歪みの無いレーザ接合材
【課題】 溶接方向に沿った長さが１ｍ以上、幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍの鉄系金属板同士をレーザにて連続溶接した場合に、熱歪みが無いレーザ接合材を提供すること。
【解決手段】 鉄系金属板同士を重ね合わせ、そのすみ肉をレーザにて連続溶接する際、溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向に最も深く溶け込んだ点Ｏとを結んで形成した三角形ＡＯＢを規定し、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをｙ，ｚとし、点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上となる条件により、レーザ接合を行う。
【解決手段】 鉄系金属板同士を重ね合わせ、そのすみ肉をレーザにて連続溶接する際、溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向に最も深く溶け込んだ点Ｏとを結んで形成した三角形ＡＯＢを規定し、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをｙ，ｚとし、点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上となる条件により、レーザ接合を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて二の金属板を重ね合わせ溶接する場合において、歪みが無い状態として得られる、レーザ接合材に関する。特に本発明は、１ｍ以上の長さの鉄系金属板を重ね合わせ、すみ肉をレーザ溶接してなるレーザ接合材に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、レーザ光を被溶接物の溶接対象部位に集中させて照射し、レーザ光の有するエネルギーにより該溶接対象部位を瞬時に溶融して接合する溶接法である。一般的には、被溶接材を治具で固定して溶接中に歪みが生じても溶接点が移動しないようにレーザを照射し、照射点には酸化防止のためのシールドガスを吹き付けながら行う。
【０００３】
歪みは、溶融部の凝固収縮の他に、熱影響部における熱膨張により塑性変形領域まで伸ばされたときにより発生するが、実際の溶接はその影響を極力抑えるように行われる。具体的には、上述のように、被溶接物を治具で固定するのでほとんどの歪みはこの時点で抑えられ、しかも酸化防止のためにアルゴンや窒素などの非酸化性ガスを吹き付けることで冷却効果も加味される。しかも、溶接後平坦な地面に静置した際に材料の自重も加わるために、鉛直上方に反り上がろうとする力が下方向に抑えられることになるので、これも歪みを低下させる一因になる。しかし、それでも溶接条件が最適でなければ、溶接後、材料を治具からはずした際に歪みが残る。この歪みは治具で固定した際の力加減によっても異なり、定量的に表せないのが現状である。
【０００４】
鉄系金属の凝固収縮率は０．２５％Ｃ鋼で３ｖｏｌ％（日本金属学会編 金属データブック改訂３版）であることはわかっているものの、溶けている箇所はレーザが照射されている一ポイントのみでそれ以外は固体であるために、その値を用いた歪みの計算はできず、しかも上述のように、溶接時は治具にて材料を押さえ付けて固定しているために、その押さえ付け加重や、前記自重による影響、シールドガスによる冷却速度等を考慮すると、理論的な計算は到底不可能となる。そのため、材料の形状、重さによりある程度試行錯誤の試験が必要であり、実験的な指標を設けるのが最も経済的、迅速、かつ簡便な方法となるのが現実である。
【０００５】
レーザ溶接はアーク溶接に比べれば溶ける領域が極めて少ないので、比較的歪みにくい施工方法である。しかし、レーザ溶接であっても歪みを全く無い状態にするには、その製品にあった技術開発が必要である。それゆえ、金属板を接合する際の歪みを低減させる方法が、それぞれの部品形状に合わせてこれまでも多く提言されている。
【０００６】
特開２００２−７９３８９「レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置」（特許文献１）では、エンジンの吸気系に燃料を噴射するインジェクタにおいてノズルボディとインジェクタハウジングを重ね合わせレーザ接合する際の歪み防止方法として、レーザ照射角度を規定する方法が提案されており、当該技術は平面の被溶接部材にも適用可能な旨、主張されている（明細書、段落００２１）。また、特開平７−１１６８７５「ビーム溶接方法」（特許文献２）では、自動車インナパネルとアウタパネルをレーザ溶接する際に、一方の板の端面にレーザを照射して溶融させ、外方に屈曲させて突出させたもう一方のパネル面に溶融物を付着させ、かつ空間部に流し込むことで熱影響部を抑え、歪みを低減する方法が提案されている。
【０００７】
特開平７−１００６７６「流し台の製造方法」（特許文献３）、あるいは特開平７−１６７７６「重ね継手部のレーザー溶接方法及び装置」（特許文献４）では、両板の接触面の延長方向またはその延長線に対し微小角を有する傾斜線方向からレーザを照射することで、不必要な箇所を溶融させず、接触面のみを溶融させて歪みを防ぐ技術が提案されている。具体的には、０〜５°（特許文献３明細書 段落００１１）、あるいは１０〜２０°（特許文献４明細書 段落００１３）の角度からレーザを入射させている。つまり、入射角度を特定の範囲に傾けたことが、これらの技術の特徴である。
【０００８】
特開平６−３２８２７７「レーザ溶接方法」（特許文献５）では、間隔をおいてスポット的に照射し熱影響部を極力狭い範囲に抑えた方法が提案されている。また、特開２００３−１１２５２５「自動車用ドアフレームの製造方法」（特許文献６）では、フィラーワイヤをレーザで溶かして溶接部に充填させることで熱影響部を抑える方法が提案されている。
【０００９】
特開平６−２９７１７３「レーザー加工による金属の溶接方法」（特許文献７）では、溶接箇所にすばやく水やミスト、あるいはアルゴンガスや窒素ガスを噴射して溶接部を冷却し歪みを防ぐ方法が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７９３８９「レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置」
【特許文献２】特開平７−１１６８７５「ビーム溶接方法」
【特許文献３】特開平７−１００６７６「流し台の製造方法」
【特許文献４】特開平７−１６７７６「重ね継手部のレーザー溶接方法及び装置」
【特許文献５】特開平６−３２８２７７「レーザ溶接方法」
【特許文献６】特開２００３−１１２５２５「自動車用ドアフレームの製造方法」
【特許文献７】特開平６−２９７１７３「レーザー加工による金属の溶接方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１開示技術の対象は、明らかに円筒型のインジェクタに絞ったものであって平面板に適用するには具体的な実施例がなく（段落００１０〜００２０）、しかもレーザ照射エネルギーおよびその溶融形状などの情報がない。そのために本発明の対象物のように長さが１ｍ以上にもなると、結局は一からレーザ照射条件を検討し直さなくてはならず、適用できない。また、特許文献２開示技術では、一方の端部突出物を屈曲させる必要があって突出物端寄りに照射するとの記述しかなく、平面板の場合には適用できない。
【００１２】
