JP7325021B2 - 接合構造及び接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接合構造及び接合方法に関するものである。
従来より、互いに溶接可能な同種系の金属材からなる第1の材料及び第2の材料の間に、第1の材料及び第2の材料に対して溶接が困難な第3の材料を挟み込んだ状態で、第1の材料と第2の材料とを溶接することで、異種材としての第3の材料を圧縮固定するようにした接合構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。
国際公開第2017/170517号
ところで、特許文献1の発明では、第1の材料と第2の材料とに、テーパー状に押し出されたエンボス形状の突起部を形成して、突起部同士を対向させて隙間を小さくした上で、レーザ溶接を行うようにしている。
ここで、突起部は、プレス加工によって絞り加工による成形をするのが一般的であるが、第1及び第2の材料がプレス加工されると、絞り加工時の凸側の型であるパンチと凹側の型であるダイとのクリアランスによっては、例えばクリアランスが狭すぎる等の場合、その一部が絞られすぎて板厚よりも極めて薄い部分が生じてしまい、接合強度が低下するおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、同種系の金属材の厚みを薄くすることなく、金属材と異種材とを接合できるようにすることにある。
本開示の態様は、金属材で構成された第1の部材と、該第1の部材に対して溶接可能な同種系の金属材で構成された第2の部材と、該第1の部材及び該第2の部材に対して溶接が困難な材料で構成された第3の部材とが互いに接合された接合構造を対象とし、次のような解決手段を講じた。
の態様は、金属材で構成された第1の部材と、該第1の部材に対して 溶接可能な同種系の金属材で構成された第2の部材と、該第1の部材及び該第2の部材に対して溶接が困難な材料で構成された第3の部材とを互いに接合するための接合方法を対象とし、
前記第3の部材には、貫通部が形成されており、
溶加材を溶融させて前記第2の部材に接合することで、中央部が外周部よりも突出したスペーサ部を設ける工程と、
前記第3の部材の前記貫通部に前記スペーサ部を挿入させた状態で、前記第1の部材と前記第2の部材との間に該第3の部材を挟む工程と、
前記第1の部材における前記スペーサ部に対応する領域にレーザ光を照射して、該第1の部材と少なくとも該スペーサ部とを溶接する工程とを備え
前記スペーサ部を設ける工程では、前記スペーサ部の中央部の高さが前記第3の部材の厚みよりも高くなるように前記溶加材を溶融させ、
前記第1の部材と前記第2の部材との間に前記第3の部材を挟む工程は、前記溶加材が凝固する前に行うことを特徴とするものである。
の態様では、第1の部材及び第2の部材が同種系の金属材で構成され、第3の部材が、第1の部材及び第2の部材に対して溶接が困難な異種材料で構成されている。そして、溶加材を溶融して第2の部材に接合することで、中央部が外周部よりも突出したスペーサ部を設け、第1の部材及び第2の部材の間に第3の部材を挟み込んだ状態で、第1の部材と少なくともスペーサ部とをレーザ溶接する。また、スペーサ部を設ける際には、スペーサ部の中央部の高さが第3の部材の厚みよりも高くなるように溶加材を溶融させ、溶加材が凝固する前に、第1の部材と第2の部材との間に第3の部材を挟むようにしている。
これにより、同種系の金属材である第1の部材及び第2の部材の厚みを薄くすることなく、第1の部材及び第2の部材の間に、異種材料である第3の部材を挟み込んだ状態で接合することができる。また、スペーサ部の中央部の高さが第3の部材の厚さを越えた場合でも、溶加材が凝固する前に、第1の部材をスペーサ部に押し付けることで、スペーサ部の中央部を変形させて貫通部内に収めることができる。その後、第1の部材と第2の部材とをレーザ溶接することで、第1の部材と第2の部材との間に第3の部材を挟み込んだ状態で、互いに接合することができる。
の態様は、第の態様において、
前記スペーサ部を設ける工程では、前記第2の部材に前記第3の部材を重ね合わせた状態で、前記貫通部内に前記溶加材を溶融させることを特徴とするものである。
