JP2017209727A - めっき鋼板のレーザ切断加工方法、レーザ切断加工品、熱切断加工方法、熱切断加工製品、表面処理鋼板及びレーザ切断方法並びにレーザ加工ヘッド - Google Patents
めっき鋼板のレーザ切断加工方法、レーザ切断加工品、熱切断加工方法、熱切断加工製品、表面処理鋼板及びレーザ切断方法並びにレーザ加工ヘッド Download PDFInfo
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Abstract
Description
材料:アルミニウム6%、マグネシウム3%、残り亜鉛91%のめっきを表面
に被覆しためっき鋼板、板厚t=2.3mm、K35(片側めっき付着
量175g/m2)
切断サンプル形状:130mm×30mm
標準加工条件
・ノズル直径:D4.0(4.0mm)
・切断速度:F1600(1600mm/min)
・アシストガス種類:EZ(前述したイージーカットに使用されるアシストガ
スを表わす。この場合のアシストガスは、窒素約97%、酸素3%の混合ガ
スである)
・アシストガス圧:0.9MPa
・ノズルギャップ:0.3mm(ノズルとめっき鋼板の上面との間隔)
・焦点位置:−4.5mm(ワーク上面を0として、上側を+、下側を−とし
ている)
上記の標準加工条件の各条件を変化して加工を行った結果は次のとおりであった。
表面処理鋼板は、特に限定するものではない。Zn系、Zn−Al系、Zn−Al−Mg系、Zn−Al−Mg―Si系の金属めっき又は合金めっきなどを被覆しためっき鋼板を用いることができる。Zn−Al−Mg系の合金めっきが施された鋼板が好ましい。表面処理鋼板の基材は、熱延鋼板、冷延鋼板のいずれでもよく、極低炭素鋼板や低炭素鋼板などを用いることができる。
切断面に存在するめっき金属層は、切断面の全部または一部を被覆すればよい。切断面にめっき金属層が一部存在すると、犠牲陽極効果により、めっき金属が基材の鋼よりも優先して溶解して、表面処理鋼板の耐食性は、切断面においても保持される。十分な耐食性を確保する観点では、被覆層の平均長さは、鋼板の板厚の25%以上であることが好ましい。本明細書では、被覆層の長さを「めっき流入長さ」といい、鋼板の板厚に対する被覆層の平均長さの割合を「めっき流入長さ率」という。
レーザ切断では、切断用ガスがレーザ光の周囲から表面処理鋼板に吹き付けられる。切断用ガスは、主に、材料切断部の燃焼及び蒸発または溶融した材料を切断部分から排除する目的で用いられる。切断用ガスは、O2ガス、空気、N2ガス等、または、これらの混合ガスを使用することができる。当該酸化層若しくは窒化層又はこれらの混合層は、レーザ光の照射によって鋼板が切断されて露出した切断面の表面に形成される。その後、表面処理鋼板のめっき金属層が当該切断面に流入して、上記の被覆層を形成することから、被覆層は、上記の酸化層若しくは窒化層又はこれらの混合層(以下、「酸化層等」と記載することもある。)の上に形成される形態を有している。また、補助ガスにも切断用ガスと同じ種類のガスを使用すると、上記の酸化層等の生成に寄与する。
第3の実施形態は、鋼板表面にめっき金属層で被覆された表面処理鋼板のレーザ切断方法であって、酸素ガス若しくは窒素ガス又はこれらの混合ガスを含む切断用ガスを用いてレーザ切断を行い、切断面を形成した後、溶融しためっき層に対して補助ガスを噴射して前記めっき金属層を切断面に流入させる、レーザ切断方法である。
(a)レーザ発振方式:CO2レーザ
(b)レーザ切断幅(mm):0.24〜0.40
(c)レーザ出力(kW):2,4,6
(d)切断速度(m/min):0.6〜7.0
(e)切断用ガスの種類:窒素(N2),酸素(O2),窒素+3%酸素(N2+3%O2),アルゴン(Ar)
(f)切断用ガス圧(MPa):0.05〜1.4
(g)補助ガスのノズル型:サイドノズル(A型:図28参照),リングノズル(B型:図29参照)
(h)補助ガスの種類:窒素(N2),酸素(O2),窒素+3%酸素(N2+3%O2),アルゴン(Ar)
(i)補助ガス流量(L/min):15〜1900
切断後の試験材は、その切断面を写真撮影して画像データとして取得し、被覆層の平均長さ(めっき流入長さ率)、めっき被覆率を求めた。また、試験材に対して、後に説明する暴露試験を行って、端面発錆率を求めた。さらに、後に説明する方法により、酸化層等の厚みを測定した。また、上記の切断面において、電子線マイクロアナライザ(EPMA)による成分分析を行った。
