JP4209326B2 - ２枚の被膜された金属シートを高エネルギー密度のビームで重複溶接するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、高エネルギー密度のビームを用いて、金属シートの構成材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被膜された２枚の金属シートを溶接するための重ね溶接プロセスおよび装置に関する。

様々な産業、特に自動車車体構成部品または家電製品用部品を製造するための産業で、たとえば０．５から３ｍｍの間の厚さを有し、その面のそれぞれを、たとえば、２５μｍ未満の厚さを有する比較的複雑な亜鉛またはアルミニウム合金などの保護材料の層で被膜された中心金属部分を備える被膜されたシートが使用されている。

一般に、本発明は、その蒸発温度が、シートが作製されているその母材の融点より低い任意の材料で被膜されたシートに適用される。

２枚のベアシート、すなわちいかなる被膜も有さないシートを溶接するために、耐密封止された連続する溶接ビードまたは継目を形成することができるように、２枚のシートを部分的に重ねて、高エネルギー密度のビームをこの重なり領域に沿って移動させることが知られている。

２枚の被膜されたシート、たとえば２枚の亜鉛めっきまたは電気亜鉛めっきされた鋼製シートを溶接する場合、高エネルギー密度のビームを使用するこの溶接プロセスは、大きな欠点を有する。

これは、金属が、高エネルギー密度のビームの入射位置の個々の点で、摂氏数千度の温度に達することのためである。この温度は、被膜の構成材料の蒸発点よりもずっと高い。

したがって、重なり領域内の２枚のシートの間にある被膜材料は、急速に蒸気状態になり、可能な経路のみを介して、すなわち高エネルギー密度のビームによって前記シート内に作成された溶融金属池すなわち溶融池を通って激しく脱気される。

ここで、１０μｍの厚さを有する被膜材料の層は、いったん蒸発すると、数立方センチメートルの体積を占有し、被膜されたシートの重なり領域の界面内の圧力は、数百バールに達することがある。

被膜材料の蒸発点が、２枚のシートが作製されているその母材の融点以下であることを考えると、これら２枚のシートの間に捕捉されたこの被膜材料の蒸気が、溶融池の壁を通過し、それによって多数の破裂があり、溶融池の大部分が激しい飛沫の形態で放出される。

このため、液体金属のこの不足が、接合ゾーン内での空隙の形成を引き起こす。

さらに、気泡もまた、金属が凝固するときに捕捉され、その結果、体積不足の形成に至る。

結果として、溶接継目は空隙を有し、このことが、被膜されたシートの重なり領域内の封止に関する、または接合部の機械的強度に関する問題を提起する。

低品質の溶接継目に至る被膜材料蒸気の制御されない放出による欠点を除去するために、いくつかの解決法が提案されてきた。

知られている解決法の１つは、溶接前に、被膜材料蒸気の除去を促進するために、溶接される２枚のシートの間に隙間を作成することである。

しかし、この知られている解決法は、適切な装置による、隙間を作成するための追加の作業を必要とし、この隙間が再現可能であるという保証はない。また、このようにして作成された隙間は、接合点の疲労強度に対して弊害をもたらす。

１つの知られている解決法は、高エネルギー密度のビームと熱源を結合することにある。

熱源は、高エネルギー密度のビームの前に使用され、従来のパラメーターによる溶接条件を確実にする改質を行う。このようにして、高エネルギー密度のビームをＭＩＧトーチと組み合わせることが知られている。しかし、これらのハイブリッド技術は、コストをかなり増加させ、プロセスの柔軟性を低下させるという欠点を有する。

知られている別の解決法はまた、溶接中に蒸発した被膜の除去を容易にするように、被膜の１つの中の２枚のシートの間の界面にマイクロチャネルを作成することにある。これらのマイクロチャネルは、シート内の皺加工によって、あるいはレーザービームを用いて行われる事前のマイクロマシニングによって形成されることがある。

しかし、事前プレスによってシートの１つの上に皺を作成することは、連続した接合部を得ることを許さず、そのため、溶接継目の耐密封止を保証しない。また、レーザービームを使用する事前機械加工は、費用が高く、実施するのが困難である。

