JP5169611B2

JP5169611B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP5169611B2
Application number: JP2008209789A
Authority: JP
Inventors: 祐司濱口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: JP2010042434A

Description

本発明は、溶接方法に関し、詳細には、溶接によってワークに生じる歪みそのものの発生を抑制する技術に関する。

例えば、自動車の分野においては、車体の軽量化を目的として、車体パネルの一部に鋼板よりも重量の軽いアルミニウム系金属板が使用されつつある。鋼板とアルミニウム系金属板の異種金属同士の結合には、リベットやメカニカルクリンチによるかしめ工法に代えて、溶接部位に供給した金属ワイヤをレーザで溶かしてろう付けするブレージング工法の採用が検討されている。

ブレージング工法は、溶接部位を一端から他端に向けて連続して溶接するいわゆる連続接合により、充分な強度と剛性を得ることができ、また構造そのものによる制約が少ないことから鉄系金属とアルミニウム系金属との接合工法として好適であるとされている。

一方、アルミニウム系金属は、鉄に比べて熱による変形量が大きいため、鉄系金属と同じような接合条件や治具の採用だけでは変形（歪み）を充分に抑制することはできない。

そこで、このような溶接による歪み対策として、例えば特許文献１に記載されているように、いわゆる逆歪みを与える方法や、特許文献２に記載されているように、アルミニウム系金属板の摩擦溶接直後に歪み取り機で歪み取りを行う方法が提案されている。
特開２００１−７１１３０号公報特開平１０−３０５３７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、設備が大型で高価且つ複雑である。また、特許文献１に記載の技術では、フラットな板材の場合はともかく、自動車の車体パネルのような剛性の高い部品に予め溶接歪みを見込んだ逆歪みを与えることは困難である。

特許文献２に記載の技術では、フラットな板材の場合は溶接後に歪みを除去することが可能であっても、特許文献１の技術と同様、自動車の車体パネルのような剛性の高い部品では溶接後にその歪みを除去することは困難である。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するために提案されたものであり、逆歪みを与えたり或いは歪み取りを行うことなしに、熱による母材の変形、すなわち溶接による歪みそのものの発生を抑制する溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の溶接方法では、２つのワークを重ねた溶接部位に供給する金属ワイヤをレーザで溶かしながらワーク同士を溶接する。溶接に際しては、溶接部位全長を少なくとも３つ以上の溶接部位に分割する。そして、その分割した各溶接部位の溶接方向を同一方向とし、且つ各溶接部位の溶接終了点から次の溶接部位の溶接開始点へ戻り、前記次の溶接部位の溶接終了点を前の溶接部位の溶接開始点として溶接することを繰り返す。

２つのワークを重ねた溶接部位を一端側から他端側に向けて供給される金属ワイヤをレーザで溶かしながら連続して一気に溶接すると、加工終端部に熱変形が集中し、溶接部位長さが長ければ長い程、残留歪みによりワーク自体が大きく変形する。しかしながら、本発明の溶接方法によれば、溶接部位全長を分割してその分割した各溶接部位の溶接方向を同一方向とし、各溶接部位の溶接終了点を前の溶接部位の溶接開始点として溶接することで、前の溶接部位の溶接開始点が既に接合されていることから、この接合された固定部に向かって溶接することになるため、各溶接部位における熱変形を分散させることができる。その結果、溶接加工中の過度による変形と溶接加工後の残留歪みによるワーク自体の変形を抑制できる。

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

「実施形態１」
図１は実施形態１の溶接方法によりアルミルーフとスチールボディサイドルーフレールを溶接装置で溶接している状態を示す斜視図、図２（Ａ）は図１の溶接部位を示す要部拡大斜視図、図２（Ｂ）は図１の溶接部位を示す要部拡大断面図、図３は図１の溶接部位を加工する順序を示す図である。

溶接装置１は、図１に示すように、溶接エリアに設置されたロボットのアーム２に取り付けられている。かかる溶接装置１は、溶接部位に金属ワイヤ３を供給するワイヤ供給ノズル４と、溶接部位にレーザ５を照射するレーザ照射機６と、溶接後の加工部位に冷却ガス７を吹き付ける冷却ガス供給機８と、を有している。この溶接装置１では、溶接部位に金属ワイヤ３を供給し、その金属ワイヤ３をレーザ５で溶かしてワーク同士を接合する、いわゆるブレージング溶接装置である。ここでの溶接加工は、ブレージング溶接の他に、はんだ付け等のいわゆるろう接加工も含むものとする。

