JP7407354B2

JP7407354B2 - レーザ溶接方法

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Publication number: JP7407354B2
Application number: JP2022000806A
Authority: JP
Inventors: 篤寛川本; 潤司藤原; 康士向井; 仁志西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: JPWO2017170517A1; EP3437785B1; EP3437785A4; CN108883500B; US10981246B2; EP3437785A1; JP2024019286A; CN108883500A; JP2022049020A; US20190076962A1; WO2017170517A1; JP7015998B2

Description

本開示は、レーザ溶接方法に関する。

近年、グローバル化により自動車をはじめとする輸送機器の生産量が増加している。それに伴い、自動車などの製品一台当たりのトータルコスト低減、特に生産時間短縮による生産性向上に対する要望が高まってきている。

また、地球温暖化防止のためＣＯ２の排出量規制がグローバルで強く要求されており、自動車業界をはじめとする輸送業界ではこの要求に応えるために燃費改善への取り組みが加速している。この燃費改善に対する具体的な取り組みとして、車両の重量の軽量化があり、軽量素材の使用割合を増加させる検討が進められている。

このような検討が進められている中、自動車等の輸送機器の生産時に用いられている溶接方法として、スポット溶接が広く普及している。抵抗溶接であるスポット溶接は、スポット溶接を行うスポット溶接用のガンである上下の電極で溶接材を加圧して、溶接材間の間隙を無くして上下の電極間を通電することで溶接する必要がある。このため、スポット溶接は、片側溶接には適していない。また、溶接材を加圧するためには、スポット溶接用の電極を備えた上下のガンが、溶接材の上下に入り込むスペースが必要であるため、
製品形状に制約が発生する。さらに、スポット溶接用のガン自体の重量が重いため、移動速度が遅く、溶接位置に到着しても溶接材を加圧する時間が必要であり、溶接後も溶接材を冷却する時間を確保しなければならない。つまり、スポット溶接では、溶接以外にも多くの時間が必要である。

また、自動車に用いられる材料の軽量化に対しては、部品の一部を鋼からアルミニウム等の軽金属材料に変更する検討が進んでおり、軽金属材料と鋼を接合する技術および構造が求められている。

一般的に、鋼と、鋼に対して異種材であるアルミニウムとの接合は非常に困難である。そのため、従来から異種材に対する接合用部材として、リベットを用いたスポット溶接や接着剤を使用した接合等が行われている。例えば特許文献１には、リベットとリベット材質と同種の接合材に挟まれた異種材の加圧、スポット溶接時の溶接熱による異種材の塑性流動を吸収するリベット形状、かしめ、およびスポット溶接方法が記載されている。この方法によれば、かしめ時およびスポット溶接時に異種材の一部が変形して移動するスペースをリベットに確保し、スポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制が可能である。

特開２０１５－４２４１７号公報

従来の異種材の接合部材を、図７を用いて説明する。図７に示すように、異材接合体１００は、リベット５１、第１被接合材２００と、第２被接合材３００とから構成されている。ここで、リベット５１と第２被接合材３００は、同種材である。また、第１被接合材２００は、リベット５１および第２被接合材３００とは材料が異なる、異種材である。リベット５１は、軸部５２と頭部５３とを備える。さらに頭部５３は、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０と、環状溝３１と、平坦部３２とを有する。面とり３０、環状溝３１、平坦部３２により、かしめ時およびスポット溶接時に第１被接合材２００の一部が変形して移動するスペースを確保し、スポット溶接時の電極４００の位置ズレ（電極４００の軸Ｚ１とリベット５１の軸Ｚ２のズレ）等による第１被接合材２００の陥没等を防ぎ、締結力低下の抑制が可能となる。しかしながら、この場合、リベット５１の形状は複雑であり精密加工等が必要となるため、製造コストが高くなる。また、リベット５１と第２被接合材３００とはスポット溶接で接合されるため、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため作業時間が長くなる。また、リベット５１と第２被接合材３００を両側から挟みこむ必要があるので設計自由度が制限される。さらに、リベット同士の間隔が近接し過ぎると、スポット溶接の電流が隣のリベットに分流し、スポット溶接時に溶接部Ｘに発生する、溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。このため、電流が分流せずに所望のナゲット形成が行える最小離間ピッチ以上の接合ピッチを確保することが必要となり、必要か所での接合の剛性増加ができないという課題があった。

本開示は、異種材接合を可能とし生産性を向上するレーザ溶接方法を提供する。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るレーザ溶接方法は、
互いに溶接可能な同種系の金属材からなる第１の材料と第２の材料との間に、
貫通部を有し、前記第１の材料と前記第２の材料に対して溶接が困難な第３の材料を、
前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間にレーザ光が照射される側にある前記第１の材料の板厚に応じた第２のギャップを設けるようにして、挟む工程と、
前記第１の材料と前記第２の材料との間に前記第３の材料を挟み且つ、前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間に、前記第１の材料と前記第２の材料とが物理的に離間する溶接前の前記第２のギャップが存在する状態で、前記第１の材料側から前記貫通部に対応する領域を前記レーザ光で照射し、
前記貫通部を介して前記第１の材料と前記第２の材料とが互いに溶融結合して前記第３の材料が圧縮固定されることにより、前記第３の材料と前記第１の材料と前記第２の材料とを固定する工程と、を含むレーザ溶接方法である。

