JP4612076B2

JP4612076B2 - 金属メッキ板のレーザー溶接方法

Info

Publication number: JP4612076B2
Application number: JP2008113803A
Authority: JP
Inventors: 好博奥; 太一清水; 健一河又
Original assignee: 東亜工業株式会社
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: US20090266801A1; JP2009262186A

Description

本発明は、複数枚の金属メッキ板の重ね合わせ部分をレーザー溶接する方法に関する。

亜鉛メッキ鋼板は、母材金属板である鋼板の表面に防錆用の亜鉛メッキを施した鋼板材であり、自動車の車体の構造材等として多用されている。車体等を形成する場合に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせて、その重ね合わせ部分にレーザー光を照射して、鋼板材を溶融、結合させるレーザー溶接法が知られている。（特許文献１−３を参照）

上記レーザー溶接を行うと、亜鉛の沸点（約９００℃）が鋼板（鉄）の融点（約１５００℃）より低いことに起因して溶接欠陥が発生することが知られている。つまり、レーザー光を前記重ね合わせ部分に照射することにより、鋼板が溶融するが、この時、重ね面の亜鉛が蒸発する。そして、亜鉛蒸気は溶融した鋼板内を通って外に抜けようとする。その結果、溶融した鋼板の一部が吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気が鋼板内部に残り、ブローホールと呼ばれる気孔を形成して、溶接強度を劣化させたり、外観が悪くなる。

このような観点から、亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法においては様々な対策が提案されている。（特許文献１−３を参照）例えば、特許文献１においては、エネルギー密度が低いレーザー光で亜鉛を蒸発、離散させた後、エネルギー密度が高いレーザー光で溶接接合させる方法が記載されている。
特開平４−２３１１９０号公報特開平１０−１５６５６６号公報特開２００２−１７８１７８号公報

しかしながら、特許文献１の溶接方法では、エネルギー密度の低いレーザー光の照射により、亜鉛を蒸発、離散させるとき、殆どの亜鉛蒸気は鋼板の重ね面の隙間を通って外に抜け出るしかなかった。このため、亜鉛の除去が不十分となるおそれがあった。

本発明は、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる金属メッキ板のレーザー溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、鉄鋼からなる母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した亜鉛又はアルミニウムからなる金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部分にレーザー光を照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、前記重ね合わせ部分における溶接しようとする経路に沿って、エネルギー密度が高く、且つ狭い照射領域を有した第１のレーザー光を移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融させると共に前記狭い照射領域を含んでその周辺のメッキされた金属を蒸発させ、前記第１のレーザー光の照射後に、前記経路に沿って、前記第１のレーザー光よりもエネルギー密度が低く、且つ前記第１のレーザー光よりも広い照射領域を有した第２のレーザー光を移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させる金属メッキ板のレーザー溶接方法であり、
前記第１のレーザー光の狭い照射領域と前記第２のレーザー光の広い照射領域は、同心円を形成し、前記第１のレーザー光は、前記第１のレーザー光の照射により発生した金属蒸気により、前記狭い照射領域の溶融した母材金属部分を吹き飛ばして前記重ね合わせ部分において、複数の金属メッキ板を貫通する貫通孔を形成するような、高いエネルギー密度を有し、前記第２のレーザー光を照射することにより、前記貫通孔の側壁の母材金属部分を溶融して前記貫通孔を埋めることを特徴とする。

本発明の金属メッキ板のレーザー溶接方法によれば、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。先ず、レーザー加工装置の構成を図１に基づいて説明する。図示のように、レーザー加工テーブル１０上に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態で載置する。以下では、下側になった亜鉛メッキ鋼板を下板１１と呼び、上側になった亜鉛メッキ鋼板を上板１２と呼ぶことにする。下板１１と上板１２とを治具で押さえて、両板の重ね合わせ部をできるだけ密着させることが好ましい。

下板１１及び上板１２が載置されたレーザー加工テーブル１０の上方には、レーザー加工ヘッド１３が配置され、このレーザー加工ヘッド１３に光ファイバー１４を介してファイバーレーザー発振器１７によって発生されたレーザー光が出力されるようになっている。尚、ファイバーレーザー発振器１７の代わりに、ＹＡＧレーザー発振器、ＣＯ_２レーザー発振器等の他の種類のレーザー発振器を用いてもよい。

レーザー加工ヘッド１３には、コリメーションレンズ１５と集光レンズ１６が収納されている。ファイバーレーザー発振器１７からのレーザー光は、先ず、コリメーションレンズ１５によって一旦平行光線に変換され、その平行光線が集光レンズ１６によって、所定の焦点距離の位置に集光される。また、レーザー加工ヘッド１３は、例えば、レーザー加工ロボットのような移動手段によって、上板１２の面内のＸ方向及びＹ方向、上板１２の表面に垂直なＺ方向に移動自在に構成されている。

