JP5630699B2 - 亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法に関し、さらに詳しくは、スポット溶接の代替技術として実施するのに適したレーザ重ね溶接方法に関する。

自動車の車体には、耐食性を考慮して亜鉛めっき鋼板が多用されている。車体各部を構成する亜鉛めっき鋼板製のパネルは、立体形状にプレス成形され、立体形状部分の周辺部で接合されることにより、強度的に有利な中空閉断面を基調とした車体構造を構成している。従来、車体パネルの接合は、主としてスポット溶接により行われていたが、より高速な処理が可能な代替技術としてレーザ溶接の導入が進んでいる。

亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ねた状態でレーザ溶接すると、気化した亜鉛が溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融金属内に気泡として残留したりすることにより、ブローホールなどの溶接欠陥を生じることが知られている。この問題を回避するために、特許文献１、２には、何れか一方の亜鉛めっき鋼板に突起を形成しておき、鋼板を重ねた状態で、亜鉛蒸気を排出するための隙間が形成されるようにすることが開示されている。

特開平１０−２１６９７４号公報 特許第２５７１９７６号公報

自動車の車体パネルはプレス成形されるので、このようなプレス部品に突起を形成する場合、成形工程に引き続いて、プレス型内に配置したパンチによりエンボス加工を行う。しかし、スポット溶接用として設計された部品にレーザ溶接を適用する場合、この部品はレーザ溶接に必要な突起の配置を想定していないため、接合面のスペースや傾斜の問題で突起を配置できない、あるいは逆に、突起の追加によって溶接位置の変更を余儀なくされる、といった問題が生じた。

仮に、溶接位置を変更すると、車体構造としての強度性能や耐衝撃性能が変化してしまい、再度性能確認試験を行なわなければならない。また、新たに設計される部品に対しても、それまでのスポット溶接を前提として蓄積された設計データを直ちに利用できない。これらの問題は、レーザ溶接の導入に際して少なからぬ障害となっていた。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポット溶接に準じた接合条件でスポット溶接と同等の性能が得られ、スポット溶接の代替技術として実施するのに適したレーザ重ね溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
亜鉛めっき鋼板製の２つの部品（１０，２０）をプレス成形する工程であって、前記２つの部品に、それらの対向面に帯状に延在する接合面（１１，２１）が形成されるとともに、前記２つの部品の何れか一方の前記接合面（１１）に、該接合面の延在方向に所定の間隔を有して複数の突起（１）が形成され、前記複数の突起（１）は、それぞれが、前記２つの部品をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する位置および大きさ形状の個々の仮想単位スポット（２ｅ）の間に、前記接合面（１１，２１）の延在方向と略直交する方向に延びる稜線状突起（１ａ）として形成されるような工程と、
前記２つの部品を前記接合面において重ね合わせた状態に保持する工程であって、前記接合面の間に前記突起の高さに応じた隙間（ｇ）が形成されるような工程と、
前記２つの部品の前記重ね合わせた領域の何れかの表面にレーザ（２ａ）を照射する工程であって、前記仮想単位スポット（２ｅ）を囲む曲線状の単位レーザ走査（２ｃ）を、前記各仮想単位スポット（２ｅ）に対して実施することで、前記レーザのエネルギーにより、前記２つの部品の前記重ね合わせた領域が加熱溶融されて溶接接合され、かつ、加熱溶融時に発生する亜鉛ガスが前記隙間から排出されるような工程と、
を含むことを特徴とする。

上記方法によれば、上記のような単位レーザ走査を行う単位スポットの間に形成された複数の突起が、前記接合面の延在方向と略直交する方向に延びる稜線状突起として形成されることで、前記接合面の間に、亜鉛蒸気の排出方向となる接合面の側方に向かって一様な間隙を安定的に形成でき、ブローホールなどの溶接欠陥を生じることなく良好なレーザ溶接が行える。

しかも、稜線状突起は、単位レーザ走査の配列方向における所要面積が小さく、スポット溶接の溶接スポットに相当する単位スポットの配置に影響を与えずに形成でき、かつ、単位スポットを囲む曲線状の単位レーザ走査は、殆ど単位スポットの範囲において実施可能であり、２つの部品をスポット溶接する場合と同等の接合強度が得られる。

