JP6495987B2 - 板材の突合せレーザ溶接法およびレーザ溶接部材 - Google Patents

Description

本発明は、溶接強度に優れた板材の突合せレーザ溶接法とレーザ溶接部材に関する。

レーザは高エネルギー密度熱源であることから種々の分野に利用されている。特に、溶接では高速かつ低入熱溶接であることから熱歪みや変質が少ないという特徴があり、自動車部品等の産業機器や構造体の組立てに利用されている。

レーザ溶接法では、他のアーク溶接法等と同様に重ね隅肉溶接継手、Ｔ字継手、突合せ継手等の溶接継手が用いられている。レーザを溶接面の鉛直方向から照射するレーザ溶接法で突合せ溶接する場合、狙い位置、突合せ間隔を厳密に管理する必要がある。レーザの発振方式やレンズ等によって異なるが、レーザのビーム径は一般的に０．５ｍｍ以下と小さいため、狙い位置がずれた場合は溶け込み不良が発生する。また、突合せ部に隙間ができ、突合せ間隔がレーザビーム径よりも広いとレーザビームが突き抜けて溶接できなくなる。

例えば、図１に示すように、レーザ２の焦点位置が板１−ａ側にずれると板１−ａは溶融して溶融部３ができるが、板１−ｂは入熱不足で溶融しないといった溶接不良が発生する。また、被溶接材をシャー等の切断方法により切断した場合は、一直線にしかも溶接面に対して切断面を直角に切断することが困難で、ダレや変形も発生する。このため、図２に示すように、突合せ部４がレーザ２のビーム径よりも広くなり、レーザ２が突き抜けて溶接不良が発生する。これを防止するため、切断面に機械研磨仕上げを施して突合せ間隔を狭くするか、あるいは溶加材を用いて隙間を埋めることが必要となり、コストアップになる。

突合せ部のレーザ溶接には上記のような課題があるため、特許文献１では、レーザ溶接鋼板を素材として自動車用パネルを製造する方法として、シャー切断された薄鋼板のばりの向きを同じにして突合わせ、だれ側にフィラーを供給してレーザ溶接し、プレス素材を製造する方法を開示している。しかしながら、前述のように、シャー切断した板材の切断端面は溶接面に対して直角ではないため、特許文献１のように２枚の板を精密に突合わせてレーザ溶接を行うことは困難であることが多い。また、フィラーを用いずにレーザ溶接を行う必要がある場合もある。

このような突合せレーザ溶接法の問題点を解決するために、特許文献２、３にガルバノスキャナでレーザを螺旋状またはジグザグ状に照射するガルバノスキャナ方式の突合せレーザ溶接法が開示されている。これは図３に示すように、ガルバノスキャナによりレーザ２が螺旋状（図３ａ）の軌跡５またはジグザグ状（図３ｂ）の軌跡６を描くように二つの板材１、１の突合せ部４に照射してレーザ溶接法する方法である。

特開平５−８４５８５号公報 特開昭５４−１１６３５６号公報 特開平８−１９２２８６号公報

しかし、ガルバノスキャナ方式の突合せレーザ溶接法においても板材の突合せ間隔、レーザ２の振幅を適正範囲内に制御しなければ溶融不足、溶融金属の垂れ落ちが発生して溶接強度が低下する。前記特許文献２、３には突合せ間隔が多少広くても、またビームの照射位置が多少ずれても差しつかえないと記載されているのみで、従来のガルバノスキャナ方式の突合せレーザ溶接法では安定して溶接強度が得られないという問題があった。本発明はこのような現状に鑑み、安定して優れた溶接強度が得られる板材の突合せレーザ溶接方法とレーザ溶接部材を提供することを目的とする。

発明者らの詳細な研究の結果、二つの板材１、１の突合せ部４にガルバノスキャナで螺旋状またはジグザグ状の軌跡を描かせてレーザ照射するガルバノスキャナ方式のレーザ溶接法において、突合せ間隔、レーザの振幅を適正範囲内に制御することで、安定して優れた溶接強度が得られるという知見を得て本発明を完成したものである。

すなわち上記課題は、二つの板材を突合わせてレーザを螺旋状またはジグザグ状に照射するレーザ溶接法において、突合せ間隔Ｇが２．０ｍｍ以下で、溶接線に対するレーザの振幅Ｗを下記（１）式の範囲とすることにより達成される。
Ｇ／２≦Ｗ≦Ｇ／２＋２．０ …（１）
ここで、
Ｗ：レーザの振幅（ｍｍ）
Ｇ：突合せ間隔（ｍｍ）
また、二つの板材の突合わせ溶接部の幅が、溶接前の突合わせ間隔以上であるとともに、溶接方向に沿って周期的に変動している溶接部を有する優れた溶接強度を備えたレーザ溶接部材を実現できる。

