JP2007007690A

JP2007007690A - プレコート金属板の接合方法

Info

Publication number: JP2007007690A
Application number: JP2005191552A
Authority: JP
Inventors: Taikan Horikoshi; 大寛堀越; Yasushi Kitani; 靖木谷; Moriaki Ono; 守章小野; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】高い生産性で、安定して高い継手強度の得られるプレコート金属板の接合方法を提供する。
【解決手段】少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板同士を、または少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板と導電性のある金属板を、重ね隅肉接合するに際し、2本のレーザビームを用い、導電性のない被覆層が形成されている金属板の接合すべき部位に第1のレーザビームを照射して被覆層を除去し、被覆層の除去された金属板の部位に接合用ワイヤを供給し、接合用ワイヤを第2のレーザビームの照射により溶融させて接合することを特徴とするプレコート金属板の接合方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、家電、建材、自動車などに用いられる有機被覆金属板、無機被覆金属板、有機・無機被覆金属板などのプレコート金属板の接合方法に関する。

家電、建材、自動車などのメーカーにおける塗装工程、あるいは施工現場における塗装工程を省略するために、あらかじめ鉄鋼メーカーや塗装メーカーで金属板上に必要な有機系や無機系の被覆層が形成されたプレコート金属板の需要が伸びてきている。しかし、このプレコート金属板は、一般的には被覆層に導電性がないため、溶接による接合ができないという欠点を有している。このため、プレコート金属板の接合には、溶接に変わって、かしめ、ビス、リベットなどによる機械的な接合が主流になっているが、その生産性は必ずしも高くなく、また、溶接に比べて継手強度も低い。

一方、プレコート鋼板やクロム酸処理鋼板を接合する方法として、常温硬化型接着剤やポリアミド系接着剤を用いる接合方法が提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2)。
特開昭63-77983号公報特開昭52-100530号公報

しかしながら、特許文献1や特許文献2などに提案されている接着剤を用いる接合方法では、生産性をかなり上げることは可能であるが、継手強度が低いために継手構造の設計に工夫が必要であり、高い生産性で高い継手強度を安定して得ることが困難であるといった問題がある。

本発明は、高い生産性で、安定して高い継手強度の得られるプレコート金属板の接合方法を提供することを目的とする。

上記目的は、少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板同士を、または少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板と導電性のある金属板を、重ね隅肉接合するに際し、2本のレーザビームを用い、前記導電性のない被覆層が形成されている金属板の接合すべき部位に第1のレーザビームを照射して前記被覆層を除去し、前記被覆層の除去された金属板の部位に接合用ワイヤを供給し、前記接合用ワイヤを第2のレーザビームの照射により溶融させて接合することを特徴とするプレコート金属板の接合方法によって達成される。

本発明の接合方法は、例えば、第1のレーザビームについて、{レーザビーム出力(kW)}/{レーザビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}≧0.05、レーザビーム径≧接合用ワイヤ径、かつレーザ狙い位置≦第1のレーザビーム径×0.6の関係を満足させることにより実現できる。ここで、レーザ狙い位置とは、図1に示したように、重ね隅肉接合部の上側の金属板下端部から接合用ワイヤの中心までの距離のことである。

本発明により、導電性のない被覆層が形成されたプレコート金属板を高い生産性で接合でき、また、溶接欠陥もほとんどないため安定して高い継手強度が得られる。

金属板同士をレーザビームを用いて溶接する方法は広く用いられているが、この方法をプレコート金属板に適用すると、レーザビームにより、プレコート金属板表面に形成された有機、無機あるいは両者からなる被覆層が激しく蒸発し、この被覆層を構成する物質の蒸気により溶融池の溶融金属が吹き飛ばされたり、この蒸気が溶融金属中に侵入して溶接部に多数のブローホールが発生する。また、被覆層が有機質の場合には、レーザビームにより分解した炭素が溶融金属中に入り、溶融部が硬化して、溶接部の延性や靭性などが劣化する。

