JP2007075872A - レーザブレージング接合工法 - Google Patents

Abstract

【課題】合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材との接合に際して必要十分な接合強度が得られるレーザブレージング接合方法を提供する。
【解決手段】下側の母材Ｗ１である合金化溶融亜鉛めっき鋼板の上に上側の母材Ｗ２であるアルミニウム系板材を重ね合わせた上で、下側の母材Ｗ１と上側の母材Ｗ２の端面ｅとのなすコーナー部にツインスポット形のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射し、ワイヤ８の溶融・凝固によりビード１１を形成して母材Ｗ１，Ｗ２同士を重ねすみ肉接合継手の形態で接合する。後側のレーザ光Ｌ２の照射によるワイヤ８の溶融に先行して、前側のレーザ光Ｌ１にて下側の母材Ｗ１の接合部位のめっき層を除去し、その直後にめっき層を除去した部分を後側のレーザ光Ｌ２にて後追いするようにしてワイヤ８を溶融・凝固させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばＺｎ−Ａｌ系のろう材（溶加材）を介して異種金属である鋼板とアルミニウム系板材とをレーザろう付（ブレージング）する接合方法に関し、特に亜鉛めっき鋼板のうちでも合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材との接合に適したレーザブレージング接合方法に関するものである。

自動車車体の軽量化を目的としてその車体パネルの一部にアルミニウム系材料を使用したものが実用化されているが、アルミニウム系材料を部分的に用いる場合には必然的に他の鋼板部品との接合が必要となる。アルミニウム系材料の融点は６００℃前後、鋼の融点は１３００〜１５００℃程度と二種類の材料の融点が大きく異なることと、双方の材料を溶融させるとアルミニウムと鉄との脆い金属間化合物が生成されて接合強度が低くなることから、例えば特許文献１に記載のような溶接工法では高強度の接合を行うことは困難である。

その一方、自動車の車体部品では鋼板部品に防錆を目的とした亜鉛めっきが施されている場合が多いため、例えばＺｎ−Ａｌ系のろう材（溶加材）を介してアルミニウム系材料と鋼板をろう付（ブレージング）する接合工法が開発されており、そのろう材を溶融させる熱源として入熱量を細かく制御することが可能なレーザを用いたいわゆるレーザブレージング工法、例えば特許文献２に記載のようなレーザブレージング工法を採用することで金属間化合物の生成を抑制しながら接合強度を確保している。
特開平４−２３１１９０号公報 特開２００３−２０５３８２号公報

しかしながら、レーザブレージング工法のもとで高い接合強度が得られるのは、溶融亜鉛めっき鋼板を使用した場合のみであり、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を使用した場合には、レーザ側の加工条件を制御するだけでは金属間化合物の生成を抑制できず、十分な接合強度が得られないという不具合がある。

なお、合金化溶融亜鉛めっき鋼板とは、亜鉛めっき層の活性を抑制するために、鋼板に溶融亜鉛めっきを施した後に合金化処理を行ってＦｅ−Ｚｎ相互拡散による合金層を形成したもの、すなわち溶融亜鉛めっき鋼板を加熱することで素地鋼板のＦｅをＺｎめっき層中に拡散させてＦｅ−Ｚｎ合金を形成したものをいう。

より詳しくは、従来のレーザブレージング工法において、溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材との組み合わせおよび合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材との組み合わせをもって例えば重ねすみ肉接合継手の形態で接合しようとする場合（いずれの場合にも、下側の母材を溶融亜鉛めっき鋼板または合金化溶融亜鉛めっき鋼板とする）、レーザ出力、レーザスポット径および接合速度等の接合条件を適切に選定すれば、いずれの組み合わせにおいても外観的には良好な接合状態を得ることは可能である。

