(57)【要約】【課題】溶接母材間に所定の隙間を確保するための間隙材として低融点固形物を用いることで、それ自体の溶接母材に対する付着性または定着性を改善し、複雑形状のパネルの溶接にも容易に適用することができるようにしたレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】溶接線Ｌｗの近傍に、溶接時の熱的影響で溶融するろう材、パラフィンワックス等の低融点固形物１を点状に配置する。低融点固形物１の介在によって母材（例えばめっき鋼板）Ｗ１，Ｗ２間に物理的に確保される隙間Ｇを通して母材めっき層のガスを排出する。溶接時の熱的影響で低融点固形物１が溶融して隙間Ｇに拡がることで母材Ｗ１，Ｗ２同士の密着性向上に寄与する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面処理鋼板が下側となるようにその表面処理鋼板を含む少なくとも二枚の母材同士を重ね合わせた上で重ね継手の形態でレーザ溶接を施す方法であって、
いずれか一方の母材の接合面に、溶接時の熱的影響で溶融可能な低融点固形物が溶融したものを塗布して固化させ、
母材同士を重ね合わせてその母材同士の間に低融点固形物を挟み込むことにより所定の隙間を確保した状態でレーザ溶接を施すことを特徴とする表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項２】
母材同士の間の溶接線近傍位置に低融点固形物を挟み込むことにより所定の隙間を確保した状態で、上記溶接線に沿ってレーザ溶接を施すことを特徴とする請求項１に記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項３】
低融点固形物が溶融したものを下側となる母材の上に塗布して固化させた後にその上から上側となる母材を重ね合わせて、その上側の母材側よりレーザビームを照射してレーザ溶接を施すことを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項４】
母座同士の間であって且つ少なくとも溶接線の始終端部近傍位置に低融点固形物を挟み込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項５】
上記低融点固形物の中に当該低融点固形物よりも融点の高い微小固体粒子を予め混ぜ合わせてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項６】
請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接システムであって、
下側となる母材の上に低融点固形物が溶融したものを塗布する塗布手段と、低融点固形物が固化した後に下側の母材の上に上側となる母材を重ね合わせた状態で当該上側の母材側よりレーザビームを照射してレーザ溶接を施すレーザ溶接手段と、を備えていて、
上記レーザ溶接手段は、上下の母材同士の間に低融点固形物の厚みに相当する隙間が確保されている状態で予め設定されている溶接線に沿ってレーザ溶接を施すものであることを特徴とするレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理鋼板のレーザ溶接方法とそれに用いるレーザ溶接システムに関し、特に合金化溶融亜鉛めっき鋼板等のめっき鋼板が下側となるような板組のもとでレーザ溶接を施すにあたり、めっき層の蒸発による二次的不具合を防止するべく溶接母材間に所定の隙間を確保した状態で溶接を施すようにした表面処理鋼板のレーザ溶接方法とそれに用いるレーザ溶接システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二枚以上の母材を重ね合わせた上でいわゆる重ね継手の形態でレーザ溶接を施す場合、少なくとも下側となる母材が例えば亜鉛めっき鋼板であると溶接時の熱でめっき層が蒸発して気体（亜鉛蒸気）となり、これが溶接ビード内に気泡（ポロシティ）となって残り、結果として溶接強度が低下することになる。なお、この現象は、亜鉛の融点が４２０℃程度で、鉄の融点１５３５℃に比べて著しく低いことが原因であるとされている。
【０００３】
この対策として、溶接母材間に物理的隙間を設けて、溶接中に発生した気泡を積極的に外部に排出することが有効であるが、上記隙間が大きすぎると逆に母材同士の溶着が阻害されることになるため、例えば特許文献１に記載のように溶接母材同士の重合部にスチールビーズ等の微細固体粒子を溶着固定等の手段にて介在させて、その状態で微細固体粒子を含む母材同士を上下から加圧することで溶接母材間の隙間の大きさを管理することが行われている。そして、その加圧状態をもって公知の方法でレーザビームを照射して溶接を施すことになる。
