JP6756755B2

JP6756755B2 - 接合方法

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Publication number: JP6756755B2
Application number: JP2018027894A
Authority: JP
Inventors: 小林　亨; 亨小林; 晃司山口
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP2019141876A; DE102019103983A1; CN110170744B; US20190255653A1; CN110170744A; US11213915B2

Description

本開示は、接合方法に関する。

溶接を行う金属部材にレーザー光を照射し、金属部材同士を溶接する方法が公知である（特許文献１参照）。このレーザー溶接は、重ね合わせた２枚の金属板の溶接にも使用される。

特表２００５−５２７３８３号公報

上板の表面に外部からエネルギーを与えることにより、上板のみ、又は上板と下板とを溶かして接合する上述のような接合方法では、エネルギーの集中度合いが高い。そのため、一方の金属板の厚みが小さく、かつ２枚の金属板を重ね合わせた際の板同士の隙間が大きい場合、溶融金属によって板同士の隙間が十分に充填されず、良好な溶接を行うことができないことがある。

本開示の一局面は、上板と下板との接合品質を高められる溶接方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、上板の表面にエネルギーを与えることにより、上板と上板に重ね合わされた下板とを溶かして上板と下板とを接合する工程を備える接合方法である。上板の表面にエネルギーを与える接合軌跡は、接合進行方向に対して交差すると共に折り返し点を有する。折り返し点近傍において与えられるエネルギー量は、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さい。

このような構成によれば、接合軌跡における折り返し点での過度の溶け込みによる穴あきを防止できる。その結果、金属板の厚みが薄い場合でも、溶接部の溶け落ちやのど厚の不足等の不良が抑制できる。

本開示の一態様では、エネルギーは、レーザー光によって与えられてもよい。上板と下板とは溶接によって接合されてもよい。接合する工程において、上板の表面におけるレーザー光の照射位置とエネルギー量とを調整してもよい。このような構成によれば、容易かつ確実に金属板の溶接を行うことができる。

本開示の一態様では、接合軌跡は、ウィービング溶接の溶接軌跡であってもよい。溶接軌跡の折り返し点近傍において与えられるエネルギー量から変換される入熱量は、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量から変換される入熱量よりも小さくてもよい。このような構成によれば、より確実に折り返し点での過度の溶け込みを抑制できる。

本開示の一態様では、溶接装置により、上板の表面におけるエネルギーの供給位置とエネルギー量とが調整されてもよい。このような構成によれば、自動でエネルギー量を調整できるので、溶接品質と生産性とを高めることができる。

本開示の一態様では、溶接速度の制御により、折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされてもよい。このような構成によれば、容易かつ確実にエネルギー量が調整できる。

本開示の一態様では、レーザー光のフォーカスの制御により、折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされてもよい。このような構成によっても、容易かつ確実にエネルギー量が調整できる。

図１は、実施形態における接合方法のフロー及びブロック図である。図２Ａは、図１の接合方法における溶接部の模式的な斜視図であり、図２Ｂは、図１の接合方法における溶接部の模式図である。図３は、溶接軌跡の模式図である。図４Ａは、溶接条件の説明図であり、図４Ｂは、溶接進行方向とエネルギーレベルとの関係を示す模式図である。図５は、溶接条件の調整方法のフロー図である。図６は、溶接部の模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
本実施形態の接合方法は、上板の表面にエネルギーを与えることにより、上板と上板に重ね合わされた下板とを溶かして上板と下板とを接合する工程を備える。

本実施形態では、金属製の上板と金属製の下板とを溶接によって接合する。つまり、本実施形態における接合方法は、２枚の金属板の溶接方法である。
本実施形態の接合方法では、図１に示す溶接装置１０を用いて溶接が行われる。