その一方、ブレージング後の接合強度の面から両者を比較すると、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を母材とする場合には溶融亜鉛めっき鋼板を母材とする場合と比べて６０％程度の接合強度しか得られない。これは、溶融亜鉛めっき鋼板を母材とする場合には、例えばＺｎ−Ａｌ系のろう材（溶加材）が溶融したことによって形成されるビードと母材たる溶融亜鉛めっき鋼板との境界部においてＡｌとＺｎの脆い合金層が形成されるものの、その厚みは０．５μｍ程度と小さく、接合強度の低下要因とはなり得ない。

これに対して、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を母材とする場合には、母材の特殊性として当初からのめっき層がＺｎとＦｅとの合金となっているために、ブレージング後のビードと母材たる合金化溶融亜鉛めっき鋼板との境界部に形成される合金層の厚みが２０μｍ程度と著しく大きくなってしまい、これが接合強度の低下要因となっているものと推測される。そして、この現象は先に述べたレーザ出力等の接合条件を変更しても回避することができず、特に合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材とを母材とする重ねすみ肉接合継手の接合強度の向上を困難なものにしている。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ先に述べた合金化溶融亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材との接合に際して必要十分な接合強度が得られるようにしたレーザブレージング接合方法を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、ろう材（溶加材）をレーザ光にて溶融させて母材である亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材とを重ねすみ肉接合継手の形態で接合するレーザブレージング接合方法であって、レーザブレージングに先行して亜鉛めっき鋼板側の接合部位のめっき層を除去し、その直後にめっき層を除去した部分を後追いするようにしてろう材をレーザ光照射にて溶融させて母材同士を接合することを特徴とする。

具体的には、請求項２に記載のように、母材である亜鉛めっき鋼板の上にアルミニウム系板材を重ね合わせた上で、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材の端面とのなすコーナー部に、溶融したろう材をもってビードを形成して母材同士を接合するものとする。

より具体的には、亜鉛めっき鋼板のめっき層の除去は研磨等の機械的手段により行うことも可能であるが、ここでは亜鉛めっき鋼板のめっき層の除去も請求項３に記載のようにレーザ光の照射により行うものとし、特に設備構成の簡素化の上では、請求項４に記載のように、ブレージング進行方向の前後で対をなすレーザ光を母材に対し照射するとともにそれら一対のレーザ光と母材とをブレージング進行方向に相対移動させ、前側のレーザ光にて亜鉛めっき鋼板のめっき層を除去しつつ後側のレーザ光にてろう材を溶融さて母材同士を接合するようにすることが望ましい。

この場合において、請求項５に記載のように、ブレージング進行方向で互いにオフセットしている前後一対のレーザ光を、前側のレーザ光が亜鉛めっき鋼板のみを照射するようにビードの幅方向でも互いにオフセットさせてあることが、アルミニウム系板材を溶融させないようにする上でより望ましい。

また、ろう材（溶加材）としては、例えば亜鉛−アルミニウム系（Ｚｎ−Ａｌ系）のものを用いる。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、例えば一方の母材である合金化溶融亜鉛めっき鋼板の表面のめっき層であるＦｅ−Ｚｎ合金を予め除去した上で、例えばＺｎ−Ａｌ系等のろう材の溶融をもって他方の母材であるアルミニウム系板材とのろう付（ブレージング）を行うと、そのろう付に伴う金属間化合物の生成が抑制されて、母材として溶融亜鉛めっき鋼板を使用した場合と同等の接合強度が得られるようになる。

請求項１に記載の発明によれば、重ねすみ肉接合継手の形態をもって亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材とをろう付にて接合する場合に、一方の母材である亜鉛めっき鋼板として合金化溶融亜鉛めっき鋼板を用いた場合であっても必要十分な接合強度が得られる。

図１以下の図面は本発明に係るレーザブレージング接合方法のより具体的な実施の形態を示しており、図２に示すように下側の母材Ｗ１である合金化溶融亜鉛めっき鋼板と上側の母材Ｗ２であるアルミニウム系板材を重ねすみ肉接合継手の形態でレーザ光照射によってろう付接合（レーザブレージング接合）する場合の例を示している。特に、図１は上記レーザブレージング接合方法に用いられるレーザ加工ヘッド１の一例を示ている。

