JP4645298B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接構造 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法とレーザ溶接構造に関し、特にめっき鋼板等の表面処理材を溶接するのに好適なレーザ溶接方法とレーザ溶接構造に関するものである。

鋼板等の母材を重ね合わせてレーザ溶接を施す場合、母材自体が例えばめっき鋼板等のようないわゆる表面処理材であると溶接時の熱により母材表面のめっき層が蒸発してガス（金属蒸気）となり、そのまま溶接ビード内に気泡（ブローホール）あるいはポロシティとなって残ったり穴あき等の溶接不良が発生することがある。その対策として、溶接対象となる母材同士が完全密着していなければブローホールの発生は抑制できるとの知見のもとに、溶接時のガスを外部へ排出するための誘導路となる隙間を母材同士の間に確保するようにした技術が特許文献１〜３等で提案されている。すなわち、特許文献１〜３等では、溶接対象となる母材同士の間に積極的に隙間を確保するために一方の母材に予め突起部を形成するようにしている。
特開平１０−２１６９７４号公報 特開平１０−１９３１４９号公報 特公平４−１３０７７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に代表されるような従来の技術では、母材同士の間に確保される誘導路としての隙間は突起部の高さ寸法に依存することになるものの、溶接時に母材同士を加圧矯正することを考慮すると、母材の撓み等のために上記隙間の大きさを厳格に制御もしくは管理することは非常に難しい。例えば母材板厚が１ｍｍ程度の場合、溶接品質を満たし得る上記隙間の大きさとしては０．１〜０．３ｍｍ程度が最適範囲とされるが、この範囲となるように隙間の大きさを管理することは困難であった。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、より簡易な方法で従来技術と同等の機能が得られるようにしたレーザ溶接方法とレーザ溶接構造を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、溶接対象として互いに重ね合わせることになる二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め形成しておき、このエンボス部の傾斜面を溶接部としてレーザ光を照射して溶接を施すにあたり、上記浅皿状のエンボス部の形状をその中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものとし、エンボス部と他方の母材との間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間を設定した状態で、そのエンボス部と同心状のループ状の溶接線をもって溶接を施すことを特徴とする。

この場合において、請求項２に記載のように、上記浅皿状のエンボス部の形状を、その中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものに代えて、その中央部で他方の母材と当接する円錐台形状のものとしても良い。

その上で、請求項３に記載のように、溶接品質を満たすのに必要な隙間の下限値と上限値とをもって平面視にてループ状の溶接線と同心状をなすリング状の溶接適正領域を設定し、この溶接適正領域にレーザ光を照射して溶接を施すものとする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の技術を溶接構造として捉えたものであり、溶接対象として互いに重ね合わせた二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め形成し、このエンボス部の傾斜面を溶接部としてレーザ溶接を施した構造であって、上記浅皿状のエンボス部の形状をその中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものとし、エンボス部と他方の母材との間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間を設定した状態で、そのエンボス部と同心状のループ状の溶接線をもって溶接を施したことを特徴とする。

したがって、少なくとも請求項１，５に記載の発明では、母材同士の間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間が確保されることから、エンボス部の傾斜面の一部を良好な溶接が可能な溶接部として特定した上でレーザ光を照射して溶接を施すようにすれば、従来のような面倒な隙間管理の必要なくして良好な溶接を施すことが可能となる。

請求項１，５に記載の発明によれば、母材同士の間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間が確保されるため、この隙間のうち溶接品質で満たすことのできる範囲を傾斜面上で指定して溶接を行うようにすれば、従来のように隙間の大きさを厳格に管理する必要なくして良好なレーザ溶接を行える。

図１〜３は本発明の好ましい実施の形態を示す図であり、特に図１に示すように一方の母材としてのチャンネル状のメンバー１に対し他方の母材としてのクランク状のブラケット２をレーザ溶接にて接合する場合の例を示している。

