WO2010005025A1 - 亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法 - Google Patents
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Definitions
- a laser energy having a higher density than that conventionally used is irradiated at a welding point at a higher speed than before, so that the plate thickness and the thickness of the galvanized layer as defined above are reduced.
- the metal on the irradiation surface center of the welded steel plate that is, the center of the focal point and on the line along the traveling direction, has a longer irradiation time than the side of the irradiation surface (the direction orthogonal to the traveling direction), so it vaporizes first.
- the surrounding molten metal escapes backward and upward while pushing the molten metal laterally and backward in the running direction.
- the power density of the laser irradiation is more preferably 15 kW / mm 2 or more in terms of Gaussian shape.
- the laser irradiation spot diameter is about 0.3 mm, and the defocus amount is about 15 mm
- the laser irradiation traveling speed is the laser power. If it is 5 kW, it will be about 10 m / min, if it is 7 kW, it will be about 11 m / min, if it is 10 kW, it will be about 12 mm / min, and if it is 13 kW, it will be about 15 m / min.
- the amount of zinc being plated itself is quantitatively smaller than that of the steel plate, and the melting point of the steel is extremely low compared to the boiling point of zinc.
- zinc plating may evaporate from the tip of the elongated hole without blowing off the molten metal in the molten pool, etc.
- the influence of the layer thickness is relatively small, so it seems that there is no need to greatly change the welding conditions depending on the thickness of the galvanized layer.
- the inert gas was Ar, which is an inexpensive inert gas, and was blown at a flow rate of 30 L / min using a nozzle 30 with a diameter of 16 mm from the front of the laser beam in the traveling direction and 45 degrees above.
- FIG. 2 to 4 conceptually show the behavior of the weld metal melting wave and steam during the welding.
- FIG. 2 shows the welded portion as viewed from obliquely above
- FIG. 3 shows a cross section along the traveling direction of the welded portion
- FIG. 4 shows the welded portion seen from above.
- reference numeral 40 denotes a melting point tip
- reference numeral 41 denotes a laser-induced plume
- reference numeral 42 denotes an elongated hole (elongated keyhole) generated by ejected metal vapor
- 45 and 46 are on both sides of the elongated hole 42.
- the resulting molten pool 47 is a molten pool behind the elongated hole.
- the thick arrow indicates the traveling direction of laser irradiation.
- arrows with thick broken lines indicate the flow of metal vapor.
- the melting point (419.5 ° C.) and the boiling point (907 ° C.) of zinc are not only much lower than the melting point of iron (1535 ° C.), but also the heat of fusion and the heat of vaporization (7. 322 kJ / mol, 115.3 kJ / mol) (iron, which is the main material of the steel sheet, is 13.8 kJ / mol, 349.6 kJ / mol, respectively.
- the above four numerical values are the additives in zinc and steel sheet. In fact, it is slightly different due to the influence of the formulation). For this reason, if the amount of heat transfer from the steel plate located on the laser irradiation side is large, zinc is instantaneously melted and vaporized, and a large amount of the generated zinc vapor blows away the molten metal above it.
- iron has a lower thermal conductivity than copper or the like, and the molten liquid has a lower thermal conductivity than that of solid, and as mentioned above, the heat of vaporization of zinc is small.
- the density of irradiation energy is large.
- the focal length, defocus amount, etc. of the laser irradiation apparatus are also appropriate.
- the steel is melted and evaporated sequentially from the surface on the irradiated side of the galvanized horizontal plate, and then the zinc on the contact surface of the galvanized steel plates 20 and 21 at the irradiated portion is rapidly melted with the energy by laser irradiation. Since it is vaporized and ejected from the tip or the periphery of the elongated hole, good lap welding is performed.
- FIG. 5 is a micrograph of the cross section. As shown in FIG. 5, no welding defects are observed in the cross section, and it can be seen that the laser lap welding of a good galvanized steel sheet can be performed without providing a gap between the two steel sheets by the method of the present invention.
