JP6310267B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高エネルギービーム溶接による接合体の製造方法に関する。より詳しくは、電子ビーム溶接やレーザ溶接などの高エネルギービーム溶接により同種又は異種金属接合体を製造する技術に関する。

電子ビーム溶接やレーザ溶接などの高エネルギービーム溶接は、溶け込みが深く、溶接熱影響が非常に少ないことから、特に、自動車、鉄道車両及び船舶などの輸送機分野において注目されている。一方、高エネルギービーム溶接の施工において、溶接金属の凝固収縮量が大きい場合は、割れなどの溶接欠陥が発生することがあり、被溶接材に適合した溶接条件を設定する必要がある。

そこで、従来、高エネルギービーム溶接を行う際には、レーザ照射部にワイヤ状の溶加材を連続的に供給しながら溶接したり、溶融金属部を急激に冷やさないように冷却速度を制御したりすることにより、溶接欠陥の発生を防止している（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平９−２２５６６４号公報 特表２００８−５０１５２７号公報 特開２０１１−６７８３０号公報

しかしながら、ワイヤ状の溶加材を供給しながら溶接する方法は、溶接部にレーザを照射するための機構とは別に、ワイヤを供給するための機構が必要となるため、装置が煩雑化するという問題点がある。また、この溶接方法は、ワイヤ供給機構の構造上、レーザ照射速度と同等レベルまでワイヤ供給速度を上げることができず、溶接速度がワイヤ供給速度に依存するため、溶接速度を向上させることが難しい。

同様に、溶接金属の冷却条件を制御する方法も、別途、溶融金属部の冷却速度を遅らせるための設備が必要となるため、装置が煩雑化すると共に、溶接速度の向上が難しいという問題点がある。

そこで、本発明は、装置を煩雑化せずに、溶接速度を高速化することが可能な接合体の製造方法を提供することを主目的とする。

本発明は、前述した課題を解決するために、本発明者等の鋭意検討の結果完成されたものであり、金属材料からなる第１部材に接合させるための、前記第１部材と同一又は異なる金属材料からなる第２部材に、下孔を形成する工程と、下型上に載置された前記第２部材の下孔に収容されるように前記下型上に溶加材を配置する工程と、前記第２部材と前記第１部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、前記第１部材と前記第２部材とを高エネルギービーム溶接する工程と、を含み、前記溶加材の挿入方向に垂直な方向において、前記下孔に挿入される前記溶加材の少なくとも一部分の断面積に、前記下孔の断面積よりも大きな断面積が存在し、前記溶加材を前記第２部材に圧入することで前記挿入を行い、前記溶加材の高さが前記第２部材の高さよりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法を提供する。
また、本発明の接合体の製造方法では、金属材料からなる第１部材に接合させるための、前記第１部材と同一又は異なる金属材料からなる第２部材に、下孔を形成する工程と、下型上に載置された前記第２部材の下孔に収容されるように、溶加材を前記下孔との間に隙間部を形成しつつ挿入する工程と、前記挿入後、前記溶加材の挿入方向に前記溶加材を据え込むことで前記溶加材を前記第２部材にかしめる工程と、前記第２部材と前記第１部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、前記第１部材と前記第２部材とを高エネルギービーム溶接する工程と、を含み、前記かしめた後の前記溶加材の高さが前記第２部材の高さよりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法を提供する。
また、本発明の接合体の製造方法では、前記溶加材と前記第２部材とが接する領域にビーム照射することで、前記高エネルギービーム溶接を行ってもよい。このとき、前記高エネルギービーム溶接はレーザ溶接であってもよい。このとき、前記レーザ照射は、らせん状、円状又は渦状に行ってもよい。更に、本発明の接合体の製造方法では、リモート溶接により、前記第１部材と前記第２部材とを溶接してもよい。
また、このとき、デフォーカスさせてレーザ照射することで前記レーザ溶接を行ってもよい。更に、本発明の接合体の製造方法では、前記高エネルギービーム溶接は、電子ビーム溶接であってもよい。

本発明によれば、装置を煩雑化することなく、溶接速度の高速化を可能にする接合体の製造方法を実現することができる。

本発明の第１の実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０の斜視図である。 同実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０を構成する溶加材１３の形状の具体例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の接合体１００の一例を示す図である。 同実施形態の接合体１００の製造工程を説明するための図である。 同実施形態の接合体１００の製造工程を説明するための図である。 同実施形態の接合体１００の製造工程を説明するための図である。 同実施形態の接合体１００の製造工程を説明するための図である。 同実施形態の接合体１００を得るための高エネルギービーム溶接用被接合部材１０の具体例を示す断面図である。 リモートレーザ溶接装置４００の概略図である。 同実施形態の接合体１００の断面図である。 関連技術に係る接合体１０００の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０について説明する。図１は、本実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０の斜視図である。

