JP2008105037A - 亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接欠陥を生じさせることなく容易に亜鉛めっき鋼板をレーザー溶接できる溶接方法を得る。
【解決手段】鋼板１，２を重ね合わせてレーザー溶接する。鋼板１，２の少なくとも一方が亜鉛めっき鋼板であって、鋼板１，２を重ね合わせる重ね部１６の鋼板１，２の間に少なくとも銅を含むインサート層２４を挟んでレーザー溶接する。インサート層２４を少なくとも銅を含む粉末により形成した。溶接時、亜鉛と銅が合金を形成し、亜鉛蒸気の発生を抑制し、溶接欠陥の発生を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、重ね合わせる少なくとも一方の鋼板が亜鉛めっき鋼板で、鋼板を重ね合わせてレーザー溶接する亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法に関する。

従来より、鋼板の表面に亜鉛めっき層が形成された２枚の亜鉛めっき鋼板を重ね合わせ、あるいは亜鉛めっき鋼板と鋼板とを重ね合わせ、この重ね部にレーザー光を照射して溶融し、両鋼板をレーザー溶接している。

亜鉛めっき鋼板は、鋼板の融点よりも亜鉛めっき層の亜鉛の沸点のほうが低い。従って、亜鉛めっき鋼板を溶接する場合、溶接時に鋼板が溶融したときには、亜鉛めっき層の亜鉛が気化して亜鉛蒸気となる。重ね合わされた亜鉛めっき鋼板の間の亜鉛が気化すると、亜鉛蒸気が溶融金属内に閉じこめられて残存してブローホールとなったり、溶融金属内で高圧となって噴出して溶融金属を飛散させてスパッタを発生させたりする。亜鉛めっき鋼板を溶接する際、ブローホールやスパッタの発生等により溶接欠陥を生じやすい。

そこで、特許文献１にあるように、プレス成形により亜鉛めっき鋼板に凸部を設けることにより、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板の間に亜鉛蒸気を逃がすための微小隙間を形成する。レーザー溶接時に両亜鉛めっき鋼板間で発生した亜鉛蒸気を両亜鉛めっき鋼板間の微小隙間から逃がすことにより、溶接欠陥の発生を防止するようにしている。
特開２００１−１６２３８７号公報

しかしながら、こうした従来の方法では、プレス成形により鋼板の一方に凸部を形成しなければならず、しかも、凸部により形成される微小隙間の大きさの管理をしなければならず、溶接作業が繁雑であるという問題があった。

本発明の課題は、溶接欠陥を生じさせることなく容易に亜鉛めっき鋼板をレーザー溶接できる亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の方法を取った。即ち、
鋼板を重ね合わせてレーザー溶接するレーザー溶接方法において、
前記鋼板の少なくとも一方が亜鉛めっき鋼板であって、前記鋼板を重ね合わせる重ね部の前記鋼板の間に少なくとも銅を含むインサート層を挟んでレーザー溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法がそれである。前記インサート層は少なくとも前記銅を含む粉末により形成してもよい。あるいは、前記インサート層は少なくとも前記銅を含む箔により形成してもよい。また、前記インサート層は少なくとも前記銅を含む線状材により形成してもよい。

本発明の亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法によると、少なくとも銅を含むインサート層を挟んでレーザー溶接することにより、溶接欠陥を生じさせることなく容易に亜鉛めっき鋼板をレーザー溶接できるという効果を奏する。また、インサート層に粉末を用いると、種々の厚さのインサート層を容易に形成できる。あるいは、インサート層に箔を用いると、２枚の鋼板の間に容易にインサート層を形成できる。また、インサート層に線状材を用いても２枚の鋼板の間に容易にインサート層を形成できる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１、図２に示すように、１，２は亜鉛めっき鋼板で、共に母材である鋼板４，６の表裏両面に亜鉛めっき層８，１０，１２，１４が形成されている。重ね合わせる２枚の鋼板は、少なくとも一方が亜鉛めっき鋼板であればよく、他方は表面処理がされていない鋼板であってもよい。また、亜鉛めっき鋼板１，２は、片面のみに亜鉛めっき層１０，１２が形成されている場合でもよく、その場合には、亜鉛めっき層１０，１２が重ね合わされる面となる。

溶接に際しては、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２を重ね合わせた重ね部１６をレーザー溶接により重ね合わせ方向から重ね溶接する。２枚の亜鉛めっき鋼板１，２を重ね合わせる際に、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の間に、少なくとも銅を含むインサート層２４を挟む。