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Abstract
少なくとも１枚が亜鉛めっき鋼板である２枚の鋼板を、その亜鉛めっき層を接合面として重ね合わせ、該重合領域における前記２枚の鋼板の何れか一方の表面にレーザを照射して重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、レーザを所定のパワー密度かつ走行速度で走行させつつ照射することにより、レーザ照射位置から後方に延びる溶融池（４５～４７）内で、少なくとも前記表面側の鋼板（２０）に部分的かつ一時的に細長い穴（４２）を生じさせ、レーザ照射で発生した金属蒸気（４１）を前記細長い穴からレーザ走行方向後方側かつレーザ照射源側に排出させつつ溶接する。
Description
本発明は亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法に関し、特に自動車産業等において大量の亜鉛めっき鋼板をレーザで重ね溶接する際の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法に関する。
自動車産業においては、耐食性に優れるだけでなく高比強度、低コストであるため亜鉛めっきを施した鋼板（以下、「亜鉛めっき鋼板」と記す）が広く用いられている。この際、用途によっては亜鉛めっき鋼板を２枚重ねて溶接する必要があるが、スポット溶接等に比較して高精度、高品質、高速処理が可能である等の優れた特性を有するレーザ溶接で行うことが好ましいとされている。
亜鉛めっき鋼板を２枚重ねてレーザで溶接する（以下、この様な溶接を「レーザ重ね溶接」とも記す）際には、例えば亜鉛めっき鋼板を亜鉛めっき層が対向する状態で上下に重ね合わせ、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザによるレーザ光を照射し、上下の亜鉛めっき鋼板を溶融させて接合する。
良好な接合を行うためには、上下の亜鉛めっき鋼板の鉄の層を相互に溶け込ませる必要があるが、亜鉛の融点は約４２０℃、沸点は９０７℃であり、鉄の融点約１５３５℃に比べてかなり低い。このため、単に亜鉛めっき鋼板を亜鉛めっき層が対向する様に重ね合わせ、その状態で溶接箇所にレーザを照射するだけでは、亜鉛めっき層の亜鉛が蒸発する際に周囲の溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融金属内に泡として残ったりすることに起因するピット、ポロシティ、ウォームホールと言った穴欠陥（溶接欠陥の一種）が形成される。
その対策として、レーザ重ね溶接を行う亜鉛めっき鋼板間に、亜鉛蒸気が逃げるための０．１ｍｍ程度の隙間を設けておき、その状態で、例えば出力４ｋＷ程度のＹＡＧレーザを用いて３～４ｍ／ｍｉｎ程度の速さでレーザ重ね溶接することがなされている。
さらに、前記隙間を効率よく形成するため、一方の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を行う箇所の近傍を、予めレーザ照射することにより屈曲させておき、しかる後、例えば６ｋＷ程度のパワーで５ｍ／ｍｉｎ程度の速さでレーザ重ね溶接を行うことが提案されている（特許文献１の請求項１、段落００２６）。
なお、３枚以上の亜鉛めっき鋼板をレーザ重ね溶接する場合にも、例えば各亜鉛めっき鋼板間に板厚さの１０％程度の隙間を空けた状態で、出力２．５ｋＷ程度のＣＷ波を照射して１．５ｍ／ｍｉｎ程度の速さで溶接することが提案されている。これも、溶接する鋼板間に亜鉛の蒸気が逃げる隙間を形成しておくという前記と同様の考え方に基づく（特許文献２の請求項１、請求項２、段落００１９、段落００２１）。
しかしながら、上下に重ねた亜鉛めっき鋼板間に０．１ｍｍ程度の隙間を形成するのは、手間がかかり、また工程の管理が困難である。例えば、前記特許文献１に記載されている発明では、レーザ照射を２度行う必要がある。特に、自動車産業では、処理すべき亜鉛めっき鋼板が大量であり、さらにその板厚は１ｍｍ程度であるため、一層手間がかかり、工程の管理も困難となる。
