JP4786400B2

JP4786400B2 - 突合せ溶接金属板の製造方法

Info

Publication number: JP4786400B2
Application number: JP2006112344A
Authority: JP
Inventors: 博雄石橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: JP2007283337A

Description

本発明は、レーザー突合せ溶接金属板の製造方法に関するもので、更に詳しくは、プレス等の塑性加工に供される溶接金属薄板に適した金属薄板のレーザー突合せ溶接金属板の製造方法に関するものである。

近年、レーザー溶接により複数の金属板を事前に突合せ接合し、その金属板をプレス成型等の塑性加工による二次加工にて所望の形状に成型する技術の適用が、自動車向けとして一般化しつつある。異種または異厚の金属板をプレス成型以前に接合し、一枚の金属板としてプレスを行えば、製品の部分的な補強や軽量化を促す効果があるからである。

異厚金属板のレーザー溶接方法としては、例えば、板厚の異なる金属板を突合せ、金属板の突合せ部にレーザー光を照射する際に、レーザー光の照射位置を、金属板の板厚の差に応じて突合せ部から厚板側に移動させて、溶接継手部分での鋭角的段差部の発生を防止するレーザー溶接方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、レーザー溶接において、小入熱で深溶け込みを可能とするため、レーザーのベース出力がピーク時の５０％以上となるように周期的に変動調節して溶接することを特徴とするレーザー溶接方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、レーザー溶接において、薄鋼板のレーザー溶接ではないが、レーザー光が鋼板を貫通することが無いようにするため、初期の溶接速度を定常時の溶接速度より高速とする鋼板の溶接方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。或は、仮溶接した複数のブランク板を、固定されたレーザートーチに搬送して溶接する方法（例えば、特許文献４参照）や、ストリップ又はシートの連続溶接装置も提案されていて（例えば、特許文献５参照）、このような装置を応用すれば、固定されたトーチに対し、ブランク板を搬送ローラーで連続的に搬送し、溶接することも可能である。しかし当該発明によれば溶接は連続的に行われているので、レーザービームは連続的に照射されており、溶接線が不連続の場合には、溶接線と次の溶接線との間では無駄なエネルギーが発生することとなる。

一般に、テーラードブランク材の製造方法は、図１若しくは２に示すようにジグもしくはパレット１上に素材となる金属板（以下ブランク板）２，３を突合せてクランプにて固定し、その突合せ線４に沿ってレーザートーチ５を溶接ロボット６等で動かして、突合せ線４に沿ってビーム照射７を行なって溶接ビード８を形成するように溶接を行うことが多い。もしくは、レーザートーチを固定し、ブランク板を移送させて溶接する方法がある。いずれの場合でもレーザートーチ５もしくは突合せクランプされたブランク板２、３が往復運動をすることで、１サイクルの溶接が完了する。例えばレーザートーチが突合せ線の一方端からもう一方の突合せ線の端まで移動し溶接を完了した後、ロボットもしくはコンベア等でテーラードブランク材を排出し、レーザートーチが戻ってくる間に次のサイクルの材料ブランク材をセットする。このときレーザートーチの往復ストロークが機械的に大きければ、図３に示すように、１サイクルで複数枚のブランク板２、３をセットすることが可能で、そうすることにより１サイクルの溶接で複数のテーラードブランク材を製造することができ、テーラードブランク材の生産性を向上させることが可能である。しかし、この場合には、１セットのテーラードブランク材毎に溶接線９が不連続となり、溶接線７は断続する。

また、図４に示すように、中央部が穴明き１０となっている形状のテーラードブランク材の製造においても、溶接線９が不連続となる。

図５は図３の技術の派生型で、台車レール１１上を往復台車１２が移動できるようになっていて、材料供給ロボット１３の下に往復台車１２を移動させ、材料供給ロボット１３から複数枚のブランク板２、３を１セットとして往復台車１２上にセットする。往復台車は溶接ステーション１４を所定の速度で通過し、製品払い出しロボット１５の下迄移動する。溶接ステーション１４には、レーザートーチ５が固定されていて、ブランク板をセットした往復台車１２が溶接線９と平行方向に溶接ステーションを移動（通過）する間にブランク板の突合せ部をレーザートーチ５からレーザー照射して溶接するものである。溶接が完了したテーラードブランク材は製品払い出し位置で、製品払い出しロボット１５により取り出される。この溶接工程を繰り返して行なうことによりテーラードブランク材が製造される。