本開示のレーザ溶接方法によれば、異種材接合を可能とし生産タクトタイムを大幅に短縮し必要か所での剛性を増加させ設計自由度を拡げることが可能となる。

図１Ａは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。図１Ｂは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。図１Ｃは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。図１Ｄは、本開示の実施の形態２における溶接前後の接合構造を説明する為の断面図である。図２Ａは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図２Ｂは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図２Ｃは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図２Ｄは、本開示の実施の形態３におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図２Ｅは、本開示の実施の形態３におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図３は、本開示の実施の形態１における円状溶接時での第１の材料の板厚と板厚方向の隙間である第２のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。図４は、本開示の実施の形態１における第３の材料の材質と第１のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。図５Ａは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。図５Ｂは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。図６は、本開示の実施の形態３における、らせん状溶接時での第１の材料の板厚と第２のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。図７は、従来の異種材接合の形態を説明するための図である。

（実施の形態１）
実施の形態１について、まず図１Ａと図２Ａを用いて説明する。図１Ａは、本開示の実施の形態１における溶接前後の状態を説明するための断面図である。図２Ａは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図１Ａは、第１の材料１と、第２の材料２と、第３の材料３との接合構造を示している。また、図１Ａは、図２Ａの１Ａ－１Ａ線断面図である。

ここで、第１の材料１および第２の材料２の材質は、互いに溶接可能な同種系の金属材である。また、第３の材料３の材質は、第１の材料１および第２の材料２と異なる、異種材であり、第１の材料１および第２の材料２に対して溶接が困難である。図１Ａに示すように、接合に際して、異種材である第３の材料３は、同種系の金属材である第１の材料１と第２の材料２とで挟み込まれて配置されている。ここで、第３の材料３には貫通部としての貫通穴１２が予め加工されている。また、第１の材料１および第２の材料２は、突起部１４を有し、それぞれの突起部１４が、互いに対向するように貫通穴１２に挿入され、配置される。第３の材料３の貫通穴１２に第１の材料１および第２の材料２のそれぞれの突起部１４が挿入されるので、貫通穴１２には、貫通穴１２に対する第１の材料１および第２の材料２の相対的な位置ズレを抑制する効果がある。また、突起部１４には、レーザ照射位置の目印およびビード形成位置の妥当性が目視で確認できる利点がある。

なお、本開示では、貫通部を貫通穴１２としているが、貫通溝であっても良い。

また、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の材料１と第２の材料２における組み合わせとしては、以下のものがあげられる。鉄系金属材の組合せとしては、軟鋼と軟鋼、軟鋼とステンレス、ステンレスとステンレス、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス、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の材料３は、同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２とは、異なる材質の材料であり、第１の材料１および第２の材料２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の材料１および第２の材料２を鉄系金属材にした場合、異種材としての第３の材料３は、銅材やアルミ材等の非鉄系金属材である。また、例えばＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ，炭素繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｌｅｎＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，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あげられる。

第１の材料１および第２の材料２の突起部１４の形状は、本実施の形態では実質的に同じとする。ここで、図１Ａに示すように、対向して配置される第１の材料１および第２の材料２の突起部１４の突起外縁部９と第３の材料３の貫通穴１２の端部（内周面）との、板厚方向に直交する方向の隙間を第１のギャップ４とする。また、第１の材料１の突起部１４と第２の材料２の突起部１４を第３の材料３の貫通穴１２に挿入した場合における、突起部１４間の板厚方向の隙間を第２のギャップ５とする。言い換えると貫通穴１２の板厚方向における第１の材料１と第２の材料２との離間した状態の隙間を第２のギャップ５とする。さらに、突起部１４の内縁部の領域を突起内縁部１０とする。図１Ａ、図２Ａに示すように、本実施の形態において、溶接はレーザ光としてのレーザ７を用いて行う。溶接は図２Ａに示すように、レーザ７を第１の材料１の板厚方向の上側からレーザ７の照射可能な領域（接合可能範囲）である、突起部１４に対応する突起内縁部１０内に向けて円状に照射することで行われる。その結果、図１Ａに示すように、突起内縁部１０内に溶接部８の一部である溶接ビード１１が形成される。溶接部８は、第１の材料１および第２の材料２との溶接が施された部分であり、溶接中に溶融される溶融金属が凝固する溶接金属としての溶接ビード１１と溶接の熱影響を受けた熱影響部からなる。上述したように、本実施の形態では、レーザ７は、第１の材料１側から突起部１４に対応する領域に照射される。この領域において、第１の材料１と第２の材料２との間に設けられた、第１の材料１の突起部１４に対応する領域における板厚に応じた隙間が第２のギャップ５であると言える。

次に、溶接時および溶接後の接合状況について図１Ａを用いて説明する。
レーザ７を第１の材料１の突起内縁部１０内に円状に照射して溶接を行うと、溶接時に溶接ビード１１が形成される。この際に、第１の材料１および第２の材料２の溶接部８の溶融金属が凝固収縮するため、その間の第２のギャップ５が縮小する。このように、レーザ７が照射される突起部１４に対応する領域において、溶接前の第２のギャップ５が存在する状態で板厚方向からレーザ７を照射し、同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２が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の材料３が圧縮固定される。

また、第２のギャップ５の大きさを、レーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに対して４％～３８％に設定する。この場合、溶接部８の凝固収縮が、第１の材料１と第２の材料２による第３の材料３を挟む圧縮力６となり、第３の材料３を圧縮固定することが可能となる。

このレーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに対して第２のギャップ５の大きさを４％～３８％とする設定は、実験データにより導き出したものであり、その実験データの一例を図３に示す。