前記のごとくレーザ溶接はスポット溶接に比較して技術的に優れた特性を有するため、レーザ重ね溶接した亜鉛めっき鋼板の性質も優れたものとなる。しかしながら、亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接は、初期導入コストが高いうえに、前記のごとき困難があるので、広く採用されるに至っていない。
このため、レーザ重ね溶接の優れた特性を亜鉛めっき鋼板にも活用できるように、大量の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を、手間を掛けずに行え、かつ、工程の管理も容易に行える亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法の開発が望まれていた。
上記目的を達成するために、本発明は、
少なくとも１枚が亜鉛めっき鋼板である２枚の鋼板を、その亜鉛めっき層を接合面として重ね合わせ、該重合領域における前記２枚の鋼板の何れか一方の表面にレーザを照射して重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザを所定のパワー密度かつ走行速度で走行させつつ照射することにより、レーザ照射位置から後方に延びる溶融池内で、少なくとも前記表面側の鋼板に部分的かつ一時的に細長い穴を生じさせ、レーザ照射で発生した金属蒸気を前記細長い穴からレーザ走行方向後方側かつレーザ照射源側に排出させつつ溶接することを特徴とする。
少なくとも１枚が亜鉛めっき鋼板である２枚の鋼板を、その亜鉛めっき層を接合面として重ね合わせ、該重合領域における前記２枚の鋼板の何れか一方の表面にレーザを照射して重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザを所定のパワー密度かつ走行速度で走行させつつ照射することにより、レーザ照射位置から後方に延びる溶融池内で、少なくとも前記表面側の鋼板に部分的かつ一時的に細長い穴を生じさせ、レーザ照射で発生した金属蒸気を前記細長い穴からレーザ走行方向後方側かつレーザ照射源側に排出させつつ溶接することを特徴とする。
上記方法により、重ね面にある亜鉛が蒸発して生じた亜鉛蒸気が、溶融池内に生じた細長い穴から溶融池に悪影響を及ぼすことなく逃げ、その結果、穴欠陥がない優れたレーザ重ね溶接が可能となる。
即ち、レーザのパワー、レーザ照射のパワー密度、照射スポット径、デフォーカス量、走行速さ等の照射方法を調節して高速度かつ高エネルギー密度で溶接を行うことにより、レーザの照射位置とキーホール（金属が蒸発する際に生じる溶融他の凹み）とがずれ、さらに金属の蒸発がキーホールのレーザ照射の走行方向前端に集中し、金属蒸気はレーザ照射の走行方向後方かつレーザの照射源側に（亜鉛めっき鋼板を上下に重ねてあれば、後ろ上方に）噴出するため、キーホールは細長い穴となり、さらにその細長い穴の主に先端やその周囲から、さらには横壁から亜鉛蒸気が逃げるため、逃げる際にレーザ照射源側（亜鉛めっき鋼板を上下に重ねてあれば上側）にある溶融池内の溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融池内に亜鉛蒸気が残留したりすることがない。この結果、大量の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を、手間を掛けずに実施でき、工程の管理も容易に行え、優れた技術的特性を有するレーザ重ね溶接を亜鉛めっき鋼板の重ね溶接に広汎に利用可能となる。
本発明においては、前記２枚の鋼板のうち、レーザ照射面側の鋼板に片面または両面に亜鉛めっき層が設けられており、他方の鋼板に亜鉛めっき層が設けられていないケース、レーザ照射面側の鋼板に片面または両面に亜鉛めっき層が設けられていると共に、他方の鋼板の片面または両面にも亜鉛めっき層が設けられているケース、およびレーザ照射原側の鋼板に亜鉛めっき層が設けられておらず、他方の鋼板に片面または両面に亜鉛めっき層が設けられているケースの全てのケースが含まれる。
