JP2009202205A - 突合せ継手のレーザブレージング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】継手強度および接合部加工性に優れた突合せ継手が得られるレーザブレージング方法を提供する。
【解決手段】薄鋼板の突合せ継手において、突合せギャップ量ｇを０．２ｍｍまたは板厚の２０％のいずれか大きい数値以上で、１．５ｍｍ未満とし、前記突合せ部５にレーザビームLを照射して、レーザ照射部に銅合金ワイヤ４を連続的に供給することを特徴とするレーザブレージング方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板の突合せ継手において、十分な継手強度を有し、接合部の硬化が小さく、継手の加工性および接合部外観に優れた継手が得られるレーザブレージング方法に関す。

自動車車体の製造において，複数の鋼板を接合し、１枚の素材としてプレス加工を行うテーラードブランク技術では、溶接部の成形性が重要であるため、その接合法として溶融部および熱影響部が小さいレーザ溶接がよく用いられる。

また、曲げ、拡げなどの加工性が要求される薄肉小径の鋼管において、シーム溶接にレーザ溶接が用いられることがある。

このように、レーザ溶接は、アーク溶接、抵抗溶接などに比べて、低入熱で溶融部や熱影響部の幅が小さいという特徴から溶接後の加工性が要求される部材の溶接に使用される例が多い。

同様に、レーザビームを熱源とする接合法に、レーザブレージング（ろう付）がある。レーザブレージングは、鋼より融点が低い銅合金などをろう材として用いるため、母材鋼板を溶融させずに接合することが可能であり、溶融溶接に比べて熱的損傷あるいは熱歪が低減されるなどの利点がある。

そのため、見栄えの良い継手を作製することができ、自動車車体のルーフ部、リアゲートなど外観品質および意匠性が要求される部位に使用される例がある。

上述したように、レーザ溶接およびレーザブレージングは、それぞれの利点を活かした用途に適用が図られているが、その適用範囲が制限されているというのも事実である。

例えば、自動車車体の製造において、板厚、強度の異なる複数の鋼板を接合し１枚のブランクとしてプレス成形を行うテーラードブランク技術では、溶接部の成形性に優れたレーザ溶接が適用されるが、レーザ溶接の溶融部および熱影響部の幅が小さいとはいえ、溶接部には凹凸ができ、元の鋼板の表面状態とは異なり、外観品質および意匠性が要求される外板にそのまま使用することは困難である。

また、溶接部を研削、仕上げして外観品質を改善しようとする場合、低入熱の高速溶融、再凝固プロセスにより硬化したレーザ溶接部は、極めて仕上げしにくいという問題がある。

この熱影響部の硬化を抑制する方法としては、特許文献１に開示されている技術がある。

また、レーザブレージング゛については、特許文献２および特許文献３に開示されている技術がある。
特開平１０−１４６６８６号公報 特開２００３−２２５７８４号公報 特開２００７−２３７２１４号公報

しかし、特許文献１に開示されたレーザ溶接時のシールドガスに酸素を混合し溶接金属の焼入れ性を低下させる方法は、シールドガスに酸素を添加することによって、溶融部およびその周辺の鋼板表面に酸化膜が形成され、溶接部の外観品質が劣化することが懸念されるという問題点がある。

一方、レーザブレージングでは、母材鋼板を溶融させないため、ろう材の選定によって接合部の硬化性を抑制することが可能であり、ブレージングのままで見栄えが良いことに加え、接合部の研削性、仕上げ性もレーザ溶接より向上させることができる。

しかしながら、レーザブレージングでは、ろう材を効率的に接合部に溶着させる必要があるため、特許文献２や特許文献３に開示された技術では、重ね隅肉継手あるいは拝み（フレア）継手のような形状にその適用が制限されており、テーラードブランクあるいは鋼管シーム溶接のような突合せ継手には適用できないという問題点がある。

