WO2022185989A1 - レーザーブレージング接合方法 - Google Patents

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WO2022185989A1
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joining
filler wire
laser beam
laser
range
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PCT/JP2022/007115
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公一 谷口
泰明 沖田
央海 澤西
広志 松田
元道 山本
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding

Definitions

  • the present invention relates to a laser brazing joining method for brazing a steel plate and an aluminum-based plate material by irradiating a laser beam.
  • the present invention relates to a laser brazing joining method for producing a flare joint or a lap joint by feeding a filler wire (brazing material) and melting the brazing material by irradiating it with a laser beam.
  • a laser beam capable of finely controlling the amount of heat input is used as a heat source for melting a brazing material.
  • the wet length between the melted wire and the work (base material) is a predetermined amount or more, and the wire supply amount is controlled so that the appearance part does not bulge, etc., to ensure joint strength.
  • a laser brazing method is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a laser brazing joining method in which an alloyed hot-dip galvanized steel sheet and an aluminum-based plate are overlapped and fillet-joined by a pair of front and rear laser beams arranged in the joining direction, prior to laser brazing. , the first laser beam is irradiated to the joint portion of the galvanized steel sheet to remove the coating layer, and immediately after that, the second laser beam is irradiated to the portion where the coating layer has been removed, and the brazing material supplied to the portion is melted.
  • a laser brazing method is disclosed in which necessary and sufficient bonding strength is obtained by doing so.
  • Patent Document 3 discloses a laser beam bonding method for steel plates and aluminum-based plate materials, in which a leading beam positioned on the front side of the processing point in the direction of travel and a trailing beam positioned on the rear side in the direction of travel are used, Preheating is performed by irradiating the preceding beam so that the amount of heat input per unit area to the aluminum-based material portion is greater than the amount of heat input per unit area of the steel plate, and then the following beam is irradiated to the brazing material.
  • a laser beam bonding method that suppresses appearance defects of a bonded portion by melting.
  • Non-Patent Document 1 an electrically heated flux cored wire (FCW) is placed at the head, and two high-power semiconductor laser irradiation devices are arranged behind it, and the irradiation area of the preceding laser beam is the wire tip. A rectangular spot is used for the purpose of stable melting and opening of the trailing laser beam.
  • a technique for joining steel/aluminum dissimilar metals is disclosed.
  • three types of steel sheets, a hot-dip galvanized (GI) steel sheet, an alloyed hot-dip galvanized (GA) steel sheet, and a cold-rolled steel sheet (CR) that does not have a coating layer, and an A5052Al alloy plate are combined with a laser output of 5 kW. states that welding can be performed without defects up to a construction speed of 9 m/min, and up to a construction speed of 6 m/min with a laser output of 4 kW.
  • the laser brazing method disclosed in Patent Document 1 uses only one laser beam for joining. Therefore, in order to form a brazing bead with an excellent appearance, it is necessary to melt the filler wire with a single laser beam and allow the melted wire to conform to the base material.
  • the wettability between the melted filler wire and the base material is greatly affected by the heating state of the base material, so it is necessary to strictly adjust the irradiation position and focal position of the laser beam, especially when performing high-speed bonding.
  • the laser brazing joining method disclosed in Patent Document 2 is a technique in which the galvanized layer of the steel sheet is removed with the preceding laser beam, and then the filler wire is melted with the following laser beam for brazing.
  • the method requires that the width of the plating layer removed by the preceding laser beam be greater than the width of the brazing.
  • the laser beam is defocused in order to irradiate a wide range, it becomes necessary to increase the energy of the irradiating laser beam, which makes high-speed bonding difficult.
  • Non-Patent Document 1 is capable of high-speed bonding, as shown in FIG. Since the feed angle ⁇ of the filler wire becomes smaller as a result, it is necessary to increase the energization heating temperature of the filler wire in order to efficiently feed the wire metal between the materials (butt portion). In addition, since the material and the wire are stacked and the laser beam is irradiated from above, part of the heat input by the laser is used to heat the wire, so a high-power laser is required to heat the wire to a sufficient temperature There is also the problem of the need for
  • the present invention was developed in view of the above-mentioned problems of the prior art.
  • the object of the present invention is to propose a laser brazing joining method capable of fabricating without causing defects.
  • Non-Patent Document 1 In order to solve the above problems, the inventors focused on the joining method of the flare joint disclosed in Non-Patent Document 1 and repeated studies. As a result, the above method is considered to have a limit in efficiently feeding the filler wire between the members of the flare joint (butt portion) when the feed angle ⁇ of the filler wire to the joint is small. , further investigated the means to solve this problem. As a result, unlike Non-Patent Document 1, the inventors came up with the idea of making the wire feed angle substantially perpendicular to the joining direction. As a result, the filler wire can be efficiently inserted into the butted portion, high-speed construction is possible, and restrictions on the laser beam irradiation position can be relaxed.
  • the inventors further studied the conditions under which the joint can be stably formed without causing joint defects even when the filler wire is supplied to the joint almost perpendicularly.
  • the filler wire is positioned at 0° ⁇ D ⁇ 19° toward the front side or the rear side of the joining direction with respect to the center line passing through the center of the groove of the flare joint and perpendicular to the joining direction. It has been found that it is effective to supply with a gradient in the range.
  • a simple lap joint was also examined, and as with the flare joint, the angle was inclined in the range of 0° ⁇ D ⁇ 19° to the front or rear side of the joining direction with respect to the line perpendicular to the lower plate surface of the lap joint.
  • the present inventors have found that it is effective to supply the material by allowing it to cool, and have completed the present invention.
  • the present invention is a method for joining a flare joint composed of a steel plate and an aluminum-based plate material, and plans to join by irradiating a preceding laser beam in front of the joining direction (joining point) of the steel plate and the aluminum-based plate material.
  • the filler wire is sent while being inclined in the range of 0° ⁇ D ⁇ 19° toward the front side or the rear side of the joining direction with respect to the center line passing through the center of the groove of the flare joint and perpendicular to the joining direction.
  • the present invention provides a method for joining a lap joint composed of a steel plate and an aluminum-based plate material, in which a planned joining position is determined by irradiating a preceding laser beam forward in the joining direction of the joining position (joining point) between the steel plate and the aluminum-based plate material.
  • the above Laser brazing joining characterized in that the filler wire is fed while being inclined in the range of 0° ⁇ D ⁇ 19° toward the front side or the rear side in the joining direction with respect to a line perpendicular to the lower plate surface of the lap joint. Suggest a method.
  • the following (2 )formula 0.5 ⁇ T ⁇ W ⁇ 3 ⁇ T (2) It is characterized by being a range that satisfies
  • the irradiation range of the preceding laser beam is rectangular, and the bonding direction length A of the irradiation range of the laser beam is set to the following in relation to the width W of the irradiation range: (3) formula; W ⁇ A ⁇ 10 ⁇ W (3) It is characterized by being a range that satisfies
  • the steel plate to which the laser brazing joining method of the present invention is applied is characterized by being a steel plate coated with flux.
  • the filler wire used in the laser brazing joining method of the present invention is characterized by being a flux cored wire.
  • the preceding laser beam used in the laser brazing joining method of the present invention is characterized by being a solid-state laser.
  • the laser brazing joining method of the present invention is characterized in that the steel sheet has a plating layer containing zinc as a main component, and the plating layer is melted by the preceding laser beam and then brazed.
