JP7132829B2 - アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法に関する。

従来、アルミニウム合金板の接合において、レーザ光を照射して重ね隅肉溶接することが行われている。重ね隅肉溶接では、２枚の板をずらして重ねて、上板の端部と下板の主面との間を溶接することができる。例えば、特許文献１には、溶接のビード幅を広げるために、ガルバノスキャナを利用してレーザ光を、円を描くように照射するいわゆるウォブリング照射を行う構成が開示されている。そして、当該構成では、レーザ光の軌跡の重なり具合を適宜設定することにより溶接部にポロシティが発生することを抑制している。

国際公開ＷＯ２０１６／１９４３２２号公報

しかしながら、レーザ光の照射によりアルミニウム合金板を重ね隅肉溶接すると、下板の端部から溶接ビードに向かって下板に割れが生じる場合がある。かかる割れは、レーザ光の照射による熱の発生に起因するものであることが分かった。すなわち、レーザ溶接直後の溶接ビード部分が熱収縮することにより、下板に大きな引張応力が発生する。特に溶接の後半になるほど溶接対象への入熱量が増加するため、溶接ビードの近傍は高温となる。そして、下板のフランジ部に結晶粒界に成分偏析や共晶等が生じていると、局部的に融解して開口し、これが起点となって下板先端部から亀裂が発生する。当該亀裂は、下板の結晶粒界に沿って伝搬して一部が溶接ビード内に達する。このような割れは溶接部の品質の低下を招く。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、割れの発生が防止されるアルミニウム合金板の隅肉溶接方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法であって、
ガルバノスキャナにより、レーザ発振器から出力されたレーザ光を溶接対象部位に照射して、該溶接対象部位に設定された溶接ラインに沿って３５ｍｍ以下の長さ走査して、溶接ビードを形成する溶接工程と、
該溶接工程における上記レーザ光の照射時間の１／３以上に相当する時間にわたってレーザ光の照射及び走査を停止する停止工程と、を交互に繰り返す、アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法にある。

上記アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法においては、溶接工程では、走査長さが３５ｍｍ以下となるようにレーザ光を溶接対象部位に走査する。これにより、溶接工程において溶接対象部位への入熱量が適度に抑制される。さらに、停止工程では、溶接工程におけるレーザ光の照射時間の１／３以上の期間にわたって上記照射及び走査を停止するため、溶接対象部位において放熱が促される。そして、溶接工程と停止工程とが交互に繰り返されることにより、所定距離の溶接を行うことができる。その結果、全体として溶接長さが長い場合でも、連続して行われるレーザ光の走査は短い時間となるため、溶接対象部位が過度に加熱されることが防止されて、溶接対象部位やその近辺において、熱収縮に起因する割れが発生することが防止される。また、停止工程では、ガルバノスキャナによる走査も停止されるため、繰り返し形成される溶接ビードが一繋がりとなり、溶接状態が良好となる。

以上のごとく、本発明によれば、割れの発生が防止されるアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法を提供することができる。

実施例１における、溶接システムの構成を示す概念図。 実施例１における、溶接態様を示す概念図。 実施例１における、レーザ光の焦点の軌跡を示す概念図。 実施例１における、溶接態様を示す断面概念図。 （ａ）試験例１、（ｂ）試験例２及び（ｃ）比較例１における溶接工程と停止工程の態様を説明する概念図。 （ａ）比較例１及び（ｂ）試験例２における溶接ビードの例を示す図。

上記溶接工程において、上記レーザ光を一定速度で走査することが好ましい。この場合には、溶接工程において溶接対象部位に安定的に入熱されるため、溶接状態を良好とすることができる。

上記溶接工程において、上記レーザ光をウォブリングさせながら上記溶接ラインに沿って走査することが好ましい。この場合は、レーザ光のスポット径を大きくすることなく、溶接ビードの幅を大きくすることができる。その結果、溶接状態を一層良好にすることができる。

