(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板同士を重ね合わせる重ね合わせ工程と、この重ね合わせ部の所定部位に該Ｚｎめっき鋼板の板面に対して略垂直方向からレーザ光を照射してレーザ熱により両該母材を加熱して両該母材が溶融した溶融池とし、該溶融池を冷却、凝固させることにより両該Ｚｎめっき鋼板の該母材同士を一体的に接合する接合工程とを備え、
前記接合工程で、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなるＦｅ系溶加材を前記溶融池中に混入させ、
前記Ｆｅ系溶加材は、該Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を下記（ａ）式を満たす含有量で含むことを特徴とするＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法。
０．２７Ａｌ（％）＋０．０４４Ｓｉ（％）＋０．０３５Ｍｎ（％）≧０．３２
…（ａ）
【請求項２】
前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅ系外皮と、該Ｆｅ系外皮内に充填された金属粉末及び／又は合金粉末とからなるコアードワイヤよりなり、
前記金属粉末は前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種の金属粉末であり、前記合金粉末は前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも二種よりなる合金粉末のうちの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１記載のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法。
【請求項３】
前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射してレーザ熱により両前記母材及び前記Ｆｅ系溶加材を溶融させることを特徴とする請求項１又は２記載のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法。
【請求項４】
前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、アーク熱により前記Ｆｅ系溶加材を溶融させることを特徴とする請求項１記載のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法。
【請求項５】
前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、前記コアードワイヤを消耗電極としてアークを発生させアーク熱により該コアードワイヤを溶融させることを特徴とする請求項２記載のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法。
【請求項６】
母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板同士の重ね合わせ部の所定部位に該Ｚｎめっき鋼板の板面に対して略垂直方向からレーザ光を照射してレーザ熱により両該母材を加熱して両該母材が溶融した溶融池とし、該溶融池を冷却、凝固させることにより両該Ｚｎめっき鋼板の該母材同士を一体的に接合するＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法に用いられるＦｅ系溶加材であって、
前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなり、
前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅ系外皮と、該Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を下記（ａ）式を満たす含有量で含むように、該Ｆｅ系外皮内に充填された金属粉末及び／又は合金粉末と、からなるコアードワイヤよりなることを特徴とするＦｅ系溶加材。
０．２７Ａｌ（％）＋０．０４４Ｓｉ（％）＋０．０３５Ｍｎ（％）≧０．３２
…（ａ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法及びこのＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法に用いることのできるＦｅ系溶加材に関し、詳しくはＺｎめっき鋼板同士の重ね部を溶融、凝固させて両Ｚｎめっき鋼板を一体的に接合するＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法及びＦｅ系溶加材に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｚｎメッキ鋼板を重ね溶融溶接する場合、母材の表面にＺｎめっき層が形成された２枚のＺｎめっき鋼板を重ね合わせ、この重ね合わせ部の所定部位にレーザ熱やアーク熱等を付与することにより両母材を溶融して溶融池とし、この溶融池を冷却、凝固させて両母材を一体的に接合する。
【０００３】
ところで、Ｚｎめっき鋼板においては、母材としての鋼板の融点よりもＺｎめっき層のＺｎの沸点の方が低い。このため、溶接時にＺｎめっき鋼板の母材が溶融したときにはＺｎめっき層のＺｎはガス化してＺｎ蒸気となっている。したがって、Ｚｎめっき鋼板の重ね溶融溶接においては、重ね合わせられたＺｎめっき鋼板間のＺｎがガス化したＺｎ蒸気が、溶融池内に閉じ込められて残存したり、溶融池内で高圧となって溶融池から噴出し溶融母材を飛散させたりすることによる、ブローホール等の溶接欠陥が問題となる。
【０００４】
このようなＺｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥に対しては、重ね合わせた両Ｚｎめっき鋼板間に適度の微小隙間を形成し、この微小隙間からＺｎ蒸気を逃がして脱気することが有効であり、重ね合わせた両Ｚｎめっき鋼板間にガス逃がし用の微小隙間を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１に開示された技術では、プレス成形によりＺｎめっき鋼板の一面に凸部を設けることにより、重ね合わせた両Ｚｎめっき鋼板間にガス逃がし用の微小隙間を形成している。このため、レーザ溶接時に両Ｚｎめっき鋼板間で発生したＺｎ蒸気を両Ｚｎめっき鋼板間の微小隙間から逃がすことにより、溶融池を通しての高圧ガス噴出を抑えることができる。
【０００６】
なお、ブローホール等の溶接欠陥の原因となるＺｎ蒸気の発生自体を防ぐ技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
この特許文献２に開示された技術では、酸化物の標準生成自由エネルギがＦｅよりも小さくかつＺｎよりも大きい材料であるＭｎの酸化物粉末（ＭｎＯ粉末）を、溶接部に供給しながらレーザ溶接している。そして、この特許文献２には、Ｆｅよりも活性であるがＺｎよりも不活性であるＭｎＯは溶融池内でＦｅと反応せずにＺｎと反応してＺｎＯを生成し、このＺｎＯは沸点が高いためレーザ溶接中にガス化することがないため、Ｚｎ蒸気の発生自体を防いでＺｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥を防止できる、とある。
【特許文献１】特開２００１−１６２３８７号公報（第３−５頁、第２図）
【特許文献２】特開平８−２１５８８２号公報（第３−４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、プレス成形によりＺｎめっき鋼板の一面に凸部を設けることによりガス逃がし用の微小隙間を形成する前記従来技術では、微小隙間の大きさの管理が面倒かつ困難である。
【０００９】
すなわち、微小隙間が大きすぎると溶融した母材同士がつながらずに分離してしまう一方、微小隙間が小さすぎるとＺｎ蒸気の脱気が不十分となって前記ブローホール等の溶接欠陥が発生することになるため、微小隙間の大きさを０．１〜０．４ｍｍ程度の範囲に管理する必要があるが、プレス成形機の型摩耗や成形精度等を考慮すると、微小隙間の大きさを高精度に管理することは面倒かつ困難である。
【００１０】
なお、前記特許文献２に開示された技術は、ＭｎＯ粉末を供給しながらレーザ溶接することによりＺｎ蒸気の発生自体を防ぐものであり、本発明とは技術的思想が異なる。また、この特許文献２に開示された技術では、ＭｎＯとＺｎとの反応により生成したＺｎＯが溶接部に残存することになるため、残存したＺｎＯにより溶接部の強度が低下するおそれがある。
【００１１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、面倒かつ困難な隙間管理をすることなく、Ｚｎめっき鋼板間に発生したＺｎ蒸気を上手く逃がしてＺｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥を抑制することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、溶接時にＺｎめっき鋼板間に発生したＺｎ蒸気を溶融池から上手く逃がすことができれば面倒かつ困難な隙間管理が不要になる点に着目し、溶融池を通してＺｎ蒸気を逃がすという新規な発想の下、本発明を完成させた。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決する本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板同士を重ね合わせる重ね合わせ工程と、この重ね合わせ部の所定部位に該Ｚｎめっき鋼板の板面に対して略垂直方向からレーザ光を照射してレーザ熱により両該母材を加熱して両該母材が溶融した溶融池とし、該溶融池を冷却、凝固させることにより両該Ｚｎめっき鋼板の該母材同士を一体的に接合する接合工程とを備え、前記接合工程で、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなるＦｅ系溶加材を前記溶融池中に混入させ、前記Ｆｅ系溶加材は、該Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を下記（ａ）式を満たす含有量で含むことを特徴とするものである。
０．２７Ａｌ（％）＋０．０４４Ｓｉ（％）＋０．０３５Ｍｎ（％）≧０．３２
…（ａ）
ここに、前記（ａ）式中の「％」は「質量％」を意味する。また、以下の説明において、単に「％」と記載されているものは全て「質量％」を意味する。
【００１４】
また、前記「両母材が溶融し」とは、加熱部位において、重ね合わされた一方のＺｎめっき鋼板の母材全体が溶融し、かつ、他方のＺｎメッキ鋼板の母材全体又は母材の一部が溶融していることを意味する。
【００１５】
好適な態様において、前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅ系外皮と、該Ｆｅ系外皮内に充填された金属粉末及び／又は合金粉末とからなるコアードワイヤよりなり、前記金属粉末は前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種の金属粉末であり、前記合金粉末は前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも二種よりなる合金粉末のうちの少なくとも一種である。
【００１６】
