JP2021053659A - Welding method, welding device, and method for manufacturing structure body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異種金属からなる2つの板状部材を、レーザ光を用いて溶接する溶接方法及び溶接装置に関する。また、異種金属からなる2つの板状部材を含む構造体を製造する製造方法に関する。 The present invention relates to a welding method and a welding apparatus for welding two plate-shaped members made of dissimilar metals using a laser beam. The present invention also relates to a manufacturing method for manufacturing a structure including two plate-shaped members made of dissimilar metals.
異種金属接合では、従来、高い接合強度を得ることが困難であると考えられていた。その理由としては、種類の異なる金属の境界に靱性の低い金属間化合物が形成され易いことや、種類の異なる金属の間で線膨張係数及び熱伝導率が異なることなどが挙げられる。 Conventionally, it has been considered difficult to obtain high bonding strength in dissimilar metal bonding. Reasons for this include the fact that an intermetallic compound having low toughness is likely to be formed at the boundary between different types of metals, and that the coefficient of linear expansion and thermal conductivity differ between different types of metals.
ところが近年、高い接合強度を得ることが可能な異種金属接合に対するニーズが高まっている。例えば、省エネルギー性と安全性との両立が必要になる自動車や航空機の製造現場においては、軽量性に秀でたアルミニウム製の部材と頑健性に秀でた鉄製の部材とを高い接合強度で接合する技術に対して、強い期待が寄せられている。 However, in recent years, there has been an increasing need for dissimilar metal bonding capable of obtaining high bonding strength. For example, at the manufacturing sites of automobiles and aircraft, where both energy saving and safety are required, aluminum members with excellent lightness and iron members with excellent robustness are joined with high joint strength. There are strong expectations for the technology to be used.
異種金属接合は、抵抗溶接、摩擦撹拌接合、及びレーザ溶接に大別される。このうち、抵抗溶接では、溶接によって部材間に接合点が生じると、その接合点を介して部材間に電流が流れてしまうため、その接合点の近傍に新たな接合点を設けることができない。このため、抵抗溶接には、接合面積を増やして接合強度を向上させることが困難であるという問題があった。また、摩擦撹拌接合には、各部材において回転ツールを当接させる面を精度良く面一に揃えることができないと、高い接合強度が得られないという問題があった。レーザ溶接では、これらの問題を生じない。このため、レーザ溶接を用いた異種金属接合に対する注目が高まっている。レーザ溶接について開示した文献としては、例えば、特許文献1〜4が挙げられる。
Dissimilar metal welding is roughly classified into resistance welding, friction stir welding, and laser welding. Of these, in resistance welding, when a joint point is generated between members by welding, a current flows between the members through the joint point, so that a new joint point cannot be provided in the vicinity of the joint point. Therefore, resistance welding has a problem that it is difficult to increase the joint area and improve the joint strength. Further, in the friction stir welding, there is a problem that high bonding strength cannot be obtained unless the surfaces of the members to which the rotating tools are brought into contact with each other are aligned with each other with high accuracy. Laser welding does not cause these problems. For this reason, attention is increasing to dissimilar metal bonding using laser welding. Documents disclosed about laser welding include, for example,
しかしながら、異種金属からなる第1の板状部材と第2の板状部材とを、第1の板状部材の下面が前記第2の板状部材の上面と面接触するように重ね合せ、第1の板状部材の上面にレーザ光を照射することにより溶接する場合、以下の問題があった。 However, the first plate-shaped member made of a dissimilar metal and the second plate-shaped member are overlapped with each other so that the lower surface of the first plate-shaped member is in surface contact with the upper surface of the second plate-shaped member. When welding by irradiating the upper surface of the plate-shaped member of No. 1 with a laser beam, there are the following problems.
すなわち、第1の板状部材の上面にレーザ光を照射すると、照射点の周辺において、第1の板状部材を構成する第1の金属が溶融し、溶融プールが形成される。この溶融プールは、第1の板状部材の下面に達し、更に、溶融した第1の金属が第2の板状部材に溶け込む。この際、第1の板状部材と第2の板状部材との接合部において、靱性の低い金属間化合物が形成される。そうすると、第1の板状部材と第2の板状部材との接合部において、脆性破壊が生じ易くなる。その結果、第1の板状部材と第2の板状部材との接合強度が低下する。 That is, when the upper surface of the first plate-shaped member is irradiated with the laser beam, the first metal constituting the first plate-shaped member is melted around the irradiation point to form a molten pool. The molten pool reaches the lower surface of the first plate-shaped member, and the molten first metal melts into the second plate-shaped member. At this time, an intermetallic compound having low toughness is formed at the joint between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member. Then, brittle fracture is likely to occur at the joint portion between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member. As a result, the joint strength between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member is reduced.
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、異種金属からなる第1の板状部材と第2の板状部材とを高い接合強度で接合することを可能ならしめることを目的とする。 One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and makes it possible to join a first plate-shaped member made of a dissimilar metal and a second plate-shaped member with high joining strength. With the goal.
本発明の態様1に係る溶接方法は、異種金属からなる第1の板状部材と第2の板状部材とを、前記第1の板状部材の下面が前記第2の板状部材の上面と面接触するように重ね合せ、前記第1の板状部材の上面にレーザ光を照射することにより溶接する溶接方法であって、前記第1の板状部材から前記第2の板状部材への溶け込み深さが0.2mm以下になるように、溶接条件を設定する設定工程を含んでいる、ことを特徴としている。 In the welding method according to the first aspect of the present invention, a first plate-shaped member and a second plate-shaped member made of dissimilar metals are used, and the lower surface of the first plate-shaped member is the upper surface of the second plate-shaped member. This is a welding method in which the upper surface of the first plate-shaped member is welded by irradiating the upper surface of the first plate-shaped member with a laser beam, and is welded from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member. It is characterized in that it includes a setting step of setting welding conditions so that the penetration depth of the laser beam is 0.2 mm or less.
