JP2018534143A - 焼入れ可能な鋼製でアルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の被覆を備えた半完成板金製品を製作するためのレーザ溶接方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、熱間成形可能なテーラーメイドの半完成板金製品の製作方法に関する。本方法においては、材質および／または板厚がそれぞれ異なる少なくとも２枚の鋼板（１、２’）がレーザ溶接によって突き合わせ接合で接合され、これら鋼板のうちの少なくとも１枚はプレス焼入れ可能な鋼から製作され、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆（１．１、２．１）を備え、レーザ溶接は、少なくとも１つのレーザビーム（４）のみによって生じさせた溶融池（６）にフィラーワイヤ（８）を送り込みながら、行われ、フィラーワイヤ（８）はアルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する合金元素を少なくとも１種含有し、この合金元素のフィラーワイヤ（８）中の含有量は、プレス焼入れ可能な鋼中の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％より多く、フィラーワイヤ（８）は、溶融池（６）に送り込まれる前に、加熱デバイスによって加熱される。溶接シームが熱間成形（プレス焼入れ）中にマルテンサイト微細組織（例えばＭｎＢ−ＭｎＢ接続において）または混合微細組織（例えばＭｎＢ鋼と非調質鋼との接続において）に確実に変態し得ることを保証するために、および最適化された溶接シーム形状を生じさせるために、本発明によると、互いに溶接される前記鋼板の端縁によって画定される間隙（Ｇ）の平均幅（ｂ）が少なくとも０．１５ｍｍになるように、鋼板（１、２’）は互いに溶接される。間隙（Ｇ）に挿入されるフィラーワイヤ（８）の材料の量は、レーザビームによって溶融される鋼板材料の体積に対する間隙（Ｇ）に挿入されるフィラーワイヤの体積の比が少なくとも２０％であるような量である。本発明による方法は、溶接される鋼板端縁の縁部から被覆を事前に除去する必要がないので、コストの点から著しい利点を提供する。
【選択図】図３
【選択図】図３
Description
本発明は、熱間成形可能なテーラーメイドの半完成板金製品を製作するための方法に関する。この方法では、材質および／または板厚がそれぞれ異なる少なくとも２枚の鋼板がレーザ溶接によって突き合わせ接合で接合され、これら鋼板の少なくとも１枚はプレス焼入れ可能な鋼から製作され、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆を備え、レーザ溶接は、少なくとも１つのレーザビームのみによって生じさせた溶融池にフィラーワイヤを送り込みながら行われ、フィラーワイヤはアルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する合金元素を少なくとも１種含有し、この合金元素のフィラーワイヤ中の含有量は、プレス焼入れ可能な鋼中の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％多く、フィラーワイヤは、溶融池に送り込まれる前に、加熱デバイスによって加熱される。
自動車の製造においては、車体重量をできる限り低く抑えながら衝突の安全性に関する高い要件を満たすために、鋼板製のテーラーメイドブランク（所謂「テーラードブランク」）が使用されている。この目的のために、材質および／または板厚がそれぞれ異なる個々のブランクまたは鋼帯がレーザ溶接によって突き合わせ接合で互いに接合される。これにより、車体の一構成要素上のさまざまな箇所をそれぞれ異なる荷重に適合させることができる。例えば、高荷重にさらされる箇所には肉厚または高強度の鋼板を使用でき、残りの箇所にはより肉薄の鋼板または深絞りグレードが相対的に低い鋼板を使用できる。この種のテーラーメイド板金ブランクのおかげで、追加の補強部品が車体上に不要になる。これにより、材料が節約され、車体の総重量の低減が可能になる。
最近の車体製造においては、熱間成形および急冷中に高強度、例えば１５００〜２０００ＭＰａの範囲内の抗張力、を実現するマンガンボロン鋼が使用されている。マンガンボロン鋼は、初期状態において、一般にフェライト−パーライト微細組織を有し、約６００ＭＰａの抗張力を有する。ただし、プレス焼入れによって、すなわち、鋼をオーステナイト化温度に加熱し、その後に急冷することによって、マルテンサイト微細組織を発達させることができる。このように処理された鋼は、１５００〜２０００ＭＰａの範囲内の抗張力に達し得る。
