JP2004261871A - 亜鉛めっき鋼板をレーザ溶接するための接合設計 - Google Patents

Abstract

【課題】低蒸発温度を有する亜鉛めっきにより保護された少なくとも２枚の金属板を溶接する方法を提供すること。
【解決手段】金属板は、少なくとも１枚の金属板が溶接領域の始端に湾曲部を有するように、互いに重ねて配置される。溶接は、一部が接触した金属板上で、一部が金属板間の間隙で行われて、保護材料の蒸発により発生したガスを溶接領域から流出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の鋼板を共にレーザ溶接するための方法に関する。特に、本発明は、レーザ・ビーム溶接動作を行って、２枚の亜鉛めっき鋼板を分子結合するための方法に関する。

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。

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、露出鋼板（ｂａｒｅ ｓｈｅｅｔ ｓｔｅｅｌ）、すなわち外部の作用物から鋼板を保護するカバー材を持たない鋼板の溶接に特に効果的であることがわかっているが、低蒸発温度材料の被覆層を使用して外部の作用物（ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｇｅｎｔ）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」（ｌｏｗ−ｖａｐｏｒｉｚｉｎｇ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）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。

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の板との当接面上の亜鉛材料は、激しく蒸発してガス状になり、溶接ゾーンの上下部を分離させ、かつ／または溶接ゾーンを通ってレーザ・ビーム側へ膨張して最終溶接部に孔を作る傾向がある。

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。

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・ビームを織目（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めっきを開示している。織目の幅は、重ね接合と織目頻度（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、重ね接合と織目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。

鋼板を垂直に配置する方法により、薄膜耐食性亜鉛めっき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、薄膜耐食性亜鉛めっき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枚の亜鉛めっき板と、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、２枚の亜鉛めっき鋼板を共にレーザ溶接するための方法を対象としている。方法は、第１の材料と第２の材料とを重ねて設けるステップを含む。第１の材料は湾曲するか、またはレーザ溶接を行う位置で、もしくは位置近くで第２の材料から逸れる。レーザ溶接動作のためのゾーンは、第１の縁部と第２の縁部との間に画定され、所定の幅を有する。次に、レーザ溶接がこの領域で行われる。

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の両方に設けられることを表している。これ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、金属板２０の単一の保護層２２が、図２に示すように板１０、２０間に位置しているが、両方の板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。

図１に示すように、第１の金属板１０は、半径Ｒが末端１６側に位置する湾曲部１４に移行する走行端（ｒｕｎｎｉｎｇ ｅｎｄ）１８を有する。第２の金属板２０は、第１の金属板１０の走行端１８の形状に一致する末端２６を有する。これにより、第１の金属板１０と第２の金属板２０との間の締まり嵌めが可能になる。２つ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。

図２に示すように、第１の金属板１０は第２の金属板に重ね合わされて、走行端１８が第２の金属板２０の末端２６上に面一に載置される。溶接装置上で２枚の金属板１０、２０を溶接するために、金属板１０の平坦部分である走行端１８が、金属板２０の末端２６に接触して配置され、当業者に公知の手段により末端２６に保持される。続けて、溶接装置（図示せず）のヘッドが、中心線５０（図３参照）に沿って溶接領域４２で第１の金属板１０の自由面に対向して配置される。

溶接領域４２は、第１の金属板１０の曲率半径、最大許容溶接間隙、および最小材料厚さの関数として画定される。溶接領域４２は、２枚の金属板１０、２０間の接点から画定される。溶接領域４２は、接点から曲率半径および２枚の金属板１０、２０間の間隙へ向かう第１の最大距離と、接点から２枚の金属板１０、２０が接触する方向へ向かう第２の最大距離とを有する。距離はＸ_１およびＸ_２として図示される。

第１の金属板１０の湾曲部１４と第２の金属板２０との間の、第１の最大距離Ｘ_１での最大間隙を画定する必要がある。最大間隙ｙは、溶接完了時に溶接部の上部輪郭に影響するため重要である。間隙ｙの幅が広すぎると、溶接部がたるんで、最小荷重下でも溶接ができない状態を生じる。間隙ｙが非常に小さい場合には、溶接領域４２が、従来の方法による繰り返し可能な溶接位置を達成するのに有用でない幅に減少する。溶接中に亜鉛蒸気が流出できない点まで間隙ｙが減少すると、溶接部に孔や隙間が生じて、最小荷重下での溶接ができなくなるおそれが生じる。

溶接領域４２を求めるのに使用する特定の測定位置、ならびに第１の金属板と第２の金属板との形状関係は、図３にも最もよく示される。

接点からの第２の最大距離Ｘ_２は、例えば２枚の金属板１０、２０の最小材料厚さの半分のように、金属板１０、２０の材料厚さに関連して画定される。

接点からの第２の最大距離Ｘ_１は、半径Ｒと、第１の最大距離Ｘ_１での間隙ｙとの関数として画定され、以下の式を実行することにより求められる。

まず、第１の金属板１０と第２の金属板２０との間の、第１の最大距離Ｘ_１での間隙ｙを求める。間隙ｙは、以下の式により求められる。
ｙ＝０．２（Ｒ）
ここで、Ｒは曲率半径に等しい。

