JP5633687B2 - 亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法に関する。

自動車の車体には、耐食性を考慮して亜鉛めっき鋼板が多用されている。車体各部を構成する亜鉛めっき鋼板製のパネルは、立体形状にプレス成形され、立体形状部分の周辺部で接合されることにより、強度的に有利な中空閉断面を基調とした車体構造を構成している。従来、車体パネルの接合は、主としてスポット溶接により行われていたが、より高速な処理が可能な代替技術としてレーザ溶接の導入が進んでいる。

亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ねた状態でレーザ溶接すると、気化した亜鉛が溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融金属内に気泡として残留したりすることにより、ブローホールなどの溶接欠陥を生じることが知られている。この問題を回避するために、特許文献１、２には、何れか一方の亜鉛めっき鋼板に突起を形成しておき、鋼板を重ねた状態で、亜鉛蒸気を排出するための隙間が形成されるようにすることが開示されている。

特許第２５７１９７６号公報 特開平１０−２１６９７４号公報

自動車の車体パネルはプレス成形されるので、このようなプレス部品に突起を形成する場合、成形工程に引き続いて、プレス型内に配置したパンチによりエンボス加工を行う。しかし、スポット溶接用として設計された部品にレーザ溶接を適用する場合、この部品はレーザ溶接に必要な突起の配置を想定していないため、接合面のスペースや傾斜の問題で突起を配置できない、あるいは逆に、突起の追加によって溶接位置の変更を余儀なくされる、といった問題が生じた。

仮に、溶接位置を変更すると、車体構造としての強度性能や耐衝撃性能が変化してしまい、再度性能確認試験を行なわなければならない。また、新たに設計される部品に対しても、それまでのスポット溶接を前提として蓄積された設計データを直ちに利用できない。これらの問題は、レーザ溶接の導入に際して少なからぬ障害となっていた。

また、通常のプレス成形は単一方向の加工であり、エンボス加工もプレス方向と同方向になされる。しかし、自動車用のプレス部品は、傾斜面や曲面を多用した立体形状をなしているため、これらの面に、例えば、図５（ａ）に示されるように、プレス方向Ｐと同方向のエンボス加工（６３）を行うと、被加工面７１に対して非平行な加工となる。

このように加工された突起６１は、パンチ６３の中心６３ａからずれた位置が実質的な最高点６１ａとなるので、ずれ６１ｅに応じて最高点６１ａの突出量（ｇ′）が大きくなり、図５（ｂ）に示すように、相手部品８１と重ねた状態で適正な隙間を形成できない（設計上の隙間ｇより大きな隙間ｇ′が形成される）。しかも、このような突起６１の形成部分をクランプ６４，６５すると、相手部品８１にクランプ力が不均一に作用し、把持状態が不安定になり、接合面間に均一な隙間を維持することが困難になるため、良好な溶接品質が得られない虞がある。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、傾斜面や曲面を含む立体形状のプレス部品の接合面に対しても、亜鉛蒸気を排出するための均一な隙間を安定的に形成でき、良好な溶接品質が得られるレーザ重ね溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
亜鉛めっき鋼板製の２つの部品（１０，２０）をプレス成形する工程であって、前記２つの部品は、プレス方向（Ｐ）に対して傾斜した面を含む立体形状に成形され、かつ、それらの対向面に帯状に延在する接合面（１１，２１）が形成されるとともに、前記２つの部品の何れか一方の前記接合面（１１）に、該接合面の延在方向に間隔を有して複数の突起（１）が形成されるような工程と、
前記２つの部品を前記接合面において重ね合わせた状態に保持する工程であって、前記接合面の間に前記突起の高さに応じた隙間（ｇ）が形成されるような工程と、
前記２つの部品の前記重ね合わせた領域の何れかの表面にレーザ（２ａ）を照射する工程であって、前記レーザのエネルギーにより、前記２つの部品の前記重ね合わせた領域が加熱溶融されて溶接接合（２）され、かつ、加熱溶融時に発生する亜鉛ガスが前記隙間（ｇ）から排出されるような工程と、
を含む、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法において、
前記プレス成形する工程は、プレス方向（Ｐ）と同方向に突出するパンチ（３）によって前記複数の突起（１）を加工することを含み、前記複数の突起のうち、前記プレス方向に対して傾斜した接合面（１１ｄ，１１ｅ）に形成された突起（１ａ）は、前記プレス方向に対して平坦な稜線を有する断面Ｖ形状の頂部を備えたパンチ（３）を用いて、前記傾斜した接合面の前記プレス方向における等高線と平行に延びる稜線状突起として形成され、前記保持する工程は、前記傾斜した接合面と平行な把持面を有するクランプ（４，５）で前記稜線状突起を跨いで把持する工程を含むことを特徴とする。

