JP5332190B2 - 表面処理鋼板のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面処理鋼板のレーザ溶接方法およびそれに用いるビーズ状間隙材の定着装置に関し、特に合金化溶融亜鉛めっき鋼板等のめっき鋼板が重なるような板組のもとでレーザ溶接を施すにあたり、めっき層の蒸発による二次的不具合を防止するべく、溶接する母材間にビーズ状間隙材を挟み込むことにより所定の隙間を確保して、発生する蒸気を脱出させることにより溶融部での巻き込みを防止し、健全な溶接ができるような表面処理鋼板のレーザ溶接方法とそれに用いるビーズ状間隙材の定着装置およびレーザ溶接用治具に関するものである。

二枚以上の母材を重ね合わせた上でいわゆる重ね継手の形態でレーザ溶接を施す場合、少なくとも下側となる母材表面がめっき鋼板であると溶接時の熱でめっき層が蒸発して気体となり、これが溶接ビード内に気泡（ポロシティ）となって残り、結果として溶接強度が低下することになる。

この対策として、溶接する母材間に隙間を設けて、溶接中に発生した気泡を積極的に外部に排出することが有効であるが、上記隙間が大きすぎると逆に母材同士の溶着が阻害されることになるため、例えば特許文献１に記載のように溶接母材同士の重合部にビーズ状間隙材を介在させて、その状態でビーズ状間隙材を含む母材同士を上下から加圧することで溶接母材間の隙間の大きさを管理する方法が考えられている。
特開平８−１４１７６１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、予めビーズ状間隙材を混入した溶剤を塗布した上で溶接母材同士を重ね合わせたならば、その状態で実際の溶接に先立って溶剤を蒸発（揮発）させる乾燥工程が必須であり、工程数の増加とコストアップが余儀なくされることとなって好ましくない。

しかも、特許文献１に記載の技術では、ビーズ状間隙材そのものが転がりやすいためにビーズ状間隙材の定着性が悪く、例えば溶接母材が複雑な三次元形状の車体パネルである場合には、ビーズ状間隙材を混入した溶剤を塗布してから溶接するまでの間にビーズ状間隙材が転がり、必要な部位に必要な量のビーズ状間隙材をとどめておくことが難しく、十分な効果を期待することができない。

例えばビーズ状間隙材の定着量が少ないと母材同士の間に必要な大きさの隙間を確保することができずになおもポロシティが発生するほか、ビーズ状間隙材の定着量が多すぎると溶接ビードに穴あき、凹凸等の欠陥が発生して、必要な溶接強度を確保することができなくなる。

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、従来と同様に転がりやすいビーズ状間隙材の使用を前提としつつも、そのビーズ状間隙材の定着性、すなわち必要な部位に必要な量のビーズ状間隙材をとどめておくことができるように考慮された表面処理鋼板のレーザ溶接方法とそれに用いるビーズ状間隙材の定着装置を提供しようとするものである。

本発明は、表面処理鋼板が下側となるようにその表面処理鋼板を含む少なくとも二枚の母材同士を重ね合わせた上で重ね継手の形態でレーザ溶接を施す方法であって、予めビーズ状間隙材を混入してある不揮発性の油脂を下側となる母材の上に塗布することにより、上記油脂の粘度をもってビーズ状間隙材を下側となる母材の上に定着保持させる工程と、上記定着保持させたビーズ状間隙材の上から上側となる母材を重ね合わせて、当該上側の母材側よりレーザビームを照射してレーザ溶接を施す工程と、を含んでいて、上記ビーズ状間隙材を混入してある油脂の塗布は、レーザ加工ヘッドとともに産業用ロボットに持たせた塗布ガンにより行うことを特徴とする。

本発明によれば、不揮発性の油脂の粘度をもってビーズ状間隙部材を定着保持させるようにしたため、従来のように乾燥工程を必要としないので、工程数の増加やコストアップを招くことがないだけでなく、母材が複雑な三次元形状を有する場合であってもビーズ状間隙材の転がりを抑制して、必要な部位に必要な量のビーズ状間隙材をとどめておくことができ、そのビーズ状間隙材を使用したことによる溶接母材間の隙間確保が確実に行え、ポロシティの発生や溶接強度不足の発生を未然に防止して溶接品質が向上する。

図１は本発明の前提となるレーザ溶接方法の手順を模式的に示している。

ここでは、表面処理鋼板である例えば合金化溶融亜鉛めっき鋼板を母材として二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士を重ね継手の形態で連続的に溶接する場合を示しており、実際の溶接に先立って二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に微小隙間を確保する手段に特徴がある。