そして、「亜鉛めっき層を接触面として重ね合わせ」とは、重ねた鋼板の接触面に亜鉛層があるように重ね合わせることを指し、具体的には前記レーザの照封面側の鋼板および／または他方の鋼板に設けられた亜鉛めっき層のうち少なくとも１層の亜鉛めっき層が接触面となるように２枚の鋼板を重ね合わせることを指す。
ここに、「亜鉛めっき鋼板」とは、主に自動車用に用いられ、板厚さが０．５～２ｍｍであり、亜鉛めっき層の厚さが４～１２μｍであり、鋼としては軟鋼、合金鋼、高張力鋼等であり、亜鉛めっきとしては純亜鉛によるめっきに限定されず本発明の効果が発揮される限り亜鉛を主材料とする金属のめっきであればよい。
また、「細長い穴」とは、亜鉛めっき層に到達する溶融池の細長いキーホールを指し、「細長い」とはレーザ走行方向の長さがそれに直交する方向の幅より長いことをいい、好ましくは長さが幅の２倍以上、より好ましくは３倍以上、さらに好ましくは４倍以上である。
また、「レーザのパワー、レーザ照射のパワー密度、照射方法を調節して」とは、適切な種類のレーザ装置や適切なパワーのレーザ装置を選定したり、レーザの照射スポット径やデフォーカス量やレーザ照射の走行速さを調節したりすることを指す。これにより、レーザ照射で形成された溶けた鋼からなる溶融池に前記の細長い穴を形成し、その下方に位置するめっき層の亜鉛が気化する際に、本来であればその上方にある筈の溶融金属を吹き飛ばすことが無い様にする。
以上の他、鋼板をレーザで溶接するためイナートガスを使用することが好ましい。これは通常のレーザ溶接と同じであり、アルゴン、ヘリウム、窒素、炭酸ガス等のガスを、走行方向側から溶接箇所に対して２０～８０Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で吹付ける。さらに、自動車用の亜鉛めっき鋼板であれば、アルゴンを３０Ｌ／ｍｉｎ程度とすることがコスト、品質等の面から好ましい。但し、本発明は、一切ガスを使用しないレーザリモート溶接等を排除するものではない。
なお、３枚以上の鋼板を重ね溶接する場合であっても、そのうち２枚の鋼板の溶接方法が前記要件を満たす限り、本発明から除外されるものではない。
本発明方法は、前記２枚の鋼板のうち、前記表面側の鋼板の板厚が０．５～２ｍｍであり、前記亜鉛めっき層の厚さが４～１２μｍである場合に、特に好適に実施できる。
しかし、個々の溶接条件は、溶接する照射面側の鋼板の厚さ等に応じて、他の条件と調節を図りつつ具体的に決定されることになる。例えば、板厚が大きい場合には、他の条件が同じであれば、単に溶融池を（融け込みを）深くするだけでなく、前記「細長い穴」が深く形成されるようにするために、板厚に比例してレーザパワー密度を大きくする。また、同じ板厚であっても、レーザ照射のパワー密度を大きくする場合には、それに比例してレーザ照射の走行速度を上げる。
本発明における、「レーザ照射面側の鋼板」の「鋼板」には、片面または両面に亜鉛めっきが施された亜鉛めっき鋼板の外、亜鉛めっき層が設けられていない鋼板も含まれる。すなわち、「亜鉛めっきが施された鋼板」は、レーザ照射面側にある場合、レーザ照射面と反対側にある場合、両側にある場合がある。また、「亜鉛めっき層の厚さ」は、１枚の鋼板の亜鉛めっき層の厚さを指す。
「レーザのパワー」については、その先端から亜鉛蒸気が逃げる細長い穴を適切に形成しながら、照射の走行速度を上げるという点では出力が大きい方が好ましい。しかし、例えば２０ｋＷ以上等、過大であれば設備費が嵩む等の面から好ましくない。
本発明方法において、前記レーザのパワーが５ｋＷ以上であり、前記レーザ照射のパワー密度が、ガウス形状換算で１０ｋＷ／ｍｍ２以上であることが好適である。