の態様では、第2の部材と第3の部材とを重ね合わせ、貫通部内に溶加材を溶融させるようにしている。これにより、溶融した溶加材が第2の部材の表面に広がってしまうのを、第3の部材の貫通部の内周壁によって規制することができるので、スペーサ部を所望の高さに設定し易くなる。
の態様は、第の態様において、
前記第1の部材と少なくとも前記スペーサ部とを溶接する工程では、該スペーサ部の温度が融点以下で且つ100℃以上のときに、レーザ光を照射することを特徴とするものである。
の態様では、スペーサ部の温度が融点以下で100℃以上のとき、つまり、赤熱状態のときにレーザ溶接を行うことで、溶融金属が凝固するときの収縮性が良好となる。
の態様は、金属材で構成された第1の部材と、該第1の部材に対して 溶接可能な同種系の金属材で構成された第2の部材と、該第1の部材及び該第2の部材に対して溶接が困難な材料で構成された第3の部材とを互いに接合するための接合方法を対象とし、
前記第3の部材には、貫通部が形成されており、
溶加材を溶融させて前記第2の部材に接合することで、中央部が外周部よりも突出したスペーサ部を設ける工程と、
前記第3の部材の前記貫通部に前記スペーサ部を挿入させた状態で、前記第1の部材と前記第2の部材との間に該第3の部材を挟む工程と、
前記第1の部材における前記スペーサ部に対応する領域にレーザ光を照射して、該第1の部材と少なくとも該スペーサ部とを溶接する工程とを備え、
厚み方向に貫通して一方の面から他方の面に向かって徐々に孔径が大きくなる成形孔が設けられ、前記溶加材よりも融点の高い材料で構成された成形治具を用意する工程を備え、
前記スペーサ部を設ける工程では、前記成形治具における前記成形孔の孔径が大きい側の面を前記第2の部材に重ね合わせた状態で、前記成形孔内に前記溶加材を溶融させた後、該成形治具を取り外すことを特徴とするものである。
の態様では、溶加材よりも融点の高い材料で構成された成形治具を、第2の部材に重ね合わせた状態で、成形孔に溶加材を溶融する。例えば、高温の溶加材に触れると変形したり溶けてしまうようなアルミ材や樹脂材で第3の部材が構成されている場合等に、成形治具を用いて予めスペーサ部を成形すればよい。
また、成形治具における成形孔の孔径が大きい側の面を第2の部材に重ね合わせることで、溶加材が凝固した後で、成形治具を取り外し易くなる。
本開示の態様によれば、同種系の金属材の厚みを薄くすることなく、金属材と異種材とを接合することができる。
図1は、本実施形態1に係る接合構造を説明するための側面断面図である。 図2は、アーク溶接によって第2の部材にスペーサ部を設けている状態を示す側面断面図である。 図3は、レーザ溶接前の接合構造を説明するための側面断面図である。 図4は、本実施形態2に係る接合構造において、アーク溶接によって第2の部材にスペーサ部を設けている状態を示す側面断面図である。 図5は、レーザ溶接前の接合構造を説明するための側面断面図である。 図6は、溶接後の接合構造を説明するための側面断面図である。 図7は、本実施形態3に係る接合構造において、アーク溶接によって第2の部材にスペーサ部を設けている状態を示す側面断面図である。 図8は、レーザ溶接前の接合構造を説明するための側面断面図である。 図9は、溶接後の接合構造を説明するための側面断面図である。 図10は、本実施形態4に係る接合構造において、アーク溶接によって第2の部材にスペーサ部を設けている状態を示す側面断面図である。 図11は、レーザ溶接前の接合構造を説明するための側面断面図である。 図12は、溶接後の接合構造を説明するための側面断面図である。 図13は、その他の実施形態に係る接合構造を説明するための側面断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
《実施形態1》
図1に示すように、本実施形態の接合構造は、第1の部材10と第2の部材20との間に、第3の部材30が挟み込まれた状態で互いに接合されたものである。
