JP2009072799A - 亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜鉛系めっき鋼板を重ねレーザー溶接する際にめっき層から発生する亜鉛蒸気を抜け易くし、ブローホールなどの溶接欠陥を少なくする。
【解決手段】被溶接鋼板の一枚の鋼板表面に、凸部の幅をＳ₁、残存凹部の幅をＳ₂、重ね継手における板間隙間をＧ、重ね継手の薄い側の板厚をｔとするとき、Ｓ₁／Ｓ₂≦１でかつ０．０４≦Ｇ／ｔ≦０．１０となるように凸部が断面円弧状頂部を有する凹凸形状を形成し、二枚の鋼板を重ね合わせてレーザー溶接する。
【選択図】図３

Description

本発明は、亜鉛系めっき鋼板を重ね合わせ継手でレーザー溶接する際にブローホール等の溶接欠陥の発生が少ない溶接部を得ることができる溶接方法に関する。

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、或いは接合強度を高めるためにレーザー溶接等の溶融溶接法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法により溶融溶接を行うと、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、例えばレーザー溶接法の場合、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、一般的には、重ね合わせた鋼板の板間に隙間を形成し、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。

亜鉛蒸気を逃がすための隙間を形成するため、例えば特許文献１のようにプレス成形により溶接部位に凹凸を形成したり、特許文献２のようにスペーサーを挿入したりしている。
しかしながら、凹凸形成やスペーサー挿入にはかなりの手間が掛かるため、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。また、部品形状によっては凹凸形成やスペーサー挿入ができない場合もあった。そのため、凹凸形成やスペーサー挿入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。

例えば、特許文献３には、少なくとも一方の鋼板の重ね合わせ部内側表面に、側端部に延びる溝を形成した後に溶接することが提案されている。また、特許文献４には、少なくとも一方の鋼板表面に特定のサイズのへこみ部分を設けることが提案されている。さらに、特許文献５には、少なくとも一方の鋼板表面に、特定の面積比率で凹溝を設けることが提案されている。
特開２００１−２７６９９１号公報 特開２００１−２７６９９０号公報 特開２０００−２４６４４５号公報 特開２００２−３６１４５５号公報 特開２００１−２３４３１６号公報

しかしながら、特許文献３で提案された方法は、接合部近傍に凹凸溝を設ける工程が必要なため、生産効率が悪化するといった問題がある。また多くの場合、鋼板はプレス加工等により様々な形状に加工されるが、凹凸溝を設けるべき部位が必ずしも平坦ではない、などといったことから部品形状によっては凹凸の形成が困難になる。このため従来の問題点は解消できていない。また、特許文献４，５で提案された方法では、亜鉛蒸気を逃す溝があるものの凸部が平坦形状で平坦面が広いため、重ね合わせた状態での接触面積が広く、亜鉛蒸気が十分に除去されずに残存してブローホールが多く発生し、本来の目的を十分に達成することが難しい。
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、亜鉛系めっき鋼板を重ね合わせ継手でレーザー溶接する際に、亜鉛蒸気に起因したブローホールの発生を抑制することが可能な方法を提供することを目的とする。

本発明の亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法は、その目的を達成するため、少なくとも一方が亜鉛系めっき鋼板からなる二枚の鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接する方法であって、被溶接鋼板の一枚の鋼板として、その表面に断面円弧状頂部を有する凸部が形成されている鋼板を用いることを特徴とする。
この際、凸部が形成されている鋼板として、その横断面において凸部の幅をＳ₁、残存凹部の幅をＳ₂、重ね継手における板間隙間をＧ、重ね継手の薄い側の板厚をｔとするとき、Ｓ₁／Ｓ₂≦１でかつ０．０４≦Ｇ／ｔ≦０．１０となるように凹凸部が形成された鋼板を用いることが好ましい。

本発明のレーザー溶接方法においては、被溶接鋼板の一枚にのみ、その表面に断面円弧状頂部を有する凸部が形成されている鋼板を用いている。このため、二枚の鋼板を重ね合わせた際に、両者間に確実に間隙を形成することができる。この間隙がレーザー溶接時に亜鉛蒸気の排出路となるため、残存することはなく、ブローホールの生成が抑えられる。また、形成する凸部を一方の鋼板のみにしているため、重ね合わせ時に位置合わせ等を行うことなく確実に隙間を形成することができる。

