JP2018034188A - 溶接継手及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶け落ち欠陥の発生を抑制し、溶接用光線による溶接継手の強度低下を抑制した溶接継手を提供する。【解決手段】鋼板を複数重ね合わせ、この重ね合わせた鋼板に高パワー密度の溶接用光線を照射しつつ、該光線を円形の領域内で複数回走査させて、複数の鋼板を貫通する溶接金属を形成し、複数の鋼板を互いに溶接した溶接継手であって、溶接用光線の照射面に配置された１．０ｍｍ以下の厚さを有する鋼板を含み、重ね合わせる鋼板の組み合わせによって、前記溶接金属の化学組成が式（Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量％）を満たすようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、重ね合わせた複数の鋼板よりなる溶接継手及びその製造方法に関する。

従来から、自動車の組立において、複数の鋼板を電極で挟んで溶接するスポット溶接が広く用いられている。このスポット溶接は、ロボットが溶接ガンを運搬し、複数の位置に溶接を行うため、溶接ガンが溶接点の間を移動する空走時間が作業時間のロスを発生させていた。

一方、接合する材料(母材という)を局部的に溶融状態にして結合，凝固させる融接法(溶融溶接法)も用いられている。溶融溶接法の代表的なものは高パワー密度の光線（以下、単に「光線」と記載する場合がある）による溶接であり、スポット溶接のように溶接点を移動する空走時間のロスがほとんどなく、生産効率を高めるメリットがある。一般的に、光線による溶接はドア開口部周りに位置するセンターピラーやサイドシルの組み立て溶接などに用いられている。しかし、光線による溶接では、従来から、鋼板を重ね合わせて溶接をする際、重ね合わせた鋼板の間に大きな隙間が存在すると、溶接欠陥が生じてしまい、溶接継手の強度が低下するという問題があった。

具体的には、スポット溶接では重ね合わせた鋼板を２つの電極で挟み込み、隙間が生じても強制的に隙間を潰して溶接するため、隙間が問題となることはほとんどない。一方、溶接用の光線による溶接では離れた位置から光線を照射するため、鋼板間に隙間が生じてもそのまま溶接することが求められる。
しかし、光線による溶接ではアーク溶接などに比べて溶融した金属の量が少なく、隙間が開いた状態で溶接すると、溶融金属が不足して溶け落ち欠陥が発生しやすくなる。特に、重ね合わせた板組みのうち、溶接用光線の照射側に配置した鋼板（一枚目の鋼板）の厚さが薄くなると、隙間内に溶融金属が流れ込んだ場合に、隙間の一部が溶接金属によって塞がれずに、表面まで通じるような穴として残るという欠陥が発生しやすい。

特に、自動車の分野では、車体の軽量化を目的として、合金元素を多く含み、かつ母材強度が高い高張力鋼が用いられている。さらに、剛性が求められる部材には比較的板厚の厚い鋼板が用いられる。しかしながら、このような鋼板では、プレス精度が低下し、重ね合わされた自動車用鋼板の間に隙間が生じやすくなる。このため、自動車用鋼板の溶接に光線による溶接を用いた場合では、重ね合わせた隙間に起因して、上記のように溶接金属が溶け落ちるという欠陥が生じやすい。このような問題に対して、以下の特許文献１および２に示す対策手法が開示されている。

特開２００８−１２６２９７号公報（特許文献１）には、２枚の金属板を重ね、その重ね合わせ部における一方の金属板の表面に高パワー密度の光線を照射して両金属板を溶接する際に、初めに光線を広い領域に低エネルギーで照射して光線の照射側の金属板を溶融させ溶融金属量を確保し、その後、光線を高エネルギーで照射して他方の金属板も溶融させることにより、板間隙間がある場合でも十分な溶着量が存在し、溶け落ちが防止され、欠陥のない溶接が安定的に行われる光線による溶接方法が開示されている。

特開２０１２−０３５３０３号公報（特許文献２）には、２枚の鋼板を重ね合わせて保持し、１枚の鋼板を屈曲用光線を用いて溶接することによる熱変形を利用して重ね合わせた鋼板間の隙間を低減した後、溶接用の光線を照射して両板材を溶接する溶接方法が開示されている。

特開２００８−１２６２９７号公報 特開２０１２−０３５３０３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、初めに溶接用の光線の照射側の鋼板を低エネルギーの光線で広範囲を溶融させるには、通常の溶接時間に比べて長い時間が必要となり、加工時間が増大するという問題がある。
特許文献２の方法では、隙間調整工程として、溶接工程前に鋼板に対して屈曲用の光線を用いた熱処理を行う必要がある。このため、加工時間が増大するという問題がある。

