(57)【要約】【課題】  亜鉛系めっき鋼材のレーザー溶接方法およびレーザー溶接用亜鉛系めっき鋼材を提供する。【解決手段】  Ｚｎ量で片面あたり１０ｇ／ｍ2 以上の付着量を有する亜鉛系めっき鋼材のレーザー溶接において、亜鉛系めっき鋼材の、少なくとも溶接線に沿った両側１０ｍｍ以内の部分に径３０μｍ〜４００μｍの鉄系物質を１０〜２５０ｇ／ｍ2 、溶接に先立って付与しておくことを特徴とする亜鉛系めっき鋼材のレーザー溶接方法。また、この前処理を施したレーザー溶接用亜鉛系めっき鋼材。【選択図】      なし                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ量で片面あたり１０ｇ／ｍ2 以上の付着量を有する亜鉛系めっき鋼材であって、少なくとも溶接線に沿った両側１０ｍｍの部分に、直径３０μｍ〜４００μｍの融点９０６℃超の物質を１０〜２５０ｇ／ｍ2 有することを特徴とするレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材。
【請求項２】
融点９０６℃超の物質が鉄系物質であることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材。
【請求項３】
請求項２に記載の鉄系物質が、Ｃ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓのうちから少なくとも１種、Ｃｒ，Ｎｉのうちから少なくとも１種類の元素を５〜５０質量％含有することを特徴とするレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材。
【請求項４】
Ｚｎ量で片面あたり１０ｇ／ｍ2 以上の付着量を有するＺｎ系めっき鋼材のレーザー溶接をするに際し、亜鉛系めっき鋼材の、少なくとも溶接線に沿った両側１０ｍｍ以内の部分に径３０μｍ〜４００μｍの融点９０６℃超の物質を１０〜２５０ｇ／ｍ2 、溶接に先立って付与しておくことを特徴とするレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材の溶接方法。
【請求項５】
融点９０６℃超の物質が鉄系物質であることを特徴とする請求項４記載のレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材の溶接方法。
【請求項６】
溶接後にビード内部にＣｒ，Ｎｉ，Ｃ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓのうち少なくとも１種類を０．０１％以上含むことを特徴とする請求項４または５記載のレーザー溶接性に優れた亜鉛系めっき鋼材の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー溶接によって重ね継ぎ手溶接するのに用いられる亜鉛系めっき鋼材、および重ね継ぎ手レーザー溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｚｎめっき鋼材を重ね継ぎ手溶接する際に、継ぎ手間隔がゼロである場合には、継ぎ手の間に存在するＺｎの影響で溶接欠陥が存在し品質が低下する。これはＺｎは鉄と比較し沸点が低く、鉄の融点に達した時点でＺｎが蒸発し鉄を爆飛させるためである。
従来この問題を回避する目的で、亜鉛めっき鋼材間に適当な隙間を形成することにより良好な溶接を行なう対策が施されてきた。隙間を形成する方法としては、例えば特開２００１−１６２３８８号公報（特許文献１）には重ねる片側の鋼板に突起を形成し、相手側の板に接近させる力を加えることで傾斜状の隙間を形成する方法が開示されている。また、特開２００１−１６２３８７号公報（特許文献２）には先端に凸のポンチで圧印加工を施し、圧印部周囲に環状の盛り上がりを形成し、突合せ側との間に一定の隙間を形成する方法も開示されている。
【０００３】
別の方法としては溶接前に被溶接部の亜鉛を除去する方法があり、例えば特開平４−２３１１９０号公報（特許文献３）にはレーザー光を２つに分離し、エネルギー密度の低い先行ビームで被溶接部の亜鉛を蒸発させ、追従する高エネルギー密度のビームで溶接する方法が開示されている。さらに、特開平８−２１５８８２号公報（特許文献４）にはＺｎを酸化物に無害化する目的で、酸化物の標準生成自由エネルギーが鉄より小さくＺｎよりも大きいＭｎの酸化物粉末を溶接部に供給しながら溶接する方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６２３８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１６２３８７号公報
【特許文献３】特開平４−２３１１９０号公報
【特許文献４】特開平８−２１５８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、鋼材間に適当な隙間を形成する方法では溶接前の加工工程が増え、また連続的に長い距離を溶接するときには、鋼板に多くの突起を形成する必要があるため作業が煩雑であり、加工のための工具寿命が短くコスト増加を招いてしまう。また、適当な隙間を確保できれば効果を享受できるが、隙間が大きくなりすぎると溶接部がつながらず、逆に間隔が狭すぎるとＺｎ蒸気が逃げる通路が確保出来ないため爆飛が生じてしまい十分な対策とはなり得なかった。
