JP2010094702A

JP2010094702A - 金属メッキ板のレーザー溶接方法

Info

Publication number: JP2010094702A
Application number: JP2008266688A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Oku; 好博奥; Taichi Shimizu; 太一清水; Kenichi Kawamata; 健一河又
Original assignee: Toa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Toa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現する亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法を提供する。
【解決手段】下板１１と上板１２の重ね合わせ部の端部の起点Ｐ１から終点Ｐ２までの直線経路Ｋに沿って、レーザービーム１８を移動させながら照射する。レーザービーム１８は下板１１と上板１２の両方を貫通する貫通孔２０を形成するような高いエネルギー密度を有している。そして、レーザービーム１８の照射により発生した亜鉛蒸気は、２つの経路を介して外部へ脱気される。１つの脱気経路は、下板１１と上板１２の重ね合わせ部分の端部における、下板１１と上板１２の重ね面の隙間を通して外部へ出る経路である。もう１つの脱気経路は、前記貫通孔２０を通して外部へ出る経路である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数枚の金属メッキ板の重ね合わせ部分をレーザー溶接する方法に関する。

亜鉛メッキ鋼板は、母材金属板である鋼板の表面に防錆用の亜鉛メッキを施した鋼板材であり、自動車の車体の構造材等として多用されている。車体等を形成する場合に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせて、その重ね合わせ部分にレーザービームを照射して、鋼板材を溶融、結合させるレーザー溶接法が知られている。（特許文献１−３を参照）

上記レーザー溶接を行うと、亜鉛の沸点（約９００℃）が鋼板（鉄）の融点（約１５００℃）より低いことに起因して溶接欠陥が発生することが知られている。つまり、レーザービームを前記重ね合わせ部分に照射することにより、鋼板が溶融するが、この時、重ね面の亜鉛が蒸発する。そして、亜鉛蒸気は溶融した鋼板内を通って外に抜けようとする。その結果、溶融した鋼板の一部が吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気が鋼板内部に残り、ブローホールと呼ばれる気孔を形成して、溶接強度を劣化させたり、外観が悪くなる。

このような観点から、亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法においては様々な対策が提案されている。（特許文献１−３を参照）例えば、特許文献１においては、エネルギー密度が低いレーザービームで亜鉛を蒸発、離散させた後、エネルギー密度が高いレーザービームで溶接接合させる方法が記載されている。
特開平４−２３１１９０号公報特開平１０−１５６５６６号公報特開２００２−１７８１７８号公報

しかしながら、特許文献１の溶接方法では、エネルギー密度の低いレーザービームの照射により、亜鉛を蒸発、離散させるとき、殆どの亜鉛蒸気は鋼板の重ね面の隙間を通って外に抜け出るしかなかった。このため、亜鉛の除去が不十分となるおそれがあった。

本発明は、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる金属メッキ板のレーザー溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数の金属メッキ板を重ね合わせ、前記重ね合わせ部分の端部における溶接しようとする経路に沿って、レーザービームを移動させながら照射することにより溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法であって、前記レーザービームは、重ね合わされた前記複数の金属メッキ板を貫通する貫通孔を形成するような高いエネルギー密度を有し、前記重ね合わせ部分の端部における重ね合わせ面の隙間及び前記貫通孔を通して、メッキされた金属の金属蒸気を排出しながら溶接を行うことを特徴とする。

本発明の金属メッキ板のレーザー溶接方法によれば、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。先ず、レーザー加工装置の構成を図１に基づいて説明する。図示のように、レーザー加工テーブル１０上に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態で載置する。以下では、下側になった亜鉛メッキ鋼板を下板１１と呼び、上側になった亜鉛メッキ鋼板を上板１２と呼ぶことにする。下板１１と上板１２とをクランプ治具で押さえて、両板の重ね合わせ部をできるだけ密着させることが好ましい。

下板１１及び上板１２が載置されたレーザー加工テーブル１０の上方には、レーザー加工ヘッド１３が配置され、このレーザー加工ヘッド１３に光ファイバー１４を介してファイバーレーザー発振器１７によって発生されたレーザービームが出力されるようになっている。尚、ファイバーレーザー発振器１７の代わりに、ＹＡＧレーザー発振器、ＣＯ_２レーザー発振器等の他の種類のレーザー発振器を用いてもよい。

レーザー加工ヘッド１３には、コリメーションレンズ１５と集光レンズ１６が収納されている。ファイバーレーザー発振器１７からのレーザービームは、先ず、コリメーションレンズ１５によって一旦平行光線に変換され、その平行光線が集光レンズ１６によって、所定の焦点距離の位置に集光される。また、レーザー加工ヘッド１３は、例えば、レーザー加工ロボットのような移動手段によって、上板１２の面内のＸ方向及びＹ方向、上板１２の表面に垂直なＺ方向に移動自在に構成されている。

従って、レーザー加工ヘッド１３をＺ方向に移動させることにより、レーザー加工ヘッド１３から出力されるレーザービーム１８の照射領域１９（上板１２に垂直な方向からみて円形の領域になる）の広狭を変えることができる。レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９の単位面積当たりのエネルギーであり、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力（電力）が一定であれば、レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９の面積に反比例することになる。

また、レーザー加工ヘッド１３のコリメーションレンズ１５又は集光レンズ１６を交換することによっても照射領域１９の広狭を変えることができる。また、レーザー加工ヘッド１３をＸ方向に、又はＹ方向に、或いはＸ方向とＹ方向に同時に移動させることにより、レーザービーム１８の照射領域１９を前記重ね合わせ部上を任意の経路に沿って、所望の移動速度で移動させることができる。

