JPH04501234A - 被覆金属の溶接 - Google Patents
被覆金属の溶接Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
被覆金属の溶接
本発明は、亜鉛で被覆されたスチールの様な、被覆金属を溶接する方法、及びこ
のような被覆金属を溶接する装置に関する。特に、しかし、排他的でなく、本発
明は、自動車車体シェルのような種々の製品の製造における中間工程として亜鉛
メツキシ−トスチールを溶接するためのプロセスに関する。
製造プロセスの種々の分野にける溶接の使用は、産業上において非常によく知ら
れている。このようなプロセスを行う代表的な設備は、溶接されるべき加工物に
加えて、制御可能な加熱源を提供するために調整されることのできるガス供給を
備えたブロートーチ、及び、数種の溶接のために、適切な溶接フラックス(fl
ux)から構成されている。適切なフラックスを利用しなければならないという
不便さと共に、このプロセスにおける熱源を正確に制御することの困難性は、そ
の品質におけるかなりの制限とその結果の溶接の綺麗さを生み出す。これらの理
由のために、通常のガス溶接プロセスは、正確に焦点を合わすことができ、且つ
熱源を良く制御できるC02レーザーを通常用いているレーザー溶接プロセスに
よって多くの場合殆ど取って変わられてしまった。更に、溶接プロセスにおける
レーザーの使用は、溶接フラックスの使用を免することができ、そしてこのこと
が製品中に非常に堅固な、正確な、且つきれいな溶接を発生させる。滑らかで、
効果的な、正確な、且つ素早いプロセスが達成されるという付加的な利点もある
。
スチールシートは、腐食を防ぐために亜鉛で既に被覆された加工物としてしばし
ば販売される。このような亜鉛メッキされたスチールシートを溶接するための試
みがなされる場合に、特に、レーザー溶接プロセスが使用される場合に、基礎的
な困難さが生ずる。
亜鉛メッキされたスチールは、次の方法の1つによって製造される。スチール表
面1こ溶融亜鉛をスプレィするか、スチール上へ亜鉛を電解的に沈着するか、亜
鉛ダストと接しているスチールを加熱するか、又はスチールを溶融亜鉛中に浸漬
する。スチールの被覆亜鉛表面は、空気に晒されると、スチールを腐食から防ぐ
凝集性の不活性酸化物層を形成する。もしもスチールの表面上の亜鉛層が壊され
ると、亜鉛が鉄よりもより電気的に陽性であるので、腐食に対する防止が依然と
して得られ、そして亜鉛の酸化の第1段階(Zn→Zn←+2eつは、鉄のそれ
(Fe−+Fe”+2e−)l::優先シテ起コル。
これが、亜鉛メッキされたスチールが産業上大いに使用される理由である。しか
しながら、産業上の生産プロセスは、スチールシートのラップ溶接(1apwe
lding)をしばしば必要とし、そして、亜鉛メッキされたスチールシートが
使用される場合には、溶接プロセスがスチール基体間の亜鉛層と対処しなければ
ならない。電子ビーム又はレーザービームのような高エネルギービームを使用す
ることによって溶接する場合には、特別な困難性がこのようなシートと共に生起
する。これは、亜鉛が約907℃の温度で沸騰するが、スチールが1372℃の
幾分高い温度で溶融するためであり、それは、そのシートのスチール基体間に挟
まれた亜鉛層の爆発的蒸発と、高エネルギービームがそのシート上に付与される
時に生起する溶融スチールの溶接パドル(puddl e)の不規則なその後の
崩壊(およびそれからの物質の損失)に関係する。その結果の溶接は、結局、空
所および多孔が生じて、貧弱な品質となる。
この問題を克服するための1つの可能性は、スチールシートから亜鉛被覆を機械
的に剥がすことである。これには、コストがかかり、時間を消費し、且つ労働集
約であるという不利益がある。又、亜鉛被覆が機械的に不完全に除去される両所
が生じる:必然的にこの問題はその際に生ずるであろう。
その他の可能性は、米国特許第3,969.604号においてフォードモーター
社によって示唆された手順によるものである。これには亜鉛メッキされたスチー
ルを溶接する方法が述べられており、それは高エネルギー溶接ビームを使用して
、溶接パドルの崩壊を避けるように亜鉛被覆の急速な蒸気化を避けることを試み
