JP2006159240A

JP2006159240A - 高エネルギ密度ビーム溶接品、高エネルギ密度ビーム溶接方法、溶接方法、溶接補助装置

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Publication number: JP2006159240A
Application number: JP2004353735A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Mikata; 博成三方; Yoshinori Shibata; 義範柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP4337721B2

Abstract

【課題】溶接凝固部の強度の信頼性を高めるのに有利な高エネルギ密度ビーム溶接品、高エネルギ密度ビーム溶接方法、溶接方法及び溶接補助治具を提供する。
【解決手段】溶接品は、高エネルギ密度ビームにより形成した溶接凝固部により複数の板体１，２を合わせた状態で接合して構成されている。溶接凝固部は外方に露出している。複数の板体１，２を合わせると共に、合わせた複数の板体１，２のうち少なくとも片面側に当接壁体３，４を当てがう。次に、高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、溶融部分を当接壁体３，４で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザビーム等の高エネルギ密度ビームを用いて溶接した高エネルギ密度ビーム溶接品及び高エネルギ密度ビーム溶接方法、溶接補助装置、溶接方法に関する。

レーザビーム等の高エネルギ密度ビームで溶接して溶接品を形成することが行われている。高エネルギ密度ビームによれば、単位面積当たりの投入エネルギが多いため、溶接強度を向上させるのに有利である。そしてレーザビームを用いて複数の板体の縁部同士を溶接する縁溶接が近年開発されている。この場合、図２０に示すように、板体１Ｘ，２Ｘの合わせ面同士の境界にレーザビームを照射して溶接凝固部５Ｘが形成される。図２１に示すように、溶接凝固部５Ｘは板体１Ｘ，２Ｘの内部に溶け込み深さ方向に形成されており、板体１Ｘ，２Ｘの表面で覆われている。故に、外方から溶接凝固部５Ｘを視認することは困難である。この場合においても、エネルギ密度が高いレーザビームを用いているため、溶接強度を向上させるのに有利である。

また特許文献１（特公平２−４３５９０号公報）には、薄鋼板の縁部同士を突き合わせ状態として溶接するシーム溶接において、レーザビームを光ファイバーにより搬送し、レーザビームのスポット径を鋼板の厚みの２倍以上に、もしくは、鋼板の突き合わせ隙間の１０倍以上のいずれかに設定すると共に、エネルギ密度をプラズマ発生限界より低くした状態で溶接を行う技術が開示されている。

また、特許文献２（特開昭６２−１０１３８２号公報）には、プーリのフランジ部を溶接で接合する溶接方法において、プーリのフランジの外周面（最大径部）に電極を径外側からあてがい、且つ、非導電性及び耐熱性をもつリング状をなすセラミックス製の押さえ板をプーリのフランジのこれの厚み方向の外側に配置し、フランジをこれの厚み方向に押さえ板で挟み、その状態で電極に溶接電流を流し、ジュール熱でフランジを溶接する技術が開示されている。
特公平２−４３５９０号公報特開昭６２−１０１３８２号公報

上記した図２０及び図２１に示す従来技術によれば、板体１Ｘ，２Ｘの合わせ面同士の境界に溶接凝固部５Ｘが形成されている。しかしながら溶接凝固部５Ｘは板体１Ｘ，２Ｘの表面で隠れているため、溶接凝固部５Ｘの溶け込み深さを確認することができず、溶接凝固部５Ｘの強度の信頼性を高めるには限界がある。

また上記した特許文献１によれば、溶け込み不足となり易いため、溶接凝固部の強度の信頼性を高めるには限界がある。

更に上記した特許文献２によれば、通電によるジュール熱を用いる方式であり、レーザビーム等の高エネルギ密度ビームを用いる方式ではないため、溶け込み深さは浅いものであり、溶接凝固部の強度を高めるには限界がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、溶接凝固部の強度の信頼性を高めるのに有利な高エネルギ密度ビーム溶接品、高エネルギ密度ビーム溶接方法、溶接方法及び溶接補助治具を提供することを課題とする。

第１様相に係る高エネルギ密度ビーム溶接品は、高エネルギ密度ビームにより形成した溶接凝固部により複数の板体を合わせた状態で接合して構成された高エネルギ密度ビーム溶接品であり、溶接凝固部は、溶け込み深さ方向に沿って延設されていると共に外方に露出する露出面を有していることを特徴とするものである。

第１様相に係る溶接品によれば、溶接凝固部のうち溶け込み深さ方向に沿って延設されている面は、露出面として外方に露出している。このため露出面を介して、溶接凝固部の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

第２様相に係る高エネルギ密度ビーム溶接方法は、複数の板体を合わせると共に、合わせた複数の板体の少なくとも片面側に当接壁体を当てがう工程と、重ねた板体に高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成し、溶接凝固部を介して複数の板体を接合させる溶接工程とを順に実施することを特徴とするものである。

第２様相に係る本発明方法によれば、合わせた板体に高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、更に、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させ、溶接凝固部を形成する。このように溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させるため、溶融部分の流出を抑制でき、溶融部分の体積を確保することができる。このため溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

