JP4664603B2

JP4664603B2 - 金属薄板の突合せ溶接方法

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Publication number: JP4664603B2
Application number: JP2004032416A
Authority: JP
Inventors: 友次高橋; 克幸中島; 政幸折原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP2005219116A

Description

本発明は、例えば、無段変速機用金属ベルトの構成要素である積層リングの製造に用いられる金属薄板の端縁同士を突合せて溶接する金属薄板の突合せ溶接方法に関する。

無段変速機用の金属ベルトは、無段変速機のプーリに接する多数の板状エレメントと、該エレメントを環状に積層した状態で結束する積層リングとにより構成される。前記積層リングは、複数の金属リングを積層してなる。

前記金属リングの製造に際しては、まず、金属薄板をロール状に曲げ、その端縁同士を突合せ、突合せ部を溶接して円筒状のドラムを形成し、得られたドラムを所定幅に裁断して複数の薄板状金属リングを形成する。そして、前記薄板状金属リングに圧延加工を施すことにより、所定の長さの前記金属リングを形成する。

前記金属薄板としては、一般にマルエージング鋼等の超強力鋼が用いられるが、マルエージング鋼は高価であるので、オーステナイト系ステンレス鋼で代替することが考えられている。前記金属薄板としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合には、加工により所定の硬度が得られるように、通常の組成にマンガン（Ｍｎ）が添加された鋼材が用いられる。

一方、前記突合せ溶接は、従来、一般に前記突合せ部に沿ってＹＡＧレーザ（イットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザ）を走査せしめ、該突合せ部をキーホール溶接することにより行われている（例えば特許文献１参照）。

前記キーホール溶接は、ＹＡＧレーザ等の高パワー密度のレーザーを材料に照射して、照射部の材料を瞬時に溶融、蒸発させて、該照射部に細い縦深の空洞（キーホール）を形成し、次いで溶融した金属が該キーホールを埋め戻して冷却、凝固することにより溶接するものである。

しかしながら、前記キーホール溶接によれば、前記オーステナイト系ステンレス鋼の成分中、最も沸点の低いＭｎが蒸発して失われるので、前記金属リングを加工しても所定の硬度が得られないことがあるという不都合がある。
特開平７−３２１７１号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、Ｍｎを含むオーステナイト系ステンレス鋼からなる金属薄板のＭｎの蒸発を抑制することができる金属薄板の突合せ溶接方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、Ｍｎを含むオーステナイト系ステンレス鋼からなる金属薄板の端縁同士を突合せた突合せ部に沿って熱源を走査せしめ、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射して該突合せ部を溶融して一体化してドラムを形成する突合せ溶接方法であって、該熱源は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備え、該溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９〜７．８倍の範囲になるように、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射することによりＭｎの蒸発を抑制してドラムを形成し、形成されたドラムを周方向に所定幅に裁断して薄板状金属リングを形成し、該薄板状金属リングを圧下率４０〜５０％で圧延したときに該薄板状金属リングをマルテンサイト化させ所定の硬度を発現させ、無段変速機用金属リングを形成することを特徴とする。

本発明によれば、前記熱源のパワー密度が０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲であり、前記熱源から前記突合せ部にエネルギを照射するときに形成される溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９〜７．８倍の範囲になるようにすることにより、作業効率を低下させることなく、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含まれるＭｎの蒸発を抑制することができる。
前記熱源のパワー密度は０．３ｋＷ／ｍｍ^２未満では、前記突合せ部を溶融して一体化するために十分なエネルギが得られず、５ｋＷ／ｍｍ^２を超えると前記オーステナイト系ステンレス鋼に含まれるＭｎの蒸発を抑制することができない。
前記溶融部の幅は、前記熱源を前記突合せ部に沿って走査せしめるときに、走査速度を調整することにより制御することができる。ここで、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９倍未満では、局部的にエネルギが集中して、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含まれるＭｎの蒸発を抑制することができる。また、前記溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の７．８倍を超えると、前記走査速度が遅くなり、作業効率が低下する。

前記範囲のパワー密度を備える熱源としては、半導体レーザまたはプラズマアークを用いることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は積層リングの製造工程の要部を模式的に示す工程図、図２は本実施形態の突合せ溶接方法を示す説明図、図３は薄板の突合せ部の溶接後の状態を示す説明的断面図、図４は溶接後におけるオーステナイト系ステンレス鋼の各成分の増減を示すヒストグラムである。