ている。電力密度(power density)6200W/mm”での電子
又はレーザー溶接の使用に関して、その特許は、その亜鉛メッキされたスチール
加工物を酸化鉄のようなフラックス物質で、溶接ゾーンに隣接した部分において
、被覆し、加熱の際にスチール基体と同等か、或いはそれより低い蒸気圧を有す
る化合物をその亜鉛被覆と共に形成することを提案している。これにより亜鉛の
爆発的蒸気化及びその溶接パドルのその後の崩壊が防止され、溶接の空隙又は多
孔が解消されることが記載されている。
しかしながら、この示唆されたプロセスは、種々の欠点を有する。その1つは、
追加的なフラックス物質を使用することが、産業的な製造条件下において、その
プロセスの良好な制御を困難にする作用をする。これに対して、実質上化学的な
問題を有しない純粋に物理的な手順が製造プロセスにとってより適切である。
本発明の主たる目的は、公知の手順に対して前述したような不利益を克服する、
亜鉛メッキされたスチールシートのような被覆金属を溶接する方法及びこのよう
な金属を溶接する装置を提供する事である。
したがって、本発明の1つの観点は、2つの金属加工物を一緒に溶接する方法を
提供することであり、その加工物の少なくとも1つが、その上に、その加工物の
溶融温度よりも低い温度において流体又は粘弾性相となる被覆物質を有しており
、その方法は、溶接されるためのゾーンにおいてその加工物を予備調整処理し、
その後溶接ゾーンにおいて十分な熱をその加工物に付与してそこで溶接を一緒に
行う工程から成り、その予備調整処理は、その加工物を前記低い温度に予備加熱
し、それらを、溶接されるためのゾーンにおいて、その溶接ゾーンで加工物間か
ら被覆物質を追い出すのに十分な大きさの力を用いて一緒にプレスすることから
成る。
多くの場合、多分、予備加熱は、溶接ゾーンにおける被覆物質が液化する温度に
されるであろう。しかし、亜鉛合金のような、いくつかの潜在的に有用な被覆物
質があり、そこにおいては、十分に溶融された液体状態への予備加熱は不必要で
ある。というのは、その状態が、圧力の付与により2つの被覆された加工物間か
らその物質が追い出されることのできるパター又はパテに似たコンシスチンシー
となる満足な粘弾性状態により、低温において行われるからである。
本発明の更に別の観点によると、本発明の方法を実施するための溶接装置を提供
することであり、この装置は、予備処理手段、溶接手段、及び溶接される加工物
を予備処理手段から溶接手段に移送する手段から構成されており、この溶接手段
が、加工物を溶接温度に加熱するための手段から成り、そしてこの予備処理手段
が、加工物をより低い温度に加熱するのに適した手段及びこの加工物を一緒にプ
レスする手段から成る。
本発明により提供された方法における予備加熱工程は、種々の手段によって行わ
れることができる。圧力が加工物に付与され、それらの間から被覆物質を追い出
すローラー又は他の手段は、抵抗加熱電流を加工物に流して予備加熱を行うため
の電極として又はレーザービームが使用されるような高エネルギービームとして
、予備加熱工程のための及び実際の溶接がその後に行われる加熱のための両方に
、作用するように作られることができる。特に、もしも、溶接が行われる手段に
よる加熱が高エネルギービーム手段により付与されるならば、そのビームは、大
小の部分にスプリット(split)されることができ、小さな部分では予備加
熱を行うためにそらされ、又大きな部分では、勿論より大きな電力で、溶接ゾー
ンで溶接を行うために使用される。
予備処理工程と実際の溶接工程との間で、加工物の十分な冷却を行うことは本発
明の範囲内にあり、そこでは、溶接されるゾーン内で追い出されない被覆物質の
残物が、予備処理により液化又は軟化された追い出されない隣接被覆物質と同様
に、それの固体状態に戻ることができ、又、実際の溶接工程中で予備加熱される
前に加工物を一緒に固化する効果を有することができる。
本発明による溶接プロセスは、個々の加工物上で行われることができるが、それ
を連続的に操業させることにも役立つものであることが理解されるであろう。
本発明の溶接プロセスが、亜鉛メッキされたスチールシートのラップ溶接(la
p welding)に特に役立つことが認められるであろう。このような場合
