JP7119960B2

JP7119960B2 - 接合方法

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Publication number: JP7119960B2
Application number: JP2018226398A
Authority: JP
Inventors: 諒吉田; 大志金木
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: EP3892415A4; US20220055154A1; CN113039037A; JP2020089893A; WO2020115942A1; EP3892415A1; CN113039037B

Description

本発明は、接合方法に関する。

金属部材同士を重ね合わせて形成された内隅部を溶接して重ね継手を形成する方法として、ＭＩＧ溶接、レーザー溶接、ハイブリッド溶接等が知られている。ＭＩＧ溶接は、溶加材を供給しながら溶接するので溶接部の隙間や狙い位置の位置ずれの余度が大きいというメリットがある。一方、ＭＩＧ溶接は、溶接速度が遅く、溶け込み深さが浅いというデメリットがある。ＭＩＧ溶接において、溶接速度を速く設定すると内隅部の溶着金属（のど厚）が不足して、継手強度が低下するというデメリットがある。

レーザー溶接は、ＭＩＧ溶接等のアーク溶接と比較して溶接速度を上げることができるというメリットがある。一方、レーザー溶接は溶加材を添加しないので、溶接部の隙間に対する余度が極めて小さいというデメリットがある。

ハイブリッド溶接は、先行するレーザー溶接部及び後続するＭＩＧ溶接部を備えるハイブリッド溶接機を用いて溶接を行う（特許文献１参照）。図１１は、従来のハイブリッド溶接を示す模式断面図である。当該ハイブリッド溶接では、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとで形成された内隅部を溶接している。当該ハイブリッド溶接では、先行するレーザービームＬＢ及び後続するＭＩＧアーク３３の各狙い位置は、ともに第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとが交わる角部Ｐに設定している。

特開２０１６－３０２８９号公報

前記したハイブリッド溶接によれば、レーザー溶接及びＭＩＧ溶接の各デメリットを補って溶接を行うことができる。しかし、ハイブリッド溶接で溶接速度を速く設定すると内隅部の溶着金属（のど厚）が不足するという事象は依然として発生するため、重ね継手の継手強度が低下するとともに、隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性が低下するという問題がある。昨今、溶接対象物の大型化に伴い、溶接長が長くなっていることから、溶接速度の高速化とロバスト性の向上が望まれている。

このような観点から、本発明は、溶接速度の高速化を図ることができるとともに、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性を高めることができる接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、第一金属部材の表面と第二金属部材の裏面とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、先行するレーザー溶接部及び後続するＭＩＧ溶接部を備えるハイブリッド溶接機を用いて、レーザービームを前記第二金属部材の表面から照射してレーザー溶接を行うとともに、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成される内隅部をＭＩＧ溶接する溶接工程と、を含み、前記溶接工程では、前記レーザー溶接部のレーザービームの狙い位置を、前記ＭＩＧ溶接部のＭＩＧアークの狙い位置よりも前記第二金属部材側であって、且つ前記第二金属部材の端面から離間した位置に設定し、前記ハイブリッド溶接機の進行方向正面から見た際の前記レーザービームの狙い角を、前記レーザービームの狙い位置に対して前記第二金属部材の端面とは反対側の前記第二金属部材の表面に対して７０～９０°に設定することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、レーザービームを第二金属部材の表面に照射することで、先行するレーザービームで溶融された第二金属部材の一部が、後続するＭＩＧ溶接の溶着金属となるため、内隅部の溶着金属量（のど厚）を大きくことができる。これにより、溶接速度の高速化と継手強度の向上の両立を図ることができる。また、溶着金属量（のど厚）を大きくすることにより、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性を高めることができる。

