JP6984646B2 - レーザろう付け方法および重ね継手部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＡｌまたはＡｌ合金と溶融Ｚｎ系めっき鋼板とのレーザろう付け方法、およびその方法による重ね継手部材の製造方法に関する。

自動車車体の軽量化のためにＡｌおよびＡｌ合金（以下、Ａｌを含めてＡｌ合金と総称する）の使用量が増加している。しかし、Ａｌ合金と鋼板とを従来のアーク溶接法等の溶融溶接法で接合すると、鋼板と溶接ビードとの界面に脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相が厚く成長して接合強度が低下するという問題があった。

Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制する方法として、例えば特許文献１〜４には、合金化溶融Ｚｎめっき鋼板、溶融Ｚｎめっき鋼板、電気Ｚｎめっき鋼板の鋼中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ濃度を規定したろう付け用鋼板が開示されている。このろう付け用鋼板は、ろう付け時に鋼中からＣ、Ｓｉ、ＭｎをＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相中に拡散させ、脆いＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制して接合強度を高めるものである。

Ｓｉ、Ｍｎは鋼板の高強度化にも有用で高張力鋼板に用いられる。しかし、溶融Ｚｎめっき鋼板では、Ｓｉ、Ｍｎは、めっき前の還元加熱時に鋼板表面に濃化して酸化物となり、鋼板とめっき浴との濡れ性が阻害されてめっき不良の原因になる。また、合金化溶融Ｚｎめっき鋼板では、Ｓｉ、Ｍｎは、めっき後の合金化処理時に鋼板とめっき層との拡散が阻害されて合金化反応が遅延する原因となる。

ろう付けにおいても鋼中のＳｉ、Ｍｎはろう付け時に鋼板表面に濃化してろう材およびＡｌ合金との濡れ性を阻害する。その結果、ろう材とＡｌ合金とのはじき、ピットおよびブローホールが発生してビード外観の悪化、ビードの剥離、並びに接合強度の低下の原因となる。このため、Ｓｉ、Ｍｎを鋼中に添加できる量が限定される。また、上記のように鋼中にＳｉ、Ｍｎを添加すると鋼板の強度が高くなるため、適用できる鋼種は高張力鋼に限定され、一般の鋼板に用いることができない。

日本国公開特許公報「特開２００６−２８３１１０号公報（２００６年１０月１９日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００６−２８３１１１号公報（２００６年１０月１９日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００７−２４７０２４号公報（２００７年９月２７日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００７−２７７７１７号公報（２００７年１０月２５日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００８−６８２９０号公報（２００８年３月２７日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１１−２１８４２４号公報（２０１１年１１月４日公開）」

本発明は、Ａｌ合金と鋼板とのろう付けにおいて、めっき層にＡｌを添加した溶融Ｚｎ系めっき鋼板を用いてレーザろう付けすることによりビード外観および接合強度に優れた重ね継手部材を製造する技術を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意検討を行った結果、めっき層にＡｌを含有した溶融Ｚｎ系めっき鋼板はろう材、Ａｌ合金との親和性に優れるため、Ａｌ合金をろう付けした場合に良好なビード外観、接合強度が得られるという新たな知見を見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、めっき層が質量％でＡｌ：１．０〜２２．０％を含有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板の板面に対して接合対象板であるＡｌ板またはＡｌ合金板を重ね合わせてレーザろう付けするレーザろう付け方法であって、前記板面上に、前記接合対象板と前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板とを互いに接合するろう付け部を形成するろう付け工程を含むことを特徴としている。

本発明の一態様によれば、ビード外観および接合強度に優れた、Ａｌ合金と鋼板との重ね継手部材を製造することができるレーザろう付け方法を提供することができる。

本発明の実施の形態における重ね継手部材の断面を示す模式図である。 本発明の実施形態１のレーザろう付け方法における、Ａｌ合金へのろう材の当接位置の一例を示す模式図である。 上記当接位置を本発明の規定範囲の上限とした場合の様子を示す模式図である。 （ａ）は本発明の実施形態１のレーザろう付け方法における、ろう材のＡｌ合金への当接位置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施形態３におけるレーザろう付け方法を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の記載は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、本出願において、「Ａ〜Ｂ」とは、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。

〔実施形態１〕
これまで、ろう付け時のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制するための方策が種々提案されてきた。しかし、上記成長の抑制効果が不十分であったり、適用できるめっき鋼板の鋼種が限定されたりする場合があった。このような状況の中、本発明者らは鋭意研究を行い、その結果、以下のような新しい着想を得た。すなわち、Ｚｎ系めっき層にＡｌを添加した溶融Ｚｎ系めっき鋼板はろう材およびＡｌ合金との親和性に優れることから、後述するビード幅Ｗが広くなるのでビードのせん断面積を大きくすることができる。これにより、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相が厚く成長してもろう付け部の接合強度（せん断強度）の低下を防止することができるという新しい知見を見出した。本発明者らは、この新しい知見を基に本発明を完成させるに至った。以下に本発明の一実施形態を詳述する。

