JP2013530836A - 温間成形すべきテーラード鋼板製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、温間成形すべきテーラード鋼板製品の製造方法および半成品の形態をなす対応鋼板製品を提供することにある。
【解決手段】本発明は、異なる厚さおよび／または異なる材料等級の鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８，９）が、これらの縁部により形成される継手（７）に沿って一体に溶接される鋼板製品の製造方法に関する。本発明によれば、溶接工程の前に、形成すべき溶接シーム（１０）の強度を増大させる少なくとも１つの成分を含有する粘性液体、より詳しくはペーストまたは固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質が、一体に溶接される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）の少なくとも一方の溶接縁部に塗布される。本発明はまた、この製造方法により製造される鋼板製品に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、異なる厚さおよび／または異なる材料等級の鋼ブランクまたは鋼ストリップが、これらの縁部により形成される継手に沿って一体に溶接される鋼板製品の製造方法、および温間成形コンポーネントを製造することを意図した鋼板製品（半成品）であって、継手に沿って一体に溶接される、異なる厚さおよび／または異なる材料等級の鋼ブランクまたは鋼ストリップからなる鋼板製品（半成品）に関する。

今日の現代車両構造には、一体に溶接されかつ異なる厚さおよび／または異なる材料等級を有する鋼板ブランクが使用されている。これにより、連続するコンポーネントの種々の位置を、付加補強部品を必要とする局部荷重に適合させることができる。この結果、関連部品の重量を低減でき、また製造コストも低減できる。鋼板ブランクは、一般に、レーザ溶接により突合せ継手で連結される。この形式の鋼板ブランクは、一般に、「テーラードブランク（tailored blanks, Tailored Blanks（英、独訳））」または「テーラード溶接ブランク（tailored welded blanks, Tailored Welded Blanks（英、独訳））」と呼ばれている。溶接工程に選択的に影響を与えることにより、より詳しくは接合工程後に溶接シームを急冷することにより溶接シームが硬化される。これにより、溶接シームを破壊に対してより強化しかつより困難にでき（硬度低下を防止でき）、強度を少なくとも基本材料の強度に設定できる。しかしながら、テーラード（注文仕様）ブランクを温間成形により３次元コンポーネントに成形すると、溶接された半成品の熱処理の結果として、溶接シームのミクロ組織が均質化される。冷却条件が好ましくないか、成形工具とワークとが確実に連結されないと、オーステナイトのマルテンサイトへの不完全変換および初析フェライトセジメントが生じ、基本材料と比べて硬度が低下する。

本発明の目的は、温間成形すべきテーラード鋼板製品の製造方法および半成品の形態をなす対応鋼板製品を提供することにある。本発明の方法により、溶接シ−ムの強度を、接合すべき鋼板の基本材料の強度に少なくとも等しいレベルに設定でき、オーステナイト化温度への先行加熱により、温間成形後でも溶接シームの硬度低下を防止できる。

上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法および請求項１２に記載の特徴を有する鋼板製品（半成品）により達成される。

本発明による方法は、溶接工程の前に、形成すべき溶接シームの強度を増大させる少なくとも１つの成分を含有する粘性液体、より詳しくはペーストまたは固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質が、一体に溶接される鋼ブランクまたは鋼ストリップの少なくとも一方の溶接縁部に塗布されることに特徴を有する。

形成すべき溶接シームの強度を増大させる少なくとも１つの成分を、継手を形成する少なくとも一方の鋼板縁部を介して液体溶融池（liquid weld pool, fluessige Schweissschmelzbad（英、独訳））中に導入することにより、連結された基本材料のミクロ組織とは異なる化学的組成を有する、変化した１次ミクロ組織が作られ、かつ溶接工程での急冷（例えば水による焼入れ）、温間成形工程（オーステナイト化温度より高い温度の熱処理）およびシェーピング工程（直接温間成形または熱間スタンピング）並びに間接温間成形の加工工程での冷却後には、溶接により連結される基本材料より硬いことが好ましいが、少なくとも基本材料と同じ硬さの２次ミクロ組織が作られる。

したがって、本発明による鋼板製品（半成品）は、鋼板製品の溶接シームが、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後に、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップと少なくとも同じ、好ましくはこれらより硬いミクロ組織を有することに特徴を有する。

