JP6981745B2 - 溶接方法及び溶接構造体 - Google Patents

Description

本発明は、溶接方法及び溶接構造体に関する。

特許文献１には、レーザ溶接によって形成された溶接部により接合された複数の溶接対象物を有する溶接構造体が開示されている。溶接部は、溶接対象物上の仮想閉曲線に沿って形成された複数のナゲットを有する。

特開２０１５−２０５３２３号公報

仮想閉曲線に沿って並ぶ複数のナゲットをレーザ溶接によって形成する溶接方法では、仮想直線又は仮想開曲線に沿って並ぶ複数のナゲットをレーザ溶接によって形成する方法に比べて、溶接の座面が大きくなる。このため、溶接の打点代が小さい複数の溶接対象物を溶接する場合にはこの溶接方法を適用できない。

本発明は上記事実を考慮し、打点代の小さい部分に適用でき、１つのナゲットで複数の溶接対象物を溶接する構成に比べて溶接対象物の剥離強度を向上させることができる溶接方法及び溶接構造体を得ることが目的である。

請求項１に記載の発明に係る溶接方法は、各々アルミニウム合金板とされると共に、各々の打点代がナゲットの直径ｄ以上でかつ１０〔ｍｍ〕以下の長さに設定された自動車用板材である複数の溶接対象物を、所定のピッチで前記ナゲットが形成されるようにレーザ溶接により溶接して接合する溶接方法であって、隣り合う前記ナゲットは、中心軸を通る線が仮想直線もしくは仮想開曲線に沿うように、中心軸間の距離ｐで並び、前記複数の溶接対象物の前記ナゲットの直径ｄとして、１．０＜ｐ／ｄ≦１．４とする。

請求項１に記載の発明に係る溶接方法では、比率ｐ／ｄが１．０よりも大きくなるようにナゲットが形成される。つまり、ナゲットの直径ｄよりも、隣り合うナゲットの中心軸間の距離ｐが長くなる。このため、溶接の打点の中心が近づかないので、凝固収縮が大きい金属では凝固割れが繋がることが抑制される。これにより、比率ｐ／ｄが１．０以下となる方法に比べて、疲労時の亀裂になるリスクが高くなったり見栄えが悪いといった溶接不良を抑制することができる。さらに、比率ｐ／ｄが１．６以下となるようにナゲットが形成されることで、打点代が小さいままで溶接対象物の剥離強度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明に係る溶接構造体は、レーザ溶接によって接合され隣り合う複数のナゲットが形成された複数の溶接対象物を有する溶接構造体であって、隣り合う前記ナゲットは、中心軸を通る線が仮想直線もしくは仮想開曲線に沿うように、中心軸間の距離ｐで並び、前記複数の溶接対象物の前記ナゲットの直径ｄとして、１．０＜ｐ／ｄ≦１．４であり、さらに、前記複数の溶接対象物は、各々アルミニウム合金板とされると共に、各々の打点代が前記ナゲットの前記直径ｄ以上でかつ１０〔ｍｍ〕以下の長さに設定された自動車用板材である。

請求項２に記載の発明に係る溶接構造体では、比率ｐ／ｄが１．０よりも大きくなるようにナゲットが形成されている。つまり、ナゲットの直径ｄよりも、隣り合うナゲットの中心軸間の距離ｐが長い。このため、溶接の打点の中心が近づかないので、凝固収縮が大きい金属では凝固割れが繋がることが抑制される。これにより、比率ｐ／ｄが１．０以下となる構成に比べて、疲労時の亀裂になるリスクが高くなったり見栄えが悪いといった溶接不良を抑制することができる。さらに、比率ｐ／ｄが１．６以下となるようにナゲットが形成されることで、打点代が小さいままで溶接対象物の剥離強度を向上させることができる。

請求項１又は請求項２に係る発明によれば、打点代の小さい部分に適用でき、１つのナゲットで複数の溶接対象物を溶接する構成に比べて溶接対象物の剥離強度を向上させることができる。