図３は、本開示の実施の形態１における円状溶接時での第１の材料１の板厚ｔと第２のギャップ５の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

本実験では、第１の材料１および第２の材料２をそれぞれ同種系の金属材料である軟鋼材、第３の材料３を異種材としての樹脂材料であるＰＥＴ材とした。この組合せにおいて、第２の材料２に対して上側に第１の材料１を配置し、第３の材料３を第１の材料１と第２の材料２とで挟み込んだ状態で、重ね方向（言い換えると板厚方向）の上側から第１の材料１の突起内縁部１０内に円状にレーザ７を照射して溶接した。なお、本実験では、レーザ７の出力を３ｋＷに設定した。

また、第１の材料１および第２の材料２の突起内縁部１０の直径はφ１０ｍｍ、第３の材料３の貫通穴１２の直径はφ１２ｍｍとした。なお、突起内縁部１０内に照射されるレーザ７の照射の領域は、突起内縁部１０の径または幅に対して所定の距離を有して小さくなるようにする。本実験におけるレーザ７の照射の領域は、なるべく突起内縁部１０の直径に近づけ、かつ突起内縁部１０の直径より小さい、φ８ｍｍの円状の領域とした。なお、上記の数値は実施例であって、これに限定されない。

次に、図３の実験結果について、説明する。図３に示すグラフにおいて、横軸は第１の材料１の板厚ｔを示し、縦軸は第２のギャップ５の大きさを示す。例えば、板厚ｔが０．８ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさが０．１ｍｍ～０．３ｍｍまでの場合、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。また、第２のギャップ５が０．３ｍｍを超えて大きくなると、溶接線の一部が穴開き状態（溶接中の溶融金属の充填が不十分であるため、溶接部に少なくとも一つの開口穴が形成されること）となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚ｔが０．８ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの１３％から３８％までが、圧縮固定の有効範囲となる。

また、板厚ｔが２．３ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさが０．１ｍｍ～０．７ｍｍまでの場合、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。第２のギャップ５の大きさが０．７ｍｍを超えると、溶接線の一部が穴開き状態（溶接中の溶融金属の充填が不十分であるため、溶接部に少なくとも一つの開口穴が形成されること）となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚ｔが２．３ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの４％から３０％までが、圧縮固定の有効範囲となる。これより、レーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに応じた第２のギャップ５の大きさが、所定の範囲内にあれば溶接可能となる。
具体的には、第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚ｔの４％以上３８％以下であれば、溶接可能となる。加えて、第２のギャップ５の大きさが上記所定の範囲内にあれば、第１の材料１と第２の材料２とで、第３の材料３を圧縮固定することができる。

これは、第１の材料１の板厚ｔと第２のギャップ５の大きさが、上記の関係を満たす場合、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％以下に相当する溶融金属が第２のギャップ５に落ち込んで穴開きなく第２の材料２と接合できることを示している。第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％を超える場合では、第２のギャップ５を埋めるために必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。

逆に、第２のギャップ５が、０．１ｍｍより小さくなると突起部１４間の隙間が小さくなりすぎて、第１の材料１と第２の材料２とが互いに溶融結合して第３の材料３を圧縮固定する圧縮力６が不足する。

このように、第２のギャップ５は、溶接時の溶融金属量を確保できる範囲で、言い換えると穴開きが発生しない範囲で、大きくなる程、突起部１４間の溶接時の溶接部８の凝固収縮が増大する。これにより、第１の材料１と第２の材料２による第３の材料３を挟む固定力としての圧縮力６が増大する。

なお、上記では、第１の材料１側からレーザ７を照射した場合について述べたが、第２の材料２側からレーザ７を照射した場合でも同様の効果を得ることができる。つまり、レーザ７を第２の材料２から照射する場合、第２のギャップ５の大きさが、第２の材料２の板厚の約４％以上３８％以下であれば、第１の材料１と第２の材料２を溶接することがきる。加えて、第１の材料１と第２の材料２とで、第３の材料３を圧縮固定することができる。

本実施の形態では、第１の材料１と第２の材料２の突起部１４の形状を同じとしたが、必ずしも同じでなくても良い。また、レーザ照射方向として、
第１の材料１側からレーザ７を照射する構成としたが、これに限定されない。レーザ７が照射される側にある材料の板厚の４％以上３８％以下になるように、板厚方向からレーザ７が照射される側の同種系の金属材の板厚に応じて突起部１４間の第２のギャップ５を設定すれば、溶融時に第２のギャップ５に必要な溶融金属量を確保できる。これにより、溶接時の溶接部８の凝固収縮により、第１の材料１と第２の材料２で第３の材料３を挟んで圧縮固定することができる。

このため、本実施の形態では突起部１４を第１の材料１および第２の材料２の両側に設けたが、第２のギャップ５の大きさの条件を満たせば、第１の材料１および第２の材料２のいずれか一方に突起部１４を設けてもよい。また、レーザ照射方向に関して、本実施の形態では第１の材料１側からレーザ７を照射しているが第２の材料２側から照射しても良い。

また、第１の材料１と第２の材料２の材質は同種系の金属材であり、それぞれ軟鋼材と記載したが、互いに溶接が可能であり接合強度が得られる同種系の金属材としての材質であれば材質が異なっていても良い。

