JP5961268B2 - 被覆された金属薄板を継手溶接するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、被覆された金属薄板を突き合わせ継手において継手溶接する方法および装置に関する。

熱成形鋼部材は近年、自動車構造に十分に定着している。この状況において、共に溶接される様々な薄板厚および／または材質の複数のプレートからなり、かつ比較的薄い薄板厚で、したがって低重量で耐荷重が高い、個別対応した多くの製品が製造されている。熱成形およびプレス焼入れに提供されるプレートは一般に、熱成形前の熱いときに加工物のスケーリングを防止するため、有機または無機保護層および／または耐食層で被覆されている。この状況では、コーティング材料としてアルミニウム合金、好ましくはアルミニウム−ケイ素合金が通常使用される。しかしながら、この種の被覆された金属薄板を溶接すると、多くの場合、コーティング成分、特にアルミニウムが最終的に溶接溶融物となり、さらに溶接継ぎ目において鉄と一緒になってＦｅ−Ａｌ化合物を形成し、Ｆｅ−Ａｌ化合物は比較的に低い強度を有するため、溶接継ぎ目で部材を弱めるか、あるいは部材を破損させる恐れさえあるという問題がある。亜鉛コーティングも可能である。この場合、溶接中に、亜鉛が粒界に堆積し、溶接継ぎ目における最大引張り応力および圧縮応力を低下させる可能性があるという問題があり得る。

この課題を解決するため、溶接される板金の境界縁で、たとえば金属のコーティングを除去するストリッピング法として知られるものが以前提案された（たとえば特許文献１を参照）。しかしながら、こうした方法は複雑で費用がかかる。

さらに、溶接溶融物に溶接添加剤を加えて、溶接継ぎ目または製造された部材の強度を向上させることも当該技術分野において公知である。このため、たとえば、特許文献２には、突き合わせ継手に配置された鋼薄板を結合するレーザ溶接法が開示されており、この場合、炭素濃化溶接溶融物、そうしてより硬質な溶接継ぎ目を得るため、溶接溶融物に微細な炭素粉末が加えられる。

独国実用新案第２０ ２００７ ０１８ ８３２（Ｕ１）号 特開平０７−０４１８４１号

本発明の目的は、結合された金属薄板の保護層縁部から主要なコーティング成分を加えた結果、溶接継ぎ目において強度の低下を起こさずに、被覆された金属薄板を経済的に共に溶接することができる方法および装置を提供することである。

本目的は、本方法に関して請求項１に記載の特徴を有する方法により、および装置に関して請求項９に記載の特徴を有する装置により達成される。

本発明による方法および本発明による装置の好ましく有利な形態は、従属請求項に記載される。

本発明の方法によれば、ガス−粉末流の形態の少なくとも１つの粉状溶接添加剤が、少なくとも１つの流れダクトを介して、溶接される金属薄板の継手に生成される溶接溶融物に加えられ、ここで、流れダクトを出るガス−粉末流は溶接溶融物に向けられ、かつ少なくとも２ｍ／ｓの出力速度を有し、溶接添加剤は溶接溶融物と乱流に混合されて前記混合中に溶接溶融物に渦流が形成される。

好適な粒度の粉状溶接添加剤を導入すると、溶接溶融物において拡散混合および合金化が可能になる。特にレーザ溶接の場合、溶融相が典型的には約６ｍｓ〜１２５ｍｓの範囲にのみあり、溶接時間が比較的短いため、フィラーワイヤの形態で溶接添加剤を使用すると、溶接される材料（薄板金属）との十分な混合を達成することは不可能である。比較的に小さな粒子、好ましくは小さな金属粒子を有する粉状溶接添加剤を使用すると、特にレーザ溶接における非常に短時間の溶融相でも、合金の均一混合が可能になる。

