JPH0615113B2 - メタルシートの溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、シートメタル溶接方法に関し、より詳しく
は、融解してスポット溶接またはシーム溶接を行なうた
めパワーレーザーによって局部的にメタルシートの接触
部分を加熱するシートメタル溶接方法に関する。

〈従来の技術〉 従来、レーザーを用いた、特に厚さが１mm程度の薄いシ
ートの溶接に使用されるシートメタル溶接方法はいわゆ
る伝導タイプである。上記レーザーは上記メタルシート
の表面に焦点を合わせ、溶接部の最高温度の位置は上記
表面にある。上記熱は伝導による伝播法則によって下に
ある材料を通して伝達される。追加図面である第１図
は、従来の伝導レーザー溶接によって並設された２個の
メタルシートＡ，Ｂが溶接された状態を示している。単
一的領域Ｃは、２個のメタルシートの溶接部分を形成
し、かつ、図に示すように、実質的に放射線のような面
を形成している。溶接Ｃは、溶接の深さｈとその幅ｂ
（第１図に示す）との比として表わされる縦横比として
知られているパラメーターによって示されている。従来
の伝導レーザー溶接方法を用いれば、溶接は１〜１．５
のオーダの縦横比でもって得られる。

治金学的観点から見ると、伝導レーザー溶接は従来の溶
接、例えば、アーク溶接または抵抗加熱溶接に実質的に
等しい：溶接領域において、材料は粗粒物であり、か
つ、内部粒状分離領域や気孔などを形成している。

さらに、広範囲にわたって温度的に変化する領域（第１
図中Ｈで示す）は溶接の周囲に発生する。シートメタル
の溶接においては、重要な熱応力はシートメタル自体に
可成の歪を生じさせる。その歪の生じる状態はメタルシ
ートが接合される方法によって異なってくる。

エネルギーの観点から見ると、従来の伝導溶接方法にお
ける効率（一単位容積あたりのシームまたはスポット溶
接を形成するのに必要なエネルギーと伝導により各部分
に伝達されかつ散乱されたエネルギーとの比として考え
られる効率）はたいへん低く、上記効率は特に５％と１
５％との間にある。それにもかかわらず、上記伝導レー
ザー溶接は、剪断に対して抵抗力のあるシームまたはス
ポット溶接を大きい断面に用いる場合に使用されてき
た。この方法で形成された溶接は通常要求される強度規
格を満足している。しかしながら、エネルギーの観点と
溶接の質の観点から、従来の伝導レーザー溶接方法は、
以下に説明する理由から特に薄いシートメタルの場合に
は不満足である。

〈発明の目的〉 この発明の目的は、従来技術の不利な点を解消し、か
つ、特によりよい品質で再生可能な溶接を可成り高いエ
ネルギー効率でもって行なうことのできるシートメタル
溶接方法を提供することにある。

〈発明の構成、効果〉 この発明では、メタルシートと間の限られた接合領域
は、上記領域を融解させてスポットまたはシーム溶接を
形作るためにパワーレーザーによって局部的に加熱され
るメタルシートの溶接方法において、上記スポットまた
はシーム溶接は深い浸透溶接によって行なわれる。

また、最も高い温度の溶接領域は、材料の蒸発や上記の
イオン化などの現象を生じさせるエネルギを発生させる
けれども、溶接されたメタルシートの表面かまたはメタ
ルシート内にあり、深く浸透するレーザー溶接の技術
は、全体として、より有効なものである：シームまたは
スポット溶接の単位容積を生むに必要なエネルギと一片
に伝達されて伝導によって散乱されるに必要なエネルギ
との比は非常に高い値、８０％まで達成する。

また、機械部品に応用される深く浸透するレーザー溶接
の特徴とより良いエネルギ効率を説明すると仮説とが、
この発明の発明者によって、例えば、フロリダのオーラ
ンドでのレーザーに関する国際会議の公報（1979年版）
の61−87頁（Proceedings of the Internatiohal Confe
rence on Lasers 1979, Orlando,Fa., page 61-87.）で
説明されている。