また、前記溶接工程では、上から見た際に、前記ハイブリッド溶接機の進行方向と平行な基準線と、前記レーザー溶接部及びＭＩＧ溶接部の先端同士を結ぶ仮想線との回転角を２０～７０°に設定することが好ましい。
また、前記溶接工程では、先行するレーザービームの狙い位置と後続するＭＩＧアークの狙い位置との距離を２～５ｍｍに設定することが好ましい。
また、前記溶接工程では、ＭＩＧアークの狙い角を４０～８０°に設定することが好ましい。
また、前記溶接工程では、ＭＩＧアークの前進角を５～５０°に設定することが好ましい。
また、前記重ね合わせ工程では、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面との間を０～１．０ｍｍに設定することが好ましい。
また、前記溶接工程では、レーザービームを前記第二金属部材の表面に対して垂直に照射することが好ましい。

本発明に係る接合方法によれば、溶接速度の高速化を図ことができるとともに、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性を高めることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法の重ね合わせ工程を示す斜視図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程を示す側面図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程を示す正面図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程を示す平面図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程を側方から見た模式図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程のレーザービームの狙い位置を示す断面図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程のＭＩＧアークの狙い位置を示す断面図である。本実施形態に係る接合方法の溶接工程後の状態を示す断面図である。強度試験の溶接条件を示す表である。強度試験の狙い設定を示す表である。強度試験に係る比較例の継手強度及び継手効率を示す結果表である。強度試験に係る実施例の継手強度及び継手効率を示す結果表である。従来のハイブリッド溶接を示す模式断面図である。

本発明の実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とを重ね合わせた後に溶接で接合し、重ね継手を形成する。本実施形態に係る接合方法では、重ね合わせ工程と、溶接工程と、を行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

重ね合わせ工程は、図１に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを重ね合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、どのような形状でもよいが、本実施形態ではいずれも板状を呈する。第一金属部材１及び第二金属部材２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、鉄鋼、ステンレス鋼等の溶接可能な金属から適宜選択される。

重ね合わせ工程では、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせる。第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとで内隅部が形成される。第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとが交わる点を角部Ｐとする。

溶接工程は、図２～５に示すように、ハイブリッド溶接機１０を用いて内隅部を溶接する工程である。図２，４，５上では、ハイブリッド溶接機１０は右側から左側へ移動する。図３上では、ハイブリッド溶接機１０は奥側から手前側へ移動する。ハイブリッド溶接機１０は、接続部１１と、レーザー溶接部２０と、ＭＩＧ溶接部３０とを含んで構成されている。接続部１１は、例えば、アームロボットの先端に取り付けられている。レーザー溶接部２０は、レーザーヘッド２１を備えており、接続部１１の一端に形成されている。レーザーヘッド２１からレーザービームＬＢが照射される。

ＭＩＧ溶接部３０は、アークトーチ３１を備えており、接続部１１の他端に形成されている。アークトーチ３１から溶加材３２が供給されるとともに、先端側にＭＩＧアーク３３（図５参照）が発生する。

図２に示すように、レーザーヘッド２１の軸部の前進角θ１は、例えば１０°に設定されている。前進角とは、ハイブリッド溶接機１０を側面から見た場合の鉛直軸に対するレーザーヘッド２１の軸部の傾斜角度である。前進角θ１は、鉛直軸に対して－１０～１０°の間で適宜設定すればよい。図３に示すように、レーザーヘッド２１の軸部の狙い角θ３は、例えば９０°に設定されている。つまり、レーザービームＬＢは第二金属部材２の表面２ｂに垂直に照射される。狙い角θ３とは、第二金属部材２の表面２ｂからレーザーヘッド２１の軸部までの開き角度である。狙い角θ３は７０～１１０°の間で適宜設定すればよい。

図３に示すように、レーザーヘッド２１から照射されるレーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１は、本実施形態では端面２ａから離間する方向に２．０ｍｍの位置に設定している。狙い位置Ｑ１は、第二金属部材２の板厚に応じて適宜設定すればよいが、例えば、第二金属部材１ａの端面からの距離をＬ１とすると、０＜Ｌ１≦５．０（ｍｍ）の範囲で設定すればよい。狙い位置Ｑ１は、第二金属部材２の表面２ｂ上であって、かつ、後記するＭＩＧアーク３３の狙い位置Ｑ２よりも第二金属部材２側（端面２ａから離間する側）に設定する。

