JP2009248184A - 溶接継手及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストや工程を増やすことなく溶接ビード中にブローホールの残留を抑えた溶接継手及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１部材１と第２部材２の重合部が溶接された溶接継手１０において、溶融幅Ｗ３が上記第１部材または上記第２部材の重合部における板幅Ｗ１より大きいことを特徴とするものである。また、重合された第１部材と第２部材を溶接するときに、溶融幅を上記第１部材または上記第２部材の重合部における板幅より大きくすることを特徴とする溶接継手の製造方法である。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばメッキ、塗膜などの表面処理層を有する板材等で、主成分よりも低沸点の成分を含む部材を重ね溶接する場合などに好ましく用いることができる溶接継手及びその製造方法に関するものである。

電子ビーム溶接やレーザ溶接などの非接触溶接によって、表面処理がなされた板材と、表面処理されていない板材を重ね溶接するときに、表面処理層の沸点が板材の沸点より低い場合、表面処理層の成分が気化する。溶融部では中心底部に向かって圧力がかかっており、気化した蒸気は、溶融部の中心付近で発生した場合は圧力によって中心底部に押し下げられ、溶融部の壁面に沿って上面へ押し上げられて排気され、壁面付近で発生した場合はそのまま壁面に沿って排気される。そのため、排気経路が長く、圧力の無くなる凝固時には、蒸気が上面まで押し出されずに溶融部の中に残ってブローホールとなり、溶接品質が低下する。このような低沸点材の蒸気による影響を低減するため、板材の重なり合わさる面に突起や溝を設け、上側部材と下側部材の間にできた間隙から蒸気を排気する方法が行われている（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−１６２３８８号公報（第２頁、図２）

しかしながら、突起や溝を設ける場合、間隙量が適正に管理できなければ、大きい場合は溶接不良となり、小さい場合は蒸気が排気されない。薄板の溶接などでこの間隙量の管理に高い精度が要求された場合、管理費増となるか、調整量が装置の限界性能を超えれば適用できないという問題点がある。また、突起を設けるためには曲げ加工などを、溝を設けるためには切削加工などを必要とし、工程追加により生産性が低下するという問題点があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、コストや工程を増やすことなくブローホールの残留を抑えた溶接継手及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

この発明に係る溶接継手は、第１部材と第２部材の重合部が溶接された溶接継手において、溶融幅（溶融ビードの幅）が上記第１部材及び上記第２部材の重合部における板幅より大きいことを特徴としている。
また、この発明に係る溶接継手の製造方法は、重合された第１部材と第２部材を溶接するときに、溶融幅を上記第１部材または上記第２部材の重合部における板幅より大きくすることを特徴としている。

この発明の溶接継手においては、溶融過程において幅方向に向かう蒸気は、溶融部を押し下げる圧力によって幅方向に拘束されることなく外気中に押し出されるように作用するので、得られた継手の溶接ビードはブローホールの残留が抑制されたものとなり、溶接品質及び信頼性が高い。また、コスト増も招くことがない。
また、この発明の溶接継手の製造方法においては、溶融幅を第１部材または第２部材の重合部における板幅より大きくしたことにより、溶融部に生じた蒸気が板幅方向に拘束されることなく外気中に押し出されるので排気効果が高められ、ブローホールの残留が抑制された溶接継手を得ることができる。また、コスト増や工程増を招くことがない。

実施の形態１．
図１及び図２は本発明の実施の形態１による溶接継手及びその製造方法を説明する図であり、図１（ａ）は溶接継手を模式的に示す上面図、（ｂ）は図１（ａ）の溶接継手を幅方向から見た断面図、図２は図１に示された溶接継手の溶接時における溶融部を長手方向から見た断面を模式的に説明する図である。図において、被溶接材である第１部材としての板材１と第２部材としての板材２は互いに突き合わせる向きで板厚方向に重合されている。板材１の表面及び裏面には、後述する表面処理層１ａが形成されており、該表面処理層１ａの沸点は板材１及び板材２の沸点よりも低い成分が含まれる。板材１の上面側には、非接触溶接による入熱Ｈが加えられ、溶融ビード３を形成して板材１及び板材２が溶接される。該入熱Ｈとしては、熱影響領域が小さい例えばレーザ溶接、プラズマアーク溶接、あるいは電子ビーム溶接などが好ましく用いられる。この発明による溶接継手１０の典型的な特徴部分は、図に示すように溶融ビード３の溶融幅Ｗ３が板材１、２の板幅Ｗ１、Ｗ２（この例では、Ｗ１＝Ｗ２）よりも大きくなるように構成されていることである。

