JPH09108872A

JPH09108872A - メッキ鋼板のパルスレーザ溶接方法

Info

Publication number: JPH09108872A
Application number: JP7291884A
Authority: JP
Inventors: Koichi Haruta; 浩一春田
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1995-10-14
Filing date: 1995-10-14
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【目的】メッキ鋼板の重ね溶接において、溶接欠陥や
外観不良、スパッタ飛散の発生を抑制し、充分な溶接強
度および良好な溶接ビードを実現できるメッキ鋼板のパ
ルスレーザ溶接方法を提供する。【構成】２枚以上のメッキ鋼板を重ねた状態でパルス
レーザを照射して重ね溶接を行うメッキ鋼板のパルスレ
ーザ溶接方法であって、パルスレーザの照射条件のう
ち、パルスデューティを２０％〜３０％の範囲に、パル
ス繰返し周波数を５０Ｈｚ以上にそれぞれ設定すること
によって、溶融池を連続保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルスレーザを用いて
メッキ鋼板の重ね溶接を行う溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】メッキ鋼板は、表面および裏面にＺｎ、
Ｓｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの材料でメッキする
ことによって、防錆効果を得ている。たとえばＺｎメッ
キ鋼板は、日本工業規格ＪＩＳＧ３３０２で規定され
ている。この規格によると、Ｚｎメッキ鋼板の板厚は、
熱延原板を用いた場合に１．６ｍｍ以上で６．０ｍｍ以
下であり、冷延原板を用いた場合に０．１１ｍｍ以上で
３．２ｍｍ以下であると規定されている。さらに防錆効
果を高めるために、メッキ鋼板の表面に油等を塗布した
り、合成樹脂でコーティングしているものもある。こう
したＺｎメッキ鋼板は、自動車、家電製品等の分野で広
範に使用されている。

【０００３】レーザを用いてＺｎメッキ鋼板の重ね溶接
を行う場合、２枚重ね、３枚重ね、または４枚以上の複
数枚重ねの場合がある。

【０００４】図６は３枚重ねのレーザ溶接の例を示す断
面図であり、図６（ａ）は単板の３枚重ねの例であり、
図６（ｂ）は鋼板２枚のうちの１枚を折り曲げて３枚重
ねにした例である。両面にＺｎメッキ３が形成された鋼
板２を２枚または３枚重ねた後、鋼板２の表面に対して
ほぼ垂直な方向から高出力のレーザビームを照射する
と、ビーム進行方向に沿って鋼板２が部分的に加熱され
て溶融する。ビーム照射を停止すると、溶融した部分同
士が接合して溶接される。こうしたレーザ溶接には、部
分溶込み溶接（セミペネトレーション）や貫通溶接（フ
ルペネトレーション）などがある。

【０００５】薄板の重ね溶接の目的は、主に高い接合強
度による剛性の確保であるが、一方、鋼板表面の外観仕
上がりも重要な品質項目であり、溶接による変形は極力
抑制する必要がある。

【０００６】また、レーザ溶接に使用するレーザとし
て、たとえばＣＷ（連続発振）型レーザと、パルス発振
型レーザ（パルスレーザ）などが代表的である。

【０００７】たとえばＣＷ型ＣＯ₂ レーザでは、メッキ
鋼板の溶接中にキーホールおよびレーザ誘起プラズマが
連続的に保持される。なお、キーホールとは、母材が溶
融しまたは蒸散して形成される空洞である。レーザ誘起
プラズマとは、溶接部近傍において気化した母材分子が
レーザ照射によってプラズマ化したものである。

【０００８】メッキ鋼板の場合、母材とともにＺｎ等の
メッキ金属も溶融し気化する。メッキ金属の融点は一般
に母材よりも低いため、同時に加熱するとメッキ金属の
方が先に溶融し気化する。レーザ照射によって発生した
Ｚｎ金属蒸気（その一部はプラズマ化）は、キーホール
内での対流に伴う周期的な排気機構によって外部に除去
されるが、同時に周期的な溶融金属の噴出を引き起こ
す。そのため、レーザビームを一定速度で移動しながら
溶接する場合には、ハンピングと称される周期的な凹み
状のビード不整をもたらす。こうしたビード不整は、板
厚、メッキ厚、板の間隔などが規格内で僅かに変動した
だけでも助長されることがある。