  • the temperature T f (K) at which the filler wire is energized and heated is expressed by the following formula (4), where T m (K) is the melting point of the filler wire; 0.5 ⁇ T m ⁇ T f ⁇ T m (4) It is characterized by being a range that satisfies
  • the distance LB between the leading end of the filler wire and the trailing end of the irradiation range of the trailing laser beam is defined as d when the diameter of the filler wire is , the following formula (5); 0 ⁇ LB ⁇ 3 ⁇ d (5) It is characterized by being a range that satisfies
  • the laser beam is irradiated from two directions before and after the joining direction to the joining position.
  • the energized filler wire is supplied to the welding position.
  • the filler wire can be melted after it has been fed to the joining position, thus allowing high speed brazing.
  • the joint is formed by heating and melting the filler wire fed to the joint position by laser beam irradiation from the rear.
  • the filler wire is supplied at an appropriate angle, it is possible to supply the filler wire to the depths of the butt portion of the flare joint or lap joint, thereby stably forming a high-strength welded joint with excellent appearance. can be obtained.
  • the irradiation range of the preceding laser beam and the distance between the filler wires are set to appropriate ranges, the planned joining position ahead of the feed point of the filler wire is heated to a suitable temperature, and the surface of the base metal of the joint is heated. Since the wettability is enhanced and the brazing filler metal can be supplied deep into the gap between the butted portions, a joint between the brazing filler metal and the base metal can be formed without defects.
  • the width of the irradiation range of the preceding laser beam in the direction perpendicular to the joining direction is set to an appropriate range with respect to the sum of the plate thicknesses of the steel plate and the aluminum-based plate material, thereby ensuring good wettability. can be done.
  • the length of the irradiation range of the preceding laser beam in the joining direction is a rectangular shape longer than the width of the irradiation range, rapid heating by the preceding laser beam is suppressed, and flux from the base material coated with flux is suppressed.
  • the flux can be prevented from peeling off, and the wettability between the base material and the molten wire can be improved, and high-speed bonding can be achieved while obtaining a bead with an excellent appearance.
  • a flux-cored wire is used as the filler wire, high-speed joining is possible while obtaining a bead with excellent appearance without applying flux to the base material in advance.
  • a zinc-based plated steel sheet is used as the base material steel sheet, the plating layer is melted with a preceding laser beam, and then brazed, so that the base material is melted without applying flux. Since the wettability between the wires can be ensured, high-speed bonding becomes possible while obtaining a bead with excellent appearance.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the position of breakage when a flare joint is subjected to a tensile test; It is a figure explaining the laser brazing joining method of the nonpatent literature 1, (a) is a side view, (b) is a top view. It is a figure explaining the lap joint produced in the Example.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the position of breakage when a lap joint is subjected to a tensile test;
  • the present invention relates to a method for joining flare joints or lap joints composed of dissimilar steel plates and aluminum-based plates. Specifically, unlike the joining method of Non-Patent Document 1 (see FIG. 5) described above, as shown in FIG. After preheating the position to be joined by irradiating the beam, an aluminum-based filler wire that has been electrically heated is supplied to the above-mentioned joining position (joining point), and a trailing laser beam is irradiated to the rear of the filler wire to form the filler wire. It is a joining technology that melts and solidifies to perform brazing.
  • the filler wire is placed against a center line passing through the center of the groove of the flare joint and perpendicular to the joining direction,
  • the filler wire is fed while being inclined forward or rearward in the joining direction at an inclination angle D of 0° ⁇ D ⁇ 19° with respect to a line perpendicular to the lower plate surface of the lap joint.
  • the angle of inclination D of the filler wire with respect to a line which is the center line passing through the center of the groove of the flare joint and is perpendicular to the joining direction is the front side or the rear side of the joining direction.
  • FIG. 2 shows the cross section of the joint before joining.
  • X is the point where the butted base materials meet
  • Y is the bending end point of the base material on the side closer to X
  • Z is the point at the same distance as the distance XY between the opposing base materials.
  • the bisector of the angle formed by the line A passing through XY and the line B passing through XZ is defined as the center line CL passing through the center of the groove. If there is a gap between the butted base metals as in (d), X is the position where the two base metals are closest to each other, and the distance is obtained in the same manner.
  • the filler wire is positioned at 0° ⁇ D in the joining direction forward or backward with respect to a line (line V shown in FIG. 1) perpendicular to the lower plate surface of the lap joint.
  • a line line V shown in FIG. 1
  • the preferred angle of inclination D is in the range 0-15°, similar to flare joints.
  • the leading laser beam The distance L between the trailing end of the irradiation range and the trailing end of the filler wire (see FIG. 1(b)), including the case where the preceding laser beam directly irradiates the filler wire, is defined as follows (1) formula; 0 ⁇ L ⁇ 4 ⁇ d (1) It is preferable to set it as the range defined by.
  • d in the above formula (1) is the diameter of the filler wire.
  • the planned bonding position ahead of the feed point of the filler wire can be heated to a suitable temperature to increase the wettability of the base metal surface of the joint, so that stable welding can be obtained.
  • the irradiation range of the preceding laser beam and the filler wire supply position may be overlapped, as described above, by heating the planned joining position at a distance slightly forward, the heating effect due to heat conduction can be further enhanced. Loss of irradiation energy of the laser beam can be reduced. On the other hand, if the separation distance L is too large, the above heating effect cannot be obtained. More preferable L is in the range of 0.1 ⁇ d to 2 ⁇ d.
  • the following (2 )formula 0.5 ⁇ T ⁇ W ⁇ 3 ⁇ T (2) It is preferable to be within the range defined by.
  • W in the above formula (2) indicates the heating width of the joint required to ensure the wettability of the brazing metal (brazing material). If it is too large, there is a risk of adverse effects such as heat loss due to energy dispersion and thermal deformation.
  • a more preferable irradiation width W is in the range of 0.7 ⁇ T to 2 ⁇ T. More preferably, it is in the range of 1 ⁇ T to 2 ⁇ T.
  • the irradiation range of the preceding laser beam is rectangular and the length of the irradiation range of the laser beam in the bonding direction is A
  • the above A is the following formula (3) in relation to the width W of the irradiation range; W ⁇ A ⁇ 10 ⁇ W (3) It is preferable that the range satisfies
  • the reason for limiting the bonding direction length A of the irradiation range of the preceding laser beam to the above range is that when the above A is smaller than the width W of the irradiation range, high-speed bonding, especially high-speed bonding of 2 m/min or more, is performed, and the laser beam In the short-time heating of irradiation, the heating in the plate thickness direction of the base metal is insufficient, and the temperature rise of the base metal is insufficient due to the heat removal by the supplied wire, leading to deterioration of the bead appearance and deterioration of joint strength. This is because there is a fear.
  • A is more preferably in the range of W to 5 ⁇ W, more preferably in the range of W to 4 ⁇ W.
  • the filler wire used in the present invention must be heated by electric heating before it is supplied to the joint.
  • T m (K) the melting point of T m (K)
  • the following formula (4) 0.5 ⁇ T m ⁇ T f ⁇ T m (4) It is preferable that the range satisfies
  • T f of the filler wire is lower than 0.5 ⁇ T m , the filler wire tends to be poorly melted. It is from.
  • T f is in the range of 0.6 ⁇ T m to T m .
  • the distance L B (see FIG. 1(b)) between the leading end of the filler wire and the trailing end of the irradiation range of the trailing laser beam is
  • the diameter of the wire is d
  • the bead shape becomes unstable. It is from.
