JP2007038269A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に適正な板間隙間を管理することができ、精度のよいレーザ重ね溶接を行うことのできるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ重ね溶接を行う２枚の板材１、２のうちの第１の板材２の板面に一定の段差３を設け、その板材２の段差３のある板面に第２の板材１を前記段差３を跨ぐように重ね合わせて加圧し、前記第１の板材２の段差３の近傍の低い方の段側の板面とその上に重ねた第２の板材１との間に三角形の隙間４ができる領域に対してレーザビーム１０を照射してレーザ重ね溶接を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば亜鉛めっき鋼板などの表面処理材と他の板材をレーザ重ね溶接する場合のレーザ溶接方法に関するものである。

レーザ重ね溶接を用いて亜鉛めっき鋼板などの表面処理材を接合する場合、板材間に隙間が無いと、レーザの熱により気化した亜鉛めっきガスが逃げ場を失い、溶接部にポロシティと呼ばれる気泡や穴空きが発生するという問題がある。また、板材間の隙間が一定以上に大きい場合は、アンダーカット（板間の隙間があきすぎているために起こる上板の溶け落ちのことで、表面に溝状の欠陥ができる現象）が発生するという問題がある。

これを防ぐため、特許文献１に記載の技術では、板材間に適正な隙間（板厚１ｍｍ程度で０．０５〜０．３ｍｍ）を確保するために、片方の板材に突起部を形成し、板材を重ね合わせた状態で突起部の近傍を加圧しながら、加圧による面接触部と突起部との間の領域にレーザビームを照射して溶接するようにしている。
特開２００１−１６２３８８号公報

しかし、特許文献１に記載の溶接方法は、加圧による面接触部、突起部、および溶接部の相互位置関係と突起部の高さに応じて前記の隙間が定まる構造になっているため、突起部の高さ、溶接位置及び加圧力などを精度よく管理する必要があり、作業が面倒であった。

そこで本発明は、上記した事情を考慮し、簡単に適正な板間隙間を管理することができ、精度の良いレーザ重ね溶接を行うことのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ重ね溶接を行う２枚の板材のうちの第１の板材の板面に一定の段差を設け、その板材の段差のある板面に第２の板材を前記段差を跨ぐように重ね合わせて加圧し、前記第１の板材の段差の近傍の低い方の段側の板面とその上に重ねた第２の板材との間に三角形の隙間ができる領域に対してレーザビームを照射してレーザ重ね溶接を行うことを特徴とする。

本発明によれば、第１の板材の段差の上に第２の板材を重ねた際に三角形の隙間ができる領域に対してレーザビームを照射しレーザ重ね溶接を行うので、レーザ溶接により蒸発したガスをその隙間を通して逃がすことができ、それによりポロシティ（めっき金属ガス等が溶接ビード中に閉じ込められてできる気泡）などの穴空きの発生を防止でき、溶接速度を上げることができる。また、一方の板材に設けた段差によって前述の三角形の隙間を確保するので、第２の板材を重ねた状態で単純に加圧しさえすれば、簡単に精度の高い一定の隙間を確保することができる。従って、溶接位置や加圧力の管理の面倒を軽減しつつ溶接品質の向上が図れる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「第１の実施の形態」
図１は第１の実施の形態のレーザ溶接方法の説明図であり、（ａ）は２枚の板材を単に重ね合わせた状態、（ｂ）は矯正治具により加圧した状態をそれぞれ示す断面図である。図２は矯正治具により加圧した状態でレーザ重ね溶接する場合の各部の寸法関係を示す断面図である。

図１において、符号１、２で示すものは、レーザ重ね溶接を行うための２枚の板材であり、第１の板材である下板２は、上板１を重ねる方の板面に段差３を有し、第２の板材である上板１は厚さが均等になっている。

下板２としては、厚板２ａと薄板２ｂ（厚さの異なる２枚の板材）を一体に接合することで、接合部に板厚差による段差３を設けたテーラードブランクからなる差厚鋼板を用いる。テーラードブランクとは、溶接により複数の鋼板を目的に合わせて仕立てたプレス用ブランクであり、これを利用することにより、１枚の素材の特性を部分的に変えることができる。例えば、厚さや組成を変える（異なる材質の板同士を接合するなどして組成を変える）ことができる。

上板１と下板２をレーザ重ね溶接するに当たっては、まず、図１（ａ）に示すように、下板２の段差３のある板面上に、上板１を、段差３を跨ぐように重ね合わせる。この図の例では、上板１の端部１ｔ側を厚板２ａの上に載せる。

次に、図１（ｂ）に示すように、上板１の上から矯正治具５、６を用いて荷重を加え、上板１と下板２とが密着するようにする。その場合の加圧ポイントは、下板２の高い方の段側（厚板２ａ側）に対しては段差３の近傍に設定し、低い方の段側（薄板２ｂ側）に対しては段差３から少し離れた位置に設定する。そして、両加圧ポイントにおいて上板１と下板２の板面同士を面接触させる。

