JP2004209497A - 高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｃｅｑが０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接金属の硬化を防止し成形性の良好な溶接部を形成することのできるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接金属を含む部分を局所加熱する加熱手段を用いることを特徴とする高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。加熱手段として、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いる。加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いる。
【選択図】 図１
【解決手段】Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接金属を含む部分を局所加熱する加熱手段を用いることを特徴とする高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。加熱手段として、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いる。加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の衝突安全性向上、また低燃費化を目的とした軽量化を両立するため、自動車の車体に高張力鋼板の適用が進んでいる。
【０００３】
一方、自動車用の薄鋼板等の溶接手段として、レーザ溶接の適用も拡大している。レーザ溶接は、高エネルギー密度で微細な径を有するビームを被溶接材に照射して溶接を行うことができ、大気中で溶接が可能であるという特徴を有する。
【０００４】
鋼板の重ね溶接や突合わせ溶接をレーザを用いて行う場合、低入熱で溶接部の冷却速度が高いため、溶接後の溶接金属硬さが高くなる現象が生じる。溶接部の硬さは下記（１）式で定義されるＣｅｑが増加するほど高くなり、同時に溶接部の伸びが低下するので、突合せ継手のように、溶接後にプレスなどの成形を受ける場合には、母材と比較し成形性の劣化代が大きくなる。特に、Ｃｅｑが０．３５を超える成分を有する高張力鋼板においてはその傾向が顕著に現れる。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６ （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは各元素の含有量（質量％）である。
【０００５】
特許文献１に記載の発明においては、溶化材を用い、熱源としてレーザを用いて溶接するに際し、溶化材として低Ｃ含有量、低Ｓｉ含有量および低Ｍｎ含有量の鋼ワイヤを用いるレーザ溶接方法が記載されている。これにより、溶接金属の硬さを母材やＨＡＺのそれに近くすることができるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−２２１２８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ溶接を用いた重ね溶接や突合わせ溶接においては、溶化材の供給量は少ない。そのため、特許文献１に記載の溶化材を用いたとしても、溶接金属の成分を大きく変えることは困難である。特に、近年開発が進んでいる引張強さＴＳが８００ＭＰａを超えるような鋼板、別の表現でＣｅｑが０．３５を超える成分を有するような高張力鋼板に対しては、鋼材中の合金成分が多く効果的な方法ではない。その上、レーザ溶接では溶化材を用いないのが一般的で、そもそもこの手法を利用できない場合が多いと考えられる。
【０００８】
本発明は、Ｃｅｑが０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接金属の硬さを低減し成形性の良好な溶接部を形成することのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）下記（１）式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接金属を含む部分を局所加熱する加熱手段を用いることを特徴とする高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６ （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは各元素の含有量（質量％）である。
（２）前記加熱手段として、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いることを特徴とする上記（１）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（３）単体の発振器から発せられるレーザビームを、伝送系あるいは集光光学系により先行ビームと追従ビームに分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を加熱手段のレーザビームとすることを特徴とする上記（２）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（４）前記加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いることを特徴とする上記（１）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（５）前記高張力鋼板は下記（２）式のＨＴ値が０．００７を超え、鋼板の溶接ビード付近を冷却する冷却手段を有することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （２）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
鋼板のレーザ溶接において、溶接部は溶接レーザビームが通過した後に急冷・焼き入れされるため、溶接後の溶接金属の硬度が高く、その部分の伸びが劣化する。特に、Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板において溶接部の伸びの劣化が大きい。
【００１１】
本発明は加熱手段を有し、加熱手段は溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接ビードを含む部分を局所加熱することを特徴とする（図１）。これにより、硬度が高くなった溶接金属が焼き戻され、溶接部の伸びを改善することができる。
【００１２】
溶接金属を含む部分を局所加熱するので、鋼板の溶接部以外の部分は焼き戻し処理を受けることがなく、鋼板の材質を保持することができる。また、局所加熱であるため、鋼板全体を収容して焼き戻し加熱を行う大きな熱処理炉を必要としない。ここで、溶接金属を含む部分の局所加熱とは、加熱部分が少なくとも溶接金属の一部を含み、加熱部分はできるかぎり溶接金属付近に局限する意味である。
【００１３】
