JP2004261870A - 亜鉛被覆鋼板をレーザ溶接するための接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜鉛被覆鋼板をレーザ溶接するための接合設計を提供する。
【解決手段】低蒸発温度を有する亜鉛被覆１２，２２により保護された少なくとも２枚の金属板１０，２０を溶接するときに、金属板が互いに重なって配置され、溶接装置のヘッド３０が板の上を通過する。溶接装置のヘッド３０は、ＧＭＡＷ溶接装置３６またはＭＩＧろう付け装置の前にレーザ３４が配置されるように構成される。レーザ３４は、保護亜鉛被覆を蒸発させ排出させることができるように、金属板にチャネル４２を切削する。ＧＭＡＷ溶接装置またはＭＩＧろう付け装置は、レーザに続いて、チャネルに充填する材料を溶着させて、２枚の板を共に溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の鋼板を共にハイブリッド・レーザ溶接するための方法に関する。特に、本発明は、単一溶込み重ね継手企画（ｓｉｎｇｌｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｌａｐ ｊｏｉｎｔ ｄｅｓｉｇｎ）を使用して鋼板型打ち品（ｓｔｅｅｌ ｓｔａｍｐｉｎｇ）を油圧成形部品（ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｅｄ ｐａｒｔ）と接合するレーザ・ビーム溶接動作を行う方法に関する。

従来、平坦なまたは他の形状の延伸金属板を切断線に沿って切断するためだけでなく、板を共にスポット溶接またはシーム溶接するためにもレーザ・ビーム装置を使用することが公知である。板は、亜鉛等の保護層で表面をめっきされた、またはめっきされていない鋼板型打ち品または油圧成形部品とすることができる。

レーザ溶接中、レーザ・ビームからのエネルギーが第１の鋼板を貫通して第２の鋼板に到達し、２枚の板の一部を十分に高温になるよう加熱して、溶融して共に融合し、重ね接合を形成するようにする。しかし、第１の板と第２の板との当接面を亜鉛等の保護層でめっきすると、保護層は蒸発してガス状になり、溶接接合部の上下部間に圧力を生じさせる。蒸気圧は、レーザ・ビームにより生成された溶融ベース・メタルを通って広がり、溶接孔、過度のスパッタ、およびアンダーカット、余盛不足、空隙等の不良な溶接面状態を生じさせる。このような状態により、後に溶接部に破損が生じるおそれがある。

亜鉛等の材料または同様の材料を使用してこのように保護された２枚の金属板を、露出板の溶接に使用する技術と同一の技術を使用して共に溶接する場合、結果として生じる溶接部は、常に凸凹で、くぼみや欠陥だらけであり、費用のかかる、これらを除去するための加工を引き続き行う必要がある。

一般的な実施によれば、レーザ溶接用の２枚の鋼板を、把持部により溶接領域全体に沿って、できるだけぴったりと互いに接触させて保持し、特に板間の熱伝導が確実に最大になるようにする。次に、板にレーザ・ビームを当てて、ビームが照らした溶接領域の金属を精錬することにより、板を共に溶接する。

前記方法は、２枚の鋼板の接合部に近接した領域に付着して溶接継目を作る溶加材を加えて、または加えずに露出鋼板を溶接するのに特に効果的であることがわかっているが、前記したような保護層でめっきされる板材料には特に効果がない。

この方法は、低蒸発温度材料の被覆層を使用して外部の作用物から保護された金属板を共に溶接する場合には不適当であることがわかっている。「低蒸発温度材料」という語は、鉄よりもかなり低い溶融および蒸発温度を持つ、亜鉛等の材料を意味する。

２枚の金属板を溶接する際の溶接プロセス中のこれらの欠点をなくすための別の方法が公知であり、この金属は、溶接ゾーンに閉じ込められて膨張する傾向のある付随ガスを有するタイプのものであり、例えばレーザからの熱による溶接中に蒸発する亜鉛である。１つの方法は、標準のレーザ・ビームに、加圧シールド・ガスの周囲流を加える。このシールド・ガスは、２枚の溶融金属を合わせ、かつ膨張した付随ガスをレーザ・ビームから離れた方向に向けて溶接ゾーンから流出させるのに十分な圧力を、溶接ゾーン表面で発生させるのに効果的であり、これにより、孔のない溶接部が作られる。