そして、その状態で、下板２の段差３の近傍の低い方の段側の板面（薄板２ｂの上面）と、その上に重ねた上板１との間に三角形の隙間４ができる領域に対してレーザビーム１０を照射してレーザ重ね溶接を行う。レーザビーム１０の移動方向は、段差３の延在する方向（紙面に対して直交する方向）である。レーザビーム１０の照射部と矯正治具５、６は一体にヘッドに搭載されているので、レーザビーム１０の移動に伴って矯正治具５、６も同じように動く。

この場合、レーザビーム１０を照射することのできるポイントは、薄板２ｂに対する加圧ポイントと段差３との間における適正な隙間４を確保できる領域である。

図２を用いて具体的に説明する。

段差３のある位置から薄板２ｂに対する加圧ポイントまでの距離をＬ１、段差３の高さをＴ１とすると、上板１と下板２の間にできる隙間４を直角三角形と考えた場合、Ｌ１、Ｔ１の値から、段差３からの距離Ｌ２とその位置での隙間４の高さＴ２の関係を割り出すことができる。

例えば、下板２を構成している厚板２ａと薄板２ｂの板厚差（段差３）Ｔ１を０．３ｍｍとし、低い方の段側に対する矯正位置（薄板２ｂに対する加圧ポイント）を段差３のある部分から３０ｍｍ（＝Ｌ１）のところとすると、矯正治具５及び６で上板１の上から荷重をかけることにより、段差３の位置から１５ｍｍ（＝Ｌ２）のところでも、隙間４の高さＴ２は０．１５ｍｍ程度となる。また、Ｌ２＝２５ｍｍのところでも、Ｔ２＝０．０５ｍｍとなる。隙間の最小許容値は０．０５ｍｍ程度なので、ほぼＬ２＝２５ｍｍの位置までが溶接許容範囲となる。ただし、この場合の溶接許容範囲は、板材間の隙間４が、ポロシティができない程度に空いており、且つ、アンダーカットが起こらない程度に狭い、という２つの条件を満たす範囲に設定する必要がある。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の板材である下板２の段差３の上に第２の板材である上板１を重ねた際に三角形の隙間４ができる領域に対してレーザビーム１０を照射してレーザ重ね溶接を行うので、レーザ溶接により蒸発したガスをその隙間４を通して逃がすことができ、それによりポロシティ（めっき金属ガス等が溶接ビード中に閉じ込められてできる気泡）などの穴空きの発生を防止でき、溶接速度を上げることができる。また、下板２に設けた段差３によって前述の三角形の隙間４を確保するので、上板１を重ねた状態で単純に矯正治具５、６で加圧しさえすれば、簡単に精度の高い一定の隙間４を確保することができる。従って、溶接位置や加圧力の管理の面倒を軽減しつつ溶接品質の向上が図れる。

また、本実施の形態によれば、三角形の隙間４を作るための前記段差３が、異なる板厚の２枚の板材２ａ、２ｂを接合した際の板厚の差によって形成されているので、プレスで成形したエンボス等による段差よりも、長手方向（溶接方向）において精度の高い一定の隙間を確保することができ、溶接精度を上げることができる。

また、幅方向（溶接方向と直交する方向）においても、テーラードブランク等の工法上、高い精度の隙間を確保できるため、溶接ねらい位置が決めやすくなると共に、溶接不良が発生しにくくなり、連続溶接もしやすくなる。また、テーラードブランクを使用した場合、それ自体が軽量化に寄与するものであるため、溶接後の製品において軽量化や最適な板厚配分に貢献できる上、薄板部分で溶接するため、溶接速度を上げることができる。

また、本実施の形態によれば、第１の板材（下板２）の高い方の段側（厚板２ａ）と低い方の段側（薄板２ｂ）にそれぞれ加圧ポイントを設定し、第２の板材（上板１）の上から矯正治具５、６で加圧して、各加圧ポイントで両板材（上板１と下板２）の板面同士を面接触させるので、板材（上板１と下板２）間に形成される三角形の隙間４を高い寸法精度で形成することができる。従って、隙間４の確保の精度の向上に伴い、隙間４の幅方向における溶接ねらい位置の許容範囲を広げることができる。

なお、図６に示すように、上板１０１と下板１０２間に適正な隙間を確保するために上板１０１に突起部１０３を形成し、その突起部１０３の近傍を加圧（押圧力１０５を加える）しながら加圧による面接触部と突起部１０３との間の領域δにレーザビーム１０を照射して溶接する方法もある。しかしながら、この方法を採用した場合は、図７に示すように、板位置ずれ、突起部成形精度ずれ、レーザ溶接位置ずれなどの如き誤差要因に応じて、レーザー溶接位置での適正な隙間量（Ｈ）が変化してしまう。また、図８に示すように、突起部１０３の高さｈ３の誤差によっても、前記隙間Ｈが変化してしまう。

このように、上板１０１に突起部１０３を設けた方法では、突起部の高さ、溶接位置及び加圧力などを精度良く管理しなければならないが、本実施の形態のようにテーラードブランクを使用することで、これらの問題を解決することができる。