コーティングの亜鉛含有量から優先的に悪影響を受けずに、特に好ましくはアルミニウム含有量またはアルミニウム−ケイ素含有量から悪影響を受けずに均一またはほぼ均一な溶接継ぎ目の微細構造を得るため、本発明はさらに、溶接溶融物に渦流が形成されるように粉状溶接添加剤と溶接溶融物との乱流混合を提供する。こうした渦流（乱流）は主に、ガス−粉末流、好ましくはガス／金属粉末流の運動により引き起こされる。本発明によれば、溶接溶融物に向けられるガス−粉末流の出力速度は、少なくとも２ｍ／ｓである。出力速度は、たとえば２ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓ、特に２ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓ、好ましくは２ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの範囲である。溶接溶融物に発生する渦流（乱流）は、溶接添加剤と材料合金との完全またはほぼ完全な混合の実現に寄与する。

本発明による方法の好ましい形態は、粉状溶接添加剤の粒子が２０μｍ〜１６０μｍの範囲、好ましくは２０μｍ〜１２０μｍの範囲の粒度を有することを特徴とする。粉状溶接添加剤の粒度が相応に微細であれば、これにより迅速に大部分の合金の均一混合が促進される。

本発明による方法のさらに有利な形態は、流れダクトを出るガス−粉末流が、金属薄板により画定されかつ溶接溶融物を含む加工物面に対してガス−粉末流の噴射軸が１５°〜７５°の範囲、好ましくは２５°〜６５°の範囲の角度であるように、溶接溶融物に向かって斜めに向けられることを提供する。溶接溶融物を含む加工物面に対するガス−粉末流のこうした斜めの配置は、溶接ヘッドの典型的な進行速度で溶接溶融物に渦流を発生させるのに好ましく、したがって溶接添加剤を溶融液体加工物材料と可能な限り迅速かつ均一に混合するのに好ましい。

本発明による方法のさらに好ましい形態では、ガス−粉末流を発生させるガスとして保護ガスを使用する。保護ガスは、溶接溶融物の酸化を防止する、すなわち溶接継ぎ目を弱めると考えられる酸化から溶接溶融物を保護する。ガス−粉末流を発生させるガスとして使用される保護ガスは、たとえばＣＯ_２でも、アルゴンでも、窒素でも、ヘリウムでも、あるいはアルゴン、ヘリウム、窒素および／またはＣＯ_２からなるガス混合物でもよい。

あるいはまたはさらに、本発明による方法のさらに好ましい形態は、金属薄板を保護ガス雰囲気で溶接結合することを提供する。

本発明による装置は、薄板金属材料を溶融溶接するためのエネルギービームを発生させるおよび／またはエネルギービームの焦点を合わせる少なくとも１つの溶接ヘッド、好ましくはレーザビーム溶接ヘッドと、共に溶接される金属薄板の溶接溶融物に粉状溶接添加剤をガス−粉末流の形態で供給するための少なくとも１つの流れダクトとを含み、流れダクトは溶接添加剤の出口開口部で終端し、その縦軸は溶接ヘッドを出るエネルギービーム、好ましくはレーザビームのビーム軸に対して斜めに延在するダクト部を含み、ダクト部の縦軸およびエネルギービームのビーム軸は１５°〜７５°の範囲の角度をなし、かつ流れダクトはガス粉末流を少なくとも２ｍ／ｓの出力速度に設定することができる調整手段（たとえば調整可能なガス流スロットル）を備える。

本発明による装置は、本発明による方法と同じ利点を有し、したがって繰り返しを避けるため上記の記載を参照されたい。

溶接溶融物に所望の渦流を発生させるのに十分なガス−粉末流の高流速（出力速度）を達成するため、本発明による装置の好ましい形態は、流れダクトおよび／または溶接添加剤の出力開口部で終端するそのダクト部は円錐ダクト形状を有し、流れダクトまたはそのダクト部は出口開口部に向かって先細りになる。末端ダクト部は、円筒ダクト形状または円筒ダクト形状と円錐ダクト形状との組み合わせをさらに有してもよい。

本発明による装置のさらに有利な形態は、流れダクトおよび／または溶接添加剤の出口開口部で終端するそのダクト部は、円形断面形状以外の断面形状を有する。その結果、溶接添加剤と加工物合金（溶融液相）との混合をさらに改善することができることを特徴とする。

