(57)【要約】フレア継手のレーザ溶接継手構造であって、開先におけるビーム入射部で、被溶接部材１，２の少なくとも一方にＩ形開先状の平坦部４を設けるレーザ溶接継手構造。前記レーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレア継手のレーザ溶接継手構造であって、開先におけるビーム入射部で、被溶接部材の少なくとも一方にＩ形開先状の平坦部を設けるレーザ溶接継手構造。
【請求項２】
前記Ｉ形開先状の平坦部の幅が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接継手構造。
【請求項３】
前記Ｉ形開先状の平坦部の幅Ｔ［ｍｍ］が、下記式を満足している請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接継手構造。
Ｔ≧Ｑ／１５００
ここで、Ｑはレーザ出力［Ｗ］／溶接速度［ｍ／ｍｉｎ］であり、溶接入熱又は入熱という。
【請求項４】
前記フレア継手のレーザ溶接部における溶接金属の横断面ミクロ組織に関して、表面幅が、前記表面の直下の溶接金属の幅と同等もしくはそれ以上の大きい溶込み状態を呈する請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接継手構造。
【請求項５】
フレア継手のレーザ溶接部の溶接金属中央の縦断面ミクロ凝固組織に関して、表面の凝固点が、表面より下層部の凝固点と同等、もしくは溶接進行方向に対して最も後方に位置する凝固組織を呈する請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接継手構造。
【請求項６】
請求項の範囲第１項に記載のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
【請求項７】
請求項の範囲第２項に記載のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
【請求項８】
請求項の範囲第３項に記載のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
【請求項９】
請求項の範囲第４項に記載のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
【請求項１０】
請求項の範囲第５項に記載のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、プレス成形によって形成された鋼部材同士あるいはプレス成形品と鋼材といった被溶接部材同士をレーザ溶接により接合する溶接継手構造に関わる。
特に、断面からみた開先の形状が、円弧と円弧、又は円弧と直線とで構成されているフレア継手（ｆｌａｒｅ  ｇｒｏｏｖｅ  ｊｏｉｎｔ）のレーザ溶接継手構造に関する。
前記被溶接部材の例としては、ガス発生器等の自動車部品、建築部材、家電部品等を構成する鋼材等が挙げられる。
以下、フレア継手の断面からみた開先の形状が、円弧と円弧とで構成されている場合、フレアＶ形開先（ｆｌａｒｅ  ｓｉｎｇｌｅ  Ｖ  ｇｒｏｏｖｅ）と称す。また、フレア継手の断面からみた開先の形状が、円弧と直線とで構成されている場合、フレアレ形開先（ｆｌａｒｅ  ｓｉｎｇｌｅ  ｂｅｖｅｌ  ｇｒｏｏｖｅ）と称す。
背景技術
レーザ溶接は、電子ビーム溶接のように真空雰囲気中での溶接という制限がなく、大気中での溶接が可能である。また、ビームのエネルギー密度が高く、高速溶接が可能であり、溶接による変形が少ないという特徴をもっている。そのため、適用分野が広がっている状況である。
通常のレーザ溶接を適用する場合の継手の開先の断面形状は、矩形が大半を占める。以下、断面からみた開先形状の平坦部をＩ形開先（ｓｑｕａｒｅ  ｇｒｏｏｖｅ）と称す。
しかし、製品によっては、フレア継手である場合、断面からみた開先の形状が、第１０図に示すようにフレアＶ形、又は、第１１図に示すようにフレアレ形である。