「第２の実施の形態」
なお、上記実施形態では、上板１の端部１ｔを厚板２ａの上に載せる場合を示したが、図３の第２の実施の形態に示すように、上板１の端部１ｔを薄板２ｂの上に載せる場合にも全く同様に本発明を適用できる。

「第３の実施の形態」
次に車両構成部材であるドア開口部の下側のシル部に本発明を適用した実施の形態を図４を参照ながら説明する。

図４（ａ）に示すように、シル部の断面は、シルスポイラーが付くタイプでは、車体の側面部に接合面を設けて、シルスポイラー（シル部に付くエアロパーツ）２３によって溶接面を隠す構造を採っている。

この構造の中で、ボディサイドアウタ２１とレインフォース・シル・アウタ２２との溶接部に本発明を適用する場合、図４（ｂ）のような構造となる。

本部位は、ボディサイドアウタ２１とレインフォース・シル・アウタ２２の両部材ともＧＡ材（合金化溶融亜鉛めっき鋼板：亜鉛めっきを鋼板表面にコーティングしたもの）を使用しており、レーザ溶接する場合にはポロシティが発生する可能性が著しく高いが、本発明を適用することにより、ポロシティの発生がなく、レーザ溶接を行うことができる。

シル部の構造としては、前面衝突部材として、特に外側（スポイラー側）の部材であるレインフォース・シル・アウタ２２の板厚をアップさせる方向であるが、その上部のボディサイドアウタ２１とラップした部分では、板厚を薄くすることができる。そこで、そのレインフォース・シル・アウタ２２に、下側の部分が厚板２２ａで構成され、上側の部分が薄板２２ｂで構成されたテーラードブランクを使っている。これにより、溶接部に本発明の段差３を設けることができると共に、効率的な板厚配分が実現可能となり、軽量化にも貢献できる。

即ち、レインフォース・シル・アウタ２２が下板２（図１参照）、ボディサイドアウタ２１が上板１（図１参照）に相当し、レインフォース・シル・アウタ２２の厚板２２ａと薄板２２ｂの板厚差による段差３を利用して隙間４を確保し、矯正治具５、６を用いて加圧しながら、レーザビーム１０の照射により溶接を行っている。

「第４の実施の形態」
図５は他の車両用メンバー類のフランジ部に適用した実施の形態を示している。

図において、３１は第２の板材（上板１に相当）、３２は第１の板材（下板２に相当）であり、フランジの溶接部に本発明が適用されている。ここでは、第１の板材３２が、厚板３２ａと薄板３２ｂによるテーラードブランクにより構成されており、板厚差による段差３を利用して三角形の隙間４が形成されており、その隙間４の領域においてレーザ溶接が行われている。

これらの第２、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と全く同様の効果を奏することができる。

本発明の第１の実施の形態のレーザ溶接方法の説明図であり、（ａ）は２枚の板材を単に重ね合わせた状態、（ｂ）は矯正治具により加圧した状態をそれぞれ示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態のレーザ溶接方法の説明図であり、矯正治具により加圧した状態でレーザ重ね溶接する場合の各部の寸法関係を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態のレーザ溶接方法の説明図である。 本発明の第３の実施の形態のレーザ溶接方法の説明図であり、（ａ）はシル部の断面図、（ｂ）はその要部拡大図である。 本発明の第３の実施の形態のレーザ溶接方法の説明に使用する断面図である。 一方の板に形成した突起部で２枚の板間に隙間を形成してレーザ溶接を行う比較例を示す断面図である。 レーザ溶接位置ずれなどが原因で適正隙間が変化した比較例の断面図である。 突起部の高さずれが原因で適正隙間が変化した比較例の断面図である。

符号の説明

１…上板（第２の板材）
２…下板（第１の板材）
３…段差
４…隙間
５，６…矯正治具
１０…レーザビーム
２ａ，２２ａ，３２ａ…厚板
２ｂ，２２ｂ，３２ｂ…薄板
２１…ボディサイドアウタ（第２の板材）
２２…レインフォース・シル・アウタ（第１の板材）
３１…第２の板材
３２…第１の板材

Claims (3)

1. レーザ重ね溶接を行う２枚の板材のうちの第１の板材の板面に一定の段差を設け、その板材の段差のある板面に第２の板材を前記段差を跨ぐように重ね合わせて加圧し、前記第１の板材の段差の近傍の低い方の段側の板面とその上に重ねた第２の板材との間に三角形の隙間ができる領域に対してレーザビームを照射してレーザ重ね溶接を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接方法であって、
   前記第１の板材として、異なる板厚の２枚の板材を一体に接合することで接合部に段差を有したテーラードブランクからなる差厚鋼板を用いる
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ溶接方法であって、
   前記２枚の板材を重ね合わせた状態で加圧する際に、前記第２の板材の上から矯正治具を用いて加圧し、その加圧ポイントを、前記第１の板材の高い方の段側に対しては前記段差の近傍に設定し、低い方の段側に対しては前記段差から少し離れた位置に設定し、両加圧ポイントにおいて両板材の板面同士を面接触させ、その状態で前記低い方の段側に対する加圧ポイントと前記段差との間の領域に対してレーザビームを照射してレーザ重ね溶接を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。

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