亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法
【課題】亜鉛蒸気による溶接欠陥を回避するための付加的工程を必要とせず、亜鉛めっき鋼板を密着させた状態での高速かつ高品質の溶接接合を可能にする亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法を提供する。
【解決手段】亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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排出させつつ溶接する。
【解決手段】亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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排出させつつ溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛めっき鋼板は、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、自動車産業を始め様々な分野で広く用いられている。特に大面積の鋼板を使用する自動車産業等では、大量の亜鉛めっき鋼板を重ねて溶接するに際し、スポット溶接等と比較して高精度、高品質、高速処理等の優れた特性を有するレーザ溶接の導入が試みられてきた。
【０００３】
亜鉛めっき鋼板を重ねてレーザで溶接（以下、単に「レーザ重ね溶接」とする）する際には、例えば各亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっき層が互いに接するように上下に重ね合わせ、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどのレーザ光を照射し、上下の亜鉛めっき鋼板を溶融させて接合する。
【０００４】
良好な接合を行なうためには、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互いに接するように重ね合わせてレーザ照射するだけでは、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留したりすることに起因して、ピット、ポロシティ、ウォームホールと言った溶接欠陥を生じる問題がある。
【０００５】
その対策として、特許文献１〜３には、レーザ重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板間に、スペーサや段差などを利用して、亜鉛蒸気が逃げるための隙間を設けておき、その状態でレーザ重ね溶接する方法が開示されている。また、特許文献４〜８には、亜鉛めっき鋼板を重ねた状態で前述のような隙間が形成されるように、何れか一方の亜鉛めっき鋼板に予め凹凸や屈曲を形成しておくレーザ重ね溶接方法が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献９には、前述のような隙間を形成するために、一方の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を行なう箇所の近傍を、予めレーザ照射することにより屈曲させておくレーザ重ね溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２１０３８６号公報
【特許文献２】特開昭６１−７４７９３号公報
【特許文献３】特開２００７−３８２６９号公報
【特許文献４】特開昭６１−１３５４９５号公報
【特許文献５】特開平７−１５５９７４号公報
【特許文献６】特開平１０−１９３１４９号公報
【特許文献７】特開２０００−３２６０８０号公報
【特許文献８】特開２００４−２６１８４９号公報
【特許文献９】特開２００５−１４４５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上下に重ねた亜鉛めっき鋼板間に０．１ｍｍ程度の隙間を導入するのは手間を要し、工程の管理も困難である。特許文献９に開示された例にしても溶接箇所にレーザ照射を２度実施する必要がある。亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接の需要が見込まれる自動車産業では、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。
【０００９】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、亜鉛蒸気による溶接欠陥を回避するための付加的工程を必要とせず、亜鉛めっき鋼板を密着させた状態での高速かつ高品質の溶接接合を可能にする亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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一方の鋼板表面にレーザを照射して重ね溶接する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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。
【００１１】
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排出され、溶融池に悪影響を及ぼすことがないので、欠陥のない良好なレーザ重ね溶接が可能となる。
【００１２】
レーザ溶接は、レーザ照射エネルギーで金属を加熱溶融させて一体化した後、溶融金属が凝固することで接合がなされる。このため、レーザ照射の走行速度を単に高速にしただけでは、単位時間当たりに供給されるパワーが不足して溶接不良となり、一方、パワー密度が高すぎると溶融部分が融合できずに溶断されることになる。ところが、大パワー密度かつ高速度でレーザ照射を行いかつ単位時間・体積当たりのパワー（パワー密度）が上記の範囲内にあると、レーザ照射位置から後方に延びる細長いキーホール（金属が蒸発する際に生じる溶融池の凹み）が生じ、金属の蒸発が細長いキーホールのレーザ走行方向前端に集中し、金属蒸気はこの前端からレーザ走行方向後方かつレーザ照射源側に（亜鉛めっき鋼板を上下に重ねてあれば、後上方に）噴出するので、キーホールは細長い穴となる。このようにして生じる細長い穴の主に前端やその近から亜鉛蒸気が排出されるので、亜鉛蒸気が溶融池内の溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融池内に残留したりすることがない。