従来、このような継手をレーザ溶接する場合、所望の溶込み深さを得るため、溶接速度、ビーム出力を調整して溶接を行う。
しかし、ある程度の溶込み深さ、例えば、１．５ｍｍ以上の溶込み深さを０．５ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で得ようとすると、溶接金属の表層部に割れが発生するという問題が生じていた。
このような割れは、直線状の溶接線の場合もさることながら、拘束が高い嵌め込み継手のフレア継手の場合は、きわめて発生しやすいのが現状である。
そこで、この割れを回避するため、割れの原因のひとつであるリン（以下、Ｐという。）や硫黄（以下、Ｓという。）の少ない高純度の鋼材を使用することで対応していた。
しかしながら、この場合、使用する鋼種が限られるという問題があった。
本発明の第１の目的は、フレア継手をレーザ溶接するさい、汎用性の高い通常の鋼部材であっても、溶接金属の表層部の割れが発生しないレーザ溶接継手構造を提供することにある。
特に、溶接部の表層部に割れを発生させずに、０．５ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で、１．５ｍｍ以上の溶込み深さを得ることのできるレーザ溶接継手構造を提供することにある。
本発明の第２の目的は、前記レーザ溶接継手構造を有して溶接の表面に割れ等の発生もなく、継手部分の信頼性が向上したガス発生器を提供することにある。
発明の開示
本発明者等は、レーザ溶接により、フレア継手を溶接する場合に発生する割れの原因を探るため、溶接部における溶接金属の横断面組織や縦断面組織を詳細に調べた。
その結果を、第１２図を参照つつ、開先の断面形状がＶ形のフレア継手である場合を例にとり説明する。第１２図において、符号１，２は鋼の被溶接部材、３は溶接金属である。第１２図は、溶接部における溶接金属３の横断面組織モデルを示しており、割れ５が発生している。溶接金属３の表面の幅ＴＵ［ｍｍ］が、表面の直下の幅ＴＬ［ｍｍ］に比べて小さくなっていることが判明した。また、フレア継手において、ほとんどこのような形状になってしまうことを確認した。
第１３図は溶接部における溶接金属３の縦断面ミクロ組織を模擬した図である。表面部１２の凝固に対して、表面下の下層部１３の凝固線１１が溶接方向に対して後方側に遅れていることが確認された。
すなわち、割れ５の発生の有無は、この表面下の下層部１３の凝固遅れの有無と関係しており、この凝固遅れが生じない溶接施工条件を見出すことがポイントとなる。
本発明者等は溶接部における溶接金属の表面の直下で凝固遅れが生じない溶接施工条件を見出すべく鋭意研究した。
その結果、溶接条件の改善のみでは解決せず、開先構造を改善することが効果的であることを見出した。
即ち、本発明のレーザ溶接継手構造は、フレア継手のレーザ溶接継手構造であって、開先におけるビーム入射部で、被溶接部材の少なくとも一方にＩ形開先状の平坦部を設けることを特徴とする。
これにより、前記フレア継手のレーザ溶接部における溶接金属の横断面ミクロ組織に関して、表面幅が、その他の箇所、特に前記表面の直下の溶接金属の幅と同等もしくはそれ以上の大きい溶込み状態となる。
また、フレア継手のレーザ溶接部の溶接金属中央の縦断面ミクロ凝固組織に関して、表面の凝固点が、その他の箇所、特に表面より下層部の凝固点と同等、もしくは溶接進行方向に対して最も後方に位置するようになる。
そのため、汎用性の高い通常の鋼材製のフレア継手であっても、レーザ溶接部の表層部の割れが発生しない。
前記Ｉ形開先状の平坦部の幅Ｔは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。Ｉ形開先状の平坦部の幅Ｔが０．５ｍｍ未満では、実用上適用されるレーザ溶接条件に対して過小であり、ほとんど効果がみとめられない。
また、Ｉ形開先状の平坦部の幅Ｔ［ｍｍ］が、下記式を満足していることが好ましい。