【特許文献１】特開２００３−２９０９５５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、上記のように溶接母材間にスチールビーズ等の微細固体粒子を挟み込む方法では、溶接母材間に均一な隙間を確保することが反面、微細固体粒子を溶接母材に確実に固定することが困難であり、適用可能な溶接母材の形状に制約がある。
【０００５】
より詳しくは、特許文献１に記載の技術では、溶接母材上に散布した微細固体粒子をレーザビームの照射にて溶着するようにしているものであるが、微細固体粒子そのものが転がりやすいために微細固体粒子の付着性または定着性が悪く、例えば溶接母材が傾斜部や所定の曲率を有した複雑な三次元形状の車体パネル等である場合には、微細固体粒子を散布してから溶着するまでの間に微細固体粒子が転がり、必要な部位に必要な量の微細固体粒子をとどめておくことが難しく、十分な効果を期待することができない。
【０００６】
例えば微細固体粒子の付着量または定着量が少ないと母材同士の間に必要な大きさの隙間を確保することができずになおもポロシティが発生するほか、微細固体粒子の付着量または定着量が多すぎると溶接ビードに穴あき、凹凸等の欠陥が発生して、必要な溶接強度を確保することができなくなる。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、転がりやすい微細固体粒子に代えて低融点固形物を用いることで、上記従来技術の持つ不具合を解決しようとするものである。すなわち、本発明は溶接母材間に所定の隙間を確保するための間隙材として低融点固形物を用いることで、それ自体の溶接母材に対する付着性または定着性を改善し、複雑形状のパネルの溶接にも容易に適用することができるようにしたレーザ溶接方法とレーザ溶接システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、表面処理鋼板が下側となるようにその表面処理鋼板を含む少なくとも二枚の母材同士を重ね合わせた上で重ね継手の形態でレーザ溶接を施す方法であって、いずれか一方の母材の接合面に、溶接時の熱的影響で溶融可能な低融点固形物が溶融したものを塗布して固化させ、母材同士を重ね合わせてその母材同士の間に低融点固形物を挟み込むことにより所定の隙間を確保した状態でレーザ溶接を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、いずれか一方の母材の接合面に低融点固形物が溶融したものを塗布して固化させることで定着保持させるようにしているので、母材の形状を問わず間隙材として機能することになる低融点固形物の定着保持性が良く、必要な部位に必要な量の低融点固形物をとどめておくことができることから、その低融点固形物による溶接母材間の隙間確保が確実に行え、ポロシティの発生や溶接強度不足の発生を未然に防止して溶接品質が向上する。
【００１０】
また、低融点固形物が溶接時の熱的影響で溶け出して拡がり、母材同士の隙間を埋めることになるので、溶接によりめっき層等の表面処理層が剥離または薄くなった場合でもその部分を溶け出した低融点固形物が覆うことで防錆性能が回復し、防錆性の向上に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１以下の図面は本発明に係るレーザ溶接方法のより具体的な実施の形態を示しており、特に図１はそのレーザ溶接に供される溶接システム全体の概略を示している。
【００１２】
ここでは、表面処理鋼板であるところの例えば合金化溶融亜鉛めっき鋼板を母材として二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士を重ね継手の形態で連続的に溶接する場合を示しており、実際の溶接に先立って二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に微小隙間を確保する手段に特徴がある。
【００１３】
そして、母材Ｗ１，Ｗ２同士を重ね合わせた状態で直線状の溶接線Ｌｗに沿って連続溶接を施すことを前提とした場合、下側の母材Ｗ１に上側の母材Ｗ２を重ね合わせる前に、その下側の母材Ｗ１上に、母材Ｗ１，Ｗ２同士に間に所定の隙間Ｇ（図２参照）を確保するための間隙材として低融点固形物１を付着または定着保持させる。より具体的には、図２に示すように、下側の母材Ｗ１上において溶接線Ｌｗの両側近傍の複数箇所にその溶接線Ｌｗをはさんで互いに対向するように低融点固形物１を点状に付着または定着保持させる。
【００１４】
ここで使用する低融点固形物１としては、溶接時の伝導熱で溶融して液体となる一方で常温では固体となるような融点が８０℃以下の低融点固体材料、例えばろう材やパラフィンワックス等とする。
【００１５】
