JP2005349479A - 亜鉛めっきされた鋼板又はアルミニウム板を溶接のために前処理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】技術的費用、時間消費及び材料消費ができる限り僅かで済むような、亜鉛めっきされた鋼板若しくはアルミニウム板の溶接性を改善する。
【解決手段】溶接結合のために設けられた接合範囲における表面の前処理によって亜鉛めっきされた鋼板又はアルミニウム板の溶接性を改善する方法において、大気中の電気的に中性な低温プラズマのビームを表面に指向する。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶接のために、特にレーザー溶接のために、亜鉛めっきされた薄鋼板又はアルミニウム薄板を前処理する方法に関する。被覆された保護膜が単に亜鉛部分を有するような薄鋼板も、亜鉛めっきされた薄鋼板と理解しなければならない。ここに、特に亜鉛・アルミニウムや亜鉛・ニッケル合金が考慮され、亜鉛黒粉末（Zinkstaublack）や亜鉛で置換されたプラスチックのような有機材料も考慮される。

亜鉛めっきされた薄鋼板を溶接する際に付加的な処置を施すことがなければ溶接箇所領域に質的な問題を生じることが知られている。亜鉛は薄鋼板よりも相当に低い温度で既に溶解し始め気化するので、気泡や空所が溶接箇所の周りに生じる。それによって溶接箇所に剛性（強度）や耐性に不足を起こし、腐食を受け易くなり、溶接箇所の形状が悪化する。

従来技術において多数の様々な処置が知られており、対応する溶接箇所の質を改善すべく、それらが試されている。
特許文献１（EP 0527 229 B1）には、特に亜鉛めっきされた薄鋼板のレーザー溶接方法が記載されており、溶接プロセスに先だって混合された酸素と他のガスから成る補助ガスが溶接プロセスに際して用いられる。酸素ガスは亜鉛と結合して酸化亜鉛と過酸化亜鉛を形成し、したがって固体が亜鉛の気化を抑制して、それによって気泡の発生が明らかに僅かとなる。

特許文献２（EP 0446 677 B1）には、溶接性が改善された亜鉛めっき鋼板の製造方法が開示されており、亜鉛皮膜を鋼板表面に析出する前に所定の炭素含有量を備えた鉄・炭素被膜を鋼板の表面に施すようになっている。この文献に記載された従来技術（技術水準）は２件の日本特許出願によって規定されており、それぞれ亜鉛めっきされた鋼板の溶接性は亜鉛めっきされた表面に酸化物被膜を形成することによって改善される。この酸化物被膜は、特許文献３（JP 60-063394）や特許文献４（JP 02-004983）に記載された亜鉛めっき鋼板に対して溶融めっきによって施される。特許文献２の著者は、亜鉛でめっきされた鋼板上に酸化物皮膜を形成する試みが、大量技術基準において満足のいく成果を達成していないという点でこれまで不成功に終わっていることを述べている。

亜鉛めっきされた鋼板は特に車両ボディ、工業容器及び家庭電気器具用ケースに用いられる。とりわけ塗布されたコーティングの良好な付着とその腐食耐性のために、亜鉛めっきされた鋼板の使用は特に自動車工業において高まり続けている。製品品質とその技術水準における競争者がほとんど異ならないこの分野において、競争は主として製造コストを介して決められる。製造個数が巨大なために、既に時間や材料の使用に関するごく僅かな節約が重要である。それゆえ車両製造のための生産サイクルを短縮することが永遠の目標設定であり、このことは例えば時間的に早く進行する方法の代替や技術的に必要な停滞時間の回避によって可能である。更に人々は製造プロセスに必要な設備技術をできる限りメンテナンスが少なく頑丈であるように努めている。結局、製造コストは補助物質の使用を僅かにすることによっても下げられる。

この観点にたって従来技術の記載に示された解決法を考察すると、亜鉛めっきされた鋼板が品質要求を満たし得るために、即ち、気泡形成なしに且つ溶接箇所の周りに亜鉛皮膜をとどめて溶接可能とするために、これらがそれぞれ著しい費用を必要とすることが認識される。

