JP2018039013A - アルミニウムめっき鋼板の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去した状態で溶接ができるようにする。【解決手段】アルミニウムめっき鋼板１０１の表面側のめっき層１０３の上にマスク層１０５を形成し、裏面側のめっき層１０４の上にマスク層１０６を形成する。マスク層１０５は、アルミニウムめっき鋼板１０１のめっき層１０３の側の溶接領域１５１が開口し、これ以外の領域のめっき層１０３を被覆している。また、マスク層１０６は、アルミニウムめっき鋼板１０１のめっき層１０４の側の溶接領域１５２が開口し、これ以外の領域のめっき層１０４を被覆している。【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、アルミニウムめっき鋼板を溶接するアルミニウムめっき鋼板の溶接方法に関する。

車輌を構成する部品（車体部品）には、高い強度が要求される。このため、部品を形成する材料には、例えば、高張力鋼板などの高強度な鋼板が用いられている。しかしながら、鋼板をプレス加工して車体部品としているため、高強度な鋼板を用いると、プレス加工において寸法精度不良が発生しやすいなどの問題が発生する。これは、用いる鋼板の強度が高いほど顕著となる。

上述した問題に対し、熱間プレスと呼ばれる技術が開発されている。熱間プレスでは、加熱して鋼板を軟質化させた状態でプレス加工し、同時に型との接触による冷却で焼き入れをすることにより、高い強度および高い寸法精度の車体部品が形成可能となる。

ところで、従来一般には、耐食性を得るために亜鉛系のめっき鋼板が車体部品には用いられている。しかしながら、上述した熱間プレスでは、亜鉛の沸点に近いまたは超える７００〜１０００℃に加熱されるため、亜鉛系のめっき鋼板には、熱間プレスが適用できない。このため、熱間プレスにおいては、アルミニウム系のめっき鋼板（アルミニウムめっき鋼板）が用いられている。

ところで、車体部品に用いられるプレス素材として、テーラード・ウェルデッド・ブランク（Tailored Welded Blank；ＴＷＢ）が用いられている。ＴＷＢは、板厚や材質の異なる複数の鋼板を、プレス前にレーザー溶接して一体としたプレス用の素材である。ＴＷＢは、複数の鋼板を一体としているので、１つのプレス素材の中で、板厚などを自由に変化させることができ、形成される車体部品の機能性を向上させることができる。また、ＴＷＢを用いることで、車体部品の点数削減も可能となる。

しかしながら、アルミニウムめっき鋼板を用いたＴＷＢでは、熱間プレスの後で溶接箇所の強度が低下するという問題がある。溶接箇所では、めっき層を構成しているアルミニウムが混入するため、熱間プレスにおける焼き入れで高い強度が得られないことに起因し、上述した問題が発生する。

上述した問題に対し、レーザービームを用いて所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、掻き取りナイフを用いて所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去する技術が提案されている（特許文献２参照）。

特許第５２３７２６３号公報 特許第５７５２３１９号公報

しかしながら、いずれの技術も、所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去して溶接を実施することができないという問題があった。例えば、アルミニウムめっき層の厚さ方向に除去量が少なければ、焼き入れにおいて溶接箇所にアルミニウムの混入が発生する。除去領域が狭くても同様である。また、めっき層の除去において、厚さ方向に除去量が多すぎると、鋼板部分も除去してしまい、板厚が薄くなり、溶接箇所の強度低下を招く。また、除去領域が広すぎると、溶接後において、アルミニウムめっき層の形成されてない領域が広く形成されることになり、腐食発生の原因となり、やはり強度低下を招くことになる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去した状態で溶接ができるようにすることを目的とする。

本発明に係るアルミニウムめっき鋼板の溶接方法は、溶接領域におけるアルミニウムからなるめっき層をアルカリ溶液で除去した前処理済みアルミニウムめっき鋼板を形成する第１工程と、レーザー溶接により前処理済みアルミニウムめっき鋼板の溶接領域に鋼材からなる他部材を溶接して一体とする第２工程とを備える。

上記アルミニウムめっき鋼板の溶接方法において、第１工程では、溶接領域に開口を有するマスクを用いて溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去すればよい。