【００１３】
上記において、レーザのパワーＰが７（ｋＷ）に満たない場合、必要なパワー密度を得るためにはレーザ照射の走行速度を遅くするか、照射スポット径を上記よりも小さくしなければならず、走行速度が遅い場合は短いキーホールしか形成されず、照射スポット径が小さ過ぎる場合は溶融池の幅が狭くなり、細長い穴は形成されない。この「細長い穴」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も有意に大きいことを意味しており、細長い穴の長さは、幅の少なくとも２倍以上、好ましくは３〜５倍である。キーホールが長過ぎる場合には溶接品質が低下する。
【００１４】
レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが上記のような所定範囲にあることは、照射されるべきレーザのパワーＰが、照射幅（照射スポット径）φ、板厚ｔ、走行速度ｖ（照射スポットの単位時間あたりの移動距離）に応じて決定されることを示している。これは、レーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板の実用的な板厚から近似的かつ実験的に求められたものである。したがって、単位時間当たりに溶融される鋼板材料の体積が「φｔｖ」に等しいという意味ではないが、レーザの走行方向に一様でありかつ高さ（溶け込み深さ）が２ｔ（２枚分の板厚）の断面逆三角形状の領域であると仮定すると、「φｔｖ」は、その三角形の断面積（＝φ・２ｔ／２）に走行速度ｖを掛けたものと考えることができる。重ね溶接する２枚の亜鉛めっき鋼板の板厚ｔが異なる場合は、レーザ照射側に位置した亜鉛めっき鋼板の板厚ｔが基準になる。また、３枚以上の鋼板を重ね溶接する場合は、合計の板厚の１／２を適用する。
【００１５】
本発明において、前記走行速度ｖは、１６７〜２００ｍｍ／ｓｅｃ（１０〜１２ｍ／ｍｉｎ）であることが好ましい。単位時間・体積当たりのパワーに応じてレーザ走行速度ｖが設定される場合にも、パワーＰが可及的に小さくかつその範囲でレーザ走行速度ｖも可及的に高速でない方が、設備への負担が小さく、溶接品質の点でも有利である。
【００１６】
なお、本発明は、前記２枚の鋼板の接合面のいずれかまたは両方に亜鉛めっき層が設けられている場合に限られ、接合面のいずれにも亜鉛めっき層がない場合は含まれない。接合面に亜鉛めっき層が存在しない場合には、亜鉛蒸気も発生しないので、本発明方法を実施する意味はないが、そのような場合には、溶融池内での細長い穴が形成されにくいことも実験で確認されている。したがって、細長い穴の形成には、噴出する亜鉛蒸気の圧力もある程度関与しているものと考えられる。
【００１７】
本発明方法が実施される亜鉛めっき鋼板は、主に自動車用に用いられる板厚０．５〜２ｍｍの薄板であり、亜鉛めっき層の厚さは４〜１２μｍである。めっきされている亜鉛の量そのものが鋼板に比較して少なく、鋼の融点は亜鉛の沸点に比較して極めて高いことから、実用的な亜鉛めっき層の厚さにより溶接条件が大きく変化することはない。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合金のめっきでも良い。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法は、付加的な工程なしで亜鉛蒸気による溶接欠陥を回避でき、高速かつ高品質の溶接接合を、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接の実施状況を示す斜視図である。
【図２】図１に示す溶接時における溶接金属の溶融液と蒸気の挙動を概念的に示す斜視図である。
【図３】図１に示す溶接時における溶接箇所を概念的に示す走行方向に沿った断面図である。
【図４】図１に示す溶接時における溶接箇所を概念的に示す上方から見た図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、板厚０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｂ）は、板厚１．２ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、板厚０．６ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明をその実施形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、以下の実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２１】
図１において、１０はレーザ発振器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、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）を示している。さらに、ｄはレーザ照射のデフォーカス量を示す。
【００２２】
２枚の亜鉛めっき鋼板２０、２１は上下に重ねられ、溶接位置の両側において押さえ治具３５、３６で固定されることで、亜鉛めっき層を接触面として密着されている。この状態において、レーザ発振器のファイバー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）の表面に対して略直交する方向から照射され、かつ、所定の走行速度で溶接方向（図上右側）に走行させる。溶接時には、レーザ光１７が溶接面の手前（図上真上）で焦点を結び、所定の照射スポット径が得られるようにレンズ１１の焦点が調節される。なお、レーザ照射方向は直交方向に限定されるものではなく、溶接面に対して走行方向前方または後方に多少の入射角度を有しても良いが、走行方向と交差する方向に対しては略直角であることが好ましい。また、図示例では、便宜的に溶接面とレンズ１１が近接して描かれているが、長焦点距離のレーザリモート溶接として実施されても良い。
【００２３】
本発明に係る溶接方法は、後述する実験結果にも示されるように、従来のレーザ重ね溶接よりも格段に大きいパワー（７ｋＷ以上）が選択され、そのような大パワーのレーザを、従来の走行速度よりも格段に高速な走行速度（９ｍ／ｍｉｎ以上）で移動させながら照射することで、単位時間当たりに溶接領域に投入されるエネルギーを切断に移行しないレベルに抑えつつ細長いキーホールを生じさせて亜鉛蒸気を排出する点に特徴がある。
【００２４】
