JP7436791B2 - Ｚｎ系めっき鋼板のレーザ切断加工方法及び切断加工品 - Google Patents

Description

本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板のレーザ切断加工方法及び切断加工品に関する。

自動車部品や家電部品では、耐食性や耐久性を保持するため、Ｚｎ（亜鉛）系めっき鋼板が使用される。また、複雑な形状の部品を製造する際は、レーザ切断による切断加工方法が多用される。レーザ切断加工は、被切断材料の表面に高密度のレーザ光を照射し、溶融した被切断材料をアシストガスで吹き飛ばして切断する方法である。

Ｚｎ系めっき鋼板は、その表面が耐食性の高いＺｎ系めっき金属で覆われている。しかし、レーザ切断された切断面は、素地鋼板が露出した状態にあるので、赤錆が発生して腐食が進行する恐れがある。

そのため、レーザ切断を行った直後に、補修塗装を早期に行う必要がある。従来は、その補修作業に時間と手間がかかるため、切断加工の作業性が低下し、コストを増加させる要因となっていた。このように、Ｚｎ系めっき鋼板をレーザ切断加工する場合、切断面の耐食性や防錆性を確保するという課題がある。そこで、切断後の切断面における耐食性を維持できるレーザ切断技術が求められている。

亜鉛系めっき鋼板のレーザ切断方法に関して、以下の従来技術が報告されている。例えば、特許文献１は、窒素に２～２０体積％の酸素を含む混合ガスをアシストガスに使用したレーザ切断方法が記載されている。これは、鉄と酸素の酸化反応熱を利用することにより、高圧の窒素ガスの下でレーザ切断する従来方法よりも低い圧力で切断を行い、アシストガスの使用量を低減させる切断を可能とするものである。

特許文献２は、レーザ光の照射によって溶融及び又は蒸発された上面のめっき層含有金属を、アシストガス又は補助ガスによって、めっき鋼板の切断面側へ流動して、切断面にめっき層含有金属を被覆するレーザ切断加工方法（請求項１）が記載されており、レーザ切断加工後に、切断面の防錆処理を改めて行う必要がないことを記載している。レーザ切断条件に関しては、アシストガス圧を０．５～１．２ＭＰａの範囲で調節すること（請求項３）、レーザ切断加工速度を１０００～５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調節すること（請求項４）、アシストガスとして、窒素ガス又は窒素ガス９６％以上、酸素ガス４％以下の混合ガスを用いること（請求項６）などが記載されている。

特許文献３は、Ｚｎ系めっき鋼板のレーザ切断方法において、アシストガスに酸素を用いることにより、切断端面に酸化皮膜が形成され、その皮膜によって防錆能力の低下を抑制することが記載されている（段落０００７）。

特開２００１－３５３５８８号公報 特許第６２３８１８５号公報 特開２０１４－２３７１４１号公報

特許文献１には、窒素に２～２０体積％の酸素を含む混合ガスを用いたレーザ切断が記載されている。しかし、Ｚｎめっき鋼板の切断面における耐食性低下に関する課題について記載されていない。また、特許文献１の実施例は、１．８ｍ／ｍｉｎ以下の切断速度で行ったレーザ切断が開示されるだけである。

特許文献２には、切断面にめっき金属を流入させて端面防錆を向上させるレーザ切断方法が記載され、酸素を含むアシストガスによって切断面に酸化層が形成されること（段落０１２５～０１２６）を記載している。しかし、切断面に形成された酸化層の組成や当該組成と耐食性との関係について記載されていない。

特許文献３のレーザ切断方法は、酸素１００％のアシストガスを使用しているため、切断面に形成される酸化皮膜は、比較的厚くて脆いので、剥離や割れが生じて、切断面を十分に被覆することができない。