上記アルミニウムめっき鋼板の溶接方法において、第１工程では、第１のアルミニウムめっき鋼板の溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去した第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板、および他部材である第２のアルミニウムめっき鋼板の溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去した第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板を形成し、第２工程では、第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板との各々溶接領域を突き合わせレーザー溶接により溶接し、第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と一体としたテーラード・ウェルデッド・ブランクを形成する。

以上説明したように、本発明によれば、アルミニウムめっき鋼板の溶接領域におけるアルミニウムからなるめっき層をアルカリ溶液で除去するようにしたので、所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去した状態で溶接ができるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図１Ｆは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるサンプルの断面を金属顕微鏡により観察した写真である。 図３は、アルミニウムめっき層を除去せずに溶接した比較サンプルの断面を金属顕微鏡により観察した写真である。 図４Ａは、一枚のアルミニウムめっき鋼板に対して引っ張り試験を実施した結果の破断状態を撮影した写真である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態におけるサンプルに対して引っ張り試験を実施した結果の破断状態を撮影した写真である。 図４Ｃは、アルミニウムめっき層を除去せずに溶接した比較サンプルに対して引っ張り試験を実施した結果の破断状態を撮影した写真である。 図５は、一枚のアルミニウムめっき鋼板、サンプル、比較サンプルについて、引っ張り試験を実施した結果得られた応力ひずみ線図である。 図６は、本発明の実施の形態における他のアルミニウムめっき鋼板の溶接方法の一部工程を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図７は、本発明の実施の形態における他のアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態における他のアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の実施の形態におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。図１Ａ〜図１Ｆでは、断面を模式的に示している。

まず、図１Ａに示すように、アルミニウムめっき鋼板１０１およびアルミニウムめっき鋼板（他部材）１２１を用意する。アルミニウムめっき鋼板１０１は、鋼板１０２と、鋼板１０２の表面および裏面に形成されためっき層１０３およびめっき層１０４とから構成されている。また、アルミニウムめっき鋼板１２１は、鋼板１２２と、鋼板１２２の表面および裏面に形成されためっき層１２３およびめっき層１２４とから構成されている。各めっき層は、いずれもアルミニウムから構成されている。この例では、鋼板１２２は、鋼板１０２より板厚が厚いものとしている。

次に、図１Ｂに示すように、アルミニウムめっき鋼板１０１の表面側のめっき層１０３の上にマスク層１０５を形成し、裏面側のめっき層１０４の上にマスク層１０６を形成する。マスク層１０５は、アルミニウムめっき鋼板１０１のめっき層１０３の側の溶接領域１５１が開口し、これ以外の領域のめっき層１０３を被覆している。また、マスク層１０６は、アルミニウムめっき鋼板１０１のめっき層１０４の側の溶接領域１５２が開口し、これ以外の領域のめっき層１０４を被覆している。

また、アルミニウムめっき鋼板１２１の表面側のめっき層１２３の上にマスク層１２５を形成し、裏面側のめっき層１２４の上にマスク層１２６を形成する。マスク層１２５は、アルミニウムめっき鋼板１２１のめっき層１２３の側の溶接領域１５３が開口し、これ以外の領域のめっき層１２３を被覆している。また、マスク層１２６は、アルミニウムめっき鋼板１２１のめっき層１２４の側の溶接領域１５４が開口し、これ以外の領域のめっき層１２４を被覆している。

なお、この例では、後述するように、アルミニウムめっき鋼板１０１の端部（端面）１０７と、アルミニウムめっき鋼板１２１の端部１２７とを突き合わせてこれらを溶接する。このため、溶接領域１５１，溶接領域１５２は、端部１０７の位置から延在し、溶接領域１５３，溶接領域１５４は、端部１２７の位置から延在している。

次に、溶接領域１５１におけるめっき層１０３，溶接領域１５２におけるめっき層１０４を、アルカリ溶液を用いて除去し、図１Ｃに示すように、前処理済みアルミニウムめっき鋼板１０１ａを形成する。また、溶接領域１５３におけるめっき層１２３，溶接領域１５４におけるめっき層１２４を、アルカリ溶液を用いて除去し、図１Ｃに示すように、前処理済みアルミニウムめっき鋼板１２１ａを形成する。