第1の部材10は、金属材で構成された板状の部材である。第2の部材20は、第1の部材10に対して溶接可能な同種系の金属材で構成された板状の部材である。第2の部材20には、第1の部材10と対向する面にスペーサ部25が設けられている。
スペーサ部25は、第2の部材20に接合された溶加材によって構成されている。スペーサ部25は、中央部が外周部よりも第1の部材10に向かって湾曲状に突出した形状に形成されている。
第3の部材30は、第1の部材10及び第2の部材20に対して溶接が困難な材料で構成された板状の部材であり、貫通部としての貫通孔31が形成されている。なお、貫通部を貫通孔31としているが、貫通溝であっても良い。
ここで、スペーサ部25は、第3の部材30の貫通孔31に挿入されている。このように、第3の部材30の貫通孔31に、スペーサ部25が挿入されるので、貫通孔31には、貫通孔31に対する第2の部材20の相対的な位置ズレを抑制する効果がある。
接合に際して、異種材である第3の部材30は、同種系の金属材である第1の部材10及び第2の部材20の間に挟み込まれて配置されている。
ここで、同種系の金属材とは、互いに溶接可能な金属であり、同じ材質同士だけではなく、鉄系金属材同士、非鉄系金属材同士などの溶接接合性が良い金属材のことである。言い換えると、同種系の金属材とは、溶接の相性が良い同種系の材料のことである。
具体的には、溶接時における第1の部材10と第2の部材20における組み合わせとしては、以下のものが挙げられる。例えば、鉄系金属材の組合せとしては、軟鋼と軟鋼、ステンレスとステンレス、軟鋼とハイテン(高張力鋼)、ハイテンとハイテン等がある。また、非鉄系金属材としては、アルミとアルミ、アルミとアルミ合金、アルミ合金とアルミ合金等がある。
また、異種材としての第3の部材30は、同種系の金属材としての第1の部材10及び第2の部材20とは、異なる材質の材料であり、第1の部材10及び第2の部材20に対して溶接が困難な材質である。
例えば、同種系の金属材としての第1の部材10及び第2の部材20を鉄系金属材にした場合、異種材としての第3の部材30は、レーザ光の吸収率が低くレーザ接合が難しい銅材やアルミ材等の非鉄系金属材である。また、例えばCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics,炭素繊維強化プラスチック)、PET(PolyEthlen Terephthalate,ポリエチレンテレフタレート)等といった樹脂材も金属材に対する異種材として挙げられる。
なお、以下の説明では、第1の部材10及び第2の部材20として軟鋼材、第3の部材30としてアルミ材、溶加材として軟鋼材を用いた場合について説明する。
第1の部材10及び第2の部材20は、レーザ溶接によって接合されている。具体的に、レーザ溶接は、第1の部材10の板厚方向の上側から、スペーサ部25に対応する領域に向けて、レーザ光Lを照射することで行われる。
そして、第1の部材10にレーザ光Lを照射してレーザ溶接を行うと、溶接時に溶接部40が形成される。この際に、第1の部材10及び第2の部材20の溶接部40の溶融金属が凝固収縮するため、第1の部材10におけるスペーサ部25に対応する領域が、スペーサ部25に向かって撓んだ状態となり、第1の部材10とスペーサ部25との隙間が縮小する。
これにより、同種系の金属材としての第1の部材10及び第2の部材20が、スペーサ部25を介して互いに溶融結合して凝固収縮され、その間に挟まれる異種材としての第3の部材30が圧縮固定される。
以下、第1の部材10、第2の部材20、及び第3の部材30の接合方法について説明する。図2に示すように、まず、アーク溶接機50を用いて、第2の部材20に対してアーク溶接(CO、MAG、TIG)を行うことで、第2の部材20の表面に、溶加材で構成されたスペーサ部25を設ける。スペーサ部25は、溶融時の表面張力によって、上方に向かって湾曲状に突出した形状となる。そのため、スペーサ部25の中央部は、外周部よりも高さが高くなっている。
なお、アーク溶接を行う際には、スペーサ部25の下側周縁部の外径が第3の部材30の貫通孔31の孔径よりも小さく、且つ、スペーサ部25の中央部の高さが第3の部材30の板厚よりも低くなるように、溶加材の送り量を調整する必要がある。
