JP2008018450A - 重ねレーザ溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重ねレーザ溶接における凝固割れを防止すること。
【解決手段】複数の板材を相互に重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材どうしをレーザ溶接する際に、前記板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を抑制しながら溶接する。
【選択図】図５

Description

この発明は、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接する重ねレーザ溶接方法およびそれに用いるレーザ溶接装置に関する。

自動車の車体パネルとして、高張力鋼よりなる薄板材から形成され、フランジ部２および折り曲げ部３を有する断面が図１ａに示すようにハット形状の構造部材１を、互いに対向させてそのフランジ部２を重ね合わせ、その重ね合わせ部をスポット溶接などで接合したフレーム部材や、図１ｂ、ｃに示すように前記フランジ部２と板材４あるいはフランジ部間に板材４を介在させてそれらを重ね合わせ、それらを同様に接合したフレーム部材、さらには、図１ｄに示すように複数枚の構造部材１を同一方向に重ね合わせたフレーム部材が使用されている。
上記重ね合わせ部の接合に、レーザ溶接を採用した場合には、連続溶接により接合強度が高く、片側からのアクセスで溶接できることから、従来用いられていたスポット溶接やアーク溶接に比べて接合部の設計自由度が大きく、フランジ部の幅を狭くし、構造部材を小型化、軽量化することが可能となるなどの利点がある。

従来、板材の重ね溶接継ぎ手のレーザ溶接では、重ね合せ部の板材間の間隔にばらつきがあると溶接品質が低下することから、板材間の間隔の適正化に主眼がおかれていた。
例えば、レーザ照射側から重ね合せ部にローラを押し付け、ローラをレーザ光とともに移動させ、一方の板材を他方の板材に押し付けて両者の間隔を調整しながら溶接を行うことや、互いに重ね合わせた板材のフランジ部相互を、１対のローラで両側から挟みこみ同様に溶接することが、特許文献１に示されている。

しかしながら、高張力鋼よりなる構造部材において、フランジ部の幅を短くして部材を軽量化し、重ね合わせ部端部近傍を、下側の板材まで溶融するように溶接してより接合強度を高めようとすると、本発明者らの研究では、さらに、溶接凝固割れが問題になることがわかった。

すなわち、図２ａに示すように、断面がハット形状の構造部材の両側フランジ部を相互に重ね合わせたフレーム部材のフランジ部に、重ね合せ方向、すなわちフランジに交差する方向からレーザ光を照射して、下側の板材まで溶融するように溶接するとともに、フランジの長手方向端部から溶接を開始する場合には、図２ｂに示すように、溶接始端部側が外側に広がるように変形し、割れが発生する。
また、図３のように、溶接開始点をフランジ２の長手方向端部としないで、該端部から所定距離隔てた点を溶接開始点とした場合でも、溶接後に溶接部の中央部分が膨出し、割れが発生する場合がある。なお、図において、８はレーザ溶接ヘッドである。

これは、重ね合わせた下側の板材まで溶融するようにレーザ光を照射して溶接する場合、レーザ光の照射により形成された溶融部が凝固するまで、溶融部より端部側のフランジ部位は、フランジ本体から切り離された状態になる。このとき、該部位の幅が小さいと、溶接部からの熱伝導により熱膨張して該部位が変形して、凝固途中の溶接ビードを引っ張り、凝固時に割れが発生するためと考えられる。

従来、レーザ溶接における溶接部の割れや変形を防止する技術として、特許文献３や特許文献４が知られている。
特許文献３には、高炭素鋼よりなる部材とステンレス鋼などよりなる部材の重ね継ぎ手をレーザ溶接する際、溶融凝固時に発生する収縮応力などにより収縮割れが発生すること、および、その割れを、継ぎ手部の位置を工夫して引張応力が溶融部に多くかからないようにして防止することが記載されている。

また、特許文献４には、一方の板材に対し、幅の狭いもう一方の板材を突き合わせて、突合せ部をレーザ溶接する場合、幅の狭い方の板材が熱による変形を受けて突き合せ部の間隔が広がるため、あらかじめ両方の板材の突合せ部を仮付けして、板材の変形を防止することが記載されている。
しかし、これらの文献では、上記のような凝固割れや、それに対する解決手段については何ら触れられていない。

以上のように、薄板材のレーザ溶接において、部材の軽量化のためにフランジ部の幅を短くし、さらに、重ね合わせ部端部近傍を、下側の板材まで溶融するように溶接してより接合強度を高めるように溶接する場合、溶接凝固割れが生じることは従来知られていなかった。
特開平８−９０２６４号公報 特開２００４−１３０３２３号公報 特開平１１−２４５０６５号公報 特開昭５９−２１５２８８号公報

