JP2004090072A

JP2004090072A - Lap welding method for galvanized steel sheet

Info

Publication number: JP2004090072A
Application number: JP2002257578A
Authority: JP
Inventors: Hironori Fujimoto; 富士本　博紀; Kiyoyuki Fukui; 福井　清之
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an improved laser weld zone by using a laser beam without making a gap between steel sheets as a by-path for metallic vapor before welding. <P>SOLUTION: This is a welding method in which a plurality of steel sheets including at least one galvanized steel sheet are superposed and irradiated with a laser beam to weld the steel sheets together. The welding is performed by blowing gas having an oxygen concentration of 90% or above as assist gas into the part to be irradiated with the laser beam. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１枚のめっき鋼板を含む複数枚の鋼板同士を接合するレーザを用いためっき鋼板の重ね合わせ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に用いられる鋼板は、防錆性が要求されることから亜鉛めっき鋼板が用いられ、その施工時にはめっき鋼板の重ね合わせ溶接が必要となり、その溶接にはレーザ溶接が用いられている。
【０００３】
亜鉛めっき鋼板のように、鉄の融点よりも低い沸点の金属でめっきされている鋼板を重ね合わせてレーザで溶接すると、重ね面のめっき層が爆発的に蒸発して溶融部を吹き飛ばし、それが溶接欠陥となることが知られている。この溶接欠陥の防止には、鋼板間に亜鉛蒸気の抜け道となる隙間を設定することが必要であるが、溶接現場では安定した隙間を常に確保することが困難であり、隙間を設けなくとも良好な溶接部が得られる溶接方法が求められている。
【０００４】
特開平６−７９４８４号公報には、母材よりも低融点の物質からなる被覆層を有する複数の板材を重ね合わせて、レーザ溶接する方法が開示されている。この方法は、容積比５〜３５％の酸素を含んだアシストガスをレーザ照射部に吹き付けて溶接することを特徴としている。同公報には、アシストガス中の酸素含有量が５〜３５％で不良率が低下し、この範囲外では不良率が高くなると記載されている。しかし、高速溶接が可能である、波長が１．０６μｍと短いＹＡＧレーザを用いて、亜鉛めっき鋼板の２枚重ね溶接試験を実施したが、酸素濃度が５〜３５％では溶接欠陥を防止する効果は全く得られなかった。
【０００５】
特許２７３６１８２号公報には、蒸発温度が金属の融点より低い物体をコーティングした表面処理金属を、酸素とアルゴンガスを４対１の割合で混合した補助ガスを使用してレーザ溶接する方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、波長が１．０６μｍのＹＡＧレーザを用いた溶接試験を実施したところ、この補助ガスを用いた場合でも欠陥防止力が十分であるとはいえなかった。
【０００７】
文献ＥＷＩ　ＰＲ９９０６（Ｊｕｎｅ１９９９）には、１つのビームをプリズム、ミラーなどの光学系で２つに分離し、分離した２つのビームを溶接の進行方向に平行に配置して溶接するデュアビーム（又はツイン　ビーム）で良好な溶接部が得られることが開示されている。しかしながら、この溶接方法を実施してみたが、デュアル　ビーム化だけでは溶接部の改善効果はほとんど得られなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、レーザビームを用いて溶接前に鋼板間に金属蒸気の抜け道となる隙間を設けることなく、良好な溶接部が得られるめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、波長の短いレーザビームによる溶接における上記課題を解消するため、亜鉛めっき鋼板を用いて種々のレーザビームによる溶接試験をおこなった結果、下記の知見を得るに至った。
【００１０】
１）ＹＡＧレーザ（波長：１．０６μｍ）、ダイレクトＬＤレーザ（波長：０．６〜１．６μｍ）等のビームの波長の短いレーザを用いて溶接する場合、レーザ照射部の溶融池直上にはプラズマの発生が極めて少なくなり、従来から用いられている酸素濃度が比較的低い雰囲気中では、溶融池と酸素との反応が緩慢になる結果、波長の短いレーザビーム溶接では溶接欠陥が発生する。
【００１１】
２）しかし、レーザ照射部に吹き付けるアシストガスとして、９０％以上の酸素を含んだガスを用いると下記の効果が得られる。
▲１▼　溶融池の表面張力が低下し、粘性が下がるため溶融池内から亜鉛蒸気が外部に排出されやすくなる。
【００１２】
▲２▼　溶融池の粘性が低下するため、亜鉛蒸気により乱れた溶融池表面がすみやかに平滑になる。
【００１３】
▲３▼　亜鉛と酸素とが反応して固体である酸化亜鉛となり、気化する亜鉛の量が減少し、亜鉛の爆発的な蒸発が抑制され溶融金属の吹き飛びが防止される。
【００１４】
３）高酸素雰囲気中でレーザビームの照射方向を溶接進行方向とすると共に、照射角度を５〜３５度の範囲内とすることにより、溶融池上でビームの掃射域が広くなるため溶融池と酸素の反応がより促進される。
【００１５】
３）高酸素雰囲気中で複数の先行および後行するレーザビームを用い、例えば、２つのレーザビーム（以下、ツインビームと記す）を用いて、２つのレーザビーム間の距離を０．４〜３ｍｍの範囲内とし、かつレーザビームのエネルギ比率を０．８〜３の範囲とすれば、１つのレーザームで溶接するよりも溶融池と酸素の反応が促進される。また、前方レーザビームで溶融し、凝固する前に後方レーザビームを照射することにより溶融池が長くなるため、凝固までの時間が長くなり亜鉛蒸気が抜けやすくなる。
【００１６】
本発明は、上記知見に基づきなされたもので、その要旨は下記（１）〜（６）のめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法にある。
【００１７】
（１）少なくとも１枚のめっき鋼板を含む複数枚の鋼板を重ね合わせてレーザビームを照射して鋼板同士を接合する溶接方法であって、酸素濃度が９０％以上のガスをアシストガスとしてレーザビームの照射部に吹き付けながら溶接するめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
【００１８】
（２）レーザビームの波長が、０．６〜１．６μｍである上記（１）に記載のめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
【００１９】
（３）少なくとも１枚のめっき鋼板を含む複数枚の鋼板を重ね合わせてレーザビームを照射して鋼板同士を接合する溶接方法であって、溶接の進行方向に沿って先行のレーザビームと後行のレーザビームの２つのレーザビームを用い、２つのレーザビーム間の距離を０．４〜３ｍｍの範囲内とすると共に、下記式で示す２つのレーザビームのエネルギ比率を０．８〜３の範囲内とし、酸素濃度が９０％以上のガスをアシストガスとしてレーザビームの照射部に吹き付けながら溶接するめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
エネルギー比率＝（先行のレーサ゛ヒ゛ームのエネルキ゛）／（後行のレーサ゛ヒ゛ームのエネルキ゛）
（４）レーザビームの波長が、０．６〜１．６μｍである上記（３）に記載のめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
【００２０】
（５）レーザビームの照射方向を溶接の進行方向とすると共に、鋼板表面に直交する線とレーザビームとのなす角度が５〜３５度の範囲内となるようにレーザビームの照射角度を制御して溶接する上記（１）または（２）に記載のめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
【００２１】
（６）先行のレーザビームと後行のレーザビームのどちらか一方または双方の照射方向を溶接の進行方向とすると共に、鋼板表面に直交する線とレーザビームとのなす角度が５〜３５度の範囲内となるように照射角度を制御して溶接する請求項（３）または（４）に記載のめっき鋼板の重ね合わせ溶接方法。
【００２２】
ここで、ツインビーム間の距離とは、先行レーザビーム照射部の中心から後行レーザビーム照射部の中心までの距離をいう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、１つのレーザビームによる本発明の溶接方法を説明する図である。レーザビームは、図示しないレーザ発振機で発振され、光ファイバーによりトーチ１まで伝送され、トーチ内で図示しないレンズで集光されトーチ先端から照射される。トーチ１は通常使用されているものでよく、その先端からアシストガス２を噴射できる機構を備えており、アシストガスはレーザビームと同軸となるように溶接部に向かって噴射される。
【００２４】
被溶接材である鋼板３ａ、３ｂは重ねられ、鋼板間に隙間ができないようにクランプ治具４により固定されてから溶接が開始される。
【００２５】
図２は、レーザビームの照射角度を説明する図である。トーチ１は、矢示する溶接進行方向に対して傾斜可能であり、レーザビームの照射角度を調整できるようになっている。ここで、照射角度とは、鋼板表面１３に直交する線（垂線）８とレーザビームとのなす角度９をいう。
【００２６】
レーザビームは、一つのビームだけでなく、２〜４ビーム程度の複数ビームにすることができ、特にツインビ−ムとするのが好ましい。
【００２７】
図３は、ツインビームによる本発明の溶接方法を説明する図である。図３に示すツインビームによる溶接方法は、光ファイバーで伝送されたレーザビームを２つのビームに分割する点が、上記図１に示す１つのビームによる溶接方法とは異なる。光ファイバーによってトーチに伝送されたレーザビームは、レンズ１０を通りプリズム１１により２つのビーム６ａ、６ｂに分割される。トーチに伝送されたレーザビームの分割数は、プリズムの形状を変えることにより簡単に変更できる。
【００２８】
ツインビーム間の距離１２は、プリズムを交換することにより変えることができる。また、プリズムを左右に移動させてプリズムに照射されるビームの面積割合を変えることにより、ツインビームのエネルギー比率（前方ビームエネルギ／後方のビームエネルギ）を変更することができる。
【００２９】
本発明において溶接条件を限定した理由を以下に説明する。
【００３０】
アシストガス：
アシストガスは溶接欠陥の発生を抑制するために用い、酸素濃度が９０％以上のガスを使用する。アシストガス中の酸素濃度が９０％未満では、溶接欠陥の発生を防止する効果が小さくなるので、酸素濃度は９０％以上とした。このアシストガスは純酸素（酸素＋不純物）でもよく、また混合ガスを使用する場合は酸素以外はアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムおよび炭酸ガスとする。アシストガス中の不純物成分については溶接性にほとんど影響を与えない。
【００３１】
酸素濃度を９０％以上と高濃度にすることにより、溶接欠陥が防止できるのは以下の理由による。
【００３２】
すなわち、１）酸素濃度が高濃度になると酸素と溶融金属との反応性が高くなり、溶融池の表面張力が低下して粘性が下がるため亜鉛蒸気が外部に排出されやすくなる、２）溶融池の粘性が低下するため亜鉛蒸気により乱れた溶融池表面がすみやかに平滑になる、３）めっき金属と酸素とが反応して固体である酸化物となり、気化する金属の量が減少するからである。
【００３３】
アシストガスの供給方法は、他のガスとの混合を行わずに市販の酸素ボンベ（酸素純度：９９．７％以上）を直接使うことにより、コスト面で有利となりので好ましい。酸素濃度の上限は、特に規定はしないが、溶接欠陥の発生を防止する観点から酸素濃度が高いほうが好ましい。しかし、濃度を上げすぎるとコスト高となる。
【００３４】
アシストガスの供給方法については、レーザビームと同軸になるようにトーチから流してもよく、またトーチ外からレーザの進行方向側から溶接部に吹き付けてもよい。すなわち、レーザ溶接部に十分な酸素が供給できればよい。
【００３５】
次に、好ましい溶接条件について説明する。
【００３６】
レーザビーム：
溶接時に、レーザ照射部の直上にはレーザの強力なエネルギーによりプラズマが発生するが、ビーム波長が長い炭酸ガスレーザ（波長：１０．６μｍ）を用いる場合は、波長が長いのでプラズマに吸収されやすいため、溶融池直上にはレーザのエネルギーを吸収した強いプラズマが発生する。そのプラズマの中は非常に活性が高く、溶融池と周囲のガスとの反応を促進させるため、酸素濃度が低い場合でも、溶融池と酸素との反応が促進され溶接欠陥の防止効果が発現する。
【００３７】
しかしながら、ＹＡＧレーザ（波長：１．０６μｍ）、ダイレクトＬＤレーザ（波長：０．６〜１．６μｍ）等のビームの波長の短いレーザを用いる場合には、プラズマに吸収されにくい。このため溶融池直上ではプラズマの発生が極めて少なく、溶融池と酸素との反応が緩慢となる。
【００３８】
したがって、本発明では、このような波長が０．６〜１．６μｍと短いレーザによる溶接をするのが好ましい。波長が０．６μｍ未満では、溶接用レーザビームとして適切でないため下限を０．６μｍとするのが好ましい。一方、波長が１．６μｍを超えると酸素濃度が９０％以上のガス環境では、溶融池と酸素との反応が過剰となり、酸化過多となることがある。好ましい波長は、ＹＡＧレーザ１．０６μｍ、ＬＤレーザ０．８０５μｍおよび０．９４０μｍである。
【００３９】
ＹＡＧレーザ等の波長が短いレーザ溶接では、炭酸ガスレーザ溶接に比べて、被溶接材である金属に吸収されるエネルギーの割合が高いため、同じ出力では炭酸ガスレーザに比べ高速溶接が可能であり、生産効率が高まるという利点がある。
【００４０】
レーザビームは、１つのビームでもよく、また複数のビームであってもよく、特に後述するツインビームを採用するのが好ましい。
【００４１】
レーザビームの照射角度：
前記したレーザビームの照射角度を０度（垂直照射）としてもよいが、５〜３５度となるようにすると、溶接欠陥の発生がより抑制され好ましい。より好ましい照射角度は、５〜２０度である。
【００４２】
図２に示したように鋼板に対するレーザビームの照射を溶接進行方向に傾けて溶接（前進溶接）し、照射角度９を５〜３５度とすると、溶融池上でビームの照射域が広くなるため、溶融池と酸素との反応が促進される。加えて、前進溶接により溶融池の形状が細長くなり、凝固までの時間が長くなるため、溶融池中に入った金属蒸気が凝固前に抜けやすくなる。これらの効果により、前進溶接をおこなうと垂直照射（照射角度０度）より溶接欠陥量がさらに減少する。
【００４３】
ツインビーム：
溶接の進行方向にタンデムに２つのレーザビームを配置し、この２つのレーザビーム（溶接方向に沿て、前方レーザビームとその後方に配置された後方レーザビーム）を用いて溶接すると、１つのレーザビームで溶接するよりも、溶融池と酸素との反応が促進されるので好ましい。また、前方レーザビームで鋼板表面を溶して凝固する前に、後方レーザビームが照射されて溶融池が長くなるため、凝固まで時間が長くなり亜鉛蒸気が抜けやすくなる。
【００４４】
ツインビーム間の距離は、０．４〜３ｍｍとするのが好ましい。０．４ｍｍ未満では、溶融池があまり大きくならないのでツインビームの顕著な効果が得られない。また、３ｍｍを超えると、先行ビームにより形成された溶融池が凝固して蒸気が抜けにくくなるので、上限は３ｍｍとするのが好ましい。より好ましくは０．４〜１．２ｍｍである。
【００４５】
さらに、下記式で示す２つのレーザビームのエネルギ比率を０．８〜３の範囲とするのが好ましい。より好ましくは１〜２である。
エネルギー比率＝（先行のレサ゛ヒ゛ームのエネルキ゛）／（後行のレサ゛ヒ゛ームのエネルキ゛）
エネルギー比率が０．８未満、または３を超えると、溶接欠陥の発生量が高くなるので、エネルギー比率は０．８〜３とする。好ましくは、１〜２である。
【００４６】
ツインビームは、１つのレーザ発振機からファイバーを通して伝送した光をプリズムにより２つに分割するすることにより得られる。また、２つのレーザ発振機から伝送した２つの光を使ってもよく、先行ビームと後行ビームの照射角度を異なった角度にする場合に好適である。
【００４７】
なお、ツインビームで溶接する場合でも、ビームの一方または双方の照射角度を５〜３５度とするのが好ましい。
【００４８】
ツインビームの一方または双方の照射角度を５〜３５度とすると、溶接欠陥の発生がより抑制される。
【００４９】
次に、その他の好ましい溶接条件は以下の通りである。
【００５０】
溶接速度：
溶接速度は、被溶接材の板厚、溶接枚数および生産タクトタイムにより決めればよく、好ましい速度は２〜４ｍ／ｍｉｎである。なお、ツインビームによる溶接の場合の溶接速度も同様である。
【００５１】
アシストガスの流量：
流量は、溶接速度、アシストガスのノズル位置およびノズル径などにより決めればよく、好ましい流量は１０〜４０ｌ／ｍｉｎである。
【００５２】
【実施例】
実施例１：
図１で示した溶接装置を用いて、１つのレーザビームの垂直照射による溶接試験を実施した。
【００５３】
供試材として板厚：０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．４ｍｍの３種類の合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＪＡＣ２７０Ｅ、めっき付着量６０ｇ／ｍ^２）を使用し、それぞれの鋼板を２枚重ねとし、重ねた鋼板間に隙間が生じないようにクランプ治具４により固定して溶接をおこなった。
【００５４】
レーザは、波長が１．０６μｍのランプ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、波長が０．８０５μｍのダイレクトＬＤレーザを用いた。主な溶接条件は表１に示す通りとした。
【００５５】
【表１】