例えば、同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２は、以下の組合せが考えられる。鉄系金属材の組合せとしては、軟鋼材同士、ステンレス同士、ハイテン同士等、または、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス等の組合せがある。また、非鉄金属材の組合せとしては、
アルミ材同士、アルミ合金同士、または、アルミとアルミ合金等の組合せがある。上記に記載した鉄系金属材および非鉄金属材は、レーザ接合が可能な材質である。また、異種材としての第３の材料３は、レーザ光の吸収率が低くレーザ接合が難しい銅、各種樹脂材料や第１の材料１および第２の材料２との溶接接合性の相性が悪い材質が当てはまる。溶接接合性の相性が悪い組合せとしては、例えば、第１の材料１および第２の材料２をそれぞれ軟鋼材とした場合、これらに対して溶接する材料として、第３の材料３をアルミ材とする組合せである。またはその逆の組合せの場合もある。

次に、第３の材料３の板厚が厚い等により第２のギャップ５が相対的に大きくなる場合について図１Ｂを用いて説明する。これまでと重複する部分は説明を省略する。第１の材料１と第２の材料２との隙間である第２のギャップ５が大きい場合、第１の材料１および第２の材料２に対して溶接が可能な同種系の金属材とする材質のスペーサ１３を、第３の材料３の貫通穴１２の内部に配置する。この構成によれば、第２のギャップ５を相対的に小さくすることができる。スペーサ１３の厚さは、上述のように、スペーサ１３を貫通穴１２の内部に配置した際の第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚の４％以上３８％以下となるように設定する。この構成によれば、良好な接合が可能となる。なお、スペーサ１３を貫通穴１２の内部に配置した際の第２のギャップ５の大きさとは、第１の材料１と第２の材料２との間にスペーサ１３が配置された場合における、スペーサ１３と第１の材料１との板厚方向の隙間である。

なお、第１の材料１と第２の材料２との間に配置されるスペーサ１３は、別部品として配置するだけではなく、消耗電極やフィラーなどの溶接材料を用いて、第１の材料１と第２の材料２との間に直接作成しても良い。

この場合も、第２のギャップ５の範囲が図３に示すように、レーザ７が照射される側の板厚（図３では第１の材料１の板厚ｔ）に応じた所定の範囲であれば、下板となる第２の材料２まで貫通するようなキーホール型のレーザ溶接をする。これにより、溶接部８に凝固収縮が生じ、この凝固収縮が圧縮力６となり第３の材料３を圧縮固定する。

なお、第２のギャップ５が、レーザ７が照射される第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％を超えるにようになると、第２のギャップ５に必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまう恐れがある。

逆に、第２のギャップ５が、０．１ｍｍより小さくなると突起部１４間の隙間が小さくなりすぎて、同種系の金属材としての第１の材料１と第２の材料２を互いに溶融結合して、異種材の第３の材料３が圧縮固定される圧縮固定力が不足する。

上記では、異種材である第３の材料３が１種類のみの場合について述べた。以下では、異なる２種類の異種材を用いた場合について説明する。図１Ｃは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。図１Ｃに示すように、異なる２種類の異種材である第３の材料３と第４の材料１５を接合する場合、同種系の金属材であるの第１の材料１および第２の材料２で第３の材料３と第４の材料１５とを挟む。そして、第２のギャップ５の大きさを第１の材料１の板厚の４％以上３８％以下にした状態で第１の材料１側からレーザ７を照射し、レーザ溶接を実施する。

この場合においても、第１の材料１および第２の材料２の溶融金属の凝固収縮作用による圧縮力６により、第３の材料３と第４の材料１５の圧縮固定が可能である。特に異なる２種類の異種材である第３の材料３と第４の材料１５がＰＥＴ材等の樹脂材やＣＦＲＰ等の非金属材の場合は、レーザ７の透過率が高い。言い換えるとレーザ７の吸収率が低い場合が多く、レーザ溶接が困難である。このため、異種材が１種類のみの場合と同様、第１の材料１と第２の材料２で、第３の材料３と第４の材料１５を圧縮固定する方式は有効である。具体的には、突起部１４間を離間させる板厚方向の隙間である第２のギャップ５を設け、この第２のギャップ５を埋めるのに必要な溶融金属量を供給する構造とする。そして、突起部１４間を溶融結合させるとともに、その突起部１４間における溶接部８の凝固収縮による圧縮力６を用いて、第１の材料１および第２の材料２にて第３の材料３および第４の材料１５を圧縮固定するレーザ溶接方法は特に有効である。もちろん、異種材が２種類以上あっても問題なく接合可能である。

また、レーザ７が板厚方向から突起部１４に照射する照射の領域は、エンボス形状の突起部１４の径または幅に対して小さい。本実施の形態では、突起部１４の突起内縁部１０より、例えば径または幅で２ｍｍ程度での所定の距離を有して小さい。

ここでレーザ７が照射され溶融された溶接部８から伝達される溶接入熱により、異種材としての第３の材料３が溶融するには、第１の材料１および第２の材料２テーパ状に押し出されたエンボス形状の突起部１４の突起内縁部１０および突起外縁部９と第３の材料３の貫通穴１２の位置関係が重要である。

なお、本発明では、同種系の金属材としての第１の材料１および／または第２の材料２の突起部１４の最外形である突起外縁部９を簡易的に突起部１４の径または幅と称している。

第３の材料３の貫通穴１２の径に対して、挿入される突起部１４の径または幅である突起外縁部９が適正な範囲にある場合、貫通穴１２の端部は、レーザ７の照射による溶接部８への溶接入熱の熱影響を間接的に受けて軟化し、溶融する。軟化し、溶融した第３の材料３（貫通穴１２の端部）が、第１のギャップ４に流れ込む。これにより、第３の材料３は、溶接部８の凝固収縮作用による圧縮固定に加え、第１の材料１および／または第２の材料２と第３の材料３の板厚方向に交差する方向の間の密着固定も可能となる。