  • "less than 0" means that the trailing side end of the irradiation range of the trailing laser beam is located on the joining direction side with respect to the leading side end of the filler wire.
  • a more preferable L B is in the range of 0.1 ⁇ d to 2 ⁇ d.
  • the steel plates forming the flare joint or lap joint to which the joining method of the present invention is applied should be joined after applying flux to the vicinity of the joint before brazing, from the viewpoint of further increasing the wettability with the brazing metal. is preferred.
  • FCW flux cored wire
  • the combination of flux and steel plate or filler wire may be appropriately selected from the viewpoint of ensuring wettability.
  • a solid wire coated with flux may be used.
  • the preceding laser beam used in the present invention is preferably a solid-state laser so that the shape of the heating region can be freely controlled.
  • the profile control function of the solid-state laser it is possible to efficiently heat the side surfaces of flare joints or lap joints having different depths (depths of the openings of the butt portions).
  • solid-state lasers include fiber lasers that use optical fibers as amplification media and semiconductor lasers that use semiconductors as media. I don't mind.
  • the trailing laser beam is also preferably a solid-state laser from the viewpoint of controlling the shape of the heating region. The reason is that the bead shape can be controlled by using the profile control function of the solid-state laser.
  • Flare joints or lap joints manufactured by satisfying the above conditions are such that the supplied filler wire is fed deep into the butt part of the base material, and wetting of the molten filler metal and the base material (steel plate, aluminum-based plate material) is prevented. Since it has good properties, it has high strength and excellent appearance.
  • Flare joints composed of various steel plates having different thicknesses, strengths, and types of zinc-based plating layers shown in Table 1 and Al alloys were prepared by the joining method of the present invention shown in FIG.
  • a filler wire precedes and is followed by two laser beams for laser brazing joining As the Al alloy, A5052 (Al—Mg alloy) having a plate thickness of 1.2 mm was used.
  • a flux cored wire (FCW) for Fe—Al laser brazing with a diameter of 1.2 mm was used as a filler wire serving as a brazing material.
  • a test piece material with a short side of 150 mm and a long side of 400 mm is cut out from the above material, and bent at 90° along the long side at a position of 20 mm from one end of the long side to form an L shape.
  • the short sides of the L-shape are butted against each other so that the plate thickness center lines of the long sides of the L-shape are aligned with each other as shown in FIG. A 300 mm joint was formed.
  • the angle of inclination D of the filler wire (the angle with respect to the line V which is the center line passing through the center of the groove of the flare joint and is perpendicular to the joining direction) is 0°, 10°, 15°, and 18° in the method of the present invention. , 19° and 20°, and one level at 45° for the prior art method.
  • a semiconductor laser was used for both the leading laser beam and the trailing laser beam, and the output power of the leading and trailing laser beams was appropriately set within the range of 2 to 6 kW.
  • the irradiation range of the preceding laser beam was a rectangle elongated in the joining direction, and the length A in the joining direction was 3.2 times (constant) the width W in the direction perpendicular to the joining direction.
  • the trailing laser beam was circular with an irradiation range of ⁇ 3 mm under all conditions, and was irradiated so as to heat the area immediately after the wire feeding position.
  • Ar gas was supplied to the wire supply section at 20 L/min and to the trailing laser beam irradiation section at 40 L/min.
  • the filler wire was energized and heated at a current value of 275 A (fixed) to a temperature of 0.5 T m to T m with respect to the melting point T m (K), and the feeding speed was 17.5 m / min. .
  • Table 2 summarizes other joining conditions.
  • ⁇ Appearance evaluation> Visually inspect the range of 200 mm in the central part of the 300 mm long joint, and a smooth bead is formed without any joint defects. ⁇ indicates that there is no bonding defect, but ⁇ indicates that unevenness such as waviness is observed at 20% or more and less than 50% of the bead length. Those confirmed at 50% or more of the length were evaluated as x.
  • ⁇ Joint strength> As shown in FIG. 3, a T-shaped tensile test piece with a width of 50 mm was cut out from the flare joint obtained as described above from the central portion in the length direction of the joint.
  • breaking strength per unit length of the joint was 120% or more with respect to the yield strength per unit length in the joining direction of the steel plate, and 100% or more and 120%. Less than 0, 80% or more and less than 100% were evaluated as ⁇ , and less than 80% were evaluated as x. ⁇ Break point> The fracture surface after the tensile test was observed, and as shown in FIG.
  • the peeled surface consists of the Al alloy side B, the steel plate side B', the fractured surface of the brazed metal and the peeled surface between the brazed metal and the base material, and the fractured surface is the Al alloy side was classified as C, and the steel plate side as C'. Even if the peeled surface between the brazed metal and the base metal is along the outer surface of the base metal, if an alloy phase between the brazed metal and the base metal is confirmed on the peeled surface, the brazed metal will not break. judged to be a cross section.
  • FCW was used as a filler wire, but it was confirmed in a separate experiment that even when a solid wire was used, the same results as above were obtained with a steel plate whose surface was coated with flux.
  • the side edges were lapped 10 mm and laser brazed to form a 300 mm long joint.
  • the angle of inclination D of the filler wire (the angle with respect to the line V perpendicular to the lower plate surface of the lap joint) is set to six levels of 0°, 10°, 15°, 18, 19 and 20° in the method of the present invention. In the prior art method, one level of 45° was used.
  • lasers used for laser brazing bonding semiconductor lasers were used for both the leading laser beam and the trailing laser beam, and the outputs of the leading and trailing lasers were appropriately set within the range of 2 to 6 kW.
  • the irradiation range of the preceding laser beam was a rectangle elongated in the joining direction, and the length A in the joining direction was 3.2 times (constant) the width W in the direction perpendicular to the joining direction.
  • the trailing laser beam was circular with an irradiation range of ⁇ 3 mm under all conditions, and was irradiated so as to heat the area immediately after the wire feeding position.
  • Ar gas was supplied to the wire supply section at 20 L/min and to the trailing laser beam irradiation section at 40 L/min.
  • the filler wire was energized and heated at a current value of 275 A (fixed) to a temperature of 0.5 T m to T m with respect to the melting point T m (K), and the feeding speed was 17.5 m / min. .
  • Table 3 summarizes other joining conditions.
  • the breaking strength was measured and divided by the length of the joint (50 mm) to obtain the breaking strength per unit length of the joint.
  • the breaking strength per unit length of the joint was 120% or more with respect to the yield strength per unit length in the joining direction of the steel plate, and 100% or more and 120%. Less than 0, 80% or more and less than 100% were evaluated as ⁇ , and less than 80% were evaluated as x.
  • ⁇ Break point> Observing the fracture surface after the tensile test, as shown in FIG. , which consists of the peeled surface between the brazed metal and the base material, and the peeled surface is classified as C on the Al alloy side and C' on the steel plate side.
  • the brazed metal Even if the peeled surface between the brazed metal and the base metal is along the outer surface of the base metal, if an alloy phase between the brazed metal and the base metal is confirmed on the peeled surface, the brazed metal will not break. judged to be a cross section.
  • FCW was used as a filler wire, but it was confirmed in a separate experiment that even when a solid wire was used, the same results as above were obtained with a steel plate whose surface was coated with flux.
