JP2007203328A - 重ね隅肉継手のろう付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね隅肉継手における、上板２の端面とろう付け金属１との接合力の向上を図る。
【解決手段】上板、下板を重ねて接合した隅肉継手において、上板の端面が、上板の表面からの垂線に対して15度以上、45度以下の角度を有する傾斜面であることを特徴とする重ね隅肉継手。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板あるいは薄鋼板によって形成された構造物の接合に用いられる重ね隅肉継手のろう付け方法に関するものである。

薄鋼板にて形成される構造物の接合には、銀、銅など、鋼板より低融点のろう材を利用したろう付けが使用されている。また、ろう付け方法としては、主に、アークろう付け方法が用いられているが、この方法により作製した薄鋼板の継手の熱変形が大きいことや、加工速度が遅いことなどから、近年、アークろう付け方法に替わって、レーザを熱源とするろう付け方法が実用化されている。

レーザろう付け法は、レーザビームを熱源とするろう付け方法で、2枚の板を組み合せ、レーザ照射によって母材よりも低融点のろう材を溶融させ、接合部に流し込み凝固させて接合する方法である。本方法によると、母材は表面を数μm溶融するのみで、溶融ろう材と鋼板表面とが密着した状態となり強度が確保される。従って、レーザ溶接と比べて溶け落ち欠陥は発生せず、アークろう付けと比べて熱変形が小さく、外観などに優れることが利点である。またろう材の成分である銀、銅と鋼板の主成分であるFeとは、化学的に金属間化合物のような硬化相を形成しないことも特徴である。

しかしこのレーザろう付け接合法により作製した継手においても、継手強度改善の余地がある。一般に重ね隅肉継手の両接合板に引張荷重を負荷した場合、構造上、ろう付け金属、鋼板が共に高強度の場合、継手の引張強度は、ろう付け部断面の図３における鋼板（上板２と下板３）とろう付け金属１の接合界面の長さAおよびBに大きく依存し、またこれら界面の接点である図３のCに示すルート部に負荷応力が集中する。

ここで、照射するレーザビーム径を十分広く取った場合、ろう付け金属１と下板３との接合界面の長さBは、ある程度長くすることが可能であるが、ろう付け金属１と上板２との接合界面の長さAは、上板２がほとんど溶融しない場合、ほぼ上板２の板厚の長さのままで、不変である。

従って、A＜Bとなるため、引張荷重が負荷された場合、ルート部付近から破断が生じ、ろう付け金属１と上板２との界面付近で破断する場合が多い。
また、上板２の端面とろう付け金属１との接合界面の方が、ろう付け金属１と下板３との接合界面よりも接合力自体が弱くなりがちである。このことは、レーザを下板３の表面に垂直に照射する場合、上板２の端面はレーザ照射方向と平行となるためレーザ照射が当たりにくく、上板２の端面におけるろうのぬれ性確保が難しいためである。従って、ろう付け金属１と上板２の端面との接合界面に改善の余地がある。

また、供給するろう材のワイヤが上板の端面に近すぎると、継手のルート部へのレーザ照射がワイヤによりさえぎられるため、さらにぬれ性の確保に支障をきたすという課題もある。

一方、一般にろうが溶融すると、溶融ろうと上板２の端面および下板３の表面の間に表面張力が働くことから、構造上、ルート部に溶融ろうが供給されにくく、最も欠陥が生じやすい。特に空孔が生じた場合、この部分が十分な肉盛厚を形成しないため継手強度が低下する。

特開文献1においては、重ね継手のレーザブレージングに際して、上下板材の間に適度な隙間を設けることで、溶融したろう材が当該隙間に入り込むことによってろう材と板材の接触面積、すなわち接合面積が増大し、優れた継手強度を安定して得ることができると記述されている。しかし、ぬれ性の低いろう材を使用する場合、ろう材が当該隙間に入り込みにくくなるため、継手強度が向上しないという欠点がある。また適度な隙間量を一定値に厳密に維持することは手間が掛かる。
特開２００５−５９００９号公報