上記の方法によれば、第1の板状部材から第2の板状部材への溶け込み深さが0.2mm以下になるので、第1の板状部材と第2の板状部材との境界において、靱性の低い金属間化合物が形成され難い。このため、第1の板状部材と第2の板状部材との接合部において、脆性破壊が生じ難い。したがって、第1の板状部材と第2の板状部材とを高い接合強度で接合することが可能になる。 According to the above method, the penetration depth from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member is 0.2 mm or less, so that the boundary between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member is formed. In, it is difficult to form an intermetallic compound having low toughness. Therefore, brittle fracture is unlikely to occur at the joint between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member. Therefore, it becomes possible to join the first plate-shaped member and the second plate-shaped member with high joining strength.
本発明の態様2に係る溶接方法は、態様1に係る溶接方法の特徴に加えて、前記レーザ光の照射は、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材が直線運動を行うと共に、前記レーザ光の照射点が楕円運動を行う状態において実施され、楕円運動を行う前記照射点の軌跡は、直線運動を行う前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の速度方向に平行な短軸と、該速度方向に垂直な長軸と、を有する楕円を描く、という特徴を有している。 In the welding method according to the second aspect of the present invention, in addition to the features of the welding method according to the first aspect, the first plate-shaped member and the second plate-shaped member perform linear motion in the irradiation of the laser beam. At the same time, it is carried out in a state where the irradiation point of the laser beam performs elliptical motion, and the locus of the irradiation point that performs elliptical motion is the velocity of the first plate-shaped member and the second plate-shaped member that perform linear motion. It has the feature of drawing an ellipse having a minor axis parallel to the direction and a major axis perpendicular to the velocity direction.
上記の方法によれば、第1の照射点の上面に描かれるレーザ光の照射点の軌跡を、直線運動する第1の板状部材及び第2の板状部材の速度方向に沿って密に配置することができる。このため、第1の板状部材と第2の板状部材との接合面積を大きくすることができ、その結果、第1の板状部材と第2の板状部材との接合強度を更に高めることができる。 According to the above method, the locus of the irradiation point of the laser beam drawn on the upper surface of the first irradiation point is densely arranged along the velocity direction of the first plate-shaped member and the second plate-shaped member that move linearly. Can be placed. Therefore, the joint area between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member can be increased, and as a result, the joint strength between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member is further increased. be able to.
本発明の態様3に係る溶接方法は、態様2に係る溶接方法の特徴に加えて、前記設定工程は、前記第1の板状部材から前記第2の板状部材への溶け込み深さが、0.2mm以下になるように、且つ、前記第1の板状部材の上面に形成される溶接痕の幅が、前記第1の板状部材の上面に描かれる前記レーザ光の照射点の軌跡のピッチ以上になるように、前記溶接条件を設定する工程である、という特徴を有している。 In the welding method according to the third aspect of the present invention, in addition to the features of the welding method according to the second aspect, in the setting step, the penetration depth from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member is determined. The width of the welding mark formed on the upper surface of the first plate-shaped member so as to be 0.2 mm or less is the locus of the irradiation point of the laser beam drawn on the upper surface of the first plate-shaped member. It has a feature that it is a step of setting the welding conditions so as to have a pitch equal to or higher than the above.
上記の方法によれば、第1の板状部材の上面に形成される溶接痕の幅が、第1の板状部材の上面に描かれるレーザ光の照射点の軌跡のピッチ以上になるので、第1の照射点の上面に描かれるレーザ光の照射点の軌跡を、直線運動する第1の板状部材及び第2の板状部材の速度方向に沿って隙間なく配置することができる。このため、第1の板状部材と第2の板状部材との接合面積を更に大きくすることができ、その結果、第1の板状部材と第2の板状部材との接合強度を更に高めることができる。 According to the above method, the width of the welding mark formed on the upper surface of the first plate-shaped member is equal to or larger than the pitch of the trajectory of the laser beam irradiation point drawn on the upper surface of the first plate-shaped member. The locus of the laser beam irradiation point drawn on the upper surface of the first irradiation point can be arranged without a gap along the velocity direction of the linearly moving first plate-shaped member and the second plate-shaped member. Therefore, the joint area between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member can be further increased, and as a result, the joint strength between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member can be further increased. Can be enhanced.
本発明の態様4に係る溶接方法においては、態様1〜態様3の何れかの一態様に係る溶接方法の特徴に加えて、材料及び厚みが前記第1の板状部材と同一の第1のサンプル部材と材料及び厚みが前記第2の板状部材と同一の第2のサンプル部材とを、前記第1のサンプル部材の下面が前記第2のサンプル部材の上面と面接触するように重ね合せ、前記第1のサンプル部材の上面にレーザ光を照射することにより試溶接する試溶接工程を更に含み、前記設定工程は、前記試溶接の結果に基づいて、前記溶接条件を設定する工程である、という特徴を有している。 In the welding method according to the fourth aspect of the present invention, in addition to the features of the welding method according to any one of the first to third aspects, the first plate-shaped member having the same material and thickness as the first plate-shaped member. The sample member and the second sample member having the same material and thickness as the second plate-shaped member are superposed so that the lower surface of the first sample member is in surface contact with the upper surface of the second sample member. Further includes a trial welding step of performing trial welding by irradiating the upper surface of the first sample member with a laser beam, and the setting step is a step of setting the welding conditions based on the result of the trial welding. It has the feature of.