試験によれば、レーザ溶接による溶接シームの強度は、溶融池中に特別なカーボンを導入することにより増大できることが証明されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、粘性液体として、オイル、より詳しくは鉱油および／またはグリースが使用される。形成すべき溶接シームの強度を増大させる少なくとも１つの成分（好ましくはカーボン）を含有するこれらのカーボン含有液体、固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、比較的コスト有効性に優れており、かつ液体溶融池中に特に簡単に導入できるものである。

本発明による方法の他の有効な実施形態は、粘性液体として、グラファイト粒子が分散された液体が使用されることに特徴を有する。この方法では、カーボンは、可変濃度で、より詳しくは比較的高い濃度で液体溶融池中に導入される。この場合、導入は、例えば、溶接ビームから一定距離を隔てて継手上に開口しかつ継手に沿って案内される流体ラインを介して比較的簡単な方法で行うことができる。この場合、流体ラインは、継手に沿って溶接ビームを案内する機械的検出要素としても使用できるように、実質的な剛体として作ることができる。

溶接シームの強度を増大させる少なくとも１つの元素を含有する粘性液体は、溶接装置とは独立しているワークステーションで、実際の溶接工程とは異なる時点で塗布することもできる。しかしながら、溶接シームの強度を増大させる少なくとも１つの元素（好ましくはカーボン）を含有する粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、「インライン」態様で、すなわち溶接装置の同時工程または上流側工程で塗布される。溶接ビームの作用点に近接して液体を塗布することにより、粘性液体をより高い信頼性をもって導入できかつ液体損失を大きく防止できる。

強度を増大する元素を液体溶接池中に選択的に導入することおよび前記元素を含有する液体の消費が小さいことに関し、本発明の方法の好ましい実施形態によれば、液体が高粘性であることすなわちペースト状粘稠度を有することは更に有利である。２０℃の気温で、強度を増大する元素を含有する液体の動粘性は、例えば少なくとも５０×１０^-６ｍ^２／ｓ、好ましくは少なくとも１００×１０^-６ｍ^２／ｓ、より好ましくは少なくとも５００×１０^-６ｍ^２／ｓである。

本発明の方法の他の好ましい実施形態によれば、粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、そのカーボン含有量に関して、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後の溶接シームが、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップの強度と少なくとも同じ、好ましくはこれらの強度より少なくとも１００ＭＰａ高い、より好ましくは少なくとも２００ＭＰａ高い強度を有するように選択されおよび／または調節される。

より詳しくは、粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、そのカーボン含有量に関して、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後の溶接シームが１５００〜２０００ＭＰａの範囲、好ましくは１７００〜１９００ＭＰａの範囲内の強度を有するように、選択されおよび／または調節される。或いは、形成すべき溶接シームの強度を好ましく増大するのに適したワイヤの形態の固形物質を使用できるが、粉末状物質またはエアロゾル状物質も使用できる。

本発明による方法の他の好ましくかつ有利な方法および本発明による鋼板製品は、特許請求の範囲の記載の必須要件項に特定されている。

以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

レーザ溶接装置を示す概略側面図である。 レーザ溶接装置および突合わせ継手で一体接合されている２つの鋼板ブランクを示す概略斜視図である。

図面は、レーザ溶接機の一部、より詳しくは、フォーカシングヘッド（プロセシングヘッド）２の前進手段１と、該前進手段１に連結された導入手段３とを示している。該導入手段３は、形成すべき溶接シーム１０の強度を増大させる少なくとも１つの成分（好ましくはカーボン）を含有する粘性液体（好ましくは高粘性液体）を塗布するためのものである。液体として、例えば、カーボン含有グリースペースト、高粘性オイル（鉱油）またはグラファイト（黒鉛）分散液がある。グラファイト分散液は、好ましくは、オイル中に分散された微粉砕グラファイトを含有する。

オイルまたはカーボン含有液は、流体ライン４を介して導入される。流体ライン４は、レーザビーム６の作用点（フォーカス）５から溶接方向に上流側に位置しかつ一体溶接される鋼板８、９により形成される継手７上に開口している。流体ライン４は実質的に剛性を有し、同時に、機械的検出要素またはレーザビーム６を継手に沿って案内するガイド要素として作用する。

