JP5217113B2

JP5217113B2 - 金属板材の接合方法及び接合装置

Info

Publication number: JP5217113B2
Application number: JP2006142337A
Authority: JP
Inventors: 泰則伊藤; 昭博清水
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007313511A

Description

本発明は複数の金属板材をその縁部において溶接する金属板材の接合方法及び接合装置に関するものである。

従来、自動車部品の製造においては、深絞り成形、張出し成形等成形性が要求される自動車部品あるいは高強度が要求される自動車部品毎に、その要求に応じた鋼板をプレス成形して自動車部品を製造していたが、自動車部品の中には、成形性が厳しく要求される部位とそれ程成形性が要求されない部位とを備えた自動車部品や、高強度が厳しく要求される部位とそれ程高強度が要求されない部位を備えた自動車部品等がある。このような自動車部品を製造する場合、従来は要求される性能に耐えられる一枚の鋼板を用いてプレス成形を行い、成形後の自動車部品を溶接して自動車を製造していた。

また、最近では自動車の高強度化と軽量化を実現する手段として、必要な部位に必要な板厚と強度を持たせ、板厚あるいは強度の異なる鋼板をレーザ等で接合して一枚の鋼板となし、その後一体でプレス成形、ハイドロフォーミング成形に供するという、いわゆるテーラードブランクと呼ばれる方法が使用されている。

しかしながら、プレス時に溶接部が割れることないようにテーラードブランクの溶接に求められる品質は高く、その品質は溶接前の断面形状や突き合わせ隙間に大きく影響を受ける。通常溶接面は、せん断力を利用したシャー切断やブランキング（型抜き）等の機械的切断によって行われ、切断面が荒いと溶接不良（実績不良率１〜５％）となり、特にハイテンや長尺材の機械的切断は直線度や切断面の形状管理が難しく不良率が高くなる。不良率を低くするためには、切断刃物の整備を頻繁にする必要があり、切断刃物の整備に手間が掛かる。また、製品切り替え時の突き合わせ精度の調整に時間がかかり、生産性が低下してしまう。

また、同じ板厚や同じ材質の金属板材を突き合わせて溶接する場合にも同様の問題がある。

そこで、金属板材の溶接品質を高くするため、特許文献１に示されるような溶接面を機械切断によらず、レーザにより切断することで、突き合わせ精度を確保し、溶接品質を向上させる技術がある。

しかしながら、この特許文献１に示される方法では、図６に示すように、切断トーチ５１と溶接トーチ５２がそれぞれ一つしか備えられていないため、往路で第一の金属板材５３の縁部を切断トーチ５１が発するレーザで切断してから、復路で第二の金属板材５４の縁部を切断トーチ５１が発するレーザで切断して、第一の金属板材５３と第二の金属板材５４の縁部を突き合わせ、溶接トーチ５２が発するレーザで縁部を点付け溶接で仮付けしてから、溶接トーチ５２が発するレーザで本溶接を行うため、切断トーチ５１及び溶接トーチ５２が取り付けられているアーム５５が２往復するので、加工所用時間が長くなり生産性が低下してしまう。図７に従来のフロー図を示す。なお、図４に示される金属板材の溶接長さは１０００ｍｍである。

そこで、上記問題を解決するような、有利な接合方法の出現が待たれているところである。

特開２００２−５９２８０号公報

本発明は上記のような問題点を解決して、溶接品質及び生産性の極めて有利な金属板材の接合方法及び接合装置を提供する。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、厚さの異なる第一の金属板材と第二の金属板材のそれぞれの縁部をレーザで連続的に切断したうえ溶接する金属板材の接合方法において、
移動ビーム上に切断・溶接方向に沿って直列に配置され、溶接部に沿ってそれぞれ異なる速度で動く２つのアームと、
前記各アームにそれぞれ設けられた切断用レーザを発する切断用トーチと、
前記各アームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザを発する溶接用トーチと、
レーザを発する１つのレーザ発振器と、
前記各切断用トーチと接続し、前記レーザ発振器が発するレーザを前記各切断用トーチに分配する切断用レーザの分配器と、
前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器と溶接用トーチのいずれかに切り替える切替器とを有する金属板材の接合装置を用い、
先ず前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器に切り替え、各アームの切断用トーチにレーザ出力を一定比率で分配しながら、
前記それぞれのアームを、一方が他方を追いかけるように異なる速度で動かせて、前記第一の金属板材の縁部と前記第二の金属板材の縁部を前記それぞれの切断用トーチで切断し、
次に前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記溶接用トーチに切り替え、
前記第一の金属板材と前記第二の金属板材の縁部を突き合わせて前記溶接用トーチで溶接することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
金属板材の縁部を切断する切断用レーザを設けた前記２つのアームが、同じ向きに走行することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
金属板材の縁部を溶接する溶接用レーザを設けた前記２つのアームの移動方向は、切断用レーザを用いる際のアームの移動方向と逆向きであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、
第一の金属板材と第二の金属板材の縁部を前記２つのアームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザで本溶接する前に、溶接用レーザを間欠的に照射して仮溶接することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、
仮溶接する溶接用レーザを設けた一方のアームの後を、本溶接する溶接用レーザを設けた他方のアームが走行してレーザ溶接することを特徴とする。