上記方法によれば、プレス方向に対して傾斜した接合面であっても、プレス方向における等高線は、プレス方向に対して平坦であるので、等高線と平行に延びる稜線状突起は、プレス方向に対して平坦な稜線を有するパンチを用いて加工でき、かつ、接合面の傾斜角度や曲率によらず、稜線に沿って接合面から一定の高さが得られ、立体形状のプレス部品の接合面に対しても、亜鉛蒸気を排出するための均一な隙間を安定的に形成でき、良好な溶接品質が得られる。

また、前記プレス成形する工程において、前記プレス方向に対して傾斜した接合面（１１ｄ，１１ｅ）は、前記プレス方向と直交する基準軸方向（１０ｃ）に平行な一次曲面または平面からなり、前記稜線状突起（１ａ）は、前記基準軸方向に延びる稜線状突起として形成されることが好適である。

傾斜面や曲面を多用した立体形状のプレス部品であっても、平坦な鋼板から塑性加工される以上、プレス方向と直交する基準軸方向に平行な一次曲面を基調とした立体形状に形成されることが成形性の点で有利であり、そのような部品の接合面に、基準軸方向に延びる稜線状突起を形成することで、寸法精度の高い隙間を安定的に形成できる。また、稜線状突起を加工するそれぞれのパンチの稜線方向が基準軸方向と平行になるので、装置構成が簡素化される利点がある。

また、前記プレス成形する工程において、前記接合面（１１，２１）は、前記プレス方向および前記基準軸方向と交差する方向に延在し、前記稜線状突起（１ａ）は、前記接合面の延在方向と略直交する前記基準軸方向に延びる稜線状突起として形成されることが好適である。

このような稜線状突起の配置により、前記接合面の間に、亜鉛蒸気の排出方向となる接合面の側方に向かって一様な間隙を安定的に形成でき、ブローホールなどの溶接欠陥を生じることなく良好なレーザ溶接が行える。しかも、稜線状突起は、前記接合面の延在方向における所要面積が小さく、前記レーザ照射を行う部位の配置に影響を与えずに形成できる利点がある。

前記プレス成形する工程において、前記複数の突起（１）は、それぞれが、前記２つの部品をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する単位スポット（２ｅ）の間に形成され、前記レーザを照射する工程は、前記単位スポットを囲む曲線状の単位レーザ走査（２ｃ）または前記単位スポットに相当するビード面積が得られるような単位レーザ走査（２ｄ）を、前記各単位スポット（２ｅ）に対して実施することを含むことが好適である。

先述したように、稜線状突起は、前記接合面の延在方向における所要面積が小さいので、スポット溶接の溶接スポットに相当する単位スポットの配置に影響を与えずに形成でき、このような単位スポットに対して、上記のような単位レーザ走査を実施することで、２つの部品をスポット溶接する場合と同等の接合強度が得られる。これにより、スポット溶接を前提とした既存の設計データを活用でき、スポット溶接の代替技術として導入するのに好都合であると共に、必要最小限のレーザ走査となるので、消費電力が少なくて済む利点もある。また、レーザ溶接では、スポット溶接における既溶接スポットへの無効分流のような問題を生じないので、各単位スポット間にレーザ走査を追加して局所的に接合強度を高めることもできる。

本発明に係るレーザ重ね溶接方法は、前記２つの部品（１０，２０）が自動車の車体を構成するパネルであり、前記接合面（１１，２１）の少なくとも一方が、前記パネルの周辺に延設されたフランジ部（２１）である場合に、特に好適に実施される。

以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法によれば、傾斜面や曲面を多用した立体形状のプレス部品の接合面に対しても、亜鉛蒸気を排出するための均一な隙間を安定的に形成でき、良好な溶接品質が得られる。また、スポット溶接と同等の性能および品質を維持したまま必要最小限の溶接条件でレーザ重ね溶接を行うことができ、スポット溶接の代替技術として低コストで導入できる。

