JPH04339583A - 溶接缶胴の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コーヒ飲料缶、ジュー
ス缶、炭酸飲料缶、一般食缶等の缶詰等に用いられる缶
胴や、イージオープン缶蓋等を製造するのに適したレー
ザビーム溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームは狭い領域にエネルギーを
集中することが可能であるため、最近金属板の溶接等へ
の実用が拡ってきた。レーザビームを金属板の重ね合せ
部の溶接に適用する場合は、通常重ね合せ部に垂直にレ
ーザビームを照射して、一方の板を溶融し、さらに重ね
合せ部界面近傍の材料を溶融して溶接を行なう。このよ
うな方式の溶接では、溶接に寄与しない余分の材料を溶
融しなければならないため溶接効率が悪く、溶接速度を
上げるにはかなり大きなレーザ出力のレーザビーム発生
装置を必要とし、さらに溶融された一方の板には溶融痕
跡が残って外観を損ずるという問題を生ずる。

【０００３】最近溶接すべき部分の近傍のみをレーザビ
ーム照射によって溶融する隅肉溶接法が提案されている
（特開昭５７−１１２９８６号公報）。この方法はティ
ンフリースチールの隅肉溶接に適用されるものであるが
、重ね合せ部を冷却部材によって締め付けて、隅肉部に
レーザビームを照射して溶接を行なうものである。この
方式の溶接の場合は、余分の材料を溶融することがない
ので溶接効率は、前記の従来の方法の場合よりは高いが
、それでも材料表面からのレーザビームの反射による損
失のため、溶接効率は十分とはいい難い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、比較的高い
溶接効率で、すなわち比較的出力の小さなレーザで高速
溶接を行なうことが可能な、重ね部のレーザビームによ
る溶接方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の重ね部のレーザ
ビーム溶接方法は、第１の面から端面に向って延びる傾
斜面または凹み面を形成された端縁部を有する第１の部
材の第１の面を第２の部材の表面に重ねて、接触部と、
接触部から端面に向って開いた微小な空隙部を有する重
ね部を形成し、接触部を軽く押圧しながら、第２の部材
の表面に対して中心軸が１０〜６０度の角度を有するレ
ーザビームを、少なくとも端面、および上記表面の空隙
部入口近傍部に当たるよう、重ね部の延びる方向に沿っ
て照射して溶接を行なうことを特徴とする。

【０００６】さらに本発明の重ね部のレーザビーム溶接
方法は、第２の部材に対して傾いた第１の部材の端縁部
の第１の面を第２の部材の端面のコーナに接触させて、
接触部と、接触部から第１の部材の端面に向って開いた
微小な空隙部を有する重ね部を形成し、接触部を軽く押
圧しながら、第２の部材の表面に対して中心軸が１０〜
６０度の角度を有するレーザビームを、少なくとも第１
の部材の端面、および上記表面の空隙部入口近傍部に当
たるよう、重ね部の延びる方向に沿って照射して溶接を
行なうことを特徴とする。

【０００７】

【作用】請求項１に係る記載の発明の場合、少なくとも
第１の部材の端面、および第２の部材の表面の空隙部入
口近傍部に当たるよう、重ね部の延びる方向に沿ってレ
ーザビームを照射する。所定の角度で第２の部材の表面
に当たったレーザビームは、第２の部材の表面の空隙部
入口近傍部を溶融し、また微小な、すなわちその高さと
深さが微小な空隙部内で有効に多重反射して、すなわち
空隙部の上下面の間で反射を繰り返して、空隙部の上下
面の部分を効率よく溶融する。同時に第１の部材の端面
に当たったレーザビームは端面近傍部を溶融する。

