JP2003001454A - 金属板同士の重ねすみ肉溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高密度エネルギービーム溶接の優れた特長を
生かした溶接方法を提供する。 【解決手段】 互いに重ねられた表側の金属板１と裏側
の金属板２との重ねすみ肉部Ｘに高密度エネルギービー
ムＥを照射して接合するに際し、表側の金属板１と裏側
の金属板２との接合面Ｙを溶着すべく、表側の金属板１
の端面１ｂに向けて高密度エネルギービームＥを照射す
る。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、金属板同士の重ね
すみ肉溶接方法にかかり、特に、レーザービーム、電子
ビームなどの高密度エネルギービームにより表側と裏側
の金属板を重ねすみ肉溶接するようにした金属板同士の
重ねすみ肉溶接方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】一般に、表側と裏側の金属板同士を一体
に接合する溶接法には、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、炭酸
ガスアーク溶接、抵抗熱溶接(スポット溶接)、高密度エ
ネルギービーム溶接等が知られている。レーザー溶接、
電子ビーム溶接等の高密度エネルギービームによる溶接
は、エネルギービームの直進性が良く短時間に高エネル
ギーが微少部分に投入されるので、ビード幅が狭く溶け
込み深さが深いという利点がある。また、他の溶接方法
と比べて溶接速度も速く熱によるひずみも少ないので、
鉄鋼、自動車、航空機、構造体等の溶接に広く用いられ
ている。また、高密度エネルギービームによる溶接は、
溶接が急速加熱、急速冷却の溶融凝固形態をとるため、
融点や熱伝導率の異なる異種金属間の溶接にも用いられ
る。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】このように、高密度エ
ネルギービームによる溶接は他の溶接法に比較して数多
くの利点を備えておりその活用が望まれる。しかし、図
５(ａ)に示されるように、２枚の金属板Ａ，Ｂを重ね合
わせて表側から裏側に高密度エネルギービームＥを照射
して重ね溶接する際に、表側、すなわち、高密度エネル
ギービームＥの照射側の金属板Ａの厚さが、高密度エネ
ルギービームＥの溶け込み深さを超えているときは互い
に溶着することはできない。また、図５(ｂ)に示される
ように、表側の金属板Ａの厚さが、高密度エネルギービ
ームＥの溶け込み深さより薄い場合でも、表側の金属板
Ａと裏側の金属板Ｂとの溶着面積が小さいときは、重ね
溶接の信頼性が著しく低下する。従って、このような場
合においては、高密度エネルギービームＥの移動速度を
遅くして必要な溶着面積を確保するか、または、２パス
以上の溶接を実施して溶接に必要な溶着面積を確保せざ
るを得ない。さらに、薄い金属板同士を重ね合わせ方向
に溶接する場合においても、最大の溶着面積、溶接長さ
は板厚によって制限されることになるため、溶着面積及
び溶接長さをそれ以上に大きくすることはできない。 【０００４】さらに、金属板同士を重ねて重ねすみ肉溶
接する場合は、表側の金属板の端面と裏側の金属板の表
面との交点に対して４５゜の溶接角度(高密度エネルギ
ービームと母材との交角)で溶接することが標準となっ
ているが、この溶接角度で高密度エネルギービームを照
射して重ねすみ肉溶接をする場合は、重ねすみ肉溶接継
手部の脚長、のど厚、溶着面積及び溶接長さが大幅に不
足する(図示せず)。 【０００５】そこで、高密度エネルギービームの優れた
利点を損なうことなく金属板同士を溶接できるようにす
るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、
本発明はこの課題を解決することを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために提案されたものであり、互いに重ねられた表
側の金属板と裏側の金属板とを重ねすみ肉溶接するに際
し、表側の金属板と裏側の金属板との互いの接合面が表
側の金属板の端面から奥側に向かって溶着されるよう、
表側の金属板の端面に高密度エネルギービームを照射す
るようにした金属板同士の重ねすみ肉溶接方法を提供す
るものである。 【０００７】すなわち、重ねすみ肉部において、裏側の
金属板の表面と表側の金属板の端面との交点に対して４
５゜の溶接角度で高密度エネルギービームを照射する
