(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの第１金属シート（１）および第２金属シート（２）をレーザ溶接により接合する方法に関し、前記各シートは少なくとも部分的に互いの上に積層されて重なり領域（５）を形成する。シートが積層された後に、各シートは重なり領域（５）で振動線（４）に沿って溶接される。
2008526520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１金属シート（１）および第２金属シート（２）をレーザ溶接により接合する方法であって、前記各シートは少なくとも部分的に互いの上に積層されて重なり領域（５）を形成し、各シート（１、２）は積層後に重なり領域（５）で振動線（４）に沿って溶接されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記振動線（４）は本質的に波状の形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シート（１、２）の重なり領域（５）の上にレーザ（６）が設けられることを特徴とする、前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項４】
前記振動線（４）は、主荷重の方向（８）に対して一定の角度（７）に、好ましくは主荷重の方向（８）を本質的に横断するように、特に最も好ましくはおよそ４５°の角度で延びることを特徴とする、前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
前記振動線（４）の長さ（９）は１０乃至２５ｍｍであり、好ましくは１５乃至２０ｍｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
前記第１シート（１）および第２シート（２）は異なる厚さ（１０）を有し、レーザ（６）に向かう方向に厚さ（１０）が小さくなるように積層されていることを特徴とする、特に前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
−レーザ（６）に向かう方向に厚さ（１０）が小さくなるようにすべてのシート（１、２、３）を積層し、その後接合溶接するか、または
−レーザ（６）に向かう方向に厚さ（１０）が小さくなるように前記少なくとも２つの最も厚いシート（１、２、３）を積層して溶接し、その後レーザ（６）に向かう方向に厚さ（１０）が小さくなるように次に薄いまたは薄い方のシート（１、２、３）を前記溶接済みの厚い方のシート（１、２、３）の上に積層してそれに溶接するか、または
−いずれの場合においてもレーザ（６）に向かう方向に厚さ（１０）が小さくなるように既に溶接済みの厚い方のシート（１、２、３）の上に（複数の）薄い方のシート（１、２、３）を積層することと、その後前記積層された各シートを溶接することとを、すべてのシート（１、２、３）が溶接されるまで数回繰り返す
ことを特徴とする、重なり領域（５）を形成するように少なくとも部分的に互いの上に積層された少なくとも３つの金属シート（１、２、３）をレーザ溶接により接合するための、特に前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
重なり領域（５）において少なくとも１つのシート（１、２、３）にエンボス加工（１２）を施すことを特徴とする、前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
車両、特に自動車、特に自動車座席のフレームの部品の製造への前記請求項のいずれか一つに記載の方法の使用。
【請求項１０】
前記請求項１乃至８のいずれか一つに記載の方法によって製造されることを特徴とする部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの第１金属シートおよび第２金属シートをレーザ溶接により接合する方法に関し、前記各シートは少なくとも部分的に互いの上に積層されて、重なり領域を形成する。本発明はさらに、少なくとも３つの金属シートをレーザ溶接により接合する方法に関する。本発明はまた、前記各方法の使用および前記各方法のいずれかにより製造される部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃料消費量は輸送される重量に従って増大する。車両産業、特に自動車産業においては、常に車両の快適さを増すために使用される部品の数が増加するに従って、車両の装備重量が増大していることは一般的に知られている。従って、車両の部品の重量を最適化することが車両産業における製造の１つの主要な課題である。
【０００３】
さらに、例えば、特に凹凸のある地面の上での自動車の走行時の振動、および特に事故が発生した場合の高い安全性のレベルなど、大きな荷重下での車両内の部品の高い耐久性が要求されており、このため部品は高い剛性および強度を発揮することが必要とされる。