【００５６】
溶接速度およびアシストガスの流量については、板厚にあわせて調整した。アシストガスとしては、酸素とアルゴンとを混合した混合ガスを用い、アシストガス中の酸素濃度を種々変更した。また、その他の溶接条件は下記の通りとした。
【００５７】
発振モード：連続発振
出力：加工点で３．０ｋＷ
フォーカス位置：鋼板表面
溶接終了後、溶接欠陥の発生状況を下記の方法で調べた。
【００５８】
図４は、溶接欠陥の評価方法を説明する図であり、同図に示すようにレーザ照射側の溶接ビードの表面欠陥１３の長さ（Ｌｌ、Ｌ２、Ｌ３・・・）を測定し、全溶接長さ（Ｌ）に対する表面欠陥の長さの割合を下記式により求めた。その結果を表１に示す。
【００５９】
表面欠陥の割合＝［（Ｌｌ＋Ｌ２＋‥・）／Ｌ］×ｌ００（％）
表中の記号は以下の表面欠陥の割合を示す。
【００６０】
×：２０％以上
△：１０％以上　２０％未満
○：５％以上　１０％未満
◎：５％未満
表１に示すように、アシストガス中の酸素濃度が０％（アルゴン１００％）の場合、溶接欠陥が多発した。アシストガス中の酸素濃度を高めると溶接欠陥は少なくなる傾向があったが、酸素濃度が８５％以下では、いずれの板厚でも欠陥発生を防止する効果が不十分であった。酸素濃度が９０％以上になると、溶接欠陥が１０％未満となり良好であった。
【００６１】
実施例２：
図１で示した溶接装置を用いて、１つのレーザビームを用い照射角度を種々変化させて溶接試験を実施した。
【００６２】
供試材として板厚０．７ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＪＡＣ２７０Ｅ、めっき付着量５０ｇ／ｍ^２）を使用し、これを２枚重ねて、鋼板間に隙間が生じないようにクランプして溶接した。
【００６３】
レーザとして、波長が１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた。レーザの照射角度を０度（垂直照射）〜３５度の範囲で種々変更した。主な溶接条件は、表２に示す通りとした。
【００６４】
【表２】

