JP2020146718A

JP2020146718A - 接合体の製造方法

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Publication number: JP2020146718A
Application number: JP2019045944A
Authority: JP
Inventors: 圭吾安田; Keigo Yasuda; 晃司山口; Koji Yamaguchi
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN114434009B; CN114434009A; US11453085B2; DE102020105653A1; JP6989549B2; CN111687538B; US20200290153A1; CN111687538A

Abstract

【課題】溶接強度を向上させることが望ましい。【解決手段】まず、下母材の上側に上母材を配置する。そして、溶融開始時点にビームが照射されている領域が、上母材の上面のみ、又は、上母材の上面及び端面のみに形成されるようにビームを照射することで、上母材の端面と下母材との隅肉溶接を行う。ここで、端面を基準として、上面及び下面が位置する側を第１側とし、第１側の反対側を第２側とする。ビームは、照射領域において、第１ピーク領域から第２側に向かうに従い当該ビームの強度が低下するよう設定されている。【選択図】図２

Description

本開示は、レーザ溶接による接合体の製造方法に関する。

レーザ溶接により金属製の部材を接合するための様々な方法が提案されている。一例として、特許文献１に開示されているレーザ溶接方法では、隙間を空けて上下に重ねて配置された２枚の金属板材の隅肉溶接が行われる。該レーザ溶接方法では、当該レーザ溶接により金属が溶融して形成される溶接継手における上記隙間に面する部分と、下側の金属板材とが所定の角度を形成するよう、レーザ溶接の条件が設定される。

特許第６３１８７９７号公報

しかし、特許文献１のレーザ溶接方法では、上側及び下側の金属板材の双方にビームが照射されると共に、上側の金属部材に照射されるビームの強度は、下側の金属板材に照射されるビームの強度よりも高い。このため、上側の金属板材の縁部に照射されるビームの強度が高くなり過ぎ、これにより、上側の金属板材の縁部が急激に溶け落ちる恐れがある。このような場合には、溶接継手におけるのど厚が低くなり、溶接強度が低下する。

本開示の一態様においては、溶接強度を向上させることが望ましい。

本開示の一態様は、上母材と下母材とをレーザ溶接することによる接合体の製造方法である。上母材は、上面と、下面と、端面とを有する。下面は、上面の反対側に位置する。端面は、上面の縁と下面の縁との間に位置する。該製造方法では、下面が下母材と対面し、且つ、端面が下母材に沿って延びた状態で、下母材の上側に上母材を配置する。そして、初期照射領域が、上母材の上面のみ、又は、上母材の上面及び端面のみに形成されるようにビームを照射することで、上母材の端面と下母材との隅肉溶接を行う。なお、初期照射領域とは、隅肉溶接による溶融開始時点にビームが照射されている領域である。ここで、端面を基準として、上面及び下面が位置する側を第１側とし、第１側の反対側を第２側とする。また、上母材における上面と下面とが対面する方向を、基準方向とする。ビームの照射方向は、上母材に接近するに従い第１側に向かうよう、基準方向に対し傾斜している。また、ビームは、当該ビームの照射領域において、当該ビームの強度が最も高くなる第１ピーク領域が形成されると共に、第１ピーク領域から第２側に向かうに従い当該ビームの強度が低下するよう設定されている。

上記構成によれば、隅肉溶接による母材の溶融開始時点では、上母材の上面のみ、又は、上母材の上面及び端面のみにビームが照射される。また、ビームの照射領域では、第１ピーク領域から第２側に向かうに従いビームの強度が低下する。このため、上母材の端面またはその付近に照射されるレーザの強度を抑制でき、その結果、上母材の端面の付近の部分を緩やかに溶融できる。これにより、上母材が良好に溶け落ち、溶接継手におけるのど厚を増加させることができる。したがって、溶接強度を向上できる。

本開示の一態様では、ビームは、さらに、当該ビームの照射領域において、第１ピーク領域から第１側に向かうに従い当該ビームの強度が低下するよう設定されていても良い。
上記構成によれば、上母材のビームの照射領域における第１ピーク領域の第１側の部分を緩やかに溶融でき、その結果、該部分が良好に溶け落ちる。このため、溶接継手におけるのど厚を増加させることができ、溶接強度を向上できる。

本開示の一態様では、ビームの第１ピーク領域は、上母材の上面、又は、上面と端面との境界に位置してもよい。
上記構成によれば、上母材の端面またはその付近に照射されるレーザの強度を好適に抑制でき、これにより、上母材の端面の付近の部分をより緩やかに溶融できる。このため、上母材が良好に溶け落ち、溶接継手におけるのど厚を増加させることができ、その結果、溶接強度を向上できる。