（Ａ）本実施形態に係る溶接構造体の平面図であり、（Ｂ）本実施形態に係る溶接構造体の縦断面図（図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図）である。 本実施形態に係る溶接構造体の溶接状態を示す説明図である。 本実施形態に係る溶接構造体の試験体を示す斜視図である。 本実施形態に係るナゲットの直径に対するピッチの比率ｐ／ｄと試験片の剥離強度比率との関係を示すグラフである。 （Ａ）本実施形態の第１変形例における溶接構造体の平面図であり、（Ｂ）本実施形態の第２変形例における溶接構造体の平面図である。

図１（Ａ）には、本実施形態の一例としての溶接構造体１０が示されている。溶接構造体１０は、溶接対象物１２と、溶接対象物１４とを有する。溶接対象物１２は、一例として、平面視で四角形状の金属板で構成されている。溶接対象物１４は、一例として、平面視で四角形状の金属板で構成されている。金属板は、自動車用板材であり、一例として、アルミニウム合金板とされている。なお、以後の説明では、溶接対象物１２及び溶接対象物１４の面内方向の１方向を「Ｘ方向」と称し、溶接対象物１２及び溶接対象物１４の面内方向でかつＸ方向に直交する方向を「Ｙ方向」と称する。さらに、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向を「Ｚ方向」と称する。

図１（Ｂ）に示すように、溶接対象物１２と溶接対象物１４は、重ね合せられている。また、溶接対象物１２と溶接対象物１４は、一例として、溶接部２０によって接合されている。溶接部２０は、後述するように、レーザ溶接によって形成される。レーザ溶接の際、レーザ光は、溶接対象物１２に照射される。溶接対象物１４は、レーザ光を照射しない側の溶接対象物である。

溶接部２０は、一例として、ナゲット２２、２４によって構成されている。ナゲット２２、２４は、一例として、Ｚ方向に見た場合にそれぞれ略円形に形成されている。また、ナゲット２２、２４は、Ｙ方向に見た場合にそれぞれＸ−Ｚ断面が鼓状に形成されている。なお、図１（Ｂ）では、ナゲット２２の中心軸Ａ、ナゲット２４の中心軸Ｂをそれぞれ一点鎖線で示している。中心軸Ａ及び中心軸Ｂは、一例として、Ｚ方向に沿っている。

図１（Ａ）に示すように、ナゲット２２の中心軸Ａとナゲット２４の中心軸Ｂとを通る直線を「仮想直線Ｋ１」と称する。仮想直線Ｋ１は、一例として、Ｘ方向に沿っている。なお、本実施形態では、一例として、ナゲット２２とナゲット２４が同じ形状でかつ同じ大きさのものとして説明する。なお、Ｙ方向において、溶接対象物１２と溶接対象物１４とが接触する範囲の長さを「打点代Ｌ」と称する。本実施形態において、打点代Ｌの小さい部分とは、例えば、打点代Ｌが５〔ｍｍ〕〜１０〔ｍｍ〕の部分、あるいは、５〔ｍｍ〕よりも小さい部分を意味している。

図１（Ｂ）に示すように、溶接対象物１２、１４の接合方向（Ｚ方向）と直交する面（Ｘ−Ｙ面）内におけるナゲット２２の直径をｄ〔ｍｍ〕とする。具体的には、溶接対象物１２と溶接対象物１４との間（板間）におけるナゲット２２の直径をｄ〔ｍｍ〕とする。また、隣り合うナゲット２２、２４の溶接の打点の中心軸間の距離（中心軸Ａと中心軸ＢとのＸ方向の距離）をｐ〔ｍｍ〕とする。なお、以後の説明では、ナゲット２２、２４の中心軸間の距離ｐを「ピッチｐ」と称する。

ここで、ナゲット２２、２４は、直径ｄ〔ｍｍ〕とピッチｐ〔ｍｍ〕が１．０＜ｐ／ｄ≦１．６を満たすように、溶接対象物１２及び溶接対象物１４に形成されている。言い換えると、ナゲット２２、２４は、直径ｄ〔ｍｍ〕に対するピッチｐ〔ｍｍ〕の比率が、１．０よりも大きくかつ１．６以下となるように、溶接対象物１２及び溶接対象物１４に形成されている。