これらの点を解消するために、レーザ照射の位置を上板２の端面に近づけ、上板２の接合部である端面を、表面のみならず、十分な接合性が確保されるまで多めに溶融させるという方法も考えられる。この場合、上板２の上部ほど溶融量が多くなるため、図４に示すように、上板２とろう付け金属１との接合界面は、湾曲したようになり、接合面積が大きくなる。

この継手の中で最も薄い部分は、母材厚Dまたは、ルート部での溶着金属部肉盛厚Eとなる。従って、界面が十分に接合している場合は、母材または溶着金属部が破断位置となる。このように、レーザ照射位置の変化により、継手強度を向上することができる。しかしレーザ照射位置の変化に伴い、条件によってはワイヤの位置も同時に上板２の端面に近づけなければならない場合があり、ワイヤの位置が上板２の端面に近すぎると、上述のように、ルート部へのレーザ照射をさえぎることとなり、ルート部のぬれ性の問題が生じる。したがって、極めて狭い範囲の精密な設定が必要となる。

以上より、上板２の端面を十分に加熱することは、高い継手強度を得るために重要なことであり、レーザ照射の狙い位置およびビーム幅などの条件設定を的確にすることが、重要となる。しかし、これを各々の板に応じて適正条件を見出すには手間がかかり、またレーザ狙い位置のコンマ数ミリオーダーの厳密な設定が必要となり、困難を要する。

本発明は、薄鋼板をろう付けする際に、高い継手強度を得ることができ、かつ条件設定範囲がこれまでよりも広くなるような、接合方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、上板２の端面にあらかじめ、上板２の表面の垂線方向に対し15度から45度の範囲の傾斜をつけることに着目した。このことにより、以下の利点が生じる。

1つ目は、上板２の端面とろう付け金属１とのぬれ性の向上である。上板２の端面が傾斜面となるため、上板２の端面にレーザ照射が直接当たりやすくなり、同じ入熱量においても傾斜をつけない場合と比べて端面が入熱を確保しやすくなる。

2つ目は、接合界面の面積についてである。上板２の端面に傾斜をつけることで、上板２とろう付け金属１との接合界面の面積は、より大きくなる。界面の接合力が母材もしくはろう付け金属と比べて低いと、応力付加時に界面で破断することになるが、この面積が大きいとより高い継手強度を確保することができる。

3つ目は、構造上の変化についてである。重ね隅肉継手のろう付けの場合、上述のように、溶融ろうと上板２の端面および下板３の表面の間に表面張力が働くため、ルート部に欠陥が生じやすい傾向があるが、上板２の端面に傾斜をつけ、上板２の端面と下板３の表面のなす角度を大きくしたほうが、構造上の観点からルート部に欠陥が生成しにくくなる。

本発明はこのような知見に基づいて構成されたものであって、その要旨は以下のとおりである。

第一の発明は、上板、下板を重ねて接合した隅肉継手において、上板の端面が、上板の表面からの垂線に対して15度以上、45度以下の角度を有する傾斜面であることを特徴とする重ね隅肉継手である。

第二の発明は、上板の板厚をt(mm)、上板の端面と上板の表面からの垂線とのなす角度をθ、ワイヤ半径をr(mm)、ワイヤ供給速度をa(mm/min)、接合速度をb(mm/min)とした場合に、下記（１）式を満足する関係を有することを特徴とする重ね隅肉継手のろう付け方法である。

πar²/b≧t²/2cosθ ・・・・・ （１）
次に、上板２の端面の傾斜角度について述べる。

上板２の端面の、上板２の表面からの垂線に対する角度が15°未満では、継手強度の向上効果が少ない。一方、角度が45°より大きいと、界面の面積が広すぎるためレーザビーム径を大きくしなければならず、かえって条件設定が困難となる。また上板２の端面全体に溶融金属を供給することも難しいため、強度を確保しにくい。

