JP4349150B2 - ろう付け方法 - Google Patents

Description

この発明は、薄鋼板あるいは薄鋼板によって形成された構造物の接合に用いられる重ね隅肉継手のろう付け方法、特に、入熱を増大させることなく、継手強度を大幅に向上させることが可能なろう付け方法に関するものである。

薄鋼板により形成される構造物の接合には、銀、銅など、鋼板より低融点のろう材を利用したろう付けが用いられている。

この接合方法は、レーザ溶接のような大きな入熱を必要とせず、数μｍサイズの球状のろうの鋼板への拡散、および、凝固時のろうと鋼板との界面における数μｍ厚の凝固セルの形成により接合することが可能であるため、レーザ溶接と比べて熱変形が小さく、外観などに優れるといった利点を有している。また、ろうの成分である銀、銅と鋼板の主成分であるＦｅは、化学的に金属間化合物のような硬化相を形成しないことも特徴である。

これまで、ろう付け法には、主に、アークろう付けが用いられているが、近年、レーザを熱源とするろう付け方法が実用化されている。

アークろう付け法は、例えば、特開昭６３−７６７５４号公報（特許文献１）に記載されているように、アルゴンなどの不活性ガスや炭酸ガスおよびこれらの混合ガス雰囲気中で、連続的にろうのワイヤを供結しながら、ワイヤと母材との間にアークを発生させて両者を溶融させて接合する方法である。

レーザろう付け法は、例えば、特開２００３−２２５７８４号公報（特許文献２）に記載されているように、レーザ照射によってろう材を溶融させ、母材は、表面のみを数μｍ溶融させることによってろう材と母材とを混合させ、接合する方法である。従って、レーザ溶接に比べて溶け落ち欠陥は発生せず、鋼板の熱変形が抑えられる。

しかし、上述した何れのろう付け方法も継手の強度がレーザ溶接により作成した継手と比べて低く、適用範囲が限られるのが現状の課題である。

特開昭６３−７６７５４号公報 特開２００３−２２５７８４号公報

上述したように、従来のろう付け方法は、継手の強度がレーザ溶接により作成した継手と比べて低く、高強度を必要とする構造物の接合には、適用が難しいという問題があった。すなわち、供給する入熱を最小限にとどめるために、レーザ溶接法と比較して熱変形を抑えられる反面、ろうの鋼板への拡散および凝固セルの量が少なく強度が低い。また、ろうと鋼板との界面の形状が直線であるため、界面に沿った破断が生じやすいことも強度が低くなる一因である。

従って、この発明の目的は、入熱を増大させることなく、継手強度を大幅に向上させることが可能なろう付け方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意研究した結果、以下の知見を得た。

ろう付けを行うに先立ち、ろうと鋼板との接合部の端面を研削または加工し、算術平均高さＲａ≧２０μｍの凹凸を形成すれば、ろう付けの際、以下の２つの現象が生じる結果、継手強度が高まる。

（１）溶融ろうと鋼板との接触面積が広くなるため、ろうの拡散量および界面の凝固セルの量が増える。
（２）凝固後のろうと鋼板との接合界面が凹凸の形状となるため、鋼板とろうとの間でアンカー効果が生じる。

この発明は、上述した知見に基づいてなされたものであって、その要旨は、以下の通りである。

請求項１記載の発明は、薄鋼板構造物の重ね隅肉継手の接合において、接合予定箇所である鋼板の端面を、表面性状が算術平均高さＲａ≧２０μｍ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ≦４かつ最大高さＲｙ≦４０００μｍとなるように研削または加工し、この後、ろう付けを行うことに特徴を有するものである。

この発明によれば、薄鋼板構造物の重ね隅肉継手のろう付けにおいて、入熱を増大させることなく、継手強度を大幅に向上させることが可能となる。

以下に、この発明において、鋼板端面の研削条件の限定理由について記述する。

（算術平均高さＲａ≧２０μｍ）
鋼板の端面の算術平均高さＲａを２０μｍ以上とすれば、溶融ろうと鋼板との接触面積が広くなるため、ろうの拡散量および界面の凝固セルの量が増え、しかも、凝固後のろうと鋼板との接合界面が凹凸の形状となるため、ろうと鋼板との界面でアンカー効果が生じ、この結果、継手の強度が高まる。Ｒａが２０μｍ未満では、これらの効果が得られない。従って、算術平均高さＲａは、２０μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上に限定する。