前記したように、例えば特許文献５で提案された方法は、表面に設けられた溝の作用により亜鉛蒸気を逃すことができる点で有用な発明ではある。しかしながら、上面からみたとき、溝の占める面積が平坦部面積に比して極めて狭いために、逆に表現すると平坦部の面積が広いため、重ね合わせた状態での接触面積が広く、亜鉛蒸気が十分に除去されずに残存してブローホールが多く発生しやすくなっている。
そこで、本発明者等は、二枚の鋼板を重ね合わせた状態での接触面積が狭く、かつ確実に両者間に隙間を設ける手段について種々検討を重ねた結果、一方の鋼板表面にのみ凸部を設けることが有用であることを見出した。

以下に、添付図面を参照しながらその詳細を説明する。
まず、最終の圧延工程で、一方のロールとして、適当間隔で溝を彫ったものを使用し、図１の材料Ｂで示す断面形状の板材を作製する。また、図１中の材料Ａとして亜鉛系めっきを施した鋼板を準備する。なお、図１では亜鉛系めっきの図示は省略している。このような形態で二枚の鋼板を重ね合わせると、両者間の接触は凸条の先端部のみとなり接触面積を大幅に狭くすることができる。
そして、図１中で、圧延方向と垂直又は平行になる方向に、レーザービームを照射して溶融溶接を行うと、溶接熱により発生した亜鉛蒸気は、凸条から両側に向けて容易に逃げることが可能となり、溶融金属内に残存してブローホールとなることが抑制される。

図１では、鋼板表面に形成する凸条は断面が半円形となっているが、この形状に限られるものではない。図２のように単なる頂部が球面となった凸部でもよい。その配列パターンも、図２（ａ）のようなパターンでもよいし、図２（ｂ）のように互い違いに配置したものでもよい。
このような頂部球面化凸部は、最終の圧延工程で、一方のロールとして、適当パターンで適宜形状の凹部が彫られたロールを使用することにより形成することができる。

前記したように、溶接する二枚の鋼板の内、一方の鋼板表面にのみ凸部を設ける。両方の鋼板に凹凸部を設けると、一方の凸部が他方の凹部に合致しないように位置決めをする必要がある。鋼板そのものを加工する工程と併せ、製造コストの上昇を招くことになる。
溶接する二枚の鋼板は、二枚とも亜鉛系めっき鋼板であってもよいし、二枚の内のいずれか一方のみが亜鉛系めっき鋼板であってもよい。
前記した通り、鋼板表面に微細な凸条，或いは凸部を形成する方法としては、最終的な圧延加工時の圧延ロールの片方に、所定形状の溝，或いは凹部を設けたロールを用いて圧延する方法で十分である。
亜鉛めっきを施した方の鋼板表面に微細な凸条，或いは凸部を形成する場合、所定の亜鉛めっきを施しためっき鋼板に上記のようなロールを備えた圧延機による圧延を施してもよいし、上記のようなロールを備えた圧延機に通板して冷間圧延した後に、所定の溶融亜鉛めっきを施してもよい。

溶接する二枚の鋼板の内、一方のみに凸条，凸部を設けることにより、二枚の鋼板の接触状態が線接触，点接触となるため、蒸気化した亜鉛の排出がより容易になる。
ところで、レーザー溶接時には、二枚の被溶接鋼板は、ある程度の押圧力が付加された状態で積み重ねられている。このため、凸部が形成された鋼板であっても、溶接熱が加えられると凸部が溶融して亜鉛蒸気の排出路が閉ざされやすくなる。そこで、部分的に溶融してもガス排出路が閉ざされることを防ぐためには、形成する凸部を、頂部が断面円弧状になるような形状にする必要がある。半円形断面の凸条や、半球形状の凸部を設けることが好ましい。単純な三角断面形状とすると頂部が溶融して全体として潰されやすく、結果的にガス排出路が閉ざされやすくなる。

