(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね面の少なくとも一方が、母材金属の融点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法において、レーザ照射側の金属に溶け込み深さｄ（ｍｍ）がその肉厚ｔ（ｍｍ）の０．６０〜０．９５倍になる第１のレーザビームを照射することによってレーザ照射側金属の裏面に凸部を形成させて重ね面間に隙間を生じさせた後、第１のレーザビームの照射線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に第２のレーザビームを照射して重ね合わせられた金属相互を溶融接合させる表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法。
【請求項２】
前記第１と第２のレーザビームとして、１基のレーザ発振機から伝送されてくる１つのレーザビームを２つに分岐させた分岐レーザビームを用い、この分岐レーザビームを溶接線方向に近接配置して連続的に溶融接合をおこなう請求項１に記載の表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法。
【請求項３】
前記第１と第２のレーザビームとして、２基のレーザ発振機から伝送されてくる別々のレーザビームを用い、この別々のレーザビームを溶接線方向に近接配置して連続的に溶融接合をおこなう請求項１に記載の表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面が母材金属の融点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属同士のレーザ重ね溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面がコーティングされた金属は、母材金属以上の優れた特性を有することから様々な分野で使用されている。コーティングには、亜鉛、錫、アルミニウムおよびこれら金属の合金によるものや、有機材料によるものがあり、主として耐食性を高めるためにおこなわれる。コーティングを施される材料としては、鉄鋼材料が最も代表的であり、中でも亜鉛めっき鋼板は、その優れた特性のため、自動車、家電、重電製品、産業機械、建材等幅広い分野で用いられている。
【０００３】
以下、亜鉛めっき鋼板を例に説明する。このような、亜鉛めっき鋼板を溶接する方法としては、スポット溶接、シーム溶接、アーク溶接等があるが、近年、レーザ溶接の適用も検討されている。
【０００４】
しかし、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接では、継手の形状が重ね継手の場合、溶接欠陥が多発し、良好なビードが得られなくなることが知られている。これは、亜鉛の沸点（９０６℃）が、鉄の融点（約１５００℃）よりも低いことに起因する。
【０００５】
つまり、つまり、亜鉛めっき鋼板の重ね溶接では、図５に示すように、レーザビーム１の照射による溶接熱により上板２と下板３の母材鋼が溶融するが、この時、重ね面４の亜鉛も蒸発する。上板２と下板３が密着した状態では、亜鉛蒸気５は重ね面４を通って外部に抜けることができない。このため、図中に黒塗り矢符で示すように、亜鉛蒸気５は溶融池６を通って外に抜けようとする。その結果、溶融金属の一部がスパッタ７となって吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気５が残こり、凝固後の溶接金属８中に溶接欠陥９が生じ、溶接部の機械的特性や見栄えが悪くなる。
【０００６】
このような観点から、亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接時の欠陥対策には、重ね面に亜鉛蒸気の抜け道を作ることによって重ね面の圧力を下げ、溶融池への亜鉛蒸気の進入を防ぐことが最も有効で、必要な隙間の最小値としては０．０３〜０．０５ｍｍ程度であるといわれている。
【０００７】
亜鉛蒸気の抜け道を作るなどして欠陥の発生を防ぐようにした亜鉛めっき鋼板の重ね溶接方法としては、次のような方法がある。
【０００８】
(1) 重ね合わせるべき一方の亜鉛めっき鋼板に予め塑性加工を施して重ね面に適当な隙間を形成させるための高さが同じ突起部を形成させておく方法（特開平１０−２１６９７４号公報）。
【０００９】
