(57)【要約】      （修正有）【課題】銅系ワイヤによる鋼ワークピースのろう付けにおいて、ろう付け速度、ぬれ、外観品質を向上させる。【解決手段】本発明は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＣＯ2、イッテルビウムドープファイバ又はダイオード型のレーザビーム(１）と、溶加材としての消耗ワイヤ（２）と、ガス混合物シールド用ノズル（３）とを使用し、ワークピース間にろう付け溶接継手を生成する。消耗ワイヤは銅系であり、ガス混合物は、４０乃至６０％の酸素と、アルゴン、窒素及びヘリウムから選ばれる残部としての少なくとも１つのガスとを含んでいる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームと、溶加材としての消耗ワイヤと、ガスシールドとしてのガス混合物とを使用し、ワークピース間にろう付け溶接継手を生成する鋼ワークピースのろう付け溶接方法であって、
−  前記消耗ワイヤは銅系であり、
−  前記ガス混合物は、４０乃至６０％の酸素と、アルゴン、窒素及びヘリウムから選ばれる残部としての少なくとも１つのガスとを含んだことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ガス混合物は４５乃至５５％の酸素を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス混合物は約５０％の酸素を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス混合物はアルゴンを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記消耗ワイヤは、銅−珪素又は銅−アルミニウム合金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ワークピースは被覆鋼からなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＣＯ2、イッテルビウムドープファイバ又はダイオード型のレーザ発生器によって得られることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記ガスは、前記レーザビームが通過する凹部又はオリフィスを有するノズルによって送り出されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記ガスの流量は５乃至３０Ｌ／分であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ワイヤの径は０．８乃至２．４ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅系消耗ワイヤにより金属を付加し、所定の位置で適当な酸化性ガスシールドを使用して、レーザビーム、特にはＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザビームにより、鋼、好ましくは被覆鋼からなるワークピースをろう付け溶接するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
「レーザろう付け溶接」のプロセスは、消耗ワイヤと、例えばＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザ発生器が発生したレーザビームとを用いる公知の溶接プロセスであって、そこでは、ワイヤがレーザビームによって溶融されて、互いに接合されるべき複数の金属ワークピース間にろう付け溶接継手を生じさせる。
【０００３】
このプロセスは、主に、自動車産業において、被覆鋼、すなわち、溶融亜鉛鍍金又は電気亜鉛鍍金鋼からなるサンルーフやブーツなどの車体部品の組み立てに使用されている。
【０００４】
このプロセスは、生産性、特には組み立て速度及び殆ど必要がない仕上げ作業の点で、及び、品質、すなわち、魅力的な外観、殆どないワークピースの変形、亜鉛保護被膜の限定された劣化などの点で、産業においてその利点が評価されている。
【０００５】
このプロセスは、シールドガスとともに又はシールドガスなしで用いられてもよい。
【０００６】
しかしながら、シールドガスが無い場合、得られる溶接ビードの外観に、特には、ビードの高いあらさ、ビードの縁に沿ったスモークの沈着、及びばらついたビード形状の問題を生じる。
【０００７】
したがって、これら問題を回避するためには、このプロセスをガスシールドのもとで実行することが好ましい。それゆえ、アルゴン、窒素又はヘリウムなどの不活性シールドガスの使用は、ガスを使用しない場合と比較して、より滑らかであり且つ一般にはより清浄なビード、すなわち、スモークの沈着がより少ないビードを得ることを可能とする。
【０００８】