そこで、本発明は、上記のごとき状況に鑑み、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接する際、上記のような凝固割れのないレーザ溶接方法およびそれに用いるレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
請求項１の重ねレーザ溶接方法の発明は、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を抑制しながら溶接するようにしたことを特徴とする。

請求項２の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出の抑制を、レーザ光とともに移動する膨出抑制部材を用いて行うことを特徴とする。
請求項３の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出の抑制を、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ重ね合わせた板材の端面に沿って配置されている膨出抑制プレートを用いて行うことを特徴とする。
請求項４の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出の抑制を、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ重ね合わせた板材の端面に沿って間隔を置いて複数配置されている膨出抑制ピンを用いて行うことを特徴とする。

請求項５の重ねレーザ溶接装置の発明は、レーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドを有し、重ね合わせられた複数の板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ溶接ヘッドを前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接装置において、前記板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を抑制する膨出抑制部材を少なくともレーザ光が照射される近傍の板材端面に配置したことを特徴とする。

請求項６の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、レーザ溶接ヘッドと共通の部材に取り付けられ、レーザ光とともに移動するものであることを特徴とする。

請求項７の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、レーザ溶接ヘッドより溶接進行方向に対して後方に配置されていることを特徴とする。
請求項８の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、前記端面に接触して配置されたローラであることを特徴とする。

請求項９の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、前記端面に接触して配置されたへら状部材であることを特徴とする。
請求項１０の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ前記端面に沿って配置されている膨出抑制プレートであることを特徴とする。
請求項１１の重ねレーザ溶接装置の発明は、該請求項に記載されているように、前記膨出抑制部材は、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ端面に沿って間隔を置いて複数配置されている膨出抑制ピンであることを特徴とする。

請求項１および請求項５に係る発明によれば、例えば高張力鋼よりなる構造部材の重ね合わせた下側の板材まで充分に溶け込みを行っても、溶接部に凝固割れを発生させずに重ね合わせた板材を互いにレーザ溶接することができるので、重ね合せ部の幅が狭くても強度の高い溶接部を形成することができ、構造部材を小型化、軽量化することが可能となる。
請求項２および請求項６〜請求項９に係る発明によれば、レーザ溶接の進行とともに割れの防止を自動的に行うことができる。また、請求項７に係る発明によれば、溶接の進行に伴う凝固割れの防止をより効果的に行うことができる。
請求項３、請求項４、請求項１０および請求項１１に係る発明によれば、あらかじめ固定された冶具を用いることにより、凝固割れの防止をより簡単、確実に実施することができ、さらに、図３に示されるような、端部から溶接をスタートする場合でも、凝固割れを確実に防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を、さらに図４〜７を用いて詳細に説明する。
図１で示される断面形状がハット型の構造部材のような端部にフランジを有する板状部材を、同様のフランジや板材と重ね、両者の間をレーザ溶接してフレーム部材を製造する際、例えば８ｍｍ以内というようなよりフランジ幅の狭い構造部材を用いて、フレーム部材全体をより軽量化しようとすると、溶接ビードからフランジ端部までの距離は１．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲のより短い距離にならざるを得ず、このような条件では、図３に示されるように、フランジ長手方向端部から離れた位置で溶接を開始したとしても、前記したように、溶接部からの熱伝導により変形した部位が凝固途中の溶接ビードを引っ張り、凝固割れが発生しやすい。
上記の構造部材には、引張強度が２７０ＭＰａ以上の鋼板が用いられるが、重ね合わせる板材の少なくとも１枚の板材に４４０ＭＰａ以上の鋼板を使用した場合により凝固割れが発生する。

なお、構造部材を軽量化するには、フランジ幅を８ｍｍ以内とするのがより効果的であり、そのようなフランジ幅において、溶接ビードからフランジ端部までの距離を１．５ｍｍ〜３．５ｍｍとするのは、１．５ｍｍ未満では、フランジ端部側が、フランジ端まで溶融してそのまま溶け落ち易くなり、３．５ｍｍを越えると、フランジ長手方向端部から離れた位置で溶接を開始した場合には、図３のような凝固割れが発生しなくなるためである。

そこで、本発明者らは、凝固割れの発生原因を調べ、溶接施工上の工夫によって、上記凝固時の割れを防ぐ方法について検討した。
図４は、薄板の重ねレーザ溶接における凝固過程の温度と溶接部周辺で発生する歪の関係を示す。図は、質量％で、炭素量が０．０６％、珪素量が０．５％、マンガン量が１．５％よりなる板厚１．２ｍｍの引張強さ５９０ＭＰａの鋼板を用い、レーザ加工点出力２ｋＷ、溶接速度２ｍ／ｍｉｎの条件で重ねレーザ溶接して得た試料を用いて得られたものである。