Ｔ≧Ｑ／１５００
ここで、Ｑはレーザ出力［Ｗ］／溶接速度［ｍ／ｍｉｎ］である。以下、Ｑを溶接入熱又は単に入熱という。
そして、本発明のガス発生器は前記レーザ溶接継手構造を有することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下に、図面を参照しつつ本発明に係るレーザ溶接継手構造の実施形態の一例を説明する。
第１図（ａ），第１図（ｂ）は、フレアレ形開先を有するフレア継手のレーザ溶接部の断面を示す図である。両被溶接部材１，２にＩ形開先状の平坦部４が形成されている。
第１図（ａ）は溶接金属の溶接方向に対する横断面ミクロ組織を示しており、溶接金属の横断面溶込み状況を表している。第１図（ｂ）は溶接金属の縦断面凝固線の形態を表す模擬図であり、割れが発生しない場合の形態を示すものである。
第１図（ａ）において、１，２は被溶接部材である鋼部材を示し、３は溶接金属部、４はＩ形開先状に形成した平坦部を示している。また、第１図（ｂ）において、１１は溶接金属の凝固線を示し、１２は溶接金属の表面を示し、１３は溶接金属の表面下の下層部を示している。
第１図（ａ）に示すように、開先のビーム入射部にＩ形開先状の平坦部４を設けることで、溶接金属の表面部１２の幅ＴＵ［ｍｍ］が表面直下の幅ＴＬ［ｍｍ］より大きくなることが確認された。また、第１図（ｂ）に示すように、縦断面ミクロにおける凝固線１１は表面部１２の凝固線１１が最も溶接方向の後方に位置していることが確認された。このことは、溶接金属における最終凝固部が溶接金属表面に移行したことを裏付けており、これにより凝固割れが防止できる。
第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は、フレアレ形開先を有するフレア継手のレーザ溶接部の断面を示す図である。一方の被溶接部材にＩ形開先状の平坦部４が形成されている。第２図（ａ）は溶接方向に対する溶接金属３の横断面ミクロ組織を示し、溶接金属３の横断面溶込み状況を表している。第２図（ｂ）は溶接方向に対する溶接金属の縦断面ミクロ凝固組織を示しており、溶接金属の縦断面擬固線の形態を表す模擬図である。
第２図（ｂ）に示すように、縦断面ミクロにおける凝固線１１は表面部１２の凝固線１１が従来に比べて溶接方向の後方に位置していることが確認された。これにより凝固割れが防止できる。
このように、フレアレ形継手の開先にＩ形開先状の平坦部４を被溶接部材の一方もしくは両方に設けることによって、溶接部の表面に生成する割れを有効に防止することができる。
ここで、このＩ形開先状の平坦部４の幅は、広い方がより有効である。なぜなら、平板の突合せ継手と同様となるからである。しかし、フレア継手に要求される強度との関連から、必要最小限に設定することが好ましい。
ここで、溶接金属の表面部１２の幅ＴＵ［ｍｍ］は、概ね溶接時のレーザ出力と溶接速度の比でほぼ一義的に決定されるものである。レーザ出力が高くなるほど、また溶接速度が低くなるほど幅ＴＵ［ｍｍ］が大きくなる。この幅ＴＵ［ｍｍ］より平坦部４の幅Ｔ［ｍｍ］が小さい場合は、溶接金属の表面直下の凝固遅れを完全に回避することが難しくなる。
したがって、溶接入熱Ｑが大きくなるにしたがって、平坦部幅Ｔ［ｍｍ］を大きくする必要がある。尚、前記溶接入熱Ｑは（レーザ出力［Ｗ］／溶接速度［ｍ／ｍｉｎ］である。
更に、平坦部の幅が０．５ｍｍ未満では、実用上適用されるレーザ溶接条件に対して過小であり、ほとんど効果がみとめられない。また、溶接入熱Ｑの値が５００未満の溶接条件では、溶接金属部の断面積が小さく、割れが問題となるような金属製品に適用されるケースが希であると判断される。この溶接入熱Ｑの値は、５００以上２２５０以下が好ましい。
また、フレア継手７の開先形状がＶ形である場合が、第８図（ｂ），第８図（Ｃ）に示されている。第８図（ｂ）において、Ｉ開先状の平坦部４は被溶接部の一方の部材に施されている。前記平坦部４の幅はＴＳ［ｍｍ］である。第８図（Ｃ）において、Ｉ開先状の平坦部４は被溶接部の両側部材に施されている。前記平坦部４の幅はＴＤ［ｍｍ］である。開先形状がＶ形である場合もフレア継手の開先形状がレ形である場合と同様であるので、その説明を省略する。