低融点固形物１を下側の母材Ｗ１上に付着または定着保持させる手段としては、図１に示すように低融点固形物１を溶融状態としたもの（ここでは、低融点固形物の溶融液１ａと称する）を保温機能付きのタンク２に貯留しておく一方、塗布手段として機能するシーリングロボット３には塗布ガン４を持たせて、タンク２から定量供給される低融点固形物の溶融液１ａをそのシーリングロボット３の自律動作により下側の母材Ｗ１上に点状に塗布する。そして、低融点固形物の溶融液１ａを塗布したならば所定時間そのまま放置し、低融点固形物の溶融液１ａが固化または凝固して低融点固形物１と化するのを待つ。この低融点固形物１は、下側の母材Ｗ１上にて固化または凝固する過程で強固に固定されて定着保持されることから、例えば下側の母材Ｗ１が複雑な三次元形状を呈していたとしても、その母材Ｗ１上での低融点固形物１の移動を未然に防止して、溶接までの間、所定の位置に低融点固形物１を安定してとどめておくことができる。
【００１６】
ここで、低融点固形物１の配置位置としては、溶接による母材Ｗ１，Ｗ２の溶融の影響を直接受けることなく、且つ溶接により発生した伝導熱で溶け始める温度（先に述べたように、低融点固形物１の融点を８０℃以下としているので、ここでは温度は１００℃以下）まで上昇する位置が望ましい。本発明者が種々実験を行った結果では、図３に示すように溶接線Ｌｗたる溶接ビードＢｅからの距離ｍとしておおよそｍ＝５ｍｍ以内の範囲が好ましいことが判明した。なお、同図における符号Ｐは溶接に伴う熱的影響で母材Ｗ１，Ｗ２の表面のめっき層が剥離または薄くなる範囲を示している。
【００１７】
また、低融点固形物１による母材Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間Ｇの量を正確且つ容易に制御するためには、低融点固形物１に例えばガラスビーズのほか、酸化チタンやアルミナ等のいわゆる無機酸化物の微小固体粒子を予め混ぜ合わせておくのが望ましい。この場合、低融点固形物１に混ぜる微小固体粒子の融点は低融点固形物１のそれよりも高いものとする。また、低融点固形物１の塗布膜厚を例えば１００〜２００μｍ程度としたならば、それに混ぜ合わせるガラスビーズや酸化チタン等の微小固体粒子の粒径は５０〜１００μｍ程度とするのが望ましい。
【００１８】
こうして下側の母材Ｗ１上に点状に低融点固形物１を定着保持させたならば、それらの上から上側の母材Ｗ２を重ね合わせて、二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に複数の点状の低融点固形物１を介在させる。この時、上側の母材Ｗ２を重ね合わせたとしても複数の低融点固形物１は不動であり、上下の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に介在して、低融点固形物１の塗布厚に相当する所定の隙間Ｇが上下の母材Ｗ１，Ｗ２間に確保されることになる。
【００１９】
この状態で、図２に示すように、母材Ｗ１，Ｗ２とレーザ加工ヘッド７とを相対移動させて（図２での相対移動方向は紙面と直交方向）、例えば母材Ｗ１，Ｗ２側を固定側としたならばレーザ加工ヘッド７を溶接線Ｌｗに沿って所定速度で連続的に移動させて、上側の母材Ｗ２側よりレーザビーム８を照射することにより母材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接する。より具体的には、図１に示すように、レーザ溶接手段たる溶接ロボット５のアーム６先端に持たせたレーザ加工ヘッド７を溶接線Ｌｗに沿って連続的に移動させることにより母材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接する。なお、必要に応じて溶接線Ｌｗの近傍を図示外のクランプ手段にて加圧拘束したり、あるいはレーザ加工ヘッド７に予め付帯させてある加圧ピンや加圧ローラにて溶接線Ｌｗの近傍を加圧拘束するものとする。
【００２０】
この場合において、溶接対象となる母材Ｗ１，Ｗ２同士が合金化溶融亜鉛めっき鋼板であるため、溶接部での母材Ｗ１，Ｗ２自体の溶融に伴いその母材Ｗ１，Ｗ２の表面のめっき層が蒸発してガス（亜鉛蒸気）が発生することは周知のとおりであるが、これらのガスは母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に予め確保されている隙間Ｇを通して外部にスムーズに排出されることから、溶接ビードＢｅ（図３参照）にポロシティや未溶着等の不具合が発生することはない。
【００２１】
その一方、溶接の開始点や終了点（溶接ビードＢｅの始終端部）では溶接状態が不安定となり、溶接不良や穴あき等の不具合が発生しやすいことが知られており、特に溶接線Ｌｗに変化をつけた場合や溶接線Ｌｗが短い場合（例えば溶接線Ｌｗの長さが３０ｍｍ以下となった場合）にはその傾向が一段と顕著となる。
【００２２】