【発明の開示】
【０００４】
従って、本発明の目的は、特に車両、とりわけ自動車の部品の重量を最適化することである。それによって前記部品は高い剛性および強度を同時に発揮する。また同時に、特に組み立て時間を最適化することにより、とりわけ部品の挿入および溶接時間を最適化することにより、各部品を安価に製造することができる。
【０００５】
この目的は、少なくとも１つの第１金属シートおよび第２金属シートをレーザ溶接により接合する方法により達成され、前記各シートは少なくとも部分的に互いの上に積層されて重なり領域を形成し、前記各シートは積層後に重なり領域で振動線に沿って溶接される。
【０００６】
この振動線は、レーザのレーザビームがこのレーザに対向する金属シートに対して作用する線である。
【０００７】
当業者には理解されるように、シートが溶接される際に沿う振動線の外形は、基本的に溶接中に形成される溶接継ぎ目の外形に対応する。
【０００８】
振動線に沿った本発明による溶接の結果、形成された溶接継ぎ目は直線に沿った溶接と比較して長くなる。また、前記直線は少なくとも２つの点で振動線と交差する軸の上へ振動線を投影したものに相当する。振動線に沿ったシートの溶接中に形成される溶接継ぎ目が直線に沿った溶接中に形成される溶接継ぎ目よりも長いほど、溶接継ぎ目の強度は高くなる。
【０００９】
その溶接継ぎ目のより高い強度を考慮すると、本発明の方法によって製造される部品はより高い強度および剛性を有しているため、より大きな耐久性を有すると共に、より大きな荷重に耐えることができる。従って、一方では、シートの厚さは必要に応じて小さくすることができ、その場合は製造された部品の剛性および強度は高くならないかまたはあまり高くならないが、部品の重量は減少する。従って、本発明の方法は、各部品を一方ではその強度および剛性に関して、他方ではその重量に関して最適化することを可能にする。
【００１０】
振動線は本質的に波状の形状を有することが好ましい。当業者には理解されるように、例えば、曲線状、ジグザグ型または円形などのほかの本質的に任意の振動線の軌道も可能である。しかし、波状または曲線状の振動線の場合の応力曲線はより均一であるが、ジグザグ型の振動線の軌道の場合では、溶接継ぎ目に、この溶接継ぎ目の割れを引き起こすおそれのある応力ピークが発生する場合がある。一方、円形の軌道ではレーザおよび／またはシートを後ろへ移動させる必要がある。従って、ジグザグ型または円形の振動線の軌道は、溶接継ぎ目の製造中の速度に関しておよび／または（複数の）シートの輸送に関しては最適なものではない。波状の軌道の場合は、レーザおよび／またはシートを均一に移動させることができるため、特に溶接時間に関して、組み立ての速度が最適化される。
【００１１】
さらに、波状の振動線の軌道の場合、その振幅および波長を、製造される部品に利用可能な空間に応じて変化させることができる。当業者には理解されるように、レーザ溶接方法は非接触の方法であるため、例えば抵抗スポット溶接のような溶接するシートとの接触を必要とするほかの溶接方法の場合よりも、はるかに接近し難い部品の領域で用いることができる。特に、抵抗スポット溶接とは対照的に、レーザ溶接では一方側からのみの接近が要求されるからである。従って、溶接の対象となっている部品の領域の幅（例えばフランジの幅）は、溶接するシート（特にシートまたは製造される部品の複雑な形状）との接触を要求する溶接方法によって溶接される場合よりも、小さく選択することができる。このため、要求される（複数の）シートの大きさは小さくなり、製造される部品の重量が減少する。
【００１２】
さらに、直線の溶接継ぎ目と比較して溶接継ぎ目の長さが長くなるために、波状の振動継ぎ目の振幅の増大または波長の短縮化に従って、溶接継ぎ目の強度および部品の剛性が高まる。その結果、振動線の振幅および波長を変化させることによって、溶接継ぎ目の強度および部品の剛性を設定することができる。
【００１３】
シートは溶接中に重なり領域を有し、また、シートを互いに対して非常に正確に配置しなければならない突合せ溶接法によってシートを溶接するのではなく、そしてまた、シートの挿入に対してより大きな許容範囲を可能にする振動線に沿った溶接であるので、従来の抵抗スポット溶接よりも高いシートの挿入精度は本発明の方法には必要とされない。
【００１４】
シートの重なり領域の上にレーザが設けられることが好ましい。また、溶接継ぎ目の領域でシートをその全厚さに渡って完全に溶融させて、固化時に本質的に最適な接合を形成させるようにすることが好ましい。
【００１５】