本発明によれば、安定して溶接強度に優れた突合せレーザ溶接法とレーザ溶接部材を提供することができる。

レーザ狙い位置がずれた場合の突合せ部断面を示した図。 突合せ間隔が広い場合の突合せ部断面を示した図。 二つの板材の突合せ部にガルバノスキャナで螺旋状またはジグザグ状の軌跡を描かせてレーザ照射するガルバノスキャナ方式のレーザ溶接法を示した図。 ガルバノスキャナヘッド方式のレーザ加工機の概略図。 本発明の突合せ間隔、レーザの振幅を定義する図。

図４に、ガルバノスキャナヘッド方式のレーザ加工機を模式図的に示す。レーザ発振器７で発生したレーザ２はモーター８−１、８−２に取り付けられたガルバノミラー９−１、９−２で反射され集光レンズ１０を経て二つの板材１、１の突合せ部４に照射される。このガルバノミラー９−１、９−２、モーター８−１、８−２、集光レンズ１０を合せてガルバノスキャナヘッドと呼ばれている。このガルバノスキャナヘッドは、図示されない制御装置からの指令でモーター８−１、８−２によりガルバノミラー９−１、９−２を所定の速度、角度で揺動させることと、板材１、１の送り速度を組み合わせることにより、レーザ２に図３に示すような螺旋状（図３ａ）の軌跡５またはジグザグ状（図３ｂ）の軌跡６を描かせることができる。以下に、本発明の突合せレーザ溶接条件を詳述する。

図５は本発明を説明するための、二つの板材１、１の突合せ部４を断面方向から見た図である。本発明では、図５に示すように、二つの板材１、１の突合せ部４にレーザ２をガルバノスキャナで照射する。レーザ２は突合せ部４の突合せ間隔Ｇと同等またはそれ以上の振幅Ｗで図３に示した螺旋状またはジグザグ状の軌跡５，６で照射されるので、突合せ部４に隙間があっても二つの板材１、１を溶け込ませることができる。また、レーザ２の狙い位置を厳密に制御しなくても安定した溶け込みが得られる。

本発明では、溶加材を用いずに二つの板材１、１の突合せ部４を溶融させて溶接するが、本発明において突合せ部４の突合せ間隔Ｇは２．０ｍｍ以下とする。突合せ間隔Ｇが２．０ｍｍを超えるとレーザ２で溶融できる板材１の体積が少なくなり、溶接部の厚みが薄くなって接合強度が低下したり、溶融金属の垂れ落ちが発生する。

溶接線に対するレーザ２の振幅Ｗは下記（１）式の範囲とする。Ｇ／２とは図５において、一点鎖線で示す突合せ部４の中心から板材の端部１１までの距離である。また、Ｇ／２＋２．０とは板材の端部１１から板材側の２．０ｍｍの位置である。すなわち、本発明ではレーザ２の振幅Ｗは突合せ部４の中心から板材の端部１１までの距離以上で、板材の端部１１から２．０ｍｍ以下の距離に限定する。なお、図５では板材の端部１１を模式図的に直線としたが、実際には図１、２に示したように切断方法によって微小な凹凸ができる。このため、本発明では突合せ部の間隔Ｇは板材の端部１１が突合せ部４に最も突き出た部分間の距離とする。
Ｇ／２≦Ｗ≦Ｇ／２＋２．０ …（１）
ここで、
Ｗ：レーザの振幅（ｍｍ）
Ｇ：突合せ間隔（ｍｍ）

レーザ２の振幅ＷがＧ／２未満ではレーザ２が突合せ部４を突き抜けてしまう。また、レーザ２の振幅ＷがＧ／２＋２．０以上では板材１の端部１１が溶融不足となる。このため、本発明ではレーザ２の振幅Ｗは上記（１）式の範囲に限定する。なお、レーザ２の振幅Ｗは前記ガルバノミラー９−１、９−２の揺動の角度で（１）式の範囲内に制御する。

本発明におけるレーザ２の種類は特に限定されない。比較的出力が大きい炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を用いることができる。ファイバーレーザ、ディスクレーザは光ファイバーで伝送でき、ビーム品質が優れるので好適である。なお、レーザ出力、ビーム径は溶接する板材の種類、板厚等に応じて適宜選択すればよい。

レーザ２の軌跡が螺旋状またはジグザグ状であれば螺旋の扁平率、螺旋またはジグザグのピッチ、溶接速度等の溶接条件は特に限定されない。被溶接材の種類、厚み等によって適宜選択される。振幅、螺旋の扁平率、軌跡のピッチは前記ガルバノミラー９−１、９−２の揺動の角度、揺動速度、溶接速度(被溶接材の移動速度)で制御される。

本発明で、被溶接材の種類は特に限定されない。低炭素鋼、ステンレス鋼およびこれらの鋼材にＺｎ系めっき、Ａｌ系めっき、Ｚｎ−Ａｌ系合金めっき、Ａｌ−Ｓｉ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｉ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっき等を施してもよい。また、鋼材に限らずＡｌ等の非鉄金属同士および鋼材と非鉄金属の突合せレーザ溶接にも本発明は適用できる。さらに、被溶接材の切断方法も限定されない。シャー等の一般的な切断方法を用いればよい。また、切断後、機械研磨仕上げしてもよい。

