(57)【要約】【課題】本溶接後の仮止め溶接部の剥がれを抑制する溶接方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る溶接方法は、重ね合わせた複数の金属板からなる被溶接物に、高エネルギービームを照射して溶接する溶接方法であって、被溶接物の溶接箇所４１に仮止め溶接ナゲット４１ａをスポット溶接により形成する工程と、溶接箇所４１において、仮止め溶接ナゲット４１ａを残存させつつ、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線に沿って、複数の本溶接ナゲット４１ｂを高エネルギービームの照射により形成する工程と、を備えている。【選択図】図４
2016196015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた複数の金属板からなる被溶接物に、高エネルギービームを照射して溶接する溶接方法であって、
前記被溶接物の溶接箇所に仮止め溶接ナゲットをスポット溶接により形成する工程と、
前記溶接箇所において、前記仮止め溶接ナゲットを残存させつつ、前記仮止め溶接ナゲットを内包する仮想閉曲線に沿って、複数の本溶接ナゲットを高エネルギービームの照射により形成する工程と、を備えた、
溶接方法。
【請求項２】
前記仮止め溶接ナゲットの径を、前記本溶接ナゲットの径よりも小さくすることを特徴とする、
請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記仮止め溶接ナゲットと前記複数の本溶接ナゲットとを、互いに離間して形成することを特徴とする、
請求項１又は２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記高エネルギービームとしてレーザビームを用いることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接方法に関し、特にレーザビーム、電子ビーム、イオンビームなどの高エネルギービームを用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
重ね合わせた複数の金属板を接合する溶接方法の一つとして、加工歪みが少なく、高速溶接が可能であり、残留熱影響部も少ないなどの利点から、レーザ溶接による溶接方法が広く利用されている。
【０００３】
特許文献１に開示された溶接方法では、重ね合わせた金属材を所定の接合ラインに沿ってスポット溶接した後、スポット溶接部に沿ってレーザ溶接による連続溶接部を形成している。特許文献１には、スポット溶接により、レーザ溶接の際の隙間管理のための冶具や仮固定が不要となると記載されている。すなわち、スポット溶接が、レーザ溶接時の被溶接物の変形を抑制するための仮止め溶接としての役割も担っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４１１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、仮止め溶接部に相当するスポット溶接部が、本溶接部に相当するレーザ溶接による連続溶接部からはみ出している。ここで、例えば高電導性を有するアルミニウム合金板等では、仮止め溶接部は本溶接部よりも強度が弱い。そのため、特許文献１のように、仮止め溶接部が本溶接部からはみ出していると、強度の弱い仮止め溶接部が何らかの要因によって本溶接後に剥がれる虞がある。仮止め溶接部が剥がれても強度的には問題ないが、剥がれる際に異音が発生する。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、本溶接後の仮止め溶接部の剥がれを抑制するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る溶接方法は、
重ね合わせた複数の金属板からなる被溶接物に、高エネルギービームを照射して溶接する溶接方法であって、
前記被溶接物の溶接箇所に仮止め溶接ナゲットをスポット溶接により形成する工程と、
前記溶接箇所において、前記仮止め溶接ナゲットを残存させつつ、前記仮止め溶接ナゲットを内包する仮想閉曲線に沿って、複数の本溶接ナゲットを高エネルギービームの照射により形成する工程と、を備えたものである。
【０００８】