インサート層２４は、銅を含んだ粉末を用いて形成してもよく、粉末を用いる場合には、油等をバインダーとして用いてペースト状にしてもよい。また、インサート層２４は粉末を用いる場合に限らず、銅箔を用いてもよく、その際、純銅による箔や銅合金による箔でもよく、少なくとも銅を含めばよい。更に、インサート層２４を線状材により形成してもよく、同様に、純銅による線状材や銅合金による線状材でもよく、少なくとも銅を含めばよい。

次に、本発明の方法の実施例を比較例と共に説明する。
本実施例では、両亜鉛めっき鋼板１，２は、ＪＩＳ規格のＳＧＣＤ２相当の溶融化亜鉛めっき鋼板で、亜鉛目付量は最小でも片面当たり４５ｇ／ｍ² で、板厚１．２ｍｍのものを用いた。亜鉛めっき鋼板１，２から１００×５０ｍｍの大きさの試験片に形成した。尚、亜鉛めっき鋼板はこれに限らず、電気めっき鋼板等でもよく、亜鉛目付量や板厚もこれに限らず、他のものでもよい。

また、本実施例では、銅ＣｕとマンガンＭｎとの合金を粉末にして、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の間にインサート層２４を形成した。合金は銅Ｃｕが６６．７％、マンガンＭｎが３３．３％で、粉末の粒度が４５μｍ以下のものを４３％含んでいる。

粉末を用いてインサート層２４を形成する際には、例えば、図３に示すように、一方の亜鉛めっき鋼板２に板厚が０．０２〜０．３ｍｍ程度の２枚のシム板２０，２２を間隔を開けて、溶接方向と平行に並べる。２枚のシム板２０，２２の間隔は、溶接ビードが２枚のシム板２０，２２の間に形成できる幅があればよく、例えば１５ｍｍ程度でよい。インサート層２４の厚さは、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の間の亜鉛めっき層１０，１２の亜鉛量に応じて実験等により決めればよく、例えば、溶接の際に溶融する亜鉛量とインサート層２４の銅量とをほぼ同程度とするか、あるいは銅量を多くするようにするとよい。

図３（ａ）に示すように、２枚のシム板２０，２２の間に、前述した銅ＣｕとマンガンＭｎとの合金の粉末を塗布し、図３（ｂ）に示すように、２枚のシム板２０，２２間に、例えば金属スケール等の金属板２６をわたして、金属板２６をシム板２０，２２に沿って移動する。これにより、一方の亜鉛めっき鋼板２の上に、シム板２０，２２に応じた一定の厚さのインサート層２４が形成される。シム板２０，２２の厚さを変えることにより、容易に種々の厚さのインサート層２４を形成できる。

そして、２枚のシム板２０，２２を取り外し、図３（ｃ）に示すように、他方の亜鉛めっき鋼板１をこのインサート層２４の上に重ね合わせる。これにより、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の間に少なくとも銅を含むインサート層２４が形成される。

この２枚の亜鉛めっき鋼板１，２を、図２に示すように、溶接ビートを形成する箇所を間にして、その両側をクランプ部材２６〜２９によりクランプする。クランプ部材２６〜２９の間は、溶接ビートを形成する際に支障とならないように、１０ｍｍ程度の間隔をあけるとよい。

溶接には、レーザー溶接が用いられ、溶接出力３５００Ｗ、速度２．５ｍ／分、シールドガスにはアルゴンガスを用い、シールドガスの流量を３０Ｌ／分とした。また、レーザーにはＹＡＧレーザー溶接機を用いた。

この２枚の亜鉛めっき鋼板１，２を重ね合わせると共に、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の間に銅を含むインサート層２４を形成して、溶接を行った。実施例１〜１０では、インサート層２４に前述した銅ＣｕとマンガンＭｎとの合金の粉末を用い、実施例１１〜１３では、インサート層２４に厚さ４８μｍのタフピッチ銅箔を用いた。比較例１〜３として、同じ２枚の亜鉛めっき鋼板１，２をインサート層２４を形成することなく重ね合わせて、同様の溶接条件で溶接した。その結果を表１に示す。

比較例１〜３及び実施例１〜１３の溶接ビードの外観を観察すると、比較例１〜３のいずれの場合でも溶接ビードの表面には多くのピットが生じているが、実施例１〜１０ではいずれの場合でもピットの発生は観察されなかった。実施例１１〜１３では１〜３個のピットが生じた。

また、比較例１〜３及び実施例１〜１３について、溶接ビードをＸ線撮影機で撮影して、プローホールの観察を行い、ブローホールの数及びブローホールが溶接ビード中に占める面積率を求めた。尚、本Ｘ線撮影機ではブローホールの直径が０．１ｍｍ以上を観察可能である。