なお、前記方法を具現化するための装置である請求項６に記載の発明は、
厚さの異なる第一の金属板材と第二の金属板材のそれぞれの縁部をレーザで連続的に切断したうえ溶接する金属板材の接合装置において、
共通の移動ビーム上に切断・溶接方向に沿って直列に配置され、溶接部に沿ってそれぞれ異なる速度で動く２つのアームと、
前記各アームにそれぞれ設けられた切断用レーザを発する切断用トーチと、
前記各アームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザを発する溶接用トーチと、
レーザを発する１つのレーザ発振器と、
前記各切断用トーチと接続し、前記レーザ発振器が発するレーザを前記各切断用トーチに一定比率で分配する切断用レーザの分配器と、
前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器と溶接用トーチのいずれかに切り替える切替器とを有し、
前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器に切り替え、
前記それぞれのアームを一方が他方を追いかけるように異なる速度で動かせて、前記第一の金属板材の縁部と前記第二の金属板材の縁部を前記それぞれの切断用トーチで切断し、
前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記溶接用トーチに切り替え、
前記第一の金属板材と前記第二の金属板材の縁部を突き合わせて前記溶接用トーチで溶接するように構成されていることを特徴とする。

第一の金属板材の縁部と第二の金属板材の縁部をレーザで連続的に溶接する金属板材の接合方法において、溶接前に２本の切断用レーザで第一の金属板材と第二の金属板材のそれぞれの縁部を切断した後に、第一の金属板材と第二の金属板材の縁部を突き合わせて溶接用レーザで溶接することとしたので、１本のレーザで第一の金属板材の縁部と第二の金属板材の縁部を切断するのに比べて、加工時間を短縮することができ、生産性を向上させることが可能となる。

第一の金属板材の縁部を切断する切断用レーザの切断速度と第二の金属板材の縁部を切断する切断用レーザの切断速度を、それぞれの最適切断速度として、それぞれ異なる切断速度とし、同じ向きに切断用レーザを走行させることとすると、切断面の品質を保ちながら、加工時間を短縮することが可能となる。

第一の金属板材と第二の金属板材の縁部を溶接用レーザで本溶接する前に、溶接用レーザを間欠的に照射して仮溶接することとすると、溶接熱による口開きを防止することが可能となり、口開き防止のための大掛かりなクランプ装置が不要となる。

金属板材の縁部を溶接する溶接用レーザは、切断する切断用レーザと逆向きに走行することとし、仮溶接する溶接用レーザの後を、本溶接する溶接用レーザが走行することとすると、加工時間を短縮させて、生産性を向上させることが可能となる。

溶接部に沿って動くアームを２つ設け、切断用レーザを発する切断用トーチと溶接用レーザを発する溶接用トーチを１つずつ前記アームに設けると、前記アームが１往復するだけで溶接が完了し、加工時間を短縮させて、生産性を向上させることが可能となる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１に本発明の実施の形態を示す説明図を示し、図２に本発明のフロー図を示す。１は第一の金属板材であり、２は第二の金属板材である。第一の金属板材１と第二の金属板材２は厚さが異なるものである。図１の実施例のものでは、例えば第一の金属板材１に厚さは０．８ｍｍであり、第二の金属板材２の厚さは１．６ｍｍであり、第一の金属板材１及び第二の金属板材２の長さは１０００ｍｍであり、金属板材は例えば鋼帯である。

３は移動ビームであり、例えばリニアガイドであり、第一の金属板材１及び第二の金属板材２の溶接長さより長い。この移動ビーム３には、移動ビーム３上を走行する第一のアーム４と第二のアーム５が設けられている。第一のアーム４には、第一の切断トーチ６と第二の溶接トーチ７が設けられ、第二のアーム５には第二の切断トーチ８と第一の溶接トーチ９が設けられている。図１に示すように、第一のアーム４と第二のアーム５は移動ビーム３上に切断・溶接方向に沿って直列に配置されている。

