JP2008049362A - 亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザー溶接する際に、亜鉛蒸気を酸化させずにブローホールの発生を抑制したレーザー溶接法を提供する。
【解決手段】レーザー光を出力するレーザーヘッドと被溶接体２との間の側方空間に設けたノズル１１から被溶接体のレーザー光照射位置にシールドガスを噴射しつつ、焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率が３００以上となるように調整したレーザー光３を被溶接体２の溶接部位に照射してレーザー溶接する。
【選択図】図４

Description

本発明は、亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を重ね合わせた状態でレーザー溶接する方法に関するものである。

亜鉛系めっき鋼板は、非常に高い耐食性を有していることから建材，家電，自動車などの多くの産業分野で使用されている。また、その鋼板を用いた部品の接合方法としては、従来、亜鉛系めっき鋼板をプレスなどで成形したのち抵抗スポット溶接かアーク溶接が一般的であったが、近年、生産効率や設計の自由度を高めるためにレーザー溶接に置き換える傾向が多くなっている。

ところで、亜鉛系めっき鋼板をレーザー溶接すると、溶接部やその周辺のめっき層の亜鉛が蒸気化して溶接部内に入り込みブローホールといった欠陥が発生する場合がある。それらの欠陥は、図１に示すように、亜鉛系めっき鋼板１同士あるいは亜鉛系めっき鋼板１と他の金属１’を密接に重ね合わせた被溶接材２の上方よりレーザー光３を照射して溶接する場合に重ね合わせた板間４からの亜鉛蒸気５の発生で多くなるという傾向がある。特にレーザー溶接の場合は、溶接によって発生する溶融池の冷却速度が速いために発生した亜鉛蒸気が溶融池から抜けきれず、溶融池が亜鉛蒸気を残したまま凝固してしまうためブローホールが発生しやすい状況となる。そのため、重ね合わせた鋼板の板間にスペーサーを挿入して隙間を与え、その隙間から亜鉛蒸気を逃がすという方法が取られている。

しかしながら、スペーサーを挿入するのがかなり手間になるため、溶接箇所が多い場合には生産時間の増加を招いてしまうという問題があった。そのため、スペーサーなしで亜鉛蒸気発生によるブローホールといった欠陥の発生量を低下させる方法が、いくつか提案されている。
特許文献１では、レーザー溶接する際に被溶接体に噴射するシールドガス中に酸素を混入する方法が提案されている。この方法は、溶接時に形成される溶融池の粘性を低下させて発生する亜鉛蒸気を抜けやすくするとともに、亜鉛蒸気を酸化亜鉛や過酸化亜鉛にして固定化させてブローホールの発生を抑制させている。
また、特許文献２では、シールドガス中に二酸化炭素を混入し、亜鉛蒸気を二酸化炭素中の酸素と化合させ、酸化亜鉛や過酸化亜鉛として固定化してブローホールの発生を抑制するとともに、二酸化炭素により鉄の酸化を抑制してスラグの発生を少なくする方法が提案されている。
特許第２７３６１８２号公報 特開平７−２３２２９３号公報

特許文献１で提案された方法は、亜鉛蒸気を酸化させて溶接金属内に固定化させるためブローホールの発生が少なくなる点では効果的である。しかし、亜鉛が蒸発した後の鋼と酸素とで酸化鉄のスラグを形成するので、そのスラグを除去せねばならず、スラグ除去工程が増えるという問題が発生する。特許文献２の方法でシールドガス中に二酸化炭素を混入した場合も、スラグが発生することには変りはなく、スラグ除去工程を付加せねばならない。また、酸化亜鉛が溶接金属中に残存するため、溶接金属自身が脆くなり接合強度が低下するという問題も含んでいる。
本発明は、このような問題を解決するために案出されたものであり、亜鉛蒸気を酸化させずにブローホール発生を抑制する方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザー溶接方法は、その目的を達成するため、亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザー溶接する際に、焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率が３００以上となるように調整したレーザー光を被溶接体の溶接部位に照射することを特徴とする。
そして、レーザー光を出力するレーザーヘッドと被溶接体との間の側方空間にシールドガスを噴射するノズルを設け、当該ノズルから被溶接体のレーザー光照射位置にシールドガスを噴射しつつレーザー光を照射して溶接することが好ましい。