本発明者等は、こうしたレーザビームによるプレコート金属板の溶接における問題を検討した結果、2本のレーザビームを用い、第1のレーザビームによって金属板表面に形成された被覆層のみを蒸発除去し、被覆層の除去された金属板表面に接合用ワイヤを供給し、第2のレーザビームによって接合用ワイヤを溶融することによってろう付けすれば、高い生産性で、健全な接合部が得られることを見出した。

本発明におけるレーザビームによるろう付け法では、金属板は表面から数μm程度の部分のみが溶融するだけで、金属板の内部は溶融しない。したがって、上記したレーザビームによる溶接の場合とは異なり、溶融金属中に被覆層を構成する物質の蒸気が侵入することはないので、接合部に多数のブローホールが発生したり、接合部が硬化することもない。

第1のレーザビームによってプレコート金属板表面の被覆層のみを蒸発させ、金属板内部の溶融が起こらないようにするには、例えば、{レーザビーム出力(kW)}/{レーザビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}≧0.05、レーザビーム径≧接合用ワイヤ径、かつレーザ狙い位置≦レーザビーム径×0.6の関係を満足させる必要がある。{レーザビーム出力(kW)}/{レーザビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}<0.05でレーザビームが低出力の場合は、金属板表面の被覆層を十分に蒸発除去できない。また、レーザビーム径が接合用ワイヤ径より小さいと、金属板表面に接合に必要な被覆層の除去範囲を十分にとれないため、被膜層の気化したものが溶融金属内に閉じ込められ、ビードにポロシティや表面などの気孔が多数発生し、継手強度の低下や外観の劣化を招く。さらに、レーザ狙い位置>ビーム径×0.6となる場合は、図2に示した重ね隅肉接合のルート部に被覆層が除去されずに残り、これが接合部の欠陥や未接合の原因となる。

本発明で対象とするプレコート金属板は、金属板上の片面に、少なくとも1層の有機、無機、あるいは有機・無機複合型の被覆層が形成されているものである。また、プレコート金属板上に形成された被覆層のうち少なくとも片面の被覆層には、導電性がなく、通常のスポット溶接などの直接通電による接合ができない。接合の相手となる金属板は、プレコート金属板でもよいし、プレコート金属板とは異なる金属板でもよい。

プレコート金属板や接合の相手の金属板としては、たとえば、熱延鋼板、冷延鋼板や、鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、亜鉛合金めっき鋼板、アルミめっき鋼板、クロムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、銅めっき鋼板などのめっき鋼板、およびステンレス鋼板、アルミ板、銅板、アルミ合金板などが挙げられる。

被覆層としては、例えば、ポリエステル樹脂系、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、フッ素樹脂系、エーテル樹脂系、硫黄樹脂系、塩化ビニル樹脂系、オレフィン樹脂系、ケトン樹脂系、シリコン樹脂などの有機被覆層や、シロキサン系、ボロン系、ボロシロキサン系などの無機被覆層が挙げられる。シロキサン、ボロシロキサンなどの無機材料を有機樹脂中に導入したような有機・無機複合被覆層にも本発明は適用できる。

こうした被覆層は、塗料を金属板上に塗布して硬化乾燥したり、あらかじめ被覆材料をフィルム状にしたものを金属板上に貼り付ける方法で形成できる。

本発明に用いるレーザ発振機は、溶接に用いるため200ワット以上、好ましくは数キロワットの出力が必要である。レーザの種類としては、レーザ光生成媒体としてYAGロッドを用いてハロゲンランプなどでレーザ光を励起するタイプや、レーザダイオード(LD)でレーザ光を励起するタイプのYAGレーザが好ましい。その他に、炭酸ガスレーザ、スラブレーザ、ルビーレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。光学系には、変向用反射ミラーと数枚の正負の集束レンズを組み合せた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡の組み合わせだけでレーザ光を収束させてもよい。