特許文献３、４開示技術は、入射角度を傾けたことのみに特徴を持たせたものである。したがって、これを本発明の対象物に適用しようとしても、パルス幅、パルスエネルギー、照射径などのレーザ照射条件を、結局は一から試行錯誤で検討し直さなくてはならず、適用できない。実際に、特許文献３、４開示技術を本発明の対象材である長さ１ｍ以上の板材の溶接に適用してみたところ、溶接方向である長手方向に歪み（反り）が生じてしまい、有効に歪みを防止することはできなかった。
【００１３】
さらに、一般に普及しているＹＡＧレーザ装置のように、焦点距離が短く、先端に酸化防止のためのノズルが付属されている場合などは、このような低角度ではノズルが被溶接物あるいは試料置き台等に接触し適用できないので、この方法の適用を見越したノズルを製作するか、焦点距離の長いレーザ装置に換えなくてはならないなど、改善コストを必要とするものであった。
【００１４】
また、特許文献５開示技術では、本発明がその対象としている連続溶接には適用できず、特許文献６開示技術では、フィラーワイヤ自体の消耗品使用によりコストがかかることや、フィラーワイヤの溶融物と溶接箇所との位置合わせなどの精密な制御が必要なことから、技術導入は容易ではなく、採用することができない。
【００１５】
また、特許文献７開示技術では、水やミストを噴射するとその乾燥を十分に行う必要があり、しかも錆や水素脆性などの品質上の劣化が生じやすい。またガス噴射は通常酸化防止として行われているものであり、液体冷却に比べ気体の場合は冷却能力が劣るために、本発明の対象物のような厚さと大きさを有するものに適用しても、歪み防止効果は期待できない。
【００１６】
以上のとおり、紹介した各特許文献記載の技術は、いずれも方法の提案のみであり、溶接後の溶融部形状などの材料自体の特徴は提案されていないため、レーザ照射条件を検討する上での指標が無かった。また、本発明の対象物のように溶接方向に沿った長さが１ｍ以上で、幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍの鉄系金属板同士をレーザにて連続溶接する場合には、これら従来方法を適用しても、材料の形状、消耗品コスト、品質等において問題が生じ、いずれも適用できるものではなかった。
【００１７】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決しようとするものであり、レーザを用いて二の金属板を重ね合わせ溶接する場合において、歪みが無い接合構造を容易にかつ確実に得ることのできるレーザ接合技術とそれによるレーザ接合材、および接合材の歪み発生有無予測方法あるいは歪み発生に関する管理技術を提供することである。特に、１ｍ以上の長さの鉄系金属板を重ね合わせてすみ肉をレーザ溶接する場合において、歪みが無い接合構造を容易にかつ確実に得ることのできるレーザ接合技術とそれによるレーザ接合材、および接合材の歪み発生有無予測方法あるいは歪み発生に関する管理技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明者は上記課題を解決するために鋭意検討し、レーザ溶接箇所の溶融形状を規定することに基づいて該課題を解決し得ることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求もしくは少なくとも開示される発明は、以下のとおりである。
（１） 重ね合わされた２枚の鉄系金属板がレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接されてなるレーザ接合構造であって、すみ肉溶接部における前記鉄系金属板の両端いずれにも反りがないことを特徴とする、無歪みレーザ接合構造。
（２） 前記無歪みレーザ接合構造において、溶接方向に対し垂直な任意の一の断面に現れるレーザ溶接による溶融領域またはその相似表現物（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）が、下記〔Ｉ〕を満たすことを特徴とする、（１）に記載の無歪みレーザ接合構造。
〔Ｉ〕溶融領域中のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上である。
なおここで、「溶融領域の相似表現物」とは、溶融領域を撮影した写真、撮影し電子データとして保存した画像、撮影され電子計算機の表示画面上に表示されている映像など、広く、２次元的に看取・把握される溶融領域が歪み無しに二次的に再現された表示をいう。
（３） 前記２枚の鉄系金属板はいずれも幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍであることを特徴とする、（１）または（２）に記載の無歪みレーザ接合構造。
【００１９】
（４） 重ね合わせた２枚の鉄系金属板をレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接してレーザ接合材を得るに先立ち、歪みが発生しない溶接条件を得るために行う歪み発生有無予測方法であって、該方法は、該２枚の鉄系金属板を用いて作製されるレーザ接合材のテストピースを溶接方向に対し垂直に切断し、切断面に現れるレーザ溶接による溶融領域中またはその相似表現物中（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとするかもしくは両端点Ａ、Ｂを結ぶ直線である入射幅ＡＢと垂直方向に最も深く溶け込んだ位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおいて該入射幅ＡＢの実測長さに基づいて規定される相対的狭さと、該溶融領域の深さｈの実測長さに基づいて規定される相対的深さとの、相乗に基づいて規定される指標である歪みにくさを算出し、算出された歪みにくさ値を、予め測定して得られている歪み実測値−歪みにくさ値関係に基づく特定値と比較しての大小により、該レーザ接合材における歪み発生の有無を予測することを特徴とする、接合材の歪み発生有無予測方法。
（５） 前記相対的狭さとして（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘを、また前記相対的深さとしてｈ／ｘを規定し、これらの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２を前記歪みにくさ値と規定し、該歪みにくさ値が２以上である場合には、前記テストピースにおける条件と同じ条件で実際にレーザ溶接を行っても歪み発生がないと判定することを特徴とする、（４）に記載のレーザ接合材の歪み発生有無予測方法。
【００２０】
つまり本発明は、レーザ溶接により形成される溶融領域（以下、「溶融部」ともいう。）について、その溶融形状を式化することで歪みの無い被接合材の指標を設けて管理できる、という特徴を有するものである。本発明レーザ接合材についてその代表的な例を述べれば、「溶接方向に沿った長さが１ｍ以上で、幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍの厚さの鉄系金属板同士を重ね合わせ、そのすみ肉をレーザにて連続溶接する際、溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向の最深位置もしくは溶接方向と垂直方向に最も深く溶け込んだ位置である点Ｏとを、結んで形成した三角形ＡＯＢにおいて、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをそれぞれｙ，ｚとし、さらに頂点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上となることを特徴とする歪みの無いレーザ接合材」である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上述のように溶融形状が規定されることで、小さなテストピースを溶接後、断面を切断、研磨し、溶融部の寸法測定を行えば、本発明の式において歪みが無いかどうかの判定が可能となる。その後で、長さ１ｍを超えるような長尺の試料を用いた本試験あるいは製品の接合を行うことができるため、作業や材料に無駄を生じることがなく、あるいは相当程度軽減され、効率的である。従来の方法特許では製品自体に関する規定が無いために、たとえば１ｍ以上の長さをレーザ接合した場合の歪みを知るには、やはりその材料を実際に接合してみないとわからなかったため、大変非効率的であった。本発明によりそれを解消することができる。しかも、本発明によれば条件設定および管理がしやすく、現場において簡単に利用できる。また、材料のみを溶かす方法であるため、フィラーワイヤなどの消耗品が発生しない。
