JP2018001191A - スポット溶接方法及び溶接製品 - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚の板状のワークの重ね合せ厚さが大きくなった場合でも、熱変形を抑制してスポット溶接を行うことができるスポット溶接方法及び溶接製品を提供する。【解決手段】複数枚の板状のワークを重ね合せて溶接を行うスポット溶接方法であって、下側のワークＷ１上に、小径貫通孔３Ａ，３Ｂを備えた上側ワークＷ２，ＵＷを重ね合せ、前記下側のワークＷ１の上面と前記上側ワークＷ２における前記小径貫通孔３Ａの内周面との接合部５付近に焦点位置を合せたレーザ光ＬＢを照射してスポット溶接を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、板状のワークを複数枚重ね合わせて、レーザ溶接によってスポット溶接を行うスポット溶接方法及びスポット溶接を行った溶接製品に関する。さらに詳細には、予め小径貫通孔を形成した複数枚の板状のワークを、下側のワーク上に重ね合わせた後、前記小径貫通孔内にレーザ光を斜めに照射し、このレーザ光の照射によるワークの溶融及び小径貫通孔内におけるレーザ光の反射光を利用して溶接を行うスポット溶接方法及び溶接製品に関する。

複数枚の板材をレーザ溶接する場合、溶接継手の形状によって、例えば板状のワークを突き合せて、この突き合せ部分のレーザ溶接を行う突合せ継手や、複数枚の板材を重ね合せて、上側のワークと下側のワークとをレーザ溶接する重ね継手などがある。上述の重ね継手の場合、スポット溶接が行われている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００７−２２２９３７号公報 特開昭５６−８０３８１号公報

前記特許文献１における図８には、小径の貫通孔を予め形成した上板を下板上に重ね合せる。そして、上板における貫通孔の上方位置に焦点位置を設定して、レーザ光を照射してスポット溶接を行うことが記載されている。また、特許文献１の図１には、例えば板厚が１ｍｍの場合に、直径が２〜２．５ｍｍ程度で、深さが０．２〜０．５ｍｍ程度の凹穴を予め形成した上板を下板に重ねてセットした後、前記凹穴の底面にレーザ光を照射してスポット溶接を行うことが記載されている。

また、前記特許文献２には、ステンレス鋼部材上に銅又は銅合金板を重ね、この銅板上にチタン薄板を重ねた部分にレーザビームを照射してスポット溶接を行うことが記載されている。

ところで、複数枚の金属板を重ね合せてスポット溶接を行う場合、例えば出力が４ｋＷのレーザ発振器から発振されたレーザビームを使用して鋼板のスポット溶接を行う場合、溶接深さは約６ｍｍ程度である。したがって、複数枚の板状のワークの重ね合せ厚さが６ｍｍ以上に厚くなると、スポット溶接が難しくなる。ここで、レーザ発振器の出力をより大きくして、より深い溶込みのスポット溶接を行うことも可能である。しかし、この場合、設備費が高価になる、という問題がある。

ところで、図１に示すように、下部の板状のワークＬＷ上に、貫通孔を形成していない複数枚のワークＷ１，Ｗ２を重ね合せる。そして、最上部のワークＵＷ側からレーザ光（図示省略）を照射してスポット溶接を行うと、ワークＵＷ，Ｗ２，Ｗ１，ＬＷを一体的に溶接するための深い溶込み部１が形成される。この場合、前記溶込み部１は、上側のワークＵＷから下側のワークＬＷに至る溶込みであるから、レーザ発振器の出力は、溶込み深さに対応して大きくなるものである。なお、レーザ出力が４ｋＷの場合には、前記溶込み部１の深さは約６ｍｍ位である。

前述のように、深い溶込み部１を形成すると、溶込み部１の容量が大きくなり、周囲の熱変形が大きくなる、という問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、複数枚の板状のワークを重ね合せて溶接を行うスポット溶接方法であって、下側のワーク上に、板厚と同径又は板厚以下の小径貫通孔を備えた上側ワークを重ね合せ、前記小径貫通孔より小径のレーザ光を、前記下側のワークの上面に照射して溶接を行うものである。

また、複数枚の板状のワークを重ね合せて溶接を行うスポット溶接方法であって、下側のワーク上に、板厚と同径又は板厚以下の小径貫通孔を備えた上側ワークを重ね合せ、前記下側のワークの上面と前記上側ワークにおける前記小径貫通孔の内周面との接合部付近に焦点位置を合せたレーザ光を照射して溶接を行うものである。