レーザー溶接に際して補助ガスを使用すること（特許文献２）は、特別に仕上げられた溶接のズルを必要とし、それを用いて普通はガス流がレーザー光線に対して共軸に工作物に指向される。補助ガスなしに機能するレーザー溶接設備と異なり、ここではガス供給とガス吸引のために補助的な技術措置を講じなければならない。挙げられた他の解決法は、被膜の付加的塗布を意味する。この被膜はプロセス条件でそれぞれ全表面に付与され、即ち、後の溶接結合のための継ぎ合わせ面としてまったく設けられていない表面範囲にも付与される。それゆえ被覆のための材料使用は、機能上実際に必要であるよりも何倍も多くなる。それだけでなく、例えば溶接めっきは必要不可欠な冷却・乾燥時間を必要とする。

特許文献５（DE 101 35 611 A1）における従来技術の記載によれば、被覆材料の気化を減少するためにしばしば高価な特殊電極が用いられ、これは通常、引き下げられた溶接電流で作動する。しかしながら、これによって事情によっては溶接結合の機械的負荷性が損ねられ、対応する生産設備の処理量率が減少する。

別の方法では、生じるプロセス蒸気の消失を妨げなく可能にするために、特殊な構造的措置が講じられる。
この従来技術と比べて、特許文献５にクレームされた解決法は、腐食保護皮膜（亜鉛皮膜）を削って部分的に除去すること、あるいは著しく減少させることを提案する。溶接箇所範囲（接合帯）における亜鉛皮膜を除去するために、例えば歯科医学において歯石除去のために用いられているような、小型化されたサンドブラスターが適している。周囲表面の汚染を回避し、再利用の噴射品を供給するために、例えば減圧噴射器具の使用による吸い取り措置が講じられている。この方法が特にレーザーを用いた溶接にも適し、特にボディー構造において衝撃でボディー板の重なり合う表面が減圧噴射器具で事前の加工後にプロセス的に確実に溶接されることをはっきりと指摘している。適切な噴射材として、鉱物のコランダムが挙げられる。ガラス、塩類、ソーダ石、すり潰されたクルミ殻、氷あるいはドライアイスも考えられ、後者の材は噴射材の残りかすを除去する必要がないという利点を有する。腐食特性についての不利な作用を、特許文献５にクレームされた方法は、亜鉛皮膜がいずれにせよ溶接箇所の範囲において気化するので、従来技術に比べて有していない。

溶接プロセスを妨げる表面皮膜を形成する傾向にある容易に酸化可能な金属から成る導電性加工品の溶接性を改善するために、特許文献６（DE 199 27 557 A1）に、高周波のアーク放電を発生させ、それを表面に飛ばして任意に分布した地点で妨害表面皮膜に孔をあけて部分的に気化させることが提案されている。

EP 0 527 229 B1（特開平４−３３３３８６号公報に対応する） EP 0 446 677 B1（特開平４−２１４８９５号公報に対応する） 特開昭６０−６３３９４号公報 特開平２−４９８３号公報 DE 101 35 611 A1 DE 199 27 557 A1 EP 0 761 415 B1 EP 1 292 176 A2

本発明の目的は、技術的費用、時間消費及び材料消費ができる限り僅かで済むような、亜鉛めっきされた鋼板の溶接性を改善するための適切な措置を見出すことにある。

この目的は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分）に係る方法において、大気中の低温プラズマ、特に電気的に中性のプラズマのビームを表面に指向することによって達成される。

有利な実施態様は従属請求項に挙げられている。

大気中の低温プラズマを表面処理に用いることはそれ自体新規ではない。特許文献７（EP 0 761 415 B1）には、液体を用いた工具表面の濡れ性を高めるための方法が提案されており、そこでは作動ガスを供給しながらのプラズマ放電によって反応性媒体の噴射（ビーム）を生じさせ、処理されるべき表面上に導かれるようになっている。従来技術から公知のプラズマ発生方法と異なり、表面処理のためのプラズマは比較的低い温度であり、その結果、敏感な表面も傷つけられない。当該方法は伝導性加工品だけでなく非伝導性加工品の処理にも、特にプラスチック製加工品の処理にも適するとなっている。

当該方法を実施するのに適した大気中の低温プラズマを生じる噴射発生器は、特許文献７に記載されており、これは転移可能でないアークを用いたプラスチックの前処理に供される。特許文献８（EP 1 292 176 A2）に記載されているような噴射発生器と同じように、プラズマ発生のために生じる電気アークは加工品に転移しない。噴射発生器を出るプラズマビームの物理特性及び化学特性を知るために、実験が行われ、その結果について特許文献７に報告されている。