【００６５】
その他の溶接条件は、下記の通りであった。
【００６６】
発振モード：連続発振
出力：加工点で３．０ｋＷ
溶接速度：３．０ｍ／ｍｉｎ
フォーカス位置：鋼板表面
アシストガスとしてアルゴンガス（アルゴン濃度：９９．８％、残部：不純物）と酸素ガス（酸素濃度：９９．８％、残部：不純物）の２種類を用いた。
【００６７】
溶接欠陥は、実施例１と同様に評価した。評価結果を表２に示す。
【００６８】
表２から明らかなように、アルゴンガスをアシストガスとした場合、レーザ照射角度にかかわらず溶接欠陥が多発した。酸素をアシストガスとした場合、溶接欠陥は少なくなった。照射角度が５〜３５度の前進溶接ではスパッターの発生量も少なくなり垂直照射（照射角度：０度）よりも、溶接欠陥が減少し良好な溶接継手が得られた。
【００６９】
実施例３：
図３に示す装置を用いてツインビーム溶接を実施した。
【００７０】
供試材として、板厚０．７ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＪＡＣ２７０Ｅ、めっき付着量５０ｇ／ｍ^２）を用い、これを２枚重ねて鋼板間に隙間が生じないようにクランプして溶接した。
【００７１】
照射角度は、２つのビームとも０度（垂直溶射）、５度および２０度とした。
【００７２】
レーザとして、波長が１．０６μｍのランプ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、レーザビームはレーザ発信器で発振し、光ファイバーによりトーチ１まで伝送し、プリズム１１により２つのビーム（ツインビーム）に分割した。プリズムを交換することでツインビーム間の距離１２を種々変更した。また、照射角度を５度と２０度にするには、トーチを傾斜させておこなった。　また、プリズムを左右に移動させプリズムに照射されるビーム面積割合を変えることにより、ツインビームのエネルギー比率（前方ビームエネルギ／後方のビームエネルギ）を変更した。
【００７３】
主な溶接条件は表３に示す通りとし、その他の溶接条件は以下の通りとした。
【００７４】
発振モード：連続発振
出力：加工点で３．０ｋＷ
溶接速度は３．０ｍ／ｍｉｎ
フォーカス位置：鋼板表面
【００７５】
【表３】

