JP7221847B2 - 鋼板のレーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板のレーザー溶接方法に関する。

鋼板のレーザー溶接としては、厚さ方向に重ねられた鋼板同士に対して厚さ方向に照射部からレーザーを照射し、その照射部を鋼板に沿って移動させることにより、鋼板同士を定められた長さ及び幅を有する溶接部で溶接することが知られている。

ところで、レーザー溶接される鋼板においては、錆防止のために鋼板の表面が亜鉛で被覆されていたり、鋼板の表面に油分等の異物が付着していたりする場合がある。この場合、レーザーの照射による鋼板同士の溶接時、それら亜鉛や異物が溶融して蒸発することによりガスが発生し、そのガスが溶接時の溶融池に混ざり込むことによって鋼板同士の溶接部にブローホールが形成されるおそれがある。

このため、厚さ方向に重ねられた鋼板同士の間に上記ガスを逃がすための隙間を形成した状態で、レーザーの照射による鋼板同士の溶接を行うことが考えられる。このようにすれば、溶接時に鋼板表面の亜鉛や異物が溶融して蒸発することによりガスが発生したとしても、そのガスが鋼板同士の隙間を介して排出される。このため、上記ガスが溶融池に混ざり込むことはなく、そうしたガスの溶融池への混ざり込みによって抑制鋼板同士の溶接部にブローホールが形成されることは抑制される。

ちなみに、厚さ方向に重ねられた鋼板同士の間に隙間を形成するため、特許文献１では、溶接前に一方の鋼板に対しビームを照射することにより、その鋼板におけるビームの当たる部分を熱膨張させて突起を形成している。これにより、鋼板同士を厚さ方向に重ねたとき、上記突起によって鋼板同士の間に隙間が形成されるようになる。

また、特許文献２では、一方の鋼板に窪み部を屈曲形成する一方、他方の鋼板には鋼板同士を厚さ方向に重ねたときに上記窪み部に嵌め込まれる突起部を屈曲形成し、その突起部の突出量を上記窪み部の深さよりも大きくなるようにしている。これにより、鋼板同士を厚さ方向に重ねたとき、鋼板同士の間には、上記突起部の突出量と上記窪み部の深さの差に対応した大きさの隙間が形成されるようになる。

特開平７－１６７７７号公報 特開２０１３－２３７０５３号公報

上記厚さ方向に重ねられた鋼板同士の間の隙間については、精度良く適切な大きさとなるようにしないと、鋼板同士の溶接に不良が生じるという問題や、鋼板同士の溶接部でのブローホールの形成を抑制できないといった問題が生じる。詳しくは、上記隙間の大きさが大きすぎると、レーザーを照射したときに鋼板同士の溶接部での溶接が適切に行われず、その溶接部での溶接に不良が生じるおそれがある。一方、上記隙間の大きさが小さすぎると、溶接時における亜鉛や異物の溶融及び蒸発によって生じるガスが上記隙間を介して効果的に排出されずに溶融池に混ざり込み、鋼板同士の溶接部にブローホールが形成されるおそれがある。

しかし、特許文献１、２に示されるように鋼板同士の間に隙間を形成する場合、隙間を適正な大きさにしようとすると、多大な手間がかかるようになる。すなわち、特許文献１では、突起の大きさが上記隙間の大きさに対応しているため、その突起の大きさが適正な隙間の大きさに対応した大きさとなるよう、上記突起を形成するための鋼板に対するレーザーの照射を精密に調整しなければならない。また、特許文献２では、窪み部の深さと突起部の突出量との差が上記隙間の大きさに対応している。このため、一方の鋼板における窪み部の深さと他方の鋼板における突起部の突出量との差が適正な隙間の大きさに対応した値となるよう、それら窪み部の深さ及び突起部の突出量を精密に調整しなければならない。

本発明の目的は、手間のかかる調整を行わなくてもブローホールの形成を抑制できる鋼板のレーザー溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決する鋼板のレーザー溶接方法では、厚さ方向に重ねられた鋼板同士に対し厚さ方向に照射部からレーザーを照射し、その照射部を鋼板に沿って移動させることにより、鋼板同士を定められた長さ及び幅を有する溶接部で溶接する。更に、同溶接方法は、次のような溝加工工程、重ね工程、及び照射工程を有する。上記溝加工工程では、厚さ方向に重ねられる鋼板同士のうちの一方の鋼板に、上記溶接部と同じ方向に延びるとともに照射部からのレーザーの照射による溶接時の溶融池よりも大きい幅の溝を形成する。上記重ね工程では、上記溝が形成された鋼板に対し別の鋼板を厚さ方向に重ねて上記溝の開口を覆う。上記照射工程では、照射部から上記溝の底に向けてレーザーを照射しつつ、そのレーザーの照射による溶接時の溶融池が、上記溝の幅方向両側の内側面との間に間隔を持った状態で上記溝の延びる方向に移動するよう、照射部を移動させる。