本発明の目的は、接合部と一直線をなして溶接する前に隙間の許容誤差を許しながら、かつこれらの被膜されたシートを配置する際の極度の制約なしに、被膜材料蒸気の放出および溶接部内の空隙の形成を防止する、２枚の被膜されたシートを高エネルギー密度のビームで溶接するための重ね溶接プロセスおよび装置を提案することによって、上述の欠点を回避することである。

したがって、本発明の主題は、高エネルギー密度のビームを用いて、シートの材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被膜された２枚の金属シートを溶接するための重ね溶接プロセスであって、
２枚の被膜されたシートが少なくとも一部重ねられること、
重なり領域内の２枚のシートの面が、互いに接触されること、
高エネルギー密度のビームが、一方では、重なり領域内の両方の被膜されたシートを完全に通過し、この領域内に第１の溶融池を形成する第１のサブビームに、他方では、深さが上側の被膜されるシートの厚さよりも浅く、第１の溶融池と少なくとも部分的に重なり、被膜材料の蒸気の除去を促進する第２の溶融池を形成し、部分的に通過する第２のサブビームに分割されること、
不活性ガスジェットが、第２の溶融池の表面内にくぼみを形成し、被膜材料蒸気の除去率を増加させるように、高い放出速度で、第２の溶融池上に方向付けられること、および
耐密封止された連続する溶接ビードまたは継目が、サブビームおよび不活性ガスジェットの両方の、または両方の被膜されたシートの変位によって、重なり領域に沿って形成されることを特徴とする重ね溶接プロセスである。

本発明の他の特徴によれば、
前記第１のサブビームの焦点が、上側の被膜されたシートの上側面から±２ｍｍの距離に配置され、
前記第１のサブビームの焦点が、この被膜されたシートの上側面と前記シートの約３分の１との間にある深さで、上側の被膜されたシート内に配置され、
前記第２のサブビームの焦点が、上側のシートの上側面の上方または下方に配置され
前記第２の溶融池の表面積が第１の溶融池の表面積よりも大きく、
前記くぼみの表面積が、前記第２の溶融池の表面積よりも小さく、
各サブビームのパワー密度が、重なり領域内の前記２枚の被膜されたシートの厚さに応じて、および上側の被膜されたシートの厚さに応じて調節される。

本発明の主題はまた、高エネルギー密度のビームを用いて、シートの材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被膜された２枚のシートを溶接するための重ね溶接装置であって、
高エネルギー密度のビームを、一方では、重なり領域内の両方の被膜されたシートを完全に通過し、この領域内に第１の溶融池を形成する第１のサブビームに、他方では、深さが上側の被膜されたシートの厚さよりも小さく、前記第１の溶融池と少なくとも部分的に重なり、被膜材料蒸気の除去を促進する第２の溶融池を形成し、部分的に通過する第２のサブビームに分割するための手段と、
前記第２の溶融池の表面内にくぼみを形成し、被膜材料蒸気の除去率を増加させるように、高い放出速度で前記第２の溶融池上に不活性ガスジェットを吹き付けるためのノズルと、
サブビームおよび前記ノズルの両方の、または両方の被膜されたシートの連続的な変位のための手段とを備えることを特徴とする装置である。

本発明の他の特徴によれば、
前記高エネルギー密度のビームを分割するための手段が、焦点距離の異なる２枚の光屈折要素を有する集束ミラーを備え、前記光屈折要素の一方が、２枚のサブビームの光軸の互いに対する位置を調節するように移動することができ、
前記２枚のサブビームの光軸を分離する距離が、３から５ｍｍの間であり、
上側の被膜されたシートの上側面上の不活性ガスジェットの軸の接触点が、前記上側面上の第２のサブビームの光軸の入射点に近似的に対応しており、
前記高エネルギー密度のビームが、レーザービームであり、
前記ノズルの自由端を上側の被膜されたシートの上側面上の不活性ガスジェットの接触点から分離する距離が、３０から５０ｍｍの間であり、
前記不活性ガスの流速が、１２から３５リットル／分の間であり、
前記ノズルが、前記上側の被膜されたシートの上側面と３０から６０°の角度をなす。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照にして一例として示されている、以下に続く説明の過程で明らかになるであろう。

図１および２に概略的に示されている溶接装置は、その全体を符号１０によって示されているが、シート材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被覆された２枚の金属シート１および２の部分的または全体的な重ね溶接を意図されている。