しかしながら、不活性ガスの使用は、生産性の損失、特にはろう付け溶接速度の低下をもたらす。
【０００９】
これを改善する試みにおいて、特許文献１は、鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金ワークピースをろう付け溶接するために、アルゴンと、ＣＯ2、酸素、水素及び窒素から選ばれる３０体積％までの割合の１以上の活性化合物，好ましくはＣＯ2，とを含んだガス混合物を使用することを提案している。
【００１０】
しかしながら、このガスを用いて得られる結果は、そのようにして得られる溶接ビードにおいて顕著な改善を示さない。
【００１１】
さらに、特許文献２は、ＣＯ2レーザデバイスにより発生させたレーザビームを用いて鋼ワークピースをろう付けするプロセスを提案しており、そこでは、銅系又は青銅系消耗ワイヤが溶加材であり、ガスシールドとしてのガス混合物は、２．５％未満の活性ガスと１０乃至３５％のヘリウムと残部のアルゴンとを含んでおり、それらワークピース間にろう付け溶接継手を生成する。
【特許文献１】国際公開第２００４／０１４５９９号パンフレット
【特許文献２】欧州特許出願公開第１４２８６０４号明細書
【発明の開示】
【００１２】
それゆえ、如何にして、レーザ，特にはＮｄ：ＹＡＧレーザ，を用いて鋼ワークピースをろう付け溶接する既存のプロセスを改良し、生産性を害することなしに魅力的な外観を有する溶接ビードを得るかという問題が生じる。
【００１３】
それゆえ、１つの解決法は、レーザビームと、溶加材としての消耗ワイヤと、ガスシールドとしてのガス混合物とを使用し、ワークピース間にろう付け溶接継手を生成する鋼ワークピースのろう付け溶接プロセスであって、
−  前記消耗ワイヤは銅系であり、
−  前記ガス混合物は、４０乃至６０％の酸素と、アルゴン、窒素及びヘリウムから選ばれる残部としての少なくとも１つのガスとを含んだ
ことを特徴とするプロセスである。
【００１４】
場合により、本発明のプロセスは、以下の特徴：
−  前記ガス混合物は４５乃至５５％の酸素を含んでいること、
−  前記ガス混合物は約５０％の酸素を含んでいること、
−  前記ガス混合物はアルゴンを含んでいること、
−  前記消耗ワイヤは、銅−珪素又は銅−アルミニウム合金から形成されていること、
−  前記ワークピースは被覆鋼からなること、
−  前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＣＯ2、イッテルビウムドープファイバ又はダイオード型のレーザ発生器或いは１．０６μｍの波長を有するビームを放出し得る他の何れかのレーザデバイスによって得られること、
−  前記ガスは、前記レーザビームが通過する凹部又はオリフィスを有するノズルによって送り出されること、
−  前記ガスの流量は５乃至３０Ｌ／分であること、及び
−  前記ワイヤの径は０．８乃至２．４ｍｍであること
の１以上を含んでいてもよい。
【００１５】
それゆえ、本発明のプロセスは、鋼ワークピース、特には亜鉛被覆鋼からなるワークピースをろう付け溶接するための特定の組成を有する酸化性ガスと特定のタイプの銅系消耗ワイヤ、すなわち、無視できない量の銅を含んだワイヤとの組み合わされた使用に基づいている。本発明に係るこの酸化性ガスと銅ワイヤとの特定の組み合わせは、銅ワイヤによるレーザビームの吸収の利益を非常に有利に活用する。
【００１６】
これは、銅によるレーザビームの吸収は、通常は制限され、液相においてかろうじて約１６．１％（レーザビームの入射エネルギーの％）であるためである。しかしながら、この吸収の値は、極めて酸化性のシールドガスが用いられて、金属のビームに曝される表面上にもとの金属よりも遥かに吸収性である酸化物を形成する場合には増加する。
【００１７】
シールドガス流の組成及び発散（dispersion）の安定性のおかげで、一定の酸化及びそれゆえに溶加材へのエネルギーの定常的な供給が可能である。これは、溶加材の均一な溶融を達成可能とする。
【００１８】
それゆえ、本発明の発明者らは、これら現象の利益を享受して、既存のレーザろう付け溶接プロセスを改良するという考えを抱いた。
【００１９】
すなわち、銅系溶加材と、レーザビームのインパクト位置（point of impact）へと適当な送り出しノズルを介して供給され且つ１以上の不活性ガスと４０％を超える酸素とを含んだシールドガス、典型的には、５０体積％の酸素と、アルゴン、窒素又はヘリウムなどの５０体積％の不活性ガスとからなる二元混合物との組み合わせは、レーザろう付け溶接において、酸素の銅への作用のおかげで、より良好にレーザビームを吸収する酸化物を生成し、それゆえ、生産性、すなわち、速度及び／又は溶融した溶加材の量の観点と品質、特にはビードの外観及び高められたぬれの観点とで性能を向上させることを可能とする。
【００２０】
本発明のコンテクストにおいては、安定であり且つ高信頼性のガスシールドを形成可能であり、それゆえ、溶加材の均一な酸化を達成し得るどのような送り出しノズルも使用することができる。