【００７６】
アシストガスとしてアルゴンガス（アルゴン濃度：９９．８％、残部：不純物）と酸素ガス（酸素濃度：９９．８％、残部：不純物）の２種類を用いた。
【００７７】
溶接終了後、溶接部の溶接欠陥を実施例１と同様に評価した。その評価結果を表３に示す。
【００７８】
表３に示すように、アシストガスをアルゴンガス９９．８％とした場合、ツインビーム化しても溶接欠陥の改善は認められなかった。
【００７９】
アシストガスを酸素９９．８％とし、さらにツインビームにより溶接をおこなった結果、ツインビームの間隔が０．４０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下で、かつ、ツインビーム前後のエネルギー比率（前方のビームエネルギー／後方のビームエネルギー）が０．８〜３．０の条件において溶接欠陥がシングルビームの場合より減少した。
【００８０】
以上の実施例では、合金化溶融亜鉛めっき鋼板での例を示したが、溶融亜鉛めっき鋼板や、電気亜鉛めっき鋼板、亜鉛を含んだ各種合金めっき鋼板など、母材の鋼の融点より、沸点が低い物質で表面処理されている各種表面処理鋼板に本溶接法は適用できる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明の溶接方法によれば、レーザビームを用いて高速溶接が可能で、溶接前に鋼板間に金属蒸気の抜け道となる隙間を設けることなく、めっき鋼板の重ね合わせ溶接をおこなっても良好な溶接部が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１つのレーザビームによる本発明の溶接方法を説明する図である。
【図２】前進溶接におけるレーザビームの照射角度を説明する図である。
【図３】ツインビームによる本発明の溶接方法を説明する図である。
【図４】溶接欠陥の評価方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１　レーザトーチ　　　　　　　　　　　　　　　　８　垂線
２　アシストガス　　　　　　　　　　　　　　　　９　ビームの入射角度
３ａ、３ｂ　めっき鋼板　　　　　　　　　　１０　　　レンズ
４　クランプ装置　　　　　　　　　　　　　　　　１１　　プリズム
５　溶融部　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１２　　　ツインビーム間隔
６　レーザビーム　　　　　　　　　　　　　　　　１３　　　表面欠陥[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lap welding method for plated steel sheets using a laser for joining a plurality of steel sheets including at least one plated steel sheet.
[0002]
[Prior art]
Steel plates used for automobiles and the like are galvanized steel plates because they are required to have rust prevention, and lap welding of the plated steel plates is required during the construction, and laser welding is used for the welding.
[0003]
When steel plates plated with a metal with a boiling point lower than the melting point of iron, such as galvanized steel plates, are overlapped and welded by laser, the plating layer on the overlapped surface evaporates explosively and blows away the molten part. It is known to be a weld defect. In order to prevent this welding defect, it is necessary to set a gap that allows zinc vapor to escape between the steel sheets, but it is difficult to always ensure a stable gap at the welding site, and it is good even if no gap is provided. There is a need for a welding method that can provide a stable weld.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-79484 discloses a method in which a plurality of plate members having a coating layer made of a substance having a lower melting point than that of a base material are overlapped and laser-welded. This method is characterized in that an assist gas containing oxygen having a volume ratio of 5 to 35% is sprayed onto the laser irradiation portion and welded. The publication describes that the defect rate decreases when the oxygen content in the assist gas is 5 to 35%, and the defect rate increases outside this range. However, a two-ply welding test of galvanized steel sheets was carried out using a YAG laser with a wavelength as short as 1.06 μm, which enables high-speed welding, but the effect of preventing welding defects when the oxygen concentration is 5 to 35%. Was not obtained at all.
[0005]
Japanese Patent No. 2736182 discloses a method of laser welding a surface-treated metal coated with an object whose evaporation temperature is lower than the melting point of the metal using an auxiliary gas in which oxygen and argon gas are mixed at a ratio of 4 to 1. ing.
[0006]
However, when a welding test using a YAG laser having a wavelength of 1.06 μm was carried out, even when this auxiliary gas was used, it could not be said that the defect preventing power was sufficient.
[0007]
The document EWI PR 9906 (June 1999) describes a dual beam (or twin beam) in which one beam is separated into two by an optical system such as a prism and a mirror, and the two separated beams are arranged parallel to the welding direction. It is disclosed that a good weld can be obtained. However, when this welding method was implemented, the effect of improving the welded part was hardly obtained by using only dual beams.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a lap welding method for plated steel sheets that can provide a good welded portion without providing a gap between the steel sheets before welding using a laser beam.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems in welding with a laser beam having a short wavelength, the present inventors have conducted welding tests with various laser beams using a galvanized steel sheet, and as a result, have obtained the following knowledge.
[0010]
1) When welding using a laser having a short beam wavelength such as a YAG laser (wavelength: 1.06 μm) or a direct LD laser (wavelength: 0.6 to 1.6 μm), the laser irradiation section is directly above the molten pool. The generation of plasma is extremely small, and in a conventionally used atmosphere having a relatively low oxygen concentration, the reaction between the molten pool and oxygen becomes slow, and as a result, welding defects occur in laser beam welding with a short wavelength.
[0011]
2) However, the following effects can be obtained by using a gas containing 90% or more of oxygen as the assist gas sprayed to the laser irradiation portion.
(1) The surface tension of the molten pool is lowered and the viscosity is lowered, so that zinc vapor is easily discharged from the molten pool to the outside.
[0012]
(2) Since the viscosity of the molten pool decreases, the surface of the molten pool disturbed by the zinc vapor becomes smooth and smooth.
[0013]
{Circle around (3)} Zinc and oxygen react to form solid zinc oxide, the amount of zinc vaporized is reduced, explosive evaporation of zinc is suppressed, and molten metal is prevented from blowing off.
[0014]
3) Since the irradiation direction of the laser beam in the high oxygen atmosphere is the welding progress direction and the irradiation angle is in the range of 5 to 35 degrees, the beam sweep area is widened on the molten pool, so that the molten pool and oxygen The reaction of is promoted more.
[0015]
3) Using a plurality of preceding and following laser beams in a high oxygen atmosphere, for example, using two laser beams (hereinafter referred to as twin beams), the distance between the two laser beams is 0.4 to 3 mm. When the energy ratio of the laser beam is in the range of 0.8 to 3, the reaction between the molten pool and oxygen is promoted rather than welding with one laser beam. Further, the molten pool is lengthened by melting with the front laser beam and irradiating the rear laser beam before solidification, so that the time until solidification becomes longer and the zinc vapor is likely to escape.
[0016]
This invention was made | formed based on the said knowledge, and the summary exists in the overlap welding method of the plated steel plate of following (1)-(6).
[0017]
(1) A welding method in which a plurality of steel plates including at least one plated steel plate are overlapped and irradiated with a laser beam to join the steel plates together, and a laser beam using a gas having an oxygen concentration of 90% or more as an assist gas Overlap welding method for plated steel sheets that are welded while sprayed onto the irradiated part.
[0018]
(2) The lap welding method for plated steel sheets according to (1) above, wherein the wavelength of the laser beam is 0.6 to 1.6 μm.
[0019]
(3) A welding method in which a plurality of steel plates including at least one plated steel plate are overlapped and irradiated with a laser beam to join the steel plates to each other, and the preceding laser beam and the following along the welding traveling direction The distance between the two laser beams is within the range of 0.4 to 3 mm, and the energy ratio of the two laser beams represented by the following formula is within the range of 0.8 to 3 A lap welding method for plated steel sheets, in which a gas having an oxygen concentration of 90% or more is used as an assist gas while being sprayed on a laser beam irradiation portion.
Energy ratio = (Energy of the preceding laser beam) / (Energy of the following laser beam)
(4) The lap welding method for plated steel sheets according to (3) above, wherein the wavelength of the laser beam is 0.6 to 1.6 μm.
[0020]
(5) The laser beam irradiation angle is controlled so that the laser beam irradiation direction is within the range of 5 to 35 degrees while the laser beam irradiation direction is the welding progress direction. The lap welding method for plated steel sheets according to (1) or (2) above.
[0021]
(6) The irradiation direction of one or both of the preceding laser beam and the following laser beam is set as the welding traveling direction, and the angle formed between the line perpendicular to the steel plate surface and the laser beam is 5 to 35 degrees. The lap welding method for plated steel sheets according to claim (3) or (4), wherein welding is performed while controlling the irradiation angle so as to be within the range.
[0022]
Here, the distance between the twin beams refers to the distance from the center of the preceding laser beam irradiation unit to the center of the subsequent laser beam irradiation unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram for explaining the welding method of the present invention using one laser beam. The laser beam is oscillated by a laser oscillator (not shown), transmitted to the torch 1 by an optical fiber, condensed by a lens (not shown) in the torch, and irradiated from the tip of the torch. The torch 1 may be a commonly used one and includes a mechanism capable of injecting the assist gas 2 from the tip thereof, and the assist gas is injected toward the welded portion so as to be coaxial with the laser beam.
[0024]
The steel plates 3a and 3b, which are materials to be welded, are overlapped, and welding is started after being fixed by the clamp jig 4 so that there is no gap between the steel plates.
[0025]
