JPH09174269A - アルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓋部材と容器本体との溶接接合に際し、容器
内部温度の上昇が少なく、溶接熱による熱軟化現象が少
ないと共に、溶接後に溶接熱影響部の強度低下が抑制さ
れたアルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方
法を提供する。 【解決手段】 アルミニウム又はアルミニウム合金から
なる容器本体と、蓋部材とからなる被溶接材１を、クラ
ンプ治具３により相互に固定し、レーザビーム４により
溶接接合する。この場合に、レーザビーム４の径に基づ
いて決まる大きさの孔、例えば、ビーム径の２倍の大き
さの孔６を有する遮蔽板５を被溶接部から離隔させて配
置し、孔６を介してレーザビーム４を溶接部に照射す
る。レーザビーム４の出力は被溶接部において２０００
Ｗ以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は飲料水、食品、ガソリン
又はエアバッグ用空気等の固体、液体又は気体を収納す
るアルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム又はアルミニウム合金（以
下、本発明においてアルミニウム合金というときは純ア
ルミニウムも含む）は軽量で熱伝導性がよいことから、
ビール缶等の食品及び飲料用缶、ガソリンタンク等の工
業缶並びにエアバッグをはじめとする種々の容器材に使
用されている。

【０００３】これらの容器は、本体と蓋とを夫々個別に
成形加工し、本体内に内容物を収納した後、かしめ又は
アーク溶接等の溶融溶接方法により、蓋を本体に接合し
ている。

【０００４】また、近時、アーク溶接に替わり、熱集中
性がアーク溶接よりも優れたレーザ溶接が接合方法とし
て提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術には、以下に示す欠点がある。即ち、アルミニ
ウム合金を溶融させるには大出力が必要であり、このよ
うな大出力のもとでは、熱集中性が優れたレーザ溶接と
いえども、アーク溶接と同様に熱影響が大きくなる。ま
た、溶接部裏面の温度が高温化するため、内部の収容物
に悪影響を与えることが多い。例えば、容器内部に熱に
より変質しやすい物質が収納された場合には、溶接部裏
面の温度が過度に上昇すると共に、燃焼が生じたり、変
色が発生したりする。このように、封缶作業時の熱によ
り、内部に収納した食品等が変質したり、エアーバッグ
のインフレータのように内部に火薬を封入したような容
器の場合には、作業に危険が伴うという欠点がある。

【０００６】このような溶接時の熱による不都合を回避
するために、レーザ出力を低下させたり、溶接速度を向
上させる等の方法により、実質的な溶接入熱を減少させ
ることが考えられる。しかし、低出力では溶込が減少
し、溶接部の強度を確保することができなかった。

【０００７】また、溶接熱による影響が大きいため、溶
接熱影響部、即ち母材における溶接金属に隣接した部分
の強度が低下し、容器全体の耐圧強度が不足する。

【０００８】このような強度の不足を解消するために、
板厚を厚くすることが考えられるが、そうすると、素材
の使用量が増大するため、製造コストが上昇すると共
に、重量が増大するという欠点がある。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、蓋部材と容器本体との溶接接合に際し、容
器内部温度の上昇が少なく、溶接熱による熱軟化現象が
少ないと共に、溶接後に溶接熱影響部の強度低下が抑制
されたアルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造
方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム又はアルミニウム合金製容器の製造方法は、アルミニ
ウム又はアルミニウム合金からなる容器本体と、蓋部材
とを、拘束治具により固定し、レーザビーム溶接により
接合するアルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製
造方法において、前記レーザビームの径に基づいて決ま
る大きさの孔を有する遮蔽板を被溶接部から離隔させて
配置し、前記孔を介してレーザビームを前記溶接部に照
射することにより、前記被溶接部をレーザビーム溶接す
ることを特徴とする。