最初に同図（Ａ）に示すように、溶接に先立って下側となる母材Ｗ１の上に少なくとも溶接線に沿った所定範囲に大きさが均一の微小径のガラスビーズやスチールビーズ等のビーズ状間隙材１を定着保持させるべく、下側となる母材Ｗ１の上に不揮発性の粘稠な油脂として例えば比較的粘度の高い粘稠な防錆油２を均一に塗布するとともに、その塗布した防錆油２のなかにビーズ状間隙材１を均一に混在させて定着保持させる。

より具体的には、図２に示すように、予めビーズ状間隙材１を混入した防錆油２をタンク３に貯留しておく一方、シーリングロボット（産業用ロボット）４のロボットアーム５に持たせた塗布ガン６からビーズ状間隙材１入りの防錆油２を噴射して、下側となる母材Ｗ１の上にビーズ状間隙材１を含んだ防錆油２を均一に塗布する。または、図３に示すように、間隙材定着装置１０のオイル塗布ローラ１３にて下側となる母材Ｗ１の上に防錆油２を塗布した上で、その塗布した防錆油２の上から間隙材散布ローラ１４にてビーズ状間隙材１を均一に散布する。なお、間隙材定着装置１０の詳細は後述する。

このように防錆油２の粘度をもってビーズ状間隙材１を定着保持させることにより、例えば下側となる母材Ｗ１が複雑な三次元形状を呈していたとしても、その母材Ｗ１上でのビーズ状間隙材１の転がりを未然に防止して、溶接までの間、所定の位置に必要な量のビーズ状間隙材１をとどめておくことができる。

こうして下側となる母材Ｗ１の上にビーズ状間隙材１を定着保持させたならば、図１の（Ｂ）に示すように、それらの上から上側となる母材Ｗ２を重ね合わせて、二枚の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に防錆油２とともに多数のビーズ状間隙材１を介在させる。この時、予め下側の母材Ｗ１上にある多数のビーズ状間隙材１は防錆油２の粘度にて定着保持されたままであるから、上側の母材Ｗ２を重ね合わせたとしても多数のビーズ状間隙材１は不動であり、それらのビーズ状間隙材１は上下の母材Ｗ１，Ｗ２同士の間にそのまま介在して、ビーズ状間隙材１の直径に相当する所定の隙間Ｇが上下の母材Ｗ１，Ｗ２間に確保されることになる。

この状態で、同図（Ｃ）に示すように、母材Ｗ１，Ｗ２とレーザ加工ヘッド７とを相対移動させて、例えば母材Ｗ１，Ｗ２側を固定側としたならばレーザ加工ヘッド７を所定速度で連続的に移動させて、上側の母材Ｗ２側よりレーザビームＬを照射することにより母材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接する。

より具体的には、例えば図４に示すように、溶接ロボットのロボットアーム８に持たせたレーザ加工ヘッド７に加圧ピン９を予め付帯させておき、上下の母材Ｗ１，Ｗ２同士を加圧ピン９にて加圧して、その加圧位置を後追いするようにしてレーザビームＬを移動させることで母材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接する。なお、別のクランプ手段にて溶接線の近傍を加圧拘束した状態でレーザ溶接を施す場合には上記加圧ピン９は不要である。

この場合において、溶接対象となる母材Ｗ１，Ｗ２同士が合金化溶融亜鉛めっき鋼板であるため、溶接部での母材Ｗ１，Ｗ２の溶融に伴いその母材Ｗ１，Ｗ２の表面のめっき層が蒸発してガスが発生することは周知のとおりであるが、これらのガスは母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に予め確保されている隙間Ｇを通して外部にスムーズに排出されることから、溶接ビード部にポロシティや未溶着等の不具合が発生することはない。

ここで、上下の母材Ｗ１，Ｗ２間に介在するビーズ状間隙材１の量が少なすぎると、その母材Ｗ１，Ｗ２同士の間に必要な隙間Ｇを溶接ビード全長にわたって確保することができずに溶接ビードにポロシティ等が発生する一方、またビーズ状間隙材１の量が多すぎると、同様に溶接ビードに穴あき、凹凸等の欠陥が発生して必要な溶接強度を確保することができなくなる可能性があるので、上下の母材Ｗ１，Ｗ２間に介在させるべきビーズ状間隙材１の量は試験等を行って予め定量的に把握しておくものとする。