本発明方法では、従来用いられているよりも高い密度のレーザエネルギーが、従来よりも高速度で溶接箇所に照射されていくため、上記に規定したような板厚および亜鉛めっき層の厚さを有する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接において、より健全な溶接を行うことができる。溶接箇所の鋼板の照射面中央すなわち焦点の中心かつ走行方向に沿った線上にある金属は、照射面の側方（走行方向に直交する方向）に比べて照射時間が長くなるため、先に気化するだけでなく周囲の溶融金属を側方および走行方向後方に押しやりつつ後ろ上方に逃げる。このため、溶融池に急激に細長い凹み（細長いキーホール）が出来、さらにこの細長い凹みは亜鉛めっき層に達する深さとなり、気化した亜鉛がこの細長い凹みの先端から後ろ上方に逃げることとなる。その結果、健全なレーザ重ね溶接を高速で行うことが可能となる。
本発明方法において、前記レーザ照射のパワー密度が、ガウス形状換算で１５ｋＷ／ｍｍ２以上であることがさらに好適である。
ここに、「レーザ照射のパワー密度」については、２枚の鋼板を深く溶け込み合わせてしっかりした重ね溶接を行うという面からは、ある程度大きい方が好ましいが、レーザ照射のパワー密度を、例えば３０ｋＷ／ｍｍ２以上等、一定以上に大きくすることは、エネルギーコスト（効率）の面からは好ましくない。また、板厚さ、特にレーザ照射側の板厚さが薄い場合にも過剰エネルギーとなり、好ましくない。
本発明方法において、前記レーザの照射スポット径が０．１～２ｍｍであり、前記レーザを照射する装置のレンズの焦点距離が１００～１５００ｍｍであり、前記レーザのデフォーカス量が０～３０ｍｍであることが好適である。
レーザの照射スポット径（焦点の大きさ）、デフォーカス量が適正化されれば、溶接箇所やその近傍の温度条件等が健全なレーザ重ね溶接に寄与することになる。このため、例えば適切な走行速度を維持しつつ溶融池を形成でき、かつその深さと幅も適切になるため、亜鉛めっき層から発生する亜鉛の蒸気が逃げ易くなり、これらの結果一層健全なレーザ重ね溶接が得られることとなる。
本発明方法において、
前記２枚の鋼板のうち、レーザ照射面側の鋼板の板厚は０．７～１．２ｍｍであり、
亜鉛めっきが施された鋼板の亜鉛めっき層の厚さは５～１０μｍであり、
前記レーザのパワーは８ｋＷ以上であり、
前記レーザ照射のパワー密度は、ガウス形状換算で１８ｋＷ／ｍｍ２以上であり、
前記レーザの照射スポット径は０．１～１．２ｍｍであり、
前記レーザを照射する装置のレンズの焦点距離は１５０～１２００ｍｍであり、
前記レーザのデフォーカス量は０～２０ｍｍであることが好適である。
前記２枚の鋼板のうち、レーザ照射面側の鋼板の板厚は０．７～１．２ｍｍであり、
亜鉛めっきが施された鋼板の亜鉛めっき層の厚さは５～１０μｍであり、
前記レーザのパワーは８ｋＷ以上であり、
前記レーザ照射のパワー密度は、ガウス形状換算で１８ｋＷ／ｍｍ２以上であり、
前記レーザの照射スポット径は０．１～１．２ｍｍであり、
前記レーザを照射する装置のレンズの焦点距離は１５０～１２００ｍｍであり、
前記レーザのデフォーカス量は０～２０ｍｍであることが好適である。
これは、前記２枚の鋼板のうちレーザ照射面側の鋼板に板厚が０．７～１．２ｍｍの鋼板を用いる場合における、他の要件の最も好ましい範囲を規定したものである。
なお、前記２枚の鋼板のうち、レーザ照射側に対して反対側の鋼板の板厚さは特に限定されない。即ち、レーザ照射側の鋼板が気化してレーザ誘起プルーフを生じさせ、細長いキーホールが形成され、そこから両方の鋼板の接触部にある亜鉛がそのレーザ照射側にある溶融金属を吹き飛ばすことなく気化することに大きな影響を与えないと思われる。このため、レーザ照射側の鋼板が０．７～１．２ｍｍであれば、反対側の鋼板の板厚が大きく変化しない限り、好ましい溶接条件を定めた本発明は、そのまま適用可能であり、極めて優れたレーザ重ね溶接が出来るものと思われる。
また、「レーザ照射のパワー密度」については、前記の鋼板の板厚と亜鉛めっき層厚さを有する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接においては、前記の理由により、ガウス形状換算で２４ｋＷ／ｍｍ２以下であることが好ましく、実用的には１８～２２ｋＷ／ｍｍ２であることが好ましい。さらに、レーザのパワーも同様に、２０ｋＷ以下であることが好まく、総合的には５～１５ｋＷ程度であることがより好ましい。