上記の方法によれば、溶接条件の設定を容易に行うことができる。 According to the above method, welding conditions can be easily set.
本発明の態様5に係る構造体の製造方法は、異種金属からなる2つの板状部材を含む構造体の製造方法であって、態様1〜4の何れか一態様に係る溶接方法に従って、前記2つの板状部材を溶接する溶接工程を含んでいる、ことを特徴としている。 The method for manufacturing a structure according to the fifth aspect of the present invention is a method for manufacturing a structure including two plate-shaped members made of dissimilar metals, and according to the welding method according to any one of the first to fourth aspects. It is characterized by including a welding process of welding two plate-shaped members.
上記の製造方法によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とが高い接合強度で接合された構造体を製造することが可能になる。 According to the above manufacturing method, it is possible to manufacture a structure in which the first plate-shaped member and the second plate-shaped member are joined with high joining strength.
本発明の態様6に係る溶接装置は、異種金属からなる第1の板状部材と第2の板状部材とを、前記第1の板状部材の下面が前記第2の板状部材の上面と面接触するように重ね合せ、前記第1の板状部材の上面にレーザ光を照射することにより溶接する溶接装置であって、前記第1の板状部材から前記第2の板状部材への溶け込み深さが0.2mm以下になるように、溶接条件が設定されている、ことを特徴としている。 In the welding apparatus according to the sixth aspect of the present invention, the first plate-shaped member and the second plate-shaped member made of dissimilar metals are provided, and the lower surface of the first plate-shaped member is the upper surface of the second plate-shaped member. A welding device that welds by irradiating the upper surface of the first plate-shaped member with a laser beam so as to be in surface contact with the first plate-shaped member, from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member. It is characterized in that the welding conditions are set so that the penetration depth of the laser beam is 0.2 mm or less.
上記の構成によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とを高い接合強度で接合することが可能になる。 According to the above configuration, the first plate-shaped member and the second plate-shaped member can be joined with high joining strength.
本発明の一態様によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とを高い接合強度で接合することが可能になる。また、本発明の一態様によれば、第1の板状部材と第2の板状部材とが高い接合強度で接合された構造体を製造することが可能になる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to join the first plate-shaped member and the second plate-shaped member with high joining strength. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to manufacture a structure in which the first plate-shaped member and the second plate-shaped member are joined with high joining strength.
(溶接装置の構成)
本発明の一実施形態に係る溶接装置1の構成について、図1及び図2を参照して説明する。
(Structure of welding equipment)
The configuration of the
図1は、溶接装置1の構成を模式的に示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the
溶接装置1は、レーザ光Lを用いてワークW1とワークW2とを溶接するための装置である。ワークW1は、金属(合金を含む)により構成された板状部材である。本実施形態においては、ワークW1として、鉄板又は銅板を想定する。ワークW2は、ワークW1とは異種の金属(合金を含む)により構成された板状部材である。本実施形態においては、ワークW2としてアルミニウム板を想定する。ワークW1,W2は、相対的に融点の高い金属からなるワークW1の下面が、相対的に融点の低い金属からなるワークW2の上面と面接触するように重ね合せられている。
The
溶接装置1は、レーザ装置11と、デリバリファイバ12と、加工ヘッド13と、ステージ14と、を備えている。
The
レーザ装置11は、レーザ光Lを生成するための装置である。本実施形態においては、レーザ装置11として、連続発振型のファイバレーザを用いている。なお、レーザ装置11は、ファイバレーザに限定されない。連続発振型の固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなど、レーザ光Lを連続発振可能な任意の装置を、レーザ装置11として用いることができる。
The
デリバリファイバ12は、レーザ装置11にて生成されたレーザ光Lを伝送するための光ファイバである。本実施形態においては、デリバリファイバ12として、シングルモードファイバを用いている。なお、デリバリファイバ12は、シングルモードファイバに限定されない。例えば、フューモードファイバ(導波モードの数が2以上25以下の光ファイバ)などのマルチモードファイバ(導波モードの数が2以上の光ファイバ)を、デリバリファイバ12として用いることができる。
The
加工ヘッド13は、デリバリファイバ12を伝送されたレーザ光LをワークW1,W2に照射するための装置である。加工ヘッド13は、照射点移動機構131を有している。照射点移動機構131は、レーザ光Lの照射点Qを移動させるための機構である。本実施形態においては、照射点移動機構131として、ガルバノスキャナを用いている。なお、照射点移動機構131は、ガルバノスキャナに限定されない。レーザ光Lの照射点を移動可能な任意の機構を、照射点移動機構131として用いることができる。
The
ステージ14は、ワークW1,W2を移動させるための装置である。本実施形態においては、ステージ14として、2軸ステージ(XYステージ)を用いている。なお、ステージ14は、2軸ステージに限定されない。ワークW1,W2を移動可能な任意の装置を、ステージ14として用いることができる。