  • the technique of the present invention is not limited to brazing different materials such as an Al alloy plate and a steel plate. It can also be widely applied to the technical field of layered manufacturing that involves adhesion and deposition. Specifically, there are technologies such as a technology that locally adheres molten metal to a member to increase the thickness of the member to increase the rigidity of the member, and a 3D printer that sequentially deposits molten metal to create a three-dimensional object. Application to technology is conceivable.
  • Flare joint 2 Leading laser beam 2': Leading laser beam irradiation range 3: Trailing laser beam 3': Trailing laser beam irradiation range
  • CL Center line passing through the groove center
  • V Groove center of the flare joint A line that is the center line passing through and perpendicular to the joining direction, or a line perpendicular to the lower plate surface of the lap joint
  • D Angle of inclination of the filler wire ⁇ : Feeding angle of the filler wire A: Joining direction of the preceding laser beam irradiation range Length W: width of the preceding laser beam irradiation range L: distance between the trailing end of the preceding laser beam irradiation range and the trailing end of the filler wire LB : the trailing end of the trailing laser beam irradiation range and the filler Distance from leading end of wire d: Diameter of filler wire St: Steel plate Al: Al alloy plate Br: Brazing part

Abstract

鋼板とアルミニウム系板材から構成されるフレア継手または重ね継手をろう付けして作製する方法において、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱し、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融してろう付けするに際して、上記フィラーワイヤを、フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線に対して、または、重ね継手の下板面に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて送給することで、ビード外観不良がなく、十分な継手強度を有する鋼板とアルミニウム系板材とからなるフレア継手または重ね継手を作製する。

Description

レーザーブレージング接合方法
　本発明は、鋼板とアルミニウム系の板材とを、レーザービームを照射してろう付けするレーザーブレージング接合方法に関し、具体的には、鋼板とアルミニウム系板材との会合部に、通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤ（ろう材）を送給し、該ろう材にレーザービームを照射して溶融することでフレア継手または重ね継手を作製するレーザーブレージング接合方法に関するものである。
　近年、自動車車体の軽量化を目的として、車体パネルの一部にアルミニウム系材料の適用が進められている。アルミニウム系材料を部分的に用いる場合には、必然的に他の部材、例えば鋼板製の部材との接合が必要となる。しかし、鋼とアルミニウム系材料を溶融接合する場合、鉄－アルミニウム系の脆い金属間化合物が生成されて接合強度が低下するなどの問題が起こる。そこで、鋼とアルミニウム系材料との間に溶加材（ろう材）を供給し、該ろう材にレーザービームを照射し、加熱溶融してろう付（ブレージング）するいわゆるレーザーブレージング接合方法が提案されている。
　例えば、特許文献１には、ろう材を溶融する熱源として、入熱量を細かく制御することが可能なレーザービーム用い、該レーザービームを加工点（接合点）に照射し、該加工点にフィラーワイヤを供給する際、溶融したワイヤとワーク（母材）とのぬれ長さが所定量以上となり、かつ、外観部分に盛り上がりなどが発生しないようにワイヤ供給量を制御することによって継手強度を確保するレーザーブレージング方法が開示されている。
　また、特許文献２には、合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材とを、接合方向に配置した先後１対のレーザービームで重ね隅肉接合するレーザーブレージング接合方法において、レーザーブレージングに先行して、先のレーザービームを亜鉛めっき鋼板の接合部位に照射してめっき層を除去し、その直後に後のレーザービームを上記めっき層を除去した部分に照射し、該部分に供給したろう材を溶融することで、必要十分な接合強度を得るレーザーブレージング法が開示されている。
　また、特許文献３には、鋼板とアルミニウム系板材とのレーザービーム接合方法において、加工点の進行方向の前側に位置する先行ビームと、進行方向の後ろ側に位置する後行ビームとを用い、上記先行ビームをアルミニウム系材料部分への単位面積当たりの入熱量が鋼板の単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように照射して予熱を行い、その後、後行ビームをろう材に照射して溶融することで、接合部の外観不良を抑制するレーザービーム接合方法が開示されている。
　また、非特許文献１には、通電加熱したフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を先頭にし、その後方に二つの高出力半導体レーザ照射装置を配置し、そのうちの先行レーザービームの照射領域はワイヤ先端部の安定した溶融・開口を目的として矩形スポットとし、後行レーザービームの照射領域は溶融池の安定形成およびワイヤの安定溶融を目的として丸形スポットとし、両スポットを図５に示したように組み合わせて照射する鋼／アルミニウム異材接合技術が開示されている。因みに、この方法では、溶融亜鉛めっき（ＧＩ）鋼板、合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡ）鋼板およびめっき層を有しない冷延鋼板（ＣＲ）の３種類の鋼板とＡ５０５２Ａｌ合金板とを、レーザ出力５ｋＷでは施工速度９ｍ／ｍｉｎまで、レーザ出力４ｋＷでは施工速度６ｍ／ｍｉｎまで、欠陥の発生なく接合ができるとしている。
特開２００３－２２５７８４号公報 特開２００７－０７５８７２号公報 特開２０１３－１４６７３７号公報
高野、山本、篠崎、沖田、澤西、松田、「ホットワイヤ・レーザブレージング法による鋼／アルミニウム合金異材フレア継手の高速施工の検討－ホットワイヤ・レーザブレージング法を用いた鋼／アルミニウム合金異材接合技術の開発（第６報）－」、溶接学会全国大会概要集、第１０７集（２０２０－９）、Ｇ－１－４
