JP2021171778A - めっき鋼板の溶接装置及びめっき鋼板の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接対象のめっき鋼板に特段の前加工を必要とせず、加熱条件の操作が容易であり、気泡、スパッタの発生を抑制することができるめっき鋼板の溶接装置及びめっき鋼板の溶接方法を提供する。【解決手段】第１めっき鋼板と第２めっき鋼板を重ね合わせて生じる重ね合わせ部位において第１めっき鋼板と第２めっき鋼板とを溶接するめっき鋼板の溶接方法であり、重ね合わせ部位において第１めっき鋼板の外表面から第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板を加熱溶融して重ね合わせ部位に第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱工程と、重ね合わせ部位に形成された溶融金属プールとともに第１めっき鋼板の外表面から第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した第２めっき鋼板と溶融金属プールと接続する第２加熱工程とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、めっき鋼板の溶接装置及びめっき鋼板の溶接方法に関し、特に、溶接箇所の気泡を少なくするめっき鋼板の溶接装置及びめっき鋼板の溶接方法に関する。

めっき鋼板は主に鋼板の表面に亜鉛のめっき層が形成されている。この場合、鋼板の鉄とめっき層の亜鉛との間では金属の融点が異なる。例えば、亜鉛めっき鋼板に対してレーザ等を用いて鋼板同士の溶接を行った場合、鋼板の溶融時にめっき層の亜鉛が先に気化する。気化した亜鉛蒸気が溶融池（溶融金属溜まり、溶融金属プール）の融液をスパッタとして吹き飛ばして凹凸の表面となることが多い。また、溶融部内に亜鉛蒸気が残ったままの状態で溶融部が凝固し、溶接部内に気泡（ブローホール）が形成される可能性がある。

この問題への対処として、例えば、次の手法が行われていた。（１）めっき鋼板同士の間に他の薄い板を挟み込み、所定の隙間が形成されて蒸発により発生した蒸気の逃げ道が作られる。（２）溶融部の周囲に対して出力を弱めたレーザ等の熱源を照射し鋼板自体は溶融させずにめっきの金属を予め蒸発させて除去し、めっき金属の除去後にレーザ溶接が行われる。（３）レーザ溶接後に再度同一箇所に対してレーザ溶接が行われる。

これらの方法であっても、次の問題点が解消できなかった。（１）溶接の対象物の形状は複雑であることが多く、容易に所定の間隔を形成することが困難である。（２）溶接対象のめっき鋼板の板厚、めっき層の厚さにばらつきがあり、加熱条件の正確な制御が困難である。（３）スパッタが生じること自体は変わらず、喪失した金属の体積分の溶接箇所が薄くなる。

このような経緯から、めっき鋼板の溶接に際して種々の改良方法が提案されてきた（特許文献１、２、３参照）。しかしながら、提案の溶接方法であっても、レーザ照射の出力、動きが複雑であったり、スパッタ量の抑制が困難であったりする。そのため、現状、めっき鋼板同士の溶接に際して満足のできる溶接方法は見いだされておらず、新たな溶接方法が模索されていた。

特開平１０−７１４８０号公報 特開２００９−５０８９４号公報 特開２０１２−１１５８７６号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、溶接対象のめっき鋼板に特段の前加工を必要とせず、加熱条件の操作が容易であり、気泡、スパッタの発生を抑制することができるめっき鋼板の溶接装置及びめっき鋼板の溶接方法を提供する。

すなわち、第１めっき鋼板と第２めっき鋼板を重ね合わせて生じる第１めっき鋼板と第２めっき鋼板との重ね合わせ部位において第１めっき鋼板と第２めっき鋼板とを溶接するめっき鋼板の溶接方法であって、重ね合わせ部位において第１めっき鋼板の外表面から第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板を加熱溶融して重ね合わせ部位に第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱工程と、重ね合わせ部位に形成された溶融金属プールとともに第１めっき鋼板の外表面から第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した第２めっき鋼板と溶融金属プールと接続する第２加熱工程と、を備えることを特徴とする。

さらに、第１加熱工程における溶融金属プールの形成に際し、加熱溶融は第１めっき鋼板の厚さ方向に貫通しない出力で行われることを特徴とする。

さらに、第１加熱工程及び第２加熱工程における溶融加熱がレーザ光照射加熱であることを特徴とする。

さらに、第１加熱工程における溶融金属プールの形成に際し、重ね合わせ部位の直上の第１めっき鋼板の外表面において所定の軌跡を描画しながら第１めっき鋼板を加熱溶融することを特徴とする。

さらに、第２加熱工程における第２めっき鋼板に対する加熱溶融は、溶融金属プールよりも少ない面積の領域であることを特徴とする。

さらに、第２加熱工程の後、第１めっき鋼板の外表面から溶融金属プールとともに第２めっき鋼板を加熱し第２めっき鋼板の外表面を溶融加熱する第３加熱工程が備えられることを特徴とする。

