JP4786401B2 - 突合せ溶接金属板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属薄板のレーザー突合せ溶接による突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）の製造方法に関するもので、更に詳しくは、プレス等の塑性加工に供される溶接金属薄板をレーザー突合せ溶接することで突合せ溶接金属板とする製造方法に関するものである。

近年、レーザー溶接により複数の金属板を事前に突合せ接合し、その金属板をプレス成型等の塑性加工による二次加工にて所望の形状に成型する技術の適用が、自動車向けとして一般化しつつある。異種または異厚の金属板をプレス成型以前に接合し（例えば、特許文献１参照）、一枚の金属板としてプレスを行えば、製品の部分的な補強や軽量化を促す効果がある。

レーザーによる突合せ溶接時に生じる問題点は、レーザー光の集光性が高いため、端面でもって互いに接しあう薄板をきわめて正確に位置決めして溶接する必要であり、かつ薄板が薄板間に極狭いギャップを有することしか許さない点にある。良好な溶接シーム品質を得るためには原則としてギャップは０．０５〜０．０８ｍｍ幅を有することしか許されない。このことは取りも直さず両薄板各々が同一直線状から０．０４ｍｍの偏差しか許されないことを意味している。

異種または異厚の金属板（テーラードブランク材と称される）の製造は、ジグもしくはパレット上に素材となる金属板（以下ブランク板と称することがある）を並べてその突合せ線に沿って溶接トーチを動かして溶接を行うことが多い。例えば、図７に示すように、突合せた鋼板１０、鋼板１１同士のギャップ部分にレーザートーチ１２からレーザービーム１４を溶接ゾーン１６に照射し、レーザートーチを突合せ線に沿って溶接進行方向１５に移動もしくは、固定されたレーザートーチに対し鋼板を溶接進行方向１５に移動しながら、溶接ビード１３を形成してテーラードブランク材とするものである。

このようにテーラードブランク材を製造する場合、ブランク板は既に打ち抜きプレスなどで精密に外形をせん断加工したものである。例えば、図１に示すような３枚の金属板（ブランク板）１、２、３を突合せて溶接線５及び溶接線６に沿ってレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する場合には、突合せ角度（θ）４を精密にせん断する必要がある。突合せ角度を精密にするものではないが、溶接工程において、一対の被溶接部材を突合せ溶接するに先立ち、その端面を研削加工することにより端面精度を向上させて溶接性度の向上を図ったレーザー溶接システムは提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、複数の薄鋼板を互いに突合せて仮付け溶接により固定し、その固定状態で、薄鋼板の突合せ部をコイニング加工して、ビード幅を狭めた後、突合せ部をレーザー溶接する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）が、この方法ではコイニング加工が要求され、生産性の向上に問題がある。

突合せ角度（θ）があるテーラードブランク材を製造する場合には、もしもこの突合せ角度が不正確な場合には、図６に示すように突合せギャップが大きな突合せギャップ７に拡大し、レーザー溶接することができず、かつ溶接品質に影響を及ぼす。レーザー突合せ溶接に要求される突合せギャップを０．０８ｍｍ以下とするためにはこの突合せ角度の精度を、設計値の０．００５〜０．０１度の誤差範囲内でブランク板にすることが求められ、工業的にこれを実現するのはどのような精密な金型を持ってしても現在の技術では困難である。

突合せレーザー溶接に突合せギャップが生じる場合は、従来技術においては、例えばフィラーワイヤーを用いてそのギャップを埋める必要があった（例えば、特許文献４参照）。しかし、その場合、フィラーワイヤー供給装置が必要で設備投資が嵩むという問題があった。又ギャップ量変動が大きい場合にはそれに応じてフィラーワイヤーの供給速度を変える必要があり、その制御機構は、自動ギャップ測定装置を含み複雑なものである。
本発明は、突合せギャップの生じやすい３枚以上の金属板を溶接する突合せ溶接金属板の製造方法においても容易にレーザー溶接を可能とする技術を提供しようとするものである。