そこで、本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、切断面の耐食性を確保できるレーザ切断加工方法を提供することを目的とする。また、本発明は、良好な耐食性を有するレーザ切断面を備えたＺｎ系めっき鋼板の切断加工品を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、Ｚｎ系めっき鋼板をレーザ切断する方法において、特定の切断条件に基づいてレーザ切断を行うことにより、耐食性の良好な酸化皮膜がレーザ切断面に形成されることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板の表面にレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光の照射部にアシストガスを噴射してレーザ切断するレーザ切断加工方法であって、前記アシストガスとして５～２０体積％の酸素を含む混合ガスを噴射し、平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有するレーザ切断面を形成する、レーザ切断加工方法である。

（２）本発明は、前記レーザ切断は、２．０～８．０ｍ／ｍｉｎの切断速度で行う、（１）に記載のレーザ切断加工方法である。

（３）本発明は、前記酸化皮膜は、さらに、ＦｅＯを含む、（１）または（２）に記載のレーザ切断加工方法である。

（４）本発明は、前記Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である、（１）～（３）のいずれかに記載のレーザ切断加工方法である。

（５）本発明は、レーザ切断面を備えたＺｎ系めっき鋼板の切断加工品であって、前記レーザ切断面は、平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有する、切断加工品である。

（６）本発明は、前記酸化皮膜は、さらに、ＦｅＯを含む、（５）に記載の切断加工品である。

（７）本発明は、前記酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層と、ＦｅＯを含む内層とを有する、（６）に記載の切断加工品である。

（８）本発明は、前記Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である、（５）～（７）のいずれかに記載の切断加工品である。

本発明によれば、レーザ切断面に厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜が形成されるので、切断後の初期段階においてレーザ切断面の耐食性や防錆性を維持することができる。そのため、従来のようにレーザ切断後に早期の補修塗装を行う必要がなく、切後の作業を軽減し、製造コストの低減に効果的である。

切断面の酸化皮膜に関する第１パターンの構造を説明するための図である。 切断面の酸化皮膜に関する第２パターンの構造を説明するための図である。 切断面の酸化皮膜の厚さを説明するための図である。 切断面の酸化皮膜の厚さを説明するための図である。 実施例の屋外暴露試験に関する試験を説明するための図であり、（ａ）は、当該試験の概要を示す図であり、（ｂ）は、当該試験装置の要部を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

本実施形態は、Ｚｎ系めっき鋼板の表面にレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光の照射部にアシストガスを噴射してレーザ切断するレーザ切断加工方法である。Ｚｎ系めっき鋼板の表面へレーザ光を照射しつつレーザ光を移動させて、Ｚｎ系めっき鋼板の基板を溶融させることにより切断し、任意形状に仕上げることができる。

なお、本明細書では、「耐食性」と「防錆性」を同じ意味で使用し、切断面の耐食性を「端面耐食性」ということもある。また、「レーザ切断面」は、レーザ切断された切断面を意味し、単に「切断面」ということもある。

［アシストガス］
本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、レーザ光を照射する切断ノズルの周囲からＺｎ系めっき鋼板の表面にアシストガスが噴射される。当該アシストガスとして５～２０体積％の酸素を含む混合ガスを噴射することが好ましい。レーザ光の照射部においては酸素含有雰囲気でレーザ切断が進行する。そのため、Ｚｎ系めっき鋼板の切断部では、切断によって素地鋼板が露出する一方で、素地鋼板のＦｅと当該雰囲気の酸素とが化学反応して、切断部の表面に耐食性を有するＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜が形成される。Ｚｎ系めっき鋼板の切断面は、当該酸化皮膜による耐食性が付与されるため、端面耐食性の低下を抑制する効果が得られる。

当該混合ガスにおける酸素の混合割合が５体積％未満である場合、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜が切断面全体に形成されないため、端面耐食性の低下を十分に抑制することができない。そのため、本実施形態のアシストガスには、所定割合の酸素を含む混合ガスを使用することが好ましい。当該酸素の混合割合は、５体積％以上であることが好ましく、８体積％以上でもよい。