本発明の熱処理は溶接部の局所加熱を特徴としており、温度履歴は溶接金属の位置によって異なる。つまり焼き戻しによる軟化程度も位置に依存することとなる。そこで予備実験として、板厚方向に渡り何点か溶接部融合線近くまで開けた微小な穴に熱電対を挿入し熱処理中の温度変化を測定したが、溶接金属が軟化する程度および幅は板厚中心の融合線近くの温度履歴と良い相関を示した。つまり、この部分の最高到達温度が４００℃以上Ａｃ１点以下の範囲でＡｃ１点に近いほど、かつ、この温度範囲の滞留時間が長いほど溶接金属硬さの軟化する程度および幅が増加した。従って、板厚中心の融合線近くの最高到達温度および４００℃以上Ａｃ１点以下に滞留する時間を持って、溶接部が受ける代表的な加熱最高温度と加熱時間とした。
【００１４】
本発明において、加熱手段は溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に溶接部を加熱する。１秒経過する前に加熱を開始すると、その後の冷却速度に依存して溶接部の硬さが変わってしまう。本発明のように高張力鋼板では、１秒以上経過すると溶接部に硬いマルテンサイトが出現し、マルテンサイトが出現した後に加熱を開始して焼き戻しを行うことにより、焼き戻し後の冷却速度によらず、確実に硬いマルテンサイト相が焼き戻されて軟化を実現することができる。
【００１５】
本発明の加熱手段は、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で加熱を行う。図２は、熱処理における最高温度と平均溶接金属硬さの関係を示したものである。加熱時間は０．６秒、加熱終了後の冷却は空冷とした。図２から明らかなように、４００℃以上の最高温度であれば、１０分以内に焼き戻しを完了して平均溶接金属硬さを十分低い値とすることができる。
【００１６】
このとき焼き戻し温度が高いほど焼き戻しに要する時間を短くすることができ、かつ軟化程度も大きくできるので、温度はＡｃ１点に近いほど好ましい。この現象は、一般に知られたテンパパラメータ（＝Ｔ（２０＋ｌｏｇ ｔ）、Ｔ：保持温度（Ｋ）、ｔ：保持時間（ｈｒｓ））を用いても表現される。しかし、温度がＡｃ１点直下であっても焼き戻しを十分に進行させるには、ある程度の時間を要し、本発明においては検討の結果、時間の下限を０．１秒とした。一方、時間の上限を１０分としたのは、これより長時間の加熱処理は実生産のコスト増を招くだけでなく、さらに局部に投入した熱が鋼板を伝導することで溶接部周囲、即ち母材まで温度が上昇して焼き戻され、軟化領域が拡大してしまうからである。なお、この軟化現象は一般に熱影響部（ＨＡＺ）の軟化と呼ばれる。
【００１７】
Ａｃ１点を超える温度に加熱した場合、加熱後の冷却が急冷であると図２に示すように溶接金属の硬さ低下が不十分となる。一方、加熱温度がＡｃ１点を超える温度であっても、その後ゆっくり冷やしてやれば溶接金属の硬さを低下させることはできる。しかし、このような加熱を行うと、溶接金属付近のＨＡＺ軟化領域の拡大が起こり、その結果、溶接金属硬さを低下させても成形性の低下をもたらす場合がある。温度をＡｃ１点以下の温度に限定すれば、溶接金属付近のＨＡＺ軟化領域は拡大せず、さらに加熱後の冷却速度を限定する必要もなくなるので好ましい。ちなみに、Ａｃ１点は加熱速度が余り高いと高温側にシフトするが、本発明ではそのような急速加熱は想定しておらず、影響は無いものと考える。
【００１８】
本発明において、（１）式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接に限定した理由は、Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板において特に溶接金属の硬化と成形性の低下が顕著だからである。
【００１９】
本発明の加熱手段として、図３に示すように、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いることとすると好ましい。加熱手段にレーザビーム３を用い、鋼板２の溶接金属１を含む部分を移動しつつレーザビームを照射することにより、容易に溶接ビードを含む部分のみを局所加熱することができる。図４に加熱レーザビームのパワー密度と平均溶接金属硬さの関係を示す。パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下であれば、平均溶接金属硬さを低下させることができる。パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2より低いと、レーザビームの移動速度を著しく低下させなければビードの軟化を実現できず、実生産では不利である。一方、パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ2より高い場合、溶接金属を再溶融させず軟化させるためにはビームの移動速度を極端に高める必要があるが、そうすると焼き戻される温度に到達する領域が狭く、つまり溶接金属の軟化領域が非常に狭いものとなる。ところが、上記の適正なパワー密度範囲では、広い移動速度範囲で溶接金属の軟化を達成できるので好ましい。
【００２０】
加熱手段に用いるレーザビーム３の鋼板２上のビーム出力やビーム径（ビーム中心からビーム強度が１／ｅ２となる点までの距離(半径)）、ビームの移動速度（鋼板に対する相対速度）とから、局所加熱部の温度履歴、即ち時間と温度の関係が定まる。加熱レーザビーム３の移動速度が溶接レーザビームの移動速度と等しい場合には、ビーム径を調整することによって加熱条件を調整することとなる。
【００２１】
加熱手段に用いるレーザビームとしては、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。
【００２２】
加熱手段にレーザビームを用いる本発明においては、図５に示すように、単体の発振器から発せられるレーザビーム３を、集光光学系あるいは伝送系により先行ビーム６と追従ビーム７に分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を加熱手段のレーザビームとすると、１台のレーザ発振器を用いて溶接と加熱処理を同時に行うことができ、コストの点で極めて有利である。また光ファイバを複数用い、溶接用および加熱用ビームとに分けて伝送しそれぞれ集光しても、１台のレーザ発振器で溶接と加熱を行えることとなる。
【００２３】
レーザビーム３を２つのビームに簡便に分割する方法として、プリズム９の光学系への配置が挙げられる。図５（ａ）に示す例においては、進行方向前方に配置したプリズム９を通過したビームが追従ビーム７を形成し、プリズムを通らずに直進したビームが先行ビーム６を形成する。この例においては先行ビーム６と追従ビーム７が交差している。同じように先行ビーム６と追従ビーム７が交差する方法において、進行方向後方にプリズムを配置し、プリズムを通過したビームが先行ビームを形成し、プリズムを通らずに直進したビームが追従ビームを形成しても良い。また、進行方向前後にプリズムを２枚配置し、先行ビームと追従ビームのどちらもプリズムを通過するようにしても良い。また、先行ビーム６と追従ビーム７が交差しないように分割しても良い。
【００２４】
ところで、この手法においては、溶接ビームが通過後１秒以上経過してから追従ビームを照射する必要があること、ビームの移動速度が速いほど２つのビーム間の距離を長くする必要がある。しかし、プリズムのビーム分割ではビーム間の距離に最大限度があり、プリズムで対応できない場合は、図５（ｂ）に示すように、反射ミラー１０を使ってビーム分割・伝送する方法が有効である。
【００２５】
溶接レーザビームとなる先行ビーム６と加熱手段となる追従ビーム７それぞれへのエネルギーの配分は、プリズム９を通過する光量とプリズムを通過しない光量の比率によって定めることができる。また、鋼板に照射するレーザビーム径は、それぞれのビーム焦点４の位置と鋼板２の位置をどの程度外すかによって定めることができる。このようにして各ビームのエネルギーと鋼板に照射するレーザビーム径（スポット径）が定まれば、これらからパワー密度（ＭＷ／ｃｍ2）を算出することができる。
