JP2007229739A

JP2007229739A - 高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法

Info

Publication number: JP2007229739A
Application number: JP2006052298A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitani; 靖木谷; Taikan Horikoshi; 大寛堀越; Moriaki Ono; 守章小野; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】レーザーブレージングによって重ね隅肉継手を形成するにあたって、溶着金属の欠陥を防止し、継手強度を向上できる高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法を提供する。
【解決手段】レーザービームを用いて高強度薄鋼板の重ね隅肉継手を形成するレーザーブレージング方法において、重ね合わせ部の上板の下面と下板の上面との間に0.05〜0.2mmの隙間を設け、ろう材として使用するワイヤと上板の端面との間隔を0.2〜0.5mmとし、上板の上方からレーザービームを照射して重ね合わせ部の上板と下板を加熱するとともにワイヤを溶融した後、放冷することによって重ね隅肉継手を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザービームを用いて高強度薄鋼板のブレージング（いわゆるろう付）を行ない、重ね隅肉継手を形成する方法に関するものである。ここでは、レーザービームを熱源としてろう付を行なうことをレーザーブレージングと記す。

ろう付は、接合する金属板（たとえば鋼板等）の融点より低い融点を有する接合材（以下、ろう材という）を介して金属板の継手を形成する技術である。つまり、ろう材の融点より高温かつ金属板の融点より低温に加熱して、ろう材のみを溶融した後、放冷することによって、金属板を溶融することなく継手を形成することができる。
ろう付を行なう際にろう材を溶融させる方法は、加熱炉内に装入して加熱する方法、あるいはガス炎やアークを用いて加熱する方法が従来から採用されている。しかしこれらの熱源を使用すると、ろう材が溶融するまで長時間を要する。そこで、ろう付の高速化を図るために種々の技術が検討されている。

たとえば特許文献１には、レーザービームを用いてろう付（すなわちレーザーブレージング）を行なう技術が開示されている。この技術は、２枚の自動車用鋼板の表面にレーザービームを照射して加熱するとともに、レーザービームの照射位置にワイヤ状のろう材を供給して、ろう材を溶融させるものである。レーザービームの照射位置は上板の端部に沿って連続的に移動して行くので、レーザービームが通過した後のろう材は大気中で冷却（いわゆる放冷）されて凝固し、２枚の自動車用鋼板を接合する。なお、ろう材として銅合金が開示されている。

レーザーブレージングは、エネルギー密度の高いレーザービームを用いるので、
(a)接合部を局所的に加熱できる、
(b)ろう付の速度を増加できる、
(c)継手の熱歪を低減できる
等の利点がある。したがって、レーザーブレージングは自動車車体や鉄道車両等の構造部材を接合するための重ね隅肉継手の形成に採用される。

近年、省エネルギーの観点から自動車車体や鉄道車両の軽量化の要求が高まっており、自動車車体においては、軽量化を達成するために高強度薄鋼板（いわゆる高張力鋼板）の使用量が増大している。
ところが既に説明した通り、レーザーブレージングでは、一般のろう付と同様に、高強度薄鋼板より融点の低いろう材（たとえば銅合金，銀合金等）を使用する。このようなろう材がレーザービームによって加熱されて溶融した後、放冷され凝固することによって得られる溶着金属は、高強度薄鋼板に比べて強度が低い。しかも高強度薄鋼板と溶着金属の強度差に加えて、重ね隅肉継手では溶着金属に応力が集中するので、荷重が作用したときに、高強度薄鋼板が変形しなくても、溶着金属が破断する惧れがある。とりわけ溶着金属に割れや孔あき等の欠陥が存在する場合は、溶着金属の破断が発生しやすくなる。

レーザーブレージングは、エネルギー密度の高いレーザービームを用いてろう材を短時間で溶融させる故に、上記の(a)〜(c)の利点を有することは既に説明した通りである。しかしレーザーブレージングでは、ろう材を短時間で溶融させる故に、溶融状態のろう材が接合部に均一かつ十分に供給され難くなり、図３に示すように、上板１と下板２の会合部に形成される角部に孔あき欠陥４が発生しやすい。
特開2005-59009号公報

本発明は上記のような問題を解消し、レーザーブレージングによって重ね隅肉継手を形成するにあたって、溶着金属の欠陥を防止し、継手強度を向上できる高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザーブレージングにおける孔あき欠陥を防止する技術を開発するために、まず、孔あき欠陥が形成される機構を詳細に調査した。レーザーブレージングでは、図１に示すように、
(1)上板１の上面と端面および下板２の上面にレーザービーム６を照射して、接合部の高強度薄鋼板を加熱する、
(2)レーザービーム６の照射位置にワイヤ状のろう材５を供給し、レーザービーム６でろう材５を溶融させる、
(3)溶融したろう材が溶滴となって上板１の端面および下板２の上面に接触しつつ拡がっていく、
(4)レーザービーム６が通過した後、溶融したろう材５が放冷されて凝固する
という手順で重ね隅肉継手が形成される。なお、上板１は重ね隅肉継手の上側に位置する高強度薄鋼板を指し、下板２は重ね隅肉継手の下側に位置する高強度薄鋼板を指す。