また、使用するビーズ状間隙材１の融点が母材Ｗ１，Ｗ２に比べて極端に低いと溶接時に飛散して穴あきが発生し、ポロシティのような気泡が溶接ビード内に残る可能性がある一方、逆にビーズ状間隙材１の融点が母材Ｗ１，Ｗ２に比べて高すぎるとビーズ状間隙材１が溶けずに溶接ビード内に粒子状になって残るので、ビード本来の溶接強度を低下させる原因となる。そして、ビーズ状間隙材１の融点が母材Ｗ１，Ｗ２と同程度であればそのビーズ状間隙材１が溶接ビードに溶け込んで溶接強度の低下を防ぐことができる。このようなことから、使用するビーズ状間隙材１はその融点が母材Ｗ１，Ｗ２である鉄の融点より高い材料が望ましく、例えばガラスビーズ（融点は１７００℃程度）を使用するものとする。

さらに、例えば自動車の車体パネルの場合、上下の母材Ｗ１，Ｗ２間に確保する隙間Ｇの大きさが０．１〜０．３ｍｍ（母材板厚×０．４）程度であればめっき層の蒸発による溶接ビード部でのポロシティ等の不具合が発生しないとされていることから、上記ビーズ状間隙材１として使用するガラスビーズの直径は例えば直径が０．１〜０．３ｍｍ程度で極力ばらつきのないものを使用する。

その一方、上記のようなビーズ状間隙材１の定着保持に使用する不揮発性の粘稠な油脂としては、例えば下側の母材Ｗ１が複雑な三次元形状を呈しているような場合でもビーズ状間隙材１の転がりを防止して定位置にとどめておく機能がれば良く、先に例示したような例えば比較的粘度の高い粘稠な防錆油２を使用する。この防錆油２の使用は、溶接時にめっき層が飛散して消失しまった場合でも母材Ｗ１，Ｗ２の防錆性を確保できる利点がある。

ここで、図３に示した間隙材定着装置１０の詳細を説明すると、この間隙材定着装置１０は、シーリングロボット（産業用ロボット）等のロボットアーム１１に持たせることを前提として、そのロボットアーム１１に支持されることになる支持体としてのフレーム１２に、先の不揮発性の粘稠な油脂としての防錆油２を塗布するための流体塗布ローラ（流体塗布手段）たるオイル塗布ローラ１３とビーズ状間隙材１であるガラスビーズを散布するための間隙材散布手段たる間隙材散布ローラ１４とを共に支持させたものである。

オイル塗布ローラ１３はフレーム１２の下部に回転可能に軸受支持されているとともに、ローラ１３自体の内部に予め所定量の防錆油２が貯留されているか、または図示しない防錆油供給源から防錆油が供給されるようになっていて、下側となる母材Ｗ１上を転動させることでそのローラ１３の表面から防錆油が浸出して母材Ｗ１上に防錆油２を均一に塗布する機能を有する。

一方、間隙材散布ローラ１４はフレーム１２のうちオイル塗布ローラ１３よりも上方位置に支持されていて、後述するようにオイル塗布ローラ１３との間に掛け渡されたチェーン等のエンドレスな巻掛伝達手段１５を介してそのオイル塗布ローラ１３と同期回転駆動されるようになっている。

より詳しくは、間隙材散布ローラ１４は、図５，６に示すように有底円筒状の外筒１６と、その外筒１６に内挿可能であって且つガラスビーズ等のビーズ状間隙材１の貯留容器として機能する円筒状の内筒１７、およびエンドキャップ１８とから構成されていて、内筒１７には予め所定量のガラスビーズ等のビーズ状間隙材１が収容される。また、外筒１６には長手方向に沿って下向きの開口部１９が形成されている一方、内筒１７の円筒面にはビーズ状間隙材１が通過可能な多数の穴２０がランダムにまたは規則性をもって形成されていて、外筒１６を固定側としてその外筒１６に対し内筒１７を回転駆動させることにより、外筒１６側の開口部１９と内筒１７側のいずれかの穴２０との合致を条件に、間隙材散布ローラ１４からビーズ状間隙材１が流出するようになっている。

なお、図３に示すように、フレーム１２のうち間隙材散布ローラ１４の下方位置には拡散プレート２１が付設されていて、間隙材散布ローラ１４から流出した直後のビーズ状間隙材１を拡散プレート２１に当接させることで、間隙材散布ローラ１４の下方側にビーズ状間隙材１を拡散させつつ散布することが可能となっている。

したがって、図３に示すように、間隙材散布ローラ１４がオイル塗布ローラ１３よりも上方で且つ進行方向後方側に位置するようにフレーム１２を傾けた状態のままで、オイル塗布ローラ１３を下側の母材Ｗ１に軽く押し付けて下側の母材Ｗ１上で転動させ、その下側の母材Ｗ１に防錆油２を連続的に且つ均一に塗布する。