本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、好適な態様において、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射してレーザ熱により両前記母材及び前記Ｆｅ系溶加材を溶融させる。
【００１７】
本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、好適な態様において、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、アーク熱により前記Ｆｅ系溶加材を溶融させる。
【００１８】
本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、好適な態様において、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、前記コアードワイヤを消耗電極としてアークを発生させアーク熱により該コアードワイヤを溶融させる。
【００１９】
上記課題を解決する本発明のＦｅ系溶加材は、母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板同士の重ね合わせ部の所定部位に該Ｚｎめっき鋼板の板面に対して略垂直方向からレーザ光を照射してレーザ熱により両該母材を加熱して両該母材が溶融した溶融池とし、該溶融池を冷却、凝固させることにより両該Ｚｎめっき鋼板の該母材同士を一体的に接合するＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法に用いられるＦｅ系溶加材であって、前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなり、前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅ系外皮と、該Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を下記（ａ）式を満たす含有量で含むように、該Ｆｅ系外皮内に充填された金属粉末及び／又は合金粉末と、からなるコアードワイヤよりなることを特徴とするものである。
０．２７Ａｌ（％）＋０．０４４Ｓｉ（％）＋０．０３５Ｍｎ（％）≧０．３２
…（ａ）
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法であって、重ね合わせ工程と、接合工程とを備えている。
【００２１】
前記重ね合わせ工程では、母材表面にＺｎめっき層を形成してなるＺｎめっき鋼板同士を重ね合わせる。このとき、両Ｚｎめっき鋼板間の隙間管理を厳密に行う必要がなく、０〜０．８ｍｍ程度の隙間とすることができる。Ｚｎめっき鋼板における鋼板の種類やＺｎめっき層の目付量は特に限定されない。また、Ｚｎめっき鋼板におけるめっき方法は、溶融めっきでも電気めっきでもいずれでもよい。
【００２２】
前記接合工程では、Ｚｎめっき鋼板の重ね合わせ部の所定部位を加熱して両母材が溶融した溶融池とし、この溶融池を冷却、凝固させることにより両Ｚｎめっき鋼板の母材同士を一体的に接合する。
【００２３】
この接合工程で、重ね合わせ部の所定部位（溶接後に溶接部となる部位）を加熱して両母材を溶融させる手段としては、加熱部位において、重ね合わされた一方のＺｎめっき鋼板の母材全体を溶融させ、かつ、他方のＺｎメッキ鋼板の母材全体又は母材の一部を溶融させることのできるものであり、溶接線形状の自由度が高く、溶接の操作性や制御性が優れているレーザ熱を利用する。
【００２４】
すなわち、本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法は、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射してレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、後述するＦｅ系溶加材を溶融させることが好ましい。
【００２５】
前記レーザ光の種類やレーザ溶接の条件は特に限定されず、Ｚｎめっき鋼板の種類や厚さ等に応じて適宜設定することができる。ＹＡＧレーザやＣＯ2 レーザ等を好適に用いることができるが、操作の容易性等を考慮すれば、ＣＯ2 レーザよりもＹＡＧレーザを用いることがより好ましい。
【００２６】
レーザ溶接を利用した接合工程では、Ｚｎめっき鋼板の重ね合わせ部の板面に対してレーザ光の光源を略水平方向に所定速度で移動させながら同板面に対して略垂直方向（重ね合わせ方向）から所定出力のレーザ光を照射する。レーザ光が照射された部分は重ね合わされたＺｎめっき鋼板の両母材がレーザ熱で溶融して溶融池となる。
【００２７】
そして、本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法では、前記接合工程で、レーザ熱等により両母材が溶融した前記溶融池に、所定のＦｅ系溶加材を混入させる。
【００２８】
溶融池にＦｅ系溶加材を混入させる態様は特に限定されず、固形状態（固相）のＦｅ系溶加材をそのまま溶融池に添加して溶融池の熱によりＦｅ系溶加材を溶融させてもよいし、アーク熱等でＦｅ系溶加材を予め溶融状態（液相）にしてから溶融池に添加してもよいし、レーザ熱等でＦｅ系溶加材とＺｎめっき鋼板の母材とをほぼ同時に溶融させて両者を混合させてもよい。
【００２９】
また、レーザ熱を利用して母材を溶融させる際に、前記Ｆｅ系溶加材は、レーザ光の照射に先行させてＺｎめっき鋼板の所定位置（レーザ光が照射されて溶接部となる溶接線上）に予め配置しておいてもよいし、レーザ光の照射点（溶接点）又はその近傍（レーザ光の移動方向前方側又は後方側等の近傍）にレーザ光の照射とほぼ同時に供給してもよい。レーザ光の照射点（溶接点）やその近傍の溶融池等に対してＦｅ系溶加材をどの方向から供給するかについても、レーザ光の後方（レーザ光の移動方向後方）、前方（レーザ光の移動方向前方）及び側方等のいずれでもよい。
【００３０】
