JP4620753B2

JP4620753B2 - 金属メッキ板のレーザー溶接方法

Info

Publication number: JP4620753B2
Application number: JP2008113804A
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: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: JP2009262187A

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。また、特許文献１の方法においては、１つのレーザー光を、ハーフミラーと反射鏡を用いて、エネルギー密度が低いレーザー光とエネルギー密度が高いレーザー光とに分割し、それらの２つのレーザー光を、照射領域をずらして同時に照射するというものである。（特許文献１の図８等を参照）
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、エネルギー密度が低いレーザー光とエネルギー密度が高いレーザー光とを同時照射しているので、以下の問題があった。

第１に、２つのレーザー光の移動速度が必然的に同一にならざるを得ず、このことが、亜鉛の蒸発と溶接接合という２つの過程を最適化する上で制約条件になるという問題がある。第２に、溶接しようとする経路が曲線の場合、２つの分割されたレーザー光の射出位置が異なることから、経路にずれを生じ易く、経路にずれが生じると溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。

本発明は、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、エネルギー密度が低く、且つ広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、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、前記第１のレーザー光を前記経路の全体に沿って照射した後に、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高く、且つ前記第１のレーザー光よりも狭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、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させ、前記第１のレーザー光の移動速度を前記母材金属部分にメッキされた金属の蒸発を促進するために、前記第２のレーザー光の移動速度より小さくしたことを特徴とする。

上記構成によれば、第１のレーザー光を溶接しようとする経路の全体に照射した後に、同じ経路で第２のレーザー光を照射するので、第１及び第２のレーザー光線の移動速度を独立に制御することができる、その結果溶接条件の最適化が容易になる。また、第１及び第２のレーザー光の移動する経路のずれを無くすことができる。

本発明の金属メッキ板のレーザー溶接法によれば、溶接条件の最適化が容易になり、しかも、溶接しようとする経路が曲線の場合であっても、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、エネルギー密度が低く、広い照射領域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。

これにより、図２（ｂ）の断面図に示すように、広い照射領域１９ａに対応する下板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、前記重ね面から発生した亜鉛蒸気は下板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、第１のレーザー光１８ａのエネルギー密度は低いので、鋼材は溶融せず、亜鉛だけが蒸発する。

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高く、狭い照射領域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の狭い照射領域１９ｂの全部が広い照射領域１９ａの範囲に含まれている。広い照射領域１９ａと狭い照射領域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）このようにして、狭い照射領域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。

前述のように、第１及び第２のレーザー光１８ａ，１８ｂは同時移動すること無く、時間を前後して同じ経路Ｋ１を辿るため、それらの移動速度は独立に制御することができる。これにより、溶接条件を最適化することができる。この時、第１のレーザー光１８ａの経路Ｋ１に沿った移動速度は、第２のレーザー光１８ｂの経路Ｋ２に沿った移動速度より小さいことが好ましい。つまり、第１のレーザー光１８ａの移動はゆっくり行うことにより、亜鉛の蒸発、除去を促進することができる。一方、第２のレーザー光１８ｂの移動はそれより速くても適度な溶接接合を形成することができ、レーザー加工時間の短縮にもつながる。

これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザー光を同時移動させる場合には、亜鉛の除去を十分に行うためにレーザー光の移動をゆっくり行うと、鋼板部分の溶融が過剰に起こり、逆に、溶接接合の形成を最適化するためにレーザー光の移動を速く行うと、亜鉛の除去が不十分になるという欠点がある。つまり、２つのレーザー光の移動速度が同一であるために、溶接条件の最適化に制約がある。

また、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よい。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。

また、本実施形態によれば、第１のレーザー光１８ａ及び第２のレーザー光１８ｂを同時移動させること無く、時間を前後して移動させるので、移動経路が経路Ｋ２のように曲線経路の場合でも、第１のレーザー光１８ａ及び第２のレーザー光の移動する経路のずれを無くすことができる。

これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザー光を同時移動させる場合には、２つの分割されたレーザー光の射出位置が異なることから、移動経路にずれを生じや易い。移動経路にずれが生じると、亜鉛が十分除去されていない鋼材部分を溶融して溶接することになるため、溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。

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であり、第１のレーザー光１８ａの広い照射領域１９ａは円形であり、その直径は１．０ｍｍであった。また、第１のレーザー光１８ａの移動速度は１ｍ／分であった。

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の狭い照射領域１９ｂは円形であり、その直径は０．８ｍｍであった。また、第２のレーザー光１８ｂの移動速度は、第１のレーザー光１８ａの移動速度より速く、３．５ｍ／分であった。

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。第１のレーザー光１８ａのエネルギー密度は、第２のレーザー光１８ｂのエネルギー密度の６４％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・・・広い照射領域
１９ｂ・・・狭い照射領域

Claims

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、エネルギー密度が低く、且つ広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、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、
前記第１のレーザー光を前記経路の全体に沿って照射した後に、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高く、且つ前記第１のレーザー光よりも狭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、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させ、前記第１のレーザー光の移動速度を前記母材金属部分にメッキされた金属の蒸発を促進するために、前記第２のレーザー光の移動速度より小さくしたことを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
前記第１のレーザー光の広い照射領域と前記第２のレーザー光の狭い照射領域は、同心円を形成することを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
前記母材金属は鉄鋼であり、前記母材金属板の表面にメッキされた金属は亜鉛又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。