The
照射点移動機構131の動作により生じる照射点Qの運動は、地面に固定された座標系から見て、ワークW1の上面が配置される平面における楕円運動となる。また、ステージ14の動作により生じるワークW1,W2の運動は、地面に固定された座標系から見て、ワークW1の上面が配置される平面に平行な直線運動となる。このため、ステージ14及び照射点移動機構131の動作により生じる照射点Qの運動は、ワークW1,W2に固定された座標系から見て、直線運動と楕円運動とを合成した螺旋運動となる。したがって、溶接装置1によれば、ワークW1,W2のワブリング溶接が可能になる。なお、楕円運動する照射点Qの軌跡は、直線運動するワークW1,W2の速度方向に平行な短軸と、直線運動するワークW1,W2の速度方向に垂直な長軸と、を有する楕円を描く。このため、ワークW1の上面に描かれる照射点Qの螺旋状の軌跡は、照射点Qが円運動する場合と比べて、ワークW1,W2の速度方向に沿って密に配置される。
The movement of the irradiation point Q caused by the operation of the irradiation
図2は、溶接装置1により溶接されたワークW1の上面を模式的に示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view schematically showing the upper surface of the work W1 welded by the
ワークW1,W2の直線運動の速度をv[mm/s]とし、照射点Qの楕円運動の周波数(1秒間あたりの回転数)をf[Hz]とすると、照射点Qは、ワークW1の上面においてピッチp[mm]を有する螺旋状の軌跡を描く。ここで、ピッチp[mm]は、p=v/fにより与えられる。以下、ワークW1の上面に描かれる照射点Qの軌跡を、照射軌跡(必要に応じて記号Tを付す)と記載し、照射軌跡Tのピッチを、照射軌跡ピッチ(必要に応じて記号pを付す)と記載する。 Assuming that the velocity of the linear motion of the works W1 and W2 is v [mm / s] and the frequency of the elliptical motion of the irradiation point Q (the number of rotations per second) is f [Hz], the irradiation point Q is the work W1. A spiral locus with a pitch p [mm] is drawn on the upper surface. Here, the pitch p [mm] is given by p = v / f. Hereinafter, the locus of the irradiation point Q drawn on the upper surface of the work W1 will be described as an irradiation locus (with the symbol T if necessary), and the pitch of the irradiation locus T will be referred to as the irradiation locus pitch (the symbol p if necessary). Attach).
(溶け込み深さ及び溶接痕幅)
溶接装置1を用いてワークW1の上面にレーザ光Lを照射すると、照射点Qの周辺において、ワークW1の材料(本実施形態においては、鉄又は銅)が溶融し、溶融プールが形成される。この溶融プールは、ワークW1の下面に達し、溶融したワークW1の材料がワークW2に溶け込む。溶融したワークW1の材料がワークW2に溶け込む深さのことを、本明細書においては、「溶け込み深さ」(必要に応じて記号dを付す)と記載する。また、溶融プールが冷却され、ワークW1の材料が凝固すると、ワークW1の表面に溶接痕が形成される。この溶接痕の幅のことを、本明細書においては、「溶接痕幅」(必要に応じて記号wを付す)と記載する。溶け込み深さd[mm]及び溶接痕幅w[mm]は、ワークW1,W2の直線運動の速度v[mm/s]、照射点Qの楕円運動の周波数f[Hz]、照射点Qの楕円軌道の長軸半径a[mm]、照射点Qの楕円軌道の短軸半径b[mm]、照射点Qの楕円軌道の楕円率r=a/b、レーザ光LのパワーP[W]、レーザ光Lのビームプロファイル、ワークW1,W2の材質、ワークW1,W2の厚み等に応じて決まる。
(Penetration depth and welding mark width)
When the upper surface of the work W1 is irradiated with the laser beam L using the
図3は、溶接装置1を用いて溶接されたワークW1,W2の断面を示すSEM(Scanning Electron Microscope)画像である。図3においては、溶け込み深さd及び溶接痕幅wを、矢印により図示している。図3から明らかなように、溶け込み深さd及び溶接痕幅wは、溶接されたワークW1,W2の断面画像を参照して測定することができる。なお、溶接痕幅wについては、ワークW1の上面画像を参照して測定することも可能である。
FIG. 3 is a SEM (Scanning Electron Microscope) image showing a cross section of the workpieces W1 and W2 welded using the
なお、図3において、ワークW1の材料(本実施形態においては、鉄又は銅)の存在範囲(濃色の領域)とワークW2の材料(本実施形態においては、アルミニウム)の存在範囲(薄色の領域)との境界を容易に特定することができるのは、溶け込み深さdを0.18mmに抑えているためである。溶け込み深さdが0.2mmを超えると、ワークW1の材料の存在範囲とワークW2の材料の存在範囲との境界を容易に特定することができなくなる。これは、両者の間に金属間化合物が形成され易くなるためである。 In FIG. 3, the existence range (dark color region) of the material of the work W1 (iron or copper in the present embodiment) and the existence range (aluminum in the present embodiment) of the material of the work W2 (light color). The boundary with the region) can be easily specified because the penetration depth d is suppressed to 0.18 mm. If the penetration depth d exceeds 0.2 mm, the boundary between the existing range of the material of the work W1 and the existing range of the material of the work W2 cannot be easily specified. This is because an intermetallic compound is likely to be formed between the two.
(溶接方法の流れ)
溶接装置1を用いた溶接方法S1の流れについて、図4を参照して説明する。図4は、溶接方法S1の流れを示すフローチャートである。
(Flow of welding method)
The flow of the welding method S1 using the
溶接方法S1は、設定工程S11と、試溶接工程S12と、測定工程S13と、判定工程S14、本溶接工程S15と、を含んでいる。 The welding method S1 includes a setting step S11, a trial welding step S12, a measurement step S13, a determination step S14, and a main welding step S15.