前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなり、かつ、Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を前記（ａ）式を満たす含有量で含むものである。粘性低下金属としてのＡｌ、Ｓｉ及びＭｎは、Ｚｎめっき鋼板の母材の溶融池中に混入されることにより、この溶融池の粘度を低下させるように作用する。本発明に係るＦｅ系溶加材は、これら粘性低下金属としてのＡｌ、Ｓｉ及びＭｎのうちの少なくとも一種を含む。このＦｅ系溶加材に含まれる粘性低下金属の組み合わせとしては特に限定されず、Ａｌ、Ｓｉ又はＭｎの一種を単独で含ませてもよいし、ＡｌとＳｉとの二種、ＡｌとＭｎとの二種又はＳｉとＭｎとの二種を含ませてもよいし、あるいはＡｌ、Ｓｉ及びＭｎの三種全てを含ませてもよい。
【００３１】
ここに、Ｆｅ合金に添加される添加金属の濃度と、その添加金属が添加された溶融２元系Ｆｅ合金の１５５０℃における粘度との関係が図１に示されるように、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＮｉの四種は溶融Ｆｅ合金の粘度を低下させることがわかる。これら四種のうちＮｉについては、粘度を低下させる効果が小さいことから相当量の添加が必要となるが、これにより溶加材の融点が上がってしまうため、適切量を溶融させることができなかった。
【００３２】
また、前記Ｆｅ系溶加材は、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種が前記（ａ）式を満たす含有量で含まれている。Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎのうちの少なくとも一種の含有量が少なすぎて、前記（ａ）式を満たさない場合は、前記溶融池の粘度を低下させる効果が不十分となり、Ｚｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑制することが困難となる。
【００３３】
このような本発明のＺｎめっき鋼板の重ね溶融溶接方法では、前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種を特定の割合で含むＦｅ系溶加材が溶融池に混入されることにより、この溶融池の特性が変化して溶融池の粘度が低下する。溶融池が低粘度化すると、Ｚｎ蒸気がこの溶融池内を移動しやすくなる。このため、Ｚｎめっき鋼板間のＺｎめっき層のＺｎがガス化して発生したＺｎ蒸気は溶融池内を通って板面から抜け出やすくなる。したがって、溶融池内にＺｎ蒸気が閉じ込められて残留したり、溶融池内でＺｎ蒸気が高圧となって母材を飛散させながら溶融池から噴出したりすることを抑えることができ、ブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑えることが可能となる。
【００３４】
さらに、前記溶融池に前記Ｆｅ系溶加材を供給しながら溶融溶接することから、Ｚｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥を抑えるべく、両Ｚｎめっき鋼板間の隙間管理を厳密に行う必要がなくなり、作業が容易となる。すなわち、本発明方法によれば、仮に両Ｚｎめっき鋼板間の隙間を零にした場合であっても、Ｚｎ蒸気によるブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑えることができる。また、前記Ｆｅ系溶加材の供給により前記溶融池を補充することができるので、仮に両Ｚｎめっき鋼板間の隙間を０．４ｍｍを超える程度（例えば、０．４〜０．８ｍｍ程度）に大きくした場合でも、前記Ｆｅ系溶加材による補充分だけ隙間を埋めることが可能となり、溶け落ちや溶融池同士が分離することによる溶接不良を防ぐことができる。
【００３５】
前記Ｆｅ系溶加材は、Ｆｅと、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種とからなり、かつ、Ｆｅ系溶加材全体を１００％としたとき前記粘性低下金属を前記（ａ）式を満たす含有量で含むものであれば、その形態は特に限定されず、例えば、Ｆｅ粉末と、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末及びＭｎ粉末のうちの少なくとも一種とからなる混合粉末であってもよいし、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎのうちの少なくとも一種をＦｅに合金化してなるＦｅ合金よりなる粉末状合金材であってもよいし、同Ｆｅ合金よりなるワイヤ状合金材であってもよい。
【００３６】
ただし、Ｆｅ粉末と、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末及びＭｎ粉末のうちの少なくとも一種とからなる前記混合粉末を溶融池に供給する場合は、溶融池の幅が狭いことや供給途中で粉末が飛散すること等により、材料歩留りが低下し、また、粘性低下金属の金属粉末とＦｅ系粉末とを特定の割合で前記溶融池に確実に供給することが必ずしも容易ではない。一方、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎのうちの少なくとも一種をＦｅに合金化してなる前記Ｆｅ合金よりなる合金材にあっては、Ｆｅと粘性低下金属とを特定の割合で前記溶融池に確実に供給することが可能であるが、以下に示す欠点がある。すなわち、前記Ｆｅ合金よりなる前記粉末状合金材を溶融池に供給する場合は、供給途中で粉末が飛散すること等により材料歩留りが低下するし、また、前記Ｆｅ合金のインゴットから粉末化する際にインゴット又は粉末化工程でワレが生じるおそれがある。また、前記Ｆｅ合金よりなる前記ワイヤ状合金材の場合も、インゴットから線引き等により細いワイヤ形状に製造することが必ずしも容易ではなく、インゴットの状態で割れたり、線引き工程の途中で切れたりするおそれがある。