さらに、第３加熱工程における溶融加熱がレーザ光照射加熱であることを特徴とする。

第１めっき鋼板と第２めっき鋼板を重ね合わせて生じる第１めっき鋼板と第２めっき鋼板との重ね合わせ部位において第１めっき鋼板と第２めっき鋼板とを溶接するめっき鋼板の溶接装置であって、重ね合わせ部位において第１めっき鋼板の外表面から第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板を加熱溶融して重ね合わせ部位に第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱装置と、重ね合わせ部位に形成された溶融金属プールとともに第１めっき鋼板の外表面から第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した第２めっき鋼板と溶融金属プールと接続する第２加熱装置と、を備えることを特徴とする。

さらに、第１加熱装置及び第２加熱装置がレーザ光照射装置であることを特徴とする。

さらに、第１めっき鋼板の外表面から溶融金属プールとともに第２めっき鋼板を加熱し第２めっき鋼板の外表面を溶融加熱する第３加熱装置が備えられることを特徴とする。

さらに、第３加熱装置がレーザ光照射装置であることを特徴とする。

本発明のめっき鋼板の溶接方法は、第１めっき鋼板と第２めっき鋼板との重ね合わせ部位において第１めっき鋼板の外表面から第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板を加熱溶融して重ね合わせ部位に第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱工程と、重ね合わせ部位に形成された溶融金属プールとともに第１めっき鋼板の外表面から第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した第２めっき鋼板と溶融金属プールと接続する第２加熱工程とを備えるため、溶接対象のめっき鋼板に特段の前加工を必要とせず、加熱条件の操作が容易であり、気泡、スパッタの発生を抑制することができる。また、めっき鋼板の溶接装置においても同様の効果を得ることができる。

めっき鋼板の溶接装置の主要部分を示す概略図である。 第１加熱工程を示す断面模式図であり、（ａ）第１加熱工程の開始時点、（ｂ）溶融時点、（ｃ）溶融金属プールの拡大時点、（ｄ）溶融金属プール形成及びめっき層の溶融・蒸発時点である。 第１加熱工程を示す平面模式図であり、（ａ）らせん図形の軌跡、（ｂ）ジグザグ図形の軌跡である。 第２加熱工程を示す断面模式図であり、（ａ）第２加熱工程の開始時点、（ｂ）第２めっき鋼板の途中位置までの溶融時点、（ｃ）溶接終了後である。 第２加熱工程及び第３加熱工程を示す断面模式図であり、（ａ）第２加熱工程の開始時点、（ｂ）第２めっき鋼板の途中位置までの溶融時点、（ｃ）第２めっき鋼板の貫通溶融時点、（ｄ）溶接終了後である。 第２加熱工程を示す平面模式図であり、（ａ）らせん図形の場合の加熱、（ｂ）ジグザグ図形の場合の加熱の状態である。 めっき鋼板の溶接方法を示す第１フローチャートである。 めっき鋼板の溶接方法を示す第２フローチャートである。 溶接試験Ｉのテストピースの溶接中の写真であり、（ａ）溶融金属プール形成時、（ｂ）溶融時、（ｃ）蒸気除去時の写真である。 溶接試験Ｉのテストピースのめっき鋼板の溶接後の写真であり、（ａ）第１めっき鋼板の外表面、（ｂ）重ね合わせ部位、（ｃ）第２めっき鋼板の重ね合わせ部位の写真である。 第３加熱工程を含めたテストピースの溶接中の写真であり、（ａ）溶融金属プール形成時、（ｂ）溶融時、（ｃ）蒸気除去時、（ｄ）第２めっき鋼板の貫通溶融時の写真である。 溶接試験ＩＩのテストピースの溶接中の写真であり、（ａ）溶融金属プール形成時、（ｂ）溶融時の写真である。 溶接試験ＩＩのテストピースのめっき鋼板の溶接後の写真であり、（ａ）第１めっき鋼板の外表面、（ｂ）第１めっき鋼板の重ね合わせ部位、（ｃ）第２めっき鋼板の重ね合わせ部位、（ｄ）第２めっき鋼板の外表面の写真である。

実施形態のめっき鋼板の溶接装置１の構成は図１の模式図として表される。めっき鋼板の溶接装置１は、複数のめっき鋼板を溶接する装置である。めっき鋼板同士の区別のため、便宜上、２枚のめっき鋼板は第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０として示される。めっき鋼板の溶接装置１は、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０を重ね合わせて生じる第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０との重ね合わせ部位８において、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０を溶接する。

第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０は順に重ね合わせられ、載置台６の上の所定位置に載置される。実施形態の載置台６は台座７の上の移動可能とされる。第１めっき鋼板１０の直上に加熱装置４（後述）が設置される。加熱装置４及び台座７は制御部５（コンピュータ）と接続され、制御部５により、加熱条件、加熱装置４及び載置台６の移動等が制御される。実施形態のめっき鋼板の溶接装置１では、加熱装置４は第１加熱装置、第２加熱装置、及び第３加熱装置を１台の装置により兼用する共通の構成であり、加熱装置４はレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射装置である。なお、第１加熱装置については、レーザ光照射装置の他にＴＩＧアーク等の装置が使用されても良い。