本開示の一態様では、ビームは、当該ビームの照射領域における第１ピーク領域の第１側及び／又は第２側に、少なくとも１つの第２ピーク領域が形成されるよう設定されていても良い。なお、第２ピーク領域とは、ビームの強度が局所的に高くなる領域であって、第１ピーク領域よりもビームの強度が低い領域であっても良い。

上記構成によれば、上母材のビームの照射領域における第１ピーク領域の第１側及び／又は第２側の部分において、ビームの強度をより良好に調整できる。このため、上母材をより良好に溶融させることができ、溶接継手におけるのど厚を増加させることができる。

本開示の一態様では、ビームの初期照射領域は、上母材の上面における端面との境界の付近に形成されても良い。
上記構成によれば、上母材の端面の付近の部分を緩やかに溶融しつつ、上母材の溶融量を増加させることができる。このため、溶接継手におけるのど厚を増加させることができ、溶接強度を向上できる。

本開示の一態様では、隅肉溶接は、ビームの照射領域を略直線状に延びる経路に沿って変位させることで行われてもよい。
上記構成によれば、レーザ溶接を行うための装置の構成を、より簡略化できる。また、レーザ溶接を行う工程を簡略化でき、作業効率が向上する。

レーザ溶接装置のブロック図である。溶接工程におけるレーザ溶接がなされる上母材及び下母材を側方から見た際の説明図である。溶接工程におけるレーザ溶接がなされる上母材及び下母材を側方から見た際の説明図である。溶接工程におけるレーザ溶接がなされる上母材及び下母材を上側から見た際の説明図である。接合体の溶接継手の断面図である。ビームに直交する平面状の照射領域における、第１ピーク領域から第１側と第２側とに向かう方向に沿ったビームの強度の分布の設定値を示す曲線である。ビームに直交する平面状の照射領域における、第１ピーク領域から第１側と第２側とに向かう方向に沿ったビームの強度の分布の測定値を示す曲線である。

以下、本開示の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本開示の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［１．レーザ溶接装置の説明］
図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置１は、レーザ発振器３０と、光路２０と、加工ヘッド１０とを有する。

レーザ発振器３０は、レーザ媒体を励起させると共に、励起したレーザ媒体が発した光を増幅させることで、ビーム４０を生成する。
光路２０は、レーザ発振器３０にて生成されたビーム４０を加工ヘッド１０に導く。

加工ヘッド１０は、レーザ溶接を行うため、母材５０にビーム４０を照射する。加工ヘッド１０は、コリメーション部１１と、モード設定部１２と、フォーカスレンズ１３と、位置補正部１４とを有する。なお、加工ヘッド１０は、位置補正部１４を有さなくても良い。

コリメーション部１１は、例えば、レンズ及び／又はミラーにより、レーザ発振器３０から導かれたビーム４０の向きを調整する部位である。
モード設定部１２は、例えば、レンズ、及び／又は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）等といった光の進路を変更する部材により、ビーム４０のモードを設定する。なお、モードとは、ビーム４０の照射領域におけるビーム４０の強度の分布のパターンである。また、ビーム４０の強度とは、例えば、ビーム４０のエネルギー密度のことであっても良い。具体的には、コリメーション部１１により向きが調整されたビーム４０がモード設定部１２に設けられたレンズ等を通過することで、ビーム４０のモードが設定される。

フォーカスレンズ１３は、モード設定部１２によりモードが設定されたビーム４０の絞りを調整する部位である。溶接の際には、母材５０の直前で収束するようにビーム４０の絞りが調整される。

位置補正部１４は、フォーカスレンズ１３を通過したビーム４０が照射される位置を調整する部位である。
［２．レーザ溶接について］
本実施形態では、レーザ溶接装置１により、上母材６０と下母材７０との隅肉溶接が行われる（図２〜４参照）。これにより、上母材６０と下母材７０とを有する部材である接合体８０が製造される（図５参照）。本実施形態では、上母材６０及び下母材７０は、一例として、矩形の平板状の部材である。また、上母材６０及び下母材７０は、例えば、鉄、ステンレス、又はアルミニウムにより構成されていても良いし、鉄、ステンレス、又はアルミニウムを含む合金により構成されていても良い。また、上母材６０及び下母材７０は、これら以外の金属により構成されていても良い。また、上母材６０及び下母材７０の板厚は、同じであっても良いし、異なっていても良い。

以後、上母材６０及び下母材７０において、板厚方向に対面する各面を、上面６１、７１及び下面６２、７２とする。また、上母材６０における上面６１の縁と下面６２の縁との間に位置する面を、端面６３とする。