【００３７】
そこで、前記Ｆｅ系溶加材の形態としては、Ｆｅ系外皮と、該Ｆｅ系外皮内に充填された金属粉末及び／又は合金粉末とからなるコアードワイヤとすることが好ましい。このとき、前記Ｆｅ系外皮内には、Ｆｅ系溶加材（コアードワイヤ）全体を１００％としたときＡｌ、Ｓｉ及びＭｎよりなる粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種を前記（ａ）式を満たす含有量で含むように、前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも一種の金属粉末（すなわち、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末及びＭｎ粉末のうちの少なくとも一種）を充填してもよいし、前記粘性低下金属の群から選ばれる少なくとも二種よりなる合金粉末のうちの少なくとも一種（すなわち、ＡｌとＳｉとの合金粉末、ＡｌとＭｎとの合金粉末、ＳｉとＭｎとの合金粉末及びＡｌとＳｉとＭｎとの合金粉末のうちの少なくとも一種）を充填してもよいし、あるいはこれら金属粉末及び合金粉末の双方を充填してもよい。
【００３８】
このように前記Ｆｅ系溶加材として、前記粘性低下金属の金属粉末や合金粉末をＦｅ系外皮で包んでなる前記コアードワイヤを採用することにより、粉末と比べて取り扱いが容易であることから、このコアードワイヤを前記溶融池あるいはレーザ光の照射部に確実かつ容易に供給することができ、またその供給量の制御も容易となる。このため、材料歩留りが低下することがない。また、前記粘性低下金属を前記（ａ）式で示された特定の含有量で含むＦｅ系溶加材を前記溶融池に確実に混入させることが可能となる。したがって、このコアードワイヤにより前記溶融池を確実に低粘度化させることができ、ブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑制することが可能となる。
【００３９】
前記コアードワイヤにおける前記Ｆｅ系外皮の外径及び厚さや、前記金属粉末や合金粉末の平均粒径は、適宜設定することができる。
【００４０】
ここに、レーザ熱で母材を溶融させるレーザ溶接を利用する際に、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、アーク熱により前記Ｆｅ系溶加材を溶融させることが好ましい。
【００４１】
特に、前記Ｆｅ系溶加材として前記コアードワイヤを採用する場合は、前記接合工程で、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、前記コアードワイヤを消耗電極としてアークを発生させアーク熱により該コアードワイヤを溶融させることが好ましい。
【００４２】
レーザ溶接におけるレーザ光の照射点（溶接点）は極めて小さく、溶融池の幅も狭いため、コアードワイヤ等のＦｅ系溶加材の供給位置のズレ等により、Ｆｅ系溶加材をレーザ熱や溶融池の熱によって確実に溶融させることが困難となる。この点、前記重ね合わせ部の所定部位にレーザ光を照射して主にレーザ熱により両前記母材を溶融させるとともに、いわゆるアーク溶接を併用し、アーク熱により前記Ｆｅ系溶加材を溶融させれば、Ｆｅ系溶加材の供給位置にズレ等があったとしても、Ｆｅ系溶加材を確実に溶融させて前記溶融池に混入させることができる。特に、前記コアードワイヤを消耗電極とするアーク溶接によれば、その作業も容易となり、溶融池に対して確実かつ容易に供給することができる。したがって、Ｆｅ系溶加材により前記溶融池を確実に低粘度化させることができ、ブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑制することが可能となる。また、アーク熱によりＦｅ系溶加材を溶融させれば、Ｆｅ系溶加材の溶融にレーザ熱の一部が使われることがないため、その分レーザ出力を抑えることができ、より低コストで溶接することが可能となる。
【００４３】
前記アーク溶接におけるアークの種類や条件としては、前記Ｆｅ系溶加材を溶融させることができれば特に限定されず、ＭＩＧアーク、プラズマアークやＴＩＧアーク等を適宜用いることができる。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４５】
［第１実施例］
本実施例は、レーザ熱によりＺｎめっき鋼板の母材及びＦｅ系溶加材を溶融させるレーザ溶接を利用して、Ｚｎめっき鋼板を重ね溶融溶接するものである。
【００４６】
（実施例１）
Ｚｎめっき鋼板として、母材の表裏両面にＺｎめっき層を形成してなる（Ｚｎ目付量は片面当たり４５ｇ／ｍ2 ）板厚ｔ＝０．８ｍｍの溶融化亜鉛めっき鋼板（ＳＣＧＡ２７０−４５／４５）を準備した。
【００４７】
一方、Ｆｅ系溶加材として、図２の模式断面図に示されるように、略円筒状のＦｅ系外皮１と、このＦｅ系外皮内に充填された金属粉末２とからなるコアードワイヤ１０を準備した。このＦｅ系外皮１は純Ｆｅよりなり、外径φ＝１．２ｍｍ、厚さｔ＝０．４ｍｍのものである。また、金属粉末２はＡｌ粉末である。
【００４８】
そして、このコアードワイヤ１０は、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ１０全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＡｌを１．５％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしている。
【００４９】
なお、このコアードワイヤ１０は、所定量の金属粉末２を包むように鉄板を略円筒状に曲げ加工することにより、製造した。
【００５０】
＜重ね合わせ工程＞