　しかしながら、上記特許文献１に開示のレーザーブレージング方法は、接合に用いるレーザービームは１本のみである。そのため、外観に優れたろう付けビードを形成するには、１本のレーザービームでフィラーワイヤを溶融し、さらに、溶融したワイヤを母材に馴染ませることが必要とある。しかし、溶融したフィラーワイヤと母材との濡れ性は、母材の加熱状態に大きく影響されるため、レーザービームの照射位置や焦点位置を厳格に調整する必要があり、特に高速接合を行う場合には、良好な継手外観と必要な継手強度とを両立させるのは難しいという問題がある。
　また、上記特許文献２に開示のレーザーブレージング接合方法は、先行レーザービームで鋼板の亜鉛めっき層を除去した後、後行レーザービームでフィラーワイヤを溶融させてろう付けを行う技術であるが、この方法では、先行のレーザービームでめっき層を除去する幅をろう付けする幅よりも広くする必要がある。しかし、広範囲を照射するためにレーザービームをデフォーカスすると、照射するレーザービームのエネルギを高めることが必要となり、高速接合が難しくなるという問題がある。
　また、特許文献３に開示のレーザーブレージング接合方法は、ビードの外観不良を抑制できるものの、フィラーワイヤの溶融を後行のレーザービームのみで行うため、溶融したフィラーワイヤと母材の濡れ性が不十分で、かつ、フィラーワイヤを突合せ部の深い位置まで供給できないようなときには、必要な濡れ長さを十分に確保できず、高い継手強度が得られない虞があるという問題がある。
　また、非特許文献１に開示のレーザーブレージング接合方法は、高速接合が可能ではあるものの、図５に示したように、レーザービームを上部から照射する構成上、フィラーワイヤの送給方向が制限されてフィラーワイヤの送給角度θが小さくなるため、ワイヤ金属を効率的に材料間（突合せ部）に投入するには、フィラーワイヤの通電加熱温度を高める必要がある。加えて、材料とワイヤを重ね、その上からレーザービームを照射する構成上、レーザによる入熱の一部はワイヤの加熱に充てられるため、ワイヤを十分な温度に加熱するには高出力のレーザが必要となるという問題もある。
　本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みて開発されたものであり、その目的は、鋼板とアルミニウム系板材とから構成される接合強度に優れたフレア継手または重ね継手を、ビード外観不良を引き起こすことなく作製することができるレーザーブレージング接合方法を提案することにある。
　発明者らは、上記課題を解決するべく、上述した非特許文献１に開示されたフレア継手の接合方法に着目して検討を重ねた。その結果、上記方法は、接合部へのフィラーワイヤの送給角度θが小さい場合には、フィラーワイヤをフレア継手の部材間（突合せ部）に効率的に送給するには限界があると考え、この問題を解消する手段についてさらに検討を重ねた。その結果、ワイヤの送給角度を、非特許文献１とは異なり、接合方向に対してほぼ垂直とすることを想到するに至った。これにより、フィラーワイヤを突合せ部に効率的に挿入でき、高速施工が可能となるとともに、レーザービーム照射位置の制限緩和も期待される。しかし、その一方で、フィラーワイヤの送給角度を大きくし、接合方向にほぼ垂直とした場合には、溶融金属が球状化して、ビードの外観が損なわれ、場合によっては接合欠陥となる虞があることが明らかとなった。
　そこで、発明者らは、フィラーワイヤを接合部にほぼ垂直に供給する場合であっても、接合欠陥を引き起こすことなく接合部を安定して形成することができる条件についてさらに検討を重ねた。その結果、上記フィラーワイヤを、フレア継手においてはフレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて供給することが有効であることを見出した。さらに、単純な重ね継手についても検討を行い、フレア継手と同様、重ね継手の下板面に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて供給することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
　上記知見に基づく本発明は、鋼板とアルミニウム系板材から構成されるフレア継手の接合方法において、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱し、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融してろう付けする際、上記フィラーワイヤを、フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて送給することを特徴とするレーザーブレージング接合方法を提案する。
　また、本発明は、鋼板とアルミニウム系板材から構成される重ね継手の接合方法において、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱し、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融してろう付けする際、上記フィラーワイヤを、重ね継手の下板面に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて送給することを特徴とするレーザーブレージング接合方法を提案する。
　本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記先行レーザービームの照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの後行側端との間の距離Ｌを、フィラーワイヤの径をｄとしたとき、下記（１）式；
　０≦Ｌ≦４×ｄ　・・・（１）
を満たす範囲とすることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記先行レーザービームの照射範囲の接合方向に直角な方向の幅Ｗを、鋼板とアルミニウム系板材の板厚の和をＴとしたとき、下記（２）式；
　０．５×Ｔ≦Ｗ≦３×Ｔ　・・・（２）
を満たす範囲とすることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記先行レーザービームの照射範囲を矩形とし、かつ、レーザービームの照射範囲の接合方向長さＡを、上記照射範囲の幅Ｗとの関係において、下記（３）式；
　Ｗ≦Ａ≦１０×Ｗ　・・・（３）
を満たす範囲とすることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法を適用する上記鋼板は、フラックスが塗布された鋼板であることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法に用いる上記フィラーワイヤは、フラックスコアードワイヤであることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法に用いる上記先行レーザービームは、固体レーザであることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記鋼板が亜鉛を主成分とするめっき層を有し、上記めっき層を上記先行レーザービームで溶融した状態でろう付けを行うことを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記フィラーワイヤを通電加熱する温度Ｔｆ（Ｋ）は、フィラーワイヤの融点をＴｍ（Ｋ）としたとき、下記（４）式；
　０．５×Ｔｍ≦Ｔｆ≦Ｔｍ　・・・（４）
を満たす範囲とすることを特徴とする。
　また、本発明の上記レーザーブレージング接合方法は、上記フィラーワイヤの先行側端と後行レーザービームの照射範囲の後行側端との間の距離ＬＢを、フィラーワイヤの径をｄとしたとき、下記（５）式；
　　０≦ＬＢ≦３×ｄ　・・・（５）
を満たす範囲とすることを特徴とする。