第３様相に係る溶接方法は、複数の板体を合わせると共に、合わせた複数の板体の少なくとも片面側に当接壁体を当てがう工程と、
重ねた板体に加熱手段により溶融部分を形成し、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成し、溶接凝固部を介して複数の板体を接合させる溶接工程とを順に実施する溶接方法であり、当接壁体は、板体の表面に対面すると共に溶融部分を保持する凹状空間を形成する凹み面を備えていることを特徴とするものである。この場合、当接壁体の凹み面により溶融部分の保持量が増加するため、溶融部分の流出が効果的に抑制され、溶融部分の体積を確保することができ、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

第４様相に係る溶接補助装置は、合わせた複数の板体のうち少なくとも片面側に当てがわれる当接壁体をもつ溶接補助装置であって、当接壁体は、板体の溶融部分を保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成する保持面を有しており、当接壁体は、溶融部分の保持量を増加させる凹み面を有することを特徴とするものである。この場合、当接壁体の凹み面により溶融部分の保持量が増加するため、溶融部分の流出が抑制され、溶融部分の体積を確保することができ、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

第１様相に係る高エネルギ密度ビーム溶接品によれば、溶接凝固部のうち溶け込み深さ方向に沿って延設されている面は、露出面として外方に露出している。このため露出面を介して、溶接凝固部の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

第２様相に係る高エネルギ密度ビーム溶接方法によれば、合わせた板体の縁部に高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、更に、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成する。このように溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させるため、当接壁体を溶接凝固部から離間させれば、溶接凝固部は外方に露出することになる。故に、露出部分を介して、溶接凝固部の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

更に溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させるため、溶融部分の流出を抑制でき、溶融部分の体積を確保することができる。このため溶接凝固部の体積を確保でき、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。

更に第２様相に係る方法によれば、前述したように、高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、更に、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成することにしている。このため、入熱量を増加させたとしても、溶融部分の流出、ハンピングビードが抑制される。ハンピングビードとは、溶融凝固部が厚みの不均等を発生させつつ曲走する不良欠陥をいう。従って本発明方法によれば、入熱量を増加させて溶け込み深さを深くすることができ、溶接凝固部の強度確保に貢献することができる。

第３様相に係る溶接方法によれば、前述したように、高エネルギ密度ビームなどの加熱手段により溶融部分を形成し、更に、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成することにしている。このため、入熱量を増加させたとしても、溶融部分の流出、ハンピングビードが抑制される。従って本発明方法によれば、入熱量を増加させて溶け込み深さを深くすることができ、溶接凝固部の強度確保に貢献することができる。

第４様相に係る溶接補助装置によれば、当接壁体の凹み面により溶融部分の保持量が増加するため、溶融部分の流出が抑制され、溶融部分の体積を確保することができ、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。第４様相に係る溶接補助装置によれば、第２様相の高エネルギ密度ビーム溶接方法、第３様相の溶接方法の実施に利用できる。

上記した溶接品は、複数の板体を溶接で組み付けて構成されている。この溶接品は、好ましくは、一方の板体のうちの少なくとも縁部を他方の板体に重ね合わせると共に、高エネルギ密度ビームにより縁部に形成した溶接凝固部を介して複数の板体を接合して構成されている。この場合、複数の板体の縁部同士を重ね合わせた状態で溶接し、溶接凝固部により接合させることができる。

板体は一般的には金属で形成されている。板体を構成する金属としては、高エネルギ密度ビームにより接合できるものであれば良く、鉄系でも良いし、非鉄系でも良い。鉄系としては軟鋼系でも良いし、場合によっては硬鋼系でも良いし、合金鋼系でも良い。合金鋼系としてはステンレス鋼系等を例示できる。ステンレス鋼系としては、フェライト系、オーステナイト系、場合によってはマルテンサイト系でも良い。板体が非鉄系で形成されている場合には、非鉄系としては、レーザビーム等の高エネルギ密度ビームにより溶融できる材料であれば良い。

高エネルギ密度ビームとしては、レーザビームが挙げられるが、電子ビームでも良い。レーザとしてはＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ、ルビーレーザ、Ａｒレーザ、ガラスレーザが例示される。溶接品が鉄系である場合には、板体の炭素含有量は質量比で例えば１．０％以下、０．８％以下、０．５％以下、０．３％以下とすることができ、さらに０．１％以下、０．０５％以下とすることができる。なお、鉄系の場合には、過剰焼き入れを抑制するためには、炭素含有量を抑えることが好ましい。

本発明によれば、溶接凝固部は外方に露出している。この場合、溶接凝固部は、溶け込み深さ方向に延設されていると共に外方に露出する露出面を有する。殊に溶接凝固部は、外方に露出する第１露出面と、外方に露出する第２露出面とを有する形態を例示することができる。第１露出面及び第２露出面は、溶け込み深さ方向に延設されていると共に、互いに逆方向に露出している形態を例示することができる。