前記Ｚｎめっき鋼板を２枚重ね合わせた。このとき、両Ｚｎめっき鋼板間の隙間は零とした。
【００５１】
＜接合工程＞
そして、Ｚｎめっき鋼板の重ね合わせ部の板面に対してレーザ光の光源を略水平方向に所定速度で移動させながら、同板面に対して略垂直方向（重ね合わせ方向）から所定出力のレーザ光をレーザ溶接後に溶接部となる所定の溶接線上に照射し、レーザ光が照射された加熱部において、重ね合わされた両Ｚｎめっき鋼板の両母材の全体が溶融した溶融池を形成した。このとき、形成された溶融池に対して、レーザ光の移動方向後方から前記コアードワイヤ１０を所定の供給量で連続的に供給した。こうして、レーザ光の照射により形成された溶融池に前記コアードワイヤ１０を固形状態で連続的に供給しながらレーザ溶接をすることにより、両Ｚｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。このときの溶接条件は以下のとおりである。
【００５２】
レーザ光：ＹＡＧレーザ
レーザ出力：３．０ｋＷ
溶接速度：２．０ｍ／ｍｉｎ
コアードワイヤの供給量：３．０ｍ／ｍｉｎ
なお、この接合工程では、前記コアードワイヤ１０を固形状態で前記溶融池に供給し、この溶融池の熱によりコアードワイヤ１０を溶融して、溶融池の母材溶融金属とコアードワイヤ１０の溶融金属とを混合した。
【００５３】
また、こうして重ねレーザ溶接した溶接部はにおいては、十分な実用強度が確保されていた。
【００５４】
（実施例２）
本実施例では、金属粉末２としてＡｌ粉末とＳｉ粉末とを用いて、前記コアードワイヤ１０を製造した。
【００５５】
このコアードワイヤ１０は、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ１０全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＡｌを０．５％の含有量で含むとともに、粘性低下金属としてのＳｉを５％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしている。
【００５６】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００５７】
（実施例３）
本実施例では、金属粉末２としてＳｉ粉末とＭｎ粉末とを用いて、前記コアードワイヤ１０を製造した。
【００５８】
このコアードワイヤ１０は、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ１０全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＳｉを５％の含有量で含むとともに、粘性低下金属としてのＭｎを５％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしている。
【００５９】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００６０】
（比較例１）
表面にＺｎめっき層が形成されていない２枚の裸鋼板（ＳＰＣ２７０Ｄ、板厚ｔ＝０．８ｍｍ）を準備し、これらを重ね合わせた。このとき、両裸鋼板間の隙間は零とした。
【００６１】
そして、溶融池に前記コアードワイヤ１０を供給しないこと以外は、前記実施例１と同様にして、２枚の裸鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００６２】
（比較例２）
前記実施例１と同様のＺｎめっき鋼板を２枚準備し、これらを重ね合わせた。このとき、両Ｚｎめっき鋼板間の隙間は零とした。
【００６３】
そして、溶融池に前記コアードワイヤ１０を供給しないこと以外は、前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００６４】
（比較例３）
金属粉末２としてＡｌ粉末を用いて、コアードワイヤを製造した。
【００６５】
このコアードワイヤは、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＡｌを０．５％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしていない。
【００６６】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００６７】
（比較例４）
金属粉末２としてＡｌ粉末を用いて、コアードワイヤを製造した。
【００６８】
このコアードワイヤは、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＡｌを１．０％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしていない。
【００６９】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００７０】
（比較例５）
金属粉末２としてＳｉ粉末を用いて、コアードワイヤを製造した。
【００７１】
このコアードワイヤは、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＳｉを５．０％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしていない。
【００７２】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００７３】
（比較例６）
金属粉末２としてＭｎ粉末を用いて、コアードワイヤを製造した。
【００７４】
このコアードワイヤは、Ｆｅを主成分とし、コアードワイヤ全体を１００％としたとき、粘性低下金属としてのＭｎを５．０％の含有量で含むものであり、前記（ａ）式を満たしていない。
【００７５】
その他の構成は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００７６】
