(57)【要約】【課題】  亜鉛系めっき鋼板をレーザ溶接する際に、発生する亜鉛蒸気の弊害を除去して、ブローホールの発生を抑制したレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】  亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザ溶接する際に、生成される溶融金属中にＡｌを含ませることにより、溶融金属の粘性を低下させて溶接の際に生成された蒸気状の亜鉛を溶融金属内から排出しやすくし、結果的に溶接金属内にブローホールの残存を抑制することができる。  Ａｌを含ませる手段としては、めっき鋼板としてＡｌを含むものを用いるか、別途金属Ａｌをレーザ照射部位に予めあるいは照射中に供給する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザ溶接する際に、レーザ照射により生成された溶融金属中にＡｌを含ませることを特徴とする亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項２】
溶融金属中にＡｌを含ませる手段として、Ａｌを含む亜鉛系めっきを施した鋼板を用いる請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項３】
溶融金属中にＡｌを含ませる手段として、予めめっき層上にあるいは他の金属表面に別途Ａｌ被覆層を形成する請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項４】
溶融金属中にＡｌを含ませる手段として、被溶接体のレーザ照射面に予め板状，箔状，線状，粉末状のＡｌを載置するか、または被溶接材間に予め板状，箔状，線状，粉末状のＡｌを介在させる請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法。
【請求項５】
溶融金属中にＡｌを含ませる手段として、レーザ照射時に照射部位の溶融金属に線状あるいは粉末状のＡｌ材を供給・添加する請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を重ね合わせた状態でレーザ溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛系めっき鋼板は、非常に優れた耐食性を有していることから、建材，家電，自動車などの多くの産業分野で使用されている。またその鋼板を用いた部品を接合する方法としては、従来、亜鉛系めっき鋼板をプレスなどで成形した後、スポット溶接かアーク溶接で接合することが一般的であった。しかし、近年、生産効率や設計の自由度を高めるために、レーザ溶接に置き換える傾向が多くなっている。
ところで、亜鉛系めっき鋼板をレーザ溶接しようとすると、溶接部やその周辺部のめっき層の亜鉛が蒸気化して溶接部に入り込み、ブローホールといった欠陥が発生する場合がある。それらの欠陥は、例えば図１に示すように、亜鉛系めっき鋼板１同士、あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属板１’を密接して重ね合わせた被溶接材２の上方より、レーザ光３を照射して溶接する場合に、重ね合わせた板間４からの亜鉛蒸気の発生で多くなる傾向がある。そのため、重ね合わせた鋼板の板間にスペーサを挿入して隙間を形成し、その隙間から亜鉛蒸気を逃がすといった方法が採られている。
【０００３】
しかしながら、スペーサの挿入にはかなりの手間がかかるため、溶接箇所が多い場合には生産時間の増加を招いてしまうという問題がある。そのため、スペーサなしで亜鉛蒸気発生によるブローホールといった欠陥の発生量を低減させる方法が、これまでに数多く提案されている。
例えば、特許文献１では、レーザ光の出力を制御して、ピークの低いパルスの第１のレーザ光とピークの高いパルスの第２のレーザ光とを被溶接部位に交互に照射し、第１のレーザ光により亜鉛めっき層を除去し、第２のレーザ光により両鋼板の溶接を行う方法が提案されている。また、特許文献２では、レーザ光を照射すべき中心線上に予め間隔をあけて局所的にスポット溶接を行い、板間に熱歪みによる隙間を形成した後、上記中心線に沿ってレーザ光を連続的に照射し、前記隙間から亜鉛蒸気を逃しつつ溶接する方法が提案されている。さらに、特許文献３，４では、予め亜鉛めっき鋼板の表面に凹凸や窪みを形成し、その隙間から発生する亜鉛蒸気を逃がしつつ亜鉛めっき鋼板をレーザ溶接する方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２５１６８４号公報
【特許文献２】特開平７−８０６６９号公報
【特許文献３】特開２００２−３６１４５５号公報