一体溶接すべき鋼板８、９は、異なる材料等級または板厚を有する鋼ブランクまたは鋼ストリップである。これらは、例えば２２ＭｎＢ５のようなマンガン−ホウ素鋼であるのが好ましい。この調質可能鋼（temperable steel, verguetbare Stahl（英、独訳））は、温間成形後の顕著な機械的強度特性を有している。鋼板８、９からなる鋼板製品（テーラードブランク）は、その後の温間成形により、例えば車両のドア鋼板のような３次元コンポーネントを形成すべく成形される。

溶接シーム１０の強度を増大させるカーボンおよび／または他の元素を、高粘性オイルまたは液体の形態で、鋼板８、９の隣接する切断縁部を通して、液体溶融池１１内に導入することにより、連結された鋼板８、９の材料のミクロ組織と比べて変化した化学的組成を有する一次ミクロ組織が選択的に作られる。この点に関し、溶融した溶接材料は、混合ガス法を用いて同時に混合されることが好ましい。このようにして変化された溶接シーム１０の１次ミクロ組織は、レーザ溶接工程で冷却（焼入れ）後、温間成形工程でオーステナイト化温度より高い温度に加熱され、次に冷却されて２次ミクロ組織となる。２次ミクロ組織は、溶接により連結される基本材料と少なくとも同じ硬度（硬い方が好ましい）になる。これは、次の、温間成形工程での冷却（直接熱間スタンピング）および間接温間成形（間接熱間スタンピング）の両方に適用される。

オイルまたはカーボン含有液は、そのカーボン含有量に関し、溶接シーム１０が、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱され、更に急冷された後に、１５００〜２０００ＭＰａ、好ましくは１７００〜１９００ＭＰａの範囲内の強度を有するように選択および／または調節される。

溶接シーム１０は、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱され、更に急冷された後に、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップ８、９の強度に少なくとも等しいか、好ましくは少なくとも１００ＭＰａ高いか、より好ましくは少なくとも２００ＭＰａ高い強度を有する。この目的のため、溶接シーム１０中のカーボン含有量は、０．２５〜０．４０重量％、好ましくは０．３０〜０．４０重量％に増大される。

溶接シーム１０は溶融液状に戻らないと考えられるので、溶接シーム１０中のカーボン含有量の部分的増大は、次の全ての熱処理においても保持される。このように、この領域内の溶接シーム１０の熱処理により、少なくとも同じ硬さ（好ましくはより硬い）のミクロ組織が得られる。

溶接シーム１０または一定領域の溶接シーム中のカーボン供給量が大きくなると、溶融液相からの形成中にオーステナイトに多量のカーボンが取り込まれ、この結果、溶接シーム１０または一定領域のレーザ溶接シーム中に、カーボンがより多量に含有されたオーステナイトが得られ、これは硬度の改善に反映される。

より詳しくは、幾何学的に高度に複雑な形状のコンポーネンツをスタンピングする場合には、確実な連結部の形成に関して成形工具の形状に制限がある。これらの場合には、溶接シームの重要領域は、確実連結従って冷却速度とは独立して溶接シーム１０中にマルテンサイトのミクロ組織を形成すべく、選択的により高いカーボン含有量にして合金化される。また、完成コンポーネントに破壊点を形成しがちな溶接シーム領域の選択的硬化が、本発明の方法により構造的に達成される。本発明の方法を用いる場合には、特別な荷重を受けるために特に高い強度を有する必要がある溶接シーム領域の形状を考えることもできる。本発明の方法によれば、溶接シームに異なる特性を（部分的に）付与できる比較的コスト有効性に優れた方法を得ることもできる。

本発明の実施は上記実施形態に限定されるものではない。それどころか、多くの変更を考えることができ、形状が異なる場合でも、特許請求の範囲の記載に特定された本発明を用いることができる。したがって、例えば、継手７に開口する流体ライン４の代わりにアプリケーションローラを使用して高粘性オイルまたは高粘性カーボン含有液を塗布することも本発明の範囲内にある。また、固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質を塗布することもでき、その結果として、レーザ溶接中に溶接シームの特性を選択的に設定することができる。