〔溶融Ｚｎ系めっき鋼板〕
本発明の実施の形態におけるろう付け用溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、めっき層がＺｎを主成分とし、１．０質量％以上２２．０質量％以下のＡｌを含有する。一般に、Ａｌ合金のろう付けにはＡｌまたはＺｎを主成分とするろう材が使用される。本発明の実施の形態におけるろう付け用溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、めっき層にＡｌ合金と、ろう材の主成分であるＺｎおよびＡｌとを含有する。それゆえ、Ａｌ合金およびろう材との親和性に優れ、濡れ性が向上して良好なビード外観が得られるとともにビード幅が広くなるので接合強度も大きくなる。

この効果はＡｌ濃度が１質量％以上で得られるので、Ａｌ濃度は１質量％以上に限定する。

一方、Ａｌ濃度が２２質量％を越えるとＺｎ系めっき層の融点が高くなって親和性が低下する。この場合、濡れ性が劣り、ビード幅が不規則なハンピングビードとなりビード外観が低下する。また、ビード幅が狭くなって接合強度が低下する。

Ｚｎ系めっき層にＭｇを０．０５〜１０．０質量％添加するとＺｎ系めっき層の融点が下がり、Ａｌ合金、ろう材との親和性が向上して接合強度に優れ、しかも耐食性にも優れるので好適である。Ｍｇを添加した場合のめっき層外観と耐食性を低下させる原因となるＺｎ_１１Ｍｇ_２系相の生成および成長を抑制するために、Ｔｉ：０．００２〜０．１質量％またはＢ：０．００１〜０．０５質量％を含むことが好ましい。

さらに、Ｚｎ系めっき層はろう付け時のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制して接合強度を高めるために、２．０質量％以下のＳｉを含んでいてもよい。また、Ｚｎ系めっき層は、２．５質量％以下のＦｅを含んでいてもよい。

上記のことは、以下のように表すことができる。すなわち、本発明の実施の形態におけるろう付け用溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層は、Ｚｎを主成分とし、Ａｌを１〜２２質量％、Ｍｇを０．０５〜１０．０質量％含有し、さらにＴｉ：０．００２〜０．１質量％、Ｂ：０．００１〜０．０５質量％、Ｓｉ：０〜２．０質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％からなる群から選ばれる１つ以上の条件を満たしていることが好ましい。

〔めっき付着量〕
本発明の実施の形態におけるろう付け用溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、Ａｌ合金、ろう材との良好な濡れ性を得るためには片面当たりのめっき付着量を１５ｇ／ｍ^２以上とすることがより効果的である。この片面当たりのめっき付着量は、上記溶融Ｚｎ系めっき鋼板のろう付け部が形成される板面におけるめっき付着量であるとも表現できる。また、めっき付着量が少ないと、めっき面の耐食性および犠牲防食作用を長期にわたって維持するうえで不利となる。このため、めっき付着量は１５ｇ／ｍ^２以上とする。

一方、片面当たりのめっき付着量が２５０ｇ／ｍ^２を超えるとろう付け時のＺｎ蒸気の発生量が多くなり、ハンピングビード、ピットおよびブローホールが発生し、ビード外観悪化するとともに接合強度が低下する。このため、めっき付着量は２５０ｇ／ｍ^２以下とすることが好ましい。

〔Ａｌ合金〕
本発明においてＡｌ合金は特に限定されない。主に自動車車体に用いられる５０００系や６０００系のＡｌ合金や、それ以外のＡｌ合金を用いてもよい。例えば、１０００系、３０００系、７０００系のＡｌ合金を用いてもよい。なお、前述のように、本明細書において、Ａｌ合金は純Ａｌ（不純物を含むことを許容する）を含む意味で用いる。

また、本明細書において、格別の記載が無い限り、Ａｌ合金は板形状となっており、Ａｌ合金はＡｌ合金板のことを意味する。そして、本発明の実施の形態において、Ａｌ板またはＡｌ合金板は、レーザろう付けの対象となっており、接合対象板と表現することができる。

〔ビード幅〕
図１に本発明の実施の形態におけるろう付け用溶融Ｚｎ系めっき鋼板とＡｌ合金とをろう付けした重ね継手部材の断面の模式図を示す。重ね継手は自動車車体においてＡｌ合金と鋼板とのろう付けにおいて多用される継手である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における重ね継手部材は溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の上にＡｌ合金３が重ねられており、ろう付けによりビード４が形成されている。該ビード４は、ろう付けにより形成されたろう付け部（ろう付け接合部）とも表現することができる。

自動車車体に使用されるＡｌ合金３の板厚は要求される強度によって適宜選択される。このため、本発明ではビード幅ＷもＡｌ合金３の板厚に応じて下記（２）式の範囲に制御する。すなわち、Ａｌ合金３の強度が必要で板厚を厚くする場合はビード幅Ｗも広くして接合強度を大きくする。

ｔ≦Ｗ≦４ｔ ・・・（２）
ここで、
Ｗ：ろう付け部のビード幅（ｍｍ）
ｔ：Ａｌ合金の板厚（ｍｍ）
である。

例えば、Ａｌ合金３の板厚が２ｍｍの場合、接合強度が４ｋＮ以上であれば自動車車体として強度的に問題ないといえる。ビード幅Ｗが上記（２）式を満足することにより、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相５が成長しても優れた接合強度が得られる。しかし、ビード幅ＷがＡｌ合金３の板厚ｔよりも狭くなると接合強度が低下する。逆に、ビード幅Ｗが４ｔを越えるとビード幅を広くするために入熱を大きくする必要があり、その結果ビード部周辺のＺｎ系めっき層２の蒸発領域が広くなって耐食性が低下する。