［高エネルギービーム溶接用被接合部材１０］
本実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０は、金属材料からなる第１部材１１と、第１部材１と同一又は異なる金属材料からなる第２部材１２と、第１部材１１及び／又は前記第２部材１２に予め設けられた下孔１５（後述の図５参照）に係止した溶加材１３と、を有する。

［第１部材１１］
第１部材１１は、金属材料から構成されるのであれば特に限定されないが、例えば、軽合金材や鋼材等とすることができる。軽合金材としては、具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格の２０００系、３０００系、Ａ４０４３やＡ４０４７等の４０００系、５０００系、６０００系又は７０００系）、マグネシウム、マグネシウム合金等が挙げられる。また、鋼材としては、高張力鋼材、亜鉛めっき鋼板及びステンレス等が挙げられる。

［第２部材１２］
第２部材１２も、金属材料から構成されるのであれば特に限定されず、第１部材１１と同一であってもよいし、異なっていてもよい。第２部材１２は、例えば、軽合金材や鋼材等とすることができる。軽合金材としては、具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格の２０００系、３０００系、Ａ４０４３やＡ４０４７等の４０００系、５０００系、６０００系又は７０００系）、マグネシウム、マグネシウム合金等が挙げられる。また、鋼材としては、高張力鋼材、亜鉛めっき鋼板及びステンレス等が挙げられる。

接合させる第１部材１１と第２部材１２の構成材料の組み合わせも、特に限定されないが、例えば、第１部材１１をアルミニウム合金とし、第２部材１２もアルミニウム合金とすることができる。また、第１部材１１をアルミニウム合金とし、第２部材１２を鋼材とすることもできる。更に、第１部材１１を鋼材とし、第２部材１２も鋼材とすることもできる。

［溶加材１３］
溶加材１３としては、第１部材１１及び／又は第２部材１２に係止される形態であれば特に限定されないが、例えば、ワイヤを巻き取ったコイル状ではないろう材等が挙げられる。

図２は、第１部材１１及び／又は第２部材１２に係止する溶加材の具体的な形状及び構成を例示した図である（符号１３Ａ〜１３Ｆ参照）。例えば、図２ａに示すように、溶加材１３Ａは、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が円である円柱の溶加材である。また、図２ｂに示すように、溶加材１３Ｂは、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が円である円柱の溶加材であり、内部にフラックス１４を充填したり、表面にフラックス１４を塗布したりすることが可能である。また、図２ｃに示すように、溶加材１３Ｃは、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が角部が面取りされた略長方形である略直方体の溶加材である。

更に、例えば、図２ｄに示すように、溶加材１３Ｄは、円柱の溶加材であり、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が円柱の側面である。また、図２ｅに示すように、溶加材１３Ｅは、円柱の溶加材であり、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が円柱の側面であって、内部にフラックス１４を充填したり、表面にフラックス１４を塗布したりすることが可能である。更にまた、図２ｆに示すように、溶加材１３Ｆは、第１部材１１及び／又は第２部材１２を打ち抜く面が長方形である略直方体の溶加材である。また、溶加材１３Ｆは、側面に角部が面取りされた略長方形の面を有し、内部にフラックス１４を充填したり、表面にフラックス１４を塗布したりすることが可能である。

前述したフラックス１４については、ＫＦ、ＡｌＦ_３及びＫ_３ＡｌＦ_６などのフッ素系化合物を主成分とするものが好ましく、これらの成分に加えて、ＣｓＦ、ＣｓＡｌＦ_４及びＣｓＫＡｌＦなどのセシウム化合物を含有するものがより好ましい。

このように、本実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０では、第１部材１１と第２部材１２と共に、予め設けられた第１部材１１及び／又は第２部材１２の下孔１５に係止させた溶加材１３を用いる。この溶加材１３はワイヤをコイルから連続供給するものではないため、煩雑な制御や溶接時の装置の詳細な条件設定等は必要とせず、製造コストを抑えると共に、安定且つ高速に以下で説明する接合体１００を製造することができる。

＜第２の実施形態＞
［接合体１００］
次に、第２の実施形態の接合体１００について説明する。前述した第１の実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０に対して、後述の高エネルギービーム溶接を行うことにより、本実施形態の接合体１００が得られる。図３は、本実施形態の接合体１００の一例を示す図である。図３に示すような溶接金属部１０１が形成された接合体１００では、クラック等の割れを抑制することができる。