【００２１】
この点で、仏国特許出願公開第０１０７２４５号に記載され、添付の図４に概略的に示す側方（lateral）ノズル３は、ワイヤ２を溶融させるためのレーザビーム１を通過させるように機械加工によってスロットが設けられたノズルであって、効果的なガス被覆をもたらさない従来の円筒ノズルとは異なり、相互作用ゾーンに送り出されるガス混合物の定常性を改良するので特に適している。
【００２２】
これは、そのような従来のノズルでは、或る配置において、得られるガス被覆は周囲空気の侵入により及びそれゆえに大気汚染物によって汚染され、それは、ビードが生成されているときにこれを乱すことが観測されているからである。これは、これら従来のノズルは一般には溶接パドルに対して後退して位置させなければならず、これにより、ガスシールド中への空気の不適当な侵入を許すという事実によって説明される。
【００２３】
全ての場合で、そのプロセスを実行するときには、ノズルから発せられたガスジェットの発散（dispersion）を含み、インパクトゾーン（impact zone）における金属シートの表面で可能な最も乱れのない一次元層流を得ることに注意が払われなければならない。それゆえ、相互作用ゾーンは完璧にシールドされ、レーザ溶接プロセスはより効果的になるであろう。
【００２４】
特に、仏国特許出願公開第０１０７２４５号に係るノズルを用いると、ノズルの口を過ぎたガスの層流特性は、レーザビームが通過するノズルの凹んだ末端部のおかげで保たれ、その末端部の側壁はシールドガスの更なる案内を提供するであろう。
【００２５】
加えて、そのようなノズルを用いると、「ホット」ワイヤ、すなわち、ジュール（抵抗）加熱によって予備加熱したワイヤを使用することができる。というのは、このように、ワイヤの加熱される全長に亘って気体環境が制御されるからである。
【００２６】
例
本発明のプロセスの有効性を示すため、レーザビームを発生するＮｄ：ＹＡＧレーザ発生器と、溶加材としての直径が１．６ｍｍの銅−珪素（ＣｕＳｉ3）消耗ワイヤとを用いて、レーザろう付け溶接の比較試験を実行した。
【００２７】
溶接したワークピースは、亜鉛鍍金鋼製、すなわち、厚さが０．８ｍｍの亜鉛表面被覆を有するものであった。
【００２８】
使用したシールドガスは、本発明に係る等体積のＡｒ／Ｏ2混合物（試験Ｅ）か、又は、適当な場合には従来技術に係るガス（試験Ａ乃至Ｄ）であった。試験Ｂにおいて、ろう付け溶接は、シールドガスなしで、それゆえ、周囲空気中で実行した。
【００２９】
ガスの流量は２０Ｌ／分であり、圧力は約１バール、すなわち、大気圧より僅かに高かった。それらガスは、図４に概略的に示す凹部を設けたノズル１によって送り出した。
【００３０】
それら結果は、以下の表に与えられている。
【表１】
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【００３１】
図１は、試験Ｂで、すなわち、シールドガスなしで及びそれゆえにビードを周囲空気に曝して得られた溶接ビードを示している。このビードは、スモーク沈着を含み、荒れた外観を有し、中高であるので、低品質であることがわかるであろう。
【００３２】
図２は、試験Ｃで、すなわち、酸素含量が僅かに約３０％である従来技術に係る混合物を用いて得られた溶接ビードを示している。図示するように、得られたビードは、スモークが縁に沈着し、表面凹凸が未だ観測されるため、完璧ではない。
【００３３】
図３は、試験Ｅで、すなわち、本発明に係る混合物を用いて得られた溶接ビードを示している。このビードは、非常に魅力的な外観を有していること、すなわち、ビードは、滑らかで、安定し、非常に艶があり、スモーク沈着が全くないことがわかる。
【００３４】
さらに、得られた溶接速度（表を参照）を考慮すると、本発明のガス混合物は、最大の溶接速度、すなわち、２．５ｍ／分の速度を与えている。
【００３５】
それゆえ、本発明のプロセスは、得られるビードの品質を高めることだけでなく、高い溶接速度を有すること、及び、それゆえに良好な生産性を維持することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シールドガスなしで得られた溶接ビードを示す図。
【図２】酸素含量が僅かに約３０％である従来技術に係る混合物を用いて得られた溶接ビードを示す図。
【図３】本発明に係る混合物を用いて得られた溶接ビードを示す図。
【図４】ノズルを示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１…レーザビーム、２…ワイヤ、３…ノズル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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