【０００８】レーザビーム照射終了直後に、溶融した金
属は、主として表面張力によって流動して空隙部を埋め
て溶融接合部、すなわち溶接部を形成する。そのさい接
触部の空隙部近傍の部分は、溶融接合部の一部を形成す
る。接触部の溶融しない固相部分で熱伝導により溶融温
度に近い温度まで昇温した部分は、溶接中に軽く押圧さ
れるので、圧接されて圧接部となって溶接部の一部を形
成する。そのため高いエネルギー効率でレーザビーム溶
接を行なうことができる。接触部を設けるため、微小で
、正確な形状の空隙部を得ることができる。接触部の押
圧力は、溶接前の移動等の取扱により空隙部の形状が崩
れない範囲の大きさで、かつ溶接中の押し潰しにより、
溶融金属のはみ出しや飛散等が起こるおそれがない程度
に軽微に定められる。

【０００９】レーザビームの中心軸の第２の部材の表面
に対する角度が１０度より小さいと、第２の部材の空隙
部内面および第２の部材の空隙部入口近傍部での溶融金
属の量が少なくなり、高速溶接時に空隙部に埋め残しを
生じ易くなるので好ましくない。また第２の部材の表面
に当たるレーザビームの長さが大きくなり、そのためレ
ーザビームに侵される該表面の面積が増加するので好ま
しくない。中心軸の角度が６０度を越えると、空隙部内
に進入するレーザビームの量が減少し、空隙部の上下面
における溶融が遅くなるので、高速溶接が困難になり、
また第２の部材でレーザビームが直接照射される部分で
の板厚方向溶融深さが増大して、その部分近傍および反
対側表面の塗膜や表面処理被膜等の損傷や外観の悪化等
を招くので好ましくない。

【００１０】請求項２に係る発明の場合は、接触部が線
状であるので、圧接部が形成されない点以外は、その作
用は請求項１に係る発明とほぼ同様である。

【００１１】

【実施例】図１において、１は金属板よりなる第１の部
材、２は同じ金属板よりなる第２の部材であって、溶接
缶胴を形成する場合には、第１の部材１および第２の部
材２は、同一ブランクの対向する端縁部となる。第１の
部材１の端縁部１ａには、下面１ａ２から端面４に向っ
て延びる傾斜面３が形成されている。金属板としては、
低炭素鋼板や、ティンフリースチール、錫めっき鋼板お
よびニッケルめっき鋼板等の表面処理鋼板、ならびにア
ルミニュウム（合金）薄板等が好ましく用いられる。

【００１２】第１の部材１の下面１ａ２の傾斜部３近傍
の部分に、第２の部材２の端縁部２ａの表面２ａ１の端
部が、上部押圧部材８と下部押圧部材９による軽い押圧
下に接触して、接触部６と断面Ｖ字状の空隙部７を有す
る重ね部１０が形成されている。押圧部材８、９は、接
触部６を、溶接中の重ね部１０が押し潰されない程度の
軽い押圧力で接触部６を押圧する。

【００１３】１１はレーザビームであって、１１ａはそ
の中心軸である。レーザビーム１１は、第２の部材２の
端縁部２ａの表面２ａ１と中心軸１１ａのなす角がθが
１０〜６０度、より好ましくは１５〜４５度となるよう
に、かつ少なくとも端面４および表面２ａ１の空隙部入
口近傍部１２（端面４に対向する部分とその近傍部）に
当たり、かつ焦点面が重ね部１０のほぼ空隙部入口近傍
部１２にくるように照射される。図１ではレーザビーム
１１は、第１の部材１の上面１ａ１の端面４近傍から空
隙部入口近傍部１２にかけて照射される。レーザビーム
１１のレーザとしては、炭酸ガスレーサ゛およびＹＡＧ
レーザ等が好ましく用いられる。

【００１４】レーザ照射部におけるレーザビーム１１の
直径Ｄは、通常約０．１〜０．５ｍｍである。ここにレ
ーザビームの直径Ｄとは、図１に示すように、レーザビ
ーム１１が当たった、空隙部入口近傍部１２の最外側の
部分１２ａ、および端面４の最上部（第１の部材１の上
面１ａ１に当たる場合は、その最左側（図１における）
の部分１ａ１’）を通り、中心線１１ａと実質的に平行
な中心軸を有する仮想円筒５の直径をいう。直径が比較
的大きいレーザビーム１１を用いるときには、レーザビ
ーム１１は図１に示すように、空隙部入口近傍部１２、
端面４、および上面１ａ１の一部にわたって照射される
。