接合用ワイヤについては、純Cuろう、Cu-Zn合金ろう、Cu-P合金ろう、Cu-Si合金ろう、Cu-Sn合金ろう、Cu-Ni合金ろうなどのCu系ろう材やAg-Cu合金ろうなどのAg系ろう材など、いずれのろう材を用いることができる。ろう付け時のシールドガスには、溶融金属の酸化防止のために、アルゴンガスなどの不活ガスを用いることが望ましいがアルゴンガス中に炭酸ガスを10〜100%の範囲で混合させたガス(ただし、100%は炭酸ガスのみ)、あるいはアルゴンガス中に水素ガスやヘリウムガスを2〜20%の範囲で混合させたガスを用いることもできる。

プレコート金属板の原板として、厚みが0.8mm、片面のめっき付着量が60g/m²の溶融亜鉛めっき鋼板に、20g/m²のクロム付着量となるようにクロメート処理を両面に施した鋼板を用いた。この鋼板の表面に、ポリエステル樹脂系のプライマー塗料を両面に乾燥膜厚が20μmとなるように塗布、乾燥・硬化させプレコート金属板を作製した。

このプレコート金属板を2枚重ねて、YAGレーザを用いて表1、表2の条件で隅肉接合を行って継手試料No.1〜9を作製した。このとき、第1のレーザの出力を0.2〜1.5kW、ビーム径を0.9〜2.9mmに、また、第2のレーザの出力を2〜3kW、ビーム径を2.35mmに変化させた。

そして、図3に示すような形状の引張試験片を用い、JIS Z 3136に準じた引張せん断試験を行い継手強度を求め、合わせて破断位置を確認した。継手強度が270MPa以上の場合は○、270MPa未満の場合は×と表した。なお、溶接部の外観を評価するために、目視により溶接ビード表面のピット数をカウントした。

結果を表2に示す。本発明の接合方法により作製された継手試料No.7〜9では、第1のレーザにおいて、{出力(kW)}/{ビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}≧0.05、レーザビーム径≧接合用ワイヤ径の関係を満たし、かつレーザビームの照射範囲が上側の鋼板端面まで到達するため、被覆層を十分に除去でき、欠陥が生ぜず、引張せん断試験の継手強度が270MPa以上であり、破断位置も母材で、良好な結果が得られている。また、ピット数も10個/m以下で外観も優れている。

一方、試料No.1、2では、第1のレーザにおいて、{出力(kW)}/{ビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}が0.05未満であるため、プレコート金属板の被覆層を十分に除去できず未接合となる。試料No.3、4では、第1のレーザビーム径<接合用ワイヤ径であるため、下側の鋼板表面の接合部で被覆層を十分に除去できず未接合となる。試料No.5、6では、第1のレーザ狙い位置>第1のレーザビーム径×0.6であるため、隅肉接合のルート部に被覆層が除去されず外観不良が生じたり、ルート部に欠陥が生じて継手強度が270MPa未満となる。

レーザ狙い位置を説明する接合部の断面図である。ルート部を説明する接合部の断面図である。引張せん断試験に用いた引張試験片の平面図(a)と断面図(b)である。

Claims

少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板同士を、または少なくとも片面に導電性のない被覆層が形成されている金属板と導電性のある金属板を、重ね隅肉接合するに際し、2本のレーザビームを用い、前記導電性のない被覆層が形成されている金属板の接合すべき部位に第1のレーザビームを照射して前記被覆層を除去し、前記被覆層の除去された金属板の部位に接合用ワイヤを供給し、前記接合用ワイヤを第2のレーザビームの照射により溶融させて接合することを特徴とするプレコート金属板の接合方法。
第1のレーザビームについて、{レーザビーム出力(kW)}/{レーザビーム照射面積(mm²)×接合速度(m/min)}≧0.05、レーザビーム径≧接合用ワイヤ径、かつレーザ狙い位置≦第1のレーザビーム径×0.6の関係を満足させる請求項1に記載のプレコート金属板の接合方法；ここで、レーザ狙い位置とは、重ね隅肉接合部の上側の金属板下端部から接合用ワイヤの中心までの距離のことである。