例えば、レーザ照射のパワー密度、レーザのパワーが上記の範囲であり、レーザの照射スポット径が０．３ｍｍ、デフォーカス量１５ｍｍ程度の場合には、レーザ照射の走行速さは、レーザのパワーが５ｋＷであれば１０ｍ／ｍｉｎ程度となり、７ｋＷであれば１１ｍ／ｍｉｎ程度となり、１０ｋＷであれば１２ｍｍ／ｍｉｎ程度となり、１３ｋＷであれば１５ｍ／ｍｉｎ程度となる。
なお、「レーザ照射面側の鋼板」の「鋼板」、「亜鉛めっきが施された鋼板」および「亜鉛めっき層の厚さ」に関しては前記同様である。
また、「亜鉛めっき層の厚さ」が溶接条件に及ぼす影響については、めっきされている亜鉛の量そのものが鋼板に比較して量的に少なく、鋼の融点は亜鉛の沸点に比較して極めて高いこともあり、強烈なレーザエネルギーを照射されたことによる亜鉛めっきの蒸発に要する時間、細長い穴の先端から亜鉛の蒸気が溶融池内の溶融金属を吹飛ばすことなく蒸発すること等に関して、亜鉛めっき層の厚さの影響は比較的少なく、このため亜鉛めっき層の厚さに応じて溶接条件を大きく変更する必要はないと思われる。
本発明方法において、前記レーザがファイバーレーザであり、１０００ｎｍ帯の波長を使用するものであることが好ましい。
ファイバーレーザ（ファイバー伝送型レーザ、溶接用ファイバーレーザ等）を使用し、またファイバーレーザに適した１０００ｎｍ（ファイバー伝送型レーザであれば８００～１５００ｎｍ、溶接用ファイバーレーザであれば１０００～１１００ｎｍ）の波長のレーザを使用することにより、溶接が容易となる。特に、照射位置の設定、焦点等の調節、走行速さの調節が容易となる。
以上述べたように、本発明により、大量の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を、手間を要さずに実施でき、かつ、工程の管理も容易に行え、優れた技術的特徴を有するレーザ重ね溶接を亜鉛めっき鋼板の重ね溶接に広汎に利用可能となる。
１０ ファイバー
１１ レンズ
１７ レーザ光
１８ レー光の焦点
１９ レーザの照射スポット
２０、２１ 亜鉛めっき鋼板
３０ ノズル
３５、３６ 押さえ治具
４０ 溶融箇所先端
４１ レーザ誘起プルーム
４２ 細長い穴
４５、４６ 細長い穴の両側に生じた溶融池
４７ 細長い穴の後方の溶融池
４８ 溶接ビード
１１ レンズ
１７ レーザ光
１８ レー光の焦点
１９ レーザの照射スポット
２０、２１ 亜鉛めっき鋼板
３０ ノズル
３５、３６ 押さえ治具
４０ 溶融箇所先端
４１ レーザ誘起プルーム
４２ 細長い穴
４５、４６ 細長い穴の両側に生じた溶融池
４７ 細長い穴の後方の溶融池
４８ 溶接ビード
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
図１に、本発明の１実施例としての亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を行っている様子を、概念的に示す。図１において、１０はレーザ発信機のファイバーであり、１１はレンズであり、２０と２１は上（２０）下（２１）に重ねられた亜鉛めっき鋼板であり、３０はイナートガス吹付け用のノズルであり、３５と３６は亜鉛めっき銅板の押さえ治具である。また、１７はレーザ光であり、１８はレーザ光の焦点であり、レーザ光１７を示す光線中の矢印はレーザの照射方向を示し、１９は前記亜鉛めっき鋼板２０上に形成されたレーザの照射スポットであり、４８は溶接ビードである。また、太い矢印はレーザ照射の走行方向（溶接のなされる方向）であり、ノズル３０の先端の先に記載された細い矢印はイナートガスの流れである。さらに、ｄはレーザ照射のデフォーカス量を示す。
２枚の亜鉛めっき鋼板２０、２１は、通常の自動車用のものであり、各々厚さ１ｍｍの鋼板の両面に５μｍの亜鉛めっきが施されている。レーザ重ね溶接に先立って、これら２枚の亜鉛めっき鋼板２０、２１は、その表面の油分や汚れをエタノールで拭き取った後に上下に重ね、さらにその両端を押さえ治具３５、３６で固定される。このため、上下の亜鉛めっき鋼板２０、２１は、亜鉛めっき層を接触部として密着した状態となっている。