FIG. 2 is a diagram for explaining the irradiation angle of the laser beam. The torch 1 can be tilted with respect to the welding direction indicated by the arrow, and the irradiation angle of the laser beam can be adjusted. Here, the irradiation angle means an angle 9 formed by a line (perpendicular) 8 orthogonal to the steel plate surface 13 and the laser beam.
[0026]
The laser beam is not limited to a single beam but can be a plurality of beams of about 2 to 4 beams, and a twin beam is particularly preferable.
[0027]
FIG. 3 is a view for explaining the welding method of the present invention using a twin beam. The twin beam welding method shown in FIG. 3 differs from the single beam welding method shown in FIG. 1 in that the laser beam transmitted by the optical fiber is divided into two beams. The laser beam transmitted to the torch by the optical fiber passes through the lens 10 and is split into two beams 6a and 6b by the prism 11. The number of divisions of the laser beam transmitted to the torch can be easily changed by changing the shape of the prism.
[0028]
The distance 12 between the twin beams can be changed by exchanging the prisms. In addition, the twin beam energy ratio (front beam energy / rear beam energy) can be changed by moving the prism to the left and right to change the area ratio of the beam irradiated to the prism.
[0029]
The reason for limiting the welding conditions in the present invention will be described below.
[0030]
Assist gas:
The assist gas is used to suppress the occurrence of welding defects, and a gas having an oxygen concentration of 90% or more is used. If the oxygen concentration in the assist gas is less than 90%, the effect of preventing the occurrence of welding defects is reduced, so the oxygen concentration is set to 90% or more. The assist gas may be pure oxygen (oxygen + impurities). When a mixed gas is used, argon gas, nitrogen gas, helium and carbon dioxide gas other than oxygen are used. Impurity components in the assist gas have little effect on weldability.
[0031]
The reason why welding defects can be prevented by increasing the oxygen concentration to 90% or higher is as follows.
[0032]
That is, 1) When the oxygen concentration becomes high, the reactivity between oxygen and molten metal increases, and the surface tension of the molten pool decreases and the viscosity decreases, so that zinc vapor is easily discharged to the outside. 2) The molten pool This is because the molten pool surface disturbed by the zinc vapor becomes smooth and smooth as a result of the decrease in the viscosity of the metal. 3) The plating metal and oxygen react to form a solid oxide, and the amount of vaporized metal decreases. .
[0033]
The supply method of the assist gas is preferable because it is advantageous in terms of cost by directly using a commercially available oxygen cylinder (oxygen purity: 99.7% or more) without mixing with another gas. The upper limit of the oxygen concentration is not particularly specified, but a higher oxygen concentration is preferable from the viewpoint of preventing the occurrence of welding defects. However, if the concentration is increased too much, the cost becomes high.
[0034]
The assist gas may be supplied from the torch so as to be coaxial with the laser beam, or may be blown from the outside of the torch to the welding portion from the laser traveling direction side. That is, it is sufficient that sufficient oxygen can be supplied to the laser welded portion.
[0035]
Next, preferable welding conditions will be described.
[0036]
Laser beam:
During welding, plasma is generated immediately above the laser irradiation part due to the strong energy of the laser. However, when a carbon dioxide laser (wavelength: 10.6 μm) with a long beam wavelength is used, the wavelength is long and the plasma is easily absorbed. A strong plasma that absorbs the energy of the laser is generated immediately above the molten pool. The plasma is very active and promotes the reaction between the molten pool and the surrounding gas. Therefore, even when the oxygen concentration is low, the reaction between the molten pool and oxygen is promoted and the effect of preventing welding defects is exhibited. .
[0037]
However, when using a laser having a short beam wavelength such as a YAG laser (wavelength: 1.06 μm) or a direct LD laser (wavelength: 0.6 to 1.6 μm), it is difficult to be absorbed by plasma. For this reason, the generation of plasma is extremely small immediately above the molten pool, and the reaction between the molten pool and oxygen becomes slow.
[0038]
Therefore, in the present invention, it is preferable to perform welding with a laser having such a short wavelength of 0.6 to 1.6 μm. If the wavelength is less than 0.6 μm, it is not suitable as a laser beam for welding, so the lower limit is preferably 0.6 μm. On the other hand, when the wavelength exceeds 1.6 μm, in the gas environment where the oxygen concentration is 90% or more, the reaction between the molten pool and oxygen may be excessive and excessive oxidation may occur. Preferred wavelengths are YAG laser 1.06 μm, LD laser 0.805 μm and 0.940 μm.
[0039]
Laser welding with a short wavelength, such as a YAG laser, has a higher rate of energy absorbed by the metal that is the material to be welded than carbon dioxide laser welding, so high-speed welding is possible at the same output compared to carbon dioxide laser. There is an advantage of increased efficiency.
[0040]
The laser beam may be a single beam or a plurality of beams, and it is particularly preferable to employ a twin beam described later.
[0041]
Laser beam irradiation angle:
Although the irradiation angle of the laser beam described above may be 0 degree (vertical irradiation), the occurrence of welding defects is more preferably suppressed when the angle is set to 5 to 35 degrees. A more preferable irradiation angle is 5 to 20 degrees.
[0042]
As shown in FIG. 2, the laser beam irradiation to the steel sheet is inclined in the welding progress direction (welding forward), and when the irradiation angle 9 is 5 to 35 degrees, the beam irradiation area is widened on the molten pool, The reaction between the molten pool and oxygen is promoted. In addition, the shape of the molten pool becomes elongated by forward welding, and the time until solidification becomes longer, so that the metal vapor that has entered the molten pool is likely to escape before solidification. Due to these effects, when forward welding is performed, the amount of welding defects is further reduced as compared with vertical irradiation (irradiation angle 0 degree).
[0043]
Twin beam:
When two laser beams are arranged in tandem in the welding direction, and welding is performed using these two laser beams (a front laser beam and a rear laser beam arranged behind the laser beam along the welding direction), one laser is obtained. It is preferable to welding with a beam because the reaction between the molten pool and oxygen is promoted. Further, before the steel plate surface is melted and solidified with the front laser beam, the rear laser beam is irradiated to lengthen the molten pool, so that the time until solidification becomes longer and the zinc vapor is likely to escape.
[0044]
The distance between the twin beams is preferably 0.4 to 3 mm. If the thickness is less than 0.4 mm, the molten pool does not become so large that a remarkable effect of the twin beam cannot be obtained. If it exceeds 3 mm, the molten pool formed by the preceding beam is solidified and it becomes difficult for the vapor to escape, so the upper limit is preferably 3 mm. More preferably, it is 0.4-1.2 mm.
[0045]
Furthermore, it is preferable that the energy ratio of the two laser beams represented by the following formula is in the range of 0.8-3. More preferably, it is 1-2.
Energy ratio = (Energy of the preceding rebate) / (Energy of the rebate rebate)
If the energy ratio is less than 0.8 or exceeds 3, the amount of weld defects is increased, so the energy ratio is 0.8-3. Preferably, it is 1-2.
[0046]
The twin beam is obtained by dividing light transmitted from one laser oscillator through a fiber into two by a prism. Also, two lights transmitted from two laser oscillators may be used, which is suitable for making the irradiation angles of the preceding beam and the following beam different.
[0047]
Even in the case of welding with a twin beam, it is preferable to set the irradiation angle of one or both of the beams to 5 to 35 degrees.
[0048]
When the irradiation angle of one or both of the twin beams is 5 to 35 degrees, the occurrence of welding defects is further suppressed.
[0049]
Next, other preferable welding conditions are as follows.
[0050]
Welding speed:
What is necessary is just to determine a welding speed with the plate | board thickness of a to-be-welded material, the number of welding, and production tact time, and a preferable speed | rate is 2-4 m / min. The welding speed in the case of welding by twin beams is also the same.
[0051]
Assist gas flow rate:
The flow rate may be determined by the welding speed, the nozzle position of the assist gas, the nozzle diameter, and the like, and the preferred flow rate is 10 to 40 l / min.
[0052]
【Example】
Example 1:
Using the welding apparatus shown in FIG. 1, a welding test by vertical irradiation of one laser beam was performed.
[0053]
Three types of alloyed hot-dip galvanized steel sheets (JAC270E, plating coverage 60 g / m ² ) of plate thickness: 0.7 mm, 1.0 mm, and 1.4 mm were used as test materials. Then, welding was performed by fixing with the clamp jig 4 so that no gap was generated between the stacked steel plates.
[0054]
As the laser, a lamp-pumped Nd: YAG laser having a wavelength of 1.06 μm and a direct LD laser having a wavelength of 0.805 μm were used. The main welding conditions were as shown in Table 1.
[0055]
[Table 1]