これより、めっき鋼板の溶接装置１を例にめっき鋼板の溶接方法について図２の断面模式図、図３の平面模式図を用い説明する。図２では第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０は拡大断面として示される。第１めっき鋼板１０はめっき層１１と鋼板層１２から形成される。第２めっき鋼板２０も同様にめっき層２１と鋼板層２２から形成される。そこで、第１めっき鋼板１０のめっき層１１と第２めっき鋼板２０のめっき層２１が対向する配置である。相互に重なり合った部分が重ね合わせ部位８である。第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０は互いに厚さ、組成において同質である。第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０は、主に亜鉛めっきの鋼板である。その他、アルミニウムめっきの鋼板、ガルバリウム鋼板等としても良い。図示は、片面のみのめっき層の表示である。むろん、両面にもめっき層は形成される。

第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０を重ね合わせて生じる第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０との重ね合わせ部位８において、第１めっき鋼板１０の外表面１９から第１めっき鋼板１０の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板１０は加熱溶融される。第１めっき鋼板１０の外表面に対する加熱は、鋼板の金属である鉄の融点が確保できる手段であれば、レーザ光照射による加熱方法に限定されない。例えば、アーク溶接の一種であるＴＩＧアーク、高周波誘導加熱が挙げられる。実施形態はレーザ光照射加熱の装置を採用する。レーザ光照射の場合、照射位置の制御が容易であり、処理速度が速い。以降、第１めっき鋼板１０の外表面に対する加熱はレーザ光照射加熱であるとして図示し説明をする。

図２（ａ）はレーザ光Ｌの照射の開始時点であり、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０を重ね合わせて生じる第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０との所定の重ね合わせ部位８にレーザ光照射の照準が合わせられる。図２（ｂ）はレーザ光Ｌの照射が始まり、第１めっき鋼板１０の外表面側から徐々に鋼板層１２が溶融し、溶融部３０が生じる。

図２（ｃ）では、レーザ光Ｌの照射位置が図２（ａ）、（ｂ）と順に走査（移動）され、第１めっき鋼板１０の外表面１９側の溶融部３０が広がっている。そして、図２（ｄ）では、レーザ光Ｌの照射位置がさらに走査されて第１めっき鋼板１０の外表面側の溶融部３０が広がり、溶融金属が外表面１９に生じた窪み部位に溜まり同窪み部位に溶融金属プール３１が形成された状態である。図２（ａ）ないし（ｄ）の第１めっき鋼板１０の外表面に対する加熱を経て溶融金属プール３１が形成される（「第１加熱工程」）。

第１加熱工程における溶融金属プール３１の形成に際して、第１めっき鋼板１０の外表面１９側から供給される加熱は、第１めっき鋼板１０の厚さ（肉厚）方向に貫通しない出力に制御される。第１加熱工程の加熱では、第２めっき鋼板２０は溶融されず、第１めっき鋼板１０内に溶融は留められる。レーザ光照射加熱では、加熱装置４（レーザ光照射装置）から照射されるレーザ光は制御部５により次述の第２加熱工程よりも抑制される。

第１加熱工程における溶融金属プール３１の形成に際し、レーザ光は図３の平面模式図のように走査（移動）され、レーザ光は重ね合わせ部位８の（図２参照）の直上の第１めっき鋼板１０の外表面１９に所定の軌跡を描画する。この結果、レーザ光の熱量により第１めっき鋼板１０の鋼板層１２の金属は所定の面積にわたり溶融する。

図３は第１加熱工程におけるレーザ光照射装置から照射されるレーザ光の照射の軌跡（第１軌跡）の模式図である。図３（ａ）のレーザ光の照射の軌跡（第１軌跡）は、円をずらしながら一筆書きで進むらせん図形（第１軌跡４１）である。当該軌跡の場合、第１めっき鋼板１０の外表面１９の加熱対象部分をまんべんなく加熱溶融可能となる。当該レーザ光Ｌの照射の軌跡により、溶融金属プール３１が形成される。図３（ｂ）のレーザ光の照射の軌跡（第１軌跡）は、短い直線が鋭角に折れ曲がりながら進むらジグザグ図形（第１軌跡４２）である。当該軌跡の場合、直線上であるため、レーザ光の照射装置の設定は容易である。当該レーザ光Ｌの照射の軌跡により、溶融金属プール３１が形成される。

むろん、図示のレーザ光の描画の軌跡は例示であり、図示以外の多様な図形の軌跡が描画される。めっき鋼板同士の溶接箇所は、抵抗溶接等のスポット（点）状ではなく線分状である。そこで、溶接箇所に対応させる大きさの溶融金属プールを得るため、レーザ光の描画の軌跡が規定される。なお、第１めっき鋼板１０の厚さ（肉厚）方向に貫通させずに溶融金属プールを形成するためであれば、レーザ光照射加熱に代えて高周波誘導加熱の装置（図示せず）が用いられても良い。

