JP3246729B2 - レーザ溶接体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両用燃料
タンクを溶接して製造する技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からスクーター等のインナータンク
は、内面防錆の目的から一般的に錫−鉛メッキ鋼板のよ
うな素材や、亜鉛−ニッケルメッキ鋼板のような素材が
用いらている。ところが、鉛を用いたメッキは、現在、
公害問題で法規制の方向にあり、新たな素材による燃料
タンクが望まれることから、両面にアルミメッキが施さ
れた両面溶融アルミメッキ鋼板を使用し、この両面溶融
アルミメッキ鋼板を重ね合わせた接合部を溶接すること
で、内面防錆とともに外面防錆を簡略化するような方法
が考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料タ
ンクを構成する鋼板の溶接には従来から抵抗シーム溶接
が一般的であり、この抵抗シーム溶接を両面溶融アルミ
メッキ鋼板の溶接法として用いた場合、次のような不具
合がある。まず第１は、溶接時に表面のアルミメッキが
電極に付着するため、電極の整形を頻繁に行わなければ
ならない。第２は、表面にアルミメッキをしているため
熱伝導が良く、しかも導電性も良好なため、例えば普通
の鋼板の１．５倍〜２．０倍の大電流を流さなければ溶
接ができない。更に第３は、投入熱量が多く表面処理が
破壊される面積が大きいため、タンク内面の耐食性能が
低下する。

【０００４】そこで、内面防錆、外面塗装等の工程を大
幅に省略しつつ溶接部の接合強度を向上させ、この際、
電極にアルミメッキが付着するような不具合を生じさせ
ず、しかも表面処理の破壊面積を最小限に抑えることが
できるような溶接技術が望まれる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、重ね合わせた両面アルミメッキ鋼板をレーザ
ビームにて接合してなるレーザ溶接体において、前記両
面アルミメッキ鋼板は、ＳＡ１Ｅ６０鋼の表裏面にアル
ミメッキ層を形成したもの、又はこのＳＡ１Ｅ６０鋼を
クロメート処理したＳＡ１Ｅ６０Ｙ鋼の表裏面にアルミ
メッキ層を形成したものとし、更にレーザービームの照
射方向を重ね合わせたフランジ面方向に対し略直角方向
とし、且つ接合部には溶接部に生じるＡl成分を含有す
る不要成分を逃し込む隙間が形成され、この隙間に前記
不要成分が入り込んだ状態で接合されるとともに溶接ビ
ード上面部に防錆塗装を施した。

【０００６】このようにレーザビームで接合すること
で、溶接部は、投入熱量が非常に小さく且つ加熱範囲が
限定されるため、メッキ部分の破壊が殆んどなく、両面
アルミメッキ鋼板を一対の半殻体としてタンクを構成す
る場合、内面の耐食性能は殆んど低下しない。また、局
部的に急速に加熱できるため高速溶接が可能となる。

【０００７】また、本発明にあっては、重ね合わせたア
ルミメッキ鋼板の対向面側であってレーザビームが集中
する部分の周囲に、溶接部に生じる不要成分を逃がす所
定寸法の隙間を形成している。一般に、亜鉛メッキ鋼板
を重ね合わせレーザービーム溶接する場合、メッキ材の
沸点が低いために、メッキ材の金属蒸気が原因で溶接部
にブローホールが形成される。その対策として、被接合
材間に金属蒸気を逃すための間隙を設けることが知られ
ている（例えば、特公平４−１３０７７号公報）。アル
ミメッキ鋼板の場合には、沸点が高いため溶接部にメッ
キ材の金属蒸気によるブローホールの発生は見られない
が、溶接部の金属組成により強度が大きく変化すること
が判った。そこで、アルミメッキ鋼板のレーザービーム
が集中する部分の周囲に隙間を形成し、この隙間に、溶
接部で生じる不要成分を逃がすことで、これら不要成分
が溶融金属の中に入り込んで溶接強度を低下させるよう
な不具合を防止するようにした。隙間については、一方
側のアルミメッキ鋼板に段付き等を持たせることで形成
することができる。ここで、不要成分とは、例えば溶接
部に入り込むと溶接強度を低下させるＡｌ等を指す。