本実施形態の接合体８０の製造方法は、配置工程と溶接工程とを有する。以下では、これらの工程について説明する。
［３．配置工程］
配置工程では、上母材６０は、下母材７０の上側に重ねて配置される（図２参照）。この時、上母材６０及び下母材７０の上面６１、７１が上側に、下面６２、７２が下側に位置する。つまり、上母材６０の下面６２は、下母材７０の上面７１に対面し、上母材６０の端面６３は、下母材７０の上面７１に沿って延びた状態となる。このため、下母材７０の上面７１の一部が、上母材６０により覆われた状態となる。また、下母材７０の上面７１に対する端面６３の角度は、略９０°となる。しかしながら、該角度は、略９０°に限らず、適宜定められ得る。

また、本実施形態では、一例として、上母材６０と下母材７０とは、隙間を空けた状態で配置される。より詳しくは、例えば、上母材６０の下面６２と下母材７０の上面７１とが略一定の間隔を開けた状態で、上母材６０と下母材７０とが配置されても良い。しかしながら、上母材６０と下母材７０とは、例えば、下面６２が上面７１に対し傾斜した状態で配置されても良いし、下面６２と上面７１とが接触した状態で配置されても良い。

以後、上母材６０の端面６３を基準として、上母材６０の上面６１及び下面６２が位置する側を第１側９１とし、第１側９１の反対側を第２側９２とする。換言すれば、端面６３を基準として、下母材７０における上母材６０に覆われた部分が位置する側が、第１側９１となり、下母材７０における上母材６０に覆われていない部分が位置する側が、第２側９２となる。また、上母材６０の上面６１と下面６２とが対面する方向（換言すれば、上母材６０の板厚方向）を、基準方向９０とする。

［４．溶接工程］
配置工程の次に、溶接工程が行われる。溶接工程では、レーザ溶接装置１によるレーザ溶接により、配置工程で配置された上母材６０の端面６３に沿って隅肉溶接が行われる（図２〜４参照）。該隅肉溶接では、上母材６０の端面６３と、該端面６３に対し略９０°にて配置された下母材７０の上面７１とが接合される。しかし、該隅肉溶接では、端面６３と、該端面６３に対し略９０°以外の角度で配置された上面７１とが接合されても良い。

また、該隅肉溶接では、初期照射領域４３が、上母材６０の上面６１のみ、又は、上母材６０の上面６１及び端面６３のみに形成されるようにビーム４０が照射される。なお、初期照射領域４３とは、隅肉溶接による溶融開始時点にビーム４０が照射されている領域である。つまり、該隅肉溶接では、ビーム４０の照射により新たに上母材６０の溶融が開始される時点では、下母材７０にビーム４０を照射すること無く、上母材６０のみにビーム４０が照射される。そして、ビーム４０の照射により上母材６０が溶融した後に、下母材７０にもビーム４０が照射され、下母材７０が溶融される。

また、図２は、溶接工程においてレーザ溶接が行われる上母材６０及び下母材７０を、下母材７０の端面６３の伸長方向に沿って視認した様子を示している。図２に示すように、ビーム４０の照射方向は、上母材６０から接近するに従い第１側９１に向かうように、基準方向９０に対して傾斜している。つまり、レーザ溶接装置１におけるビーム４０の光源は、上母材６０の端面６３よりも第２側９２に配置されている。そして、上母材６０の上面６１に対し、斜め上方からビーム４０が照射される。換言すれば、ビーム４０と基準方向９０とがなす角度９３は、鋭角となる。

また、ビーム４０は、当該ビーム４０の照射領域において、当該ビーム４０の強度が最も高くなる第１ピーク領域４１が形成されるよう設定されている。図２における曲線４２は、ビーム４０に直交する平面状の照射領域における、第１ピーク領域４１から第１側９１と第２側９２とに向かう方向に沿ったビーム４０の強度の分布を示している。

曲線４２が示すように、本実施形態では、一例として、照射領域における第１側９１の端部と第２側９３の端部との間の略中央の位置に、点状の第１ピーク領域４１が形成される。無論、これに限らず、第１ピーク領域４１は、該位置よりも第１側９１又は第２側９２の位置に形成されても良い。また、第１ピーク領域４１は、点状ではなく、一定の広さを持つ領域であっても良い。そして、曲線４２が示すように、ビーム４０の強度は、第１ピーク領域４１から第２側９２に向かうに従い低下すると共に、第１ピーク領域４１から第１側９１に向かうに従い低下する。