〔ろう付け方法〕
本発明の実施の形態における重ね継手部材は、レーザろう付け方法を用いてろう付けされる。図２および図３を用いて、本発明の実施の形態におけるレーザろう付け方法を以下に説明する。

図２は本発明の実施の形態におけるレーザろう付け方法を模式的に示す図である。図２に示すように、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の上にＡｌ合金３が重ねられており、Ａｌ合金３の端面６にろう材７が当接されている。ろう材７は、例えば長い棒形状（円柱形状）であってよく、ワイヤであってもよい。また、ろう材７は、例えば、板状であってもよい。そして、本発明では、ろう材７と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の板面とは、それらの間隔ｄ（ｍｍ）が下記（１）式を満足するように配置される。

０．２≦ｄ≦ｔ ・・・（１）
ここで、
ｔ：Ａｌ合金の板厚（ｍｍ）
である。

より詳細には、上記間隔ｄは、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の板面と、ろう材７の表面（ろう材７を長手方向に垂直に切った断面における外縁）との間の最短距離である。なお、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の板面は、Ｚｎ系めっき層２の表面であるとも言える。ろう材７は、該ろう材７の長手方向がＡｌ合金３の端面６に沿うように、かつ上記式（１）を満足するように配置される。

上記式（１）を満足するようにろう材７を配置する方法は特に限定されない。例えば、ろう材７を保持する保持部材（図示省略）を用いてもよい。但し、ろう材７とＡｌ合金３の端面６との当接部を仮固定するための固着剤（例えば接着剤）等は使用しないことが好ましい。これは、ろう付けにより形成されるビードの性質が劣化することを防止するためである。換言すれば、ろう材７は、物理的にＡｌ合金３の端面６に当接するように（ろう材７から端面６方向へ押圧力が生じるように）保持されることが好ましい。

ろう材７がＡｌ合金３の端面６から離れていると、ろう材７のみが溶融し、Ａｌ合金３が溶融しない。そのため、ろう材７はＡｌ合金３の端面６に当接する。

溶融Ｚｎ系めっき鋼板１のＺｎ系めっき層２の主成分であるＺｎは沸点が９０７℃とＡｌの融点６６０℃に近い。そのため、Ａｌ合金３およびＡｌ系のろう材７を溶融する際に、Ｚｎ系めっき層２の温度がＺｎの沸点を越えることによりＺｎ蒸発が発生する場合がある。このＺｎ蒸気が多量に発生して溶融したビードから噴出すると、ハンピングビードやピットの原因となり、ビード外観が低下する。また、Ｚｎ蒸気がビード内に閉じ込められるとブローホールとなり、接合面積が減るので接合強度が低下する。

このため、本発明では上記（１）式で示すようにろう材７と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の板面との間隔ｄ（ｍｍ）を０．２ｍｍ以上設けてＺｎ蒸気を排出する。間隔ｄの上限はＡｌ合金３の板厚ｔ分、すなわちｄ＝ｔとする。本発明でｄ＝ｔとは図３に示すように、ろう材７がＡｌ合金３の角部に当接された状態を意味する。間隔ｄをＡｌ合金３の板厚以上にすることは、ろう材７がＡｌ合金３から離れた状態となり、前述のようにろう材７のみが溶融し、Ａｌ合金３が溶融しない。

ろう付け方法はレーザろう付け法が好適である。レーザは高エネルギー密度であるので、ろう付けに用いると、ろう付け速度が速く、しかもビード近傍のＺｎ系めっき層の蒸発領域を狭くして高耐食性を維持することができる。さらに、レーザろう付けは局部加熱であるので、熱歪を小さくすることができる。

本実施形態のレーザろう付け方法について、図４の（ａ）、（ｂ）を用いてより詳細に説明すれば以下のとおりである。

図４の（ａ）は、本実施形態におけるろう材のＡｌ合金への当接位置を示す平面図である。図４の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。

図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の上にＡｌ合金３が重ねられており、ろう材７が、Ａｌ合金３の端面６に当接するように配置される。その状態にて、レーザ光８がろう材７に向けて照射される。ろう材７の延伸方向に沿ってレーザ光８の照射位置を移動することにより、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１とＡｌ合金３とを接合するビード４（図１参照）が形成される。

〔ろう材〕
本実施の形態において、ろう材７の材質は特に限定されない。通常のＡｌ合金用のＡｌ系ろう材やＺｎ系ろう材を用いてよい。また、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制するためにろう材にＳｉを添加してもよい。また、濡れ性を改善するためにフラックスを充填したフラックスろう材を用いてもよい。

〔レーザの狙い位置〕
レーザの狙い位置は、ろう材７を狙ってレーザ光８を照射する。ろう材７は、上述の式（１）の関係を満足しつつＡｌ合金の端面に当接しており、Ａｌ合金３は溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の上に重ね合わされている。このことから、ろう材７を狙ってレーザ光を照射してろう材７を溶融させれば、ろう材７のみが溶融することはなく、ろう材７とＡｌ合金３の端面６と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１のめっき層２とが溶融し、Ａｌ合金３と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１とがろう付けされる。さらに、ろう材７は、式（１）の関係を満足しているから、Ｚｎ蒸気の排出が確実に行われる。そのため、ろう付けによってハンピングビードやピット、ブローホールが発生し難い。