従って、溶接凝固部は、外方に露出すると共に第１板体の厚み方向の一方側に指向する第１露出面と、外方に露出すると共に第２板体の厚み方向の他方側に指向する第２露出面とを有する形態を例示することができる。この場合、第１露出面及び第２露出面の双方が外方に露出しているため、第１露出面及び第２露出面の双方から溶接凝固部の溶け込み深さを目視または撮像装置等で視認することができ、溶接凝固部の強度の信頼性を一層高めることができる。

よって溶接凝固部の第１露出面は、板体の縁部の表面よりも板体の厚み方向の一方側に突出しており、且つ、溶接凝固部の第２露出面は、板体の縁部の表面よりも板体の厚み方向の他方側に突出している形態を例示することができる。この場合、溶接凝固部の厚みが確保され、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。従って、溶接凝固部の平均厚みは、複数の板体の縁部の合計厚みよりも大きく設定されている形態を例示することができる。

溶接凝固部は、複数の板体の縁部同士を接合している形態を例示することができる。この場合、縁部同士を効果的に接合できる。なお、複数の板体を接合させて容器を構成することができる。

本発明によれば、板体は第１板体と第２板体とを有しており、第１板体及び第２板体の縁部同士を溶融凝固部で接合して構成されて形態を採用することができる。この場合、図３（Ｂ）に例示したように、溶接凝固部の露出面は、第１板体及び第２板体のうちのいずれか一方において外方に露出しており、且つ、溶接凝固部の露出面に対して反対側の部位では、第１板体及び第２板体のうちの他方が露出している形態を採用することができる。

上記した高エネルギ密度ビーム溶接方法の好ましい形態によれば、金属を基材とする複数の板体の少なくとも縁部を重ね合わせると共に、重ね合わせた複数の板体のうちこれの縁部の厚み方向の少なくとも片面側に当接壁体を当てがう工程と、重ねた板体の縁部に高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、溶融部分を当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成し、溶接凝固部を介して複数の板体を接合させる溶接工程とを実施する。当接壁体は板体の表面に加圧して接触させることができる。この場合、当接壁体と板体の表面との隙間が低減されるため、溶接凝固部となる溶融部分の漏れが抑制される。

当接壁体は、板体の表面に対面すると共に溶融部分を保持する凹状空間を形成する凹み面を備えている形態を例示することができる。凹状空間に溶融部分が保持されるため、溶融部分の流出が抑制され、溶融部分の体積が確保され、溶接凝固部の強度の信頼性を高めることができる。当接壁体の材質としては、金属系、セラミックス系が挙げられる。当接壁体の材質が金属であれば、当接壁体による冷却速度を速めるのに有利である。組織の微細化も期待できる。金属系としては、鋼系、非鉄系が例示される。鉄系としては炭素鋼系でも良いし、合金鋼系でも良い。合金鋼系としてはステンレス鋼系等を例示できる。非鉄系としては、溶融部分の温度を考慮して選択するが、銅または銅系合金、タングステンまたはタングステン合金、モリブデンまたはモリブデン合金、バナジウムまたはバナジウム合金を例示できる。溶融部分の融点が低い材料のときには、当接壁体の材質としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を採用しても良い。当接壁体がセラミックス系であるときには、セラミックス系としては、アルミナ系、シリカ系、炭化珪素系、窒化珪素系、ジルコニア系が例示される。

本発明方法によれば、重ね合わせた複数の板体の縁部の端面同士は、同一平坦面であるか、あるいは、段差を有する形態を例示することができる。同一平坦面であれば、高エネルギ密度ビームにより板体の縁部を溶融し易いが、段差が形成されているときであっても、高エネルギ密度ビームにより板体の縁部を溶融することができる。

以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して具体的に説明する。本実施例は縁継手構造に適用したものである。まず、図１に示すように、第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１とを重ね合わせる。第１板体１及び第２板体２は鉄系金属（例えば軟鋼）を基材とする。第１板体１の第１縁部１１の厚みはｔ１として、第２板体２の第２縁部２１の厚みはｔ２として示される。

重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に、第１当接壁体３を当てがう。同様に、第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側に、第２当接壁体４を当てがう。第１板体１及び第２板体２は、第１当接壁体３及び第２当接壁体４で加圧状態に挟持される。

即ち、第１当接壁体３及び第２当接壁体４は、第１板体１の第１縁部１１及び第２板体２の第２縁部２１を挟むように矢印Ａ１方向に加圧されている。矢印Ａ１方向は第１縁部１１及び第２縁部２１の厚み方向に相当する。第１当接壁体３は、第１板体１の第１縁部１１の第１表面１４に対面する第１凹み面３１を備えている。第１凹み面３１は、溶融部分６を保持する第１凹状空間３２を形成する。第１凹み面３１は、下方（矢印Ｄ方向：レーザビームの照射源７から遠ざかる方向）に移行するにつれて、第１縁部１１に接近するような面をもつ。第２当接壁体４は、第２板体２の第２縁部２１の第２表面２４に対面する第２凹み面４１を備えている。第２凹み面４１は、溶融部分６を保持する第２凹状空間４２を形成する。第２凹み面４１は、下方（矢印Ｄ方向：レーザビーム７の照射源から遠ざかる方向）に移行するにつれて、第２縁部２１に接近するような面をもつ。なお、第１凹み面３１及び第２凹み面４１には、必要に応じて、後述する溶接ビード部５の離形性を高めるために、離形剤を塗布しておくこともできる。