【００１１】前記レーザビームの出力は被溶接部におい
て２０００Ｗ以上であることが好ましい。また、前記レ
ーザビームの断面が円形である場合は、前記孔の大きさ
は前記レーザビームの径の２倍であることが好ましい。
一方、前記レーザビームが溶接線に沿う方向を長軸とす
る楕円状の断面を有する場合は、前記孔は前記溶接線に
直交する方向の幅が前記レーザビームの短軸直径の２倍
であることが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明においては、遮蔽板を被溶接部の近傍に
配置し、この遮蔽板に設けた孔を介してレーザビームを
被溶接部に照射する。この孔径は例えばビーム径の２倍
である。レーザビームの発生源から照射されたレーザビ
ームは被溶接部に導かれる間に収束され、被溶接部に照
射されてプラズマを生起し、被溶接部を溶融する。この
レーザビームはその強度がガウス分布を有しており、ビ
ーム径とは通常照射中心部から強度が１／ｅになる位置
までの距離をいい、本発明においても、ビーム径はこの
定義に従う。但し、ｅは対数定数であり、ビーム径とは
被溶接材表面におけるものである。このように定義され
るビーム径の例えば２倍を超える部分に存在するレーザ
エネルギは、溶接母材の溶融には小さすぎ、母材の溶融
には寄与しない。しかし、このような周辺部に存在する
レーザエネルギにより生起されるプラズマは溶接母材の
加熱には充分なエネルギを有している。即ち、この周辺
部のレーザビームが溶接母材を加熱することが母材裏面
を昇温させてしまう。

【００１３】しかし、本発明においては、ビーム径に基
づいて決まる大きさの孔を有する遮蔽板を使用して、ビ
ーム周辺部のレーザエネルギを遮断する。そうすると、
母材であるアルミニウム合金の溶融に寄与せず、この母
材の溶融部近傍の加熱にのみ費やされるビーム周辺部の
プラズマの発生が抑制され、母材における余分な加熱領
域が少なくなる。このため板厚方向の熱伝導が抑制され
て溶融部裏面の温度上昇を低減することができる。

【００１４】また、溶接時の出力を被溶接部において２
０００Ｗ以上とすることにより、アルミニウム合金の溶
融に十分な出力が与えられる。また、前記遮蔽板の前記
孔の大きさはレーザビーム径の２倍の大きさにすること
が好ましい。通常、レーザビーム径の２倍の大きさの領
域が母材溶融に寄与するからである。

【００１５】一方、レーザビームは断面が円形のものを
使用することもあるが、溶接線に沿う方向に扁平状に延
びる楕円状のビームを使用することもある。即ち、遮蔽
板を溶接ビームガンに固定する場合は、方向性を有しな
い円形断面のレーザビームを使用するが、遮蔽板を被溶
接部に断熱的に固定する場合は、方向性を有する楕円状
断面のビームを使用することができる。この場合は、溶
接線に沿う方向を長軸とする楕円状のレーザビームを使
用し、前記孔としては、溶接線に直交する方向の幅が前
記レーザビームの短軸直径の２倍になるようにその大き
さを定めることが好ましい。レーザビームの長軸方向を
溶接線に沿う方向とすることにより、加熱が必要な領域
に効率的にレーザビームを照射することができ、加熱が
不要な領域へのレーザビームの広がりを抑制することが
できる。更に、本発明においては、この溶接線に直交す
る方向において、レーザビームの短軸直径の２倍を超え
る領域は、遮蔽板により遮蔽されるので、加熱が不要で
あって、余分な加熱が被溶接材の裏面の温度上昇をもた
らすような領域についてレーザビームが照射されること
が防止される。なお、レーザビームが楕円状の断面を有
する場合に、前記孔はその溶接線に直交する方向の幅が
ビーム短軸直径の２倍であることが好ましいが、このよ
うな孔としては、前記短軸直径の２倍の直径の円孔であ
ってもよいし、例えば、短軸直径が前記ビーム短軸直径
の２倍である楕円状の孔であってもよい。

【００１６】以上のように、本発明はレーザビームによ
り加熱される領域を被溶接材の溶融に必要な領域にのみ
制限することを主旨とし、このため、遮蔽板によりビー
ム周辺部を遮蔽してこのビーム周辺部が被溶接材に照射
されることを防止するものである。このような主旨のも
とに、遮蔽板の孔の形状については、スリット状等、種
々のものを適用でき、円形又は楕円形に限定されないこ
とは勿論である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について比較例と比較
して説明する。図１は本発明の実施例に係るレーザビー
ム溶接方法を示す断面図、図３は従来のレーザビーム溶
接方法を示す図である。図３に示すように、従来のレー
ザ溶接においては、被溶接材１をその端縁を突き合わせ
て配置し、その被溶接部の裏面にバックバー（裏当材）
２を配置する。そして、鋼板又は銅板等の材料で製造し
たクランプ治具３により、被溶接材１を強固に拘束して
溶接時の熱により被溶接材１が変形することを防止す
る。このように、被溶接材１及びバックバー２を配置し
た後、レーザビーム４を被溶接部に照射して溶接する。
クランプ治具３により被溶接材１を固定しているので、
溶接熱により角変形及び座屈変形することが防止され
る。また、クランプ治具３は被溶接部の熱をクランプ治
具３に逃がして被溶接部の過熱を抑制する作用も有す
る。