図４により、液相温度直下から溶接部には引張方向の力が働き、液相温度から温度が充分に低下すると、逆に溶接部には圧縮の力が働く。レーザ光照射位置後方の、凝固過程にある（２）の領域において、引っ張り方向の大きな歪が発生し、これが凝固割れにつながるものといえる。
そして、膨出を抑制するためには、溶接ビードの凝固過程において、（２）の領域にある間、１２ｋｇｆ程度の力を部材に付与すれば、膨出を抑制できることがわかった。

したがって、本発明では、板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を強制的に抑制しながら溶接する。
より具体的には、膨出抑制部材を用いて前記膨出を抑制する。膨出抑制部材には、レーザ光の照射位置の移動とともに移動する移動冶具を用いる場合と、予め板材の端部に配置された固定冶具を用いる場合とがある。

以下、それぞれの場合の実施の形態について説明する。
（１）移動冶具を用いる場合
図５、６にレーザ溶接ヘッドとともに移動する冶具を用いる場合の実施の態様を示す。図５、６では、溶接ロボットのアーム先端部にレーザ溶接ヘッドとともに膨出抑制部材が取り付けられた例を示すが、移動装置としては溶接ロボットに限られるものではない。

図５ａ、ｂにおいて、５は膨出抑制部材として用いられるローラであり、溶接ロボットのアーム先端部に取り付けられたブラケット６にローラ支持部材７を介して、回転できるように取り付けられている。そして、溶接ワークである板材のフランジ２の端面に当接して、同じく前記プラケット６に取り付けられたレーザ溶接ヘッド８の移動とともに、移動するようになっている。

また、前記のように、溶接部が図４の（２）の領域にある間大きな歪が発生するから、溶接部がその領域にある間ローラが部材の膨出を抑制するために、ローラはレーザ光照射位置よりも２．５ｍｍ〜５ｍｍ後方でフランジ２の端面に当接するように配置される。
なお、ローラ支持部材７を、ブラッケット６に位置調整可能なように取り付けて、レーザ溶接ヘッド８とローラ５の間の溶接方向およびそれと直角方向の距離をそれぞれ調節できるようにするのが好ましい。その際、ローラ支持部材７を、駆動装置を用いて外部の指令で自動的に移動できるようにすることもできる。
さらに、ローラは、図のように１個に限定されるものではなく、２個あるいはそれ以上であってもよいことはもちろんであり、その場合は、膨出を抑制する範囲がより広くなる点で好ましい。

レーザ溶接ヘッド８には、他端がレーザ発振器に接続されている光ファイバ９の一端が連結されている。光ファイバ９の他端に設けられるレーザ発振器としては、例えば、ＹＡＧレーザが用いられ、加工点出力が３ｋＷ、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎの溶接条件で、レーザ溶接ヘッド８が移動しながら溶接を行う。

そして、あらかじめ、図１に示されるような重ね合わされたフランジ２を有する構造部材を、所定のワーク取り付け具上に位置決め固定し、フランジの端面にローラ５を接触させるとともに、レーザ溶接ヘッドをフランジ２上に位置させて、溶接を開始する。
溶接の開始点は、図３に示されるようにフランジの長手方向端部からフランジ長手方向に距離を置いた位置とし、ローラ５がフランジの長手方向端面に確実に接触できる位置とする。
ローラ５は、溶接ロボットのアームによって、溶接による変形力に対抗する反力を与えられるように支持されているから、レーザ光の照射部が溶融して、溶接の進行とともに、溶融部より端部側のフランジ部位がフランジ本体から切り離された状態になり、該部位が溶接部からの熱伝導により熱膨張して変形しようとしても、ローラによりそれを抑制できる。

なお、特許文献２には、複数のワークのフランジ部相互を重ね合わせ、この重ね合わせ部にレーザ光を照射しつつ重ね合わせ部に沿って移動する加工ヘッドを備えたレーザ溶接装置において、加工ヘッドに、フランジ部の先端に接触する位置倣いローラを設けたレーザ溶接装置が開示されており、倣いローラは、バネでフランジ端部に向け押圧されているが、フランジ端部の形状を正確に倣うために、バネ力は大きくされておらず、倣いローラには、膨出を防止する作用は全く有していない。