設定工程S11は、作業者又は溶接装置1を制御するコンピュータが、溶接条件(本実施形態においては、溶接装置1において調整可能なパラメータの値)を設定する工程である。設定可能な溶接条件としては、ワークW1,W2の直線運動の速度v[mm/s]、照射点Qの楕円運動の周波数f[Hz]、照射点Qの楕円軌道の長軸半径a[mm]、照射点Qの楕円軌道の短軸半径b[mm]、照射点Qの楕円軌道の楕円率r=a/b、レーザ光LのパワーP[W]などが挙げられる。1回目に実施される設定工程S11においては、これらの溶接条件の一部又は全部が、例えば、予め定められた初期条件に設定される。また、2回目以降に実施される設定工程S11においては、これらの溶接条件の一部又は全部が、例えば、後述する試溶接の結果に応じて設定される。
The setting step S11 is a step in which the operator or the computer controlling the
試溶接工程S12は、作業者又は溶接装置1を制御するコンピュータが、設定工程S11にて設定された溶接条件に従って、溶接装置1を用いてサンプルワークSW1とサンプルワークSW2とをワブリング溶接する工程である。ここで、サンプルワークSW1は、材料金属及び厚みがワークW1と同一の板状部材である。また、サンプルワークSW2は、材料金属及び厚みがワークW2と同一の板状部材である。サンプルワークSW1,SW2は、サンプルワークSW1の下面がサンプルワークSW2の上面と面接触するように重ね合せられた状態で試溶接される。
The trial welding step S12 is a step in which the operator or the computer controlling the
測定工程S13は、作業者又は溶接装置1を制御するコンピュータが、試溶接工程S12にてワブリング溶接されたサンプルワークSW1,SW2に関して、溶け込み深さd[mm]及び溶接痕幅w[mm]を測定する工程である。測定工程S13においては、例えば、ワブリング溶接されたサンプルワークSW1,SW2の断面画像を参照して、溶け込み深さd及び溶接痕幅wが測定される。
In the measurement step S13, the operator or the computer controlling the
判定工程S14は、作業者又は溶接装置1を制御するコンピュータが、下記の条件A及びBが満たされているか否かを判定する工程である。
The determination step S14 is a step in which the operator or the computer controlling the
条件A:測定工程S13にて測定された溶け込み深さdが、0.2mm以下である。 Condition A: The penetration depth d measured in the measurement step S13 is 0.2 mm or less.
条件B:測定工程S13にて測定された溶接痕幅wが照射軌跡ピッチp以上である。ここで、照射軌跡ピッチpは、設定工程S11にて設定された、ワークW1,W2の直線運動の速度v、及び、照射点Qの楕円運動の周波数fから、p=v/fに従って算出される。 Condition B: The welding mark width w measured in the measurement step S13 is equal to or larger than the irradiation locus pitch p. Here, the irradiation locus pitch p is calculated according to p = v / f from the speed v of the linear motion of the works W1 and W2 and the frequency f of the elliptical motion of the irradiation point Q set in the setting step S11. To.
判定工程S14にて上記の条件A及びBの両方が満たされているとの判定結果が得られた場合、後述する本溶接工程S15が実施される。一方、判定工程S14にて上記の条件A及びBの一方又は両方が満たされていないとの判定結果が得られた場合、前述した設定工程S11、試溶接工程S12、測定工程S13、及び判定工程S14が再実施される。 When the determination result that both the above conditions A and B are satisfied is obtained in the determination step S14, the main welding step S15 described later is carried out. On the other hand, when the determination result that one or both of the above conditions A and B are not satisfied is obtained in the determination step S14, the above-mentioned setting step S11, trial welding step S12, measurement step S13, and determination step S14 is re-implemented.
例えば、判定工程S14にて条件Aが満たされていないとの判定結果が得られた場合、続く設定工程S11においては、溶け込み深さdを小さくするための溶接条件調整が行われる。溶け込み深さdを小さくするための溶接条件調整としては、例えば、(1)ワークW1,W2の直線運動の速度vを大きくする、(2)照射点Qの楕円運動の周波数fを大きくする、(3)照射点Qの楕円軌道の長軸半径aを大きくする、(4)照射点Qの楕円軌道の短軸半径bを大きくする、(5)レーザ光LのパワーPを小さくする調整が挙げられる。 For example, when the determination result that the condition A is not satisfied is obtained in the determination step S14, the welding condition adjustment for reducing the penetration depth d is performed in the subsequent setting step S11. As the welding condition adjustment for reducing the penetration depth d, for example, (1) increase the speed v of the linear motion of the workpieces W1 and W2, and (2) increase the frequency f of the elliptical motion of the irradiation point Q. Adjustments can be made to (3) increase the major axis radius a of the elliptical orbit at the irradiation point Q, (4) increase the minor axis radius b of the elliptical orbit at the irradiation point Q, and (5) decrease the power P of the laser beam L. Can be mentioned.