と、溶接の溶着面積が不足して必要な溶接強度が得られ
ないが、表側の金属板と裏側の金属板との接合面が互い
に溶着されるよう、裏側の金属板の表面寄り位置から表
側の金属板の端面に向けて高密度エネルギービームを照
射すると、表側の金属板と裏側の金属板の接合面が表側
の金属板の端面から奥側に向かって溶着されるから、溶
接強度に対して充分な溶着面積及び溶接長さが得られ
る。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる溶接方法を
図１及び図２を参照して説明する。図１は２枚の金属板
同士に高密度エネルギービームを照射して重ねすみ肉溶
接をするときのトーチ位置及び高密度エネルギービーム
の照射方向を示し、図２は高密度エネルギービームによ
る溶接状態を示す。なお、図中、裏側の金属板２は、自
動車では、例えば、フレーム材等に対応し、表側の金属
板１は、例えば、ボディ外板等に対応する。 【０００９】図１に示すように、互いに重ね合わされた
表側の金属板１と裏側の金属板２とを高密度エネルギー
ビームＥで溶着するときは、表側の金属板１と裏側の金
属板２との重ねすみ肉部Ｘを溶接できるようにトーチ３
を配置し、トーチ３を重ねすみ肉部Ｘに沿わせて移動し
ながら重ねすみ肉部Ｘに高密度エネルギービームＥを照
射する。高密度エネルギービームＥの照射点は表側の金
属板１の端面１ｂとされ、高密度エネルギービームＥの
照射角度、すなわち溶接角度θは、すみ肉溶接時の標準
角度４５゜(裏側の金属板２の表面２ａ、表側の金属板
１の端面１ｂと裏側の金属板２の表面２ａとの交点Ｏ、
トーチ３の先端部とによって作られる角度)よりも小さ
くかつ、表側の金属板１と裏側の金属板２との互いの接
合面Ｙが、高密度エネルギービームＥの高エネルギーに
よって表側の金属板１の端面１ｂから奥側に向かって溶
着される角度とされる。この溶接角度θは、好ましくは
０゜を超えた角度１０゜〜３０゜近傍の角度に設定され
るが、より好ましくは、３０゜又はその近傍の１５゜〜
３０゜の角度とされる。溶接角度θの下限値を０゜を超
える角度１０゜とするのは、このようにすると表側の金
属板１と裏側の金属板２との接合面Ｙが溶着される際
に、高密度エネルギービームＥの高エネルギーによって
裏側の金属板２の表面２ａが溶融されて表面状態が悪化
するからであり、また、この際に接合面Ｙを溶融するた
めのエネルギーの一部が失われてしまうからである。ま
た、溶接角度θを３０゜を超えた４０゜よりも大きな角
度とすると、標準のすみ肉溶接時の溶接角度に近づき過
ぎてしまい、必要な溶接強度に対して表側の金座板１と
裏側の金属板２との接合面Ｙにおける溶着面積及び溶接
長さが大幅に不足してしまうからである。 【００１０】これに対して溶接角度を０゜を超え、３０
゜の角度よりも小さく設定すると、図２に示すように、
表側の金属板１と裏側の金属板２との接合面Ｙの溶着面
積、及び溶接長さＬは、それぞれ接合のために要求され
る溶接強度に対応した面積及び長さとなるため、信頼性
が大幅に向上する。また、本来の高密度エネルギービー
ムＥの溶け込み深さで溶着できるため、エネルギーを有
効に利用することが可能となる。特に、表側の金属板１
と裏側の金属板２との板厚がほぼ同じで、高密度エネル
ギービームＥのスポット径(溶接部におけるビーム径)が
板厚とほぼ同等に設定されたときでかつ、表側の金属板
１と裏側の金属板２とを上下に重ねて重ねすみ肉溶接を
する際においては、溶接角度θは３０゜とするのが好ま
しい。これは、高密度エネルギービームＥの照射によ
り、表側の金属板 (上側の金属板)１の照射点を含む近
傍で溶融した金属が、自重によって下位の重ねすみ肉部
Ｘへと流れ落ち、この流れ落ちた金属が重ねすみ肉部Ｘ
を埋めながらさらに末広がりとなって広がるフィレット
(補強盛り)Ｚ₁を形成するからであり、また、表側の金
属板１の上端部の溶け落ちる範囲が他の部分に対する熱
伝達の影響によって制限を受け、その結果として、表側
の金属板１の上端部が、高密度エネルギービームＥによ
って形成されたビードＢと滑らかに連接した山形の湾曲
面Ｚ₂となるからである。このようにすると、別途、フ
ィラーワイヤを供給しフィレット(余肉)を形成する手間
を省略しながらアンダカットの発生を防止することがで
きるので、経済性が向上する。なお、フィラーワイヤの
供給によるフィレット(余肉)は、本来、溶接強度を向上
し、応力集中を緩和するものである。このため、このフ
ィレットの形成については、表側の金属板１、裏側の金