〔ビーム径〕
レーザ光８は、通常のレーザ溶接よりも広いビーム径となっていることが好ましい。例えば、レーザ光８のビーム径は、ろう材７の直径よりも大きくなっていることが好ましい。つまり、レーザ光８のビーム径は、ろう材７の直径をＤ１とし、Ａｌ合金３の板厚をｔとして、Ｄ１以上４ｔ以下の範囲内に設定されることが好ましい。ろう材７を狙ってレーザ光８が照射されることにより、ろう材７の全体が加熱される。これにより、ろう材７が溶融するとともに、Ａｌ合金３の端面６と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１のめっき層２とが溶融して、Ａｌ合金３と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１とがろう付けされる。

また、レーザ光８は、ろう材７とＡｌ合金３の端面６との両方に照射するようなビーム径となっていることがより好ましい。つまり、レーザ光８のビーム径は、ろう材７の直径とＡｌ合金３の板厚（端面６の幅）とを合計した長さよりも大きくなっており、（Ｄ１＋ｔ）以上４ｔ以下の範囲内に設定されることがより好ましい。これにより、ろう材７とＡｌ合金３の端面６との両方を加熱することができるとともに、レーザろう付けによってろう付け部２が形成される部分を全体的に加熱することができる。その結果、ろう材７と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の板面との間からＺｎ蒸気を排出し易くすることができる。また、熱影響部に生じる熱勾配を緩やかにし易くすることができるので、熱歪の発生を小さくすることができる。

（有利な効果）
以上のように、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法により、ビード外観および接合強度に優れる重ね継手部材を製造することができる。

また、一般に、鋼板とＡｌ合金とはスポット溶接されることがある。そのようなスポット溶接に比べて、本実施形態のレーザろう付け方法は以下のような利点を有する。すなわち、本レーザろう付け方法は、鋼板を溶融させて接合する溶接と異なり、めっき層２とろう材７とを溶融させればよく、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１の下地鋼板を溶融させる必要がない。そのため、接合するために必要な熱量が少なくて済む。その結果、重ね継手部材に生じる熱歪を少なくすることができる。したがって、例えばスポット溶接をした場合に発生することがある反り等の不具合が生じることを低減し得る。

そして、本レーザろう付け方法により、溶融Ｚｎ系めっき鋼板とＡｌ合金とを連続接合することができる。そのため、本レーザろう付け方法で製造した重ね継手部材は、封止性に優れる。例えば自動車分野では、スポット溶接した後にシーラーにて隙間を埋めることが行われる。本レーザろう付け方法を用いることにより、そのようなシーラーを用いる処理を不要とすることができる。

さらに、本レーザろう付け方法では、接合部に形成されるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相を薄くすることができるとともに、上述のように連続接合であることから、重ね継手部材の接合強度を向上させることができる。

また、本レーザろう付け方法では、アークを用いてろう付けする場合等に比べて、ブローホールおよびスパッタの発生を低減することができる。

（実施例１−１）
以下、実施例および比較例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

板厚１．２ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、板厚
２．０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの６０００系Ａｌ合金の部材とを用意した。そして、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の上にＡｌ合金の部材を長さ方向に５０ｍｍずらして重ねて、レーザろう付けを用い、重ね継手サンプルを作製した。表１にレーザろう付け条件を示す。

作製した重ね継手サンプルを目視観察し、ハンピングおよびピットの有無を調査した。目視観察後、Ｘ線透過試験を行い、ブローホールの有無を調査した。Ｘ線透過試験後、重ね継手サンプルの中央部から幅３０ｍｍの引張試験用サンプルを採取し、引張速度３ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行った。本発明では、引張試験における最大荷重を接合強度とした。接合強度が４ｋＮ以上であれば自動車車体として強度的に問題ない。引張試験サンプルを採取した部分の極近傍から断面観察用サンプルを採取し、顕微鏡を用いて断面観察することによりビード幅Ｗを調査した。

表２にレーザろう付け法の調査結果を示す。表２のビード外観では、ハンピングあるいはピットが発生せず連続したビード外観を○、ハンピングあるいはピットが発生した場合を×とした。

表２のＮｏ．１〜１３で示す本発明の範囲内でレーザろう付けした実施例では、ハンピングおよびピットは発生せず良好なビード外観が得られた。また、接合強度は４ｋＮ以上で自動車車体として十分な接合強度が得られた。

めっき層のＡｌ濃度が本発明の範囲未満のＮｏ．１４の比較例ではビード幅Ｗが０．５ｍｍと狭くなり、接合強度が１．３ｋＮと強度不足であった。

めっき付着量が本発明の範囲を超えるＮｏ．１５の比較例、および溶融Ｚｎ系めっき鋼板とろう材の間隔ｄが０ｍｍ（溶融Ｚｎ系めっき鋼板にろう材が接している状態）のＮｏ．１６の比較例では、Ｚｎ蒸気の影響により、ハンピング、ピットが発生してビード外観が著しく低下し、ブローホールも発生した。Ｎｏ．１５、１６の比較例ではビード外観が著しく低下したため、引張試験は行わなかった。

溶融Ｚｎ系めっき鋼板とろう材の間隔ｄが本発明の範囲を越えるＮｏ．１７の比較例ではろう材のみが溶融し、Ａｌ合金は溶融しなかった。このため、Ｘ線透過試験、引張試験は行わなかった。