【０００９】このようにメッキ鋼板のレーザ溶接では、
メッキ金属を如何に外部に排出するかが重要となる。鋼
板同士を完全に密着させた隙間無し重ね溶接では、鋼板
の間に介在するメッキ金属が外部へ円滑に排出され難く
なるため、上述のハンピングや内部ブローホール等の溶
接不良が多くなる。こうしたメッキ金属対策は様々に検
討されており、鋼板同士の隙間を形成して隙間からメッ
キ金属やその上に塗布された樹脂の蒸気を逃がす手法や
擬似的な隙間を形成する手法（M.P.Graham et.al, Uni
v. Waterloo. CANADA, 「Nd.YAG Laser Welding of Coat
ed Sheet Steel」1993, ICALEO'93）などがある。

【００１０】また、ＣＷ型レーザでは、パルスレーザに
比べて投入電力が過多になってしまうため、歪みによる
変形が発生し易くなり、良好な表面外観が得られない。

【００１１】一方、パルスレーザとして、フラッシュラ
ンプ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザ、半導体レーザ励起のＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ、高出力半導体レーザなどが挙げら
れ、重ね連続溶接および重ね点溶接が可能である。

【００１２】パルスレーザの照射条件として、平均出力
Ｐav（単位Ｗ）、１パルスのエネルギーＥ（単位Ｊ）、
１パルスのピークパワーＰp （単位Ｗ）、１パルスのパ
ルス幅ｔ（単位ｓｅｃ）、パルス繰返し周波数ｆ（単位
Ｈｚ）などある。１パルスのピークパワーＰp は、パル
ス幅当りの平均ピークパワーのことである。

【００１３】ここで、平均出力Ｐavは、Ｐ＝Ｅ・ｆとい
う関係式が成立する。また、１パルスのエネルギーＥ
は、Ｅ＝Ｐp ・ｔという関係式が成立する。

【００１４】一般に、パルスレーザ溶接において、所定
の溶接速度に対する溶接体積および溶込み深さはパルス
エネルギーＥでほぼ決定される。また、パルスレーザ照
射によって表面が吹き飛ばされ易い金属の場合には、パ
ルスエネルギー密度（ピークパワー密度）を適宜選定す
ることによって良好な溶接ビードが得られる。

【００１５】こうしてＺｎメッキ鋼板の板厚や所定の溶
接速度に対する所望の溶込み深さを得るために必要なパ
ルスエネルギーおよびパルスエネルギー密度（ピークパ
ワー密度）は、従来からの知見によって容易に設定する
ことができる。

【００１６】次に、パルスレーザにおける溶融池連続溶
接について説明する。従来、１パルス毎に材料の溶融・
凝固を繰り返して溶接を行う低繰返しパルス溶接が知ら
れている。

【００１７】一方、パルス繰返しを高速にして、パルス
間で凝固が起こらないように溶接を行う高繰返しパルス
溶接も知られている。これは、溶接速度（熱源の移動速
度）に対して充分大きなパルス繰返し周波数ｆに設定す
ることによって実現でき、熱源近傍の金属が溶融した後
で凝固する前に次のパルスが照射されるため、熱源近傍
は常に溶融状態が保たれて、溶融池が連続的に維持され
る。こうした溶融池連続溶接では、溶接速度を上げよう
とすると、より大きな出力のパルスレーザが必要にな
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】こうしたパルスレーザ
溶接において、パルス発振によるレーザ照射によってキ
ーホールおよびレーザ誘起プラズマが断続的に発生しな
がら母材の溶接が進行する。そのため、レーザ照射によ
り発生したメッキ金属の蒸気（一部はプラズマ化してい
る）がこうした溶接プロセスに悪影響を与えないよう
に、１パルス照射毎にメッキ金属蒸気を除去することが
望ましい。