［接合体１００の製造方法］
次に、本実施形態の接合体１００の製造方法について説明する。図４は、接合体１００の製造工程の一部（下孔方式）を示す説明図である。

まず、図４ａに示すように、ポンチ２００が第２部材１２の溶接位置の上に配置され、ポンチ２００とカウンターパンチ２０１とにより第２部材１２を挟持するように、カウンターパンチ２０１が配置される。

次に、力Ｆ１によりポンチ２００が第２部材１２に押し込まれると、図４ｂに示すように、第２部材１２の一部がポンチ２００により打ち抜かれ、この打ち抜かれた部分２２がカウンターパンチ２０１内に落下する（図中、矢印α）。これにより、第２部材１２には下孔１５（後述の図５参照）が形成される。

なお、図４では、ポンチ２００が第２部材１２のみを打ち抜く場合を例に挙げたが、かかる例に限定されず、ポンチ２００により第１部材１１及び第２部材１２の双方が打ち抜かれてもよい。このとき、後述するように、第２部材１２に挿入される溶加材１３は、第１部材１１にも挿入されてよい。

図５は、本実施形態の接合体１００を製造する工程の一部であって、第２部材１２の下孔１５に溶加材１３を挿入する工程を示す説明図である。ここでは、溶加材１３の挿入方向に垂直な方向において、下孔１５の断面積よりも大きな断面積が溶加材１３に存在する場合を例に挙げる。すなわち、下孔１５が溶加材１３の挿入方向から視た際に円形の円柱形であって、溶加材１３の挿入される面も円形の円柱形であるときに、溶加材１３の挿入される面の直径ｄ１が下孔に形成される円の直径ｄ２よりも長くなる場合を例に挙げて説明する。

このとき、まず、図５ａに示すように、下型３０１上に載置された第２部材１２の下孔１５の上に溶加材１３が配置される。次いで、図５ｂに示すように、溶加材１３の上にポンチ３００が載置され、溶加材１３には第２部材１２の側に力Ｆ２が加えられる。これにより、図５ｃに示すように、溶加材１３は、第２部材１２の下孔１５に圧入して挿入される。なお、力Ｆ２の大きさは、特に限定されず、溶加材１３の材質に応じて適宜設定することができる。また、ｄ１とｄ２の長さも適宜設定することができる。

このように、溶加材１３が第２部材１２に圧入されることで挿入されるため、溶加材１３と第２部材１２との締結力を向上させることができ、溶加材１３を取り付けた後、搬送までの工程で溶加材１３は外れない。

図６は、本実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０を製造する工程の一部であって、第２部材１２の下孔１５に溶加材１３を挿入する工程を示す説明図である。図５を参照しながら説明した工程例に対し、ここでは、溶加材３が第２部材１２の下孔１５に挿入されることで、下孔１５に隙間部１６が設けられる場合を例に挙げる。すなわち、下孔１５が溶加材１３の挿入方向から視た際に円形の円柱形であって、溶加材１３の挿入される面も円形の円柱形であるときに、溶加材１３の挿入される面の直径ｄ１が下孔の直径ｄ２よりも短くなる場合を例に挙げて説明する。

このとき、まず、図６ａに示すように、下型３０１上に載置された第２部材１２の下孔１５に収容されるようにして、下型３０１の上に溶加材１３が配置される。これにより、第２部材１２と溶加材１３との間に隙間部１６が形成される。次いで、図６ｂに示すように、溶加材１３の上にポンチ３００が載置され、溶加材１３には下型３０１の側に力Ｆ３が加えられる。その結果、溶加材１３は、力Ｆ３がかかる方向と垂直な方向ｆに広がっていく。これにより図５ｃに示すように、溶加材１３は、第２部材１２にかしめられることになる。なお、力Ｆ３の大きさは、特に限定されず、溶加材１３の材質に応じて適宜設定することができる。また、ｄ１とｄ２の長さも適宜設定することができる。

このように、溶加材１３が第２部材１２にかしめられるため、溶加材１３と第２部材１２との締結力を向上させることができ、溶加材１３は外れない。

図７は、本実施形態の接合体１００の製造工程の一部であって、溶加材１３が係止された第２部材１２と第１部材１１とを高エネルギービーム溶接する工程を説明する図である。なお、ここでは、溶加材１３が第２部材１２のみに係止した場合を例に挙げて説明するが、溶加材１３は第１部材１１にも係止していてもよい。