テーラードブランクの材料となるブランク板は、その圧延時や熱処理時に発生した残留歪や残留応力を大なり小なり内部に抱合しており、これを型抜きプレスを用いて所望の形状のブランク板としても、その時点で残留歪や残留応力の開放により形状が崩れてしまう。

したがって、たとえどのような精度のブランク金型をもってしても、このような高い精度で安定的にブランク板を製造することは出来ない。このような理由から、図１に示すような３枚の金属板を突合せ溶接してなるテーラードブランク材、若しくは、図２に示すような４枚の金属板を突合せ溶接してなるテーラードブランク材は歩留まり落ちによるコスト増を抱えながら製造されているのが現状である。

特開平５−５７４６７号公報 特開２００４−２４３３９３号公報 特開平６−２３８４７２号公報 特開平５−５０２７４号公報

そこで、本発明は上記のような現状に鑑み、３枚以上の金属板を突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）において、溶接する金属板の精密な打ち抜き加工の必要性を排除し、歩留まり落ちすることなく、工業的に安定して３枚以上の金属板を溶接して最初の突合せ溶接の溶接線と次の突合せ溶接の溶接線の交わる角度が鋭角の突合せ角度θを有する突合わせ溶接金属板を製造することができる、突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）の製造方法を提供するものである。

かかる課題を解決するための手段として本発明者は、３枚以上の金属板を突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板を製造するに際して、最初に２枚の金属板を突合せ溶接した後、当該突合せ溶接金属板に切断加工を行い、別の３枚目の金属板の切断加工を行った端面に切断加工をした突合せ溶接金属板の切断端面を突合せて、次の突合せ溶接して製造することで、精密な打ち抜き加工の必要性を排除し、工業的に安定して最初の突合せ溶接の溶接線と次の突合せ溶接の溶接線の交わる角度が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造することができることを見出して本発明を完成した。

本発明の要旨は、以下の通りである。

（１） ３枚の金属板（１、２、３）をレーザー突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板の製造方法において、２枚の金属板（１、２）の端面を突合せ、突合せ部をレーザー溶接して突合せ溶接金属板（ａ１）を作製した後、当該突合せ溶接金属板（ａ１）の突合せ溶接した溶接線（６）を横切る切断線で当該突合せ溶接金属板（ａ１）の切断加工（９）を行い、引き続き切断加工した当該突合せ溶接金属板（ａ１）の切断加工端面を別の金属板（３）の端面に、当該突合せ溶接金属板（ａ１）の溶接線（６）と前記別の金属板（３）の端面との突合せ角度（θ）が鋭角となるように突合せ、突合せ部に溶接線（５）を形成するレーザー突合せ溶接（１７）することを特徴とする、溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。

（２） ４枚の金属板（１、２、３、８）をレーザー突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板の製造方法において、２枚ずつの金属板（１、２および３、８）の端面をそれぞれ突合せ、突合せ部をレーザー溶接して２枚の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）を作製した後、当該夫々の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）について突合せ溶接したそれぞれの溶接線（６ａ、６ｂ）を横切る切断線で当該それぞれの突合せ溶接金属板の切断加工（１７）を行い、引き続き切断加工した当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の切断加工端面を、当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の各溶接線（６ａ、６ｂ）と当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の端面との突合せ角度（θ）が鋭角となるように突合せ、突合せ部に溶接線（５）を形成する突合せレーザー溶接することを特徴とする、溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。

（３） 前記突合せ部をレーザー溶接して作製する突合せ溶接金属板（ａ１、ａ２またはａ３）は、３枚以上の金属板を並列して突合せ、突合せ部をレーザー溶接した突合せ溶接金属板であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。

本発明によれば、３枚以上の金属板をレーザー突合せ溶接してなる、突合せ角度θを持つ突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造する場合に、突合せ溶接金属板（ブランク板）の精密な打ち抜き加工の必要性を排除し、工業的に安定して製造することができるという顕著な効果を奏する。

