JP6620683B2

JP6620683B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP6620683B2
Application number: JP2016124530A
Authority: JP
Inventors: 幸平久田; 亨日置; 中村　亘; 亘中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: JP2017225999A

Description

本発明は、重ね合わせ溶接において母材自体を溶かして溶接を行う溶接方法に関する。

一方の部材に他方の部材を重ね合わせ、一方の部材の縁部を他方の部材に接合する重ね合わせ溶接が知られている。特許文献１には、直線部分を曲線部分又は屈曲部分で挟んだ凸部位が縁部に形成された一方の板材を他方の板材に重ねて接合する溶接技術が記載されている。

特開２０１４−１４０８７３号公報

ここで、溶加棒（フィラーワイヤ）を用いずに、レーザ照射によって母材自体を溶かして行う重ね合わせ溶接における既存の溶接方法について説明する。図１２は、既存の溶接方法において、一方の部材が他方の部材に接合される前の状態を示す斜視図である。図１２に示すように、他方の部材としての下板９１の表面に一方の部材としての上板９２が重ねられている。上板９２の表面にレーザヘッド１００からレーザビームＬが照射される。レーザヘッド１００を移動させ、上板９２の表面におけるレーザビームＬの照射位置を溶接進行方向Ｓに沿って移動させることで、上板９２の縁部９２ａにおける溶接予定の箇所である所定の箇所９２ｃと下板９１における所定の箇所９２ｃに対応する箇所とを溶融して接合する。

図１３は、既存の溶接方法において、一方の部材が他方の部材に接合された後の状態を示す斜視図である。図１４は、図１３の平面図である。図１５Ａ，Ｂは、図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。図１３〜図１５Ａ，Ｂに示すように、他方の部材としての下板９１の表面に重ねられた一方の部材としての上板９２の縁部９２ａが、下板９１の表面に接合されている。

レーザ照射を用いたキーホール溶接では、上板９２の表面におけるレーザビームＬの照射位置にキーホールが形成され、同時に、レーザビームＬによって溶融された母材は溶接進行方向Ｓの後ろ側に既に形成されているキーホール内へと流れ込む（湯流れ）。湯流れによりキーホール内に流れ込んだ溶融材料は、順次冷えて凝固する。

しかしながら、溶接終端部（溶接箇所Ｍ９５における溶接進行方向Ｓの終端部）Ｂ９１では、湯流れにより流れてくる母材がほとんどなく、必要な母材が不足する。特に、一方の部材と他方の部材とを重ね合わせた状態で一方の部材と他方の部材との間に隙間９３（図１５Ａ，Ｂ参照）が生じている場合には、溶接終端部Ｂ９１において必要な母材が顕著に不足する。そのため、図１５Ａに示すように、片落ちたような欠陥が生じる場合がある。また、溶融した母材が冷えて凝固する過程において溶融した母材が収縮し、図１５Ｂに示すように、収縮時に互いに引張合う応力が発生するため凝固ワレが生じる場合がある。このように、溶接終端部９１Ｂにおいて欠陥や凝固ワレが生じることがある。

一方、溶接始端部（溶接箇所Ｍ９５における溶接進行方向Ｓの始端部）Ａ９１においては、溶接終端部Ｂ９１のように後方への湯流れによる溶融母材の不足は生じないものの、片落ちたような欠陥や溶融した母材が冷えて凝固する過程において溶融した母材が収縮するため、やはり欠陥としての凝固ワレが生じることがある。溶融始端部Ａ９１および溶接終端部Ｂ９１にそれぞれ発生する欠陥や凝固ワレは応力集中することによって溶融箇所Ｍ９５に亀裂が生じるおそれがある。

特許文献１のように、一方の板材の溶接される箇所に凸部位が形成されている場合、溶接される箇所の終始端部において、上述した孔は生じ難い。しかしながら、設計上の都合などで、一方の板材の溶接される箇所に、凸部位が形成されていない場合、または凸部位を形成することができない場合もありうる。

以上の背景に鑑み、本発明の目的は、重ね合わせ溶接において母材のみを溶融させて溶接を行う場合に、溶接終始端部における欠陥の発生を効果的に抑制することができる溶接方法を提供することである。

本発明は、一方の部材を他方の部材に重ね、前記一方の部材および前記他方の部材のみを溶融させて前記一方の部材を前記他方の部材に接合する溶接方法であって、前記一方の部材の縁部における所定の箇所と前記他方の部材における前記所定の箇所に対応する箇所とを溶融して接合する工程と、前記接合する工程を開始する前に、前記所定の箇所における溶接進行方向の終始端部に切り欠き部を形成する工程と、を備えるものである。

