JP7500351B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムダイカスト材をレーザ溶接する方法に関する。

アルミニウムダイカスト材をレーザ溶接することは、従来は非常に難しいとされてきた。それは、鋳造時に高圧で閉じ込められた不純物やガスの体積が溶接時のレーザ光の照射による加熱で急激に膨張し、周辺の金属成分を伴って吹き上げることで、欠陥が発生するためである。そのため、ダイカスト材を接合する方法としては、ボルトやカシメといった締結方法等の機械的な接合方法が採用されている。

下記特許文献１には、アルミニウム展伸材同士をレーザ光によって溶接することが記載されている。しかしながら、アルミニウムダイカスト材を欠陥の発生を抑えながらレーザ溶接することについては実現できていない。

特開２０１９－１２３００８号公報

本発明は、アルミニウムダイカスト材料に対して欠格不良を抑制して良好な溶接品質を確保することができるレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ溶接方法は、アルミニウム材の第一及び第二部材同士をレーザ溶接する方法であって、第一及び第二部材のうち少なくとも一方はアルミニウムダイカスト材であり、第一及び第二部材同士を重ね合わせて重ね隅肉部を形成し、レーザ光を第一部材側から重ね隅肉部に照射すると共に、レーザ光が重ね隅肉部の接合線を繰り返し横断するようにレーザ光を振動させながら、レーザ光を接合線に沿った第一方向に向けて移動させる。

この方法によれば、片方が解放された重ね隅肉部にレーザ光を照射するので、溶融金属中において仮にガスが爆発的に膨張したとしても、そのガスが外気に容易に逃げやすいことになる。また、重ね隅肉溶接は、重ね合わせ溶接に比して、溶融金属の全体積が少なく、含まれるガスの総量も少ないことからガスの全発生量を抑制できる。そのため、吹き上げ現象を防止することができる。また、レーザ光を振動させることによって溶融金属が攪拌される。この攪拌作用によって、アルミニウムダイカストに含まれる不純物やガスが溶融金属中を容易に移動して大気にスムーズに放出される。

特に、レーザ光が接合線を繰り返し横断するように、レーザ光をある程度の振幅を持って直線的に揺動又はある程度の半径を持って円あるいは楕円運動させることが好ましい。この方法によれば、溶接品質が向上する。

更に、レーザ光の円運動の中心の位置は、重ね隅肉部における第一部材の端部のうち、第二部材とは反対側の縁部であることが好ましい。この方法によれば、溶接品質が向上する。

また、レーザ光を、第一部材と第二部材の重なり方向に対して、第一部材側から見て第二部材側に傾斜した方向から照射することが好ましい。この方法によれば、溶接品質が向上する。

また、レーザ光を接合線に沿って複数回移動させることが好ましい。この方法によれば、溶接品質が向上する。

特に、接合線に沿った二回目の移動時におけるレーザ光の出力は、接合線に沿った一回目の移動時におけるレーザ光の出力よりも小さいことが好ましい。この方法によれば、溶接品質が向上する。

以上のように、本発明に係るレーザ溶接方法によれば、アルミニウムダイカスト材を溶接する際において欠陥を防止することができる。

本発明の一実施形態におけるレーザ溶接方法を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図。 同レーザ溶接方法を示す模式図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、平面図。 同レーザ溶接方法によって接合された接合体の要部を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図。 同接合体の要部断面図。 本発明の他の実施形態におけるレーザ溶接方法を示す模式図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、平面図。 本発明の他の実施形態におけるレーザ溶接方法を模式的に示す平面図。

以下、本発明の一実施形態にかかるレーザ溶接方法（以下、単に溶接方法という。）について図１及び図２を参酌しつつ説明する。溶接方法は、アルミニウム材の第一部材１と第二部材２を、レーザにより溶接するための方法である。第一部材１と第二部材２のうち、少なくとも一方は、アルミニウムダイカスト材である。第一部材１と第二部材２の双方がアルミニウムダイカスト材であってもよいし、第一部材１と第二部材２のうちの一方がアルミニウムダイカスト材で他方がアルミニウム展伸材であってもよい。アルミニウムダイカスト材は、例えばＡＤＣ１２である。アルミニウム展伸材は、例えば５０００番系や６０００番系、７０００番系である。第一部材１及び第二部材２の形状は何れも任意である。

図１に溶接前の状態の第一部材１と第二部材２を示している。図２は、レーザ光の照射位置の軌道を示す模式図である。第二部材２の上に第一部材１が重ねられる。第一部材１と第二部材２が重ね合わせられることにより、重ね隅肉部３が形成され、また、重ね合わせ面１１が形成される。重ね隅肉部３には、第一部材１の端部１ａが位置している。そして、第一部材１の端部１ａと第二部材２とにより、接合線４が形成される。接合線４は、第一部材１の端部１ａに沿って形成される。第一部材１の端部１ａは、重ね合わせ面１１側に位置する第一縁部１ｂと、重ね合わせ面１１とは反対側に位置する第二縁部１ｃとを有している。接合線４は、第一縁部１ｂによって形成される。