図２〜図４は、溶接時における溶接金属の溶融池と蒸気の挙動の様子を概念的に示す。これらの図において、１７ａはレーザ光軸、４０は溶融箇所先端、４１はレーザ誘起プルーム、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）を示している。４５と４６は細長い穴４２の両側に分かれた溶融池の各部分を示しており、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を示し、太い破線が付いた矢印は、金属蒸気の流れを示している。
【００２５】
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。
【００２６】
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、良好な溶接がなされる場合には、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。また、もし、亜鉛の比熱や気化熱が大きければ、亜鉛の気化が遅れるため、発生した多量の亜鉛蒸気が上方にある溶融金属を吹飛ばすことになる。
【００２９】
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、その一方でレーザ照射のエネルギーの密度が大きく走行速度も高速である。これらの結果、亜鉛めっき鋼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。
【００３０】
（第１実施例）
次に、レーザのパワー、スポット径と走行速度との関係を検証するために、板厚ｔ＝０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせて、（ａ）スポット径φ＝０．５２ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．６４ｍｍ、（ｃ）スポット径φ＝０．８３ｍｍ、（ｄ）スポット径φ＝０．９４ｍｍ、（ｅ）スポット径φ＝１．０６ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰ（ｋＷ）と走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を他段階に亘って変化させながら、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無および溶接品質を評価する実験を行った。
【００３１】
実験では、ＴＲＵＭＰＦ社製のＤＩＳＫレーザ発振器（最大出力１０ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．３ｍｍ、および、最大出力１６ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．２ｍｍ）を用い、ファイバー伝送レーザに適した１０００〜１１００ｎｍの波長のレーザを使用した。
【００３２】
実験結果を図５（ａ）〜（ｅ）に示す。各図において、記号「◎」は、照射位置から後方に延びる細長いキーホールが形成され、亜鉛ガス欠陥もなく、良好な溶接品質が得られた設定値を示し、記号「○」は、同様に細長いキーホールが形成され、亜鉛ガス欠陥も殆ど問題ないレベルであったが、裏側に若干の窪みを生じ溶接品質の点でやや劣る設定値を示している。また記号「▽」は、キーホールが長大になり、裏側に大きな窪みを生じ溶接品質に問題がある設定値を示している。さらに記号「×」は、一般的なごく短いキーホールしか形成されなかった設定値を示しており、この設定値では例外なく亜鉛ガス欠陥が認められた。
【００３３】
いずれの場合にも、良好な溶接結果が得られた設定値は、レーザのパワーＰが大きくなるにつれて走行速度ｖも大きくなる左下から右上に広がる領域に分布しているが、パワーＰが８ｋＷ以下の場合には、走行速度ｖを下げても良好な溶接結果は得られなかった。図示を省略するが、上記より小さいスポット径φ＝０．４２ｍｍおよびスポット径φ＝０．３１ｍｍの各場合についてもいくつかの設定値で同様の実験を行ったが、良好な結果は得られなかった。また、パワーＰが大きい領域では、走行速度ｖを高速にしてもキーホールが長大になるばかりで、良好な溶接結果は得られなかった。したがって、パワーＰには上限値も存在するが、パワーＰの上限は、スポット径φによって異なり、スポット径φに応じて後述するＰ／φｔｖ値から決定されることになる。
【００３４】
亜鉛蒸気の排出に寄与する細長いキーホールは、単に幾何学的な長短比によって「細長い」だけではなく、亜鉛蒸気を排出可能な絶対的な長さと幅の上限値と下限値が存在することが分かる。スポットφ径が小さく、キーホールの幅が物理的に狭すぎる場合は、亜鉛蒸気を排出可能な開口面積が不足する。一方、スポット径φが大きい場合は、それに見合うパワー密度となるようにパワーＰと走行速度ｖが選択されても、キーホールが長大になるので、亜鉛蒸気の排出はできても、裏側に大きな窪みを生じる。いずれにしても溶融金属の流動性に係る時定数が関与するので、スポット径φに応じた上限および下限が存在し、その範囲内で、適正なパワーＰと走行速度ｖが選定される必要がある。
【００３５】
上記実験を行った各設定値において、レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖ（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）を求めると、良好な溶接結果が得られた設定値では、スポット径に拘わらず、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）のほぼ一定の値を示す。例えば、スポット径φ＝０．６４ｍｍ、パワーＰ＝８ｋＷ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となり、スポット径φ＝１．０６ｍｍ、パワーＰ＝１２ｋＷ、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０８（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となる。したがって、このような関係を利用すれば、スポット径φおよび板厚ｔに応じたレーザのパワーＰと走行速度ｖの好適値を予測できる。
【００３６】
