JP2017177140A - テーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚の鋼板を接合したテーラードブランク材を冷間プレス成形することにより、テーラードブランク材からなるプレス成形品を製造する際に、溶接ビードでの割れを生じない製造方法を提供すること。【解決手段】溶接後のテーラードブランク材を、加熱温度Ｔ（℃）が５０℃以上２５０℃以下であり、かつＴＷＢ材を構成する複数の鋼板の平均板厚Ｄ(mm)と加熱温度Ｔ（℃）に応じて、加熱時間t（ｈ）が式（ｔ≧（５２×Ｄ）２×Ｔ−１．６）を満たすようにＴＷＢ材を熱処理し、その後、冷間プレス成形する。【選択図】図1

Description

本発明は、板厚および材質の少なくともいずれかが異なる複数の鋼板を溶接したテーラードブランク材を冷間プレス成形するプレス成形品の製造方法に関する。

近年、自動車などの車体の高剛性化、軽量化を目指し、９８０MPa級以上の高強度鋼板を用いたテーラードブランク技術が採用されてきている。
このような高強度鋼板を用いたテーラードブランク技術の広がりにより、溶接直後のテーラードブランク材をプレス成形すると成形性が低く、溶接ビードでの割れを生じるという現象が散見されるようになってきている。この現象は、特に、テーラードブランク材の溶接からプレス成形までの時間が短いほど発生し易く、また、冬季に発生することが多い。

この現象については、これまで報告されておらず、原因は不明確であったが、経験的には、溶接からプレス成形までの時間を長くするほど、成形性が向上することが知られている。
しかし、溶接からプレス成形までに所定の時間（たとえば数日以上）、テーラードブランク材を待機させることは、在庫を極力持たないことが要求される自動車分野では、生産効率の阻害要因となる。

このような、テーラードブランク材のプレス成形時の割れによる歩留まりの低下は、生産工程を調整しなければならない問題に加え、テーラードブランク溶接組立ラインでは、溶接部の品質保証として、操業初めの１枚目溶接材を直ちに、エリクセン（成形）試験し、溶接部の良否を判定し、連続生産を開始するのが通常であるため、良判定が得られない限り、実際の連続生産を開始できない、すなわち、ラインが数日間停止するという問題もある。
換言すれば、このような現象は、テーラードブランク溶接組立後に直ちに、成形試験により品質を確認し、実連続生産に移行するテーラードブランク技術において、９８０MPa級鋼を超える高強度な鋼板の適用が増えることにより、顕在化してきた課題であり、溶接直後に直ちに、溶接部の成形性を確保する技術が必要となった。

テーラードブランク材の成形性改善の技術としては、例えば次のような技術が開示されている。
特許文献１には、テーラードブランク材を加熱し、プレス成形を行う技術が開示されている。
特許文献２には、レーザ溶接直後に、熱処理により、レーザ溶接部の割れを防止する技術が開示されている。
特許文献３および特許文献４の所謂ホットプレス成形技術では、テーラードブランク溶接部の脱水という観点での熱処理技術が開示されている。

特開２００６−９５５９６号公報 特開平５−１３２７１９号公報 特開２００６−２１２１６号公報 特開２００４−５８０８２号公報 特開２００６−２６３８１４号公報

特許文献１の技術は、プレス機内での加熱を必要とし、本発明で用いる冷間プレス装置には適用できない。特許文献２は、レーザ溶接直後に新たな熱処理装置を付随させる必要がある。また、レーザ溶接時の凝固割れを対象としたものであり、本発明のように、冷間プレス成形での割れの対策については何ら示唆がない。特許文献３および４は、いずれもプレス時に焼入れが入るほどの高温に加熱する技術であり、鋼板の特性そのものが変化するため、適用できない。
そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、テーラードブランク材を冷間プレス成形する際に割れが発生するのを防止することを課題とする。

本発明者らは、この現象の解明及び課題解決を図るため、成形時の割れ発生頻度について、要因と考えらえる様々な観点から調査した。
その結果、割れ発生頻度は、溶接回数が多くなるほど高くなること、その原因として、多量の連続生産によって溶接クランプジグに蓄積された油が溶接時に気化し、溶接ビードに侵入することにより、溶接ビード内の水素濃度が高くなり、成形時のビード破断を引き起こすと考えられることが判った。