厚さ方向に重ねられた鋼板同士のうち、溝が形成された一方の鋼板を他方の鋼板側から見た状態を概略的に示す拡大平面図。 鋼板同士の溶接時の状態を示す断面図。 溝加工工程における鋼板に対する溝の加工態様を示す断面図。 同鋼板における溝の加工態様を示す平面図。 照射工程における鋼板同士の溶接態様を示す断面図。 照射工程での一方の鋼板を他方の鋼板側から見た状態を示す平面図。 溶接後の一方の鋼板を他方の鋼板側から見た状態を示す平面図。 溶接後の鋼板同士を図７の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示す断面図。 一方の鋼板に形成される溝の他の例を示す断面図。 同溝を示す平面図。 一方の鋼板に形成される溝の他の例を示す平面図。 鋼板に対するレーザーの照射態様の他の例を概略的に示す平面図。

以下、鋼板のレーザー溶接方法の一実施形態について、図１～図８を参照して説明する。
図１及び図２はそれぞれ、本実施形態のレーザー溶接の実施態様を示している。図２に示すように、厚さ方向に重ねられた鋼板１，２同士のレーザー溶接では、鋼板１，２同士に対し、それらの厚さ方向（図２の上下方向）に照射部３からのレーザーを照射する。そして、このように照射部３から上述したようにレーザーを照射しつつ、同照射部３を鋼板１，２に沿って、すなわち図２の左右方向に移動させることにより、鋼板１，２同士を定められた長さ及び幅を有する溶接部４（図１）で溶接する。なお、図１は、厚さ方向に重ねられた鋼板１，２のうちの一方の鋼板１を図２の上方から見た状態を示している。

レーザーの照射による鋼板１，２同士の溶接時、鋼板１，２におけるレーザーが照射された部分には、鋼板１，２が溶融且つ蒸発することによってキーホール５が生じる。更に、鋼板１，２におけるキーホール５の周囲には、鋼板１，２が溶融することによって溶融池６が生じる。また、こうした溶接の際には、鋼板１，２を被覆する亜鉛の蒸発や鋼板１，２の表面に付着した油分等の異物の蒸発に起因してガスが発生する。本実施形態のレーザー溶接では、上述したように発生するガスが溶融池６に混ざり込んで溶接部４にブローホールが形成されることのないよう、次のように溝加工工程、重ね工程、及び照射工程が実施される。

上記溝加工工程では、厚さ方向に重ねられる鋼板１，２同士のうちの一方の鋼板１に、上記溶接部４と同じ方向に延びるとともに照射部３からのレーザーの照射による溶接時の溶融池６よりも大きい幅（図１の上下方向の距離）の溝７を形成する。なお、上記溶接部４は、図１の左右方向に延びるように形成されている。上記重ね工程では、上記溝７が形成された鋼板１に対し別の鋼板２を厚さ方向に重ねて上記溝７の開口を覆う。上記照射工程では、照射部３から上記溝７の底に向けてレーザーを照射しつつ、そのレーザーの照射による溶接時の溶融池６が、上記溝７の幅方向両側の内側面７ａとの間に間隔を持った状態で上記溝７の延びる方向に移動するよう、照射部３を移動させる。

次に、上記溝加工工程、上記重ね工程、及び上記照射工程について、個別に詳しく説明する。
［溝加工工程］
図３及び図４は、鋼板１に対する溝７の加工態様を示している。この溝７の形成は、鋼板１，２に対しレーザー溶接を行うためのレーザー加工設備を用いて行われる。

すなわち、図３に示すように、上記レーザー加工設備の照射部３に対応する位置に鋼板１を設置し、その照射部３からのレーザーを鋼板１に照射しつつ、同照射部３を鋼板１に沿ってレーザー溶接を行うときの移動速度よりも速い速度で移動させる。これにより、鋼板１におけるレーザーの照射された部分が移動してゆき、その移動軌跡に対応して溝７が形成されるようになる。