第１加熱工程に続いて、重ね合わせ部位８の直上に形成された溶融金属プール３１とともに、第１めっき鋼板１０の外表面１９側から第２めっき鋼板２０は溶融加熱される。そして、溶融された第２めっき鋼板２０と溶融金属プール３１が接続される（「第２加熱工程」）。第２加熱工程の状況について図４の断面模式図を用いて説明する。

図４（ａ）では、加熱装置４が出力を上げてレーザ光Ｌが溶融金属プール３１を貫通してその底面３２の鋼板層１２の金属の溶融が進む。この時点のレーザ光Ｌの照射による加熱部位は溶融金属プール３１の底面３２全体ではなく、溶接のため底面３２の一部分である。図４（ｂ）では、第１めっき鋼板１０のめっき層１１及び第２めっき鋼板２０のめっき層２１がともにレーザ光Ｌの照射を受けて、両めっき層１１，２１が溶解、蒸発している状態である。亜鉛等のめっき層の金属は鋼板層１２，２２よりも低融点であるため、鋼板層１２，２２の加熱条件では、めっき層の金属は溶融して蒸発する。このとき、めっき層の金属の蒸発により生じた蒸気（ガス）は溶融金属プール３１を通過して同溶融金属プール３１の表面から拡散する。従って、金属蒸気の溶接部位における残留は少なくなる。

図４（ｂ）では、レーザ光Ｌの照射の深さは、第２めっき鋼板２０の鋼板層２２の厚さ方向の途中位置までである。図４（ｃ）は溶接終了後の状態を示し（図４（ｂ）の照射に基づく。）、第１めっき鋼板１０の鋼板層１２及び第２めっき鋼板２０の鋼板層２２の金属が冷却して、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０が重ね合わせ部位８にて固着している。こうして、第２加熱工程は終了し、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０の溶接は完了する。なお、溶融金属プール３１等の溶融部位が冷却される際には、必要に応じて溶融金属プール３１に振動、攪拌が加えられる。そこで、レーザ光の走査により生じた溝は閉じやすくなる。

実施形態の溶接方法にあっては、第２加熱工程の後、第１めっき鋼板１０の外表面１９から溶融金属プール３１とともに第２めっき鋼板２０を加熱し同第２めっき鋼板２０の外表面にまで到達する溶融加熱が「第３加熱工程」として加えられてもよい。当該第３加熱工程は、第２加熱工程と同様にレーザ光の照射加熱である。第３加熱工程が含まれる溶接の状況について図５の断面模式図を用いて説明する。

図５（ａ）では、加熱装置４が出力を上げてレーザ光Ｌが溶融金属プール３１を貫通してその底面３２の鋼板層１２の金属の溶融が進む。この時点のレーザ光Ｌの照射による加熱部位は溶融金属プール３１の底面３２全体ではなく、溶接のため底面３２の一部分である。図５（ｂ）では、第１めっき鋼板１０のめっき層１１及び第２めっき鋼板２０のめっき層２１がともにレーザ光Ｌの照射を受けて、両めっき層１１，２１が溶解、蒸発している状態である。亜鉛等のめっき層の金属は鋼板層１２，２２よりも低融点であるため、鋼板層１２，２２の加熱条件では、めっき層の金属は溶融して蒸発する。このとき、めっき層の金属の蒸発により生じた蒸気（ガス）は溶融金属プール３１を通過して同溶融金属プール３１の表面から拡散する。従って、金属蒸気の溶接部位における残留は少なくなる。

図５（ｃ）では、レーザ光Ｌは第２めっき鋼板２０の鋼板層２２を全て貫通する照射であり、第２めっき鋼板２０の外表面２９まで突き抜けて鋼板層２２の金属は溶融される。いずれにおいても、溶融した鋼板層１２，２２の金属同士は融合し合い、第２めっき鋼板２０の溶融金属と溶融金属プール３１は接続される。図５（ｄ）は溶接終了後の状態を示し（図５（ｃ）の照射に基づく。）、第１めっき鋼板１０の鋼板層１２及び第２めっき鋼板２０の鋼板層２２の金属が冷却して、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０が重ね合わせ部位８にて固着している。こうして、第３加熱工程は終了し、第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０の溶接は完了する。なお、第３加熱工程が加えられる場合であっても、溶融金属プール３１等の溶融部位が冷却される際には、必要に応じて溶融金属プール３１に振動、攪拌が加えられる。そこで、レーザ光の走査により生じた溝は閉じやすくなる。

図４及び図５の図示及び説明から理解されるように、実施形態の方法においては溶融金属プール３１が形成される。この溶融金属プール３１の表面には溶融金属の表面張力が作用する。そのため、めっき層の金属の蒸発により生じた蒸気（ガス）が溶融金属プール３１の表面に向けて上昇しても、溶融金属プール３１の表面からの溶融金属の吹き飛び（スパッタ）は抑制される。結果として、良好な溶接箇所の形成が実現する。