（二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ≦４）
二乗平均平方根傾斜ＲΔｑは、表面の凹凸の傾斜の標準偏差である。ＲΔｑが４を超えると、表面凹部の先端まで溶融ろうおよびレーザによる熱量を供給することが困難となるので、凝固後欠陥を生じ、継手強度が低下する。従って、ＲΔｑは、４以下、好ましくは２以下に限定する。

（最大高さＲｙ≦４０００μｍ）
二乗平均平方根傾斜ＲΔｑとの兼ね合いより、Ｒｙが４０００μｍを超えると、表面凹部の先端までレーザによる熱量を供給することが困難となるので、凝固後欠陥を生じ、継手強度が低下する。従って、Ｒｙは、４０００μｍ以下、好ましくは２０００μｍ以下に限定する。

なお、Ｒａ、ＲΔｑ、Ｒｙは、何れもＪＩＳＢ０６０１：１９９８に定義するところのものである。

上述したように、薄鋼板の重ね隅肉継手のろう付け法は、供給する入熱を最小限にとどめることにより、レーザ溶接法と比べて熱変形を抑えることができる反面、継手強度が低いという欠点があった。

そこで、この発明では、接合部の端面に研削または加工を行い、表面にＲａ≧２０μｍの凹凸を形成し、この後、ろう付けを行う。レーザ出力は、ろうおよび鋼板表面の凹凸が変形しない程度の低出力とし、溶融ろうを鋼板面の凹凸に流し込む。ろうと鋼板との接触面積が増えたために、ろうの拡散量および界面の凝固セルの量が増え、この結果、継手強度が向上する。また、従来は、接合部界面の形状も直線的でこれに沿った破断が生じやすいという欠点があったが、この発明によれば、凝固後のろうと鋼板との接合界面が凹凸の形状となるので、ろうと鋼板との間でアンカー効果が生じて、継手強度が大幅に向上する。

以下、この発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのサイズの薄鋼板を２枚重ねて、隅肉継手のろう付けを行った。薄鋼板は、引張強度ＴＳが４４２ＭＰａ、降伏強度ＹＳが２９９ＭＰａの４４０ＭＰａ級冷延鋼板を使用した。その組成、機械的性質を表１に示す。この鋼板の重ね隅肉継手を接合する前に、接合予定箇所である鋼板の端面５を研削し、一様にＲａ＝３〜２０４μｍの凹凸を形成した。上下鋼板の相互間隔Ｓを、０．２５ｍｍから１ｍｍまでの間で様々に変えてろう付けを行った。

ろう付けは、以下の２つの方法で行った。
（１）銅系ワイヤを電極としたアークろう付け法。
（２）ＹＡＧレーザ照射による銅系ワイヤのろう付け法。

各々のろう付け条件は、(１)のアークろう付け法は、電流値１００Ａ、電圧２０Ｖ、アーク長さ５ｍｍ、作業速度１ｍ／ｍｉｎとし、(２)のＹＡＧレーザ法は、波長１．０６μｍ、出力２ｋＷ連続発振、作業速度１ｍ／ｍｉｎとした。

ろう材となるワイヤは、表２に示す組成で、直径０．８ｍｍサイズのものを使用した。接合部の強度は、ＪＩＳＺ３１３６に規定された試験方法に準じた引張せん断試験で評価した。

上記（１）、（２）のろう付け法で作製した継手鋼板より、引張せん断試験片を加工した。図１に引張せん断試験片の側面図を示し、図２に引張せん断試験片の平面図を示す。試験片１は、板厚ｔ、長さＬ１、幅Ｌ４の薄鋼板２からなり、重ね合せ部３に段差（Ｓ）のあるろう付け継手４で、ろう付けビードを引張軸に直交する向きとした。試験片の各部の寸法は、薄鋼板２の長さＬ１が１００ｍｍ、試験片全長Ｌ３が１７０ｍｍ、幅Ｌ４が３０ｍｍ、重ね合せ部の長さＬ２が３０ｍｍ、板厚ｔが１．０ｍｍであった。