(2) レーザ照射側にある亜鉛めっき鋼板の端部は拘束せずに２枚の亜鉛めっき鋼板を支持し、レーザ照射側の亜鉛めっき鋼板のみを重ね溶接位置より拘束側位置において予め溶融させてその端部を上反り変形させることで重ね面に隙間を形成し、その後２枚の鋼板を重ね溶接する方法（特開平７−３２１８０号公報）。
【００１０】
(3) エネルギー密度が低いレーザ光で亜鉛を蒸発、離散させ、エネルギー密度の高いレーザ光で溶融接合する方法（特開平４−２３１１９０号公報）。
【００１１】
しかし、上記(1) の方法は、重ね面に適当な隙間を形成させる得る高さが同じ突起部を形成するのは極めて難しく、隙間が大きすぎると溶接できず、逆に狭すぎると所望の効果が得られないのに加え、重ね合わせ部の鋼板表面に窪みが存在し、外観が悪くなるという欠点がある。
【００１２】
また、(2) の方法は、溶接ビードが２本並ぶため外観が悪いのに加え、溶接熱により亜鉛めっきが除去された領域が広いために耐食性がよくないという欠点がある。
【００１３】
さらに、(3) の方法は、単にエネルギー密度の低いレーザビームを照射したのでは、重ね面の亜鉛蒸気は重ね面に隙間が存在しない限り重ね面からほとんど除去されず、実際には欠陥が発生する。また、エネルギー密度の低いレーザビームによる溶け込み深さがレーザ照射側の鋼板の裏面にまで達すると、亜鉛による欠陥が発生し、十分な特性を持った重ね継手が得られないという欠点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、亜鉛のような表面コーティング物質の蒸気起因の溶接欠陥が少なくて継手の性能に優れ、しかも表面の外観性および耐食性が良好な重ね継手を得ることが可能な表面コーティング金属のレーザ重ね溶接方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の表面コーティング金属のレーザ重ね溶接方法にある。
【００１６】
重ね面の少なくとも一方が、母材金属の融点よりも低い沸点の物質でコーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法において、レーザ照射側の金属に溶け込み深さｄ（ｍｍ）がその肉厚ｔ（ｍｍ）の０．６０〜０．９５倍になる第１のレーザビームを照射することによってレーザ照射側金属の裏面に凸部を形成させて重ね面間に隙間を生じさせた後、第１のレーザビームの照射線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に第２のレーザビームを照射して重ね合わせられた金属相互を溶融接合させる表面コーティングされた金属のレーザ重ね溶接方法。
【００１７】
上記本発明の方法においては、第１と第２のレーザビームとして、１基のレーザ発振機から伝送されてくる１つのレーザビームを２つに分岐させた分岐レーザビームあるいは２基のレーザ発振機から伝送されてくる別々のレーザビームを溶接線方向に近接配置して連続的に溶融接合をおこなうのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明のレーザ重ね溶接方法について詳しく説明する。なお、以下の説明においては、従来と同一または実質的に同じ部分には従来と同じ符号を付して示し、その詳しい説明を省略する場合がある。
【００１９】
図１は、本発明のレーザ重ね溶接方法を示す摸式図であり、同図（ａ）はレーザビーム１が照射される側の上板２のみを溶かす第１工程、同図（ｂ）は上板２と下板３を溶融接合する第２工程である。
【００２０】
第１工程と第２工程よりなる本発明の方法において最も重要な点は、第１工程での溶け込み深さｄ（ｍｍ）である。すなわち、この溶け込み深さｄが浅い場合には上板２の裏面が平らなままであるが、溶け込み深さｄが深くなると、同図（ａ）に示すように、上板２の裏面に凸部２ａが生じる現象が認められ、凸部２ａは溶け込み深さｄの増加に伴って大きくなる。その結果、凸部２ａにより、上板２と下板３の重ね面間に亜鉛蒸気の抜け道としての隙間Ｇを形成させることができるからである。
【００２１】
そして、通常、レーザ重ね溶接の対象とされる板厚ｔが０．５〜２．４ｍｍ、目付量が４０〜６０ｇ／ｍ2 の亜鉛めっき鋼板は勿論、板厚と目付量が異なる亜鉛めっき鋼板およびその他の鉄の融点よりも沸点が低い物質で表面コーティングされた鋼板においても、上板２の板厚をｔとした場合、その溶け込み深さｄを板厚ｔの０．６０倍以上にすると、上板２と下板３の重ね面間に０．０３ｍｍ程度の隙間Ｇが形成され、亜鉛蒸気起因の欠陥が激減して良好な重ね継手が得られることを確認した。このため、本発明においては、第１工程における上板２の溶け込み深さｄの下限値を、上板２の板厚ｔの０．６０倍と定めた。なお、上板２の溶け込み深さｄの好ましい下限値は０．７、より好ましい下限値は０．７５である。
