(57)【要約】【課題】  本発明は互いに融点の異なる板、例えば、鋼板とアルミニウム合金板、鋼板と銅板、または普通鋼板とステンレス鋼板等をレーザー突合せ溶接する際に、良好な溶接ビードを形成することができるレーザー突合せ溶接方法を提供すること。【解決手段】  融点の異なる金属板をレーザーによる突合せ溶接で溶接して溶接金属板を製造する方法において、融点の高い方の金属板に照射するレーザーエネルギーを融点の低い方の金属板に照射するエネルギーより大きくすることを特徴とするレーザーによる突合せ溶接金属板の製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点の異なる金属板をレーザーによる突き合わせ溶接で溶接して溶接金属板を製造する方法において、レーザービームを融点の高い金属板のみに照射することを特徴とするレーザーによる突合せ溶接金属板の製造方法。
【請求項２】
融点の異なる金属板をレーザーによる突合せ溶接で溶接して溶接金属板を製造する方法において、融点の高い方の金属板に照射するレーザーエネルギーを融点の低い方の金属板に照射するエネルギーより大きくすることを特徴とするレーザーによる突合せ溶接金属板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２で製造された溶接金属板に、プレス加工を施すことを特徴とする成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、船舶、建材等に用いられる構造材の製造方法にかかるもので、特に、金属板を突き合わせてレーザー溶接した溶接金属板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー溶接により複数の金属板を事前に突き合わせ接合し、その金属板をプレス成形等の組成加工による二次加工にて所望の形状に成形する技術の適用が自動車等の構造材で一般化しつつある。融点の異なる異種の金属板をプレス成形以前に接合し、一板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。
【０００３】
従来は、板材を一体に接合してテーラードブランク材を製造するために、マッシュシームによる重ね溶接が主流であったが、これをレーザーによる突合せ溶接に変更した場合、高速溶接が可能で生産性などが有利なことや、接合部の段差が解消できることによって、プレス成形が容易となるので、最近はテーラードブランク材の製造に突合せ溶接が用いられるようになってきている。
【０００４】
ところが、互いに融点の異なる金属板、例えば鋼板とアルミニウム合金板を溶接すれば、いわゆるテーラードブランク材を製造できるが、融点の異なる板材をレーザー突き合わせ溶接することに技術的な困難性がある。
【０００５】
図１は、融点の異なる板をレーザー突合せ溶接する概要を示す図で、図２はレーザー突合せ溶接の溶接部を示す断面図で、図２（ａ）は突合せ位置にレーザービームを照射する溶接前の断面図で、図２（ｂ）はレーザービームを照射した溶接後の断面図である。
【０００６】
従来のレーザー突合せ溶接方法で融点の異なる板をレーザー突合せ溶接する場合には、図１に示すように、融点の高い板１と融点の低い板２とを突合せ、突合せ線に沿ってレーザートーチ３を移動させながらレーザー照射４を行って、溶接ビード５を形成するものである。ところが、図２（ａ）に示すように融点の高い板１と融点の低い板２との突合せ部６にレーザービーム７を照射してレーザー溶接すると、図２（ｂ）に示すように、溶接ビード５が融け落ち８て、大きな穴が貫通し穴開き９状態となり、良好な溶接ビードが形成されない。このため、融点の異なる板をレーザー突合せ溶接することは困難であった。
【０００７】
このため従来は、融点の異なる板を溶接する場合には、重ね接合によるマッシュシーム溶接が行われてきた。
【０００８】
例えば、鋼板とアルミニウム合金板とを溶接してテーラードブランク材を製造する方法としては、鋼板とアルミニウム合金板の初期重ね代を鋼板及びアルミニウム合金板のうちの薄い方の板厚の１．５倍以上とし、溶接部のアルミニウム合金板への圧下率が２０〜５０％、溶接部のアルミニウム合金板の溶融部厚さが溶接後の溶接部のアルミニウム合金板の厚さの５０％以下となる溶接条件でマッシュシーム溶接することを特徴とする鋼板とアルミニウム合金板からなるテーラードブランク材の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
しかし、マッシュシーム溶接では、レーザーによる突合せ溶接に比べて溶接速度が遅く生産性に難点があり、また、接合部の段差によるプレス成形の問題が生じることとなる。
【００１０】