もしくは、図６に示すように、固定されたレーザートーチ５に対し、ブランク板を搬送ローラー１６もしくは搬送コンベア１７で連続的に搬送し、テーラードブランク材を連続的に製造して生産性を向上させようという技術もある。

このようにテーラードブランク列を製造する場合においても、ブランク列における、あるテーラードブランクとその隣のテーラードブランクでは、通常数十ミリ程度の間隔を持って配置される。これは、テーラードブランク同士を隙間なく配置して溶接した場合には、材料供給や製品の払い出し時のハンドリングが困難なことや、本来独立であるべきテーラードブランク列が、溶接ビードを介して隣同士接続されてしまうことを防ぐためである。

例えば、溶接長５００ｍｍのテーラードブランク材を５０ｍｍの間隔をあけて４セット同時にパレット上にセット・クランプし、溶接する場合、本来２０００ｍｍの長さの溶接ストロークに対して、ブランク間隔の１５０ｍｍも含めて溶接機械が作動し、その分の装置サイクルタイムが生産性を大きく阻害していた。この場合、７．５％も余計にサイクルタイムを必要とする問題がある。

また、このブランク間隔においてもレーザービームが照射されており、その分エネルギーコストが余計に必要であるという問題があった。また図４に示すような１セットで複数の溶接線が同一線上にある場合、一回の機械ストロークにてこの複数の溶接を実施するが、この場合においても同様で、溶接線と溶接線の間の部分はサイクルタイム・エネルギーという面で無駄であり、そのため製造コストが余計にかかるという問題もある。

特開平５−５７４６７号公報特開２００１−２５９８７３号公報特開２００１−４７１０７号公報特開平６−２３８４７２号公報特開平１−５７９９２号公報

本発明は、レーザービームによる複数の金属板を突合せ溶接する溶接製品の製造方法において、金属板の複数の突合せ線を同一線上に配列し、レーザービームトーチを金属板の突合せ線に沿って金属板と相対的に一方向に移動させる溶接方法における製造コスト上の問題を解決しようとするものである。

本発明者は、レーザービームによる複数の金属板の突合せ溶接製品の製造方法において、金属板の複数の突合せ線を不連続に配列し、レーザービームトーチを金属板の突合せ線に沿って金属板と相対的に一方向に移動させてレーザー溶接する際に、溶接線と溶接線の間では、レーザービームパワーを溶接部よりも下げることにより、製造コスト上の問題を解決し得ることを見出して、本発明を完成した。

本発明の要旨は、以下の通りである。

（１）複数の金属板を突合せて溶接線が直線状の同一線上になるように配置し、レーザービームにより突合せ溶接して、突合せ溶接金属板を製造する方法において、複数の金属板の突合せ線を直線状に不連続に配列し、レーザービームトーチを金属板の突合せ線に沿って金属板と相対的に一方向に移動させて不連続な突合せ線に沿って溶接する際に、突合せ線と突合せ線との間が不連続溶接線となる間では、トーチの相対移動速度を上げると共に、レーザービームパワーを溶接部より下げるか、または、レーザービームを発振させないことを特徴とする、突合せ溶接金属板の製造方法。

（２）突合せ線上のレーザービーム照射位置の溶接方向上流位置に、金属板検出装置を設け、該金属板検出装置からの検出信号に基づいてレーザービームパワーの増減およびトーチ相対移動速度の増減を行なうことを特徴とする、上記（１）に記載のレーザー突き合せ溶接方法。

（３）不連続溶接線のそれぞれの溶接線始端においては、レーザービームパワーおよび速度を変更開始するタイミングを、レーザー照射位置を溶接線始端が通過するよりも早くし、終端部においてはレーザービームパワーおよび速度を変更開始するタイミングを、レーザー照射位置を溶接線終端が通過するよりも遅くすることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の突合せ溶接金属板の製造方法。