また、上記溶接工程において、上記溶接対象部位に上記レーザを照射して、上記レーザ光が照射される被照射面と反対側の裏面まで上記溶接対象部位を溶融させることが好ましい。この場合には、下板の溶接側端部に生じやすい割れの発生を効果的に抑制すことができる。この場合は、溶接対象部位が確実に溶融されて溶接状態を一層良好にすることができる。

（実施例１）
アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法の実施例について、図１～図６を用いて説明する。
本実施例のアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、溶接工程Ｓ１と停止工程Ｓ２とを交互に繰り返し行う。
溶接工程Ｓ１では、図１に示すように、ガルバノスキャナ２０により、レーザ発振器６０から出力されたレーザ光Ｑを溶接対象部位Ａに照射して、溶接対象部位Ａに設定された溶接ラインＧに沿って３５ｍｍ以下の長さ走査して、溶接ビードを形成する。
停止工程Ｓ２では、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の１／３以上に相当する時間にわたってレーザ光Ｑの照射及び走査を停止する。

本実施例の重ね隅肉溶接方法では、図１に示す、溶接システム１００を使用した。溶接システム１００は、レーザ発振器６０、ガルバノスキャナ２０、出力制御部３０、走査制御部４０、載置台５０を備える。レーザ発振器６０は、レーザ光Ｑを出力するように構成されている。レーザ発振器６０の出力は出力制御部３０により調整される。ガルバノスキャナ２０は、モータ２１、２２、ミラー２３及び集光レンズ２４を備える。

ガルバノスキャナ２０は、レーザ光Ｑを、集光レンズ２４を透過させた後にミラー２３で反射させてその軌道を変更し、載置台５０に載置したアルミニウム合金板１０の溶接対象部位Ａに向けて照射する。ミラー２３はモータ２１、２２に接続されて回転可能に構成されており、走査制御部４０によって所望の状態に駆動制御されている。集光レンズ２４はレーザ光Ｑの焦点を溶接対象部位Ａに合わせるように構成されている。これにより、ガルバノスキャナ２０は、レーザ光Ｑを溶接対象部位Ａに照射して所望の態様で走査可能となっている。なお、本実施例では、レーザ発振器６０として、トルンプ社製、型番TruDisk6002を使用した。また、ガルバノスキャナ２０として、ワイ・イー・データ社製、型番8MC39A-3C4C8Aを使用した。

溶接対象となるアルミニウム合金板１０としては、所望の組成のものを用いることができる。例えば、アルミニウム合金板１０として、１０００系～６０００系アルミニウム合金からなる板材を使用することができる。なお、アルミニウム合金板１０には純アルミニウムからなる板材を含むものとする。使用するアルミニウム合金板１０の厚さや形状は特に限定されない。

溶接工程Ｓ１を行う前の準備工程として、図２及び図４（ａ）に示すように、溶接対象となる２枚のアルミニウム合金板１０を重ねて、一方のアルミニウム合金板１０である上板１１の一方の端部である溶接側端部１１１が、他方のアルミニウム合金板である下板１２の板面の上に位置するように互いにずらした状態とする。これにより、下板１２は、上板１１と重ならずに表出したフランジ部１２１を有する。図２、図３に示すように、フランジ部１２１の幅Ｆは、２ｍｍ～５ｍｍとすることができ、本実施例では、３．０ｍｍとしている。

上述のごとく重ね合わせた２枚のアルミニウム合金板１０において、上板１１には、上板１１の溶接側端部１１１から、上板１１の一方の板面である被照射面１１４の内方へ所定距離離れた位置に、溶接ラインＧを設定する。本例では、図２に示すように、溶接ラインＧは溶接側端部１１１から１．５ｍｍ離れ、溶接側端部１１１に平行な直線としている。溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの走査は溶接ラインＧに沿って行う。なお、図４（ｂ）に示す上板１１の被照射面１１４におけるレーザ光Ｑのスポット径Ｔは特に限定されない。

