JP2002178178A

JP2002178178A - 表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法

Info

Publication number: JP2002178178A
Application number: JP2000372851A
Authority: JP
Inventors: Hironori Fujimoto; 博紀富士本; Kiyoyuki Fukui; 清之福井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-25
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: JP4356236B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】亜鉛蒸気起因の溶接欠陥が少ない外観性、耐食
性および継手性能に優れた重ね継手が得られる亜鉛めっ
き鋼板に代表される表面コーティング金属のレーザ重ね
溶接方法の提供。【解決手段】レーザ照射側の金属２に溶け込み深さｄが
その肉厚ｔの０．６０〜０．９５倍になる第１のレーザ
ビーム１を照射することによってレーザ照射側金属の裏
面に凸部２ａを形成させて重ね面間に隙間Ｇを生じさせ
た後、第１のレーザビームの照射線を中心とする幅方向
４ｍｍの範囲内に第２のレーザビームを照射して重ね合
わせられた金属相互を溶融接合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面が母材金属の
融点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属同
士のレーザ重ね溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面がコーティングされた金属は、母材
金属以上の優れた特性を有することから様々な分野で使
用されている。コーティングには、亜鉛、錫、アルミニ
ウムおよびこれら金属の合金によるものや、有機材料に
よるものがあり、主として耐食性を高めるためにおこな
われる。コーティングを施される材料としては、鉄鋼材
料が最も代表的であり、中でも亜鉛めっき鋼板は、その
優れた特性のため、自動車、家電、重電製品、産業機
械、建材等幅広い分野で用いられている。

【０００３】以下、亜鉛めっき鋼板を例に説明する。こ
のような、亜鉛めっき鋼板を溶接する方法としては、ス
ポット溶接、シーム溶接、アーク溶接等があるが、近
年、レーザ溶接の適用も検討されている。

【０００４】しかし、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接で
は、継手の形状が重ね継手の場合、溶接欠陥が多発し、
良好なビードが得られなくなることが知られている。こ
れは、亜鉛の沸点（９０６℃）が、鉄の融点（約１５０
０℃）よりも低いことに起因する。

【０００５】つまり、つまり、亜鉛めっき鋼板の重ね溶
接では、図５に示すように、レーザビーム１の照射によ
る溶接熱により上板２と下板３の母材鋼が溶融するが、
この時、重ね面４の亜鉛も蒸発する。上板２と下板３が
密着した状態では、亜鉛蒸気５は重ね面４を通って外部
に抜けることができない。このため、図中に黒塗り矢符
で示すように、亜鉛蒸気５は溶融池６を通って外に抜け
ようとする。その結果、溶融金属の一部がスパッタ７と
なって吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気５が残こり、
凝固後の溶接金属８中に溶接欠陥９が生じ、溶接部の機
械的特性や見栄えが悪くなる。

【０００６】このような観点から、亜鉛めっき鋼板のレ
ーザ重ね溶接時の欠陥対策には、重ね面に亜鉛蒸気の抜
け道を作ることによって重ね面の圧力を下げ、溶融池へ
の亜鉛蒸気の進入を防ぐことが最も有効で、必要な隙間
の最小値としては０．０３〜０．０５ｍｍ程度であると
いわれている。

【０００７】亜鉛蒸気の抜け道を作るなどして欠陥の発
生を防ぐようにした亜鉛めっき鋼板の重ね溶接方法とし
ては、次のような方法がある。

【０００８】(1) 重ね合わせるべき一方の亜鉛めっき鋼
板に予め塑性加工を施して重ね面に適当な隙間を形成さ
せるための高さが同じ突起部を形成させておく方法（特
開平１０−２１６９７４号公報）。

【０００９】(2) レーザ照射側にある亜鉛めっき鋼板の
端部は拘束せずに２枚の亜鉛めっき鋼板を支持し、レー
ザ照射側の亜鉛めっき鋼板のみを重ね溶接位置より拘束
側位置において予め溶融させてその端部を上反り変形さ
せることで重ね面に隙間を形成し、その後２枚の鋼板を
重ね溶接する方法（特開平７−３２１８０号公報）。

【００１０】(3) エネルギー密度が低いレーザ光で亜鉛
を蒸発、離散させ、エネルギー密度の高いレーザ光で溶
融接合する方法（特開平４−２３１１９０号公報）。

【００１１】しかし、上記(1) の方法は、重ね面に適当
な隙間を形成させる得る高さが同じ突起部を形成するの
は極めて難しく、隙間が大きすぎると溶接できず、逆に
狭すぎると所望の効果が得られないのに加え、重ね合わ
せ部の鋼板表面に窪みが存在し、外観が悪くなるという
欠点がある。