次に、図3に示すように、第3の部材30の貫通孔31にスペーサ部25を挿入させた状態で、第1の部材10と第2の部材20との間に第3の部材30を挟み込む。ここで、スペーサ部25の中央部の高さは、第3の部材30の板厚よりも低くなっているので、第1の部材10とスペーサ部25との間には、隙間が設けられることとなる。
そして、第1の部材10におけるスペーサ部25に対応する領域にレーザ光Lを照射して、第1の部材10、スペーサ部25、及び第2の部材20に連続する溶接部40を形成する。これにより、第1の部材10と第2の部材20とを、スペーサ部25を介して接合する。
このとき、図1に示すように、溶接部40の溶融金属が凝固収縮して第1の部材10が撓むことで、第1の部材10とスペーサ部25との隙間が縮小するので、同種系の金属材である第1の部材10及び第2の部材20の間に、異種材料である第3の部材30を圧縮固定することができる。
《実施形態2》
以下、本実施形態2に係る接合構造について、図4~図6を用いて説明する。なお、前記実施形態1と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図4に示すように、まず、第2の部材20に第3の部材30を重ね合わせる。そして、アーク溶接機50を用いて、第3の部材30の貫通孔31内に溶加材を溶融させ、第2の部材20の表面に、溶加材で構成されたスペーサ部25を設ける。このとき、溶融した溶加材が第2の部材20の表面に広がってしまうのを、第3の部材30の貫通孔31の内周壁によって規制することができるので、スペーサ部25を所望の高さに設定し易くなる。
スペーサ部25は、溶融時の表面張力によって、上方に向かって湾曲状に突出した形状となる。そのため、スペーサ部25の中央部は、外周部よりも高さが高くなっている。
なお、アーク溶接を行う際には、スペーサ部25の中央部の高さが、第3の部材30の板厚よりも低くなるように、溶加材の送り量を調整する必要がある。
次に、図5に示すように、第3の部材30の上面に第1の部材10を重ね合わせ、第3の部材30の貫通孔31にスペーサ部25を挿入させた状態で、第1の部材10と第2の部材20との間に第3の部材30を挟み込む。ここで、スペーサ部25の中央部の高さは、第3の部材30の板厚よりも低くなっているので、第1の部材10とスペーサ部25との間には、隙間が設けられることとなる。
そして、第1の部材10におけるスペーサ部25に対応する領域にレーザ光Lを照射して、第1の部材10、スペーサ部25、及び第2の部材20に連続する溶接部40を形成する。これにより、第1の部材10と第2の部材20とを、スペーサ部25を介して接合する。
このとき、図6に示すように、溶接部40の溶融金属が凝固収縮して第1の部材10が撓むことで、第1の部材10とスペーサ部25との隙間が縮小するので、同種系の金属材である第1の部材10及び第2の部材20の間に、異種材料である第3の部材30を圧縮固定することができる。
《実施形態3》
以下、本実施形態3に係る接合構造について、図7~図9を用いて説明する。なお、前記実施形態1と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図7に示すように、まず、第2の部材20に第3の部材30を重ね合わせる。そして、アーク溶接機50を用いて、第3の部材30の貫通孔31内に溶加材を溶融させ、第2の部材20の表面に、溶加材で構成されたスペーサ部25を設ける。
スペーサ部25は、溶融時の表面張力によって、上方に向かって湾曲状に突出した形状となる。そのため、スペーサ部25の中央部は、外周部よりも高さが高くなっている。
ここで、アーク溶接を行う際には、スペーサ部25の中央部の高さが、第3の部材30の板厚よりも高くなるように、溶加材の送り量を調整する。例えば、スペーサ部25の中央部の高さが、第3の部材30の板面よりも0.1~1mm程度高くなるようにする。
次に、図8に示すように、溶融した溶加材が凝固する前(例えば、凝固時間は2~3秒)に、第3の部材30の上面に第1の部材10を重ね合わせ、第1の部材10をスペーサ部25に対して押し付ける。これにより、スペーサ部25の中央部を変形させて、第3の部材30の貫通孔31内にスペーサ部25を収める。