ここで、レーザ７が板厚方向から突起部１４に照射する照射の領域は、エンボス形状の突起部１４の直径に対して小さい。本実施の形態では、突起部１４の突起内縁部１０より、例えば、直径で２ｍｍ程度の距離を有して小さい。

また、レーザ７が照射され、溶融された溶接部８から伝達される溶接入熱により、第３の材料３が溶融するには、突起部１４の突起内縁部１０と、突起外縁部９と、貫通穴１２との位置関係が重要である。ここで、突起部１４は、第１の材料１および第２の材料２にテーパ状に押し出されている。

レーザ７が照射される突起部１４において、突起外縁部９から貫通穴１２の端部までの距離が近すぎる場合、端部は、レーザ７の照射による溶接部８から伝達される溶接入熱の熱影響を、直接または間接的に受けることになる。

これにより、溶融した貫通穴１２の端部である第３の材料３が、第１のギャップ４を通り越して、第２のギャップ５に流れ込んでしまう。上述したように、第２のギャップ５には、レーザ７が照射された、上板となる第１の材料１の溶融金属が落ち込む。そのため、例えば第３の材料３が、樹脂などの沸点が低い材料の場合には、気化して噴き出すことで溶接部８の溶接不良となることもある。

また、第１のギャップ４が、例えば第３の材料３が樹脂材料の場合は２．０ｍｍ以上、第３の材料３がＣＦＲＰの場合は１．５ｍｍ以上大きく離れすぎると第３の材料３の貫通穴１２の端部が、溶接部８の溶接入熱を受け難くなり溶融しない。これにより、第３の材料３は、第１のギャップに流れ込まず、第１の材料１および／または第２の材料２と、第３の材料３の板厚方向に交差する方向の間において密着固定することが困難となる。そのため、第３の材料３は、第１の材料１と第２の材料２の凝固収縮作用による圧縮固定しか受けなくなる。

以上のことから、第１のギャップ４の大きさや第３の材料３の材質によって、突起外縁部９から貫通穴１２の端部への伝熱状況や、溶接時の熱影響による第３の材料３の溶融状態が変化する。

なお、図示しないクランプ固定の治具や位置決めピンやロボットアームによる支持位置決めの方式等を用いて、異種材の貫通穴１２の径に対して、挿入される同種系の金属材の突起部１４の位置決めを行っても良い。

また、突起部１４がエンボス加工されて、突出している突起外縁部９の大きさは突起内縁部１０に対して、突起部１４のプレス加工によりエンボス形状に外周方向に約１ｍｍ～板厚相当のオフセットした大きさとなるが、本説明は簡略的に１ｍｍとして記載する。なおこのオフセット量は、板厚相当が好ましいが、溶接接合時の強度に悪影響を与えなければ板厚の０．６倍～１．４倍程度であっても良い。

上記は実験データにより導きだしたものであり、その実験データの一例を図４に示す。図４は、本開示の実施の形態２における第３の材料３の材質と第１のギャップ４の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

図４に示すグラフにおいて、横軸は第３の材料３の材質を示しており、縦軸は第１のギャップ４の大きさを示す。第３の材料３の材質として、具体的には、ＰＥＴ材、ＣＦＲＰ材、Ａ５０００材を用いた。ここで、Ａ５０００材とは、非鉄金属材であるアルミ合金である。

また、本実験では、第１の材料１および第２の材料２として軟鋼材を使用し、その板厚ｔを１．６ｍｍとした。また、第３の材料３として上記に示したいずれか１つの第３の材料３を使用し、その板厚を２．０ｍｍとした。上記組合せにおいて、第２の材料２に対して上側に第１の材料１を配置し、第３の材料３を第１の材料１と第２の材料２に対して挟み込んだ状態で、第１の材料１の突起内縁部１０内に円状にレーザ７を照射して溶接した。本実験では、レーザ７の出力を３ｋＷに設定した。例えば、第１の材料１および第２の材料２の突起内縁部１０の直径はφ１０ｍｍ、第３の材料３の貫通穴１２の直径はφ１２ｍｍとし、突起内縁部１０の直径より小さいφ８ｍｍの円状軌跡でレーザ７を板厚方向から突起部１４に向かって照射して溶接をしたものである。

次に、図４の測定結果について説明する。図４に示すように、第３の材料３が樹脂材料であるＰＥＴ材の場合は、第１のギャップ４の大きさが０．４ｍｍ以上の場合であれば、第３の材料３を圧縮固定することができる。これは、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けても、溶融した第３の材料３が第２のギャップ５に接合不良を起こすように流れ込むことがないからである。

しかしながら、第１のギャップ４の大きさが０．４ｍｍより小さい、つまり、突起外縁部９と貫通穴１２の端部とが近すぎる場合では、レーザ７による溶接の熱影響を受けて溶融した第３の材料３が、第２のギャップ５に流れ込む。これにより、第３の材料３であるＰＥＴ材が気化して噴き出すことで、溶接部８が溶接不良となる場合がある。

また、第３の材料３が樹脂材料であるＣＦＲＰ材の場合は、第１のギャップ４が０．２ｍｍ以上の場合であれば、第３の材料３を板厚方向の圧縮力６により圧縮固定することができる。これは、レーザ７による溶接の熱影響を受けても、溶融した第３の材料３が第２のギャップ５に接合不良を起こすように流れ込むことがないからである。