図１に示すように、メンバー１は例えばめっき鋼板製のものであるのに対してブラケット２は通常の鋼板製のものとされ、ブラケット２の一端に曲折形成してあるフランジ部３をメンバー１に重ね合わせた上で、そのフランジ部３を溶接部として図２，３に示すように一部が開放された略Ｃ字ループ状の溶接線たる溶接ビード４をもって溶接接合してある。すなわち、フランジ部３にレーザ光５を照射したならばリモートレーザ溶接法によりそのレーザ光５を略Ｃ字ループ状にスキャニングすることで略Ｃ字ループ状の溶接ビード４をもってレーザ溶接を施してある。

フランジ部３の中央部には、メンバー１側に向かって凸形状となる球面状のエンボス部６をいわゆる浅皿状に予め膨出形成してあり、図１に示すようにメンバー１上にてフランジ部３を着座面としてブラケット２を正立させたときには、エンボス部６が球面状の傾斜面６ａを有しているがために、図２に示すようにエンボス部６がメンバー１に対して点接触し且つメンバー１とエンボス部６との間にはエンボス部６の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間７が設定される。

そして、メンバー１やブラケット２の板厚あるいはエンボス部６の曲率半径Ｒ、さらには要求溶接強度等を考慮して、レーザ溶接後の溶接品質を満たし得る隙間７の最小寸法Ｇ１と最大寸法Ｇ１０を予め定めておく一方で、それら最小寸法Ｇ１のサークルと最大寸法Ｇ１０のサークルとで囲まれていて且つエンボス部６と同心状をなすリング状の領域を溶接適正領域Ｍとし、この溶接適正領域Ｍをターゲットとして先に述べたリモートレーザ溶接法によりレーザ光５を略Ｃ字ループ状にスキャニングすることで略Ｃ字ループ状の溶接ビード４をもってレーザ溶接を施してある。

ここでは、例えば溶接ビード４のなすループの直径Ｄｂを例えばφ８としてレーザ溶接を行うものと仮定し、その直径ＤｂのばらつきをＤｂ±１．０とする。この溶接ビード４のばらつきを考慮すると、φ６〜φ１０の範囲に溶接適正領域Ｍを設定する必要がある。

先に述べたように溶接強度を満たし得る上記隙間７を０．１〜０．３ｍｍとすると、最小寸法Ｇ１のサークルＤ１（＝φ６）位置での隙間は０．１ｍｍ以上、最大寸法Ｇ１０のサークルＤ２（＝φ１０）位置での隙間は０．３ｍｍ以下とする必要がある。

ここで、最大寸法Ｇ１０のサークルＤ２（＝φ１０）位置での隙間７を０．３ｍｍとすると、そのサークルＤ２の中心での隙間７が０であることから、球面状のエンボス部６の曲率半径Ｒの大きさがＲ＝４１．８（≒４２）として決まる。そして、この曲率半径Ｒ＝４１．８のエンボス部６での最小寸法Ｇ１のサークルＤ１（＝φ６）位置での隙間Ｇ１を算出すると０．１１ｍｍとなって、０．１ｍｍ以上という条件を見たし得るため、これが成立解となる。

最後にエンボス部６の最大直径Ｄｍとその位置での隙間７の寸法Ｇｎ（エンボス部６以外の一般部での隙間）を決める。ここでは、一般部での隙間Ｇｎを０．５ｍｍとした場合、エンボス部６の曲率半径Ｒ＝４１．８から逆算するとエンボス部６の最大直径Ｄｍはφ１２．９（≒１３．０）として算出できる。このようにして設計形状を決める。

したがって、この実施の形態によれば、母材であるメンバー１とブラケット２側のフランジ部３との間にエンボス部６の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間７が確保されていて、しかも略Ｃ字ループ状の溶接ビード４は少なくとも予め設定してあるリング状の溶接適正領域Ｍ内にさえあれば要求溶接品質を満たし得ることから、そのリング状の溶接適正領域Ｍ内におさまるようにレーザビーム５をスキャニングしつつ略Ｃ字ループ状の溶接ビード４を形成すればよく、従来のような厳格な隙間７の大きさの管理が不要となる。