実施形態１では、前記溶接装置１を使用して、第１ワークであるアルミルーフ９と、第２ワークであるスチールボディサイドルーフレール１０とを溶接する。アルミルーフ９とスチールボディサイドルーフレール１０の溶接部位１１を、図２（Ａ），（Ｂ）に示す。アルミルーフ９は、車両前後方向における図１の矢印１２で示す車両前方端９ａと矢印１３で示す車両後方端９ｂとがそれぞれボディー（図示は省略する）にリベット及び接着剤で固定されている。

前記アルミルーフ９とスチールボディサイドルーフレール１０の溶接部位１１を溶接するには、溶接部位全長を少なくもと３つ以上の溶接部位に分割して、各溶接部位を断続的に溶接する。溶接部位全長を２つに分割した場合は、溶接終了端部に延びたアルミが集中して歪みが生じワークが変形するが、分割数をそれ以上増やして溶接長さを短くすることで歪みを分散させることができる。例えば、アルミルーフ９の全長が約１４００ｍｍのときには、分割数を７分割以上とすることが好ましい。実施形態１は、分割数を７つとした。

前記溶接部位１１の溶接加工順序は、図３に示すように、７つに分割した各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の溶接方向を車両後方端９ｂから車両前方端９ａに向かって全て同一方向とし、且つ各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の溶接終了点から次の溶接部位の溶接開始点へと戻り、前記次の溶接部位の溶接終了点を前の溶接部位の溶接開始点として溶接することを繰り返す。車両前方端９ａから車両後方端９ｂに向かって第１溶接部位Ｗ１、第２溶接部位Ｗ２、第３溶接部位Ｗ３、・・・第７溶接部位Ｗ７とする。加工順序は、矢印に順番を付してＡ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａ７として表す。また、加工方向は、矢印Ａ１〜Ａ７の向きで表し、矢印の基端を溶接開始点とし、矢印の先端を溶接終了点とする。

第１溶接部位Ｗ１は、一方の全溶接部位端部、すなわちこの例では車両前方端９ａを溶接終了点としている。最終溶接部位である第７溶接部位Ｗ７は、他方の全溶接部位端部、すなわちこの例では車両後方端９ｂを溶接開始点としている。

前記溶接部位１１を溶接するには、先ず、第１溶接部位Ｗ１を溶接する。第１溶接部位Ｗ１を溶接するに際しては、車両前方端９ａ位置から反対側の車両後方端９ｂ側へ溶接装置１をロボットにて移動させる。そして、第１溶接部位Ｗ１の溶接開始点に金属ワイヤ３を供給しながらレーザ５を照射し、該金属ワイヤ３を溶かしてこの第１溶接部位Ｗ１を溶接する。溶接装置１は、溶接開始点から車両前方端９ａの溶接終了点へ向けて移動させ、前記第１溶接部位Ｗ１を連続して溶接する。また、溶接加工中は、溶接後の加工部位に冷却ガス７を吹き付ける。冷却ガス７は、溶接後の加工部位に低温ガスを吹き付けることにより加工部の熱を奪い歪みを低減する作用をする。溶接開始点から溶接終了点まで第１溶接部位Ｗ１を溶接し終えたら、次は、その溶接方向上流側隣の第２溶接部位Ｗ２を溶接する。

次に、ロボットは、第１溶接部位Ｗ１の溶接終了点から第２溶接部位Ｗ２の溶接開始点に溶接装置１を移動させる（戻す）。そして、この溶接装置１は、第２溶接部位Ｗ２を第１溶接部位Ｗ１の溶接方向と同一方向として溶接開始点から、前記第１溶接部位Ｗ１の溶接開始点を溶接終了点として溶接を行う。第２溶接部位Ｗ２の溶接は、第１溶接部位Ｗ１を溶接した要領で行う。第２溶接部位Ｗ２では、第１溶接部位Ｗ１の溶接開始点の上に溶接終了点を重ねるように溶接を行う。溶接開始点から溶接終了点まで第２溶接部位Ｗ２を溶接し終えたら、次は、その溶接方向上流側隣の第３溶接部位Ｗ３を溶接する。