【００２２】
しかし、溶け込み深さｄが上板２の裏面にまで達すると、第１工程時に亜鉛蒸気が溶融池に進入し、亜鉛蒸気起因の欠陥が多発した。このため、溶け込み深さｄの上限は、板厚ｔの０．９５倍とした。
【００２３】
なお、溶け込み深さｄが板厚ｔの０．９５倍の時における凸部２ａの高さは、最大でも０．１２ｍｍ程度であり、凸部２ａに起因するアンダーフィルなどの溶接欠陥は生じなかった。
【００２４】
第２工程では、第１工程よりも高出力または高エネルギー密度のレーザビーム１０を照射することによって上板２と下板３を溶融接合させる。この時、レーザビーム１０の照射位置は、第１工程でのレーザビーム１の照射線を中心とする幅方向４ｍｍの範囲内に照射する必要がある。これは、第２工程において、前記の範囲を超える領域にレーザビーム１０を照射すると、亜鉛の犠牲防食作用が低下して溶接ビードの耐食性が低下するためである。なお、第２工程におけるレーザビーム１０の照射位置は、第１工程におけるレーザビーム１の照射位置に一致させるのが最も好ましいことはいうまでもない。
【００２５】
第１工程と第２工程は、１基のレーザ溶接機を用い、溶接線全長にわたって第１工程を終了した後、レーザ溶接機のレーザ出力またはレーザビームのエネルギー密度を変更して第２工程をおこなってもよいが、作業能率を向上させる観点からは、図２に示すように、連続的におこなうのが好ましい。
【００２６】
すなわち、図２に示す方法は、レーザ照射側の上板２の裏面に凸部２ａを形成させる第１工程用のレーザ溶接トーチ１ａと、上板２と下板３とを溶融接合させる第２工程用のレーザ溶接トーチ１０ａとを溶接線方向に近接配置しておこなう方法である。
【００２７】
第１工程用のレーザ溶接トーチ１ａと第２工程用のレーザ溶接トーチ１０ａに伝送するレーザビーム１と１０は、１基のレーザ発振機のレーザビームを例えばエネルギー密度の異なる２つのレーザビームに分岐させたビームであってもよいし、例えばレーザ出力が異なる２基のレーザ発振機から発振される２つのビームのいずれであってもよい。
【００２８】
また、レーザの種類は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2 レーザ、ヨウ素レーザ、ＣＯレーザ、半導体励起レーザなどのいずれであってもよく、その発振モードも連続またはパルスのいずれであってもよい。
【００２９】
【実施例】
《実施例１》
両面に目付量４５ｇ／ｍ2 の合金化溶融亜鉛めっき（Ｚｎ−Ｆｅ）が施された板厚０．８ｍｍの軟鋼製鋼板を準備し、その両端部を重ね合わせて図３に示す状態にクランプした。
【００３０】
次いで、連続発振モードのＹＡＧレーザ発振機を用い、第１工程終了後に第２工程をおこなう重ね溶接をおこなった。
【００３１】
その際、第１工程では、レーザ発振機のレーザ出力を種々変えて溶け込み深さｄを種々変化させた。また、第２工程では、第１工程と同じ位置にレーザビームを照射した。
【００３２】
そして、各溶接材の溶接ビードの表面を目視観察し、溶接ビード１００ｍｍ当たりのピットなどの欠陥発生個数を調べた。
【００３３】
また、各溶接材からは、図４示す形状寸法の試験片を切り出し採取して室温下で引張試験をおこない、その継手強度も調べた。なお、継手強度は、破断強度が母材の破断強度の９０％以上のものを良好「○」、９０％未満のものを不芳「×」として評価し、その結果を表１に示した。
【００３４】
【表１】
0004356236.tif 000002
表１からわかるように、第１工程での溶け込み深さｄが本発明で規定する範囲内の試番４〜６では、溶接ビード表面の欠陥数が皆無であり、かつ継手強度も良好であった。
【００３５】
これに対し、第１工程での溶け込み深さｄが本発明で規定する範囲を外れる試番１〜３および７では、溶接ビード表面の欠陥数が５〜１８個と多く、かつ継手強度も不芳であった。
【００３６】
《実施例２》
両面に目付量５０ｇ／ｍ2 の合金化溶融亜鉛めっき（Ｚｎ−Ｆｅ）が施された板厚０．８ｍｍの軟鋼製鋼板を準備し、その両端部を重ね合わせて図４に示す状態にクランプした。
【００３７】
次いで、連続発振モードの１基のＹＡＧレーザ発振機のレーザビームを分岐させ、図２に示す態様で第１工程終了と第２工程とを連続的におこなう重ね溶接をおこなった。
【００３８】