【００２６】
プリズム９のみを用いてビームを分割した場合、分割後の各ビーム焦点４の位置は分割前と基本的には変わらない。分割した各ビームスポットの焦点位置でのスポット直径は、元ビームスポットのスポット直径とほぼ等しい直径となる。鋼板の位置をビーム焦点４の位置からずらせば、鋼板位置におけるビームスポット直径を焦点位置でのスポット直径よりも大きくすることができる。
【００２７】
他方、光学系に先行ビーム６と追従ビーム７のいずれかのみが通過する部分焦点外しレンズを挿入すれば、先行ビーム６と追従ビーム７のビーム焦点４の位置を変えることもできる。先行ビーム側のみに部分凹レンズまたは部分凸レンズを挿入する方法、追従ビーム側のみに部分凹レンズまたは部分凸レンズを挿入する方法を採用することによって、それぞれ焦点位置を所定の方向に外すことができ、これによって鋼板位置における先行ビームと追従ビームのビームスポットを異なったスポット径とすることができる。
【００２８】
溶接レーザビーム（先行ビーム６）が通過して１秒以上経過した後に加熱手段のレーザビーム（追従ビーム７）が通過する必要があるので、先行ビームと追従ビームとの間隔ｘはビーム移動速度に１秒をかけた距離よりも離れている必要がある。図６には、溶接速度、即ち加熱手段の移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとした場合において、先行ビームと追従ビームのビーム間距離を横軸に取り、平均溶接金属硬さを縦軸にとって示した。図６から明らかなように、ビーム間距離が５０ｍｍ以上、即ち先行ビームが通過後追従ビームが到達するまでの時間が１秒以上の場合において、溶接金属硬さを低下することができた。
【００２９】
本発明の加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いることとしても良い。
【００３０】
加熱手段としてアークプラズマを用いる場合、図７に示すように、鋼板２と溶接トーチ１２の間に電圧を付加し、これによって鋼板２の溶接金属１部分にアーク１３を発生させて加熱を行う。溶接部の熱処理条件はアークの移動速度（鋼板との相対速度）やアークの注入エネルギー等によって調整する。
【００３１】
加熱手段としてシーム溶接による通電加熱を用いる場合、図８に示すように、鋼板２の溶接金属１の両側にシーム電極１４を接触させ、シーム電極を通して鋼板の溶接金属部分を通電加熱する。溶接部の熱処理条件は鋼板の送り速度や電流値によって調整する。
【００３２】
加熱手段として高周波による誘導加熱を用いる場合、図９に示すように、鋼板２の溶接金属１付近に誘導加熱用コイル１５を配置し、高周波電源から誘導加熱用コイル１５に高周波電流を流すことによって鋼板の溶接金属を加熱する。溶接部の熱処理条件は誘導加熱用コイル１５の大きさ、高周波電流、コイル長さが溶接ビード長より短く加熱時にコイルを移動させる必要がある場合は移動速度によっても調整する。
【００３３】
さて最近、自動車を始めとする産業で高張力鋼の使用が進む中、下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える鋼板が増加してきた。ＨＴは、溶接熱影響部の軟化の程度を示す指標として実験的に決めたもので、０．００７を超えると溶接入熱によって熱影響部の硬さが母材硬さより低下する現象、つまりＨＡＺ軟化が生じる。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さであり、鋼板を水焼入れなどの手段によってフルマルテンサイト組織とした上で、焼入れままでビッカース硬度を測定することにより評価することができる。また、Ｈｖ（Ｍ）はＣ濃度との相関が高く、
Ｈｖ（Ｍ）＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ2）＋２９４
としてＣ濃度（質量％）から計算で求めることもできる。Ｈｖ（ＢＭ）は母材のビッカース硬さでああり、母材の引張強さＴＳ（ｋｇｆ／ｍｍ2）から
Ｈｖ（ＢＭ）＝３ＴＳ
として求めることも可能である。
【００３４】
鋼材を高張力化する方法として、結晶粒微細化、析出や固溶強化、硬質の組織を軟質の組織に分散させた複合組織化、あるいは転位強化が知られている。高張力に加え高成形性も得るには、この中の複合組織化が有効である。このため、近年の高強度・高延性の鋼板の研究開発の中で、フェライトにマルテンサイトを分散させた２相鋼に代表される鋼板が開発されてきた。こうした鋼板では結果的に上記ＨＴ値が高くなるとともに、硬質層の焼き戻しに起因したＨＡＺ軟化が著しくなるという問題があった。
【００３５】
上記ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板を溶接接合した材料は、ＨＡＺ軟化を抑えることができず、軟化が著しいときは成形加工時に軟化部に歪が集中して破断に至り、母材に比較し成形性が劣化したり、部材に大きな力がかかったときに溶接接合部で座屈が生じる問題があった。
【００３６】
ＨＴが０．００７を超える鋼板の溶接において、ＨＡＺ軟化を防止するためには、溶接レーザビーム通過時および本発明の加熱手段による溶接部の熱処理時において、溶接部近傍の温度上昇範囲を極力低減するとともに、温度上昇部をできるだけ速い冷却速度で冷却することが有効である。
【００３７】
本発明は、図１０に示すように、鋼板２の昇温部分である溶接金属付近を冷却するための冷却手段を設けることを特徴とする。鋼板の溶接部付近は、溶接レーザビーム通過時に昇温し、さらに本発明の熱処理を施すときに昇温する。鋼板の昇温部分のうち、溶接レーザビーム照射点付近が最も高温の部分であり、ＨＡＺ軟化を抑制するには冷却手段によってこの部分を有効に冷却することが重要である。
【００３８】
鋼板の昇温部分を冷却するための冷却手段としては、強制冷却した良熱伝導性金属からなる冷却板を鋼板２の片面又は両面に密着する手段を採用することができる。良熱伝導性金属としては、熱伝導度が鉄の熱伝導度の３倍以上のものを用いると良い。銅は熱伝導度が０．９２３ｃａｌ・ｃｍ-1ｓ-1ｄｅｇ-1であり、冷却板を構成する材料として最も好ましい。冷却板は、内部に冷却媒体を流通させる冷却媒体通路を形成することによって強制冷却し、低温に保持することができる。冷却板は鋼板２に密着することにより、鋼板２の温度を低下させる。密着の手段としては、鋼板２を表裏両面から圧力をかけて押さえ、鋼板に接する部分の片面又は両面を上記冷却板とすることによって行うことができる。通常は、図１０に示すように、溶接を行う鋼板を固定するための固定装置１１のクランプ１１ａまたは溶接定盤１１ｂの一方または両方において、鋼板２と接する部分を上記冷却板とすることによって行うことができる。
【００３９】
冷却板を強制冷却させる手段としては、冷却板中に冷却媒体通路を形成し、該通路に冷却媒体を流通させることによって行うことができる。具体的には、水を流通させる方法、液体窒素の気化ガスや液体窒素そのものを流通させる方法を採用することができる。液体窒素そのものを流す場合には、冷却板を含む固定装置全体を乾燥空気中に置くなど、結露しないように工夫すると良い。
【００４０】
【実施例】