上記の(1)〜(4)の手順のうち、孔あき欠陥が形成されるのは(3)の段階である。つまり孔あき欠陥が発生する原因は、溶融したろう材の表面張力によって、上板１の端面と下板２の上面との会合部に形成される角部に十分な量の溶滴が供給され難くなる（すなわち濡れ性が低下する）ことにある。
ろう材５の溶滴の濡れ性を改善する技術は、従来から種々検討されている。たとえば上板１および下板２を加熱して昇温することによって、ろう材の溶滴の濡れ性を改善することができる。しかしレーザーブレージングは、エネルギー密度の高いレーザービームを照射て局所的に加熱するものであるから、重ね合わせ部の上板１および下板２を昇温するために照射量を増加すれば、上板１や下板２が溶解してレーザーブレージングに支障（たとえば溶断等）を来たす。

また、ろう材の溶滴の濡れ性を改善する成分を添加したフラックスを使用すれば、孔あき欠陥を防止することは可能である。しかし特定の成分を含有するフラックスは、レーザーブレージングの施工コストの上昇を招く。
以上に説明した通り、レーザーブレージングによって形成された重ね隅肉継手では、上板１と下板２との会合部の溶着金属３に孔あき欠陥が発生しやすい。特に高強度薄鋼板の重ね隅肉継手では、荷重が作用したときに高強度薄鋼板は変形しなくても、溶着金属３が破断する惧れがある。したがって高強度薄鋼板の機械的特性を十分に活かして、構造部材（たとえは自動車車体，鉄道車両等）の軽量化を図るためには、孔あき欠陥を防止し、重ね隅肉継手の強度を高める必要がある。

そこで発明者らは、レーザーブレージングによって形成された重ね隅肉継手における孔あき欠陥を防止する技術を検討した。その結果、上板１と下板２の配置やろう材５を供給する位置が、ろう材５の溶滴の濡れ性に多大な影響を及ぼすことが分かった。つまり、上板１の下面と下板２の上面との間に隙間を設け、かつ上板１の端面とろう材５として使用するワイヤとの間に隙間を設けることによって、重ね隅肉継手の孔あき欠陥を防止できるという知見を得た。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、レーザービームを用いて高強度薄鋼板の重ね隅肉継手を形成するレーザーブレージング方法において、重ね合わせ部の上板の下面と下板の上面との間に0.05〜0.2mmの隙間を設け、ろう材として使用するワイヤと上板の端面との間隔を0.2〜0.5mmとし、上板の上方からレーザービームを照射して重ね合わせ部の上板と下板を加熱するとともにワイヤを溶融した後、放冷することによって重ね隅肉継手を形成することを高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法である。

本発明のレーザーブレージング方法においては、ワイヤが、直径0.6〜1.8mmの銅合金からなる線材であることが好ましい。

本発明によれば、レーザーブレージングによって重ね隅肉継手を形成するにあたって、溶着金属の欠陥を防止し、継手強度を向上できる。

図１は、本発明のレーザーブレージングにおける高強度薄鋼板とろう材とレーザービームとの配置の例を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、本発明では高強度薄鋼板の上板１の下面と下板２の上面との間に隙間Ｄ₁を設ける。隙間Ｄ₁が0.05mm未満では、レーザービーム６によって下板２に与えられた熱量が上板１へ伝導して分散されるので、重ね合わせ部の温度が上昇しない。そのため、ろう材５の溶滴が、上板１の端面と下板２の上面との会合部に形成される角部に供給され難くなる。一方、隙間Ｄ₁が0.2mmを超えると、ろう材５の溶滴が、上板１と下板２の間を十分な厚みで橋絡し難くなる。したがって、上板１の下面と下板２の上面との隙間Ｄ₁は0.05〜0.2mmの範囲内とする必要がある。隙間Ｄ₁がこの範囲を外れると、重ね隅肉継手の溶着金属３において、角部に孔あき欠陥（隙間Ｄ₁が0.05mm未満の場合）あるいは溶着不良（隙間Ｄ₁が0.2mm超えの場合）が発生し易くなる。

また、上板１の端面とワイヤ状のろう材５との間に隙間Ｄ₂を設ける。隙間Ｄ₂が0.2mm未満では、ろう材５の溶滴が上板１の端面と下板２の上面との隔離した位置を橋絡するような形状で溶着する。その結果、図４示すような空洞７が、上板１の端面と下板２の上面との会合部に形成される角部に生じる。一方、隙間Ｄ₂が0.5mmを超えると、ろう材５の溶滴が上板１の端面に溶着し難くなる。したがって、上板１の端面とワイヤ状のろう材５との隙間Ｄ₂は0.2〜0.5mmの範囲内とする必要がある。なお隙間Ｄ₂は、図１に示す通り、上板１の端面とワイヤ状のろう材５との最短の間隔を指す。

