(57)【要約】【課題】高い生産性を有し、安定して高い継手強度と優れた外観を有するプレコート金属板の接合方法を提供する。【解決手段】２枚の金属板のうち少なくとも１枚の片面に被覆層を有し、この面を重ね合わせ面に向けて隅肉溶接する接合方法において、上側の金属板１の端部と下側の金属板２との間に隙間を設けた上でレーザブレージング法により溶接接合する。【選択図】図１
2008246577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の金属板のうちの少なくとも１枚の少なくとも片面に有機または無機被覆層が形成されており、この被覆層を形成した面を重ね合わせ面に向けて隅肉溶接する２枚の金属板の重ね隅肉接合方法において、重ね合わせた隅肉接合部の上側の金属板の端部と、下側の金属板との間に隙間を形成した後、接合用ワイヤをレーザビームの照射により溶融させて隅肉接合を行うプレコート金属板の接合方法であって、
上側の金属板の裏面の被覆層と下側の金属板の表面の被覆層との合計の膜厚ａ（ｍｍ）に対し、接合箇所である重ね隅肉接合部の上側の金属板端部と下側の金属板との隙間ｄ（ｍｍ）が
ａ／３≦ｄ≦1.0
を満足し、かつ上板厚ｔ（ｍｍ）、ワイヤ径ｒ（ｍｍ）、ワイヤ供給速度ｖ（ｍ／min）、加工速度Ｗ（ｍ／min）としたときに、
1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2≦ｖ≦4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2
の関係を満足させることを特徴とするプレコート金属板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家電、建材、自動車などに用いられる有機被覆金属板、無機被覆金属板、有機・無機被覆金属板など（本明細書ではこれらを総称して「プレコート金属板」という）の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家電、建材、自動車などのメーカーにおける塗装工程、あるいは施工現場における塗装工程を省略するために、あらかじめ鉄鋼メーカーや塗装メーカーで金属板上に必要な有機系や無機系の被覆層を形成したプレコート金属板の需要が増加している。しかし、このプレコート金属板は、一般的に被覆層に導電性がないため、スポット溶接による接合ができないという欠点を有している。このため、プレコート金属板の接合には、スポット溶接に代わって、かしめ、ビス、リベットなどによる機械的な接合が主流となっているが、その生産性は必ずしも高くなく、また、溶接に比べて継手強度も低い。
【０００３】
一方、例えば、特許文献１や特許文献２に記載があるように、プレコート鋼板やクロム酸処理鋼板を接合する方法として、常温硬化型接着剤やポリアミド系接着剤を用いる接合方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭63-77983号公報
【特許文献２】特開昭52-100530号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１や特許文献２などに提案されている接着剤を用いる接合方法によれば、生産性をかなり上げることは可能であるが、継手強度が低いために継手構造の設計に工夫が必要であり、高い生産性と高い継手強度とをともに安定して実現することが困難である。
金属板同士をレーザビームを用いて溶接接合する方法は広く用いられているが、この方法をプレコート金属板に適用すると、プレコート金属板表面に形成された有機、無機あるいは両者からなる被覆層がレーザビームにより激しく蒸発し、この被覆層を構成する物質の蒸気により溶融池の溶融金属が吹き飛ばされたり、この蒸気が溶融金属中に侵入して溶接部に多数のブローホールが発生する。また、被覆層が有機層の場合には、レーザビームにより分解した炭素が溶融金属中に入り、溶融部が硬化して、溶接部の延性や靭性などが劣化するという問題点がある。
【０００５】
本発明は、高い生産性を有し、安定して高い継手強度が得られ、かつ外観にも優れるプレコート金属板の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、２枚の金属板のうちの少なくとも１枚の少なくとも片面に有機または無機被覆層が形成されており、この被覆層を形成した面を重ね合わせ面に向けて隅肉溶接する２枚の金属板の重ね隅肉接合方法において、重ね合わせた隅肉接合部の上側の金属板の端部と、下側の金属板との間に隙間を形成した後、接合用ワイヤをレーザビームの照射により溶融させて隅肉接合するプレコート金属板の接合方法であって、上側の金属板の裏面の被覆層と下側の金属板の表面の被覆層の合計の膜厚ａに対し、接合箇所である重ね隅肉接合部の上側の金属板端部と下側の金属板との隙間ｄがａ／３≦ｄ≦1.0を満足し、かつ上板厚ｔ、ワイヤ径ｒ、ワイヤ供給速度ｖ、加工速度Ｗとしたときに、1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2≦ｖ≦4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2の関係を満足させることにより実現できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、導電性のない被覆層が形成されたプレコート金属板を高い生産性で接合でき、また、溶接欠陥もなく、安定して高い継手強度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明者らはさきに、このような導電性のない被覆層が形成されたプレコート金属板を、レーザビームの照射により被覆層を除去し、接合用ワイヤを供給して前記レーザにより溶融させて接合させ、高い生産性で、継手強度の高い接合部が得られるという知見を得、その内容は特願2005-191552号、特願2005-191553号に記載されている。