【０００８】隙間の寸法としては、両面アルミメッキ鋼
板として、ＳＡ１Ｅ６０鋼の表裏面にアルミメッキ層を
形成したもの、又はこのＳＡ１Ｅ６０鋼をクロメート処
理したＳＡ１Ｅ６０Ｙ鋼の表裏面にアルミメッキ層を形
成したものを用いた場合には、隙間の間隔は０．０５ｍ
ｍ以上０．４ｍｍ以下とする。

【０００９】このように隙間を設けてＡl成分を含有す
る不要成分を逃し込むようにすると、溶接部の溶融金属
中のＡｌの割合が０．６５wt%以下となる。Ａｌの割合
が０．６５wt%以下となることで、母材の引っ張り強度
を上回ることが可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係
る製造方法で成形したアルミメッキ鋼板からなる燃料タ
ンクの一例を示す斜視図、図２は溶接方法の態様を示す
説明図、図３は一方側のアルミメッキ鋼板に段付きを持
たせて内側開放の隙間を形成した状態の説明図、図４は
外側開放の隙間を形成した状態の説明図である。

【００１１】燃料タンク１はアルミメッキ鋼板をプレス
成形した上下一対の半殻体２、３のフランジ部２ａ、３
ａを全周に亘ってレーザービームで溶接し、溶接部を気
密状に保持し、これら半殻体２、３の所定部には、給油
用口金４やステー等の小物部品がレーザー溶接又はロー
付け等で取り付けられている。

【００１２】前記アルミメッキ鋼板は、ＳＡ１Ｅ６０
鋼、又はこのＳＡ１Ｅ６０鋼をクロメート処理したＳＡ
１Ｅ６０Ｙ鋼の表裏面にアルミメッキ層を形成したもの
であり、前記ＳＡ１Ｅ６０鋼、又はＳＡ１Ｅ６０Ｙ鋼
は、炭素の他に精錬上の必要から加えられるＳｉ、Ｍ
ｎ、及び不純物としてのＰ、Ｓ等の成分を含んでいる。
因みに、Ｆｅの融点は１５４０℃、沸点は２７５０℃で
あり、Ａｌの融点は６６０℃、沸点は２４７０℃であ
る。

【００１３】以上のようなアルミメッキ鋼板からなる半
殻体２、３のフランジ部２ａ、３ａを重ね合わせて溶接
する方法として、例えば図２に示すような各種方法を採
用することができる。すなわち、図２はレーザーの照射
方向をフランジ面方向に対して略直角方向とし、レーザ
ー溶接機を周縁に沿って全周に亘って移動させながら溶
接する方法であり、レーザー照射の位置ズレに強い一
方、溶接後、外観品質を保つため溶接ビード上面部に防
錆塗装を施す必要がある。

【００１４】ところで、図２に示す溶接方法を採用する
場合、フランジ部２ａ、３ａ同士を密着させてレーザー
溶接すると、接合強度が著しく低下することが分った。
また、この接合強度は、レーザー溶接機の移動速度にも
関係することが分った。すなわち本発明者らは、図５に
示すようなアルミメッキ鋼板製のテストピースＴ、Ｔを
使用し、両テストピースＴ、Ｔ間の隙間をスペーサーＳ
によって変化させレーザー溶接機の移動速度を変化させ
ながらレーザー溶接し、その後引張り試験を行って接合
強度を試験した結果、図８に示すような結果が得られ
た。

【００１５】ここで、隙間が０のときはクランパーＣに
よる加圧力を変化させて試験し、また隙間の変化は、ス
ペーサーＳの高さを変えることで変化させた。そして、
図８の横軸は隙間mm（隙間が０の時は加圧力kg/cm2）を
表わし、縦軸は剥離破断応力kgf/mm2を表わす。また、
△と■は、シーム溶接等と同等の移動速度のレーザー溶
接機で溶接した例を示し、△はレーザー溶接機の移動速
度が３．５m/minで、レーザー光の焦点が上方のテスト
ピースＴの４mm上方に結ばれるようにして溶接したサン
プル例、■はレーザー溶接機の移動速度が４．０m/min
で、レーザー光の焦点が上方のテストピースＴの上面に
結ばれるようにして溶接したサンプル例である。また、
◆はレーザー溶接機の速度を十分に遅くした場合のサン
プル例を示し、その移動速度が１．５m/minで、レーザ
ー光の焦点が上方のテストピースＴの４mm上方に結ばれ
るようにして溶接した。

