亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接がなぜこれほど問題が多いのか？

主な問題点は、重ね合わせた鋼板の間に閉じ込められる亜鉛蒸気です。亜鉛は鋼の融点よりもはるかに低い温度で沸騰します。密着した重ね継手では、この蒸気が溶融池を乱し、金属を噴出させ、気孔を残す可能性があります。信頼性の高いプロセスでは、鋼板間の十分な溶融を維持しながら、蒸気の排出方法を制御する必要があります。

まずは、コーティングされた界面とクランプによる固定状態を確認してください。出力設定を上げるだけでは、閉じ込められた蒸気の問題を解決することはできません。

欠陥の最初のチェックを見つけてください

密着した重ね継手の概念断面図。コーティングの厚さと流れ経路は誇張して描かれています。これは機構図であり、溶接試験結果ではありません。

亜鉛はなぜ溶接を阻害するのか？

純亜鉛の通常の沸点は約907℃（1,665°F）であり、鋼材基材を溶かすのに必要な温度よりもはるかに低い。これは材料の基準値であり、加圧溶接部内部での正確な蒸発閾値ではない。[1]

深溶け込みレーザー溶接では、ビームによってキーホールと呼ばれる狭い蒸気空洞が形成され、その周囲を溶融鋼が囲みます。重なり合う部分の内側の対向面は接合面と呼ばれます。これらの接合面の亜鉛が加熱されると、その蒸気は外部へ放出される必要があります。

シートがしっかりと押し付けられている場合、横方向へのガスの漏れは制限されます。亜鉛蒸気はキーホールに入り込み、溶融金属を押し出す可能性があります。不安定な放出は、金属を飛散させたり、表面に穴を残したりする可能性があります。溶融池が凍結する際に保持されたガスは、内部の多孔質になる可能性があります。ゼロギャップ亜鉛めっき重ね継手に関する研究では、この挙動は蒸気の流れ、ビーム形状、溶融池の相互作用に関連しているとされています。[2]

コーティングは診断の一部にすぎません

気孔は、汚染、遮蔽の問題、キーホールの崩壊によっても発生する可能性があります。亜鉛めっき溶接部の気孔は、それ自体では亜鉛が唯一の原因であることを証明するものではありません。[3]

どの接合部構造が蒸気を閉じ込めるのか？

重要な違いは、加熱されたコーティングが露出しているか埋め込まれているか、そして実際の締め付け荷重の下で何らかの逃避経路が残っているかどうかである。

関節の状態	亜鉛蒸気はどうなるのか？	確認すべきこと
突き合わせ継ぎ目またはアクセス可能な端	幅広く重なり合う面の間にはコーティングが少なくなるため、一般的に脱出が容易になる。	端部の位置合わせ、融合、浸透は依然として重要である。塗膜の剥離やヒュームの発生も問題となる。
設計された隙間、くぼみ、または溝のある重ね継ぎ目	連結した経路があれば、蒸気がシーツの間から漏れ出す可能性がある。	溶接部は、クランプや成形時のばらつきに耐えつつ、隙間をしっかりと埋める必要がある。
隙間のない、またはほぼ隙間のない重ね継手	地中に埋まった蒸気は、意図的に制御された溶融池／キーホールプロセス、またはその他の適切な経路を通して排出されなければならない。	実際のコーティングと積層において、安定したセクションと再現性のある結果が得られること。滑らかなトップビードだけでは不十分である。

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ギャップ設定に普遍的な基準はありません。あるスタックの通気には十分な大きさのギャップでも、別のスタックでは大きすぎて通気できない場合があります。公表されているスペーサーや通気方法は開発オプションであり、追加の準備や取り付け要件があります。測定されたギャップ範囲を、コーティング、厚さ、ビーム、および受入基準とともに指定してください。[4]

なぜ新しいロットの亜鉛メッキ鋼板は、溶接の仕上がりが異なることがあるのでしょうか？

「亜鉛メッキ」という表現は、コーティング全体や表面状態を完全に表すものではありません。以前安定していた工程を再調整する前に、新しい材料を、認定に使用した材料と比較してください。

亜鉛メッキ鋼板の格子状表面 — 表面の外観からは、塗膜の質量や鋼種を判断することはできません。写真：イヴァン・バビドフ / Pexels.