以下、上記レーザー加工装置を用いた亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法について図２及び図３に基づいて説明する。図２（ａ）は、重ね合わされた下板１１及び上板１２を上板１２の上方から見た平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。同様に、図３（ａ）は、重ね合わされた下板１１及び上板１２を上板１２の上方から見た平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。

先ず、図２（ａ）に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部の端部の起点Ｐ１から終点Ｐ２までの直線経路Ｋに沿って、レーザービーム１８を移動させながら照射する。レーザービーム１８は、上板１２の上方から下板１１の方向に向けて、上板１２の表面に対して垂直に照射されることが好ましい。レーザービーム１８の照射領域１９は静止状態では円形になる。

ここで、レーザービーム１８は、図２（ｂ）に示すように、重ね合わされた下板１１と上板１２の照射領域１９に対応する鋼板部分を溶融し、下板１１と上板１２の両方を貫通する貫通孔２０を形成するような高いエネルギー密度を有している。そして、レーザービーム１８により形成された貫通孔２０付近の下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛がレーザービーム１８の加熱により蒸発される。

このようにして発生した亜鉛蒸気は、２つの経路を介して外部へ脱気される。１つの脱気経路は、下板１１と上板１２の重ね合わせ部分の端部における、下板１１と上板１２の重ね面の隙間を通して外部へ出る経路である。この時、下板１１と上板１２とはクランプ治具によりクランプされていても、下板１１と上板１２の重ね面には僅かながら隙間が生じる。レーザービーム１８は下板１１と上板１２の重ね合わせ部の端部に照射されるので、亜鉛蒸気の脱気経路を短くして、亜鉛蒸気の脱気を促進する効果がある。もう１つの脱気経路は、前記貫通孔２０を通して外部へ出る経路である。この場合、本発明者の実験によれば、上板１２に形成された貫通孔２０の部分から上方から出る経路よりも、下板１１に形成された貫通孔２０の部分から下方に出る経路からより多くの亜鉛蒸気が脱気される。

そして、図３（ａ），（ｂ）に示すように、レーザービーム１８を起点Ｐ１から終点Ｐ２まで移動させると、レーザー溶接は終了する。つまり、照射領域１９に対応した溶融部は自然冷却により固体化し、溶接部２１が形成される。

このように、本実施形態によれば、上記２つの脱気経路から亜鉛蒸気を速やかに抜き出しながら、下板１１と上板１２の照射領域１９に対応する部分を溶融して溶接を行っているので、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる。

尚、上記実施形態においては、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行っているが、本発明は、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行う場合にも適用することができる。また、本発明のレーザー溶接の対象となる金属メッキ板は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、鋼板の表面に、鋼板の融点よりも低い沸点を有した金属、例えば、アルミニウム、或いは錫をメッキしてなる金属メッキ板であってもよい。また、母材金属板の材料も鉄に限定されることはなく、例えば、鉄と他の元素との合金でもよい。また、レーザービーム１８の照射経路は、直線経路であることが好ましいが、下板１１と上板１２の重ね合わせ部分の端部に沿っている限りは若干曲がっていてもよい。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。２枚の亜鉛メッキ鋼板（規格：GAC270 t1.2）を準備した。２枚の亜鉛メッキ鋼板は、厚さが１．２ｍｍであり、表面及び裏面に４０ｇ／ｍ^２の亜鉛メッキが施されたものである。そして、図２（ａ）に示すように、２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部の端部に沿って、レーザービーム１８を直線経路Ｋに沿って照射した。この時、重ね合わせ部の長さＬ１は２０ｍｍ、上板１２の端からレーザービーム１８の照射領域１９の中心点までの距離Ｌ２は１．０ｍｍ〜２．０ｍｍであった。また、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷ（キロワット）であり、レーザービーム１８の照射領域１９は円形であり、その直径は０．２ｍｍであった。

上記レーザービーム１８の照射により、２枚の亜鉛メッキ鋼板は直線経路Ｋに沿って溶接され、その溶接強度は高く、外観も良いことが確認された。

本発明の実施形態におけるレーザー加工装置の構成を示す図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図及び断面図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図及び断面図である。

符号の説明

１０・・・レーザー加工テーブル１１・・・下板
１２・・・上板１３・・・レーザー加工ヘッド
１４・・・光ファイバー１５・・・コリメーションレンズ
１６・・・集光レンズ１７・・・ファイバーレーザー発振器
１８・・・レーザービーム１９・・・照射領域
２０・・・貫通孔２１・・・溶接部

Claims

母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数の金属メッキ板を重ね合わせ、
前記重ね合わせ部分における溶接しようとする経路に沿って、レーザービームの照射領域を移動させながら照射することにより溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法であって、
前記レーザービームを前記重ね合わせ部分の端部に沿って照射し、且つ、前記レーザービームは、重ね合わされた前記複数の金属メッキ板を貫通する貫通孔を形成するような高いエネルギー密度を有し、前記重ね合わせ部分の端部における前記金属メッキ板の重ね面の隙間及び前記貫通孔を通して、メッキされた金属の金属蒸気を脱気しながら溶接を行うことを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
前記重ね合わせ部分の端部における溶接しようとする経路が直線経路であることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
前記母材金属は鉄鋼であり、前記母材金属板の表面にメッキされた金属は亜鉛又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。