このような多量の連続生産における割れ発生に対する手法として、溶接時に用いるクランプジグ自体の清掃頻度を増すことが有効であると考えられるが、この手法ではライン停止を必要とし、生産効率の低下からその頻度はできるだけ少なくする必要があるため、採用は困難である。

本発明者らは、このことから前記課題を解決する方法について鋭意検討した結果、テーラードブランク材の平均板厚に応じて、適正な温度と時間で加熱してから冷間プレス成形すれば、割れが発生しないことを確認し、以下に記載する発明に到達した。

［１］複数枚の鋼板を接合したテーラードブランク材をプレス成形する、テーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法において、前記テーラードブランク材を、加熱温度Ｔ（℃）が５０℃以上２５０℃以下であり、かつ下記式（１）を満たす範囲の加熱時間で加熱し、その後、冷間プレス成形することを特徴とするテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
ｔ≧（５２×Ｄ）^２×Ｔ^−１．６ ・・・（１）
ここで、ｔ：加熱時間（ｈ）、Ｔ：加熱温度（℃）、Ｄ：複数枚の鋼板の平均板厚（ｍｍ）を示す。

［２］前記冷間プレス成形は、複数枚の鋼板の平均温度が５０℃未満で行なうことを特徴とする上記［１］に記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
［３］前記複数枚の鋼板の少なくとも１枚の鋼板の引張強さが、980MPa以上の鋼板であることを特徴とする上記［１］または［２］に記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
［４］前記テーラードブランク材からなるプレス成形品が自動車の車体部品であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。

本発明によれば、テーラードブランク材の平均板厚に応じた、温度と時間で加熱することで、生産効率の低下の問題を生じることなく、冷間プレスの際に割れが発生することを防止できる。

テーラードブランクラインにおけるプレス成形後の割れ（成形性不良）の発生頻度と溶接した鋼板の枚数との関係を示す図である。

本発明の対象とするテーラードブランク材（以下、「ＴＷＢ材」という。）は、複数枚の鋼板の板厚や成分、引張強さ、めっきの有無といった材質や状態が異なる鋼板同士をレーザ溶接などで、突き合わせまたは重ねて溶接した材料、および、複数枚の鋼板の板厚や成分、引張強さ、めっきの有無といった材質や状態が同じ鋼板同士をレーザ溶接などで突き合わせ、または重ねて溶接した材料である。

本発明者らは、まず、ＴＷＢ材をプレス成形して割れが発生する部位は溶接金属部（溶接ビード）であり、かつ、数日間放置してからプレス成形すると割れが発生しないことを確認した。このような現象を示す割れの原因は水素ではないかと推察し、水素起因による溶接金属の割れを改善する技術である特許文献５を参考に、板厚１．５〜２．５ｍｍ、引張強さ９８０MPaの鋼板を突き合わせレーザ溶接し、１５０℃〜３００℃の温度範囲で１８０秒〜６６０秒加熱し、多数のＴＷＢ材を作製した。その後、室温にてエリクセン試験を行い、ビード内の割れの有無を調べたところ、すべての試験材に割れが発生した。

本発明者らは、この現象解明及び課題解決を図るため、成形時の割れ発生頻度について調査した結果、割れ発生頻度は、溶接回数が多くなるほど、高くなることが判明した（図１参照）。すなわち、鋼板上には、防錆油が塗布されるが、この油は、溶接時に気化し、溶接クランプ周りに付着し、同じ溶接クランプジグで溶接回数が増えるほど、油の蓄積量は多くなる。この溶接クランプジグに蓄積された油が、鋼板のレーザ溶接時に気化し、溶接ビードに侵入することにより、溶接ビード内の水素濃度が高くなり、ＴＷＢ材のプレス成形時のビード破断を引き起こすことが推測された。

そこで、板厚１．５〜３．０ｍｍ、引張強さ７８０〜１１８０MPaの鋼板を突き合わせレーザ溶接して作製した多数のＴＷＢ材について、加熱温度と加熱時間の水準を大幅に変化させた熱処理を行なった。その後、室温にて、エリクセン試験を行い、溶接金属（ビード内）に発生する割れを調査し、割れ発生有無のデータを回帰曲線で表した。
その結果、本発明者らは、ＴＷＢ材を構成する複数の鋼板の平均板厚Ｄ(mm)と、選定した加熱温度Ｔ（℃）に応じて、ＴＷＢ材を下記の（１）式を満たす加熱時間t（ｈ）で熱処理すると、エリクセン試験での割れが発生しないという知見を得た。
ｔ≧ （５２×Ｄ）^２×Ｔ^−１．６ ・・・（１）