図１の（Ａ），（Ｂ）に示すように、レーザ加工ヘッド１は取付ブラケット２を介して多関節型のロボットのアーム３の先端に取り付けてあり、このレーザ加工ヘッド１は光ファイバーケーブル４を介してレーザ発振器５に接続してある。そして、レーザ加工ヘッド１には集光レンズやプリズム等の所定の光学系が内蔵されていて、光ファイバーケーブル４を介してレーザ加工ヘッド１内に導入されたレーザ光を接合進行方向において隣接する前後一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分割しつつそれぞれに集光した上で、いわゆるツインスポット方式の形態で母材Ｗ１，Ｗ２上の加工点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ照射するようになっている。

また、取付ブラケット２には補助ブラケット６を介してワイヤ送給装置７を取り付けてある。このワイヤ送給装置７には、ろう材（溶加材）であるワイヤ８を案内するためのコンジットチューブ９と、アシストガスとして例えばアルゴンガスを供給するためのアシストガス供給ホース１０を接続してあり、図１のほか図２に示すように、加工点Ｐ２である後側のレーザ光Ｌ２の照射位置に向けてワイヤ（例えばＺｎ−Ａｌ系のもの）８を所定速度で連続供給しつつ、同時にアシストガスとしてアルゴンガスを吹き付けるようにしてある。なお、アルゴンガスが後側の加工点Ｐ２だけでなく前側の加工点Ｐ１にも及ぶようにその吹き出し方向や吹き出し量が設定されている。

したがって、本実施の形態によれば、図１，２に示すように、下側の母材Ｗ１の上に上側の母材Ｗ２を重ね合わせた上でそれらの母材Ｗ１，Ｗ２に対してロボット側のアーム３に持たせたレーザ加工ヘッド１を定速にて移動させ、下側の母材Ｗ１と上側の母材Ｗ２の端面ｅとのなすコーナー部Ｃ（図３の（Ｂ）参照のこと）にツインスポット方式のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を沿わせるように照射しつつ、ろう材であるワイヤ８を溶融させてビード１１を形成することにより母材Ｗ１，Ｗ２同士をろう付（ブレージング）にて接合する。

この場合、レーザ発振器５で励起・増幅されたレーザ光は光ファイバーケーブル４を介してレーザ加工ヘッド１に導入される。レーザ加工ヘッド１に導入されたレーザ光は、先に述べたように内部の光学系にて接合進行方向で互いにオフセットした前後一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２に分割されていわゆるツインスポット形式のものとなった上で、先に述べた下側の母材Ｗ１と上側の母材Ｗ２の端面ｅとのなすコーナー部Ｃにおいて前側のレーザ光Ｌ１は加工点Ｐ１を、後側のレーザ光Ｌ２は加工点Ｐ２をそれぞれ照射することになる。

そして、前側の加工点Ｐ１では後述するようにそのレーザ光Ｌ１が上側の母材Ｗ２に及ぶことなく下側の母材Ｗ１のみを照射するように予め設定してあるため、その前側のレーザ光Ｌ１の照射による入熱をもって下側の母材Ｗ１である合金化溶融亜鉛めっき鋼板のめっき層が除去される。このめっき層が除去された部分には直ちに後側の加工点Ｐ２において後側のレーザ光Ｌ１２が照射され、同時にそのレーザ光Ｌ２照射部位にはワイヤ８が供給されることから、そのレーザ光Ｌ２の照射のためにワイヤ８が溶融してビード１１が形成され、それをもって、先にめっき層が除去された下側の母材Ｗ１と上側の母材Ｗ２とがブレージング接合されることになる。

この時、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射部位である双方の加工点Ｐ１，Ｐ２にはアシストガスとしてアルゴンガスが及ぶように設定してあるため、前側のレーザ光Ｌ１の照射によるめっき層の除去および後側のレーザ光Ｌ２の照射によるブレージング接合が共にアルゴンガス雰囲気中において行われることになるため、めっき層が除去された部分での酸化皮膜の生成が抑制される。