レーザ発振機としては、ＩＰＧフォトニクスジャパン株式会社製の出力１０ｋＷ、波長１０７０ｎｍのレーザ発振機を使用した。このレーザ発信機のファイバー１０から発せられたレーザ光１７は、溶接面（亜鉛めっき鋼板２０）の表面に対して直交する方向からレーザ光１７を照射しつつ溶接する方向（図上右側）に走行する。溶接時には、レーザ光１７が溶接面の手前（図上真上）１５ｍｍで焦点を結び（デフォーカス量＝１５ｍｍ）、スポット径が１．１ｍｍとなるようにレンズ１１を調節し、１２ｍ／ｍｉｎで走行させた。従って、溶接箇所のパワー密度は、断面強度分布がガウス形状と仮定して２１ｋＷ／ｍｍ２である。なお、本実施例におけるレンズ１１の焦点距離は２５０ｍｍである。
イナートガスは安価な不活性ガスであるＡｒを使用し、レーザビームの走行方向前方かつ４５度上方から、口径１６ｍｍのノズル３０を用いて３０Ｌ／ｍｉｎの流量で吹き付けた。
図２～図４に、前記溶接時における溶接金属の溶融波と蒸気の挙動の様子を概念的に示す。図２は、溶接箇所を横斜め上方から見たものであり、図３は溶接箇所の走行方向に沿った断面を示すものであり、図４は溶接箇所を上方から見たものである。これらの図において、４０は溶融箇所先端であり、４１はレーザ誘起プルームであり、４２は噴出する金属蒸気により生じた細長い穴（細長いキーホール）であり、４５と４６は細長い穴４２の両側に生じた溶融池であり、４７は細長い穴の後方の溶融池である。また、これらの図においても、太い矢印はレーザ照射の走行方向である。さらに、太い破線が付いた矢印は、金属蒸気の流れを示す。
レーザ照射により上下の亜鉛めっき鋼板２０、２１は溶融するが、照射エネルギー密度が大きいため、溶融箇所先端４０が走行方向後側で、急傾斜で深く溶込み、表面から金属の一部が急速に蒸発し、さらに急速な蒸発で発生した金属蒸気（レーザ誘起プルーム）は周囲や上部（レーザ照射側）の液体金属を走行方向の後方や横側に押しやりつつ照射箇所から少し後（走行方向と反対側、図中左側）寄りの箇所から後方かつ上側（レーザの照射側）に向かって噴出する。
レーザ誘起プルーム４１が前記の方向に噴出するのは、照射箇所の走行方向の中心線付近が最もレーザに照射される時間が長く、さらにレーザ光のパワー密度も高いだけでなく、照射の走行方向側と照射方向側（図２、図３で下方）および照射箇所の走行方向両側（図４で上下方向）には未だ溶融していない固体金属層があることによる。このため、レーザ誘起プルーム４１は、照射箇所の走行方向の中心線に沿って生じる。結果的に、レーザ照射位置の後方、かつ照射の走行方向の中心線に沿ってレーザ誘起プルーム４１が生じる。この結果、その位置に溶融金属が存在しない走行方向に細長い穴４２が生じる。さらに、この細長い穴４２の走行方向両側には細長い溶融池４５、４６が生じ、さらに金属蒸気圧で走行方向と反対方向に流れ、細長い穴４２の走行方向後側で合流して溶融池４７となる。なお、本実施例においては、幅が約１ｍｍ、長さが約３ｍｍの細長い穴（細長いキーホール）が形成されていることが認められた。
本発明においては、単に細長い穴が形成されるだけでなく、形成された細長い穴の先端や周囲から亜鉛蒸気がレーザ誘起プルーム４１あるいはその一部として後ろ上方に噴出するので、その周囲や上部にある溶融金属を吹き飛ばすことが無く、あるいは僅かしか吹き飛ばさず、また亜鉛蒸気が溶融池に残留することもない。
亜鉛は、前記したように、融点（４１９．５℃）、沸点（９０７℃）が共に鉄の融点（１５３５℃）に比較してはるかに低いだけでなく、融解熱、気化熱（各々７．３２２ｋＪ／ｍｏｌ、１１５．３ｋＪ／ｍｏｌ）も小さい（鋼板の主材料である鉄は、各々１３．８ｋＪ／ｍｏｌ、３４９．６ｋＪ／ｍｏｌ。但し、前記４つの数値は、亜鉛や鋼板中の添加物、配合物の影響もあり、実際には多少相違する）。このため、もしレーザ照射側に位置する鋼板からの伝熱量が大きければ、亜鉛は瞬時に溶融、気化し、さらに発生した多量の亜鉛蒸気がその上方にある溶融金属を吹飛ばすことになる。
