではないが、例えば図２Ｂに示すエンボス状の他、ビード状とすることもできる。

また、第１部材１及び第２部材２に形成する凹部４の数は、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、凹部４大きさ及び深さも、特に限定されるものではなく、溶加材３のサイズや溶接条件などに応じて適宜選択することができる。

なお、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。

［ステップＳ２：溶加材配置工程］
図３Ａ〜Ｃは溶加材配置方法を模式的に示す断面図である。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、溶加材配置工程では、第１部材１及び第２部材２の少なくとも一方の各凹部４に、それぞれ溶加材３を配置する。ここで、図３には、各凹部４に溶加材３を１個ずつ配置する例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、凹部４に複数の溶加材３を配置してもよい。

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。図４Ａ〜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４Ａに示す円盤状の溶加材３ａの他、図４Ｂに示すような平板状の溶加材３ｂ、図４Ｃに示すような棒状又はワイヤ状の溶加材３ｃなどの使用することができる。また、図４Ｄ〜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、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。例えば、第１部材１及び第２部材２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ＪＩＳＺ３２３２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。

［ステップＳ３：重ね継手形成工程］
重ね継手形成工程では、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。図５Ａ〜Ｃは重ね継手の構成例を模式的に示す断面図である。本実施形態の接合体の製造方法では、第１部材１及び第２部材２のいずれか一方の凹部４に溶加材３が配置されていればよく、例えば図５Ａに示すように、凹部４に溶加材３が配置された第１部部材１に、凹部が形成されていない第２部材２を重ねることができる。

また、図５Ｂに示すように、第２部材２の凹部４に、溶加材３が配置された第１部部材１の凹部４を重ね合わせてもよい。更に、図５Ｃに示すように、凹部４に溶加材３が配置された第１部部材１に、凹部が形成された第２部材２を、それぞれの凹部４で溶加材３を挟み込むように重ね合わせることもできる。

［ステップＳ４：溶接工程］
溶接工程では、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６及び図７は溶接方法を模式的に示す断面図である。例えば図５Ａに示す重ね継ぎ手を溶接する場合は、図６Ａ〜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２部材２、溶加材３及び第１部材１を溶融させて（溶融金属６）、第２部材２から第１部材１にかけて溶接金属７が形成された接合体を得る。又は、図７Ａ〜Ｃに示すように、第１部材１側に高エネルギービーム５を照射し、第１部材１、溶加材３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にかけて溶接金属７を形成してもよい。

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８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８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。

本実施形態の接合体の製造方法では、溶接位置に溶加材を配置しているため、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、溶接位置に凹部を設け、この凹部内に溶加材を配置しているため、溶加材を溶接位置に安定してかつ精度よく配置することができる。そして、本実施形態の接合体の製造方法は、溶加材３又は溶加材３が配置された凹部４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１の実施形態の第１変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る接合体の製造方法について説明する。図９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。前述した第１の実施形態の接合体の製造方法では、第１部材１又は第２部材２の凹部４に溶加材３を配置した後で、重ね継手を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図７に示すように、重ね継手形成工程（ステップＳ１２）の後で、溶加材配置工程（ステップＳ１３）を行ってもよい。

本変形例の接合体の製造方法は、図５Ｂに示すような構成の重ね継手を形成する場合に有効である。そして、本変形例の接合体の製造方法においても、溶接位置に溶加材を配置しているため、装置を煩雑化せずに、溶接速度を高速化することが可能であり、更に、第１部材又は第２部材の凹部内に溶加材を配置しているため、溶加材を安定してかつ精度よく配置することができる。

（第１の実施形態の第２変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る接合体の製造方法について説明する。図１０は本変形例の接合体の製造方法で形成される重ね継手の分解斜視図である。本変形例の接合体の製造方法においては、前述した各工程に加えて、第１部材及び第２部材のいずれか一方又は両方を所定形状に成形する工程を行う。

この成形工程は、前述した凹部形成工程の前に行っても、凹部形成工程の後に行ってもよい。又は、成形工程と凹部形成工程を同時に、即ち、第１部材及び第２部材を所定形状に形成する際に、併せて凹部を形成してもよい。これにより、製造工程を簡略化することができる。本変形例の接合体の製造方法においても、図１０に示すように、第１部材２１及び第２部材２１のうち少なくとも一方の凹部４に溶加材３を配置した後、重ね継手を形成し、溶接を行う。

なお、本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。また、前述した第１の実施形態及びその変形例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及び第２部材のいずれか一方又は両方に、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。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る被接合部材について説明する。本実施形態の被接合部材は、高エネルギービーム溶接に用いられるものであり、金属材料からなる第１部材には溶接位置に凹部が形成されており、この凹部内に、１又は２個以上の溶加材が配置されている。この溶加材の成分組成は、特に限定されるものではなく、被溶接部材の材質などに応じて適宜設定することができ、内部にフラックスが充填されていてもよい。

本実施形態の被接合部材は、第１部材の少なくとも一部に、第２部材が重ね合わされ、重ね継手となっていてもよい。この場合、第１部材と第２部材とは、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部材と第２部材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部材及び第２部材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。

以上詳述したように、本実施形態の被接合部材は、溶接位置に溶加材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は、溶加材又は溶加材が配置された凹部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。

１、２１第１部材
２、２２第２部材
３、３ａ〜３ｆ溶加材
４凹部
５ビーム
６溶融金属
７溶接金属
８フラックス
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

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部材の少なくとも一方の溶接位置に凹部を形成する工程と、
前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の凹部に溶加材を配置する工程と、
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。
前記凹部がエンボス状又はビード状である請求項１に記載の接合体の製造方法。
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を所定形状に成形する工程を有する請求項１又は２に記載の接合体の製造方法。
前記成形する工程の前又は前記成形する工程の後で、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方に前記凹部を形成する請求項３に記載の接合体の製造方法。
前記成形する工程において、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方に前記凹部を形成する請求項３に記載の接合体の製造方法。
前記溶加材を配置する工程の前又は前記溶加材を配置する工程の後に、前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせて重ね継手を形成する工程を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
前記第１部材の凹部と前記第２部材の凹部を重ね合わせる請求項６に記載の接合体の製造方法。
前記第１部材の凹部と前記第２部材の凹部を対向配置し、その間に前記溶加材を配置する請求項６に記載の接合体の製造方法。
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請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
前記高エネルギービーム溶接はレーザ溶接であり、レーザをデフォーカス状態で照射する請求項９に記載の接合体の製造方法。
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９又は１０に記載の接合体の製造方法。
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９〜１１のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
金属材料からなる第１部材と、
前記第１部材の溶接位置に配置された１又は２以上の溶加材と、
を有し、
前記第１部材の溶接位置には凹部が形成されており、前記凹部内に前記溶加材が配置されている高エネルギービーム溶接用被接合部材。
前記第１部材は、所定形状に成形されている請求項１３に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
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１３又は１４に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。
前記第２部材は、所定形状に成形されている請求項１５に記載の高エネルギービーム溶接用被接合部材。