マスク層１０５，マスク層１０６を形成しているので、例えば、アルミニウムめっき鋼板１０１の全域を、所定の濃度とした水酸化ナトリウムの水溶液に浸漬することで、マスク層１０５，マスク層１０６により被覆されていない溶接領域１５１，溶接領域１５２のめっき層１０３，めっき層１０４が除去される。また、鋼板１０２は、アルカリ溶液に溶解しないので、溶接領域１５１，溶接領域１５２のめっき層１０３，めっき層１０４が、選択的に除去される。

同様に、マスク層１２５，マスク層１２６を形成しているので、例えば、アルミニウムめっき鋼板１２１の全域を、所定の濃度とした水酸化ナトリウムの水溶液に浸漬することで、マスク層１２５，マスク層１２６により被覆されていない溶接領域１５３，溶接領域１５４のめっき層１２３，めっき層１２４が除去される。また、鋼板１２２は、アルカリ溶液に溶解しないので、溶接領域１５３，溶接領域１５４のめっき層１２３，めっき層１２４が、選択的に除去される。

次に、マスク層１０５，マスク層１０６，マスク層１２５，マスク層１２６を除去し、図１Ｄに示すように、除去されずに残っているめっき層１０３，めっき層１０４，めっき層１２３，めっき層１２４の表面を露出させる。

次に、図１Ｅに示すように、アルミニウムめっき鋼板１０１の端部１０７と、アルミニウムめっき鋼板１２１の端部１２７とを突き合わせる。次いで、例えば、溶接領域１５１，溶接領域１５３にレーザーを照射することでこれらを溶接し、図１Ｆに示すように、アルミニウムめっき鋼板１０１とアルミニウムめっき鋼板１２１とが、溶接部１３１で一体とされた状態とする。

上述したように２つの鋼板を溶接して一体とすることで、テーラード・ウェルデッド・ブランクが得られる。また、作製されたテーラード・ウェルデッド・ブランクを用いることで、熱間プレスにより所望とする形状の車体部品が得られる。得られた車体部品においては、上述した溶接箇所に、めっき層を構成しているアルミニウムは混入せず、熱間プレスにおける焼き入れにおいて高い強度が得られる。また、上述した実施の形態によれば、マスク形成領域は、高い精度で配置できる。また、アルミニウムのみを除去することができるので、厚さ方向にアルミニウムめっき層を残すことなく、また、鋼板部分を除去してしまうこともない。このように、本発明によれば、所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去することが可能となる。

ここで、上述した実施の形態の製造方法により作製したサンプルにおける溶接箇所の観察結果について、図２を用いて説明する。図２は、サンプルの断面を金属顕微鏡により観察した写真である。このサンプルでは、同じ板厚の２枚のアルミニウムめっき鋼板を、付き合わせてレーザー溶接している。サンプルとしたアルミニウムめっき鋼板は、板厚１．６ｍｍである。また、溶接に用いたレーザーは、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザーであり、加工点における出力は４ｋＷ、加工点におけるビーム径は０．４５ｍｍ、送り速度は５ｍ／ｍｉｎとした。また、アシストガスには、窒素ガスを用いた。

図２の（ａ）に示す上側のめっき領域がより広い側よりレーザーを照射して溶接して溶接部２０１を形成している。図２の（ｂ）は、溶接部２０１の領域をより拡大して示している。また、図２の（ｃ）は、溶接部２０１以外の部分をより拡大して示し、図２の（ｄ）は、溶接部２０１をより拡大して示している。図２の（ｃ）と図２の（ｄ）との比較により明らかなように、いずれの領域においても、マルテンサイト組織が確認できる。また、溶接部２０１の領域においては、アルミニウムの混入は確認されない。

次に、溶接領域のアルミニウムめっきを除去せずに、２枚のアルミニウムめっき鋼板を付き合わせてレーザー溶接して一体とした比較サンプルの観察結果について、図３を用い説明する。この場合においても板厚１．６ｍｍのアルミニウムめっき鋼板を用い、上述同様にレーザー溶接を実施した。