において、その予備加熱は、シート温度をほぼ亜鉛の溶融温度に上昇させて、全
ての亜鉛が一緒に溶接されるオーバーラツプシート域から押し出されるように実
質上する。
CO2レーザーのようなレーザーは、加工物を効果的に溶接するために正確で、
きれいで且つ制御された熱源として、実際の溶接工程において加熱を行うのに望
ましい手段だと考えられている。この装置は、この2つの加工物が溶接温度に加
熱されたすぐ後に、それを他の1つと一緒に確実で一様な溶接が完成されるよう
にするのに適した圧力手段を備えている。
本発明を行うに際して、付加的なフラックス物質が必要とされないことが認めら
れるであろう。被覆物質(亜鉛メッキされたスチールシートでは亜鉛)を溶接ゾ
ーンから追い出す行為は、その後の溶接工程間においてその溶接ゾーンを保護す
る。ラップ継ぎ目に加えて、連続的な突き合わせ溶接がこのプロセスにより形成
されることができる。
本発明がより良(理解されることができるために、添付図を参照しながらより詳
細に説明する。
図1は、本発明の連続的なラップ溶接装置の略図である。
図2は、図1に示されるものと類似しているが、幾つかの変更がなされたラップ
溶接装置の同様な図である。
図3は、亜鉛メッキされたスチールシートを本発明の方法によって溶接する際に
、除去されることが期待されている亜鉛のバーセンテイジに対して付与された力
のプロットである。
図4は、本発明の方法に関して得られたある実験結果に関する類似のプロットを
示す。
図5及び6は、溶接サンプルの写真である。
図7は、本発明により完成した溶接についての概略断面図である。
本発明の溶接プロセスを行うための図1に示された本発明の装置の具体例は、2
つの亜鉛被覆された(メッキされた)スチール加工物に連続的なラップ溶接を行
うことを意図している。この装置は、ワークテーブル12と直立アーム13、]
4とを保持しているベース11を有しており、このアームには2つのワークテー
ブルローラー17.18の付いたシャフト15.16が軸受けされており、これ
らのローラーがワークテーブルのスロット19及び20を通して上方に伸び、そ
の上表面上に少し突出している。アーム13には、スロット21が形成されてお
り、そのスロットには、スプリング23によって下方に押されて、且つ加圧ロー
ラー25のシャフト24を軸受けしているジャーナルブロック(journa]
block)22が垂直方向にスライド可能に設けられ、このローラーがロロ
ーラー17の方向にスプリングで押され、これらの2つのローラ間に加圧。−ラ
ー間隙を形成している。ローラー18の方向にスプリングで押されて別の加圧ロ
ーラ間隙を同様に形成している加圧ローラー26が、アーム14のスロット29
の中でスライド可能に設けられ、且つスプリング30により下方に押されている
ブロック28に軸受けされたシャフト27に設けられる。適当な電源(図示せず
)は、ブラシ31及び32により示されるようにローラー17及び25に結合さ
れ、それにより電流が載置された加工物33及び34を通して流され、その加工
物はローラー17及び25のローラー間隙を通して矢印Aの方向に進行させられ
る。CO2レーザ−35は、加工物がローラー17及び18の間を通過する際に
、集束したビーム36をその加工物の溶接ゾーン37に向けるように配置されこ
の装置は、最初、その加工物33.34がガイドワークテーブル12及びワーク
テーブルローラー17.18上を、並びに加圧ローラ間隙を、適当な水平速度で
しかも連続的に、スムースに移動するように操作される。上方ローラー25の圧
力は、図示されない手段によって、十分に高い値に調整される。適当な電流は、
加工物の水平移動速度に併せて、ローラー17.25間のローラー間隙において
加工物を通して流れ、それを予備加熱してその亜鉛被覆を溶融するような十分な
ものとして選択される。溶接レーザー19は、その間、溶接ゾーン37において
加工物33.34上で連続的な溶接プロセスを行うことができるように調整され
る。
ローラー17.25の間を通過する際に、加工物上の亜鉛は、加熱され、ローラ
ーによって加えられた圧力によりその域から押し出され、残りの亜鉛が最早レー