【００１５】空隙部７の最大高さ（入口部高さ）ｈは、
レーザビーム１１が進入できるように、使用するレーザ
の波長以上であり、かつ空隙部７の周囲に生じた溶融金
属によって適正に埋められる値以下であり、通常はレー
ザビームの照射部における直径Ｄの８０％以下に定めら
れ、より好ましくはレーザの波長の３倍以上であり、か
つ直径Ｄの６０％以下に定められる。炭酸ガスレーザを
用いる場合、最大高さｈは０．０１〜０．２０ｍｍ、よ
り好ましくは０．０３ｍｍ以上で０．１５ｍｍ以下であ
ることが望ましい。

【００１６】空隙部７の深さ（奥行）ｄは、レーザビー
ム１１が空隙部７内で有効に多重反射するように、直径
Ｄの０．３倍以上で４倍以下程度であることが望ましい
。炭酸ガスレーザを用いる場合は、通常０．１〜０．６
ｍｍ、より好ましくは０．１５〜０．５ｍｍである。空
隙部７の最大高さｈおよび深さｄの最適値は、金属板の
種類、板厚、溶接速度、レーザの波長、レーザの出力、
レーザビームの照射部における直径およびレーザビーム
のエネルギー分布等の影響を受けるので、これらの要因
に基づいて実験により定められる。

【００１７】重ね部１０の溶接は次のようにして行なわ
れる。重ね部１０を押圧部材８，９により、適度の軽い
押圧力で押圧しながら紙面に直角方向に移動しながら、
レーザビーム１１を照射すると、第２の部材の表面２ａ
１および傾斜面３に当たったレーザビーム１１は、空隙
部７内で多重反射して、すなわち空隙部７の下面（表面
２ａ１）と上面（傾斜面３）に当たって反射を繰り返し
て空隙部７の上下の金属を溶融する。またレーザビーム
１１が当たった端面４近傍の金属も溶融する。これら溶
融した金属は、空隙部７の高さｈおよび深さｄが微小な
ので、照射終了直後に主として表面張力により合体し、
空隙部７を埋め、図２に示すように、比較的滑らかな外
表面を有する溶融接合部すなわち溶接部１５を形成する
。

【００１８】空隙部７を通過し、接触部６に到達したレ
ーザビーム１１のエネルギーレベルが、接触部６の全長
を溶融するに十分高ければ、図２に示すように、接触部
６全体も溶融して溶融接合部となる。一方接触部６に到
達したレーザビーム１１のエネルギーレベルが減衰して
いる場合でも、レーザビーム照射による温度上昇と、空
隙部７の溶融金属からの熱伝導によって、約１０００℃
以上に温度が上がった接触部６の固相部分は押圧部材８
、９の押圧によって圧接されて、圧接部（図示されない
）となって、溶接部の一部を形成する。

【００１９】上記押圧のさいの押圧力は、軽度であって
、溶接中の重ね部１０を押し潰す程大きくないので、溶
融状態の溶接部１５が押し潰されて溶融金属がはみだし
たり、あるいは飛散するおそれはない。同じ出力のレー
ザビーム１１を用いても、溶接速度が高くなる程、接触
部６に到達するレーザビームのエネルギーレベルは小さ
くなるので、接触部６の全長を溶接するには、接触部６
の幅を、実用上重ね部１０形成に支障のない範囲で、で
きるたけ小さくすることが好ましい。

【００２０】図３に示すように、第１の部材１の端縁部
１ａに、下面１ａ２から端面４に向って延びる、断面半
割蒲鉾状の凹み面１６を予め形成した後、第２の部材２
と重ねて、接触部６および空隙部７を有する重ね部１０
を形成して、レーザビーム１１を照射してもよい。また
図４に示すように、第１の部材１の端縁部１ａの端面４
近傍を折曲げて傾斜面１７を形成し、第２の部材２と重
ねて、空隙部７および比較的長い（短くてもよい）接触
部６を有する重ね部１０を形成して、レーザビーム１１
を照射してもよい。本明細書においては、このような傾
斜面１７をも、端面に向って延びるものとする。