図４に示すように、この例では溶接部４が鋼板１において環状となるように延びている。そして、上記溝７については、溶接部４に沿って同じく環状となるように、且つ、鋼板１の外縁と重ならないよう形成する。また、溝７の幅が溶接部４の幅よりも大きくなるように、且つ、溝７の内部に同溝７における幅方向両側の内側面７ａとの間にそれぞれ間隔をおいて溶接部４が位置するように、その溝７を形成する。

［重ね工程］
図５に示すように、上記溝７が形成された鋼板１に対し別の鋼板２を厚さ方向に重ねることにより、上記溝７の開口（図５における上方に向かう開口）を覆う。鋼板１，２同士の間における上記溝７の内部は、溶接時に発生する上記ガスを排出するための隙間として機能する。

［照射工程］
図５に示すように、照射部３から上記溝７の底に向けてレーザーを照射することにより、鋼板１，２の溶接部４がレーザーの照射による溶接時の溶融池６となるようにする。更に、その溶融池６が、図６に示すように溝７の幅方向両側の内側面７ａとの間に間隔を持った状態で、溝７の延びる方向に移動するよう、照射部３（図５）を移動させる。なお、一方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔は、他方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔と等しくすることが好ましく、この例では上記間隔における溝７の幅方向の長さが１ｍｍ以上とされている。

こうした照射部３の移動を通じて、溶融池６が溝７（溶接部４）に沿って環状となるよう一周させることにより、鋼板１，２同士がレーザー溶接によって互いに接合される。なお、上述したように照射部３を移動させる際の移動速度は、鋼板１に対しレーザーによって溝７を形成する際の照射部３の移動速度よりも遅い速度とされる。

図７及び図８はそれぞれ、上記レーザー溶接後の鋼板１における溝７側の部分及び鋼板１，２同士の溶接部４を鋼板２側から見た状態、並びに、接合された鋼板１，２同士を図７の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示している。鋼板１，２同士の溶接部４は図７から分かるように溝７に沿って環状になり、上記溶接部４と溝７における幅方向両側の内側面７ａとの間には図８から分かるように隙間８が形成される。

次に、本実施形態における鋼板のレーザー溶接方法の作用について説明する。
図１及び図２に示されるように、レーザーの照射による鋼板１，２同士の溶接時、鋼板１，２におけるレーザーが照射される部分にはキーホール５が生じるとともに、そのキーホール５の周囲に溶融池６が生じる。そして、それらキーホール５及び溶融池６が溝７の延びる方向（図１及び図２では右方向）に移動するよう、照射部３が移動されることにより、鋼板１，２同士がレーザー溶接によって互いに接合される。

上述したレーザーの照射による鋼板１，２同士の溶接時には、鋼板１，２の表面を覆う亜鉛や鋼板１，２の表面に付着した油分等の異物が溶融して蒸発することに起因してガスが発生する。このように発生したガスは、図１に矢印Ｙ１で示すように溶融池６と溝７の幅方向の両側の内側面との間の部分を通って溝７内における同溶融池６の移動方向の前側に回り込む。溶融池６における移動方向の前側の部分は、キーホール５との間の厚さが薄くなるため、その部分を上記ガスが図１の矢印Ｙ２で示すように突き抜けてキーホール５を介して外部に排出される。

このように上記ガスが排出されることにより、そのガスが溶融池６に混ざり込んで鋼板１，２同士の溶接部４にブローホールが形成されることは抑制される。また、一方の鋼板１に形成された上記溝７は上記ガスを排出するための隙間として機能するが、その溝７の深さが上記隙間の大きさに対応した値となる。このため、上記隙間として適切な大きさに対応する深さ（例えば５０μｍ）の溝７を一方の鋼板１に形成し、鋼板１，２同士を厚さ方向に重ねて上記溝７の開口を他方の鋼板２で塞ぐだけで、鋼板１，２同士の間に適切な大きさの隙間を形成することができる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）溶接時に発生する上記ガスを排出するための隙間として、厚さ方向に重ねられた鋼板１，２同士の間に適切な大きさの隙間を、上記溝７の形成を通じて簡単に形成することができる。従って、手間のかかる調整を行わなくてもブローホールの形成を抑制することができる。

（２）鋼板１における溝７については、環状に延びるように、且つ、鋼板１の外縁と重ならないように形成されている。この場合、鋼板１，２同士を厚さ方向に重ねたときに溝７内が外部に開放されないことになる。この場合でも、亜鉛や異物が蒸発して生じたガスが、溝７内からキーホール５を介して外部に排出されるため、そのガスが溶融池６に混ざり込んで鋼板１，２同士の溶接部４にブローホールが形成されることを抑制できるようになる。