振動線は、好ましくは主荷重の方向に対して一定の角度で、特に好ましくは主荷重の方向を本質的に横断するように、最も好ましくはおよそ４５°の角度で延びる。主荷重の方向は、完成した部品の使用中に溶接継ぎ目に本質的に加わる荷重の方向である。振動線を主荷重の方向に対して一定の角度となるように設けることによって、結果として生じる溶接継ぎ目の強度（ここでは、主荷重の方向またはそれと反対の方向に部品に荷重を与える力に対する強度）を高くすることができる。従って、本発明の方法によって製造された溶接継ぎ目により伝達することができる力は、主荷重の方向に対して一定の角度の振動線の軌道の場合よりも大きくなり、およそ４５°の角度の軌道では特に大きい。
【００１６】
好ましい一実施形態において、振動線の長さは１０乃至２５ｍｍであり、特に好ましくは１５乃至２０ｍｍである。当業者には理解されるように、振動線の長さは、要求される溶接継ぎ目の強度および／または要求される部品の強度および剛性、および使用されるシートの厚さに依存する。
【００１７】
前記目的を同様に達成する同様に好ましい実施形態において、第１シートおよび第２シートは異なる厚さを有し、レーザに向かう方向に厚さが小さくなるように積層されている。薄いシートの方が厚いシートよりも剛性が低いので、厚い方のシートの上に薄い方のシートを積層し、その後締め付ける方が容易に且つ迅速に行うことができる。そのため、用いられる締め付け装置によっても、レーザに向かう方向に厚さが小さくなるようにシートを積層することは効果的な場合がある。従って、組み立て中のシートの挿入時間が短縮する。
【００１８】
前記目的を同様に達成するさらなる好ましい実施形態において、重なり領域を形成するように少なくとも部分的に互いの上に積層された少なくとも３つの金属シートをレーザ溶接により接合する。そのためには
−レーザに向かう方向に厚さが小さくなるようにすべてのシートを積層し、その後接合溶接するか、または
−レーザに向かう方向に厚さが小さくなるように前記少なくとも２つの最も厚いシートを積層して溶接し、その後レーザに向かう方向に厚さが小さくなるように次に薄いまたは薄い方のシートを前記溶接済みの厚い方のシートの上に積層してそれに溶接するか、または
−いずれの場合においてもレーザに向かう方向に厚さが小さくなるように既に溶接済みの厚い方のシートの上に（複数の）薄い方のシートを積層することと、その後前記積層された各シートを溶接することとを、すべてのシートが溶接されるまで数回繰り返す。
【００１９】
上記第２および第３のサブポイントに開示されているシートの段階的な溶接は、特にレーザ溶接では１つの側からのみの接近性を要求されるため、組み立て中におけるシートの接近性に関して効果的である。さらに、シートの段階的な溶接では、すべてのシートを同時に溶接する場合と比較してエネルギー入力の小さいレーザを使用することが可能となる。それにより、最も厚いシートを溶接中にその厚さに沿って本質的に完全に溶融させるレーザを用いても、溶接継ぎ目の強度は維持される。厚い方のシートは既に本質的に最適に互いに溶接されているため、薄い方のシートの溶接中は少なくとも次に厚い（隣接する）シートに対する薄い方のシートの溶接継ぎ目が本質的に最適となるようにさえすればよい。
【００２０】
一方、すべてのシートを同時に溶接する場合は組み立てが速くなる。
【００２１】
レーザに向かう方向に厚さが小さくなるように前記少なくとも３つのシートを積層した場合、レーザ溶接を用いることによって強度に関しては最適な溶接継ぎ目が確実に形成される。この方法とは対照的に、抵抗スポット溶接を用いる場合には、溶接領域において可能な限り対称的なシートの構造を設けることが好ましいので、厚さの異なる3つのシートを用いる場合、例えば各シートの接触面と2つの電極との間の距離が可能な限り均一になるように最も薄いシートを中央に配置する。イナートガスシールドアーク溶接は従来、２つの積層シートにのみ提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の解説は上記実施形態のすべてに当てはまる。
【００２３】
好ましい一実施形態において、重なり領域において少なくとも１つのシートにエンボス加工を施す。エンボス加工により、溶接される（複数の）シートの波状が均一化され、エンボス加工の領域においてシートが本質的に互いに接触する。従って、溶接継ぎ目の領域において、シート間の距離が本質的に最小となる。特に好ましくは、薄いシートの方が厚い方のシートの外形に適合しやすいので、厚い方のシートにエンボス加工を施す。
【００２４】
本発明のさらなる目的は、車両、特に自動車、特に自動車座席のフレームの部品の製造に本発明の方法を使用することである。振動線に沿った本発明の溶接、およびその結果得られるその重量に対する溶接継ぎ目の高い強度、およびその剛性および強度により、最適化された部品を製造することができる。従って、この方法では、例えば従来の抵抗スポット溶接に必要とされるよりも大きな、組み立て中のシートの挿入精度は要求されない。特に主荷重の方向を考慮し、振動線を主荷重の方向に対しておよそ４５°の角度で配置すれば、溶接継ぎ目の強度は極めて高くなる。レーザに向かう方向に厚さが小さくなるようにシートを積層することは、組み立て中におけるシートの接近性に関して効果的である。すべてのシートを同時に溶接すると特に速い。この積層を、組み立て中のシートの挿入および締め付けに関してより簡単に且つ速くしてもよく、従って安価なものとなる。