図１に示すように、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の第１端面１３及び第２板体２の第２縁部２１の第２端面２３は、第１当接壁体３の第１先端面３３及び第２当接壁体４の第２先端面４３よりも上方にΔｈ突出するように設定されている。これにより第１縁部１１及び第２縁部２１を溶融させるとき、後述する溶融部分６の体積を大きくするのに有利となり、後述する溶接ビード部５を強度を高めるのに有利である。なお、図１に示すように、レーザビーム７の照射前において、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の第１端面１３の高さと第２板体２の第２縁部２１の第２端面２３の高さとは、基本的には同一である。これによりレーザビーム７を上方から照射させる照射均一性を高めることができ、溶接ビード部５を強度を高めるのに有利である。なお、第１端面１３の高さと第２端面２３の高さとは同一でなく、第１端面１３と第２端面２３との間に段差があっても、レーザビーム７の照射により溶融されるため、特段の支障がない。

第１当接壁体３及び第２当接壁体４の材質は金属材料、具体的には、銅または銅系合金、あるいは、タングステンまたはタングステン合金とされている。金属材料は熱伝導性が良好であるため、溶融部分６を早期に凝固させるのに有利である。

そして図１に示すように、第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を当てがうとともに、第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側に第２当接壁体４を当てがった状態で、更に、アルゴンガス等のシールドガスを第１縁部１１及び第２縁部２１に供給する。シールドガスにより酸化が抑制される。その状態で、高エネルギ密度ビームとしてのレーザビーム７（ＹＡＧ）を上方から第１縁部１１及び第２縁部２１に照射し、溶融させる。この場合、第１縁部１１と第２縁部２１との接合性を高めるべく、第１縁部１１と第２縁部２１との境界域にレーザビーム７を照射することが好ましい。

上記したようにレーザビーム７を照射した結果、金属成分が溶融して溶融部分６が形成される。そして、溶融部分６を、第１当接壁体３及び第２当接壁体４で保持しつつ凝固させ、溶接ビード部５を形成する。この場合、溶融部分６は、第１凹状空間３２及び第２凹状空間４２で形成される空間に貯留されて凝固する。なお、レーザビームを用いた溶接は、単位面積当たりの入熱量が大きいため急熱を引き起こし、また冷却速度が速いため一般的には急冷を引き起こす。

このように溶接ビード部５が形成されたら、第１板体１から第１当接壁体３を矢印Ａ２方向に離間させるとともに、第２板体２から第２当接壁体４を矢印Ａ２方向に離間させる。この場合、第１当接壁体３及び第２当接壁体４を同時に離間させても良いし、時間的にずらして離間させても良い。

図３（Ａ）に示すように、溶接凝固部として機能する溶接ビード部５は、外方に露出すると共に第１板体１の厚み方向の一方側に指向する第１露出面５１と、外方に露出すると共に第２板体２の厚み方向の他方側に指向する第２露出面５２と、第１露出面５１及び第２露出面５２に交差する方向に延設された第３露出面５３とを有する。第１露出面５１及び第２露出面５２は溶け込み深さ方向に延設されており、互いに逆方向に指向しており、殊に、第１板体１及び第２板体２の厚み方向において互いに逆方向に指向している。第１露出面５１及び第２露出面５２は、溶け込み深さ方向つまり矢印Ｄ２方向に延設されている。ここで、第１露出面５１は、第１当接壁体３の第１凹み面３１の転写により形成されたものであり、第１板体１の第１縁部１１の第１表面１４よりも第１板体１の厚み方向の一方側に丸みをもって突出している。また、第２露出面５２は、第２当接壁体４の第２凹み面４１の転写により形成されたものであり、第２板体２の第２縁部２１の第２表面２４よりも第２板体２の厚み方向の他方側に丸みをもって突出している。

この結果、溶接ビード部５の最大厚みｔ４は、第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１との合計厚みｔ３よりも大きく設定されている。従って溶接ビード部５の平均厚みは、第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１との合計厚みｔ３よりも大きく設定されている。ｔ４／ｔ３は、溶接品の種類等に応じて適宜設定できるが、例えば１．１〜３．０程度、１．２〜２．０程度殊に１．２〜１．８程度とすることができる。但しこれに限定されるものではない。また溶接ビード部５の溶け込み深さ高さをＨ１（図３（Ａ）参照）とすると、Ｈ１／ｔ３は、溶接品の種類等に応じて適宜設定できるが、例えば０．３〜２．５程度、殊に０．５〜１．８程度とすることができる。但しこれに限定されるものではない。

上記のようにして溶接ビード部５は、第１板体１及び第２板体２の第１縁部１１及び第２縁部２１を強固に接合している。なお、第１板体１及び第２板体２は鉄系であり、炭素含有量は質量比で０．３％以下、殊に０．１％以下とされているが、これに限定されるものではない。