【特許文献４】特開２００２−３４６７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案された方法では、レーザ光出力を調整する必要があり、しかも被溶接箇所を２回照射することになるため、設備コストが増加するとともに時間もかかり結果的にコストが高くなる。また、特許文献２の方法も、複数回のレーザ照射を行わなければならず、時間もコストもかかる。さらに、特許文献３，４で提案された方法も、凹凸や窪みの形成のために別途の工程を必要とするため、時間もコストもかかる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、亜鉛系めっき鋼板をレーザ溶接する際に、発生する亜鉛蒸気の弊害を除去して、ブローホールの発生を抑制したレーザ溶接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】
本発明の亜鉛系めっき鋼板のレーザ溶接方法は、その目的を達成するため、亜鉛系めっき鋼板同士あるいは亜鉛系めっき鋼板と他の金属を組み合わせた被溶接体をレーザ溶接する際に、レーザ照射により生成された溶融金属中にＡｌを含ませることを特徴とする。
溶融金属中にＡｌを含ませる手段としては、めっき層としてＡｌを含む亜鉛系めっきを施した鋼板を用いることができる。また、予めめっき層上にあるいは他の金属表面に別途Ａｌ被覆層を形成してもよい。さらに、被溶接体のレーザ照射面にＡｌを載置するか、または被溶接材間に予めＡｌを板状，箔状，線状，粉末状で介在させていても、あるいはレーザ照射時に照射部位の溶融金属に線状あるいは粉末状のＡｌ材を供給・添加してもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明者等は、亜鉛系めっき鋼板をレーザ溶接する際、図１に示したように亜鉛系めっき鋼板１，１を重ね合わせた状態の被溶接材２の上方から、レーザ光３を与えて溶接する場合でのブローホール発生状況を観察・検討した。その結果、ブローホールの発生量は、レーザ溶接中に溶融金属内に入り込むＡｌ量、すなわち、溶融金属内に含有されるＡｌ量に左右されることを見出して本発明に到った。
レーザ溶接では、亜鉛系めっき鋼板のめっき原板である母材鋼板も溶融されてしまう。母材鋼板の主成分である鉄が溶融状態にある場合、様々な金属成分が添加されるとその粘性が変化することが知られている。図２に、溶融状態にある鉄の粘性に対する種々の添加金属の影響を示す。溶融状態の鉄の粘性に対しては、Ａｌは大きく影響し、微量なＡｌが添加されてもその粘性は急激に低下する傾向がある。本発明はその傾向を最大限に活用して、レーザ溶接の際に生成される溶融金属中にＡｌを含ませることにより、溶融金属の粘性を低下させ、溶接の際に生成された蒸気状の亜鉛を溶融金属内から排出しやすくし、結果的に溶接金属内にブローホールの残存を抑制することができたものである。このため、簡単な方法でブローホールのない良好な品質の溶接継手を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に示した、継手およびレーザ光の照射態様において、板厚が０．８ｍｍで片面めっきの厚みが２０μｍの亜鉛系めっき鋼板１，１を用い、種々の方法でＡｌを添加、介在あるいは挿入してレーザ溶接を行った場合の、ブローホールの発生量を調査した。
まず、亜鉛系めっき鋼板のめっき層に含有させるＡｌ量を変えてレーザ溶接を行った。そして発生するブローホール量の推移を溶接部の上面からＸ線検査を行って求めた。その結果を図３に示す。ブローホールの発生量はめっき層に含まれるＡｌ量が増加するほど減少する傾向にあることがわかった。
ブローホール発生量の低下原因を探るため溶接部に含まれるＡｌ量を溶接していない部分との比率で見たところ、図４に示すように、亜鉛系めっき鋼板１，１のめっき層に含まれるＡｌ量が増加するとともに、溶接部に含まれるＡｌ量も増加することがわかった。
【０００９】
上記したように、レーザ溶接では、亜鉛系めっき鋼板１，１のめっき原板である母材鋼板も溶融されてしまう。母材鋼板の主成分である鉄が溶融状態にある場合、図２にみられるように、添加された金属成分の種類および量に応じてその粘性が変化する。その変化に対するＡｌの影響は他の金属成分と比べて格段に大きい。そして、微量なＡｌの添加であっても、その粘性を急激に低下させる。
亜鉛系めっき鋼板１，１のめっき層にＡｌを含有させてレーザ溶接した場合、そのめっき層内のＡｌが溶融した母材鋼板に入り込み、その粘性を低下させることによって、図５に示すように、溶接の際に板間４から発生した蒸気状の亜鉛５が溶融金属６内から排出しやすくなる。そのため、溶接部７に残るブローホール８の発生量を少なくすることができている。
【００１０】
次に、亜鉛系めっき鋼板１とめっきを施していない冷延鋼板１’とを図１に示した状態でレーザ溶接を行った。その際にも、亜鉛系めっき鋼板のめっき層に含有させるＡｌ量を種々変化させて発生するブローホール量の推移比較した。その結果、図３に示した傾向と同様な傾向を示したが、板間に存在するめっき層の厚み、すなわち亜鉛の量が、亜鉛系めっき鋼板１，１同士を溶接した場合よりも少ないため、ブローホール発生量は少なくなっている。