距離Ｒ−ｙは、間隙ｙの算出後に求められる。距離Ｒ−ｙは、以下の式により角度Ａを求める必要がある。
Ｓｉｎ Ａ＝（Ｒ−ｙ）／Ｒ

角度Ａが求められると、第１の最大距離Ｘ_１が以下の数式により求められる。
Ｘ_１＝Ｒ（ｃｏｓ Ａ）

結果として得られる第１の最大距離Ｘ_１は、湾曲部の円周に沿った最大間隙ｙの測定値に一致する。

溶接領域４２は、レーザ・ヘッドを整合させる中心線５０を有する。Ｘ_１とＸ_２との間の中心線５０は、材料厚さおよび曲率半径の臨界値がわかると概算することができる。溶接領域４２の位置は、以下の表を使用して概算することができる。

したがって、第１の最大距離Ｘ_１および第２の最大距離Ｘ_２は、溶接部を位置決めすることのできる範囲である。この技術を適用する際に考慮しなければならない他の要因には、材料の溶接に使用されるレーザ出力がある。レーザ出力の変化は、溶接すべき材料の最大厚さに影響を与える。

図４は、本発明の別の実施形態を示す。ここでは、第１の金属板１００が、前記例のような湾曲部の代わりに、第２の金属板１３０から離れて傾斜する傾斜部１１０を有する。ここでは、傾斜部１１０が、許容最大間隙を求めるのに使用する斜面を有する。この斜面を使用して、第１の最大距離Ｘ_１と許容最大間隙ｙとの形状関係を算出する。

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。

溶接のために位置決めする前の、２枚の金属板を示す、本発明の側面図である。 溶接のために位置決めされた２枚の金属板を示す、本発明の側面図である。 本適用で使用される形状関係を示す側面図である。 湾曲部の代わりに斜面を使用する、本発明の代替形態の側面図である。

符号の説明

１０ 第１の金属板
１２、２２ 保護層
１４ 湾曲部
２０ 第２の金属板

Claims (12)

1. レーザ・ビーム溶接動作を行って、２枚の保護被覆鋼板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、前記第１の金属材料が前記第２の金属材料から逸れる部分を有するステップと、
   第１の縁部と第２の縁部との間に延び、所定の幅を有する、レーザ溶接動作を行うためのゾーンを画定するステップと、
   前記ゾーン内でレーザ溶接を行うステップとを含む方法。
2. 間隙領域をさらに含み、前記間隙領域が、以下の式
   ｙ＝０．２（Ｒ）
   により求められる最大間隙を有し、ここで、ｙは最大間隙、Ｒは前記第１の金属板および前記第２の金属板の一方の最小厚さである、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１に記載の方法。
4. 前記ゾーンを画定する方法が、前記第１の金属材料の曲率半径の関数として求められる、請求項１に記載の方法。
5. 前記ゾーンを画定する方法が、前記第１の金属材料の曲率半径、前記第１の金属材料および前記第２の金属材料の一方に対応する最大間隙幅、および最小材料厚さから選択された形状特性の関数である、請求項１に記載の方法。
6. 前記ゾーンが、接点から、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とが互いに接触する位置までの間に位置するゼロ間隙領域と、前記接点から前記湾曲部までの間に位置する間隙領域とを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ゼロ間隙領域が、以下の式
   Ｘ_２＝Ｓ／２
   により画定され、ここで、Ｘ_２はゼロ間隙領域、Ｓは前記第１の金属板および前記第２の金属板の一方の最小厚さである、請求項６に記載の方法。
8. 前記間隙領域が、以下の式
   Ｘ_１＝Ｒ（ｃｏｓ Ａ）
   から求められ、ここで、Ｘ_１は間隙領域、Ｒは前記湾曲部の曲率半径、Ａは前記半径とＸ_１とから形成された角度であり、Ａは以下の式
   Ｓｉｎ Ａ＝（Ｒ−ｙ）／Ｒ
   から求められ、ここで、ｙは最大間隙である、請求項６に記載の方法。
9. 前記第１の縁部が前記ゼロ間隙領域の境界に位置し、前記第２の縁部が前記間隙領域の境界に位置する、請求項６に記載の方法。
10. 前記第１の縁部が、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とが接触する位置に近接する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の縁部が前記湾曲部上の位置と前記第２の金属材料上の位置とに近接し、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とが互いに接触しない、請求項９に記載の方法。
12. 前記間隙領域が、以下の式
    ｙ＝０．２（Ｒ）
    により求められた最大間隙を有し、ここで、ｙは最大間隙、Ｒは前記第１の金属板および前記第２の金属板の一方の最小厚さである、請求項９に記載の方法。

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