まず、図７ａに示すように、溶加材１３が係止された第２部材１２は、後述のリモートレーザ溶接装置４００に搬入され、第１部材１１の上に重ねられ、重ね継手が形成される。これにより、前述した第１の実施形態の高エネルギービーム溶接用被接合部材１０が形成される。

ここで、図８を参照しながら、高エネルギービーム溶接用被接合部材１０において、溶加材１３と第２部材１２の高さの関係について説明する。図８は、第２部材１２の高さに対し溶加材１３の高さが異なる例を示す図である（符号１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ参照）。

図８ａに示すように、例えば、溶加材１３Ｘの高さｈ２は、第２部材１２の高さｈ１より大きくてよい。また、図８ｂに示すように、溶加材１３Ｙの高さｈ２は、第２部材１２の高さｈ１と等しくてもよい。更に、図８ｃに示すように、溶加材１３Ｚの高さｈ２は、第２部材１２の高さｈ１よりも小さくてもよい。特に、図８ａに示すように、溶加材１３Ｘの高さｈ２が第２部材１２の高さｈ１よりも大きいことで、溶接後、溶接位置に凹み（クレータ）が生じることをより安定に防止できる。

このようにして形成された高エネルギービーム溶接用被接合部材１０にレーザＬが照射されて溶接が行われる（図７ｂ参照）。なおここでは、高エネルギービーム溶接として、レーザ溶接を例に挙げているが、かかる例に限定されず、例えば、レーザ溶接の代わりに電子ビーム溶接が行われてもよい。

レーザＬが照射される位置は、特に限定されず、溶加材１３全体に対してレーザＬが照射されてもよいが、図７ｂの符号ｐで表す領域のように、少なくとも溶加材１３と第２部材１２とが接する領域にレーザＬが照射されることが好ましい。符号ｐで表す領域を拡大した領域Ｐに示すように、溶加材１３及び第２部材１２とが接する領域にレーザＬが照射されることで、レーザＬが溶加材１３及び第２部材１２のスリットを通り抜け、第１部材１１までレーザが安定に照射され、効率的に溶接を行うことができる。

また、レーザＬの照射方法については、デフォーカスさせて行ってもよい。これにより、レーザ照射により付与する熱量を調整することができる。また、レーザ径が拡大されるため、デフォーカスさせずに照射した場合と比較し、レーザＬを広範囲に照射することができる。更に、デフォーカスさせてレーザＬを照射することで、ポロシティの発生及び割れの発生を低減することができる。

また、レーザＬは、第１部材１１に対して第２部材１２が重ねられている側から照射する例には限定されず、第２部材１２に対し第１部材１１が重ねられている側から照射されてもよい。

また、レーザＬはらせん状、円状又は渦状に照射されることが好ましい。例えば、らせん状に照射されるとき、レーザＬは、内側から外側に向けてらせんを描くように照射されてもよく、外側から内側に向けてらせんを描くように照射されてもよい。このように、照射されることで、レーザ照射によるレーザが照射される領域上の温度勾配を小さくし、凝固収縮量を少なくして割れを低減することができる。

更に、レーザ溶接としては、具体的には、リモート溶接が挙げられる。図９は、リモート溶接を行う装置４００の構成例を示す。

図９に示すように、レーザＬが発振器４０１から光学ファイバ４０２を介して発せられる。レーザＬは、特に限定されないが、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等とすることができる。

このレーザＬは、拡大レンズ４０３及び集光レンズ４０４を介して、ミラー４０５で反射される。このミラー４０５の回転角度βの調整により、高エネルギービーム溶接用被接合部材１０に対するレーザＬの照射位置を決定することができる。このリモートレーザ溶接装置４００を用いれば、ミラー４０５の回転角度を調整するだけで、レーザＬを所望の位置に容易に照射させることができる。すなわち、ミラー４０５を回転させることにより高速に溶接し、精度良く溶融部を形成することができる。なお、このとき、拡大レンズ４０３及び／又は集光レンズ４０４によりレーザＬの焦点位置を調整することで、前述したように、レーザＬをデフォーカスさせて照射することもできる。また、ミラー４０５の回転角度を調節したり、集光レンズ４０４を移動し（矢印ｆ_Ｌの方向）光軸を調製したりすることで、前述したようならせん状、円状又は渦状にレーザＬを照射することができる。

図１０は、高エネルギービーム溶接することにより得られた接合体１００の断面形状の一例を示す図である。また、図１１は、高エネルギービーム溶接以外の方法で溶接した場合の接合体の断面形状の一例を示す図である。