そして、第1の部材10におけるスペーサ部25に対応する領域にレーザ光Lを照射して、第1の部材10、スペーサ部25、及び第2の部材20に連続する溶接部40を形成する。これにより、第1の部材10と第2の部材20とを、スペーサ部25を介して接合する。
ここで、レーザ光Lの照射は、スペーサ部25の温度が融点以下で且つ100℃以上のとき、つまり、赤熱状態のときに行うようにする。これにより、図9に示すように、溶融金属が凝固するときの収縮性が良好となり、溶接部40の溶融金属が凝固収縮して第1の部材10が撓むことで、同種系の金属材である第1の部材10及び第2の部材20の間に、異種材料である第3の部材30を圧縮固定することができる。
《実施形態4》
以下、本実施形態4に係る接合構造について、図10~図12を用いて説明する。なお、前記実施形態1と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図10に示すように、スペーサ部25を成形するための成形治具45を用意する。成形治具45は、溶加材よりも融点の高い材料で構成された板状の部材である。例えば、溶加材として、融点が1600℃程度の軟鋼材を用いる場合には、成形治具45を、融点が3000℃以上のタングステンやモリブデン等で構成すればよい。
これにより、例えば、高温の溶加材に触れると変形したり溶けてしまうアルミ材(融点660℃程度)で第3の部材30が構成されている場合でも、成形治具45を用いて予めスペーサ部25を成形することができる。
成形治具45には、厚み方向に貫通する成形孔46が設けられている。成形孔46は、成形治具45の上面から下面に向かって徐々に孔径が大きくなるテーパー状に形成されている。ここで、成形孔46の下面側の孔径は、第3の部材30の貫通孔31の孔径よりも小さく(例えば、0.5mm程度小さく)なっている。
なお、成形孔46の形状は、テーパー状に限定するものではなく、溶加材が凝固した後で、成形治具45を取り外し易い形状であれば構わない。例えば、成形孔46の断面が円弧状に形成されたものであってもあってもよい。
そして、成形治具45における成形孔46の孔径が大きい側の面を第2の部材20に重ね合わせた状態で、アーク溶接機50を用いて、成形治具45の成形孔46内に溶加材を溶融させ、第2の部材20の表面に、溶加材で構成されたスペーサ部25を設ける。ここで、成形孔46がテーパー状に形成されているので、溶加材が凝固した後で、成形治具45を取り外し易くなる。
スペーサ部25の外周部は、成形孔46のテーパー形状に対応してテーパー形状に成形される。スペーサ部25の中央部は、溶融時の表面張力によって、上方に向かって湾曲状に突出した形状となる。そのため、スペーサ部25の中央部は、外周部よりも高さが高くなっている。
なお、アーク溶接を行う際には、スペーサ部25の中央部の高さが、第3の部材30の板厚よりも低くなるように、溶加材の送り量を調整する必要がある。
次に、図11に示すように、第3の部材30の上面に第1の部材10を重ね合わせ、第3の部材30の貫通孔31にスペーサ部25を挿入させた状態で、第1の部材10と第2の部材20との間に第3の部材30を挟み込む。ここで、スペーサ部25の中央部の高さは、第3の部材30の板厚よりも低くなっているので、第1の部材10とスペーサ部25との間には、隙間が設けられることとなる。
そして、第1の部材10におけるスペーサ部25に対応する領域にレーザ光Lを照射して、第1の部材10、スペーサ部25、及び第2の部材20に連続する溶接部40を形成する。これにより、第1の部材10と第2の部材20とを、スペーサ部25を介して接合する。
このとき、図12に示すように、溶接部40の溶融金属が凝固収縮して第1の部材10が撓むことで、第1の部材10とスペーサ部25との隙間が縮小するので、同種系の金属材である第1の部材10及び第2の部材20の間に、異種材料である第3の部材30を圧縮固定することができる。
《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