さらに、上記実験と同条件で、下側に亜鉛めっきを施していない鋼板（以下、非めっき鋼板という）を用いた場合、上側に非めっき鋼板を用いた場合、上下各側に非めっき鋼板を用いた場合について、同様の実験を行ったところ、下側のみが非めっき鋼板の場合は、上述した両側共にめっき鋼板の場合とほぼ同様の結果が得られたが、上側に非めっき鋼板を用いた場合では、良好な設定値の範囲が狭いことが分かった。また、上下非めっき鋼板の場合には、当然ながら亜鉛蒸気の発生はないが、細長いキーホールは形成されなかった。このことから、細長いキーホールの形成には、亜鉛蒸気の噴出圧も関与していることが推定される。
【００３７】
（第２実施例）
次に、上記実験と同条件で、板厚ｔ＝１．２ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせ、（ａ）スポット径φ＝０．４２ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．５２ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰ（ｋＷ）と走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を変化させながら、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無、および溶接品質を評価する実験を行った。
【００３８】
実験結果を図６（ａ）〜（ｂ）に示す。各図の記号の意味は先述した実験の場合と同じである。板厚０．７ｍｍの場合より少ないサンプルではあるが、ほぼ同様の傾向は確認できた。図示より大きいスポット径φ＝０．６４ｍｍと、小さいスポット径φ＝０．３１についても散発的に実験を行い、スポット径φ＝０．６４ｍｍについては良好な結果が得られたが、小さいスポット径φ＝０．３１では、良好な結果は得られなかった。これらの傾向も先述した板厚０．７ｍｍの場合と同様である。
【００３９】
また、レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖについて、良好な溶接結果が得られた設定値では、例えば、スポット径φ＝０．５２ｍｍ、パワーＰ＝１０ｋＷ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．１０（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）、スポット径φ、パワーＰが同じで、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０８（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であり、この値も先述した板厚０．７ｍｍの場合と同様である。
【００４０】
（第３実施例）
次に、上記実験結果を踏まえて、板厚ｔ＝０．６ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせ、（ａ）スポット径φ＝０．５８ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．７９ｍｍ、（ｃ）スポット径φ＝０．８７ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰを７ｋＷに設定して走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を変化させ、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無、および溶接品質を評価する追加実験を行った。この追加実験では、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザ発振器（最大出力７ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．２ｍｍ、波長１０７０ｎｍ）を用いた。
【００４１】
実験結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。各図の記号の意味は先述した実験の場合と同じである。先の実験結果から、パワーＰ、スポット径φ、板厚ｔに対して良好な結果が見込める走行速度ｖは推測できたので、追加実験では、実施したほぼ全ての条件で良好が得られた。スポット径φ＝０．５８ｍｍ、走行速度ｖ＝１４ｍ／ｍｉｎ（２３３ｍｍ／ｓｅｃ）の場合と、スポット径φ＝０．７９ｍｍ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０９（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であり、スポット径φ＝０．７９ｍｍ、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合と、スポット径φ＝０．８７ｍｍ、走行速度ｖ＝１１ｍ／ｍｉｎ（１８３ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０７（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であった。これらの値も先述した板厚０．７ｍｍおよび１．２ｍｍの場合と概ね同様と言える。
【００４２】
以上の実施例では、板厚に関しては０．７ｍｍと１．２ｍｍの実験と、板厚０．６ｍｍの追加実験に留まったが、工業的に多く用いられる亜鉛めっき鋼板は、板厚０．５〜２ｍｍの薄板鋼板であるので、上述した近似式をもとに各実験結果に準じた設定値を適用することで、良好な溶接条件を取得することができる。
【００４３】
以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法は、亜鉛蒸気を排出するための付加的な工程は一切不要であるにもかかわらず、亜鉛ガス欠陥の無い良好なレーザ重ね溶接を高い再現性をもって実施可能であり、レーザの高速走行と相俟って、工業的に多用される亜鉛めっき鋼板の重ね溶接に高い生産性を実現できる。
【符号の説明】
【００４４】
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
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛めっき鋼板は、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、自動車産業を始め様々な分野で広く用いられている。特に大面積の鋼板を使用する自動車産業等では、大量の亜鉛めっき鋼板を重ねて溶接するに際し、スポット溶接等と比較して高精度、高品質、高速処理等の優れた特性を有するレーザ溶接の導入が試みられてきた。
【０００３】