【００１８】本願発明者等はこのような従来のレーザビ
ーム溶接方法において、溶接条件を種々変更してレーザ
ビーム溶接における容器内部の温度上昇を防止できる条
件を試験した。しかし、クランプ治具３を介して被溶接
部表面の熱が裏面に伝達され、被溶接部裏面の高温化を
防止できなかった。また、被溶接部裏面に供給するシー
ルドガスの種類をＡｒ−Ｈｅ混合ガスとしてその組成を
Ｈｅ濃度を０〜１００％の間で変化させてみたが、被溶
接部裏面の温度を顕著に低下させるまでには至らなかっ
た。

【００１９】本願発明者等はこのようなレーザビーム溶
接方法において、単なる溶接条件の変更では容器内部の
温度上昇を抑制することはできず、溶接態様自体を根本
的に変更する必要があるとの観点に立ち、溶接部裏面へ
の熱伝達の機構を鋭意研究した結果、レーザビームによ
り加熱された被溶接部の表面から裏面へ直接伝達される
熱の量は限定されたものであり、むしろ溶融部上方に形
成されたプラズマにより直接母材が加熱され、その熱が
裏面に伝達されて裏面の温度が上昇することを知見し
た。

【００２０】また、本願発明者等は、レーザビームの出
力密度分布はガウス分布になっており、中心部分は高出
力密度であるが、ビームの周辺部は低出力密度となって
いて、の周辺部の低出力密度部分は母材の溶融には寄与
せず、そのエネルギはむしろ溶融部上方のプラズマの発
生にのみ使用されていることを知見した。

【００２１】本願発明はこれらの知見に基づき、溶融部
上方に形成されるプラズマの発生を抑制すれば溶融部裏
面の温度上昇を抑制できるとの観点に立って完成された
ものである。

【００２２】このため、本発明の実施例においては、図
１に示すように、被溶接材１の被溶接部の上方に遮蔽部
材５を配置する。この遮蔽部材５はレーザビーム径の２
倍の大きさの孔６を有する。また、遮蔽部材５は被溶接
材１、バックバー２及びクランプ治具３から離隔し、熱
的に分離された状態で配置されている。

【００２３】このように構成された本実施例方法におい
ては、レーザビーム４を遮蔽部材５の上方から被溶接材
１の被溶接部に向けて孔６を介して照射する。そうする
と、このレーザビーム４はそのビーム周辺部の部分が被
溶接部の上方にて遮蔽部材５により遮断され、ビーム中
心部のみが被溶接材１に照射され、被溶接材１の突き合
わせ部に溶融部が形成される。このように、ビーム周辺
部のエネルギを遮断することにより、溶融部の上方にプ
ラズマが形成されることが抑制され、この溶融部上方の
プラズマにより、被溶接材１の裏面に熱が伝達されて被
溶接材１の裏面の温度が上昇することが抑制される。

【００２４】なお、遮蔽部材５の材質には特に制約はな
いが、熱伝達がよい金属材料、特に、アルミニウム、ア
ルミニウム合金、銅又は銅合金を使用することが好まし
い。また、長時間使用する場合には、この遮蔽部材５の
内部に冷却水の通路を設け、遮蔽部材５を冷却すること
が好ましい。

【００２５】図２は本発明の他の実施例を示す模式図で
ある。図２に示すように、容器本体１０に蓋部材１１を
被冠し、容器本体１０の上端開口部に設けたフランジ部
１２と、蓋部材１１の周辺部に設けたフランジ部１３と
の重ね合わせ部ををレーザビーム１５により溶接する。
この場合に、この被溶接部からその側方に若干離隔した
位置に、ビーム径の２倍の大きさの孔１６を有する遮蔽
部材１４を垂直にして配置する。そして、レーザビーム
１５を孔１６を介して被溶接部に照射する。これによ
り、溶接熱が容器内部に伝達されることが防止される。
本実施例の容器は、例えば、直径が２５０ｍｍ、高さが
１５０ｍｍである。