上記問題を解決するために、互いに融点が異なる板、例えば、鋼板とアルミニウム合金板、鋼板と銅板、または普通鋼板とステンレス鋼板等を突合せ接合することができるレーザー突合せ溶接方法が求められていた。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−４７９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は互いに融点の異なる金属板をレーザー突合せ溶接する際に、良好な溶接ビードを形成することができるレーザー突合せ溶接方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
通常レーザービームによる突合せ接合プロセスでは、突合わされた２枚の金属板のエッジ近傍をレーザービームにより溶融し、その溶融した金属同士が溶け合い、冷えて凝固することにより溶接ビードが形成される。
【００１４】
ところが、従来レーザー接合にて、融点の異なる鋼板とアルミ合金板とを突合せ溶接をしようとした場合、溶接ビード付近で大きな穴が貫通し、接合不可能であった。
【００１５】
溶接ビード付近で大きな穴が貫通し、良好な溶接ビードが形成できない原因は、レーザービームにより、突合せ部分にレーザービームを照射した場合、即ち、両方の金属板に均等なレーザービームを投入した場合、融点の高い材料が十分溶融するようなエネルギーを照射されるので、融点の低い方の材料への投入熱量が過多となり融け落ちて、結果として穴があいてしまう。また、逆に融点の低い方の材料が適度に溶融するようなレーザービームを照射した場合、融点の高い方の材料のエッジ部が十分に溶融せずに、うまく接合できないことに原因がある。
【００１６】
本発明者は、融点の高い材料にレーザービームを照射し、融点の高い方の材料を溶融し、その溶融金属からの伝熱でもう片方の融点の低い材料に間接的に熱を加え、双方を適度に溶融すれば、穴空きのないスムースな溶接ビードを得ることができることを見出して本発明を完成した。
【００１７】
本発明の要旨は、次のとおりである。
【００１８】
（１）  融点の異なる金属板をレーザーによる突き合わせ溶接で溶接して溶接金属板を製造する方法において、レーザービームを融点の高い金属板のみに照射することを特徴とするレーザーによる突合せ溶接金属板の製造方法。
【００１９】
（２）  融点の異なる金属板をレーザーによる突合せ溶接で溶接して溶接金属板を製造する方法において、融点の高い方の金属板に照射するレーザーエネルギーを融点の低い方の金属板に照射するエネルギーより大きくすることを特徴とするレーザーによる突合せ溶接金属板の製造方法。
【００２０】
（３）  上記（１）または（２）で製造された溶接金属板に、プレス加工を施すことを特徴とする成形品の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、従来突合せ溶接が不可能と考えられていた鉄（鋼）板とアルミニウム合金板などの互いに融点が異なる板を突き合せて、レーザー溶接することにより、良好な溶接ビードを有する溶接金属板（テーラードブランク材）を製造することができる。
【００２２】
製造された溶接金属板は、溶接部に段差がなくプレス成形性を阻害することがない。また、レーザー突合せ溶接で製造できるので高い生産性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２４】
図３は、本発明の融点の異なる板をレーザー突合せ溶接する方法を説明する図で、図３（ａ）は溶接前の溶接断面図、図３（ｂ）は溶接後の溶接断面図を示している。
【００２５】
互いに融点の異なる金属板をレーザー突合せ溶接するには、図３（ａ）に示すように、融点の高い板１（例えば１．４ｍｍ厚鋼板）と融点の低い板２（例えば１．４ｍｍ厚アルミニウム合金板）とを突合せ状態で配置する。レーザービーム７の焦点が融点の高い板の上面に位置するようにレーザーヘッドを移動させて調整する。
【００２６】
レーザービームの焦点位置は、板１及び板２の融点の差に応じて突合せ部６から、融点の高い板の方向に移動できるようになっている。
【００２７】
図４は、レーザー突合せ溶接時の焦点位置を制御する方法を示す概要図である。
【００２８】
レーザービームの焦点位置を決めるには、溶接板の突合せ位置を画像処理により検出できる突合せ位置検出装置１１で検出し、その位置検出情報及び突合せ部から融点の高い板の方向へビーム焦点位置をずらすシフト量情報を演算装置を有するレーザー溶接装置に入力し、その溶接装置からの出力でレーザーヘッド駆動装置１３を駆動し、レーザーヘッド１３を移動させレーザービーム焦点位置を設定したシフト量だけ突合せ部から融点の高い板のほうにシフトさせる。なお、シフト量は板厚、溶接速度、レーザー出力等の溶接条件によって決められる。また、溶接装置に溶接すべき板の融点、板厚、溶接速度、レーザー出力等の溶接条件を入力することにより、シフト量を自動設定することも可能である。
【００２９】
レーザービームは、通常照射位置でのレーザービーム有効直径は０．２〜０．３ｍｍ程度であるが、ビームの有効径外にも拡散し、そこにビームの１０分の数％のエネルギーが存在する。