他方、アシストガスにおける酸素の混合割合が２０体積％を超えると、レーザ切断面に形成される酸化皮膜の厚さが過大となって、当該酸化皮膜にクラックや剥離が生じる傾向にある。そのため、酸化皮膜による被覆状態が劣化し、素地鋼板の露出部分が生じるので、端面耐食性の低下を招く。よって、当該酸素の混合割合は、２０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以下でもよい。

アシストガスは、窒素や不活性ガスに所定量の酸素を配合した混合ガスを使用することができる。酸素として空気を混合してもよい。不活性ガスとしてＡｒを使用してもよい。アシストガスの流量及び圧力は、Ｚｎ系めっき鋼板の板厚やレーザ光の移動速度などの切断条件によって適宜設定することができる。さらに、アシストガスには、レーザ光照射により溶融した残留物を吹き飛ばして切断を円滑に進める効果や、切断部で酸化反応による熱が発生し、溶断しやすくする効果もある。例えば、アシストガスを噴射する圧力は、０．５～３．０ＭＰａを使用することができる。

［切断速度］
本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、２．０～８．０ｍ／ｍｉｎの切断速度で行うことが好ましい。切断速度の程度に応じて切断面の酸化皮膜の形成状態が異なる。レーザ光を移動させながら切断するので、切断面では切断後に直ちに冷却される。切断速度が遅い条件は、その分、冷却速度が遅い状態に対応し、切断速度が速い条件は、その分、冷却速度が速い状態に対応すると考えられる。

切断速度が遅い場合、冷却速度が遅く、切断時の酸素と素地鋼板との酸化反応時間が長くなり、ＦｅＯの酸化皮膜が厚く成長しやすくなる。また、冷却時間も長くなるため、素地鋼板との間にＦｅＯを含む内層が形成されるとともに、当該内層の表面側にはＦｅ_３Ｏ_４を含む外層が形成される傾向にある。当該Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層は、良好な耐食性を有しており、素地鋼板の表面に密着して被覆するので、レーザ切断面の初期段階に必要な耐食性を付与する。

切断速度が速い場合、冷却速度が速く、酸素と素地鋼板との酸化反応時間が短くなり、ＦｅＯの酸化皮膜も成長しにくい。また、冷却時間も短くなるため、当該切断面の酸化皮膜は、ＦｅＯ相の内部にＦｅ_３Ｏ_４が析出し、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４が混合した組織となる傾向にある。当該Ｆｅ_３Ｏ_４が良好な耐食性を有するので、この混合した酸化皮膜によりレーザ切断面の初期段階に必要な耐食性を付与する。

切断速度が８．０ｍ／ｍｉｎを超えると、冷却速度が速くなり酸化皮膜の表面側において、耐食性に富むＦｅ_３Ｏ_４の分布割合が低減する。また、急冷により酸化皮膜にクラックや剥離が生じやすくなるため、当該酸化皮膜で十分な端面耐食性を確保できない。そのため、本実施形態に係る切断速度は、８．０ｍ／ｍｉｎ以下が好ましく、７．０ｍ／ｍｉｎ以下がより好ましい。他方、切断速度が過度に遅いと、レーザ切断面の酸化皮膜が厚く成長し、全体がほぼＦｅＯで占められて、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層が形成され難い。また、切断時間が長くなり、作業効率や経済性の点で不利である。そのため、本実施形態に係る切断速度は、２．０ｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、４．０ｍ／ｍｉｎ以上がより好ましい。

［酸化皮膜］
本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、レーザ切断面の表面に、耐食性を有するＦｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）を含む酸化皮膜を形成する。また、当該酸化皮膜は、さらにＦｅＯ（ウスタイト）を含んでいてもよい。その場合、Ｆｅ_３Ｏ_４とＦｅＯとを含む酸化皮膜の構造として、次の２つのパターンがある。