このオイル塗布ローラ１３の転動に伴い間隙材散布ローラ１４が同期回転、すなわち間隙材散布ローラ１４の外筒１６に対して内筒１７が同期回転することから、外筒１６の開口部１９から内部のビーズ状間隙材１が所定量ずつ流出することになる。間隙材散布ローラ１４から流出したビーズ状間隙材１は拡散プレー２１に当接することで拡散し、先に塗布されている防錆油２の上にランダムに散布され、その防錆油２自体の粘性をもって下側の母材Ｗ１上に定着保持されることになる。

この場合、オイル塗布ローラ１３と間隙材散布ローラ１４との速比を調整することでビーズ状間隙材１の流出量ひいては下側の母材Ｗ１に対するビーズ状間隙材１の散布量をコントロールすることが可能となる。

ここで、図２の例では、予めビーズ状間隙材１を混入した不揮発性の粘稠な油脂としての防錆油２をタンク３に貯留しておき、シーリングロボット４のロボットアーム５に持たせた塗布ガン６からビーズ状間隙材１入りの防錆油２を噴射して、下側となる母材Ｗ１の上にビーズ状間隙材１を含んだ防錆油２を塗布するものであることは先に説明した通りである。

その一方、防錆油２はその種類、特に粘度によってはビーズ状間隙材１との比重差のためにタンク３内でそのビーズ状間隙材１が沈殿，分離してしまい、撹拌手段にて撹拌しなければいけない場合がある。

そこで、不揮発性の粘稠な油脂として、先の防錆油２に代えて、例えばワセリン、パラフィンワックス、グリセリン等のように粘度および熱容量が共に大きな高粘度油脂を用いることがより望ましい。その理由は、粘度および熱容量が大きいほど溶接部でのめっき層からの蒸気の発生を抑制する上で有利となるからである。

図７は本発明に係るレーザ溶接方法のより具体的な第１の実施の形態を示す図である。同図に示すように、タンク３内には、ガラスビーズ等のビーズ状間隙材１を混入した高粘度油脂２２を貯留してある。このビーズ状間隙材１を混入した高粘度油脂２２は、先に述べたワセリン、パラフィンワックス、グリセリン等のような粘性および熱容量の大きな高粘度油脂２２のなかにビーズ状間隙材１を投入して撹拌または混練し、あたかも乳化させるようにしてビーズ状間隙材１を全体的に均等に分散させたものである。このように不揮発性の粘稠な油脂として高粘度油脂２２を用いると、図７から明らかなように高粘度油脂２２自体の粘度が大きく且つビーズ状間隙材１の周りに表面張力がはたらいて、タンク３内でビーズ状間隙材１が沈殿，分離してしまうことがなく、均等な分散状態を維持することが可能となる。

より具体的には、図７に示したように、図４と同様のレーザ加工ヘッド７を支持させたロボットアーム５に同時にブラケット２３を介して塗布ガン２６を支持させ、その塗布ガン２６の先端のノズル２４は伸縮可能に構成してある。なお、符号２５はエアノズルを示し、レーザビーム照射による溶接の際に発生する生成物を飛散，除去させるためのものである。

そして、タンク３から塗布ガン２６までは、ビーズ状間隙材１を予め混入してある高粘度油脂２２をポンプ２７にて圧送する一方、レーザ加工ヘッド７による溶接に先立って、下側の母材Ｗ１の上に溶接線に沿って塗布ガン２６のノズル２４から高粘度油脂２２を吐出して塗布する。この場合、溶接線に倣って正確に高粘度油脂２２を塗布するためにノズル２４を伸長させて、そのノズル２４を下側の母材Ｗ１に一段と近付けて塗布することが望ましい。

このように高粘度油脂２２をもってビーズ状間隙材１を下側の母材Ｗ１の上に定着保持させることにより、例えば下側となる母材Ｗ１が複雑な三次元形状を呈していたとしても、その母材Ｗ１上でのビーズ状間隙材１の転がりを未然に防止して、溶接までの間、所定の位置に必要な量のビーズ状間隙材１をとどめておくことができることは言うまでもない。

ここで、図８に示すように溶接線Ｗ・Ｌが直線状の場合には、その下側の母材Ｗ１の上に塗布される高粘度油脂２２の塗布軌跡は、上記溶接線Ｗ・Ｌとほぼ一致していることが望ましい。その理由は、同図（Ｂ）に示すように高粘度油脂２２の塗布した下側の母材Ｗ１の上に上側の母材Ｗ２を重ね合わせて押し付けると、高粘度油脂２２が押し潰されて周囲に拡がるためにその高粘度油脂２２に含まれているビーズ状間隙材１もまた溶接線Ｗ・Ｌの周囲に拡がることになる。その結果として、溶接線Ｗ・Ｌの周囲ではビーズ状間隙材１の分散化により均等な隙間を確保することが可能となる。