以上のようなレーザ溶接継手構造は、溶接部性能に悪影響をおよぼす割れの発生を完全に防止することができ、溶接部の品質の向上のみならず、溶接工数および検査、補修工数の大幅減少が実現でき、製造コストの大幅な低減が可能となる効果を奏する。
次に、具体的な実施例により、上記本実施形態例に係るレーザ溶接継手構造を説明する。
［実施例１］
第４図において、φ６０．５ｍｍｍ、板厚３．５ｍｍのＪＩＳＧ３４５２  ＳＰＧ鋼材を円筒状に機械加工し、第１鋼部材１とした。更に、板厚３ｍｍのＪＩＳＧ３１４１  ＳＰＣＤ鋼材をプレス成形した。その後、機械加工し、フランジ部を有した円筒状の第２鋼部材２とした。
これら第１鋼部材１を第２鋼部材２に嵌め込み、開先形状がフレアレ形のフレア継手７を構成した。
そして、第５図（ｂ）に示すように、Ｉ形開先状の平坦部４を第２鋼部材に形成した。前記平坦部４の幅はＴＳ［ｍｍ］とした。
また、第５図（Ｃ）に示すように、Ｉ形開先状の平坦部４を第１鋼部材及び第２鋼部材に形成した。前記平坦部４の幅はＴＤ［ｍｍ］とした。
これに、第１４図中の表１に示す溶接条件の範囲でＣＯ２レーザ溶接を行った。そして、溶接部の表面および断面において割れが発生しているか否かを調査した。
［比較例１］
比較例１として、第５図（ａ）に示す従来のフレアレ形継手開先の場合についても、実施例１と同様の条件でＣＯ２レーザ溶接を行い、溶接部表面および断面調査により割れ発生の有無を調査した。
なお、実施例１及び比較例１ともに、レーザ溶接装置は５ｋＷレーザ溶接装置を用い、試験部材を回転治具にチャッキングし、回転させながら溶接した。第１４図中の表１に試験溶接条件範囲を示す。第１５図中の表２に試験溶接条件および割れ調査結果を示す。
［考察１］
表２からわかるように、表面に平坦部を設けない比較例１の開先では、溶接条件を変化させても、割れ発生を回避することができなかった。表面に平坦部を設けた実施例１の開先により、種々の溶接条件において、割れ発生を回避できることが確認された。
適正な平坦部幅Ｔ［ｍｍ］は、試験結果から下記式を満足するように設定することが好ましいことが確認された。
Ｔ≧Ｑ／１５００
ここで、Ｑはレーザ出力［Ｗ］／溶接速度［ｍ／ｍｉｎ］である。
前記試験結果は、第６図に示されている。第６図は、溶接部の割れの有無と、開先表面の平坦部幅Ｔ［ｍｍ］及び溶接入熱Ｑとの関係を示すグラフである。
なお、本実施例１の溶接部について、溶込み状態を調査した結果、いずれも１．５ｍｍ以上の溶込み深さが得られていることを確認した。また、横断面ミクロ組織において溶接金属表面の幅が表面直下の幅より大きいことも確認した。さらに、溶接金属中央の縦断面ミクロ凝固組織において、溶接金属表面の凝固点が、表面直下を含めたその他の表面下層部の凝固点に比べて最も溶接進行方向に対して後方に位置していることも確認できた。
［実施例２］
第７図において、板厚３ｍｍのＪＩＳＧ３１４１  ＳＰＣＤ鋼材をプレス成形して後機械加工を施し、円盤状の第１鋼部材１を成形した。これをフランジ部を有した第２鋼部材２に組み合わせて嵌め込み、開先形状がフレアＶ形のフレア継手７を構成した。
そして、第８図（Ｃ）に示すように、Ｉ形開先状の平坦部４を第１鋼部材及び第２鋼部材に形成した。前記平坦部４の幅はＴＤ［ｍｍ］とした。
これに、ＹＡＧレーザ溶接を行い、溶接部表面および断面調査により割れ発生の有無を調査した。
［比較例２］
比較例２として、第８図（ａ）に示す開先形状が従来のＶ形であるフレア継手の場合についても、実施例２と同様の条件でＹＡＧレーザ溶接を行い、溶接部表面および断面調査により割れ発生の有無を調査した。