これにより、スポット溶接を前提とした既存の設計データを活用でき、スポット溶接の代替技術として導入するのに好都合であると共に、必要最小限のレーザ走査となるので、消費電力が少なくて済む利点もある。また、レーザ溶接では、スポット溶接における既溶接スポットへの無効分流のような問題を生じないので、各単位スポット間にレーザ走査を追加して局所的に接合強度を高めることもできる。

本発明に係るレーザ重ね溶接方法において、前記複数の突起（１）は、平坦な頂面を有する台形状突起（１ｂ）をさらに含み、前記稜線状突起（１ａ）が相互に隣接する場合の間隔が、前記仮想単位スポット（２ｅ）の直径の５倍以下であり、前記稜線状突起（１ａ）と前記台形状突起（１ｂ）とが隣接する場合の間隔、および、前記台形状突起（１ｂ）が相互に隣接する場合の間隔が、前記仮想単位スポット（２ｅ）の直径の１０倍以下であることが好適である。

前記重ね合わせた状態に保持する工程において、稜線状突起が相互に隣接する場合の間隔が単位スポットの直径の５倍以下であれば、隣接した稜線状突起間における接合面が、例えば薄板鋼板のフランジ部からなるような場合でも、接合面の撓みによる隙間不足を生じず、溶接時における亜鉛蒸気の排出が阻害されることがない。さらに、一方の部品の接合面の複数の単位スポット間に亘って連続した平坦部が確保されているような場合、稜線状突起の代わりに台形状突起を形成することで、前記重ね合わせた状態に保持する工程における、他の部品の接合面に対する支持の安定性が向上し、当該台形状突起に隣接した稜線状突起を省略しても隙間形成が可能となり、形成すべき突起の数を削減できる。

本発明に係るレーザ重ね溶接方法は、前記２つの部品が自動車の車体を構成するパネルであり、前記接合面の少なくとも一方が、前記パネルの周辺に延設されたフランジ部である場合に、特に好適に実施される。

以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法によれば、傾斜面や曲面を多用した立体形状のプレス部品の接合面に対しても、亜鉛蒸気を排出するための均一な隙間を安定的に形成でき、良好な溶接品質が得られる。また、スポット溶接と同等の性能および品質を維持したまま必要最小限の溶接条件でレーザ重ね溶接を行うことができ、スポット溶接の代替技術として低コストで導入できる。

本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品の接合前の状態を示す斜視図（ａ）および接合状態を示すＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品を示すＢ−Ｂ断面図（ａ）および正面図（ｂ）、並びに単位レーザ溶接の拡大図（ｃ）である。 稜線状突起のエンボス加工を示す断面図（ａ）、稜線状突起を示す斜視図（ｃ）、およびそのクランプ状態を示す断面図（ｂ）である。 台形状突起を示す断面図（ａ）および斜視図（ｂ）である。 段差部に隣接した稜線状突起および単位レーザ走査を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。 段差部に隣接した台形状突起および単位レーザ走査を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品の一例として、自動車のバックドア開口（またはトランクリッド開口）の下側に配設されるリアスカート１０と、その上部外面側に接合されるテールエンドメンバー２０の接合前の状態（ａ）および接合状態（ｂ）を示している。

リアスカート１０は、上縁部に車幅方向に延在しかつ車両後方に向けて延出したフランジ１２が形成されている。フランジ１２の下方には、車幅方向に延在する帯状の接合面１１が形成され、接合面１１とフランジ１２との間に、車幅方向に延びかつ車両後方に向けて開いた断面Ｕ字状のチャンネル構造部１４が形成されている。リアスカート１０の接合面１１より下側の部分が実質的なリアスカートを構成する部分であり、その車幅方向中央は、図示しないスペアタイヤハウスの後壁部を構成すべく車両後方側に膨出した膨出部１３となっている。

テールエンドメンバー２０は、上縁部に車幅方向に延在しかつ車両後方に向けて延出したフランジ２２が形成され、下端部には車幅方向に延在しかつ下方に延出したフランジ２１が形成されている。そして、図１（ａ）（ｂ）に示すように、テールエンドメンバー２０のフランジ２２は、リアスカート１０のフランジ１２の下面に重合され、かつ、テールエンドメンバー２０のフランジ２１は、リアスカート１０の接合面１１に重合され、それぞれの重合部分を、後述のようにレーザ重ね溶接することで、リアスカート１０のチャンネル構造部１４とテールエンドメンバー２０との間に車幅方向に延在する閉断面１５が形成される。また、溶接接合されたフランジ１２，２２は、バックドア開口の下縁に沿って延在するバックドアオープニングフランジの一部を構成する。