図６は第２加熱工程におけるレーザ光照射装置から照射されるレーザ光の照射の軌跡（第２軌跡）の模式図である。図６（ａ）では、レーザ光は、第１加熱工程のらせん図形（第１軌跡４１）のレーザ光照射により形成された溶融金属プール３１の中央部分に向けて同溶融金属プール３１を貫通して照射される。図示は連続した棒状軌跡（斜線部分の第２軌跡４３）である。図６（ｂ）では、レーザ光は、第１加熱工程のジグザグ図形（第１軌跡４２）のレーザ光照射により形成された溶融金属プール３１の中央部分に向けて同溶融金属プール３１を貫通して照射される。図示も連続した棒状軌跡（斜線部分の第２軌跡４４）である。従って、溝状に第２めっき鋼板２０の鋼板層２２は溶融され溶接される。レーザ光照射の第２軌跡は、３ｍ／分ないし５ｍ／分の速度により形成される。なお、連続した棒状軌跡の他に、断続的な線分状等の適宜である。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）、（ｃ）の図示のとおり、第２加熱工程の第２めっき鋼板２０に対する加熱溶融は、溶融金属プール３１よりも少ない面積の領域に対して行われる。第２加熱工程の加熱溶融は、溶接に必要な強度を得るための第２めっき鋼板２０の溶融であり、しかも、レーザ光Ｌを深く照射する必要がある。従って、レーザ光照射装置の照射時の出力も考慮され、溶融金属プール３１の面積よりも狭くなる。また、レーザ光Ｌの照射領域が広くなると、溶融金属プール３１からの溶融金属の蒸発量も増してしまう。

第２加熱工程の第１めっき鋼板１０と第２めっき鋼板２０への加熱に際しては、深く狭く加熱して溶融金属プール３１を貫通させる必要がある。そのため、当該加熱には収束性の点からレーザ光照射装置から照射されるレーザ光が用いられる。レーザの種類は、公知の溶接加工用のファイバレーザ、ディスクレーザ等であり、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等であってもよい。加えて、めっき鋼板の加熱装置について、第１加熱工程及び第２加熱工程をともにレーザ光照射装置によるレーザ光照射加熱とすることにより、装置の兼用が可能となり装置の設置場所が少なくてすむ。第３加熱工程も、溶融金属プール及び第２めっき鋼板２０を貫通する加熱であるため、第２加熱工程と同様にレーザ光による加熱が使用される。なお、溶接加工の連続性の観点を重視すると、第１加熱工程のみに高周波誘導加熱を用いてもよい。

また、レーザ光照射の制御に際しては、図１の加熱装置４（レーザ光照射装置）内に実装されるガルバノスキャナ（図示せず）が好例である。同ガルバノスキャナのミラーの位置または角度の制御により、第１加熱工程における第１軌跡の描画及び第２加熱工程における第２軌跡の描画、さらには第３加熱工程の軌跡の描画（図示せず）が簡便かつ容易となる。なお、加熱装置４（レーザ光照射装置）自体を適宜移動させたり、載置台６側を適宜移動させたりしてもよい。

これまでの図示及び説明のとおり、実施形態のめっき鋼板の溶接方法、溶接装置にあっては、溶接のための重ね合わせ部位に別途の部材を介在させること無く、直接めっき鋼板同士が重ね合わせられる。そのため、間隔形成の手間が不要となる。また、第１加熱工程及び第２加熱工程の加熱条件（レーザ光照射の条件）の調整と制御は簡便である。それゆえ、めっき鋼板同士の溶接時間の短縮も可能である。加えて、めっき層の金属の蒸発の回避は不可能としても、溶融金属プールの形成に伴う表面張力により、鋼板自体の溶融金属が吹き飛ぶ（飛散）ことは抑制される。従って、スパッタによる溶接箇所の体積減少に起因した溶接箇所が薄肉となる問題へ対処可能である。

図７の第１フローチャートは、めっき鋼板の溶接装置１における加熱装置４に対する制御部５の主要な制御の流れを示す。当該制御部５は、第１加熱工程（Ｓ１１０）、第２加熱工程（Ｓ１２０）の順に実行する。

第１加熱工程（Ｓ１１０）では、重ね合わせ部位８において第１めっき鋼板１０の外表面１９から第１めっき鋼板１０の厚さ方向に向けて第１めっき鋼板は加熱溶融する。そして重ね合わせ部位８の直上の外表面１９に第１めっき鋼板１０の溶融金属プール３１が形成される。第１加熱工程（Ｓ１１０）の加熱は、前出の図２、図３のとおり、第１めっき鋼板１０の外表面１９への描画を通じての鋼板層１２の溶融に留めた出力として制御部５により照射の出力が制御される。また、制御部５は、図形描画のための、例えば、ガルバノスキャナのミラーの位置または角度を制御する。