本発明に係る溶接方法では、溶接箇所において、スポット溶接による仮止め溶接ナゲットを残存させつつ、前記仮止め溶接ナゲットを内包する仮想閉曲線に沿って、複数の本溶接ナゲットを高エネルギービームの照射により形成する。そのため、仮止め溶接ナゲットが、本溶接ナゲットによって取り囲まれ、本溶接後における仮止め溶接ナゲットの剥がれを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係る溶接方法では、前記仮止め溶接ナゲットの径を、前記複数の本溶接ナゲットの径よりも小さくすることが好ましい。仮止め溶接ナゲットを形成する際の熱歪を小さくすることができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る溶接方法では、前記仮止め溶接ナゲットと前記複数の本溶接ナゲットとを、互いに離間して形成することが好ましい。本溶接時の被溶接物の変形をさらに効果的に抑制することができる。
【００１１】
また、本発明に係る溶接方法では、前記高エネルギービームとしてレーザビームを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、本溶接後の仮止め溶接部の剥がれを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の一例を示す側面図である。
【図２】レーザ溶接装置の基本的な動作を説明するための平面図である。
【図３】第１の実施形態に係る溶接方法を説明するための図である。
【図４】溶接箇所４１の拡大平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】実施例に係る被溶接物１００の平面図である。
【図７】比較例に係る被溶接物１１０の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１５】
（第１の実施形態）
まず、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係る溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の一例を示す側面図である。図２は、レーザ溶接装置の基本的な動作を説明するための平面図である。
【００１６】
なお、図１、図２及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものであるが、図面間において相互に対応している。通常、ｘｙ平面が水平面を構成し、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きとなる。
【００１７】
図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器１０、走査手段１１、及び駆動源１２を備える。
レーザ発振器１０はレーザビームを生成する。生成されたレーザビームは、光ファイバーケーブル１３を用いて走査手段１１に導かれる。レーザビームには、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。
【００１８】
走査手段１１は、レーザ発振器１０から光ファイバーケーブル１３を介して導かれたレーザビーム１６を走査し、被溶接物である金属板３１における４つの溶接箇所４１〜４４に順次照射する。これにより、重ね合わせた２枚の金属板３１、３２に跨る本溶接ナゲットを形成する。図１、図２に示すように、溶接箇所４１〜４４には、予めスポット溶接による仮止め溶接ナゲット４１ａ〜４４ａがそれぞれ形成されている。図１では、仮止め溶接ナゲット４１ａが形成された溶接箇所４１にレーザビーム１６を照射し、本溶接ナゲット４１ｂを形成する様子を示している。なお、溶接箇所の位置及び数は、特に制限はなく、適宜決定すればよい。
【００１９】
走査手段１１は、それぞれ１つの回動軸を中心に回動可能なミラー１４、１５を備えている。例えば、ミラー１４はレーザビーム１６をｘ軸方向に走査し、ミラー１５はレーザビーム１６をｙ軸方向に走査する。ミラー１４、１５は、例えばガルバノミラーを用いて構成することができる。つまり、走査手段１１は、金属板３１の表面における所定の走査範囲でレーザビーム１６を走査することができる。
【００２０】
また、走査手段１１は、例えばロボットなどの駆動源１２により、任意の方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向）に移動することができる。図１、図２に示した例では、走査手段１１は、単純にｘ軸プラス方向に移動する。走査手段１１によるレーザビーム１６の走査範囲は、走査手段１１の移動と共に移動する。
なお、図１では、２つのミラー１４、１５から走査手段１１を構成しているが、２軸方向に回動可能な１つのミラーから走査手段１１を構成してもよい。