また、溶接に伴ってめっき鋼板であるメンバー１から金属ガスが発生したとしても、それらの金属ガスを上記隙間７からスムーズに排出することができるから、溶融金属内への金属ガスの封じ込めによるブローホールやポロシティの発生も未然に防止できることはもちろんである。

特に、リング状の溶接適正領域Ｍは球面形状のエンボス部６の中心から一定距離の円形の帯状のものとなっているので、ループ状の溶接ビード４をもって溶接するにはきわめて効率的に許容領域を設定できることになる。

しかも、エンボス部６の頂部たる中心を相手側のメンバー１に点接触させることで、両者の間に微少隙間を容易に且つ確実に確保することができることはもちろんのこと、エンボス部６の高さ寸法（図２の例では０．５ｍｍ）をもってそれよりも微少で且つ漸変する隙間７（（図２の例ではＧ１〜Ｇ１０＝０．１〜０．３ｍｍ）を管理できるので、隙間管理もきわめて容易となる。

その上、エンボス部６それ自体の剛性が高いため、例えば溶接時に矯正装置にて母材であるメンバー１とブラケット２同士を加圧矯正したとしても上記溶接適正領域Ｍを確実に確保することが可能となる。

図４は本発明の第２の実施の形態を示し、図２に示した球面状のエンボス部６に代えて楕円球面状のエンボス部１６としたものである。

また、図５は本発明の第３の実施の形態を示し、図２と共通する部分には同一符号を付してある。この第２の実施の形態では、先の球面状のエンボス部６に代えて偏平円錐形状のエンボス部２６とし、そのエンボス部２６の頂部を相手側となるメンバー１に点接触させた状態でレーザ溶接を施したものである。この偏平円錐形状のエンボス部２６とした場合には、相手側のメンバー１に対して確実に点接触させることができるので、上記溶接適正領域Ｍが小さくなることがことがない。

より詳しくは、図５に示すように、溶接ビード４のループのなす直径Ｄｂを例えばφ８として、そのばらつきをφ８±１．０とすると、溶接適正領域ＭはＤ１〜Ｄ２の範囲としてφ６〜φ１０の範囲内となり、同範囲内での隙間７は０．１８〜０．３ｍｍとなって要求条件（Ｇ１〜Ｇ１０＝０．１〜０．３ｍｍ）を満たすことから、溶接適正領域Ｍが決まることになる。さらに、溶接ビード４の直径Ｄｂのばらつきがφ８±２．０となっても、溶接適正領域Ｍでの隙間７はＧ１〜Ｇ１０が０．１〜０．３ｍｍとなって要求条件を満たすため、特に円錐形状のエンボス部２６は溶接ビード４の直径Ｄｂのばらつきに対して一段と有利となる。

図６，７は本発明の第４の実施の形態を示し、エンボス部として円錐台形状のエンボス部３６を採用し、その頂部平面３６ａを相手側となるメンバー１に面接触させるようにしたものである。この場合には、メンバー１に対するブラケット２の安定性が良く、その位置決めを容易に行えるようになる。

図８，９には本発明の第５の実施の形態を示す。この実施の形態では、いわゆるハット形断面形状のブラケット１２を、そのフランジ部１３を溶接部としてメンバー１１に溶接する場合に、フランジ部１３の長手方向に沿って互いに独立した複数のエンボス部６を設定して、それぞれにレーザ溶接を施すようにしたものである。

図１０は本発明の第６の実施の形態を示し、図示のような溶接されるフランジ部１３に複数のエンボス部６を千鳥状に設けたものであり、フランジ部１３が長いブラケットであっても溶接時に安定した状態をとることができ、隙間の管理がより容易になる。

