JP2005350689A

JP2005350689A - レーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板

Info

Publication number: JP2005350689A
Application number: JP2004170063A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Shimoda; 信之下田; Koichi Nose; 幸一能勢; Ikuro Yamaoka; 育郎山岡; Masato Nakazawa; 眞人仲澤; Akihiro Miyasaka; 明博宮坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】レーザー溶接、特に鋼板間に隙間を設けないレーザー重ね溶接性に優れた亜鉛合金めっき鋼板を提供する。
【解決手段】片面あたり１０〜１００ｇ／ｍ²のＺｎ含有量を有する亜鉛合金めっき鋼板であって、該亜鉛合金めっきの融点が４００℃以下で、該亜鉛合金の融点での粘性率が３．５Ｐａ・ｓ以下、表面張力が７８０ｍＮ・ｍ^-1以下であることを特徴とするレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板である。
【選択図】なし

Description

本発明は、レーザー溶接用亜鉛系めっき鋼板、特にレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板に関するものである。

従来、薄鋼板をレーザー溶接する場合、突き合わせ溶接を行うとすると、被溶接部に高い加工精度が要求されるため、重ね溶接が適用される場合が極めて多い。薄鋼板のレーザー溶接は、高速、非接触、連続溶接であり、現在多用されている抵抗溶接より、強度、部品の設計裕度において優れており、自動車等の組み立て加工への適用が増大している。

一方、自動車車体、部品ともに耐食性を高めるために、亜鉛もしくは亜鉛合金をめっきした鋼板が多用されているが、亜鉛めっき鋼板のレーザー重ね溶接では、重なり部分の亜鉛めっきが溶接部に欠陥を生じさせ、大きな問題となっている。特に、低沸点の亜鉛がレーザー光で加熱され、急激に沸騰することにより、ブローホールの発生、激しい場合では溶接金属を吹き飛ばし、大きなピットを形成する等して、溶接部の強度を著しく低下させる現象が多発している。また、溶接時のスパッタの発生量も多く、作業環境を著しく低下させる原因ともなっている。

この現象を回避するために多くの手法、例えば、鋼板間に隙間を設けることにより、亜鉛蒸気を逃がす方法の有効性が報告されている。また、必要な隙間の定量化も進んでいる。この隙間を設ける方法を工業生産上に確実に利用するために、鋼板に突起を設ける方法が提案されている。これとは別に、鋼板間の隙間を設けること無しに、間欠的にレーザービームを入射し、もしくは波形制御を行うことにより、亜鉛蒸気の発生を抑制する方法が提案されている。また、2つのレーザーを用いて溶接を行い、最初のレーザーで亜鉛を除去し、2つ目のレーザーで溶接を行う方法も提案されている。

特開平５−５０２７８号公報特開２００１−１６２３８８号公報特開２００２−１６００８３号公報Ｊ．Ｈｅｙｄｅｎ，Ｐｒｏｃ．６thＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ＬａｓｅｒｉｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，９３−１０４，Ｍａｙ，１９８９

しかし、鋼板間に隙間を設ける方法は、工程上確実に手間がかかり、コスト増につながる。また、隙間を精度良く管理し、かつ、目的隙間の部分を確実に溶接することは容易とはいえず、隙間が大きすぎた場合には、逆に溶接不良の原因となりかねない。
間欠的にもしくは波形制御によるレーザービームの入射は、亜鉛蒸気に起因する欠陥の低減には有効であるが、間欠もしくは波形制御ビームによる溶接は、スパッタの発散量が増え、表面性状の悪化、作業環境の悪化を招くおそれがある。また、間欠もしくは波形制御ビームによる溶接は、同一速度の連続ビームによる溶接と比べて、溶接部の幅が狭くなる傾向があり、溶接部のせん断強度が低下する欠点もある。２つのレーザーを使用する方法は、光学系が複雑になり、また、レーザー光を分ける場合は、溶接速度の低下等の工程面での欠点が生じる恐れがある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、レーザー溶接、特に鋼板間に隙間を設けないレーザー重ね溶接性に優れた亜鉛合金めっき鋼板を提供することにある。