【００１２】また、(2) の方法は、溶接ビードが２本並
ぶため外観が悪いのに加え、溶接熱により亜鉛めっきが
除去された領域が広いために耐食性がよくないという欠
点がある。

【００１３】さらに、(3) の方法は、単にエネルギー密
度の低いレーザビームを照射したのでは、重ね面の亜鉛
蒸気は重ね面に隙間が存在しない限り重ね面からほとん
ど除去されず、実際には欠陥が発生する。また、エネル
ギー密度の低いレーザビームによる溶け込み深さがレー
ザ照射側の鋼板の裏面にまで達すると、亜鉛による欠陥
が発生し、十分な特性を持った重ね継手が得られないと
いう欠点がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、亜鉛
のような表面コーティング物質の蒸気起因の溶接欠陥が
少なくて継手の性能に優れ、しかも表面の外観性および
耐食性が良好な重ね継手を得ることが可能な表面コーテ
ィング金属のレーザ重ね溶接方法を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
表面コーティング金属のレーザ重ね溶接方法にある。

【００１６】重ね面の少なくとも一方が、母材金属の融
点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属のレ
ーザ重ね溶接方法において、レーザ照射側の金属に溶け
込み深さｄ（ｍｍ）がその肉厚ｔ（ｍｍ）の０．６０〜
０．９５倍になる第１のレーザビームを照射することに
よってレーザ照射側金属の裏面に凸部を形成させて重ね
面間に隙間を生じさせた後、第１のレーザビームの照射
線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に第２のレーザビ
ームを照射して重ね合わせられた金属相互を溶融接合さ
せる表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方
法。

【００１７】上記本発明の方法においては、第１と第２
のレーザビームとして、１基のレーザ発振機から伝送さ
れてくる１つのレーザビームを２つに分岐させた分岐レ
ーザビームあるいは２基のレーザ発振機から伝送されて
くる別々のレーザビームを溶接線方向に近接配置して連
続的に溶融接合をおこなうのが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
のレーザ重ね溶接方法について詳しく説明する。なお、
以下の説明においては、従来と同一または実質的に同じ
部分には従来と同じ符号を付して示し、その詳しい説明
を省略する場合がある。

【００１９】図１は、本発明のレーザ重ね溶接方法を示
す摸式図であり、同図（ａ）はレーザビーム１が照射さ
れる側の上板２のみを溶かす第１工程、同図（ｂ）は上
板２と下板３を溶融接合する第２工程である。

【００２０】第１工程と第２工程よりなる本発明の方法
において最も重要な点は、第１工程での溶け込み深さｄ
（ｍｍ）である。すなわち、この溶け込み深さｄが浅い
場合には上板２の裏面が平らなままであるが、溶け込み
深さｄが深くなると、同図（ａ）に示すように、上板２
の裏面に凸部２ａが生じる現象が認められ、凸部２ａは
溶け込み深さｄの増加に伴って大きくなる。その結果、
凸部２ａにより、上板２と下板３の重ね面間に亜鉛蒸気
の抜け道としての隙間Ｇを形成させることができるから
である。

【００２１】そして、通常、レーザ重ね溶接の対象とさ
れる板厚ｔが０．５〜２．４ｍｍ、目付量が４０〜６０
ｇ／ｍ² の亜鉛めっき鋼板は勿論、板厚と目付量が異な
る亜鉛めっき鋼板およびその他の鉄の融点よりも沸点が
低い物質で表面コーティングされた鋼板においても、上
板２の板厚をｔとした場合、その溶け込み深さｄを板厚
ｔの０．６０倍以上にすると、上板２と下板３の重ね面
間に０．０３ｍｍ程度の隙間Ｇが形成され、亜鉛蒸気起
因の欠陥が激減して良好な重ね継手が得られることを確
認した。このため、本発明においては、第１工程におけ
る上板２の溶け込み深さｄの下限値を、上板２の板厚ｔ
の０．６０倍と定めた。なお、上板２の溶け込み深さｄ
の好ましい下限値は０．７、より好ましい下限値は０．
７５である。

【００２２】しかし、溶け込み深さｄが上板２の裏面に
まで達すると、第１工程時に亜鉛蒸気が溶融池に進入
し、亜鉛蒸気起因の欠陥が多発した。このため、溶け込
み深さｄの上限は、板厚ｔの０．９５倍とした。

【００２３】なお、溶け込み深さｄが板厚ｔの０．９５
倍の時における凸部２ａの高さは、最大でも０．１２ｍ
ｍ程度であり、凸部２ａに起因するアンダーフィルなど
の溶接欠陥は生じなかった。