　本発明によれば、鋼板とアルミニウム系の板材とのフレア継手または重ね継手をレーザービームでろう付けして作製する際、レーザービームを接合位置に対して接合方向前後の２方向から照射し、先行のレーザービームで接合予定位置を必要幅で予熱してから上記接合位置に通電加熱したフィラーワイヤを供給するようにしたので、後行のレーザービームを送給中のフィラーワイヤに直接照射せずに接合位置に供給された後のフィラーワイヤを溶融することができ、ひいては高速でのろう付けが可能となる。このように、本発明では後方からのレーザービーム照射により接合位置に送給されたフィラーワイヤを加熱、溶融することで接合部を形成する。また、本発明は、フィラーワイヤの供給角度を適正化したので、フレア継手または重ね継手の突合せ部の奥までフィラーワイヤを供給することが可能となり、外観に優れた高強度の接合継手を安定して得ることができる。また、本発明は、先行するレーザービームの照射範囲とフィラーワイヤ間の距離を適正範囲としたので、フィラーワイヤの供給点よりも前方の接合予定位置を好適温度に加熱し、継手母材表面の濡れ性を高め、突合せ部の間隙の奥深くまでろう材を供給できるので、欠陥のないろう材と母材金属との接合部を形成することができる。また、本発明は、先行レーザービームの照射範囲の接合方向に直角な方向の幅を、鋼板とアルミニウム系板材の板厚の和に対して適正範囲としたので、良好な濡れ性を確保することができる。また、本発明は、先行レーザービームの照射範囲の接合方向長さを照射範囲の幅よりも長い矩形形状としたので、先行レーザービームによる急加熱を抑制してフラックスが塗布された母材からのフラックスの剥離を防止し、母材と溶融ワイヤとの間の濡れ性を高めることができ、ひいては、外観に優れたビードを得つつ、高速接合が可能となる。また、本発明は、フィラーワイヤにフラックスコアードワイヤを用いる場合には、事前に母材にフラックスを塗布することなく、外観に優れたビードを得つつ、高速接合が可能となる。また、本発明は、母材鋼板に亜鉛系のめっき鋼板を用いる場合には、先行のレーザービームでめっき層を溶融状態とし、その後、ブレージングすることで、フラックスを塗布することなく母材と溶融ワイヤ間の濡れ性を確保することができるので、外観に優れたビードを得つつ、高速接合が可能となる。
本発明のレーザーブレージング接合方法を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 フレア継手の開先中心線を説明する図である。 実施例で作製したフレア継手を説明する図である。 フレア継手を引張試験したときの破断発生位置を説明する図である。 非特許文献１のレーザーブレージング接合方法を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 実施例で作製した重ね継手を説明する図である。 重ね継手を引張試験したときの破断発生位置を説明する図である。
　本発明は、異材同士の鋼板とアルミニウム系板材とから構成されるフレア継手または重ね継手の接合方法に関する技術である。具体的には、前述した非特許文献１の接合方法（図５参照）とは異なり、図１に示したように、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱した後、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融・凝固させてろう付けを行う接合技術である。
　そして、本発明の上記接合方法において最も重要なことは、フレア継手の場合は、上記フィラーワイヤを、フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線に対して、また、重ね継手の場合は、上記フィラーワイヤを、重ね継手の下板面に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の傾斜角度Ｄで傾斜させて送給するということである。
　フレア継手の場合、フィラーワイヤを、フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線（図１中に示した線Ｖ）に対する傾斜角度Ｄを、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲として送給することで、フィラーワイヤを効率的に突き合せ部に挿入でき、かつ、後行のレーザービームをフィラーワイヤに直接照射せずにフィラーワイヤを溶融することができるので、高速でのろう付けが可能となり、ひいては、美観に優れ、破断強度が高いフレア継手を安定して得ることができる。なお、好ましい傾斜角度Ｄは、０～１５°の範囲である。
　ここで、上記フレア継手の開先中央を通る中心線ＣＬは、以下のようにして求める。
　図２は、接合前の継手の断面を示したものであり、（ａ）は、突き合せた両母材間に目違いがない（基準面に食い違いがない）場合、（ｂ）および（ｃ）は、突き合せた母材間で段差を設けて突き合わせた場合のフレア継手である。いずれの場合も、突き合せた母材が会合する点をＸ、Ｘから見て近い側の母材の曲げ加工終了点をＹ、対向する母材の距離Ｘ－Ｙと同じ距離の点をＺとしたとき、ＸＹを通る線ＡとＸＺを通る線Ｂとがなす角の２等分線を、開先中央を通る中心線ＣＬとする。なお、（ｄ）のように、突き合せた両母材間に隙間がある場合は、両母材が最も近接する位置をＸとし、同様にして求める。
　また、重ね継手の場合も同様に、フィラーワイヤを、重ね継手の下板面に垂直な線（図１中に示した線Ｖ）に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲の傾斜角度Ｄで傾斜させて送給することで、高速でのろう付けが可能となり、ひいては、美観に優れ、破断強度の高い重ね継手を得ることができる。好ましい傾斜角度Ｄは、フレア継手と同様、０～１５°の範囲である。
　また、本発明のレーザーブレージング接合方法は、上記のように先行・後行レーザービームの照射位置および送給するフィラーワイヤの傾斜角度Ｄを適正範囲に制限することに加えて、先行するレーザービームの照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの後行側端間との距離Ｌ（図１（ｂ）を参照）を、先行レーザービームがフィラーワイヤを直接照射する場合を含めて、下記（１）式；
　０≦Ｌ≦４×ｄ　・・・（１）
で規定される範囲とすることが好ましい。ここで、上記（１）式中のｄはフィラーワイヤの径である。
　先行するレーザービームの照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの後行側端間の距離Ｌを上記（１）式の範囲に制限することで、フィラーワイヤの供給点よりも前方の接合予定位置を好適温度に加熱し、継手母材表面の濡れ性を高めることができるので、安定した溶着が得られる。なお、先行レーザービームの照射範囲とフィラーワイヤ供給位置とを重ねてもよいが、上記のように、やや前方に離して接合予定位置を加熱することで、熱伝導による加熱効果をより高めて、レーザービームの照射エネルギの損失を少なくすることができる。一方、離間距離Ｌを大きくし過ぎると、逆に上記の加熱効果が得られなくなる。より好ましいＬは０．１×ｄ～２×ｄの範囲である。
　また、本発明のレーザーブレージング接合方法は、上記した先行レーザービームの照射範囲の接合方向に直角な方向の幅Ｗを、鋼板とアルミニウム系板材の板厚の和をＴとしたとき、下記（２）式；
　０．５×Ｔ≦Ｗ≦３×Ｔ　・・・（２）
で規定される範囲内とすることが好ましい。
　上記（２）式の中のＷは、ろう付け金属（ろう材）の濡れ性を確保する上で必要な接合部の加熱幅を示しており、狭すぎると濡れ性が不足し、逆に広すぎるとエネルギ分散による熱損失や、熱変形等の悪影響を引き起こす虞がある。より好ましい照射幅Ｗは０．７×Ｔ～２×Ｔの範囲である。さらに好ましくは１×Ｔ～２×Ｔの範囲である。
　また、本発明のレーザーブレージング接合方法は、上記条件を満たすことに加えてさらに、上記先行レーザービームの照射範囲を矩形とし、かつ、レーザービームの照射範囲の接合方向長さをＡとしたとき、上記Ａは、照射範囲の幅Ｗとの関係において、下記（３）式；
　Ｗ≦Ａ≦１０×Ｗ　・・・（３）
を満たす範囲とするのが好ましい。
　先行レーザービームの照射範囲の接合方向長さＡを上記範囲に限定する理由は、上記Ａが照射範囲の幅Ｗより小さくなると、高速接合、特に２ｍ／ｍｉｎ以上の高速接合を行う場合、レーザービームの照射という短時間の加熱では、母材の板厚方向の加熱が不足し、供給されたワイヤによる抜熱によって母材の温度上昇が不十分となり、ビード外観の劣化や継手強度の低下につながる虞があるためである。一方、ＡがＷの１０倍を超えると、加熱範囲が広くなり過ぎて、母材金属の軟化や接合部以外の部分のめっき蒸発を招くほか、高出力のレーザが必要となる。より好ましいＡはＷ～５×Ｗの範囲であり、さらに好ましくはＷ～４×Ｗの範囲である。
　また、本発明に用いるフィラーワイヤは、接合部に供給する前に通電加熱により加熱したものであることが必要であり、その加熱温度Ｔｆ（Ｋ）は、接合条件によっても異なるが、ワイヤ金属の融点をＴｍ（Ｋ）としたとき、下記（４）式；
　０．５×Ｔｍ≦Ｔｆ≦Ｔｍ　・・・（４）
を満たす範囲とするのが好ましい。
　フィラーワイヤの通電加熱温度Ｔｆが０．５×Ｔｍより低いと、フィラーワイヤが溶け込み不良となり易く、一方、Ｔｍを超えると、過剰な入熱によりフィラーワイヤが供給前に溶解してしまうからである。より好ましいＴｆは０．６×Ｔｍ～Ｔｍの範囲である。