【００２２】
本発明のように、溶融部における溶融形態を把握、考察し、特定の指標を設けてこれを適用することによって、個別のレーザ溶接実施における具体的なレーザ照射条件の詳細を効果的に検討することができ、それに基づき、効率的な溶接作業を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明内容について詳細に説明する。
図１は、本発明の無歪みレーザ接合構造（以下、「無歪みレーザ接合材」、「歪みの無いレーザ接合材」ともいう。）について、一実施例の断面写真をもって説明する説明図である。
また図２は、比較例として、歪みが生じたレーザ接合材の接合構造について、断面写真をもって説明する説明図であり、歪みが１０ｍｍ発生したレーザ接合材の断面図である。図１、２はいずれも、長さ１．３ｍ、幅３００ｍｍ、１．５ｍｍ厚さのステンレス鋼同士における重ね合わせすみ肉のレーザ接合結果写真を用いたものである。
【００２４】
まずは、この写真上に示される溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向に最も深く溶け込んだ点Ｏとを結んで形成した三角形ＡＯＢを、歪み評価用三角形として規定する。そして三角形ＡＯＢにおいて、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをそれぞれｙ，ｚとした時の（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ を、歪み評価用の指標を構成する一つとして、特に溶融部のいわば相対的な狭さを表現する指標として規定する。
【００２５】
つまり、ｘ＋ｙ＋ｚは三角形ＡＯＢの三辺の和であり、断面の溶融形状の大きさを簡便に表現するのに最適であることから指標に用いたものである。溶融形状は、断面の研磨後、たとえば、塩化第二鉄を塩酸に溶解しさらにこれをアルコールと混合してなる腐食液を用いた腐食処理を行い、その結果観察される溶融部と非溶融部の腐食度の違いにより判別する。たとえば、その顕微鏡像を紙に印刷し、定規で該Ａ，Ｏ，Ｂ点を結んだ三角形を描き、各辺の長さｘ，ｙ，ｚを測定するだけでよいため、誰でも簡単に手計算により算出することができる。溶融部の大きさを面積として表すとなると、複雑形状であるため手計算ができなく、画像解析等を行うためのソフトウェアと電子計算機が必要となる。この場合、顕微鏡観察したときの溶融部と非溶融部との色の違いが明瞭でないと解析が難しくなるが、実際には溶融部以外の箇所も腐食液で黒ずむことや、色むらが生じることなど、作業者の熟練度によって腐食の程度に差が生じるので、必ずしも溶融部のみが画像解析で判別できるとは限らない。そのため、面積で表現する方法は簡便ではない。
なお、断面の切断から溶融部の形状を観察する手順は、たとえば下記のようにすればよい。
〔１〕精密カッター等で鏡面状態またはそれに近い状態に切断する。あるいは一般のカッターで切断した後、鏡面程度の仕上げとなるよう研磨する。
〔２〕切断面あるいは研磨面を腐食液に浸漬して、腐食速度の違いから溶融部の形状を浮き出させる。
〔３〕光学顕微鏡あるいはマイクロスコープなど適宜の顕微鏡を用いて、溶融部の形状が浮き出た断面を観察する。
【００２６】
ｘは、レーザが照射する入口（間口）に相当し、溶融部形状はワインカップ状あるいは深さ方向に細長くなるので、この長さが大きい程多く溶融することになる。特に角度を設けて入射した場合は、図１のｘに相当するすみ肉の形状は変化無いが、鉛直上方向から入射した場合は、板の端部が溶融して形状が変化し、図２に示したようになる。この三辺の和をｘで除することにより、溶融部の大きさに対する長さｘの占める割合、いわば相対的な狭さが表現できる。つまり、この値が大きい程、レーザ入口部の溶融領域が狭いことを表現できる。
【００２７】
次に、頂点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするときのｈ／ｘについてであるが、レーザ入口部の溶融幅に対する溶け込み深さ、いわば相対的な深さを示した指標である。この値が大きければ細長く溶融したことになる。溶融部の大きさを小さくするには有効であり、熱歪みも小さくなる方向であるため、指標となる。
【００２８】
上記２つの指標をまとめることができることから、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ と ｈ／ｘの積 ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ を最終指標とした。本発明者らは鋭意研究し、この値が２以上で歪みが無くなることを見い出した。
図３は、本発明に係る歪み発生の指標と、レーザ接合材における実際の歪み量との関係を示すグラフである。長さ１．３ｍ、幅３００ｍｍの１．５ｍｍ厚さのステンレス鋼同士における重ね合わせすみ肉のレーザ接合実験の結果である。ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ が２を下回ると、急激に歪みが発生しやすくなることがわかる。２以上の値では常に、歪みは０である。
【００２９】
この、２という値は、前述したように理論的な解析からは決して得ることのできない数字であり、あくまでも鋭意実験を重ねた結果、見い出したものである。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜実施例１ パルス波ＹＡＧレーザを用いた溶接＞
板厚０．８〜３ｍｍ、溶接方向の長さ１．４ｍ、幅５０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板と、板厚１．５ｍｍ、溶接方向の長さ１．４ｍ、幅３００ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板を２０ｍｍ長さ分重ね合わせて押さえ治具で固定し、すみ肉をパルス波ＹＡＧレーザにて溶接した。溶接速度は０．５〜０．９ｍ／ｍｉｎとした。スポット径０．４ｍｍ、パルス幅１０ｍｓ、繰り返し回数１４Ｈｚ／ｓ、焦点位置にてレーザの照射角度（水平線とレーザのなす角度）とパルスエネルギーを変えて照射した。
【００３１】
歪みの評価
溶接後の歪みの評価は、平坦な地面に接合材を静置させ、板の端が地面から浮いた鉛直方向の高さにより行った。なお、その高さは両端の平均値とした。
表１に、試験条件と歪み測定結果を示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
実施例１−１〜１−８は本発明であり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２以上であるので、いずれも歪み量は０ｍｍであった。
