JP2007229740A - 重ねレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重ねレーザ溶接における凝固割れを防止すること。
【解決手段】複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に重ね合わせ方向から、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するようにレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成し、重ね合わせた板材を相互に溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の板材のうち少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなるとともに、前記溶接部が、Ｃ＜０．０５％、Ｐ＋Ｓ＜０．０３％、あるいは０．０８質量％＜Ｃ＜０．７質量％、Ｐ＋Ｓ＜０．０５質量％である溶接金属を有するようにする。
【選択図】図７

Description

この発明は、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接する重ねレーザ溶接方法に関する。

自動車の車体パネルとして、高張力鋼よりなる薄板材から形成され、フランジ部２および折り曲げ部３を有する断面が図１ａに示すようにハット形状の構造部材１を、互いに対向させてそのフランジ部２を重ね合わせ、その重ね合わせ部をスポット溶接などで接合したフレーム部材や、図１ｂ、ｃに示すように前記フランジ部２と板材４あるいはフランジ部間に板材４を介在させてそれらを重ね合わせ、それらを同様に接合したフレーム部材、さらには、図１ｄに示すように複数枚の構造部材１を同一方向に重ね合わせたフレーム部材が使用されている。
上記重ね合わせ部の接合に、レーザ溶接を採用した場合には、連続溶接により接合強度が高く、ビード幅が狭いために、従来用いられていたスポット溶接やアーク溶接に比べて接合部の設計自由度が大きく、フランジ部の幅を狭くし、構造部材を小型化、軽量化することが可能となるなどの利点がある。

従来、板材の重ね溶接継ぎ手のレーザ溶接では、重ね合せ部の板材間の間隔にばらつきがあると溶接品質が低下することから、板材間の間隔の適正化に主眼がおかれていた。
例えば、レーザ照射側から重ね合せ部にローラを押し付け、ローラをレーザ光とともに移動させ、一方の板材を他方の板材に押し付けて両者の間隔を調整しながら溶接を行うことや、互いに重ね合わせた板材のフランジ部相互を、１対のローラで両側から挟みこみ同様に溶接することが、特許文献１に示されている。

しかしながら、高張力鋼よりなる構造部材において、フランジ部の幅を短くして部材を軽量化し、重ね合わせ部端部近傍を、下側の板材裏面まで溶融するように溶接してより接合強度を高めようとすると、本発明者らの研究では、さらに、溶接凝固割れが問題になることがわかった。

すなわち、図２ａに示すように、断面がハット形状の構造部材の両側フランジ部を相互に重ね合わせたフレーム部材のフランジ部に、重ね合せ方向、すなわちフランジに交差する方向からレーザ光を照射して、下側の板材裏面まで溶融するように溶接するとともに、フランジの長手方向端部から溶接を開始する場合には、図２ｂに示すように、溶接始端部側が外側に広がるように変形し、割れが発生する。
また、図３のように、溶接開始点５をフランジの長手方向端部としないで、該端部から所定距離隔てた点を溶接開始点とした場合でも、溶接後に溶接部６の中央部分が膨出し、割れ７が発生する場合がある。なお、図において、８はレーザ溶接ヘッドである。

これは、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するようにレーザ光を照射して溶接する場合、レーザ光の照射により形成された溶融部が凝固するまで、溶融部より端部側のフランジ部位は、フランジ本体から切り離された状態になる。このとき、該部位の幅が小さいと、溶接部からの熱伝導により熱膨張して該部位が変形し、凝固途中の溶接ビードを引っ張り、凝固時に割れが発生するためと考えられる。

従来、レーザ溶接における溶接部の割れや変形を防止する技術として、特許文献２や特許文献３が知られている。
特許文献２には、高炭素鋼よりなる部材とステンレス鋼などよりなる部材の重ね継ぎ手をレーザ溶接する際、溶融凝固時に発生する収縮応力などにより収縮割れが発生すること、および、その割れを、継ぎ手部の位置を工夫して引張応力が溶融部に多くかからないようにして防止することが記載されている。

また、特許文献３には、一方の板材に対し、幅の狭いもう一方の板材を突き合わせて、突合せ部をレーザ溶接する場合、幅の狭い方の板材が熱による変形を受けて突き合せ部の間隔が広がるため、あらかじめ両方の板材の突合せ部を仮付けして、板材の変形を防止することが記載されている。
しかし、これらの文献では、上記のような凝固割れや、それに対する解決手段については何ら触れられていない。