溶接工程Ｓ１において、走査長さＬは３５ｍｍ以下であって、好ましくは、３～３０ｍｍ、より好ましくは５～２０ｍｍとすることができ、本実施例では、１０ｍｍ又は５ｍｍとしている。なお、繰り返し行われる溶接工程Ｓ１において、すべての走査長さＬが同じであってもよいし、３５ｍｍ以下の範囲内で、走査長さＬが異なるものが含まれていてもよい。

溶接工程Ｓ１において、レーザ光Ｑをウォブリングさせながら溶接ラインＧに沿って走査することができる。ウォブリングの態様は、特に限定されず、レーザ光Ｑの焦点の軌跡が螺旋状、波線状、蛇行状などとなるような態様とすることができる。本例では、図３に示すように、レーザ光Ｑの焦点の軌跡を円を描くように移動させつつ、溶接ラインＧに平行に移動させることにより、レーザ光Ｑの焦点の軌跡Ｑｆが図３に示すように螺旋を描くようにしている。そして、レーザ光Ｑの焦点の軌跡を動かす際の円の半径は適宜設定することができ、本例では、図３に示すように、溶接ラインＧと溶接側端部１１１であるルート面との距離Ｓを１．５ｍｍに設定している。これにより、ウォブリング幅Ｒは３．０ｍｍとしている。なお、ウォブリングにおける円移動の周波数は適宜設定することができ、溶接方向に平行な方向への移動速度も適宜設定できる。本例では、ウォブリングにおける円移動の周波数を５０Ｈｚとし、溶接方向に平行な方向への移動速度を３３．３ｍｍ／ｓとしている。

溶接工程Ｓ１において、図４（ｂ）に示すように、溶接対象部位Ａにレーザ光Ｑを照射して、レーザ光Ｑが照射される被照射面１１４と反対側の裏面１２４まで溶接対象部位Ａを溶融させる。これにより、溶接ビード７０を形成する。本例では、レーザ光Ｑの照射により、溶接対象部位Ａを反対側の裏面１２４まで溶融させて、反対側の裏面１２４に裏ビード８２を表出させている。

図５（ａ）に示すように、溶接工程Ｓ１の終了後に停止工程Ｓ２を行う。停止工程Ｓ２では、レーザ光Ｑの照射及び走査を停止する。停止時間は、上述の通り、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の３３％以上に相当する時間であって、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の４０％以上、５０％以上、６０％以上としてもよい。停止工程Ｓ２では、レーザ光Ｑの走査を停止するために、ガルバノスキャナ２０によるレーザ光Ｑの焦点位置の移動が停止される。これにより、再度到来する溶接工程Ｓ１では、前回の溶接工程Ｓ１の終了時の照射位置からレーザ光Ｑの走査を再開できるようになっている。

（評価試験）
次に、実施例１のアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法において、割れの発生の有無に関する評価試験を行った。
溶接工程Ｓ１と停止工程Ｓ２とを一回ずつ行うことを１サイクルとした。図３に示すように、１サイクル中の溶接工程Ｓ１においてレーザ光Ｑを照射して溶接ラインＧに沿って走査した溶接方向Ｘ１の長さを走査長さ（mm/cycle）とし、１サイクル中の溶接工程Ｓ１においてレーザ光Ｑを照射した時間を照射時間（ms/cycle）とした。表１に試験条件を示した。

表１に示すように、いずれの試験例、比較例においても、レーザ出力を３ｋＷ、溶接速度（溶接方向Ｘ１への移動速度）を３３．３ｍｍ／ｓとし、溶接方向Ｘ１における溶接ビード全体の長さを５０ｍｍとした。なお、図４（ｂ）に示すように、上板１１の被照射面１１４におけるレーザ光Ｑのスポット径Ｔを０．６ｍｍとした。

比較例１では表１及び図５（ｃ）に示すように、停止時間を０ｍｓとして停止工程を実施せずに、５０ｍｍの溶接ビード全体を一度に形成した。照射時間は１５００ｍｓであった。