さらに、溶接用の光線の照射面となる鋼板の板厚が薄い場合では、上記のような隙間の一部が溶接金属によって塞がれないという溶け落ち欠陥が生じる場合があるが、特許文献１、２の方法では、そのような問題を解決することはできない。

本発明の目的は、重ね合わせた鋼板を高パワー密度の光線により溶接した溶接継手に関し、溶け落ち欠陥や穴あき欠陥の発生を抑制し、光線による溶接継手の強度低下を抑制した溶接継手を提供することにある。

本発明の実施形態による溶接継手は、
重ね合わされた複数の鋼板と、該複数の鋼板を重ね方向に柱状に貫通した溶接金属とよりなり、該溶接金属により前記複数の鋼板が互いに溶接されている溶接継手であって、
前記溶接金属の重ね方向の端面は、鋼板表面に対して凹部を形成しており、かつ、一方の端面の面積は、他方の端面の面積よりも大きくなっており、
重ね合わされた複数枚の鋼板の最も外側に位置する鋼板のうち、前記溶接金属の端面の面積が大きい側の鋼板は１．０ｍｍ以下の厚さを有するものであり、
さらに、前記溶接金属の化学組成が下記式（１）を満たすことを特徴とする。
Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量％ ・・・（１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。無添加の元素の場合は、ゼロを代入する。

また、本発明の実施形態による溶接継手の製造方法は、
複数の鋼板を重ね合わせ、この重ね合わせた鋼板に重ね合わせ方向から高パワー密度の溶接用光線を照射しつつ、該光線を円形の領域内で複数回走査させて、重ね合わせた複数の鋼板を貫通する溶接金属を形成し、重ね合わせた鋼板を互いに溶接する上記（１）に記載の溶接継手の製造方法であって、
前記鋼板として、前記溶接用光線の照射面に配置された１．０ｍｍ以下の厚さを有する鋼板を含み、
さらに、重ね合わせる鋼板の組み合わせによって、前記溶接金属の化学組成が下記式（１）を満たすことを特徴とする。
Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量％ ・・・（１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。
無添加の元素の場合は、ゼロを代入する。

これらの実施形態によれば、溶接金属の化学組成が式（１）を満たすことにより、溶融した金属の流動性の極端な低下が抑制され、複数の鋼板を貫通する溶接金属が鋼板同士の接合部分に保持されやすい。すなわち、重なり合った鋼板間の隙間が大きくても溶接金属が溶け落ちにくい。その結果、重ね合わされた複数の鋼板における光線による溶接継手の強度低下を抑制することができる。

本発明によれば、溶け落ち欠陥の発生を抑制し、光線による溶接継手の強度低下を抑制した溶接継手を提供できる。

本発明の実施形態による溶接継手の構成を示す断面図である。 本発明の実施例における溶接金属の溶接当量と欠陥発生個数を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態である、溶接継手及びその製造方法を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［溶接継手］
以下、溶接継手について説明する。
図１を参照して、この溶接継手１は、重ね合わされた鋼板２１〜２２と、柱状の溶接金属３とを備える。また、鋼板２１および２２の間には、溶接前に鋼板を重ね合わせたときに生じる隙間を有する場合がある。

鋼板２１〜２２のうち少なくとも一つの鋼板は、自動車用の各種部材に適した高張力鋼からなるものが好ましい。より具体的には、鋼板２１〜２２のうち少なくとも一つの鋼板は、５９０Ｍｐａ以上の母材強度を有する高張力鋼が好ましい。鋼板２１は、１．０ｍｍ以下の厚さを有する。鋼板２１の厚さの下限は、好ましくは０．５ｍｍ、さらに好ましくは０．７ｍｍである。鋼板２１は、鋼板２２よりも厚さが薄いことが好ましい。鋼板２１は、溶接用光線の照射面に配置される。また、鋼板２２は、０．７超え〜３．６ｍｍの範囲の厚さを有することが好ましい。

溶接金属３は、溶接用の光線による溶接で形成される。より具体的には、溶接金属３は、溶接用光線の照射装置から照射される、好ましくはパワー密度５００kW/cm²以上の光線を円形の領域内をカバーするように走査させ、重ね合わされた鋼板２１〜２２の溶接用光線の照射部分とその周囲溶接部が溶融して形成される。
溶接金属３は、重ね合わせ方向に鋼板２１〜２２を柱状（通常は円柱状）に貫通する。この結果、鋼板２１〜２２は、溶接金属３により接合される。

この際、溶接用の光線による溶接では、金属が外部から溶加されないため、溶接金属３の重ね方向の端面５は、鋼板表面に対して凹部を形成しており、かつ、光線の照射側の鋼板は、他側の鋼板より広い面積で溶融するため、光線照射側の溶接金属の端面の面積は、他方の端面の面積よりも大きくなっている。
大きい方の端面の面積（上記円形の領域の面積に相当する）は、継手強度を確保する観点から、５〜１００ｍｍ^２の範囲が好ましく、さらに１０〜８０ｍｍ^２の範囲がより好ましい。