表１に示す強度、Ｃｅｑ値、ＨＴ値、板厚、Ａｃ１点温度を有する鋼板をレーザ溶接によって突き合わせ溶接した後、本発明の熱処理方法を適用した。レーザ溶接の光源としてＹＡＧレーザを用い、溶接レーザビームの加工点出力は３．５ｋＷ、溶接速度は６ｍ／ｍｉｎの一定とした。シールドにはセンターシールドトーチおよびガスとして窒素を採用し、また溶接レーザビームの焦点位置は鋼板の上表面とした。
【００４１】
【表１】
【００４２】
熱処理した継手の成形性をエリクセン試験による成形高さで比較し、溶接金属破断しほぼ母材並みの成形性を示した場合を「ＯＫ」（良好）、ＨＡＺ破断し母材に比較し成形性が９０％以下に低下した場合を「ＮＧ」（不良）としている。継手の成形性は、熱処理後の溶接金属硬さの低下代、即ち溶接金属の延性改善に強く依存するので、成形性の目安として溶接金属硬さ評価が有効である。なお、硬さ測定は溶接金属中央を板厚方向に十分小さい測定ピッチで行った。
【００４３】
表１のＮｏ．１〜８が本発明例、Ｎｏ．９〜１２が比較例である。溶接後の熱処理方法に用いる加熱手段として、表１に示すように上述の各種熱処理方法を用いた。比較例Ｎｏ．９は熱処理を行わなかった。
【００４４】
表１中の条件の欄に、溶接部の加熱最高温度、加熱時間を記載している。
【００４５】
本発明例Ｎｏ．１〜５、比較例Ｎｏ．１０〜１２は、加熱手段として図３に示すようなレーザビームを用いている。レーザの種類は表１に示すとおりであり、Ｎｏ．１、２、１０、１１はＹＡＧレーザ、Ｎｏ．３は炭酸ガスレーザ、Ｎｏ．４は半導体レーザを用いている。表１に記載したパワー密度とは、鋼板上表面におけるレーザビームのエネルギ密度（＝レーザ出力／ビームの断面積πｒ2、ｒ：ビーム中心からビーム強度が１／ｅ２となる点までの距離(半径)である。進行速度は熱源が移動する速度を示し、４．５あるいは６ｍ／ｍｉｎとした。
【００４６】
本発明例Ｎｏ．１については、さらに本発明の冷却手段を有している。図１０に示すように、レーザ溶接のための固定手段１１のクランプ１１ａおよび溶接定盤１１ｂについて、鋼板２と接する部分を水冷銅合金製の冷却板とし、溶接ビームの両側を強制冷却した。これにより、溶接レーザビーム通過時および加熱手段のレーザビーム通過時のいずれも、溶接部の両側の熱影響部について過加熱を防止することができる。
【００４７】
本発明例Ｎｏ．５、比較例Ｎｏ．１２については、図５（ａ）に示すように、１本のレーザビーム３をプリズム９を用いて先行ビーム６と追従ビーム７とに分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を熱処理用のレーザビームとした。鋼板上表面におけるビーム間距離ｘについては、本発明例Ｎｏ．５は１５０ｍｍ、比較例Ｎｏ．１２は２０ｍｍとした。進行速度を６ｍ／ｍｉｎとした。パワー密度等については表１に記載の通りである。
【００４８】
本発明例Ｎｏ．６では、図７に示すように熱源としてアークプラズマを用いた。電流、電圧、進行速度、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００４９】
本発明例Ｎｏ．７では、図８に示すようにシーム溶接機による通電加熱を行った。電流、進行速度、加圧力、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００５０】
本発明例Ｎｏ．８では、図９に示すように高周波誘導加熱を行った。容量、周波数、進行速度、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００５１】
本発明例Ｎｏ．１〜８については、加熱条件がいずれも本発明範囲内にあり、その結果として溶接金属硬さを溶接ままに比較して大きく低減することができ、いずれも成形性評価が「ＯＫ」であり、良好な溶接部を確保することができた。
【００５２】
特に本発明例Ｎｏ．１については、本発明の冷却手段を用いて溶接熱影響部の温度上昇防止と急冷却を行った結果として、他の実施例と比較し、ＨＡＺ軟化代を大きく低減することができた。
【００５３】
比較例Ｎｏ．９は本発明の熱処理を実施していないので、成形性は不良であった。比較例Ｎｏ．１０、１１は加熱手段としてＹＡＧレーザを用い、パワー密度が本発明範囲から外れている場合である。パワー密度が本発明範囲より低いＮｏ．１０については硬さ低下の効果が得られず、逆に高いＮｏ．１１では溶接金属の大部分で焼きが入ってしまい、成形性評価はいずれも不良であった。比較例Ｎｏ．１２については、２つのビーム間距離ｘが２０ｍｍと短く、溶接レーザビームが通過してから加熱を開始するまでの時間が１秒未満となったため、溶接金属硬さは熱処理無しの場合と同等で低下せず、成形性評価は不良であった。なお、この条件はビーム間の距離が短すぎて溶接の温度履歴と加熱処理の温度履歴を分離できず、熱処理条件は不明なため記載していない。
【００５４】
【発明の効果】
Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、本発明の加熱手段を用いた溶接部の熱処理方法を適用することにより、溶接金属硬さを有効に低下することができ、その結果として良好な継手の成形性を得ることができる。
【００５５】
本発明はまた、鋼板の溶接ビード付近を冷却する冷却手段を付加することにより、ＨＡＺ軟化代を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接部の熱処理方法における加熱温度範囲を示す図である。
【図２】本発明の加熱手段の熱処理温度と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図３】本発明のレーザビームを用いた加熱手段を有する熱処理方法を示す図である。
【図４】加熱手段のレーザパワー密度と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図５】レーザビームを分割して溶接レーザビームと加熱レーザビームとする本発明を示す図であり、（ａ）はプリズムで分割したレーザビームが交差する場合を示し、（ｂ）は反射ミラーで分割したレーザビームが交差しない場合を示す図である。
【図６】レーザビームを分割する本発明の熱処理方法において、２つのビーム間距離と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図７】加熱手段としてアークプラズマによる加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図８】加熱手段としてシーム溶接による通電加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図９】加熱手段として高周波誘導加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図１０】溶接ビード付近を冷却する冷却手段を有する本発明の熱処理方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶接金属
２ 鋼板
３ レーザビーム
４ ビーム焦点
５ 集光レンズ
６ 先行ビーム（溶接レーザビーム）
７ 追従ビーム（加熱手段のレーザビーム）
８ リコリメートレンズ
９ プリズム
１０ 反射ミラー
１１ 固定装置
１１ａ クランプ
１１ｂ 溶接定盤
１１ｃ クランプ圧発生用シリンダー
１２ 溶接トーチ
１３ アーク
１４ シーム電極
１５ 誘導加熱用コイル
１６ 溶接方向
ｘ ビーム間距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の衝突安全性向上、また低燃費化を目的とした軽量化を両立するため、自動車の車体に高張力鋼板の適用が進んでいる。