第一の切断トーチ６、第二の切断トーチ８からは切断用レーザが発せられ、第一の溶接トーチ９、第二の溶接トーチ７からは溶接用レーザが発せられる。ここでレーザとは、放射の誘導放出により増幅された光であり、誘導放出とは、光が他の高いエネルギを持った原子や分子に衝突すると、同じ性質の光が放出されることをいう。レーザは高出力で指向性が高い性質を有するので、レンズにより集光させると、焦点付近でのエネルギ密度は非常に高くなり、加工物に照射するとエネルギが吸収され，加工物の表面温度が急激に上昇し沸点に到達し、切断や溶接することが可能となる。

レーザの種類はファイバーレーザであることが好ましい。ファイバーレーザとは、光通信に使われている光ファイバーのガラスにレーザ活性な元素を添加し、光ファイバー自体をレーザ装置としたものである。ファイバーレーザを使用するのは、発振器大きさに対して大出力化が容易であり、ファイバー径が非常に細く、高ビーム品質が得られ、（例えばφ０．１のファイバーで５Ｋｗの出力が得られる）発振器の構造からメンテナンスフリーであり、ランニングコストが少なく、今後さらなるイニシャルコストの低減も期待できるからである。なお、本発明に用いられるレーザはファイバーレーザが好ましいが、ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザ、ＣＯ_２（炭酸ガス）レーザ等のレーザであっても差し支えない。

このレーザはレーザ発振器１０から発せられ、切断時と溶接時でピーク出力、パルス周波数、パルス幅等の発振条件を変えて使用する。このレーザ発振器１０は切替器１１に接続している。第一の切断トーチ６及び第二の切断トーチ８は切断用レーザの分配器１２に接続し、第一の溶接トーチ９及び第二の溶接トーチ７は溶接用レーザの分配器１３に接続している。切断時には、切替器１１が、レーザ発振器１０で発生させた切断用レーザの光路を、切断用レーザの分配器１２側にして、切断用レーザの分配器１２が切断用レーザを、第一の切断トーチ６及び第二の切断トーチ８に分配して送る。また溶接時には、切替器１１が、レーザ発振器１０で発生させた溶接用レーザの光路を、溶接用レーザの分配器１３側に切り替えて、溶接用レーザの分配器１３が溶接用レーザを第一の溶接トーチ９及び第二の溶接トーチ７に分配して送る。
なお、切替器１１、切断レーザ用分配器１２，溶接用レーザの分配器１３はレーザ発振器１０に内蔵されていてもよい。

次に、本発明の作用を説明する。第一の金属板材の縁部２１を移動ビーム３と平行に、第一の切断トーチ６の直下に配置し、第二の金属板材の縁部２２を移動ビーム３と平行に、第二の切断トーチ８の直下に配置する。第一のアーム４が移動ビーム３上を走行するときに第一の切断トーチ６が切断用レーザを発し、切断用レーザが第一の金属板材の縁部２１を走行するので、第一の金属板材の縁部２１が切断されて、切断面の性状が良好となる。また、第二のアーム５が移動ビーム３上を走行するときに第二の切断トーチ８が切断用レーザを発し、第二の金属板材の縁部２２を切断する。なお、切断品質を向上させるために、クランプ装置１４で第一の金属板材１と第二の金属板材２が動かないように押さえつけるか、バキューム装置（図示せず）で第一の金属板材１と第二の金属板材２を吸引して動かないようにすることが好ましい。

レーザ切断の切断速度（切断トーチ６，８の移動速度）には最適範囲が存在し、切断速度が遅すぎると過入熱となって、溶融過多となり、切断面が不整となる。また、レーザ切断の切断速度が速すぎると、入熱が不足し金属板材を切断することができない。

図３に本発明のレーザ切断の金属板材の板厚と切断速度の関係のグラフを示す。このグラフは、切断用のレーザビーム径がφ０．５ｍｍでレーザ出力が１ＫＷの時の金属板材の板厚と切断速度との関係を示すものである。レーザ切断の最適切断速度は板厚が薄い部分（０．７ｍｍ以下）を除いて、実験的・経験的に下記の式で近似される。
Ｖ＝Ｋ（Ｐ／ｄｔ）（式１）
Ｖ：最適切断速度（ｍ／分）
Ｋ：切断定数
Ｐ：レーザ出力（ＫＷ）
ｄ：レーザビーム径（φｍｍ）
ｔ：金属板材の板厚（ｍｍ）