本願は上述した問題点を解決し、継手強度および接合部加工性に優れた突合せ継手が得られるレーザブレージング方法を提供する。

発明者らは、突合せ継手における継手強度および接合部加工性と外観品質、意匠性および接合部研削性、仕上げ性といった特性を全て満足するレーザブレージング方法を鋭意研究し以下の知見を得た。

レーザブレージングにおいて、健全な突合せ継手を得る手順は以下の通りである。
（１）レーザビームの照射により、鋼板接合端面を加熱し、ろう材が浸透し濡れやすい状態とする。
（２）レーザビームの照射により、ろう材となるワイヤを溶融し、突合せ鋼板端面間にろう材を浸透させる。
（３）突合せ鋼板端面間に溶融したろう材が浸透し、ろう材と鋼板端面が溶着する。
（４）ろう材が凝固し接合が完了する。

これらの手順のうち、突合せ継手においてレーザブレージングが困難となるのは、上記（２）の段階であり、突合せ面間にろう材を浸透させ、充填し、保持することが最も重要なポイントとなる。

そこで発明者らは、レーザブレージングについて種々の検討を重ね、突合せ継手の突合せ面間のギャップ量がろう材の浸透性に大きな影響を及ぼすことを見出し突合せギャップ量を適正に設定することにより、突合せ継手のレーザブレージングにおいて、健全な継手が得られることが可能となることを知見した。

第一の発明は、薄鋼板の突合せ継手において、突合せギャップ量を０．２ｍｍまたは板厚の２０％のいずれか大きい数値以上で、１．５ｍｍ未満とし、前記突合せ部にレーザビームを照射して、レーザ照射部に銅合金ワイヤを連続的に供給することを特徴とするレーザブレージング方法である。

第二の発明は、板厚が異なる鋼板の突合せ継手において、突合せギャップ量を板厚の薄い方の鋼板を基準として設定することを特徴とする第一の発明に記載のレーザブレージング方法である。

第三の発明は、接合を行う突合せ面に、予めフラックスを塗布しておくことを特徴とする第一または第二の発明のいずれかに記載のレーザブレージング方法である。

第四の発明は、使用するレーザが、ＣＯ_２レーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂファイバーレーザ、半導体レーザなどの、赤外光のレーザであることを特徴とする第一から第三の発明のいずれかに記載のレーザブレージング方法である。

本発明のレーザブレージング方法を採用することにより継手強度および接合部加工性に優れた、突合せ継手が得られる。

本発明に係るレーザブレージングによる金属板の突合せ接合方法の一実施形態について適宜図面を参照して説明する。

１．レーザ接合装置について
図３は、本発明に係るレーザブレージング装置の概略構成を示す図である。

レーザ照射ヘッド２１は、レーザ発振器（図示せず）から出力されたレーザビームが光ファイバーケーブルや光学系を介して導入されて、そのレーザビームＬが被接合部材である二枚の鋼板１、２上の突合せ部に対して集光されて照射可能になっている。

ワイヤ供給ガイド２３は、接合部３となる突合せ部の方向を指向するようにレーザ照射ヘッド２１に固定されており、さらに、コンジットチューブ２４を介してワイヤ供給装置
２２に接続されている。このワイヤ供給装置２２は、ワイヤリール２５を備えている。

このワイヤリール２５にろう材ワイヤ（以下、単に「ワイヤ」という）４が巻回されており、モータ（図示せず）を駆動することで、ワイヤリール２５からワイヤ４を繰り出しつつ上記ワイヤ供給ガイド２３にワイヤ４を連続して供給可能になっている。

そして、このレーザブレージング装置２０は、固定された二枚の鋼板１、２に対し、レーザ照射ヘッド２１を接合する方向に沿って移動させつつ、その接合動作にワイヤ供給装置２２を同調させて、ワイヤ４を所定速度で鋼板１、２同士の突合せ部に連続供給することにより、鋼板１、２同士をろう付けによって接合し、突合せ部に接合部３を形成可能となっている。