【００１６】引張り試験は、図１０（ａ）及び（ｂ）に
示すように、Ｌ字状に屈曲した各短辺部を重合溶接した
各テストピースＴ，Ｔの各長辺部を反対方向（図１０
（ｂ）の矢印方向）に引張る方法で行った。この結果か
ら、例えば隙間が０の場合（加圧力が５kg/cm2）は、図
８に示すように、引張り試験における剥離破断応力は、
△が５〜１０kgf/mm2、■についてはそれ以下（図示せ
ず）であり、極めて脆弱であった。一方、◆は、加圧力
が１０kg/cm2のとき、２２〜２７kgf/mm2であり、比較
的大きな剥離破断応力が得られた。これに対して、隙間
を設けた場合は、溶接機の移動速度及びレーザー光の焦
点位置に殆ど無関係に、母材破断応力に近い大きな剥離
破断応力であった。

【００１７】このような隙間による剥離破断応力の変化
は、溶接部の金属組織図から明らかにされた。すなわ
ち、金属組織図を模写した図６及び図７に示すように、
隙間が０のときは、図７のように主として重合面側のア
ルミメッキ層等から溶け出したＡl成分等の不要成分ｇ
が外部に逃げ出すことができずに溶接部ｙに混入して凝
固し、一方、図６に示すように隙間があるときには、凝
固温度の差異等によってＡl成分等の不要成分ｇが溶接
部ｙから隙間に追い出されて凝固するからと考えられ
る。

【００１８】以上の結果から、隙間を設けることで、ア
ルミメッキ鋼板に十分な接合強度が得られること、一
方、隙間を設けない場合には、レーザー溶接機の移動速
度を十分遅くする、すなわち、単位面積当りのレーザー
ビームの熱量を大きくしなければ所定の接合強度が得ら
れないことが分った。

【００１９】そこで、本発明者らは溶接部ｙに含まれる
Ａl成分が引張り強度に関係するのではないかと考え、
溶接部中央（溶接金属中心部）のＡl成分の含有量と剥
離破断応力との関係を調べた。その結果は図９に示す通
りである。図９は、図８と同様の条件下で隙間を変化さ
せてレーザー溶接して得られたテストピースＴについ
て、図８の試験と同様の引張り試験を行って接合強度を
調べた結果を表わしたものである。そして、横軸が溶接
部におけるＡl成分の含有量、また縦軸が破壊破断応力
を示す。ここで、溶接部中央とは、図６の溶接部ｙの中
央のａ部である。

【００２０】図９に示す試験結果から、溶接部ｙにおけ
るＡl成分の割合が０．６５wt%以下である場合には、母
材の引張り応力（２７〜２８kgf/cm2）と同等の剥離破
壊応力が得られ、一方、溶接部ｙのＡl成分の割合が
０．６５wt%以上の場合には、母材の引張り応力より小
さい剥離破壊応力となることが判明した。以上のような
ことから、溶接部ｙにおけるＡl成分が引張り強度に関
係し、溶接部におけるＡl成分の含有量が少なくなると
接合強度が向上することが分る。また、図８及び図９に
示す結果から、所定の接合強度を得るために溶接部ｙに
おけるＡl成分の含有量を低く抑えるには、溶接部に隙
間を設けること、または、レーザー溶接機の移動遅くす
る等して単位面積当りのレーザービームの熱量を大きく
することが有効であることが分る。

【００２１】そこで、以上のようなテスト結果から、レ
ーザー照射の位置ズレに強い図２の溶接方法を採用して
燃料タンク１を製造する時は、半殻体２、３のフランジ
２ａ、３ａの一方側に段付きｄを形成することで隙間を
形成して溶接するようにした。そして図３は下側半殻体
３のフランジ部３ａに段付きｄを形成し、隙間をタンク
内部側に向けて開放する形態にするとともに、段付きｄ
の近傍で隙間が形成された部分に矢印方向からレーザー
光を照射して溶接するようにした。この場合は、フラン
ジ部２ａ、３ａをクランプする端部同士が密着している
ためクランプが容易である。