レーザー溶接におけるブローホールの抑制には、断面に占める凹凸部の割合が重要となる。
例えば、図３に示すような断面形状の凸条を設けた場合に、凸部の幅をＳ₁、残存凹部の幅をＳ₂とするとき、Ｓ₁、Ｓ₂及び二枚の板間隙間Ｇ、さらには鋼板板厚ｔによって、レーザー溶接時におけるガス排出路の確保状況が変わってくる。
詳細は実施例に譲るが、Ｓ₁／Ｓ₂≦１でかつ、０．０４≦Ｇ／ｔ≦０．１０のとき確実にブローホールの発生量を抑えることができた。
凸部高さＨはまた、溶け落ちの観点から設定する必要がある。凸部を設けていない鋼板の板厚の３０％以下とすることが好ましい。

板厚が１.２ｍｍ及び０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍで、めっき付着量が片面４５ｇ／ｍ^２の合金化溶融亜鉛めっき鋼板１と同じ寸法の冷延鋼板１’及び板厚が０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍで、めっき付着量が片面９０ｇ／ｍ^２の溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板１と同じ寸法の冷延鋼板１’を図３に示すように密接に重ね合わせてそれぞれレーザー溶接を行った。この際、冷延鋼板１’の方に、圧延時のロール形状の調整により断面形状と分布状態を種々変更した凸条を形成した。
なお、レーザー溶接条件は表１に示す通りとした。
そして、レーザー溶接した溶接物の溶接部に残存するブローホールの発生状況を観察した。ブローホール発生状況は、Ｘ線透過写真より、図４におけるＤ₁，Ｄ₂，Ｄ₃・・・をｍｍ単位で計測し、溶接部に示す割合を次式で算出した。
ブローホール占有率（％）＝（Ｄ₁＋Ｄ₂＋Ｄ₃＋・・・／５０）×１００
その結果を表２及び図５に示す。

表２は、各種素材に対し、凹凸部幅、凹部深さ、板間の隙間を種々変化させた際のブローホール発生状況をまとめたものである。
図５はＧ／ｔを０．０４で固定した時のＳ₁／Ｓ₂とブローホール占有率との関係を示す。また図６にＳ₁／Ｓ₂を０．５で固定した時のＧ／ｔとブローホール占有率との関係を示す。
ブローホール占有率を比較すると、Ｎｏ．１の凹凸を設けずに板間の隙間をゼロにした場合は、１０％以上となり多くのブローホールが発生した。これに対してＮｏ．２以降の凹凸を設けて板間ギャップを与えるといずれの条件においてもＮｏ．１の条件よりブローホール占有率が低下した。

さらに、表２及び図５、図６に示すように本発明の条件であるＮｏ．２〜１１、１６、１８〜２１においては、ブローホール占有率が２％未満と著しくブローホール低減効果が見られ、なおかつ本発明の条件範囲において安定して効果があることが分かった。
したがって、表２及び図５、図６に示す通り、表面に所定形状の凸条を形成した鋼板を用いたものにあっては、ブローホール占有率が大幅に低下しており、凸条の形成が有効であることが理解できる。

本発明の実施形態を示す模式図 本発明における凹凸パターンの一例を示す模式図 本発明の請求範囲の符号を説明するための模式図 ブローホール占有率を定義するための模式図 ブローホール占有率に及ぼすＳ₁／Ｓ₂の影響を示すグラフ（ただし、Ｇ／ｔ＝０．０４） ブローホール占有率に及ぼすＧ／ｔの影響を示すグラフ（ただし、Ｓ₁／Ｓ₂＝０．５）

Claims (2)

1. 少なくとも一方が亜鉛系めっき鋼板からなる二枚の鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接する方法であって、被溶接鋼板の一枚の鋼板として、その表面に断面円弧状頂部を有する凸部が形成されている鋼板を用い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. 凸部が形成されている鋼板の横断面において、凸部の幅をＳ₁、残存凹部の幅をＳ₂、重ね継手における板間隙間をＧ、重ね継手の薄い側の板厚をｔとするとき、Ｓ₁／Ｓ₂≦１でかつ０．０４≦Ｇ／ｔ≦０．１０となるように凹凸部が形成された鋼板を用いる請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザー溶接方法。

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