また、前記スポット溶接方法において、小径貫通孔を備えた複数枚の上側ワークを重ね合せ、前記小径貫通孔の軸心に対して傾斜した方向からレーザ光を照射して、小径貫通孔内におけるレーザ光の反射光を前記小径貫通孔の内周面に照射し、前記小径貫通孔の内周面を溶融して溶接を行うものである。

また、複数枚の板状のワークを重ねてスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
（ａ）下側のワーク上に重ね合せる複数枚の上側ワークに、上側ワークを重ねた場合の厚さ寸法と同径又は小径の貫通孔を各上側ワークに形成する工程、
（ｂ）前記下側ワーク上に、前記貫通孔を合せた状態に各上側ワークを重ねる工程、
（ｃ）前記下側のワークの上面に対して、前記貫通孔の軸心に対して傾斜した状態にレーザ光を照射する工程、
（ｄ）前記各上側ワークにおける貫通孔の内周面においてのレーザ光の反射光によって各貫通孔の内周面を溶融して溶接を行う工程、
の各工程を備えている。

また、前記スポット溶接方法において、前記レーザ光の焦点位置は、前記下側のワーク上面と、この下側のワーク上の上側ワークにおける貫通孔の内周面との接合部付近に合せてある。

また、前記スポット溶接方法において、下側のワークと最上部のワークとの間に重ね合わされるワークに、軽量化のための穴加工を予め行うものである。

また、複数枚の板状のワークを重ね合せてレーザ溶接を行うスポット溶接方法であって、スポット溶接点の周囲に円形状のごとき曲線にレーザ光を照射する際、ワークに蓄熱される熱量を抑制するために、溶接開始位置から溶接終了位置へ進行するに従って、段階的に又は連続的にレーザ光の出力を小さくするものである。

また、板状の下側ワーク上に板状の上側ワークを複数枚重ね合せて備えた溶接製品であって、前記下側ワークに複数枚の上側ワークをレーザ光によってスポット溶接した溶接部の径が、複数枚の上側ワークの重ね厚さと同径又は重ね厚さよりも小さいものである。

また、板状の下側ワーク上に板状の上側ワークを複数枚重ね合せて備えた溶接製品であって、各上側ワークに形成した各貫通孔の内部に溶融され凝固した金属を備えている。

また、前記溶接製品において、下側のワークと最上部のワークとの間に重ね合わされたワークに、軽量化のための穴を備えている。

本発明によれば、下側のワーク上に、小径貫通孔を備えた上側ワークを重ね合せ、下側のワークの上面と上側のワークにおける前記貫通孔の内周面との接合部付近にレーザ光を照射してスポット溶接を行うものである。したがって、入射エネルギーが小さく、かつ溶込み部の深さを小径貫通孔に対応した深さとすることができる。よって、複数枚の板状のワークのスポット溶接を、熱変形を少なくして行うことができるものである。

複数枚の板材を重ね合せて、予め小径貫通孔を形成しない状態でレーザ光を照射し、スポット溶接を行った場合の説明図である。 本発明の実施形態に係るスポット溶接方法の説明図である。 第２実施形態の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、図１に例示した構成要素と同一機能を奏する構成要素には、同一符号を付することとする。

図２（Ａ）を参照するに、下側の厚い板状のワークＬＷ上に下側から複数のワークＷ１，Ｗ２，ＵＷが重ね合せてある。重ね合せたワークＷ１，Ｗ２，ＵＷにおいては、下側のワーク程薄いワークに形成してある。そして、上側のワークＵＷ及びその下側のワークＷ２には、板厚以下の小径（約１ｍｍ）の貫通孔３Ａ，３Ｂが形成してあり、この貫通孔３Ａ，３Ｂは上下方向に整合してある。

上記構成において、貫通孔を備えていない下側のワークＷ１の上面と、このワークＷ１上のワークＷ２における前記貫通孔３Ａの内周面との接合部５付近、望ましくは下側のワークＷ１の上面に焦点位置を合せたレーザ光ＬＢを貫通孔３Ａ，３Ｂの軸心に対して傾斜した方向から照射する。