以上説明したように本実施例によれば、図３（Ａ）に示すように、溶接ビード部５のうち溶け込み深さ方向に延設されている第１露出面５１及び第２露出面５２は、外方に露出している。このため、溶接ビード部５の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接ビード部５の強度の信頼性を高めることができる。殊に本実施例によれば、溶接ビード部５の平均厚みは、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１との合計厚みｔ３よりも大きく設定されているため、溶接ビード部５の強度を高めることができ、溶接ビード部５の強度の信頼性を高めることができる。また上記したように第１板体１及び第２板体２は炭素含有量が抑制されているため、レーザビーム７を照射したとしても、過剰焼き入れによるクラック生成を抑制することができる。

更に本実施例によれば、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１にレーザビーム７を照射して溶融部分６を形成し、更に、溶融部分６を第１当接壁体３及び第２当接壁体４で保持しつつ凝固させて溶接ビード部５を形成する。このため、溶接ビード部５の溶融部分６の流出を抑制できるため、溶融部分６の体積を確保することができる。これにより溶接ビード部５の体積を確保でき、ひいては溶接ビード部５の強度を高めることができ、溶接ビード部５の強度の信頼性を高めることができる。さらにレーザビーム７で溶融した溶融部分６を第１当接壁体３及び第２当接壁体４で隠蔽しつつ、すなわち、溶融部分６と外気との接触を抑えつつ溶融部分６を凝固させることができる。このため溶接ビード部５と外気との反応が制限され、溶接ビード部５の酸化が抑制される。

更に本実施例によれば、溶接ビード部５は、熱伝導性が良好な第１当接壁体３及び第２当接壁体４により早期に冷却される。故に、溶接ビード部５の防錆性を向上させるのに有利となり、溶接ビード部５の表面酸化、ひいては酸化による劣化を抑制するのに有利となる。

本実施例によれば、第１当接壁体３は第１凹状空間３２を形成する第１凹み面３１を備えていると共に、第２当接壁体４は第２凹状空間４２を形成する第２凹み面４１を備えている。このため、第１凹み面３１及び第２凹み面４１を所望の断面形状に設定すれば、溶接ビード部５を所望の断面形状となるように整形させることができる。従って、溶接ビード部５の形状を用途等の事情に応じて変更でき、溶接ビード部５の形状自由性が確保されている。

また本実施例によれば、前述したように、レーザビーム７を照射して溶融部分６を形成し、更に、溶融部分６を第１当接壁体３及び第２当接壁体４で保持しつつ凝固させて溶接ビード部５を形成することにしている。このため溶融部分６の流出が抑制されると共に、溶接ビード部５が成形されて溶接ビード部５のハンピングビードが抑制される。このため、従来よりも照射部分への入熱量を増加させて溶け込み量を増加させ、溶け込み深さを深くすることができ、溶接ビード部５の強度を高めるのに一層有利である。

更に本実施例によれば、図３（Ｂ）に示す形態であっても良い。この場合には、溶接ビード部５の溶け込み深さ方向に延設されている第１露出面５１は、第１板体１において外方に露出している。しかし図３（Ｂ）に示すように、溶接ビード部５の第１露出面５１に対して反対側の部位では、第２板体２の表面２４が露出している。この場合には、レーザビーム７の照射位置が第１板体１側にずれたときなどに発生し易い。図３（Ｂ）に示す形態であっても、溶接ビード部５のうち溶け込み深さ方向に延設されている第１露出面５１は外方に露出しているため、溶接ビード部５の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接ビード部５の強度の信頼性を高めることができる。

（試験例）
図４は実施例に係る試験例の溶接品の断面の写真を示す。溶接条件としては、レーザをＹＡＧレーザとし、レーザ出力を４．５ｋＷとし、ビーム集光径を０．６ミリメートルとし、第１板体１及び第２板体２の材質をステンレス鋼とし、第１板体１の厚みを０．６ミリメートル、第２板体２の厚みを０．６ミリメートルとし、溶接速度を３メートル／分とし、第１当接壁体３及び第２当接壁体４の材質を銅合金とした。図４に示す写真によれば、溶接ビード部の第１露出面は、外方に露出すると共に第１板体の厚み方向の一方側に突出している。溶接ビード部の第２露出面は、外方に露出すると共に第２板体の厚み方向の他方側に突出している。

図５は従来のレーザビーム溶接品の断面の写真を示す。図５に示す従来品によれば、溶接ビード部は外方に露出しておらず、第１板体及び第２板体の内部に隠蔽されており、外方から視認することが事実上できない。

図６は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３の第１凹み面３１は凹凸面３１ｓを有する。第２当接壁体４の第２凹み面４１は凹凸面４１ｓを有する。凹凸面３１ｓ，４１ｓは、溶接ビード部５の第１露出面５１及び第２露出面５２に転写されるため、溶接ビード部５にも適度な凹凸５ｓが形成される。なお第１凹み面３１及び第２凹み面４１に離形剤を塗布しておくこともできる。