図３の（ａ）に示す上側よりレーザーを照射して溶接して溶接部３０１を形成している。図３の（ｂ）は、溶接部３０１の領域をより拡大して示している。また、図３の（ｃ）は、溶接部３０１以外の部分をより拡大して示し、図３の（ｄ）は、溶接部３０１をより拡大して示している。図３の（ｃ）と図３の（ｄ）との比較により明らかなように、溶接部３０１以外においてはマルテンサイト組織が確認できるが、溶接部３０１においては、マルテンサイト組織が確認できない。また、溶接部３０１の領域においては、アルミニウムの混入が見られる。

次に、上述したサンプル、比較サンプルについて、引っ張り試験を実施した結果について、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，および図５を用いて説明する。図４Ａは、１枚のアルミニウムめっき鋼板について引っ張り試験を実施した結果を示す写真である。図４Ｂは、２枚のアルミニウムめっき鋼板を、上述した実施の形態の製造方法により一体としたサンプルについて、引っ張り試験を実施した結果を示す写真である。図４Ｃは、２枚のアルミニウムめっき鋼板を、溶接領域のアルミニウムめっきを除去せずにレーザー溶接して一体としたサンプルについて、引っ張り試験を実施した結果を示す写真である。

また、図５は、応力ひずみ線図である。図５において、実線は、本発明の製造方法により溶接したサンプルの結果である。破線は、アルミニウムめっきを除去せずに溶接した比較サンプルの結果である。また、一点鎖線は、１枚のアルミニウムめっき鋼板の結果である。

図４Ａおよび図４Ｂは、同様の破断状態であり、両者は同様の引っ張り強度が得られている。図５においても同様の結果であり、本発明の製造方法により溶接したサンプルは、１枚のアルミニウムめっき鋼板と同様の強度が得られている。これに対し、比較サンプルは、図４Ｃに示すように、溶接箇所で破断しており、また、図５に示すように低い強度しか得られていない。

以上に説明したように、本発明におけるアルミニウムめっき鋼板の溶接方法では、所望とする高い溶接強度が得られている。

次に、溶接領域におけるアルミニウムからなるめっき層の除去で用いるマスク層について説明する。例えば、マスキングテープをマスク層として用いることができる。マスキングテープは、例えば、ポリエチレンを材料としているものであればよい。

また、レジストを塗布することでマスク層としてもよい。例えば、ディッピング、スプレー塗布、スクリーン印刷法などにより、所定の領域にレジストを塗布してマスク層とすればよい。樹脂からなるレジストを対象となるアルミニウムめっき鋼板の全域に塗布する。次に、所望とする溶接領域のレジスト膜を、有機溶剤などにより除去し、溶接領域を露出させる。この後、露出した溶接領域のアルミニウムめっき層をアルカリ溶液で溶解・除去すればよい。

また、感光性レジストを用いてもよい。例えば、感光剤としてジアゾナフトキノンを用いたノボラック系のフォトレジストを用いることができる。このフォトレジストを対象となるアルミニウムめっき鋼板の全域に塗布し、この後、所望とする溶接領域を露光する。次に、アルカリ溶液でフォトレジスト層を現像し、溶接領域を露出させる。引き続きアルカリ溶液を作用させれば、現像により露出した溶接領域のアルミニウムめっき層が溶解・除去できる。

また、図６に例示するように、処理対象の複数のアルミニウムめっき鋼板４０１の間に配置するスペーサ４０２をマスクとして用いることができる。各々のアルミニウムめっき鋼板４０１の間にスペーサ４０２を配置し、めっき除去領域（溶接領域）以外にスペーサ４０２を当接させ、これらを束ねる。この状態で、めっき除去領域を含み、一部のスペーサ４０２は一領域までをアルカリ溶液に浸漬すればよい。このようにすることで、１度の処理で多数のアルミニウムめっき鋼板に対して処理が実施できる。また、溶接領域が直線状であれば、スペーサの形状を複雑にする必要が無く、特に簡便に処理が実施できる。