入熱Ｈの照射スポット径は、板幅Ｗ１と比べて小さ過ぎると溶融幅Ｗ３を大きくし難いため、照射スポット径の直径は板幅Ｗ１の３０％程度以上であることが望ましい。また、入熱Ｈのエネルギが小さい場合は板幅Ｗ１以上まで溶かし込むことができず、逆にエネルギが大きい場合は溶融垂れや圧力過多による溶融部の吹き飛びが生じて品質が低下するため、板材１、２の材質、板幅、板厚、表面処理の方法、表面処理層１ａの厚み、照射スポット径などの条件によって、それぞれに適したエネルギが選定される。ここで、エネルギとは照射ピークパワーと照射時間の積であり、照射ピークパワーは溶け込み深さ方向に影響し易く、照射時間は溶融幅に影響し易いため、溶融幅Ｗ３を大きくするためには照射時間を長くすることは好ましい。特に入熱Ｈがレーザである場合、板材１の反射率が高いと必要エネルギが大きくなり、幅方向への溶融部の吹き飛びが生じ易くなるため、反射率は７５％程度未満とすることが望ましい。板材１の反射率が７５％程度より高い場合は、例えば反射率の低いメッキ処理を施して反射率を下げるとよい。

上記のように構成された溶接継手において、溶接過程においては、表面処理層１ａを構成する母材よりも低沸点の成分が溶融中に気化するが、図１（ａ）に示すように、溶融幅Ｗ３が板材１、２の重合部における板幅Ｗ１、Ｗ２よりも大きくなるようにしたことにより、溶融ビード３の幅方向（図１（ａ）の上下方向）の両側面が外気に触れる。溶融部内で圧力は、中心底部に向かってかかっており、幅方向の両側面から抜ける。そのため、図２に示すように、溶融部３１中に生じた蒸気４は幅方向（図２の左右方向）に対して拘束されることなく周囲の外気中に押し出されるため、排気効果が高められる。その結果、ブローホールの発生が抑制される。なお、被溶接材である板材１、２の材質は特に限定されるものではなく、例えば、電子機器などにおける通電用の導体の場合は、銅や銅合金等が好ましく用いられるが、その場合、表面処理層１ａとしては、例えばコネクタを構成するための嵌合部（図示省略）の密着性を確保し、あるいははんだ濡れ性などを得るために、例えば錫、ニッケル、銀、金などのメッキ処理が施されることが多い。

この内、錫などは被溶接材の母材よりも低沸点であるため、照射部や重ね合わせ面のメッキが溶融して溶融部３１に攪拌されるので、従来法では溶融部３１中に気化してブローホールの原因となる。また、メッキ中に残存するメッキ浴中成分や光沢剤などの表面処理剤も溶融中に巻き込まれてブローホールの原因となるが、上記のような実施の形態１においては排気の改善効果により、ブローホールが抑制される。さらに、被溶接材が銅合金の場合、組成に主成分より低沸点の成分が含まれると、溶接時にこの低沸点の成分が気化するが、この蒸気に対しても同様の排気の改善効果がある。特に、被溶接材である板材１、２が電子機器などの導体として使用され通電される電流に対して断面積が小さい場合、蒸気発生によるブローホールが電気抵抗を増大させ、電子機器の効率低下や、溶接部の発熱による電子機器内部の温度上昇を招き、電子部品の信頼性を低下させる恐れがあったが、本発明はこのような電子機器内部の導電体である部材の溶接に対して顕著な効果が得られ信頼性や耐久性が向上され、省エネルギにも寄与する。

また、板材１、２が建築材、家電の構造材、自動車材などの場合は、鋼板が多く使用される。この場合、表面処理層１ａには、防食性を得るために亜鉛メッキなどが施される。亜鉛は鋼よりも著しく沸点が低いためブローホールの原因となり易いが、本実施の形態１の発明を適用することにより、溶融過程において発生する蒸気の排気の改善効果がある。なお、入熱回数を数回に分けて溶融幅Ｗ３を形成すると、溶融幅Ｗ３が板幅Ｗ１（Ｗ２）より小さい内は蒸気が排気され難くなるため、各溶接箇所につき入熱回数は１回であることが望ましい。また、複数回入熱する場合でも、１回の入熱で溶融幅Ｗ３が板幅Ｗ１より大きくなることが望ましい。なお、表面処理層１ａは、一方の板材１に設けられている場合について例示したが、板材２の側に施され、あるいは板材１と板材２の両方に施されていても同様の排気効果がある。

