(57)【要約】【課題】溶接不良が発生することなく、低コストで高速溶接可能で、且つ成形性の良い突合せ溶接金属板を提供すること。【解決手段】レーザー光線により突合せ溶接された金属板で、溶接前に突合せエッジ部分の一方または双方の板厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じた突合せレーザー溶接金属板であり、また、レーザー光線により突合せ溶接された母材の引っ張り強度が異なる金属板で、溶接前に、母材引張り強度の高い方の金属板の突合せエッジ部分の肉厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じた突合せレーザー溶接金属板、更には、レーザー光線により突合せ溶接された母材の引張り強度が異なる金属板で、溶接前に双方の突合せエッジの肉厚を減じ、母材引張り強度が低い方の金属板の突合せエッジ部分の溶接方向と直角方向の減肉幅を、溶接ビードの幅以内とした突合せレーザー溶接金属板。【選択図】      図１
2004306083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光線により突合せ溶接された金属板で、溶接前に突合せエッジ部分の一方または双方の板厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【請求項２】
レーザー光線により突合せ溶接された母材の引張り強度が異なる金属板で、溶接前に、母材引張り強度の高い方の金属板の突合せエッジ部分の肉厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【請求項３】
レーザー光線により突合せ溶接された母材の引張り強度が異なる金属板で、溶接前に双方の突合せエッジの肉厚を減じ、母材引張り強度が低い方の金属板の突合せエッジ部分の溶接方向と直角方向の減肉幅を、溶接ビードの幅以内としてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【請求項４】
減肉後の突合せエッジ部分の板厚が、元の母材の７０％以上９５％以下であることを特徴とする請求項１〜３の内のいずれかに記載の突合せ溶接金属板。
【請求項５】
引張り強度の高い方の金属板の減肉後の突合せエッジ部分の板厚とその引張り強度を掛けた値が、引張り強度の低いほうの金属板の元の板厚とその引張り強度をかけた値より大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の突合せレーザー溶接金属板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、突合せ溶接された金属板に関するものであり、更に詳しくは、レーザー光線により複数の金属板を接合して製造される金属板のうち、プレス等の塑性加工に供されるためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザー光線により複数の金属板を事前に突合せ接合し、その金属板をプレス成型等の塑性加工にて所望の形状に成型する技術の適用が、自動車向けとして一般化しつつある。異種または異厚の金属板をプレス成型以前に接合し、一枚の金属板としてプレスを行えば、製品の部分的な補強や軽量化を促す効果がある。この突合せ金属板の製造において、生産性を向上させるためには、溶接速度を上げることが求められる。溶接速度を向上するための手段としては、従来高出力のレーザーを適用することで対応してきたが、一方レーザーの発振機は高価であり、且つ消費電力量も膨大であるため、コストが嵩むという問題があった。
【０００３】
溶接速度向上のため、プラズマやアークなど他の熱源とレーザーとを組み合わせるレーザー溶接技術がある。例えば、突合せ線に沿って移動するプラズマトーチとレーザ加工ノズルとから、プラズマガス流とレーザービームとを同時に照射して突合せ溶接を行うレーザ溶接において、プラズマガス流の照射領域内で、かつ照射領域の移動方向に対する中心よりも後方に偏った位置に、レーザービームを照射するようにしたレーザー溶接方法（例えば、特許文献１参照）や、レーザービームを被加工材に照射する位置を基準とした場合、レーザービーム照射位置に対して溶接加工進行方向前方と後方にアーク溶接の電極を配置したレーザー・アーク複合溶接方法（例えば、特許文献２参照）や、レーザービームで表側を深溶込み溶接を行い、その後裏側をＭＩＧ溶接することにより、厚板材を安価な中出力レーザーで高速溶接する溶接方法（例えば、特許文献３参照）が存在するが、これらの場合もアークなど他の熱源を供給するための装置が必要で、コストが嵩むという問題があった。
【０００４】