上述のように、ワークＷ１の上面にレーザ光ＬＢを照射すると、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱溶融される。そして、熱伝導によってレーザ光ＬＢの照射位置の周囲も溶融される。また、レーザ光ＬＢの一部は反射され、前記貫通穴３Ａ，３Ｂの内周面を照射する。したがって、貫通穴３Ａ，３Ｂの内周面が加熱溶融されることとなる。

上記レーザ光ＬＢのビーム径は、前記貫通孔３Ａ，３Ｂより小径である。したがって、レーザ光ＬＢは、貫通孔３Ａ，３Ｂ内に奥深く照射できるものである。

前述のように、ワークＷ２における貫通孔３ＡとワークＷ１の上面との接合部５付近、すなわち貫通孔３Ａの底部付近に焦点位置を設定してレーザ光ＬＢを、貫通孔３Ａの軸心に対して斜めに照射すると、レーザ光ＬＢが照射された部分の溶融が行われる。そして、ワークＷ２，ＵＷの貫通孔３Ａ，３Ｂにおける内周面に対して反射光が照射され、内周面においてレーザ光ＬＢの反射が繰り返されることになる。したがって、貫通孔３Ａ，３Ｂの内周面は、レーザ光ＬＢの反射光が照射されること、及びレーザ光ＬＢの照射によって溶融された部分からの熱伝導によって加熱溶融されることになる。

よって、前記貫通孔３Ａ，３Ｂの底部には溶融した金属が溜まることとなる。すなわち、熱伝導等によって、ワークＷ１の貫通孔３Ａに対応した部分が溶融され、下側のワークＬＷの上面付近の溶融が行われることになる。また、ワークＷ２，ＵＷの貫通孔３Ａ，３Ｂ内においてレーザ光ＬＢの反射が繰り返されること、及び貫通孔３Ａ，３Ｂ内に溜まった溶融金属からの熱伝導によって、ワークＷ２，ＵＷの貫通孔３Ａ，３Ｂ内面の溶融が行われることになる。

前述したように、ワークＷ２，ＵＷに板厚と同径又は板厚よりも小径の貫通孔３Ａ，３Ｂを予め形成し、この貫通孔３Ａ，３Ｂを重ねた状態において、貫通孔の底部付近に焦点位置を合せてスポット溶接を行うことにより、重ね合せたワークの重ね合せ厚さが大きい場合であっても、容易にスポット溶接を行うことができる。この場合、貫通孔の内周面を溶融するものであるから、溶融金属の容量を抑制でき、溶込み部１の径を、貫通孔を形成しない場合に比較して小径にできるものである。したがって、熱変形を抑制することができるものである。なお、スポット溶接終了後には、前記貫通孔３Ａ，３Ｂの内周面は溶融され、かつ凝固されるものである。したがって、前記貫通孔３Ａ，３Ｂは、溶融され凝固した金属によって埋められた形態となるものである。

ところで、前記説明においては、ワークＷ１に貫通孔を形成することなくスポット溶接を行う場合について説明した。しかし、ワークＷ１に予め貫通孔を形成してもよいものである。また、前記説明においては、下側のワークＬＷ上にワークＷ１，Ｗ２，ＵＷの３枚を重ね合せてスポット溶接を行う場合について説明した。しかし、下側のワークＬＷ上に重ねるワークの枚数は１枚でもよく、重ねるワークの枚数は任意でよいものである。

また、前述したように、ワークＷ２，ＵＷの貫通孔３Ａ，３Ｂ内へレーザ光ＬＢを照射してスポット溶接を行う際、レーザ光ＬＢの照射位置を上下方向に移動してもよいものである。

ところで、前記説明においては、ワークＷ２，ＵＷに形成した貫通孔３Ａ，３Ｂの径は、板厚と同径又は板厚以下である旨説明した。しかし、薄い複数枚のワークを厚く重ね合せる場合には、貫通孔３Ａ，３Ｂの径を板厚以上にすることも可能である。この場合、貫通孔３Ａ，３Ｂ内においてのレーザ光ＬＢの反射の繰り返しを利用するために、貫通孔３Ａ，３Ｂの径は、複数枚のワークを重ね合せた場合の厚さ寸法よりも小径（約１ｍｍ）の貫通孔とするものである。