この他にも、ビーム４０に直交する平面状の照射領域における第１ピーク領域４１の第１側９１及び／又は第２側９２に、少なくとも１つの第２ピーク領域４４が形成されるよう、ビーム４０が設定されても良い（図６参照）。なお、第２ピーク領域４４とは、ビーム４０の強度が局所的に高くなる領域であり、第２ピーク領域４４のビーム４０の強度は、第１ピーク領域４１よりも低い。

図６における曲線４５は、ビーム４０の上記照射領域における第１ピーク領域４１の第１側９１と第２側９２とに、それぞれ、２つの第２ピーク領域４４が形成される場合の、ビーム４０の強度の分布の設定値を示している。一例として、ビーム４０の強度は、曲線４５に従い設定されていても良い。なお、図７における曲線４６は、曲線４５に従い設定されたビーム４０の強度の分布の測定値を示している。

また、図２が示すように、本実施形態では、一例として、ビーム４０の初期照射領域４３は、上母材６０の上面６１における端面６３との境界６４の付近に位置する。すなわち、初期照射領域４３は、上面６１における境界６４から若干離間した位置か、又は、上面６１における境界６４に隣接する位置に形成される。この時、ビーム４０の第１ピーク領域４１は、上面６１に位置する。

しかし、これに限らず、初期照射領域４３は、上母材６０の上面６１における境界６４に隣接する位置に形成されても良い。無論、この場合にも、ビーム４０の第１ピーク領域４１は上面６１に形成される。また、初期照射領域４３は、上面６１と端面６３とに形成されても良い（図３参照）。この場合においても、第１ピーク領域４１は、上面６１に形成されるのが好適である。また、図３に示すように、この場合、第１ピーク領域４１は、境界６４に形成されても良い。また、この場合において、第１ピーク領域４１は、端面６３に形成されても良い。

また、溶接工程における隅肉溶接では、一例として、上母材６０における照射領域（換言すれば、初期照射領域４３）は、略直線状に延びる経路に沿って変位する（図４参照）。しかしながら、これに限らず、照射領域は、例えば、湾曲又は屈曲した経路に沿って変位しても良い。

［５．効果］
（１）上記実施形態によれば、溶接工程における隅肉溶接の際、母材の溶融開始時点では、上母材６０の上面６１のみ、又は、上母材６０の上面６１及び端面６３のみにビーム４０が照射される。このため、上母材６０を十分に溶融できる。しかも、ビーム４０の照射領域では、第１ピーク領域４１から第２側９２に向かうに従いビーム４０の強度が低下する。このため、上母材６０の端面６３またはその付近に照射されるビーム４０の強度を抑制でき、その結果、上母材６０の端面６３の付近の部分を緩やかに溶融できる。

図５は、溶接工程により接合体８０に形成された溶接継手８１の、ビーム４０の照射領域の移動経路に直交する断面図である。溶接工程での隅肉溶接により、上母材６０の端面６３全体が溶融し、上母材６０が良好に溶け落ちる。このため、図５が示すように、上母材６０の端面６３の上端から下母材７０の上面７１に至る範囲に溶接継手８１が形成されると共に、溶接継手８１ののど厚８４を増加させることができ、溶接強度を向上できる。

なお、上記実施形態においては、一例として、溶接継手８１における内側面８２と外側面８３との間の最短の長さが、のど厚として定義される。内側面８２とは、溶接継手８１における、上母材６０と下母材７０との間に隙間に面する部分である。また、外側面８３とは、溶接継手８１における内側面８２の反対側の面（換言すれば、外部に露出した面）である。図５の溶接継手８１における８４が示す長さが、のど厚となる。また、配置工程にて、下面６２と上面７１とが接触した状態で上母材６０と下母材７０とが配置される場合が想定される。このような場合には、溶接継手８１における下面６２又は上面７１に隣接する部分と外側面との間の最短の長さを、のど厚としても良い。

（２）また、ビーム４０は、さらに、当該ビーム４０の照射領域において、第１ピーク領域４１から第１側９１に向かうに従い当該ビーム４０の強度が低下するよう設定されていている。このため、上母材６０のビーム４０の照射領域における第１ピーク領域４１の第１側９１の部分を緩やかに溶融でき、その結果、該部分が良好に溶け落ちる。このため、溶接継手８１におけるのど厚８４を増加させることができ、溶接強度を向上できる。

（３）また、ビーム４０の第１ピーク領域４１は、上母材６０の上面６１、又は、上面６１と端面６３との境界６４に位置する。このため、上母材６０の端面６３またはその付近に照射されるビーム４０の強度を好適に抑制でき、これにより、端面６３の付近の部分をより緩やかに溶融できる。このため、上母材６０が良好に溶け落ち、溶接継手８１におけるのど厚８４を増加させることができる。