【００３４】
比較例１−１は、０．８ｍｍ厚さのＳＵＳ３０４鋼に照射したパルスエネルギーの値が１２Ｊと大きかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが１２．２ｍｍも生じた。この材料の最適条件は実施例１−１のとおりであり、パルスエネルギーが大きくなったことでｘの値が大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が低下した。
【００３５】
同様に比較例１−２〜１−６においても、それぞれ１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｍ厚さのＳＵＳ３０４鋼に照射したパルスエネルギーの値が最適条件より大きかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり歪みが生じた。
【００３６】
比較例１−７〜１−９は０．７ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に適用した例である。厚さが、本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているため、溶接速度を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても、歪みが生じた。また、比較例１−９の速度０．９ｍ／ｍｉｎでは、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００３７】
比較例１−１０〜１−１２は３．２ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に適用した例である。厚さが、やはり本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているため、溶接速度を調整して ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても、歪みが生じた。また、比較例１−１２の０．８ｍ／ｍｉｎでは、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００３８】
比較例１−１３は１．５ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に照射角度９０°、つまり鉛直上方からレーザを照射した場合であり、ｘに相当する長さが大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２を下回り、歪みが１０ｍｍも生じた。
【００３９】
＜実施例２ 連続波ファイバーレーザを用いた溶接＞
実施例１のＹＡＧレーザの代わりに連続波ファイバーレーザを、試料にはＳＳ４００を用いた。スポット径は０．３ｍｍとし、照射角度５０°で出力と溶接速度を変えて入熱を変化させた。なお、一般に防錆目的でＳＳ４００鋼に油が塗られているが、溶接欠陥になりやすいのできれいに洗浄してから行った。表２に、実施例２の条件と結果をまとめて示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
実施例２−１〜２−６は本発明であり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２以上であるので、いずれも歪み量は０ｍｍであった。
【００４２】
比較例２−１は、０．８ｍｍ厚さのＳＳ４００鋼に溶接速度７ｍ／ｍｉｎでレーザ接合した場合である。実施例２−１よりも速度が遅い分入熱が大きく、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが１１．２ｍｍも生じた。この材料の最適条件は実施例２−１のとおりであり、比較例２−１はそれよりも溶接速度が遅いためにｘの値が大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が低下した。
【００４３】
同様に比較例２−２〜２−６においても、それぞれ１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｍ厚さのＳＳ４００鋼において、溶接速度が最適条件より小さかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが生じた。
【００４４】
比較例２−７〜２−９は０．７ｍｍのＳＳ４００鋼に適用した例である。厚さが、本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているために、レーザ出力を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても歪みは生じた。また、比較例２−９においては、歪みを少なくするために入熱を低減させようとさらに出力を小さくしたが、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００４５】
比較例２−１０〜２−１２は３．２ｍｍのＳＳ４００鋼に適用した例である。厚さが、やはり本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているために、レーザ出力を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても歪みは生じた。また、比較例２−１２では比較例２−９同様に入熱が少なすぎて接合しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は以上のように実施することができ、小さなテストピースを用いた予備試験において、作業現場でも金属切断機と簡易の研磨装置があれば簡単に歪みの無い条件を確認・設定することができる。本発明の指標を用いることにより、レーザにより重ね合わせ溶接された金属板の歪みを無くす効果を簡便に得ることができるので、関連する産業分野において利用性が極めて高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の無歪みレーザ接合構造について、一実施例の断面写真をもって説明する説明図である。
【図２】比較例として、歪みが生じたレーザ接合材の接合構造について、断面写真をもって説明する説明図である。
【図３】本発明に係る歪み発生の指標 ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値と、レーザ接合材における実際の歪み量との関係を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて二の金属板を重ね合わせ溶接する場合において、歪みが無い状態として得られる、レーザ接合材に関する。特に本発明は、１ｍ以上の長さの鉄系金属板を重ね合わせ、すみ肉をレーザ溶接してなるレーザ接合材に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、レーザ光を被溶接物の溶接対象部位に集中させて照射し、レーザ光の有するエネルギーにより該溶接対象部位を瞬時に溶融して接合する溶接法である。一般的には、被溶接材を治具で固定して溶接中に歪みが生じても溶接点が移動しないようにレーザを照射し、照射点には酸化防止のためのシールドガスを吹き付けながら行う。
【０００３】