ナゲット２２、２４の外形が楕円形状である場合には、直径ｄ〔ｍｍ〕は、楕円のＸ方向の長さであってもよいし、長軸長さと短軸長さとを平均した長さであってもよい。なお、本実施形態では、ナゲット２２とナゲット２４とが同じ形状でかつ同じ大きさのものとしたが、例えば、ナゲット２２とナゲット２４とで直径ｄの大きさが異なる場合は、それぞれの直径ｄから平均値を計算して、平均の直径ｄを用いてもよい。

図２には、溶接対象物１２と溶接対象物１４とを溶接する溶接方法が示されている。本実施形態における溶接方法は、溶接装置１００によって実施される。溶接装置１００は、溶接対象物１２に向けてレーザ光ＬＡを照射する照射部１０２と、照射部１０２の動作を制御する制御部１０４とを含んで構成されている。

照射部１０２は、一例として、ガルバノスキャナ等のレーザスキャナで構成されており、内蔵された図示しないガルバノミラーの向きを制御することによって、溶接対象物１２の予め定められた位置にレーザ光ＬＡを照射する。これにより、レーザ光ＬＡが照射された位置にナゲット２２が形成される。制御部１０４は、隣り合うナゲット２２、２４が１．０＜ｐ／ｄ≦１．６の条件で形成されるように、照射部１０２のガルバノミラーの向きを制御する。

本実施形態では、一例として、ナゲット２２の形成に走査式形成法を用いている。走査式形成法では、一例として、溶接対象物１２において、矢印Ｃで示すように、円周の軌跡に沿ってレーザ光ＬＡを走査することで、ナゲット２２が形成される。言い換えると、制御部１０４は、溶接対象物１２におけるナゲット２２が形成されるべき位置において、円周の軌跡に沿ってレーザ光ＬＡが走査されるように照射部１０２の動作を制御する。なお、制御部１０４は、ナゲット２２が形成された後において、ナゲット２４（図１（Ａ）参照）が形成されるべき位置にレーザ光ＬＡが照射されるように照射部１０２の動作を制御する。

＜剥離強度試験＞
溶接後の溶接対象物１２及び溶接対象物１４について行った剥離強度試験について説明する。剥離強度試験は、試験機 AG-20kN/50kNXDplus (島津製作所)を用いて行った。

剥離強度とは、接合された溶接対象物１２、１４を剥離させる剥離方向（溶接対象物１２、１４の厚み方向）に向かって加えられる引張荷重であって、溶接対象物１２、１４が剥離せずに耐え得る引張荷重の最大値によって示される。また、剥離強度比率とは、ナゲット２２（図１（Ａ）参照）と同程度の大きさの１つのナゲットで溶接対象物１２、１４が接合された溶接部の剥離強度に対して、本実施形態の溶接方法により形成された溶接部２０の剥離強度を比率で示したものである。

（試験片）
図３に示すように、厚さ１．２〔ｍｍ〕の６０００系アルミニウム合金の板材３０Ａと、厚さ０．９〔ｍｍ〕の６０００系アルミニウム合金の板材３０Ｂとを準備し、それぞれＬ字状に曲げて溶接して、試験片３０（溶接部２０）を形成した。レーザ光ＬＡ（図２参照）の集光径φは０．４〔ｍｍ〕程度となっており、レーザ光ＬＡを円状に走査させた。なお、ナゲット２２の形成位置を固定して、ナゲット２４の形成位置をＸ方向にずらすことにより、直径ｄに対するピッチｐの比率ｐ／ｄを０．２から２．０まで変えた複数の試験片３０を準備した。

剥離強度試験では、図３に示す試験片３０を１組（２つ）準備し、一方の試験片３０を他方の試験片に対して上下逆に配置して、背面合せにした状態（十字状態）で試験を行った。そして、得られた試験データを１／２とした値を剥離強度とした。また、比較対象となるナゲット１つの試験片を準備し、同様に剥離強度試験を行った。