表３に試験結果を示す。継手強度が２５０ＭＰａ未満の場合を「×」、２５０ＭＰａ以上の場合を「○」とした。

表３から以下のことが明らかとなった。

アークろう付け法を適用した比較例１は、鋼板の端面の算術平均高さＲａが３μｍであり、何ら研削が施されていないので、たとえＲΔｑおよびＲｙが本発明範囲内であっても、継手強度は２００ＭＰａ以下と低い。このことは、比較例４から明らかなように、レーザろう付け法を適用した場合においても同様である。

鋼板の端面を研削してＲａ≧２０μｍとしても、アークろう付け法を適用した比較例２から分かるように、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが４を超えると、表面凹部の先端に欠陥を生じるため、継手強度が低下する。また、アークろう付け法を適用した比較例３から明らかなように、Ｒａ≧２０μｍとしても、最大高さＲｙが４０００μｍを超えると、同様に表面凹部の先端に欠陥を生じるため、継手強度が低下する。これらのことは、比較例５、６から明らかなように、レーザろう付け法を適用した場合においても同様である。

これに対して、アークろう付け法を適用した発明例１は、Ｒａ＝３０〜３１μｍ、ＲΔｑ≦４かつＲｙ≦４０００μｍとなるように鋼板の端面を研削したので、Ｒａ＝３μｍの比較例１と比べて、ろう、母材成分の相互の拡散、および界面の凝固時に形成される数μｍ厚のセルが多くなり、しかも、ろうと鋼板との界面の形状が凹凸であることからアンカー効果が生じる。この結果、継手強度が向上する。アークろう付け法を適用した発明例２は、Ｒａ＝１９９〜２０２μｍ、Ｒｙ≦４０００μｍかつＲΔｑ≦４となるように鋼板の端面を研削したので、同様な理由により継手強度が向上するが、Ｒａが発明例１より高いので、継手強度もさらに上がる。また、発明例１では、鋼板隙間が１ｍｍの場合には、継手強度は低いが、発明例２のように、Ｒａ≧１９９μｍ以上、Ｒｙ≦１０６２μｍ以下であれば、鋼板隙間が１ｍｍ程度であっても良好な継手強度が得られるので、厳密な隙間管理が不要となる。

レーザろう付け法を適用した発明例３は、Ｒａ＝３０〜３２μｍ、Ｒｙ≦４０００μｍかつＲΔｑ≦４となるように鋼板の端面を研削したので、Ｒａ＝３μｍの比較例４と比べて、ろう、母材成分の相互の拡散、および界面の凝固時に形成される数μｍ厚のセルが多くなり、しかも、ろうと鋼板との界面の形状が凹凸であることからアンカー効果が生じる。この結果、継手強度が向上する。レーザろう付け法を適用した発明例４は、Ｒａ＝２００〜２０４μｍ、Ｒｙ≦４０００μｍかつＲΔｑ≦４となるように鋼板の端面を研削したので、同様な理由により継手強度が向上するが、Ｒａが発明例３より高いので、継手強度もさらに上がる。また、発明例３では、鋼板隙間が１ｍｍの場合には、継手強度は低いが、発明例４のように、Ｒａ≧２００μｍ以上、Ｒｙ≦１０８０μｍ以下であれば、鋼板隙間が１ｍｍ程度であっても良好な継手強度が得られるので、厳密な隙間管理が不要となる。

引張せん断試験片の側面図である。 引張せん断試験片の平面図である。

符号の説明

１：試験片
２：鋼板
３：重ね合せ部
４：隅肉継手
５：鋼板の端面

Claims (1)

1. 薄鋼板構造物の重ね隅肉継手の接合において、接合予定箇所である鋼板の端面を、表面性状が算術平均高さＲａ≧２０μｍ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ≦４かつ最大高さＲｙ≦４０００μｍとなるように研削または加工し、この後、ろう付けを行うことを特徴とするろう付け方法。

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