歪みは、溶融部の凝固収縮の他に、熱影響部における熱膨張により塑性変形領域まで伸ばされたときにより発生するが、実際の溶接はその影響を極力抑えるように行われる。具体的には、上述のように、被溶接物を治具で固定するのでほとんどの歪みはこの時点で抑えられ、しかも酸化防止のためにアルゴンや窒素などの非酸化性ガスを吹き付けることで冷却効果も加味される。しかも、溶接後平坦な地面に静置した際に材料の自重も加わるために、鉛直上方に反り上がろうとする力が下方向に抑えられることになるので、これも歪みを低下させる一因になる。しかし、それでも溶接条件が最適でなければ、溶接後、材料を治具からはずした際に歪みが残る。この歪みは治具で固定した際の力加減によっても異なり、定量的に表せないのが現状である。
【０００４】
鉄系金属の凝固収縮率は０．２５％Ｃ鋼で３ｖｏｌ％（日本金属学会編 金属データブック改訂３版）であることはわかっているものの、溶けている箇所はレーザが照射されている一ポイントのみでそれ以外は固体であるために、その値を用いた歪みの計算はできず、しかも上述のように、溶接時は治具にて材料を押さえ付けて固定しているために、その押さえ付け加重や、前記自重による影響、シールドガスによる冷却速度等を考慮すると、理論的な計算は到底不可能となる。そのため、材料の形状、重さによりある程度試行錯誤の試験が必要であり、実験的な指標を設けるのが最も経済的、迅速、かつ簡便な方法となるのが現実である。
【０００５】
レーザ溶接はアーク溶接に比べれば溶ける領域が極めて少ないので、比較的歪みにくい施工方法である。しかし、レーザ溶接であっても歪みを全く無い状態にするには、その製品にあった技術開発が必要である。それゆえ、金属板を接合する際の歪みを低減させる方法が、それぞれの部品形状に合わせてこれまでも多く提言されている。
【０００６】
特開２００２−７９３８９「レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置」（特許文献１）では、エンジンの吸気系に燃料を噴射するインジェクタにおいてノズルボディとインジェクタハウジングを重ね合わせレーザ接合する際の歪み防止方法として、レーザ照射角度を規定する方法が提案されており、当該技術は平面の被溶接部材にも適用可能な旨、主張されている（明細書、段落００２１）。また、特開平７−１１６８７５「ビーム溶接方法」（特許文献２）では、自動車インナパネルとアウタパネルをレーザ溶接する際に、一方の板の端面にレーザを照射して溶融させ、外方に屈曲させて突出させたもう一方のパネル面に溶融物を付着させ、かつ空間部に流し込むことで熱影響部を抑え、歪みを低減する方法が提案されている。
【０００７】
特開平７−１００６７６「流し台の製造方法」（特許文献３）、あるいは特開平７−１６７７６「重ね継手部のレーザー溶接方法及び装置」（特許文献４）では、両板の接触面の延長方向またはその延長線に対し微小角を有する傾斜線方向からレーザを照射することで、不必要な箇所を溶融させず、接触面のみを溶融させて歪みを防ぐ技術が提案されている。具体的には、０〜５°（特許文献３明細書 段落００１１）、あるいは１０〜２０°（特許文献４明細書 段落００１３）の角度からレーザを入射させている。つまり、入射角度を特定の範囲に傾けたことが、これらの技術の特徴である。
【０００８】
特開平６−３２８２７７「レーザ溶接方法」（特許文献５）では、間隔をおいてスポット的に照射し熱影響部を極力狭い範囲に抑えた方法が提案されている。また、特開２００３−１１２５２５「自動車用ドアフレームの製造方法」（特許文献６）では、フィラーワイヤをレーザで溶かして溶接部に充填させることで熱影響部を抑える方法が提案されている。
【０００９】
特開平６−２９７１７３「レーザー加工による金属の溶接方法」（特許文献７）では、溶接箇所にすばやく水やミスト、あるいはアルゴンガスや窒素ガスを噴射して溶接部を冷却し歪みを防ぐ方法が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７９３８９「レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置」
【特許文献２】特開平７−１１６８７５「ビーム溶接方法」
【特許文献３】特開平７−１００６７６「流し台の製造方法」
【特許文献４】特開平７−１６７７６「重ね継手部のレーザー溶接方法及び装置」
【特許文献５】特開平６−３２８２７７「レーザ溶接方法」
【特許文献６】特開２００３−１１２５２５「自動車用ドアフレームの製造方法」
【特許文献７】特開平６−２９７１７３「レーザー加工による金属の溶接方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１開示技術の対象は、明らかに円筒型のインジェクタに絞ったものであって平面板に適用するには具体的な実施例がなく（段落００１０〜００２０）、しかもレーザ照射エネルギーおよびその溶融形状などの情報がない。そのために本発明の対象物のように長さが１ｍ以上にもなると、結局は一からレーザ照射条件を検討し直さなくてはならず、適用できない。また、特許文献２開示技術では、一方の端部突出物を屈曲させる必要があって突出物端寄りに照射するとの記述しかなく、平面板の場合には適用できない。
【００１２】
特許文献３、４開示技術は、入射角度を傾けたことのみに特徴を持たせたものである。したがって、これを本発明の対象物に適用しようとしても、パルス幅、パルスエネルギー、照射径などのレーザ照射条件を、結局は一から試行錯誤で検討し直さなくてはならず、適用できない。実際に、特許文献３、４開示技術を本発明の対象材である長さ１ｍ以上の板材の溶接に適用してみたところ、溶接方向である長手方向に歪み（反り）が生じてしまい、有効に歪みを防止することはできなかった。
【００１３】
さらに、一般に普及しているＹＡＧレーザ装置のように、焦点距離が短く、先端に酸化防止のためのノズルが付属されている場合などは、このような低角度ではノズルが被溶接物あるいは試料置き台等に接触し適用できないので、この方法の適用を見越したノズルを製作するか、焦点距離の長いレーザ装置に換えなくてはならないなど、改善コストを必要とするものであった。
【００１４】
また、特許文献５開示技術では、本発明がその対象としている連続溶接には適用できず、特許文献６開示技術では、フィラーワイヤ自体の消耗品使用によりコストがかかることや、フィラーワイヤの溶融物と溶接箇所との位置合わせなどの精密な制御が必要なことから、技術導入は容易ではなく、採用することができない。
【００１５】
また、特許文献７開示技術では、水やミストを噴射するとその乾燥を十分に行う必要があり、しかも錆や水素脆性などの品質上の劣化が生じやすい。またガス噴射は通常酸化防止として行われているものであり、液体冷却に比べ気体の場合は冷却能力が劣るために、本発明の対象物のような厚さと大きさを有するものに適用しても、歪み防止効果は期待できない。
【００１６】
以上のとおり、紹介した各特許文献記載の技術は、いずれも方法の提案のみであり、溶接後の溶融部形状などの材料自体の特徴は提案されていないため、レーザ照射条件を検討する上での指標が無かった。また、本発明の対象物のように溶接方向に沿った長さが１ｍ以上で、幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍの鉄系金属板同士をレーザにて連続溶接する場合には、これら従来方法を適用しても、材料の形状、消耗品コスト、品質等において問題が生じ、いずれも適用できるものではなかった。