図３の（Ａ）は図２の平面図を、図３の（Ｂ）は同図（Ａ）の断面図をそれぞれ示し、また表１には前側および後側のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の諸条件を示す。なお、表１は下側の母材Ｗ１として板厚が０．８ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板を、上側の母材Ｗ２として板厚が１．２ｍｍの６０００系のアルミニウム合金板（耐食アルミニウム板）をそれぞれ用いた場合のデータを示す。

前側のレーザ光Ｌ１の照射条件は、上側の母材Ｗ２を溶融することなく下側の母材Ｗ１のみにレーザエネルギーを与えてその表面のめっき層のみを除去することが必須条件であり、また後側のレーザ光Ｌ２の照射条件は要求接合強度を有するブレージングが可能であることが必須条件である。レーザブレージングに直接関与する後側のレーザ光Ｌ２のレーザ出力換算でのレーザエネルギー密度、移動速度およびレーザスポット径Ｒ２は表１の通りである。

ここで、上側の母材Ｗ２と下側の母材Ｗ１に適切なレーザエネルギーを投与して入熱させるためには、後側のレーザ光Ｌ２の照射位置の中心を上側の母材Ｗ２の端面ｅよりも反端末側にオフセットさせる必要があり、図３ではそのオフセット量ｃを１．２ｍｍに設定し、そのレーザ光Ｌ２のスポット径Ｒ２（＝４．０ｍｍ）の２０％が上側の母材Ｗ２に及ぶように、すなわち後側のレーザ光Ｌ２のオフセット量ｃをレーザスポット径Ｒ２の３０％に設定して、適切な入熱量のもとで良好な接合ができるように設定してある。

他方、前側のレーザ光Ｌ１のレーザ出力換算でのレーザエネルギー密度、移動速度およびレーザスポット径Ｒ１もまた表１の通りである。前側のレーザ光Ｌ１の照射条件としては、後側のレーザ光Ｌ２の照射範囲以上の範囲をもって予め下側の母材Ｗ１のめっき層を除去する必要があり、その前側のレーザ光Ｌ１のスポット径Ｒ１は、（１）式に基づきＲ１＝４．２ｍｍに設定してある。なお、ここでは後側のレーザ光Ｌ２でブレージングを行う範囲よりも１ｍｍ広く下側の母材Ｗ１のめっき層を除去することを想定している。

Ｒ１＝（１−０．２）×Ｒ２＋１‥‥（１）
また、前側および後側のレーザ光Ｌ１，Ｌ２同士は接合進行方向だけでなくビード１１の幅方向においても相互にオフセットしている必要があることは先に述べた通りであり、ここではレーザ光Ｌ１，Ｌ２同士の照射位置オフセット量ｄとしてｄ＝Ｒ２×０．５よりｄ＝２ｍｍに設定してある。

さらに、前後のレーザ光Ｌ１，Ｌ２同士の接合進行方向でのスポット間距離ｂとしては、ｂ＝（Ｒ１＋Ｒ２）×０．５に基づいてｂ＝４．１ｍｍに設定してある。

図４には、各種の重ねすみ肉接合継手の接合部でのせん断強度を比較した例を示す。従来工法（１），（２）は共に従来のレーザブレージング接合工法によるものである。なお、従来工法（１），（２）および本発明共に上側の母材Ｗ２として６０００系のアルミニウム合金板を用い、従来工法（１）では下側の母材Ｗ１として合金化溶融亜鉛めっき鋼板を、従来工法（２）では同じく下側の母材Ｗ１として溶融亜鉛めっき鋼板を用いている。