【００２５】
本発明のさらなる目的は部品であり、この部品は本発明の方法によって製造される。この部品は自動車座席のフレームであることが好ましい。当業者には理解されるように、この部品を、溶接継ぎ目によって伝達される力が大きいおよび／または組み立てが簡単且つ迅速である任意の部品とすることができる。
【００２６】
本発明の方法は、金属シートおよび熱可塑性シートの両方に用いることができる。
【００２７】
図面を参照して本発明を以下に説明する。これらの図は代表例に過ぎず、本発明の一般的概念を限定するものではない。
【００２８】
図１は、本発明の方法により製造された本発明の部品を示している。同図ａは側面図を示し、同図ｂは正面図を示している。この部品は、第１シート１および第２シート２からなる。シート１、２は、重なり領域５を形成するように少なくとも部分的に互いの上に積層されている。図ａは、シート１、２の重なり領域５の上のレーザ6と、シート１、２の溶接中にレーザ6から放射され、レーザ6に対向するシート１に入射するレーザビーム１１との配置を示している。図ｂは振動線４を示しており、これに沿ってシート１、２が溶接される。矢印９で概略的に示される振動線４の長さは、振動線４の少なくとも２点を通過する軸の上に振動線４を投影したものに相当する、矢印９’で示される直線の長さよりも長い。矢印８は、図５に示されるように振動線４に沿ったシート１、２の溶接中に形成された溶接継ぎ目４’に対する主荷重の方向を示している。主荷重の方向８は、振動線４に対しておよそ９０°の角度７で配置されている。
【００２９】
図２は、本発明の方法により製造されたさらなる本発明の部品を示している。この図も第１シート１および第２シート２を示しているが、振動線４が主荷重の方向８に対しておよそ４５°の角度７で配置されている。矢印８’は、主荷重の方向８と反対の方向を示している。この図はまた、振動線の長さ９および直線の長さ９’を概略的に示している。
【００３０】
図３は、図１に示されるようにレーザ６に向かう方向にシートの厚さ１０、１０’、１０”が小さくなるように、ここでは３つのシート１、２、３を積層し、同時に溶接する様子を示している。これらのシートは重なり領域５を形成する。重なり領域５の上にはレーザ６が配置されており、これはレーザビーム１１で示されている。シート１、２、３は同時に溶接される。
【００３１】
図４は、レーザ６に向かってシートの厚さ１０、１０’、１０”が順に小さくなるように、ここでは３つのシート１、２、３を積層し、段階的に溶接する様子を示している。ここでも、レーザ６はレーザビーム１１によって示されており、シートの厚さ１０、１０’、１０”に関しては図３に示されている。同図ａは、２つの厚い方のシート１、２をその重なり領域５で溶接する様子を示している。同図ｂは、既に溶接済みの２つの厚い方のシート１、２に対して、その次に最も薄いシート３をその重なり領域５’で溶接する様子を示している。
【００３２】
図５は、シート１のエンボス加工１２、および本質的にこのエンボス加工１２と接触したシート１と第２シート２との間の溶接継ぎ目４’の配置を示している。エンボス加工１２の外の領域において、第１および第２のシートの間の距離１３は本質的にエンボス加工１２の深さによって決定され、好ましくはおよそ１／１０乃至８／１０ｍｍ、特に好ましくはおよそ５／１０ｍｍである。溶接継ぎ目４’はエンボス加工１２内に設けられることが好ましい。
【００３３】
図６は、一例として、第２シート２の上でのフランジ１４を有する第１シート１の配置を示している。矢印１５は、本発明の方法によるシート１、２の溶接に必要とされるフランジ１４の幅１５を示している。これは、好ましくは６乃至１０ｍｍ、特に好ましくはおよそ８ｍｍである。エンボス加工１２は、好ましくは２つのシート１、２のいずれかに矢印で示されているフランジ１４の幅１５の領域内で作成される。
【００３４】
図７は、従来の抵抗スポット溶接法により製造された溶接継ぎ目と、図５に示されるように本発明の方法により製造されたいくつかの溶接継ぎ目４’との耐荷重強度の比較を概略的に示している。図ａは、溶接継ぎ目が抵抗スポット溶接法により製造された場合に溶接継ぎ目によって伝達することができる力を示しており、この伝達可能な力は目盛りの縦方向に概略的に示され、矢印１６によって示されている。振動線４の長さ９がおよそ１０ｍｍであり、溶接継ぎ目４’の主荷重の方向８に対する角度７がおよそ９０°である場合（図１ｂおよび２を参照）、本発明の方法により製造された溶接継ぎ目４’の伝達可能な力は、図ｂに示されるように、抵抗スポット溶接法により製造された溶接継ぎ目の伝達可能な力と同等なもとなる。振動線４の長さ９がおよそ２０ｍｍである場合、図ｃに示されているように、溶接継ぎ目４’によって伝達できる力は既に相当大きくなっている。図ｄに示されているように、振動線４を主荷重の方向８に対しておよそ９０°の角度７ではなくおよそ４５°の角度７で配置した場合、伝達可能な力をさらに相当大きくすることができる。