[0056]
The welding speed and the assist gas flow rate were adjusted according to the plate thickness. As the assist gas, a mixed gas in which oxygen and argon were mixed was used, and the oxygen concentration in the assist gas was variously changed. Other welding conditions were as follows.
[0057]
Oscillation mode: Continuous oscillation output: 3.0 kW at machining point
Focus position: After the welding of the steel sheet surface, the occurrence of welding defects was examined by the following method.
[0058]
FIG. 4 is a diagram for explaining a method for evaluating a weld defect. As shown in FIG. 4, the length (Ll, L2, L3...) Of the surface defect 13 of the weld bead on the laser irradiation side is measured. The ratio of the length of the surface defect to the weld length (L) was determined by the following formula. The results are shown in Table 1.
[0059]
Surface defect ratio = [(Ll + L2 +...) / L] × 100 (%)
The symbols in the table indicate the ratio of the following surface defects.
[0060]
×: 20% or more Δ: 10% or more but less than 20% ○: 5% or more but less than 10% ◎: less than 5% As shown in Table 1, when the oxygen concentration in the assist gas is 0% (argon 100%), Many welding defects occurred. Increasing the oxygen concentration in the assist gas tended to reduce welding defects. However, when the oxygen concentration was 85% or less, the effect of preventing the generation of defects was insufficient at any plate thickness. When the oxygen concentration was 90% or more, the weld defect was less than 10%, which was good.
[0061]
Example 2:
Using the welding apparatus shown in FIG. 1, a welding test was carried out using a single laser beam and varying the irradiation angle.
[0062]
Use an alloyed hot dip galvanized steel sheet (JAC270E, 50g / m ² plating coverage) with a thickness of 0.7mm as the test material, and stack the two sheets so that there is no gap between the steel sheets. Welded.
[0063]
An Nd: YAG laser having a wavelength of 1.06 μm was used as the laser. The laser irradiation angle was variously changed in the range of 0 degree (vertical irradiation) to 35 degrees. The main welding conditions were as shown in Table 2.
[0064]
[Table 2]