【００２４】第２工程では、第１工程よりも高出力また
は高エネルギー密度のレーザビーム１０を照射すること
によって上板２と下板３を溶融接合させる。この時、レ
ーザビーム１０の照射位置は、第１工程でのレーザビー
ム１の照射線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に照射
する必要がある。これは、第２工程において、前記の範
囲を超える領域にレーザビーム１０を照射すると、亜鉛
の犠牲防食作用が低下して溶接ビードの耐食性が低下す
るためである。なお、第２工程におけるレーザビーム１
０の照射位置は、第１工程におけるレーザビーム１の照
射位置に一致させるのが最も好ましいことはいうまでも
ない。

【００２５】第１工程と第２工程は、１基のレーザ溶接
機を用い、溶接線全長にわたって第１工程を終了した
後、レーザ溶接機のレーザ出力またはレーザビームのエ
ネルギー密度を変更して第２工程をおこなってもよい
が、作業能率を向上させる観点からは、図２に示すよう
に、連続的におこなうのが好ましい。

【００２６】すなわち、図２に示す方法は、レーザ照射
側の上板２の裏面に凸部２ａを形成させる第１工程用の
レーザ溶接トーチ１ａと、上板２と下板３とを溶融接合
させる第２工程用のレーザ溶接トーチ１０ａとを溶接線
方向に近接配置しておこなう方法である。

【００２７】第１工程用のレーザ溶接トーチ１ａと第２
工程用のレーザ溶接トーチ１０ａに伝送するレーザビー
ム１と１０は、１基のレーザ発振機のレーザビームを例
えばエネルギー密度の異なる２つのレーザビームに分岐
させたビームであってもよいし、例えばレーザ出力が異
なる２基のレーザ発振機から発振される２つのビームの
いずれであってもよい。

【００２８】また、レーザの種類は、ＹＡＧレーザ、Ｃ
Ｏ₂ レーザ、ヨウ素レーザ、ＣＯレーザ、半導体励起レ
ーザなどのいずれであってもよく、その発振モードも連
続またはパルスのいずれであってもよい。

【００２９】

【実施例】《実施例１》両面に目付量４５ｇ／ｍ² の合
金化溶融亜鉛めっき（Ｚｎ−Ｆｅ）が施された板厚０．
８ｍｍの軟鋼製鋼板を準備し、その両端部を重ね合わせ
て図３に示す状態にクランプした。

【００３０】次いで、連続発振モードのＹＡＧレーザ発
振機を用い、第１工程終了後に第２工程をおこなう重ね
溶接をおこなった。

【００３１】その際、第１工程では、レーザ発振機のレ
ーザ出力を種々変えて溶け込み深さｄを種々変化させ
た。また、第２工程では、第１工程と同じ位置にレーザ
ビームを照射した。

【００３２】そして、各溶接材の溶接ビードの表面を目
視観察し、溶接ビード１００ｍｍ当たりのピットなどの
欠陥発生個数を調べた。

【００３３】また、各溶接材からは、図４示す形状寸法
の試験片を切り出し採取して室温下で引張試験をおこな
い、その継手強度も調べた。なお、継手強度は、破断強
度が母材の破断強度の９０％以上のものを良好「○」、
９０％未満のものを不芳「×」として評価し、その結果
を表１に示した。

【００３４】

【表１】表１からわかるように、第１工程での溶け込み深さｄが
本発明で規定する範囲内の試番４〜６では、溶接ビード
表面の欠陥数が皆無であり、かつ継手強度も良好であっ
た。

【００３５】これに対し、第１工程での溶け込み深さｄ
が本発明で規定する範囲を外れる試番１〜３および７で
は、溶接ビード表面の欠陥数が５〜１８個と多く、かつ
継手強度も不芳であった。

【００３６】《実施例２》両面に目付量５０ｇ／ｍ² の
合金化溶融亜鉛めっき（Ｚｎ−Ｆｅ）が施された板厚
０．８ｍｍの軟鋼製鋼板を準備し、その両端部を重ね合
わせて図４に示す状態にクランプした。

【００３７】次いで、連続発振モードの１基のＹＡＧレ
ーザ発振機のレーザビームを分岐させ、図２に示す態様
で第１工程終了と第２工程とを連続的におこなう重ね溶
接をおこなった。

【００３８】その際、第１工程では、分岐させたレーザ
ビームのエネルギー密度を種々変えて溶け込み深さｄを
種々変化させた。また、第１工程と第２工程のレーザビ
ームの照射間隔は１０ｍｍとし、第２工程のレーザビー
ムは第１工程と同じ位置に照射した。なお、第１工程で
の溶け込み深さｄは、予め試験をおこなって測定した値
である。

【００３９】そして、各溶接材の溶接ビードの表面を目
視観察し、溶接ビード１００ｍｍ当たりのピットなどの
欠陥発生個数を調べた。

【００４０】また、各溶接材からは、実施例１の場合と
同じ試験片を切り出し採取して室温下で引張試験をおこ
なって継手強度を調べ、実施例１の場合と同じ基準に従
ってその継手強度を評価し、その結果を表２に示した。