従って、レーザー加工ヘッド１３をＺ方向に移動させることにより、レーザー加工ヘッド１３から出力されるレーザー光１８の照射領域１９（上板１２に垂直な方向からみて円形の領域になる）の広狭を変えることができる。レーザー光１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの単位面積当たりのエネルギーであり、ファイバーレーザー発振器１７が一定であれば、レーザー光１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの面積に反比例することになる。

また、レーザー加工ヘッド１３のコリメーションレンズ１５又は集光レンズ１６を交換することによっても照射領域１９の広狭を変えることができる。また、レーザー加工ヘッド１３をＸ方向に、又はＹ方向に、或いはＸ方向とＹ方向に同時に移動させることにより、レーザー光１８の照射領域１９を前記重ね合わせ部上を任意の経路に沿って、所望の移動速度で移動させることができる。

以下、上記レーザー加工装置を用いた亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法について説明する。先ず、図２（ａ）の斜視図に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の起点Ｐ１から終点Ｐ２までの経路Ｋ１に沿って、エネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ａを有した第１のレーザー光１８ａを移動させながら照射する。第１のレーザー光１８ａは通常の溶接レーザー光に比べて、エネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ａを有している。

これにより、図２（ｂ）の断面図に示すように、狭い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分（母材金属部分）を溶融させる。この時、狭い照射領域１９ａとその周辺の、下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が蒸発、脱気する。

つまり、第１のレーザー光１８ａによって、狭い照射領域１９ａの周辺の溶融していない鋼板部分まで加熱されるため、亜鉛蒸気は狭い照射領域１９ａより広い領域の重ね面から発生する。その亜鉛蒸気は、溶融した鋼板部分内を通って外に抜け、また、下板１１と上板１２の重ね合わせ部の隙間を通って外に抜ける。

この時、亜鉛蒸気は溶融した鋼板部分を通過して外に抜けるので、溶融した鋼板の一部又は全部が亜鉛蒸気の圧力で吹き飛ばされるか、若しくはブローホールが形成されることにより、溶接欠陥が形成されることになるが、本発明は、高いエネルギー密度の第１のレーザー光１８ａを照射することで、そのような溶接欠陥を狭い照射領域１９ａに限って生じさせるのである。つまり、溶接欠陥が発生する領域をできる限り狭くし、それよりも広い領域の亜鉛を除去するようにしたのである。

第１のレーザー光１８ａのエネルギー密度は、図２（ｃ）に示すように、狭い照射領域１９ａにおいて、溶融した鋼板が吹き飛ばされることにより、下板１１と上板１２の両方を貫通する貫通孔２０が形成される程度に高いことが亜鉛蒸気を効率的に外に脱気する上で好ましい。また、第１のレーザー光１８ａのエネルギー密度は、図２（ｄ）に示すように、上板１２を貫通し、下板１１の厚さの途中まで到達する貫通孔２１が形成される程度であっても、亜鉛蒸気をある程度は効率的に外に脱気することができる。

上記のようにして第１のレーザー光１８ａを起点Ｐ１から終点Ｐ２までの経路Ｋ１に沿って移動させた後に、図３（ａ）に示すように、第１のレーザー光１８ａよりもエネルギー密度が低く、広い照射領域１９ｂを有した第２のレーザー光１８ｂを再び同じ経路Ｋ１に沿って移動させながら照射する。

この時、第２のレーザー光１８ｂをもう一度起点Ｐ１に戻して終点Ｐ２まで移動させても良いし、逆に終点Ｐ２から出発して起点Ｐ１に戻しても良い。第２のレーザー光１８ｂは第１のレーザー光１８ａより低いエネルギー密度を有しているが、通常の溶接レーザー光と同程度のエネルギー密度を有している。つまり、第２のレーザー光１８ｂは通常の溶接用のレーザー光である。

第１のレーザー光１８ａの狭い照射領域１９ａの全部が広い照射領域１９ｂの範囲に含まれている。狭い照射領域１９ａと広い照射領域１９ｂを重ね合わせると、中心点Ａを共有した同心円を形成することが好ましい。（図４を参照）また、第１のレーザー光１８ａの照射により、この広い照射領域１９ｂに対応する重ね面の亜鉛が除去されている。このようにして、広い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分を溶融させ、溶接接合が形成される。