そして、試験例１では、表１及び図５（ａ）に示すように、１サイクル当たりの走査長さを１０ｍｍ、１サイクル当たりの照射時間を３００ｍｓとするとともに、１サイクル当たりの停止時間を１００ｍｓとして、５サイクル行った。これにより、表１に示すように、試験例１における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の３３．３％であった。

一方、比較例２では、表１に示すように、１サイクル当たりの停止時間を６０ｍｓとし、その他の条件を試験例１と同一とした。これにより、比較例２における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の２０．０％であった。

また、比較例３では、表１に示すように、１サイクル当たりの停止時間を５０ｍｓとし、その他の条件を試験例１と同一とした。これにより、比較例３における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の１６．７％であった。

次に、試験例２では、表１及び図５（ｂ）に示すように、１サイクル当たりの走査長さを５ｍｍ、１サイクル当たりの照射時間を１５０ｍｓとするとともに、１サイクル当たりの停止時間を５０ｍｓとして、１０サイクル行った。これにより、表１に示すように、試験例２における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の３３．３％であった。

比較例４では、表１に示すように、１サイクル当たりの停止時間を４０ｍｓとし、その他の条件を試験例２と同一とした。これにより、比較例４における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の２６．７％であった。

比較例５では、表１に示すように、１サイクル当たりの停止時間を３０ｍｓとし、その他の条件を試験例２と同一とした。これにより、比較例５における１サイクル当たりの停止時間は、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の２０．０％であった。

各試験例及び各比較例における評価結果は以下の通りである。
まず、比較例１では、図６（ａ）に示すように、上記方法により溶接方向Ｘ１の長さ５０ｍｍの溶接ビード７０が形成された。そして、溶接開始点７１から溶接方向Ｘ１に４０ｍｍの位置に、下板１２の溶接側端部１１１から溶接ビード７０に向かって下板１２に割れ１１３が生じた。図示しないが溶接ビード７０の内部に到達する割れも存在した。

次に、試験例１では、図示しないが、上記方法により溶接方向Ｘ１の長さ５０ｍｍの溶接ビードが形成された。試験例１では、当該溶接ビードの形成にあたって、下板１２に割れは生じていなかった。また、試験例２では、図６（ｂ）に示すように、試験例１と同様に溶接方向Ｘ１の長さ５０ｍｍの溶接ビード８０が形成された。当該溶接ビードの形成にあたって、下板１２に割れは生じていなかった。一方、比較例２、比較例３、比較例４及び比較例５では、図示しないが、比較例１と同様に下板に割れが生じていた。

以上のように、試験例１、試験例２の結果が示すように、１サイクル当たりの停止時間が照射時間の３３．３％である場合に、溶接ビード８０の形成にあたって、下板１２に割れが生じないことが確認できた。

比較例１～５において、下板１２の溶接側端部１２２を観察したところ、融解割れ（溶接割れ）が生じたと考えられる粒状の破面が多く観察された。一方、溶接側端部１２２よりもフランジ部１２１の中央側の領域における破面は脆性的であり結晶粒界に沿って進展する亀裂が確認された。これらに基づき、レーザ溶接によるフランジ部の割れの発生原因は、次のように推察される。すなわち、レーザ溶接直後の溶接ビード部分が熱収縮することで、下板に大きな引張応力が発生する。特に溶接の後半になるほど入熱量が増加するため、フランジ部は高温になる。この場合、フランジ部１２１内の結晶粒界に成分偏析や共晶等が生じていると局部的に溶解して開口し、これが起点となって下板の溶接側端部１２２から亀裂が発生し、その亀裂が結晶粒界に沿って伝搬して一部は溶接ビード７０内にまで到達する。

一方、試験例１及び試験例２では、停止工程において十分な停止時間が確保されるため、フランジ部１２１の熱が放出され、フランジ部１２１が高温となることが防止される。これにより、下板１２の溶接側端部１２２が低温状態に維持されるため、溶接側端部１２２に局部的な融解が抑制され、下板１２における割れの発生が抑制される。そして、停止工程における停止時間は長い方がフランジ部１２１の放熱に有利であるため、１サイクル当たりの停止時間が溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の１／３以上である場合に、下板１２における割れの発生が抑制されることが推認された。