上板２の板厚t(mm)、上板２の端面と上板２の表面からの垂線との角度θ、ワイヤ半径r(mm)、ワイヤ供給速度a(mm/min)、接合速度b(mm/min)とすると、ワイヤの断面積はπr²である。ろう付け時の、単位ろう付けビード断面当たりのろう付け金属の供給量は、ワイヤの断面積とaとbの比率で決まるため、πar²/bとなる。

これを、単位ビード断面当たりに必要な溶着金属部の面積と比較する。ろう付け金属１と下板３の界面は、ろう付け金属１と下板２の界面と同様に破断し易い箇所であり、図1において、単位ビード断面当たりのろう付け金属１と下板３の界面は最低限、ろう付け金属１と下板２の界面と同じ長さt/cosθ以上が必要である。

さらに、図１に示す溶着金属部の最左上部Eと最右下部Fを結ぶ線について、線分EFが下方にへこみ、溶着金属部がいわゆる凹の形状となると、継手部が負荷荷重時に破断し易くなる。従って、継手の強度を確保するには、線分EFが直線又は上方に突起した、溶着金属部がいわゆる凸の形状となることが必要であり、つまり溶着金属部は、図１の三角形の面積t²/2cosθが最低限必要である。
ここでπar²/b<t²/2cosθとなると、ろう材の供給量が不足し、十分な強度を持つろう付け部とならない。

本発明によれば、薄鋼板構造物の重ね隅肉継手のろう付けにおいて、接合予定箇所である上板２の端面に傾斜をつけた後にろう付けすることにより、高い強度を持ち、かつ条件設定が容易な継手が提供される。

薄鋼板の重ね隅肉継手のろう付けにおいては、高い継手強度を得るための条件設定が難しく、また設定したとしても極めて狭い範囲の条件で行わなければならないという問題点があった。そこで本発明では、接合部の上板２の端面に上板２の表面からの垂線に対し15度から45度の範囲の傾斜をつけた後に、ろう付けする方法を見出した。このことにより、上板２の端面が斜めとなるため、上板２の端面にレーザ照射が直接当たり易く、同じ入熱量においても傾斜をつけない場合と比べて、端面が入熱を確保し易くなる。

また上板２とろう付け金属１との接合界面は、傾斜のない場合と比べて面積が広くなることで継手強度を確保することができる。

さらに、重ね隅肉継手のろう付けの場合、溶融ろうと、上板２の端面および下板３の表面の間に表面張力が働くため、ルート部に欠陥が生じやすい傾向があるが、上板２の端面に傾斜をつけ、上板２の端面と下板３の表面のなす角度を大きくしたほうが、構造上の観点からもルート部に欠陥が生成しにくく、高い継手強度を得やすい。

以下、本発明の実施例を説明する。

上板２に幅200mm、長さ300mm、厚さ0.7mm、引張強度TSが797MPa、降伏強度YSが601MPaの780MPa級冷延鋼板、下板３に幅200mm、長さ300mm、厚さ1.2mm、引張強度TS603MPa、降伏強度YS488MPaの590MPa級冷延鋼板の2枚を用いて、重ね隅肉継手のろう付けを行った。その組成、機械的性質を表1に示す。またろう材には、JIS規格YCuAlNiB、溶着金属部の硬さが162Hv、φ1.2のワイヤを用いた。その成分を表2に示す。

この鋼板の重ね隅肉継手を接合する前に、接合予定箇所である上板鋼板の端面を研削し、端面の角度が10〜60度傾斜したものを作製した。
これらの鋼板を2枚重ねて、YAGレーザを用いて表3の入熱条件で、レーザ狙い位置を0.6〜1.2mmに変化させ、ろう付け継手を作製した。なお上板の端面を研削しない場合、ワイヤ供給速度=加工速度としているが、上板の端面を研削する場合、本発明例１〜６および比較例３〜６については、ワイヤ供給量は研削量と同量を増やすこととし、それに伴いレーザ出力も上下板の入熱量が同一となるように変化させ、調整した。

そして、図２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440MPa以上の場合は○、440MPa未満の場合は×と表した。
結果を表3、表４に示す。