コーティングの識別情報: 電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、亜鉛鉄めっきを区別する。名称だけでは溶接性の優劣は判断できない。
インターフェースにおける金額： 塗膜の質量とその報告基準を記録してください。シート両面の合計量は、必ずしも両面で同じ量になるとは限りません。片面塗膜や異なる塗膜の場合は、塗膜の向きを記録する必要があります。【5]
表面状態： 溶接部付近に付着した油、前処理剤、接着剤、またはシーラーを記録してください。実験室で採取したきれいな試験片は、実際の生産時の状態を反映していない場合があります。
ベース鋼材と厚さ： 等級、強度状態、板厚、コイルまたはロットの識別情報は保持されます。亜鉛ラベルには、その下にある鋼材の種類は明記されていません。

材質仕様の詳細については、「亜鉛メッキ鋼板の選び方」を参照してください。

それぞれの欠陥について、何をチェックすべきですか？

症状に基づいて、最初に調査すべき箇所を選択してください。これらのチェックはトラブルシューティングの手順であり、原因を1対1で証明するものではありません。欠陥が継ぎ目に沿ってどこに発生しているか、また、クランプ、開始、角、または終了のいずれの箇所でも同じ欠陥が発生するかを記録してください。

観察された症状	考えられる説明	最初の便利なチェック
内部の孔	凍結中にガスが閉じ込められる。亜鉛、汚染、キーホール不安定性などが原因として考えられる。	断面の代表ゾーン。界面の状態、通気経路、表面処理を比較する。
噴気孔または地表の窪み	蒸気の放出やプールの不安定性により、水が再び満たされない開口部が生じる。	穴の位置を、局所的なギャップ、コーティング、およびプロセス遷移と比較してください。
下地充填材を多めに使用した飛沫	プールから金属が排出されたため、継ぎ目に残った物質が減少した。	窪みを埋めるために出力を上げる前に、蒸気の漏れとビームの挙動を確認してください。
断続的な貫通または不完全な融合	不安定な結合、継ぎ目の追跡、焦点または接合不良。亜鉛の乱れが原因となる可能性がある。	良好な箇所と不良な箇所で各セクションを測定します。アライメント、フォーカス、光学系の状態、クランプギャップを確認します。
コーティングの焼け付きまたは付着	コーティングが加熱または除去されているため、付着物が清掃や仕上げに支障をきたす可能性があります。	影響を受ける幅と下流側の仕上げ要件を検査してください。塗膜の変色のみを溶融状態の指標として扱わないでください。

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例：クランプの横に欠陥が繰り返される

そのクランプが予定されていた通気口を塞いでしまうのか、あるいは継ぎ目に沿った接触状態が変わってしまうのかを確認してください。全体のレシピを変更する前に、その箇所の測定された嵌合状態と溶接部を健全な箇所と比較してください。これは診断例であり、報告された生産試験ではありません。

亜鉛関連の欠陥を減らすにはどうすればよいでしょうか？

まず亜鉛の処理方法を選択し、その接合コンセプトに基づいてビームの調整を行います。有効な選択肢は、工具、準備、腐食防止に関してそれぞれ異なる影響を及ぼします。

繰り返し可能な脱出経路を提供する

制御された隙間、刻印されたくぼみ、または適切な通気チャネルによって、シート間の蒸気を放出できます。部品をクランプした状態で溶接経路を確認し、許容される隙間範囲全体にわたって溶接が両方のシートを接合していることを確認してください。図面上の公称隙間は、スプリングバックやクランプ圧力によって継ぎ目に沿って変化する可能性があるため、十分ではありません。

ビームと溶融池を制御する

振動、複数のスポット、形状の電力分布は、プールの形成と蒸気の放出方法を変える可能性があります。それぞれに独自の試験が必要です。振動経路の変更は、電力の読み取り値が同じであっても、プロセスの変更になります。Hao らによる研究では、試験した亜鉛メッキ鋼板の条件下で、円形経路とジグザグ経路でキーホールの安定性とスパッタ挙動が異なることがわかりました。すべての接合部に対して最適な経路が 1 つだけ確立されているわけではありません。[6]

公開された事例：コアアンドリングビームを用いたゼロギャップ溶接

Coherent社の2019年のアプリケーションノートでは、同社のHighLight FL-ARMファイバーレーザーを使用して、隙間なくクランプされた2枚の1.25mm厚の電気亜鉛メッキ鋼板を溶接したと報告されている。[7]

コア/リングパワー: 600 W / 4,000 W
コア/リングビームの直径: 0.25 mm / 0.60 mm
溶接速度: 3.3メートル/分
報告された証拠: 気孔のない断面図

この例は、物理的な隙間が必ずしも必要ではないことを示しています。4.6 kW という出力は、そのまま適用できるものではありません。独立して制御されるビーム分布は、結果の一部です。この注記は、すべてのコーティング、接合部、または製品要件に対する完全な認定記録を提供するものではありません。

設計上可能な場合は、局所的にコーティングを除去する。

関連する溶接部から亜鉛を除去することで、蒸気源を低減できます。重ね継手の場合、目に見える上面のみを清掃すると、内部のコーティングはそのまま残ります。処理が必要な表面と領域を特定し、除去を確認し、追加の作業と局所的な腐食防止の復元を考慮に入れてください。[4]

レーザーろう付けは、一部の組立品において別の代替手段となります。これは、母材との融合接合を形成するのではなく、主に溶加材を溶融させる方式です。接合部の設計と受入基準は、対象部品に適合している必要があります。滑らかなろう付け継ぎ目は、溶接と同等の性能を証明するものではありません。