図１１に示す方法で溶接した場合、第１部材１０１１と第２部材１０１２とが溶接され、図１１ａに示す溶け込み部１００１上に形成される図１１ｂに示すクレータＸの周囲に、複数のクラックＣが発生することがある。

一方、高エネルギービーム溶接用被接合部材１０を高エネルギービーム溶接することにより得られた本実施形態の接合体１００は、図１０ａ及び図１０ｂに示すように前述したような高速溶接が可能になると共に、クラックの発生を防止することができる。第１部材１１と第２部材１２とが同種の材料の場合は、図１０ａに示すように、エネルギービームの照射により溶加材１３と第１部材１１と第２部材１２とが溶融されて溶接金属部１０１が形成される。また、第１部材１１と第２部材１２とが異種の金属材料の場合は、図１０ｂに示すように、溶加材１３と第２部材１２のみが溶融されて溶接金属部１０１が形成される。

なお、前述したように、ここでは、第２部材１２に下孔１５を形成し、下孔１５に溶加材１３を挿入し、第２部材１２の溶接位置に溶加材１３を配置し、次いで、第２部材１２と第１部材１１とを重ね合わせて、重ね継手を形成してから、第１部材１１と第２部材１２とを高エネルギービーム溶接する例を挙げたが、本実施形態の接合体の製造方法は、かかる例に限定されない。第１部材１１と、第２部材１２と、第１部材１１及び／又は第２部材１２に予め設けられた下孔１５に係止した溶加材１３と、を有する高エネルギービーム溶接用被接合部材１０を予め準備しておき、前述したように高エネルギービーム溶接することで、溶接金属部１０１が形成された接合体１００を得ることもできる。

以上詳述したように、本実施形態の接合体１００では、第１部材１１及び／又は第２部材１２に係止した溶加材１３を用い、高エネルギービーム溶接を行うため、クラック等の割れを防止できると共に、煩雑な装置を必要とせず、高速に溶接することができる。

１０ 高エネルギービーム溶接用被接合部材
１１ 第１部材
１２ 第２部材
１３ 溶加材
１４ フラックス
１５ 下孔
１６ 隙間部
１００ 接合体
１０１ 溶接金属部
２００ ポンチ
３００ カウンターパンチ
４００ リモートレーザ溶接装置
４０１ 発振器
４０２ 光学ファイバ
４０３ 拡大レンズ
４０４ 集光レンズ
４０５ ミラー

Claims (8)

1. 金属材料からなる第１部材に接合させるための、前記第１部材と同一又は異なる金属材料からなる第２部材に、下孔を形成する工程と、
   下型上に載置された前記第２部材の下孔に収容されるように前記下型上に溶加材を配置する工程と、
   前記第２部材と前記第１部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、
   前記第１部材と前記第２部材とを高エネルギービーム溶接する工程と、
   を含み、
   前記溶加材の挿入方向に垂直な方向において、前記下孔に挿入される前記溶加材の少なくとも一部分の断面積に、前記下孔の断面積よりも大きな断面積が存在し、
   前記溶加材を前記第２部材に圧入することで前記挿入を行い、前記溶加材の高さが前記第２部材の高さよりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法。
2. 金属材料からなる第１部材に接合させるための、前記第１部材と同一又は異なる金属材料からなる第２部材に、下孔を形成する工程と、
   下型上に載置された前記第２部材の下孔に収容されるように、溶加材を前記下孔との間に隙間部を形成しつつ挿入する工程と、
   前記挿入後、前記溶加材の挿入方向に前記溶加材を据え込むことで前記溶加材を前記第２部材にかしめる工程と、
   前記第２部材と前記第１部材とを重ね合わせて、重ね継手を形成する工程と、
   前記第１部材と前記第２部材とを高エネルギービーム溶接する工程と、
   を含み、
   前記かしめた後の前記溶加材の高さが前記第２部材の高さよりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法。
3. 少なくとも前記溶加材と前記第２部材とが接する領域にビーム照射することで、前記高エネルギービーム溶接を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体の製造方法。
4. 前記高エネルギービーム溶接がレーザ溶接であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
5. らせん状、円状又は渦状に前記レーザ照射を行うことを特徴とする請求項４に記載の接合体の製造方法。
6. リモート溶接により、前記第１部材と前記第２部材とを高エネルギービーム溶接することを特徴とする請求項４又は５に接合体の製造方法。
7. デフォーカスさせてレーザ照射することで前記レーザ溶接を行うことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
8. 前記高エネルギービーム溶接が、電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

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