【００２６】次に、本発明の効果を実証するために行っ
た試験の結果について比較例と比較して説明する。先
ず、図１に示す方法により容器を製造した。被溶接材１
としての容器本体及び蓋部材はＪＩＳＨ４０００にて規
定されるＡ５０５２−Ｈ３４合金であり、厚さは２ｍｍ
である。容器本体は高さ２００ｍｍ、縦横各１５０ｍｍ
の寸法を有し、蓋部材の周辺と本体の境界線をレーザ溶
接することにより一体化した。この場合、レーザビーム
は蓋部材の上方から下方に向けて照射され、この照射位
置の直上部に中心部を開口して孔５を形成した遮蔽部材
５を配置した。

【００２７】溶接は定格出力５ｋＷの炭酸ガスレーザ溶
接装置を使用した。溶接条件は照射面でのレーザ出力を
１０００〜４５００Ｗの間で変化させ、溶接速度は３ｍ
／分で一定とし、シールドガスは被溶接部の表面及び裏
面の双方についてアルゴンガスを使用した。

【００２８】下記表１はレーザ出力と溶接部の状況を示
す。この表１から明らかなように、照射面でのレーザ出
力が２０００Ｗ以上で表面の溶融が生じていることがわ
かる。

【００２９】

【表１】

【００３０】また、照射面でのレーザ出力を４０００Ｗ
とした場合の容器内面の温度上昇を容器の内部に熱電対
を配置して測定した。その結果、下記表２に示すように
溶接時に遮蔽部材を使用することによりその温度上昇が
９０℃以下になっており、遮蔽部材なしの１２０℃以上
と比べてかなり低下することがわかる。

【００３１】

【表２】

【００３２】また、実施例１１乃至１６の方法により製
造したアルミニウム合金製容器は溶接熱影響部の熱軟化
が少ないため、溶接部の硬さ分布は母材がＨＶ７０であ
るのに対し、溶接金属部及び母材溶接熱影響部はいずれ
もＨＶ６７〜６８と母材の非熱影響部に対して硬度の低
下が少なく、溶接全体の強度として十分であった。な
お、比較例１７〜２３においては溶接熱影響部の硬さが
ＨＶ５６〜６０であり、母材の非熱影響部よりも硬度が
大きく低下していた。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればア
ルミニウム又はアルミニウム合金製の容器をレーザ溶接
で製造する際に、容器内部の温度上昇を著しく低減する
ことができ、容器内部に熱に弱い物質が収納されていて
もその変質及び劣化を防止することができ、また、危険
物が収納されていてもその暴発等を防止することができ
る。このように、本発明は、この種の容器製造技術の向
上に多大の貢献をなす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例方法を示す図である。

【図２】本発明の他の実施例方法を示す図である。

【図３】従来のレーザ溶接方法を示す図である。

【符号の説明】

１：被溶接材 ２：バックバー ３：クランプ治具 ４、１５：レーザビーム ５、１４：遮蔽部材 ６：孔 １０：容器本体 １１：蓋部材 １２、１３：フランジ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム又はアルミニウム合金から
   なる容器本体と、蓋部材とを、拘束治具により相互に固
   定し、レーザビーム溶接により接合するアルミニウム又
   はアルミニウム合金製容器の製造方法において、前記レ
   ーザビームの径に基づいて決まる大きさの孔を有する遮
   蔽板を被溶接部から離隔させて配置し、前記孔を介して
   レーザビームを前記溶接部に照射することにより、前記
   被溶接部をレーザビーム溶接することを特徴とするアル
   ミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方法。
2. 【請求項２】 前記レーザビームの出力は被溶接部にお
   いて２０００Ｗ以上であることを特徴とする請求項１に
   記載のアルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造
   方法。
3. 【請求項３】 前記孔の大きさは前記レーザビームの径
   の２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   アルミニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方法。
4. 【請求項４】 前記レーザビームは溶接線に沿う方向を
   長軸とする楕円状の断面を有し、前記孔は前記溶接線に
   直交する方向の幅が前記レーザビームの短軸直径の２倍
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミ
   ニウム又はアルミニウム合金製容器の製造方法。