（試験結果）
図４には、ナゲット２２（図１（Ｂ）参照）の直径ｄに対するピッチｐの比率ｐ／ｄと試験片３０（図３参照）の剥離強度比率との関係が示されている。

比率ｐ／ｄが０．６以下又は１．６よりも大きくなる範囲では、剥離強度比率がほぼ１．０となった。言い換えると、比率ｐ／ｄが０．６以下又は１．６よりも大きくなる範囲内となるように溶接（接合）が行われた溶接構造体では、溶接部の剥離強度は、１つのナゲットで接合された場合の剥離強度と同程度となった。つまり、比率ｐ／ｄが０．６以下又は１．６よりも大きくなる場合は、溶接部を２つのナゲットで構成しても、１つのナゲットで接合された場合に比べて剥離強度が高くなり難いことが確認された。

一方、比率ｐ／ｄが０．６よりも大でかつ１．６以下の範囲内では、剥離強度比率が１．０よりも大きくなった。言い換えると、比率ｐ／ｄが０．６よりも大でかつ１．６以下の範囲内となるように溶接（接合）が行われた溶接構造体では、溶接部の剥離強度は、１つのナゲットで接合された場合の剥離強度よりも高くなった。つまり、比率ｐ／ｄが０．６よりも大でかつ１．６以下となる範囲内では、溶接部２０（図１（Ａ）参照）をナゲット２２、２４（図１（Ａ）参照）で構成した場合に、１つのナゲットで接合された場合に比べて剥離強度が高くなることが確認された。

なお、比率ｐ／ｄが０．２よりも大きく１．０以下の範囲内の場合には、溶接後の試験片３０（図３参照）をＸ線観察して、ナゲット２２とナゲット２４（図３参照）との間に凝固割れが確認された。つまり、比率ｐ／ｄが０．６よりも大きく１．０以下の範囲内の場合は、凝固割れが繋がるため、使用条件としては適切ではない。具体的には、凝固割れが繋がった場合に、この割れが溶接構造体１０（図１（Ａ）参照）の疲労時の亀裂になるリスクが高くなったり、見栄えが悪いといった溶接不良となるため、使用条件としては適切ではない。

以上の結果から、本実施形態の溶接方法及び溶接構造体１０（図１（Ａ）参照）における比率ｐ／ｄの設定範囲は、１．０＜ｐ／ｄ≦１．６となっている。

〔作用〕
次に、本実施形態の溶接方法及び溶接構造体１０の作用について説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示す溶接構造体１０及び溶接構造体１０を得るための溶接方法では、比率ｐ／ｄが１．０よりも大きくなるようにナゲット２２、２４が形成される。つまり、隣り合うナゲット２２、２４の直径ｄよりも、ナゲット２２、２４のピッチｐが長くなる。このため、溶接対象物１２、１４における溶接の打点の中心が近づくことが抑制され、凝固割れが繋がることが抑制される。これにより、比率ｐ／ｄが１．０以下となる方法に比べて、疲労時の亀裂になるリスクが高くなったり見栄えが悪いといった溶接不良を抑制することができる。また、破断時においては、ナゲット２２、２４間に介在する溶接対象物１２、１４の母材により亀裂の進展を抑制できるため、剥離強度を向上させることができる。

さらに、比率ｐ／ｄが１．６以下となるようにナゲット２２、２４が形成されることで、溶接対象物１２、１４の剥離強度が、１点のナゲットを形成した場合の剥離強度に比べ向上する。これは、ナゲット２２、２４間の相互作用により、１点のナゲット２２又はナゲット２４にかかる応力が分散されるためだと考えられる。言い換えると、ナゲット２２、２４が離れすぎた場合は、ナゲット２２、２４間の相互作用がなくなり１点づつ破断する為、溶接対象物１２、１４の剥離強度の向上が見られない。このように、比率ｐ／ｄが１．６以下となるようにナゲットが形成されることで、打点代Ｌ（図１（Ａ）参照）が小さいままで溶接対象物１２、１４の剥離強度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、溶接構造体１０の仮想直線Ｋ１がＸ方向に沿って配置される構成となっていたが、溶接構造体は、この構成に限定されない。

＜第１変形例＞
図５（Ａ）には、第１変形例としての溶接構造体４０が示されている。溶接構造体４０では、６つのナゲット２２の図示しない中心軸を通る線が仮想直線Ｋ１となっている溶接部４２が形成されている。仮想直線Ｋ１上で隣り合う２つのナゲット２２の比率ｐ／ｄは、１．０＜ｐ／ｄ≦１．６となっている。このように、ナゲット２２の数を３つ以上の複数としてもよい。なお、生産性の観点から、ナゲットは２つ又は３つであることが望ましい。