【０００６】
また、溶接前に被溶接部の亜鉛を先行レーザーで除去する方法では、重ねられた鋼板内面の亜鉛除去は十分には行われず、爆飛を十分抑制することは不可能であった。また、Ｍｎの酸化物粉末を溶接部に供給しながら溶接する方法ではＺｎを酸化物として無害化することを前提としているが、実際の溶接部温度は２０００℃以上になっており、酸化亜鉛は不安定でＺｎに還元されるため全てＺｎ蒸気となり、殆ど効果は認められない。本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであって、健全な溶接部を確実に形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に関るＺｎめっき鋼材は、請求項１に記載しているように重ね合わせる鋼板間に一定の隙間を確保するために溶接線に沿った両側１０ｍｍの部分に直径３０μｍ〜４００μｍの鉄系物質を１０〜２５０ｇ／ｍ2 存在させることを特徴とする。また、鉄系物質が、Ｃ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓのうち少なくとも１種の元素を５重量％以上含有することで、溶接時の溶鉄の表面張力を低下させ、発生するＺｎ蒸気のビード内からの免出を促進し、また、Ｃｒ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を１質量％以上含有することで溶接部の耐食性を向上させることを特徴とする。また、溶接後にビード内部にＣｒ，Ｎｉ，Ｃ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓを０．１％以上含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明によれれば、従来のように溶接部の間隙の制御等をしなくても、良好なレーザー溶接が実現できる。亜鉛系めっき鋼板の端部を曲げ加工しその部分を突き合わせてレーザー重ね溶接するような、自動車部品の組立等の分野において、本発明は特に有用に活用でき、その産業上の価値は極めて高いといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明者らがレーザー溶接時の爆飛に関し鋭意検討した結果、めっき中のＺｎ分が１０ｇ／ｍ2 を超えると、継ぎ手間隔ゼロで重ね継ぎ手溶接する際に亜鉛蒸気による悪影響が顕著になり、実用上の問題が生じることが明らかになった。
【００１０】
種々検討した結果、重ね合わせた鋼板に一定の隙間を与え、鋼板が溶解するまでの間に発生するＺｎ蒸気を鋼板間から放出させれば良く、その手段としては一定の大きさを持ったＺｎの沸点（９０６℃）超の融点を有する物質を存在させることが有効であることが明らかになった。これは、Ｚｎの沸点は９０６℃であり、この温度域で固体と存在し、また鋼板が溶解し形成したビードに悪影響を及ぼさない物質を存在させることで、鋼板間に所定のベースを確保し、Ｚｎ蒸気を鋼板間から放出させることで、上記問題を解決できるからである。このような機能を果たし、かつ溶接ビードに悪影響を与えない材料としては鋼板の材料である鉄が最も好ましい。
【００１１】
また、この鉄の中に特定の元素を添加することで、更に良好な溶接ビードを形成することが出来ることも明らかになった。添加する元素としてはＣ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓでありこれらの元素は溶鉄の表面張力を低下させたり粘度を低下させることで、溶接部で鉄が溶解した後に残留したＺｎ蒸気を系外に放出させやすくさせるからである。また、Ｃｒ，Ｎｉを添加することで溶接部の耐食性が向上できることが明らかになった。
【００１２】
付与する鉄系物質の大きさは３０μｍ〜４００μｍの範囲が効果的である。３０μｍ未満であれば発生するＺｎ蒸気を系外に放出させるのに充分な鋼板間の隙間が確保できず、また４００μｍを超えると隙間が広すぎて良好なビード形成が困難となる。また、付与する鉄系物質の量は１０〜２５０ｇ／ｍ2 が適当である。１０ｇ／ｍ2 以下では安定した隙間を確保することが困難で、また、２５０ｇ／ｍ2 を超えると付与した鉄系物質で隙間が埋め尽くされ、Ｚｎ蒸気の放出が困難となるからである。また、鉄系物質を付与する領域は溶接線に沿った両側１０ｍｍ以内の部分に付与すれば良い。それを超えた外側の領域に付与しても効果が少ない。
【００１３】
また、鉄系物質内に添加する元素としてはＣ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓが有効であるが、前述のように、これらの元素は溶鉄の表面張力を低下させたり粘度を低下させることで、溶接部で鉄が溶解した後に残留したＺｎ蒸気を形外に放出させやすくするからである。鉄系物質内の含有元素量は多いほうが有効であるが、５０質量％を超えると溶解させること自身が困難となり、またもろくなり目標とする大きさに加工しにくくなる。