　また、本発明のレーザーブレージング接合方法は、上記フィラーワイヤの先行側端と後行レーザービームの照射範囲の後行側端との間の距離ＬＢ（図１（ｂ）を参照）を、フィラーワイヤの径をｄとしたとき、下記（５）式；
　０≦ＬＢ≦３×ｄ　・・・（５）
を満たす範囲とすることが好ましい。
　フィラーワイヤの先行側端と後行レーザービームの照射範囲の後行側端との間の距離ＬＢが０未満である場合、または、３×ｄを超える場合は、ビード形状が不安定となるからである。なお、「０未満である」とは、後行レーザービームの照射範囲の後行側端が、フィラーワイヤの先行側端よりも、接合方向側に位置することをいう。より好ましいＬＢは、０．１×ｄ～２×ｄの範囲である。
　また、本発明の接合方法を適用するフレア継手または重ね継手を構成する鋼板は、ろう付け金属との濡れ性をより高める観点から、ブレージング前に接合部付近にフラックスを塗布した上で接合することが好ましい。また、同様の観点から、本発明のフレア継手または重ね継手の接合に用いるフィラーワイヤは、フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を用いることが有効である。なお、フラックスと鋼板またはフィラーワイヤとの組合せは、濡れ性を確保する観点から適宜選択すればよく、例えば、フラックスを塗布したソリッドワイヤを使用してもよい。
　また、本発明に用いる先行レーザービームは、加熱領域の形状を自在に制御できるよう、固体レーザであることが好ましい。固体レーザが有する上記プロファイルの制御機能を用いることで、奥行き（突合せ部の開口部の深さ）の異なるフレア継手または重ね継手の側面を効率的に加熱することができる。なお、固体レーザとしては、光ファイバを増幅媒体とするファイバレーザや、半導体を媒体とする半導体レーザなどが挙げられるが、濡れ性を確保する観点から、必要な出力が得られればその種類は特に問わない。
　また、後行レーザービームについても、加熱領域の形状制御の観点から、固体レーザであることが好ましい。その理由は、固体レーザが有するプロファイル制御機能を用いることで、ビード形状の制御が可能であるからである。
　また、フレア継手または重ね継手を構成する母材鋼板として、亜鉛を主成分とするめっき層を有する鋼板を用いる場合は、先行レーザービームでめっき層を溶融した状態でろう付けを行うことが好ましい。これは、溶融しためっき層はフラックスと同様、母材と溶融ワイヤ間の濡れ性を高める効果があるので、めっき層が溶融した状態でろう付けすることで、外観に優れたビードが安定して得られるだけでなく、高速接合でも高強度の接合継手が安定して得られるという利点があるからである。
　上記の条件を満たして作製したフレア継手または重ね継手は、供給したフィラーワイヤが母材の突合せ部の奥深くまで供給され、かつ、溶融したフィラー金属と母材（鋼板、アルミニウム系板材）との濡れ性が良好であるので、高強度で外観にも優れたものとなる。
　表１に示した板厚、強度および亜鉛系めっき層の種類が異なる種々の鋼板と、Ａｌ合金とから構成されるフレア継手を、図１に示した本発明の接合方法と、図５に示した非特許文献１に記載のように、フィラーワイヤが先行し、それを２本のレーザービームが追随する接合方法でレーザーブレージング接合する実験を行った。なお、Ａｌ合金としては、板厚が１．２ｍｍのＡ５０５２（Ａｌ－Ｍｇ系合金）を用いた。また、ろう材となるフィラーワイヤは、直径１．２ｍｍのＦｅ－Ａｌレーザーブレージング用フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を用いた。
　フレア継手は、上記材料から短辺１５０ｍｍ×長辺４００ｍｍの試験片素材を切り出し、長辺の片方の端部から２０ｍｍの位置で長辺に沿って９０°に曲げ加工を行ってＬ字形状とし、Ｌ字の短辺同士を、図２（ａ）に示したように、Ｌ字の長辺の板厚中心線が相互に一致するようにして突き合せた後、レーザーブレージング接合し、長さ３００ｍｍの接合部を形成した。
　この際、フィラーワイヤの傾斜角度Ｄ（フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線Ｖに対する角度）は、本発明の方法では０°、１０°、１５°、１８°、１９°および２０°の６水準、従来技術の方法では４５°の１水準とした。また、レーザーブレージング接合に用いたレーザは、先行レーザービーム、後行レーザービームともに半導体レーザを用い、先行、後行レーザービームの出力は２～６ｋＷの範囲で適宜設定した。また、先行レーザービームの照射範囲は、接合方向に長い矩形とし、接合方向の長さＡは、接合方向に直角な方向の幅Ｗの３．２倍（一定）とした。また、後行レーザービームは、すべての条件でφ３ｍｍの照射範囲を持つ円形とし、ワイヤの送給位置の直後を加熱するように照射した。また、シールドガスは、Ａｒガスを２０Ｌ／ｍｉｎでワイヤ供給部に、４０Ｌ／ｍｉｎで後行レーザービーム照射部に供給した。また、フィラーワイヤは、電流値を２７５Ａ（固定）として融点Ｔｍ（Ｋ）に対して０．５Ｔｍ～Ｔｍの温度となるよう通電加熱し、送給速度は１７．５ｍ／ｍｉｎとした。なお、その他の接合条件については表２にまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記のようにして得たフレア継手について、以下の評価試験を行った。
＜外観評価＞
　長さ３００ｍｍの接合部の中央部２００ｍｍの範囲を目視検査し、接合欠陥がなく滑らかなビードが形成されていたものを◎、接合欠陥はないが、波打ちなどの凹凸がビード長さの２０％未満に観察されたものを〇、接合欠陥はないが、波打ちなどの凹凸がビード長さの２０％以上５０％未満で確認されたものを△、接合欠陥があるか、波打ちなどの凹凸がビード長さの５０％以上で確認されたものを×と評価した。
＜接合継手強度＞
　上記のようにして得たフレア継手から、図３に示すように、接合部の長さ方向中央部から、幅５０ｍｍのＴ字型の引張試験片を切り出し、図３に矢印で示した方向に引っ張る引張試験を行い、破断強度を測定し、この破断強度を接合部長さ（５０ｍｍ）で除して、接合部単位長さあたりの破断強度を求めた。なお、破断強度の評価は、上記接合部単位長さあたりの破断強度が、鋼板の接合方向単位長さあたりの降伏強度に対して、１２０％以上であったものを◎、１００％以上１２０％未満のものを〇、８０％以上１００％未満のものを△、８０％未満であるものを×と評価した。
＜破断箇所＞
　上記引張試験後の破断面を観察し、図４に示したように、破断面が、母材部（Ａｌ合金側）で破断したものをＡ、ろう付けした金属と母材との剥離面のみからなるもので、剥離面がＡｌ合金側をＢ、鋼板側をＢ´、ろう付けした金属の破断面とろう付けした金属と母材との剥離面からなるもので、破断面がＡｌ合金側をＣ、鋼板側をＣ´と分類した。なお、ろう付けした金属と母材との剥離面が母材の外面に沿っていても、剥離面にろう付けした金属と母材との合金相が確認される場合は、ろう付け金属の破断面と判断した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上記評価の結果を、表２中に併記した。この結果から、本発明に適合する条件で接合したフレア継手は、高速接合でも、外観および接合強度がともに優れていることが確認された。
　なお、上記実験では、フィラーワイヤとしてＦＣＷを用いたが、ソリッドワイヤを用いた場合でも、表面にフラックスを塗布した鋼板では、上記と同様の結果が得られることを別途行った実験で確認した。
　表１に示した板厚、強度および亜鉛系めっき層の種類が異なる種々の鋼板と、Ａｌ合金板とから構成される図６に示した重ね隅肉継手を、図１に示した本発明の接合方法と、図５に示した非特許文献１に記載のように、フィラーワイヤが先行し、それを２本のレーザービームが追随する接合方法でレーザーブレージング接合する実験を行った。なお、Ａｌ合金板としては、板厚が１．２ｍｍのＡ５０５２（Ａｌ－Ｍｇ系合金）を用いた。また、ろう材となるフィラーワイヤは、直径１．２ｍｍのＦｅ－Ａｌレーザーブレージング用フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を用いた。
　重ね隅肉継手は、上記材料から短辺１５０ｍｍ×長辺４００ｍｍの試験片素材を切り出し、図６に示したように、Ａｌ合金板が鋼板の上側になるようにしてＡｌ合金板と鋼板の長辺端部を１０ｍｍラップさせ、レーザーブレージング接合し、長さ３００ｍｍの接合部を形成した。