さらに、図１１は本発明の第７の実施の形態を示し、いわゆる袋構造のブラケット１４を、そのフランジ部１５を溶接部として相手側となるメンバー１０に溶接するにあたり、同様にフランジ部１５に複数のエンボス部６を設定したものである。

この構造では、ブラケット１４自体が袋構造であっても、溶接後のフランジ部１５とメンバー１０との間には所定の隙間１７が確保されているので、例えば自動車の車体部品のように後工程にて塗装が施される場合にもその液抜きを確実に行え、いわゆるエア溜まりや液溜まりの発生を未然に防止できることになる。

本発明のより具体的な実施の形態として溶接対象となる母材の形状を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。 図２におけるエンボス部の平面説明図。 本発明の第２の実施の形態としてエンボス部の別の例を示す要部斜視図。 本発明の第３の実施の形態を示す溶接部の断面図。 本発明の第４の実施の形態として溶接対象となる母材の形状を示す斜視図。 図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 本発明の第５の実施の形態として溶接対象となる母材の形状を示す要部斜視図。 図８のＣ−Ｃ線に沿う断面図。 本発明の第６の実施の形態を示す要部斜視図。 本発明の第７の実施の形態を示す要部斜視図。

符号の説明

１…メンバー（母材）
２…ブラケット（母材）
３…フランジ部
４…溶接ビード（溶接線）
５…レーザ光
６…エンボス部
６ａ…傾斜面
７…隙間
１０…メンバー（母材）
１１…メンバー（母材）
１２…ブラケット（母材）
１３…フランジ部
１４…ブラケット（母材）
１５…フランジ部
１６…エンボス部
１７…隙間
２６…エンボス部
３６…エンボス部
３６ａ…頂部平面
Ｍ…溶接適正領域

Claims (8)

1. 溶接対象として互いに重ね合わせることになる二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め形成しておき、
   このエンボス部の傾斜面を溶接部としてレーザ光を照射して溶接を施すにあたり、
   上記浅皿状のエンボス部の形状をその中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものとし、
   エンボス部と他方の母材との間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間を設定した状態で、そのエンボス部と同心状のループ状の溶接線をもって溶接を施すことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 上記浅皿状のエンボス部の形状を、その中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものに代えて、その中央部で他方の母材と当接する円錐台形状のものとすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 溶接品質を満たすのに必要な隙間の下限値と上限値とをもって平面視にてループ状の溶接線と同心状をなすリング状の溶接適正領域を設定し、この溶接適正領域にレーザ光を照射して溶接を施すことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 溶接対象として互いに重ね合わせることになる二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め複数個形成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
5. 溶接対象として互いに重ね合わせた二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め形成し、
   このエンボス部の傾斜面を溶接部としてレーザ溶接を施した構造であって、
   上記浅皿状のエンボス部の形状をその中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものとし、
   エンボス部と他方の母材との間にエンボス部の中心から遠ざかるにしたがって漸次大きくなる隙間を設定した状態で、そのエンボス部と同心状のループ状の溶接線をもって溶接を施したことを特徴とするレーザ溶接構造。
6. 上記浅皿状のエンボス部の形状を、その中心で他方の母材と当接する球面状または円錐面状のものに代えて、その中央部で他方の母材と当接する円錐台形状のものとしたことを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接構造。
7. 溶接品質を満たすのに必要な隙間の下限値と上限値とをもって平面視にてループ状の溶接線と同心状をなすリング状の溶接適正領域を予め設定しておき、この溶接適正領域にレーザ光を照射して溶接を施したことを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ溶接構造。
8. 溶接対象として互いに重ね合わせることになる二つの母材うちのいずれか一方に、他方の母材に向かって凸形状となり且つ傾斜面を含む浅皿状のエンボス部を予め複数個形成してあることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ溶接構造。

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