また、レーザーによって薄板を突合せ溶接する際に、溶接ゾーンの手前で、又は溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板を塑性変形させて、薄板間のギャップ幅を減少させ、突合せ部の正確な位置決めを不要とする技術があるが（例えば、特許文献４参照）、この技術も溶接速度を向上させるものではなく、成型性の良い突合せ金属板を提供するものでもない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２４６４８４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４６４８５号公報
【特許文献３】
特開昭６３−３０１９３号公報
【特許文献４】
特開平６−１５４６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の問題点を解消し、低コストの高速溶接で製造でき、なおかつ成型性の良い突合せレーザー溶接金属板を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、溶接不良が発生することなしに、低コストで高速溶接可能で、且つ成型性の良い突合せ溶接金属板を得ることができるレーザー溶接について鋭意研究した。その結果、予め突合せ溶接部エッジの板厚を減少させておけば、レーザーの溶融すべき金属量を減らすことができ、レーザー溶接において、プラズマやアークなどのほかの熱源を併用しなくても高速溶接が可能となり、かつ成型性の良い溶接金属板が得られることを見出して本発明を完成した。
【０００８】
本発明の要旨は以下のとおりである。
【０００９】
（１）  レーザー光線により突合せ溶接された金属板で、溶接前に突合せエッジ部分の一方または双方の板厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【００１０】
（２）  レーザー光線により突合せ溶接された母材の引張り強度が異なる金属板で、溶接前に、母材引張り強度の高い方の金属板の突合せエッジ部分の肉厚をローリングまたはプレスまたは機械加工にて減じてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【００１１】
（３）  レーザー光線により突合せ溶接された母材の引張り強度が異なる金属板で、溶接前に双方の突合せエッジの肉厚を減じ、母材引張り強度が低い方の金属板の突合せエッジ部分の溶接方向と直角方向の減肉幅を、溶接ビードの幅以内としてあることを特徴とする突合せレーザー溶接金属板。
【００１２】
（４）  減肉後の突合せエッジ部分の板厚が、元の母材の７０％以上９５％以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）の内のいずれかに記載の突合せ溶接金属板。
【００１３】
（５）  引張り強度の高い方の金属板の減肉後の突合せエッジ部分の板厚とその引張り強度を掛けた値が、引張り強度の低いほうの金属板の元の板厚とその引張り強度をかけた値より大きいことを特徴とする上記（２）または（３）に記載の突合せレーザー溶接金属板。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図を参酌して説明する。
【００１５】
図１は金属板のレーザー接合プロセスの模式鳥瞰図であり、図２はその溶接部近傍を拡大した図である。図１に示すように、金属板１及び２をレーザーにより突合せ接合するには、金属板１及び２の接合線をつき合わせて同一平面上に並べた後、レーザーヘッド３をその接合線に沿って、金属板１及び２と相対的に矢印方向に移動させつつレーザービーム６を突き合わせ部に照射し、溶接部７で溶接を行うことにより溶接ビード部４を形成する。このとき図２に示す如く、予め溶接部エッジの板厚を減少させて板厚減肉部５を形成してある。このことにより、レーザーの溶融すべき金属の量を減らすことができるため、同じレーザーにおいても溶接速度を上げることができる。
【００１６】
例えば、加工点出力８ｋＷの炭酸ガスレーザーを用い、板厚１ｍｍの厚みの同じ炭素鋼板同士を接合した場合、溶接速度は毎分９ｍであったが、エッジ近傍の板厚を０．８ｍｍにまで減ずれば、溶接速度を毎分１０ｍにまで向上させることが可能であった。
【００１７】
そして、板厚減肉部５は、金属板の突合せエッジ部分をローリング、プレスまたは機械加工によって板厚を減じることで形成することができる。
【００１８】
また、レーザー溶接において溶接ビード部４は、溶融された金属が急速に冷えて固まるために焼入れされ、溶接前の母材部分に比べて硬度が高くなってしまう。このためプレス成型などの塑性加工時には、この溶接ビードの周りの母材の変形を拘束するため、成型性が悪くなるなどの問題があるが、本発明によれば、突合せエッジ部分の板厚を減肉してあるので、溶接ビード部４の肉厚も減少する為、同じ力を加えたときにも溶接ビード４が比較的変形しやすくなるため、塑性加工時に周辺の母材が変形するのを拘束する効果が小さくてすみ、成型性を向上させることが可能である。