（４）また、ビーム４０の照射領域における第１ピーク領域４１の第１側９１及び／又は第２側９２に、少なくとも１つの第２ピーク領域４４が形成されるよう、ビーム４０を設定することもできる。この場合、上母材６０のビーム４０の照射領域における第１ピーク領域４１の第１側９１及び／又は第２側９２の部分において、ビーム４０の強度をより良好に調整できる。このため、上母材６０をより良好に溶融させることができ、溶接継手８１におけるのど厚８４を増加させることができる。

（５）また、ビーム４０の初期照射領域４３は、上母材６０の上面６１における境界６４の付近に形成することもできる。この場合、上母材６０の端面６３の付近の部分を緩やかに溶融しつつ、上母材６０の溶融量を増加させることができる。このため、溶接継手８１におけるのど厚８４を増加させることができ、溶接強度を向上できる。

（６）また、溶接工程の隅肉溶接では、ビーム４０の照射領域が、略直線状に延びる経路に沿って変位する。このため、レーザ溶接装置１の構成をより簡略化できる。また、溶接工程を簡略化でき、作業効率が向上する。

［６．他の実施形態］
（１）上記実施形態では、上母材６０及び下母材７０は、一例として、矩形の平板状の部材である。しかしながら、上母材６０及び下母材７０の形状はこれに限らず、これらは、例えば、湾曲又は屈曲した板状の部材であっても良い。また、下母材７０は、例えば、パイプ状の部材であっても良く、上記実施形態における製造方法により、下母材７０の外周面に上母材６０が接合されても良い。また、上母材６０及び下母材７０は、部材の一部であっても良い。

（２）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

１…レーザ溶接装置、４０…ビーム、４１…第１ピーク領域、４２…曲線、４３…初期照射領域、４４…第２ピーク領域、４５…曲線、６０…上母材、６１…上面、６２…下面、６３…端面、６４…境界、７０…下母材、８０…接合体、８１…溶接継手、８４…のど厚、９０…基準方向、９１…第１側、９２…第２側。

Claims

上母材と下母材とをレーザ溶接することによる接合体の製造方法であって、
前記上母材は、上面と、前記上面の反対側に位置する下面と、前記上面の縁と前記下面の縁との間に位置する端面とを有し、
前記下面が前記下母材と対面し、且つ、前記端面が前記下母材に沿って延びた状態で、前記下母材の上側に前記上母材を配置し、
初期照射領域が、前記上母材の前記上面のみ、又は、前記上母材の前記上面及び前記端面のみに形成されるようにビームを照射することで、前記上母材の前記端面と前記下母材との隅肉溶接を行い、
前記初期照射領域とは、前記隅肉溶接による溶融開始時点に前記ビームが照射されている領域であり、
前記端面を基準として、前記上面及び前記下面が位置する側を第１側とし、前記第１側の反対側を第２側とし、
前記上母材における前記上面と前記下面とが対面する方向を、基準方向とし、
前記ビームの照射方向は、前記上母材に接近するに従い前記第１側に向かうよう、前記基準方向に対し傾斜しており、
前記ビームは、当該ビームの照射領域において、当該ビームの強度が最も高くなる第１ピーク領域が形成されると共に、前記第１ピーク領域から前記第２側に向かうに従い当該ビームの強度が低下するよう設定されている、
接合体の製造方法。
請求項１に記載された接合体の製造方法であって、
前記ビームは、さらに、当該ビームの前記照射領域において、前記第１ピーク領域から前記第１側に向かうに従い当該ビームの強度が低下するよう設定されている、
接合体の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載された接合体の製造方法であって、
前記ビームの前記第１ピーク領域は、前記上母材の前記上面、又は、前記上面と前記端面との境界に位置する
接合体の製造方法。
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載された接合体の製造方法であって、
前記ビームは、当該ビームの前記照射領域における前記第１ピーク領域の前記第１側及び／又は前記第２側に、少なくとも１つの第２ピーク領域が形成されるよう設定されており、
前記第２ピーク領域とは、前記ビームの強度が局所的に高くなる領域であって、前記第１ピーク領域よりも前記ビームの強度が低い領域である
接合体の製造方法。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載された接合体の製造方法であって、
前記ビームの前記初期照射領域は、前記上母材の前記上面における前記端面との境界の付近に形成される
接合体の製造方法。
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載された接合体の製造方法であって、
前記隅肉溶接は、前記ビームの前記照射領域を略直線状に延びる経路に沿って変位させることで行われる
接合体の製造方法。