第３溶接部位Ｗ３以降は、第２溶接部位Ｗ２と同様に溶接することを繰り返し、最終溶接部位である第７溶接部位Ｗ７をその前方の第６溶接部位Ｗ６の溶接開始点を溶接終了点として溶接する。溶接作業は、第７溶接部位Ｗ７を溶接し終えた時点で終了する。

アルミルーフ９とスチールボディサイドルーフレール１０は、熱膨張係数が異なる異種金属であるため、両者を溶接すると冷却後に残留歪みが生じる。図４（Ａ）は片側を拘束したアルミ板と鉄板の溶接前状態を示す図、図４（Ｂ）は溶接加工状態を示す図、図４（Ｃ）は溶接終了後の冷却後状態を示す図である。図５（Ａ）は両側を拘束したアルミ板と鉄板の溶接前状態を示す図、図５（Ｂ）は溶接加工状態を示す図、図５（Ｃ）は溶接終了後の冷却後状態を示す図である。

アルミ板１４は、鉄板１５よりも熱により元の位置１６から更に延びるが、冷却時には鉄板１５に対して２倍縮もうとする。そのため、これらアルミ板１４と鉄板１５との間には、残留歪みが残り変形が発生する。両側を拘束したアルミ板１４と鉄板１５の方が、片側を拘束したものに比べてその変形量が少ないが、それでも残留歪みにより変形が残る。

アルミルーフ９の車両高さ方向の変形量に関しては、次の通りである。図６（Ａ１）は溶接部位を一端側から他端側に向けて連続して溶接する加工順序を示す図、図６（Ａ２）は溶接部位全長を４つに分けて各溶接部位を同一方向に一端側から他端側に向けて断続的に溶接する加工順序を示す図、図６（Ｂ）は溶接部位全長を２つに分けて各溶接部位を同一方向に溶接すると共に第１溶接部位の溶接終了後に上流に戻って第２溶接部位を溶接する加工順序を示す図、図６（Ｃ）は実施形態１の溶接方法により溶接する加工順序を示す図である。図７（Ａ）は図６（Ａ１，Ａ２）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図、図７（Ｂ）は図６（Ｂ）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図、図７（Ｃ）は図６（Ｃ）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図である。

図６（Ａ１）のように溶接部位１１を車両後方端９ｂから車両前方端９ａに向けて連続して一気に溶接した場合と図６（Ａ２）のように溶接部位１１を４つの部位に分けて車両後方端９ｂから車両前方端９ａに向けて断続的に溶接した何れの場合も、図７（Ａ）に示すように、車両前方部分に大きな残留歪みが残ることによりアルミルーフ９が変形する。この例の加工順序では、最終的に溶接終了点に熱変形して延びたアルミルが集中するため、車両前方端９ａに大きな歪みが残ってしまう。

図６（Ｂ）のように２分割した溶接部位を同一方向に溶接すると共に第１溶接部位の溶接終了後に上流に戻って第２溶接部位を溶接した場合は、図７（Ｂ）に示すように、分割した境界近傍部に残留歪みが残りアルミルーフ９が変形する。この例の加工順序では、溶接部位の分割数が少ない、つまり各溶接部位の溶接長さが長いため、溶接終了点に残留歪みが残ってしまう。

図６（Ｃ）の実施形態１の加工順序では、図７（Ｃ）に示すように、車両後方端９ｂから車両前方端９ａに向けて殆ど残留歪みが残らず変形量も極めて僅かなものになっている。これは、溶接部位全長を分割してその分割した各溶接部位の長さを短くすることで、溶接終了点に残留歪みが残るのを抑制させているためである。

以上のように、実施形態１によれば、溶接部位１１全長を分割してその分割した各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の溶接方向を同一方向とし、各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の溶接終了点を前の溶接部位の溶接開始点として溶接することで、前の溶接部位の溶接開始点が既に接合されていることから、この接合された固定部に向かって溶接することになるため、各溶接部位における熱変形を分散させることができる。その結果、溶接加工中の過度による変形と溶接加工後の残留歪みによるワーク自体の変形を抑制できる。なお、第１溶接部位Ｗ１の溶接終了点は、ボディに結合されているため、固定点となっている。