[0065]
Other welding conditions were as follows.
[0066]
Oscillation mode: Continuous oscillation output: 3.0 kW at machining point
Welding speed: 3.0 m / min
Focus position: Two types of argon gas (argon concentration: 99.8%, balance: impurities) and oxygen gas (oxygen concentration: 99.8%, balance: impurities) were used as the steel sheet surface assist gas.
[0067]
The weld defect was evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 2.
[0068]
As is apparent from Table 2, when argon gas was used as the assist gas, welding defects occurred frequently regardless of the laser irradiation angle. When oxygen was used as the assist gas, welding defects were reduced. In forward welding with an irradiation angle of 5 to 35 degrees, the amount of spatter was reduced and welding defects were reduced and a good weld joint was obtained compared to vertical irradiation (irradiation angle: 0 degree).
[0069]
Example 3:
Twin beam welding was performed using the apparatus shown in FIG.
[0070]
As a test material, an alloyed hot-dip galvanized steel sheet (JAC270E, coating amount 50 g / m ² ) having a thickness of 0.7 mm was used, and two of them were stacked and clamped so that no gap was formed between the steel sheets. did.
[0071]
Irradiation angles were 0 degrees (vertical spraying), 5 degrees, and 20 degrees for both beams.
[0072]
As the laser, a lamp-pumped Nd: YAG laser having a wavelength of 1.06 μm was used. The laser beam was oscillated by a laser transmitter, transmitted to the torch 1 by an optical fiber, and divided into two beams (twin beams) by the prism 11. Various distances 12 between the twin beams were changed by exchanging the prism. Further, in order to set the irradiation angle to 5 degrees and 20 degrees, the torch was inclined. In addition, the energy ratio of the twin beam (front beam energy / backward beam energy) was changed by moving the prism left and right to change the ratio of the beam area irradiated onto the prism.
[0073]
The main welding conditions were as shown in Table 3, and the other welding conditions were as follows.
[0074]
Oscillation mode: Continuous oscillation output: 3.0 kW at machining point
Welding speed is 3.0m / min
Focus position: Steel plate surface [0075]
[Table 3]