従来通り、シート１は、中心金属部分１ａと、その主表面のそれぞれに、たとえば、亜鉛またはアルミニウム合金の被膜の層１ｂおよび１ｃを有する。

同様に、シート２は、中心金属部分２ａと、その主表面上それぞれに、たとえば、比較的複合的な（ｃｏｍｐｌｅｘ）亜鉛またはアルミニウム合金の被膜の層２ｂおよび２ｃを有する。

変形形態によれば、シート１および２は、１つの面上のみに被膜層を有してもよい。

一例として、それぞれの被膜されたシート１および２は、０．５から３ｍｍの間の全厚を有し、それぞれの被膜層１ｂ、１ｃおよび２ｂ、２ｃは、２５μｍ未満の厚さを有する。

図中では、シート１および２の厚さは、説明をより理解しやすくするように意図的に誇張されている。

意図されたアセンブリを作成するために、たとえば、自動車車体構成部品あるいは家電製品用の部品を形成するために、シート１および２は、図１に示すように、シート１の被膜１ｃの少なくとも一部をシート２の被膜２ｂの一部と接触させるために、および前記シート１および２の全長にわたってそのようにするために、重なり領域Ａを有して部分的に重ねられる。シート間の隙間ｊは、０から０．３ｍｍの間であってよい。

従来の溶接プロセスでは、最初シート１と２の間の界面に存在するこの被膜材料が、高エネルギー密度のビームによるシート１と２の溶接中、迅速に蒸発状態にされ、蒸気が、高エネルギー密度のビームによって作成された溶融池内へ激しく脱気され、それによって、多数の蒸気の放出があり、それによって溶接継目内の空隙および劣品質の接合部が作成される。

本発明の溶接装置は、溶融池からの溶融金属のいかなる放出も防止しながら、たとえばＣＯ_２またはＹＡＧタイプのレーザービームなどの高エネルギー密度のビーム１１で、被膜されたシートを溶接することを可能にする。

これを行うために、図２に示すように、以下でレーザービームと呼ぶ、高エネルギー密度のビーム１１が、完全に通過する第１のサブビーム１２と部分的に通過する第２のサブビーム１３に分割され、２つのサブビーム１２および１３は、シート１の上側レベルで異なるパワー密度を有する。

したがって、装置１０は、たとえば、それぞれ焦点距離の異なる２枚の光屈折要素１６、１７を有する集束ミラーを備える二重焦点ヘッド１５から成る、レーザービーム１１を分割するための手段を備える。

光屈折要素の一方、特に光屈折要素１７は、上側シート１の上側面上で、第１のサブビーム１２の光軸Ｘ１を第２のサブビーム１３の光軸Ｘ２に対して位置決めするために、光屈折要素１６に対して移動することができる。

各サブビーム１２および１３の強度は、重なり領域Ａ内の２枚の被膜されたシート１および２の厚さに応じて、また上側の被膜されたシート１の厚さに応じて調節される。

第１のサブビーム１２の焦点Ｐ１は、図２に示す実施形態では、上側の被膜されたシート１内の、前記シート１の厚さｅ１の３分の１に近似的に等しい深さｐ１に配置される。

代替実施形態によれば、第１のサブビーム１２の焦点Ｐ１はまた、上側の被膜されたシート１の上面から±２ｍｍの距離に配置されてもよい。

第１のサブビーム１２は、耐密封止された連続する溶接ビードまたは継目５（図３）によって２枚の被膜されたシート１および２を接合するように意図されており、この目的のために、このサブビーム１２は、被膜されたシート１および２の全高にわたって、長手方向断面で円錐形状（図２）および、横断面で楕円形形状（図３）を有する溶融池１８を形成する完全に通過するビームである。

第２のサブビーム１３は、部分的に通過するビームであり、その焦点Ｐ２は、上側の被膜されたシート１の上側面の上方または下方に配置されている。この第２のサブビーム１３は、横断面で非対称の楕円形形状（図３）を有し、溶融池の深さｐ２が上側の被膜されたシート１の厚さｅ１よりも小さい（図２）溶融池１９を形成するように設計されている。