本発明により、重ね合わせ溶接において母材のみを溶融させて溶接を行う場合に、溶接終始端部における欠陥の発生を効果的に抑制することができる。

本実施の形態にかかる溶接方法において、一方の部材が他方の部材に溶接される前の状態を示す斜視図である。図１の平面図である。本実施の形態にかかる溶接方法において、一方の部材が他方の部材に接合された後の状態を示す斜視図である。図３の平面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。一方の部材の縁部における所定の箇所の溶接進行方向の終始端部に形成する切り欠き部の、図２に示す形状とは別の形状の例について説明する図である。一方の部材の縁部における所定の箇所の溶接進行方向の終始端部に形成する切り欠き部の、図２に示す形状とはさらに別の形状の例について説明する図である。上板の縁部における所定の箇所の終端部と始端部とで、それぞれ異なる大きさの切り欠き部を形成する場合について説明する図である。上板の表面上におけるレーザビームの軌跡の概略について示す図である。評価した切り欠き部の各形状とその評価結果について示す図である。溶接終端部および溶接始端部において、レーザ出力は走査時のレーザ出力のままとし、レーザヘッドを溶接進行方向と直行する方向に振動させる振動幅を走査時よりも小さくなるようにする制御について説明する図である。既存の溶接方法において、一方の部材が他方の部材に溶接される前の状態を示す斜視図である。既存の溶接方法において、一方の部材が他方の部材に溶接された後の状態を示す斜視図である。図１３の平面図である。図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図の一例である。図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図の別の一例である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる溶接方法において、一方の部材が他方の部材に溶接される前の状態を示す斜視図である。図２は、図１の平面図である。図１および図２に示すように、他方の部材としての下板１の表面に一方の部材としての上板２が重ねられている。一方の部材および他方の部材の材質は、例えば、自動車に用いられるアルミ材や高炭素鋼材である。上板９２の表面にレーザヘッド１００からレーザビームＬが照射される。上板２の縁部２ａにおける溶接される予定の箇所である所定の箇所２ｃと下板１における所定の箇所２ｃに対応する箇所とが、レーザビームＬの照射によって溶融されることにより接合される。なお、簡便のため、図１および図２には、所定の箇所２ｃにおける溶接進行方向Ｓの終端部Ｂ１の周辺のみが示されている。

上板２の縁部２ａにおける所定の箇所２ｃと下板１における所定の箇所２ｃに対応する箇所とが、レーザビームＬの照射によって溶融されることにより接合される工程を開始する前に、上板２の縁部２ａにおける所定の箇所２ｃの溶接進行方向Ｓの終端部Ｂ１において、切り欠き部２ｂを形成する。切り欠き部２ｂの形状は、平面視において高さＨ、幅Ｗの矩形である（図２参照）。ここで高さとは、溶接進行方向Ｓと垂直で上板２の表面と平行である方向Ｔにおける、上板２の縁部２ａからの距離を意味する。また、所定の箇所２ｃの始端部においても、所定の箇所２ｃの終端部Ｂ１と同様の形状の切り欠き部を形成する。切り欠き部２ｂは、例えば、矩形状のパンチ金型を用いたパンチ加工によって形成する。

図３は、本実施の形態にかかる溶接方法において、一方の部材が他方の部材に接合された後の状態を示す斜視図である。図４は、図３の平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図３〜図５に示すように、他方の部材としての下板１の表面に重ねられた一方の部材としての上板２の縁部が、下板１の表面に接合されている。下板１と上板２との間には隙間３がある（図５参照）。なお、簡便のため、図３〜図５には、図１および図２に示した、所定の箇所２ｃにおける溶接進行方向Ｓの終端部Ｂ１の周辺に対応する箇所のみが示されている。

上板２において、溶融箇所Ｍ５における溶接進行方向Ｓの終端Ｍ５ａと溶融されていない母材の端部２ｄとは、所定の箇所２ｃにおける溶接進行方向Ｓの終端部Ｂ１に形成された切り欠き部２ｂにより分離されている。このため、溶融箇所Ｍ５における溶接進行方向Ｓの終端部Ｄ１では、溶融した母材が冷えて凝固する過程において溶融した母材が収縮しても、互いに引張合う応力によって生じる凝固ワレや図１３〜１５に示した、溶融金属の不足による片落ちのような欠陥は生じない。