＜第２変形例＞
図５（Ｂ）には、第２変形例としての溶接構造体５０が示されている。溶接構造体５０では、５つのナゲット２２の図示しない中心軸を通る線が仮想開曲線Ｋ２となっている溶接部５２が形成されている。仮想開曲線Ｋ２上で隣り合う２つのナゲット２２の比率ｐ／ｄは、１．０＜ｐ／ｄ≦１．６となっている。このように、複数のナゲット２２の中心軸を通る線が仮想開曲線Ｋ２となるように、複数のナゲット２２を配置してもよい。また、仮想開曲線Ｋ２上に配置されるナゲット２２の数は、５つに限らず、２、３、４あるいは６つ以上の複数としてもよい。なお、生産性の観点から、ナゲットは２つ又は３つであることが望ましい。

＜他の変形例＞
本実施形態では、一例として、溶接対象物の数を２としたが、これに限らない。溶接対象物の数は３以上であってもよい。また、溶接対象物１２、１４は、Ｚ方向に重ね合せられているものに限らず、Ｚ方向に間隔をあけて配置されているものであってもよい。本実施形態にかかる溶接方法は、溶接対象物への表面処理の施工の有無に関わらず、任意の溶接対象物に対して適用可能である。

ナゲット２２、２４を形成する溶接方法は、走査式形成法に限らず、定点式形成法、塗り潰し形成法、スクリュー式形成などの他の形成法を用いることができる。定点式形成法においては、溶接対象物における予め定められたポイントにレーザ光が一定時間照射されることで、ナゲット２２、２４が形成される。塗潰し式形成法においては、まず、円周の軌跡に沿ってレーザ光が走査されることで環状のナゲットが形成される。次に、形成された環状のナゲットの内部を塗り潰すようにレーザ光が走査されることで、ナゲット２２、２４が形成される。スクリュー式形成法においては、溶接対象物において、渦巻状の軌跡に沿ってレーザ光を走査することで、ナゲット２２、２４が形成される。

打点群（図１（Ａ）に示す溶接部２０）間のピッチは、溶接による打点群間の相互作用の影響を受け難くするために、２０〔ｍｍ〕以上で設定することが望ましい。

溶接対象物は、凝固収縮が大きく、凝固割れが起こり易いアルミニウム合金や高炭素鋼に限らず、他の材料で構成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態及び各変形例に係る溶接方法及び溶接構造体について説明したが、これらの実施形態及び各変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０ 溶接構造体
１２ 溶接対象物
１４ 溶接対象物
２２ ナゲット
２４ ナゲット
Ａ 中心軸
Ｂ 中心軸
ｄ 直径
Ｋ１ 仮想直線
Ｋ２ 仮想開曲線
ｐ 中心軸間の距離

Claims (2)

1. 各々アルミニウム合金板とされると共に、各々の打点代がナゲットの直径ｄ以上でかつ１０〔ｍｍ〕以下の長さに設定された自動車用板材である複数の溶接対象物を、所定のピッチで前記ナゲットが形成されるようにレーザ溶接により溶接して接合する溶接方法であって、
   隣り合う前記ナゲットは、中心軸を通る線が仮想直線もしくは仮想開曲線に沿うように、中心軸間の距離ｐで並び、
   前記複数の溶接対象物の前記ナゲットの直径ｄとして、１．０＜ｐ／ｄ≦１．４とする溶接方法。
2. レーザ溶接によって接合され隣り合う複数のナゲットが形成された複数の溶接対象物を有する溶接構造体であって、
   隣り合う前記ナゲットは、中心軸を通る線が仮想直線もしくは仮想開曲線に沿うように、中心軸間の距離ｐで並び、
   前記複数の溶接対象物の前記ナゲットの直径ｄとして、１．０＜ｐ／ｄ≦１．４であり、
   さらに、前記複数の溶接対象物は、各々アルミニウム合金板とされると共に、各々の打点代が前記ナゲットの前記直径ｄ以上でかつ１０〔ｍｍ〕以下の長さに設定された自動車用板材である溶接構造体。

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