溶接装置１０は、発振器１２と、ミラー１３と、モーター１４と、制御部１５とを備えている。

発振器１２は、下板２に重ねられた上板３の表面（つまり母材表面）にエネルギーを与えるレーザー光を生成させる。レーザー光の供給源としては、例えば炭酸ガス（ＣＯ_２）が使用できる。ミラー１３は、発振器１２が生成したレーザー光の進路を変更し、上板３の表面に照射する。モーター１４は、ミラー１３に取り付けられ、ミラー１３の角度を変えるように構成されている。

制御部１５は、上板３の表面におけるレーザー光の照射位置とエネルギー量とを調整する。つまり、制御部１５は、モーター１４を介してミラー１３の角度を変えることで、レーザー光の照射位置を調整する。また、制御部１５は、発振器の出力を変えることで、レーザー光のエネルギー量を調整する。

以下、具体的な調整手順について説明する。
図１に示すように、まず、プログラム内で作業者がレーザー出力と溶接速度とを直接溶接装置１０に入力する（ステップＳ１）。

ステップＳ１と並行して、溶接位置を作業者が目視で決定して溶接装置１０にティーチングすることによって、プログラム内で溶接位置を自動作成させる（ステップＳ２）。また、溶接位置を作業者が数値入力で決定する（ステップＳ３）。

制御部１５は、ステップＳ２及びステップＳ３での入力を元に座標系を作成する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ２とステップＳ３とは、どちらか一方のみを選択して実行してもよい。

ステップＳ１の入力（つまりレーザー出力及び溶接速度）と、ステップＳ４の座標系とに基づき、制御部１５は、モーションコントローラーによって溶接装置１０の全体の動作パターンを作成する（ステップＳ５）。

制御部１５は、ステップＳ５で作成した動作パターンに基づいて、発振器１２にレーザー出力を指令する（ステップＳ６）。また、制御部１５は、ミラー１３及びモーター１４によって構成される加工ヘッドに、照射位置を指令する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ６とステップＳ７とは連動している。

＜溶接構造＞
溶接装置１０による溶接により、図２Ａ，２Ｂに示す溶接構造１が得られる。溶接構造１は、２枚の金属板同士が厚み方向に溶接されたものである。溶接構造１は、下板２と、上板３と、主要溶接部４と、溶接ビード６とを備える。

溶接構造１の用途としては、金属板同士を溶接する用途であれば特に限定されない。溶接構造１は、例えば、インパネリインフォースメント等の自動車部品におけるブラケットの取り付け構造に好適に使用できる。

下板２の材質としては、例えば、鉄、鋼等の鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。下板２の厚みは特に限定されない。上板３の材質は、下板２の材質として例示したものが挙げられる。上板３と下板２とは同一の材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。

上板３は、一部が下板２の一方の表面２Ａ（図２Ａ中の上面）に重ね合わされている。上板３は、下板２との重ね合わせ領域Ｏにおける平均厚みが１ｍｍ以下の薄板である。なお、上板３は全体が下板２に重ね合わされていてもよい。また、上板３の重ね合わせ領域Ｏ以外での平均厚みは１ｍｍを超えてもよい。

主要溶接部４は、溶接部のうち、下板２及び上板３を構成する金属がレーザー光による入熱によって溶融し、凝固したものである。主要溶接部４の周囲には溶接ビード６が形成される。主要溶接部４は、ウィービング溶接の溶接軌跡を構成している。

図３に示すように、主要溶接部４の平面形状は、溶接進行方向Ｌに対して交差する方向で、溶接進行方向Ｌと平行な中心線Ｍを跨ぐようにして折り返すように構成されている。つまり、溶接軌跡は、接合進行方向Ｌに対して交差すると共に、複数の折り返し点を有している。

本実施例では、主要溶接部４の平面形状は、三角波形状が連続したものである。なお、主要溶接部４の平面形状としては、三角波形状の頂上部が滑らかに折り返す形状やサイン波形状も採用できる。