【００１７】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決しようとするものであり、レーザを用いて二の金属板を重ね合わせ溶接する場合において、歪みが無い接合構造を容易にかつ確実に得ることのできるレーザ接合技術とそれによるレーザ接合材、および接合材の歪み発生有無予測方法あるいは歪み発生に関する管理技術を提供することである。特に、１ｍ以上の長さの鉄系金属板を重ね合わせてすみ肉をレーザ溶接する場合において、歪みが無い接合構造を容易にかつ確実に得ることのできるレーザ接合技術とそれによるレーザ接合材、および接合材の歪み発生有無予測方法あるいは歪み発生に関する管理技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明者は上記課題を解決するために鋭意検討し、レーザ溶接箇所の溶融形状を規定することに基づいて該課題を解決し得ることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求もしくは少なくとも開示される発明は、以下のとおりである。
（１） 重ね合わされた２枚の鉄系金属板がレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接されてなるレーザ接合構造であって、すみ肉溶接部における前記鉄系金属板の両端いずれにも反りがないことを特徴とする、無歪みレーザ接合構造。
（２） 前記無歪みレーザ接合構造において、溶接方向に対し垂直な任意の一の断面に現れるレーザ溶接による溶融領域またはその相似表現物（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）が、下記〔Ｉ〕を満たすことを特徴とする、（１）に記載の無歪みレーザ接合構造。
〔Ｉ〕溶融領域中のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上である。
なおここで、「溶融領域の相似表現物」とは、溶融領域を撮影した写真、撮影し電子データとして保存した画像、撮影され電子計算機の表示画面上に表示されている映像など、広く、２次元的に看取・把握される溶融領域が歪み無しに二次的に再現された表示をいう。
（３） 前記２枚の鉄系金属板はいずれも幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍであることを特徴とする、（１）または（２）に記載の無歪みレーザ接合構造。
【００１９】
（４） 重ね合わせた２枚の鉄系金属板をレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接してレーザ接合材を得るに先立ち、歪みが発生しない溶接条件を得るために行う歪み発生有無予測方法であって、該方法は、該２枚の鉄系金属板を用いて作製されるレーザ接合材のテストピースを溶接方向に対し垂直に切断し、切断面に現れるレーザ溶接による溶融領域中またはその相似表現物中（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとするかもしくは両端点Ａ、Ｂを結ぶ直線である入射幅ＡＢと垂直方向に最も深く溶け込んだ位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおいて該入射幅ＡＢの実測長さに基づいて規定される相対的狭さと、該溶融領域の深さｈの実測長さに基づいて規定される相対的深さとの、相乗に基づいて規定される指標である歪みにくさを算出し、算出された歪みにくさ値を、予め測定して得られている歪み実測値−歪みにくさ値関係に基づく特定値と比較しての大小により、該レーザ接合材における歪み発生の有無を予測することを特徴とする、接合材の歪み発生有無予測方法。
（５） 前記相対的狭さとして（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘを、また前記相対的深さとしてｈ／ｘを規定し、これらの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２を前記歪みにくさ値と規定し、該歪みにくさ値が２以上である場合には、前記テストピースにおける条件と同じ条件で実際にレーザ溶接を行っても歪み発生がないと判定することを特徴とする、（４）に記載のレーザ接合材の歪み発生有無予測方法。
【００２０】
つまり本発明は、レーザ溶接により形成される溶融領域（以下、「溶融部」ともいう。）について、その溶融形状を式化することで歪みの無い被接合材の指標を設けて管理できる、という特徴を有するものである。本発明レーザ接合材についてその代表的な例を述べれば、「溶接方向に沿った長さが１ｍ以上で、幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍの厚さの鉄系金属板同士を重ね合わせ、そのすみ肉をレーザにて連続溶接する際、溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向の最深位置もしくは溶接方向と垂直方向に最も深く溶け込んだ位置である点Ｏとを、結んで形成した三角形ＡＯＢにおいて、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをそれぞれｙ，ｚとし、さらに頂点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上となることを特徴とする歪みの無いレーザ接合材」である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上述のように溶融形状が規定されることで、小さなテストピースを溶接後、断面を切断、研磨し、溶融部の寸法測定を行えば、本発明の式において歪みが無いかどうかの判定が可能となる。その後で、長さ１ｍを超えるような長尺の試料を用いた本試験あるいは製品の接合を行うことができるため、作業や材料に無駄を生じることがなく、あるいは相当程度軽減され、効率的である。従来の方法特許では製品自体に関する規定が無いために、たとえば１ｍ以上の長さをレーザ接合した場合の歪みを知るには、やはりその材料を実際に接合してみないとわからなかったため、大変非効率的であった。本発明によりそれを解消することができる。しかも、本発明によれば条件設定および管理がしやすく、現場において簡単に利用できる。また、材料のみを溶かす方法であるため、フィラーワイヤなどの消耗品が発生しない。
【００２２】
本発明のように、溶融部における溶融形態を把握、考察し、特定の指標を設けてこれを適用することによって、個別のレーザ溶接実施における具体的なレーザ照射条件の詳細を効果的に検討することができ、それに基づき、効率的な溶接作業を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明内容について詳細に説明する。
図１は、本発明の無歪みレーザ接合構造（以下、「無歪みレーザ接合材」、「歪みの無いレーザ接合材」ともいう。）について、一実施例の断面写真をもって説明する説明図である。
また図２は、比較例として、歪みが生じたレーザ接合材の接合構造について、断面写真をもって説明する説明図であり、歪みが１０ｍｍ発生したレーザ接合材の断面図である。図１、２はいずれも、長さ１．３ｍ、幅３００ｍｍ、１．５ｍｍ厚さのステンレス鋼同士における重ね合わせすみ肉のレーザ接合結果写真を用いたものである。
【００２４】
まずは、この写真上に示される溶接方向と垂直な方向の断面において、溶融部端点Ａ，Ｂと、板厚方向に最も深く溶け込んだ点Ｏとを結んで形成した三角形ＡＯＢを、歪み評価用三角形として規定する。そして三角形ＡＯＢにおいて、レーザ入射口に相当する辺ＡＢの長さをｘ、その他の辺ＡＯとＢＯの長さをそれぞれｙ，ｚとした時の（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ を、歪み評価用の指標を構成する一つとして、特に溶融部のいわば相対的な狭さを表現する指標として規定する。