第２加熱工程（Ｓ１２０）では、重ね合わせ部位８に形成された溶融金属プール３１とともに第１めっき鋼板１０の外表面１９から第２めっき鋼板２０が加熱溶融される。そして、溶融した第２めっき鋼板２０の溶融金属と溶融金属プール３１は接続する。第２加熱工程（Ｓ１２０）の加熱では、前出の図４、図５のとおり、制御部５は、レーザ光Ｌを、溶融金属プール３１の中を貫通させて第２めっき鋼板２０側まで到達させる出力、収束域として照射の出力を制御する。また、制御部５は、レーザ光Ｌの照射位置の走査（移動）を制御する。

図８の第２フローチャートも、めっき鋼板の溶接装置１における加熱装置４に対する制御部５の主要な制御の流れを示す。当該制御部５は、第１加熱工程（Ｓ１１０）、第２加熱工程（Ｓ１２０）、第３加熱工程（Ｓ１３０）の順に実行する。第１加熱工程（Ｓ１１０）及び第２加熱工程（Ｓ１２０）は図７の第１フローチャートの説明と同様である。第３加熱工程（Ｓ１３０）では、第２加熱工程の後、さらに、第１めっき鋼板１０の外表面１９から溶融金属プール３１とともに第２めっき鋼板２０を加熱して同第２めっき鋼板２０を貫通してその外表面２９に至るまで溶融加熱される。

［溶接試験Ｉ］
発明者は、実施形態のめっき鋼板の溶接方法の有効性を検証するべく、以下の装置、テストピースを用い、レーザ照射の条件によりめっき鋼板の「溶接試験Ｉ」を実施した。
＜試験装置＞
・レーザ発信器…ＴＲＵＭＰＦ社製，ＴｒｕＤｉｓｋ６００１
・加工ヘッド…ＴＲＵＭＰＦ社製，ＰＦＯ３Ｄ
・ロボット…株式会社安川電機製，ＭＯＴＯＭＡＮ−ＭＣ２０００
・ハイスピードカメラ…株式会社ナックイメージテクノロジー製，
ＭＥＭＲＥＣＡＭ Ｑ１ｖ

＜テストピース＞
・溶融亜鉛めっき鋼板…ＳＣＧＡ２７０−４５／４５（ＪＩＳ規格：ＳＧＣＣ−Ｆ）
・板厚…０．７ｍｍ
・めっき目付量…表裏 ４５ｇ／ｍ^２
板組…２枚重ね

＜レーザ光照射の加工条件＞
・めっきの除去
レーザ出力…６０００Ｗ
レーザ速度（図形を描画する際のレーザ光の移動速度）…１０００ｍｍ／ｓｅｃ
移動速度（レーザ溶接部位を進行する速度）…５０ｍｍ／ｓｅｃ
・溶接
レーザ出力…２０００Ｗ
移動速度（レーザ溶接部位を進行する速度）…５０ｍｍ／ｓｅｃ

２枚のめっき鋼板（第２めっき鋼板の上に第１めっき鋼板）を重ね、前出の装置、加工の条件に基づいてレーザ光を照射した。図７の写真はレーザ光の照射による加熱中を示す。図９（ａ）はレーザ光を照射して溶融金属プールを形成している状態を示す。レーザ光の照射は図３（ａ）のらせん図形として、照射照準を制御した（第１加熱工程に相当）。図９（ｂ）はさらに２枚のめっき鋼板の鋼板層の溶融を進めた状態を示す。レーザ光を溶融金属プールの中央部分に向けて照射している。

図９（ｃ）はめっき層の金属蒸気が溶融金属プールから外部に出ている状態である（第２加熱工程に相当）。なお、溶融金属プールの周囲への金属の飛散（スパッタ）はほとんど生じていないことがわかる。第２加熱工程におけるレーザ光の照射は、図９（ｂ）、及び（ｃ）から理解されるように、溶融金属プールの中央部分に絞られ、溶融金属プールよりも少ない面積となる。図９の溶接を終えた２枚のめっき鋼板について自然冷却した。

図１０は冷却後の溶接部位の写真である。図１０（ａ）は第１めっき鋼板（レーザ光を照射した側）の外表面である。表面の細かな鎖状の凹凸は溶融金属プールが冷却した痕である。図１０（ｂ）は溶接後の２枚のめっき鋼板を引き剥がし、溶融金属プールが形成された上側のめっき鋼板の重ね合わせ部位の写真であり、図１０（ｃ）は下側のめっき鋼板の重ね合わせ部位の写真である。双方の写真からわかるように、重ね合わせ部位において２枚のめっき鋼板は溶接により良好に接合している。

［溶接試験Ｉの結果］
溶接試験Ｉの図９及び図１０の写真による検証から、めっき鋼板の溶接は良好に仕上がった。また、めっき層の金属（亜鉛）の蒸気の排気も良好でありスパッタも少ない。従って、溶接部位の強度確保に都合よい。しかも、実施例のようにレーザ光照射を用いるため、溶接部位の走査と金属溶融は迅速に進む。従って、生産効率面からも好例である。