本発明のレーザー溶接方法においては、焦点距離を長くすることによる焦点深度の増加で溶融池内における高温領域を広げ、対流をより長い時間存続させて亜鉛蒸気を溶融池外に逃げやすくすることができ、この結果、ブローホールの発生が少ないレーザー溶接部を形成することができる。
また、シールドガスの噴射を、被溶接体のレーザー光照射位置に近い側方からにすることにより溶融池の形状をコントロールして、亜鉛蒸気が上昇しやすい状態にしている。上記対流効果との総合により、ブローホールの発生をさらに抑制することができる。

図１に示したように、亜鉛系めっき鋼板を用いた溶接継手をレーザー溶接した場合は、ブローホールが発生しやすく、特に重ね合せ継手において発生量が多くなることが知られている。このブローホールが発生する原因は、溶接によって材料が加熱されるが、その加熱によって亜鉛系めっき鋼板に被覆されているめっき金属の亜鉛が蒸気化して溶融池に入り込み、その状態で溶融池が凝固してしまうためである。
各種溶接法の中でもレーザー溶接は、熱源となるレーザー光が非常に小さくて局所加熱となることから、溶融池の冷却速度も非常に速くなり、それによってブローホールの発生量がより多くなるという特性がある。ブローホールが溶接部に発生すると接合部の体積が減少する。そして、ブローホールの発生量によっては接合強度が大きく低下する場合もあることから、ブローホール発生量の低減は、健全な溶接部を得るためには重要な品質となる。

レーザー溶接の形態は、図２（ａ）に示すようにキーホール６状態を形成して溶接する場合がほとんどであり、このキーホール６を埋めるような形で溶融池７内では溶融金属の対流８が発生している。被溶接体２の板間４から発生した亜鉛蒸気５は、この対流８に巻き込まれるわけであるが、逆の観点からすると、その対流を利用して亜鉛蒸気を溶融池外に積極的に逃がすことが有効であるとも想定できる。

そこで、本発明者らは、そのような観点に立って種々の対策を検討してきたが、対流を利用して亜鉛蒸気を溶融池外に積極的に逃がすには、対流を亜鉛蒸気が排出しやすいようにコントロールすることが必要である。
亜鉛蒸気が排出しやすいような対流にするには、レーザー溶接の場合、溶融池の冷却速度が速く溶融池に対流が存在している時間が短いことから、先ずは対流の存続時間をより長くすることが必要である。つまりは、対流をより活性化することが必要であり、そのためには溶融池内で温度が高い領域をより広くして対流が動きやすい状態を作り上げれば良い、と想定した。

ところで、レーザー溶接において熱源となるレーザー光の状態は、図２（ａ）に示したように焦点となる位置からビーム径がほとんど変らない焦点深度９の領域がある一定範囲存在し、その領域におけるレーザー光のエネルギ密度もほとんど焦点位置のそれと同じレベルが保たれる。つまり、図２（ｂ）に示すように、この焦点深度が長いほど溶融池内の高温領域が広がる状態となり、レーザー光の場合は焦点距離を長くすることによって焦点深度が増加するという特性を持っている。

本発明における焦点深度の増加、つまりは焦点距離を長くすることによるブローホール発生量の低減効果は、詳細は後述の実施例において示すが、焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率を３００以上とすることで効果的に発現する。
この理由として、焦点位置のレーザー光のスポット径が同じであっても、焦点距離の長い方が焦点深度が増加して溶融池内における高温領域が広がり、これによって対流がより長い時間存続して亜鉛蒸気を溶融池外に排出できる点が挙げられる。これに対して、焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率が所定値に満たないと、溶融池の対流の活性化効果が十分でなく、ブローホール発生量の低減効果を効果的に得ることができない。

一方、対流の方向を変えるという観点からすると、溶融池内に供給される酸素の影響が挙げられる。レーザー光の照射位置近傍に多量の酸素が存在すると、図３に示すように内向きの流れ方向１０の対流に巻込まれ、溶け込み深さが大きくなる現象となる。亜鉛蒸気の溶融池外への排出、つまりは亜鉛蒸気の浮上に対しては、その対流が内向きの流れ、つまり溶融池の深さ方向への流れとなることから亜鉛蒸気がより多く溶融池に混入する状態となり、亜鉛蒸気の浮上を妨げ、これによってブローホールが発生しやすい状態となる。したがって、溶融池内に酸素が混入しない方がブローホールの発生量がより低減されることが考えられる。
溶融池内への酸素混入を防止するには、レーザー溶接中に与えられるシールドガスでのシールド作用を強化することが必要である。そのためには、シールドガスを被溶接体のレーザー光照射位置に近い地点で噴射させれば良いことになる。