（３）溝７を形成するための溝加工工程と、鋼板１，２同士を溶接するための照射工程とを、同じレーザー加工設備で行うことが可能となる。このため、鋼板１に溝７を形成するために別の設備に同鋼板１を持ち込まなくてもよいことから、溝７を形成するための設備から溶接のためのレーザー加工設備に鋼板１を移動させる手間を省くことができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・溝７は、必ずしも環状に形成されている必要はない。例えば図９及び図１０に示されるように、溝７が直線状に延びるように形成されているものであり、且つ、同溝７の長手方向の両端部が鋼板１の外縁に達していない（重なっていない）ものであってもよい。

・図１１に示されるように、直線状に延びる溝７を形成し、且つ、その溝７の長手方向の両端部が鋼板１の外縁に重なる（鋼板１の外縁に達する）よう同溝７が形成されていてもよい。この場合、鋼板１，２同士を厚さ方向に重ねたとき、溝７の長手方向の両端部が大気に開放されるため、溶接時に発生したガスが溝７の上記両端部からも排出されるため、そのガスが溶融池６に対し一層混ざり込みにくくなる。

・溝加工工程では、レーザーの照射によって溝７を形成するようにしたが、切削加工やプレス加工等によって溝７を形成するようにしてもよい。
・照射工程における一方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔、及び、他方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔については、１ｍｍ以外の値に適宜変更することも可能である。

・照射工程における一方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔は、必ずしも他方の内側面７ａと溶融池６との間の間隔と等しくする必要はない。
・図１２に示されるように、照射部３からのレーザーの照射については、鋼板１，２に対する投影形状が、円形となるセンタービーム９と同センタービーム９を同心円状に囲むリングビーム１０とを有する形状となるようにしてもよい。

１…鋼板、２…鋼板、３…照射部、４…溶接部、５…キーホール、６…溶融池、７…溝、７ａ…内側面、８…隙間、９…センタービーム、１０…リングビーム。

Claims (3)

1. 厚さ方向に重ねられた鋼板同士に対し厚さ方向に照射部からレーザーを照射し、その照射部を鋼板に沿って移動させることにより、前記鋼板同士を定められた長さ及び幅を有する溶接部で溶接する鋼板のレーザー溶接方法において、
   厚さ方向に重ねられる鋼板同士のうちの一方の鋼板に、前記溶接部と同じ方向に延びるとともに前記照射部からのレーザーの照射による溶接時の溶融池よりも大きい幅の溝を、レーザーを照射することで形成する溝加工工程と、
   前記溝が形成された鋼板に対し別の鋼板を厚さ方向に重ねて前記溝の開口を覆う重ね工程と、
   前記照射部から前記溝の底に向けてレーザーを照射しつつ、そのレーザーの照射による溶接時の溶融池が、前記溝の幅方向両側の内側面との間に間隔を持った状態で前記溝の延びる方向に移動するよう、前記照射部を移動させる照射工程と、を有し、
   前記溝加工工程では、前記溝として長手方向の両端を有する溝を形成し、且つ、その両端が前記一方の鋼板の外縁と重ならないよう前記溝を形成することを特徴とする鋼板のレーザー溶接方法。
2. 厚さ方向に重ねられた鋼板同士に対し厚さ方向に照射部からレーザーを照射し、その照射部を鋼板に沿って移動させることにより、前記鋼板同士を定められた長さ及び幅を有する溶接部で溶接する鋼板のレーザー溶接方法において、
   厚さ方向に重ねられる鋼板同士のうちの一方の鋼板に、前記溶接部と同じ方向に延びるとともに前記照射部からのレーザーの照射による溶接時の溶融池よりも大きい幅の溝を、レーザーを照射することで形成する溝加工工程と、
   前記溝が形成された鋼板に対し別の鋼板を厚さ方向に重ねて前記溝の開口を覆う重ね工程と、
   前記照射部から前記溝の底に向けてレーザーを照射しつつ、そのレーザーの照射による溶接時の溶融池が、前記溝の幅方向両側の内側面との間に間隔を持った状態で前記溝の延びる方向に移動するよう、前記照射部を移動させる照射工程と、を有し、
   前記溝加工工程では、前記溝を環状に延びるように、且つ、前記一方の鋼板の外縁と重ならないように形成することを特徴とする鋼板のレーザー溶接方法。
3. 前記溝加工工程において、前記一方の鋼板に対して前記照射部によりレーザーを照射することで前記溝を形成する請求項１または請求項２に記載の鋼板のレーザー溶接方法。

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