また、溶融箇所Ｍ５における溶接進行方向Ｓの終端Ｍ５ａと同様に、溶融箇所Ｍ５における溶接進行方向Ｓの始端と溶融されていない母材とは、所定の箇所２ｃにおける溶接進行方向Ｓの終端部Ｂ１に形成された切り欠き部により分離されている。このため、溶融箇所Ｍ５の溶接進行方向Ｓの始端部においても溶融箇所に前述のような欠陥や凝固ワレは生じない。

[変形例１]
図６は、上板２の縁部２ａにおいて、所定の箇所２ｃの溶接進行方向Ｓの終始端部に形成する切り欠き部の、図２とは別の形状の例について説明する図である。図６に示すように、上板２の縁部２ａにおいて、所定の箇所２ｃの溶接進行方向Ｓの終始端部に形成する切り欠き部２２ｂの形状は、平面視において半径Ｒ、高さＨの半円形状であってもよい。ここで高さとは、溶接進行方向Ｓと垂直で上板２の表面と平行である方向Ｔにおける、上板２の縁部２ａからの距離を意味する。切り欠き部２２ｂは、例えば、円形状のパンチ金型を用いたパンチ加工によって形成する。

[変形例２]
図７は、上板２の縁部２ａにおいて、所定の箇所２ｃの溶接進行方向Ｓの終始端部に形成する切り欠き部の、図２、６とは別の形状の例について説明する図である。図７に示すように、上板２の縁部２ａにおいて、所定の箇所２ｃの溶接進行方向Ｓの終始端部に形成する切り欠き部３２ｂの形状は、平面視において半径Ｒ、高さＨの半円形状で、角部３２ｂＡ，３２ｂＢを半径ＲでＲ面取りしたものあってもよい。ここで高さとは、溶接進行方向Ｓと垂直で上板２の表面と平行である方向Ｔにおける、上板２の縁部２ａからの距離を意味する。切り欠き部２２ｂは、例えば、パンチ金型を用いたパンチ加工によって形成する。

[変形例３]
上板２の縁部２ａにおける所定の箇所２ｃの終端部と始端部とで、それぞれ異なる形状または大きさの切り欠き部を形成してもよい。図８は、上板２の縁部２ａにおける所定の箇所２ｃの終端部と始端部とで、それぞれ異なる大きさの切り欠き部を形成する場合について説明する図である。溶接終端部では、溶接始端部と異なり、湯流れにより後方から流れてくる母材がほとんどないので母材が不足しがちである。このため、溶接終端部のほうが溶接始端部よりも欠陥が発生しやすい。そこで、図８に示すように、例えば、終端部に形成する切り欠き部４２ｂの半径Ｒｂを、始端部に形成する切り欠き部４２ｅの半径Ｒａの２分の１倍にする。例えば、切り欠き部４２ｂの高さを２ｍｍ、半径Ｒｂを４ｍｍにし、切り欠き部４２ｅの高さを２ｍｍ、半径Ｒａを８ｍｍにする。

上板の縁部の終始端部に、それぞれ、図２、図６、図７に示す切り欠き部を形成したときにおける、重ね継手の隅肉溶接を行った後の欠陥の有無について評価試験を行った。この評価試験について以下で説明する。
本評価試験において重ね継ぎ手を行った、一方の部材である上板および他方の部材である下板の材質は、いずれも６０００系のアルミニウムである。上板の厚さは１．６ｍｍ、下板の厚さは１．４ｍｍである。また、上板と下板を重ねたときの上板と下板との間の隙間の距離ｄ（図５参照）は０．６ｍｍである。

本評価試験において用いたレーザは、ファイバーレーザである。走査時におけるレーザビームの集光径は０．４ｍｍ、出力は４５００Ｗである。走査時におけるレーザ出力に対し、溶接始端部では走査時の出力の１／２から走査時の出力へとスロープアップ、溶接終端部では走査時の出力から走査時の出力の約１／２へとスロープダウンさせるようにレーザ出力を制御した。

図９は、上板の表面上におけるレーザビームの軌跡ＳＣ１の概略について示す図である。図９に示すように軌跡ＳＣ１が円周を描くよう、レーザヘッドを溶接進行方向Ｓと直行する方向Ｔに一定の周波数で振動（ウォブリング）させながら溶接進行方向Ｓに移動させた。レーザヘッドの振動幅Ｗ１は４ｍｍである。レーザヘッドを溶接進行方向Ｓに移動させる速度は４００ｃｍ／ｍｉｎである。