上記のように実施の形態１によれば、重合された第１部材であるメッキ処理が施された表面処理層１ａを有する板材１と第２部材である板材２が溶接された溶接継手において、溶融幅Ｗ３が板材１の板幅Ｗ１及び板材２の板幅Ｗ２より大きくなるように構成されていることにより、溶接過程における溶融部３１が外気と接する面が増えるため、表面処理層１ａに由来する低沸点成分による蒸気の排気効果が高められ、ブローホールが抑制された欠陥のない継手であるという効果がある。また、被溶接材に施された表面処理層１ａがメッキのような金属皮膜である場合のみならず、塗膜などの非金属皮膜の場合にも排気効果があり、特に重ね合わせ面に表面処理された成分の蒸気に対しても排気効果が得られる。
また、実施の形態１の溶接継手の製造方法によれば、溶接過程において、板材１の板幅Ｗ１及び板材２の板幅Ｗ２より溶融幅Ｗ３を大きくするようにしたので、溶融部３１が外気と接する面積が増えるため、特に表面処理層１ａに由来する低沸点成分による蒸気４の排気効果が高められ、ブローホールが抑制された欠陥のない溶接継手が得られるという効果がある。また、得られた溶接継手１０の耐久性、信頼性も向上され、ブローホールが抑制されることで歩留まりも向上する。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による溶接継手を模式的に説明する図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の溶接継手を幅方向から見た断面図である。なお、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示すものとし、重複する説明を省略する。この実施の形態２は被溶接材の板厚が薄い場合に溶融ビードが貫通ビードとなり、貫通時に貫通部から圧力が抜けるのを防ぐようにしたものである。図において、板材１、２の合計厚みＤは溶融深さＤ３より大きくなるように構成されている。

貫通ビードの場合は、貫通時に貫通部から圧力が抜けるため、側面付近に発生した蒸気は排気され難くなるが、貫通時に抜けた圧力と同時に貫通部から溶融物が吐き出され易くなり、吐き出された溶融物が他の場所に付着して品質を低下させる恐れがある。然しながら上記のように構成された実施の形態２においては、板材１、２の合計厚みＤを溶融深さＤ３より大きくして非貫通ビードとしたことにより、溶接終了時、即ち凝固前まで排気効果を得ることができる。少なくとも、上面から接合部の合わせ面までは板幅方向の側面部まで溶かし込むことによって、合わせ面の表面処理層の低沸点成分によるブローホールや爆飛などの影響を大幅に低減できるので、品質の低下を無くすことができる。
なお、溶融深さＤ３より溶融幅Ｗ３を小さくするようにしても良い。その場合には、溶融部の中心底部からの距離は、上面より側面の方が短くなるため、より排気効果を高めることができる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による溶接継手を模式的に説明する断面図である。図４に示すように、この実施の形態３は、板材１と板材２は突き合わせ方向のかかり代を小さく重合され、その重合部分の縁部１ｂ、２ａ相互も幅方向と共に溶接されてなるものである。図のように板材１と板材２の重合部分の縁部１ｂ、２ａを溶融すると、溶融部３１は長手方向（図の左右方向）の面も外気と接することができるため、溶融部３１の外気と接する面が幅方向に加えてさらに増えることとなり、排気効果を一層高めることができる。なお、板材１と板材２の両方の縁部相互が溶接されたものを例示したが、任意の一方の縁部を幅方向と跨って溶融するようにしても排気の改善効果が得られる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４による溶接継手を模式的に説明する図であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の溶接継手を幅方向から見た断面図である。図において、第１部材である板材１及び第２部材である板材２の重合部における板幅は、板厚の２倍程度未満となるようにそれぞれ複数の短冊状の歯部１１、２１を有する櫛歯状に分割形成され、その歯部１１、２１において、実施の形態１と同様に溶融幅Ｗ３が歯部１１、２１の幅Ｗ１１、Ｗ２１（この例ではＷ１１＝Ｗ２１）。ここでは該歯部の幅を板幅と看做す）より大きくなるように溶接されている。なお、被溶接材の重合部を櫛歯状に加工するには、所望の型を用いてプレス加工することにより容易に形成できる。また、例えば幅Ｗ１１（Ｗ２１）の異なる複数の型を用意しておくことで板材１、２の板幅や板厚等に応じて型を変更することで所望の溶接継手を得ることができる。