[0076]
Argon gas (argon concentration: 99.8%, balance: impurities) and oxygen gas (oxygen concentration: 99.8%, balance: impurities) were used as the assist gas.
[0077]
After the end of welding, the weld defect of the weld was evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 3.
[0078]
As shown in Table 3, when the assist gas was 99.8% argon gas, no improvement in welding defects was observed even when the twin gas was changed.
[0079]
As a result of the assist gas being oxygen 99.8% and welding with a twin beam, the twin beam spacing is 0.40 mm to 3.0 mm, and the energy ratio before and after the twin beam (front beam energy / backward In the condition of the beam energy of 0.8 to 3.0, the welding defects were reduced compared to the case of the single beam.
[0080]
In the above examples, an example of an alloyed hot-dip galvanized steel sheet has been shown, but the boiling point is higher than the melting point of the base steel such as hot-dip galvanized steel sheet, electrogalvanized steel sheet, and various alloy-plated steel sheets containing zinc. This welding method can be applied to various types of surface-treated steel sheets that have been surface-treated with a low-quality substance.
[0081]
【The invention's effect】
According to the welding method of the present invention, it is possible to perform high-speed welding using a laser beam, and it is good even if lap welding of plated steel sheets is performed without providing a gap that serves as a passage for metal vapor between the steel sheets before welding. A weld is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a welding method of the present invention using one laser beam.
FIG. 2 is a diagram illustrating an irradiation angle of a laser beam in forward welding.
FIG. 3 is a diagram for explaining a welding method of the present invention using a twin beam.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a method for evaluating a welding defect.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser torch 8 Perpendicular line 2 Assist gas 9 Beam incident angle 3a, 3b Plated steel plate 10 Lens 4 Clamping device 11 Prism 5 Melting part 12 Twin beam interval 6 Laser beam 13 Surface defect

Claims

A welding method in which a plurality of steel plates including at least one plated steel plate are overlapped and irradiated with a laser beam to join the steel plates to each other, and a laser beam irradiation part using a gas having an oxygen concentration of 90% or more as an assist gas A lap welding method for plated steel sheets, wherein welding is performed while spraying on the steel sheet.

The method of lap welding of plated steel sheets according to claim 1, wherein the wavelength of the laser beam is 0.6 to 1.6 µm.

A welding method in which a plurality of steel plates including at least one plated steel plate are overlapped and irradiated with a laser beam to join the steel plates together, the preceding laser beam and the following laser beam along the welding direction The distance between the two laser beams is within the range of 0.4 to 3 mm, and the energy ratio of the two laser beams represented by the following formula is within the range of 0.8 to 3, A lap welding method for plated steel sheets, wherein welding is performed while blowing a gas having an oxygen concentration of 90% or more as an assist gas to a laser beam irradiation portion.
Energy ratio = (Energy of the preceding laser beam) / (Energy of the following laser beam)

The lap welding method for plated steel sheets according to claim 3, wherein the wavelength of the laser beam is 0.6 to 1.6 µm.

The welding direction is the laser beam irradiation direction, and the laser beam irradiation angle is controlled so that the angle formed between the line perpendicular to the steel sheet surface and the laser beam is within a range of 5 to 35 degrees. The lap welding method for plated steel sheets according to claim 1 or 2, characterized in that

The irradiation direction of one or both of the preceding laser beam and the following laser beam is set as the welding progress direction, and the angle formed between the line perpendicular to the steel plate surface and the laser beam is within a range of 5 to 35 degrees. The lap welding method for plated steel sheets according to claim 3 or 4, wherein the welding is performed while controlling the irradiation angle.