或いは、判定工程S14にて条件Bが満たされていないとの判定結果が得られた場合、続く設定工程S11においては、溶接痕幅wを大きくするための溶接条件調整、及び、照射軌跡ピッチpを小さくするための溶接条件調整が行われる。溶接痕幅wを大きくするための溶接条件調整としては、例えば、(1)ワークW1,W2の直線運動の速度vを小さくする、(2)照射点Qの楕円運動の周波数fを小さくする、(3)照射点Qの楕円軌道の長軸半径aを小さくする、(4)照射点Qの楕円軌道の短軸半径bを小さくする、(5)レーザ光LのパワーPを大きくする調整が挙げられる。また、照射軌跡ピッチpを小さくするための調整としては、例えば、(1)ワークW1,W2の直線運動の速度vを小さくする、(2)照射点Qの楕円運動の周波数fを大きくする調整が挙げられる。 Alternatively, when the determination result that the condition B is not satisfied is obtained in the determination step S14, in the subsequent setting step S11, the welding condition is adjusted to increase the welding mark width w, and the irradiation locus pitch p. Welding conditions are adjusted to reduce the size. The welding condition adjustment for increasing the welding mark width w includes, for example, (1) reducing the speed v of the linear motion of the workpieces W1 and W2, and (2) reducing the frequency f of the elliptical motion of the irradiation point Q. Adjustments can be made to (3) reduce the major axis radius a of the elliptical orbit at the irradiation point Q, (4) reduce the minor axis radius b of the elliptical orbit at the irradiation point Q, and (5) increase the power P of the laser beam L. Can be mentioned. The adjustments for reducing the irradiation locus pitch p include, for example, (1) reducing the velocity v of the linear motion of the works W1 and W2, and (2) increasing the frequency f of the elliptical motion of the irradiation point Q. Can be mentioned.
本溶接工程S15は、作業者又は溶接装置1を制御するコンピュータが、設定工程S11にて溶接条件が設定された溶接装置1を用いて、ワークW1とワークW2とをワブリング溶接する工程である。本溶接工程S15が実施される段階においては、上記の条件A及びBを満たすように、溶接装置1の溶接条件が設定されている。したがって、本溶接工程S15にて溶接されたワークW1,W2においては、溶け込み深さdが0.2mm以下になると共に、溶接痕幅wが照射軌跡ピッチp以上になる。
This welding step S15 is a step in which a worker or a computer controlling the
溶け込み深さdが0.2mm以下であれば、ワークW1とワークW2との接合部において、靱性の低い金属間化合物が形成され難い。このため、ワークW1とワークW2との接合部において、脆性破壊が生じ難い。したがって、溶接方法S1によれば、接合強度の高いワブリング溶接を実現することができる。 When the penetration depth d is 0.2 mm or less, it is difficult to form an intermetallic compound having low toughness at the joint between the work W1 and the work W2. Therefore, brittle fracture is unlikely to occur at the joint between the work W1 and the work W2. Therefore, according to the welding method S1, wobbling welding with high bonding strength can be realized.
また、溶接痕幅wが照射軌跡ピッチp以上であれば、ワークW1とワークW2との境界において、ワークW1とワークW2との接合部が密に形成される。このため、接合面積の不足に起因する接合強度の低下が生じ難い。したがって、溶接方法S1によれば、更に接合強度の高いワブリング溶接を実現することができる。 Further, when the welding mark width w is equal to or larger than the irradiation locus pitch p, the joint portion between the work W1 and the work W2 is densely formed at the boundary between the work W1 and the work W2. Therefore, the joint strength is unlikely to decrease due to the insufficient joint area. Therefore, according to the welding method S1, it is possible to realize wobbling welding having a higher joining strength.
特に、本実施形態において、楕円運動する照射点Qの軌跡は、直線運動するワークW1,W2の速度方向に平行な短軸と、直線運動するワークW1,W2の速度方向に垂直な長軸と、を有する楕円を描く。したがって、この楕円の楕円率を大きくすることによって、ワークW1,W2の直線運動の速度vを大きくしたり、照射点Qの楕円運動の周波数fを大きくしたりすることなく、照射軌跡ピッチpを小さくすることができる。換言すれば、この楕円の楕円率を大きくすることによって、溶け込み深さdを大きくすることなく、照射軌跡ピッチpを小さくすることができる。 In particular, in the present embodiment, the locus of the irradiation point Q that moves elliptical has a short axis parallel to the speed direction of the linearly moving works W1 and W2 and a long axis perpendicular to the speed direction of the linearly moving works W1 and W2. Draw an ellipse with. Therefore, by increasing the ellipticity of this ellipse, the irradiation locus pitch p can be increased without increasing the speed v of the linear motion of the works W1 and W2 and increasing the frequency f of the elliptical motion of the irradiation point Q. It can be made smaller. In other words, by increasing the ellipticity of this ellipse, the irradiation locus pitch p can be reduced without increasing the penetration depth d.
なお、本実施形態においては、上記の条件A及びBの両方を満たすように、溶接装置1のパラメータを設定する構成を採用しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、上記の条件Aのみを満たすように、或いは、上記の条件Bのみを満たすように、溶接装置1の溶接条件を設定する構成を採用してもよい。何れの構成であっても、接合強度の高いワブリング溶接を実現することができる。
In the present embodiment, a configuration is adopted in which the parameters of the
(ワークのバリエーション)
本実施形態においては、溶接対象とする異種金属の組み合わせとして、アルミニウムと鉄との組み合わせ、及び、アルミニウムと銅との組み合わせを想定したが、本発明の適用対象はこれらの組み合わせに限定されない。例えば、軟鋼、ハイテン鋼、ステンレス(SUS)、アルミニウム、鉄、銅、銀、白金、すず、鉛、マグネシウム、ニッケル、チタン、インコネル、タンタル、モリブデン、タングステンからなる群の中から任意に選択した2つの金属の組み合わせを、溶接対象とすることができる。
(Work variation)
In the present embodiment, the combination of aluminum and iron and the combination of aluminum and copper are assumed as the combination of dissimilar metals to be welded, but the application target of the present invention is not limited to these combinations. For example, 2 arbitrarily selected from the group consisting of mild steel, high-tensile steel, stainless steel (SUS), aluminum, iron, copper, silver, platinum, tin, lead, magnesium, nickel, titanium, Inconel, tantalum, molybdenum, and tungsten. A combination of two metals can be the target of welding.