従来のレーザブレージング工法において、アルミニウム系板材と組み合わされる他方の母材として合金化溶融亜鉛めっき鋼板を用いた場合（従来工法（１））には、溶融亜鉛めっき鋼板を他方の母材として用いた場合（従来工法（２））と比べて６０％程度の接合強度しか得られないことは先に述べたが、図４の従来工法（１）と（２）を比較するとこのことが顕著に表れている。

その一方、本発明のレーザブレージング接合工方法によれば、一方の母材Ｗ２をアルミニウム系板材とし他方の母材Ｗ１を合金化溶融亜鉛めっき鋼板として用いた場合であっても、少なくとも従来工法（２）、すなわちアルミニウム系板材と組み合わされる母材Ｗ１として溶融亜鉛めっき鋼板を用いた場合と同等レベルまで接合強度が向上していることが理解できる。これはレーザブレージングに先立って下側の母材Ｗ１である合金化亜鉛めっき鋼板のめっき層を予め除去していることにほかならず、図３の（Ｂ）に示すように、ろう材たるワイヤ８の溶融・凝固をもって形成されたビード１１と下側の母材Ｗ１である合金化亜鉛めっき鋼板との境界に形成される合金層が従来工法ほど厚膜化しないことが大きく影響しているものと推測される。

本発明のレーザブレージング接合方法に用いるレーザ加工ヘッドの一例を示す図で、（Ａ）はその側面説明図、（Ｂ）は同じくその正面説明図。 図１におけるレーザブレージング接合部の要部拡大斜視図。 レーザブレージング接合部の詳細を示す図で、（Ａ）は図２の平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の断面説明図。 従来工法と本発明とでレーザブレージング接合部でのせん断強度を比較した説明図。

符号の説明

１…レーザ加工ヘッド
３…ロボットのアーム
５…レーザ発振器
７…ワイヤ送給装置
８…ワイヤ（ろう材または溶加材）
１１…ビード
Ｃ…コーナー部
ｅ…上側の母材の端面
Ｌ１…前側のレーザ光
Ｌ２…後側のレーザ光
Ｐ１…前側の加工点
Ｐ２…後側の加工点
Ｗ１…下側の母材（合金化溶融亜鉛めっき鋼板）
Ｗ２…上側の母材（アルミニウム系板材）

Claims (7)

1. ろう材をレーザ光にて溶融させて母材である亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材とを重ねすみ肉接合継手の形態で接合するレーザブレージング接合方法であって、
   レーザブレージングに先行して亜鉛めっき鋼板側の接合部位のめっき層を除去し、その直後にめっき層を除去した部分を後追いするようにしてろう材をレーザ光照射にて溶融させて母材同士を接合することを特徴とするレーザブレージング接合方法。
2. 母材である亜鉛めっき鋼板の上にアルミニウム系板材を重ね合わせた上で、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム系板材の端面とのなすコーナー部に、溶融したろう材をもってビードを形成して母材同士を接合することを特徴とする請求項１に記載のレーザブレージング接合方法。
3. 亜鉛めっき鋼板のめっき層の除去はレーザ光の照射により行うものであることを特徴とする請求項２に記載のレーザブレージング接合方法。
4. ブレージング進行方向の前後で対をなすレーザ光を母材に対し照射するとともにそれら一対のレーザ光と母材とをブレージング進行方向に相対移動させ、
   前側のレーザ光にて亜鉛めっき鋼板のめっき層を除去しつつ後側のレーザ光にてろう材を溶融さて母材同士を接合することを特徴とする請求項３に記載のレーザブレージング方法。
5. ブレージング進行方向で互いにオフセットしている前後一対のレーザ光を、前側のレーザ光が亜鉛めっき鋼板のみを照射するようにビードの幅方向でも互いにオフセットさせてあることを特徴とする請求項４に記載のレーザブレージング接合方法。
6. 亜鉛めっき鋼板のめっき層の除去とろう材の溶融による母材同士の接合をアシストガス雰囲気で行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザブレージング接合方法。
7. 一方の母材が合金化溶融亜鉛めっき鋼板であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザブレージング接合方法。

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