それによると、プラズマに関して実際に少なくとも部分的にイオン化した媒体として本来の意味でプラズマが対象であるのか、あるいは単にフリーラジカルな若しくは励起された原子若しくは分子を含有しているだけなのか、はっきりしているように思われない。

いずれにせよ、プラズマビームが所望の前処理作用を工作物表面にもたらしたことが立証することができた。通常は水で濡れない様々なプラスチック表面が、プラズマビームにもたらされた。その後に、それらプラスチック表面は水で濡らされることができた。金属表面もプラズマビームを用いて例えばシリコーン残滓等を取り除くことができたことが報告された。卑金属、例えばアルミニウムを用いた実験において、プラズマビームが実際に酸化作用を有さず、したがって自然なものより厚めの酸化皮膜を形成しないことが明らかになった。

特許文献８には、そのためにそこでクレームされた噴射発生器で生じる電気的に中性なプラズマビームが何に適するかということを前置きで述べられている。それによると当該プラズマビームは表面の処理に、例えば粘着、コーティング若しくはワニス塗りの前に表面を前処理して洗浄するのに、コーティング、親水化、電気チャージの除去又は殺菌に、並びに化学反応の促進に適している。特許文献８にはそのように明示して言及されていないが、当業者は使用可能性の列挙から、プラズマビームを用いて粘着力で表面に付着する物質全てを取り除くことを推論可能である。

特許文献７や特許文献８は、大気中の低温プラズマを用いて亜鉛めっき薄鋼板を溶接のために前処理することを当業者に理解され得る手がかりを提供していない。
そのような適用可能性は、機械設備に一体化するために久しく特許文献８にしたがい製造された噴射発生器を業者単位として受け取っている出願人にとってもまったく驚くべきことである。従来技術に挙げられた適用可能性によれば、噴射発生器は、電気部品や回路／変速機の洗浄装置のために並びに粘着性改善のためプラスチック活性化装置のために用いられる。

実験において、特許文献８に係る噴射発生器で発生させられたように、プラズマビームを用いて隅肉溶接（Kehlnaht）で溶接されるべき２枚の亜鉛めっき薄鋼板の表面が処理された。具体的に薄鋼板は約５μｍ厚の電気めっき析出された亜鉛皮膜を有するものが用いられた。プロセスガスとして或る実験では空気が、他の実験では窒素・酸素混合物が用いられた。噴射発生器のビーム流出口は薄鋼板の表面に対して１２ｍｍ±２ｍｍの距離を有し、８０ｍｍ／ｓ±１０ｍｍ／ｓの速度で導かれた。次いで２枚の薄板はレーザーを用い、当業者には公知のやり方で溶接された。非常に良好な結果が例えばＮｄ-ＹＡＧレーザーを用い最大２．５ｋＷの適用出力で発生した。溶接の際に生じる作用効果と溶接結果は、同じ方法パラメータで前処理しない薄鋼板と本発明にしたがい前処理された薄鋼板とで異なった。前処理された薄鋼板の溶接では、プロセス蒸気はごく僅かな量だけ発生する。

生じた溶接箇所は明らかにより優れた溶接箇所表面を有し、気泡や空所が明らかに少ない。更に溶接箇所は酸化皮膜が僅かである。
明らかになったように、溶接箇所は、溶接されるべき２枚の薄鋼板の一方のみが溶接のために想定された表面範囲（接合範囲）においてプラズマビームで前処理される場合にも、比べうる良好な品質を生じる。

プラズマビームの作用が、高めの温度で初めて溶融し始めるというように亜鉛皮膜を変えることが推測される。

亜鉛めっきされた薄鋼板の溶接の際に溶接品質を改善するための公知の従来技術と比べて、本発明に係る前処理は、技術的費用、時間消費及び材料消費が僅かで済み、特に高度にオートメーション化された大量連続生産の際に廉価な代替であるという利点を有する。

驚くべきことに、アルミニウム薄板の場合にも表面処理が溶接接合のために設けられた接合範囲において大気中の低温プラズマを用いて溶接性を改善されることが確認された。

Claims (4)

1. 溶接結合のために設けられた接合範囲における表面の前処理によって亜鉛めっきされた鋼板又はアルミニウム板の溶接性を改善する方法において、大気中の電気的に中性な低温プラズマのビームを表面に指向することを特徴とする方法。
2. プラズマが電気的に点火されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. プラズマ発生のためのプロセスガスとして空気が用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 互いに溶接されるべき亜鉛めっき板の一方の表面のみが前処理されることを特徴とする請求項１に記載の方法。