ザー溶接プロセスにおいて問題とはならないレベルにまで減少させられる。それ
から、レーザー溶接は、溶接ゾーン37において通常の方法で進行し、そして溶
接された加工物は、ローラー18.26の間隙を通して取り出され、これらのロ
ーラーは、それらの間の溶接が固化するようにそれらの正確な関係でシートを保
持するように圧力を付与する。
予備加熱を達成する手段は、本発明の重要な構成ではないことが理解されるであ
ろう。例えば、図1に述べられるような電気的抵抗加熱を使用することの代わり
に、ローラー17.25の前に、レーザー35より低出力ではあるが、2つのシ
ート33.34の間に存在する亜鉛被覆を溶融させるのに必要な程度の予備加熱
を、シート34上で、提供する別のレーザー38(破線で示されている)が、設
けられることができる。この場合、ローラー17.25は予備加熱をするのでな
く、圧力のみを付与し、溶融された亜鉛は、レーザー38の下を通過する際にシ
ート33.34に関してトレースされた線に沿って、ローラーがそれらを一緒に
プレスして多少それらを接触させながら変形させる際に、シートの間がら追い出
される。
予備加熱を行うために別のレーザー38を用いることの代わりに、実施上の変更
は、示されない手段によりレーザー35の出力を、溶接ビーム36として作用す
る大きなビームと予備加熱をするためにローラ17.25の前でシート34上に
向けられる小さいビームとに分ける(s ] i t)ことである。
種々に変更される前述のプロセスは、亜鉛メッキされたシートの急速溶接を行う
ことができると認められるであろう。本発明による予備処理は、連続的に行うこ
とが困難であり、且つ又連続的な溶接操作と組み合わせることが困難であり、更
に時間を消費し、煩わしく、労働集約的であり、よって高価である、亜鉛を除去
する機械的プロセスと比較すると有利である。これに対し、本発明による予備処
理工程は、スムースで、制御された、且つ正確な仕方で、又フラックス物質を何
も加える必要もなく容易に行うことのできる物理的プロセスに全(基づいている
。したがって、本発明によるプロセスは、かかるシートを溶接するための公知の
プロセスと比較して、急速で、スムースで、有効且つ経済的である。
本発明による溶接用の装置のその他の変更は、図2に示されており、そこでは、
一対のローラー17.25が排除され、それに代えて、シート33と接触してス
ライドするためにワークテーブル12のスリット19を通してやや突出している
細長い固定電極39、及び図示されない手段によるが、両方向の矢印Bで示され
るように垂直方向に交互に動き、溶接されるシート33.34がそれと固定電極
39の間にクランプされる低い位置へ又それから動く、細長い可動電極40を備
えている。要するに、電極39.40は、スポット溶接機械と類似しており、且
つ同じように制御される:それらがシート33.34をその間にクランプする間
に、加熱電源が、それらに結合され、加熱電流をシート33.34に流す。この
場合において、加熱電流は、その電極間に位置したシートの亜鉛被覆を溶融する
のに十分であるが、このシートのスチールを溶融して溶接するには不十分である
ように選ばれる。この場合のシート33.34は、その加工物の定着期間及び進
行期間に別れて段階的に前進させられる。そのシートは、電極39.40の間に
挟まれる定着期間では、予備加熱電流が、流されてシート間の亜鉛被覆を溶融し
、その溶融された亜鉛は、電極により加えられる圧力によりそのシートの間から
除去される。このような各定着期間の終わりにおいては、加熱電流が切られ、電
極40がシート33.34を離すために上昇され、シートが、矢印Aの方向に、
レーザー35の下でシートの溶接を行うために前進させられる。
種々のパターンが可能である。もしもシート33.34が、レーザー35の下を
、そのビーム37が切れる間確実に進むならば、電極39.40の長さまでの連
続した溶接が成されることができ、そしてこの継続して進む期間に継続的な溶接
がなされるならば、あらゆる長さの有効に連続した溶接が得られる。他方、もし
もレーザービーム36が加工物の各前進における少部分のみ間に、或いはそれら
が停止している間に、その加工物上にインピング(impinge)されるなら