亜鉛めっき材料（ｇａｌｖａｎｉｚｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）を溶接するための別の方法は、亜鉛めっき材料の部品を重ね接合（ｌａｐｐｅｄ ｊｏｉｎｔ）で並置するステップと、重ね接合に沿って高密度レーザ・エネルギー・ビームをウイーブ・パターン（ｗｅａｖｅ ｐａｔｔｅｒｎ）として加えるステップとを含む、低蒸気圧力低濃度鋼心および高蒸気圧力高濃度亜鉛被覆を開示している。ウイーブ・パターンの幅は、重ね接合とウイーブ・パターン頻度（ｗｅａｖｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とを架橋するのに十分なものであり、部品間に所定の溶融池を形成する。ここで、重ね接合とウイーブ・パターンとが組み合わさって蒸気圧力解放通路を画定し、高密度レーザ・エネルギー・ビームを亜鉛めっき部品に印加する際に溶融池が破裂しないようにする。

別の方法では、２枚の金属板部品が互いに近接して配置され、第１の板の上面が他方の金属板とは反対の側を向くように、１枚の板が他方の板の上に配置される。第２の板とは反対の側を向いた上面にレーザ・ビームが当てられ、補充金属および反応剤を含む供給ワイヤが、レーザ・ビームとレーザ・ビームが当てられる表面との交差部に設けられる。反応剤は保護層鋼板の亜鉛と反応して、亜鉛の少なくとも一部が蒸発するのを防止し、補充ワイヤ（ｆｅｅｄ ｗｉｒｅ）は結果として生じる溶接部のための溶加材として必要な程度まで働く。金属板部品とレーザ・ビームとの間で相対動が生じ、２枚の金属板部品の良好なレーザ溶接部が作られる。

鋼板を垂直に配置する方法により、薄膜耐食性亜鉛被覆（ｔｈｉｎ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｆ ｚｉｎｃ）を有する鋼板をレーザ溶接することも公知である。板に垂直に配置されるレーザ・ビームが板に当てられ、板の材料を溶融して溶接部を作る。溶接中、板およびレーザ・ビームを互いに垂直に移動させて、材料のレーザ加熱によりキャビティを作る。したがって、液体または溶融材料が重力により垂直に下方へ流れ、キャビティを伸長させることにより、キャビティからの亜鉛蒸気の流出を促進させる。

同様に、薄膜耐食性亜鉛被覆を有する鋼板をレーザ溶接して、材料を溶融させて溶接部を作るときに、パルス・レーザ・ビームを使用することも公知である。溶接中、レーザ・ビームのパルスがオン・オフされ、板およびパルス・レーザ・ビームを互いに垂直に移動させて、材料のレーザ加熱によりキャビティを作る。ここで再び、液体または溶融材料が重力により垂直に下方へ流れ、キャビティを伸長させることにより、キャビティからの亜鉛蒸気の流出を促進させる。

保護層と溶接領域付近の板との間の外部連通を可能にするために、板の形状、クランプの位置、および溶接の位置を変えることも公知である。

したがって、従来技術は、板の物理的特性に関連する板形状と溶接位置との関係を十分に開示していない。

前記の欠点を鑑みて、材料の２枚の亜鉛被覆板（ｚｉｎｃ ｃｏａｔｅｄ ｓｈｅｅｔ）と、レーザ溶接位置と、板形状との間の特定の形状関係が必要である。

本発明は、溶込み重ね企画（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｌａｐ ｄｅｓｉｇｎ）を使用して鋼板型打ち品を油圧成形部品に接合するための片面方法（ｓｉｎｇｌｅ ｓｉｄｅ ｍｅｔｈｏｄ）を提供することにある。鋼板型打ち品は、亜鉛被覆のような保護層で被覆されていても、被覆されていなくてもよい。