以下図を参酌して本発明を詳細に説明する。
図１は、３枚の金属板（ブランク板）を突合せ溶接してなる突合せ溶接金属板（以下テーラードブランク材ということがある）の製造例を示す図である。

図１に示すような３枚の金属板（ブランク板）１、２及び３を突合せて、溶接線５及び溶接線６に沿ってレーザー溶接してテーラードブランク材を製造する場合には、突合せ角度（θ）４を精密にせん断する必要がある。例えば、板厚の異なる薄鋼板を突合せ溶接する場合に、レーザー溶接では、ビード幅が狭いため溶接部での厚みの変化が大きく、溶接鋼板をプレス成形すると、板厚の薄い鋼板側の溶接部近傍に応力が集中し、溶接部近傍に割れが発生しやすい。また、レーザー溶接でビード幅が広いとレーザー出力を増加、あるいは溶接速度を低下させてもレーザー光線は薄鋼板を貫通して良好なビードを形成することが困難である。したがって、プレス成形性の良い突合せ溶接薄鋼板を得るためには、適正で精度の良いビード幅とすることが要求される。

通常、十分な精度をもった金型によって突合せ溶接金属板（鋼板ブランク板）を打ち抜き加工をしても、鋼板ブランク時における製品の角度精度は最大０．１度程度の誤差が見込まれる。突合せ角度のばらつきが正規分布であると仮定し、所要突合せ角度を０．００５度とすれば、それを満足する確率は０．１２と予想される。図１に示すような溶接線が交わる状態で溶接した３枚のブランクからなるテーラードブランク材としては、金属板１及び金属板２の突合せ角が同時に所要突合せ精度範囲内でないと成立しないので、所要突合せ角度となる確率は０．０１４である。ゆえに、従来技術のように、既にブランクした金属板を一度にパレット上に突合せて、その突合せ線に沿って溶接を行う場合の、工程歩留まりは１．４％と予想され、従来技術では工業的に成り立たない。

そこで、本発明は一度金属板を突合せ溶接した後、当該突合せ溶接金属板に切断加工を行い、別の金属板の切断加工を行った端面に突合せ溶接して突合せ溶接金属板を製造することで、突合せする金属板の精密な打ち抜き加工の必要性を排除し、工業的に安定してプレス成形性の良い突合せ溶接金属板（テーラードブランク）を製造することができるようにしたものである。

図３〜図５は、本発明による、テーラードブランク材の製造手順を示す図である。

先ず、図３に示すように、２枚の金属板１と金属板２とを溶接線６に沿って突合せ溶接して突合せ溶接金属板とする。次に、図４に示すように、突合せ溶接金属板ａ１の次の溶接予定線（最初の溶接線と交わる溶接線となる）をせん断装置にてせん断加工（切断加工）９する。せん断加工を行なう際には、切断加工時にその切断線に一回目（最初）の溶接線６を含む（横切る）ように行ない、他の金属板との突合せ端面を形成する。次に、図５に示すように、せん断加工を行った突合せ溶接金属板ａ１のせん断線に次の３枚目の金属板３ブランク材を突合せてレーザー突合せ溶接１７をする。

このことにより、図１のような突合せ角度（θ）があるテーラードブランク材を、溶接前に金属板の精密な打ち抜き加工を行う必要性を排除し、工業的に安定して製造することが可能となる。たとえ突合せ溶接する３枚目の金属板（ブランク板）の突合せ角度が、設計値の０．００５〜０．０１度の誤差範囲に入っていなくても、溶接を実施する前に一度せん断加工（切断加工）を実施することによって、突合せ予定線の直線度を問題無い状態にすることが出来、多少不正確なせん断形状のものでも品質上問題なく溶接線６と溶接線５とが鋭角の突合せ角度（θ）４を有する突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造することが可能である。