【００２１】さらに図５に示すように、上部押圧部材１
８とバックアップ部材１９によって、端縁部１ａに加工
を加えられていない第１の部材１を斜めに挾持して、そ
の端縁部１ａの下面１ａ２を、下部押圧部材２１の上に
水平に保持された第２の部材２の端縁部２ａの端面の上
部コーナ２ｂに接触させて、線状の接触部６と空隙部７
を有する重ね部２０を形成して、レーザビーム１１を照
射してもよい。なおバックアップ部材１９は、スプリン
グ２２によるバイアス下に、下部押圧部材２１に設けら
れた孔部２１ａを摺動可能になっている。

【００２２】次に溶接缶胴を製造するための、より具体
的な実施例について述べる。図６、図７、図８において
、２３はフィンガー２３ａによって金属筒状体１３を押
して、矢印Ａ方向に移動させるための無限循環チエーン
コンベア、２５は、押さえバー２４ａ、２４ｂ、２４ｃ
（図７；図６では図示を省略した）と協力して、金属筒
状体１３の外側端縁部（図３の端縁部１ａに対応する）
と内側端縁部（図３の端縁部２ａに対応する）を移動中
に互いに徐々に接近させて重ね部１０を形成するための
所謂Ｚ字状バー、２６はＺ字状バー２５や下部押圧部材
９等の支持具、８は上部押圧部材、９は下部押圧部材で
ある。８ａは上部押圧部材８に対して押圧力を与えるた
めのスプリングである。

【００２３】上部押圧部材８と下部押圧部材９の間に、
レーザビーム照射孔２７が設けられている。支持具２６
および下部押圧部材９は、水冷却孔２８を備えている。 照射孔２７に対向してレーザビームガン２９が、重ね部
１０に対して所定の位置に、かつ所定の角度でレーザビ
ーム１１を照射できるように配設されている（図８）。 支持具２６の下流に一対の押潰しロール３０が設けられ
ている。

【００２４】図９は凹み面１６を有するブランクを形成
するための装置の例を示したものである。３１が金属帯
板または金属大板、３２が凹み面１６に対応する断面形
状部３２ａを周縁部に有する刻印ロールであって、ブラ
ンクの幅に等しい中心間隔をあけて複数個がシャフト３
２ｂに着設されている。刻印ロール３２とバックアップ
ロール３３の間で金属帯板または金属大板３１を走行さ
せながら押圧して凹み部３４を形成した後、点線に沿っ
て切断することにより、図１０に示すように、端縁部１
ａに凹み面１６、端縁部２ａにミニ凹み面１６’を有す
るブランク３５が得られる。

【００２５】常法によりブランク３５の端縁部１ａと端
縁部２ａが向かい合うように丸めて形成された金属筒状
体１３は、チエーンコンベア２３によって矢印Ａ方向に
高速で移動しながら、Ｚ字状バー２５を通過するさい徐
々に端縁部１ａと端縁部２ａ間を接近させられた後（図
７）、上部押圧部材８と下部押圧部材９によって、接触
部６と空隙部７を有する重ね部１０を形成され（図１１
）、照射孔２７に達したとき、重ね部１０にレーザビー
ム１１を照射され（図８、図１２）、溶接部１５を形成
される。溶接部１５は押潰しロール３０に達するまでに
凝固し、溶接部１５は押潰しロール３０によって押し潰
されて、図１３に示すように、段差が実質的にない溶接
部１５’となって、溶接缶胴１４が製造される。ミニ凹
み面１６’の存在は、段差の減少を容易にするのに役立
つ。