(実施例及び比較例)
本発明の実施例について、図5を参照して説明する。本実施例では、溶け込み深さdが0.20mm以下になるように、且つ、照射軌跡Tが螺旋状になるように、溶接装置1を用いてワークW1,W2を溶接した。なお、ワークW1としては、アルミニウム板を用いた。また、ワークW2としては、鉄板を用いた。
(Examples and comparative examples)
Examples of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the workpieces W1 and W2 are welded using the
図5の(a)は、ワークW1,W2の断面を表すSEM画像である。図5の(b)は、引張剥離したワークW2の上面を表すSEM画像である。図5の(c)は、引張剥離したワークW1の下面を表すSEM画像である。図5の(d)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウムの分布を表すX線分析画像である。図5の(e)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウム分布を表すX線分析画像である。図5の(f)は、引張剥離したワークW2の上面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。図5の(g)は、引張剥離したワークW1の下面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。 FIG. 5A is an SEM image showing a cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 5B is an SEM image showing the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 5C is an SEM image showing the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled. FIG. 5D is an X-ray analysis image showing the distribution of aluminum in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 5 (e) is an X-ray analysis image showing the aluminum distribution in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 5 (f) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 5 (g) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled.
なお、引張剥離とは、ワークW2との接合面に平行な第1の力でワークW1を引張すると共に、ワークW1との接合面に平行な第2の力(第1の力とは反対向きの力)でワークW2を引張することによって、ワークW1,W2を引き剥がすことを指す。 In the tensile peeling, the work W1 is pulled by a first force parallel to the joint surface with the work W2, and a second force parallel to the joint surface with the work W1 (opposite to the first force). It means that the works W1 and W2 are peeled off by pulling the work W2 with the force of).
本実施例においては、ワークW1からワークW2への溶け込み深さが0.2mm以下となるように、溶接装置1のパラメータを設定した。例えば、レーザ光LのパワーPは、80Wに設定した。このため、図5の(d)及び(e)に示すように、ワークW1とワークW2との境界における金属間化合物の生成を十分に抑えることができた。その結果、図5の(f)及び(g)に示すように、ワークW1とワークW2との接合部において生じる破壊が、脆性破壊ではなく、延性破壊となった。これにより、本実施例によれば、高い接合強度の溶接が実現できることが確かめられた。
In this embodiment, the parameters of the
次に、第1の比較例について、図6を参照して説明する。本比較例では、溶け込み深さdが0.20mmよりも大きくなるように、且つ、照射軌跡Tが螺旋状になるように、溶接装置1を用いてワークW1,W2を溶接した。なお、ワークW1としては、実施例と同様、アルミニウム板を用いた。また、ワークW2としては、実施例と同様、鉄板を用いた。
Next, the first comparative example will be described with reference to FIG. In this comparative example, the workpieces W1 and W2 were welded using the
図6の(a)は、ワークW1,W2の断面を表すSEM画像である。図6の(b)は、引張剥離したワークW2の上面を表すSEM画像である。図6の(c)は、引張剥離したワークW1の下面を表すSEM画像である。図6の(d)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウムの分布を表すX線分析画像である。図6の(e)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウム分布を表すX線分析画像である。図6の(f)は、引張剥離したワークW2の上面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。図6の(g)は、引張剥離したワークW1の下面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。 FIG. 6A is an SEM image showing a cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 6B is an SEM image showing the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 6C is an SEM image showing the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled. FIG. 6D is an X-ray analysis image showing the distribution of aluminum in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 6 (e) is an X-ray analysis image showing the aluminum distribution in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 6 (f) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 6 (g) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled.
本比較例においては、ワークW1からワークW2への溶け込み深さが0.2mmよりも大きくなるように、溶接装置1のパラメータを設定した。例えば、レーザ光LのパワーPは、100Wに設定した。このため、図6の(d)及び(e)に示すように、ワークW1とワークW2との境界における金属間化合物の生成を十分に抑えることができなかった。その結果、図6の(f)及び(g)に示すように、ワークW1とワークW2との接合部において生じる破壊が、延性破壊ではなく、脆性破壊となった。これにより、上述した実施例により接合されたワークW1,W2の接合強度は、本比較例により接合されたワークW1,W2の接合強度を上回ることが確かめられた。
In this comparative example, the parameters of the
次に、第2の比較例について、図7を参照して説明する。本比較例では、溶け込み深さdが0.20mmよりも大きくなるように、且つ、照射軌跡Tが直線状になるように、溶接装置1を用いてワークW1,W2を溶接した。なお、ワークW1としては、実施例と同様、アルミニウム板を用いた。また、ワークW2としては、実施例と同様、鉄板を用いた。
Next, a second comparative example will be described with reference to FIG. 7. In this comparative example, the workpieces W1 and W2 were welded using the
図7の(a)は、ワークW1,W2の断面を表すSEM画像である。図7の(b)は、引張剥離したワークW2の上面を表すSEM画像である。図7の(c)は、引張剥離したワークW1の下面を表すSEM画像である。図7の(d)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウムの分布を表すX線分析画像である。図7の(e)は、ワークW1,W2の断面におけるアルミニウム分布を表すX線分析画像である。図7の(f)は、引張剥離したワークW2の上面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。図7の(g)は、引張剥離したワークW1の下面において破壊された接合部を拡大したSEM画像である。 FIG. 7A is an SEM image showing a cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 7B is an SEM image showing the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 7C is an SEM image showing the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled. FIG. 7D is an X-ray analysis image showing the distribution of aluminum in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 7 (e) is an X-ray analysis image showing the aluminum distribution in the cross section of the workpieces W1 and W2. FIG. 7 (f) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the upper surface of the work W2 that has been tension-peeled. FIG. 7 (g) is an enlarged SEM image of the fractured joint on the lower surface of the work W1 that has been tension-peeled.