（重量減少量による評価）
前記実施例１〜３及び前記比較例１〜６において、溶接前重量から溶接後重量を引いた重量減少量（溶接長１００ｍｍ当たり）を、下記（ｂ）式により求めて、重ねレーザ溶接の良否を評価した。その結果を表１に示す。
【００７７】
重量減少量（ｇ／１００ｍｍ）＝｛溶接前重量（ｇ）＋コアードワイヤの添加重量（ｇ）−溶接後重量（ｇ）｝×１００（ｍｍ）／溶接長（ｍｍ）  …（ｂ）
なお、前記溶接前重量とは、重ねレーザ溶接する前の２枚の鋼板の総重量のことであり、前記溶接後重量とは、２枚の鋼板を重ねレーザ溶接した後の総重量のことであり、コアードワイヤの添加重量とは、重ねレーザ溶接する際に溶融池中に添加されたコアードワイヤの重量のことである。
【００７８】
ここに、前記重量減少量の値が小さいほど、溶融池からスパッタ等として飛散する母材金属量が少なく、したがってブローホール等の溶接欠陥の少ない良好な溶接が行われたことを意味する。
【００７９】
なお、表１において、前記実施例１、２、３はＮｏ．５、８、９にそれぞれ対応し、前記比較例１、２、３、４、５、６はＮｏ．１、２、３、４、６、７にそれぞれ対応する。
【００８０】
【表１】
0004622305.tif 000002
表１から明らかなように、Ｎｏ．５の前記実施例１、Ｎｏ．８の前記実施例２及びＮｏ．９の前記実施例３では、いずれも重量減少量が０．１２ｇ／１００ｍｍ以下で、ブローホール等の溶接欠陥の少ない良好な溶接が行われていた。特に、Ｎｏ．５の前記実施例１及びＮｏ．８の前記実施例２では、いずれも重量減少量が０．１ｇ／１００ｍｍ以下で、ブローホール等の溶接欠陥が極少ない極めて良好な溶接が行われていた。なお、本発明者の調査により、この重量減少量が０．１２ｇ／１００ｍｍ以下であれば、少量のブローホール等の欠陥が多少認められるが、実用上問題ないことがわかっている。
【００８１】
これに対し、コアードワイヤ１０を供給せずにレーザ溶接を行ったＮｏ．２の比較例２では、重量減少量が０．５５ｇ／１００ｍｍと多く、ブローホール等の溶接欠陥が極めて多く発生した。
【００８２】
また、粘性低下金属としてのＡｌ、Ｓｉ及びＭｎのうちの一種を前記（ａ）式を満たさない範囲で含むコアードワイヤを用いたＮｏ．３、４、６、７の比較例３、４、５、６でも、いずれも重量減少量が０．１３ｇ／１００ｍｍ以上と多く、ブローホール等の溶接欠陥が多く発生した。
【００８３】
なお、コアードワイヤを供給せずに裸鋼板同士をレーザ溶接したＮｏ．１の比較例１では、スパッタはほとんど発生しないが、蒸発金属及び裏側に抜けた溶融金属の分だけ、０．０５ｇ／１００ｍｍの重量減少量が認められた。
【００８４】
（Ｆｅ系溶加材における粘性低下金属の含有量と重量減少量との相関関係）
前記表１に示すＺｎめっき鋼板同士をレーザ溶接したＮｏ．２〜９の結果について、Ｆｅ系溶加材としてのコアードワイヤを添加せずにレーザ溶接したＮｏ．２における各粘性低下金属の含有量を０％として、重回帰分析による多変量解析を行うことにより、Ｆｅ系溶加材における粘性低下金属の含有量と重量減少量との相関関係を調べた。
【００８５】
この重回帰分析では、表１のＮｏ．２〜９の８個（ｎ＝８）の標本について、Ａｌ含有量、Ｓｉ含有量及びＭｎ含有量をそれぞれ説明変量ｘ1 、ｘ2 及びｘ3 とし、重量減少量を目的変量ｙとする。そして、説明変量（ｘ1 ，ｘ2 ，ｘ3 ）と目的変量（ｙ）との相関を表す下記（ｃ）式の重回帰予測式を考え、実際の標本データと重回帰予測式（ｃ）で表される値との差を残差εとして、重回帰式を下記（ｄ）式とする。そして、下記（ｃ）式及び下記（ｄ）式で残差εに注目すると、残差εは下記（ｅ）式で表されるので、下記（ｆ）式により残差平方和Σ（εi ）2 を求める。
【００８６】
Ｙi ＝ｂ1 ・ｘ1i＋ｂ2 ・ｘ2i＋ｂ3 ・ｘ3i＋ｂ0                 …（ｃ）
ｙi ＝ｂ1 ・ｘ1i＋ｂ2 ・ｘ2i＋ｂ3 ・ｘ3i＋ｂ0 ＋εi           …（ｄ）
εi ＝ｙi −Ｙi
＝ｙi −（ｂ1 ・ｘ1i＋ｂ2 ・ｘ2i＋ｂ3 ・ｘ3i＋ｂ0 ）      …（ｅ）
Σ（εi ）2 ＝Σ（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）2                   …（ｆ）
そうすると、上記（ｆ）式の残差平方和Σ（εi ）2 が最小になるようなｂ0 、ｂ1 、ｂ2 、ｂ3 を求めることにより、上記（ｄ）式で示される重回帰式を得ることができる。
【００８７】
すなわち、
ｆ＝Σ（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）2     …（ｇ）
とすれば、上記（ｇ）式をｂ0 、ｂ1 、ｂ2 、ｂ3 で偏微分した∂ｆ／∂ｂ0 、∂ｆ／∂ｂ1 、∂ｆ／∂ｂ2 、∂ｆ／∂ｂ3 、∂ｆ／∂ｂ0 をそれぞれ０とおくことにより、下記（ｈ）〜（ｋ）式で示される４つの正規方程式を得ることができる。
【００８８】
Σ（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）＝０      …（ｈ）
Σｘ1i（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）＝０  …（ｉ）
Σｘ2i（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）＝０  …（ｊ）
Σｘ3i（ｙi −ｂ1 ・ｘ1i−ｂ2 ・ｘ2i−ｂ3 ・ｘ3i−ｂ0 ）＝０  …（ｋ）
したがって、これら連立方程式を解くことにより、上記（ｇ）式、すなわち上記（ｆ）式で示される残差平方和Σ（εi ）2 を最小にするｂ0 、ｂ1 、ｂ2 、ｂ3 を得て、上記（ｄ）式で示される重回帰式を得ることができる。
【００８９】
そして、こうした重回帰分析による多変量解析により、下記（ｌ）式で示される重回帰式を得ることができた。
