特開 2019-217522 金属板積層品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-217522(P2019-217522A)

(43)【公開日】2019年12月26日

(54)【発明の名称】金属板積層品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/22 20060101AFI20191129BHJP

   B23K 26/066 20140101ALI20191129BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/22

   B23K26/066

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-115965(P2018-115965)

(22)【出願日】2018年6月19日

(71)【出願人】

【識別番号】307038034

【氏名又は名称】日鉄住金電磁株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001977

【氏名又は名称】特許業務法人なじま特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 乙彦

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA16

4E168DA37

4E168EA17

4E168EA19

4E168EA26

4E168KB05

(57)【要約】

【課題】金属板が薄厚板化した場合にも、現在金型外で電気溶接する製品を金型内レーザー溶接積層化する場合にも、必要溶接強度を得ることができる金属板積層品の製造方法を提供すること。
【解決手段】所定形状の金属板抜き型内積層金型の下型ダイ１４の外郭抜き穴の上端面角部を切り刃１６とし、側面をワーク保持穴とし、このワーク保持穴の積層方向の切り刃から近い距離に細穴１７を設けて金属板１１の側面を露出させ、レーザービーム溶接機構によりこの金属板１１の側面にレーザービームを照射して金型内で板相互間を溶接させる金属板積層品の製造方法である。必要板厚に応じて、レーザービームの板積層方向上下部を遮蔽したり、方向を変えたりして積層品端板１０の溶接長さが短くならないようにする。一方、必要溶接強度に応じて溶接直径を自由に大きく選択できるように、最小の結像点からずらした加工位置に自由に選択決定できるようにする。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定形状の金属板抜き型内積層金型の下型ダイ外郭抜き穴の上端面角部を切り刃とし、側面をワーク保持穴とし、このワーク保持穴の積層方向の切り刃から近い距離に細穴を設けて金属板の側面を露出させ、レーザービーム溶接機構によりこの金属板の側面にレーザービームを照射して金型内で板相互間を溶接させる金属板積層品の製造方法において、必要溶接強度に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜拡大し、必要板厚に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることを特徴とする金属板積層品の製造方法。

【請求項2】

結像点を前後に移動させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜拡大することを特徴とする請求項１記載の金属板積層品の製造方法。

【請求項3】

加工位置に集光する前にレーザービームの上下部分を遮蔽物を設置して吸収させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることを特徴とする請求項１記載の金属板積層品の製造方法。

【請求項4】

金属板積層品を上下単体に分離する間だけ、遮蔽物を設置することを特徴とする請求項３記載の金属板積層品の製造方法。

【請求項5】

集光レンズの上下部分を平面にし、レーザービームの上下部分を加工位置に集光させず穴壁内に吸収させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることを特徴とする請求項１記載の金属板積層品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属板を打ち抜きながら金型のワーク保持穴内に積層し、その側面にレーザービームを照射して金型内で板相互間を溶接させる金属板積層品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

所定形状の金属板抜き型内積層金型の下型ダイ外郭抜き穴の上端面角部を切り刃とし、側面をワーク保持穴とし、このワーク保持穴の積層方向の切り刃から近い距離に細穴を設けて金属板の側面を露出させ、レーザービーム溶接機構によりこの金属板の側面にレーザービームを照射して金型内で板相互間を溶接させる金属板積層品の製造方法は、金型内レーザー溶接金属板積層品製造法として知られている。例えば特許文献１、特許文献２には、金型内であることは明示されていないが、積層された金属板の側面をレーザー溶接する技術が記載されている。

【0003】

一般的な金型内レーザー溶接金属板積層品製造方法は、溶接に使用するレーザービームを、レーザー機本体で励起ランプとロッドにより発振させ、２〜６分岐しレンズで集光し各光ファイバーの入口を通して、抜き金型内に装着した各出射ユニット内の光ファイバーの出口から放射状に出しレンズで平行にし再びレンズで加工位置に集光する仕組みとなっている。形状はレンズも光ファイバーも同じ円形でレーザービームの加工位置形状も円形である。光ファイバーの直径は入口のレンズの実用集光精度の制約から一般的に０．６ｍｍである。レーザービームの加工位置の直径は、出口のレンズの実用集光精度から光ファイバー直径より少し大きく最小でも０．８〜０．９ｍｍとなる。