以上のように、高張力鋼よりなる薄板材のレーザ溶接において、部材の軽量化のためにフランジ部の幅を短くし、さらに、重ね合わせ部端部近傍を、下側の板材裏面まで溶融するように溶接してより接合強度を高めるように溶接する場合、溶接凝固割れが生じることは従来知られていなかった。
特開平８−９０２６４号公報 特開平１１−２４５０６５号公報 特開昭５９−２１５２８８号公報 特開平０３−２８１０７８号公報

そこで、本発明は、上記のごとき状況に鑑み、少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなる複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて、重ね合わせた板材を互いに溶接する際、上記のような凝固割れのないレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
請求項１の重ねレーザ溶接方法の発明は、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成し、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の板材のうち少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなるとともに、前記溶接部の溶接金属が、質量％でＣ＜０．０５％、Ｐ＋Ｓ＜０．０３％になるように溶接部を形成することを特徴とする。なお、以下でも、元素の含有量の％は質量％とする。

請求項２の重ねレーザ溶接方法の発明は、複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成し、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の板材のうち少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなるとともに、前記溶接部の溶接金属が０．０８％＜Ｃ＜０．７％、Ｐ＋Ｓ＜０．０５％になるように溶接部を形成することを特徴とする。

請求項３の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記重ね合わせた板材の溶接方向端部より離れた位置で溶接を開始することを特徴とする。
請求項４の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記複数の板材のうちの一方の板材が他方の板材より突出するように重ね合わされており、前記重ね合わせられた板材の溶接方向端部より溶接を開始することを特徴とする。

請求項５の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記複数の板材のうちの少なくとも１枚の板材は、少なくとも片側に折り曲げ部およびそれに続くフランジ部を有する構造部材であり、板材の重ね合せ部が、前記構造部材のフランジと他の板材を重ね合わせたものであることを特徴とする。
請求項６の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記少なくとも１枚の板材が、両側に折り曲げ部およびフランジ部を有する断面がハット形状の構造部材であることを特徴とする。
請求項７の重ねレーザ溶接方法の発明は、該請求項に記載されているように、前記フランジ部の幅が８ｍｍ以内であることを特徴とする。

請求項１、２の発明によれば、少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなる構造部材の重ね合わせた下側の板材裏面まで充分に溶け込みを行っても、溶接部に凝固割れを発生させずに重ね合わせた板材を互いにレーザ溶接することができるので、重ね合せ部の幅が狭くても強度の高い溶接部を形成することができ、構造部材を小型化、軽量化することが可能となる。
請求項３、４の発明によれば、請求項１、２の発明のレーザ溶接方法を重ね継ぎ手の形状に応じた形態で実施することができる。

請求項５、６の発明によれば、請求項１、２の発明のレーザ溶接方法を自動車のパネル部品の製造に適用することができる。
請求項７の発明によれば、構造部材をさらに小型化、軽量化することが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態を、さらに図４〜８を用いて詳細に説明する。
高張力鋼よりなり、図４で示される断面形状がハット型の構造部材のような端部にフランジを有する板状部材を、同様のフランジや板材と重ね、両者の間をレーザ溶接してフレーム部材を製造する際、例えば８ｍｍ以内というようなよりフランジ幅（板材が重なっている幅）Ａの狭い構造部材を用いて、フレーム部材全体をより軽量化しようとすると、溶接部からフランジ端部までの距離Ｂは１．５ｍｍ以上の範囲のうちのより短い距離にならざるを得ず、このような条件では、図３に示されるように、フランジ長手方向端部から離れた位置で溶接を開始したとしても、前記したように、溶接部からの熱伝導により変形した部位が凝固途中の溶接ビードを引っ張り、凝固割れが発生する場合があった。

なお、構造部材を軽量化するには、フランジ幅を８ｍｍ以内とするのがより効果的であり、そのようなフランジ幅において、溶接ビードからフランジ端部までの距離を１．５ｍｍ以上とするのは、１．５ｍｍ未満では、フランジ端部側が、フランジ端まで溶融してそのまま溶け落ち易くなるためである。