ば、間隔を置いたスポット溶接のパターンができるであろう。
本発明のプロセスは、今やより詳細に考えられるであろう。亜鉛メッキされたス
チールシートに関して述べられたように、このプロセスは、溶接ゾーンの前項で
予備加熱し、ラップ溶接においてスチール層間に挟まれた亜鉛を溶融するのに十
分な温度にそれを上昇させることにより満足な溶接を行うことができ、それによ
り加熱溶融された亜鉛が溶接される域から押し出されることができる。この方法
の成功は、十分な加圧を行ってスチール層の間にたまっている亜鉛の量を、残り
の亜鉛が溶接プロセスの邪魔をしないか、又はその結果できた溶接の品質を妨げ
ない程度に減少させるローラ間隙の可能性に依存している。次のレーザー溶接工
程において出来るだけ大きなキイホール半径(keyhole radius)
を使用して、亜鉛蒸気の残物が換気されて、それにより溶接プO−1?ス11m
おケル困難性を減少させることが有利であることを証明することができる。
2つの層のスチール間に溜まった亜鉛が、圧力の付与により溶融される時に、追
い出されることができる程度は、その亜鉛層の厚さ、即ちそのシートのオーバー
ラツプした程度及びシートの移動速度に依存している。1cm幅のラップ溶接及
び1cm5ec”の移動速度に対して、溜まった亜鉛の99%を排除するのには
、106ダイン程度のロール圧力が必要であり、ところが、この亜鉛の90%を
除去するためには、約3xlO’ダインが必要であると計算(その亜鉛及び0゜
01cm厚さの溜まった亜鉛を溶融するのに十分高い予備加熱温度の場合)され
る。ダインとして付与された力(5x 103ダインまで)と追い出される亜鉛
のパーセンテイジとの間の計算関係は、ローラーを通過する移動速度Uに対する
カーブI−VI及び挟まれた亜鉛の厚さHにより図3において次のように示され
る。
カーブ U(Cm 5ec−リ H(cm)I 1. 0 0. 02
II 1.0 0.01
1II 1. OO,005
IV O,50,02
V O,50,01
VI O,50,005
図4は、それぞれ3mmと5mmのラップ溶接オーバーラツプに関する1cm5
ec”に等しい移動速度Uに対する計算されたカーブを示す、そして2つのカー
ブ間におけるハツチされた領域は、実験結果が、±1mmの許容度をもつ4mm
の公称(nominal)ラップ溶接オーバーラツプに相当すると予想される域
を示す。図4の水平な棒プロットは、4mm±1mmのラップ溶接幅を有するよ
うな多数のサンプルに関して本発明による予備加熱及び追い出し工程を行う際に
、種々の付与圧力における実験的に決定された亜鉛の除去パーセンテイジの範囲
を示す。対応関係が正確ではないが、この実際の結果は、少なくとも質的には理
論的な結果に似ていることが解るであろう。
図5及び6は、亜鉛メッキされたスチールシートの2つの溶接の写真であり、図
5の溶接は・本発明に従って、(これに対する例が下記でなされる)図7の断面
図において示されるように溶接ゾーンから挟まれている亜鉛を追い出すための加
熱及び加圧予備処理を用いて作成されたものであり、そして図6の溶接は、溶接
前に亜鉛を除去するための予備加熱をすることなしに作成されたものである。
図7に示されるように、亜鉛メッキされたスチールの上下層シート34.33は
、上層シートをその厚さを通して溶融し、且つ下層シートを少なくとも部分的に
溶融し、冷却固化後に溶接42を生ずる溶融金属溶接パドル(puddle)で
充填されたトラフ(trough)を形成するのに十分なエネルギーであるレー
ザービームに上層シート34をさらすことにより、レーザー溶接された。望まし
い形成され、次に冷却されてできた溶融溶接パドルに基づいている:そしてこれ
は、本発明に従って、シート33.34が溶接されるゾーンに沿って一緒に予備
加熱及びプレスされて、それらの間の亜鉛43からなる表面被覆が溶融され、そ
のゾーンから追い出され、溶接ゾーンにおいてシートに実質的に亜鉛の存在しな
い域44が作成されることにより、達成される。その結果得られた代表的な滑ら
かな溶接42が図5に示されており、それは、その溶接が形成されているトップ
シート34の領域であり、又図7において矢印X及びYの間に延長している領域
である。