この接合法（以下「レーザブレージング法」という）では、金属板は表面から数μｍ程度の部分のみが溶融するだけで、金属板の内部は溶融しない。レーザ照射により金属板の接合界面の被覆層を十分に除去すれば、ろうの鋼板に対するぬれ性が確保できるため、接合は可能である。溶融金属中に接合界面の被覆層を構成する物質の蒸気が侵入することはないので、接合部に多数のブローホールが発生することはない。
【０００９】
しかし、ビード表面のピット生成を完全に防止することはできないという問題点が残る。レーザ照射中に接合界面の被覆層は十分に除去されるものの、図３に示す説明図において、接合する上側の金属板（上板）１と下側の金属板（下板）２との重ね合わせ部で符号Ｒで示す「ルート部」付近に存在する被覆層が、レーザ照射が通過した後においても気化し続け、気化した蒸気４が図４のように凝固途中のろうに侵入することで、ピットが生成される。これは被覆層が金属板と比べ低融点であるため、余熱により気化し続けるためである。
【００１０】
そこで、本発明ではこのピット生成の防止対策として、上下板間に隙間を設けるようにした。図１に示すように、上下板間の被覆層１１、２１がレーザ照射の通過後に余熱により気化しても、矢印のようにこの隙間から排出されるため、ピットは生成されない。
隙間をつくる手段としては、さまざまの方法が考えられる。例えば上下板間に予め別の薄板をはさむ方法、上下板間に小塊あるいは小球を一様に配置する方法等である。上板あるいは下板に予め突起をつける方法もある。
【００１１】
このようにして隙間をつくり、ピットの生成を防止するには、上板の裏面の被覆層と下板の表面の被覆層の合計の膜厚ａ（mm）に対し、接合箇所である重ね隅肉接合部の上側の金属板端部と下側の金属板との隙間ｄ（mm）が
ａ／３≦ｄ≦1.0
を満足する必要がある。ｄが1.0mmを超えると隙間が大きすぎ、接合可能なレーザブレージングの条件を見出すことが困難となる。またｄがａ／３未満では蒸気の排出が十分に行われず、ピットが生成する。
【００１２】
また上板厚ｔmm、ワイヤ径ｒmm、ワイヤ供給速度ｖｍ／min、加工速度Ｗｍ／minとしたとき、
1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2≦ｖ≦4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2  ・・・（ａ）
の関係を満足する必要がある。ｖ＜1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2では、隙間を持つ板を接合するための「ろう（溶着金属）」の供給量が不十分であるため入熱過多となり、下板に熱変形が生じる。ｖ＞4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2では「ろう」の供給量が多すぎるため、ろうが完全に溶融しない部分が生じ、ビード形成が不安定となる。
【００１３】
以下に上記の（ａ）式を導入した過程を説明する。本発明で用いるワイヤの断面積はπｒ2／４であり、レーザブレージング後の接合部のろうの、接合進行方向に垂直な面の平均断面積（以下、接合部のろうの断面積とする）は、ワイヤ供給速度ｖに比例し、加工速度Ｗに反比例するため、πｖｒ2／４Ｗとなる。
一方、（ｔ＋ｄ）が増加すると、安定した形状を得るには、接合部のろうの断面積は（上板＋隙間）側と下板側との２次元的な増量が必要である。
【００１４】
したがって、接合部のろうの断面積を（ｔ＋ｄ）2に比例して増減させる必要があるため、πｖｒ2／４Ｗ∝（ｔ＋ｄ）2となり、Ａを定数として、
ｖ＝ＡＷ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2
が成立する。
さらに実験によりＡの適正範囲を検討した結果、上記（ａ）式が得られたのである。
【００１５】
本発明で対象とするプレコート金属板は、金属板上の片面に、少なくとも１層の有機、無機、あるいは有機・無機複合型の被覆層が形成されているものである。また、プレコート金属板上に形成された被覆層のうち少なくとも片面の被覆層は、導電性がなく、通常のスポット溶接などの直接通電による接合ができない。接合の相手となる金属板は、プレコート金属板でもよいし、プレコート金属板とは異なる金属板でもよい。
【００１６】
プレコート金属板の原板や接合相手の金属板としては、たとえば、熱延鋼板、冷延鋼板や、鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、亜鉛合金めっき鋼板、アルミめっき鋼板、クロムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、銅めっき鋼板などのめっき鋼板、およびステンレス鋼板、アルミ板、銅板、アルミ合金板などが挙げられる。
被覆層としては、例えば、ポリエステル樹脂系、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、フッ素樹脂系、エーテル樹脂系、硫黄樹脂系、塩化ビニル樹脂系、オレフィン樹脂系、ケトン樹脂系、シリコン樹脂などの有機被覆層や、シロキサン系、ボロン系、ボロシロキサン系などの無機被覆層が挙げられる。シロキサン、ボロシロキサンなどの無機材料を有機樹脂中に導入したような有機・無機複合被覆層にも本発明は適用できる。