【0004】

なお、小型薄厚板の金属板積層品では光ファイバー直径０．４ｍｍも用いるが、入口の集光精度管理は厳重となる。もし精度が狂い光ファイバーの入口を焼損させると修理が必要で費用は購入金額に近いので実際の生産現場では敬遠する。

【0005】

また、溶接強度を確保するための深い溶け込みはスパッタやブローホール発生等溶接不良の原因となるため採用できない。金型内の抜き油が多く有る溶接では、気化が激しく生じるのでこれを溶融池からすばやく大気中に逃がして製品が求める良好な溶接や外観を実現させるため溶接深さを浅くする必要がある。以上から一般的スポット溶接は直径が０．８〜０．９ｍｍ、深さ０．３ｍｍぐらいの鍋形状となる。

【0006】

さて、板を順に打ち抜く金型内レーザー溶接金属板積層品を上下単体に分離する方法は溶接休止で行うが、溶接する板と板を合わせた厚みは１．０ｍｍとなる。これを積層する板の厚みのバラツキで溶接位置が移動することを考慮し、分離を確実に行い上下板が溶接されないようにスポット溶接径より少し大きくする。基本の２枚溶接で分離可能な一枚の板厚は１．０／２で０．５ｍｍ以上となる。３枚溶接では板厚０．３５ｍｍ（１．０５ｍｍ）となる。

【0007】

図１、図２は従来技術の金属板積層品の溶接図で、スポット溶接円３３の直径は全て０．８〜０．９ｍｍである。図１の板厚０．５ｍｍ積層品では、熔接中心３４を板相互間中心に設定していて熔接中心３４の位置が板厚のバラツキ積層で０．１ｍｍ移動しても単体分離は支障なく溶接強度も確保される。図２の板厚０．３５ｍｍ積層品では、熔接中心３４を３枚の中央板の厚みの中心に設定していて熔接中心３４の位置が０．１ｍｍ移動しても単体分離は支障なく溶接強度も確保される。

【0008】

しかし、最近の金属板積層品は特にモーター等に用いる電磁鋼板を積層してなる電磁コアーでは、電気性能を上げるため薄厚板化していて従来では０．３５ｍｍの板厚が０．２ｍｍを必要としている。しかもコアー全体の大きさ重量は従来と変わらないため溶接強度は従来と同じ必要があり、さらにコアーの大型化でより強い溶接強度を求められている。

【0009】

図３の板厚が０．２ｍｍの金属板積層品の溶接図では、積層品単体に分離可能とするにはスポット溶接円３３の直径が０．８〜０．９ｍｍのままでは５枚（１．０ｍｍ）溶接となり、熔接中心３４の位置は５枚の板の中央板の中心に設定され、分離する積層品端板１０では中央板より溶接長さが短いため必要溶接強度が得られない。特に熔接中心の位置が０．０５ｍｍ移動すると積層品端板１０の溶接長さは半分以下となる。

【0010】

また、積層固着強度を必要とする大型の電磁コアーで金型外で電気溶接する製品でも、金型内レーザー溶接積層の要求があるが、必要溶接強度を確保するための一般的な直径０．８〜０．９ｍｍのままでの深い溶接は、スパッタやブローホールの原因となり採用できない。そのために浅く大きな径（１.５ｍｍ以上）で溶接する必要があるが、従来の板厚積層品でも図３と同様に積層品端板１０の強度不足が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平７−２５５１５１号公報

【特許文献2】特開平９−１４９６０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

従って本発明の目的は、金属板が薄厚板化した場合にも、現在金型外で電気溶接する製品を金型内レーザー溶接積層化する場合にも、必要溶接強度を得ることができる金属板積層品の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記の課題を解決するためになされた本発明は、所定形状の金属板抜き型内積層金型の下型ダイ外郭抜き穴の上端面角部を切り刃とし、側面をワーク保持穴とし、このワーク保持穴の積層方向の切り刃から近い距離に細穴を設けて金属板の側面を露出させ、レーザービーム溶接機構によりこの金属板の側面にレーザービームを照射して金型内で板相互間を溶接させる金属板積層品の製造方法において、必要溶接強度に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜拡大し、必要板厚に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることを特徴とするものである。