【０００３】
一方、自動車用の薄鋼板等の溶接手段として、レーザ溶接の適用も拡大している。レーザ溶接は、高エネルギー密度で微細な径を有するビームを被溶接材に照射して溶接を行うことができ、大気中で溶接が可能であるという特徴を有する。
【０００４】
鋼板の重ね溶接や突合わせ溶接をレーザを用いて行う場合、低入熱で溶接部の冷却速度が高いため、溶接後の溶接金属硬さが高くなる現象が生じる。溶接部の硬さは下記（１）式で定義されるＣｅｑが増加するほど高くなり、同時に溶接部の伸びが低下するので、突合せ継手のように、溶接後にプレスなどの成形を受ける場合には、母材と比較し成形性の劣化代が大きくなる。特に、Ｃｅｑが０．３５を超える成分を有する高張力鋼板においてはその傾向が顕著に現れる。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６ （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは各元素の含有量（質量％）である。
【０００５】
特許文献１に記載の発明においては、溶化材を用い、熱源としてレーザを用いて溶接するに際し、溶化材として低Ｃ含有量、低Ｓｉ含有量および低Ｍｎ含有量の鋼ワイヤを用いるレーザ溶接方法が記載されている。これにより、溶接金属の硬さを母材やＨＡＺのそれに近くすることができるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−２２１２８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ溶接を用いた重ね溶接や突合わせ溶接においては、溶化材の供給量は少ない。そのため、特許文献１に記載の溶化材を用いたとしても、溶接金属の成分を大きく変えることは困難である。特に、近年開発が進んでいる引張強さＴＳが８００ＭＰａを超えるような鋼板、別の表現でＣｅｑが０．３５を超える成分を有するような高張力鋼板に対しては、鋼材中の合金成分が多く効果的な方法ではない。その上、レーザ溶接では溶化材を用いないのが一般的で、そもそもこの手法を利用できない場合が多いと考えられる。
【０００８】
本発明は、Ｃｅｑが０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接金属の硬さを低減し成形性の良好な溶接部を形成することのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）下記（１）式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接金属を含む部分を局所加熱する加熱手段を用いることを特徴とする高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６ （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは各元素の含有量（質量％）である。
（２）前記加熱手段として、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いることを特徴とする上記（１）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（３）単体の発振器から発せられるレーザビームを、伝送系あるいは集光光学系により先行ビームと追従ビームに分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を加熱手段のレーザビームとすることを特徴とする上記（２）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（４）前記加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いることを特徴とする上記（１）に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
（５）前記高張力鋼板は下記（２）式のＨＴ値が０．００７を超え、鋼板の溶接ビード付近を冷却する冷却手段を有することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （２）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
鋼板のレーザ溶接において、溶接部は溶接レーザビームが通過した後に急冷・焼き入れされるため、溶接後の溶接金属の硬度が高く、その部分の伸びが劣化する。特に、Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板において溶接部の伸びの劣化が大きい。
【００１１】
本発明は加熱手段を有し、加熱手段は溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接ビードを含む部分を局所加熱することを特徴とする（図１）。これにより、硬度が高くなった溶接金属が焼き戻され、溶接部の伸びを改善することができる。
【００１２】
溶接金属を含む部分を局所加熱するので、鋼板の溶接部以外の部分は焼き戻し処理を受けることがなく、鋼板の材質を保持することができる。また、局所加熱であるため、鋼板全体を収容して焼き戻し加熱を行う大きな熱処理炉を必要としない。ここで、溶接金属を含む部分の局所加熱とは、加熱部分が少なくとも溶接金属の一部を含み、加熱部分はできるかぎり溶接金属付近に局限する意味である。
【００１３】
本発明の熱処理は溶接部の局所加熱を特徴としており、温度履歴は溶接金属の位置によって異なる。つまり焼き戻しによる軟化程度も位置に依存することとなる。そこで予備実験として、板厚方向に渡り何点か溶接部融合線近くまで開けた微小な穴に熱電対を挿入し熱処理中の温度変化を測定したが、溶接金属が軟化する程度および幅は板厚中心の融合線近くの温度履歴と良い相関を示した。つまり、この部分の最高到達温度が４００℃以上Ａｃ１点以下の範囲でＡｃ１点に近いほど、かつ、この温度範囲の滞留時間が長いほど溶接金属硬さの軟化する程度および幅が増加した。従って、板厚中心の融合線近くの最高到達温度および４００℃以上Ａｃ１点以下に滞留する時間を持って、溶接部が受ける代表的な加熱最高温度と加熱時間とした。
【００１４】
本発明において、加熱手段は溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に溶接部を加熱する。１秒経過する前に加熱を開始すると、その後の冷却速度に依存して溶接部の硬さが変わってしまう。本発明のように高張力鋼板では、１秒以上経過すると溶接部に硬いマルテンサイトが出現し、マルテンサイトが出現した後に加熱を開始して焼き戻しを行うことにより、焼き戻し後の冷却速度によらず、確実に硬いマルテンサイト相が焼き戻されて軟化を実現することができる。
【００１５】
本発明の加熱手段は、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で加熱を行う。図２は、熱処理における最高温度と平均溶接金属硬さの関係を示したものである。加熱時間は０．６秒、加熱終了後の冷却は空冷とした。図２から明らかなように、４００℃以上の最高温度であれば、１０分以内に焼き戻しを完了して平均溶接金属硬さを十分低い値とすることができる。
【００１６】