無段変速機用の金属ベルトは、例えば図１に示す工程に従って製造される。まず、Ｍｎを含むオーステナイト系ステンレス鋼の金属薄板１をベンディングしてループ化したのち、端縁同士を突合せ溶接して円筒状のドラム２を形成する。前記オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、炭素０．０２重量％、珪素０．５重量％、マンガン６．２５重量％、ニッケル８．０５重量％、クロム５．０重量％、モリブデン２．０重量％を含み、残部が実質的に鉄からなる組成を備えるものを用いることができる。

前記溶接を行うと、前記金属薄板１は溶接の熱により時効硬化を示し、ドラム２の溶接部分２ａの両側に硬度の高い部分が出現する。そこで、次に、ドラム２を真空炉３に収容して所定温度に所定時間保持することにより第１の溶体化処理を行い、前記溶接熱により部分的に硬くなった硬度を均質化する。前記第１の溶体化処理が終了したならば、ドラム２を真空炉３から搬出し、該ドラム２を周方向に所定幅に裁断して複数の薄板状金属リング４を形成する。次に、薄板状金属リング４を圧下率４０〜５０％で夫々異なった周長に圧延し、所定の長さの金属リング５を形成する。前記オーステナイト系ステンレス鋼は、前記圧延によりマルテンサイト化し、加工硬度が発現する。

次に、金属リング５を、加熱炉６に収容して所定温度に所定時間保持することにより第２の溶体化処理を行い、圧延組織を再結晶させ、圧延により変形された金属組織の形状を復元する。前記第２の溶体化処理が終了したならば、金属リング５を加熱炉６から冷却室７に移動し、冷却室７内で冷却した後、搬出し、周長補正を行う。そして、前記周長補正が施された各金属リング５を、図示しない熱処理装置に収容して時効処理及び窒化処理を施した後、少しずつ周長の異なる複数の金属リング５を相互に径方向に積層することにより、積層リング８が形成される。

積層リング８は、環状に積層された多数の板状エレメント（図示せず）に組み付けられることにより、前記無段変速機用の金属ベルトを構成する。

前記突合せ溶接は、図２に示すように、ループ化して円筒状とした金属薄板１を、突合せ部１１を熱源１２に対向させてテーブル１３上に載置し、テーブル１３を円筒状の金属薄板１の長手方向に移動させることにより、熱源１２を突合せ部１１に沿って走査せしめ、
突合せ部１１にエネルギを照射することにより行う。熱源１２は、例えば半導体レーザ溶接装置であり、半導体レーザ発振器１４と、半導体レーザ発振器１４からのレーザビーム１５を集光して突合せ部１１に照射する照射ヘッド１６とを備えている。半導体レーザ発振器１４は、図示しないコントローラ、電源装置に接続されている。

前記半導体レーザ溶接装置によれば、半導体レーザ発振器１４からのレーザビーム１５を照射ヘッド１６で集光することにより、パワー密度（ビームスポット面積に対するビームエネルギー出力）が０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のエネルギが突合せ部１１に照射される。この結果、金属薄板１の突合せ部１１では、レーザビーム１５の移動に伴ってレーザビーム１５が照射された部分では熱伝導により金属薄板が溶融して、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成される。一方、レーザビーム１５が移動した部分では、溶融部１７が次第に凝固して一体化し、突合せ部１１が溶接される。

このとき、テーブル１３を所定速度で移動させることにより、図３に示すように、溶融部１７の幅Ｗが金属薄板１の板厚ｄの３．９〜７．８倍の範囲になるようにする。ここで、溶融部１７の幅Ｗは、ドラム２の溶接部分を円周方向に切断したときの表面側の幅Ｗ_１と、裏面側の幅Ｗ_２との平均値であり、溶融部１７の幅Ｗの金属薄板１の板厚ｄに対する倍率をアスペクト比Ａ（＝Ｗ／ｄ）とする。すなわち、溶融部１７の幅Ｗが金属薄板１の板厚ｄの３．９倍以上であるとは、アスペクト比Ａ≧３．９であることを意味する。

前記突合せ溶接では、レーザビーム１５照射時の熱により金属薄板１の成分中のＭｎが蒸発して失われることがある。しかし、０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度のレーザビーム１５を用い、前記アスペクト比Ａが３．９〜７．８の範囲となるようにすることにより、金属薄板１の成分中のＭｎの蒸発を抑制することができる。この結果、金属薄板１から得られた薄板状金属リング４に対して圧延を行うことにより、所定の硬度が発現した金属リング５を得ることができる。