【0014】

本発明においては、結像点を前後に移動させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜拡大することができる。また本発明においては、加工位置に集光する前にレーザービームの上下部分を遮蔽物を設置して吸収させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることができる。この場合においては、金属板積層品を上下単体に分離する間だけ、遮蔽物を設置することができる。さらに本発明においては、集光レンズの上下部分を平面にし、レーザービームの上下部分を加工位置に集光させず穴壁内に吸収させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る金属板積層品の製造方法によれば、レーザービームの加工位置の大きさを最小〜拡大し溶接円形の大きさを自由に選択できるようにし、また、レーザービームの上下部分を遮蔽したり、集光レンズの上下部分を平面にしたりして、レーザービームの上下部分を吸収して加工位置に集光させず、上下積層方向の溶接長さを自由に短くする。このため本発明においては、金属板積層品の必要溶接強度を確保でき、また上下積層品単体に確実に分離できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】板厚０．５ｍｍの従来技術の実施例の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図2】板厚０．３５ｍｍの従来技術の実施例の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図3】新薄板材の従来技術での実施例の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図4】本発明の実施例１の金型内レーザー溶接金属板積層方法の全体概略断面図。

【図5】本発明の実施例１のレーザービームの加工位置の大きさ選択断面図。

【図6】新薄板材の本発明の実施例１の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図7】溶接強度を大きくした実施例１の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図8】本発明の他実施例１の金型内レーザー溶接金属板積層方法の断面図。

【図9】新薄板材の他実施例１の金型内レーザー溶接金属板積層品の溶接図。

【図10】本発明の他実施例２の金型内レーザー溶接金属板積層方法の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に本発明の実施例１について、図４と図５、図６、図７を参照しながら説明する。
図４は金型内レーザー溶接金属板積層装置を示した断面図である。１３は金属板抜き型内積層金型を構成する上型外郭抜きパンチ、１４は下型外郭抜きダイである。下型外郭抜きダイ１４には下型ダイ外郭抜き穴１５が形成されており、その上端面角部は切り刃１６となっている。

【0018】

所定形状の金属板１１を、材料板１２から上型外郭抜きパンチ１３と下型外郭抜きダイ１４で抜き落とし、外郭抜き穴の側面１５をワーク保持穴とし、打ち抜かれた金属板１１をこのワーク保持穴の内部に相互に密着した状態で順に積層して行き、ワーク保持穴の下端部に達すると落下して取り出される。

【0019】

このワーク保持穴のダイ切り刃１６から近い距離に細穴１７を設けて、金属板１１の側面を露出させ、レーザービーム溶接機構により金型内でレーザービームを照射して板相互間を溶接させる。

【0020】

レーザービーム溶接機構は、ロッド１８に励起ランプ１９から光を照射してレーザービーム２０を取り出し、分岐ミラー２１で分岐し、レンズ２２で光ファイバー２３の入口に集光させるが、実用集光精度の制約から光ファイバーは直径０．６ｍｍで金型内に装着した出射ユニットまでレーザービームを通し、出射ユニットは光ファイバー２３の出口から放射状に放出されたレーザービームをレンズ２４で平行にし、レンズ２５で金属板１１の側面の加工位置２６に集光させる構造である。

【0021】

本発明では、必要板厚に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くする。このために、加工位置に集光する前にレーザービームの上下部分を遮蔽物を設置して吸収させることにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くする。すなわち、レーザービームの積層方向上下を短くする遮蔽物３１、３２をレーザービームを加工位置に集光させるレンズ２５の後に設置し、上下のレーザービームを吸収する。これらの遮蔽物３１、３２は材質がアルミニュウムで、レーザービームを吸収しやすく表面を黒くアルマイト（陽極酸化処理）加工し、光を吸収し熱として放出する。

【0022】

金型の抜き落としタイミングに合わせてレーザービームを照射する。図４に示される金属板積層品２７は、単体に分離させたものである。分離はレーザービームの照射溶接を分離するタイミングで休止し、金属板１１間を溶接しないようにして行う。