本発明による装置のさらに有利な形態は、流れダクトおよび／または溶接添加剤の出口開口部で終端するそのダクト部は、出口開口部に向かって１つまたは複数の狭窄部を有することを提供する。この形態は、溶接添加剤と加工物合金（溶融液相）との混合の最適化にさらに寄与する。

以下に、実施形態を説明する図面によって本発明をより詳細に記載する。

溶接用粉末を高流速で供給しながら、アルミニウム合金で被覆された金属薄板を結合するレーザビーム溶接工程を模式的に示す。溶接継ぎ目を縦断面で示す。 図１による溶接工程を模式的に示す。突き合わせ継手において結合される金属薄板および溶接溶融物を断面で示す。 粉状溶接添加剤を高流速で供給する流れダクトを含むレーザ溶接ヘッドを模式的に示す。

図１および２は、本発明による方法の背後にある原理を模式的に図示する。参照符号１および２は、突き合わせ継手において共に溶接される金属薄板を示す。金属薄板の少なくとも１つまたは金属薄板１、２の両方は、アルミニウム、好ましくはＡｌ−Ｓｉ合金で被覆されている。金属薄板１、２は、好ましくは鋼、特にホウ素−マンガン鋼のプレートまたはストリップである。金属薄板１、２は、薄板の厚さおよび／またはその材料の品質が異なってもよい。

金属薄板１、２は、少なくとも１つのレーザビーム３によって好ましくは共に溶接される。しかしながら、あるいは、本発明によれば、金属薄板１、２は別の好適な溶接装置によって、たとえばプラズマビーム溶接装置またはアーク溶接装置によって共に溶接されてもよい。

金属薄板１、２の継手溶接は、好ましくは保護ガス雰囲気で行われる。保護ガス雰囲気は、図１および２において互いに平行に並んだ４つの矢印４で示す。

共に結合される金属薄板１、２は、融合した材料が混合し、凝固後に溶接継ぎ目５を形成できるようにその継手に沿って融合される。金属薄板１、２の溶接溶融物（溶融液相）は、図１および２において細かいハッシュおよび参照符号６で示す。凝固した溶接溶融物、すなわち溶接継ぎ目５は、図１において別の斜線で示す。

本発明による装置の溶接ヘッドの進行方向は、図１において矢印７で示す。

本発明によれば、少なくとも１つの粉状溶接添加剤８は、溶接溶融物６に導入される。溶接添加剤８は、ガス−粉末流９の形態で少なくとも１つの流れダクト（ノズルダクト）１０を介して溶接溶融物６に加えられる。溶接添加剤８は、溶接用粉末または金属粉末から形成される。金属粉末は組成において、好ましくは溶接される金属薄板１、２の少なくとも１つの加工物合金に実質的に相当する。あるいはまたはさらに、粉状溶接添加剤８は、強度増加成分をさらに含んでも、あるいはもっぱら強度増加成分からなっていてもよい。溶接添加剤８の粒子は、２０μｍ〜１６０μｍの範囲、好ましくは２０μｍ〜１２０μｍの範囲の大きさを有する。

溶接ヘッドが進行する間、流れダクト１０を出るガス−粉末流９は、溶接溶融物６の方に向けられる。この状況では、出口開口部１１で終端する流れダクト１０のダクト部は、溶接ヘッドの進行方向に向かって溶接エネルギービームまたはレーザビーム３の前に配列される。

ガス−粉末流９の出力速度は、溶接溶融物６が溶接添加剤８と乱流に混合され、前記混合中に溶接溶融物６に渦流１２が形成されるように少なくとも２ｍ／ｓとする（図１を参照）。ガス−粉末流９の出力速度は、好ましくは２ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの範囲である。

ガス−粉末流９のガスは、好ましくは保護ガス、たとえばアルゴン、ＣＯ_２、窒素、ヘリウム、またはアルゴン、ヘリウム、窒素および／もしくはＣＯ_２からなるガス混合物である。

加工物、すなわち金属薄板１、２に投射する溶接エネルギービームまたはレーザビーム３は、加工物１、２に対して垂直またはほぼ垂直の位置に向けられる。対照的に、流れダクト１０を出るガス−粉末流９は、ガス−粉末流９の噴射軸が、金属薄板１、２により画定され、かつ溶接溶融物６を含む加工物面に対して１５°〜７５°の範囲の角度αであるように溶接溶融物６に向かって斜めに向けられる。