前記方法は、第１の金属材料と第２の金属材料とを重ねて設けるステップと、レーザ装置とＧＭＡＷ溶接装置またはＭＩＧろう付け装置とを間隔を置いて含むヘッドを設けるステップと、第１の金属材料および第２の金属材料に対してヘッドを移動させて、レーザが第１の金属材料を完全に貫通して切削し、かつ第２の金属材料の少なくとも一部を切削して、蒸発した保護層を排出させることのできるチャネルまたはトラフを形成するステップとを含む。ＧＭＡＷ溶接材料またはＭＩＧろう付け材料が、掘削されたチャネルまたはトラフに充填されて２つの材料を共に溶接する。

あるいは、レーザが第１の金属材料を完全に貫通して切削し、かつ第２の金属材料の一部を切削して、長いキーホールを形成する。このキーホールは、蒸発した保護材料を排出させることができ、ＧＭＡＷ溶接材料またはＭＩＧろう付け材料を、掘削されたチャネルまたはトラフに充填して２枚の材料を共に溶接することができる。

これらおよび他の利点は、本発明の基礎をなす原理を例示する、以下の詳細な説明および関連する図面を参照することにより明らかになろう。

図１に示すように、第１の金属板（ｓｈｅｅｔ ｏｆ ｍｅｔａｌ）１０が第２の金属板２０に接合される。第１の金属板１０は、第２の金属板２０の上に配置される。第１の金属板１０および第２の金属板２０は共に、低蒸発温度材料から作られた保護層１２、２２を含む。この種の材料の一例は亜鉛である。

図１は、第１の金属板１０と第２の金属板２０とが別個の板であることを示しているが、本発明の目的で、２枚の金属板は、曲げたり巻いたりしてＵ字型に似せた１枚の板から構成されていてもよい。

さらに、添付図面は、単一の保護層１２、２２が第１の金属板１０、２０の両方の上面に設けられることを表している。金属板上に配置された亜鉛の保護層の一般的な厚さは、０〜約７．５ミクロンである。

図１および２に示す保護層１２、２２の特定の位置は、本発明を限定するものではなく、実施する場合に通常行うように、金属板１０、２０の各々が２枚の対向する保護層（図示せず）を備える。最後に、すべての添付図面において、第２の金属板２０の単一の保護層２２が、図１および２に示すように金属板１０、２０間に位置しているが、両方の金属板１０、２０の保護層１２、２２が対向して金属板間に配置されるとしても、確実な説明は明らかに何ら影響を受けない。同様に、図示しないが、保護層１２、２２を各板の上面と下面の両方に配置することができる。

図１に示すように、第１の金属板１０は、第２の金属板２０の上に配置される。一般に、第１の金属板１０の重なり部は、第１の金属板１０が上に配置される第２の金属板２０の対応部分と同一の形状および／または外形である。

第１の金属板と第２の金属板の形状または外形が互いに整合しないことが考えられる。このような状況は本発明の適用可能性を限定するものではない。第１の金属板と第２の金属板との間の間隙は比較的わずかであり、本方法により達成される溶接部に影響を与えることはない。しかし、２枚の金属板間の間隙が小さいほど、結果として生じる接合溶接部がより良好に形成される。

第１の金属板１０および第２の金属板２０は、適切に配置されると、定位置に保持され、溶接装置のヘッド３０に関連して配置される。溶接装置のヘッド３０は、第１の金属板１０の自由面を向いて配置される。図１は第１の金属板１０の自由面を向いたヘッド３０を示すが、ヘッド３０を下側から第２の金属板２０の下部自由面に向けることもできる。

溶接装置のヘッド３０は、溶接領域４０付近で２枚の金属板１０、２０を接合するために、ガス−金属アーク溶接装置［ｇａｓ ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄｅｒ］（以下「ＧＭＡＷ」と称する）３６に接続されたレーザ３４を含むハイブリッド型である。レーザ３４は、通過して２枚の金属板１０、２０を接合するときにＧＭＡＷ３６よりも前にくるように、ヘッド内で方向付けされる。