しかしながら、第１のギャップ４が０．２ｍｍより小さい、つまり、突起外縁部９と貫通穴１２の端部とが近すぎる場合では、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けて溶融した第３の材料３が、第２のギャップ５に流れ込む。これにより、第３の材料３であるＣＦＲＰ材が気化して噴き出すことで、溶接部８が溶接良となる場合がある。以上のように、第３の材料３である樹脂材料の融点や沸点などの特性により、溶接時に許容される第１のギャップ４の大きさに多少の違いが出てくるものである。

また、第３の材料３が非鉄金属材であるＡ５０００系のアルミ合金材の場合は、第１のギャップ４の大きさに関係なく、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けても、第２のギャップ５に溶融した第３の材料３が接合不良を起こすように流れ込むことはない。よって、安定した圧縮固定が可能である。

なお、突起部１４の突起外縁部９を貫通穴１２に対して挿入するためには、第１のギャップ４は、例えば０ｍｍよりも大きく、突起外縁部９を貫通穴１２に対して挿入するのに必要な大きさ以上あれば良い。

上記内容は、第３の材料３の材質による違いの一例を示した実験データであるが、第３の材料３が樹脂材料であれば、図４でのＰＥＴ材を用いた場合とほとんど同じような傾向にある。なお、第３の材料３が非鉄金属材であれば、図４でのアルミ合金材であるＡ５０００材を用いた場合とほとんど同じような傾向にある。これは、他の非鉄金属材を第３の材料３として用いても、第１の材料１の突起部１４へのレーザ７の照射による溶接時の溶接入熱により、貫通穴１２の内壁側が気化して噴き出すことで溶接部８の溶接不良となるような熱影響を受けないからである。以上より、他の非鉄金属材でもほとんど同じような傾向にあると言える。

したがって、第３の材料３が非鉄金属材の場合、第３の材料３が溶融し、第１の材料１および第２の材料２の突起部１４間の合わせ面の隙間である第２のギャップ５に溶融した第３の材料３が流れ込むほどの熱影響は受けることはないと言える。

図２Ａに示す、レーザ７の照射による円状の溶接以外の実施例を例えば、図２Ｂ、図２Ｃに示す。図２Ｂ、図２Ｃは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための斜視図である。図２Ｂに示すように、同種系の金属材の第１の材料１および第２の材料２と異種材の第３の材料３との接合構造において、板厚方向の上板としての第１の材料１の溶接形状が楕円状である。また、図２Ｃに示すように、第１の材料１の溶接形状が直線状である。レーザ７の照射による溶接時の溶接箇所である溶接部８に求められる強度が方向性を持つ場合、言い換えると必要な接合強度分布を持つ場合、必要とする接合強度が高い方向に相対するよう第１の材料１を配置する。具体的には、同種系の金属材の第１の材料１と第２の材料２との突起部１４の接合箇所の形状を、例えば楕円の長手側を配置することで、大きな円状の突起部１４を用いる場合に比べてレーザ７の走査の軌跡の面積を縮小できる。

また、図２Ｃに示すようにレーザ７の照射の軌跡を直線状にすることで、レーザ７の照射の軌跡を円状或いは楕円状の軌跡による溶接を複数箇所行う場合よりも短時間で溶接が可能となる。

また、さらに強度を高めるための実施例や、位置決めを容易とする実施例を図５Ａ、図５Ｂに示す。図５Ａ，図５Ｂは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。図５Ａは、接合時の引張強度を高めるように、第３の材料３を、同種系の金属材である第２の材料２と段状に折り曲げた第１の材料１とで挟み込む構造を示している。第１の材料１は、第２の材料２と第３の材料３とを接合する際の位置決め機能と、引張機能を高める機能を有する接合構造である。図５Ａに示すように、第１の材料１は、以下の２箇所で第２の材料２と接合している。まず、１箇所目として、第１の材料１は、突起部１４を有する箇所が、第３の材料３を介して第２の材料２に接合される。次に、２箇所目として、第１の材料１は、１箇所目とは別の場所１０Ａで第２の材料２と直接接合する。これにより、第３の材料３に対して第２の材料２の引張およびねじり時に、溶接部８の１部分に集中して応力がかかることを抑制し、強度を高めることが可能となる。

図５Ｂは、第２の材料２が第１の材料１の突起部１４を含んでおり、第２の材料２を折り返すことで、第１の材料１を用いなくとも、第３の材料３を第２の材料２に接合できる構造を示している。この構造によれば、第２の材料２の固定用治具が不要となる。また、少なくとも第１の材料１または第２の材料２のいずれか一方に突起部１４を設けた構造とすることで、横から第３の材料３をスライドして挿入し、第３の材料３の貫通穴１２の位置決めも容易となる。

ここで、図５Ｂにおける第２の材料２を折り返して形成される上板部分は、本実施の形態における第１の材料１に相当する。つまり、本実施の形態において、第１の材料１と第２の材料２とは、溶接前の状態において、一体であってもよい。

（実施の形態２）
次に、本実施の形態２について、図１Ｄと図２Ａを用いて説明する。実施の形態１と重複する部分は省略する。図１Ｄで第３の材料３には貫通穴１２となる加工が施されており、第１の材料１および第２の材料２は第３の材料３の貫通穴１２に挿入するエンボス形状等の突起部１４の加工は施されていない。そのため、第３の材料３の板厚が第１の材料１と第２の材料２の間の板厚方向のギャップ相当となる。つまり、本実施の形態では、第３の材料３の板厚が第２のギャップ５となる。