また、実施形態１によれば、溶接部位１１全長を３つ以上の溶接部位に分割しているため、その分割した各溶接部位の長さが短くなることから、熱応力が少なくなり残留歪みを減少させることができる。

また、実施形態１によれば、全溶接部位両端部（車両前方端９ａ及び車両後方端９ｂ）を除く各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の溶接開始点の上にその隣の溶接部位の溶接終了点を重ねて溶接しているので、断続的溶接でありながら連続した溶接とすることができ、接合強度を充分に確保できる。

また、実施形態１によれば、溶接後の加工部位に冷却ガス７を吹き付けているので、加工部の熱を奪い歪みを低減させることができる。

また、実施形態１によれば、２つのワークの何れか一方をアルミニウム系金属板（アルミルーフ９）で他方が鋼板（スチールボディサイドルーフレール１０）とする異種金属板同士の溶接でも、本発明方法で溶接することで残留歪み量を極めて少なくすることができ、ワーク自体の変形を抑えることができる。

なお、実施形態１では、最初の溶接箇所である第１溶接部位Ｗ１を車両前方端９ａに向かって溶接したが、この第１溶接部位Ｗ１はこれとは逆に車両前方端９ａから車両後方端９ｂへ向かって溶接しても同様の効果が得られる。なお、この場合の第２溶接部位Ｗ２以降の溶接手順は、実施形態１と同様とする。

また、各溶接部位Ｗ１〜Ｗ７の長さは、同一長さでもよく、或いは異なる長さであってもよい。

「実施形態２」
図８は実施形態２の溶接方法により溶接部位を加工する順序を示す図である。実施形態２では、溶接部位１１の溶接加工順序を次のようにしている。

始めに、図８に示すように、溶接部位全長を６つの溶接部位に分割し、その分割した半分の３つの第１溶接部位Ｗ１〜第３溶接部位Ｗ３を第１領域Ｓ１とし、残り半分の３つの第４溶接部位Ｗ４〜第６溶接部位Ｗ６を第２領域Ｓ２とする。

第１領域Ｓ１では、第１溶接部位Ｗ１を車両前方端９ａとは反対側の位置から前記端９ａに向かって第１溶接部位Ｗ１を溶接した後、第２溶接部位Ｗ２を第１溶接部位Ｗ１の溶接方向と同一方向として前記第１溶接部位Ｗ１の溶接開始点を溶接終了点として溶接を行い、第３溶接部位Ｗ３を第２溶接部位Ｗ２と同様に溶接する。

第２領域Ｓ２では、第１領域Ｓ１と逆向きの溶接方向として各溶接部位Ｗ４〜Ｗ６を同様に溶接する。すなわち、第４溶接部位Ｗ４を車両後方端９ｂとは反対側の位置から前記端９ｂに向かって第４溶接部位Ｗ４を溶接した後、第５溶接部位Ｗ５を第４溶接部位Ｗ４の溶接方向と同一方向として前記第４溶接部位Ｗ４の溶接開始点を溶接終了点として溶接を行い、第６溶接部位Ｗ６を第５溶接部位Ｗ５と同様に溶接する。

このように、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２では、分割した各溶接部位の溶接方向を反対方向としているが、各領域Ｓ１，Ｓ２で見ると実施形態１と同様であるので、前記実施形態１と同じ効果を得ることができる。

