(57)【要約】【課題】金属板を素材としたものであっても、溶接部からの破断を防止し、高い破断荷重を確保した溶接継手構造を備えた液体タンクを提供する。【解決手段】液体タンク１を構成するアッパーパネル６及びロアーパネル７の端縁部にフランジ部を設けることなく、前記両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して両パネルの端縁部を重ね合わせた後、嵌合により形成されたすみ肉継手部分にレーザー光９を照射して溶接を施し、アッパーパネルとロアーパネルを外周に沿って溶接接合する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製液体タンクを製造する際、液体タンクを構成するアッパーパネル及びロアーパネルの端縁部にフランジ部を設けることなく、前記両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して両パネルの端縁部を重ね合わせた後、嵌合により形成されたすみ肉継手部分にレーザー光を照射して溶接を施し、アッパーパネルとロアーパネルを外周に沿って溶接接合することを特徴とする金属製液体タンクの製造方法。
【請求項２】
すみ肉継手溶接部の溶け込み深さが液体タンクの素材の板厚以上になるようにレーザー光を照射する請求項１に記載の金属製液体タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板を素材とした液体タンクをレーザー溶接によって構築する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体タンクの一種である自動車の燃料タンクは、通常、適宜形状にプレス成形された鋼板製アッパーパネルとロアーパネルのフランジ部を溶接接合することにより製造されている。例えば、特許文献１では、椀形状にプレス成形したアッパーパネルとロアーパネルのフランジ部を重ね合わせ、そのフランジ部をシーム溶接している。
シーム溶接では、アッパーパネルとロアーパネルのフランジ部を上下電極で挟み込んで通電・加熱するとともに、それらの電極を回転させてパネル全周を溶接している。ところで、タンク１が、図１に示すように、直角のくぼみ部３を有するような形状であると、シーム電極輪２が液体タンク１のパネルに干渉してしまうことになる。つまり、複雑な形状を有する液体タンクへのシーム溶接の適用は困難である。このため、液体タンク形状の自由度が狭くなるという問題点がある。
【０００３】
シーム溶接法の適用が難しくなるような複雑形状の液体タンクを製造する際に用いられる溶接方法としては、例えば特許文献２，３に見られるように、レーザー溶接法が挙げられる。これらの文献では、いずれもアッパーパネルとロアーパネルを重ね合わせ、その重ね合わせたフランジ部の端部から重ね合わせ面に向かってレーザービームを照射して溶接している。
このような方法で溶接された溶接部には、図２に示すように、液体タンク１の内部圧力Ｐが上昇した場合に剥離力Ｐｔが溶接部５に作用する。したがって、溶接部５は、作用する剥離力Ｐｔに耐え得るような接合強度を有することが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、自動車・燃料タンクの素材としては、Ｚｎ系めっき鋼板やアルミニウムを鋼板表面に被覆したアルミめっき鋼板が多く，昨近はステンレス鋼を素材とした燃料タンクの開発検討も行われている。このうち、アルミめっき鋼板を液体タンクの素材として用いて、特許文献２，３に示したレーザー溶接を実施すると、溶接部の結晶組織が粗粒化し、図３に示すように、冷延鋼板と比べると硬くなる傾向が現れる。この現象は、溶接部にめっき金属のアルミニウムが混入することに起因しており、この硬化によって溶接部が非常に脆くなりやすい。このような状態の溶接部に前記の剥離力Ｐｔが作用すると、溶接部自体が破断して破断荷重が低くなるという問題が発生する。
【０００５】
また、他方、アルミめっき鋼板をレーザー溶接する際、溶接した接合部へのアルミニウムの混入割合が０．６５ｗｔ％以下にすると規定以上の破断荷重になることを踏まえ、その混入割合を実現するために溶接速度を遅くする方法、具体的な溶接速度としては１．５ｍ／ｍｉｎが、特許文献４で提案されている。しかし、その方法であると、シーム溶接での溶接速度が３．５〜４．０ｍ／ｍｉｎであるため溶接速度が遅いことによる生産効率低下の問題が発生する。
【特許文献１】特開２００２−２９２７１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９９３１３号公報
【特許文献３】特開２００４−２７６０３８号公報
【特許文献４】特許第３２２３１７２号公報
【０００６】