また、図２に示すような溶接線（６ａ、６ｂ）と溶接線５とが９０度未満の鋭角の突合せ角度（θ）４で２箇所存在する状態となる４枚の金属板を突合せ溶接した突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造する場合には、先ず２枚の金属板１及び２並びに金属板３及び８を別々に最初に２枚ずつ突合せ溶接して２枚の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）を作製する。次に、突合せ溶接した夫々の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の溶接予定線をせん断装置にて、図４に示す突合せ溶接金属板の例の場合と同様に、突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）をせん断加工（切断加工）する。切断加工時に切断線に予めなされた溶接線５を含むように行ない突合せ端面を形成する。次いで、２枚の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）を溶接予定線で突合せて溶接線５となるレーザー突合せ溶接する。このような溶接手順で溶接することにより、２つの突合せ角度θを持ったテーラードブランク材を、溶接前に金属板の精密な打ち抜き加工を行うことなしに製造することができる。なお、最初に２枚の金属板を突合せ溶接して突合せ溶接金属板（テーラードブランク半製品）としたが、必要に応じて図示してないが２枚の場合と同様に、３枚以上の金属板を並列させて最初に突合せ溶接して突合せ溶接金属板（テーラードブランク半製品）としも良い。これによって、複数の金属板を突合せ溶接したテーラードブランク材が得られる。また、上記に説明した、図１または図２の製造手順を組み合わせて、繰り返し行なうことによって複数の突合せ角度θを持ったテーラードブランク材を製造することが可能となる。

本発明のテーラードブランク材を製造するために使用する少なくとも１枚の金属板は、板厚２ｍｍ以下、特に１ｍｍ以下の薄鋼板を使用することが好ましい。そして、突合せ溶接する薄鋼板は、板厚及び強度の一方又は双方が異なる薄鋼板を使用することができる。また、このような薄鋼板を突合せ溶接する場合には、レーザー突合せ溶接によって溶接することが適している。即ち，アーク溶接等の他の溶接方法では、溶接入力が過大となり、薄鋼板の溶接では溶け落ち欠陥が発生するからである。また、特に、鋭角の突合せ角度を有するテーラードブランク材の製造は困難であるが、本発明によれば容易に製造することができる。

実施例に基づいて本発明を説明する。
図１に示すように鋭角の突合わせ角度（θ）を有する板厚が異なる突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造する溶接試験を実施した。試験に供した金属板１は厚さ１．４ｍｍの軟鋼板、金属板２は厚さ１．２ｍｍの軟鋼板、金属板３は厚さ１．０ｍｍの軟鋼板である３板の金属板を用いた。トータルのテーラードブランク材の完成サイズは約１ｍ×１ｍとした。

（比較例）
先ず、従来技術として、ブランク工程でそれぞれせん断した３枚の金属板を平らな定盤上で並べて突合せ、金属板上面からエアシリンダーにてクランプして固定した。そして、３枚の金属板の突合せた溶接線（突合せ角度θ：８０度）に沿って炭酸ガスレーザーを照射しながら溶接（出力１．５ｋｗ、溶接速度２．０ｍ／ｍｉｎ）を行いテーラードブランク材を製造した。このようにして１００枚のテーラードブランク材を製造し、プレス加工を行ったところ、突合せギャップ起因による溶接不良が原因で、９８枚にプレス加工時に溶接部の割れが発生し、良品は２枚しか採取することが出来無かった。

（発明例）
これに対し、本発明技術を適用して、先ずブランクとした２枚の金属板１および２を平らな定盤上で並べて突合せ、最初に従来技術と同様に炭酸ガスレーザーで突合せ溶接した後、その金属板１及び２からなるテーラードブランクの半完成品と、これと突合せ溶接する金属板３との突合せ溶接予定線を、せん断装置にてせん断加工し、金属板１及び２からなるテーラードブランクの半完成品に金属板３を鋭角の突合せ角度（θ）４で突合せ、炭酸ガスレーザーで突合せ溶接して突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）を製造した。このようにして１００枚製造し、プレス加工を行ったところ、突合せギャップ起因による溶接不良が原因で、１枚しかプレス加工時に溶接部の割れが発生せず、良品は９９枚採取することが出来た。

