JP6899253B2

JP6899253B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP6899253B2
Application number: JP2017094423A
Authority: JP
Inventors: 謙一土浦
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: JP2018187665A

Description

本発明は、一方の薄板状のワークの端面と、他方の薄板状のワークの端面とを、例えば直角な状態に突き合せてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法及び上記レーザ溶接方法によって溶接を行った溶接構造体に関する。さらに詳細には、一方のワークと他方のワークとの溶接部の表面をＲ形状に形成し、前記溶接部の裏面を溶融することのないレーザ溶接方法及び溶接構造体に関する。

従来、金属板を突き合せてレーザ溶接を行うことがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２１８４９７号公報

特許文献１には、厚い金属板と薄い金属板とを突き合せてレーザ溶接を行う構成が記載されている。ところで、薄い金属板のワークを突き合せてレーザ溶接を行う場合、図１（ａ）に示すように、ワークＷの端面を突き合せてレーザ溶接を行う突合せ継手、図１（ｂ）に示すように、ワークＷを重ね合せた端面のレーザ溶接を行うヘリ継手等がある。また、図１（ｃ）に示すＴ型貫通継手、図１（ｄ）に示すＴ型すみ肉継手、図１（ｅ）に示す重ね継手、図１（ｆ）に示す重ねすみ肉継手、図１（ｇ）に示すＬ字継手、図１（ｈ）に示すＬ字すみ肉継手などの種々の継手がある。

ここで、ワークを溶接して箱体を構成する場合、前記継手としては、図１（ｇ），（ｈ）に示されたＬ字継手、Ｌ字すみ肉継手が採用可能である。しかし、図１（ｇ），（ｈ）に示した構成においては、ワークの鋭いエッジが残るものであり、好ましいものではない。

そこで、箱体を展開した状態にワークを切断し、折曲げ加工してワークの端面を合せると、図１（ｉ）に示すように、ワークＷの端面は直角に交差することになる。この場合、ワークＷの端面の間の三角形状の部分に肉盛り溶接を行うことになる。ワークが薄い場合には、ワークの溶け落ちが生じたり、肉盛り部分とワーク表面との間に段差を生じることがある。すなわち、外観のよいレーザ溶接は難しいものである。

本発明は、一方の板状のワークの端面と他方の板状のワークの端面とを交差した状態に突き合せてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法であって、前記一方のワークの端部における表面に面取り加工を行う工程と、前記他方のワークの端面を前記一方のワークの裏面に突き合せ、前記一方のワークの端面と前記他方のワークの表面とがほぼ一致するように位置決めする工程と、前記一方のワークと前記他方のワークとの突合せ部分へレーザ光を照射して金属を溶融する工程と、前記金属溶融時の表面張力によって、前記一方のワークと前記他方のワークとの溶接部の表面をＲ形状に形成する工程とを含むレーザ溶接方法である。

上記のレーザ溶接方法において、前記一方のワークの裏面と前記他方のワークの裏面とが直角をなすように突き合せることによって、前記一方のワークの裏面に対して前記他方のワークの端面を突き合せる。

上記のレーザ溶接方法において、前記レーザ光の照射方向は、前記一方のワークの端面付近を指向し、かつ前記一方のワークにおける裏面と前記他方のワークにおける裏面との交差位置付近を指向した方向である

上記のレーザ溶接方法において、前記面取り加工を、前記一方のワークの板厚の５３％〜６７％の深さに行う。

上記のレーザ溶接方法において、前記一方のワークの裏面と前記他方のワークの裏面との交差位置における金属を溶融しない。

本発明によれば、ワークの端面の突き合せての位置決めが容易であると共に、溶接部の表面はＲ形状に形成されるものである。すなわち、鋭いエッジがない状態に溶接でき、安全性が向上すると共に、良好な外観となるものである。

板材をレーザ溶接する際の種々の継手の構成を示す説明図である。板状のワークを直角に突き合せてレーザ溶接を行う説明図である。本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法の説明図である。本発明の実施形態によるレーザ溶接方法による溶接結果の説明図である。本発明の実施形態によるレーザ溶接方法による溶接結果の説明図である。

前述したように、例えば箱体を展開した状態に、例えば１ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の薄い板状のワークを切断し、その後に折曲げ加工すると、図１（ｉ）に示すように、ワークを突き合せた端面の間には、三角形状の空間が生じる。この三角形状の部分は肉盛り溶接を行う必要がある。

そこで、図２（ａ）に示すように、一方のワークＷ１と他方のワークＷ２とを治具等（図示省略）によって直角に保持し、一方のワークＷ１の端部を、他方のワークＷ２の端面Ｆ２上に重ねて位置決めした。この場合、一方のワークＷ１の端面Ｆ１の位置が他方のワークＷ２の板厚ｔの約１／２ｔの位置となるように位置決めした。そして、焦点位置Ｆを、前記端面Ｆ１，Ｆ２の外方に（＋位置に）設定し、ワークＷ１，Ｗ２の表面Ｗ１Ａ，Ｗ２Ａ側の角部及び前記端面Ｆ１，Ｆ２を含む、状態にレーザ光ＬＢを照射した。この場合のレーザ光ＬＢの照射方向は、前記ワークＷ１，Ｗ２における裏面Ｗ１Ｂ，Ｗ２Ｂの交差位置Ｃを指向するように照射した。