下板２の上面とワイヤ状のろう材５との間隔は、特定の数値に限定しない。ろう材５が下板２に接触しても、支障なくレーザーブレージングを行なうことが可能である。
ワイヤ状のろう材５の直径が0.6mm未満では、十分な密着を得るために高速でろう材５を送給する必要があり、ろう材５の送給が不安定になり易い。一方、直径が1.8mmを超えると、ろう材５を溶融させ、かつ上板１と下板２を加熱するためにレーザービーム６の径を大きくする必要があり、大きいビーム径で十分なエネルギー密度を確保するのが困難となる。したがって、ワイヤ状のろう材５の直径は0.6〜1.8mmの範囲内が好ましい。

このようにして重ね合わせ部を構成し、上板１の上方からレーザービーム６を照射する。レーザービーム６は、ろう材５とともに上板１の端面に沿って移動しながら、上板１と下板２を加熱し、かつろう材５を溶融する。溶融したろう材５は、図２に示す通り、上板１の下面と下板２の上面との隙間に流入し、レーザービーム６とろう材５が通過した後で放冷され、凝固して溶着金属３となる。

以上に説明した通り、本発明を適用してレーザーブレージングを行なうと、重ね隅肉継手における溶着金属の孔あき欠陥を防止できる。したがって高強度薄鋼板の重ね隅肉継手を形成する際に本発明を適用すれば、重ね隅肉継手の破断を防止し、高強度薄鋼板の機械的特性を十分に活かすことができる。

板厚1.2mm，引張強さ390Ｎ／mm²の冷延鋼板を下板２とし、板厚0.7mm，引張強さ590Ｎ／mm²の冷延鋼板を上板１として、図１に示すような重ね合わせ部を形成した。上板１の下面と下板２の上面との隙間Ｄ₁，上板１の端面とワイヤ状のろう材５との隙間Ｄ₂は表１に示す通りである。重ね代は15mmとした。ろう材５は直径1.2mmの銅合金ワイヤ（Cu−3.5質量％Si−１質量％Mn）を使用した。

この重ね合わせ部にレーザービーム６を照射して、重ね隅肉継手を形成した。レーザーはNd：ＹＡＧレーザーを使用し、レーザー出力４kW，ビームスポット径2.4mmとした。レーザービーム６は、ろう材５とともに上板１の端面に沿って３ｍ／minの速度で移動させた。ろう材５はレーザービーム６の照射によって溶融していくので、常に３ｍ／minの速度で供給した。

このようにして得られた重ね隅肉継手の溶着金属３を目視で観察し、その外観を評価した。その結果は、溶着金属３の幅が安定していたものを良好とし、溶着金属３が狭い箇所が一部にあったり、未溶着の箇所があったものを不良として表１に示す。
また、重ね隅肉継手の断面を観察して、孔あき欠陥や空洞の有無を調査した。その結果は表１に示す通りである。

さらに、重ね隅肉継手から幅40mmの試験片を採取して引張剪断試験を行なった。その結果、試験片は全て溶着金属３で破断した。引張剪断強度は表１に示す通りである。
表１から明らかなように、発明例の重ね隅肉継手（すなわち継手１〜７）は、全て外観が良好で、しかも孔あき欠陥や空洞は認められなかった。
一方、比較例の重ね隅肉継手（すなわち継手８〜13）は、全て孔あき欠陥または空洞が認められた。また、継手９，12，13の外観は、一部にろう材５の溶着が十分でない箇所があった、あるいは溶着幅が不安定であったことから、不良と評価された。

重ね隅肉継手の引張剪断強度は、発明例が11.4〜13.8ｋＮであったのに対して、比較例は4.6〜8.5ｋＮであった。つまり、発明例の重ね隅肉継手の溶着金属には孔あき欠陥や空洞が存在しないので、引張剪断強度の向上を達成できた。

本発明のレーザーブレージングにおける高強度薄鋼板とろう材とレーザービームとの配置の例を模式的に示す断面図である。本発明を適用して形成した重ね墨肉継手の例を模式的に示す断面図である。従来のレーザーブレージングによる重ね隅肉継手の例を模式的に示す断面図である。空洞を生じた重ね隅肉継手の例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１上板
２下板
３溶着金属
４孔あき欠陥
５ろう材
６レーザービーム
７空洞

Claims

レーザービームを用いて高強度薄鋼板の重ね隅肉継手を形成するレーザーブレージング方法において、重ね合わせ部の上板の下面と下板の上面との間に0.05〜0.2mmの隙間を設け、ろう材として使用するワイヤと前記上板の端面との間隔を0.2〜0.5mmとし、前記上板の上方からレーザービームを照射して前記重ね合わせ部の上板と下板を加熱するとともに前記ワイヤを溶融した後、放冷することによって重ね隅肉継手を形成することを特徴とする高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法。
前記ワイヤが、直径0.6〜1.8mmの銅合金からなる線材であることを特徴とする請求項１に記載の高強度薄鋼板のレーザーブレージング方法。