JP6260421B2 - 溶接構造体の製造方法 - Google Patents
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最近は、スポット溶接に代えてレーザ溶接を適用することで、ハット型部材のフランジ幅を狭くして部材を軽量化する検討がなされている。具体的には次の通りである。
例えば「安藤弘平ら、「回転変形による高温割れの発生進展機構と高温割れ感受性の評価方法−薄板アルミニウム合金の高温割れ現象(第2報)−」、溶接学会誌、第42巻、第9号、pp.37−47(1973)」等によれば、溶接時の凝固割れは、溶融した金属が凝固する過程において、固相と液相が共存する延性が低下した部分である凝固脆性温度領域(Brittleness Temperature Range(BTR))内において、溶融熱で鋼板端部(前述のハット型部材では、フランジ)が変形することにより発生するひずみの増分が、割れ発生に要するひずみ(限界ひずみ)を超えることで生じる、と考えられる。これを鑑みると、凝固割れの防止方法としては、溶接金属の成分適正化によるBTRの幅の縮小や限界ひずみの制御、及び鋼板端部に発生するひずみの抑制が挙げられる。ところが、溶接金属の成分適正化によるBTR幅の縮小や限界ひずみの制御については、鋼板の材料自体を調整する必要がある。鋼板の材料自体の調整は、他の性能に影響を与えることもあるので、対策としては限界がある。
しかしながら、このように冶具を用いると、鋼板端部の膨張を抑制する装置(冶具)を溶接の際に配置する必要があり、小さな部材や複雑な形状の部材の溶接部には用いることができないとともに、溶接の作業工数が増加して煩雑になってしまう。
しかしながら、フランジ端面を冷却すると溶接線との温度差が大きくなり回転変形の駆動力が大きくなることで、溶接条件によってはひずみが大きくなり割れ発生を助長するおそれもある。さらには、この方法では、上記と同様に冷却装置の配置に留意しなければならず、作業工数が増加するおそれがある。
フランジ幅が大きく、溶接位置がフランジ端からの距離が大きいほど、剛性が高く、フランジの変形(回転変形)及びそれにより受けるひずみは抑制される。しかしながら、単にフランジ幅を大きくするのでは、前述したような部材の軽量化には反する。
鋼板の板幅方向に温度分布の不均一があるとき、回転変形の駆動力が働くことはよく知られているが、この回転変形が割れの原因となると考えられる。すなわち、図6(a)に示すように板1のAからBへ溶接を行うと、板幅方向に不均一な温度分布を生じるため、板1は溶融池Yの前方Pを支点として矢印Cの方向に回転変形を生じる。溶接部の脆化領域の強度はきわめて小さいため、脆化領域部分の溶接金属はこの回転変形をほとんど抑制できない。この回転変形によって脆化領域部分に加えられるひずみ量が限界ひずみ量を超えるとき割れが発生する。その後溶接が進行すると、図6(b)に示すように溶融池Yも進行し、回転変形の支点もそれに追随してP’に移動する。このとき、温度分布が準定常状態にあると、脆化領域部に加えられるひずみ量は時間的に一定と考えられ、この場合割れは図6(b)に示すように溶接線に沿って進展する。
一方、溶接速度が遅い場合は、板幅方向の温度分布は均一化しやすくなり回転変形の駆動力は小さくなる。しかし、単に溶接速度を下げるのでは、部材の生産性が悪くなり、板幅を小さくするのでは、剛性が落ちるため発生するひずみを抑制できず凝固割れが発生する可能性が高くなる。
ハット型部材11は、鋼板から形成された金属板部材であり、その長手方向に直交する断面において、ウェブ片11a、ウェブ片の両端から延びる壁片11b、及び壁片11bの端部に設けられるフランジ11cを有して、いわゆるハット型に形成されている。
一方、クロージングプレート12も金属板部材の1つであり、略平滑な鋼板である。