図１及び図２に、第一部材１の端部１ａの延伸方向を符号Ｘで示し、第一部材１側から見た平面視において延伸方向Ｘと直交する直交方向を符号Ｙで示している。また、第一部材１と第二部材２の重なり方向を符号Ｚで示している。接合線４は、延伸方向Ｘに沿っている。重なり方向Ｚは、第一部材１と第二部材２の重ね合わせ面１１に対する法線方向である。重なり方向Ｚは、例えば第一部材１が板状である場合には、第一部材１の板厚方向であり、第二部材２が板状である場合には、第二部材２の板厚方向である。

レーザ光は、重ね隅肉部３に照射される。図１（ａ）に矢印Ｌで示しているように、レーザ光は、第一部材１の端部１ａのうち第二縁部１ｃに向けて照射されることが好ましいが、第一部材１の板厚等の条件によっては必ずしも第二縁部１ｃではなく照射部位置が多少ずれることも構わない。後述のように、振動や回転の中心の位置を第一部材１の端部１ａの第二縁部１ｃに設定することが好ましい場合が多いものの第一部材１の板厚等の条件によっては必ずしも第二縁部１ｃではなく中心位置が多少ずれても構わない。

図１（ａ）のように、レーザ光は、重なり方向Ｚに対して、直交方向Ｙの第二部材２側に所定角度傾斜した方向から照射されることが好ましい。図１（ａ）のように第一部材１及び第二部材２を直交方向Ｙに沿って切断したときの断面視において、重なり方向Ｚに対するレーザ光の傾斜角度θは、４５度未満であって、例えば３０度である。

図２に示すように、レーザ光を延伸方向Ｘの第一方向Ｘ１と第二方向Ｘ２のうち第一方向Ｘ１に向けて移動させる。第一方向Ｘ１がレーザ光の進行方向である。第二方向Ｘ２は、第一方向Ｘ２とは反対の方向である。レーザ光を第一方向Ｘ１に移動させながら、第一部材１の端部１ａと第二部材２を連続的に溶接していく。レーザ光を第一方向Ｘ１に移動させる際に、後述のようにレーザ光を円運動させることが好ましい。図示しないガルバノミラーを駆動することにより、レーザ光を円運動させることが好ましい。

レーザ光を第一方向Ｘ１に向けて移動させる際に、同時に、レーザ光を円運振幅や回転動させることが好ましい。レーザ光を振幅や回転させることにより、レーザ光は、重ね隅肉部３の接合線４を繰り返し横断する。レーザ光を振幅や回転させながら、レーザ光を第一方向Ｘ１に向けて移動させる。レーザ光の振動の態様は種々であってよい。

例えば、図２のように、レーザ光を独自の円運動に加えてＸ１方向への直線運動の効果により螺旋を描きながら円運動させながら第一方向Ｘ１に移動させる。この場合、レーザ光は、螺旋を描きながら第一方向Ｘ１に移動していく。円運動の円の中心は、第一部材１の端部１ａの第二縁部１ｃに位置させることが好ましいが、第一部材１の板厚等の条件によっては多少ずらすことは構わない。レーザ光の円運動の回転方向は何れであってもよい。レーザ光は、一回の円運動において接合線４を二回横断する。レーザ光は、一回目の横断時に、円運動の第一方向Ｘ１側において、第一部材１から第二部材２に向けて接合線４を横断する。続いて、レーザ光は、二回目の横断時に、円運動の第二方向Ｘ２側において、第二部材２から第一部材１に向けて接合線４を横断する。

円運動の回転方向が図２の場合とは逆であってもよい。図５に、円運動の回転方向が図２とは逆の場合を示している。図５において、レーザ光は、一回目の横断時に、円運動における第一方向Ｘ１側において、第二部材２から第一部材１に向けて接合線４を横断する。続いて、レーザ光は、二回目の横断時に、円運動の第二方向Ｘ２側において、第一部材１から第二部材２に向けて接合線４を横断する。

また、図６のように、レーザ光の動きは必ずしも円運動だけでなく、直交方向Ｙに往復運動するものでもよい。即ち、レーザ光を直交方向Ｙに直線に揺動させることによって、レーザ光の揺動にＸ１方向への動きが加わって接合線４を繰り返し横断するようにしてもよい。この場合、レーザ光は、接合線４を直交方向Ｙに対して傾斜した方向に横断する。