【００３５】
図８は、本発明の方法により製造された本発明の部品の断面を示している。この部品は、厚さの異なる複数のシート１、２、３で構成されている。必要な溶接点への接近性を確保するため、ここではレーザ６はレーザビーム１１によって示されているが、まず第１溶接点４１で第１シート１および第２シート２を溶接して、レーザ６に向かって厚さが小さくなるようにシート１、２が配置される。シート１、２の配置および／または締め付けは、ツールマウンティング１６によって示されている。第２のステップで、第３のシート３は第２の溶接点４２で第１シート１および第２シート２に溶接される。なお、この第３のシート３は第１および第２のシート１、２よりも薄いものである。
【００３６】
図９は、本発明の方法により製造された自動車座席の背もたれのフレームを示している。最も厚いシートで作成された座席の第１ピボットブラケット１７は、ターンテーブル（ここでは見えない）の上に配置されている。次に、補強フレーム１９がピボットブラケット１７の上に配置され、これらの部分は本発明の方法によって互いに締め付けられ、最終的に溶接される。この後、同一のまたはほかのターンテーブル（同様にここでは見えない）にバックパネル１８を位置決めして締め付け、既に溶接済みの補強フレーム１９およびピボットブラケット１７に溶接される。溶接継ぎ目領域はここでは見えないエンボス加工１２を有しており、溶接継ぎ目の領域ではシート１７、１８、１９の間の距離が可能な限り小さくされている。従って、いずれの場合においてもエンボス加工１２は厚い方のシートに、すなわちここでは、ピボットブラケット１７を補強フレーム１９に溶接する場合にはピボットブラケット１７に、またバックパネル１８を補強フレーム１９に溶接する場合には補強フレーム１９に作成されることが好ましい。特にバックパネル１８は非常に薄いので、補強フレーム１９の外形に非常によく適合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の方法により製造された本発明の部品を示している。
【図２】図２は、本発明の方法により製造されたさらなる本発明の部品を示している。
【図３】図３は、レーザに向かう方向にシート厚さが小さくなるようにシートを積層し、同時に溶接する様子を示している。
【図４】図４は、レーザに向かう方向にシート厚さが小さくなるようにシートを積層し、段階的に溶接する様子を示している。
【図５】図５は、シートのエンボス加工、および溶接継ぎ目の配置を示している。
【図６】図６は、一例として、第２シートの上でのフランジを有する第１シートの配置を示している。
【図７】図７は、従来の抵抗スポット溶接法により製造された溶接継ぎ目と、本発明の方法により製造されたいくつかの溶接継ぎ目との耐荷重強度の比較を概略的に示している。
【図８】図８は、本発明の方法により製造された部品の断面を示している。
【図９】図９は、本発明の方法により製造された自動車座席の背もたれのフレームを示している。
【符号の説明】
【００３８】
１：第１シート
２：第２シート
３：さらなるシート
４：振動線
４’：溶接継ぎ目
４１、４２：溶接点
５：シートの重なり領域
６：レーザ
７：振動線に対する角度
８：主荷重の方向
９：振動線の長さ
９’： 直線の長さ
１０、１０’、１０”：第１、第２およびさらなるシートの厚さ
１１：レーザビーム
１２：エンボス加工
１３：第１および第２シートの間の距離
１４：フランジ
１５：フランジの幅
１６：ツールマウンティング
１７：ピボットブラケット
１８：バックパネル
１９：補強フレーム
【図１ａ】
2008526520.tif 000003
【図１ｂ】
2008526520.tif 000004
【図２】
2008526520.tif 000005
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
2008526520.tif 000009
【図６】
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【図７】
2008526520.tif 000011
【図８】
2008526520.tif 000012
【図９】
2008526520.tif 000013
【国際調査報告】
2008526520.tif 000014
2008526520.tif 000015
2008526520.tif 000016
2008526520.tif 000017
2008526520.tif 000018
2008526520.tif 000019
2008526520.tif 000020
2008526520.tif 000021