【００２１】
次に、図１、図２を参照して、レーザ溶接装置１の基本的な動作について説明する。図の例では、被溶接物として２枚の金属板３１、３２を溶接して接合する場合を例示している。図１では被溶接物である２枚の金属板３１、３２が若干離間するように配置されている場合を示しているが、２枚の金属板３１、３２は互いに接するように配置されていてもよい。
【００２２】
上述の通り、溶接箇所４１〜４４には、予めスポット溶接による仮止め溶接ナゲット４１ａ〜４４ａがそれぞれ形成されている。ここで、高電導性を有するアルミニウム合金板等では、スポット溶接によって充分な接合強度を得るのが難しく、充分な接合強度を得るには特殊な装置が必要となる。一方で、仮止め溶接であれば、大きな接合強度は要求されない。そのため、高電導性を有するアルミニウム合金板等の仮止め溶接に、汎用の（例えば鋼板用の）スポット溶接装置をそのまま用いることができる。スポット溶接を用いることにより、レーザ溶接の場合よりも仮止め溶接を高速に行うことができ、生産性が向上する。
【００２３】
図２の平面図に示すように、金属板３１、３２を溶接する際、走査手段１１を矢印で示した溶接方向に移動する。ここで、溶接方向とは、金属板３１、３２を溶接する方向である。換言すると、溶接方向は、図１、図２に示す溶接箇所４１〜４４が形成される方向であって、図の例ではｘ軸プラス方向である。なお、走査手段１１は、溶接方向に一定の速度で（つまり連続的に）移動してもよく、また、段階的に（つまり不連続的に）移動してもよい。
【００２４】
図１に示すように、金属板３１、３２を溶接する際、まず走査手段１１は、仮止め溶接ナゲット４１ａが形成された溶接箇所４１にレーザビーム１６を照射する。これにより、溶接箇所４１に本溶接ナゲット４１ｂが形成される。その後、走査手段１１は移動しながら、レーザビーム１６を次の溶接箇所４２に照射する。これにより、溶接箇所４２に本溶接ナゲット（不図示）が形成される。同様に、溶接箇所４３、４４にも、本溶接ナゲットが順次形成される。
【００２５】
このように、レーザ溶接装置１は、駆動源１２により走査手段１１を移動させつつ、走査手段１１でレーザビーム１６を走査して金属板３１、３２の所定の箇所を溶接することができる。上記の溶接方法を用いた場合は、溶接箇所４１〜４４が離散的となる。なお、当然のことながら、被溶接物である複数の金属板の枚数は３枚以上であってもよい。
【００２６】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る溶接方法について説明する。図３は、第１の実施形態に係る溶接方法を説明するための図であって、溶接箇所４１の平面図を示している。
本実施形態に係る溶接方法は、レーザ発振器１０から導かれたレーザビーム１６を走査する走査手段１１を移動させながら、走査手段１１で走査されたレーザビーム１６を被溶接物である複数の金属板３１、３２に照射して複数の金属板３１、３２を溶接するレーザ溶接方法である。
【００２７】
ここで、レーザ溶接による本溶接に先立って、金属板３１、３２を、スポット溶接によって仮止め溶接する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、溶接箇所４１に仮止め溶接ナゲット４１ａをスポット溶接により形成する。ここで、仮止め溶接とは、金属板３１、３２が本溶接中に熱歪や残留応力などによって変形することを抑制するための仮の溶接であって、本溶接よりも接合強度の小さい溶接である。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、溶接箇所４１において、仮止め溶接ナゲット４１ａを残存させつつ、レーザビーム１６を照射して本溶接する。具体的には、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線に沿って、複数の本溶接ナゲット４１ｂを形成する。図の例では、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線（溶接箇所４１を示す二点鎖線）に沿って３つの本溶接ナゲット４１ｂを形成している。ここで、本溶接とは、金属板３１、３２を互いに強固に接合するための溶接である。
なお、複数の本溶接ナゲット４１ｂの形成順序は、どのような順序であってもよい。
【００２９】