レーザビーム７で溶接した溶接ビード部５は、材質条件及び溶接条件などによっては、塗装密着性が良好でないことが往々にしてある。しかし溶接ビード部５に適度な凹凸５ｓを形成すれば、塗膜密着性を高めることができる。なお、第１凹み面３１及び第２凹み面４１のうちの一方のみに、凹凸面を形成することにしても良い。

図７は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１板体１の第１縁部１１の第１端面１３の高さよりも、第２板体２の第２縁部２１の第２端面２３の高さが寸法ｈ２ぶん高く設定されている。寸法ｈ２相当ぶん、第２板体２の第２縁部２１の溶け込み量を増加させることができ、溶融部分６の体積を確保するのに有利となる。更に、第１板体１と第２板体２とで組成が異なるときに、第２板体２を構成する合金成分を必要に応じて増加させることができる。

図８は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３及び第２当接壁体４には、冷却水、冷却ガス等の冷却媒体が通過できる冷却通路１００が形成されている。この場合、第１当接壁体３及び第２当接壁体４の耐熱性を高めることができる。更に溶融部分６の冷却速度も調整することができる。更に図８に示すように、第１板体１の第１縁部１１の第１端面１３及び第２板体２の第２縁部２１の第２端面２３は、第１当接壁体３の第１先端面３３及び第２当接壁体４の第２先端面４３よりも下方にｈ４退避している。この場合には、溶融部分の漏れの抑制に有利である。

図９は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３のうち第１凹み面３１に背向する部分には、第１板体１に対して逆方向に外方に膨出する第１膨出部３４が形成されており、肉厚が確保されている。第２当接壁体４のうち第２凹み面４１に背向する部分には、第２板体２に対して逆方向に膨出する第２膨出部４４が形成されており、肉厚が確保されている。第１膨出部３４及び第２膨出部４４により第１当接壁体３及び第２当接壁体４の強度が確保される。更に、第１膨出部３４の膨出量Ｋ１及び第２膨出部３５の膨出量Ｋ２を調整すれば、第１当接壁体３及び第２当接壁体４の冷却速度を調整することもできる。

図１０は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３は熱伝導性が良好な銅または銅合金等の金属製とされている。第２当接壁体４はセラミックスを基材とする。従って、第１当接壁体３の熱伝導率が相対的に高く、第２当接壁体４の熱伝導率が相対的に低い。つまり、第１当接壁体３と第２当接壁体４とで熱伝導率が異なる。従って第１当接壁体３で凝固速度を相対的に速くでき、第２当接壁体４で凝固速度を相対的に遅くでき、溶接ビード部の指向性凝固も期待することができる。

図１１は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３及び第２当接壁体４にはヒータ３５，４５が設けられている。従って、レーザビームで溶けた溶融部分の冷却速度をヒータ３５，４５により調整することができる。この場合、第１板体１及び第２板体２が焼き割れ等のクラックを生じさせ易い材質であるとき、溶融部分の冷却速度を調整することによりクラックを抑制させるのに有利である。なお第１当接壁体３及び第２当接壁体４のうちのいずれか一方のみにヒータを設けることにしても良い。

図１２は実施例８を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図１２に示すように、金属を基材とする第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１と第３板体９の第３縁部９１とを重ね合わせる。第３板体９の第３縁部９１は、第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１との間に配置されている。そして、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を加圧して当てがうと共に、第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側には第２当接壁体４を加圧して当てがう。そしてレーザビーム７を上方から照射し、第１縁部１１、第２縁部２１及び第３縁部９１を溶融させる。この結果、溶融部分６を第１当接壁体３及び第２当接壁体４で保持しつつ凝固させ、溶接ビード部を形成する。この場合、溶融部分は第１凹状空間３２及び第２凹状空間４２に貯留されて凝固する。

図１３は実施例９を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。金属を基材とする第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１とを重ね合わせる。第１縁部１１と第２縁部２１との間には微小な粒状の中間物１１０が介在されている。そして、重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を矢印Ａ１方向に加圧して当てがうと共に、第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側には第２当接壁体４を矢印Ａ１方向に加圧して当てがう。そしてレーザビーム７を上方から照射し、第１縁部１１及び第２縁部２１を溶融させる。この結果、溶融部分を第１当接壁体３及び第２当接壁体４で保持しつつ凝固させ、溶接ビード部を形成する。この場合、溶融部分は、第１凹状空間３２及び第２凹状空間４２で区画された空間に貯留されて凝固する。第１縁部１１と第２縁部２１との間には中間物１１０が介在されているため、第１縁部１１と第２縁部２１との間に微小隙間１０１が形成され、この微小隙間１０１に溶融部分が浸透し、浸透した状態で凝固し、浸透凝固部１０２が溶接ビード部と一体的に形成される。このため浸透凝固部１０２により第１板体１と第２板体２との接合面積が確保され、第１板体１と第２板体２との強度を確保するのに有利となる。