図２に示すように、アークトーチ３１の軸部の前進角θ２は、例えば、４０°に設定されている。前進角θ２は、３０～５０°の間で適宜設定すればよい。図３に示すように、アークトーチ３１の軸部の狙い角θ４は、例えば、７０°に設定されている。狙い角θ４とは、第一金属部材１の表面１ｂからアークトーチ３１の軸部までの開き角度である。狙い角θ４は、５０～８０°の範囲で適宜設定すればよい。アークトーチ３１から発生するＭＩＧアーク３３（図５参照）の狙い位置Ｑ２は、角部Ｐとなるように設定する。

図４に示すように、ハイブリッド溶接機１０を上から見た場合、レーザーヘッド２１の先端と、アークトーチ３１の先端とを結ぶ仮想線Ｍ１と、ハイブリッド溶接機１０の進行方向に平行な基準線Ｍ２との開き角度（回転角θ５）は、例えば、４０°に設定する。本実施形態では、基準線Ｍ２は、第二金属部材２の端面２ａの面内方向と同一である。回転角θ５は、３０～５０°の間で適宜設定すればよい。仮想線Ｍ１上におけるレーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１からＭＩＧアーク３３の狙い位置Ｑ２までの距離Ｌ２は、約３．０ｍｍに設定されている。距離Ｌ２は、１．０＜Ｌ２≦５．０（ｍｍ）の範囲で適宜設定すればよい。

溶接工程では、図６Ａに示すように、先行するレーザーヘッド２１から照射されるレーザービームＬＢによってレーザー溶接が行われる。レーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１は、第二金属部材２の端面２ａから離れた位置に設定されており、端面２ａと概ね平行に第二金属部材２の端部が溶融する。このとき、図５に示すように、レーザー溶接によって形成されるキーホールＫＨが第一金属部材１に形成される程度にレーザービームＬＢの出力を設定することが好ましい。このようにすると、第二金属部材２の端部がレーザービームＬＢで切断されつつ溶融する。

溶接工程では、図６Ｂに示すように、レーザーヘッド２１に後続するアークトーチ３１によってＭＩＧ溶接が行われる。アークトーチ３１の狙い位置Ｑ２は角部Ｐと重なるように設定している。図５にも示すように、レーザー溶接によって発生する陰極点（レーザービームＬＢの先端側に発生するレーザー誘起プラズマＬＰ）に、後続するＭＩＧアーク３３が誘導される。ＭＩＧアーク３３によって形成された溶融池ＷＰとレーザービームＬＢによって溶融された（切り取られた）第二金属部材２の端部とが融合し、図６Ｃに示すように内隅部に溶着金属Ｗが形成される。

なお、溶接工程では、レーザービームＬＢの出力を前記したように設定したが、第二金属部材２の端部が完全に切断されない程度の深さに設定してもよい。

ここで、図１１に示すように、従来のハイブリッド溶接によれば、レーザービームＬＢの狙い位置と、ＭＩＧアーク３３の狙い位置はいずれも角部Ｐであった。この方法であると、溶接速度を上昇させた場合に、溶着金属が小さくなってしまうというデメリットがあった。また、溶着金属が小さくなってしまうために、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性が低いという問題があった。

これに対し、本実施形態に係る接合方法によれば、レーザービームＬＢを第二金属部材２の上方から表面２ｂに照射することで、先行するレーザービームＬＢで溶融された第二金属部材２の一部が後続するＭＩＧ溶接の溶着金属となるため、溶加材３２とも相まって内隅部の溶着金属量（のど厚Ｗｄ：図６Ｃ参照）を大きくことができる。これにより、溶接速度の高速化と継手強度の向上の両立を図ることができる。また、溶着金属量を大きくすることにより、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性を高めることができる。