【００１９】しかしながら、従来のパルス照射ではメッ
キ金属蒸気を完全に除去することができず、溶融地内に
取り込まれて溶接欠陥をもたらす。こうした溶接欠陥の
典型例として、母材の溶接部分に空洞が形成されるブロ
ーホールや、メッキ金属蒸気の圧力によって溶融金属が
飛散する接合不良などがある。こうした溶接欠陥は、溶
接強度を著しく低下させるため、大きな問題となる。特
に、溶融金属が飛散すると、レーザ光学系を汚染した
り、鋼板に付着してスパッタ飛散等の外観不良を招く。
レーザ光学系が汚染すると、レーザ光の吸収によって光
学系が損傷するおそれがあるため、光学系のメンテナン
スを頻繁に行う必要がある。

【００２０】また、鋼板間に僅かな隙間がある場合に
は、メッキ金属蒸気の圧力によって溶融金属も一緒に隙
間に飛散してしまい、同様に接合不良やスパッタ飛散を
引き起こす。

【００２１】そこで、溶接すべきメッキ鋼板の間に０．
１ｍｍ程度の大きな隙間を人為的に形成し、その隙間空
間から主にメッキ金属の蒸気を逃がすことによって、上
記のような溶接欠陥の発生を防ぐことが行われている。
しかしその場合でも、一定間隔の空隙を全面に渡って維
持するのは難しく、空隙が狭い場所も発生してその箇所
では上記のような欠陥が発生し易くなり、溶接の歩留ま
りは良くない。

【００２２】本発明の目的は、メッキ鋼板の重ね溶接に
おいて、溶接欠陥や外観不良、スパッタ飛散の発生を抑
制し、充分な溶接強度および良好な溶接ビードを実現で
きるメッキ鋼板のパルスレーザ溶接方法を提供すること
である。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、２枚以上のメ
ッキ鋼板を重ねた状態でパルスレーザを照射して重ね溶
接を行うメッキ鋼板のパルスレーザ溶接方法であって、
パルスレーザの照射条件のうち、パルスデューティを２
０％〜３０％の範囲に、パルス繰返し周波数を５０Ｈｚ
以上にそれぞれ設定することによって、溶融池を連続保
持することを特徴とするメッキ鋼板のパルスレーザ溶接
方法である。また本発明は、パルスレーザの照射位置
に、ＣＷ型の高パワー密度熱源を用いて重畳的に加熱を
行うことを特徴とする。パルス繰返し周波数は高くても
構わず、装置として発振可能な周波数が実用的な上限と
なる。

【００２４】

【作用】本発明に従えば、メッキ鋼板の重ね溶接におい
てパルスレーザのパルスデューティを２０％〜３０％の
範囲に、パルス繰返し周波数を５０Ｈｚ以上にそれぞれ
設定することによって、溶融池を連続保持することが可
能になり、溶接欠陥や外観不良、スパッタ飛散の発生を
抑制し、充分な溶接強度および良好な溶接ビードを実現
できる。また、スパッタ飛散の抑制によって、レーザ光
学系の汚染も解消されるため、光学系メンテナンスの負
担を大幅に軽減できる。

【００２５】また本発明に従えば、パルスレーザの照射
位置にＣＷ型の高パワー密度熱源を用いて重畳的に加熱
を行うことによって、加熱量は時間的に変化しながらも
絶えず加熱が行われるため、溶融池の連続保持が容易に
なる。

【００２６】

【実施例】図１〜図３は、本発明に係るパルスレーザの
出力波形の各種例を示すグラフである。いずれも横軸は
時間で、縦軸はパルスレーザの出力パワーである。図１
では、矩形波のパルスが周期的に出力されており、この
ときのパルス周期をＴ、パルス繰返し周波数をｆ、パル
ス幅をｔ、パルスデューティｄとおくと、Ｔ＝１／ｆ、
ｄ＝ｔ／Ｔという関係式が成立する。