変数	重要性	臨床試験で比較すべき事項
パワーと走行速度	加熱と浸透度、および亜鉛蒸気発生速度を変更する。	融合、金属損失、および気孔が同時に発生する必要があり、単に浸透を深めるだけでは完全な改善にはならない。
フォーカス、スポット、パワー配分	エネルギーがスタックに到達する場所と、キーホールがどのように形成されるかを変更する。	実際の光学系構成と焦点位置、および表示されるレーザー出力。
振動経路、振幅、周波数	局所的な加熱順序と液体流量を変更する。	これらの設定を試作記録に保存し、継ぎ目部分を含めた縫い目全体を検査してください。
遮蔽配置	溶接部周辺の雰囲気を制御するのに役立つが、埋設された排気経路は形成しない。	ガスの種類、流量、ノズル位置。シールドガスは排煙装置の代わりにはなりません。

変数と固定材料および治具条件を合わせて読んでください。この表はパラメータのレシピではありません。

その変更が効果があったことをどのように証明しますか？

工程改善は、部品の受入基準を繰り返し満たすものでなければならない。表面検査、内部検査、機能テストは、それぞれ異なる疑問に答えるものである。

これは概念的な検査図であり、認定された溶接断面図ではありません。切断断面図は一箇所を示すだけであり、溶接部全体の状態を把握することはできません。

設定を調整する前に、許容範囲を定義してください。必要な融着性、強度、気密性、外観、および仕上げを指定してください。該当する図面と製品仕様書を使用してください。
対照群を用いた比較試験を実施する。各試験片には、材料ロット、コーティング、クランプギャップ、および設定値をラベルに記入してください。変更点と結果を追跡できるように、小規模な計画試験マトリックスを使用してください。
代表的な場所と機能を調査する。始点、定常区間、コーナー、停止点、既知の問題箇所を含めてください。必要な機械的試験または漏れ試験と組み合わせた区間を作成してください。この形状における関連する欠陥を検出できる非破壊検査方法をいずれか選択してください。
許容される生産変動範囲を確認してください。承認された構成と材料の範囲全体でこの手順を繰り返します。許容範囲、監視チェック、およびプロセスが逸脱した場合の対応を記録します。

ハンドヘルドレーザーは、再現性を証明することなくビードを形成できます。実際の接合部におけるハンドヘルドプロセスを評価する際には、作業者の動作、アクセス性、および治具の一貫性を考慮に入れてください。

溶接試験を実施する前に、ヒュームを制御してください。

亜鉛メッキ鋼の溶接では、金属ヒューム熱の原因となる酸化亜鉛ヒュームが発生することがあります。他の金属、表面処理、汚染物質も危険性を高める可能性があります。接合部から亜鉛蒸気を放出する経路は工程制御を改善しますが、その放出された蒸気を安全に吸入できるわけではありません。[8]

想定される作業位置における効果的な発生源捕集装置を設置し、実際の作業サイクルにおける曝露を評価する。HSEは、適切な制御が他に達成できない場合は、適切な局所排気換気装置と呼吸用保護具の使用を推奨する。近隣の作業員を含め、排気システムを維持管理する。[9]

抽出装置または必要なレーザー安全装置が機能していない場合は、試験を一時停止してください。ヒューム制御とレーザー放射線防護は別々の要件です。装置に指定された筐体、インターロック、および保護措置を使用してください。

実際のコーティングされた接合部についてOceanplayer Laserと話し合う

鋼材の種類とコーティングの種類、各板厚、接合図、測定された接合範囲、および要求される溶接性能をお送りください。サンプルに関する検討を適切な制約条件から開始できるよう、製造時の表面状態とサイクル目標も併せてご提供ください。

亜鉛メッキ鋼の溶接試験について議論する

用途や機器に関する詳細については、亜鉛メッキ鋼のレーザー溶接について調べてください。

ソースとさらなる読み物

英国王立化学会：亜鉛。沸点に関する物理的性質の基準値。
Hayat et al., 2024: 亜鉛蒸気、キーホールダイナミクス、液体の噴出。 DX57D+Z板材のゼロギャップ重ね溶接に関する実験およびシミュレーション研究。
TWI：レーザー溶接における典型的な欠陥。多孔性やその他のレーザー溶接欠陥のより広範な原因。
亜鉛メッキ高強度鋼のレーザー溶接における亜鉛蒸気誘起溶接欠陥の軽減。実験上の制約はあるものの、共同アプローチとプロセスアプローチを組み合わせた研究。
GalvInfoNote 1.1: コーティング重量の表記。塗膜の質量はどのように規定され、報告されるのか。
Haoら：異なる振動経路におけるキーホールと溶融プールの挙動。著者による円形経路とジグザグ経路の比較に関する原稿記録。
Coherent：亜鉛メッキ鋼板のゼロギャップ溶接。 2019年9月のアプリケーションノート。上記で説明したコア・アンド・リングの具体的な例。
OSHA：溶接および切断作業中の呼吸器系への危険性。酸化亜鉛およびその他の煙成分。
HSE：溶接に伴うリスクの管理。発生源の捕捉、曝露制御、および呼吸保護。