図３に示すように、第２の溶融池１９の表面積は、第１の溶融池１８の表面積よりも大きく、この第２の溶融池１９は、少なくとも部分的に第１の溶融池１８と重なる。

図に示した実施形態では、第２の溶融池１９は、第１の溶融池１８と完全に重なる。

２枚の被膜されたシート１および２が溶接されている間、被膜材料が、前記シートの中心部分１ａおよび２ａの材料の融点以下の蒸発温度を有することを考えると、これら２枚のシートの間の界面で被膜材料の蒸気が生じ、この蒸気が、溶融池１８および１９の表面へ上昇する。

第２の溶融池１９によって溶融池の面積が増加するため、被膜する材料の蒸気のための脱気面積が、この蒸気化された被膜材料の量を増加させることなく、このように増加する。

２枚のサブビーム１２および１３の光軸Ｘ１およびＸ２の間の距離ｄ１は、３から５ｍｍの間である。

溶融池１９を通る被膜材料蒸気の除去率を増加させるために、装置は、第２の溶融池１９上に、たとえば、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスまたこれらのガスの混合物の強いジェット２１を吹き付けるためのノズル２０を備える。

この不活性ガスジェット２１は、高い排出速度を有し、この第２の溶融池１９の表面内にくぼみ２２を形成する。このくぼみの表面積は、第２の溶融池１９の表面積よりも小さい（図３）。

図２に示すように、上側の被膜されたシート１の上側面上の強い不活性ガスジェット２１の軸Ｘ３の接触点は、第２のサブビーム１３の光軸Ｘ２の入射点に近似的に対応している。

また、ノズル２０の自由端を上側の被膜されたシート１の上側面上の強い不活性ガスジェット２１の軸Ｘ３の接触点から分離する距離ｄ２は、３０から５０ｍｍの間である。

ノズル２０を通る不活性ガスの流速は、１２から３５リットル／分の間であり、このノズル２０は、３０から６０°の角度をなす。

溶接装置１０はまた、耐密封止された溶接継目５を作成し、２枚の被膜された金属シート１および２を互いに接合するために、レーザービーム１１を分割するための手段、ならびにノズル２０を、重なり領域Ａに沿って矢印Ｆの方向に移動させるための手段（図示せず）を備える。

変形形態によれば、レーザービーム１１とノズル２０を分割するための手段は静止しており、２枚の被膜された金属シート１および２は矢印Ｆの方向に移動する。

溶接速度は、１から５ｍ／分の間である。

不活性ガスジェット２１は、第２の溶融池１９の幾何形状を変更することを可能にし、それによって、その厚さを局所的に減少させ、それによって、２枚の被膜されたシート１および２の溶接を妨げることなく、脱気深さを減少させる。このジェット２１はまた、溶融池上に背圧を作用させる影響を有する。

従来通りに、溶接ゾーン内に、不活性の遮蔽または被層ガスが吹き付けられる。

本発明によるプロセスおよび装置は、溶融池のよりよい脱気を可能にし、被膜する材料の蒸気の放出を防止する。結果として、溶接継目の空隙率がかなり低くなり、溶接された接合点の疲労抵抗が改善される。

２枚の被膜されたシートの位置決めの許容誤差は、きわめて十分であり、本プロセスを複雑な経路上に使用することができ、接合される加工物の設計の修正を必要としない。また、このため、溶接作業の上流および下流の作業で使用され、ユニットの大きな修正なしでいかなるレーザー機器上にも嵌合することができる。

最後に、本発明によるプロセスおよび装置は、溶融池をよりゆっくりと冷却することを必要とする、より大量のガンマジェン（ｇａｍｍａｇｅｎｅ）の要素を含む化合物（高強度鋼のものなど）に対してより寛大である。

上記の説明の全体を通じて、「第１の池」および「第２の池」は、本発明を理解するのをより容易にするために使用された。実際は、これらの溶融池の間の物理的な分離はなく、ただ１つの池を形成している。

本発明による溶接装置によって互いに溶接される２枚の被膜された金属シートの概略透視図である。 本発明による溶接装置の断面概略図である。 本発明による溶接装置によって、被膜された金属シートの表面上に形成された溶融池を示す概略上面図である。

Claims (15)