本発明のように溶接を実施する前に一度せん断加工を実施することによって、突合せ溶接予定線の直線度を問題無い状態にすることが出来、多少不正確なせん断形状のものでも品質上問題なく製造することが可能であった。また、本発明技術を適用した、図２に示すように４枚の金属板からなる突合せ溶接金属板（テーラードブランク材）の場合も同様の効果が得られ、金属板の数を多くしても同様な効果が得られることは上記試験から分かる。

本発明は自動車向け等のテーラードブランク材に利用されるものであるが、特に、当該テーラードブランク材を管状に曲げ加工して溶接することにより、部分的に強度、板厚が異なった管状部材として用いることができる。

３枚の金属板を突合せ溶接してなるテーラードブランク材の例を示す図である。 ４枚の金属板を突合せ溶接してなるテーラードブランク材の例を示す図である。 最初に２枚の金属板を突合せ溶接するテーラードブランク材の製造手順を示す図である。 ２枚の金属板を溶接した後のせん断加工を行うテーラードブランク材の製造手順を示す図である。 せん断加工後に３枚目の金属板を溶接するテーラードブランク材の製造手順を示す図である。 従来技術による不正確な突合せ角度の問題が生じるテーラードブランク材の製造例を示す図である。 テーラードブランク材のレーザー突合せ溶接プロセスを示す図である。

１ 金属板
２ 金属板
３ 金属板
４ 突合せ角度（θ）
５ 溶接線
６ 溶接線
７ 大きな突合せギャップ
８ 金属板
９ せん断加工
１０ 鋼板
１１ 鋼板
１２ レーザートーチ
１３ 溶接ビード
１４ レーザービーム
１５ 溶接進行方向
１６ 溶接ゾーン
１７ 溶接
ａ１、ａ２、ａ３ 突合せ溶接金属板
６ａ、６ｂ 溶接線

Claims (3)

1. ３枚の金属板（１、２、３）をレーザー突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板の製造方法において、２枚の金属板（１、２）の端面を突合せ、突合せ部をレーザー溶接して突合せ溶接金属板（ａ１）を作製した後、当該突合せ溶接金属板（ａ１）の突合せ溶接した溶接線（６）を横切る切断線で当該突合せ溶接金属板（ａ１）の切断加工（９）を行い、引き続き切断加工した当該突合せ溶接金属板（ａ１）の切断加工端面を別の金属板（３）の端面に、当該突合せ溶接金属板（ａ１）の溶接線（６）と前記別の金属板（３）の端面との突合せ角度（θ）が鋭角となるように突合せ、突合せ部に溶接線（５）を形成するレーザー突合せ溶接（１７）することを特徴とする、溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。
2. ４枚の金属板（１、２、３、８）をレーザー突合せ溶接してなる、突合せ溶接金属板の製造方法において、２枚ずつの金属板（１、２および３、８）の端面をそれぞれ突合せ、突合せ部をレーザー溶接して２枚の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）を作製した後、当該夫々の突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）について突合せ溶接したそれぞれの溶接線（６ａ、６ｂ）を横切る切断線で当該それぞれの突合せ溶接金属板の切断加工（１７）を行い、引き続き切断加工した当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の切断加工端面を、当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の各溶接線（６ａ、６ｂ）と当該それぞれの突合せ溶接金属板（ａ２、ａ３）の端面との突合せ角度（θ）が鋭角となるように突合せ、突合せ部に溶接線（５）を形成する突合せレーザー溶接することを特徴とする、溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。
3. 前記突合せ部をレーザー溶接して作製する突合せ溶接金属板（ａ１、ａ２またはａ３）は、３枚以上の金属板を並列して突合せ、突合せ部をレーザー溶接した突合せ溶接金属板であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接線が鋭角の突合せ角度θを有する突合せ溶接金属板の製造方法。

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