このとき焼き戻し温度が高いほど焼き戻しに要する時間を短くすることができ、かつ軟化程度も大きくできるので、温度はＡｃ１点に近いほど好ましい。この現象は、一般に知られたテンパパラメータ（＝Ｔ（２０＋ｌｏｇ ｔ）、Ｔ：保持温度（Ｋ）、ｔ：保持時間（ｈｒｓ））を用いても表現される。しかし、温度がＡｃ１点直下であっても焼き戻しを十分に進行させるには、ある程度の時間を要し、本発明においては検討の結果、時間の下限を０．１秒とした。一方、時間の上限を１０分としたのは、これより長時間の加熱処理は実生産のコスト増を招くだけでなく、さらに局部に投入した熱が鋼板を伝導することで溶接部周囲、即ち母材まで温度が上昇して焼き戻され、軟化領域が拡大してしまうからである。なお、この軟化現象は一般に熱影響部（ＨＡＺ）の軟化と呼ばれる。
【００１７】
Ａｃ１点を超える温度に加熱した場合、加熱後の冷却が急冷であると図２に示すように溶接金属の硬さ低下が不十分となる。一方、加熱温度がＡｃ１点を超える温度であっても、その後ゆっくり冷やしてやれば溶接金属の硬さを低下させることはできる。しかし、このような加熱を行うと、溶接金属付近のＨＡＺ軟化領域の拡大が起こり、その結果、溶接金属硬さを低下させても成形性の低下をもたらす場合がある。温度をＡｃ１点以下の温度に限定すれば、溶接金属付近のＨＡＺ軟化領域は拡大せず、さらに加熱後の冷却速度を限定する必要もなくなるので好ましい。ちなみに、Ａｃ１点は加熱速度が余り高いと高温側にシフトするが、本発明ではそのような急速加熱は想定しておらず、影響は無いものと考える。
【００１８】
本発明において、（１）式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接に限定した理由は、Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板において特に溶接金属の硬化と成形性の低下が顕著だからである。
【００１９】
本発明の加熱手段として、図３に示すように、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビーム３を用いることとすると好ましい。加熱手段にレーザビーム３を用い、鋼板２の溶接金属１を含む部分を移動しつつレーザビームを照射することにより、容易に溶接ビードを含む部分のみを局所加熱することができる。図４に加熱レーザビームのパワー密度と平均溶接金属硬さの関係を示す。パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下であれば、平均溶接金属硬さを低下させることができる。パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2より低いと、レーザビームの移動速度を著しく低下させなければビードの軟化を実現できず、実生産では不利である。一方、パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ2より高い場合、溶接金属を再溶融させず軟化させるためにはビームの移動速度を極端に高める必要があるが、そうすると焼き戻される温度に到達する領域が狭く、つまり溶接金属の軟化領域が非常に狭いものとなる。ところが、上記の適正なパワー密度範囲では、広い移動速度範囲で溶接金属の軟化を達成できるので好ましい。
【００２０】
加熱手段に用いるレーザビーム３の鋼板２上のビーム出力やビーム径（ビーム中心からビーム強度が１／ｅ２となる点までの距離(半径)）、ビームの移動速度（鋼板に対する相対速度）とから、局所加熱部の温度履歴、即ち時間と温度の関係が定まる。加熱レーザビーム３の移動速度が溶接レーザビームの移動速度と等しい場合には、ビーム径を調整することによって加熱条件を調整することとなる。
【００２１】
加熱手段に用いるレーザビームとしては、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。
【００２２】
加熱手段にレーザビームを用いる本発明においては、図５に示すように、単体の発振器から発せられるレーザビーム３を、集光光学系あるいは伝送系により先行ビーム６と追従ビーム７に分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を加熱手段のレーザビームとすると、１台のレーザ発振器を用いて溶接と加熱処理を同時に行うことができ、コストの点で極めて有利である。また光ファイバを複数用い、溶接用および加熱用ビームとに分けて伝送しそれぞれ集光しても、１台のレーザ発振器で溶接と加熱を行えることとなる。
【００２３】
レーザビーム３を２つのビームに簡便に分割する方法として、プリズム９の光学系への配置が挙げられる。図５（ａ）に示す例においては、進行方向前方に配置したプリズム９を通過したビームが追従ビーム７を形成し、プリズムを通らずに直進したビームが先行ビーム６を形成する。この例においては先行ビーム６と追従ビーム７が交差している。同じように先行ビーム６と追従ビーム７が交差する方法において、進行方向後方にプリズムを配置し、プリズムを通過したビームが先行ビームを形成し、プリズムを通らずに直進したビームが追従ビームを形成しても良い。また、進行方向前後にプリズムを２枚配置し、先行ビームと追従ビームのどちらもプリズムを通過するようにしても良い。また、先行ビーム６と追従ビーム７が交差しないように分割しても良い。
【００２４】
ところで、この手法においては、溶接ビームが通過後１秒以上経過してから追従ビームを照射する必要があること、ビームの移動速度が速いほど２つのビーム間の距離を長くする必要がある。しかし、プリズムのビーム分割ではビーム間の距離に最大限度があり、プリズムで対応できない場合は、図５（ｂ）に示すように、反射ミラー１０を使ってビーム分割・伝送する方法が有効である。
【００２５】
溶接レーザビームとなる先行ビーム６と加熱手段となる追従ビーム７それぞれへのエネルギーの配分は、プリズム９を通過する光量とプリズムを通過しない光量の比率によって定めることができる。また、鋼板に照射するレーザビーム径は、それぞれのビーム焦点４の位置と鋼板２の位置をどの程度外すかによって定めることができる。このようにして各ビームのエネルギーと鋼板に照射するレーザビーム径（スポット径）が定まれば、これらからパワー密度（ＭＷ／ｃｍ2）を算出することができる。
【００２６】
プリズム９のみを用いてビームを分割した場合、分割後の各ビーム焦点４の位置は分割前と基本的には変わらない。分割した各ビームスポットの焦点位置でのスポット直径は、元ビームスポットのスポット直径とほぼ等しい直径となる。鋼板の位置をビーム焦点４の位置からずらせば、鋼板位置におけるビームスポット直径を焦点位置でのスポット直径よりも大きくすることができる。
【００２７】
他方、光学系に先行ビーム６と追従ビーム７のいずれかのみが通過する部分焦点外しレンズを挿入すれば、先行ビーム６と追従ビーム７のビーム焦点４の位置を変えることもできる。先行ビーム側のみに部分凹レンズまたは部分凸レンズを挿入する方法、追従ビーム側のみに部分凹レンズまたは部分凸レンズを挿入する方法を採用することによって、それぞれ焦点位置を所定の方向に外すことができ、これによって鋼板位置における先行ビームと追従ビームのビームスポットを異なったスポット径とすることができる。
【００２８】
溶接レーザビーム（先行ビーム６）が通過して１秒以上経過した後に加熱手段のレーザビーム（追従ビーム７）が通過する必要があるので、先行ビームと追従ビームとの間隔ｘはビーム移動速度に１秒をかけた距離よりも離れている必要がある。図６には、溶接速度、即ち加熱手段の移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとした場合において、先行ビームと追従ビームのビーム間距離を横軸に取り、平均溶接金属硬さを縦軸にとって示した。図６から明らかなように、ビーム間距離が５０ｍｍ以上、即ち先行ビームが通過後追従ビームが到達するまでの時間が１秒以上の場合において、溶接金属硬さを低下することができた。