亜鉛めっき鋼板を重ねてレーザで溶接（以下、単に「レーザ重ね溶接」とする）する際には、例えば各亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっき層が互いに接するように上下に重ね合わせ、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどのレーザ光を照射し、上下の亜鉛めっき鋼板を溶融させて接合する。
【０００４】
良好な接合を行なうためには、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互いに接するように重ね合わせてレーザ照射するだけでは、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留したりすることに起因して、ピット、ポロシティ、ウォームホールと言った溶接欠陥を生じる問題がある。
【０００５】
その対策として、特許文献１〜３には、レーザ重ね溶接を行なう亜鉛めっき鋼板間に、スペーサや段差などを利用して、亜鉛蒸気が逃げるための隙間を設けておき、その状態でレーザ重ね溶接する方法が開示されている。また、特許文献４〜８には、亜鉛めっき鋼板を重ねた状態で前述のような隙間が形成されるように、何れか一方の亜鉛めっき鋼板に予め凹凸や屈曲を形成しておくレーザ重ね溶接方法が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献９には、前述のような隙間を形成するために、一方の亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接を行なう箇所の近傍を、予めレーザ照射することにより屈曲させておくレーザ重ね溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２１０３８６号公報
【特許文献２】特開昭６１−７４７９３号公報
【特許文献３】特開２００７−３８２６９号公報
【特許文献４】特開昭６１−１３５４９５号公報
【特許文献５】特開平７−１５５９７４号公報
【特許文献６】特開平１０−１９３１４９号公報
【特許文献７】特開２０００−３２６０８０号公報
【特許文献８】特開２００４−２６１８４９号公報
【特許文献９】特開２００５−１４４５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上下に重ねた亜鉛めっき鋼板間に０．１ｍｍ程度の隙間を導入するのは手間を要し、工程の管理も困難である。特許文献９に開示された例にしても溶接箇所にレーザ照射を２度実施する必要がある。亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接の需要が見込まれる自動車産業では、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。
【０００９】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、亜鉛蒸気による溶接欠陥を回避するための付加的工程を必要とせず、亜鉛めっき鋼板を密着させた状態での高速かつ高品質の溶接接合を可能にする亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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一方の鋼板表面にレーザを照射して重ね溶接する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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。
【００１１】
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排出され、溶融池に悪影響を及ぼすことがないので、欠陥のない良好なレーザ重ね溶接が可能となる。
【００１２】
レーザ溶接は、レーザ照射エネルギーで金属を加熱溶融させて一体化した後、溶融金属が凝固することで接合がなされる。このため、レーザ照射の走行速度を単に高速にしただけでは、単位時間当たりに供給されるパワーが不足して溶接不良となり、一方、パワー密度が高すぎると溶融部分が融合できずに溶断されることになる。ところが、大パワー密度かつ高速度でレーザ照射を行いかつ単位時間・体積当たりのパワー（パワー密度）が上記の範囲内にあると、レーザ照射位置から後方に延びる細長いキーホール（金属が蒸発する際に生じる溶融池の凹み）が生じ、金属の蒸発が細長いキーホールのレーザ走行方向前端に集中し、金属蒸気はこの前端からレーザ走行方向後方かつレーザ照射源側に（亜鉛めっき鋼板を上下に重ねてあれば、後上方に）噴出するので、キーホールは細長い穴となる。このようにして生じる細長い穴の主に前端やその近から亜鉛蒸気が排出されるので、亜鉛蒸気が溶融池内の溶融金属を吹き飛ばしたり、溶融池内に残留したりすることがない。
【００１３】
上記において、レーザのパワーＰが７（ｋＷ）に満たない場合、必要なパワー密度を得るためにはレーザ照射の走行速度を遅くするか、照射スポット径を上記よりも小さくしなければならず、走行速度が遅い場合は短いキーホールしか形成されず、照射スポット径が小さ過ぎる場合は溶融池の幅が狭くなり、細長い穴は形成されない。この「細長い穴」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も有意に大きいことを意味しており、細長い穴の長さは、幅の少なくとも２倍以上、好ましくは３〜５倍である。キーホールが長過ぎる場合には溶接品質が低下する。
【００１４】
レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが上記のような所定範囲にあることは、照射されるべきレーザのパワーＰが、照射幅（照射スポット径）φ、板厚ｔ、走行速度ｖ（照射スポットの単位時間あたりの移動距離）に応じて決定されることを示している。これは、レーザ重ね溶接が実施される亜鉛めっき鋼板の実用的な板厚から近似的かつ実験的に求められたものである。したがって、単位時間当たりに溶融される鋼板材料の体積が「φｔｖ」に等しいという意味ではないが、レーザの走行方向に一様でありかつ高さ（溶け込み深さ）が２ｔ（２枚分の板厚）の断面逆三角形状の領域であると仮定すると、「φｔｖ」は、その三角形の断面積（＝φ・２ｔ／２）に走行速度ｖを掛けたものと考えることができる。重ね溶接する２枚の亜鉛めっき鋼板の板厚ｔが異なる場合は、レーザ照射側に位置した亜鉛めっき鋼板の板厚ｔが基準になる。また、３枚以上の鋼板を重ね溶接する場合は、合計の板厚の１／２を適用する。