　この際、フィラーワイヤの傾斜角度Ｄ（重ね継手の下板面に鉛直な線Ｖに対する角度）は、本発明の方法では０°、１０°、１５°、１８、１９および２０°の６水準、従来技術の方法では４５°の１水準とした。また、レーザーブレージング接合に用いたレーザは、先行レーザービーム、後行レーザービームともに半導体レーザを用い、先行、後行レーザの出力は２～６ｋＷの範囲で適宜設定した。また、先行レーザービームの照射範囲は、接合方向に長い矩形とし、接合方向の長さＡは、接合方向に直角な方向の幅Ｗの３．２倍（一定）とした。また、後行レーザービームは、すべての条件でφ３ｍｍの照射範囲を持つ円形とし、ワイヤの送給位置の直後を加熱するように照射した。また、シールドガスは、Ａｒガスを２０Ｌ／ｍｉｎでワイヤ供給部に、４０Ｌ／ｍｉｎで後行レーザービーム照射部に供給した。また、フィラーワイヤは、電流値を２７５Ａ（固定）として融点Ｔｍ（Ｋ）に対して０．５Ｔｍ～Ｔｍの温度となるよう通電加熱し、送給速度は１７．５ｍ／ｍｉｎとした。なお、その他の接合条件については表３にまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　上記のようにして得た重ね隅肉継手について、以下の評価試験を行った。
＜外観評価＞
　長さ３００ｍｍの接合部の中央部２００ｍｍの範囲を目視検査し、接合欠陥がなく滑らかなビードが形成されていたものを◎、接合欠陥はないが、波打ちなどの凹凸がビード長さの２０％未満に観察されたものを〇、接合欠陥はないが、波打ちなどの凹凸がビード長さの２０％以上５０％未満で確認されたものを△、接合欠陥があるか、波打ちなどの凹凸がビード長さの５０％以上で確認されたものを×と評価した。
＜接合継手強度＞
　上記のようにして得た重ね継手から、図６に示すように、接合部の長さ方向中央部から、幅５０ｍｍの引張試験片を切り出し、図６に矢印で示した方向に引っ張る引張試験を行い、破断強度を測定し、この破断強度を接合部長さ（５０ｍｍ）で除して、接合部単位長さあたりの破断強度を求めた。なお、破断強度の評価は、上記接合部単位長さあたりの破断強度が、鋼板の接合方向単位長さあたりの降伏強度に対して、１２０％以上であったものを◎、１００％以上１２０％未満のものを〇、８０％以上１００％未満のものを△、８０％未満であるものを×と評価した。
＜破断箇所＞
　上記引張試験後の破断面を観察し、図７に示したように、破断面が、母材部（Ａｌ合金側）で破断したものをＡ、ろう付けした金属の内部で破断したものをＢ、ろう付けした金属と母材との剥離面からなるもので、剥離面がＡｌ合金側をＣ、鋼板側をＣ´と分類した。なお、ろう付けした金属と母材との剥離面が母材の外面に沿っていても、剥離面にろう付けした金属と母材との合金相が確認される場合は、ろう付け金属の破断面と判断した。
　上記評価の結果を、表３中に併記した。この結果から、本発明に適合する条件で接合した重ね継手は、高速接合でも、外観および接合強度がともに優れていることが確認された。
　なお、上記実験では、フィラーワイヤとしてＦＣＷを用いたが、ソリッドワイヤを用いた場合でも、表面にフラックスを塗布した鋼板では、上記と同様の結果が得られることを別途行った実験で確認した。
　本発明の技術は、Ａｌ合金板と鋼板のような異材同士のろう付けに限定されるものではなく、例えば、通電加熱したフィラーワイヤにレーザを照射して溶融して材料表面の所定の位置に付着・堆積させる積層造形の技術分野にも広く適用することができる。具体的には、部材に局所的に溶融金属を付着させて厚みを増大して部材の剛性を高める技術や、溶融した金属を順次堆積させて３次元の立体造形物を得る３Ｄプリンタのような技術への適用が考えられる。
　１：フレア継手
　２：先行レーザービーム
　２´：先行レーザービーム照射範囲
　３：後行レーザービーム
　３´：後行レーザービーム照射範囲
　ＣＬ：開先中央を通る中心線
　Ｖ：フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線、または、重ね継手の下板面に垂直な線
　Ｄ：フィラーワイヤの傾斜角度
　θ：フィラーワイヤの送給角度
　Ａ：先行レーザービーム照射範囲の接合方向長さ
　Ｗ：先行レーザービーム照射範囲の幅
　Ｌ：先行レーザービーム照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの後行側端との距離
　ＬＢ：後行レーザービーム照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの先行側端との距離
　ｄ：フィラーワイヤの径
　Ｓｔ：鋼板
　Ａｌ：Ａｌ合金板
　Ｂｒ：ろう付け部

Claims (11)

  1. 鋼板とアルミニウム系板材から構成されるフレア継手の接合方法において、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱し、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融してろう付けする際、上記フィラーワイヤを、フレア継手の開先中央を通る中心線でかつ接合方向に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて送給することを特徴とするレーザーブレージング接合方法。
  2. 鋼板とアルミニウム系板材から構成される重ね継手の接合方法において、鋼板とアルミニウム系板材の接合位置（接合点）の接合方向前方に先行レーザービームを照射して接合予定位置を予熱し、上記接合位置（接合点）に通電加熱したアルミニウム系のフィラーワイヤを供給するとともに、そのフィラーワイヤの後方に後行レーザービームを照射してフィラーワイヤを溶融してろう付けする際、上記フィラーワイヤを、重ね継手の下板面に垂直な線に対して、接合方向前方側または後方側に０°≦Ｄ≦１９°の範囲で傾斜させて送給することを特徴とするレーザーブレージング接合方法。
  3. 上記先行レーザービームの照射範囲の後行側端とフィラーワイヤの後行側端との間の距離Ｌを、フィラーワイヤの径をｄとしたとき、下記（１）式を満たす範囲とすることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザーブレージング接合方法。
    　　　　記
    　０≦Ｌ≦４×ｄ　・・・（１）
  4. 上記先行レーザービームの照射範囲の接合方向に直角な方向の幅Ｗを、鋼板とアルミニウム系板材の板厚の和をＴとしたとき、下記（２）式を満たす範囲とすることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
    　　　　記
    　０．５×Ｔ≦Ｗ≦３×Ｔ　・・・（２）
  5. 上記先行レーザービームの照射範囲を矩形とし、かつ、レーザービームの照射範囲の接合方向長さＡを、上記照射範囲の幅Ｗとの関係において、下記（３）式を満たす範囲とすることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
    　　　　　記
    　Ｗ≦Ａ≦１０×Ｗ　・・・（３）
  6. 上記鋼板は、フラックスが塗布された鋼板であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
  7. 上記フィラーワイヤは、フラックスコアードワイヤであることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
  8. 上記先行レーザービームは、固体レーザであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
  9. 上記鋼板が亜鉛を主成分とするめっき層を有し、上記めっき層を上記先行レーザービームで溶融した状態でろう付けを行うことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
  10. 上記フィラーワイヤを通電加熱する温度Ｔｆ（Ｋ）は、フィラーワイヤの融点をＴｍ（Ｋ）としたとき、下記（４）式を満たす範囲とすることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
    　　　　　記
    　０．５×Ｔｍ≦Ｔｆ≦Ｔｍ　・・・（４）
  11. 上記フィラーワイヤの先行側端と後行レーザービームの照射範囲の後行側端との間の距離ＬＢを、フィラーワイヤの径をｄとしたとき、下記（５）式を満たす範囲とすることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載のレーザーブレージング接合方法。
    　　　　　記
    　０≦ＬＢ≦３×ｄ　・・・（５）

     
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