そこで、本発明らは、凝固割れの発生原因を調べ、まず溶接金属成分と凝固割れとの関連について検討した。
図５は、薄板の重ねレーザ溶接における凝固過程の温度と溶接部周辺で発生する歪の関係を示す。図は、炭素量が０．０６％、珪素量が０．５％、マンガン量が１．５％よりなる板厚１．２ｍｍの引張強さ５９０ＭＰａの鋼を用い、レーザ加工点出力２ｋＷ、溶接速度２ｍ／ｍｉｎの条件で重ねレーザ溶接して得た試料を用いて得られたものである。
図５により、液相温度直下から溶接部には引張方向の力が働き、液相温度から温度が充分に低下すると、逆に溶接部には圧縮の力が働く。レーザ光照射位置後方の、凝固過程にある（２）の領域において、引っ張り方向の大きな歪が発生し、これが凝固割れにつながるものといえる。

そして、そのような歪の発生と凝固割れの関係は、図６に示されるような、一般的に知られている凝固温度脆性範囲（ＢＴＲ）と収縮変位（Ｐ）の関係から説明できる。
すなわち、溶接部の温度と凝固収縮にともなう部材の変位量との間には、図中斜線で示す凝固割れ感受性の高い脆化域（Ｄ）があり、温度の降下にともない凝固収縮変位（Ｐ）の値が大きくなり、それが脆化域を通過すると凝固割れが発生すると考えられている。また液相温度直下では、最低延性値（Ｄｍｉｎ）が小さく脆化域は広いが、液相率が高いので、たとえ柱状晶間に凝固割れが発生しても、液相により充填され凝固割れは発生しない。

一般的に、凝固割れに影響を与える因子の一つとして、液相−固相間の凝固温度幅があげられる。Ｆｅに対する２元系において、少量の添加でも凝固温度幅を広げる元素としては、Ｃ、Ｐ、Ｓが知られている（例えば、松田著「溶接冶金学」１９７２年日刊工業新聞社発行、第１５８頁参照）。
また、Ｃ、Ｐ、Ｓは平衡分配係数が小さく、溶質が溶融金属中に排出され柱状晶間に残留するため、見かけの固相温度より最終凝固位置の温度は図２中の太字破線のように低下し、ＢＴＲを広げやすく凝固割れを起こしやすい元素であると考えられる。
さらに、その成分範囲で凝固過程の粒界強度が低くなるような、成分的に特に割れに敏感な成分範囲があると考えられ、その成分範囲は、Ｃ量とＰ＋Ｓ量の範囲で決まると考えられる。

そこで、凝固割れの発生するＣ量とＰ＋Ｓ量の範囲について調べた。
実験は、種々のＣ量とＰ＋Ｓ量を有する引張強度が２７０ＭＰａから１４７０ＭＰａの範囲の鋼板を用い、それらを同一種同士または異種を組み合わせて、図４で示されるようにハット型の構造部材と板状部材とをフランジ幅Ａが８ｍｍとなるように重ね合わせた。
そして、溶接ビード中心と板材の端部までの距離Ｂ：３．０ｍｍ、フランジ部長手方向端部から溶接開始点までの距離Ｃ：５ｍｍ、レーザ加工点出力：３．５ｋＷ、溶接速度：２ｍ／ｍｉｎの条件でレーザ溶接を行った。
溶接後の割れの発生の有無を、溶接金属のＣ含有量とＰ＋Ｓ量で整理した結果を図７で示す。図７中の（１）、（３）が凝固割れの発生しない領域、（２）が凝固割れの発生する領域である。

この結果より、引張強度が２７０ＭＰａから１４７０ＭＰａの範囲の鋼板からなる複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射して、前記重ね合わせた板材の溶接方向端部より離れた位置から溶接を開始し、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成して、重ね合わせた板材を互いに溶接する場合、溶接部に、Ｃ＜０．０５％、Ｐ＋Ｓ＜０．０５％、あるいは、０．０８％＜Ｃである溶接金属を形成するようにすれば、凝固割れを起こさずにレーザ溶接できることがわかった。
特に、少なくとも１枚の板材が４４０ＭＰａ以上の高張力鋼板よりなる場合には、凝固割れが起こりやすく、その場合でも、上記のような溶接金属を形成すれば凝固割れを防止できることもわかった。