【００２５】
つまり、ｘ＋ｙ＋ｚは三角形ＡＯＢの三辺の和であり、断面の溶融形状の大きさを簡便に表現するのに最適であることから指標に用いたものである。溶融形状は、断面の研磨後、たとえば、塩化第二鉄を塩酸に溶解しさらにこれをアルコールと混合してなる腐食液を用いた腐食処理を行い、その結果観察される溶融部と非溶融部の腐食度の違いにより判別する。たとえば、その顕微鏡像を紙に印刷し、定規で該Ａ，Ｏ，Ｂ点を結んだ三角形を描き、各辺の長さｘ，ｙ，ｚを測定するだけでよいため、誰でも簡単に手計算により算出することができる。溶融部の大きさを面積として表すとなると、複雑形状であるため手計算ができなく、画像解析等を行うためのソフトウェアと電子計算機が必要となる。この場合、顕微鏡観察したときの溶融部と非溶融部との色の違いが明瞭でないと解析が難しくなるが、実際には溶融部以外の箇所も腐食液で黒ずむことや、色むらが生じることなど、作業者の熟練度によって腐食の程度に差が生じるので、必ずしも溶融部のみが画像解析で判別できるとは限らない。そのため、面積で表現する方法は簡便ではない。
なお、断面の切断から溶融部の形状を観察する手順は、たとえば下記のようにすればよい。
〔１〕精密カッター等で鏡面状態またはそれに近い状態に切断する。あるいは一般のカッターで切断した後、鏡面程度の仕上げとなるよう研磨する。
〔２〕切断面あるいは研磨面を腐食液に浸漬して、腐食速度の違いから溶融部の形状を浮き出させる。
〔３〕光学顕微鏡あるいはマイクロスコープなど適宜の顕微鏡を用いて、溶融部の形状が浮き出た断面を観察する。
【００２６】
ｘは、レーザが照射する入口（間口）に相当し、溶融部形状はワインカップ状あるいは深さ方向に細長くなるので、この長さが大きい程多く溶融することになる。特に角度を設けて入射した場合は、図１のｘに相当するすみ肉の形状は変化無いが、鉛直上方向から入射した場合は、板の端部が溶融して形状が変化し、図２に示したようになる。この三辺の和をｘで除することにより、溶融部の大きさに対する長さｘの占める割合、いわば相対的な狭さが表現できる。つまり、この値が大きい程、レーザ入口部の溶融領域が狭いことを表現できる。
【００２７】
次に、頂点Ｏから辺ＡＢへの垂線の長さをｈとするときのｈ／ｘについてであるが、レーザ入口部の溶融幅に対する溶け込み深さ、いわば相対的な深さを示した指標である。この値が大きければ細長く溶融したことになる。溶融部の大きさを小さくするには有効であり、熱歪みも小さくなる方向であるため、指標となる。
【００２８】
上記２つの指標をまとめることができることから、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ と ｈ／ｘの積 ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ を最終指標とした。本発明者らは鋭意研究し、この値が２以上で歪みが無くなることを見い出した。
図３は、本発明に係る歪み発生の指標と、レーザ接合材における実際の歪み量との関係を示すグラフである。長さ１．３ｍ、幅３００ｍｍの１．５ｍｍ厚さのステンレス鋼同士における重ね合わせすみ肉のレーザ接合実験の結果である。ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ が２を下回ると、急激に歪みが発生しやすくなることがわかる。２以上の値では常に、歪みは０である。
【００２９】
この、２という値は、前述したように理論的な解析からは決して得ることのできない数字であり、あくまでも鋭意実験を重ねた結果、見い出したものである。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜実施例１ パルス波ＹＡＧレーザを用いた溶接＞
板厚０．８〜３ｍｍ、溶接方向の長さ１．４ｍ、幅５０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板と、板厚１．５ｍｍ、溶接方向の長さ１．４ｍ、幅３００ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板を２０ｍｍ長さ分重ね合わせて押さえ治具で固定し、すみ肉をパルス波ＹＡＧレーザにて溶接した。溶接速度は０．５〜０．９ｍ／ｍｉｎとした。スポット径０．４ｍｍ、パルス幅１０ｍｓ、繰り返し回数１４Ｈｚ／ｓ、焦点位置にてレーザの照射角度（水平線とレーザのなす角度）とパルスエネルギーを変えて照射した。
【００３１】
歪みの評価
溶接後の歪みの評価は、平坦な地面に接合材を静置させ、板の端が地面から浮いた鉛直方向の高さにより行った。なお、その高さは両端の平均値とした。
表１に、試験条件と歪み測定結果を示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
実施例１−１〜１−８は本発明であり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２以上であるので、いずれも歪み量は０ｍｍであった。
【００３４】
比較例１−１は、０．８ｍｍ厚さのＳＵＳ３０４鋼に照射したパルスエネルギーの値が１２Ｊと大きかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが１２．２ｍｍも生じた。この材料の最適条件は実施例１−１のとおりであり、パルスエネルギーが大きくなったことでｘの値が大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が低下した。
【００３５】
同様に比較例１−２〜１−６においても、それぞれ１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｍ厚さのＳＵＳ３０４鋼に照射したパルスエネルギーの値が最適条件より大きかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり歪みが生じた。
【００３６】
比較例１−７〜１−９は０．７ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に適用した例である。厚さが、本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているため、溶接速度を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても、歪みが生じた。また、比較例１−９の速度０．９ｍ／ｍｉｎでは、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００３７】
比較例１−１０〜１−１２は３．２ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に適用した例である。厚さが、やはり本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているため、溶接速度を調整して ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても、歪みが生じた。また、比較例１−１２の０．８ｍ／ｍｉｎでは、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００３８】
比較例１−１３は１．５ｍｍのＳＵＳ３０４鋼に照射角度９０°、つまり鉛直上方からレーザを照射した場合であり、ｘに相当する長さが大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２を下回り、歪みが１０ｍｍも生じた。