式１に
第一の金属板材１：ｔ＝０．８
第二の金属板材２：ｔ＝１．６
切断係数：Ｋ＝１
レーザ出力：Ｐ＝５Ｋｗ
レーザビーム径：ｄ＝０．１
を代入して第一の金属板材１と第二の金属板材２のレーザ切断の最適切断速度を求めると以下の値になる。
第一の金属板材１の最適切断速度：Ｖ_１＝６２．５（ｍ／分）
第二の金属板材２の最適切断速度：Ｖ_２＝３１．２５（ｍ／分）

このようにテーラードブランクは、一般的に板厚に差がある金属板材を溶接することが多いので、それぞれ最適切断速度が異なる。レーザ出力やレーザビーム径を調整することにより、切断速度を、薄板、厚板とも同じにして、薄板、厚板切断用のトーチを同じアームに搭載することは理論的には可能であるが、工業的にはレーザ発振器を２つ持たない限り、レーザ出力を調節することが難しい。また、レーザビーム径を変えることも、工学レンズの組み合わせを変更するなど困難なことが多い。一方で、１つのレーザ発振器１０から分配器１２により、レーザを分岐させて複数のレーザを発生させることは可能である。しかし、分配器１２の分配比率の調整をすることは困難である。そこで、レーザによる金属板材の切断速度を変更させて、それぞれの金属板材の最適切断速度とするために、第一の切断トーチ６と第二の切断トーチ８をそれぞれ独立の第一のアーム４、第二のアーム５に設けて、２本の一定比率に分配された出力の切断用レーザを発する構造とし、装置的に切断速度を変更可能な構造とすることとした。このように、装置的に切断速度を変更可能な構造としたので、高価なレーザ発振器を複数必要とせず、レーザ出力、レーザビーム径、分配器１２の分配比率の調整も不要となるに至った。

実施例では、第一の金属板材１の最適切断速度が第二の金属板材２の最適切断速度より早いことから、第一の切断トーチ６が先に走行して、第一の金属板材の縁部２１をレーザ切断し、第一の切断トーチ６を追いかけるように、第二の切断トーチ８が第一の切断トーチ６と同じ向きに走行して、第二の金属板材の縁部２２をレーザ切断することとした。

次に、図４に示されるように、第一の金属板材１及び第二の金属板材２の縁部をレーザで切断した後に、第一の金属板材１及び第二の金属板材２の縁部を突き合わせ装置１５で突き合わせる。突き合わせ装置１５は例えば、第二の金属板材２を押すプッシャーである。切替器１１で、レーザ発振器１０で発生するレーザの光路を溶接用レーザの分配器１３側に切り替える。第二のアーム５を切断時と逆向きに走行させ、第一の金属板材１及び第二の金属板材２の縁部に第一の溶接トーチ９から溶接用レーザを間欠的に照射して、第一の金属板材１と第二の金属板材２の仮溶接を行う。ここで、図５に示されるように、本実施例のものでは、例えば仮溶接の幅ａは１．０ｍｍであり、ピッチｂは１００〜２００ｍｍである。

第二のアーム５を追いかけるように、第一のアーム４を走行させて、第一の金属板材１と第二の金属板材２の縁部に第二の溶接トーチ７から溶接用レーザを連続的に照射して溶接し、接合が完了する。

以上説明したように、アームを２つ設けて、切断トーチと溶接トーチをそれぞれのアームに設けることとして、往動作で２つの切断トーチをそれぞれ、金属板材をレーザ切断する最適速度で走行させ、復動作で仮溶接する溶接トーチの後を本溶接する溶接トーチが走行して溶接することとしたので、アームが２往復することなく、１往復するだけで異なる種類の金属板材を溶接して接合することが可能となった。

なお、実施例のものでは溶接部が直線であり、第一の切断トーチ６、第二の切断トーチ８、第一の溶接トーチ９、第二の溶接トーチ７は溶接部に対し平行に走行する金属板材の接合構造及び接合装置について説明したが、溶接部が曲線である場合には、これら第一の切断トーチ６、第二の切断トーチ８、第一の溶接トーチ９、第二の溶接トーチ７は溶接部に沿って動く。