溶接部13はレーザ溶接により形成されており、フランジ11cの長手方向に沿って延びている。本発明は、言い方を変えると、溶接部13を形成するための溶接方法において、図2にIIaで示したフランジ端面11dから溶接部13までの距離を短くしつつ速い速度で溶接しても割れを抑制することができ、その結果、図2にIIbで示したフランジの幅を、従来のスポット溶接のために要していた幅よりも小さくすることができる。例えば当該フランジの幅IIbを10mm以下程度、より好ましくは8mm以下程度に抑えることが可能となる。フランジ幅の下限は、凝固割れが生じない程度の幅が確保されていればよいが、1.5mmより小さくするとフランジ端部が溶融し溶け落ちるおそれがあるため、例えば1.5mm以上とするのが好ましい。
また、ハット型部材11の形状は、実際の用途に応じて、長手方向にまっすぐであるものもあればカーブしているものもあり、あるいは断面形状が長手方向に変化しているものもあるが、本発明は、そのいずれにも適用してよい。また、クロージングプレート12に代えて、他のハット型部材やその他の形状の金属板部材と溶接してもよい。あるいは、本発明は、3つ以上の金属板部材を重ね合わせて溶接されるような溶接構造体の製造にも適用できる。
図3からわかるように、本形態のレーザ溶接では、従来通りに溶接部13を形成するレーザ照射(以下、補助加熱に対比して「主加熱」ともいう。)により主加熱部20を形成するとともに、該主加熱部20に並走するように補助加熱を行って補助加熱部21を形成しながら溶接をおこなう。従って、主加熱部20が矢印IIIaで示したように溶接線に沿った方向に移動し、補助加熱部21もこれに平行して矢印IIIbで示した方向に移動しつつ溶接が行われる。
この中でも、主加熱の移動の軌道(すなわち溶接線となる部位)を挟んで体積が小さい側(本形態ではフランジ11cの端面11d側)を補助加熱することが好ましい。
ただし、補助加熱をする装置としては、上記レーザ溶接装置に限定されることはなく、他に、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接やプラズマ溶接を行うアーク溶接装置、ガスバーナ、高周波誘導加熱装置、赤外線ヒータなどが挙げられる。
一方、補助加熱もレーザ溶接機から出射されるレーザにより行い、その熱量は主加熱の10%とし、主加熱部に対して端面31側に2mm離隔して補助加熱部が形成されるように、主加熱部に並走させた。
11 ハット型部材(金属板部材)
12 クロージングプレート(金属板部材)
13 溶接部
20 主加熱部
21 補助加熱部
Claims (6)
- 複数の金属板部材を重ね合わせてその重ね合わせ部でレーザ溶接する、溶接構造体の製造方法であって、
前記金属板部材が溶融するエネルギーを有するレーザを移動させつつ照射して前記金属板部材を溶接するにあたり、溶融池、及び凝固脆性温度領域の外周部から0mm以上6mm未満の少なくとも一部、かつ、前記レーザの移動の軌道上を除く領域の前記金属板部材の部位を、前記金属板部材が溶融しないエネルギーで加熱する補助加熱を行いながら前記溶接を行う、溶接構造体の製造方法。 - 前記補助加熱を移動しつつ行う請求項1に記載の溶接構造体の製造方法。
- 前記補助加熱がレーザにより行われ、前記補助加熱を前記レーザによる溶接と同じ速度で移動させつつ行う請求項2に記載の溶接構造体の製造方法。
- 前記金属板部材の少なくとも一つは断面がハット型の長尺の部材であり、当該部材のフランジと他の金属板部材とを重ね合わせてレーザ溶接する、請求項1から3のいずれかに記載の溶接構造体の製造方法。
- 前記フランジの端部から10mm以下の領域に、フランジの長手方向に沿って線状に溶接部を形成する、請求項4に記載の溶接構造体の製造方法。
- 前記補助加熱により加熱される部位は、前記レーザが照射されている部位よりも、前記フランジの長手方向に沿って当該フランジの端部側である、請求項5に記載の溶接構造体の製造方法。
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