尚、レーザ光を接合線４に沿って複数回移動させることが好ましく、溶接品質を向上させることができる。複数回の移動は、種々であってよい。例えば、レーザ光を第一方向Ｘ１に移動させた後、第二方向Ｘ２に移動させてもよい。また、レーザ光を第一方向Ｘ１に移動させた後、再び第一方向Ｘ１に移動させてもよい。即ち、レーザ光の移動は、延伸方向Ｘの第一方向Ｘ１のみであってもよいし、第一方向Ｘ１と第二方向Ｘ２であってもよく、繰り返しの往復動であってもよい。また、接合線４に沿った一回目の移動時におけるレーザ光の出力に対して、接合線４に沿った二回目の移動時におけるレーザ光の出力を小さく設定することが好ましい。このようにレーザ光の出力を設定することにより溶接品質を向上させることができる。

以上のような溶接方法によって第一部材１と第二部材２が溶接される。このような溶接方法によれば、重ね隅肉部３にレーザ光が照射されるので、溶融金属中において仮にガスが爆発的に膨張したとしても、そのガスを外気に容易に逃がすことができる。また、重ね隅肉溶接は、重ね合わせ溶接に比して、溶融金属の体積が少なく、ガスの発生量を抑制できる。そして、ガスが発生しても、重ね隅肉部３からガスを外気に容易に放出させることができる。そのため、吹き上げ現象を防止することができる。また、接合線４を繰り返し跨ぐようにレーザ光を振動させることによって溶融金属が攪拌される。この攪拌作用によって、アルミニウムダイカスト材に含まれる不純物やガスが溶融金属内を容易に移動しやすくなり大気にスムーズに放出される。特に、レーザ光を直交方向Ｙに直線状に揺動させたり、あるいは、円運動させたりすることによって、溶融金属が効率良く撹拌されてガス等が外気に放出され、溶接品質が向上する。また、図１のようにレーザ光を第二部材２側に傾斜した方向から照射すると、撹拌効果が高まり、溶接品質が向上する。更に、レーザ光の円運動の中心の位置が第一部材１の第二縁部１ｃであると、溶接品質が向上するため好ましい。

レーザ溶接により第一部材１と第二部材２が溶接されて接合体が形成される。図３（ａ）に接合体の要部の斜視図を示し、図３（ｂ）に接合体の要部の平面図を示している。また、接合体の要部の断面図を図４に示している。接合体は、第一部材１と第二部材２が溶接された溶接部を有している。溶接部には、溶接ビード１２が形成される。図３及び図４は、溶接部の近傍を示している。溶接部は、第一部材１と第二部材２が重ねられて溶接された重ね隅肉溶接部１０である。重ね隅肉溶接部１０には、第一部材１の端部１ａが位置していている。重ね隅肉溶接部１０は、第二部材２を貫通していない。重ね隅肉溶接部１０は、第一部材１の端部１ａに沿って形成され、接合線４に沿って形成されている。即ち、重ね隅肉溶接部１０は、延伸方向Ｘに沿って形成されている。溶接ビード１２の全体にアルミニウムダイカスト材の合金成分が分散していることが好ましく、溶接ビード１２において合金成分が均一化していることが好ましい。

１ 第一部材
１ａ 端部
１ｂ 第一縁部
１ｃ 第二縁部
２ 第二部材
３ 重ね隅肉部
４ 接合線
１０ 重ね隅肉溶接部
１１ 重ね合わせ面
１２ 溶接ビード

Claims (4)

1. アルミニウム材の第一及び第二部材同士をレーザ溶接する方法であって、
   第一及び第二部材のうち少なくとも一方はアルミニウムダイカスト材であり、
   第一及び第二部材同士を重ね合わせて重ね隅肉部を形成し、
   レーザ光を第一部材側から重ね隅肉部に照射すると共に、
   レーザ光が重ね隅肉部の接合線を繰り返し横断するようにレーザ光を振動させながら、レーザ光を接合線に沿った第一方向に向けて移動させ、
   レーザ光の振動の中心の位置を、重ね隅肉部における第一部材の端部のうち、第二部材とは反対側の縁部とすると共に、レーザ光の照射方向を、第一部材と第二部材の重なり方向に対して、第一部材側から見て第二部材側に傾斜した方向とする、レーザ溶接方法。
2. レーザ光が接合線を繰り返し横断するように、レーザ光を揺動、円運動、又は楕円運動させる、請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 第一部材はアルミニウム展伸材であり、第二部材はアルミニウムダイカスト材である、請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. レーザ光を接合線に沿って複数回移動させると共に、接合線に沿った一回目の移動時におけるレーザ光の出力に対して、接合線に沿った二回目の移動時におけるレーザ光の出力を小さく設定する、請求項１乃至３の何れかに記載のレーザ溶接方法。

Images