本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品の接合前の状態を示す斜視図（ａ）および接合状態を示すＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品を示すＢ−Ｂ断面図（ａ）および正面図（ｂ）、並びに単位レーザ溶接の拡大図（ｃ）（ｄ）である。 本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品を平置した状態を示す斜視図（ａ）およびその突起部分の拡大図（ｂ）である。 本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品のエンボス加工（ａ）およびクランプ状態（ｂ）を示す図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。 比較例における亜鉛めっき鋼板製部品のエンボス加工（ａ）およびクランプ状態（ｂ）を示す図４に対応した断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るレーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板製部品の一例として、自動車のバックドア開口の下側に配設されるリアスカート１０と、その上部外面側に接合されるテールエンドメンバー２０の接合前の状態（ａ）および接合状態（ｂ）を示している。

リアスカート１０は、上縁部に車幅方向に延在しかつ車両後方に向けて延出したフランジ１２が形成されている。フランジ１２の下方には、車幅方向に延在する帯状の接合面１１が形成され、接合面１１とフランジ１２との間に、車幅方向に延びかつ車両後方に向けて開いた断面Ｕ字状のチャンネル構造部１４が形成されている。リアスカート１０の接合面１１より下側の部分が実質的なリアスカートを構成する部分であり、その車幅方向中央は、図示しないスペアタイヤハウスの後壁部を構成すべく車両後方側に膨出した膨出部１３となっている。

テールエンドメンバー２０は、上縁部に車幅方向に延在しかつ車両後方に向けて延出したフランジ２２が形成され、下端部には車幅方向に延在しかつ下方に延出したフランジ２１が形成されている。そして、図１（ａ）（ｂ）に示すように、テールエンドメンバー２０のフランジ２２は、リアスカート１０のフランジ１２の下面に重合され、かつ、テールエンドメンバー２０のフランジ２１は、リアスカート１０の接合面１１に重合され、それぞれの重合部分を、後述のようにレーザ重ね溶接することで、リアスカート１０のチャンネル構造部１４とテールエンドメンバー２０との間に車幅方向に延在する閉断面１５が形成される。また、溶接接合されたフランジ１２，２２は、バックドア開口の下縁に沿って延在するバックドアオープニングフランジの一部を構成する。

上記各重合部分（１１，２１）および（１２，２２）に、レーザ重ね溶接時に発生する亜鉛蒸気を排出するための隙間を導入するために、リアスカート１０の接合面１１およびフランジ１２の下面には、それらの延在方向に間隔を有して多数の突起１（１ａ，１ｂ）が形成されている。

これらの突起１（１ａ，１ｂ）は、図２（ａ）（ｂ）に符号２ｅで示す単位スポット、すなわち、リアスカート１０とテールエンドメンバー２０をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する単位スポット２ｅを避けて、各単位スポット２ｅの中間に形成されており、レーザ溶接する際に、各単位スポット２ｅに対して、図２（ｃ）（ｄ）に示すような単位レーザ走査２ｃ，２ｄ（後述する）を実施することで、２つの部品をスポット溶接する場合と同等の接合強度が得られるようにしている。

上記突起１（１ａ，１ｂ）は、亜鉛めっき鋼板製のブランクからリアスカート１０をプレス成形した後、エンボス加工用のプレス型に付設されたパンチ３によって加工される。図４（ａ）では実際の加工時と上下逆に示されているが、加工部位に対応する孔が穿設されたダイ３２を備えた下型にリアスカート１０をセットした状態で、上型３１（押さえブロック）に穿設された孔からパンチ３が突出し、前記ダイ３２の孔内に鋼板（１１）を突き出すことで、突起１（１ａ，１ｂ）が形成される。

先述したように、リアスカート１０の下半部には膨出部１３が形成されているので、この膨出部１３の上端部に沿って延在する接合面１１も立体形状をなしている。すなわち、図１（ａ）および図２（ａ）に示されるように、接合面１１の車幅方向中央には、最も車両後方側に膨出した第１平坦面１１ａが形成され、その両側（図２では右側のみが示されている）に段差面１１ｂを介して第２平坦面１１ｃが形成され、さらにその両側には約３０度の傾斜を有する第１傾斜面１１ｄおよび約５度の傾斜を有する第２傾斜面１１ｅが滑らかに連続している。