板厚と比べて板幅が大きい場合、エネルギを大きくすると幅方向の端部まで溶ける前に溶融部の吹き飛びなどが生じて品質が低下するため、板幅は板厚の２倍程度未満が望ましい。しかし、溶接継手の強度や熱伝導性あるいは導電性の確保のために、板厚の２倍程度以上の板幅を必要とする場合があるが、この実施の形態４はかかる要求にも応えることができるようにしたもので、図５に示すように、溶接部付近を櫛歯状に分割して形成し、各溶接部の板幅、即ち歯部１１、２１の幅Ｗ１１、Ｗ２１が板厚の２倍未満となるように形成されており、溶接時における溶融部の吹き飛び（爆飛）、ブローホールの発生が抑制される。
上記のように実施の形態４によれば、板材１と板材２の重合部における板幅が板厚の２倍程度未満となるように櫛歯状に形成し、溶融幅が歯部の幅より大きくなるように溶接されているので、溶接継手の強度や熱伝導性、あるいは導電性を保ちつつ排気効果を高めることができ、ブローホールのない品質の高い溶接継手を得ることができる。

なお、上記実施の形態１〜４では第１部材である板材１の板幅Ｗ１と、第２部材である板材２の板幅Ｗ２を等しくした場合について説明したが、必ずしも被溶接材相互の板幅は等しくなくても差し支えない。その場合でも、板幅よりも溶融幅を大きくすることにより同様の効果が期待できる。また、重合する被溶接材の少なくとも一方に母材よりも低沸点の成分を有する被溶接材を用いたときに特に効果が大きいが、そのような低沸点の成分を含まない被溶接材を用いた溶接継手にも適用できる。さらに、第１部材と第２部材の２つの部材を溶接する場合について例示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば３枚以上の板材を溶接することもできる。

本発明の実施の形態１による溶接継手を模式的に説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は幅方向から見た断面図である。 図１に示された溶接継手の溶接時における溶融部を長手方向から見た断面を模式的に説明する図である。 本発明の実施の形態２による溶接継手を模式的に説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は図３（ａ）の溶接継手を幅方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態３による溶接継手を模式的に説明する断面図である。 本発明の実施の形態４による溶接継手を模式的に説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は図５（ａ）の溶接継手を幅方向から見た断面図である。

符号の説明

１ 板材（第１部材）、 １ａ 表面処理層、 １ｂ 縁部、 ２ 板材（第２部材）、 ２ａ 縁部、 １１、２１ 歯部、 ３ 溶融ビード、 ３１ 溶融部、 ４ 蒸気、 １０ 溶接継手、 Ｄ 板材１、２の合計厚み、 Ｄ３ 溶融深さ、 Ｗ１ 板材１の板幅、 Ｗ２ 板材２の板幅、 Ｗ１１ 歯部１１の幅、 Ｗ２１ 歯部２１の幅、 Ｗ３ 溶融ビード３の溶融幅、 Ｈ 入熱。

Claims (9)

1. 第１部材と第２部材の重合部が溶接された溶接継手において、溶融幅が上記第１部材または上記第２部材の重合部における板幅より大きいことを特徴とする溶接継手。
2. 上記溶融幅が、溶融深さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の溶接継手。
3. 溶融深さが、上記第１部材と上記第２部材の板厚の合計寸法より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接継手。
4. 上記第１部材及び第２部材の溶接部における板幅を板厚の２倍程度未満としたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の溶接継手。
5. 上記第１部材及び上記第２部材の重合部がそれぞれ櫛歯状に形成され、その歯部相互が溶接されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の溶接継手。
6. 上記第１部材または上記第２部材における重合部分の縁部が溶接されていることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の溶接継手。
7. 上記第１部材及び第２部材の少なくとも一方は母材よりも沸点が低い材料を含む表面処理層が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の溶接継手。
8. 重合された第１部材と第２部材を溶接するときに、溶融幅を上記第１部材または上記第２部材の重合部における板幅より大きくすることを特徴とする溶接継手の製造方法。
9. 非接触溶接による１回の入熱で溶接することを特徴とする請求項８に記載の溶接継手の製造方法。

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