【００３０】
接合する材料の融点の差の大きさによって、ビーム焦点位置のシフト量は異なるが、例えばレーザービーム焦点の有効直径部分を融点の高い板のみに照射し、有効直径外の拡散ビームを融点の低い板に照射するようにする。
【００３１】
図３（ｂ）の溶接後の溶接断面図に示すように、融点の高い板１は、レーザービーム照射により溶融し、溶融した金属からの伝熱及び拡散ビームの熱エネルギーによって融点の低い方の板２が溶融する。突合せ部で両方の板を適度に溶融させることができるので、穴明きのない１０滑らかな溶接ビード５を得ることができる。
【００３２】
レーザービームの焦点を突合せ部から融点の高い板のほうにずらすシフト量は、ビーム焦点の有効直径の大きさによって異なるが、通常その大きさは０．２〜０．３ｍｍであるから、シフト量は０．１〜０．５ｍｍとすることが好ましい。シフト量が少ないと、融点の低い板にレーザービームの高いエネルギーが照射されて融点の低い板の溶融が過多となり、融け落ちて、溶接部の穴明きの原因となる。一方、シフト量が多すぎると、融点の高い板の突合せ部の溶融が不充分となり、溶接ビードを形成することができなくなる。したがって、滑らかで良好な溶接ビードを得るためのシフト量を選定して、溶接を行うことが必要である。
【００３３】
即ち、レーザービームを照射したときのエネルギー密度の分布に基づき、融点の高い板に照射されるレーザービームのエネルギーを融点の低い板に照射されるレーザーエネルギーよりも大きくして、両方の板が突合せ部で等しく溶融できる大きさのシフト量に設定すればよい。
【００３４】
また、融点の高い板と融点の低い板との板厚が同じ板厚の場合について説明したが、両者の板厚が異なっていても同様にレーザー突合せ溶接を実施することが可能である。
【００３５】
溶接する融点の異なる板としては、例えば、炭素鋼、構造用鋼等の鋼板とアルミニウムやアルミニウム合金板、炭素鋼、構造用鋼等の鋼板と、銅や銅合金板、または炭素鋼、構造用鋼等の鋼板とステンレス鋼板とが有り、これらの溶接を実施することができる。
【実施例１】
【００３６】
冷延鋼板とアルミニウム合金板とを突き合わせて、レーザー突合せ溶接を実施した。
【００３７】
アルミニウム合金は５０００番系の材料を用いた。平面上にこの２枚の板を突き合せて置き、その上面にレーザートーチを設置しレーザービームを突合せ腺に照射しながら、突合せ線に沿って、板と相対的に移動させる。レーザートーチはサーボ駆動で、突合せ線に垂直方向にも移動できるようになっており、さらに突合わせ位置の検出装置をもっており、その検出信号を元に、レーザートーチを突合せ線に垂直方向に予め設定した量移動させることにより、突合せ線近傍の片方の板に優先的にレーザービームを照射する。
【００３８】
今回アルミニウム合金の板厚１．０ｍｍ、鋼板板厚１．４ｍｍとし、４ｋＷのレーザー出力で溶接を行った。板表面の照射位置でのレーザービーム有効直径０．３ｍｍに対し、突合せ線から０．４ｍｍ鋼板側に位置した部分に突合せ線に平衡にレーザービームを走査し、溶接を行った。したがってレーザービーム有効径内のレーザービームのエネルギーは融点の高い鋼板側に照射されている。また、レーザービームのエネルギー分布は、略正規分布形状になっており、ビームの有効径外に拡散した１０分の数％のエネルギーは融点の低いアルミにも照射されている可能性もある。このような条件で接合を行った結果、穴明きもなく、滑らかなビード形状が形成され、品質のよい溶接を得ることができた。これ以上ビーム照射位置を突合せ位置に近づけた場合、穴明きが発生し、遠ざけると溶接ビードが形成されず、溶接不可であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】融点の異なる板をレーザー突合せ溶接する概要を示す図である。
【図２】レーザー突合せ溶接の溶接部を示す断面図で、（ａ）は突合せ位置にレーザービームを照射する溶接前の断面図、（ｂ）はレーザービームを照射した溶接後の断面図である。
【図３】本発明の融点の異なる板をレーザー突合せ溶接する方法を説明する図で、（ａ）は溶接前の溶接断面図、（ｂ）は溶接後の溶接断面図を示している。
【図４】レーザー突合せ溶接時の焦点位置を制御する方法を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  融点の高い板
２  融点の低い板
３  レーザートーチ
４  レーザービーム照射
５  溶接ビード
６  突合せ部
７  レーザービーム
８  融け落ち
９  穴明き
１０  穴明きなし
１１  突合せ位置検出装置
１２  レーザーヘッド駆動装置
１３  レーザーヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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