リアスカート１０は、基本的に左右対称な立体形状をなしており、上記接合面１１の各傾斜面１１ｄ，１１ｅや段差面１１ｂおよびそれらの遷移部分の曲面は、車両上下方向に延びる対称軸（図２（ｂ）における符号１０ｃ）と平行な一次曲面（平坦面を含む）で構成されている。そのため、対称軸１０ｃと平行な方向では、プレス方向Ｐに対して一様な高さを有しており、すなわち、接合面１１の各位置において、プレス方向Ｐに関する等高線は、何れも対称軸１０ｃと平行になる。

そこで、上記接合面１１の各傾斜面１１ｄ，１１ｅに形成される突起１は、図４（ａ）に示されるように、先端がＶ形状の断面を有するパンチ３を用いてエンボス加工することにより、図３（ｂ）に示されるように、上記対称軸１０ｃと平行に延びる稜線１ｃを有する稜線状突起１ａとして形成されている。このような稜線状突起１ａにより、接合面１１（１１ｄ，１１ｅ）の傾斜角度に拘わらず、稜線１ｃの方向に一様な高さが得られ、図４（ｂ）に示されるように、相手部品（２０）のフランジ２１との重合部分に一様な隙間ｇを形成できる。また、図４（ｂ）に示すように、接合面１１（１１ｄ）と相手部品のフランジ２１とを、突起１ａの位置にてクランプ４，５で把持した際に安定的な支持状態が得られる。

一方、上記接合面１１の各平坦面１１ａ，１１ｃに形成される突起１は、平坦な円形の頂面を有する台形状突起１ｂとすることで、相手部品（２０）のフランジ２１を広範囲に亘って安定的に支持でき、突起１１ｂの間隔を広くしてその形成数を節減しても、重合部分に一様な隙間ｇを維持できる。また、リアスカート１０のフランジ１２は、中央の平坦面１２ａとその両側（図２では右側のみが示されている）に段差１２ｂを介して延在する平坦面１２ｃとで構成されているので、段差１２ｂに隣接した２つの稜線状突起１ａ，１ａを除いて、台形状突起１ｂとして形成されている。

以上のように、立体形状に応じて２種類の突起１ａ，１ｂが形成されたリアスカート１０の接合面１１およびフランジ１２を、テールエンドメンバー２０のフランジ２１および２２に重合し、重合部分に所定の隙間ｇを形成し、かつ、重合部分に沿った複数箇所でクランプした状態で、図２（ａ）（ｂ）に示した各単位スポット２ｅに対して、図２（ｃ）（ｄ）に示すような単位レーザ走査２ｃ，２ｄを実施する。

図２（ｃ）に示す単位レーザ走査２ｃは、各単位スポット２ｅを囲む円形（曲線状、Ｃ字状）のレーザ走査であり、図２（ｄ）に示す単位レーザ走査２ｄは、単位スポット２ｅに相当するビード面積が得られるような長さＬの直線状のレーザ走査であり、溶接部位の形状やスペースに応じて選択的に実施してレーザ溶接を行う。特に限定されるものではないが、一定形状の単位レーザ走査２ｃ，２ｄを反復する上で、ガルバノスキャナーを利用した光走査型レーザ溶接装置によるリモート・スキャナー溶接が好適である。

実施例では、稜線状突起１ａの長さ８ｍｍ、幅１ｍｍ、台形状突起１ｂの頂面の直径４ｍｍに対して、接合面間の隙間ｇを決定する各突起１ａ，１ｂの高さは、亜鉛めっき鋼板の板厚（０．６〜１．２ｍｍ）の半分に満たない０．１５±０．０５ｍｍ（０．１〜０．２ｍｍ）とした。また、各単位レーザ走査２ｃ，２ｄとしては、スポット溶接において一般的な直径６ｍｍの単位スポット２ｅに対して、直径７ｍｍ（不連続部１ｍｍ）の円形状単位レーザ走査２ｃと、長さＬ＝１７ｍｍの直線状単位レーザ走査２ｄとを実施したところ、亜鉛ガス欠陥の無い良好な溶接品質が得られた。