【００９０】
ｙi ＝−０．２７ｘ1i−０．０４４ｘ2i−０．０３５ｘ3i＋０．４４                …（ｌ）
したがって、コアードワイヤにおけるＡｌ含有量、Ｓｉ含有量及びＭｎ含有量と重量減少量との間には、下記（ｍ）式で示される相関関係があることがわかった。
【００９１】
重量減少量＝−０．２７Ａｌ−０．０４４Ｓｉ−０．０３５Ｍｎ＋０．４４                …（ｍ）
ここに、前述のとおり、重量減少量が０．１２ｇ／１００ｍｍ以下であれば実用上問題なく、また、重量減少量が０．１０ｇ／１００ｍｍ以下であればブローホール等の溶接欠陥が極めて少ない良好な溶接ができる。このため、下記（ａ）式を満たす関係であればブローホール等の溶接欠陥を効果的に防止することができることが確認できた。
０．２７Ａｌ（％）＋０．０４４Ｓｉ（％）＋０．０３５Ｍｎ（％）≧０．３２                                                      …（ａ）
（比較例７）
外径がφ＝１．２ｍｍで、合金組成がＦｅ−０．３５Ｓｉ−１．５ＭｎのＦｅ合金よりなるＦｅ系ワイヤを準備した。
【００９２】
なお、このＦｅ系ワイヤは、前記（ａ）式を満たしていない。
【００９３】
そして、前記コアードワイヤ１０の代わりに前記Ｆｅ系ワイヤを用いること以外は前記実施例１と同様にして、２枚のＺｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。
【００９４】
（溶接後外観の評価）
前記実施例３、前記比較例２及び前記比較例７について、重ねレーザ溶接後の溶接部をレーザの照射側から見た外観写真を図３、図４及び図５に示す。
【００９５】
前記コアードワイヤ１０を供給しながら重ねレーザ溶接を行った実施例３の溶接部は、外観不良もなく良好であった。これに対し、前記コアードワイヤ１０を供給せずに重ねレーザ溶接を行った比較例２、及び前記Ｆｅ系ワイヤを供給しながら重ねレーザ溶接を行った比較例７の溶接部には、ブローホール等によりビードの荒れがひどかった。
【００９６】
［第２実施例］
（実施例４）
本実施例は、主にレーザ熱によりＺｎめっき鋼板の母材を溶融させるレーザ溶接と、Ｆｅ系溶加材としての前記コアードワイヤ１０を消耗電極としてアークを発生させアーク熱により該コアードワイヤ１０を溶融させるアーク溶接とを併用したものである。
【００９７】
前記実施例１と同様のＺｎめっき鋼板及びコアードワイヤ１０を準備した。
【００９８】
＜重ね合わせ工程＞
前記Ｚｎめっき鋼板を２枚重ね合わせた。このとき、両Ｚｎめっき鋼板間の隙間は零とした。
【００９９】
＜接合工程＞
そして、Ｚｎめっき鋼板の重ね合わせ部の板面に対してレーザ光の光源を略水平方向に所定速度で移動させながら、同板面に対して略垂直方向（重ね合わせ方向）から所定出力のレーザ光をレーザ溶接後に溶接部となる所定の溶接線上に照射し、レーザ光が照射された加熱部において、重ね合わされた両Ｚｎめっき鋼板の両母材の全体が溶融した溶融池を形成した。このとき、形成された溶融池に対して、レーザ光の移動方向後方から前記コアードワイヤ１０を所定の供給量で連続的に供給しながら、ＭＩＧアークにより、両Ｚｎめっき鋼板を重ねレーザ溶接した。このときの溶接条件は以下のとおりである。
【０１００】
レーザ光：ＹＡＧレーザ
レーザ出力：２．０ｋＷ
溶接速度：２．０ｍ／ｍｉｎ
コアードワイヤの供給量：３．０ｍ／ｍｉｎ
アーク電流：１００Ａ
アーク電圧：２０Ｖ
なお、この接合工程では、アーク熱により前記コアードワイヤ１０が完全に溶融するとともに一方の前記Ｚｎめっき鋼板の母材表面が部分的に溶融し、かつ、レーザ熱により前記両Ｚｎめっき鋼板の両母材が完全に溶融することにより、両母材が溶融した溶融池に前記コアードワイヤ１０が溶融した状態で混入される。
【０１０１】
このため、仮にコアードワイヤ１０の供給位置にズレ等があったとしても、コアードワイヤ１０を確実に溶融させて前記溶融池に混入させることができ、コアードワイヤ１０により前記溶融池を確実に低粘度化させることが可能となる。したがって、本実施例によっても、前記実施例１と同程度以上に、ブローホール等の溶接欠陥を効果的に抑制することできる。
【０１０２】
また、アーク熱によりコアードワイヤ１０を溶融させているので、コアードワイヤの溶融にレーザ熱の一部が使われることがない分、レーザ出力を抑えることができ、より低コストで溶接することが可能となる。
【０１０４】
（その他の実施例）
前述の実施例では、加熱部において、重ね合わされた両Ｚｎめっき鋼板の両母材の全体を溶融させて溶融池を形成する、いわゆるキーホール溶接（裏波溶接）の例について説明したが、重ね合わされた両Ｚｎめっき鋼板のうちの一方の母材全体を溶融させ、かつ、他方の母材の一部（重ね合わせ面側の一部）を部分的に溶融させて溶融池を形成する場合にも、本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】Ｆｅ合金に添加される添加金属の濃度と、その添加金属が添加された溶融２元系Ｆｅ合金の１５５０℃における粘度との関係を示す線図である。
【図２】実施例１に係るＦｅ系溶加材としてのコアードワイヤを模式的に示す断面図である。
【図３】実施例３の溶接部外観を示す写真である。
【図４】比較例２の溶接部外観を示す写真である。
【図５】比較例７の溶接部外観を示す写真である。
【符号の説明】
【０１０６】
１…Ｆｅ系外皮                        ２…金属粉末
１０…コアードワイヤ（Ｆｅ系溶加材）
【図１】
0004622305.tif 000003
【図２】
0004622305.tif 000004
【図３】
0004622305.tif 000005
【図４】
0004622305.tif 000006
【図５】
0004622305.tif 000007