本実施例におけるアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法の作用効果について、以下に詳述する。
本例のアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法においては、溶接工程Ｓ１では、走査長さが３５ｍｍ以下となるようにレーザ光Ｑを溶接対象部位Ａに走査する。これにより、溶接工程Ｓ１において溶接対象部位Ａへの入熱量が適度に抑制される。さらに、停止工程Ｓ２では、溶接工程Ｓ１におけるレーザ光Ｑの照射時間の１／３以上の時間にわたって上記照射及び走査を停止するため、溶接対象部位Ａにおいて放熱が促される。そして、溶接工程Ｓ１と停止工程Ｓ２とが交互に繰り返されることにより、所定距離の溶接を行うことができる。その結果、全体として溶接長さが長い場合でも、連続して行われるレーザ光Ｑの走査は短い時間となるため、溶接対象部位Ａが過度に加熱されることが防止されて、溶接対象部位Ａやその近辺において、熱収縮に起因する割れが発生することが防止される。また、停止工程Ｓ２では、ガルバノスキャナ２０による走査も停止されるため、繰り返し形成される溶接ビード８０が一繋がりとなり、溶接状態が良好となる。

さらに、本例では、溶接工程Ｓ１において、レーザ光Ｑを一定速度で走査するこれにより、形成される溶接ビード８０を所定の範囲の大きさとすることができ、信頼性が向上するとともに、外観もよくなる。

また、本例では、溶接工程Ｓ１において、レーザ光Ｑをウォブリングさせながら溶接ラインＧに沿って走査する。これにより、照射されるレーザ光Ｑのスポット径Ｔを大きくすることなく、形成される溶接ビード８０の幅を大きくすることができ、溶接状態を良好にすることができる。

また、本例では、溶接工程Ｓ１において、溶接対象部位Ａにレーザ光Ｑを照射して、レーザ光Ｑが照射される被照射面１１４と反対側の裏面１２４まで溶接対象部位Ａを溶融させる。これにより、溶接対象部位Ａが確実に溶融されて上板１１と下板１２との接合状態を良好にすることができる。

また、本例では、溶接工程Ｓ１において、溶接対象部位Ａにレーザ光Ｑを照射して、レーザ光Ｑが照射される被照射面１１４と反対側の裏面１２４まで溶接対象部位Ａを溶融させる。これにより、下板１２の溶接側端部１２２に生じやすい割れの発生を効果的に抑制すことができる。その結果、溶接対象部位が確実に溶融されて溶接状態を一層良好にすることができる。

以上のごとく、本例によれば、割れの発生が防止されるアルミニウム合金板の隅肉溶接方法を提供することができる。

１０ アルミニウム合金板
１１ 上板
１１１ 溶接側端部
１１４ 被照射面
１２ 下板
１２１ フランジ部
１２２ 溶接側端部
１２４ 裏面
２０ ガルバノスキャナ
６０ レーザ発振器
８０ 溶接ビード
８２ 裏ビード
１００ 溶接システム

Claims (3)

1. アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法であって、
   ガルバノスキャナにより、レーザ発振器から出力されたレーザ光を溶接対象部位に照射して、該溶接対象部位に設定された溶接ラインに沿って３５ｍｍ以下の長さ走査して、溶接ビードを形成する溶接工程と、
   該溶接工程における上記レーザ光の照射時間の１／３以上に相当する時間にわたってレーザ光の照射及び走査を停止する停止工程と、を交互に繰り返す、アルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法。
2. 上記溶接工程において、上記レーザ光をウォブリングさせながら上記溶接ラインに沿って走査する、請求項１に記載のアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法。
3. 上記溶接工程において、上記溶接対象部位に上記レーザ光を照射して、上記レーザ光が照射される被照射面と反対側の裏面まで上記溶接対象部位を溶融させる、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法。

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