通常のレーザー溶接では、レーザー光の発射点となるレーザーヘッドからシールドガスを噴射させるが、本発明では、レーザー光が出力されるレーザーヘッドと被溶接体との間の側方空間にシールドガスを噴射するノズルを設け、そのノズルから被溶接体のレーザー光照射位置にシールドガスを噴射させる方法を採用している。
レーザー光照射位置へのガス噴射によってシールド作用が強化され、ブローホールの発生量が低減されるが、具体的な効果については後述の実施例に示す。また、シールドガスを噴射させるノズルと被溶接体のレーザー光照射位置との距離については、５０ｍｍ以下とすることが望ましい。その距離が離れすぎると、溶融池内への酸素混入を防止するシールド作用が薄れ、ブローホールの発生量を効果的に低減できなくなる。

実施例１：
板厚が０.８ｍｍ，板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、めっき付着量が片面９０ｇ／ｍ²の亜鉛めっき鋼板１と同じ寸法の冷延鋼板１’を図４に示すように密接に重ね合わせてレーザー溶接を行なった。
なお、レーザー溶接機は、ビームモードがシングルモードのファイバーレーザー溶接機を用い、レーザー出力を２.５ｋＷ，溶接速度を２ｍ／ｍｉｎ，レーザー光の焦点位置を亜鉛めっき鋼板１の表面として、焦点位置でのレーザー光のスポット径と焦点距離を種々変更した溶接を行った。

また、シールドガスは、噴射するノズル１１を亜鉛めっき鋼板１の表面に対して４５°傾斜させ、レーザー光焦点位置から２０ｍｍの地点に設置し、アルゴンガスを２０リットル／分の流量で供給した。
溶接したサンプルは、溶接ビード上面よりＸ線検査を行なってブローホールの個数を計測した。ブローホール発生量は、溶接ビード長に対するブローホールの直径の総和の比率で表した。
結果を表１に示す。
表1の結果から、ブローホール発生量は、レーザー光の焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率を３００以上とすることにより大きく低減することがわかる。

実施例２：
シールドガスを噴射するノズル１１のレーザー光焦点位置からの距離を種々変更してレーザー溶接を行ない、ブローホール発生量を比較した。
レーザー光の焦点位置におけるスポット径を０.３ｍｍ，焦点距離を３００ｍｍとした点以外は、材料，溶接条件，シールドガス種類，流量とも実施例１と同じにした。
結果を表２に示す。
表２の結果から、ブローホール発生量は、シールドガスを噴射するノズル１１のレーザー光焦点位置からの距離を小さくすることにより低減することがわかる。

レーザー溶接状態の一例を示す概略図 焦点距離の違いによるレーザー溶接における溶融池の対流状態の違いを示す概略図で、（ａ）焦点距離が比較的短い場合，（ｂ）焦点距離が比較的長い場合 溶融池に酸素が混入した場合の対流の内向き流れ状態を説明する概略図 本発明の実施例での実験状況を示す図

符号の説明

１：亜鉛系めっき鋼板 １’：亜鉛系めっき鋼板以外の金属 ２：被溶接材
３：レーザー光 ４：板間 ５：亜鉛蒸気 ６：キーホール ７：溶融池
８：対流 ９：焦点深度 １０：対流の流れ方向 １１：シールドガスの噴射ノズル

Claims (2)

1. 亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザー溶接する際に、焦点位置でのスポット径に対する焦点距離の比率が３００以上となるように調整したレーザー光を被溶接体の溶接部位に照射することを特徴とする亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法。
2. レーザー光を出力するレーザーヘッドと被溶接体との間の側方空間にシールドガスを噴射するノズルを設け、当該ノズルから被溶接体のレーザー光照射位置にシールドガスを噴射しつつレーザー光を照射する請求項１記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法。

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