【００１５】
本発明において、前記走行速度ｖは、１６７〜２００ｍｍ／ｓｅｃ（１０〜１２ｍ／ｍｉｎ）であることが好ましい。単位時間・体積当たりのパワーに応じてレーザ走行速度ｖが設定される場合にも、パワーＰが可及的に小さくかつその範囲でレーザ走行速度ｖも可及的に高速でない方が、設備への負担が小さく、溶接品質の点でも有利である。
【００１６】
なお、本発明は、前記２枚の鋼板の接合面のいずれかまたは両方に亜鉛めっき層が設けられている場合に限られ、接合面のいずれにも亜鉛めっき層がない場合は含まれない。接合面に亜鉛めっき層が存在しない場合には、亜鉛蒸気も発生しないので、本発明方法を実施する意味はないが、そのような場合には、溶融池内での細長い穴が形成されにくいことも実験で確認されている。したがって、細長い穴の形成には、噴出する亜鉛蒸気の圧力もある程度関与しているものと考えられる。
【００１７】
本発明方法が実施される亜鉛めっき鋼板は、主に自動車用に用いられる板厚０．５〜２ｍｍの薄板であり、亜鉛めっき層の厚さは４〜１２μｍである。めっきされている亜鉛の量そのものが鋼板に比較して少なく、鋼の融点は亜鉛の沸点に比較して極めて高いことから、実用的な亜鉛めっき層の厚さにより溶接条件が大きく変化することはない。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合金のめっきでも良い。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法は、付加的な工程なしで亜鉛蒸気による溶接欠陥を回避でき、高速かつ高品質の溶接接合を、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接の実施状況を示す斜視図である。
【図２】図１に示す溶接時における溶接金属の溶融液と蒸気の挙動を概念的に示す斜視図である。
【図３】図１に示す溶接時における溶接箇所を概念的に示す走行方向に沿った断面図である。
【図４】図１に示す溶接時における溶接箇所を概念的に示す上方から見た図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、板厚０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｂ）は、板厚１．２ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、板厚０．６ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて照射スポット径φ毎にパワーと走行速度を変更しながらレーザ重ね溶接を行った実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明をその実施形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、以下の実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２１】
図１において、１０はレーザ発振器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、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）を示している。さらに、ｄはレーザ照射のデフォーカス量を示す。
【００２２】
２枚の亜鉛めっき鋼板２０、２１は上下に重ねられ、溶接位置の両側において押さえ治具３５、３６で固定されることで、亜鉛めっき層を接触面として密着されている。この状態において、レーザ発振器のファイバー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）の表面に対して略直交する方向から照射され、かつ、所定の走行速度で溶接方向（図上右側）に走行させる。溶接時には、レーザ光１７が溶接面の手前（図上真上）で焦点を結び、所定の照射スポット径が得られるようにレンズ１１の焦点が調節される。なお、レーザ照射方向は直交方向に限定されるものではなく、溶接面に対して走行方向前方または後方に多少の入射角度を有しても良いが、走行方向と交差する方向に対しては略直角であることが好ましい。また、図示例では、便宜的に溶接面とレンズ１１が近接して描かれているが、長焦点距離のレーザリモート溶接として実施されても良い。
【００２３】
本発明に係る溶接方法は、後述する実験結果にも示されるように、従来のレーザ重ね溶接よりも格段に大きいパワー（７ｋＷ以上）が選択され、そのような大パワーのレーザを、従来の走行速度よりも格段に高速な走行速度（９ｍ／ｍｉｎ以上）で移動させながら照射することで、単位時間当たりに溶接領域に投入されるエネルギーを切断に移行しないレベルに抑えつつ細長いキーホールを生じさせて亜鉛蒸気を排出する点に特徴がある。
【００２４】
図２〜図４は、溶接時における溶接金属の溶融池と蒸気の挙動の様子を概念的に示す。これらの図において、１７ａはレーザ光軸、４０は溶融箇所先端、４１はレーザ誘起プルーム、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）を示している。４５と４６は細長い穴４２の両側に分かれた溶融池の各部分を示しており、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を示し、太い破線が付いた矢印は、金属蒸気の流れを示している。
【００２５】
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。
【００２６】
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、良好な溶接がなされる場合には、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。また、もし、亜鉛の比熱や気化熱が大きければ、亜鉛の気化が遅れるため、発生した多量の亜鉛蒸気が上方にある溶融金属を吹飛ばすことになる。
【００２９】
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、その一方でレーザ照射のエネルギーの密度が大きく走行速度も高速である。これらの結果、亜鉛めっき鋼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。
【００３０】
（第１実施例）