第１のパターン（以下、「第１パターン」という。）は、図１に示すように、素地鋼板２の上に形成された酸化皮膜３がＦｅ_３Ｏ_４とＦｅＯとの混合組織を有する構造である。レーザ切断面１は、切断後に素地鋼板２の上にＦｅＯ皮膜が形成され、その後、冷却過程（急冷時）において当該ＦｅＯ中にＦｅ_３Ｏ_４が析出することによって、Ｆｅ_３Ｏ_４とＦｅＯとが混合した組織が形成されたと考えられる。

第２のパターン（以下、「第２パターン」という。）は、図２に示すように、素地鋼板２の上に形成された酸化皮膜３が、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層４と、ＦｅＯを含む内層５とを有する構造である。レーザ切断面１は、切断後に素地鋼板２の上にＦｅＯ皮膜が形成され、冷却過程（徐冷時）において変態点以下の温度領域に達し、当該ＦｅＯ皮膜内の外気に接する側にＦｅ_３Ｏ_４相が形成されたと考えられる。

本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、鋼素地との密着性の観点から平均厚さが１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を形成することが好ましい。そのため、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜の平均厚さは、端面耐食性を付与する観点から、０．５ｍμｍ以上であることが好ましく、０．７μｍ以上がより好ましい。他方で、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜は、その平均厚さが過大であると、酸化皮膜にクラックや剥離が生じるため、切断面を当該酸化皮膜で十分に被覆することができず、端面耐食性が低下する。そのため、当該酸化皮膜の平均厚さは、１．５μｍ以下が好ましく、１．０μｍ以下がより好ましい。

本実施形態に係る酸化皮膜の平均厚さは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の拡大写真とＥＢＳＤ（電子線後方散乱回析）の分析結果を用いて測定された数値によって特定される。具体的には、図３に示すように、長さ１００ｍｍのＺｎ系めっき鋼板６について幅方向のほぼ中央付近から長手方向へ向かってレーザ切断が行われた。レーザ切断加工装置の切断用ヘッド１１の先端には、レーザ光照射及びアシストガス噴射を行う切断用ノズル１２が取り付けられており、切断用ノズル１２の中央からレーザ光１３が照射された。レーザ光の周囲からアシストガスが噴射された。図４に示すように、切断後の試験材７について切断面１のうち測定対象として、長手方向の中央点から±６ｍｍの範囲にある長さ１２ｍｍの中央部分を測定領域１４に選定した。当該測定領域１４において、分析用のサンプルを切出し、板厚方向で中央となる位置をＳＥＭで観察し、酸化皮膜の厚さを５箇所測定した。得られた測定値のうち最大値と最小値により平均値を算出し、本平均値をもって本実施形態に係る酸化皮膜の平均厚さを特定した。また、同一箇所についてＥＢＳＤ（電子線後方散乱回析）の分析を行った。

本実施形態に係る酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層と、ＦｅＯを含む内層とを有する第２パターンの構造であることが好ましい。

本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、照射するレーザ光の種類は、限定されるものでなく、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなどを使用することができる。

切断する際のレーザ光の条件として、Ｚｎ系めっき鋼板の表面におけるレーザスポット径、レーザ出力、アシストガスの圧力及び流量などは、切断対象のＺｎ系めっき鋼板の板厚によって適宜設定できる。

Ｚｎ系めっき鋼板は、素地鋼板上のＺｎ系めっき層が、Ｚｎ－Ｆｅ、Ｚｎ－Ａｌ、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉなどの組成を有するものを用いることができる。例えば、質量％でＺｎ－６％Ａｌ－３％ＭｇのＺｎ系めっき層を有する鋼板を使用することができる。

Ｚｎ系めっき鋼板は、限定されない。その板厚が０．５～６．０ｍｍであるものを使用することできる。

［切断加工品］
本実施形態に係る切断加工品は、レーザ切断面を備えたＺｎ系めっき鋼板を切断加工したものである。レーザ切断面は、平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有することが好ましい。平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有するため、レーザ切断面は、素地鋼板が露出しておらず、一定期間の防錆性を確保することができる。そのため、レーザ切断後に早期の補修塗装を行う必要がないので、切断後の作業負担の軽減や製造コストの低減に効果的である。