【００３９】
＜実施例２ 連続波ファイバーレーザを用いた溶接＞
実施例１のＹＡＧレーザの代わりに連続波ファイバーレーザを、試料にはＳＳ４００を用いた。スポット径は０．３ｍｍとし、照射角度５０°で出力と溶接速度を変えて入熱を変化させた。なお、一般に防錆目的でＳＳ４００鋼に油が塗られているが、溶接欠陥になりやすいのできれいに洗浄してから行った。表２に、実施例２の条件と結果をまとめて示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
実施例２−１〜２−６は本発明であり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２以上であるので、いずれも歪み量は０ｍｍであった。
【００４２】
比較例２−１は、０．８ｍｍ厚さのＳＳ４００鋼に溶接速度７ｍ／ｍｉｎでレーザ接合した場合である。実施例２−１よりも速度が遅い分入熱が大きく、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが１１．２ｍｍも生じた。この材料の最適条件は実施例２−１のとおりであり、比較例２−１はそれよりも溶接速度が遅いためにｘの値が大きくなり、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が低下した。
【００４３】
同様に比較例２−２〜２−６においても、それぞれ１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｍ厚さのＳＳ４００鋼において、溶接速度が最適条件より小さかったために、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値が２未満となり、歪みが生じた。
【００４４】
比較例２−７〜２−９は０．７ｍｍのＳＳ４００鋼に適用した例である。厚さが、本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているために、レーザ出力を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても歪みは生じた。また、比較例２−９においては、歪みを少なくするために入熱を低減させようとさらに出力を小さくしたが、入熱が少なすぎて接合しなかった。
【００４５】
比較例２−１０〜２−１２は３．２ｍｍのＳＳ４００鋼に適用した例である。厚さが、やはり本発明の対象材の厚さ０．８〜３．０ｍｍからはずれているために、レーザ出力を調整して、ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値を変化させても歪みは生じた。また、比較例２−１２では比較例２−９同様に入熱が少なすぎて接合しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は以上のように実施することができ、小さなテストピースを用いた予備試験において、作業現場でも金属切断機と簡易の研磨装置があれば簡単に歪みの無い条件を確認・設定することができる。本発明の指標を用いることにより、レーザにより重ね合わせ溶接された金属板の歪みを無くす効果を簡便に得ることができるので、関連する産業分野において利用性が極めて高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の無歪みレーザ接合構造について、一実施例の断面写真をもって説明する説明図である。
【図２】比較例として、歪みが生じたレーザ接合材の接合構造について、断面写真をもって説明する説明図である。
【図３】本発明に係る歪み発生の指標 ｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２ の値と、レーザ接合材における実際の歪み量との関係を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた２枚の鉄系金属板がレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接されてなるレーザ接合構造であって、すみ肉溶接部における前記鉄系金属板の両端いずれにも反りがないことを特徴とする、無歪みレーザ接合構造。
【請求項２】
前記無歪みレーザ接合構造において、溶接方向に対し垂直な任意の一の断面に現れるレーザ溶接による溶融領域またはその相似表現物（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）が、下記〔Ｉ〕を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の無歪みレーザ接合構造。
〔Ｉ〕溶融領域中のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上である。
【請求項３】
前記２枚の鉄系金属板はいずれも幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の無歪みレーザ接合構造。
【請求項１】
重ね合わされた２枚の鉄系金属板がレーザにて１ｍ以上の長さにてすみ肉溶接されてなるレーザ接合構造であって、すみ肉溶接部における前記鉄系金属板の両端いずれにも反りがないことを特徴とする、無歪みレーザ接合構造。
【請求項２】
前記無歪みレーザ接合構造において、溶接方向に対し垂直な任意の一の断面に現れるレーザ溶接による溶融領域またはその相似表現物（以下、溶融領域の相似表現物を含めて「溶融領域」という。）が、下記〔Ｉ〕を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の無歪みレーザ接合構造。
〔Ｉ〕溶融領域中のレーザ照射入口の両端位置を第一端点Ａならびに第二端点Ｂとし、板厚方向の最深位置を最深点Ｏとし、第一端点Ａ・第二端点Ｂ・最深点Ｏを結んでなる三角形ＡＯＢを歪み評価用三角形とし、該歪み評価用三角形ＡＯＢにおける該入射幅ＡＢの長さをｘ、その他二辺ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれｙ、ｚとし、さらに最深点Ｏから該入射幅ＡＢへの垂線の長さすなわち深さをｈとするとき、（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘとｈ／ｘの積であるｈ（ｘ＋ｙ＋ｚ）／ｘ２の値が２以上である。
【請求項３】
前記２枚の鉄系金属板はいずれも幅３０〜５００ｍｍ、厚さ０．８〜３ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の無歪みレーザ接合構造。
【図３】
【図１】
【図２】
【図１】
【図２】
【公開番号】特開２００８−２３８１７６（Ｐ２００８−２３８１７６Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７７９９２（Ｐ２００７−７７９９２）
【出願日】平成１９年３月２４日（２００７．３．２４）
【出願人】（５９１００５４５３）青森県 (52)
【出願人】（５０７０９６８１４）東北三吉工業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２４日（２００７．３．２４）
【出願人】（５９１００５４５３）青森県 (52)
【出願人】（５０７０９６８１４）東北三吉工業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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