図30の(a)は、被覆層の平均長さを測定する方法を模式的に示したものである。被覆層は、めっき流入部分310で示したように、めっき金属が鋼板表面320から切断面に流入して、鋼板の裏面330に向かって延びる形態を示している。図30の(a)に例示するように、観察した領域内から主な流入部として、円状の印で囲んだ5個のめっき流入部分310を選定し、それらの先端までの長さ(めっき流入長さ340)を計測し、めっき流入長さ340と、鋼板の板厚350との比率(本明細書は、「めっき流入長さ率」という。)を算出して、5点の平均値を求めた。その平均値により、本実施形態に係る被覆層の平均長さとした。
被覆層が切断面を占める被覆率について測定する方法を以下に説明する。まず、図30の(b)に示すように、判定するポイントP1〜P5を設定した。本実施形態では、鋼板表面に対して垂直な線分を引き、その線分の上に、板端面の表面および裏面のそれぞれから50μmの位置にP1とP5を設定した。そして、P1とP5の中点にP3を設定し、P1とP3との中点にP2を設定し、P3とP5との中点にP4を設定した。当該P1〜P5において、めっき流入部分310と一致する点をカウントした。それと同様の手順で、図30(b)に例示するように、任意の箇所で4回繰返して、総計20個の点(ポイント)でめっき流入部分と一致する点の合計を求めて、その比率を算出した。例えば、8個のポイントで一致すれば、8/20=0.4(40%)である。この算出された数値を用いて、本実施形態に係るめっき被覆率とした。
酸化層等の厚みについて測定する方法を以下説明する。図31の(a)に示すように、切断面を下に向けて、試験材390を樹脂400に埋め込んで、測定用試料を作製した。その際、試験材390の一端側にワイヤー420を配して、試験材390に傾斜角度θを付与した。樹脂に埋め込まれた試験材390に対して研磨を行うと、試験材390の切断面のめっき層と酸化層等が斜めに研磨されて、図31の(b)に示すように、研磨面380において、鋼板素地370、酸化層等360、めっき金属310が並んで露出した。その後、酸化層等360の幅を計測した。計測された酸化層等の幅と、埋め込み時の傾斜角度θにより、酸化層等の厚みを算出した。切断面の観察領域410における任意の3箇所で、同様の手順により酸化層等の厚みを計測して平均値を算出し、その数値を本実施形態に係る酸化層等の厚みとした。
本発明の部材の耐食性に関しては、試験材を用いて屋外大気中で暴露試験を60日間で行い、切断面において赤錆が発生した割合により評価した。本明細書では、この赤錆の発錆割合を「端面発錆率」という。以下、端面発錆率の測定方法について説明する。切断された試験材の中央部付近に長さ150mmの測定範囲を設定した。図32に例示するように、測定範囲の中に、5mmピッチで判定位置520を設定し、赤錆部510と交差する判定位置の数を測定し、交差した割合を算出した。例えば、図32に示す例では、20箇所の判定位置のうち赤錆部と交差している判定位置が7箇所であるので、端面発錆率は、7/20=0.35(35%)と算出される。
5 レーザ加工ヘッド
60 切断用ガス
70 補助ガス
80 補助ガスサイドノズル
90 補助ガスノズル
200 表面処理鋼板
210 めっき金属層
220 切断面
230 めっき金属の溶融領域
240 めっき金属の蒸発領域
250 被覆層
260 蒸発しためっき金属
310 めっき流入部分(被覆層)
320 鋼板の表面
330 鋼板の裏面
340 めっき流入長さ
350 板厚
360 酸化層、窒化層又はこれらの混合層
370 鋼板の素地
380 研磨面
390 試験材
400 埋め込み樹脂
410 観察領域
420 ワイヤ
510 赤錆部
520 判定位置
θ 傾斜角度
Claims (35)
- めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、前記めっき鋼板の上面へレーザ光を照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び/又は蒸発された上面のめっき層含有金属を、レーザ加工部へ噴出されるアシストガス又は補助ガスによって、前記めっき鋼板の切断面側へ流動して、前記切断面にめっき層含有金属を被覆することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ光の焦点位置は、+0.5mm〜−4.5mmの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1又は2に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ加工ヘッドにおけるノズルとめっき鋼板の上面との間のノズルギャップを、0.3mm〜1.0mmの範囲で調節し、かつアシストガス圧を、0.5MPa〜1.2MPaの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