また、本実施形態の溶接工程のように、上から見た際に、ハイブリッド溶接機１０の進行方向と平行な基準線Ｍ２と、レーザー溶接部２０及びＭＩＧ溶接部３０の先端同士を結ぶ仮想線Ｍ１との回転角を２０～７０°に設定することが好ましい。
また、本実施形態の溶接工程のように、先行するレーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１と後続するＭＩＧアーク３３の狙い位置Ｑ２との距離Ｌ２は２～５ｍｍに設定することが好ましい。距離Ｌ２が２ｍｍ未満であると、レーザーヘッド２１とアークトーチ３１との距離が近すぎて好適に接合することが困難となる。距離Ｌ２が５ｍｍを超えるとレーザー溶接の陰極点によるＭＩＧアーク３３の誘導作用が発揮できなくなり、溶着ビード（溶着金属Ｗ）が蛇行するおそれがある。

また、重ね合わせ工程では、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｃとの間を０～１．０ｍｍに設定することが好ましい。隙間が１．０ｍｍを超えると接合強度が低下するおそれがある。
また、溶接工程では、ＭＩＧアーク３３の狙い角θ４を４０～８０°に設定することが好ましい。また、前記溶接工程では、ＭＩＧアーク３３の前進角θ２を５～５０°に設定することが好ましい。

次に、本実施形態に係る実施例について説明する。ここでは、第一金属部材１と第二金属部材２とをハイブリッド溶接機１０を用いて接合して重ね継手を形成し、当該重ね継手について引張試験を行った。比較例及び実施例ともに、第一金属部材１はアルミニウム合金Ａ５０５２－Ｈ３４、厚みｔ＝２．０ｍｍを用いた。比較例及び実施例ともに、第二金属部材２はアルミニウム合金Ａ６０６１－Ｔ６、厚みｔ＝３．０ｍｍを用いた。

図７に示すように、比較例及び実施例の溶接速度は５．０（ｍ／ｍｉｎ）に設定した。レーザー出力は、比較例では２．５（ｋＷ）に設定し、実施例では５．０（ｋＷ）に設定した。ＭＩＧアークの溶接電流は、比較例では２２８（Ａ）に設定し、実施例では２５０（Ａ）に設定した。その他の条件は図７に示す通りである。

図８に示すように、比較例及び実施例のレーザーヘッド２１の前進角θ１は共に１０°に設定し、アークトーチ３１の前進角θ２は共に４０°に設定した。比較例のレーザーヘッド２１の狙い角は４５°に設定し、実施例のレーザーヘッド２１の狙い角θ３は９０°に設定した。比較例のＭＩＧアーク３３の狙い角は４５°に設定した。

比較例では、レーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１及びＭＩＧアーク３３の狙い位置Ｑ２はいずれも内隅部の角部Ｐに設定した。比較例の距離Ｌ２は３．０ｍｍに設定した。
一方、実施例では、レーザービームＬＢの狙い位置Ｑ１は、第二金属部材２の端面２ａから２．０ｍｍ（オフセット距離０ｍｍ）の位置を基準として、端面２ａ側へ－０．５ｍｍ（オフセット距離－０．５ｍｍ）、端面２ａから離間する方向へ＋０．５ｍｍ（オフセット距離０．５ｍｍ）の位置の３種類に設定した。実施例のＭＩＧアーク３３の狙い位置Ｑ２は内隅部の角部Ｐに設定した。実施例の回転角θ５は４０°に設定し、距離Ｌ２は３．０ｍｍに設定した。

また、比較例及び実施例ともに、前記のオフセット距離に対し、第一金属部材１と第二金属部材２の隙間を０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの３種類に設定した。これにより、比較例ではＮＯ．１～９の試験片が得られ、実施例ではＮＯ．１０～１８の試験片が得られた。