本実施形態では、レーザ溶接を行うことで、第1の部材10、スペーサ部25、及び第2の部材20に連続する溶接部40を形成するようにしたが、この形態に限定するものではない。
例えば、図13に示すように、第1の部材10の上面側からレーザ光Lを照射することで、第1の部材10とスペーサ部25とに連続する溶接部40を形成してもよい。このように、第1の部材10と少なくともスペーサ部25とを接合すれば、第1の部材10、第2の部材20、及び第3の部材30を互いに接合することが可能となる。
また、本実施形態では、第2の部材20にのみスペーサ部25を設けたが、例えば、第1の部材10にもスペーサ部25を設けるようにしてもよい。
また、本実施形態では、第2の部材20に対してアーク溶接を行うことで、溶加材で構成されたスペーサ部25を設けるようにしたが、例えば、レーザフィラー溶接を行うことで、スペーサ部25を設けるようにしてもよい。
以上説明したように、本発明は、同種系の金属材の厚みを薄くすることなく、金属材と異種材とを接合することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
10 第1の部材
20 第2の部材
25 スペーサ部
30 第3の部材
31 貫通孔(貫通部)
45 成形治具
46 成形孔
L レーザ光

Claims (4)

  1. 金属材で構成された第1の部材と、該第1の部材に対して溶接可能な同種系の金属材で構成された第2の部材と、該第1の部材及び該第2の部材に対して溶接が困難な材料で構成された第3の部材とを互いに接合するための接合方法であって、
    前記第3の部材には、貫通部が形成されており、
    溶加材を溶融させて前記第2の部材に接合することで、中央部が外周部よりも突出したスペーサ部を設ける工程と、
    前記第3の部材の前記貫通部に前記スペーサ部を挿入させた状態で、前記第1の部材と前記第2の部材との間に該第3の部材を挟む工程と、
    前記第1の部材における前記スペーサ部に対応する領域にレーザ光を照射して、該第1の部材と少なくとも該スペーサ部とを溶接する工程とを備え
    前記スペーサ部を設ける工程では、前記スペーサ部の中央部の高さが前記第3の部材の厚みよりも高くなるように前記溶加材を溶融させ、
    前記第1の部材と前記第2の部材との間に前記第3の部材を挟む工程は、前記溶加材が凝固する前に行うことを特徴とする接合方法。
  2. 請求項において、
    前記スペーサ部を設ける工程では、前記第2の部材に前記第3の部材を重ね合わせた状態で、前記貫通部内に前記溶加材を溶融させることを特徴とする接合方法。
  3. 請求項において、
    前記第1の部材と少なくとも前記スペーサ部とを溶接する工程では、該スペーサ部の温度が融点以下で且つ100℃以上のときに、レーザ光を照射することを特徴とする接合方法。
  4. 金属材で構成された第1の部材と、該第1の部材に対して溶接可能な同種系の金属材で構成された第2の部材と、該第1の部材及び該第2の部材に対して溶接が困難な材料で構成された第3の部材とを互いに接合するための接合方法であって、
    前記第3の部材には、貫通部が形成されており、
    溶加材を溶融させて前記第2の部材に接合することで、中央部が外周部よりも突出したスペーサ部を設ける工程と、
    前記第3の部材の前記貫通部に前記スペーサ部を挿入させた状態で、前記第1の部材と前記第2の部材との間に該第3の部材を挟む工程と、
    前記第1の部材における前記スペーサ部に対応する領域にレーザ光を照射して、該第1の部材と少なくとも該スペーサ部とを溶接する工程とを備え、
    厚み方向に貫通して一方の面から他方の面に向かって徐々に孔径が大きくなった成形孔が設けられ、前記溶加材よりも融点の高い材料で構成された成形治具を用意する工程を備え、
    前記スペーサ部を設ける工程では、前記成形治具における前記成形孔の孔径が大きい側の面を前記第2の部材に重ね合わせた状態で、前記成形孔内に前記溶加材を溶融させた後、該成形治具を取り外すことを特徴とする接合方法。
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