すなわち、ワークを重ね合せたときの貫通孔の深さＬｍｍ、レーザ光の照射角度θ、貫通孔の直径をＤｍｍとしたとき、Ｄ＝ｆ（Ｌ，θ）の関係を保持すればよいものである。

上述の場合、下側のワークＬＷ上に重ね合せる複数枚の上側ワークＷ２，ＵＷに、上側ワークＷ２，ＵＷを重ねた場合の厚さ寸法Ｈよりも小径の貫通孔３Ａ，３Ｂを各上側ワークＷ２，ＵＷに形成する。そして、前記下側ワークＬＷ上に、前記貫通孔３Ａ，３Ｂを合せた状態に各上側ワークＷ２，ＵＷを重ねる。その後、前記下側のワーク（この場合、ワークＷ１）の上面と、この下側のワークＷ１上の上側ワークＷ２における貫通孔３Ａの内周面との接合部５付近、望ましくは下側のワークＷ１の上面に対して、前記貫通孔３Ａ，３Ｂの軸心に対して傾斜した状態にレーザ光ＬＢを照射する。そして、前記各上側ワークＷ２，ＵＷにおける貫通孔３Ａ，３Ｂの内周面においてのレーザ光ＬＢの反射光によって、前述したように各貫通孔３Ａ，３Ｂの内周面を溶融して溶接を行うものである。

この際、前記レーザ光ＬＢの焦点位置は、前述同様に、前記下側のワークＷ１上面と、この下側のワークＷ１上の上側ワークＷ２における貫通孔３Ａの内周面との接合部５付近に合せるものである。

なお、レーザ光ＬＢの焦点位置は、貫通孔３Ａの内周面の下部付近でもよいものである。また、レーザ光ＬＢを貫通孔３Ａ，３Ｂ内へ照射する際、照射方向及び照射角度は種々変更してもよいものである。

ところで、上述のように複数のワークＬＷ，Ｗ１，Ｗ２，ＵＷを重ね合せてスポット溶接するに際して、下側のワークＬＷと最上部のワークＵＷとの間に重ね合わされるワークＷ１，Ｗ２に、軽量化のための穴加工７を予め行うことが望ましいものである。

前述したように、重ね合せる複数枚のワークＷ２，ＵＷに予め小径の貫通孔３Ａ，３Ｂを形成し、この貫通孔３Ａ，３Ｂ内へレーザ光ＬＢを斜めに照射してスポット溶接を行うと、図２（Ｂ）に示すように、板状の下側ワークＬＷ上に板状の上側ワークＷ１，Ｗ２，ＵＷを複数枚重ね合せて備えた溶接製品であって、前記上側ワークＷ１，Ｗ２，ＵＷの重ね合せ寸法よりも、前記下側ワークＬＷに上側ワークＷ１，Ｗ２，ＵＷをレーザ光によってスポット溶接した溶接部１の径が小さい溶接製品となるものである。したがって、熱変形を抑制した溶接製品となるものである。

図３は、本発明の第２実施形態を概念的に示すものである。この第２の実施形態においては、複数枚の板状のワークを重ね合せてレーザ溶接を行うスポット溶接方法を示すものである。この方法においては、スポット溶接点Ｓの周囲に、例えば直径２ｍｍ程度の小円形状の曲線にレーザ光ＬＢを照射してレーザ溶接を行うことにより、スポット溶接を行うものである。この際、溶接開始位置ａから矢印Ａ方向に移動しつつレーザ光ＬＢを照射するものである。

上述のように小円形状にレーザ光ＬＢを照射してスポット溶接を行うと、スポット溶接を行うワークに次第に蓄熱され溶け込み深さが変動することになる。そこで、前記小円形状部分の約半周位置ｂ付近までは、例えば２８００Ｗの大きな出力でレーザ溶接を行う。そして、約３／４周位置ｃ付近までは、出力を例えば２７００Ｗに制御してレーザ溶接を行う。さらに、溶接開始位置ａに近接した溶接終点位置ｄまでは、さらに出力を小さくして、例えば２３００Ｗの出力でもってレーザ溶接を行う。

すなわち、スポット溶接点Ｓの周囲に小円形状にレーザ光ＬＢを照射する際、ワークに蓄熱される熱量を抑制するために、溶接開始位置ａから溶接終点位置ｄへ進行するに従って、レーザ光ＬＢの出力を段階的に、又は連続的に小さくするものである。そして、溶接開始位置ａと溶接終点位置ｄとを重ねることなくレーザ溶接を終了するものである。