1. 高エネルギー密度のビーム（１１）を用いて、シートの材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被膜された２枚の金属シート（１、２）を溶接するための重ね溶接方法であって、
   ２枚の被膜されたシート（１、２）が少なくとも一部重ねられること、
   重なり領域内の２枚のシート（１、２）の面が、互いに接触されること、
   高エネルギー密度のビーム（１１）が、一方では、重なり領域内の両方の被膜されたシート（１、２）を完全に通過し、この領域内に第１の溶融池（１８）を形成する第１のサブビーム（１２）に、他方では、深さが上側の被膜されるシート（１）の厚さよりも浅く、第１の溶融池（１８）と少なくとも部分的に重なり、第２の溶融池（１９）を形成し、部分的に通過する第２のサブビーム（１３）に分割されること、
   不活性ガスジェット（２１）が、第２の溶融池（１９）の表面にくぼみ（２２）を形成することが可能な放出速度で、第２の溶融池（１９）上に方向付けられること、および
   耐密封止された連続する溶接ビードまたは継目（５）が、サブビーム（１２、１３）および不活性ガスジェット（２１）を一緒に移動させるか、あるいはまた、２枚の被膜されたシート（１、２）を移動させることにより、重なり領域に沿って形成されることを特徴とする重ね溶接方法。
2. 上側の被膜されたシート（１）の上側面と前記第１のサブビーム（１２）の焦点との距離が、±２ｍｍの間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のサブビーム（１２）の焦点が、この被膜されたシート（１）の上側面と前記シート（１）の厚さの３分の１との間にある深さで、上側の被膜されたシート（１）内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第２のサブビーム（１３）の焦点が、上側の被膜されたシート（１）の上側面の上方または下方に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２の溶融池（１９）の表面積が第１の溶融池（１８）の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記くぼみ（２２）の投影面積が、前記第２の溶融池（１９）の表面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 各サブビーム（１２、１３）のパワー密度が、重なり領域内の前記２枚の被膜されたシート（１、２）の厚さに応じて、および上側の被膜されたシート（１）の厚さに応じて調節されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 高エネルギー密度のビーム（１１）を用いて、シート（１、２）の構成材料の融点より低い蒸発温度を有する材料で被膜された２枚のシート（１、２）を溶接するための重ね溶接装置であって、
   高エネルギー密度のビーム（１１）を、一方では、重なり領域内の両方の被膜されたシート（１、２）を完全に通過し、この領域内に第１の溶融池（１８）を形成する第１のサブビーム（１２）に、他方では、深さが上側の被膜されたシート（１）の厚さよりも小さく、前記第１の溶融池（１８）と少なくとも部分的に重なり、第２の溶融池（１９）を形成し、部分的に通過する第２のサブビーム（１３）に分割するための手段（１５）と、
   前記第２の溶融池（１９）の表面にくぼみ（２２）を形成することが可能な放出速度で前記第２の溶融池（１９）上に不活性ガスジェット（２１）を吹き付けるためのノズル（２０）と、
   サブビーム（１２、１３）および前記ノズル（２０）を一緒に連続的に移動させるか、あるいはまた、２枚の被膜された材料（１、２）を連続的に移動させる手段とを備えることを特徴とする装置。
9. 前記高エネルギー密度のビーム（１１）を分割するための手段（１５）が、焦点距離の異なる２枚の光反射要素（１６、１７）を有する集束ミラーを備え、前記光反射要素（１６、１７）の一方が、２つのサブビーム（１２、１３）の光軸の互いに対する位置を調節するように移動することができることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記２つのサブビーム（１２、１３）の光軸が平行であり、該２つのサブビームの光軸を分離する距離が、３から５ｍｍの間であることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
11. 上側の被膜されたシート（１）の上側面上の不活性ガスジェット（２１）の軸の接触点が、前記上側面上の第２のサブビーム（１３）の光軸の入射点に一致していることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記高エネルギー密度のビームが、レーザービームであることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記ノズル（２０）の自由端を上側の被膜されたシート（１）の上側面上の不活性ガスジェット（２１）の軸の接触点から分離する距離が、３０から５０ｍｍの間であることを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 不活性ガス流量が、１２から３５リットル／分の間であることを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記ノズル（２０）が、前記上側の被膜されたシート（１）の上側面と３０から６０°の角度をなすことを特徴とする請求項８から１４のいずれか一項に記載の装置。

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