本発明は、このようなレーザー溶接部が硬化・脆化しやすい素材の金属製液体タンクでの破断荷重低下問題を解消するために案出されたものであり、溶接部が硬化・脆化しやすい鋼板を素材として溶接構造の液体タンクを製造する際にあっても、多少脆くなった溶接部を有していても、溶接部からの破断を防止し、高い破断荷重を確保した溶接継手構造を備えた液体タンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、その目的を達成するため、金属製液体タンクを製造する際、液体タンクを構成するアッパーパネル及びロアーパネルの端縁部にフランジ部を設けることなく、前記両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して両パネルの端縁部を重ね合わせた後、嵌合により形成されたすみ肉継手部分にレーザー光を照射して溶接を施し、アッパーパネルとロアーパネルを外周に沿って溶接接合することを特徴とする。
この際、すみ肉継手溶接部の溶け込み深さが素材の板厚以上になるような強さでレーザー光を照射することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、液体タンクを構成するアッパーパネルとロアーパネルとの溶接継手構造を、前記両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して両パネルの端縁部を重ね合わせたすみ肉継手部をレーザー溶接した溶接継手として、溶接部に引張せん断力が作用するタンク構造にすることにより、タンク内圧力が上昇しても溶接部で破断することなく比較的高い破断荷重を維持することができる。溶接部の結晶組織が多少粗粒化・脆化されても、全体として破断強度の高い液体タンクを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、レーザー溶接する場合の溶接継手に着目し、液体タンクの圧力が上昇しても溶接部自体の破断を防止して高い破断荷重を保てるような継手構造について、種々検討した。
詳細な検討内容及び結果は後述する実施例において示すが、最適な溶接継手としては、液体タンクの圧力上昇に伴って溶接部に作用する力が引張せん断状態になる継手であり、これによって溶接部自体の破断を防止して破断荷重も高い状態に保てることを見出した。
引張せん断力が作用するような溶接継手にするには、図４に示すように、液体タンク１のアッパーパネル６及びロアーパネル７の端縁部にフランジ部を設けることなく、両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して両パネルの端縁部を重ね合わせた後、嵌合により形成されたすみ肉継手部分に、液体タンク１全周に渡ってレーザー溶接を施していくことが有効であることがわかった。
【００１０】
このような状態にすれば，液体タンク１内の圧力Ｐが上昇した場合に溶接部５へ引張せん断力が作用することになる。すなわち、溶接部５に引張せん断力が作用した場合には、図５に示すように、アッパーパネル６の溶接部・下側部分が反り上がって溶接部５自体が角度αに傾くが、その際に溶接部５には引張力Ｐｈが分力して剥離方向にＰ１とせん断方向にＰ２が作用してくる。このため、図２で示した剥離力Ｐｔと同じ力の引張力Ｐを作用させても、剥離方向の力Ｐ１とせん断方向の力Ｐ２は引張力Ｐｈよりも低くなることから、引張せん断力が作用する溶接継手にした方が破断荷重をより高くすることができる。
【００１１】
本発明の重ねすみ肉継手溶接構造を採用することによって、アルミめっき鋼板を素材としてレーザー溶接によって液体タンクを製造しても、破断荷重の高い品質を得ることができる。
すなわち、溶接部の結晶組織が多少粗粒化・脆化しても、溶接部の破断強度を従来品よりも高くできているために、内部圧力が上昇した場合にも割れることのない液体タンクを製造することができる。
【００１２】
ところで、継手部に掛かる引張せん断力が溶接部全体の破断強度よりも小さければ、継手部から破断することはない。そして、溶接部全体の破断強度が継手部に掛かる引張せん断力を下回ると、溶接部で破断することになる。溶接部でのせん断破断を防ぎ、母材部での破断とするようにするには、溶接部の溶け込み深さを極力深くすることが望ましい。出力，照射角度，走行速度を調整しつつレーザー光を照射して溶接して、溶接部の溶け込み深さを少なくとも液体タンクの素材の板厚以上にすることが好ましい。
【００１３】
なお、液体タンクを構成するアッパーパネル及びロアーパネルの端縁部を嵌合させた構造とするには、適宜形状の凹部構造を有し、端縁部にフランジ部を有するアッパーパネル部材及びロアーパネル部材を、一旦プレス成形し、その後に不要なフランジ部を切断・除去することが好ましい。