Ｎｏ．１８〜２０の比較例ではビード幅Ｗが本発明の範囲未満であり、接合強度は３．４ｋＮ以下で接合強度不足であった。

（実施例１−２）
１０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系の種類のＡｌ合金と、溶融Ｚｎ系めっき鋼板とのレーザろう付けを行った。これらのＡｌ合金の組成を表３に示す。

具体的には、板厚１．２ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、板厚１．０〜３．０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの各種のＡｌ合金の部材とを用意した。そして、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の上にＡｌ合金の部材を長さ方向に５０ｍｍずらして重ねて、レーザろう付けを用い、重ね継手サンプルを作製した。レーザろう付け条件は、前述の表１と同様の条件とした。

結果を表４に示す。

表４のＮｏ．２１〜３５で示す本発明の範囲内でレーザろう付けした実施例では、ハンピングおよびピットは発生せず良好なビード外観が得られた。また、接合強度は各種のＡｌ合金の種類および板厚に対応して、自動車車体として十分な接合強度が得られた。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

従来、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制してＡｌ合金と鋼板を接合する方法として、フッ化物や塩化物等を主成分とするフラックスを充填したＡｌ合金ワイヤを用いるフラックスワイヤろう付け法が用いられている。フッ化物や塩化物等のフラックスを用いるのは、エッチング作用により鋼板表面の酸化物を除去して活性化し、鋼板と溶融したＡｌ合金およびＡｌ合金ワイヤとの濡れ性を改善して良好な密着性を得るためである。

例えば特許文献５には、Ｓｉを１〜１３質量％含有したＡｌ合金ワイヤ中にＡｌＦ_３を添加したフラックスを充填したワイヤを用いた溶融Ｚｎめっき鋼板とＡｌ合金のろう付け方法が開示されている。このろう付け方法によれば、（ｉ）フラックスによる鋼板表面の活性化効果と、（ｉｉ）Ａｌ合金ワイヤ中のＳｉとフラックス中のＡｌＦ_３とによるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相成長抑制効果とにより、良好な接合強度が得られるとされている。

しかし、フラックスワイヤを用いると、ろう付け後にフラックス残渣がビード部に残留し、外観を損ねるだけでなく、腐食促進因子となって耐食性が著しく低下する。さらに、ろう付け後に塗装する場合は、塗装性および塗装後耐食性も著しく低下する。このため、フラックスワイヤを用いると、ワイヤコストがアップするだけでなく、フラックス残渣を洗浄する工程が必要となり、コストアップとなる。

フラックスを用いないフラックスレスろう付け方法としては、例えば特許文献６に記載されている方法が挙げられる。特許文献６には、予めろう付け予定箇所にレーザ光を照射して酸化物を蒸発させ、引き続きろう材を消耗電極としてアークろう付けする方法が記載されている。この方法では、レーザ加熱装置とアーク溶接装置とが必要となり、設備費が高額で、ろう付けコストが高くなる。

これまで、Ａｌ合金と鋼板との種々のろう付け方法が提案されてきたが、ワイヤへのフラックス添加およびフラックス残渣の除去を要するという問題、並びにレーザ加熱装置とアーク溶接装置との併用による高コストおよび高設備費という問題があった。

本実施形態の目的は、Ａｌ合金と鋼板とのろう付けにおいて、めっき層がＡｌを含有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板を用いてフラックスレスレーザろう付けすることにより、ビード外観、接合強度に優れた重ね継手部材を安価に提供することにある。

本発明者らは鋭意研究を行い、その結果、以下のような新しい着想を得た。すなわち、Ｚｎ系めっき層がＡｌを含有している溶融Ｚｎ系めっき鋼板はろう材およびＡｌ合金との濡れ性に優れることから、フラックスを用いなくてもレーザろう付でき、接合強度に優れた重ね継手が得られるという新しい知見を見出した。本発明者らは、この新しい知見を基に本発明を完成させるに至った。以下に本発明の一実施形態を詳述する。

〔溶融Ｚｎ系めっき鋼板〕
本実施の形態におけるフラックスレスレーザろう付けを行う溶融Ｚｎ系めっき鋼板とＡｌ合金の部材との重ね継手部材の製造方法に用いる溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、めっき層がＺｎを主成分とし、１．０質量％以上２２．０質量％以下のＡｌを含有する。溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層に、Ａｌ合金およびろう材の主成分であるＡｌを含有することから、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層は、Ａｌ合金およびろう材との濡れ性に優れる。そのため、フラックスを用いなくても良好なビード外観が得られるとともにビード幅が広くなるので接合強度も大きくなる。この効果はＡｌ濃度が１質量％以上で得られるので、Ａｌ濃度は１質量％以上に限定する。一方、Ａｌ濃度が２２質量％を越えるとＺｎ系めっき層の融点が高くなって濡れ性が低下してビード幅が不規則なハンピングビードとなりビード外観が低下する。また、ビード幅が狭くなって接合強度が低下する。