本発明の接合方法により作製された本発明例1〜7では、上板２の端面の角度が15〜45度の範囲であり、上板２の端面が斜めとなるため、上板２の端面にレーザ照射が直接当たり易く、同じ入熱量においても端面研削をしない場合と比べて端面が入熱を確保し易くなり、十分な接合性を示す。

またレーザビームの狙い位置が0.6mmと上板２の端面に近い場合においても、ルート部に熱が供給され易く、ぬれ性が確保し易く、十分な継手強度が確保される。またレーザビームの狙い位置が1.2mmの場合においても、破断の最短距離(最も薄い部分)は溶着金属部となり、引張せん断強度は溶着金属部が破断するまでの高い強度が確保されている。このように、レーザ狙い位置が0.45から1.2mmの範囲と、余裕のある設定が可能となる。

一方、比較例1、2では、上板２の端面の研削を行っていないため、上板２の端面にレーザ照射が直接当たりにくく、レーザビームの狙い位置が0.6mmと上板２の端面に近い場合において、ルート部に熱が供給されにくく、強度が低くなる。

レーザビームの狙い位置が1.2mmの場合においても、上板２の端面とろう付け金属１の界面での熱量が本発明と比べて確保しにくいため、十分な接合力を示さず、440MPa以下の負荷荷重で界面破断する。このように、レーザ狙い位置が0.8から1.0mmの範囲までと、設定に余裕がない。

比較例３、４では、上板２の端面の研削を行っているものの、角度が10度と不十分であるため、比較例1と同様に上板２の端面にレーザ照射が直接当たりにくく、440MPa以上の強度となる範囲は0.8から1.0mmの範囲までと、本発明と比べ狭くなる。

比較例５、６では、端面の角度が60度であり、加工幅が大きすぎるため、かえって端面に熱が届きにくく、さらに界面全体に溶融金属を供給することが難しいため、継手強度が不足する。

比較例７では、上板２の板厚t(mm)、上板２の端面と上板２の表面の垂線との角度θ、ワイヤ半径r(mm)、ワイヤ供給速度a(mm/min)、接合速度b(mm/min)とすると、単位ビード断面当たりのろう付け金属の供給量t²/2cosθが、単位ビード断面当たりに必要なろう付け金属部の面積量πar²/bを下回るため、ろう付け金属の供給量が不足し、十分な強度を持つろう付け部とならない。

本発明では、薄鋼板構造物の重ね隅肉継手の接合において、接合予定箇所である上板２の端面に、上板２の表面の垂線に対し15度以上45度以下の傾斜を設けるように加工した後にろう付けを行うことで、従来よりも条件設定の容易な、高強度の重ね隅肉継手が実現する。

上板端面に傾斜をつけた継手において肉盛が必要最低量となる場合の模式図である。 引張せん断試験片の側面図である。 引張せん断試験片の平面図である。 通常のろう付け継手を説明する模式図である。 レーザ照射位置を上板端面に近づけ、上板の溶融量を増加させた時の継手形状を説明する模式図である。

符号の説明

１ ろう付け金属
２ 上板
３ 下板
Ａ ろう付け金属と上板との接合界面の長さ
Ｂ ろう付け金属と下板との接合界面の長さ
Ｃ 上板端面と下板表面の交点付近のルート部
Ｄ 母材厚
Ｅ 溶着金属部肉盛厚
Ｆ 溶着金属部の最左上部
Ｇ 溶着金属部の最右下部

Claims (2)

1. 上板、下板を重ねて接合した隅肉継手において、上板の端面が、上板の表面からの垂線に対して15度以上、45度以下の角度を有する傾斜面であることを特徴とする重ね隅肉継手。
2. 上板の板厚をt(mm)、上板の端面と上板の表面からの垂線とのなす角度をθ、ワイヤ半径をr(mm)、ワイヤ供給速度をa(mm/min)、接合速度をb(mm/min)とした場合に、下記（１）式を満足する関係を有することを特徴とする重ね隅肉継手のろう付け方法。
   
   πar²/b≧t²/2cosθ ・・・・・ （１）
   
   
   

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