一方のワークＷ１と他方のワークＷ２とを、図２（ａ）に示した状態においてレーザ溶接を行ったところ、金属溶融時の表面張力によって、ワークＷ１，Ｗ２の溶接部ＷＥは、図２（ｂ）に示すように、Ｒ形状に形成されることを確認した。また、上記レーザ溶接においては、ワークＷ１，Ｗ２における裏面Ｗ１Ｂ，Ｗ２Ｂの交差位置Ｃは溶融されてはいなかった。

すなわち、一方のワークＷ１の端面Ｆ１と他方のワークＷ２の端面Ｆ２とを交差した状態に突き合せてレーザ溶接を行うとき、一方のワークＷ１の裏面Ｗ１Ｂの端部を、他方のワークＷ２の端面Ｆ２の全面に亘ることなく突合せ位置決めしてレーザ溶接を行うことにより、溶け落ちを生じることなく溶接部ＷＥはＲ形状に形成される。そして、ワークＷ１，Ｗ２における裏面Ｗ１Ｂ，Ｗ２Ｂの交差位置は溶融されることがないことを確認した。すなわち、溶接部ＷＥの外観が良好で溶け落ちのない良好な溶接を行い得ることを確認した。

ところで、前述のように、一方のワークＷ１の端部を、他方のワークＷ２の端面Ｆ２に突き合せてレーザ溶接を行うとき、他方のワークＷ２の端面Ｆ２に対する一方のワークＷにおける端面Ｆ１の位置が種々異なると、レーザ溶接条件が同一であっても、前記溶接部ＷＥの形状が良好な形状にならず変化する傾向にある。また、他方のワークＷ２の端面Ｆ２に対する一方のワークＷ１の端面Ｆ１の位置決めが難しいものであった。

上述に鑑みて、本実施形態においては、次のようにしてワークＷ１とワークＷ２との端部の突き合せ溶接を行うものである。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、一方のワークＷ１の端部における表面に面取り加工ＣＨを行う。この場合、図３（ａ）に示すように、ワークＷ１の端部付近を、バイト等の切削工具によってＶ形状の溝Ｖを切削加工する。そして、上記Ｖ溝の底部に沿ってレーザ切断加工を行うことによって前記面取り加工ＣＨが行われるものである。

そして、他方のワークＷ２の端面Ｆ２を、一方のワークＷ１の裏面Ｗ１Ｂに突き合せる。また、一方のワークＷ１の端面Ｆ１と他方のワークＷ２の表面Ｗ２Ａとがほぼ一致するように位置決めする。すなわち、ワークＷ１とワークＷ２とは直角を保持するように端部を突合せ位置決めするものである。この位置決めは、位置決め治具（図示省略）を用いることにより容易に行い得る。上述のように、一方のワークＷ１の端面Ｆ１と他方のワークＷ２の表面Ｗ２Ａとが一致するように位置決めするものである。したがって、一方のワークＷ１と他方のワークＷ２との位置的関係は、常に一定の位置的関係を保持して位置決めし得る。

上述のように、水平又は垂直な一方のワークＷ１の端部と垂直又は水平な他方のワークＷ２の端部とを直角に突合せ位置決めした後、突合せ部分にレーザ光ＬＢを照射してレーザ溶接を行うものである。この際、レーザ光ＬＢは、垂直に対して角度θだけ傾斜し、レーザ光ＬＢの照射位置は、溶接位置ＷＥの外観が良好な溶接となるように、実験的に求めた位置とするものである。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、一方のワークＷ１における表面Ｗ１Ａの端部に面取り加工ＣＨを行って、レーザ溶接を行うと、図３（ｃ）に示すように、溶接位置ＷＥは、溶融金属の表面張力によって表面がＲ形状を呈し、かつワークＷ１，Ｗ２の裏面は溶融されることのない良好な溶接となるものである。

ところで、レーザ光ＬＢの照射方向は、一方のワークＷ１の端面Ｆ１付近を指向し、かつ一方のワークＷ１における裏面Ｗ１Ｂと他方のワークＷ２における裏面との交差位置付近を指向した方向であることが望ましい。

上述のように、複数枚のワークの直角な接合部をレーザ溶接して、例えば溶接構造体として箱体を製造した場合、箱体の角部の溶接部の外観はＲ面であって、箱体の各内面が直角に交差し、かつ各内面の交差位置に溶接ビード等が存在しない外観良好な箱体となるものである。