【００２９】
本発明の加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いることとしても良い。
【００３０】
加熱手段としてアークプラズマを用いる場合、図７に示すように、鋼板２と溶接トーチ１２の間に電圧を付加し、これによって鋼板２の溶接金属１部分にアーク１３を発生させて加熱を行う。溶接部の熱処理条件はアークの移動速度（鋼板との相対速度）やアークの注入エネルギー等によって調整する。
【００３１】
加熱手段としてシーム溶接による通電加熱を用いる場合、図８に示すように、鋼板２の溶接金属１の両側にシーム電極１４を接触させ、シーム電極を通して鋼板の溶接金属部分を通電加熱する。溶接部の熱処理条件は鋼板の送り速度や電流値によって調整する。
【００３２】
加熱手段として高周波による誘導加熱を用いる場合、図９に示すように、鋼板２の溶接金属１付近に誘導加熱用コイル１５を配置し、高周波電源から誘導加熱用コイル１５に高周波電流を流すことによって鋼板の溶接金属を加熱する。溶接部の熱処理条件は誘導加熱用コイル１５の大きさ、高周波電流、コイル長さが溶接ビード長より短く加熱時にコイルを移動させる必要がある場合は移動速度によっても調整する。
【００３３】
さて最近、自動車を始めとする産業で高張力鋼の使用が進む中、下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える鋼板が増加してきた。ＨＴは、溶接熱影響部の軟化の程度を示す指標として実験的に決めたもので、０．００７を超えると溶接入熱によって熱影響部の硬さが母材硬さより低下する現象、つまりＨＡＺ軟化が生じる。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さであり、鋼板を水焼入れなどの手段によってフルマルテンサイト組織とした上で、焼入れままでビッカース硬度を測定することにより評価することができる。また、Ｈｖ（Ｍ）はＣ濃度との相関が高く、
Ｈｖ（Ｍ）＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ2）＋２９４
としてＣ濃度（質量％）から計算で求めることもできる。Ｈｖ（ＢＭ）は母材のビッカース硬さでああり、母材の引張強さＴＳ（ｋｇｆ／ｍｍ2）から
Ｈｖ（ＢＭ）＝３ＴＳ
として求めることも可能である。
【００３４】
鋼材を高張力化する方法として、結晶粒微細化、析出や固溶強化、硬質の組織を軟質の組織に分散させた複合組織化、あるいは転位強化が知られている。高張力に加え高成形性も得るには、この中の複合組織化が有効である。このため、近年の高強度・高延性の鋼板の研究開発の中で、フェライトにマルテンサイトを分散させた２相鋼に代表される鋼板が開発されてきた。こうした鋼板では結果的に上記ＨＴ値が高くなるとともに、硬質層の焼き戻しに起因したＨＡＺ軟化が著しくなるという問題があった。
【００３５】
上記ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板を溶接接合した材料は、ＨＡＺ軟化を抑えることができず、軟化が著しいときは成形加工時に軟化部に歪が集中して破断に至り、母材に比較し成形性が劣化したり、部材に大きな力がかかったときに溶接接合部で座屈が生じる問題があった。
【００３６】
ＨＴが０．００７を超える鋼板の溶接において、ＨＡＺ軟化を防止するためには、溶接レーザビーム通過時および本発明の加熱手段による溶接部の熱処理時において、溶接部近傍の温度上昇範囲を極力低減するとともに、温度上昇部をできるだけ速い冷却速度で冷却することが有効である。
【００３７】
本発明は、図１０に示すように、鋼板２の昇温部分である溶接金属付近を冷却するための冷却手段を設けることを特徴とする。鋼板の溶接部付近は、溶接レーザビーム通過時に昇温し、さらに本発明の熱処理を施すときに昇温する。鋼板の昇温部分のうち、溶接レーザビーム照射点付近が最も高温の部分であり、ＨＡＺ軟化を抑制するには冷却手段によってこの部分を有効に冷却することが重要である。
【００３８】
鋼板の昇温部分を冷却するための冷却手段としては、強制冷却した良熱伝導性金属からなる冷却板を鋼板２の片面又は両面に密着する手段を採用することができる。良熱伝導性金属としては、熱伝導度が鉄の熱伝導度の３倍以上のものを用いると良い。銅は熱伝導度が０．９２３ｃａｌ・ｃｍ-1ｓ-1ｄｅｇ-1であり、冷却板を構成する材料として最も好ましい。冷却板は、内部に冷却媒体を流通させる冷却媒体通路を形成することによって強制冷却し、低温に保持することができる。冷却板は鋼板２に密着することにより、鋼板２の温度を低下させる。密着の手段としては、鋼板２を表裏両面から圧力をかけて押さえ、鋼板に接する部分の片面又は両面を上記冷却板とすることによって行うことができる。通常は、図１０に示すように、溶接を行う鋼板を固定するための固定装置１１のクランプ１１ａまたは溶接定盤１１ｂの一方または両方において、鋼板２と接する部分を上記冷却板とすることによって行うことができる。
【００３９】
冷却板を強制冷却させる手段としては、冷却板中に冷却媒体通路を形成し、該通路に冷却媒体を流通させることによって行うことができる。具体的には、水を流通させる方法、液体窒素の気化ガスや液体窒素そのものを流通させる方法を採用することができる。液体窒素そのものを流す場合には、冷却板を含む固定装置全体を乾燥空気中に置くなど、結露しないように工夫すると良い。
【００４０】
【実施例】
表１に示す強度、Ｃｅｑ値、ＨＴ値、板厚、Ａｃ１点温度を有する鋼板をレーザ溶接によって突き合わせ溶接した後、本発明の熱処理方法を適用した。レーザ溶接の光源としてＹＡＧレーザを用い、溶接レーザビームの加工点出力は３．５ｋＷ、溶接速度は６ｍ／ｍｉｎの一定とした。シールドにはセンターシールドトーチおよびガスとして窒素を採用し、また溶接レーザビームの焦点位置は鋼板の上表面とした。
【００４１】
【表１】
熱処理した継手の成形性をエリクセン試験による成形高さで比較し、溶接金属破断しほぼ母材並みの成形性を示した場合を「ＯＫ」（良好）、ＨＡＺ破断し母材に比較し成形性が９０％以下に低下した場合を「ＮＧ」（不良）としている。継手の成形性は、熱処理後の溶接金属硬さの低下代、即ち溶接金属の延性改善に強く依存するので、成形性の目安として溶接金属硬さ評価が有効である。なお、硬さ測定は溶接金属中央を板厚方向に十分小さい測定ピッチで行った。
【００４３】
表１のＮｏ．１〜８が本発明例、Ｎｏ．９〜１２が比較例である。溶接後の熱処理方法に用いる加熱手段として、表１に示すように上述の各種熱処理方法を用いた。比較例Ｎｏ．９は熱処理を行わなかった。
【００４４】
表１中の条件の欄に、溶接部の加熱最高温度、加熱時間を記載している。
【００４５】
本発明例Ｎｏ．１〜５、比較例Ｎｏ．１０〜１２は、加熱手段として図３に示すようなレーザビームを用いている。レーザの種類は表１に示すとおりであり、Ｎｏ．１、２、１０、１１はＹＡＧレーザ、Ｎｏ．３は炭酸ガスレーザ、Ｎｏ．４は半導体レーザを用いている。表１に記載したパワー密度とは、鋼板上表面におけるレーザビームのエネルギ密度（＝レーザ出力／ビームの断面積πｒ2、ｒ：ビーム中心からビーム強度が１／ｅ２となる点までの距離(半径)である。進行速度は熱源が移動する速度を示し、４．５あるいは６ｍ／ｍｉｎとした。