しかし、鉄は銅等に比較して熱伝導率が小さく、また溶融した液体では、固体の場合よりさらに熱伝導率が小さくなっており、また、前記のように亜鉛の気化熱は小さく、その一方で照射エネルギーの密度が大きい。さらに、レーザ照射装置の焦点距離、デフォーカス量等も適切である。これらの結果、亜鉛めっき横板の被照射側の表面から順次鋼の溶融、蒸発が生じ、次いで照射箇所の亜鉛めっき鋼板２０、２１の接触面にある亜鉛がレーザ照射によるエネルギーで速やかに溶融、気化し、前記の細長い穴の先端や周囲から噴出するため、良好な重ね溶接がなされることになる。
本実施例で溶接された試料を、レーザ照射の走行方向と直交する方向に切断し、その断面を顕微鏡で観察して溶接の状況を調べた。図５は前記断面の顕微鏡写真である。図５に示すように、断面に溶接欠陥は認められず、本発明方法によって、２枚の鋼板の間に隙間を設けることなく良好な亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を行うことができることが分かる。
Claims (8)
- 少なくとも１枚が亜鉛めっき鋼板である２枚の鋼板を、その亜鉛めっき層を接合面として重ね合わせ、該重合領域における前記２枚の鋼板の何れか一方の表面にレーザを照射して重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザを所定のパワー密度かつ走行速度で走行させつつ照射することにより、レーザ照射位置から後方に延びる溶融池内で、少なくとも前記表面側の鋼板に部分的かつ一時的に細長い穴を生じさせ、レーザ照射で発生した金属蒸気を前記細長い穴からレーザ走行方向後方側かつレーザ照射源側に排出させつつ溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。 - 前記２枚の鋼板のうち、前記表面側の鋼板の板厚は０．５～２ｍｍであり、前記亜鉛めっき層の厚さは４～１２μｍであることを特徴とする請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
- 前記レーザのパワーは５ｋＷ以上であり、前記レーザ照射のパワー密度は、ガウス形状換算で１０ｋＷ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項２に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
- 前記レーザ照射のパワー密度は、ガウス形状換算で１５ｋＷ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項３に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
- 前記レーザの照射スポット径は０．１～２ｍｍであり、前記レーザを照射する装置のレンズ焦点距離は１００～１５００ｍｍであり、前記レーザのデフォーカス量は０～３０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
- 前記２枚の鋼板のうち、レーザ照射面側の鋼板の板厚は０．７～１．２ｍｍであり、
亜鉛めっきが施された鋼板の亜鉛めっき層の厚さは５～１０μｍであり、
前記レーザのパワーは８ｋＷ以上であり、
前記レーザ照射のパワー密度は、ガウス形状換算で１８ｋＷ／ｍｍ２以上であり、
前記レーザの照射スポット径は０．１～１．２ｍｍであり、
前記レーザを照射する装置のレンズの焦点距離は１５０～１２００ｍｍであり、
前記レーザのデフォーカス量は０～２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。 - 前記レーザはファイバーレーザであり、かつ、１０００ｎｍ帯の波長を使用するものであることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
- 前記レーザ照射位置に対向してレーザ走行方向前方側からイナートガスを吹き付けつつ溶接することを特徴とする請求項１に記載の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法。
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