【００２６】以下にこの場合の具体的データを示す。端
縁部１ａに凹み面１６を形成された、板厚が０．１２ｍ
ｍのティンフリースチールのブランク３５を作製し、こ
のブランク３５を内径が６５．３ｍｍの金属筒状体１３
に形成した。この筒状体１３を、チエーンコンベア２３
により毎分５０ｍの速度で移動させながら、最大高さｈ
が０．０６ｍｍで、深さｄが０．２ｍｍである空隙部７
、および幅が０．０５ｍｍの接触部６有する重ね部１０
を形成した。 出力が１．２ｋｗで焦点距離が９５．３ｍｍのレンズで
集光した、直径Ｄが０．２ｍｍの炭酸ガスレーザを照射
角θが２５度になるようにして、重ね部１０に照射して
溶接を行なった。得られた溶接部１５を直径が４０ｍｍ
の押潰しロール３０で４０ｋｇｆの加圧力で押圧して、
段差が実質的に消失した溶接部１５’を有する溶接缶胴
１４を作製した。この溶接缶胴１４の溶接部は図１２，
図１３に示すように、重ね部の全域にわたって溶接され
ており、十分に満足な溶接強度を有していた。

【００２７】図１４は溶接缶胴を製造する他の具体的実
施例を示すものである。図の右方側に配設された整形装
置（図示されない）によってブランクより丸められた金
属筒状体３６は、一対の押圧ロール３７ａ、３７ｂ（図
１５）およびその下流に近接して配設された一対の押圧
ロール３８ａ、３８ｂ（図１６）によって、図５に示す
タイプの重ね部２０を形成、保持されながら矢印Ｂ方向
に送られる。レーザビーム１１が、押圧ロール３７ａ、
３７ｂおよび押圧ロール３８ａ、３８ｂの間の重ね部２
０に、図１の場合と同様に所定の角度θで照射されて、
溶接部１５を有する溶接缶胴１４が製造される。溶接部
１５を、押圧ロール３８ａ、３８ｂの下流に設けられた
押潰しロール（図示されない）によって、実質的に段差
が消失するように押潰してもよい。

【００２８】図１７は、蓋本体４０に摘みタブ４１を本
発明の方法により溶接して形成されたイージオープン缶
蓋４２を示す。４３は環状スコア線、４４は初期開口の
ためのタブ４１のノーズ部、４５は溶接部である。溶接
は次のようにして行なわれる。図１８に示すように、蓋
本体４０を支持台４６に載置し、蓋本体４０の所定の位
置に摘みタブ４１を押圧工具４７で固定する。図１９に
示すように、溶接部４５となるべき部分には、接触部６
と断面Ｖ字状の空隙部７よりなる重ね部５０が形成れて
いる。支持台４６を紙面に直角の方向に移動させながら
、図１９に示すように、レーザビーム１１を所定の角度
θで照射することにより重ね部５０に溶接部１５を形成
することができる。

【００２９】蓋本体４０には表面処理鋼板またはアルミ
ニュウム（合金）薄板等が用いられる。蓋本体４０が表
面処理鋼板よりなる場合は、タブ４１は通常表面処理鋼
鈑またはステンレス鋼からなるものが用いられる。蓋本
体４０には、通常塗料等の有機被膜層（図示されない）
が形成されているが、レーザビーム１１が照射される部
分は金属を露出させておき、溶接後有機被膜を塗布して
補修する。本方法では、溶接は蓋本体４０とタブ４１の
界面で行なわれるので、蓋本体４０の内面側の温度上昇
は小さく、特に支持台４６を冷却しておけば、上記温度
上昇は極く小さい。さらに押圧工具４７による押圧力も
軽度であるので、蓋本体４０内面側の有機塗膜層の損傷
は実質的に起らない。

【００３０】本発明は、以上の実施例によって制約され
るものでなく、例えば凹み面は、好ましくは空隙部の高
さが入口側に向って極端に小さくなる部分を含まない範
囲で、適宜の断面形状であってよい。また傾斜面または
凹み面が第１の部材の上面（１ａ１）と交差していても
よい。この場合は、端面に相当する部分は交差線である
が、本明細書においては、この交差線を含めて端面とよ
ぶことにする。