好ましい実施形態では、溶接装置のヘッド３０は、前記したように第１の金属板１０の上面に面して配置される。溶接装置のヘッド３０が第１の金属板１０および第２の金属板２０の上を通過するときに、最初にレーザ３４が溶接領域４０に接触する。

レーザ３４は、第１の板１０の厚さ全体を貫通し、かつ第２の板２０の厚さの少なくとも一部まで貫入するのに十分なエネルギー・ビームを発射する。レーザ３４から発射されたビームにより第１の金属板１０が貫通すると、２枚の金属板１０、２０が溶接領域４０付近で加熱される。レーザからの熱および／またはエネルギーにより溶接領域４０付近の温度が上昇し、溶接領域４０近くの保護層１２、２２が蒸発する。次に、保護層１２、２２から蒸発したガスが環境中に放散される。レーザ３４が通過した後に最終的にできるのが、チャネルまたはトラフ４２である。

第１の金属板１０を貫通し、かつ第２の金属板２０の少なくとも一部に貫入するチャネルまたはトラフ４２がレーザ３４により掘削されると、ＧＭＡＷ３６は、レーザ３４のすぐ後に続いて、ＧＭＡＷ３６から、またはヘッド３０に取り付けられた従来の溶接装置からミグ（ＭＩＧ）ろう付け材料をチャネルまたはトラフ４２に充填する。

図２に最もよく示す代替形態では、移動を防止するために第１の金属板１０および第２の金属板２０が定位置に堅く保持されている。溶接装置のヘッド３０が金属板１０、２０上を通過すると、レーザ３４は第１の金属板１０および第２の金属板２０の両方を完全に貫通する間隙４４を切削する。次に、ＧＭＡＷ３６が、レーザ３４の後に続いて、溶接領域４２に確実な溶接部を形成するために、間隙４４にＭＩＧろう付け材料を充填する。

前記の説明から、当業者は、本発明の基本的な特徴を容易に把握することができ、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に種々の変更および修正を行って、本発明を種々の用法および状態に合わせることができる。例えば、亜鉛以外の別の材料でめっきを行ってもよい。

結合された２枚の金属板を示す斜視図である。 ２枚の金属板を完全に貫通して切削されたトラフまたはチャネルを示す、本発明の代替形態の斜視図である。

符号の説明

１０ 第１の金属板
１２、２２ 保護層
２０ 第２の金属板
３０ ヘッド
３４ レーザ
３６ ガス−金属アーク溶接装置（ＧＭＡＷ）
４２ チャネルまたはトラフ

Claims (7)

1. レーザ・ビーム溶接動作を行って、２枚の鋼片を共に分子結合するための方法であって、
   少なくとも第１の金属材料と第２の金属材料とを重ねて設けるステップと、
   レーザ装置と、ＧＭＡＷ溶接装置およびＭＩＧろう付け装置のうちの少なくとも１つとを間隔を置いて含むヘッドを設けるステップと、
   前記第１の金属材料および前記第２の金属材料に対して前記ヘッドを移動させるステップと、
   前記レーザにより、前記第１の金属材料を完全に貫通して切削し、かつ前記第２の金属材料の少なくとも一部を切削してチャネルを形成するステップと、
   前記ＧＭＡＷ溶接装置およびＭＩＧろう付け装置のうちの少なくとも１つで前記チャネルを充填して、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とを共に溶接するステップと、
   を含む方法。
2. 前記第１の金属材料および前記第２の金属材料の少なくとも１つに保護層を設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記保護層が亜鉛ベースの材料である、請求項２に記載の方法。
4. 前記レーザが前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とを切削するときに、前記保護層を蒸発させるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記チャネルを充填するステップの前に、前記蒸発した保護層が外部環境中に放散される、請求項４に記載の方法。
6. 前記ヘッドを前記第１の金属材料および前記第２の金属材料に対して移動させて、前記ＧＭＡＷ溶接装置およびＭＩＧろう付け装置のうちの少なくとも１つより前に、前記レーザが前記第１の金属材料および前記第２の金属材料に接触するようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の金属材料が、前記レーザによる切削ステップ中に、完全に貫通して切削される、請求項１に記載の方法。

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