【００２７】図２では、台形状のパルスが周期的に出力
されており、パルス幅ｔは台形の底辺で定義される。ま
た、図３では、パルスレーザの出力に対してＣＷ型の高
パワー密度熱源を用いて重畳的に加熱を行う例を示し、
矩形波のパルスにＤＣレベルのオフセットが加算されて
いる。

【００２８】次に、パルスレーザ溶接の実施例および比
較例について説明する。共通の溶接条件は次のとおりで
ある。使用したレーザ装置は、パルスＹＡＧレーザで、
波長１．０６μｍのマルチモード発振である。平均溶接
出力は１３００Ｗで、１パルスエネルギーは６．５Ｊで
ある。

【００２９】レーザ光学系は、レーザ装置から光ファイ
バで導光し、溶接ヘッド部において光ファイバからのレ
ーザ光をレンズで集光する構成であり、光ファイバは直
径０．６ｍｍのＳＩ型（長さ２０ｍ）、レンズ開口数
（ＮＡ）は０．２（半角）、レンズ焦点距離は１２０ｍ
ｍ、焦点位置はジャストフォーカス、集光スポット径は
約１．１ｍｍである。溶接速度は２０００ｍｍ／分、溶
接長は１５０ｍｍ、アシストガスは窒素ガスで、アシス
トガス流量は２０リットル／分である。また、レーザビ
ームの角度は、溶接試料表面に対して垂直である。

【００３０】用いた被溶接材料は、Ｚｎメッキ鋼板（Ｊ
ＩＳＧ３３０２ＳＧＣＣＳＤＮ）で、メッキ量は
Ｆ０８（最小呼び目付け量両面６０／６０ｇ／ｍ
² ）、長さ２００ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．８０ｍｍ
である。２枚重ね溶接で、鋼板間の隙間は０ｍｍであ
る。

【００３１】上記の共通条件の下で、パルス繰返し周波
数ｆを５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚの３段階、パ
ルスデューティｄを１５％、２０％、２５％、３０％、
３５％の５段階にそれぞれ変化させて溶接を行った。評
価方法として、溶接部の断面を顕微鏡で観察し、ブロー
ホールや表面凹み等の溶接欠陥の有無を判定した。

【００３２】下記の（表１）に評価結果をまとめて示
す。表中「○」は溶接欠陥無し、「×」は溶接欠陥有り
を示す。

【００３３】

【表１】その結果、「○」のものは、ビード長さ２０ｍｍ当り４
００ｋｇｆを超える引張せん断荷重が得られ、断面観察
において溶接欠陥のほぼ皆無の溶接ビードが得られ、さ
らにビード外観も非常に良好であった。

【００３４】図４は、パルス繰返し周波数ｆ＝１００Ｈ
ｚ、パルスデューティｄ＝２５％のときの溶接部断面を
示す顕微鏡写真である。２枚の鋼板は中央の溶接部にお
いて完全に融合しており、極めて良好な溶接が行なわれ
ている。

【００３５】図５は、パルス繰返し周波数ｆ＝１００Ｈ
ｚ、パルスデューティｄ＝１５％のときの溶接部断面を
示す顕微鏡写真である。２枚の鋼板の接合部に三日月形
状のブローホールが発生しており、融合した部分も極め
て少ない。

【００３６】（比較例１）上述の共通条件において、パ
ルスデューティｄを１５％に設定して溶接を行った。そ
の結果、溶接ビード表面のアンダカットが増大し、ビー
ド外観不良が生じた。アンダカットが大きい部分では、
引張せん断荷重が大きく減少した。

【００３７】（比較例２）上述の共通条件において、パ
ルスデューティｄを３５％に設定して溶接を行った。そ
の結果、溶接ビード裏面での溶込みが減少した。溶込み
の少ない部分では、引張せん断荷重が大きく減少した。