溶接試験Ｉの結果を踏まえ、さらに、第３加熱工程によるレーザ光の照射を含めた溶接を実施した。第３加熱工程のレーザ光の照射条件は第２加熱工程に準じた条件とした。図１１（ａ）はレーザ光を照射して溶融金属プールを形成している状態を示す。レーザ光の照射は図３（ａ）のらせん図形として、照射照準を制御した（第１加熱工程に相当）。図１１（ｂ）はさらに２枚のめっき鋼板の鋼板層の溶融を進めた状態を示す。レーザ光を溶融金属プールの中央部分に向けて照射している。

図１１（ｃ）はめっき層の金属蒸気が溶融金属プールから外部に出ている状態である（第２加熱工程に相当）。なお、溶融金属プールの周囲への金属の飛散（スパッタ）はほとんど生じていないことがわかる。続けて、第１めっき鋼板の外表面から溶融金属プールとともに第２めっき鋼板を加熱し同第２めっき鋼板を貫通してその外表面に至るまで溶融加熱している状態である（第３加熱工程に相当）。第２加熱工程、第３加熱工程におけるレーザ光の照射は、図１１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）から理解されるように、溶融金属プールの中央部分に絞られ、溶融金属プールよりも少ない面積となる。図１１の溶接を終えた２枚のめっき鋼板について自然冷却した。

［溶接試験ＩＩ］
溶接試験Ｉでは、第１、第２加熱工程をともにレーザ光照射による加熱とした。さらに、「溶接試験ＩＩ」では第１加熱工程をＴＩＧ（ＴＩＧ溶接）による加熱とし、第２加熱工程をレーザ光照射による加熱とした。発明者は、当該溶接方法の有効性を検証するべく、以下の装置、テストピースを用い、めっき鋼板の溶接試験を実施した。
＜試験装置＞
・レーザ発信器…ＴＲＵＭＰＦ社製，ＴｒｕＤｉｓｋ６００１
・加工ヘッド…ＴＲＵＭＰＦ社製，ＰＦＯ３Ｄ
・ロボット…株式会社安川電機製，ＭＯＴＯＭＡＮ−ＭＣ２０００
・ハイスピードカメラ…株式会社ナックイメージテクノロジー製，
ＭＥＭＲＥＣＡＭ Ｑ１ｖ
・ＴＩＧ溶接機…愛知産業株式会社製，ＴｒａｎｓＴｉｇ

＜テストピース＞
・溶融亜鉛めっき鋼板…ＳＣＧＡ２７０−４５／４５（ＪＩＳ規格：ＳＧＣＣ−Ｆ）
・板厚…０．７ｍｍ
・めっき目付量…表裏 ４５ｇ／ｍ^２
板組…２枚重ね

＜ＴＩＧの条件＞
電圧…約１０Ｖ
電流…約１５０Ａ

＜レーザ光照射の加工条件＞
・溶接
レーザ出力…１１００Ｗ
照射時間…１０ｍｓｅｃ
ＯＦＦ時間…２０ｍｓｅｃ

２枚のめっき鋼板（第２めっき鋼板の上に第１めっき鋼板）を重ね、前出の装置、加工の条件に基づいてはじめにＴＩＧ溶接の装置を用いて第１めっき鋼板側を加熱した図９の写真はＴＩＧ溶接の装置を用いた加熱中を示す。図１２（ａ）は加熱に伴い溶融金属プールを形成している状態を示す（第１加熱工程に相当）。

続いて、図１２（ｂ）はレーザ光を溶融金属プールの中央部分に向けて照射している状態を示す（第２加熱工程に相当）。同図より、めっき層の金属蒸気は溶融金属プールから外部に出ている状態である。なお、溶融金属プールの周囲への金属の飛散（スパッタ）はほとんど生じていないことがわかる。第２加熱工程におけるレーザ光の照射は、図９（ｂ）、から理解されるように、溶融金属プールの中央部分に絞られ、溶融金属プールよりも少ない面積となる。図１２の溶接を終えた２枚のめっき鋼板について自然冷却した。

図１３は冷却後の溶接部位の写真である。図１３（ａ）は第１めっき鋼板（ＴＩＧ溶接の装置により加熱した側）の外表面である。表面の細かな鎖状の凹凸は溶融金属プールが冷却した痕である。図１３（ｂ）は溶接後の２枚のめっき鋼板を引き剥がし、溶融金属プールが形成された上側のめっき鋼板の重ね合わせ部位の写真であり、図１３（ｃ）は下側のめっき鋼板の重ね合わせ部位の写真である。双方の写真からわかるように、重ね合わせ部位において２枚のめっき鋼板は溶接により良好に接合している。図１３（ｄ）は第２めっき鋼板の外表面の写真である。外表面への影響もほとんど見られない。