ところで、前述したように、端部の面取り加工ＣＨを行った一方のワークＷ１を、図３（ａ）に示すように、他方のワークＷ２の上面に配置した場合（上Ｖ）と、図３（ｂ）に示すように、一方のワークＷ１を他方のワークＷ２の下側に配置した場合（下Ｖ）の二種類の試験片を用意した。上記試験片は、ＳＵＳ３０４、板厚（ｔ＝１．５ｍｍ）、溶接長４０ｍｍ、である。そして、引っ張り剪断力の測定を行うために、ワークＷ１，Ｗ２の裏面Ｗ１Ｂ，Ｗ２Ｂ側が溶融されることのない溶接条件でもってレーザ溶接を行って、同一構成の試験片を複数用意した。

引っ張り試験を行うに際しては、治具を用いて一方のワークＷ１を固定し、他方のワークＷ２を引っ張ることによって試験を行った。試験の結果は、図４に示すとおりであった。図４において、平均引っ張りせん断力は、同一構成の複数の試験片による引っ張り試験の平均値である。

図４において、Ｎｏ．１，２の試験片における、ワークＷ１におけるＶ溝の深さ（Ｖカット量）は１．０ｍｍである。換言すればワークＷ１の板厚の約６７％の深さである。Ｎｏ．３，４の試験片であるワークＷ１のＶ溝の深さは０．８ｍｍであり、板厚の約５３％の深さである。Ｎｏ．５，６の試験片であるワークＷ１のＶ溝の深さは０．６ｍｍで、板厚の約４０％である。

図４に示された結果から明らかなように、Ｖ溝の深さが浅くなる（小さくなる）と、図３（ａ），（ｂ）に示した一方のワークＷ１における端面Ｆ１が厚くなる。したがって、Ｖ溝が浅くなると、溶接部ＷＥの溶融金属量が多くなり、エッジが膨らむ傾向にある。よって、Ｖ溝の深さは適正な範囲が存在することになる。

そこで、ＳＵＳ３０４、ｔ＝１．５ｍｍにおいては、溶接部ＷＥのＲ面ビードの形状を上Ｖと下Ｖにおいての差をより詳細に検査したところ、図５に示すとおりであった。図５から明らかなように、板厚ｔ＝１．５ｍｍにおいて、Ｖ溝の深さは、１ｍｍ〜０．８ｍｍが好ましいものであった。すなわち、ワークＷ１の板厚に対して約６７％〜約５３％の範囲が好ましいものである。

なお、板材としてはＳＵＳに限らず例えばＳＰＣ，Ａｌもある。また、薄い板材としては、ｔ＝１．５ｍｍに限らず、ｔ＝１．０ｍｍ〜ｔ＝２．５ｍｍ（Ｖ溝の深さは２．０ｍｍとなる）の範囲においてＶ溝を形成することができる。そこで、各板厚のワークに対して、板厚の約６７％〜約５３％の範囲のＶ溝を形成して、前述と同様のレーザ加工を行ったところ、ほぼ前述と同様の効果が得られた。

ところで、図４から明らかなように、Ｖ溝の深さが同一であっても、平均引っ張りせん断力は、上Ｖよりも下Ｖの方が大きい。したがって、一方のワークＷ１と他方のワークＷ２との配置関係は、図３（ａ）に示したごとき上Ｖの関係よりも、図３（ｂ）に示したごとき下Ｖの関係に配置してレーザ溶接を行うことが望ましいものである。

Ｗ１一方のワークＷ２他方のワーク
Ｗ１Ａ表面Ｗ２Ａ表面
Ｗ１Ｂ裏面Ｗ２Ｂ裏面
Ｆ１端面Ｆ２端面
Ｃ裏面の交差位置ＷＥ溶接部

Claims

一方の板状のワークの端面と他方の板状のワークの端面とを交差した状態に突き合せてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法であって、
前記一方のワークの端部における表面に面取り加工を行う工程と、
前記他方のワークの端面を前記一方のワークの裏面に突き合せ、前記一方のワークの端面と前記他方のワークの表面とがほぼ一致するように位置決めする工程と、
前記一方のワークと前記他方のワークとの突合せ部分へレーザ光を照射して金属を溶融する工程と、
前記金属溶融時の表面張力によって、前記一方のワークと前記他方のワークとの溶接部の表面をＲ形状に形成する工程と、
を含むレーザ溶接方法。
前記一方のワークの裏面と前記他方のワークの裏面とが直角をなすように突き合せることによって、前記一方のワークの裏面に対して前記他方のワークの端面を突き合せる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記レーザ光の照射方向は、前記一方のワークの端面付近を指向し、かつ前記一方のワークにおける裏面と前記他方のワークにおける裏面との交差位置付近を指向した方向である請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
前記面取り加工を、前記一方のワークの板厚の５３％〜６７％の深さに行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
前記一方のワークの裏面と前記他方のワークの裏面との交差位置における金属を溶融しない請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。