図１０は、評価した切り欠き部の各形状とその評価結果について示す図である。図１０に示すように、評価した切り欠き部の形状は、図２に示す矩形形状において高さＨを１ｍｍ、２ｍｍと振った２パターン、図６に示す半円形形状において高さＨを１ｍｍ、２ｍｍと振るとともに半径Ｒを１ｍｍから１０ｍｍの間で１ｍｍおきに振った２０パターン、図７に示す半円形で角部をＲ面取りした形状において高さＨを１ｍｍ、２ｍｍと振るとともに半径Ｒを１ｍｍから１０ｍｍの間で１ｍｍおきに振った２０パターン、である。なお、矩形形状における幅Ｗについては、ある程度以上（例えば、１ｍｍ以上）確保できていれば評価結果に影響を及ぼさない。このため、矩形形状における幅Ｗは１ｍｍのみ評価した。

評価結果については、図１０中において、欠陥がなく良好だったものを○、欠陥が生じた場合があるものを△、欠陥が生じたものを×として示す。切り欠き部の形状が矩形形である場合、いずれのパターンでも欠陥がなく良好だった。切り欠き部の形状が半円形である場合、半径Ｒが１ｍｍから７ｍｍの間であれば、高さが１ｍｍ、２ｍｍのいずれであっても欠陥がなく良好だった。また、切り欠き部の形状が半円形で角部をＲ面取りした形状である場合、半径Ｒが１ｍｍから７ｍｍの間であれば、高さが１ｍｍ、２ｍｍのいずれであっても欠陥がなく良好だった。

一方、切り欠き部の形状が、半円形または半円形で角部をＲ面取りした形状のときに、半径Ｒを７ｍｍ以上にすると欠陥が生じる場合があった。これは、高さＨに対し半径Ｒを大きくしていくと切り欠き部の円弧が直線に近づくため、上板において、溶融箇所における溶接進行方向Ｓの終端および始端と溶融されていない母材の端部とを切り欠き部によって分離する効果が薄れるためである。

[変形例４]
溶接終端部および溶接始端部において、レーザ出力は走査時のレーザ出力のままとし、レーザヘッドを溶接進行方向Ｓと直行する方向Ｔに振動させる振動幅を走査時よりも小さくなるように制御してもよい。図１１は、溶接終端部および溶接始端部において、レーザ出力は走査時のレーザ出力のままとし、レーザヘッドを溶接進行方向Ｓと直行する方向Ｔに振動させる振動幅を走査時よりも小さくなるようにする制御について説明する図である。図１１に示すように、例えば、溶接始端部においては、レーザヘッドの振動幅を、走査時におけるレーザヘッドの振動幅Ｐ１よりも小さい振動幅Ｐ２から振動幅Ｐ１へと漸増させ、溶接終端部においては、レーザヘッドの振動幅を、振動幅Ｐ１から振動幅Ｐ２へと漸減させるようにレーザヘッドを制御する。例えば、振動幅Ｐ２を振動幅Ｐ１の約１／２にする。このようにすることで、溶接終端部および溶接始端部における、レーザ照射による入熱量が適切になるようにすることができる。

以上より、重ね合わせ溶接において母材のみを溶融させて溶接を行う場合に、一方の部材における縁部の溶接される所定の箇所の終始端部に切り欠き部を形成することで、溶接終始端部における欠陥の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記実施の形態では、レーザの照射により一方の部材および他方の部材を溶融させるレーザ溶接の場合を例に説明したが、これに限定するものではない。例えば、プラズマの噴射により一方の部材および他方の部材を溶融させるプラズマ溶接など、溶加棒を用いずに母材自体を溶かして行う溶接手段であればよい。

１下板
２上板
２ａ縁部
２ｂ切り欠き部
２ｃ所定の箇所
Ｂ１所定の箇所２ｃにおける溶接進行方向Ｓの終端部
Ｌレーザビーム
Ｍ５溶融箇所
Ｓ溶接進行方向

Claims

一方の部材を他方の部材に重ね、前記一方の部材および前記他方の部材のみを溶融させて前記一方の部材の隅肉を前記他方の部材に接合する溶接方法であって、
前記一方の部材の縁部における所定の箇所と前記他方の部材における前記所定の箇所に対応する箇所とを溶融して接合する工程と、
前記接合する工程を開始する前に、前記所定の箇所における溶接進行方向の終始端部に切り欠き部を形成する工程と、を備える溶接方法。