【００４１】

【表２】表２からわかるように、第１工程での溶け込み深さｄが
本発明で規定する範囲内の試番１１〜１３では、溶接ビ
ード表面の欠陥数が皆無であり、かつ継手強度も良好で
あった。

【００４２】これに対し、第１工程での溶け込み深さｄ
が本発明で規定する範囲を外れる試番８〜１０および１
４では、溶接ビード表面の欠陥数が５〜１８個と多く、
かつ継手強度も不芳であった。

【００４３】《実施例３》第１工程のレーザビーム位置
に対して第２工程のレーザビーム照射位置を種々変化さ
せた以外は実施例１の試番５と同じ条件で重ね溶接をお
こなった。

【００４４】そして、実施例１と同様の方法により各溶
接材の溶接ビード表面の欠陥発生個数と継手強度を調べ
る一方、下記条件の耐食性試験に供して溶接ビード近傍
表面の耐食性を調べた。

【００４５】＜耐食性試験条件＞前処理； (A) 脱脂、 (B) 日本ペイント(株)社製のＳＤ２６０２Ｍ２による化
成処理、 (C) 同上社製のＵ−２６０２による膜厚１０μｍの電着
塗装、腐食試験（下記(a)→(b)→(c)を１サイクルとする複合
サイクル試験）； (a) ５質量％ＮａＣｌ水溶液噴霧４時間、 (b) 湿度９５％環境への暴露２時間、 (c) 乾燥２時間。

【００４６】耐食性は、上記の複合サイクル試験を９０
サイクルおこない、さびの発生が認められなかったもの
を耐食性が良好「○」、一部にでもさびの発生が認めら
れたものを耐食性が不芳「×」として評価し、その結果
を表３に示した。

【００４７】なお、上記の耐食性試験は、亜鉛めっき鋼
板が自動車に用いられて重ね溶接され、その重ね合わせ
溶接部を含む表面に上記前処理と同様の処理が施される
場合を模擬した試験である。

【００４８】

【表３】表３からわかるように、第２工程のレーザビーム照射位
置が本発明で規定する範囲内の試番１５〜１８は耐食性
が良好であったが、第２工程のレーザビーム照射位置が
本発明で規定する範囲を外れる試番１９は耐食性が不芳
であった。

【００４９】なお、データの記載は省略するが、試番１
５〜１９のいずれの場合も、溶接ビード表面の欠陥数は
皆無であり、継手強度も母材の破断強度の９０％以上と
良好であった。

【００５０】

【発明の効果】本発明の方法によれば、上板に塑性加工
などの何らの加工も施すことなく、亜鉛蒸気起因の欠陥
が発生するのを防止でき、強度と耐食性に優れた重ね溶
接継手が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ重ね溶接方法を示す模式図
で、同図（ａ）はレーザビーム１が照射される側の上板
２のみを溶かす第１工程、同図（ｂ）は上板２と下板３
を溶融接合する第２工程を示す図である。

【図２】本発明による他のレーザ重ね溶接方法を示す模
式図である。

【図３】上板と下板のクランプ態様を示す模式図であ
る。

【図４】実施例で用いた引張試験片の形状、寸法を示す
図である。

【図５】亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接時における欠
陥の発生態様を示す模式図である。

【符号の説明】

１、１０：レーザビーム、１ａ、１０ａ：レーザ溶接トーチ、２：上板、２ａ：凸部、３：下板、４：重ね面、５：亜鉛蒸気、６：溶融池、７：スパッタ、８：溶接金属、９：溶接欠陥、Ｇ：隙間。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重ね面の少なくとも一方が、母材金属の融
点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属のレ
ーザ重ね溶接方法において、レーザ照射側の金属に溶け
込み深さｄ（ｍｍ）がその肉厚ｔ（ｍｍ）の０．６０〜
０．９５倍になる第１のレーザビームを照射することに
よってレーザ照射側金属の裏面に凸部を形成させて重ね
面間に隙間を生じさせた後、第１のレーザビームの照射
線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に第２のレーザビ
ームを照射して重ね合わせられた金属相互を溶融接合さ
せる表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方
法。
【請求項２】前記第１と第２のレーザビームとして、１
基のレーザ発振機から伝送されてくる１つのレーザビー
ムを２つに分岐させた分岐レーザビームを用い、この分
岐レーザビームを溶接線方向に近接配置して連続的に溶
融接合をおこなう請求項１に記載の表面コーティングさ
れた金属のレーザ重ね溶接方法。
【請求項３】前記第１と第２のレーザビームとして、２
基のレーザ発振機から伝送されてくる別々のレーザビー
ムを用い、この別々のレーザビームを溶接線方向に近接
配置して連続的に溶融接合をおこなう請求項１に記載の
表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法。