また、比較例及び実施例とも、各試験片に対して引張試験を行い、下記の式（１）を用いて継手効率（％）を算出した。継手効率が７０％を超えたものを「良好」とした。

Ｆ_Ｊ：継手の引張せん断強度（Ｎ／ｍｍ）
Ｆ_ＢＭ：第二金属部材２（薄板側母材）のＪＩＳ規格下限強度（Ｎ／ｍｍ^２）
ｔ：第二金属部材２（薄板側母材）の板厚（ｍｍ）
ｗ：引張試験片の幅（ｍｍ）

図９に示すように、比較例では継手強度が最も高いものでもＮＯ．２の２９９（Ｎ／ｍｍ）であり、継手効率も全て７０％を下回った。また、溶着金属Ｗも内隅部に向けて凹となるように減肉している。

これに対し、図１０に示すように、実施例では継手強度が３３６～４２９（Ｎ／ｍｍ）であり、継手効率も全て７０％を上回った。また、溶着金属Ｗは内隅部から離間する方向に向けて凸となるように大きなのど厚で形成されている。実施例に係る溶着金属Ｗの平均断面積は、比較例に係る溶着金属Ｗの平均断面積の約３倍の大きさであった。

実施例であると、第一金属部材１の表面２ｂと第二金属部材２の裏面２ｃ同士の隙間が０～１．０ｍｍであっても継手強度及び継手効率を高めることができることがわかった。また、実施例であると、レーザービームＬＢの位置が狙い位置から±０．５ｍｍずれたとしても、継手強度及び継手効率を高めることができることがわかった。つまり、実施例によれば、溶接速度を速くしても、溶着金属Ｗののど厚を大きくすることができるため、金属部材同士の隙間や溶接狙い位置の位置ずれを許容するロバスト性を高めることができることがわかった。

また、実施例によれば、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｃとの隙間が小さいほど、継手強度及び継手効率がともに高いことが分かった。

１第一金属部材
２第二金属部材
１０ハイブリッド溶接機
２０レーザー溶接部
２１レーザーヘッド
３０ＭＩＧ溶接部
３１アークトーチ
３２溶加材
３３ＭＩＧアーク
ＬＢレーザービーム
Ｗ溶着金属
θ１レーザーヘッドの前進角
θ２アークトーチの前進角
θ３レーザーヘッドの狙い角
θ４アークトーチの狙い角
θ５回転角

Claims

第一金属部材の表面と第二金属部材の裏面とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、
先行するレーザー溶接部及び後続するＭＩＧ溶接部を備えるハイブリッド溶接機を用いて、レーザービームを前記第二金属部材の表面から照射してレーザー溶接を行うとともに、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成される内隅部をＭＩＧ溶接する溶接工程と、を含み、
前記溶接工程では、前記レーザー溶接部のレーザービームの狙い位置を、前記ＭＩＧ溶接部のＭＩＧアークの狙い位置よりも前記第二金属部材側であって、且つ前記第二金属部材の端面から離間した位置に設定し、前記ハイブリッド溶接機の進行方向正面から見た際の前記レーザービームの狙い角を、前記レーザービームの狙い位置に対して前記第二金属部材の端面とは反対側の前記第二金属部材の表面に対して７０～９０°に設定することを特徴とする接合方法。
前記溶接工程では、上から見た際に、前記ハイブリッド溶接機の進行方向と平行な基準線と、前記レーザー溶接部及びＭＩＧ溶接部の先端同士を結ぶ仮想線との回転角を２０～７０°に設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
前記溶接工程では、先行するレーザービームの狙い位置と後続するＭＩＧアークの狙い位置との距離を２～５ｍｍに設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記溶接工程では、ＭＩＧアークの狙い角を４０～８０°に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。
前記溶接工程では、ＭＩＧアークの前進角を５～５０°に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
前記重ね合わせ工程では、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面との間を０～１．０ｍｍに設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合方法。
前記溶接工程では、レーザービームを前記第二金属部材の表面に対して垂直に照射することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の接合方法。