他方、図6は、本発明による予備処理を最初に行うことなしに作成された溶接を
示しており、そこでは、ビームが2つのシート間の界面に侵入する際に溶接レー
ザーによる強烈な加熱に不意にさらされる時に、除去されずに挟まれている亜鉛
の爆発的な蒸発が発生し、これが、溶接物質の損失及び、一般的には、溶接パド
ルの崩壊と滑らかな溶接の形成の阻止が生ずることになる。これが、多孔と、及
び図6における暗いバッチとして見られる大きなスケール欠如の存在とにより傷
つけられている溶接が形成される結果となる。
平成 3年 4月19日
Claims (16)
- 1.2つの金属加工物の少なくとも1つが、その上に、その加工物の熔融温度以 下の温度において流体又は粘弾性相となる被覆物質を有する、2つの金属加工物 を一緒に溶接する方法であって、その方法が、その加工物を溶接されるためのゾ ーンにおいて予備処理する工程、及びその後に溶接ゾーンにおいてその加工物に 十分な熱を付与してそこでそれらの溶接を行う工程から成り、その予備処理がそ の加工物を前記の低い温度に予熱し、そしてそれらを、溶接されるためのゾーン において、その溶接ゾーンでその加工物の間から被覆物質を追い出すのに十分大 きなカで、溶接されるべきゾーンにおいて、一緒にプレスする方法。
- 2.それらの加工物の予備加熱が、その被覆物質が溶接ゾーンのおいて液化する 温度とされる第1項に記載の溶接方法。
- 3.それらの加工物を溶接するために付与される熱が、その加工物の少なくとも 1つに溶接ゾーンにおいてその上に高エネルギービームを付与する第1項に記載 の溶接方法。
- 4.前記高エネルギービームが、溶接ゾーンにおいてその加工物を部分的融解さ せるレーザービームである第3項に記載の溶接方法。
- 5.その予備加熱が、1対の対抗電極の間でその加工物を通して予熱電流を流す ことによって行われ、且つそれらの加工物のブレスが、その電極によって行われ る第1項1乃至第4項のいずれかに記載の溶接方法。
- 6.その予備加熱が、1対の加圧ローラーの間隙(nips)にその加工物を通 し、そしてそのローラーを、前記予備加熱電流がその加工物を通して流される前 記電極として使用することによって行われる第5項に記載の溶接方法。
- 7.その予備加熱が、前記溶接ゾーンにおいてその加工物の少なくとも1つに予 備加熱レーザーの出力を向けることによって行われる第1項乃至第4項のいずれ かに記載の溶接方法。
- 8.予備加熱が行われた後に、その加工物が一緒にプレスされ、その間から被覆 物質を追い出す、第7項に記載の溶接方法。
- 9.連続的な溶接が、予備処理をその加工物上で連続的且つ漸進的に行ってそれ の細長い予備加熱されたゾーンを形成し、そしてそのゾーンに沿って漸進的にそ の後の溶接工程を付与する第1項に記載の溶接方法。
- 10.予備処理が、段階的な方法で付与されて溶接されるべき一連の予備加熱さ れたゾーンを得、そして溶接工程が、その後に順次各工程に付与される第1項に 記載の溶接方法。
- 11.予備処理手段、溶接手段、及び溶接されるための加工物を予備処理手段か ら溶接手段へ移送する手段から成る第1項に記載の方法を行うための溶接装置で あって、その溶接手段がその加工物を溶接温度に加熱する手段から成り、そして 予備処理手段がその加工物をより低い温度に加熱するのに適した手段及びその加 工物を一緒にプレスするための手段から成る溶接装置。
- 12.溶接手段が、溶接されるための加工物にレーザービームを向けるように調 整されたレーザーから成る第12項に記載の溶接装置。
- 13.予備処理手段が、その間隙にその加工物を受け入れるのに適した1対のロ ーラーから成る第10項又第11項に記載の溶接装置。
- 14.その加工物にローラーを経て抵抗加熱電流を付与するためにローラーに結 合できる電源から成る第13項に記載の溶接装置。
- 15.予備処理手段が、電源、及び、それに結合できて、相対的に他方に移動で きてその間にその加工物を掴み、且つ離すことのできる1対の電極から成る第1 0項又は第11項に記載の溶接装置。
- 16.第1項乃至第4項に記載のいずれかの方法によって製造された溶接生成物 。
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