ここで、図４、図５を参照して、仮止め溶接ナゲット４１ａ及び複数の本溶接ナゲット４１ｂからなる溶接箇所４１の詳細な構成について説明する。図４は、溶接箇所４１の拡大平面図である。また、図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態に係る溶接方法では、スポット溶接による仮止め溶接ナゲット４１ａを残存させつつ、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線（溶接箇所４１を示す二点鎖線）に沿って、複数の本溶接ナゲット４１ｂをレーザ溶接により形成する。そのため、仮止め溶接ナゲット４１ａが、本溶接ナゲット４１ｂによって取り囲まれ、本溶接後における仮止め溶接ナゲット４１ａの剥がれを抑制することができる。また、仮止め溶接ナゲット４１ａを残存させるため、本溶接中も仮止め溶接ナゲット４１ａによる変形抑制効果を維持することができる。
【００３１】
図４の例では、直径Ｄの円形状の仮想曲線（溶接箇所４１を示す二点鎖線）の中心部に、直径Ｄａの円形状の仮止め溶接ナゲット４１ａが１つ形成されている。この仮止め溶接ナゲット４１ａを囲うように、仮想曲線（溶接箇所４１を示す二点鎖線）に内接する直径Ｄｂの円形状の本溶接ナゲット４１ｂが等間隔に３つ形成されている。
【００３２】
なお、本溶接時の変形抑制効果の観点から、図４に示すように、仮止め溶接ナゲット４１ａは、本溶接ナゲット４１ｂと離間して形成されていることが好ましい。ただし、仮止め溶接ナゲット４１ａの一部と、本溶接ナゲット４１ｂの一部とが、互いに重畳していてもよい。
【００３３】
また、仮止め溶接ナゲット４１ａ及び本溶接ナゲット４１ｂの個数は、任意である。さらに、仮止め溶接ナゲット４１ａ及び本溶接ナゲット４１ｂの形状は、円形に限られず、例えば楕円形状であってもよいし、多角形形状であってもよい。また、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線は、円形に限られず、楕円や任意の曲線あるいは多角形であってもよい。また、図４の例では、仮止め溶接ナゲット４１ａを内包する仮想閉曲線が、本溶接ナゲット４１ｂに外接しているが、例えば本溶接ナゲット４１ｂの中心を通過してもよいし、あるいは本溶接ナゲット４１ｂに内接してもよい。
【００３４】
図４に示すように、仮止め溶接ナゲット４１ａの径（例えば直径）Ｄａは、本溶接ナゲット４１ｂの径（例えば直径）Ｄｂよりも小さいことが好ましい。仮止め溶接ナゲット４１ａを形成する際の熱歪を小さくすることができる。また、仮止め溶接ナゲット４１ａの径Ｄａが小さい程、仮止め溶接時間が短くて済み、生産効率及びエネルギー効率が向上する。但し、本溶接時の変形抑制効果は低下する。
【００３５】
剥離強度等の強度特性上、互いに隣り合う本溶接ナゲット４１ｂ間の距離すなわちピッチｐに対する本溶接ナゲット４１ｂの径Ｄｂが、１／２＜Ｄｂ／ｐ≦１を満たすように配置されることが好ましい。本溶接ナゲット４１ｂの径Ｄｂは、本溶接ナゲット４１ｂが円形状である場合は、直径である。一方、本溶接ナゲット４１ｂが楕円形状である場合には、例えば長軸長さであってもよいし、長軸長さと短軸長さの平均値であってもよい。
【００３６】
Ｄｂ／ｐ≦１／２の場合、ピッチｐに対して本溶接ナゲット４１ｂの径Ｄｂが小さく、各本溶接ナゲット４１ｂが離れている。そのため、複数の本溶接ナゲット４１ｂが、強度特性上、相互に影響を及ぼさず、各本溶接ナゲット４１ｂの単独の強度を超える荷重が加わると、各本溶接ナゲット４１ｂが個別に破断する。そのため、直径Ｄの仮想曲線（溶接箇所４１）に囲まれた１つのナゲットよりも強度特性に劣る。
【００３７】
また、１＜Ｄｂ／ｐの場合、ピッチｐに対して本溶接ナゲット４１ｂの径Ｄｂが大き過ぎ、隣り合う本溶接ナゲット４１ｂの径Ｄｂ同士が重なってしまう。そのため、複数の本溶接ナゲット４１ｂが一体となり溶融部と母材の境界に沿って一度に破断する。すなわち、直径Ｄの仮想曲線（溶接箇所４１）に囲まれた１つのナゲットと、同等の強度特性となる。
【００３８】
一方、１／２＜Ｄｂ／ｐ≦１の場合、隣り合う本溶接ナゲット４１ｂが適度に離間している。すなわち、隣り合う本溶接ナゲット４１ｂ間に母材（金属板３１、３２）が存在しているため、本溶接ナゲット４１ｂが一体となって破断することが抑制される。それとともに、本溶接ナゲット４１ｂが個々に破断することも抑制される。そのため、直径Ｄの仮想曲線（溶接箇所４１）に囲まれた１つのナゲットを上回る強度特性が得られる。
【００３９】