本発明者らは、亜鉛めっき鋼板のレーザー重ね溶接について鋭意検討を続けてきた結果、レーザー溶接の欠陥は、レーザービーム照射部及び後方の亜鉛が溶融沸騰し、溶融金属部分から飛散する際に生じていることを確認した。そして、めっき層の融点を下げ、粘性率、表面張力も共に下げることで、溶融金属から飛散する亜鉛蒸気を低減できることを見いだした。このような知見を基に、耐食性を維持し、かつ、レーザー溶接性を高めた以下のような鋼板を発明した。

即ち、片面あたり１０〜１００ｇ／ｍ²のＺｎ含有量を有する亜鉛合金めっき鋼板であって、該亜鉛合金の液相線温度が４００℃以下で、該亜鉛合金の液相線温度での粘性率が３．５Ｐａ・ｓ以下、表面張力が７８０ｍＮ・ｍ^-1以下であることを特徴とするレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板である。
また、前記めっき層中に、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１０％のＡｌ、１〜１０％のＭｇ、及び１〜５％のＢｉを含むレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板である。

また、前記めっき層中にさらに、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１５％のＳｎ、１〜１０％のＩｎ、又は０．１〜２．０％のＳｂ（同０．１〜２．０％）のいずれか１種または２種以上を含むレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板である。

本発明によれば、従来のように鋼板間に隙間を設けたり、レーザービームをコントロールすることなく、良好なレーザー重ね溶接が可能である。

以下に、本発明の詳細を説明する。
本発明の亜鉛合金めっき鋼板は、従来の亜鉛めっき鋼板の耐食性を阻害しない合金元素を添加することによって、亜鉛との合金めっき層の液相線温度（以下、融点）を亜鉛単独の融点である４１９．６℃より低く、概ね４００℃以下にすること、溶融時のめっき層の粘性率を３．５Ｐａ・ｓ以下、表面張力を７８０ｍＮ・ｍ^-1以下にすることによって、健全な亜鉛合金めっき鋼板のレーザー重ね溶接を可能とするものである。

レーザー重ね溶接時に発生する亜鉛蒸気（亜鉛の沸点９０７℃）は、溶接時に生成する溶融金属、もしくはレーザービームによってできるキーホールから排出されるが、めっき中の亜鉛量が片面あたり１０ｇ／ｍ²を超えると、安定的な排出が不可能になり、溶接部に種々の欠陥が発生する。鋼板間に意図的に隙間を設けることなく、また、特殊なレーザービームを使わずに、溶接可能なめっき種を種々検討した結果、特定の合金元素を添加し、めっき層の融点を下げることで、欠陥を容易に減らすことが可能であることを見いだした。

めっき層の融点は、純亜鉛の融点である４１９．６℃より低く、概ね４００℃以下であることが必要である。なお、めっき中の亜鉛量は耐食性の観点から片面あたり１０ｇ／ｍ²以上であることが必要で、概ね１００ｇ／ｍ²以下が望ましい。特に、亜鉛合金めっき層に含有できる合金元素として、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂｉが好ましい。

本発明で選定した亜鉛中に含める合金元素の内、Ａｌは、粘性率が低く、合金成分の融点が低くなる混合領域が存在する。一方で、表面張力には不利に働くので、影響の少ない範囲として、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１０％の成分範囲が好ましい。
Ｍｇは、Ａｌと同様に合金層の融点を下げると共に、表面張力を下げる効果がある。融点低下に効果が大きい成分範囲、即ち、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１０％が好ましい。

Ｂｉは、粘性率、表面張力を下げる効果がある。融点に大きな影響を与えないために、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜５％の成分範囲が好ましい。
また、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂは、いずれも融点を下げる効果が大きく、粘性率を下げる効果も大きい。表面張力低下にも有効である。しかし、溶接部の特性に悪影響を及ぼす恐れもあるため、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１５％のＳｎ、１〜１０％のＩｎ、又は０．１〜２．０％のＳｂのいずれか１種又は２種以上を含むことが望ましい。

亜鉛合金めっき層の融点が低いと、亜鉛が溶融してから蒸気になるまでの時間が長くとれ、ゆっくりと蒸気の排出ができ、その結果として、激しい沸騰現象を抑制する利点がある。また、鋼板は、密着状態であっても微小な隙間は存在する。亜鉛合金めっき層の融点が低く、粘性率、表面張力が低いことで、この隙間からめっきが非溶接部に広がり、逃げることが可能となり、溶接部からの無理な排出負荷が減り、欠陥が低減できるものである。亜鉛合金めっき層の粘性率は、亜鉛の融点における粘性率３．５Ｐａ・ｓ以下であることが望ましく、また、亜鉛合金めっき層の表面張力は、亜鉛の融点における７８２ｍＮ・ｍ^-1より低く、７８０ｍＮ・ｍ^-1以下であることが望ましい。