（４）突合せた金属板に穴明きがあり、該穴明き部で不連続溶接線を形成していることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の突合せ溶接金属板の製造方法。

本発明によれば、複数対のテーラードブランク材を配置して、その不連続な溶接線を溶接する場合に、溶接線と溶接線の間では、レーザービームを発振する必要はないのでこの部分の発振出力を低減させることで電力エネルギー消費を低減させることができる。もしくはこの部分でのレーザービームの発振を行わないことで、無駄な電力の消費を低減させることが可能であり、また、溶接線の不連続部分では溶接トーチの移動速度を溶接速度より上げることにより、一枚あたりの生産時間に占める不連続部分での溶接トーチ移動時間を下げることができるので、テーラードブランク材の生産性を向上させ、製造コストを低減させることが可能となるという、顕著な作用効果を生ずる。

以下図を参酌して本発明を詳細に説明する。

テーラードブランク材は、通常、薄鋼板等の金属板（ブランク板）を突合せて、レーザー溶接することで製造されている。ブランク板の材料としては、異種（材質が異なる）及び／又は異厚（板厚が異なる）の薄鋼板（例えば、板厚２ｍｍ以下）が用いられている。そして、テーラードブランク材の生産性向上のため、図３、図５及び図６に示すように、突合せたブランク板２、３を１セットにし、この複数セットを突合せて、溶接線９が直線状の同一線上になるようにジグまたはパレット１上にブランク列として配置し、ブランク列の溶接線に沿ってレーザートーチ５からビーム照射を連続的に実施することで、各突合せブランク板をレーザー溶接して、突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造している。

このようなレーザー溶接では、ブランク列の各ブランク間には隙間があり、この隙間にもビーム照射が行なわれる。しかし、ブランク列の各ブランク間の隙間、即ち、溶接線上の不連続間（各ブランクの溶接線と溶接線との間）には、ビーム照射を実施する必要性がない部分である。

通常、テーラードブランク材の溶接では、レーザー発振機出力を４〜６ｋＷとして溶接しているが、例えば、炭酸ガスレーザー発信機の電力効率は非常に低く、６ｋＷのレーザーを用いた場合、９０ｋＷもの電力を消費する。これは素材費用を除いたテーラードブランク溶接工程での製造変動コストのうち、９割以上を占めるため、この電力コストを低減することができれば、大きなコストダウンにつながる。

複数対のテーラードブランク材を配置して、その不連続な溶接線を溶接する場合に、溶接線と溶接線の間では、レーザービームを発振する必要はないのでこの部分の発振出力を低減させることで電力エネルギー消費を低減させることができる。もしくは、この部分でのレーザービームの発振を行わないことで、無駄な電力の消費を低減させることが可能である。

そこで、本発明では、不連続な溶接線に沿って溶接する場合に、溶接線の不連続部分ではレーザービームの発振出力を低減、もしくは、レーザービームの発振を行なわないようにし、無駄な電力の消費を低減させることとした。

即ち、溶接線上の不連続部分の位置を検出する装置、例えば、レーザートーチ５にセンサーヘッド１８を設置して、センサーヘッド１８により不連続部分或は溶接部分の位置を検出し、その検出信号に基づいて、レーザービーム溶接装置の出力を制御することで、不連続部分のレーザービームの発振出力を低減、もしくは、レーザービームの発振を行なわないようにすることができる。

図７は従来のレーザー溶接での溶接長と、レーザー出力及び溶接速度との関係を示す図で、図８は本発明のレーザー溶接での溶接長と、レーザー出力及び溶接速度との関係を示す図である。

従来は、図７に示すように、溶接部及び非溶接部（ブランク列の隙間）においても、レーザー出力一定で溶接していた。これに対して、本発明は、図８に示すように、溶接部のみにレーザー出力を発振させ、非溶接部ではレーザー出力を発振させないで溶接した。本発明のように非溶接部にレーザービームを発振させないことにより、無駄な電力の消費を低減させることが可能となった。なお、レーザー出力を低減させる場合は図示していないが、この場合も無駄な電力の消費を低減させることが可能である。