【００３１】

【発明の効果】本発明の重ね部のレーザビームによる溶
接方法は、比較的高い溶接効率で、すなわち比較的出力
の小さなレーザで高速溶接を行なうことができるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明における第１の態様である重ね部に、レ
ーザビームを照射開始直後の状態を示す縦断面図である
。 【図２】図１の重ね部がレーザビーム照射により溶接部
に形成された状態を示す縦断面図である。 【図３】本発明における第２の態様である重ね部に、レ
ーザビームを照射開始直後の状態を示す縦断面図である
。 【図４】本発明における第３の態様である重ね部に、レ
ーザビームを照射開始直後の状態を示す縦断面図である
。 【図５】本発明における第４の態様である重ね部に、レ
ーザビームを照射開始直後の状態を示す縦断面図である
。 【図６】本発明の方法により溶接缶胴を製造する装置の
第１の例の説明用正面図である。　　　　【図７】図６
のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う縦断面図である。 【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う縦断面図で
ある。 【図９】図３に示す凹み面を形成された端縁部を有する
ブランクを作製するための装置の例の要部正面図である
。 【図１０】図９の装置により形成されたブランクの縦断
面図である。 【図１１】図６の装置において形成された重ね部の拡大
縦断面図である。 【図１２】図１１の重ね部にレーザビームを照射して溶
接部が形成された状態を示す縦断面図である。 【図１３】図１２の溶接部を押し潰した状態を示す縦断
面図である。 【図１４】本発明の方法により溶接缶胴を製造する装置
の第２の例の要部斜視図である。 【図１５】図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う縦断面図である
。 【図１６】図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う縦断面図で
ある。 【図１７】本発明の方法により摘みタブが溶接されたイ
ージオープン缶蓋の例の平面図である。 【図１８】図１７の缶蓋を作製するため、レーザビーム
を照射している状態を示す図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩ
ＩＩ線に沿う部分を含む縦断面図である。 【図１９】図１８のＤ部の拡大図面である。 【符号の説明】 １　　　　　　第１の部材 １ａ　　　　端縁部 １ａ２　　　下面（第１の面） ２　　　　　　第２の部材 ２ａ１　　　表面 ２ｂ　　　　　上部コーナ（コーナ） ３　　　　　　傾斜面 ４　　　　　　端面 ６　　　　　　接触部 ７　　　　　　空隙部 １０　　　　重ね部 １１　　　　レーザビーム １１ａ　　中心軸 １２　　　　空隙部入口近傍部 １５　　　　溶接部 １６　　　　凹み面 １７　　　　傾斜面 ２０　　　　重ね部 ４５　　　　溶接部 ５０　　　　重ね部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の面から端面に向って延びる傾斜面ま
   たは凹み面を形成された端縁部を有する第１の部材の第
   １の面を第２の部材の表面に重ねて、接触部と、接触部
   から端面に向って開いた微小な空隙部を有する重ね部を
   形成し、接触部を軽く押圧しながら、第２の部材の表面
   に対して中心軸が１０〜６０度の角度を有するレーザビ
   ームを、少なくとも端面、および上記表面の空隙部入口
   近傍部に当たるよう、重ね部の延びる方向に沿って照射
   して溶接を行なうことを特徴とする重ね部のレーザビー
   ム溶接方法。
2. 【請求項２】第２の部材に対して傾いた第１の部材の端
   縁部の第１の面を第２の部材の端面のコーナに接触させ
   て、接触部と、接触部から第１の部材の端面に向って開
   いた微小な空隙部を有する重ね部を形成し、接触部を軽
   く押圧しながら、第２の部材の表面に対して中心軸が１
   ０〜６０度の角度を有するレーザビームを、少なくとも
   第１の部材の端面、および上記表面の空隙部入口近傍部
   に当たるよう、重ね部の延びる方向に沿って照射して溶
   接を行なうことを特徴とする重ね部のレーザビーム溶接
   方法。