また、この発明は、シートメタル溶接に対する技術の応
用から成っている。すなわち、パワーレーザーに対して
メタルシートを移動させて、２つの離間した連続線状溶
接部を形成し、上記連続線状溶接部の間を延び、かつ、
上記連続線溶接部に交差する複数の付加的な不連続溶接
部を形成する。このようにした場合、応力を効果的に吸
収し分散させるための架橋構造が形成される。この架橋
構造は、通常のスポット溶接によるシームや、連続した
円弧と円弧、円弧と直線および直線と直線により構成さ
れたシーム形状に比して、効果的に応力を吸収し、か
つ、分散し得る。

〈実施例〉 第２図は、深く浸透するレーザー溶接を用いて２個の平
行なシーム溶接Ｃ１，Ｃ２により連結された２個のシー
トメタル部Ａ，Ｂを示す。

第１図の従来技術により溶接されたメタルシートと第２
図に示すこの発明により溶接されたメタルシートとの間
に比較テストが行なわれた。

特に、行なわれた各溶接とそれぞれの特性が比較され、
その結果が以下の表１と表２に示されている。

表１（伝導溶接：第１図） メタルシートの厚さＡ，Ｂ ：０．８mm（各個） シームの幅ｂ ：１．６mm シームの深さｈ ：１．６mm 縦横比ｈ／ｂ ：１ 表２（伝導溶接：第２図） メタルシートの厚さＡ，Ｂ ：０．８mm（各個） シームの幅Ｃ１，Ｃ２ ：０．３mm（各個） シームの深さＣ１，Ｃ２ ：１．５mm シームＣ１，Ｃ２の縦横比 ：５ シームＣ１，Ｃ２間の距離 ：０．５mm 表２によるテストの場合には、上記シーム間距離はラン
ダムに選ばれる；その目的は単に断面強度を二倍にする
ことにある；それ故に、上記距離は、荷重集中を減少す
る目的とブローや衝撃やその結果の疲労に対する耐性を
改良する目的とのための最適距離に一致しない。

第１図の試験から明らかな如く、伝導溶接のシームＣ
（第１図）の断面強度は浸透溶接方法により形成された
シームＣ１，Ｃ２の全断面強度より可成り大きい。それ
にもかかわらず、剥離テストのもとでは、ある意味で第
２図（表２）の構造は第１図（表１）に示す構造より極
端に強い。浸透方法を用いた改良された溶接の動作は、
この方法によって形成されたシーム溶接を構成する材料
のより良い治金学の特性により部分的に可能であり、ま
た、溶接されたメタルシートによって形成された全構造
が弾性−塑性変形であるという事実により部分的に可能
である。

さらに、発明者たちによって実行されたテストは、第３
図の例で示すように浸透レーザー溶接方法による隣接ス
ポット溶接を用いて、２個のメタルシートＡ，Ｂを溶接
して最も良い構造上の特性が得られたことを示してい
る。

図中スポット溶接はＰで示されている。これらのスポッ
ト溶接は、非常に高い縦横比を有し、上記メタルシート
の全面の厚さの１．５倍の相互に設けられた間隔に位置
付けされている。

この発明による溶接の改良された動作は、部分的に次の
ように説明されている。

それは、第４図および第５図に説明されている。第４図
は第２図に示されたタイプの構造を示し、２個のメタル
シートＡ，Ｂは、深く浸透するレーザー溶接方法を用い
た２個のシーム溶接Ｃ１，Ｃ２によって共に溶接されて
いる。上記メタルシートＡ，Ｂに互に反対方向に作用す
る引張力が働いている場合には、矢印Ｆ１，Ｆ２で示す
ように、第５図中のメタルシートＡ，Ｂは変形する。第
５図は、上記シームＣ１，Ｃ２がプレートＡ，Ｂの端部
で支持されている壁として示されている場合のみ、第４
図中の溶接されたメタルシートによって構成された構造
と実質的に一致する構造を示している。第５図に示され
たモデルは第４図の構造と一致しており、この場合には
壁Ｃ１，Ｃ２の高さは零となっている。

第５図に示す如く、図中に示される構造には例えば矢印
Ｆ１，Ｆ２で示されるような力による応力が働き、シー
ム間のシートメタルの部分とシーム自体の部分に弾性−
塑性タイプの変形が起り、その結果、全構造は箱形とし
て動作する。溶接されたシートが破壊される場合には、
上記変形は初期応力の働くプレートの部分からはっきり
起る。