この時は、溶接しようとする広い照射領域１９ｂに亜鉛は殆ど存在しないので、亜鉛の蒸発は発生せず、第１のレーザー光１８ａの照射により生じた狭い照射領域１９ａに形成された溶接欠陥（鋼材の吹き飛び、貫通孔２０，２１等）が修復される。この時、貫通孔２０，２１の側壁の鋼板部分が溶融し、溶融した鋼板部分が貫通孔２０，２１を埋めることで貫通孔２０，２１が元通りの鋼板部分に修復される。こうして、溶接強度が高く、外観も良い、優れた溶接接合を得ることができる。（図３（ｂ）の断面図を参照）

第１のレーザー光１８ａ及び第２のレーザー光１８ｂの移動する経路Ｋ１は直線経路であるが、それに限らず、どのような経路でも良い。例えば、図５及び図６に示すような円状の経路Ｋ２でもよい。この場合、図５に示すように、先ず、第１のレーザー光１８ａを起点Ｐ３から経路Ｋ２に沿って移動させ、再び起点Ｐ３に戻し、その後、図６に示すように、第２のレーザー光１８ｂを再び起点Ｐ３から経路Ｋ２に沿って移動させ、起点Ｐ３に到達させる。

尚、上記実施形態においては、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行っているが、本発明は、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行う場合にも適用することができる。また、本発明のレーザー溶接の対象となる金属メッキ板は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、鋼板の表面に、鋼板の融点よりも低い沸点を有した金属、例えば、アルミニウム、或いは錫をメッキしてなる金属メッキ板であってもよい。また、母材金属板の材料も鉄に限定されることはなく、例えば、鉄と他の元素との合金でもよい。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。２枚の亜鉛メッキ鋼板（規格：GAC270 t1.2）を準備した。この亜鉛メッキ鋼板は、厚さが１．２ｍｍであり、表面及び裏面に４０ｇ／ｍ^２の亜鉛メッキが施されたものである。そして、２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部に、第１のレーザー光１８ａを円状の経路Ｋ２に沿って照射した。この時のファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷ（キロワット）であり、第１のレーザー光１８ａの狭い照射領域１９ａは円形であり、その直径は０．０５〜０．１ｍｍであった。

第１のレーザー光１８ａの照射後、第２のレーザー光１８ｂを同じ経路Ｋ２に沿って照射した。この時の、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷであり、第２のレーザー光１８ｂの広い照射領域１９ｂは円形であり、その直径は０．８ｍｍであった。

ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷで一定しているので、レーザー光のエネルギー密度は照射領域の面積に反比例する。本実施例の場合、第１のレーザー光１８ａの狭い照射領域１９ａの直径は０．０５ｍｍ、第２のレーザー光１８ｂの広い照射領域１９ｂの直径は０．８ｍｍであるとすると、第２のレーザー光１８ｂのエネルギー密度は、第１のレーザー光１８ａのエネルギー密度の約３．９％になる。

上記の第１及び第２のレーザー光１８ａ，１８ｂの照射により、２枚の亜鉛メッキ鋼板は経路Ｋ２に沿って溶接され、その溶接強度は高く、外観も良いことが確認された。

本発明の実施形態におけるレーザー加工装置の構成を示す図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。レーザー光による照射領域を示す平面図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。本発明の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。

符号の説明

１０・・・レーザー加工テーブル１１・・・下板
１２・・・上板１３・・・レーザー加工ヘッド
１４・・・光ファイバー１５・・・コリメーションレンズ
１６・・・集光レンズ１７・・・ファイバーレーザー発振器
１８・・・レーザー光１８ａ・・・第１のレーザー光
１８ｂ・・・第２のレーザー光１９ａ・・・狭い照射領域
１９ｂ・・・広い照射領域２０，２１・・・貫通孔

Claims

鉄鋼からなる母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した亜鉛又はアルミニウムからなる金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部分にレーザー光を照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
前記重ね合わせ部分における溶接しようとする経路に沿って、エネルギー密度が高く、且つ狭い照射領域を有した第１のレーザー光を移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融させると共に前記狭い照射領域を含んでその周辺のメッキされた金属を蒸発させ、
前記第１のレーザー光の照射後に、前記経路に沿って、前記第１のレーザー光よりもエネルギー密度が低く、且つ前記第１のレーザー光よりも広い照射領域を有した第２のレーザー光を移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させる金属メッキ板のレーザー溶接方法であり、
前記第１のレーザー光の狭い照射領域と前記第２のレーザー光の広い照射領域は、同心円を形成し、
前記第１のレーザー光は、前記第１のレーザー光の照射により発生した金属蒸気により、前記狭い照射領域の溶融した母材金属部分を吹き飛ばして前記重ね合わせ部分において、複数の金属メッキ板を貫通する貫通孔を形成するような、高いエネルギー密度を有し、前記第２のレーザー光を照射することにより、前記貫通孔の側壁の母材金属部分を溶融して前記貫通孔を埋めることを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。