【００２２】また、図４は下側半殻体３のフランジ部３
ａに段付きｄを形成し、隙間をタンク外側に向けて開放
する形態にするとともに、段付きｄの近傍で隙間が形成
された部分に矢印方向からレーザー光を照射して溶接す
るようにしたものである。この場合は、フランジ部２
ａ、３ａ端部をクランプする際、スペーサー等を使用し
てクランプしなければならないためクランプに難点があ
る反面、Ａｌ、Ｓｉ等の不要成分が溶接部ｙから分離し
てもタンク内に入り込まず、外部に簡単に排出されると
いう利点がある。そして、隙間形成手段として、一方側
のフランジ部３ａ（又は２ａ）に段付きｄを形成するよ
うにすれば、極めて容易に隙間を形成することができ
る。

【００２３】また、燃料タンク素材としてアルミメッキ
鋼板を使用すれば、溶接部はアルミの犠牲防食作用によ
って保護され、燃料タンクとして問題となる内面防食性
を大幅に向上させることができる。また、このアルミメ
ッキ鋼板をレーザー溶接するにあたり、ビーム幅が狭い
ため表面処理層が破壊される面積を最小限に抑えること
ができる。しかも、局所的に急速に熱を加えることがで
きるため高速溶接が可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
重ね合わせた両面アルミメッキ鋼板をレーザビームにて
接合してなるレーザ溶接体として、前記両面アルミメッ
キ鋼板を、ＳＡ１Ｅ６０鋼の表裏面にアルミメッキ層を
形成したもの、又はこのＳＡ１Ｅ６０鋼をクロメート処
理したＳＡ１Ｅ６０Ｙ鋼の表裏面にアルミメッキ層を形
成したものとし、更にレーザービームの照射方向を重ね
合わせたフランジ面方向に対し略直角方向とし、且つ接
合部には溶接部に生じるＡl成分を含有する不要成分を
逃し込む隙間が形成され、この隙間に前記不要成分が入
り込んだ状態で接合されるとともに溶接ビード上面部に
防錆塗装を施したので、不要成分が溶融金属の中から抜
け出てきて、溶接部の溶融金属中のＡｌの割合が低減
（０．６５wt%以下）になり、溶接強度を確保すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法で成形したアルミメッキ鋼板
からなる燃料タンクの一例を示す斜視図

【図２】溶接方法の態様を示す説明図で矢印方向はレー
ザー照射方向

【図３】一方側のアルミメッキ鋼板に段付きを持たせて
内側開放の隙間を形成した状態の説明図

【図４】一方側のアルミメッキ鋼板に段付きを持たせて
外側開放の隙間を形成した状態の説明図

【図５】テストピースの溶接状態の説明図

【図６】テストピース間に隙間を持たせて溶接した時の
溶接部の断面図

【図７】テストピース間に隙間を持たせないで溶接した
時の溶接部の断面図

【図８】接合強度を調べるため引張り試験を行った結果
のグラフで、横軸は隙間mm（隙間０の時は加圧力kg/cm
2）、縦軸は破断応力kgf/mm2

【図９】溶接部のＡl成分量と剥離破断応力との関係を
示すグラフ

【図１０】（ａ）は引張り試験用テストピースの正面
図、（ｂ）は同テストピースの側面図

【符号の説明】

１…燃料タンク、２、３…半殻体、Ｔ…アルミメッキ鋼
板のテストピース、ｄ…段付き、ｙ…溶接部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−131284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−62688（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−74793（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−155974（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−13077（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/40

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重ね合わせた両面アルミメッキ鋼板をレ
   ーザービームにて接合してなるレーザ溶接体において、
   前記両面アルミメッキ鋼板は、ＳＡ１Ｅ６０鋼の表裏面
   にアルミメッキ層を形成したもの、又はこのＳＡ１Ｅ６
   ０鋼をクロメート処理したＳＡ１Ｅ６０Ｙ鋼の表裏面に
   アルミメッキ層を形成したものとし、更にレーザービー
   ムの照射方向を重ね合わせたフランジ面方向に対し略直
   角方向とし、且つ接合部には溶接部に生じるＡl成分を
   含有する不要成分を逃し込む隙間が形成され、この隙間
   に前記不要成分が入り込んだ状態で接合されるとともに
   溶接ビード上面部に防錆塗装が施されていることを特徴
   とするレーザ溶接体。