通常、アッパーパネル及びロアーパネルの端部内径は殆んど同径とされているので、フランジ部を切断・除去した後に、一方のパネルの端縁部に僅かな拡径処理を、及び／または他方のパネルの端縁部に僅かな縮径処理を施して、嵌合を行いやすくすることが好ましい。
【００１４】
両パネルの一方の端縁部を他方の端縁部内に嵌合して重ねすみ肉継手部を形成した後に、当該すみ肉継手部に通常のレーザー溶接を施す。この際、前記したように、溶接部の溶け込み深さが、少なくとも液体タンクの素材の板厚以上になるように、レーザー出力，レーザー照射角度，或いは溶接速度を調整する。溶接対象の素材の板厚が比較的薄いため、レーザー照射角度は、図６の（ｂ）に示すように約２０度程度、具体的には１５〜２２度とすることが好ましい。この角度が２２度を上回ると、溶け込み深さが浅くなって十分な接合強度を得ることができなくなる。またこの角度が１５度を下回ると、アッパーパネル６の縦壁８にレーザー光が接触して縦壁が溶け落ちる危険性がある。
なお、上記では、主にアルミめっき鋼板を液体タンクの素材とした場合について記載したが、本発明の効果は他の材料、特にレーザー溶接部が粗粒化しやすいフェライト系ステンレス鋼に対しても有効である。
【実施例】
【００１５】
片面めっき付着量が４０ｇ／ｍ2のアルミめっき鋼板を用い、一辺が３００ｍｍの立方体状のタンクをプレス成形とレーザー溶接にて製造し、溶接部の接合強度を調査した。なお、用いたアルミめっき鋼板の板厚は１．２ｍｍであり、めっき母材は引張強さが４４０ＭＰａの高張力鋼である。
被溶接材は、図６に示すように前記のアルミめっき鋼板を一辺が３００ｍｍの立方体状にフランジが付いた状態にプレス成形した後、フランジ部分を取り除いてアッパーパネル６とロアーパネル７を用意し、アッパーパネル６をロアーパネル７内に嵌合させた。嵌合部分のアッパーパネル６とロアーパネル７の隙間は、発生しない状態とした。
【００１６】
嵌合部の溶接は、アッパーパネル６の縦壁８に対してレーザー光９を２０°傾斜させてタンク全周を重ねすみ肉継手溶接によって実施した。溶接時のレーザー出力は１．５ｋＷ，溶接速度が２ｍ／ｍｉｎ，シールドガスをアルゴンとして３０リットル／ｍｉｎ供給した。
製造したタンクから幅４０ｍｍの引張せん断試験片を切り出して試験に供した。
また，比較例として図２に示したようにフランジ部分を取り除かない状態のアッパーパネル６とロアーパネル７を用意し、両パネルのフランジ部分を重ね合せて端部をレーザー光９によってヘリ継手溶接した。その際の上下フランジ間の隙間は発生しないようにし、上記の実施例と同様の条件で溶接した。また、この場合も製造したタンクより幅４０ｍｍの試験片を切り出して、ピール試験を実施した。
【００１７】
溶接部の状態及び試験結果を表１に示す。
両方のタンクとも溶接部は、溶け込み深さが素材板厚の１．２ｍｍ以上で、溶接金属内のＡｌ含有量は０．７ｗｔ％であった。タンク内の圧力が上昇した際にヘリ継手溶接部には剥離力が作用するため、破壊試験はピール試験となる。その試験を実施した結果、溶接金属内で破断し、破断荷重は素材であるアルミめっき鋼板の引張強さより大きく低下する状態であった。これに対して重ねすみ肉継手溶接部には、タンク内圧力が上昇した際に引張せん断力が作用するため、破壊試験は引張せん断試験となる。その試験を実施した結果、破断位置は溶接部に近い母材部となり、破断荷重もほぼ素材であるアルミめっき鋼板の引張強さと同様であった。
【００１８】
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【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】複雑形状の液体タンクをシーム溶接する際の電極輪の干渉状態を示す図
【図２】フランジ部をヘリ継手溶接した液体タンクでの溶接部に作用する負荷状態を示す図
【図３】溶融溶接部の硬さ分布をアルミめっき鋼板と冷延鋼板とで比較した図
【図４】本発明での溶接部に作用する負荷状態を示す図
【図５】本発明での溶接部に作用する引張力の分力状態を示す図
【図６】実施例の一例を示す図
【符号の説明】
【００２０】
１：液体タンク      ２：シーム電極輪      ３：液体タンクのくぼみ部      
４：液体タンクのパネル      ５：溶接部      ６：アッパーパネル      
７：ロアーパネル      ８：アッパーパネルの縦壁      ９：レーザー光      
Ｐ：液体タンク内圧力      Ｐｔ：剥離力      Ｐｈ：引張力      
Ｐ１，Ｐ２：引張力Ｐｈの分力    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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