なお、実施例２及び比較例２ともに、レーザ溶接装置は５ｋＷレーザ溶接装置を用いた。そして、試験部材を回転治具にチャッキングし、回転させながら溶接した。試験溶接条件の範囲を表１として第１４図に示す。試験溶接条件および割れ調査の結果を第１６図に表３として示す。
［考察２］
表３からわかるように、開先形状がＶ形のフレア継手についても、実施例１と同様、表面に平坦部を設けない比較例２の開先では、溶接条件を変化させても、割れ発生を回避することができなかった。
表面に平坦部を設けた実施例２の開先の場合、種々の溶接条件において、割れ発生を回避できることが確認された。
適正な平坦部幅Ｔ［ｍｍ］は、試験結果から下記式を満足するように設定することが好ましいことが確認された。
Ｔ≧Ｑ／１５００
ここで、Ｑはレーザ出力［Ｗ］／溶接速度［ｍ／ｍｉｎ］である。
前記試験結果は、第９図に示されている。第９図は、溶接部の割れの有無と、開先表面の平坦部幅Ｔ［ｍｍ］及び溶接入熱Ｑとの関係を示すグラフである。
以上のように、開先形状がＶ形又はレ形のフレア継手のレーザ溶接において、汎用性の高い通常の鋼材であっても溶接金属の表層部に割れが発生しない。
［ガス発生器］
このことから、第３図に示すような自動車のエアバッグ等を膨張させるためのガス発生器２０の各継手部分への適用も可能となる。
なお、ここで示すガス発生器は、ガス発生器としての実施形態の一例であり、本発明のレーザ溶接継手構造を有するガス発生器は、ここに示すガス発生器に限定されるものではない。
第３図に示すガス発生器２０は、運転席用エアバッグを膨張展開させるものである。ハウジング２３と、円筒状の第１仕切り部材６と、第２仕切り部材２７と、フィルター材２８と、ガス発生剤２９と、点火手段３１，３０とを備えている。
ハウジング２３は、イニシエータシェル２１とクロージャシェル２２とからなる短尺円筒である。円筒状の第１仕切り部材６は、ハウジング２３内を周方向に燃焼室２４ａ，２４ｂと、フィルター室２５とに区画する。第２仕切り部材２７は、燃焼室２４ａ，２４ｂを上下２つの燃焼室２４ａ，２４ｂに画成する。フィルター材２８は、フィルター室２５に装着されている。ガス発生剤２９は、各燃焼室２４ａ，２４ｂ内に装填されている。点火手段３１，３０は、前記ガス発生剤２９をそれぞれ独立して燃焼させる。
前記イニシエータシェル２１とクロージャシェル２２は、突き合わされてレーザー溶接されるフレア継手を構成する。その溶接部５０の開先形状はレ形である。そのレ形開先のビーム入射部で、イニシエータシェル２１とクロージャシェル２２の少なくとも一方にＩ形開先状の平坦部を設けて溶接する。
また、各点火手段３１，３０を支持する底盤部３２と前記イニシエータシェル２１とは、レーザー溶接されるフレア継手を構成する。その溶接部５１の開先形状はＶ形である。そのＶ形開先のビーム入射部で、底盤部３２とイニシエータシェル２１の少なくとも一方にＩ形開先状の平坦部を設けて溶接する。
このような継手構造は、両溶接部５０，５１の溶接の表面に割れ等の発生もなく、ハウジング２３内を確実に密封する。このように、ガス発生器の汎用的な材料から構成される継手部分へも本実施形態例に係わる継手構造が適用できる。その結果、レーザ溶接による継手部分の信頼性を高めることができる。
尚、本発明は、上記の好ましい実施形態例に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態例が他になされることができることは理解されよう。
産業上の利用可能性
本発明は以上のように構成されており、フレア継手をレーザ溶接するさい、汎用性の高い通常の鋼部材であっても、溶接金属の表層部の割れが発生しないレーザ溶接継手構造として最適である。
特に、溶接部の表層部に割れを発生させずに、０．５ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で、１．５ｍｍ以上の溶込み深さを得ることのできるレーザ溶接継手構造として最適である。