ここで、加熱温度は、ＴＷＢ材への熱影響やコストなどを考慮して次の範囲内で選定する。すなわち、加熱温度が高すぎる場合には、鋼板表面の変色や変質が生じ、次プレス、塗装などの次工程への影響が懸念されるため、２５０℃以下、望ましくは、２００℃以下とする。また、低すぎる場合には長時間の加熱が必要となるため、５０℃以上とする。

ＴＷＢ材を熱処理後、冷間プレスする際、ＴＷＢ材の温度が５０℃未満にまで下がってから、プレスすることが好ましい。ＴＷＢ材の温度が高いと、冷間プレス用金型の寿命が短くなるからである。

適用できる鋼板（強度、板厚、成分）は、特に規定する必要はないが、ＴＷＢ材での割れは、高強度鋼板が1枚以上含まれる場合によく発生するので、少なくとも1枚以上の鋼板の引張強さは９８０ＭＰａ以上であるＴＷＢ材に適用するのが特に有効である。鋼板は、めっきしてもしてなくてもよく、また、種々のめっき鋼板に適用できる。

ＴＷＢ材は、複数の鋼板を突き合わせ溶接して作製することが好ましいが、重ね溶接がなされる所謂パッチワークテーラードにおいても同様の効果が得られる。溶接は、レーザ溶接が好ましい。レーザ溶接は、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなど、全てのレーザが使用できる。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。

引張強さ９８０ＭＰａの鋼板（１．６ｍｍ厚、１．６ｔと記載、以下同様）と引張強さ５８０ＭＰａの鋼板１．６ｔとを突き合わせて、レーザ溶接してＴＷＢ材とした。また、引張強さ１１８０ＭＰａの鋼板２．３ｔと引張強さ７８０ＭＰａの鋼板２．３ｔとを突き合わせて、レーザ溶接してＴＷＢ材とした。
続いて、得られたＴＷＢ材に表１に示す温度、時間の熱処理を行い、各例についてそれぞれ５個の試験体をエリクセン試験することにより、その割れの発生頻度を調査した。

レーザ溶接には、ファイバーレーザを用い、板厚１．６ｔ同士では３．５ｋＷの出力で、２．３ｔ同士では４．５ｋＷの出力で貫通溶接を実施し、溶接部にアンダーフィル（ＵＦ）や割れ・ピンホールなどの溶接欠陥が無いことを確認した後、常温にてエリクセン試験を実施した。
レーザ溶接線に対し、鉛直方向に割れが発生した場合を○、溶接ビード内に、ビード方向に沿って平行な割れが観られた場合に×と判定した。結果を表１に示す。
表１には、式（１）で計算される最低の時間すなわち予想必要時間（ｈ）を記載した。
表１に示されるように、保持時間が予想必要時間以上である例では、ビード内に割れが認められず、本発明の効果が確認された。

Claims (4)

1. 複数枚の鋼板を接合したテーラードブランク材をプレス成形する、テーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法において、
   前記テーラードブランク材を、加熱温度Ｔ（℃）が５０℃以上２５０℃以下であり、かつ下記式（１）を満たす範囲の加熱時間で加熱し、その後、冷間プレス成形することを特徴とするテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
   ｔ≧（５２×Ｄ）^２×Ｔ^−１．６ ・・・（１）
   ここで、ｔ：加熱時間（ｈ）、Ｔ：加熱温度（℃）、Ｄ：複数枚の鋼板の平均板厚（ｍｍ）を示す。
   
2. 前記冷間プレス成形は、複数枚の鋼板の平均温度が５０℃未満で行なうことを特徴とする請求項１に記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
   
3. 前記複数枚の鋼板の少なくとも１枚の鋼板が、引張強さ９８０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項１または２に記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。
   
4. 前記テーラードブランク材からなるプレス成形品が自動車の車体部品であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のテーラードブランク材からなるプレス成形品の製造方法。

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