亜鉛系めっき鋼板１とめっきを施していない冷延鋼板１’とのレーザ溶接でブローホール発生量が、亜鉛系めっき鋼板１，１同士の場合と同様の傾向を示したのも、溶融金属６内にＡｌが混入してその粘性が低下したことが原因である。
【００１１】
さらに、亜鉛系めっき鋼板１，１同士を図１に示した状態に設置してレーザ溶接する際に、レーザ光３の照射位置にＡｌ板を載置して溶接した。その際のブローホール発生量も、Ａｌ板の板厚が増加するほど減少する傾向を示し、図３に示した状態と同じ傾向を示していた。
さらにまた、亜鉛系めっき鋼板のレーザ光３照射位置のめっき層上にＡｌを溶射により被覆した鋼板を用いて同様にレーザ溶接したところ、ブローホール発生量も、被覆したＡｌの溶射膜厚が増加するほど減少する傾向を示していた。図３に示した傾向と同じであった。レーザ光３照射位置のＡｌ被覆は、片面，両面ともに行ったが、ブローホール発生量の減少傾向は同一であるものの、発生したブローホール数の絶対数は両面に被覆した方が少なくなる傾向であった。
これらの場合も、溶融金属６内にＡｌが混入して蒸気化した亜鉛５が溶融金属６から排出しやすくなったことが原因である。
【００１２】
予め、Ａｌを存在させておくのではなく、レーザ溶接中にレーザで溶融された溶融金属部に、線状，粉末状のＡｌ材を別途供給・添加しても、同様の作用・効果を発揮することができる。
上記で示したような傾向は、図１に示したようなＺｎ系めっき鋼板同士、あるいは溶融Ｚｎ系めっき鋼板と他の金属を重ね合わせた被溶接材の上面からレーザ光を照射して溶接する場合に限らず、重ね合わせすみ肉溶接や突合せ継手溶接でも同じであることを、本発明者は確認している。
【実施例１】
【００１３】
板厚が０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、めっき付着量が片面１２０ｇ／ｍ2のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板１，１同士を、図１に示すように密接して重ね合わせてレーザ溶接を行った。この際、Ｚｎ−Ａｌ系めっき鋼板として、めっき層中のＡｌ濃度が、６質量％，１０質量％，２０質量％，３０質量％，５５質量％，７０質量％および８０質量％の７種類のめっき鋼板を準備した。なお、めっき鋼板の原板である母材鋼板は、Ｃ：０．０３７質量％，Ｓｉ：０．００２質量％，Ｍｎ：０．２６質量％，Ｓ：０．０１１質量％，Ａｌ：０．０４質量％を有する冷延鋼板である。
ビームモードがマルチモードのＹＡＧレーザ溶接機を用い、レーザ出力を２．５ｋＷ，焦点距離を２００ｍｍ，溶接速度を２ｍ／ｍｉｎの溶接条件とした。また、レーザビームの焦点位置を上側のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板１の表面とし、焦点位置でのレーザビームスポット系を０．６ｍｍとした。
溶接したサンプルは、溶接ビード上面よりＸ線検査を行って、ブローホールの個数を計測した。ブローホール発生量は、溶接ビードの１００ｍｍ当りの個数として表し、結果を図６の実線で示す。
ブローホール発生量は、めっき層中に含まれているＡｌ量が多くなるほど少なくなっている。また、溶接部７に含まれるＡｌ量も、図７の実線で示すように、めっき層中に含まれているＡｌ量が多くなるほど増加する傾向が見られた。
【実施例２】
【００１４】
板厚が０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、めっき付着量が片面１２０ｇ／ｍ2のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板１と、同寸法の冷延鋼板１’を、図１に示すように密接して重ね合わせてレーザ溶接を行った。この際のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板としても、めっき層中のＡｌ濃度が、６質量％，１０質量％，２０質量％，３０質量％，５５質量％，７０質量％および８０質量％の７種類のめっき鋼板を準備した。なお、めっき鋼板、冷延鋼板とも、原板は実施例１と同じものである。
ビームモードがマルチモードのＹＡＧレーザ溶接機を用い、レーザ出力を２．５ｋＷ，焦点距離を２００ｍｍ，溶接速度を２ｍ／ｍｉｎの溶接条件とした。また、レーザビームの焦点位置を上側のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板１の表面とし、焦点位置でのレーザビームスポット系を０．６ｍｍとした。
溶接したサンプルは、溶接ビード上面よりＸ線検査を行って、ブローホールの個数を計測した。ブローホール発生量は、溶接ビードの１００ｍｍ当りの個数として表し、結果を図６の破線で示す。
ブローホール発生量は、めっき層中に含まれているＡｌ量が多くなるほど少なくなり、実施例１のＺｎ−Ａｌ系めっき鋼板同士をレーザ溶接した場合よりもブローホール数が少なくなっている。また、溶接部７に含まれるＡｌ量も、図７の破線で示すように、めっき層中に含まれているＡｌ量が多くなるほど増加する傾向が見られた。