ただし、０．０８％＜Ｃの領域において、Ｃ含有量が０．７％以上では、特許文献４で示すようにマルテンサイト変態誘起割れが生じるから、Ｃ含有量の上限を０．７％未満とする必要があり、また、ＰとＳの合計含有量が多くなると図６で示す脆化域を大きく広げ凝固割れが発生しやすくなるから、Ｐ＋Ｓ＜０．０５％とする必要がある。

以上のように、レーザ溶接部の割れ感受性が、Ｃ量及びＰ、Ｓ量によって大きく異なる理由の詳細は必ずしも明らかではないが、本発明者らは次のような理由によるものと考えている。
図７の（１）で示す低Ｃかつ低Ｐ、Ｓ領域（Ｃ＜０．０５％、Ｐ＋Ｓ＜０．０３％）は液相温度が高く、図５の領域（１）で示すように引張の力が大きくなる前に凝固が完了する。この場合、引張の力が発生しているが、図６で示すＤｍｉｎの範囲内と考えられるため、凝固割れは発生しない。

また図７の（２）で示す低Ｃ域（Ｃ＜０．０５％）かつ高Ｐ、Ｓ域（Ｐ＋Ｓ＞０．０３％）、及び中Ｃ域（０．０５＜Ｃ＜０．０８％）の場合は、固相温度が比較的低く、引張の力が最大になる図５の（２）の領域で凝固は完了する。この場合の引張の力は、図６で示す脆化域を通過すると考えられるため、凝固割れが発生する。
一方、図７の（３）で示す高Ｃ域（０．０８％＜Ｃ）の場合は、固相温度が充分に低く、引張応力が働く図５の（２）の領域では液相が充分に存在するため、たとえ割れが生じても液相により充填されるため、凝固割れは発生しない。凝固が完了するのは、図５の（３）の領域であり、この領域では、引張の力は充分に小さく図６で示すＤｍｉｎの範囲内、または圧縮の力に転ずるため、凝固割れは発生しないと考えられる。

なお、上記のレーザ溶接に当たっては、重ね合わせた板材の溶接方向端部より離れた位置から溶接を開始する場合について検討したが、重ね合わせた板材の溶接方向端部より溶接を開始する場合は、図２のように端部が開かないように、端部をクランプ冶具で拘束する必要がある。このようにすれば、図３に示されるように途中で膨出することなく溶接できる。
また、図８に示されるように、一方の板材４が他方の板材１から突出するように重ね合わされており、重ね合せ部の端部が揃っていない場合には、一方の板材４が他方の板材１から突出する距離Ｄおよび端部から溶接部までの距離Ｂをある程度大きくすれば、重ね合わせた板材の溶接方向端部より溶接を開始しても、上記のように溶接金属を形成することにより凝固割れを発生することなく溶接することができる。その場合、確実に凝固割れを防止するためには、上記距離Ｄは５ｍｍ以上が好ましく、距離Ｂは、２ｍｍ以上が好ましい。

本発明では、レーザ発振器としては、例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ＤＩＳＫレーザなどを用いることができ、溶接条件としては、加工点出力が３．５ｋＷ、溶接速度が２．０ｍ／ｍｉｎが例示できる。
また、フランジ長手方向端部から距離Ｃを置いて溶接を開始する場合は、距離Ｃを、溶接部の溶接ビード中心からフランジ幅方向端部までの距離Ｂと同じかそれ以上の距離とするのがよい。

重ね溶接する板材の材質としては、その少なくとも１枚が凝固割れの起こりやすい引張強度が４４０ＭＰａ以上の高張力鋼を用いる場合を本発明の対象とする。
高張力鋼以外の鋼を用いる場合の例としては、例えば引張強度が５９０ＭＰａ級の鋼板と２７０ＭＰａ級の鋼板の組み合わせなどがある。