上記各重合部分（１１，２１）および（１２，２２）に、レーザ重ね溶接時に発生する亜鉛蒸気を排出するための隙間を導入するために、リアスカート１０の接合面１１およびフランジ１２の下面には、それらの延在方向に間隔を有して多数の突起１（１ａ，１ｂ）が形成されている。

これらの突起１（１ａ，１ｂ）は、図２（ａ）（ｂ）に符号２ｅで示す単位スポット、すなわち、リアスカート１０とテールエンドメンバー２０をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する単位スポット２ｅを避けて、各単位スポット２ｅの中間に形成されており、レーザ溶接する際に、各単位スポット２ｅに対して、図２（ｃ）に示すように、各単位スポット２ｅを囲む円形（曲線状、Ｃ字状）の単位レーザ走査２ｃを実施することで、２つの部品をスポット溶接する場合と同等の接合強度が得られるようにしている。

スポット溶接では、単位スポット（２ｅ）内全体に接合が生じるのに対して、上記単位レーザ走査２ｃでは、単位スポット２ｅの周囲のみが接合され、単位スポット２ｅ内では溶接は生じない。しかし、レーザ溶接では、スポット溶接に比べて深い溶け込みが得られるので、上記のような円形の単位レーザ走査２ｃによって、スポット溶接と同等以上の接合強度が得られることが確認されている。

なお、上記単位レーザ走査２ｃの代わりに、単位スポット２ｅに相当するビード面積が得られるような曲線状または直線状の単位レーザ走査を行うことによっても同等の接合強度を得ることができる。しかし、単位レーザ走査が、上記単位スポット２ｅから大きくはみ出すような形状で実施される場合、実質的に単位スポット（２ｅ）が移動したことになり、強度性能が変化する虞がある。この問題は、突起１（１ａ，１ｂ）の形状とも関連する。この点については後述する。

上記突起１（１ａ，１ｂ）は、亜鉛めっき鋼板製のブランクからリアスカート１０をプレス成形した後、エンボス加工用のプレス型に付設されたパンチ３によって加工される。図３（ａ）では実際の加工時と上下逆に示されているが、加工部位に対応する孔が穿設されたダイ３２を備えた下型にリアスカート１０をセットした状態で、上型３１（押さえブロック）に穿設された孔からパンチ３が突出し、前記ダイ３２の孔内に鋼板（１１）を突き出すことで、突起１（１ａ）が形成される。

突起１（１ａ，１ｂ）は、接合面１１およびフランジ１２の形状や単位スポット２ｅとの位置関係に応じて、図３および図５に示される稜線状突起１ａ、または、図４および図６に示される台形状突起１ｂの何れかとして形成されている。

稜線状突起１ａは、先端がＶ形状の断面を有するパンチ３を用いてエンボス加工することにより、図３（ｂ）に示されるように、帯状の接合面１１およびフランジ１２の延在方向と直交する方向に延びる稜線１ｃを有している。このような稜線状突起１ａは、接合面１１およびフランジ１２の延在方向における所要面積が必要最小限となるので、接合面１１およびフランジ１２の形状によって充分なスペースが確保できないような部位に好適である。また、傾斜面（１１ｄ，１１ｅ）の傾斜角度に拘わらず、稜線１ｃの方向に一様な高さｇが得られる利点がある。

一方、台形状突起１ｂは、平坦な円形の先端面を有するパンチ（図示せず）を用いてエンボス加工することにより、図４（ｂ）に示されるように、平面的な広がりを持った円形の頂面を有している。このような台形状突起１ｂは、平坦な頂面で相手部品（２０）を安定的に支持できる利点がある。そのため、台形状突起１ｂの間隔を広くしても、重合部分に一様な隙間ｇを維持でき、上記稜線状突起１ａが相互に隣接する場合に比べて、突起１の形成数を節減できる利点がある。なお、台形状突起１ｂは、円形以外の形状であっても良いが、加工性等の点では円形が有利である。