1,2又は3に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ切断加工速度を、1000mm/min〜5000mm/minの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、アシストガスを噴出するノズルの径は2.0mm〜7.0mmであることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、アシストガスは、窒素ガス又は窒素ガス96%以上、酸素ガス4%以下の混合ガスであることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、2.3mmであり、めっき付着量はK14であり、ノズル径は2.0mm〜7.0mmであり、アシストガス圧は0.5〜0.9(MPa)であり、切断速度は3000〜5000(mm/min)であることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、2.3mmであり、めっき付着量はK27又はK35であり、ノズル径は2.0mm〜7.0mmであり、アシストガス圧は0.5〜0.9(MPa)であり、切断速度は3000〜5000(mm/min)であることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、3.2mmであり、めっき付着量はK27又はK35であり、ノズル径は7.0mmであり、アシストガス圧は0.5〜0.9(MPa)であり、切断速度は2000〜3000(mm/min)であることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- 請求項1に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、4.5mmであり、めっき付着量はK27又はK35であり、ノズル径は7.0mmであり、アシストガス圧は0.7〜0.9(MPa)であり、切断速度は1500〜2000(mm/min)であることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
- めっき鋼板のレーザ切断加工品であって、めっき鋼板における切断面に、レーザ切断加工時に溶融及び/又は蒸発された上面のめっき層含有金属が被覆してあることを特徴とするレーザ切断加工品。
- 請求項11に記載のレーザ切断加工品において、前記切断面の上縁付近のめっき層の厚さは、前記切断面から離隔した位置におけるめっき層の厚さよりも薄いことを特徴とするレーザ切断加工品。
- 請求項11又は12に記載のレーザ切断加工品において、めっき層の溶融及び/又は蒸発範囲は、切断面から0.27mm〜0.5mmの範囲であることを特徴とするレーザ切断加工品。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆され、かつ切断面にめっき層の含有金属を有する熱切断加工製品の加工方法であって、めっき層の含有金属が溶融して切断面に回り込み、溶融した前記金属が凝固したことによって切断面が前記めっき層の含有金属で覆われていることを特徴とする熱切断加工方法。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆され、かつ切断面にめっき層含有金属を有する熱切断加工製品の加工方法であって、切断面に回り込んだめっき層の含有金属が切断面を被覆する面積が切断面面積の10%以上であること、または、切断面に回り込んだめっき層の含有金属の最大流入距離が板厚の30%以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱切断加工方法。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆され、かつ切断面にめっき層含有金属を有する熱切断加工製品の加工方法であって、切断面から垂直方向に沿ってめっき層が溶融した幅が0.03mm〜0.5mmである請求項14,15のいずれか1項に記載の熱切断加工方法。
- Al:1.0〜22.0質量%を含む溶融Zn系めっき鋼板を素材として熱切断した請求項14〜16のいずれか1項に記載の熱切断加工方法。
- めっきの組成が、さらに、質量%で、Mg:0.1〜10.0%、Ti:0.10%以下、B:0.05%以下、Si:2%以下の群から選ばれる1種以上を含有するものである亜鉛系めっき鋼板を素材として熱切断した請求項17に記載の熱切断加工方法。
- Si:1.0〜1.0質量%を含む溶融Al系めっき鋼板を素材として熱切断した請求項14〜16のいずれか1項に記載の熱切断加工方法。