レーザ溶接では、溶接金属の成分は、フィラー等の溶加材を別途添加しない場合、重ね合わせた各板材の母材成分値及びその板厚から計算される平均成分であり、計算されるＣとＰ＋Ｓの値が、上記本発明の規定を満たすように構造部材の材質を選定する。なお、３枚以上の板材を重ね合わせた場合には、隣り合った２枚の全ての組合せにおける、母材成分値及びその板厚から計算される平均成分で表現できる場合もあるから、その場合も同様に、計算される値が上記本発明の規定を満たすように構造部材の材質を選定する。
溶加材を加える場合は、それの添加量を考慮してＣとＰ＋Ｓの値を計算する必要がある。

以下、本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

供試材として、厚さが１．２ｍｍで引張強度が５９０ＭＰａ以上の高張力鋼（ＳＰＦＣ５９０）よりなる断面ハット形状の構造部材を、同じく高張力鋼よりなる平板上の板材に端部が揃うように重ねあわせた、重ね合せ部の幅は８ｍｍであった。高張力鋼は、Ｃ量およびＰ＋Ｓ量が異なる試料を用いた。そして、重ね合せ部を次の条件でレーザ溶接した。
レーザ溶接は、ＹＡＧレーザを用い、レーザ加工点出力を３．５ｋＷ、溶接速度を２．０ｍ／ｍｉｎとした。また、レーザビームは、鋼板上に集光し、集光スポットは直径０．６ｍｍとした。レーザ照射位置は、フランジ端部から２．５〜４．０ｍｍで、フランジ長手方向端部から５．０ｍｍはなれた点を開始位置とした。（以上、発明例１〜３、比較例１〜３）
また、上記と同様の鋼板を図８のように、Ｄを５ｍｍとして重ね合せ、Ｂを２．５ｍｍとしてフランジ端部から上記と同様にレーザ溶接した。（本発明例４）
得られた結果を表１に示す。表１より、本発明の条件を満たす場合は、割れを生じることなく溶接できることがわかる。

重ね継ぎ手を有する部材の例を示す図である。 凝固割れの１例を示す図である。 凝固割れの他の例を示す図である。 フランジ幅と溶接部位置とを説明する図である。 溶接後の凝固過程の温度と歪の関係を示す図である。 凝固脆性範囲と収縮変位の関係を示す図である。 凝固割れの発生と成分の関係を示す図である。 フランジ端部から溶接を開始する場合の継ぎ手の例を説明する図である。

符号の説明

１ 断面ハット形状の構造部材
２ 構造部材のフランジ部
３ 構造部材の折り曲げ部
４ 板材
５ 溶接開始点
６ 溶接部（溶接ビード）
７ 凝固割れ部
８ レーザ溶接ヘッド
Ａ フランジ幅
Ｂ 溶接部からフランジ端部までの距離
Ｃ フランジ長手方向端部から溶接開始点までの距離
Ｄ 一方の板材が他方の板材から突出する距離

Claims (7)

1. 複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成し、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の板材のうち少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなるとともに、前記溶接部の溶接金属がＣ＜０．０５質量％、Ｐ＋Ｓ＜０．０３質量％になるように溶接部を形成することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
2. 複数の板材を重ね合わせ、この重ね合わせた板材の端部近傍に、重ね合わせた下側の板材の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、レーザ光を前記端部に沿って移動させて溶接部を形成し、重ね合わせた板材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の板材のうち少なくとも１枚の板材は高張力鋼よりなるとともに、前記溶接部の溶接金属が０．０８質量％＜Ｃ＜０．７質量％、Ｐ＋Ｓ＜０．０５質量％になるように溶接部を形成することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
3. 前記重ね合わせた板材の溶接方向端部より離れた位置で溶接を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の重ねレーザ溶接方法。
4. 前記複数の板材のうちの一方の板材が他方の板材より突出するように重ね合わされており、前記重ね合わせられた板材の溶接方向端部より溶接を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の重ねレーザ溶接方法。
5. 前記複数の板材のうちの少なくとも１枚の板材は、少なくとも片側に折り曲げ部およびそれに続くフランジ部を有する構造部材であり、板材の重ね合せ部が、前記構造部材のフランジと他の板材を重ね合わせたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接方法。
6. 前記少なくとも１枚の板材が、両側に折り曲げ部およびフランジ部を有する断面がハット形状の構造部材であることを特徴とする請求項５に記載の重ねレーザ溶接方法。
7. 前記フランジ部の幅が８ｍｍ以内であることを特徴とする請求項５または６に記載の重ねレーザ溶接方法。

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