切断加工品の酸化皮膜については、上記のレーザ切断加工方法において酸化皮膜を説明した内容と同様である。

本実施形態に係る切断加工品は、酸化皮膜においてＦｅ_３Ｏ_４とＦｅＯを含むことが好ましい。また、酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層と、ＦｅＯを含む内層とを有する第２パターンの構造であることが好ましい。また、Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板であることが好ましい。

以下、本発明に係る実施例について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

Ｚｎ系めっき鋼板として、両面合計の３点平均最小付着量が１４０ｇ／ｍ^２で、Ｚｎ－６％Ａｌ－３％Ｍｇ（質量％）のめっき層を有するめっき鋼板を用いた。切断前のめっき鋼板の寸法は、幅４０ｍｍ×長さ１００ｍｍであり、板厚が１．６ｍｍと３．２ｍｍの２種類を用いた。図３に示すように、Ｚｎ系めっき鋼板６について幅方向のほぼ中央付近から長手方向へ向かってレーザ切断を行った。図４に示すように、各種の切断条件によって幅２０ｍｍ×長さ１００ｍｍの寸法に切断されて試験材７が得られた。当該試験材７は、後記する評価試験に供した。

レーザ切断機は、ビームスポット径がφ０．２ｍｍであり、最大出力が１０ｋＷであるファイバーレーザ装置（ＩＰＧ社製）を使用した。切断用ヘッドの先端に内径φ２ｍｍの切断用ノズルを取り付けて、レーザ光を照射するとともに、レーザ光と同軸方向にアシストガスを噴射した。レーザの焦点位置を被切断用鋼板の表面に設定した。切断ノズル先端から鋼板までの距離（スタンドオフ）を０．５ｍｍとした。

切断速度として、次の３つを用いた。括弧内の数値は、そのときのレーザ出力を示す。５ｍ／ｍｉｎ（出力１．２５ｋＷ）、７．５ｍ／ｍｉｎ（出力２．０ｋＷ）、１０ｍ／ｍｉｎ（出力２．５ｋＷ）

アシストガスは、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガス（Ｎ_２＋Ｏ_２）、酸素ガス（Ｏ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、の４種を使用した。当該混合ガスの酸素混合比（体積％）としては、５％、１０％、２０％、４０％、６０％、８０％を選定した。

［切断面の表面分析］
切断後の試験材を用いて切断面の上に形成された皮膜を分析した。分析位置は先述した測定領域１４に該当する。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と付属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ－ＥＤＸ）を用い、切断面の皮膜観察と表面分析を行い、鉄（Ｆｅ）の酸化皮膜の形成を確認し、酸化皮膜の平均厚さを測定した。酸化皮膜の形成が確認された試験材については、続けてＥＢＳＤ分析（結晶方位解析）を行い、酸化皮膜の構造解析を行った。

［耐食性の評価試験］
切断後の試験材について、切断面の耐食性を評価した。耐食性の評価は、ＪＩＳ Ｚ２３８１に準拠して屋外暴露試験を行い、所定の赤錆が発生するまでの期間を調査した。切断面の耐食性は、固定治具による水溜りの影響など外乱的な影響を受けない５０ｍｍの長さで評価するため、試験材の長手方向の中央点から±２５ｍｍの範囲を評価面とした。図５の（ａ）に示すように、地面との間に角度３５°で傾斜する面を持つ試験用架台１５を屋外に設置し、その傾斜面の上に試験材７を載置した。試験材７の切断面１が試験用架台１５の傾斜面に沿って平行となるように載置した。具体的には、図５の（ｂ）に示すように、板材を組み合わせた試験用架台１５において傾斜面を持つ板材の上に試験材７を載置した。切断面の耐食性の評価面は一定とし、その後、５日経過する毎に、切断面１の評価面を写真撮影した。評価面に赤錆が発生した場合は、その赤錆の面積を画像処理装置により計測し、評価面全体に占める赤錆面積の割合を算出した。赤錆の面積割合が１０％未満である場合を良好（〇）と判定し、赤錆の面積割合が１０％以上である場合を不適（×）と判定した。不適と判定した試験材は、それ以降の測定を継続しなかった。