また、実施例のものでは、厚さが異なる金属板材を溶接する方法を示したが、材質が異なることにより、レーザ切断により最適切断速度が異なる金属板材にも本発明を適用することができ、厚さや材質が同じ金属板材の溶接にも本発明が適用することができることは言うまでもない。また、本発明によって接合される金属板材は、鋼帯に限定されず、アルミニウム等のその他の金属板材に適用することができることは言うまでもない。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う金属板材の接合方法及び接合装置もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明の実施の形態を示す説明図である。本発明のフロー図である。金属板材の板厚と切断速度の関係のグラフである。本発明の実施の形態を示す説明図である。仮溶接の説明図である。従来の実施の形態を示す説明図である。従来のフロー図である。

１第一の金属板材
２第二の金属板材
３移動ビーム
４第一のアーム
５第二のアーム
６第一の切断トーチ
７第二の溶接トーチ
８第二の切断トーチ
９第一の溶接トーチ
１０レーザ発振器
１１切替器
１２切断用レーザの分配器
１３溶接用レーザの分配器
１４クランプ装置
１５突き合わせ装置
２１第一の金属板材の縁部
２２第二の金属板材の縁部
５１切断トーチ
５２溶接トーチ
５３第一の金属板材
５４第二の金属板材
５５アーム
ａ仮溶接の幅
ｂ仮溶接のピッチ

Claims

厚さの異なる第一の金属板材と第二の金属板材のそれぞれの縁部をレーザで連続的に切断したうえ溶接する金属板材の接合方法において、
移動ビーム上に切断・溶接方向に沿って直列に配置され、溶接部に沿ってそれぞれ異なる速度で動く２つのアームと、
前記各アームにそれぞれ設けられた切断用レーザを発する切断用トーチと、
前記各アームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザを発する溶接用トーチと、
レーザを発する１つのレーザ発振器と、
前記各切断用トーチと接続し、前記レーザ発振器が発するレーザを前記各切断用トーチに分配する切断用レーザの分配器と、
前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器と溶接用トーチのいずれかに切り替える切替器とを有する金属板材の接合装置を用い、
先ず前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器に切り替え、各アームの切断用トーチにレーザ出力を一定比率で分配しながら、
前記それぞれのアームを、一方が他方を追いかけるように異なる速度で動かせて、前記第一の金属板材の縁部と前記第二の金属板材の縁部を前記それぞれの切断用トーチで切断し、
次に前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記溶接用トーチに切り替え、
前記第一の金属板材と前記第二の金属板材の縁部を突き合わせて前記溶接用トーチで溶接することを特徴とする金属板材の接合方法。
金属板材の縁部を切断する切断用レーザを設けた前記２つのアームが、同じ向きに走行することを特徴とする請求項１に記載の金属板材の接合方法。
金属板材の縁部を溶接する溶接用レーザを設けた前記２つのアームの移動方向は、切断用レーザを用いる際のアームの移動方向と逆向きであることを特徴とする請求項２に記載の金属板材の接合方法。
第一の金属板材と第二の金属板材の縁部を前記２つのアームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザで本溶接する前に、溶接用レーザを間欠的に照射して仮溶接することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の金属板材の接合方法。
仮溶接する溶接用レーザを設けた一方のアームの後を、本溶接する溶接用レーザを設けた他方のアームが走行してレーザ溶接することを特徴とする請求項４に記載の金属板材の接合方法。
厚さの異なる第一の金属板材と第二の金属板材のそれぞれの縁部をレーザで連続的に切断したうえ溶接する金属板材の接合装置において、
共通の移動ビーム上に切断・溶接方向に沿って直列に配置され、溶接部に沿ってそれぞれ異なる速度で動く２つのアームと、
前記各アームにそれぞれ設けられた切断用レーザを発する切断用トーチと、
前記各アームの少なくとも一方に設けられた溶接用レーザを発する溶接用トーチと、
レーザを発する１つのレーザ発振器と、
前記各切断用トーチと接続し、前記レーザ発振器が発するレーザを前記各切断用トーチに一定比率で分配する切断用レーザの分配器と、
前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器と溶接用トーチのいずれかに切り替える切替器とを有し、
前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記切断用レーザの分配器に切り替え、
前記それぞれのアームを一方が他方を追いかけるように異なる速度で動かせて、前記第一の金属板材の縁部と前記第二の金属板材の縁部を前記それぞれの切断用トーチで切断し、
前記切替器により、前記レーザ発振器が発するレーザの光路を、前記溶接用トーチに切り替え、
前記第一の金属板材と前記第二の金属板材の縁部を突き合わせて前記溶接用トーチで溶接するように構成されていることを特徴とする金属板材の接合装置。