また、上記説明ではブランク列を溶接することについて説明したが、図４に示すように、突合せたブランク２、３の中央部の溶接線上に穴明き１０があるような場合も、溶接線が不連続となる。この場合も、溶接線が不連続となる穴明き部分では、ブランク列の溶接と同様に、レーザービームの発振出力を低減、もしくは、レーザービームの発振を行なわないようにすることで、無駄な電力の消費を低減させることが可能となる。

また、通常、テーラードブランク材のレーザー溶接では、一般的に溶接速度は毎分２ｍ〜６ｍ程度の遅い速度で溶接するため、生産性が悪く、このこともテーラードブランク材のコストを押し上げる要因になっていた。溶接トーチとテーラードブランク材が相対的にこの溶接速度で移動することにより溶接がなされる。テーラードブランク一枚あたりの生産時間を減らして生産性を上げるために、溶接線の不連続部分では溶接トーチの移動速度を溶接速度より上げることにより、一枚あたりの生産時間に占める不連続部分での溶接トーチ移動時間を下げることができる。このことによりテーラードブランク材の生産性を向上させ、製造コストを低減させることが可能となる。即ち、従来は、図７に示すように、溶接速度は一定であるが、本発明は、センサーで非溶接部を検出し、その検出信号に基づいて、非溶接部ではブランク板に対する溶接トーチの相対移動速度を、図８に示すように速くする。このため、本発明によれば、一枚あたりの生産時間に占める不連続部分での溶接トーチ移動時間を従来よりも下げることができる。

また、本発明では、溶接線の不連続部分では溶接トーチの移動速度を溶接速度より上げると共に、レーザービームの発振出力を低減、もしくは、レーザービームの発振を行なわないようにすることで、無駄な電力消費の低減およびテーラードブランク材１枚あたりの生産時間を減らして生産性を上げることが可能となる。

本発明のように、溶接線の不連続位置で、レーザービームパワーもしくは相対移動速度を変更するには、不連続の溶接線の予定開始位置および溶接終了位置を検出してこれをもとにレーザービームパワーもしくは相対移動速度を変更する。溶接線の開始位置および終了位置を検出するためには、突合せ線上のレーザービーム照射位置の溶接方向上流位置に、金属板検出装センサーを設け、この信号を用いればよい。また溶接トーチ上流側に突合せギャップ位置検出機能を持つ装置の場合、その信号を取り込んで代用しても良い。

金属板検出センサーによりレーザービーム照射位置における溶接線始終端通過タイミングが判定できるので、それにあわせてレーザービームパワーもしくは相対移動速度を変更する。

なお溶接線始端においては、レーザービームパワーもしくは速度を溶接所定に設定するタイミングを若干早く（１秒以下）し、終端部においてはレーザービームパワーを待機状態に下げるもしくは相対速度を増速するタイミングを若干（１秒以下）遅くする必要がある。これは、レーザーパワー変更の応答遅れや移動の加速時間を見越して、溶接始終端部での溶接条件不安定による溶接不良を排除するためである。

以下発明例及び比較例に基づいて本発明を詳細に述べる。

３セットのテーラードブランク材を１回の溶接サイクルで製造する試験を実施した。このときのレーザートーチの移動ストロークは２０００ｍｍであった。このレーザートーチの移動ストローク２０００ｍｍに合わせて、各セットのブランク材料の溶接シーム長さは５００ｍｍとし、溶接部と溶接部との間隔はそれぞれ２５０ｍｍづつにセットした。

パレット上にセット・クランプした３セットのテーラードブランク材の溶接は、６ｋＷの炭酸ガスレーザーを用い、溶接速度は毎分６ｍの速度で溶接を行った。すなわち、トーチの移動速度は毎分６ｍであった。