図６は、移動冶具の変形例を示すもので、下方の板材１１が上方に配置される板材１２より突出して配置される場合に好適な例を示す。図において、１０は、膨出を抑制するためのへら状抑制部材で、前記ローラと同様に、ブラケット６に取付けられ、レーザ溶接ヘッド８とともに移動できるように配置されている。へら状抑制部材の先端は、上方に配置される板材と同等かあるいは若干の厚みを持って形成されており、板材と確実に係合できるように形成されている。また、へら状抑制部材は、移動を円滑に行うために、前後に湾曲部を有するのが望ましい。へら状抑制部材はローラよりも板材端部と直接接触している面積が広く取れるため、部材に応じた幅に形成できる利点がある。

（２）固定冶具を用いる場合
図７に、少なくとも溶接範囲１５をカバーする固定冶具によって、膨出を抑制する場合の例を示す。図７ａは、あらかじめ端面に沿って配置されている連続状の膨出抑制プレート１３を用いる例であり、図７ｂは、あらかじめ端面に沿って間隔を置いて複数配置されている膨出抑制ピン１４を用いる例である。なお、１６は、溶接開始点を示す。

図７ａ、ｂに示された膨出抑制プレート１３とピン１４は、少なくとも溶接範囲１５をカバーするように、あらかじめワーク取り付け具上に配置しておき、図１に示されるような重ね合わされたフランジ２を有する構造部材を、ワーク取り付け具上に位置決め固定する際に、フランジ端面が膨出抑制プレート１３あるいはピン１４に接触するように配置する。これによって、溶融部からフランジ端面側に位置する部位の膨出が抑制される。
なお、図７ｂでは、円柱状のピンを例示したが、ピンの形状は、角柱状のものでも、フランジ長手方向に幅を持ったものでもよいことはもちろんである。

図７ｂに示す膨出抑制ピンの場合は、溶接部が常に圧縮応力を受ける状態になるように、１０ｍｍ以内の間隔、望ましくは５ｍｍ以内の間隔で設置することが必要である。
固定冶具、特に連続状の膨出抑制プレートを用いる場合には、図３に示されるような、端部から溶接をスタートする場合でも、端部の膨出を抑制して凝固割れを確実に防止することができる。

以上説明した実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

重ね継ぎ手を有する部材の例を示す図である。 凝固割れの１例を示す図である。 凝固割れの他の例を示す図である。 溶接後の凝固過程の温度と歪の関係を示す図である。 本発明に係る膨出抑制部材の１例を示す図である。 本発明に係る膨出抑制部材の他の例を示す図である。 本発明に係る膨出抑制部材のさらに他の例を示す図である。

符号の説明

１ 断面ハット形状の構造部材
２ 構造部材のフランジ部
３ 構造部材の折り曲げ部
４ 板材
５ ローラ膨出抑制部材
６ プラケット
７ ローラ支持部材
８ レーザ溶接ヘッド
９ 光ファイバ
１０ へら状膨出抑制部材
１３ 膨出抑制プレート
１４ 膨出抑制ピン
１５ 溶接範囲
１６ 溶接開始点

Claims (11)

1. 複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させ、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を抑制しながら溶接することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
2. 前記膨出の抑制を、レーザ光とともに移動する膨出抑制部材を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接方法。
3. 前記膨出の抑制を、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ重ね合わせた板材の端面に沿って配置されている膨出抑制プレートを用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接方法。
4. 前記膨出の抑制を、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ重ね合わせた板材の端面に沿って間隔を置いて複数配置されている膨出抑制ピンを用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接方法。
5. レーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドを有し、重ね合わせられた複数の板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ溶接ヘッドを前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接装置において、前記板材のレーザ照射部より端部側に位置する部位の膨出を抑制する膨出抑制部材を少なくともレーザ光が照射される近傍の板材端面に配置したことを特徴とする重ねレーザ溶接装置。
6. 前記膨出抑制部材は、レーザ溶接ヘッドと共通の部材に取り付けられ、レーザ光とともに移動するものであることを特徴とする請求項５に記載の重ねレーザ溶接装置。
7. 前記膨出抑制部材は、レーザ溶接ヘッドより溶接進行方向に対して後方に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の重ねレーザ溶接装置。
8. 前記膨出抑制部材は、前記端面に接触して配置されたローラであることを特徴とする請求項６または７に記載の重ねレーザ溶接装置。
9. 前記膨出抑制部材は、前記端面に接触して配置されたへら状部材であることを特徴とする請求項６または７に記載の重ねレーザ溶接装置。
10. 前記膨出抑制部材は、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ端面に沿って配置されている膨出抑制プレートであることを特徴とする請求項５に記載の重ねレーザ溶接装置。
11. 前記膨出抑制部材は、少なくとも溶接範囲をカバーするように、あらかじめ端面に沿って間隔を置いて複数配置されている膨出抑制ピンであることを特徴とする請求項５に記載の重ねレーザ溶接装置。

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