ところで、上述では、レーザ溶接により溶接する場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、スポット（抵抗加熱）溶接やアーク溶接など他の溶接であってもよい。また、上述では、アルミニウムめっき鋼板の端部同士を、付き合わせて溶接する場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、図７の（ａ），（ｂ）に示すように、所定の形状に成形されたアルミニウムめっき鋼板５０１に、鋼材からなるボルト５０２，５０３を溶接する場合にも適用可能である。アルミニウムめっき鋼板５０１のボルト５０２の頭部を溶接する溶接箇所５１２のアルミニウムめっきを、アルカリ溶液により選択的に溶解・除去する。この状態で、図７の（ｃ）に示すように、ボルト５０２の頭部を溶接箇所５１２に溶接すれば、溶接部に対するアルミニウムの混入が防止でき、溶接箇所の強度低下が防止できる。

また、ネジ部を貫通させるねじ穴５１１の周辺の溶接領域５１３のアルミニウムめっきを、アルカリ溶液により選択的に溶解・除去する。この状態で、図７の（ｃ）に示すように、ボルト５０３における頭部のネジ部付け根領域を溶接箇所５１３に溶接すれば、溶接部に対するアルミニウムの混入が防止でき、溶接箇所の強度低下が防止できる。

また、図８の（ａ）に示すように、所定の形状に成形されたアルミニウムめっき鋼板６０１に、打ち抜き加工などにより孔部６１１を形成し、ここに、図８の（ｂ）に示すようなアルミニウムめっき鋼材からなる小部品６０２を溶接する場合にも適用可能である。アルミニウムめっき鋼板６０１の溶接箇所６１２のアルミニウムめっき層を、アルカリ溶液により選択的に溶解・除去する。また、小部品６０２の溶接箇所６２１のアルミニウムめっき層を、アルカリ溶液により選択的に溶解・除去する。図８の（ｃ）に示すように、上述のようにしてアルミニウムめっき層を溶解・除去した領域同士を溶接すれば、溶接箇所の強度低下が防止できる。

以上に説明したように、本発明によれば、アルミニウムめっき鋼板の溶接領域におけるアルミニウムからなるめっき層をアルカリ溶液で除去するようにしたので、所望とする高い精度で所望とする溶接領域のアルミニウムめっきを除去した状態で溶接ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、アルカリ溶液として水酸化ナトリウムの水溶液を例示したが、これに限るものではなく、水酸化カリウムの水溶液など、他のアルカリ溶液を用いるようにしてもよいことは、言うまでも無い。

１０１…アルミニウムめっき鋼板、１０１ａ…前処理済みアルミニウムめっき鋼板、１０２…鋼板、１０３，１０４…めっき層、１０５，１０６…マスク層、１０７…端部、１２１…アルミニウムめっき鋼板（他部材）、１２１ａ…前処理済みアルミニウムめっき鋼板、１２２…鋼板、１２３，１２４…めっき層、１２５，１２６…マスク層、１２７…端部、１３１…溶接部、１５１，１５２，１５３，１５４…溶接領域。

Claims (3)

1. 溶接領域におけるアルミニウムからなるめっき層をアルカリ溶液で除去した前処理済みアルミニウムめっき鋼板を形成する第１工程と、
   前記前処理済みアルミニウムめっき鋼板の前記溶接領域に鋼材からなる他部材を溶接して一体とする第２工程と
   を備えることを特徴とするアルミニウムめっき鋼板の溶接方法。
2. 請求項１記載のアルミニウムめっき鋼板の溶接方法において、
   前記第１工程では、前記溶接領域に開口を有するマスクを用いて前記溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去する
   ことを特徴とするアルミニウムめっき鋼板の溶接方法。
3. 請求項１または２記載のアルミニウムめっき鋼板の溶接方法において、
   前記第１工程では、
   第１のアルミニウムめっき鋼板の溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去した第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板、および前記他部材である第２のアルミニウムめっき鋼板の溶接領域のめっき層をアルカリ溶液で除去した第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板を形成し、
   前記第２工程では、前記第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と前記第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板との各々溶接領域を突き合わせレーザ溶接により溶接し、前記第１の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と前記第２の前処理済みアルミニウムめっき鋼板と一体としたテーラード・ウェルデッド・ブランクを形成する
   ことを特徴とするアルミニウムめっき鋼板の溶接方法。