溶接金属３の化学組成は、下記の式（１）を満たすようにする。
Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量% ・・・（１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。無添加の元素の場合は、ゼロを代入する。
以下、説明の便宜上、式（１）の左辺により算出される値を、流動性を示す指標として「溶接当量」と呼ぶ。なお、式（１）の詳細については後述する。
この溶接当量の下限は特に規定しないが、好ましくは０．１５質量％であり、０．２質量％であることがより好ましい。

［製造方法］
以下、溶接継手１の製造方法を説明する。
鋼板２１〜２２を互いに重ね合わせる。より具体的には、溶接用光線の照射面となる鋼板２１を上側、鋼板２２を下側に配置し、治具を用いて、鋼板２１〜２２を重ね合わせる。このとき、プレス精度の問題から、１．０ｍｍ程度の隙間４が形成されてしまう場合がある。

次に、溶接用光線を照射した溶接により、重ね合わせた鋼板２１〜２２を接合する。
光線による溶接は、固体などの媒体を用いた発振器より照射される高パワー密度光線の照射装置（図示せず）を用いて行う。ここで、高パワー密度の光線とは、例えば、レーザ光線をさす。

光線による溶接は、鋼板２１の外表面に対して行う。より具体的には、鋼板２１の上方から、鋼板２１の外表面に溶接用光線を照射し、円形に複数回光線を走査させる。光線の照射時間は、1点（１つの柱状溶接金属）あたり０．２〜２．０秒である。
これにより、鋼板２１〜２２において、溶接用光線の照射された部分が溶融する。その結果、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、端面５が円形状で凹状になった溶接金属３が形成される。
以上によって形成される溶接金属３は、鋼板２１〜２２を貫通し、鋼板２１〜２２を接合する。

使用する溶接用光線の好ましい条件の範囲は、波長：900nm〜1100nm、集光径：φ0.15mm-φ2.0mm、パワー密度：500〜10000kW/cm²である。
溶接用光線の照射方向は、鉛直方向の下向きに限らず、鋼板の配置位置などに応じて上方向、横方法など、あらゆる方向であってもよい。
以上により、溶接継手１が形成される。

以下、本発明の実施形態による溶接継手１の効果を説明する。
［式（１）について］
本発明者らは、従来技術の問題に鑑み、溶接しようとする鋼板の組み合わせで、溶接金属の成分を制御することにより、光線による溶接における溶接金属の溶け落ち欠陥の改善を試みた。
より具体的には、溶接金属の流動性と溶け落ち欠陥の関係に注目した。一般的に溶融した金属流体の内部に働く摩擦抵抗が低下すると溶融した金属の流動性が高くなるが、摩擦抵抗がさらに低下すると、流れの力が周囲に伝わりにくくなって逆に溶融した金属の流動性が低下し、溶融した金属が鋼板同士の接合部分に流れ込みにくくなって鋼板間の隙間を埋めにくくなり、溶け落ち欠陥が発生しやすくなる。そこで溶融金属の流動性の適正化が必要となる。

鋼板に含有される添加元素のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＴｉおよびＣｒのうち、Ａｌ、ＳｉおよびＭｎの濃度が高くなれば、溶接金属の流動性は低くなる。一方、鋼板に含有されるＴｉおよびＣｒの濃度が高くなれば、溶接金属の流動性は高くなる。このような各元素の特性に着目し、各元素の濃度と流動性との関係を考慮して、式（１）を導き出した。
なお、今回検討したベースが鉄となる成分系では、金属流体の内部に働く摩擦抵抗が高すぎることによる流動性の阻害は起こらないと考えられるので特に下限の値は設定しなかった。

すなわち、本発明の実施の形態によれば、溶接金属３の化学組成が上述の式（１）を満たすことにより、溶融した金属の流動性の極端な低下が抑制され、鋼板２１〜２２を貫通する溶接金属３が鋼板同士の接合部分に保持されやすい。このため、隙間が大きくても溶接金属３が溶け落ちにくい。その結果、重ね合わされた鋼板２１〜２２において、形成された溶接継手の強度の低下を抑制できる。

また、横向きや上向きに光線を照射する場合は、光線の照射により形成される溶接金属３は、下向きに光線を照射する場合に比べて、重力の影響でより溶け落ち欠陥が発生しやすい。しかしながら、溶融した金属の流動性が高いと、これが隙間４に入りやすいため、溶け落ち欠陥が減少し、健全な接合部分としての溶接金属３を形成しやすくなる。