【００３８】（比較例３）上述の共通条件において、パ
ルスデューティｄを２５％、パルス繰返し周波数ｆを４
９Ｈｚに設定して溶接を行った。その結果、溶融地が連
続保持されなくなり、ブローホールや表面ハンピング等
の溶接欠陥が発生した。また、パルスエネルギーが増大
し、溶接ビード全体の外観不良が生じた。これらの溶接
欠陥のために、引張せん断荷重が大きく減少した。

【００３９】このようにパルスレーザの照射条件のう
ち、パルスデューティを２０％〜３０％の範囲に、パル
ス繰返し周波数を５０Ｈｚ以上にそれぞれ設定すること
によって、溶融池を連続保持することができ、溶接欠陥
や外観不良、スパッタ飛散の発生を抑制し、充分な溶接
強度および良好な溶接ビードを実現できる。また、スパ
ッタ飛散の抑制によって、レーザ光学系の汚染も解消さ
れるため、光学系メンテナンスの負担を大幅に軽減でき
る。

【００４０】なお、パルス繰返し周波数の上限は特に制
限されず、たとえばフラッシュランプ励起のＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザであれば１０ｋＨｚ程度、半導体レーザ励起の
Ｎｄ：ＹＡＧレーザや高出力半導体レーザ直接使用の場
合には１ＧＨｚ程度であっても構わない。

【００４１】またレーザビームは、溶接試料表面に対し
て斜めに照射してもよい。本発明は、メッキ鋼板の上に
塗料や樹脂を塗布したものにも有効に適用できる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、メ
ッキ鋼板の重ね溶接においてパルスレーザのパルスデュ
ーティを２０％〜３０％の範囲に、パルス繰返し周波数
を５０Ｈｚ以上に設定することによって、溶融池を連続
保持することが可能になり、溶接欠陥や外観不良、スパ
ッタ飛散の発生を抑制し、充分な溶接強度および良好な
溶接ビードを実現できる。特に複数のメッキ鋼板を重ね
て溶接する際、従来は不可能であったすき間なし溶接が
良好な状態で可能となった。また、スパッタ飛散の抑制
によって、レーザ光学系の汚染も解消されるため、光学
系メンテナンスの負担を大幅に軽減できる。

【００４３】また、パルスレーザの照射位置にＣＷ型の
高パワー密度熱源を用いて重畳的に加熱を行うことによ
って、加熱量は時間的に変化しながらも絶えず加熱が行
われるため、溶融池の連続保持が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパルスレーザの出力波形の一例を
示すグラフである。

【図２】本発明に係るパルスレーザの出力波形の他の例
を示すグラフである。

【図３】本発明に係るパルスレーザの出力波形の他の例
を示すグラフである。

【図４】パルス繰返し周波数ｆ＝１００Ｈｚ、パルスデ
ューティｄ＝２５％のときの溶接部断面を示す顕微鏡写
真である。

【図５】パルス繰返し周波数ｆ＝１００Ｈｚ、パルスデ
ューティｄ＝１５％のときの溶接部断面を示す顕微鏡写
真である。

【図６】３枚重ねのレーザ溶接の例を示す断面図であ
り、図６（ａ）は単板の３枚重ねの例であり、図６
（ｂ）は鋼板２枚のうちの１枚を折り曲げて３枚重ねに
した例である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚以上のメッキ鋼板を重ねた状態でパ
ルスレーザを照射して重ね溶接を行うメッキ鋼板のパル
スレーザ溶接方法であって、パルスレーザの照射条件のうち、パルスデューティを２
０％〜３０％の範囲に、パルス繰返し周波数を５０Ｈｚ
以上にそれぞれ設定することによって、溶融池を連続保
持することを特徴とするメッキ鋼板のパルスレーザ溶接
方法。
【請求項２】パルスレーザの照射位置に、ＣＷ型の高
パワー密度熱源を用いて重畳的に加熱を行うことを特徴
とする請求項１記載のメッキ鋼板のパルスレーザ溶接方
法。