【００４６】
本発明例Ｎｏ．１については、さらに本発明の冷却手段を有している。図１０に示すように、レーザ溶接のための固定手段１１のクランプ１１ａおよび溶接定盤１１ｂについて、鋼板２と接する部分を水冷銅合金製の冷却板とし、溶接ビームの両側を強制冷却した。これにより、溶接レーザビーム通過時および加熱手段のレーザビーム通過時のいずれも、溶接部の両側の熱影響部について過加熱を防止することができる。
【００４７】
本発明例Ｎｏ．５、比較例Ｎｏ．１２については、図５（ａ）に示すように、１本のレーザビーム３をプリズム９を用いて先行ビーム６と追従ビーム７とに分割し、先行ビーム６を溶接レーザビームとし、追従ビーム７を熱処理用のレーザビームとした。鋼板上表面におけるビーム間距離ｘについては、本発明例Ｎｏ．５は１５０ｍｍ、比較例Ｎｏ．１２は２０ｍｍとした。進行速度を６ｍ／ｍｉｎとした。パワー密度等については表１に記載の通りである。
【００４８】
本発明例Ｎｏ．６では、図７に示すように熱源としてアークプラズマを用いた。電流、電圧、進行速度、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００４９】
本発明例Ｎｏ．７では、図８に示すようにシーム溶接機による通電加熱を行った。電流、進行速度、加圧力、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００５０】
本発明例Ｎｏ．８では、図９に示すように高周波誘導加熱を行った。容量、周波数、進行速度、熱処理条件は表１に示すとおりである。
【００５１】
本発明例Ｎｏ．１〜８については、加熱条件がいずれも本発明範囲内にあり、その結果として溶接金属硬さを溶接ままに比較して大きく低減することができ、いずれも成形性評価が「ＯＫ」であり、良好な溶接部を確保することができた。
【００５２】
特に本発明例Ｎｏ．１については、本発明の冷却手段を用いて溶接熱影響部の温度上昇防止と急冷却を行った結果として、他の実施例と比較し、ＨＡＺ軟化代を大きく低減することができた。
【００５３】
比較例Ｎｏ．９は本発明の熱処理を実施していないので、成形性は不良であった。比較例Ｎｏ．１０、１１は加熱手段としてＹＡＧレーザを用い、パワー密度が本発明範囲から外れている場合である。パワー密度が本発明範囲より低いＮｏ．１０については硬さ低下の効果が得られず、逆に高いＮｏ．１１では溶接金属の大部分で焼きが入ってしまい、成形性評価はいずれも不良であった。比較例Ｎｏ．１２については、２つのビーム間距離ｘが２０ｍｍと短く、溶接レーザビームが通過してから加熱を開始するまでの時間が１秒未満となったため、溶接金属硬さは熱処理無しの場合と同等で低下せず、成形性評価は不良であった。なお、この条件はビーム間の距離が短すぎて溶接の温度履歴と加熱処理の温度履歴を分離できず、熱処理条件は不明なため記載していない。
【００５４】
【発明の効果】
Ｃｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、本発明の加熱手段を用いた溶接部の熱処理方法を適用することにより、溶接金属硬さを有効に低下することができ、その結果として良好な継手の成形性を得ることができる。
【００５５】
本発明はまた、鋼板の溶接ビード付近を冷却する冷却手段を付加することにより、ＨＡＺ軟化代を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接部の熱処理方法における加熱温度範囲を示す図である。
【図２】本発明の加熱手段の熱処理温度と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図３】本発明のレーザビームを用いた加熱手段を有する熱処理方法を示す図である。
【図４】加熱手段のレーザパワー密度と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図５】レーザビームを分割して溶接レーザビームと加熱レーザビームとする本発明を示す図であり、（ａ）はプリズムで分割したレーザビームが交差する場合を示し、（ｂ）は反射ミラーで分割したレーザビームが交差しない場合を示す図である。
【図６】レーザビームを分割する本発明の熱処理方法において、２つのビーム間距離と溶接金属硬さの関係を示す図である。
【図７】加熱手段としてアークプラズマによる加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図８】加熱手段としてシーム溶接による通電加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図９】加熱手段として高周波誘導加熱を用いた本発明の熱処理方法を示す図である。
【図１０】溶接ビード付近を冷却する冷却手段を有する本発明の熱処理方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶接金属
２ 鋼板
３ レーザビーム
４ ビーム焦点
５ 集光レンズ
６ 先行ビーム（溶接レーザビーム）
７ 追従ビーム（加熱手段のレーザビーム）
８ リコリメートレンズ
９ プリズム
１０ 反射ミラー
１１ 固定装置
１１ａ クランプ
１１ｂ 溶接定盤
１１ｃ クランプ圧発生用シリンダー
１２ 溶接トーチ
１３ アーク
１４ シーム電極
１５ 誘導加熱用コイル
１６ 溶接方向
ｘ ビーム間距離
Claims (5)
- 下記（１）式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板のレーザ溶接において、溶接レーザビームが通過して１秒以上経過した後に、Ａｃ１点直下かつ４００℃以上の温度に０．１秒以上１０分以内の時間で溶接金属を含む部分を局所加熱する加熱手段を用いることを特徴とする高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６ （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは各元素の含有量（質量％）である。 - 前記加熱手段として、パワー密度が０．００５ＭＷ／ｃｍ2以上０．５ＭＷ／ｃｍ2以下のレーザビームを用いることを特徴とする請求項１に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
- 単体の発振器から発せられるレーザビームを、伝送系あるいは集光光学系により先行ビームと追従ビームに分割し、先行ビームを溶接レーザビームとし、追従ビームを加熱手段のレーザビームとすることを特徴とする請求項２に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
- 前記加熱手段として、アークプラズマによる加熱、シーム溶接による通電加熱、高周波による誘導加熱のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
- 前記高張力鋼板は下記（２）式のＨＴ値が０．００７を超え、鋼板の溶接ビード付近を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高張力鋼板レーザ溶接部の熱処理方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （２）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
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