図１４は実施例１０を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。金属を基材とする第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１とを重ね合わせる。重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を当てがうと共に、第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側には第２当接壁体４を当てがう。第１当接壁体３のうち第１板体１の第１縁部１１に対面する部分には、シール突起３ｍが設けられている。第２当接壁体４のうち第２板体２の第２縁部２１に対面する部分には、シール突起４ｍが設けられている。シール突起３ｍと第１板体１と密接度が増加するとともに、シール突起４ｍと第２板体２と密接度が増加するため、溶融部分の漏れが効率よく抑えられる。

図１５は実施例１１を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例は中空室９０１を有する容器９００を形成する場合に適用している。金属を基材とする第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１とを重ね合わせる。重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を当てがう。更に第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側に第２当接壁体４を当てがう。第１縁部１１及び第２板体２の第２縁部２１は縦方向に沿って配置されている。なお他の実施例についても容器の製造に適用しても良い。

図１６は実施例１２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。粉末状の改質材１５０を第１当接壁体３と第２当接壁体４との境界に供給することにより、改質材１５０を溶融部分に供給するため、溶接ビード部を改質できる。例えば、クラック等のビード欠陥の抑制、硬度増加、靱性化等に有利である。改質材１５０としては、クロム、ニッケル、マンガン、シリコン、モリブデン、タングステン、バナジウム、銅、亜鉛、チタン、スズ、アルミニウム、鉛等の合金元素を含む合金化材等を例示できる。改質材１５０としては粉末状、微粒子状を例示できる。レーザビーム照射前に、第１凹状空間３２及び第２凹状空間４２のうちの少なくとも一方に改質材１５０を挿入しておいても良い。また、レーザビームで溶融した溶融部分６に改質材１５０を挿入しても良い。他の実施例についても、中空室を有する容器の製造に適用しても良い。

図１７は実施例１３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３には貫通孔３ｗが形成されている。第２当接壁体４には貫通孔４ｗが形成されている。第１当接壁体３及び第２当接壁体４を溶接ビード部から離形させるとき、貫通孔３ｗ,４ｗからガスを吹き込めば、第１当接壁体３及び第２当接壁体４の離形性が向上できる。

図１８は実施例１４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。金属を基材とする第１板体１の第１縁部１１と第２板体２の第２縁部２１とを重ね合わせる。重ね合わせた第１板体１の第１縁部１１の厚み方向の片面側に第１当接壁体３を当てがう。第２板体２の第２縁部２１の厚み方向の片面側には第２当接壁体４を当てがわない。但し第２当接壁体４を当てがっても良い。第２板体２の第２縁部２１の厚みｔ２は、第１板体１の第１縁部１１の厚みｔ１よりも大きく設定されている（ｔ１＜ｔ２）。レーザビーム７の照射で溶融する溶融部分は、第１当接壁体３の第１凹状空間３２に貯留されて凝固する。

更に本実施例によれば、図１８（Ｂ）に示すように、溶接ビード部５の溶け込み深さ方向に延設されている第１露出面５１は、第１板体１において外方に露出している。しかし、溶接ビード部５の第１露出面５１に対して反対側の部位では、第２板体２の表面２４が露出している。図１８（Ｂ）に示す形態であっても、溶接ビード部５のうち溶け込み深さ方向に延設されている第１露出面５１は外方に露出しているため、溶接ビード部５の溶け込み深さを外方から目視または撮像装置等で視認し易い。このため溶接ビード部５の強度の信頼性を高めることができる。

図１９は実施例１５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１当接壁体３は、溶融部分を保持する第１凹状空間３２を形成する第１凹み面３１を有する。第２当接壁体４のうち第２板体２の第２縁部２１に対面する部分４１ｍは、平坦状とされている。第１凹状空間３２に溶融部分は保持される。

（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明はレーザビーム等の高エネルギ密度ビームを用いて溶接する場合に利用することができる。殊に、板体の縁部同士を重ね合わせ溶接するのに有効である。

第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とをレーザビームで溶かした後に凝固させた状態を示す構成図である。（Ａ）は第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とに溶接ビード部を形成した状態の構成図であり、（Ｂ）は第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とに溶接ビード部を形成した他の状態の構成図である。試験例に示す溶接ビード部の断面写真である。従来例に示す溶接ビード部の断面写真である。実施例２に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とに溶接ビード部を形成した状態の構成図である。実施例３に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例４に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例５に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例６に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例７に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例８に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例９に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例１０に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例１１に係り、容器を形成する第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例１２に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。実施例１３に係り、溶接ビード部から第１当接壁体及び第２当接壁体を離形させる状態を示す構成図である。実施例１４に係り、（Ａ）は第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図であり、（Ｂ）は溶接した後の構成図である。実施例１５に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。従来技術に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部とを重ね合わせた状態でレーザビームを照射する状態を示す構成図である。従来技術に係り、第１板体の第１縁部と第２板体の第２縁部との間に溶接ビード部を形成した状態を示す構成図である。