スポット溶接点Ｓの周囲に小円形状にレーザ光ＬＢを照射してレーザ溶接を行ってスポット溶接を行う際、前述したように、レーザ出力を段階的に、又は次第に小さく制御すると共に、溶接開始位置ａと溶接終点位置ｄとを重ねることなく終了することにより、蓄熱量を抑制して、ほぼ一定の溶け込み深さでもって溶接を行うことができるものである。この際、スポット溶接点Ｓは、周囲からの熱伝導によって溶融されるものであり、前記小円形状のレーザ照射位置の内側の溶接が行われるものである。すなわち、小円形状の直径を有するスポット溶接が行われ得るものである。

１ 溶込み部
３Ａ，３Ｂ 貫通孔
５ 接合部

Claims (10)

1. 複数枚の板状のワークを重ね合せて溶接を行うスポット溶接方法であって、下側のワーク上に、板厚と同径又は板厚以下の小径貫通孔を備えた上側ワークを重ね合せ、前記小径貫通孔より小径のレーザ光を、前記下側のワークの上面に照射して溶接を行うことを特徴とするスポット溶接方法。
2. 複数枚の板状のワークを重ね合せて溶接を行うスポット溶接方法であって、下側のワーク上に、板厚と同径又は板厚以下の小径貫通孔を備えた上側ワークを重ね合せ、前記下側のワークの上面と前記上側ワークにおける前記小径貫通孔の内周面との接合部付近に焦点位置を合せたレーザ光を照射して溶接を行うことを特徴とするスポット溶接方法。
3. 請求項１又は２に記載のスポット溶接方法において、小径貫通孔を備えた複数枚の上側ワークを重ね合せ、前記小径貫通孔の軸心に対して傾斜した方向からレーザ光を照射して、小径貫通孔内におけるレーザ光の反射光を前記小径貫通孔の内周面に照射し、前記小径貫通孔の内周面を溶融して溶接を行うことを特徴とするスポット溶接方法。
4. 複数枚の板状のワークを重ねてスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
   （ａ）下側のワーク上に重ね合せる複数枚の上側ワークに、上側ワークを重ねた場合の厚さ寸法と同径又は小径の貫通孔を各上側ワークに形成する工程、
   （ｂ）前記下側ワーク上に、前記貫通孔を合せた状態に各上側ワークを重ねる工程、
   （ｃ）前記下側のワークの上面に対して、前記貫通孔の軸心に対して傾斜した状態にレーザ光を照射する工程、
   （ｄ）前記各上側ワークにおける貫通孔の内周面においてのレーザ光の反射光によって各貫通孔の内周面を溶融して溶接を行う工程、
   の各工程を備えていることを特徴とするスポット溶接方法。
5. 請求項４に記載のスポット溶接方法において、前記レーザ光の焦点位置は、前記下側のワーク上面と、この下側のワーク上の上側ワークにおける貫通孔の内周面との接合部付近に合せてあることを特徴とするスポット溶接方法。
6. 請求項４又は５に記載のスポット溶接方法において、下側のワークと最上部のワークとの間に重ね合わされるワークに、軽量化のための穴加工を予め行うことを特徴とするスポット溶接方法。
7. 複数枚の板状のワークを重ね合せてレーザ溶接を行うスポット溶接方法であって、スポット溶接点の周囲に円形状のごとき曲線にレーザ光を照射する際、ワークに蓄熱される熱量を抑制するために、溶接開始位置から溶接終了位置へ進行するに従って、段階的に又は連続的にレーザ光の出力を小さくすることを特徴とするスポット溶接方法。
8. 板状の下側ワーク上に板状の上側ワークを複数枚重ね合せて備えた溶接製品であって、前記下側ワークに複数枚の上側ワークをレーザ光によってスポット溶接した溶接部の径が、複数枚の上側ワークの重ね厚さと同径又は重ね厚さよりも小さいことを特徴とする溶接製品。
9. 板状の下側ワーク上に板状の上側ワークを複数枚重ね合せて備えた溶接製品であって、各上側ワークに形成した各貫通孔の内部に溶融され凝固した金属を備えていることを特徴とする溶接製品。
10. 請求項８又は９に記載の溶接製品において、下側のワークと最上部のワークとの間に重ね合わされたワークに、軽量化のための穴を備えていることを特徴とする溶接製品。
    

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