［溶接試験ＩＩの結果］
図１２及び図１３の写真による検証から、めっき鋼板の溶接は良好に仕上がった。また、めっき層の金属（亜鉛）の蒸気の排気も良好でありスパッタも少ない。従って、溶接部位の強度確保に都合よい。しかも、実施例のようにはじめにＴＩＧ溶接における加熱手法を用いた場合であっても溶融金属プールの形成、その後のレーザ光照射を用いた溶接部位の走査と金属溶融は迅速に進む。レーザ光照射以外の加熱によって溶融金属プールを形成し、その後の溶接も可能であることを確認した。

本発明のめっき鋼板の溶接装置、方法によると、めっき鋼板同士の溶接に際してめっき層の金属蒸気の排気が良好であり、スパッタも少ないことから溶融金属の損失は抑えられる。また、処理の速い溶接が可能である。よって、既存のめっき鋼板の溶接の代替として有望である。

１ めっき鋼板の溶接装置
４ 加熱装置
５ 制御部
６ 載置台
７ 台座
８ 重ね合わせ部位
１０ 第１めっき鋼板
１１ めっき層
１２ 鋼板層
１９ 外表面
２０ 第２めっき鋼板
２１ めっき層
２２ 鋼板層
３０ 溶融部
３１ 溶融金属プール
３２ 底面
４１，４２ 第１軌跡
４３，４４ 第２軌跡
Ｌ レーザ光

Claims (11)

1. 第１めっき鋼板と第２めっき鋼板を重ね合わせて生じる前記第１めっき鋼板と前記第２めっき鋼板との重ね合わせ部位において前記第１めっき鋼板と前記第２めっき鋼板とを溶接するめっき鋼板の溶接方法であって、
   前記重ね合わせ部位において前記第１めっき鋼板の外表面から前記第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて前記第１めっき鋼板を加熱溶融して前記重ね合わせ部位に前記第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱工程と、
   前記重ね合わせ部位に形成された前記溶融金属プールとともに前記第１めっき鋼板の外表面から前記第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した前記第２めっき鋼板と前記溶融金属プールと接続する第２加熱工程と、を備える
   ことを特徴とするめっき鋼板の溶接方法。
2. 前記第１加熱工程における前記溶融金属プールの形成に際し、加熱溶融は前記第１めっき鋼板の厚さ方向に貫通しない出力で行われる請求項１に記載のめっき鋼板の溶接方法。
3. 前記第１加熱工程及び前記第２加熱工程における溶融加熱がレーザ光照射加熱である請求項１または２に記載のめっき鋼板の溶接方法。
4. 前記第１加熱工程における前記溶融金属プールの形成に際し、前記重ね合わせ部位の直上の前記第１めっき鋼板の外表面において所定の軌跡を描画しながら前記第１めっき鋼板を加熱溶融する請求項３に記載のめっき鋼板の溶接方法。
5. 前記第２加熱工程における前記第２めっき鋼板に対する加熱溶融は、前記溶融金属プールよりも少ない面積の領域である請求項３または４に記載のめっき鋼板の溶接方法。
6. 前記第２加熱工程の後、前記第１めっき鋼板の外表面から前記溶融金属プールとともに前記第２めっき鋼板を加熱し前記第２めっき鋼板の外表面を溶融加熱する第３加熱工程が備えられる請求項１ないし５のいずれか１項に記載のめっき鋼板の溶接方法。
7. 前記第３加熱工程における溶融加熱がレーザ光照射加熱である請求項６に記載のめっき鋼板の溶接方法。
8. 第１めっき鋼板と第２めっき鋼板を重ね合わせて生じる前記第１めっき鋼板と前記第２めっき鋼板との重ね合わせ部位において前記第１めっき鋼板と前記第２めっき鋼板とを溶接するめっき鋼板の溶接装置であって、
   前記重ね合わせ部位において前記第１めっき鋼板の外表面から前記第１めっき鋼板の厚さ方向に向けて前記第１めっき鋼板を加熱溶融して前記重ね合わせ部位に前記第１めっき鋼板の溶融金属プールを形成する第１加熱装置と、
   前記重ね合わせ部位に形成された前記溶融金属プールとともに前記第１めっき鋼板の外表面から前記第２めっき鋼板を加熱溶融して溶融した前記第２めっき鋼板と前記溶融金属プールと接続する第２加熱装置と、を備える
   ことを特徴とするめっき鋼板の溶接装置。
9. 前記第１加熱装置及び前記第２加熱装置がレーザ光照射装置である請求項８に記載のめっき鋼板の溶接装置。
10. 前記第１めっき鋼板の外表面から前記溶融金属プールとともに前記第２めっき鋼板を加熱し前記第２めっき鋼板の外表面を溶融加熱する第３加熱装置が備えられる請求項８または９に記載のめっき鋼板の溶接装置。
11. 前記第３加熱装置がレーザ光照射装置である請求項１０に記載のめっき鋼板の溶接装置。

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