属板２の厚さ、高密度エネルギービームＥの照射点、高
密度エネルギービームＥのエネルギー量等に対応して、
適宜、なされるものとする。 【００１１】 【実施例】以下、図３を参照して本発明にかかる金属板
同士の重ねすみ肉溶接方法を適用した一実施例を説明す
る。まず、表側の金属板１と表側の金属板２として、そ
れぞれ５０００系アルミニウム合金(Ａ５０５２，Ａ５
０５４等)又は６０００系アルミニウム合金製の板を用
い、これらを上下に重ね合わせた状態で重ねすみ肉溶接
を実施した。表側の金属板１と裏側の金属板２の肉厚は
双方とも１ｍｍとし、重ねすみ肉部Ｘに対する溶接角度
θは３０゜とした。高密度エネルギービームＥにはレー
ザービームを用い、出力は４ｋｗ、レーザービームのス
ポット径(溶接部におけるビーム径)は直径０．６〜０．
８ｍｍとし、シールドガス (Ａｒガス)の流量は２０Ｌ
／ｍｉｎとした。トーチ３から溶接角度３０゜でレーザ
ービームを照射すると、表側の金属板１の端面１ｂにお
いては、レーザービームの高エネルギーにより、レーザ
ービームの照射点を中心とした半径０．３〜０．４ｍｍ
の範囲が溶融され、表側の金属板１の上端部側で溶融さ
れた金属は、ビードＢを伝って重ねすみ肉部Ｘへと流れ
落ちて重ねすみ肉部Ｘを埋めるなだらかなフィレット
(補強盛り)Ｚ₁となった。このとき、表側の金属板１の
上端部は山形でビードＢに連続した滑らかな湾曲面(円
弧面)Ｚ₂となった。このため、フィラーワイヤの供給無
しで応力集中の原因となるアンダカットの発生が防止さ
れ、アンダカットに起因した応力集中が防止された。 【００１２】なお、前記した実施の形態及び実施例にお
いては、図４に示すように、高密度エネルギービームＥ
を照射するトーチ３とＭＩＧ溶接を施すためのＭＩＧ溶
接用のトーチ５とを並設し、高密度エネルギービームＥ
によるビードＢが形成されるのとほぼ同時に、ＭＩＧ溶
接用のトーチ５によりビードＢの上にさらにＭＩＧ溶接
によるビードＢ₂が形成されるようにすると、高密度エ
ネルギービームＥの照射による溶け込みの温度が冷えな
いうちに、ＭＩＧ溶接のエネルギーによって重ねすみ肉
溶接がなされるため、高密度エネルギービームＥの溶接
速度と同じ速度でビード幅を広げることが可能となる。
また、このようにすると高密度エネルギービームＥによ
る溶融熱が冷めないうちにＭＩＧ溶接が実施されるの
で、ＭＩＧ溶接のアーク電圧を下げることができ、その
分、消費電力を低くすることができる。 【００１３】 【発明の効果】本発明は前記一実施の形態に詳述したこ
とから明らかなように、表側の金属板と裏側の金属板と
の重ねすみ肉溶接において、表側の金属板と裏側の金属
板との接合面における溶着面積及び溶接長さを増加させ
ることができるので、高密度エネルギービームの長所で
ある溶接速度の速さと溶け込みの深さ及びひずみの少な
さを活用した信頼性の高い溶接を実施できる。また、高
密度エネルギービームの本来の溶け込み深さで、表側の
金属板と裏側の金属板との接合面を溶着できるので、エ
ネルギーを有効に利用することができるという優れた効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施の形態を示し、２枚の金属板同
士を高密度エネルギービームにより重ねすみ肉溶接する
ときのトーチ位置及び高密度エネルギービームの照射方
向を示す解説図である。 【図２】本発明の一実施の形態を示し、高密度エネルギ
ービームによる溶接状態を示す解説図である。 【図３】本発明の一実施例を示し、本発明にかかる金属
板同士の重ねすみ肉溶接方法の適用例を示す解説図であ
る。 【図４】高密度エネルギービームを照射するトーチとＭ
ＩＧ溶接を施すためのＭＩＧ溶接用のトーチとを並設し
た場合の一実施の形態を示す解説図である。 【図５】従来例を示し、２枚の金属板を高密度エネルギ
ービームで重ね溶接したときの溶着面積の大小関係を示
す解説図である。 【符号の説明】 １ 表側の金属板 １ｂ 表側の金属板の端面 ２ 裏側の金属板 Ｘ 重ねすみ肉部 Ｙ 接合面 Ｅ 高密度エネルギービーム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 互いに重ねられた表側の金属板と裏側の
   金属板とを重ねすみ肉溶接するに際し、表側の金属板と
   裏側の金属板との互いの接合面が表側の金属板の端面か
   ら奥側に向かって溶着されるよう、表側の金属板の端面
   に高密度エネルギービームを照射するようにしたことを
   特徴とする金属板同士の重ねすみ肉溶接方法。