上記の方法に従った溶接を行うとビード部のＣｒ，Ｎｉ，Ｃ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓのいずれか１元素以上の濃度が０．０１質量％以上となる。Ｚｎスパッタ発生を抑制するためにはＣ，Ｖ，Ｐ，Ｏ，Ｓのうち１元素以上を含有することは必須であり、また、溶接部の耐食性を向上させる観点からはＣｒ，Ｎｉを含有することが好ましい。
【実施例】
【００１４】
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
板厚０．８ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍで片面あたり５０ｇ／ｍ2 の付着量を有する合金化溶融亜鉛めっき鋼板を２枚重ねてアルミ定盤を用いてボルト間隔３００ｍｍ、クランプトルク１５０ｋｇｆ・ｃｍで固定した。この状態で熱源にＹＡＧレーザー光を焦点距離１００ｍｍのレンズを用いてビームスポット０．５ｍｍに集光し、レーザー加工点出力１．５ｋＷ、走査速度２．５ｍ／ｓで溶接を行った。
【００１５】
真空溶解炉を用いて含有元素種類・比率を種々変化させた鉄系物質を予め準備し、ボールミル（ホソカワミクロン社製アクアマイザＡＱ−２０型）を用いて所定の粒径を有する粉体となるように調整した。粉体の粒径分布は島津製作所社製ＳＡＬＤ−３１００を用いて測定した。準備した粉体は溶接線に沿った両側１０ｍｍ以内に相当する領域に付着量を変化させ付与した。付与方法はスラリー状にして塗布する方法、粘着性のある皮膜を鋼板あるいは鉄系物質の上に形成し付着する方法、鉄系物質を予め磁化し磁力で付着させる方法の３種類で行った。
【００１６】
溶接実施後、ビード中心部から直径１ｍｍのドリルを用いて切粉を採取し、５％塩酸に溶解した後ＩＣＰ分析にて成分分析した。また、ビード形状及び内部健全性を調査するため、目視による外観検査とＪＩＳ  Ｚ３１０４に従ったＸ線透過試験を行った。目視による外観検査では表面から確認出来る穴状の欠陥（ピット）の長さを測定し、ビード全体長さに割合を測定した。
【００１７】
判定基準は以下のとおりである。
（目視試験）
◎：ピットがビード全長に対して２％以下であり、ビード形状が極めて良好。
○：ピットがビード全長に対して５％以下であり、ビード形状が良好。
△：ピットがビード全長に対して５％超２０％以下であり、ビード形状やや不良。
×：ピットがビード全長に対して２０％超であり、ビード形状不良。                ここでいうピットとは表面から見明らかな欠陥である。
【００１８】
（Ｘ線透過試験）
◎：ブローホールがビード全長に対して２％以下。
○：ブローホールがビード全長に対して５％以下。
△：ブローホールがビード全長に対して５％超２０％以下。
×：ブローホールがビード全長に対して２０％超。
さらに、溶接後の試片のビード部から適量切り出し塩酸溶液に溶解後ＩＣＰ成分分析に供した。
【００１９】
更に、溶接部の耐食性を評価するため溶接した試験片に片面あたり１．５ｇ／ｍ2 のりん酸亜鉛処理を行い、その後カチオン電着塗装を１０μｍおよび２０μｍ施した。下に示す過程を１サイクルとするようなサイクル腐食試験を６０サイクル行い、溶接部からの塗膜の膨れ幅を測定した。
０．５％塩水噴霧（３５℃，４ｈｒ）→乾燥（７０℃  ３０％ＲＨ，４ｈｒ）→潤滑（５０℃  ９８％ＲＨ，４ｈｒ）→乾燥（７０℃  ３０％ＲＨ，４ｈｒ）
〔評価基準〕
○：膨れ幅１ｍｍ未満
△：膨れ幅１〜３ｍｍ
×：膨れ幅３ｍｍ超
【００２０】
【表１】
2005111541.tif 000002
【００２１】
表１に示すとおり、Ｎｏ．１〜１８は本発明例であり、Ｎｏ．１９〜２２は比較例である。本発明例はいずれも、鉄系物質を適度に付与した場合には溶接時の爆飛が抑制出来、良好なビード形状でありビード内部も健全であった。すなわち、本発明例Ｎｏ．２〜１４、１８は鉄系物質に溶鉄の表面張力・粘度を低下させる元素を含有するため極めて良好なビードが形成される。一方、本発明例Ｎｏ．１、１５〜１７は鉄系物質に溶鉄の表面張力・粘度を低下させる元素を含有しないため実用上は問題ない健全なビードは生成するが、本発明例Ｎｏ．２〜１４、１８と比較するとピットの生成割合は高くなっている。本発明例Ｎｏ．２，３，４の比較から鉄系物質の付与方法は発揮される効果に影響は与えないことが分る。
【００２２】
本発明例Ｎｏ．４〜８は鉄系物質にＣを含有した場合の適性径・付与量が、また、本発明例Ｎｏ．８〜１２から有効な元素種が明確化する。さらに、本発明例Ｎｏ．１３，１４から復数元素の添加でもその効果に差がないことが分る。また、本発明例Ｎｏ．１５〜１８から耐食性に効果のあるＣｒ，Ｎｉを含有すると電着皮膜の厚みが薄くなっても耐食性が良好となる。一方、比較例Ｎｏ．１９に示すように鉄系物質の径が小さい場合、比較例Ｎｏ．２０のように付着量が不足した場合や比較例Ｎｏ．２１のように付着量が多すぎた場合には良好なビードは形勢されない。また、比較例Ｎｏ．２２のように鉄系物質の径が大きすぎる場合はビードが形成されない。
特許出願人    新日本製鐡株式会社
代理人  弁理士    椎  名      彊  他１