なお、上記実施形態では、対称軸１０ｃ方向と平行な一次曲面からなる接合面１１に対して、対称軸１０ｃ方向と平行に配向された稜線状突起１ａを形成する場合を示したが、傾斜面や曲面の傾斜方向はこれに限定されるものではなく、傾斜方向およびプレス方向Ｐと直交する方向、すなわち、プレス方向Ｐに対しての等高線方向に配向された稜線状突起１ａであれば、接合面の傾斜角度に拘わらず、一定の隙間ｇが得られる。その場合においても対応するパンチ３は同形状で済む。稜線状突起１ａは、配列方向の所要面積が少ないので、接合面のスペースが限られる場合や、段差（１１ｂ，１２ｂ）の隣接部位などにも形成でき、形状的な適用範囲が広い利点がある。

また、上記実施形態では、自動車のリアスカート１０とテールエンドメンバー２０の溶接接合について述べたが、他の車体パネルや構造要素、補強部材、ブラケット類の溶接接合は勿論、立体形状にプレス成形された各種亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接に好適に実施可能である。

１ 突起
１ａ 稜線状突起
１ｂ 台形状突起
２ レーザ溶接
２ｃ，２ｄ 単位レーザ走査（溶接ビード）
２ｅ 単位スポット
３ パンチ
４，５ クランプ
１０ リアスカート
１０ｃ 対称軸（基準軸）
１１ 接合面
１１ａ，１１ｃ，１２ａ，１２ｃ 平坦面
１１ｂ，１２ｂ 段差面（段差）
１１ｄ，１１ｅ 傾斜面
１２，２１，２２ フランジ（接合面）
２０ テールエンドメンバー
ｇ 隙間
Ｐ プレス方向

Claims (5)

1. 亜鉛めっき鋼板製の２つの部品をプレス成形する工程であって、前記２つの部品は、プレス方向に対して傾斜した面を含む立体形状に成形され、かつ、それらの対向面に帯状に延在する接合面が形成されるとともに、前記２つの部品の何れか一方の前記接合面に、該接合面の延在方向に間隔を有して複数の突起が形成されるような工程と、
   前記２つの部品を前記接合面において重ね合わせた状態に保持する工程であって、前記接合面の間に前記突起の高さに応じた隙間が形成されるような工程と、
   前記２つの部品の前記重ね合わせた領域の何れかの表面にレーザを照射する工程であって、前記レーザのエネルギーにより、前記２つの部品の前記重ね合わせた領域が加熱溶融されて溶接接合され、かつ、加熱溶融時に発生する亜鉛ガスが前記隙間から排出されるような工程と、
   を含む、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法において、
   前記プレス成形する工程は、プレス方向と同方向に突出するパンチによって前記複数の突起を加工することを含み、前記複数の突起のうち、前記プレス方向に対して傾斜した接合面に形成された突起は、前記プレス方向に対して平坦な稜線を有する断面Ｖ形状の頂部を備えたパンチを用いて、前記傾斜した接合面の前記プレス方向における等高線と平行に延びる稜線状突起として形成され、前記保持する工程は、前記傾斜した接合面と平行な把持面を有するクランプで前記稜線状突起を跨いで把持する工程を含むことを特徴とする、亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
2. 前記プレス成形する工程において、前記プレス方向に対して傾斜した接合面は、前記プレス方向と直交する基準軸方向に平行な一次曲面または平面からなり、前記稜線状突起は、前記基準軸方向に延びる稜線状突起として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
3. 前記プレス成形する工程において、前記接合面は、前記プレス方向および前記基準軸方向と交差する方向に延在し、前記稜線状突起は、前記接合面の延在方向と略直交する前記基準軸方向に延びる稜線状突起として形成されることを特徴とする、請求項２に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
4. 前記プレス成形する工程において、前記複数の突起は、それぞれが、前記２つの部品をスポット溶接する場合における個々の溶接スポットに相当する単位スポットの間に形成され、
   前記レーザを照射する工程は、前記単位スポットを囲む曲線状の単位レーザ走査または前記単位スポットに相当するビード面積が得られるような単位レーザ走査を、前記各単位スポットに対して実施することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。
5. 前記２つの部品が自動車の車体を構成するパネルであり、前記接合面の少なくとも一方が、前記パネルの周辺に延設されたフランジ部であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の亜鉛めっき鋼板製部品のレーザ重ね溶接方法。

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