その際、第１工程では、分岐させたレーザビームのエネルギー密度を種々変えて溶け込み深さｄを種々変化させた。また、第１工程と第２工程のレーザビームの照射間隔は１０ｍｍとし、第２工程のレーザビームは第１工程と同じ位置に照射した。なお、第１工程での溶け込み深さｄは、予め試験をおこなって測定した値である。
【００３９】
そして、各溶接材の溶接ビードの表面を目視観察し、溶接ビード１００ｍｍ当たりのピットなどの欠陥発生個数を調べた。
【００４０】
また、各溶接材からは、実施例１の場合と同じ試験片を切り出し採取して室温下で引張試験をおこなって継手強度を調べ、実施例１の場合と同じ基準に従ってその継手強度を評価し、その結果を表２に示した。
【００４１】
【表２】
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表２からわかるように、第１工程での溶け込み深さｄが本発明で規定する範囲内の試番１１〜１３では、溶接ビード表面の欠陥数が皆無であり、かつ継手強度も良好であった。
【００４２】
これに対し、第１工程での溶け込み深さｄが本発明で規定する範囲を外れる試番８〜１０および１４では、溶接ビード表面の欠陥数が５〜１８個と多く、かつ継手強度も不芳であった。
【００４３】
《実施例３》
第１工程のレーザビーム位置に対して第２工程のレーザビーム照射位置を種々変化させた以外は実施例１の試番５と同じ条件で重ね溶接をおこなった。
【００４４】
そして、実施例１と同様の方法により各溶接材の溶接ビード表面の欠陥発生個数と継手強度を調べる一方、下記条件の耐食性試験に供して溶接ビード近傍表面の耐食性を調べた。
【００４５】
＜耐食性試験条件＞
前処理；
(A) 脱脂、
(B) 日本ペイント(株)社製のＳＤ２６０２Ｍ２による化成処理、
(C) 同上社製のＵ−２６０２による膜厚１０μｍの電着塗装、
腐食試験（下記(a)→(b)→(c)を１サイクルとする複合サイクル試験）；
(a) ５質量％ＮａＣｌ水溶液噴霧４時間、
(b) 湿度９５％環境への暴露２時間、
(c) 乾燥２時間。
【００４６】
耐食性は、上記の複合サイクル試験を９０サイクルおこない、さびの発生が認められなかったものを耐食性が良好「○」、一部にでもさびの発生が認められたものを耐食性が不芳「×」として評価し、その結果を表３に示した。
【００４７】
なお、上記の耐食性試験は、亜鉛めっき鋼板が自動車に用いられて重ね溶接され、その重ね合わせ溶接部を含む表面に上記前処理と同様の処理が施される場合を模擬した試験である。
【００４８】
【表３】
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表３からわかるように、第２工程のレーザビーム照射位置が本発明で規定する範囲内の試番１５〜１８は耐食性が良好であったが、第２工程のレーザビーム照射位置が本発明で規定する範囲を外れる試番１９は耐食性が不芳であった。
【００４９】
なお、データの記載は省略するが、試番１５〜１９のいずれの場合も、溶接ビード表面の欠陥数は皆無であり、継手強度も母材の破断強度の９０％以上と良好であった。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、上板に塑性加工などの何らの加工も施すことなく、亜鉛蒸気起因の欠陥が発生するのを防止でき、強度と耐食性に優れた重ね溶接継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ重ね溶接方法を示す模式図で、同図（ａ）はレーザビーム１が照射される側の上板２のみを溶かす第１工程、同図（ｂ）は上板２と下板３を溶融接合する第２工程を示す図である。
【図２】本発明による他のレーザ重ね溶接方法を示す模式図である。
【図３】上板と下板のクランプ態様を示す模式図である。
【図４】実施例で用いた引張試験片の形状、寸法を示す図である。
【図５】亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接時における欠陥の発生態様を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１０：レーザビーム、
１ａ、１０ａ：レーザ溶接トーチ、
２：上板、
２ａ：凸部、
３：下板、
４：重ね面、
５：亜鉛蒸気、
６：溶融池、
７：スパッタ、
８：溶接金属、
９：溶接欠陥、
Ｇ：隙間。
【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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