溶融Ｚｎ系めっき層にＭｇを０．０５〜１０．０質量％添加するとＺｎ系めっき層の融点が下がり、フラックスを用いなくてもＡｌ合金、ろう材との濡れ性が向上して接合強度に優れ、しかも耐食性にも優れるので好適である。めっき層には、Ｍｇを添加した場合のめっき層外観と耐食性を低下させる原因となるＺｎ_１１Ｍｇ_２系相の生成、成長を抑制するために、Ｔｉ：０．００２〜０．１質量％またはＢ：０．００１〜０．０５質量％を含んでいてもよい。

さらに、Ｚｎ系めっき層は、ろう付時の脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相の成長を抑制して接合強度を高めるために、２．０質量％以下のＳｉを含んでいてもよい。また、Ｚｎ系めっき層は、２．５質量％以下のＦｅを含んでいてもよい。

上記のことは、以下のように表すことができる。すなわち、本発明のフラックスレスレーザろう付による重ね継手部材の製造方法に用いる溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層は、Ｚｎを主成分とし、Ａｌを１〜２２質量％を含む。好ましくは、さらに、Ｍｇを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉ：０．００２〜０．１質量％、Ｂ：０．００１〜０．０５質量％、Ｓｉ：０〜２．０質量％、Ｆｅ：０〜２．５質量％からなる群から選ばれる１つ以上の条件を満たしていることが好ましい。

〔Ａｌ合金〕
本実施形態のフラックスレスレーザろう付けに用いられるＡｌ合金については、前記実施形態１と同様であることから、説明を省略する。

〔ろう付方法〕
本実施形態のフラックスレスレーザろう付け方法は、前記実施形態１と同様であるが以下の点で異なっている。すなわち、本実施形態では、ろう材７（図２、３参照）としてフラックスレスのろう材を用いる。つまり、本実施形態のフラックスレスレーザろう付けに用いられるろう材は、フラックス無添加である。

このフラックスレスのろう材について、以下に説明する。

〔ろう材〕
本実施形態におけるろう材の組成は、Ａｌからなっていてよい。或いは、ろう材は、Ａｌに加え、Ｓｉ：０．２〜１５．０質量％およびＭｎ：０．０３〜２．０質量％から選ばれる１つ以上を含有する組成の合金であってもよい。ＳｉまたはＭｎを添加する効果は、ビード部においてＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物相の成長を抑制することである。さらに本発明のろう材は、ろう材の融点と粘性を下げ、ろう材とＡｌ合金および溶融Ｚｎ系めっき鋼板との濡れ性を向上させるためにＭｇを０．３〜７．０質量％含有してもよい。

本実施形態におけるろう材の形状は、ワイヤでもよいし、例えば、板状であってもよい。Ａｌ合金の端面に当接させた状態で、下記式（１）の関係を満足するようにろう材と溶融Ｚｎ系めっき鋼板との間隔ｄを管理できるような形状であることが好ましい。

０．２≦ｄ≦ｔ ・・・（１）
ここで、
ｔ：Ａｌ合金の板厚（ｍｍ）
である。

〔めっき付着量、ビード幅〕
本実施形態の溶融Ｚｎ系めっき鋼板における片面当たりのめっき付着量、および重ね継手部材におけるビード幅は、前記実施形態１と同様であることから、説明を省略する。

（有利な効果）
本実施形態のフラックスレスレーザろう付け方法によれば、前記実施形態１に記載のレーザろう付け方法と同様の効果に加えて、以下の効果を奏する。

すなわち、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層は、Ａｌ合金およびろう材の主成分であるＡｌを含有することから、Ａｌ合金およびろう材との濡れ性に優れる。そのため、フラックスを用いなくても良好なビード外観が得られるとともにビード幅を広くすることができ、接合強度を大きくすることができる。

よって、ろう材へのフラックス添加が不要であるとともに、ろう付け後にフラックス残渣を除去（洗浄）する工程が不要である。そして、レーザ加熱装置とアーク溶接装置とを併用する従来の方法に比べて、設備費が低額である。そのため、ろう付けにかかるコストを低減することができる。

（実施例２−１）
本実施形態における実施例を以下に示す。

板厚１．２ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、板厚２．０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの６０００系Ａｌ合金の部材を用意した。そして、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の上にＡｌ合金の部材を長さ方向に５０ｍｍずらして重ねて、フラックスレスのレーザろう付を行い、重ね継手サンプルを作製した。表５にレーザろう付の条件を示す。表６にろう材の明細を示す。

作製した重ね継手サンプルを目視観察し、ハンピングおよびピットの有無を調査した。目視観察後、Ｘ線透過試験を行い、ブローホールの有無を調査した。Ｘ線透過試験後、重ね継手サンプルの中央部から幅３０ｍｍの引張試験用サンプルを採取し、引張速度３ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行った。本発明では、引張試験における最大荷重を接合強度とした。接合強度が４ｋＮ以上であれば自動車車体として強度的に問題ない。ビード幅Ｗは、重ね継手サンプルのうち、引張試験サンプルを採取した部分と隣接した部分から断面観察用サンプルを採取し、顕微鏡を用いて断面観察することによりビード幅Ｗを調査した。

表７に、フラックスレスレーザろう付により作製した重ね継手サンプルの調査結果を示す。表７のビード外観では、ハンピングあるいはピットが発生せず連続したビード外観を○、ハンピングあるいはピットが発生した場合を×とした。

表７のＮｏ．３６〜４８で示す本発明の範囲内でフラックスレスレーザろう付けした実施例では、ハンピングおよびピットは発生せず良好なビード外観が得られた。また、接合強度は４ｋＮ以上であり、自動車車体として十分な接合強度が得られた。