次に、レーザのパワー、スポット径と走行速度との関係を検証するために、板厚ｔ＝０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせて、（ａ）スポット径φ＝０．５２ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．６４ｍｍ、（ｃ）スポット径φ＝０．８３ｍｍ、（ｄ）スポット径φ＝０．９４ｍｍ、（ｅ）スポット径φ＝１．０６ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰ（ｋＷ）と走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を他段階に亘って変化させながら、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無および溶接品質を評価する実験を行った。
【００３１】
実験では、ＴＲＵＭＰＦ社製のＤＩＳＫレーザ発振器（最大出力１０ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．３ｍｍ、および、最大出力１６ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．２ｍｍ）を用い、ファイバー伝送レーザに適した１０００〜１１００ｎｍの波長のレーザを使用した。
【００３２】
実験結果を図５（ａ）〜（ｅ）に示す。各図において、記号「◎」は、照射位置から後方に延びる細長いキーホールが形成され、亜鉛ガス欠陥もなく、良好な溶接品質が得られた設定値を示し、記号「○」は、同様に細長いキーホールが形成され、亜鉛ガス欠陥も殆ど問題ないレベルであったが、裏側に若干の窪みを生じ溶接品質の点でやや劣る設定値を示している。また記号「▽」は、キーホールが長大になり、裏側に大きな窪みを生じ溶接品質に問題がある設定値を示している。さらに記号「×」は、一般的なごく短いキーホールしか形成されなかった設定値を示しており、この設定値では例外なく亜鉛ガス欠陥が認められた。
【００３３】
いずれの場合にも、良好な溶接結果が得られた設定値は、レーザのパワーＰが大きくなるにつれて走行速度ｖも大きくなる左下から右上に広がる領域に分布しているが、パワーＰが８ｋＷ以下の場合には、走行速度ｖを下げても良好な溶接結果は得られなかった。図示を省略するが、上記より小さいスポット径φ＝０．４２ｍｍおよびスポット径φ＝０．３１ｍｍの各場合についてもいくつかの設定値で同様の実験を行ったが、良好な結果は得られなかった。また、パワーＰが大きい領域では、走行速度ｖを高速にしてもキーホールが長大になるばかりで、良好な溶接結果は得られなかった。したがって、パワーＰには上限値も存在するが、パワーＰの上限は、スポット径φによって異なり、スポット径φに応じて後述するＰ／φｔｖ値から決定されることになる。
【００３４】
亜鉛蒸気の排出に寄与する細長いキーホールは、単に幾何学的な長短比によって「細長い」だけではなく、亜鉛蒸気を排出可能な絶対的な長さと幅の上限値と下限値が存在することが分かる。スポットφ径が小さく、キーホールの幅が物理的に狭すぎる場合は、亜鉛蒸気を排出可能な開口面積が不足する。一方、スポット径φが大きい場合は、それに見合うパワー密度となるようにパワーＰと走行速度ｖが選択されても、キーホールが長大になるので、亜鉛蒸気の排出はできても、裏側に大きな窪みを生じる。いずれにしても溶融金属の流動性に係る時定数が関与するので、スポット径φに応じた上限および下限が存在し、その範囲内で、適正なパワーＰと走行速度ｖが選定される必要がある。
【００３５】
上記実験を行った各設定値において、レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖ（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）を求めると、良好な溶接結果が得られた設定値では、スポット径に拘わらず、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）のほぼ一定の値を示す。例えば、スポット径φ＝０．６４ｍｍ、パワーＰ＝８ｋＷ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となり、スポット径φ＝１．０６ｍｍ、パワーＰ＝１２ｋＷ、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０８（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となる。したがって、このような関係を利用すれば、スポット径φおよび板厚ｔに応じたレーザのパワーＰと走行速度ｖの好適値を予測できる。
【００３６】
さらに、上記実験と同条件で、下側に亜鉛めっきを施していない鋼板（以下、非めっき鋼板という）を用いた場合、上側に非めっき鋼板を用いた場合、上下各側に非めっき鋼板を用いた場合について、同様の実験を行ったところ、下側のみが非めっき鋼板の場合は、上述した両側共にめっき鋼板の場合とほぼ同様の結果が得られたが、上側に非めっき鋼板を用いた場合では、良好な設定値の範囲が狭いことが分かった。また、上下非めっき鋼板の場合には、当然ながら亜鉛蒸気の発生はないが、細長いキーホールは形成されなかった。このことから、細長いキーホールの形成には、亜鉛蒸気の噴出圧も関与していることが推定される。
【００３７】
（第２実施例）
次に、上記実験と同条件で、板厚ｔ＝１．２ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせ、（ａ）スポット径φ＝０．４２ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．５２ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰ（ｋＷ）と走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を変化させながら、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無、および溶接品質を評価する実験を行った。
【００３８】
実験結果を図６（ａ）〜（ｂ）に示す。各図の記号の意味は先述した実験の場合と同じである。板厚０．７ｍｍの場合より少ないサンプルではあるが、ほぼ同様の傾向は確認できた。図示より大きいスポット径φ＝０．６４ｍｍと、小さいスポット径φ＝０．３１についても散発的に実験を行い、スポット径φ＝０．６４ｍｍについては良好な結果が得られたが、小さいスポット径φ＝０．３１では、良好な結果は得られなかった。これらの傾向も先述した板厚０．７ｍｍの場合と同様である。
【００３９】