溶接状況は図２Ａに示すように、レーザ７を第１の材料１の上側から貫通穴１２に対応する領域を照射し、その結果形成されるビードは図１Ｄに示すような溶接部８の形状となる。次に、溶接時および溶接後の接合状況について図１Ｄを用いて説明する。レーザ７を第１の材料１および第２の材料２が挟んでいる第２のギャップ５としての第３の材料３の貫通穴１２に対応する領域に向けて板厚方向（第１の材料１側）から円状に照射し、溶接を行う。
溶接時に溶接部８が形成される際に第１の材料１の溶接部８（溶融金属）が凝固収縮するため、第２のギャップ５が縮小する。この第３の材料３の板厚である第２のギャップ５の大きさは、図３に示すように、上板となる第１の材料１の板厚ｔの４％以上３８％以下に設定すると、溶接部８の凝固収縮が第１の材料１と第２の材料２による第３の材料３を挟む圧縮力６となる。

この圧縮力６を用いて、第１の材料１および第２の材料２にて第３の材料３を圧縮固定することが可能となる。この第１の材料１の板厚の６％以上３８％以下の設定は、実施の形態１で説明した実験と同様（実験結果は示していない）の実験から得られたデータにより導き出したものである。第２のギャップ５の大きさを上記のように設定すれば、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％に相当する溶融金属が貫通穴１２の内側に落ち込んで穴開きなく接合できることを示している。なお、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％を超えると、第２のギャップ５に相当する厚みとしての貫通穴１２の内側を埋めるのに必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。

逆に、板厚方向の隙間である第２のギャップ５が、０．１ｍｍより小さくなると隙間が小さくなりすぎて、同種系の金属材としての第１の材料１と第２の材料２を互いに溶融結合して、異種材の第３の材料３が圧縮固定される圧縮固定力が不足する。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態３について、図１Ｂ、図２Ｄ，図２Ｅを用いて説明する。

実施の形態１では、第２のギャップ５が大きい場合に、図１Ｂに示すようなスペーサ１３を貫通穴１２内部に挿入すると上述した。本実施の形態では、このスペーサ１３を挿入せずに第２のギャップ５が大きくなっても良好な接合を可能にするレーザ溶接方法について説明する。

図２Ｄ、図２Ｅは、本開示の実施の形態３におけるレーザ溶接時の接溶接状況を説明するための斜視図である。図２Ｄには、ウィービング状のレーザ７の照射の軌跡を示している。図２Ｅには、らせん状のレーザ７の照射の軌跡を示している。図２Ｄ，図２Ｅに示すように、レーザ７の照射の軌跡をウィービング状やらせん状に照射することで溶接のビード幅を広くすることができる。これにより、溶融金属量を増加させることができる。この増加した溶融金属量が貫通穴１２の内部に落ち込み、穴開きなく溶接することができる。

一例であるがレーザ７の照射の軌跡を円状から、らせん状に変更することで、第２のギャップ５の大きさに対する第１の材料１の板厚ｔの圧縮固定の有効範囲が増加する。具体的には、第１の材料１の板厚ｔの圧縮固定の有効範囲を、４％以上３８％以下から４％以上６３％以下に増加させることが可能である。これは実験データにより導き出したものであり、その実験データの一例を図６に示す。図３と異なるのは、らせん状に溶接したこととで溶接入熱が分散するため、レーザ出力を３．５ｋＷに高めた点である。
図６は、本開示の実施の形態３における、らせん状溶接時での第１の材料の板厚ｔと第２のギャップ５の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である図６に示すグラフにおいて、横軸は第１の材料１の板厚ｔを示し、縦軸は第２のギャップ５の大きさを示す。

図６に示すように、第１の材料１の板厚ｔが０．８ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下までの場合、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。
また、第２のギャップ５の大きさが０．５ｍｍを超えると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚ｔが０．８ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの１３％以上６３％以下までが、圧縮固定の有効範囲となる。また、板厚ｔが２．３ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさは０．１ｍｍ～１．２ｍｍまでが、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。第２のギャップ５の大きさが１．２ｍｍを超えると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚ｔが２．３ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの４％以上５２％以下までが、圧縮固定の溶接可能範囲となる。

これは、第１の材料１の板厚ｔと第２のギャップ５の大きさが、上記の関係を満たす場合、第１の材料１の板厚ｔの５２％以下に相当する溶融金属が第２のギャップ５に落ち込んで穴開きなく、第２の材料２と接合できることを示している。第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚ｔの５２％を超える場合では、第２のギャップ５を埋めるために必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。

なお、レーザ７の照射の軌跡がウィービングおよびらせん状の軌跡だけでなく、渦巻き状に内側から外に向かう軌跡や外側から内に向かう軌跡でも、第２のギャップ５に対する適応範囲を高めることができる。

従来、これまでの異種材に対する接合用部材としてのリベット５１は、かしめ加工時およびスポット溶接時に、異種材の一部が変形して移動するスペースの確保およびスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制をする必要があった。そのため、リベット５１は、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０や環状溝３１等の複雑で高精度な形状が必要であった。この場合、リベット５１の形状に精度が必要であり複雑であるため、精密加工等が必要となり製造コストも高くなる。