（実施例１）
板厚１．６ｍｍのＺｎ系めっき鋼板を用いて、切断速度を７．５ｍ／ｍｉｎ、アシストガス圧を１．０ＭＰａで、アシストガスの酸素混合比を変更し、レーザ切断を行った。得られた試験材について、上述した手順により切断面の表面分析及び耐食性の評価試験を行った。それらの結果を表１に示す。屋外暴露試験の「〇」、「×」は、上記で説明した判定基準に基づく結果を示し、「－」は、測定しなかったことを示す。

［表面分析の結果］
試験材Ｎｏ．１～Ｎｏ．７は、アシストガスに酸素を用いたものである。表面分析した結果によると、いずれも切断面の表面において鉄（Ｆｅ）及び酸素（Ｏ）の各元素が検出され、鉄の酸化皮膜が形成されたことを確認できた。試験材Ｎｏ．８、Ｎｏ．９は、アシストガスに窒素、アルゴンを使用したものであり、表面分析によると、切断面の表面に酸素（Ｏ）が検出されず、鉄の酸化皮膜が形成されなかった。

ＳＥＭ拡大写真及びＥＢＳＤ分析結果によると、表１に示すように、試験材Ｎｏ．１～Ｎｏ．３の酸化皮膜は、その平均厚さが１．５μｍ以下であり、試験材Ｎｏ．４～Ｎｏ．７の酸化皮膜は、その平均厚さが１．５μｍを超えていた。アシストガスの酸素混合比が多いほど、レーザ切断面の上に形成される酸化皮膜は、その平均厚さが大きくなる傾向にあった。

また、試験材Ｎｏ．１～Ｎｏ．７の酸化皮膜は、いずれもその表層側にＦｅ_３Ｏ_４を含む外層があり、その下側にＦｅＯを含む内層であり、第２パターンの皮膜構造を有していた。

［耐食性評価試験の結果］
本発明の範囲に含まれる試験材Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、アシストガスとして酸素混合比が５~２０体積％の混合ガスを用いてレーザ切断を行ったので、耐食性に富むＦｅ_３Ｏ_４を含む平均厚さ１．５μｍ以下の酸化皮膜がレーザ切断面の上に密着して形成された。そのため、屋外暴露試験の開始から１０日まで切断面の防錆性が維持されており、切断後の初期段階における耐食性が良好であることを確認できた。

それに対し、試験材Ｎｏ．４～Ｎｏ．６の混合ガスによる比較例は、アシストガスとして酸素混合比が２０体積％を超える混合ガスを用いてレーザ切断を行ったので、切断面の上に形成された酸化皮膜が成長しすぎて、その平均厚さが１．５μｍを超えた。試験材Ｎｏ．７の酸素ガスによる比較例は、同様に酸化皮膜の平均厚さが１．５μｍを超えた。そのため、酸化皮膜と素地鋼板との間に隙間が生じて密着性が低下し、また、酸化皮膜の一部にクラックや剥離が発生した。その結果、屋外暴露試験の開始から５日まで切断面の防錆性を維持できず、切断後の初期段階における耐食性が不十分であった。

試験材Ｎｏ．８、試験材Ｎｏ．９は、酸素を含まないアシストガスを用いてレーザ切断を行った例である。いずれの切断面も、素地鋼板が露出した状態であるから、屋外暴露試験の開始から５日まで切断面の防錆性を維持できなかった。