【実施例３】
【００１５】
板厚が０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、めっき付着量が片面１２０ｇ／ｍ2のＺｎめっき鋼板１，１同士を、図１に示すように密接して重ね合わせてレーザ溶接を行った。この際、上側のＺｎめっき鋼板上に、板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、板厚を、０．０５ｍｍ，０．１ｍｍ，０．１５ｍｍのＡｌ板を各々載せて、Ａｌ板の表面をレーザ照射面とした。なお、めっき鋼板の原板は実施例１と同じものである。
ビームモードがマルチモードのＹＡＧレーザ溶接機を用い、レーザ出力を２．５ｋＷ，焦点距離を２００ｍｍ，溶接速度を２ｍ／ｍｉｎの溶接条件とした。また、レーザビームの焦点位置を上側のＡｌ板１の表面とし、焦点位置でのレーザビームスポット系を０．６ｍｍとした。
溶接したサンプルは、溶接ビード上面よりＸ線検査を行って、ブローホールの個数を計測した。ブローホール発生量は、溶接ビードの１００ｍｍ当りの個数として表し、結果を図８の実線で示す。
ブローホール発生量は、Ａｌ板の板厚が大きくなるほど少なくなっている。また、溶接部７に含まれるＡｌ量も、図９の実線で示すように、Ａｌ板の板厚が大きくなるほど増加する傾向が見られた。
【実施例４】
【００１６】
板厚が０．８ｍｍ，板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、めっき付着量が片面１２０ｇ／ｍ2のＺｎめっき鋼板１と、同寸法の冷延鋼板１’を、図１に示すように密接して重ね合わせてレーザ溶接を行った。この際、めっき鋼板の板間に、板幅が５０ｍｍ，全長が２００ｍｍで、板厚を、０．０５ｍｍ，０．１ｍｍ，０．１５ｍｍのＡｌ板を各々挿入し、めっき鋼板の表面をレーザ照射面とした。なお、この実施例で用いためっき鋼板，冷延鋼板とも原板は実施例１と同じものである。
ビームモードがマルチモードのＹＡＧレーザ溶接機を用い、レーザ出力を２．５ｋＷ，焦点距離を２００ｍｍ，溶接速度を２ｍ／ｍｉｎの溶接条件とした。また、レーザビームの焦点位置を上側のＡｌ板１の表面とし、焦点位置でのレーザビームスポット系を０．６ｍｍとした。
溶接したサンプルは、溶接ビード上面よりＸ線検査を行って、ブローホールの個数を計測した。ブローホール発生量は、溶接ビードの１００ｍｍ当りの個数として表し、結果を図８の破線で示す。
ブローホール発生量は、Ａｌ板の板厚が大きくなるほど少なくなり、実施例３のＺｎめっき鋼板同士をレーザ溶接した場合よりもブローホール数が少なくなっている。また、溶接部７に含まれるＡｌ量も、図９の破線で示すように、Ａｌ板の板厚が大きくなるほど増加する傾向が見られた。
【比較例】
【００１７】
比較例として、めっき層にＡｌを含んでいないＺｎめっき鋼板１，１を用いて実施例１と同様の条件でのレーザ溶接を行った。前記Ｚｎめっき鋼板の母材も実施例と同じであり、片面のめっき付着量も同一の１２０ｇ／ｍ2とした。また溶接したサンプルは実施例と同じ方法でブローホール発生量を測定した。
その結果、図６の黒丸のプロットで示すように、ブローホール発生量はめっき層にＡｌを含ませたＺｎ−Ａｌめっき鋼板をレーザ溶接した場合よりも多くなった。また溶接部に含まれるＡｌ量は図７の黒丸のプロットで示すように、めっき原板である母材のＡｌ含有量と同じであり、増加していないことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】レーザ溶接する態様の一例を示す概略図
【図２】溶融金属の粘性に及ぼす含有金属成分の影響を示す図
【図３】めっき層中に含まれるＡｌ量に対するブローホール発生量を示す図
【図４】溶接部と母材部に含まれているＡｌ量を比較した図
【図５】亜鉛蒸気とブローホールの発生状況を説明する図で、（ａ）が溶融状態を、（ｂ）が凝固状態を示す
【図６】本実施例での、Ａｌ含有量の違いによるブローホール発生量の違いを説明する図
【図７】本実施例での、溶接部に含まれるＡｌ量を母材のＡｌ量との比率で示した図
【図８】Ａｌ板を載置、挿入した場合での、Ａｌ量の違いによるブローホール発生量の違いを説明する図
【図９】Ａｌ板を載置、挿入した場合での、溶接部に含まれるＡｌ量を母材のＡｌ量との比率で示した図
【符号の説明】
【００１９】
１：亜鉛系めっき鋼板    １’：亜鉛系めっき鋼板以外の金属    ２：被溶接材    
３：レーザ光    ４：板間    ５：亜鉛蒸気    ６：溶融金属    ７：溶接部    
８：ブローホール    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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