また、スポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため生産性が低い上に、両側から挟みこむ必要があるので設計自由度が制限される。また、隣のリベットに近過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して、抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる場合があった。そのため、所望のナゲット形成が行える最小離間ピッチ以上の接合ピッチが必要となり、必要か所での剛性増加ができないという課題があったが、本開示により、従来の課題を解決することができる。

これまでの実施例で示したように、本開示のレーザ溶接方法として、互いに溶接可能な同種系の金属材からなり、少なくとも一方に突起部１４が設けられた第１の材料１と第２の材料２との間に、突起部１４が挿入される貫通部を有し、第１の材料１と第２の材料２に対して溶接が困難な第３の材料３を挟む工程を含む。また、第１の材料１と第２の材料２との間に第３の材料を挟んだ状態で、第１の材料１側から突起部１４に対応する領域をレーザ光で照射し、貫通部を介して第１の材料１と第２の材料２とを溶接する工程を含む。
さらに、第１の材料１と第２の材料２との間に第３の材料３を挟む工程では、貫通部の内周面と突起部１４との間に第１のギャップ４を設けると共に、板厚方向における突起部１４に対応する領域において、第１の材料１と第２の材料２との間に、突起部１４に対応する領域における第１の材料の板厚に応じた第２のギャップ５を設ける。このような構成であれば、同種系の金属材を互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されるように、異種材と同種系の金属材とを固定するレーザ溶接方法を用いると、複雑で精度が必要な構造部品は不要となる。

また、本開示に係るレーザ溶接方法では、第１のギャップ４の大きさと第２のギャップ５の大きさを所定の範囲に設定することで、レーザ溶接のみで第１の材料１と第２の材料２を互いに溶融結合し、第１の材料１と第２の材料２とで第３の材料３を圧縮固定できる。

さらに、スポット溶接ではなくレーザ溶接を用いるので、溶接を含めた作業時間がスポット溶接に対して約２５％に短縮でき著しく生産性を向上する。また、必要か所での剛性を増加させ設計自由度を拡げることが可能となる。

本開示は、異種材の接合に際し、シンプルな構造で生産タクトタイムを大幅に短縮し必要か所での剛性を増加させ設計自由度を拡げるレーザ溶接用の接合構造として産業上有用である。

１第１の材料
２第２の材料
３第３の材料
４第１のギャップ
５第２のギャップ
６圧縮力
７レーザ
８溶接部
９突起外縁部
１０突起内縁部
１１溶接ビード
１２貫通穴
１３スペーサ
１４突起部
１５第４の材料

Claims

互いに溶接可能な同種系の金属材からなる第１の材料と第２の材料との間に、
貫通部を有し、前記第１の材料と前記第２の材料に対して溶接が困難な第３の材料を、
前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間にレーザ光が照射される側にある前記第１の材料の板厚に応じた第２のギャップを設けるようにして、挟む工程と、
前記第１の材料と前記第２の材料との間に前記第３の材料を挟み且つ、前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間に、前記第１の材料と前記第２の材料とが物理的に離間する溶接前の前記第２のギャップが存在する状態で、前記第１の材料側から前記貫通部に対応する領域を前記レーザ光で照射し、
前記貫通部を介して前記第１の材料と前記第２の材料とが互いに溶融結合して前記第３の材料が圧縮固定されることにより、前記第３の材料と前記第１の材料と前記第２の材料とを固定する工程と、を含み、
前記第２のギャップの大きさが０．１ｍｍ以上で前記第１の材料の板厚の３０％以下となるように設定されるレーザ溶接方法。
互いに溶接可能な同種系の金属材からなる第１の材料と第２の材料との間に、
貫通部を有し、前記第１の材料と前記第２の材料に対して溶接が困難な第３の材料を、
前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間にレーザ光が照射される側にある前記第１の材料の板厚に応じた第２のギャップを設けるようにして、挟む工程と、
前記第１の材料と前記第２の材料との間に前記第３の材料を挟み且つ、前記貫通部に対応する領域における前記第１の材料と前記第２の材料との間に、前記第１の材料と前記第２の材料とが物理的に離間する溶接前の前記第２のギャップが存在する状態で、前記第１の材料側から前記貫通部に対応する領域を前記レーザ光で照射し、
前記貫通部を介して前記第１の材料と前記第２の材料とが互いに溶融結合して前記第３の材料が圧縮固定されることにより、前記第３の材料と前記第１の材料と前記第２の材料とを固定する工程と、を含み、
前記第２のギャップの大きさが０．１ｍｍ以上で、前記第１の材料の板厚が０．８ｍｍの場合は前記第１の材料の板厚の３８％以下、前記第１の材料の板厚が１．２ｍｍの場合は前記第１の材料の板厚の３３％以下、前記第１の材料の板厚が１．６ｍｍの場合は前記第１の材料の板厚の３１％以下、または、前記第１の材料の板厚が２．３ｍｍの場合は前記第１の材料の板厚の３０％以下、となるように設定されるレーザ溶接方法。
前記第１の材料と前記第２の材料の少なくとも一方に突起部が設けられ、前記第３の材料の前記貫通部には、前記突起部が挿入され、前記第２のギャップは、
前記突起部に対応する領域において、設けられ、前記第１の材料側から前記突起部に対応する領域をレーザ光で照射する請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
前記第１の材料と前記第２の材料との間の隙間である前記第２のギャップは、前記第１の材料と前記第２の材料との間に前記第３の材料より厚みが小さいスペーサを配置する、または、溶接材料を用いて形成する、ことで設定される請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。