本比較例においては、ワークW1からワークW2への溶け込み深さが0.2mmよりも大きくなるように、溶接装置1のパラメータを設定した。このため、図7の(d)及び(e)に示すように、ワークW1とワークW2との境界における金属間化合物の生成を十分に抑えることができなかった。その結果、図7の(f)及び(g)に示すように、ワークW1とワークW2との接合部において生じる破壊が、延性破壊ではなく、脆性破壊となった。これにより、上述した実施例により接合されたワークW1,W2の接合強度は、本比較例により接合されたワークW1,W2の接合強度を上回ることが確かめられた。
In this comparative example, the parameters of the
(付記事項)
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。上述した実施形態に開示された各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態は、異種金属からなる2つの板状部材を含む構造体の製造方法に適用することができる。このような構造体の製造方法のうち、上述した実施形態に従って2つの板状部材を溶接する溶接工程を含んでいる構造体の製造方法については、本発明の範疇に含まれる。
(Additional notes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the above-described embodiments are also included in the technical scope of the present invention. Further, the above-described embodiment can be applied to a method for manufacturing a structure including two plate-shaped members made of dissimilar metals. Among the methods for manufacturing such a structure, a method for manufacturing a structure including a welding step of welding two plate-shaped members according to the above-described embodiment is included in the scope of the present invention.
1 溶接装置
11 レーザ装置
12 デリバリファイバ
13 加工ヘッド
131 照射点移動機構
14 ステージ
S1 溶接方法
S11 設定工程
S12 試溶接工程
S13 測定工程
S14 判定工程
S15 本溶接工程
1 Welding
Claims (6)
前記第1の板状部材から前記第2の板状部材への溶け込み深さが0.2mm以下になるように、溶接条件を設定する設定工程を含んでいる、
ことを特徴とする溶接方法。 A first plate-shaped member made of a dissimilar metal and a second plate-shaped member are superposed so that the lower surface of the first plate-shaped member is in surface contact with the upper surface of the second plate-shaped member. It is a welding method in which welding is performed by irradiating the upper surface of the plate-shaped member of No. 1 with a laser beam.
It includes a setting step of setting welding conditions so that the penetration depth from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member is 0.2 mm or less.
A welding method characterized by that.
楕円運動を行う前記照射点の軌跡は、直線運動を行う前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の速度方向に平行な短軸と、該速度方向に垂直な長軸と、を有する楕円を描く、
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接方法。 The laser beam irradiation is performed in a state where the first plate-shaped member and the second plate-shaped member perform linear motion and the irradiation point of the laser beam performs elliptical motion.
The locus of the irradiation point that performs elliptical motion includes a short axis that is parallel to the velocity direction of the first plate-shaped member and the second plate-shaped member that performs linear motion, and a long axis that is perpendicular to the velocity direction. Draw an ellipse with
The welding method according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の溶接方法。 The setting step is formed so that the penetration depth from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member is 0.2 mm or less and is formed on the upper surface of the first plate-shaped member. This is a step of setting the welding conditions so that the width of the welding mark is equal to or greater than the pitch of the locus of the irradiation point of the laser beam drawn on the upper surface of the first plate-shaped member.
The welding method according to claim 2, wherein the welding method is characterized by the above.
前記設定工程は、前記試溶接の結果に基づいて、前記溶接条件を設定する工程である、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の溶接方法。 A first sample member having the same material and thickness as the first plate-shaped member and a second sample member having the same material and thickness as the second plate-shaped member are provided on the lower surface of the first sample member. Further includes a trial welding step of superimposing the second sample member so as to make surface contact with the upper surface of the second sample member and performing trial welding by irradiating the upper surface of the first sample member with a laser beam.
The setting step is a step of setting the welding conditions based on the result of the trial welding.
The welding method according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜4の何れか一項に記載の溶接方法に従って、前記2つの板状部材を溶接する溶接工程を含んでいる、
ことを特徴とする構造体の製造方法。 A method for manufacturing a structure including two plate-shaped members made of dissimilar metals.
A welding step of welding the two plate-shaped members according to the welding method according to any one of claims 1 to 4 is included.
A method for manufacturing a structure.
前記第1の板状部材から前記第2の板状部材への溶け込み深さが0.2mm以下になるように、溶接条件が設定されている、
ことを特徴とする溶接装置。 A first plate-shaped member made of a dissimilar metal and a second plate-shaped member are superposed so that the lower surface of the first plate-shaped member is in surface contact with the upper surface of the second plate-shaped member. A welding device that welds by irradiating the upper surface of the plate-shaped member of No. 1 with a laser beam.
Welding conditions are set so that the penetration depth from the first plate-shaped member to the second plate-shaped member is 0.2 mm or less.
Welding equipment characterized by that.
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