符号の説明

図中、１は第１板体、１１は第１縁部、２は第２板体、２１は第２縁部、３は第１当接壁体、３１は第１凹み面、３２は第１凹状空間、４は第２当接壁体、４１は第２凹み面、４２は第２凹状空間、５は溶接ビード部（溶接凝固部）、６は溶融部分、７はレーザビーム（高エネルギ密度ビーム）を示す。

Claims

高エネルギ密度ビームにより形成した溶接凝固部により複数の板体を合わせた状態で接合して構成された高エネルギ密度ビーム溶接品であり、
前記溶接凝固部は、溶け込み深さ方向に沿って延設されていると共に外方に露出する露出面を有していることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１において、前記溶接凝固部の前記露出面は、異なる方向に指向すると共に外方に露出するように、少なくとも２つ形成されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１または２において、前記溶接凝固部の露出面は、互いに逆方向に指向する第１露出面と第２露出面とを有していることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記板体の縁部同士が重ね合わされた状態で前記溶接凝固部により接合されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記板体は第１板体と第２板体とを有しており、前記第１板体及び前記第２板体の縁部同士を前記溶融凝固部で接合して構成されており、
前記溶接凝固部の前記第１露出面は前記第１板体の縁部の表面よりも厚み方向の一方側に突出しており、且つ、前記溶接凝固部の前記第２露出面は前記第２板体の縁部の表面よりも厚み方向の他方側に突出していることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１において、前記板体は第１板体と第２板体とを有しており、前記第１板体及び前記第２板体の縁部同士を前記溶融凝固部で接合して構成されており、
前記溶接凝固部の前記露出面は、前記第１板体及び前記第２板体のうちのいずれか一方において外方に露出しており、且つ、前記溶接凝固部の前記露出面に対して反対側の部位では、前記第１板体及び前記第２板体のうちの他方が露出していることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜６のうちのいずれか一項において、前記板体は鉄系または非鉄系で形成されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜７のうちのいずれか一項において、前記溶接凝固部の平均厚みは、複数の前記板体の前記縁部の合計厚みよりも大きく設定されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜８のうちのいずれか一項において、前記板体は鉄系または非鉄系で形成されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
請求項１〜９のうちのいずれか一項において、容器に用いられることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接品。
複数の前記板体を合わせると共に、合わせた複数の前記板体の少なくとも片面側に当接壁体を当てがう工程と、
重ねた前記板体に高エネルギ密度ビームを照射して溶融部分を形成し、前記溶融部分を前記当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成し、前記溶接凝固部を介して複数の前記板体を接合させる溶接工程とを順に実施することを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１において、前記当接壁体は複数設けられており、重ね合わせた複数の前記板体の前記縁部を厚み方向において複数の前記当接壁体により挟持することを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１または１２において、前記複数の当接壁体のうちの少なくとも一つは、前記板体の表面に対面すると共に溶融部分を保持する凹状空間を形成する凹み面を備えていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１〜１３のうちのいずれか一項において、前記溶接凝固部は、溶け込み深さ方向に延設されていると共に外方に露出する露出面を有することを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１〜１４のうちのいずれか一項において、前記板体は鉄系または非鉄系で形成されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１〜１４のうちのいずれか一項において、重ね合わせた複数の前記板体の前記縁部の端面の位置は、前記板体に当てがわれた前記当接壁体の先端面の位置よりも突出するように設定されていることを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１〜１６のうちのいずれ一項において、重ね合わせた複数の前記板体の前記縁部の端面同士は、同一平坦面であるか、あるいは、段差を有することを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
請求項１１〜１７のうちのいずれ一項において、改質材を前記溶融部分に供給することを特徴とする高エネルギ密度ビーム溶接方法。
複数の前記板体を合わせると共に、合わせた複数の前記板体の少なくとも片面側に当接壁体を当てがう工程と、
重ねた前記板体に加熱手段により溶融部分を形成し、前記溶融部分を前記当接壁体で保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成し、前記溶接凝固部を介して複数の前記板体を接合させる溶接工程とを順に実施する溶接方法であり、
前記当接壁体は、
前記板体の表面に対面すると共に溶融部分を保持する凹状空間を形成する凹み面を備えていることを特徴とする溶接方法。
請求項１９において、前記当接壁体は複数設けられており、重ね合わせた複数の前記板体の前記縁部を厚み方向において複数の前記当接壁体により挟持することを特徴とする溶接方法。
請求項１９または２０において、前記溶接凝固部は、溶け込み深さ方向に延設されていると共に外方に露出する露出面を有することを特徴とする溶接方法。
合わせた複数の前記板体のうち少なくとも片面側に当てがわれる当接壁体をもつ溶接補助装置であって、
前記当接壁体は、前記板体の溶融部分を保持しつつ凝固させて溶接凝固部を形成すると共に、前記溶融部分の保持量を増加させる凹み面を有することを特徴とする溶接補助装置。
請求項２２において、前記当接壁体は、合わせた複数の前記板体をこれの厚み方向において挟むように設けられた第１当接壁体と第２当接壁体とを備えていることを特徴とする溶接補助装置。
請求項２２または２３において、前記当接壁体は、金属またはセラミックスで形成されていることを特徴とする溶接補助装置。