図１は実施形態１の溶接方法によりアルミルーフとスチールボディサイドルーフレールを溶接装置で溶接している状態を示す斜視図である。図２（Ａ）は図１の溶接部位を示す要部拡大斜視図、図２（Ｂ）は図１の溶接部位を示す要部拡大断面図である。図３は図１の溶接部位を加工する順序を示す図である。図４（Ａ）は片側を拘束したアルミ板と鉄板の溶接前状態を示す図、図４（Ｂ）は溶接加工状態を示す図、図４（Ｃ）は溶接終了後の冷却後状態を示す図である。図５（Ａ）は両側を拘束したアルミ板と鉄板の溶接前状態を示す図、図５（Ｂ）は溶接加工状態を示す図、図５（Ｃ）は溶接終了後の冷却後状態を示す図である。図６（Ａ１）は溶接部位を一端側から他端側に向けて連続して溶接する加工順序を示す図、図６（Ａ２）は溶接部位全長を４つに分けて各溶接部位を同一方向に一端側から他端側に向けて断続的に溶接する加工順序を示す図、図６（Ｂ）は溶接部位全長を２つに分けて各溶接部位を同一方向に溶接すると共に第１溶接部位の溶接終了後に上流に戻って第２溶接部位を溶接する加工順序を示す図、図６（Ｃ）は実施形態１の溶接方法により溶接する加工順序を示す図である。図７（Ａ）は図６（Ａ１，Ａ２）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図、図７（Ｂ）は図６（Ｂ）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図、図７（Ｃ）は図６（Ｃ）の加工順序で溶接したときのルーフの変形状態を示す図である。図８は実施形態２の溶接方法により溶接部位を加工する順序を示す図である。

符号の説明

１…溶接装置
３…金属ワイヤ
５…レーザ
７…冷却ガス
９…アルミルーフ（第１ワーク）
９ａ…車両前方端（一方の全溶接部位端部）
９ｂ…車両後方端（他方の全溶接部位端部）
１０…スチールボディサイドルーフレール（第２ワーク）
１１…溶接部位
Ｗ１〜Ｗ７…第１溶接部位〜第７溶接部位
Ａ１〜Ａ７…加工方向

Claims

第１ワークと第２ワークを重ねた溶接部位に供給する金属ワイヤをレーザで溶かしながらこれらワーク同士を溶接する際に、溶接部位全長を少なくとも３つ以上の部位に分割し、その分割した各溶接部位の溶接方向を同一方向とし、且つ各溶接部位の溶接終了点から次の溶接部位の溶接開始点へ戻り、前記次の溶接部位の溶接終了点を前の溶接部位の溶接開始点として溶接することを繰り返すことを特徴とする溶接方法。
第１ワークと第２ワークを重ねた溶接部位に供給する金属ワイヤをレーザで溶かしながらこれらワーク同士を溶接する際に、溶接部位全長を少なくとも３つ以上の部位に分割し、一方の全溶接部位端部を含む第１溶接部位を前記一方の全溶接部位端部とは反対側の位置から前記端部に向かって第１溶接部位を溶接した後、第２溶接部位を第１溶接部位の溶接方向と同一方向として前記第１溶接部位の溶接開始点を溶接終了点として溶接を行い、第３溶接部位以降を第２溶接部位と同様に溶接することを繰り返して、他方の全溶接部位端部を含む最終溶接部位をその前方の溶接部位の溶接開始点を溶接終了点として溶接することを特徴とする溶接方法。
第１ワークと第２ワークを重ねた溶接部位に供給する金属ワイヤをレーザで溶かしながらこれらワーク同士を溶接する際に、溶接部位全長を少なくとも３つ以上の部位に分割し、その分割した幾つかの溶接部位を一方の全溶接部位端部を含む第１領域と他方の全溶接部位端部を含む第２領域とに分け、
第１領域では、第１溶接部位を前記一方の全溶接部位端部とは反対側の位置から前記端部に向かって第１溶接部位を溶接した後、第２溶接部位を第１溶接部位の溶接方向と同一方向として前記第１溶接部位の溶接開始点を溶接終了点として溶接を行い、第３溶接部位以降を第２溶接部位と同様に溶接することを繰り返し、第２領域では、第１領域と逆向きの溶接方向として各溶接部位を同様に溶接することを特徴とする溶接方法。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の溶接方法であって、
全溶接部位両端部を除く各溶接部位の溶接開始点の上にその隣の溶接部位の溶接終了点を重ねて溶接することを特徴とする溶接方法。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の溶接方法であって、
前記溶接後の加工部位に冷却ガスを吹き付けることを特徴とする溶接方法。
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の溶接方法であって、
前記第１ワークと第２ワークの何れか一方がアルミニウム系金属板で他方が鋼板であることを特徴とする溶接方法。