次に、実施例と比較例とを示す。

本実施例では、まず、板厚０．３２ｍｍのＭｎ含有オーステナイト系ステンレス鋼の金属薄板１をベンディングしてループ化し、円筒状とした。前記Ｍｎ含有オーステナイト系ステンレス鋼は、炭素０．０２重量％、珪素０．５重量％、マンガン６．２５重量％、ニッケル８．０５重量％、クロム５．０重量％、モリブデン２．０重量％を含み、残部が実質的に鉄からなる組成を備えている。前記円筒状とされた金属薄板１は、１５０ｍｍの長さの突合せ部１１を備えていた。

次に、図２に示す熱源１２として半導体レーザ溶接装置を用いて、突合せ部１１の突合せ溶接を行った。前記突合せ溶接は、半導体レーザ発振器１４から発振される波長８００〜９４０ｎｍ、レーザ出力５００Ｗのレーザビーム１５を照射ヘッド１６で集光し、突合せ部１１にビームスポット面積０．６３ｍｍ^２、パワー密度０．７９ｋＷ／ｍｍ^２で照射することにより行なった。また、テーブル１３は、１５００ｍｍ／分の速度で移動させ、レーザビーム１５が突合せ部１１に沿って相対的に走査されるようにした。

この結果、突合せ部１１を含む溶融部１７が形成された。本実施例で形成された溶融部１７は、表面側の幅Ｗ_１＝１．４ｍｍ、裏面側の幅Ｗ_２＝１．３５ｍｍ、平均値Ｗ＝１．３７５ｍｍであり、アスペクト比Ａ＝４．３であった。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部をＥＰＭＡ線分析し、前記Ｍｎ含有オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる各成分の増減を調べた。結果を図４（ａ）に示す。

〔比較例１〕
本比較例では、実施例１で用いた半導体レーザ溶接装置に代えて、図２に示す熱源１２としてＹＡＧレーザ溶接装置を用い、波長１０００〜１１００ｎｍ、例えば１０６４ｎｍ、レーザ出力２１０Ｗのレーザビーム１５を照射ヘッド１６で集光し、突合せ部１１にビームスポット面積０．０３１４ｍｍ^２（直径０．２ｍｍ）、パワー密度６．６９ｋＷ／ｍｍ^２でパルス照射した以外は、実施例１と全く同一にして突合せ部１１の突合せ溶接を行った。

次に、溶融部１７が凝固して形成された溶接部をＥＰＭＡ線分析し、前記Ｍｎ含有オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる各成分の増減を調べた。結果を図４（ｂ）に示す。
尚、図４（ａ）、（ｂ）では、溶接前の各成分の含有量を０とし、溶接前の各成分の含有量に対する溶接後の含有量の増減を示している。

図４（ａ）、（ｂ）から、０．７９ｋＷ／ｍｍ^２のパワー密度を備える半導体レーザ装置を用いることにより、６．６９ｋＷ／ｍｍ^２のパワー密度を備えるＹＡＧレーザ装置を用いた場合に比較して、金属薄板１の成分中のＭｎの蒸発を抑制することができることが明らかである。

尚、前記実施形態では、熱源１２として半導体レーザを用いる場合を例に挙げて説明しているが、熱源１２は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備えるものであればよく、例えば、プラズマアークを前記半導体レーザに準じる条件で用いることもできる。

積層リングの製造工程の要部を模式的に示す工程図。本発明の突合せ溶接方法の一実施形態を示す説明図。金属薄板の突合せ部の溶接後の状態を示す説明的断面図。溶接後におけるオーステナイト系ステンレス鋼の各成分の増減を示すヒストグラム。

符号の説明

１…金属薄板、１１…突合せ部、１２…熱源、１７…溶融部。

Claims

Ｍｎを含むオーステナイト系ステンレス鋼からなる金属薄板の端縁同士を突合せた突合せ部に沿って熱源を走査せしめ、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射して該突合せ部を溶融して一体化してドラムを形成する突合せ溶接方法であって、
該熱源は０．３〜５ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を備え、該溶融部の幅が前記金属薄板の板厚の３．９〜７．８倍の範囲になるように、該熱源から該突合せ部にエネルギを照射することによりＭｎの蒸発を抑制してドラムを形成し、形成されたドラムを周方向に所定幅に裁断して薄板状金属リングを形成し、該薄板状金属リングを圧下率４０〜５０％で圧延したときに該薄板状金属リングをマルテンサイト化させ所定の硬度を発現させ、無段変速機用金属リングを形成することを特徴とする金属薄板の突合せ溶接方法。
前記熱源は、半導体レーザまたはプラズマアークであることを特徴とする請求項１記載の金属薄板の突合せ溶接方法。