（実施例２）
次に、切断速度による影響を調べた。アシストガスとして酸素混合比が２０体積％である窒素ガスを使用するとともに、切断速度を種々に選定したことを除いて、実施例１と同様の手順により、レーザ切断を行い、得られた試験材について切断面の表面分析及び耐食性の評価試験を行った。それらの結果を表２に示す。

［表面分析の結果］
表２に示すように、切断速度が２．５ｍ／ｍｉｎ、５．０ｍ／ｍｉｎ、７．５ｍ／ｍｉｎで行われた試験材Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３の酸化皮膜は、その平均厚さが１．５μｍ以下であった。他方、試験材Ｎｏ．１４の酸化皮膜は、その平均厚さが１．５μｍを超えており、切断速度が１０．０ｍ／ｍｉｎ以上に大きくなると、平均厚さの大きい酸化皮膜が形成された。

また、切断速度が２．５ｍ／ｍｉｎ、７．５ｍ／ｍｉｎで切断された試験材Ｎｏ．１１と試験材Ｎｏ．１３については、その表面に形成された酸化皮膜は、その表層側にＦｅ_３Ｏ_４を含む外層があり、外層の下側にＦｅＯを含む内層であり、第２パターンの皮膜構造を有していた。切断速度が５．０ｍ／ｍｉｎ、１０．０ｍ／ｍｉｎで切断された試験材Ｎｏ．１２については、その表面に形成された酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４とＦｅＯとが混合した組織であり、第１パターンの皮膜構造を有していた。また、試験材Ｎｏ．１４よりも試験材Ｎｏ．１２のほうが、ＦｅＯ層中のＦｅ_３Ｏ_４の割合が多い傾向にあった。

［耐食性評価試験の結果］
表２に示すように、本発明の範囲に含まれる試験材Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３は、アシストガスとして酸素混合比が２０体積％の混合ガスを用いるとともに、２～８ｍ／ｍｉｎの範囲の切断速度でレーザ切断を行ったので、耐食性に富むＦｅ_３Ｏ_４を含む平均厚さ１．５μｍ以下の酸化皮膜がレーザ切断面の上に密着して形成された。そのため、屋外暴露試験の開始から１０日～２５日まで切断面の防錆性が維持されており、切断後の初期段階における耐食性が良好であることを確認できた。

切断速度が２．５ｍ／ｍｉｎである試験材Ｎｏ．１１は、屋外暴露試験の開始から１５日までの防錆性を維持できた。切断速度が７．５ｍ／ｍｉｎである試験材Ｎｏ．１３は、実施例１の試験体Ｎｏ．３と同様にアシストガスの酸素混合比が２０体積％で切断したものであり、その屋外暴露試験の結果は、表２に示すように１０日であった。試験材Ｎｏ．１１は、試験材Ｎｏ．１３に比べて、切断後の初期段階における耐食性が向上した。これは、試験材Ｎｏ．１１の切断速度が遅く、冷却速度が緩やかになったため、最外層であるＦｅ_３Ｏ_４が厚く形成されたことにより、耐食性が向上したものと推測される。

切断速度が５．０ｍ／ｍｉｎである試験材Ｎｏ．１２は、屋外暴露試験の開始から２５日までの防錆性を維持できた。切断面の酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４とＦｅＯとの混合組織の形成により耐食性が向上したものと推測される。

それに対し、試験材Ｎｏ．１４の比較例は、屋外暴露試験の開始から５日までしか切断面の防錆性を維持できず、切断後の初期段階における耐食性が不十分であった。これは、切断速度が８ｍ／ｍｉｎを超えた条件で切断したものであり、切断面の上に形成された酸化皮膜の平均厚さが１．５μｍを超えたので、密着した酸化皮膜が形成されなかったことによると考えられる。

（実施例３）
板厚が３．２ｍｍのＺｎ系めっき鋼板を用いて、表３に示す切断条件によりレーザ切断を行い、得られた試験材について、切断面の表面分析と耐食性の評価試験を行った。