本発明では、板材１の厚みは限定されない。板材に限らず、ブロック状でもかまわない。また、二枚の板材は、等厚材に限らず差厚材であってもよい。

表１に示す低炭素鋼、片面当りのめっき付着量が９０ｇ／ｍ^２の溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板、ＳＵＳ３０４、Ａｌ板を供試材に用い、図４に示したガルバノスキャナヘッドを搭載したビーム径０．５ｍｍφの最大出力７ｋＷのファイバーレーザ溶接機を用いて突合せレーザ溶接した。

表１に示した供試材を突合せ間隔Ｇが本発明の２．０ｍｍ以下と、比較として２．０ｍｍ以上になるように突合せてレーザ溶接した。レーザ溶接ではガルバノスキャナヘッドの直前に倣い装置を付設して突合せ部４の中心位置と突合せ間隔Ｇを検知し、レーザ２の振幅を本発明の範囲内に制御して突合せ溶接した。また、比較としてレーザ２の振幅Ｗが本発明の範囲外でも突合せ溶接した。突合せ溶接したサンプルから幅３０ｍｍの引張試験用サンプルを採取し、引張試験を行った。引張試験において母材破断した場合を○、溶接部破断した場合を×と評価した。

表２にレーザ溶接条件、引張試験結果を示す。

表２のＮｏ．１〜２０に示すように、本発明の実施例では引張試験で母材破断して優れた溶接強度が得られた。

それに対して、突合せ間隔Ｇが本発明の範囲を超えるであるＮｏ．２１、２２の比較例ではレーザ２が突合せ部４を突き抜けて溶接できなかったので引張試験を行わなかった。Ｎｏ．２３、２５、２７、２９の比較例ではレーザ２の振幅Ｗが本発明の範囲を下回ったのでレーザ２が突合せ部４を突き抜けて溶接できなかったので引張試験を行わなかった。Ｎｏ．２４、２６、２８、３０の比較例ではレーザ２の振幅Ｗが本発明の範囲を超えたので溶け込み不足となり、引張試験で溶接部破断した。

本発明は、板材１、１同士の突合せ溶接において、突合せ部４に隙間があっても板材１を溶融して隙間を埋めて板材１、１同士を溶接する方法に利用することができる。これは、自動車分野や産業機器分野などの部材接合に適用できる。

１ 板材
２ レーザ
３ 溶融部
４ 突合せ部
５ 螺旋状の軌跡
６ ジグザグ状の軌跡
７ レーザ発振器
８−１、８−２ モーター
９−１、９−２ ガルバノミラー
１０ 集光レンズ
１１ 板材の端部
Ｗ レーザの振幅
Ｇ 突合せ間隔

Claims (2)

1. 溶加材を用いずに、二つの板材を突合わせた突合せ部にレーザを螺旋状またはジグザグ状に照射するレーザ溶接法において、
   前記板材の厚さは、１〜６ｍｍであり、
   前記二つの板材を突合せて溶接した溶接部が溶接方向に沿って周期的に変動するように、特定の周期でレーザの軌跡を描き、
   前記特定の周期は、引張試験を行うことにより、前記溶接部が破断せずに母材が破断するように設定されており、
   レーザ出力が２〜７ｋＷ、および溶接速度が１〜２．０ｍ／分であり、
   突合せ間隔Ｇが、０より大きく２．０ｍｍ以下で、溶接線に対するレーザの振幅Ｗを下記（１）式の範囲とする鋼板の突合せレーザ溶接法。
   Ｇ／２≦Ｗ≦Ｇ／２＋２．０ …（１）
   ここで、
   Ｗ：レーザの振幅（ｍｍ）
   Ｇ：突合せ間隔（ｍｍ）
2. 溶加材を用いずに、二つの板材を突合わせた突合せ部にレーザを螺旋状またはジグザグ状に照射するレーザ溶接法によって溶接されたレーザ溶接部材であって、
   前記板材の厚さは、１〜６ｍｍであり、
   前記二つの板材を突合せて溶接した溶接部が溶接方向に沿って周期的に変動するように、特定の周期でレーザの軌跡が描かれており、
   前記特定の周期は、引張試験を行うことにより、前記溶接部が破断せずに母材が破断するように設定されており、
   レーザ出力が２〜７ｋＷ、および溶接速度が１〜２．０ｍ／分であり、
   突合せ間隔Ｇが、０より大きく２．０ｍｍ以下で、溶接線に対するレーザの振幅Ｗを下記（２）式の範囲とするレーザ溶接法によって溶接されたレーザ溶接部材。
   Ｇ／２≦Ｗ≦Ｇ／２＋２．０ …（２）
   ここで、
   Ｗ：レーザの振幅（ｍｍ）
   Ｇ：突合せ間隔（ｍｍ）