ここで、本実施形態の鋼板の突合せ接合方法は、上述のレーザブレージング装置２０を使用して、図１に示すように、二枚の鋼板１、２を相互に突合せて接合し、接合鋼板１０の製造に供するものである。そして、特にこの接合鋼板１０は、自動車部品の外板パネルに適用するテーラードブランクに好適なものである。

２．突合せギャップについて
本発明では薄鋼板の突合せ継手において、突合せ面間のギャップにろう材を充填し、鋼板端面全体にろう材が濡れ、鋼板端面と溶着金属の界面で十分高い接合強度を得ることが必要となる。図１に示す板厚t1と板厚t2の鋼板を突合せ部５でギャップｇを一定に保ってレーザビームを照射し、ろう材であるワイヤ４を供給、溶融しながら接合方向ａに進行していく。

その際に、銅合金のろう材が突合部５に浸透するには、０．２ｍｍ以上のギャップ量ｇが必要となる。また、ろう材を供給する面と反対の裏側まで、突合せ面全体にろう材を浸透させるには、板厚が増加した場合板厚の増加に応じたギャップ量ｇの拡大が必要となる。

よって、板厚が大きい継手では、ろう材の突合せ部５への浸透性から、板厚の２０％以上のギャップを設定する必要がある。

また、突合せギャップが過度に大きくなると、溶融した銅合金のろう材が突合せ部５のギャップ中に保持されず、溶け落ちが発生する。そのため、突合せギャップ量ｇは、１．５ｍｍ未満に設定する必要がある
３．供給するワイヤについて
本発明に使用するろう材としては鋼に比べて低い融点を有し、かつ溶融、凝固後の溶着金属強度が十分な継手強度が得られるとともに、過度に硬化して研削性、仕上げ性を低下させることがないように、母材の鋼と同程度となることが望ましい。

よって、鋼の融点約１５００℃に対して十分低い９００〜１０００℃の融点を有し、レーザ照射による溶融、凝固後の強度が３５０〜４５０Ｎ／ｍｍ^２程度と軟鋼あるいは高成形性の高張力鋼と同程度となる銅合金製ワイヤ４を用いることが望ましい。

ここで銅合金としては、製造コスト、入手の容易さなども考慮するとＣｕ−Ｓｉ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、純銅、りん銅（Ｃｕ−Ｐ合金）などがある。

４．鋼板の板厚基準について
本発明において、板厚が異なる鋼板の突合せ継手のブレージングを行う場合は、ろう材は薄板側の表面から突合せ部５内に浸透する。従って、板厚が異なる鋼板の突合せ継手においては、ろう材を適切に突合せ部５に浸透させ、良好な接合部を得るには、薄板側の板厚に応じたギャップ量ｇを設定する必要がある。

５．フラックス塗布について
本発明においては、設定した突合せ部５にろう材が浸透し、ろう材が突合せ面に対して濡れ、ろう材と鋼板突合せ面の境界に良好な接合層を形成する必要がある。ろう材が鋼板突合せ面に濡れるには、十分なエネルギー密度のレーザビームLを照射して突合せ面を加熱することが必要であり、板厚、接合速度、ワイヤ供給量、照射レーザビーム径などに応じてレーザ出力を適宜設定する。

しかしながら、銅合金、鋼のブレージングにほう酸、ほう酸塩などのフラックスを使用することで、ろう材の濡れ性が向上することが知られており、本発明においても、鋼板突合せ面にこのようなフラックスを塗布することで、突合せ面へのろう材の濡れ性、突合せギャップ間へのろう材の浸透性が向上し、より小出力のレーザビームでブレージングが可能になるという効果が得られる。

６．使用するレーザについて
本発明に使用するレーザとしては、銅合金のろう材であるワイヤ４を効率よく溶融し、母材となる薄鋼板の突合せ部５を加熱できる出力が必要となるため、１ｋW以上の出力が容易に得られるＣＯ_２レーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂファイバーレーザ、半導体レーザなどの赤外光のレーザを使用することが望ましい。