比較例１〜３では、いずれでも多くのブローホールが発生し、ブローホールが溶接ビード中に占める面積率も７０％以上であり、溶接は不良であった。
実施例１〜１０では、プローホールの発生が見られないか、発生があっても２個以下であり、そのブローホールが溶接ビード中に占める面積率も０．６％以下であり、非常に良好な溶接結果が得られた。インサート層２４に粉末を用いると、非常に良好な結果が得られた。

実施例１１〜１３では、ブローホールの数が１０〜１４個、面積率が６．６〜９．８％であり、良好な溶接結果が得られた。インサート層２４に銅箔を用いても、良好な結果が得られた。

図１に示すように、レーザービーム３０によりレーザー溶接する際、レーザービーム３０の照射箇所には溶融池３２ができ、溶融池３２の周囲には熱影響部３４が生じる。レーザービーム３０が図１の矢印方向に移動すると、後方には溶融池３２が固まって溶接ビード３６が形成される。

レーザービーム３０が移動するに従って、溶融池３２も移動し、それと共に熱影響部３４も移動する。従って、レーザービーム３０の進行方向では、まず、レーザービーム３０の移動により、熱影響部３４が発生し、この熱影響部３４がレーザービーム３０により溶融されて、溶融池３２となる。

この熱影響部３４では、亜鉛めっき層１０，１２の亜鉛と、合金粉末の銅Ｃｕとが合金を形成し、亜鉛が蒸気となるのを防止する。熱影響部３４がレーザービーム３０により溶融されても、亜鉛蒸気の発生が抑制されるので、ブローホールの発生や、スパッタの発生が抑制される。

図４は本実施例１〜１０に相当するレーザ溶接後の２枚の亜鉛めっき鋼板１，２の溶接ビードに対して直角な断面の写真であり、図５は図４のａ部を拡大した電子顕微鏡写真である。また、図６は図４のａ部のＦｅ特性Ｘ線像の写真であり、図７は図４のａ部のＺｎ特性Ｘ線像の写真であり、図８は図４のａ部のＣｕ特性Ｘ線像の写真である。

図６〜図８は図４のａ部のＸ線像の写真であり、溶接ビード３６と側面側の熱影響部３４であるが、レーザービーム３０の進行方向の熱影響部３４も同様の状態にある。即ち、レーザービーム３０の進行方向の熱影響部３４がレーザービーム３０の移動により溶融される前の状態と同じである。

図６の写真では、鉄Ｆｅが存在する箇所が白色に写り、図７の写真では、亜鉛Ｚｎが存在する箇所が白色に写り、図８の写真では、銅Ｃｕが存在する箇所が白色に写る。これにより、亜鉛Ｚｎが存在する箇所と銅Ｃｕが存在する箇所とが同じ箇所であり、亜鉛Ｚｎと銅Ｃｕとが合金を形成して、亜鉛Ｚｎが蒸気となるのを抑制していることが解る。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

本発明の一実施形態としての亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法による重ね溶接の一部を断面で示す斜視図である。 本実施形態の亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法による試験片の重ね溶接の断面図である。 本実施形態の粉末によるインサート層の形成を説明する説明図である。 本実施例に相当するレーザ溶接後の２枚の亜鉛めっき鋼板の溶接ビードに対して直角な断面の写真である。 図４のａ部を拡大した電子顕微鏡写真である。 図４のａ部のＦｅ特性Ｘ線像の写真である。 図４のａ部のＺｎ特性Ｘ線像の写真である。 図４のａ部のＣｕ特性Ｘ線像の写真である。

符号の説明

１，２…亜鉛めっき鋼板 ４，６…鋼板
８，１０，１２，１４…亜鉛めっき層
１６…重ね部 ２０，２２…シム板
２４…インサート層 ２６…金属板
２６〜２９…クランプ部材 ３０…レーザービーム
３２…溶融池 ３４…熱影響部
３６…溶接ビード

Claims (4)

1. 鋼板を重ね合わせてレーザー溶接するレーザー溶接方法において、
   前記鋼板の少なくとも一方が亜鉛めっき鋼板であって、前記鋼板を重ね合わせる重ね部の前記鋼板の間に少なくとも銅を含むインサート層を挟んでレーザー溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法。
2. 前記インサート層は少なくとも前記銅を含む粉末により形成したことを特徴とする請求項1に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法。
3. 前記インサート層は少なくとも前記銅を含む箔により形成したことを特徴とする請求項1に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法。
4. 前記インサート層は少なくとも前記銅を含む線状材により形成したことを特徴とする請求項1に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザー溶接方法。