上記各突起１ａ，１ｂが形成されたリアスカート１０の接合面１１およびフランジ１２を、テールエンドメンバー２０のフランジ２１および２２に重合し、重合部分に所定の隙間ｇを形成し、かつ、重合部分に沿った複数箇所でクランプした状態で、図２（ａ）（ｂ）に示した各単位スポット２ｅに対して順に単位レーザ走査２ｃを実施することで、リアスカート１０とテールエンドメンバー２０とが溶接接合される。なお、特に限定されるものではないが、一定形状の単位レーザ走査２ｃを多数反復して実施する点で、ガルバノスキャナーを利用した光走査型レーザ溶接装置によるリモート・スキャナー溶接が好適である。

次に、上記各突起１ａ，１ｂの配置について具体的に述べる。図２（ａ）（ｂ）に示したリアスカート１０では、接合面１１の平坦面１１ａ，１１ｃ、および、フランジ１２の平坦面１２ａ，１２ｃでは、単位スポット２ｅの間隔も比較的大きいこともあり、台形状突起１ｂが形成されている。当然ながら、これらの各面に台形状突起１ｂの代わりに稜線状突起１ａを形成しても良い。但し、その場合、フランジ１２の平坦面１２ｃ等で、台形状突起１ｂが大きく離間した区間には、稜線状突起１ａまたは台形状突起１ｂが追加されることが好ましい。換言すれば、この区間では、台形状突起１ｂが連続することで、いくつかの突起が省略されている。

一方、接合面１１における各傾斜面１１ｄ，１１ｅでは、単位スポット２ｅの間隔に拘わらず、稜線状突起１ａが形成されている。この区間に台形状突起１ｂを形成することはできない。稜線状突起１ａの代わりに台形状突起１ｂを形成すれば、各傾斜面１１ｄ，１１ｅの傾斜により、突起の実質的な高さが変化し、所望する隙間が得られない。

ところで、接合面１１の段差部１１ｂおよびフランジ１２の段差部１２ｂには突起を形成できない。しかも、このような形状変換部（１１ｂ，１２ｂ）は、強度的に重要であるため、溶接スポット（単位スポット２ｅ）が比較的近くに配置されている。仮に、このような形状変換部、例えば、図６に示す段差部１２ｂに隣接して、台形状突起１ｂが形成されていると、単位スポット２ｅを囲む単位レーザ走査２ｃを実施できない。台形状突起１ｂの頂面は、相手部品（フランジ２２）に隙間無く圧接されるため、レーザ照射により発生する亜鉛ガスを排出できない。

これを回避するために、図６に符号２ｃ′で示されるように、単位レーザ走査を台形状突起１ｂから離せば、溶接スポット（単位レーザ走査２ｃ′）が段差部１２ｂから離れてしまうことになる。直径ｄ＝４ｍｍの台形状突起１ｂを形成するためには、図４（ａ）に示す直径ｄｗ＝５ｍｍの領域が必要であり、さらに、台形状突起１ｂを安定的にエンボス加工するためには、段差部１２ｂの上端から１ｍｍ程度離す必要があり、結局、単位レーザ走査２ｃ′を段差部１２ｂの上端から６ｍｍ以上離す必要がある。

そこで、接合面１１の段差部１１ｂおよびフランジ１２の段差部１２ｂでは、各段差部１１ｂ，１２ｂの両側に隣接した平坦面１１ａ，１１ｃおよび１２ａ，１２ｃに、それぞれ、稜線状突起１ａが形成されている。図５に示すように、稜線状突起１ａの場合、段差部１２ｂの上端から１ｍｍ離してエンボス加工しても、段差部１２ｂの上端から２〜３ｍｍの位置に単位レーザ走査２ｃを実施可能である。一般的なスポット溶接でも加工マージンが設けられており、幅Ｗ＝１ｍｍ程度の稜線状突起１ａであれば、このような加工マージンの範囲内に形成でき、単位レーザ走査２ｃの位置を単位スポット２ｅから変更する必要は生じない。

上記段差部１１ｂ，１２ｂのような形状変換部の他に、フランジの端部に隣接した溶接スポット（単位スポット２ｅ）においても、稜線状突起１ａであれば、単位レーザ走査２ｃの位置を変更せずに形成可能であり、強度性能の変化を来すこともない。