以下に本発明の効果を実施例に基づいて説明する。
板厚０．７ｍｍおよび１．２ｍｍ、引張強さ３９０Ｎ／ｍｍ^２級の冷延鋼板を用いて、同板厚および異板厚の組合せの突合せ継手におけるレーザブレージングを行った。ろう材は線径１．２ｍｍの銅合金ワイヤ４（Ｃｕ−３．５％Ｓｉ−１％Ｍｎ、ＪＩＳＺ３３４１ＹＣｕＳｉＢ相当）を使用し、種々の突合せギャップ量ｇを設定してレーザブレージングを行った。

レーザはＮｄ−ＹＡＧレーザを使用し、レーザ出力２〜３ＫＷ、照射レーザビームスポット径２．４ｍｍ、接合速度２ｍ／ｍｉｎの条件において、突合せギャップ量ｇに応じてろう材ワイヤ４の供給速度を調節し、突合せ部５のほぼ中央にレーザビームLおよびろう材ワイヤ４の中心を配置し、継手を作製した。一部の継手では、鋼板の突合せ面にペースト状のほう酸系フラックスを塗布し、フラックスの効果を確認した。

継手の評価は、溶接後の接合部外観観察、断面観察によって、突合せ部５内にろう材が欠陥なく浸透しているか否か、継手引張試験（ＪＩＳＺ２２０１ ５号試験片）によって母材破断となるか否かによって判定した。試験結果を第１表に示す。

本発明の発明例であるＮｏ．1〜10では突合せギャップ量ｇを適正範囲に設定したため、突合せ部５内へのろう材の浸透が良好で、母材破断となる高強度のブレージング継手が得られた．特に，No.6では，鋼板突合せ面にフラックスを塗布したため、他の条件よりも小さいレーザ出力で適正なブレージング継手が作製できた。図２にNo.6の引張試験後の外観状況を示す。切断部は全て母材部であることがわかる。
一方、比較例ではNo.11、13，16は適正範囲より突合せギャップ量ｇが小さいため、No.12、14，17は1.5mmと適正範囲より大きな突合せギャップ量ｇとしたため、それぞれろう材の浸透が不十分、あるいは溶け落ちが発生し適正な継手が得られなかった。また、No.15では、同じ条件でブレージングを行った実施例No.6に対し、フラックスを使用しなかったため、同じ2kWのレーザ出力で十分なろう材の濡れが起こらず、ろう材の溶着が不十分な継手となった。

突合せブレージング方法の一実施形態を説明する図である。 突合せブレージング継手引張試験片の試験後の外観を示す図である。 レーザブレージング装置の一実施形態の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板（板厚t1）
２ 鋼板（板厚t2）
３ 接合部
４ ろう材ワイヤ
５ 突合せ部
１０ 接合鋼板
２０ レーザブレージング装置
２１ レーザ照射ヘッド
２２ ワイヤ供給装置
２３ ワイヤ供給ガイド
２４ コンジットチューブ
２５ ワイヤリール
ａ 接合方向
ｇ 突合せギャップ
Ｌ レーザビーム

Claims (4)

1. 薄鋼板の突合せ継手において、突合せギャップ量を０．２ｍｍまたは板厚の２０％のいずれか大きい数値以上で、１．５ｍｍ未満とし、前記突合せ部にレーザビームを照射して、レーザ照射部に銅合金ワイヤを連続的に供給することを特徴とするレーザブレージング方法。
2. 板厚が異なる鋼板の突合せ継手において、突合せギャップ量を板厚の薄い方の鋼板を基準として設定することを特徴とする請求項１記載のレーザブレージング方法。
3. 接合を行う突合せ面に、予めフラックスを塗布しておくことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザブレージング方法。
4. 使用するレーザが、ＣＯ_２レーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂ−ＹＡＧレーザ、Ｙｂファイバーレーザ、半導体レーザなどの、赤外光のレーザであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザブレージング方法。