［その他の実施形態］
本発明の実施形態による溶接継手１では、溶接しようとする鋼板に２枚の鋼板２１〜２２を用いたが、この２枚の鋼板に限らず、３枚以上の鋼板を含む溶接継手であってもよい。また、鋼板は、溶接継手を形成する部分が重ね合わされる形状であればよく、鋼板からプレス成形された部材を含むものである。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態およびその変形例のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態およびその変形例は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

上板および下板を用いて、試料番号１〜９からなる溶接継手のサンプルを作製し、それぞれのサンプルにおける欠陥の発生個数を調べた。

本実施例による溶接継手のサンプルは、光線による溶接により、上板および下板の２枚からなる鋼板を接合したものである。
上板および下板には、化学組成が質量％で、C:0.02〜0.2％、Si:0.005〜1.5％、Mn:0.1〜３％、Ti:0.5％以下、Cr:0.5％以下、Al:１％以下、S:0.007％以下の範囲の鋼板であって、上板と下板は化学組成が異なる鋼板を用いた。
また、上板には厚み：０．７ｍｍの、下板には厚み：１．４ｍｍの鋼板を用いた。

各試料番号における上板、および下板を重ね合わせ、上板の表面に高パワー密度の光線であるレーザを照射し、円形の領域内で複数回レーザを走査させた。このとき上板と下板の間の隙間は0.3mm〜0.4mmであり、溶接用光線の照射条件は、波長：1070nm、集光径：φ0.6mm、パワー密度：1428.5kW/cm²、照射時間：０．６秒間であった。
これにより、重ね方向端面が円形状の溶接金属を形成した。溶接金属の上板側と下板側の端面は、いずれも凹状を呈しており、上板側端面の表面積は下板側の端面の表面積よりも大きかった。

表１に、各試料番号における溶接金属の化学組成とその含有量（質量％）、式（１）による溶接当量（質量％）、および溶接金属における欠陥の発生個数を示す。試料番号１〜６は本発明の実施例であり、試料番号７〜９は比較例である。

表１に示すように、試料番号１〜６では、溶接金属における欠陥の発生個数が８個以下となり、欠陥の発生個数が少なかった。図２を参照すれば、溶接当量が０．４質量％以下の範囲になると、溶接金属における欠陥の発生個数を８個以下に抑えることができることがわかった。

一方、表１に示すように、試料番号７〜９では、溶接金属における欠陥の発生個数が８個を超えており、試料番号１〜６と比較して、欠陥の発生個数が多かった。図２を参照すると、試料番号７〜９は、溶接当量が０．４質量％を超える範囲にあり、溶接金属における欠陥の発生が多くなることがわかった。

以上の実験結果により、溶接金属の溶接当量が０．４質量％以下となるように、溶接に用いる鋼板の化学成分を調整して溶接金属を形成すれば、溶接金属における欠陥の発生を抑えることができることが確認された。

本発明は、溶け落ち欠陥の発生を抑制し、継手の強度低下を抑制した光線による溶接継手、あるいは該溶接継手を有する自動車用などの鋼部材として産業上の利用が可能である。

１ 溶接継手
２１、２２ 鋼板
３ 溶接金属
４ 隙間
５ 溶接金属の端面

Claims (2)

1. 重ね合わされた複数の鋼板と、該複数の鋼板を重ね方向に柱状に貫通した溶接金属とよりなり、該溶接金属により前記複数の鋼板が互いに溶接されている溶接継手であって、
   前記溶接金属の重ね方向の端面は、鋼板表面に対して凹部を形成しており、かつ、一方の端面の面積は、他方の端面の面積よりも大きくなっており、
   重ね合わされた複数枚の鋼板の最も外側に位置する鋼板のうち、前記溶接金属の端面の面積が大きい側の鋼板は１．０ｍｍ以下の厚さを有するものであり、
   さらに、前記溶接金属の化学組成が下記式（１）を満たすことを特徴とする溶接継手。
   Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量％ ・・・（１）
   ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。無添加の元素の場合は、ゼロを代入する。
2. 複数の鋼板を重ね合わせ、この重ね合わせた鋼板に重ね合わせ方向から高パワー密度の溶接用光線を照射しつつ、該光線を円形の領域内で複数回走査させて、重ね合わせた複数の鋼板を貫通する溶接金属を形成し、重ね合わせた鋼板を互いに溶接する請求項1に記載の溶接継手の製造方法であって、
   前記鋼板として、前記溶接用光線の照射面に配置された１．０ｍｍ以下の厚さを有する鋼板を含み、
   さらに、重ね合わせる鋼板の組み合わせによって、前記溶接金属の化学組成が下記式（１）を満たすことを特徴とする溶接継手の製造方法。
   Ａｌ＋Ｓｉ／１１＋Ｍｎ／７−Ｔｉ−Ｃｒ／３≦０．４質量％ ・・・（１）
   ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。無添加の元素の場合は、ゼロを代入する。

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