- 凝固しためっき層の含有金属が切断面に流動線状に存在することを特徴とする請求項14〜19に記載の熱切断加工方法。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されている表面処理鋼板を素材とし、めっき層の含有金属が溶融して切断面に回り込み、溶融した前記金属が凝固したことによって切断面がめっき層の含有金属で覆われていることを特徴とする熱切断加工製品。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されている表面処理鋼板を素材とし、切断面に回り込んだめっき層の含有金属が切断面を被覆する面積が切断面面積の10%以上であること、または、切断面に回り込んだめっき層の含有金属の最大流入距離が板厚の30%以上であることを特徴とする請求項21に記載の熱切断加工製品。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されているめっき層を有する表面処理鋼板を素材として、切断面から垂直方向に沿ってめっき層が溶融した幅が0.03mm〜0.5mmである請求項21,22のいずれか1項に記載の熱切断加工製品。
- Al:1.0〜22.0質量%を含む溶融Zn系めっき鋼板を素材とし、請求項21〜23のいずれか1項に記載の熱切断加工製品。
- めっきの組成が、さらに、質量%で、Mg:0.1〜10.0%、Ti:0.10%以下、B:0.05%以下、Si:2%以下の群から選ばれる1種以上を含有するものである亜鉛系めっき鋼板を素材とした請求項24に記載の熱切断加工製品。
- Si:1.0〜13.0質量%を含む溶融Al系めっき鋼板を素材とした請求項21〜23のいずれか1項に記載の熱切断加工製品。
- 凝固しためっき層の含有金属が切断面に流動線状に存在することを特徴とする請求項21〜26に記載の熱切断加工製品。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されている表面処理鋼板であって、切断面が鋼板表面の前記めっき層の含有金属で覆われていることを特徴とする表面処理鋼板。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されている表面処理鋼板であって、鋼板表面の前記めっき層の含有金属が切断面を被覆する面積は、切断面面積の10%以上であること、または、鋼板表面の前記めっき層の含有金属は表面処理鋼板の表面又は裏面から板厚の30%以上でもって切断面に被覆してあることを特徴とする請求項28に記載の表面処理鋼板。
- 鋼板表面にめっき金属が被覆されている表面処理鋼板であって、切断面から垂直方向に沿ってめっき層の薄い部分の幅が0.27mm〜0.5mmである請求項28,29のいずれか1項に記載の表面処理鋼板。
- 鋼板表面にめっき金属層で被覆された表面処理鋼板のレーザ切断方法であって、酸素ガス若しくは窒素ガス又はこれらの混合ガスを含む切断用ガスを用いてレーザ切断を行い、切断面を形成した後、溶融しためっき金属層に対して補助ガスを噴射して前記溶融しためっき金属層を切断面に流入させる、レーザ切断方法。
- 前記補助ガスを噴射する複数のノズルを、前記切断用ガスのノズルの周囲に配置して、レーザ切断を行う、請求項31に記載のレーザ切断方法。
- 前記補助ガスを噴射するリング状のノズルを、前記切断用ガスのノズルの周囲に配置して、レーザ切断を行う、請求項31に記載のレーザ切断方法。
- 請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,14,15,16,17,18,19,20,31,32,33のいずれかに記載のレーザ切断加工方法に使用するレーザ加工ヘッドであって、めっき鋼板のレーザ加工部へアシストガスを噴出するノズルを備え、上記ノズルから噴出されたアシストガスによって溶融金属を吹き飛ばして形成された切断面へ、めっき鋼板の上面において溶融された状態のめっき層含有金属を導くための補助ガスを噴出する補助ガスノズルを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
- 請求項34に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記補助ガスノズルは、レーザ切断加工によって形成される切断溝の幅よりも大きな範囲でもってレーザ切断加工後の切断溝に補助ガスを噴出する構成であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
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