【００１７】
こうした被覆層は、塗料を金属板上に塗布して硬化乾燥したり、あらかじめ被覆材料をフィルム状にしたものを金属板上に貼り付ける方法で形成できる。
本発明に用いるレーザ発振機は、溶接に用いるため200ワット以上、好ましくは数キロワットの出力が必要である。レーザの種類としては、レーザ光生成媒体としてYAGロッドを用いてハロゲンランプなどでレーザ光を励起するタイプや、レーザダイオード（LD）でレーザ光を励起するタイプのYAGレーザが好ましい。その他に、炭酸ガスレーザ、スラブレーザ、ルビーレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。光学系には、偏向用反射ミラーと数枚の正負の収束レンズを組み合わせた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡との組み合わせだけでレーザ光を収束させても良い。
【００１８】
接合用ワイヤについては、純Cuろう、Cu-Zn合金ろう、Cu-Ｐ合金ろう、Cu-Si合金ろう、Cu-Sn合金ろう、Cu-Ni合金ろうなどのCu系ろう材やAg-Cu合金ろうなどのAg系ろう材など、いずれのろう材も使用可能である。ろう付け時のシールドガスには、溶融金属の酸化防止のために、アルゴンガスなどの不活性ガスを用いることが望ましいが、アルゴンガス中に炭酸ガスを10〜100％の範囲で混合させたガス（100％の場合は炭酸ガスのみ）、あるいはアルゴンガス中に水素ガスやヘリウムガスを２〜20％の範囲で混合させたガスを用いることもできる。
【実施例】
【００１９】
プレコート金属板の原板として、厚みが0.8mm、片面のめっき付着量が60ｇ／ｍ2の溶融亜鉛めっき鋼板に、20ｇ／ｍ2のクロム付着量となるようにクロメート処理を両面に施した鋼板を用いた。この鋼板の表面に、ポリエステル樹脂系のプライマ塗料を両面に乾燥塗膜が７〜20μｍとなるように塗布し、乾燥・硬化させてプレコート金属板を作製した。
このプレコート金属板を２枚重ねて、YAGレーザを用いて表１に示す条件でレーザブレージングによる隅肉接合を行って試料No.１〜２1を作製した。ろう材には線径1.2mmのCu-3.5mass％Si-１mass％Mn系ワイヤ（JIS Z 3341、ワイヤ種ＹCuSiＢ）を用いた。ワイヤ供給速度ｖ、加工速度Ｗ、上下間の隙間ｄを表１のように変化させた。
【００２０】
【表１】
2008246577.tif 000003
【００２１】
接合部の外観を評価するために、目視により溶接ビード表面のピットを調査した。溶接長300ｍｍで直径１ｍｍ以上のピットが3つ以上形成された場合、母材の熱変形が大きかった場合、ビード幅が一定とならずビード形状が不安定であった場合、あるいは接合しなかった場合は×と評価した。一方直径１ｍｍ以上のピットが2つ以下で、ビード幅がほぼ一定であった場合は○と評価した。
【００２２】
また、図２に示すような形状の引張試験を行い、JIS Z 3136に準じた引張せん断試験を行い継手強度を求めた。継手強度が270ＭPa以上の場合は○、270ＭPa未満の場合は×と評価した。結果を表１に示す。試料No.１〜４では、隙間を設定していない、もしくは隙間ｄmmがｄ＜ａ／３であるため、気化した皮膜を十分に除去することができず、ビード表面にピットが生成する。試料No.５、６では、隙間ｄがｄ＞１ｍｍと大きすぎるため、安定したビード幅を得られる条件、もしくは接合が可能な条件を見出すことが困難である。
【００２３】
試料No.７ではワイヤ供給速度ｖがｖ＜1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2/ｒ2であるため、ワイヤ供給量の不足により入熱量が過多となり、下板に熱変形が生じる。試料No.８、９では、ｖ＞4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2/ｒ2と、ろうの供給量が過多であるため、ろうが完全に溶融しない部分が生じ、ビード形状が不安定になる。
一方、本発明の接合方法により作製された試料No.１０〜２１では、隙間ｄがａ/３≦ｄ≦1.0mmを満たし、かつワイヤ供給速度ｖが1.6×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2≦ｖ≦4.8×Ｗ（ｔ＋ｄ）2／ｒ2を満たすため、直径１ｍｍ以上のピットが２つ以下で、ビード幅がほぼ一定の良好なビード外観となり、引張せん断試験における継手強度が270ＭPa以上となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の隙間を設けた場合のろうの凝固中での被覆層の気化の模式図である。
【図２】引張せん断試験に使用した引張試験片の（ａ）平面図と（ｂ）断面図である。
【図３】ルート部を説明する接合部の断面図である。
【図４】従来例の隙間のない場合のろうの凝固中での被覆層の気化の模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    上板（金属板）
２    下板（金属板）
３    ろう（溶着金属）
４    （被覆層の）蒸気
１１、２１    被覆層
Ｒ    ルート部
【図１】
2008246577.tif 000004
【図２】
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【図３】
2008246577.tif 000006
【図４】
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