【００１９】
なお、このとき減肉後の板厚が元の母材の９５％を超える場合、減肉による効果が得られず溶接速度向上の効果は殆ど見られない。また７０％未満に減肉させると、減肉部で応力集中が発生し疲労強度が低下する。したがって、減肉後の突合せエッジ部分の板厚が、元の母材の７０％以上９５％以下（減肉量５〜３０％）とする必要があるが、好ましくは８０％以上９５％以下である。
【００２０】
引張り強度がほぼ同じ二枚の金属板同士を突合せレーザー溶接する場合には、図２に示すように、溶接前に予め溶接部エッジの双方の板厚を減少させて双方の金属板に同様の板厚減肉部５を形成してレーザー溶接を行うことで、溶接速度を向上させると共に成型性を向上させることができる。
【００２１】
ところが、引張り強度が異なる異種金属板同士を突合せレーザー溶接する場合に、双方の金属板に同じ形状の板厚減肉部を形成して突合せレーザー溶接すると、溶接速度は向上できるが成型性を向上させることはできない。
【００２２】
図３は、母材の引張り強度の高い方の金属板の突合せエッジ部分の肉厚を減肉させたレーザー溶接金属板の接合点近傍を拡大して示す図である。図３に示す例は、同じレーザー出力でより高い溶接速度を得るための手段であるが、特に金属板１及び２の引張り強度が異なる場合においては、プレス等の塑性加工時に溶接ビードに垂直方向の歪を付与した場合に、強度の低い金属板で破断することを防止するための手段である。
【００２３】
一般的に強度（板厚×引張り強度）の異なる材料からなる、突合せ溶接金属板にプレス等の塑性加工時に溶接ビード４に垂直方向の歪を付与した場合には、強度の低い方の金属板の母材部分で破断する。これは、強度の低い方の金属板の母材部分、強度の高い方の金属の母材部分、溶接ビード４の強度を比較した場合、溶接ビード４は前記したとおり、溶接プロセスにおいて焼入れされるため強度は最も高く、最も弱いのが強度の低い金属板の母材部分であり、ここが優先的に破断するため、ここの部分の強度がネックとなりプレス成型性等塑性加工の加工限界となってしまう。したがって、溶接しようとする金属材料同士の強度が異なる場合、強度の低い方の金属板の板厚を減じてしまうと、ここが成型性を支配するため、成型性を損なってしまう恐れがある。これを防止するため、強度の高い方の金属板１の突合せエッジ部のみの板厚を減じた板厚減肉部５を形成するのである。したがって、強度の高い金属板の突合せエッジ部のみの板厚を減肉して、突合せレーザー溶接した金属板は、塑性加工時に強度の低い金属板で破断することがない。
【００２４】
特に自動車パネル用のレーザー溶接金属板としては、たとえば衝突安全性の向上と軽量化のためには、パネル製品の部分的な強度を向上させることが、求められるが。そのため従来は補強したい部分の強度を高くするために、その部分の板厚を厚くすることで補強が行われてきた。この場合、補強のために、板厚を増やす代わりに、その部分に引っ張り強度の高い鋼板を用いれば、パネルの余分な増肉を回避でき、軽量化に貢献することができる。例えば金属板の強度が異なるが、粗同厚（例えば板厚差が０．２ｍｍ以下）の材料を溶接する場合は、引っ張り強度の高い方の材料のエッジ部分の肉厚を減ずれば良く、また引っ張り強度の低いほうの材料の引っ張り強度が、高いほうの８０％の場合、引っ張り強度の高いほうの材料のエッジ部分の肉厚を８０％まで減肉することが可能である。
【００２５】
図４は、母材の引張り強度が異なる金属板の突合せエッジ部の双方の肉厚を減じ、引張り強度が低い方の金属板の突合せエッジ部の減肉幅を溶接ビード幅以内としたレーザー溶接金属板の接合点近傍を拡大して示す図である。図４に示す例は、同じレーザー出力でより高い溶接速度を得るための手段であるが、特に金属板１及び２の引張り強度が異なる場合においては、プレス等の塑性加工時に溶接ビードに垂直方向の歪を付与した場合に、引張り強度の低い材料で破断することを防止するための手段である。
【００２６】
前記したように、一般的に強度（板厚×引張り強度）の異なる材料からなる、突合せ溶接金属板にプレス等の塑性加工時に溶接ビードに垂直方向の歪を付与した場合には、強度の低い方の金属板の母材で破断する。即ち、溶接ビード４は溶接プロセスにおいて焼入れされるため強度は最も高く、最も弱いのが強度が低い金属板の母材部分であり、ここが優先的に破断するため、ここの部分の強度がネックとなりプレス成型等の塑性加工の加工限界となってしまう。したがって、溶接しようとする金属材料同士の強度が異なる場合、強度の低い方の金属板の母材の板厚を減じてしまうと、ここが成型性を支配するため、成型性を損なってしまう恐れがある。これを防止するため、強度の高い方の金属板１の突き合わせエッジ部の板厚を減じて板厚減肉部５を形成し、なおかつ強度の低い方の金属板２の板厚も溶接ビードの幅以内の範囲で減じた板厚減肉部５’を形成するものである。溶接ビード部分は硬度が十分高くなっているので、この部分がネックで破断することはないため、溶接ビード幅の範囲内では強度の低い方の金属板２の肉厚を減じても、成型性に及ぼす影響はない。したがって、強度の低い方の金属板の突合せエッジ部分の溶接方向と直角方向の減肉幅を溶接ビードの幅以内とした。