１ 前進手段
２ フォーカシングヘッド（プロセシングヘッド）
３ 導入手段
４ 流体ライン
５ 作用点（フォーカス）
６ レーザビーム
７ 継手
８、９ 鋼板（鋼ブランク、鋼ストリップ）
１０ 溶接シーム
１１ 液体溶融池

Claims (16)

1. 異なる厚さおよび／または異なる材料等級の鋼ブランクまたは鋼ストリップが、これらの縁部により形成される継手（７）に沿って一体に溶接される鋼板製品の製造方法において、溶接工程の前に、形成すべき溶接シーム（１０）の強度を増大させる少なくとも１つの成分を含有する粘性液体、より詳しくはペーストまたは固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質が、一体に溶接される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）の少なくとも一方の溶接縁部に塗布されることを特徴とする鋼板製品の製造方法。
2. 前記粘性液体としてオイル、より詳しくは鉱油および／またはグリースが使用されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 前記粘性液体として、グラファイト粒子が分散された液体が使用されることを特徴とする請求項１または２記載の製造方法。
4. 前記溶接シーム（１０）中のカーボン含有量は、粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質を塗布することにより、０．２５〜０．４０重量％、好ましくは０．３０〜０．４０重量％に増大されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の製造方法。
5. 前記粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、そのカーボン含有量に関して、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後の溶接シーム（１０）が、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）と少なくとも同じ、好ましくはこれらより硬いミクロ組織を有するように選択されおよび／または調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の製造方法。
6. 前記粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、そのカーボン含有量に関して、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後の溶接シーム（１０）が、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）の強度と少なくとも同じ、好ましくはこれらの強度より少なくとも１００ＭＰａ高い、より好ましくは少なくとも２００ＭＰａ高い強度を有するように選択されおよび／または調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の製造方法。
7. 前記粘性液体または固形物質または粉末状物質またはエアロゾル状物質は、そのカーボン含有量に関して、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後の溶接シームが１５００〜２０００ＭＰａの範囲、好ましくは１７００〜１９００ＭＰａの範囲内の強度を有するように、選択されおよび／または調節されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の製造方法。
8. マンガン−ホウ素鋼からなる鋼ブランクまたは鋼ストリップが、一体に溶接される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）として使用されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の製造方法。
9. 前記粘性液体は、溶接と一緒の同時作業で塗布されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の製造方法。
10. 一体に溶接される前記鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）は、３次元コンポーネントを形成すべく、次に温間成形により成形され、場合によっては１回以上切断された後に温間成形により成形されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の製造方法。
11. 強度を増大させる元素、好ましくはカーボンを含有する液体は、２０℃の気温で、少なくとも５０×１０^-６ｍ^２／ｓ、好ましくは少なくとも１００×１０^-６ｍ^２／ｓ、より好ましくは少なくとも５００×１０^-６ｍ^２／ｓの動粘性を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の製造方法。
12. 温間成形コンポーネントを製造することを意図した鋼板製品であって、継手（７）に沿って一体に溶接される、異なる厚さおよび／または異なる材料等級の鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）で作られる鋼板製品において、該鋼板製品の溶接シーム（１０）は、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後に、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）と少なくとも同じ、好ましくはこれらより硬いミクロ組織を有することを特徴とする鋼板製品。
13. 前記溶接シーム（１０）は、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後に、溶接により連結される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）の強度と少なくとも同じ、好ましくはこれらの強度より少なくとも１００ＭＰａ高い、より好ましくは少なくとも２００ＭＰａ高い強度を有することを特徴とする請求項１２記載の鋼板製品。
14. 前記溶接シーム（１０）は、急冷され、オーステナイト化温度より高い温度に加熱されおよび更に急冷された後に、１５００〜２０００ＭＰａの範囲、好ましくは１７００〜１９００ＭＰａの範囲内の強度を有することを特徴とする請求項１２または１３記載の鋼板製品。
15. 鋼板製品の溶接シーム（１０）は、少なくとも０．２５〜０．４０重量％、好ましくは０．３０〜０．４０重量％のカーボン含有量を有することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項記載の鋼板製品。
16. 一体に溶接される鋼ブランクまたは鋼ストリップ（８、９）は、マンガン−ホウ素鋼からなることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項記載の鋼板製品。
    

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