ガス−粉末混合物９の高流速は、流れダクト１０の特殊な形態により達成される。ガス−粉末混合物９の高流速は、溶接溶融物６において渦流１２に変換するかなりの量の運動エネルギーを含む。こうした渦１２により、粉状溶接添加剤８と加工物合金との均一またはほぼ均一な混合が可能になり、比較的に低い強度しか有さない針状のＦｅ−Ａｌ共晶混合物が防止される。

図３は、レーザ溶接ヘッド１３の下方部分を模式的に図示する。レーザ溶接ヘッド１３は、レーザビーム３の焦点を合わせることができ、かつレーザビームの焦点を、共に溶接される金属薄板の継手に向けることができるレンズ系（図示せず）を含む。

図３に概略を示した実施形態では、溶接ヘッド１３にほぼ円筒状の中空体１４が取り付けられ、中空体１４には管状の流れダクト（ノズルダクト）１０が設けられ、これを介して前述の粉状溶接添加剤８をレーザビーム３の作業位置に供給し、したがって高流速で溶接溶融物６に供給する。流れダクト（ノズルダクト）１０は、中空体１４の中心縦軸に対してまたはレーザビーム軸に対して斜めに延在する。ノズルダクト１０の内径は、たとえば０．６ｍｍ〜１．２ｍｍである。粉状溶接添加剤をノズルダクト１０に供給するコンベヤーホース１５は、出口開口部１１と反対側の流れダクト１０の端部に連結されている。

流れダクト（ノズルダクト）１０は、好ましくは円錐形であり、溶接溶融物６に割り当てられるその出口開口部１１に向かって先細りになる。あるいはまたはさらに、流れダクト１０は、出口開口部１１に１つまたは複数の狭窄部をさらに含んでもよい。この状況では、開断面形状の流れダクト１０は、それぞれの場合、円形でも、あるいは円形断面形状以外の断面形状でもよい。

本発明の形態は、本発明によるレーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドの図３に概略を示した実施形態に限定されるものではない。むしろ、概略を示した実施形態以外の形態で特許請求の範囲に記載した本発明をさらに利用する複数の変形が考えられる。

Claims (9)

1. 被覆された金属薄板（１、２）を突き合わせ継手において継手溶接する方法であって、ガス−粉末流（９）の形態の少なくとも１つの粉状溶接添加剤（８）が少なくとも１つの流れダクト（１０）を介して溶接溶融物（６）に加えられ、前記流れダクト（１０）を出る前記ガス−粉末流（９）は前記溶接溶融物（６）に向けられ、かつ少なくとも２ｍ／ｓの出力速度を有し、前記溶接添加剤（８）は前記溶接溶融物（６）と乱流に混合され、前記混合中に前記溶接溶融物（６）に渦流（１２）が形成される方法。
2. 前記金属薄板（１、２）は少なくとも１つのレーザビーム（３）によって共に溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶接添加剤（８）は金属粉末から形成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記粉状溶接添加剤（８）の粒子は２０μｍ〜１６０μｍの範囲の粒度を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記ガス−粉末流（９）は前記流れダクト（１０）からのその出力速度が２ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓの範囲になるように調整されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記流れダクト（１０）を出る前記ガス−粉末流（９）は、前記ガス−粉末流（９）の噴射軸が、前記金属薄板（１、２）により画定され、かつ前記溶接溶融物（６）を含む加工物面に対して１５°〜７５°の範囲の角度（α）であるように前記溶接溶融物（６）に斜めに向けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ガス−粉末流（９）を発生させるガスとして保護ガスが使用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記金属薄板（１、２）の前記継手溶接は保護ガス雰囲気で行われることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 共に溶接される前記金属薄板（１、２）の少なくとも１つは鋼、好ましくはアルミニウム、好ましくはＡｌ−Ｓｉ合金で被覆されたホウ素−マンガン鋼の薄板であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
   

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