上記実施形態において、稜線状突起１ａの長さ８ｍｍ、幅ｗ＝１ｍｍ、台形状突起１ｂの頂面の直径ｄ＝４ｍｍ、突起１ａ，１ｂの高さ０．１５ｍｍに対して、良好な溶接品質を得るためには、接合面間の隙間はｇ＝０．１５±０．０５ｍｍ（０．１〜０．２ｍｍ）に維持される必要があるが、板厚０．６〜１．２ｍｍの亜鉛めっき鋼板では、稜線状突起１ａが相互に隣接する場合の間隔（Ｄ１）が３０ｍｍ以下であれば、接合面間の隙間ｇを０．１〜０．２ｍｍに維持可能であった。

これに対して、稜線状突起１ａと台形状突起１ｂが隣接する場合、および、台形状突起１ｂが相互に隣接する場合の間隔（Ｄ２）は、その２倍の６０ｍｍ以下であれば、接合面間の隙間ｇを０．１〜０．２ｍｍに維持可能であった。これは、スポット溶接において一般的な単位スポット２ｅの直径６ｍｍの５倍以下（Ｄ１）および１０倍以下（Ｄ２）に相当する。したがって、前記（Ｄ２）に相当する区間に亘って平坦面が確保されている場合は、台形状突起１ｂを形成することで、突起の形成数を削減でき、かつ、相互に隣接する突起間に複数の単位レーザ走査２ｃを実施することもできる。

なお、上記実施形態では、自動車のリアスカート１０とテールエンドメンバー２０の溶接接合について述べたが、本発明に係るレーザ重ね溶接方法は、他の車体パネルや構造要素、補強部材、ブラケット類の溶接接合は勿論、立体形状にプレス成形された各種亜鉛めっき鋼板製部品に好適に実施可能である。

１ 突起
１ａ 稜線状突起
１ｂ 台形状突起
２ レーザ溶接
２ｃ 単位レーザ走査（溶接ビード）
２ｅ 単位スポット
３ パンチ
４，５ クランプ
１０ リアスカート
１１ 接合面
１１ａ，１１ｃ，１２ａ，１２ｃ 平坦面
１１ｂ，１２ｂ 段差面（段差）
１１ｄ，１１ｅ 傾斜面
１２，２１，２２ フランジ（接合面）
２０ テールエンドメンバー
ｇ 隙間
Ｐ プレス方向

Claims (3)

1. 亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法であって、スポット溶接の代替技術として実施するのに適したレーザ重ね溶接方法において、
   亜鉛めっき鋼板製の２つの部品をプレス成形する工程であって、前記２つの部品に、それらの対向面に帯状に延在する接合面が形成されるとともに、前記２つの部品の何れか一方の前記接合面に、該接合面の延在方向に所定の間隔を有して複数の突起が形成され、前記複数の突起は、それぞれが、前記２つの部品をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する位置および大きさ形状の個々の仮想単位スポットの間に、前記接合面の延在方向と略直交する方向に延びる稜線状突起として形成されるような工程と、
   前記２つの部品を前記接合面において重ね合わせた状態に保持する工程であって、前記接合面の間に前記突起の高さに応じた隙間が形成されるような工程と、
   前記２つの部品の前記重ね合わせた領域の何れかの表面にレーザを照射する工程であって、前記仮想単位スポットを囲む曲線状の単位レーザ走査を、前記各仮想単位スポットに対して実施することで、前記レーザのエネルギーにより、前記２つの部品の前記重ね合わせた領域が加熱溶融されて溶接接合され、かつ、加熱溶融時に発生する亜鉛ガスが前記隙間から排出されるような工程と、
   を含むことを特徴とする、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
2. 前記複数の突起は、平坦な頂面を有する台形状突起をさらに含み、前記稜線状突起が相互に隣接する場合の間隔が、前記仮想単位スポットの直径の５倍以下であり、前記稜線状突起と前記台形状突起とが隣接する場合の間隔、および、前記台形状突起が相互に隣接する場合の間隔が、前記仮想単位スポットの直径の１０倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
3. 前記２つの部品が自動車の車体を構成するパネルであり、前記接合面の少なくとも一方が、前記パネルの周辺に延設されたフランジ部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。

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