なお、本発明の亜鉛合金めっき鋼板の製造方法は、所定のめっき組成が得られる方法ならばどのような方法でもよく、例えば、電気めっき法、溶融めっき法、気相めっき法等があるが、溶融亜鉛めっき浴に所定の質量比になるように、アルミニウム、マグネシウム、ビスマス、他の金属を添加した後に、鋼板を浸漬、ガスワイピングにて所定のめっき付着量になるように制御する溶融めっき法が、工業的には好適に用いられる。

次に、本発明を実施例に基づき説明する。
用いためっき鋼板は、長さ１２０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍで、表１に示す片面あたりの目付量、特性のめっき層を有する種々のめっき鋼板である。めっき鋼板は、溶融亜鉛めっき浴に、アルミニウム、マグネシウム、ビスマス、他の金属が所定の質量比になるように添加した合金浴に鋼板を浸漬後、ガスワイピングにより所定のめっき付着量になるように制御して、作製した。目付量は片面１ｍ²あたりの合金めっきの総量である。この鋼板を２枚重ねで、鋼製の定盤上に設置し、同じく鋼製の押え板でめっき鋼板の中心部分が幅１０ｍｍだけ出るように固定する。押え板と定盤をボルトで締めることでめっき鋼板の隙間がまったく発生しないように固定できる。

なお、めっき層の物性は、同組成の合金を作製し、この合金の融点を示差熱分析計（Ｒｉｇａｋｕ製ＴＧ８１１０、昇温速度：１０℃／分）による吸熱を調べることによって求めた。合金の粘性率は、回転振動法（社団法人日本鉄鋼協会編「溶鉄・溶滓の物性値便覧」ｐ．３４（１９７２）参照）によって測定した。表面張力はＢｕｔｌｅｒの式から近似的に計算することによって定めた。

めっき鋼板を押え板と定盤をボルトで締めた状態でＹＡＧレーザーを用いて、めっき鋼板の中心線に沿って溶接した。溶接結果を表１に示す。欠陥発生は、目視とＸ線非破壊検査で評価し、スパッタの発生は、溶接前後の鋼板質量の変化で確認した。判定基準は、以下のとおりである。

欠陥発生
○：両検査で欠陥長さ率５％未満
△：両検査で欠陥長さ率が２０％未満で、いずれか一方が５％以上
×：両検査とも欠陥長さ率２０％以上

スパッタの発生
○：質量減少０．１２ｇ未満（めっき無し鋼板と同等）
△：質量減少が０．１２ｇ以上０．２４ｇ未満
×：質量減少が０．２４ｇ以上

表１に示すように、Ｎｏ．１〜５は本発明例であり、Ｎｏ．６〜１２は比較例である。本発明例であるＮｏ．１〜５に示す、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂｉを所定量含有しためっき、さらにはＳｎ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれか１種又は２種以上を所定量含有しためっきの場合には、良好な溶接部が得られており、スパッタの発生も少なかった。
一方、比較例Ｎｏ．６〜１２である、純亜鉛もしくはＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等の亜鉛合金は、効果が見られず、めっき層の融点、粘性率、表面張力の上昇と共に、欠陥の増大、スパッタ発生量の増大が見られた。

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

片面あたり１０〜１００ｇ／ｍ²のＺｎ含有量を有する亜鉛合金めっき鋼板であって、該亜鉛合金の液相線温度が４００℃以下で、該亜鉛合金の融点での粘性率が３．５Ｐａ・ｓ以下、表面張力が７８０ｍＮ・ｍ^-1以下であることを特徴とするレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板。
前記めっき層中に、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１０％のＡｌ、１〜１０％のＭｇ、及び、１〜５％のＢｉを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板。
前記めっき層中に、さらに、Ｚｎの含有量との質量比で、１〜１５％のＳｎ、１〜１０％のＩｎ、又は０．１〜２．０％のＳｂのいずれか１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項２記載のレーザー重ね溶接用亜鉛合金めっき鋼板。