【0023】

また本発明では、必要溶接強度に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜最大まで縮小・拡大する。図５はレーザービームの加工位置の大きさを最小〜拡大する方法を示したもの。最小は結像点２８で光ファイバー２３の直径が０．６ｍｍなので構造上直径０．８〜０．９ｍｍとなる。拡大は前部位置２９と後部位置３０との間で結像点を前後に移動させ、加工位置におけるレーザービームの断面形状の大きさを変化させ、必要溶接強度に応じて選択して決定する。

【0024】

図６は本発明による板厚０．２ｍｍの金属板積層品の溶接図で、スポット溶接３３の直径０．８〜０．９ｍｍで上下長０．５ｍｍとし、熔接中心３４の位置は３枚板の中央板厚み中心に設定する。従来技術の図３の様に分離のため板の合わせ枚数５枚必要のところを、３枚として板厚のバラツキで溶接中心位置が０．０５ｍｍ移動しても積層品端板１０の溶接強度に支障はない。

【0025】

図７は図６と同じ板厚０．２ｍｍ金属板積層品の溶接図で、図６との違いはスポット溶接２９の直径をレーザービームの加工位置を結像点２８からずらせて大きくし１．５ｍｍとすること、出力を上げなければならないが、溶接の深さをスパッタやブローホールの発生を防ぐため可能な限り浅くするように調整する。これで本発明の特長である溶接強度を必要に応じて強くして、これまで金型外で電気溶接していたワークも金型内レーザー溶接化が可能となり、また、最近の産業界の特に電磁コアーの高性能薄板化、大型化にも対応可能である。

【0026】

図８の他実施例１は、図４の実施例１の上下レーザービームの遮蔽物３１，３２を固定してあるのに対し、金属板積層品を単体に分離する時だけレーザービームを遮蔽するようにした移動式の遮蔽物３５，３６としたもの。これにより図７の様な強い溶接強度を必要とした場合に固定遮蔽物３１，３２の過熱を防ぐ効果がある。

【0027】

図９は板厚０．２ｍｍ金属板積層品の溶接図で、中間部は図３と同じ５枚溶接だが分離する時の端部だけ図６と同じ３枚溶接にする場合で、４枚の金属板が加工される間、上移動式遮蔽物３５，３６を前進させておき、上下レーザービームを加工位置に到達させない。

【0028】

本発明の他実施例２について、図１０を参照しながら説明する。図４の実施例１の上下レーザービームをレンズ２５で集光する途中に遮蔽物３１、３２を設置して吸収するのに対し、図１０の他実施例２では、レンズ２５の上下レーザービームが通過する部分を上レンズ平面形状部３７及び下レンズ平面形状部３８に削り取り、レーザービームをそのまま直進させ、内壁部３９に当て吸収して熱として放出し、加工位置に到達させない。これにより、レーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることができる。

【0029】

以上に説明したように、本発明によれば、必要溶接強度に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の大きさを最小〜拡大し、必要板厚に応じてレーザービームの加工位置の断面形状の板積層方向上下部を短くすることにより、必要溶接強度を得ることができる。

【符号の説明】

【0030】

１０ 積層品端板
１１ 所定形状の金属板
１２ 材料板
１３ 上型外郭抜きパンチ
１４ 下型外郭抜きダイ
１５ 外郭抜き穴の側面
１６ ダイ切り刃
１７ 金属板を露出させレーザービームを通す細穴
１８ ロッド
１９ 励起ランプ
２０ レーザービーム
２１ 分岐ミラー
２２ 光ファイバー入光用レンズ
２３ 光ファイバー
２４ 光ファイバー放射平行レンズ
２５ 加工位置集光レンズ
２６ 金属板側面の加工位置
２７ 金属板積層品
２８ 結像点
２９ 加工前部位置
３０ 加工後部位置
３１ 上固定遮蔽物
３２ 下固定遮蔽物
３３ スポット溶接円
３４ 熔接中心
３５ 上移動式遮蔽物
３６ 下移動式遮蔽物
３７ 上レンズ平面形状部
３８ 下レンズ平面形状部
３９ レーザービームを吸収する内壁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】