接合部が強くなく、かつ、弱くて屈曲しやすい場合に
は、エネルギーの吸収が起こる。このように、１個所の
シームまたはスポット溶接から次のシームまたはスポッ
ト溶接に力または応力の伝達が極端に起こるのではな
く、構造内で応力と力が漸進的に吸収される。

今まで行なわれたテスト効果によれば、上記シームＣ
１，Ｃ２間の距離はメタルシートの厚さの１．５倍また
はそれ以上のオーダの場合に、第４図に示す構造の動作
は第５図に示す構造の動作に極めてよく似ている。

上述したように、浸透レーザー溶接によるシームの治金
学的特性は、初期の材料治金学的特性より優れている。
これは、溶接のときに材料に精錬が起こるからである。

この結果、第６図乃至第８図で明らかな如く、周囲の材
料に対してシームに、より強い引張り強さが働いてい
る。また、第６図乃至第８図は、剥離テストが行なわれ
た２個のシートメタルＡ，Ｂのストリップに変形が起っ
た状態を示している（上記シートメタルＡ，Ｂは中間部
分で浸透レーザー溶接シームＰによって接合されてい
る。）第６図と第７図は剥離テスト後のシートメタルの
ストリップをそれぞれ側面から見た場合と平面で見た場
合の図を示している。第８図は溶接部分の拡大断面図で
ある。第７図は、剥離テストでシームＣの材料が端部の
一方（ｂで示される部分で、この部分はもともと長四角
形の形状である）よりもどのように良く耐えたかを示し
ている。上記端部ｂは引張力によって強く変形されかつ
引き裂かれている。

また、第９図はこの発明の変形例を示し、この変形例に
よれば、箱状の構造Ｆのフランジｆは、格子状の配置し
た一連のシーム溶接によってプレートＴの端部に溶接さ
れている。このように行なわれたシーム溶接は全体とし
て架橋構造のような構造を形成している。また、上記架
橋構造は、第９図中ｇで示される通常のスポット溶接に
より構造ＦがプレートＴに溶接される場合よりも、効果
的に応力を吸収し、かつ、分散し得る。

一般に、２個またはそれ以上のメタルシートを溶接する
には、シームは、１個またはそれ以上の連続ライン、例
えば直線ライン、ギリシャキー（Greek key）模様にお
える線分を形成するライン、サインカーブのような湾曲
したライン、直線の線分と半円形の線分とが交互につな
がっているような直線部分と曲線部分とを含むラインの
形態で用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のレーザー伝導溶接により溶接された
二重のシートメタル部を示す図、第２図はこの発明によ
る深く浸透したレーザー溶接方法によって溶接された二
重のシートメタル部を示す図、第３図はこの発明による
深く浸透したレーザー溶接方法によって溶接された二重
のシートメタル部を示す図、第４図はこの発明による深
く浸透したレーザー溶接方法によって溶接された二重の
シートメタル部を示す図、第５図はこの発明の方法によ
って溶接された２個のメタルシートから成る第４図に示
す型式の構造における負荷の分散を説明するのに例によ
り構造を示す図、第６図はこの発明により溶接された剥
離テスト後の２個のスリップ状のシートメタルを側面か
ら見た図、第７図はこの発明により溶接された剥離テス
ト後の２個のスリップ状のシートメタルを示す平面図、
第８図はこの発明により溶接された剥離テスト後の２個
のスリップ状のシートメタルを示す拡大断面図、第９図
は二重のフランジを溶接するのにこの発明の溶接方法を
適用した図である。 Ａ，Ｂ……メタルシート、Ｃ，Ｐ……シーム溶接。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メタルシートを溶接するための深い浸透溶
   接方法であって、 ２枚のメタルシートを並べ、 上記メタルシートを、上記メタルシートの厚さの少なく
   とも１．５倍の距離だけ離間した少なくとも２カ所の位
   置で、深い浸透溶接をもたらすためのパワーレーザー手
   段によって局所的に加熱して、上記メタルシートを上記
   位置で溶かして、離間した溶接部を形成し、 上記パワーレーザー手段に対して上記メタルシートを移
   動させて、２つの離間した連続線状溶接部を形成し、 上記連続線状溶接部の間を延び、かつ上記連続線溶接部
   に交差する複数の付加的な不連続溶接部を形成して、 応力を効果的に吸収し分散させるための架橋構造が形成
   されるようにしたことを特徴とするメタルシートの溶接
   方法。