同様の理由から、図９に示すように溶接線Ｗ・Ｌが円弧状の場合には、溶接線Ｗ・Ｌで囲まれる部分の中央部にビーズ状間隙材１を予め混入してある高粘度油脂２２を塗布して、下側の母材Ｗ１の上に上側の母材Ｗ２を重ね合わせて押し付けたときに、そのビーズ状間隙材１を含んだ高粘度油脂２２が溶接線Ｗ・Ｌとほぼ同心円状に拡がるようにすることが望ましい。

なお、上記実施の形態では表面処理鋼板として合金化溶融亜鉛めっき鋼板を例にとって説明したが、めっき鋼板以外にも例えば各種の塗装やコーティング等を施した表面処理鋼板にも本発明を適用することが可能である。

さらに、本発明は、レーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用するいわゆるハイブリッド溶接法にも適用することが可能である。

本発明の前提となるレーザ溶接方法の手順を模式的に示す工程説明図。 図１の（Ａ）で使用されるビーズ状間隙材入りの防錆油を塗布するための装置の一例を示す構成説明図。 同じく図１の（Ａ）で使用される防錆油の塗布とビーズ状間隙材の散布に用いられる間隙材定着装置の構成説明図。 図１の（Ｃ）で使用されるレーザ加工ヘッドの詳細を示す説明図。 図３に示した間隙材定着装置における間隙材散布ローラの分解斜視図。 同じく図３に示した間隙材定着装置における間隙材散布ローラの断面説明図。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、ビーズ状間隙材入りの高粘度油脂を塗布するための塗布ガンの構成説明図。 ビーズ状間隙材入りの高粘度油脂の塗布形態の一例を示す説明図。 ビーズ状間隙材入りの高粘度油脂の塗布形態の別の例を示す説明図。

符号の説明

１…ビーズ状間隙材
２…不揮発性の粘稠な油脂としての防錆油
４…シーリングロボット
５…ロボットアーム
６…塗布ガン
７…レーザ加工ヘッド
８…ロボットアーム
１０…間隙材定着装置
１１…ロボットアーム
１２…支持体としてのフレーム
１３…流体塗布ローラ（流体塗布手段）としてのオイル塗布ローラ
１４…間隙材散布ローラ（間隙材塗布手段）
１６…外筒
１７…内筒
２１…拡散プレート
２２…不揮発性の粘稠な油脂としての高粘度油脂
２４…ノズル
２６…塗布ガン
Ｇ…隙間
Ｌ…レーザビーム
Ｗ１…下側の母材（表面処理鋼板としての合金化溶融亜鉛めっき鋼板）
Ｗ２…上側の母材（表面処理鋼板としての合金化溶融亜鉛めっき鋼板）

Claims (4)

1. 表面処理鋼板が下側となるようにその表面処理鋼板を含む少なくとも二枚の母材同士を重ね合わせた上で重ね継手の形態でレーザ溶接を施す方法であって、
   予めビーズ状間隙材を混入してある不揮発性の油脂を下側となる母材の上に塗布することにより、上記油脂の粘度をもってビーズ状間隙材を下側となる母材の上に定着保持させる工程と、
   上記定着保持させたビーズ状間隙材の上から上側となる母材を重ね合わせて、当該上側の母材側よりレーザビームを照射してレーザ溶接を施す工程と、
   を含んでいて、
   上記ビーズ状間隙材を混入してある油脂の塗布は、レーザ加工ヘッドとともに産業用ロボットに持たせた塗布ガンにより行うことを特徴とする表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
2. 上記ビーズ状間隙材がガラスビーズであることを特徴とする請求項１に記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
3. 上記油脂が防錆油であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理鋼板のレーザ溶接方法。
4. 表面処理鋼板が下側となるようにその表面処理鋼板を含む少なくとも二枚の母材同士を重ね合わせた上で重ね継手の形態でレーザ溶接を施す方法であって、
   予めガラスビーズを混入してある不揮発性の油脂を産業用ロボットに持たせた塗布ガンにより下側となる母材の上に塗布し、
   上記ガラスビーズを上記油脂の粘度をもって下側となる母材の上に定着保持させた後にその上から上側となる母材を重ね合わせて、
   その上側の母材側より上記塗布ガンとともに産業用ロボットに持たせたレーザ加工ヘッドにてレーザビームを照射してレーザ溶接を施すことを特徴とする表面処理鋼板のレーザ溶接方法。

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