本実施の形態では、溶接に伴って発生する熱（伝導熱）の影響で溶接線Ｌｗたる溶接ビードＢｅの周辺が温められるため、それまで母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に隙間Ｇを確保するための間隙材として機能していた低融点固形物１が溶け出して上記隙間Ｇに拡がることで当該隙間Ｇを埋めることとなり、結果的に母材Ｗ１，Ｗ２同士の密着性が向上することになる。
【００２３】
その上、低融点固形物１が溶け出して上記隙間Ｇに拡がることで、とかく溶接不良を起こしやすい溶接線Ｌｗ（溶接ビードＢｅ）の始終端部をも覆うことから、例えば一旦は穴あき等が発生した場合でも溶け出した低融点固形物１が穴埋めをする役目をすることになる。さらに、母材Ｗ１，Ｗ２同士の接合面において上記のように溶接時の熱的影響を受けた部分では、めっき層が薄くなったり剥離したりして防錆性能が低下することになる（図３に符号Ｐを付した部分）。その一方、上記のように溶け出した低融点固形物１がめっき層が薄くなったり剥離した部分Ｐを覆うことになるため、防錆性能が回復し、防錆性能を低下をもたらさないで済むことになる。
【００２４】
ここで、本発明者はポロシティの発生防止の観点から溶接線Ｌｗに対する低融点固形物１の最適な配置を実験によって求めてみた。
【００２５】
母材は板厚が１．０ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＳＰ７８３）とし、二枚の母材を重ね継手の形態でレーザ溶接を行った。使用したレーザはＹＡＧレーザで出力３．６ｋＷとし、溶接速度は５ｍ／ｍｉｎとした。
【００２６】
図４の（Ａ）のパターン（１）に示すように、直線型の溶接線Ｌｗ（溶接ビードＢｅ）の場合であって、且つその溶接線Ｌｗの長さが１０ｍｍ以下の場合には、溶接線Ｌｗの延長線上においてその始終両端部に低融点固形物１を配置するか、または溶接線Ｌｗをはさんで対称に配置するとポロシティの発生がないことが判明した。
【００２７】
一方、直線型の溶接線Ｌｗの場合であって、且つその溶接線Ｌｗが長さが１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度と長くなった場合には、図４の（Ａ）のパターン（２）に示すように、溶接線Ｌｗの延長線上の始終両端部に加えて、長手方向中央部に溶接線Ｌｗをはさんで対称に低融点固形物１を配置するとポロシティの発生がないことが判明した。なお、溶接線Ｌｗの長さが３０ｍｍ以上に一段と長くなる場合には、１０〜１５ｍｍのスパンで対称配置の低融点固形物１の数を増やすことで対処する。また、図４の（Ａ）にパターン（２）として示した低融点固形物１の配置は、パターン（１）のように溶接線Ｌｗの長さが１０ｍｍ以下の場合にも適用可能である。
【００２８】
一方、同図の（Ｂ）に示すように、溶接線Ｌｗがφ８〜１０ｍｍ程度のＯ型あるにはＣ字型の場合には、溶接線Ｌｗのサークルの中央部に低融点固形物１を配置するとポロシティの発生がないことが判明した。さらに、溶接線Ｌｗのサークル径がさらに大きい場合には、同図（Ｂ）の右端に示すように、サークルの中央部に加えて始終端部にも低融点固形物１を配置すると、ポロシティの発生防止の上で有効であることが判明した。
【００２９】
また、同図の（Ｃ）に示すように、溶接線Ｌｗがφ４〜５ｍｍ程度の不完全サークルを二つつなぎ合わせたようないわゆるＳ字型の場合には、各サークルの中央部に低融点固形物１を配置するか、または各サークルの中央部の配置に加えて溶接線Ｌｗの始終端部に低融点固形物１を配置するとポロシティの発生がないことが判明した。
【００３０】
なお、上記実施の形態では、母材Ｗ１，Ｗ２が共に合金化溶融亜鉛めっき鋼板である場合の板組について説明したが、少なくとも下側の母材Ｗ１がめっき鋼板等の表面処理鋼板でさえあれば他の板組の溶接にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のレーザ溶接に供される溶接システム全体の概略説明図。
【図２】図１における溶接部の要部拡大断面説明図。
【図３】図２のさらなる拡大説明図。
【図４】溶接線とその近傍の低融点固形物との好ましい配置関係を示す説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１…低融点固形物
３…シーリングロボット（塗布手段）
４…塗布ガン
５…溶接ロボット
７…レーザ加工ヘッド
８…レーザビーム
Ｂｅ…溶接ビード
Ｇ…隙間
Ｌｗ…溶接線
Ｗ１…母材（合金化溶融亜鉛めっき鋼板）
Ｗ２…母材（合金化溶融亜鉛めっき鋼板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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