主要溶接部４は、上板３における下板２とは反対側の表面３Ａ（図２Ａ中の上面）に、レーザー光を溶接進行方向Ｌに対しウィービングさせながら照射することで形成されている。

主要溶接部４の平面形状の折り返し間隔であるウィービングの間隔（つまり、隣接する折り返し点同士の溶接進行方向Ｌにおける距離）Ｐは、接合する金属の板厚、金属間の隙間の精度等によって決められる。

間隔Ｐとしては、板厚が１ｍｍ程度の金属板の接合の場合は、１ｍｍ以下が好ましい。間隔Ｐが大きすぎると、溶接進行方向Ｌにおける主要溶接部４内の隙間が大きくなり、溶接が不十分となるおそれがある。また、主要溶接部４の平面形状の折り返し角度θは、板への入熱の状態を鑑みながら、溶接速度を考慮した状態で位置座標を入力することで決定される。

また、本実施形態では、図４Ａに示すように、溶接軌跡において、溶接開始部分（前端部）Ｓと溶接終了部分（後端部）Ｆにおける振幅（つまり、中心線Ｍからの距離）は、他の部分の振幅よりも小さくされる。これにより、狙ったウィービングの振幅へスムーズに移行する溶接軌跡が描かれるので、溶接の両端部の品質を高めることができる。

＜エネルギー量の調整＞
本実施形態では、溶接装置１０による溶接速度の制御により、折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされる。つまり、折り返し点近傍における溶接速度を折り返し点近傍以外の領域における溶接速度よりも速くする。

これにより、図４Ｂに示すように、溶接軌跡の折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされる。

具体的には、溶接軌跡の折り返し点近傍において与えられるエネルギー量から変換される入熱量が、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量から変換される入熱量よりも小さくされる。

具体的には、図５に示すように、まず、制御部１５が現在の照射位置（つまりミラー角度）を認識する（ステップＳ１０）。次に、制御部１５は、照射位置の領域を確認し、折り返し点近傍にあるか否かを判定する（ステップＳ２０）。

現在の照射位置が折り返し点近傍にある場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、制御部１５は、溶接速度を高速モードに切り替える指令、又は高速モードを維持する指令を行う（ステップＳ３０）。

一方、照射位置が折り返し点近傍以外にある場合（Ｓ２０：ＮＯ）、制御部１５は、溶接速度を低速モードに維持する指令、又は低速モードを維持する指令を行う（ステップＳ４０）。

制御部１５は、溶接が完了するまで、つまり、照射位置が溶接終了部分に到達するまで、溶接速度の制御を繰り返す（ステップＳ５０）。

＜溶接構造の断面＞
本実施形態の接合方法によって得られる溶接構造の断面を図６に示す。
図６の接合構造では、主要溶接部４は、レーザー光によって形成された溶接金属部５中に充填されている。主要溶接部４内には空隙（つまりブローホール）は存在しない。

溶接金属部５は、上板３を貫通すると共に、下板２の内部及び上板３とは反対側の表面２Ｂ（図６中の下面）まで到達している。つまり、溶接金属部５は、上板３の内面と、下板２の内面とによって構成されている。上板３と下板２とは、上板３の内面と下板２の内面とに接合された主要溶接部４を介して、厚み方向に接合されている。

上板３における下板２とは反対側の表面３Ａ（つまり溶接面）と、上板３における主要溶接部４の露出面４Ａとは、連続している。つまり、主要溶接部４の長手方向（つまり溶接進行方向）Ｌと垂直な断面において、上板３と主要溶接部４との接続部分には厚み方向の段差が存在しない。なお、主要溶接部４の長手方向Ｌは、図３に示すように、ウィービングの進行方向（つまりウィービングの中心を結んだ線と平行な方向）である。

主要溶接部４の露出面４Ａは、溶接金属部５の中心に向かって窪んだ凹状に湾曲している。換言すれば、露出面４Ａは、上板３の表面３Ａにおいて溶接金属部５によって隔てられた２つの端の間に架け渡され、これらの端同士を滑らかに接続している。