試験材Ｎｏ．２１は、本発明例に相当する。ガス圧１．５ＭＰａ、切断速度５ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力３．０ｋＷの条件でレーザ切断を行った。試験材Ｎｏ．２２は、従来技術の特許文献１の実施例に記載された切断条件を適用した比較例に相当する。ガス圧１．２ＭＰａ、切断速度１．８ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力１．５ｋＷの条件でレーザ切断を行った。アシストガスは、両方の試験材のいずれも、５体積％Ｏ_２を含む混合ガス（Ｎ_２＋５％Ｏ_２）を使用した。その他の切断条件は、実施例１と同様とした。切断面の表面分析結果と耐食性の評価試験結果を表３に示す。

試験材Ｎｏ．２１の酸化皮膜は、素地鋼板の上にＦｅ_３Ｏ_４相とＦｅＯとが混合した組織を含む第１パターンの皮膜構造を有していた。耐食性評価試験結果によると、赤錆の発生状況は、２５日まで良好であった。これは、酸化皮膜の平均厚さが１．５μｍ以下と薄く、耐食性及び密着性の良い酸化皮膜が形成されたためと推測される。この結果より、アシストガス組成が同じであっても、切断条件の違いにより、切断面の酸化皮膜の形成に差が生じて、切断面の耐食性に差が生じることを確認できた。

試験材Ｎｏ．２２の酸化皮膜は、素地鋼板の上にＦｅＯを含む内層が形成され、その上にＦｅ_３Ｏ_４を含む外層が形成された第２パターンの皮膜構造を有していた。耐食性評価試験結果によると、赤錆の発生状況は、１５日で不良であった。試験材Ｎｏ．２２は、試験材Ｎｏ．２１よりも、切断速度が遅くて入熱量の高い条件で切断したので、高温での酸化時間が長く、切断後の冷却速度が緩やかな条件にあった。酸化皮膜の平均厚さが大きくなり、素地鋼板との密着性が低下し、クラックや剥離が発生したため、耐食性が低下したと推測される。

上記の試験結果によれば、本発明によるレーザ切断面は、特許文献１の実施例で得られたレーザ切断面よりも耐食性に優れることを確認できた。

１ レーザ切断面
２ 素地鋼板
３ 酸化皮膜
４ 外層
５ 内層
６ Ｚｎ系めっき鋼板
７ 試験材
１１ 切断用ヘッド
１２ 切断用ノズル
１３ レーザ光
１４ 測定領域
１５ 試験用架台

Claims (9)

1. Ｚｎ系めっき鋼板の表面にレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光の照射部にアシストガスを噴射してレーザ切断するレーザ切断加工方法であって、
   前記アシストガスとして５～２０体積％の酸素を含む混合ガスを噴射し、平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有するレーザ切断面を形成する、レーザ切断加工方法。
2. 前記レーザ切断は、２．０～８．０ｍ／ｍｉｎの切断速度で行う、請求項１に記載の
   レーザ切断加工方法。
3. 前記酸化皮膜は、さらに、ＦｅＯを含む、請求項１または２に記載のレーザ切断加工方法。
4. 前記Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である、請求項１～３のいずれかに記載のレーザ切断加工方法。
5. レーザ切断面を備えたＺｎ系めっき鋼板の切断加工品であって、
   前記レーザ切断面は、平均厚さ１．５μｍ以下のＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化皮膜を有する、切断加工品。
6. 前記酸化皮膜は、前記平均厚さが０．７μｍ以上である、請求項５に記載の切断加工品。
7. 前記酸化皮膜は、さらに、ＦｅＯを含む、請求項５または６に記載の切断加工品。
8. 前記酸化皮膜は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む外層と、ＦｅＯを含む内層とを有する、請求項７に記載の切断加工品。
9. 前記Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である、請求項５～８のいずれかに記載の切断加工品。
   

Images