（比較例）
先ず、従来技術で一定の溶接速度（６ｍ／分）、一定のレーザーパワー（６ｋＷ）で溶接を行った。このときの溶接長に対するレーザートーチ移動速度とレーザー発振機の出力の関係を図７に示す。このとき最初のテーラードブランク材の溶接開始から、３枚目のテーラードブランク材の溶接完了まで、２０秒が必要であった。

（発明例）
次に、本発明に基づきテーラードブランク材の各溶接部はトーチ移動速度を６ｍ／分、レーザーパワーを６ｋＷとし、２５０ｍｍの溶接線の各不連続個所でトーチ移動速度を６ｍ／分から１６ｍ／分に上昇させ、レーザーパワーをオフにして溶接を実施した。これは予めトーチストロークにあわせて速度、出力を設定しておきそのプログラムに基づき溶接中にそのパラメーターが変更した。若しくはレーザートーチの溶接上流側にブランクセンサーを設置して、その信号をもとにパラメーターを変更しても良い。この場合図８に示すように１サイクルの最初のテーラードブランク材の溶接開始から、３枚目のテーラードブランク材の溶接完了まで、約１７秒で完了し、３秒のサイクルタイム低減につながった。

このことにより、生産性は１５％向上し、それにより一枚あたりの溶接コストに占める固定費部分は１３％も削減できた。

さらに、溶接不連続部分でのレーザー発信機の出力を無しとしたことで、テーラードブランク１枚辺りの電力消費を２５％も削減できた。このことにより、本技術を適用することにより、テーラードブランク材の製造コストを大幅に削減できることが確認できた。

テーラードブランク材の溶接状況の概要を示す図である。溶接ロボットを使用するテーラードブランク材の溶接状況の概要を示す図である。複数のブランク板の溶接線を同一直線状に配置し、連続的にレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する概要を示す図である。ブランク板の溶接線上に穴明きがあり、溶接線が断続する例を示す図である。複数のブランク板をセットにして、溶接線を同一直線状に配置し、連続的にレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する概要を示す図である。溶接線を同一直線状に配置し、連続的にレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する他の例の概要を示す図である。溶接線を同一直線状に配置し、連続的にレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する際の、従来技術による溶接速度とレーザー出力との関係を示す図である。溶接線を同一直線状に配置し、連続的にレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する際の、本発明による溶接速度とレーザー出力との関係を示す図である。

符号の説明

１パレット
２金属板（ブランク板）
３金属板（ブランク板）
４突合せ線
５レーザートーチ
６溶接ロボット
７ビーム照射
８溶接ビード
９溶接線
１０穴明き
１１台車レール
１２往復台車
１３材料供給ロボット
１４溶接ステーション
１５製品払い出しロボット
１６搬送ローラー
１７搬送コンベア
１８センサーヘッド

Claims

複数の金属板を突合せて溶接線が直線状の同一線上になるように配置し、レーザービームにより突合せ溶接して、突合せ溶接金属板を製造する方法において、複数の金属板の突合せ線を直線状に不連続に配列し、レーザービームトーチを金属板の突合せ線に沿って金属板と相対的に一方向に移動させて不連続な突合せ線に沿って溶接する際に、突合せ線と突合せ線との間が不連続溶接線となる間では、トーチの相対移動速度を上げると共に、レーザービームパワーを溶接部より下げるか、または、レーザービームを発振させないことを特徴とする、突合せ溶接金属板の製造方法。
突合せ線上のレーザービーム照射位置の溶接方向上流位置に、金属板検出装置を設け、該金属板検出装置からの検出信号に基づいてレーザービームパワーの増減もしくはトーチ相対移動速度の増減を行なうことを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接金属板の製造方法。
不連続溶接線のそれぞれの溶接線始端においては、レーザービームパワーおよび速度を変更開始するタイミングを、レーザー照射位置を溶接線始端が通過するよりも早くし、終端部においてはレーザービームパワーおよび速度を変更開始するタイミングを、レーザー照射位置を溶接線終端が通過するよりも遅くすることを特徴とする請求項１または２に記載の突合せ溶接金属板の製造方法。
突合せた金属板に穴明きがあり、該穴明き部で不連続溶接線を形成していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の突合せ溶接金属板の製造方法。