めっき層のＡｌ濃度が本発明の範囲未満のＮｏ．４９の比較例では、ビード幅Ｗが０．７ｍｍと狭くなり、接合強度が１．２ｋＮと強度不足であった。

めっき付着量が本発明の範囲を超えるＮｏ．５０の比較例、および溶融Ｚｎ系めっき鋼板とろう材の間隔ｄが０ｍｍ（溶融Ｚｎ系めっき鋼板にろう材が接している状態）のＮｏ．５１の比較例では、Ｚｎ蒸気の影響により、ハンピング、ピットが発生してビード外観が著しく低下し、ブローホールも発生した。Ｎｏ．５０、５１の比較例ではビード外観が著しく低下したため、引張試験は行わなかった。

溶融Ｚｎ系めっき鋼板とろう材の間隔ｄが本発明の範囲を越えるＮｏ．５２の比較例ではろう材のみが溶融し、Ａｌ合金は溶融しなかった。このため、Ｘ線透過試験、引張試験は行わなかった。

Ｎｏ．５３〜５５の比較例ではビード幅Ｗが本発明の範囲未満であり、接合強度は３．２ｋＮ以下で接合強度不足であった。

（実施例２−２）
１０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系の種類のＡｌ合金（表３参照）と、溶融Ｚｎ系めっき鋼板とのフラックスレスレーザろう付けを行った。

具体的には、板厚１．２ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、板厚１．０〜３．０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１００ｍｍの各種のＡｌ合金の部材とを用意した。そして、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の上にＡｌ合金の部材を長さ方向に５０ｍｍずらして重ねて、フラックスレスレーザろう付けを用い、重ね継手サンプルを作製した。フラックスレスレーザろう付け条件は、前述の表５と同様の条件とした。

結果を表８に示す。また、フラックスレスのろう材として、表８中に示す組成のろう材を用いた。

表８のＮｏ．５６〜７０で示す本発明の範囲内でフラックスレスレーザろう付けした実施例では、ハンピングおよびピットは発生せず良好なビード外観が得られた。また、接合強度は各種のＡｌ合金の種類および板厚に対応して、自動車車体として十分な接合強度が得られた。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図５を用いて以下に説明する。なお、本実施形態において説明すること以外の構成は、前記実施形態１および実施形態２と同様である。また、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

前記実施形態１、２では、ろう材７をＡｌ合金３の端面６に沿って配置し、その状態にてろう材７にレーザ光８を照射するようになっていた。これに対して、本実施形態では、ろう材の先端がＡｌ合金３の端面６に当接するとともに、ろう材７を順次供給しつつレーザ光８を照射してろう付けを行う点が異なっている。

図５は、本実施形態におけるレーザろう付け方法を示す平面図である。図５に示すように、本実施形態では、ろう材１７の先端がＡｌ合金３の端面６に当接するようになっており、ろう材１７の先端部にレーザ光８が照射される。ろう材１７の材質は、前記実施形態１、２に記載のろう材７と同様であってよい。また、レーザ光８のビーム径は、実施形態１に記載したことと同様であってよく、通常のレーザ溶接よりも大きいビーム径であることが好ましい。

本実施形態のレーザろう付け方法においても、間隔ｄ（ｍｍ）が下記（１）式を満足するようになっている。

０．２≦ｄ≦ｔ ・・・（１）
ここで、
ｔ：Ａｌ合金の板厚（ｍｍ）
である。

具体的には、ろう材１７の先端の外縁と、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１との互いの距離が最短となる長さを間隔ｄとする。ろう材１７は、Ａｌ合金３と溶融Ｚｎ系めっき鋼板１とをろう付けするろう付け部９の形成に伴って消耗するので、Ａｌ合金３の方向に順次送給されるようになっている。

また、ろう材１７がＡｌ合金３の端面６に当接する位置（以下、当接位置と称することがある）およびレーザ光８の照射位置は、ろう付けの進行に伴って、ろう付け部９を形成しながら移動する。ろう付けの速度に応じて、上記当接位置の移動速度およびろう材１７の送給速度は調整される。ろう付け部９はビード４（図１参照）とも表現される。

これにより、ろう材１７を予め配置して保持することなく、ろう材１７を供給しつつろう付け部９を形成することができる。そのため、作業スペースの自由度が向上するとともにろう付け前の準備が比較的容易となる。その結果、作業時間を短縮化し得る。そして、ろう付け部９を形成するために用いるろう材１７の量を調節することができる。すなわち、上記当接位置の移動速度を遅くする、またはろう材１７の送給速度を速くすることにより、ろう付け部９の容積を大きくすることができる。したがって、溶融Ｚｎ系めっき鋼板１とＡｌ合金３との接合強度を高くすることができる。

（まとめ）
以上のように、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、めっき層が質量％でＡｌ：１．０〜２２．０％を含有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板の板面に対して接合対象板であるＡｌ板またはＡｌ合金板を重ね合わせてレーザろう付けするレーザろう付け方法であって、前記板面上に、前記接合対象板と前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板とを互いに接合するろう付け部を形成するろう付け工程を含むことを特徴としている。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記ろう付け工程において、ろう材を前記接合対象板の端面に当接し、且つ、前記ろう材と前記板面との間隔ｄ（ｍｍ）が下記（１）式を満足するように配置して前記ろう付け部を形成することが好ましい。