また、レーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖについて、良好な溶接結果が得られた設定値では、例えば、スポット径φ＝０．５２ｍｍ、パワーＰ＝１０ｋＷ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．１０（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）、スポット径φ、パワーＰが同じで、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０８（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であり、この値も先述した板厚０．７ｍｍの場合と同様である。
【００４０】
（第３実施例）
次に、上記実験結果を踏まえて、板厚ｔ＝０．６ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用い、亜鉛めっき層を接合面として隙間無く重ね合わせ、（ａ）スポット径φ＝０．５８ｍｍ、（ｂ）スポット径φ＝０．７９ｍｍ、（ｃ）スポット径φ＝０．８７ｍｍの各場合について、レーザのパワーＰを７ｋＷに設定して走行速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を変化させ、キーホールの形成状況と亜鉛ガス欠陥の有無、および溶接品質を評価する追加実験を行った。この追加実験では、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザ発振器（最大出力７ｋＷ・伝送ファイバー径：φ０．２ｍｍ、波長１０７０ｎｍ）を用いた。
【００４１】
実験結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。各図の記号の意味は先述した実験の場合と同じである。先の実験結果から、パワーＰ、スポット径φ、板厚ｔに対して良好な結果が見込める走行速度ｖは推測できたので、追加実験では、実施したほぼ全ての条件で良好が得られた。スポット径φ＝０．５８ｍｍ、走行速度ｖ＝１４ｍ／ｍｉｎ（２３３ｍｍ／ｓｅｃ）の場合と、スポット径φ＝０．７９ｍｍ、走行速度ｖ＝１０ｍ／ｍｉｎ（１６７ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０９（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であり、スポット径φ＝０．７９ｍｍ、走行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ（２００ｍｍ／ｓｅｃ）の場合と、スポット径φ＝０．８７ｍｍ、走行速度ｖ＝１１ｍ／ｍｉｎ（１８３ｍｍ／ｓｅｃ）の場合に、Ｐ／φｔｖ＝０．０７（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）であった。これらの値も先述した板厚０．７ｍｍおよび１．２ｍｍの場合と概ね同様と言える。
【００４２】
以上の実施例では、板厚に関しては０．７ｍｍと１．２ｍｍの実験と、板厚０．６ｍｍの追加実験に留まったが、工業的に多く用いられる亜鉛めっき鋼板は、板厚０．５〜２ｍｍの薄板鋼板であるので、上述した近似式をもとに各実験結果に準じた設定値を適用することで、良好な溶接条件を取得することができる。
【００４３】
以上述べたように、本発明に係る亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法は、亜鉛蒸気を排出するための付加的な工程は一切不要であるにもかかわらず、亜鉛ガス欠陥の無い良好なレーザ重ね溶接を高い再現性をもって実施可能であり、レーザの高速走行と相俟って、工業的に多用される亜鉛めっき鋼板の重ね溶接に高い生産性を実現できる。
【符号の説明】
【００４４】
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
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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一方の鋼板表面にレーザを照射して重ね溶接する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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。
【請求項２】
前記走行速度ｖが１６７〜２００（ｍｍ／ｓｅｃ）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。
【請求項１】
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一方の鋼板表面にレーザを照射して重ね溶接する亜鉛めっき鋼板のレーザ重ね溶接方法において、
レーザのパワーＰが７（ｋＷ）以上、照射スポット径φが０．４（ｍｍ）以上にて、亜鉛めっき鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１（ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ３）となるような走行速度ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）でレーザを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。
【請求項２】
前記走行速度ｖが１６７〜２００（ｍｍ／ｓｅｃ）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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１４００５３（Ｐ２０１１−１４００５３Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５５（Ｐ２０１０−２８５５）
【出願日】平成２２年１月８日（２０１０．１．８）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月８日（２０１０．１．８）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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