【００２７】
また、このとき、強度の高い方の金属板１の減肉部の強度（減肉後の肉厚×引張り強度）が強度の低い方の金属板２の強度（板厚×引張り強度）を下回るように板厚を減ずれば、最早元々高強度側であった材料の方の強度がネックとなり、成型性を損なう恐れがある。
【００２８】
したがって、引張り強度の異なる金属板の突合せレーザー溶接金属板の場合には、溶接金属板の成型性を損なわないようにするため、引張り強度の高い方の金属板の減肉後の突合せエッジ部分の板厚とその引張り強度を掛けた値が、引張り強度の低いほうの金属板の元の板厚とその引張り強度をかけた値より大きい値とすることが必要である。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
突合せレーザー溶接する金属板として、引張り強度が２７０ＭＰａ及び５９０ＭＰａの２種類の金属板を供試材として準備し、出力８ｋＷの炭酸ガスレーザー溶接装置で、溶接ビード幅０．８〜１．０ｍｍの突合せレーザー溶接試験を行った。
【００３１】
板厚１ｍｍと同じで、引張り強度がそれぞれ２７０ＭＰａ、５９０ＭＰａの鋼板を接合し、溶接部をエリクセン試験にて成型性を評価した。その結果、エッジ部板厚を減ぜずに溶接した比較例Ｎｏ．１の場合、８ｋＷの炭酸ガスレーザーで、毎分９ｍの溶接を行い、エリクセン値は７．５ｍｍであった。
【００３２】
また、強度の高い方の板厚のみを減じた本発明例Ｎｏ．３の場合、溶接速度は９．４ｍが可能で、またエリクセン値は、７．７ｍｍとなった。このように本発明例のＮｏ．３では、成型性を犠牲にせずに溶接速度を向上させることが可能であった。なお、本発明例でエリクセン値が少し向上したのは、同じレーザーパワーで溶接速度を向上させた結果、成型上ネックとなる強度の低い金属板に伝わる熱流速を下げることができたため、熱影響による母材の軟化を防ぐことができたからである。
【００３３】
これに対して、引張り強度が異なる母材であるにもかかわらず、双方のエッジ部板厚を同じように減じて同様の条件で溶接した比較例Ｎｏ．２の場合には、毎分１０ｍの高速の接合が可能であったが、エリクセン試験時に、強度の低い金属板の母材で亀裂が発生しエリクセン値は、６．８ｍｍで成型性がよくなかった。また、強度の高い方の金属板のエッジ部分及び強度の低い方の金属板のエッジ部分の板厚を減じ、かつ強度の低い方の金属板エッジ部分の板厚減肉幅をビード幅以下に板減じた本発明例Ｎｏ．４の場合、８ｋＷの炭酸ガスレーザーで溶接速度は９．８ｍが可能であり、そのときエリクセン値は７．８ｍｍであった。この試験結果に示されるように、比較例Ｎｏ．１及びＮｏ．２に比較して、本発明例Ｎｏ．３及びＮｏ．４では、成型性を犠牲にせずに溶接速度を向上させることが可能であった。
【００３４】
上記溶接試験の条件及び溶接結果を表１に併せて示す。
【００３５】
【表１】
2004306083.tif 000003
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストの高速溶接で製造でき、なおかつ成型性の良いレーザー突合せ溶接金属板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属板のレーザー接合プロセスの模式鳥瞰図である。
【図２】レーザー突合せ溶接プロセスを示す図である。
【図３】母材の引張り強度の高い方の金属板の突合せエッジ部分の肉厚を減肉させたレーザー溶接金属板の接合点近傍を拡大して示す図である。
【図４】母材の引張り強度が異なる金属板の突合せエッジ部の双方の肉厚を減じ、引張り強度が低い方の金属板の突合せエッジ部の減肉幅を溶接ビード幅以内としてレーザー溶接金属板の接合点近傍を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１  金属板
２  金属板
３  レーザーヘッド
４  溶接ビード
５、５’  板厚減肉部
６  レーザービーム
７  溶接部
【図１】
2004306083.tif 000004
【図２】
2004306083.tif 000005
【図３】
2004306083.tif 000006
【図４】
2004306083.tif 000007