０．２≦ｄ≦ｔ ・・・（１）
（ここで、
ｔ：前記接合対象板の板厚（ｍｍ））。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記ろう付け工程では、前記ろう付け部が延びる方向に垂直な面で前記ろう付け部を切ったときの断面において、前記板面上における前記ろう付け部のビード幅が下記式（２）を満足するように前記ろう付け部を形成することが好ましい。

ｔ≦Ｗ≦４ｔ ・・・（２）
（ここで、
Ｗ：前記ろう付け部のビード幅（ｍｍ）
ｔ：前記接合対象板の板厚（ｍｍ））。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記ろう付け工程において、ろう材としてフラックスレスのろう材を用いて、フラックスレスレーザろう付けを行ってもよい。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記ろう材は、Ａｌからなる組成、または、Ａｌに加え、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１５．０％、Ｍｇ：０．３〜７．０％、およびＭｎ：０．０３〜２．０％からなる群から選ばれる１つ以上を含有する組成であってもよい。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記めっき層が、さらに質量％でＭｇを０．０５〜１０．０％含有してもよい。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記めっき層が、さらに質量％でＴｉ：０．００２〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、Ｓｉ：０〜２．０％、およびＦｅ：０〜２．５％からなる群から選ばれる１あるいは２以上を含有することが好ましい。

また、本発明の一態様におけるレーザろう付け方法は、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記板面におけるめっき付着量が１５〜２５０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。

本発明の一態様における重ね継手部材の製造方法は、上記のレーザろう付け方法により、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、前記接合対象板とをろう付けして重ね継手部材を製造することを特徴としている。

本発明の一態様における重ね継手部材は、めっき層が質量％でＡｌ：１．０〜２２．０％を含有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板の板面に対して接合対象板であるＡｌ板またはＡｌ合金板を重ね合わせてレーザろう付け部を形成した重ね継手部材であって、前記レーザろう付け部が延びる方向に垂直な面で前記レーザろう付け部を切ったときの断面において、前記板面上における前記ろう付け部のビード幅が下記式（２）を満足するように前記レーザろう付け部が形成されていることを特徴としている。

ｔ≦Ｗ≦４ｔ ・・・（２）
（ここで、
Ｗ：前記レーザろう付け部のビード幅（ｍｍ）
ｔ：前記接合対象板の板厚（ｍｍ））。

また、本発明の一態様における重ね継手部材は、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層が、さらに質量％でＭｇを０．０５〜１０．０％含有することが好ましい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 溶融Ｚｎ系めっき鋼板
２ Ｚｎ系めっき層（めっき層）
３ Ａｌ合金
４ ビード（ろう付け部）
５ Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物相
６ Ａｌ合金の端面
７、１７ ろう材
８ レーザ光
９ ろう付け部

Claims (9)

1. めっき層が質量％でＡｌ：１．０〜２２．０％を含有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板の板面に対して接合対象板であるＡｌ板またはＡｌ合金板を重ね合わせてレーザろう付けするレーザろう付け方法であって、
   前記板面上、かつ前記接合対象板の端面上に、前記接合対象板と前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板とを互いに重ねられた状態で接合するろう付け部を形成するろう付け工程を含むことを特徴とするレーザろう付け方法。
2. 前記ろう付け工程において、
   ろう材を前記接合対象板の端面に当接し、且つ、前記ろう材と前記板面との間隔ｄ（ｍｍ）が下記式（１）を満足するように前記ろう材を配置して前記ろう付け部を形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザろう付け方法。
   ０．２≦ｄ≦ｔ ・・・（１）
   （ここで、
   ｔ：前記接合対象板の板厚（ｍｍ））
3. 前記ろう付け工程では、前記ろう付け部が延びる方向に垂直な面で前記ろう付け部を切ったときの断面において、前記板面上における前記ろう付け部のビード幅が下記式（２）を満足するように前記ろう付け部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザろう付け方法。
   ｔ≦Ｗ≦４ｔ ・・・（２）
   （ここで、
   Ｗ：前記ろう付け部のビード幅（ｍｍ）
   ｔ：前記接合対象板の板厚（ｍｍ））
4. 前記ろう付け工程において、ろう材としてフラックスレスのろう材を用いて、フラックスレスレーザろう付けを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザろう付け方法。
5. 前記ろう材は、
   Ａｌからなる組成、または、
   Ａｌに加え、質量％で、Ｓｉ：０．２〜１５．０％、Ｍｇ：０．３〜７．０％、およびＭｎ：０．０３〜２．０％からなる群から選ばれる１つ以上を含有する組成であることを特徴とする請求項４に記載のレーザろう付け方法。
6. 前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記めっき層が、さらに質量％でＭｇを０．０５〜１０．０％含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザろう付け方法。
7. 前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記めっき層が、さらに質量％でＴｉ：０．００２〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、Ｓｉ：０〜２．０％、およびＦｅ：０〜２．５％からなる群から選ばれる１あるいは２以上を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザろう付け方法。
8. 前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の前記板面におけるめっき付着量が１５〜２５０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザろう付け方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザろう付け方法により、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板と、前記接合対象板とをろう付けして重ね継手部材を製造することを特徴とする重ね継手部材の製造方法。

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