そして、本発明のレーザ溶接継手構造を有して、溶接の表面に割れ等の発生もなく、継手部分の信頼性が向上したガス発生器として最適である。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ），第１図（ｂ）は、フレアレ形開先を有するフレア継手の両被溶接部材にＩ開先状の平坦部を形成した一例である。第１図（ａ）は溶接金属の横断面溶込み状況を示すものであり、第１図（ｂ）は溶接金属の縦断面凝固線の形態を表す模擬図であり、割れが発生しない場合の形態を示すものである。
第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は、フレアレ形開先を有するフレア継手の一方の被溶接部材にＩ形開先状の平坦部を形成したレーザ溶接部を表わす一例である。第２図（ａ）は溶接金属の横断面溶込み状況を示すものであり、第２図（ｂ）は溶接金属の縦断面凝固線の形態を表す模擬図であり、割れが発生しない場合の形態を示すものである。
第３図は、本発明に係るレーザ溶接継手構造を有するガス発生器の一例の断面図である。
第４図は、実施例１における溶接試験部材形状を示すものである。
第５図（ａ）はフレア継手の従来のレ形開先を示すもので、第５図（ｂ）は実施例１における溶接試験部材の開先形状を示すもので、片側部材にＩ形開先状の平坦部を設けたフレアレ形開先、第５図（ｃ）は実施例１における溶接試験部材の開先形状を示すもので、両側部材にＩ形開先状の平坦部を設けたフレアレ形開先を示す図である。
第６図は、実施例１の試験結果から得られた、溶接部の割れの有無と開先表面の平坦部幅Ｔ［ｍｍ］、溶接入熱Ｑとの関係を示す図である。
第７図は、実施例２における溶接試験部材形状を示すものである。
第８図（ａ）はフレア継手の従来のフレアＶ形開先、第８図（ｂ）は片側部材にＩ形開先状の平坦部を設けたフレアＶ形開先、第８図（ｃ）は実施例２における溶接試験部材の開先形状を示すもので、両側部材にＩ形開先状の平坦部を設けたフレアＶ形開先を示す図である。
第９図は、実施例２の試験結果から得られた、溶接部の割れの有無と開先表面の平坦部幅Ｔ［ｍｍ］、溶接入熱Ｑとの関係を示す図である。
第１０図は、フレア継手の従来のＶ形開先の一例を示すものである。
第１１図は、フレア継手の従来のレ形開先の一例を示すものである。
第１２図は、フレア継手の従来技術におけるＶ形開先をレーザ溶接した場合の断面図であり、割れの発生に関する説明図である。
第１３図は、従来技術におけるレーザ溶接部の溶接金属の縦断面凝固線の形態を表す模擬図であり、割れが発生する場合の形態を示すものである。第１４図は、試験溶接条件の範囲に関する表１を示す図である。
第１５図は、実施例１における試験溶接条件および割れ調査結果に関する表２を示す図である。
第１６図は、実施例２における試験溶接条件および割れ調査結果に関する表３を示す図である。
【図１（ａ）】
2003076122.tif 000003
【図１（ｂ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図６】
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【図７】
2003076122.tif 000013
【図８（ａ）】
2003076122.tif 000014
【図８（ｂ）】
2003076122.tif 000015
【図８（ｃ）】
2003076122.tif 000016
【図９】
2003076122.tif 000017
【図１０】
2003076122.tif 000018
【図１１】
2003076122.tif 000019
【図１２】
2003076122.tif 000020
【図１３】
2003076122.tif 000021
【図１４】
2003076122.tif 000022
【図１５】
2003076122.tif 000023
【図１６】
2003076122.tif 000024
【国際調査報告】
2003076122.tif 000025
2003076122.tif 000026