また、図６に示すように、上板３内の主要溶接部４は、上板３の表面３Ａから厚み方向内側に向かって（つまり下板２に近づくにつれて）拡幅している。ただし、上板３内の主要溶接部４は拡幅していなくてもよい。

さらに、下板２内の主要溶接部４は、下板２の表面２Ａから厚み方向外側に向かって（つまり上板３から離間するにつれて）縮幅している。下板２から露出した主要溶接部４の底面４Ｂは、上板３における主要溶接部４の露出面４Ａよりも厚み方向と垂直な方向の幅が小さい。

主要溶接部４の露出面４Ａにおいて、主要溶接部４の長手方向Ｌと上板３の厚み方向とに垂直な方向の幅Ｗは、数ｍｍとすることができる。

図６に示すように、上板３の下板２と対向する表面３Ｂ（図６中の下面）と、下板２の表面２Ａとの間には、重ね合わせ方向の隙間が存在する。この隙間が大きすぎると、溶接強度が不十分となるおそれがある。なお、上板３と下板２との間の隙間は必ずしも存在しなくてもよい。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）接合軌跡における折り返し点での過度の溶け込みによる穴あきを防止できる。その結果、金属板の厚みが薄い場合でも、溶接部の過度の入熱による溶け落ちやのど厚の不足等の不良が抑制できる。

（１ｂ）エネルギー量から変換される入熱量を軌跡の位置によって調整することで、軌跡全体で均一な入熱量となり、より確実に折り返し点での過度の溶け込みを抑制できる。
（１ｃ）溶接装置１０により、上板の表面におけるエネルギーの供給位置とエネルギー量とが調整されることで、接合品質と生産性とを高めることができる。

（１ｄ）溶接装置１０による溶接速度の制御を行うことで、容易かつ確実に折り返し点近傍において与えられるエネルギー量を、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくできる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の接合方法において、溶接速度の代わりに、又は溶接速度と組み合わせて、レーザー光の出力又はレーザー光のフォーカスを制御することで、折り返し点近傍において与えられるエネルギー量を、折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくしてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の接合方法において、上板と下板とは、溶接以外の接合手段で接合されてもよい。

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…溶接構造、２…下板、２Ａ…表面、２Ｂ…表面、３…上板、３Ａ…表面、
３Ｂ…表面、４…主要溶接部、４Ａ…露出面、４Ｂ…底面、５…溶接金属部、
６…溶接ビード、１０…溶接装置、１２…発振器、１３…ミラー、１４…モーター、
１５…制御部。

Claims

上板の表面にレーザー光によってエネルギーを与えることにより、前記上板と前記上板に重ね合わされた下板とを溶かして前記上板と前記下板とを溶接によって接合する工程を備え、
上板の表面にエネルギーを与える接合軌跡は、接合進行方向に対して交差すると共に折り返し点を有し、
前記折り返し点近傍において与えられるエネルギー量は、前記折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さく、
溶接速度の制御により、前記折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、前記折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされる、接合方法。
請求項１に記載の接合方法であって、
前記接合する工程において、前記上板の表面における前記レーザー光の照射位置とエネルギー量とを調整する、接合方法。
請求項１又は請求項２に記載の接合方法であって、
前記接合軌跡は、ウィービング溶接の溶接軌跡であり、
前記溶接軌跡の折り返し点近傍において与えられるエネルギー量から変換される入熱量は、前記折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量から変換される入熱量よりも小さい、接合方法。
請求項２に記載の接合方法であって、
溶接装置により、前記上板の表面におけるエネルギーの供給位置とエネルギー量とが調整される、接合方法。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の接合方法であって、
前記レーザー光のフォーカスの制御により、前記折り返し点近傍において与えられるエネルギー量が、前記折り返し点近傍以外の領域において与えられるエネルギー量よりも小さくされる、接合方法。