以上に説明した通り、本実施形態では、溶接箇所において、仮止め溶接ナゲットをスポット溶接により形成した後、仮止め溶接ナゲットを残存させつつ、仮止め溶接ナゲットを内包する仮想閉曲線に沿って高エネルギービームを照射し、複数の本溶接ナゲットを形成する。そのため、本溶接後に残存する仮止め溶接ナゲットは、本溶接ナゲットによって取り囲まれる。従って、本溶接後における仮止め溶接ナゲットの剥がれを抑制することができる。
【実施例】
【００４０】
次に、図６、図７を参照して、本発明の実施例について説明する。図６は、実施例に係る被溶接物１００の平面図である。図７は、比較例に係る被溶接物１１０の平面図である。
第１の実施形態に係る溶接方法を用いて、被溶接物１００を溶接した。本実施例では、枠状の６０００系のアルミニウム合金板を２枚重ねたものを被溶接物１００とした。各々のアルミニウム合金板の厚さは１．２ｍｍと０．９ｍｍであった。
スポット溶接には銅合金チップを用いた。溶接条件は、加圧力を１９６０Ｎ、溶接電流を１４ｋＡ、通電時間を８サイクルとした。
レーザ溶接装置１のレーザ発振器１０にはファイバーレーザを使用した。
【００４１】
図６に示すように、実施例に係る被溶接物１００における溶接箇所１０１は２０箇所とした。ハッチングして示した１０箇所の溶接箇所１０１ａには、図４に拡大して示したように、スポット溶接による円形状の仮止め溶接ナゲットを１点、レーザ溶接による円形状の本溶接ナゲットを３点ずつ形成した。他の１０箇所の溶接箇所１０１ｂには、仮止め溶接ナゲットを形成せずに、本溶接ナゲットのみを３点ずつ形成した。
仮止め溶接ナゲットの直径Ｄａは、１〜３ｍｍ程度とした。また、本溶接ナゲットの直径Ｄｂは、４ｍｍ程度とした。本溶接ナゲットの外接円の直径Ｄは、１１ｍｍ程度とした。
【００４２】
他方、図７に示すように、比較例に係る被溶接物１１０における溶接箇所１１１も２０箇所とした。全ての溶接箇所１１１おいて、スポット溶接による仮止め溶接ナゲットを形成せずに、実施例と同様の本溶接ナゲットのみを３点ずつ形成した。仮止め溶接の代りに、１０個のクランプ１１２を用いて被溶接物１１０を拘束した。そのうち４個のクランプ１１２ｂは溶接箇所１１１以外の位置に設けることができるが、６個のクランプ１１２ａは溶接箇所１１１に設ける必要がある。そのため、比較例では、図中に矢印で示した溶接ルートに沿って、被溶接物１１０を２回レーザ溶接した。１回目には、１４箇所の溶接箇所１１１をレーザ溶接した。２回目には、１回目にクランプ１１２ａに隠れていた６箇所の溶接箇所１１１をレーザ溶接した。
【００４３】
これに対し、実施例では、スポット溶接により仮止めしたため、溶接ルートに沿った１回のレーザ溶接により、被溶接物１００を溶接することができた。そのため、実施例では、クランプを用いる比較例よりも生産効率を向上させることができた。
また、実施例では、各溶接箇所１０１において、図４に示したように、１つの仮止め溶接ナゲットを取り囲むように、３つの本溶接ナゲット４１ｂを形成した。そのため、実施例では、本溶接時の変形を抑制しつつ、本溶接後における仮止め溶接ナゲットの剥がれを抑制することができた。
【００４４】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、本溶接箇所のナゲット形状は任意の形状とすることができる。例えば、Ｃ字状、Ｏ字状、線状などの形状としてもよい。
また、本発明に係る溶接方法は、レーザビーム、電子ビーム、イオンビームなどの高エネルギービームを用いた溶接（例えばレーザ・アークハイブリッド溶接、電子ビーム溶接）に広く適用可能である。
また、本発明に係る溶接方法は、溶接時に変形し易いアルミニウム合金板に特に好適であるが、鋼板その他の金属板にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  レーザ溶接装置
１０  レーザ発振器
１１  走査手段
１２  駆動源
１３  光ファイバーケーブル
１４、１５  ミラー
１６  レーザビーム
３１、３２  金属板
４１-４４  溶接箇所
４１ａ-４４ａ  溶接ナゲット
４１ｂ  本溶接ナゲット
１００、１１０  被溶接物
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１１１  溶接箇所
１１２、１１２ａ、１１２ｂ  クランプ
【図１】
2016196015.tif 000003
【図２】
2016196015.tif 000004
【図３】
2016196015.tif 000005
【図４】
2016196015.tif 000006
【図５】
2016196015.tif 000007
【図６】
2016196015.tif 000008
【図７】
2016196015.tif 000009