とりわけ、防食に関する理由のため、鋼板は金属耐食層で被覆される。テーラードブランクを製作するためのプレス焼入れ可能な鋼板は、通常、アルミニウム−シリコン系の金属被覆が設けられている。この場合、金属被覆は、金属間合金製の内層と金属合金製の外層とで構成されている。ただし、この種の被覆鋼板の使用には大きな問題が伴う。この理由は、被覆付き鋼ブランクの溶接時、突き合わせ接合部に生じた溶融池にＡｌＳｉ被覆の一部が入り、脆い金属間相またはフェライト領域を形成し得るからである。これらは、ブランクのオーステナイト化および急冷後にも依然として存在する。その後の機械的負荷が、静的または動的条件下で、前記金属間またはフェライト領域において溶接シームの破損または亀裂を引き起こす場合もある。溶融池へのＡｌＳｉ被覆の一部の流入を防ぐために、溶接が行われる前に、溶接対象のブランク端縁の縁領域から被覆を除去することが既に提案されている。ただし、この追加の行程段階は、極めて費用と時間がかかる。
特許文献１は、ＡｌＳｉ被覆から金属合金製の外層のみを除去することを提案している。この層の除去は、ブラシまたはレーザビームによって相対的に簡単に行える。この場合、金属間合金層は、対照的に大幅により薄く、除去がより困難であるため、溶接対象の鋼板上に残される。ただし、被覆のこの部分的除去も費用と時間がかかる。更に、特許文献１により被覆が部分的に除去された鋼ブランクの溶接時、溶融池に入る金属間合金層からのアルミニウムの量は、溶接シームの焼入れ性の低下が時として観察されるほど依然として多い場合がある。
加えて、テーラードブランクのレーザ溶接は、板金の耐荷重断面の減少を時としてもたらす。溶接対象の鋼板を所定寸法に切断するときに生じる切断間隙のため、溶接シームにおいて上層は時として沈む、および／または溶接のルートが時として凹状になる。この問題は、主に、板厚が同じで材質が異なる鋼板同士の組み合わせにおいて存在する。冷間成形用のテーラードブランクの場合と異なり、熱間成形用のテーラードブランクの溶接シームの強度は、炉内での熱処理および急冷後、鋼板の鋼材料に比べ、向上しない。冷間成形用のテーラードブランクにおいては、強度のこの向上は、板金断面の減少の影響を打ち消すことができる。これは、熱間成形用のテーラードブランクでは、従来は不可能であった。
特許文献２は、レーザ・アークハイブリッド溶接法を開示している。この方法では、アルミニウム含有被覆を有するマンガンボロン鋼製ブランクが突き合わせ接合で相互接続される。突き合わせ接合部の金属を溶融させてブランク同士を溶接するために、レーザビームは少なくとも１つの電気アークと組み合わされる。この場合、アークは、タングステン溶接電極によって放電されるか、またはＭＩＧ溶接トーチを用いてフィラーワイヤの端部に形成される。フィラーワイヤは、溶接シームの微細組織のオーステナイト変態を促進する、ひいては焼入れ性を促進する、合金元素（例えば、ＭｎおよびＮｉ）を含有し得る。このハイブリッド溶接法は、マンガンボロン鋼製で熱間成形可能な、アルミニウム−シリコン系の被覆が設けられているブランク同士の溶接を、生成される溶接シーム領域の被覆材料を予め除去せず、同時に、両ブランクの突き合わせ端縁上のアルミニウムが溶接シーム内の成分の抗張力低下を招かないことを保証しながら、可能にすることを意図している。レーザビーム後に電気アークを使用すると、溶融池が均質化され、ひいてはフェライト微細組織を生じさせる１．２重量％超の局所的アルミニウム濃度が排除されるはずである。
ただし、レーザビーム・アークハイブリッド溶接法は、追加のアークを発生させる結果として、比較的低速であり、エネルギー消費の点でコストがかかる。更に、この方法は、シームが太く、ルートが拡張した極めて幅広の溶接シームを生成する。
更に、本出願人の特許文献３は、マンガンボロン鋼（ＭｎＢ鋼）製のワークを突き合わせ接合でレーザ溶接する方法を開示している。この方法において、ワークは少なくとも１．８ｍｍの板厚、および／または突き合わせ接合部に少なくとも０．４ｍｍの板厚差を有し、レーザ溶接は、レーザビームのみによって生じさせた溶融池にフィラーワイヤを送り込みながら、行われる。この方法においては、溶接シームがマルテンサイト微細組織を有するように熱間成形中に確実に焼入れ可能であることを保証するために、フィラーワイヤは、マンガン、クロム、モリブデン、シリコン、および／またはニッケルを含む群からの少なくとも１種の合金元素を含有する。合金元素は、溶融池におけるオーステナイトの形成を促進する。フィラーワイヤ中の前記合金元素の含有量は、ワークのプレス焼入れ可能な鋼中の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％多い。この場合、ワークは、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆を備えることができる。この金属被覆は、レーザ溶接の実施前に、溶接対象の突き合わせ端縁に沿った縁部から除去される。更に、この方法においては、フィラーワイヤは、溶融池に送り込まれる前に、少なくとも長手方向の一部分が少なくとも５０℃の温度に加熱される。この方法は、実際に功を奏している。ただし、溶接対象の鋼板の縁部の金属被覆を除去するためにレーザ光または機械的切除を使用するので、極めて費用と時間がかかる。
本発明の目的は、材質および／または板厚が互いに異なる鋼板同士を突き合わせ接合で接合可能なレーザ溶接方法を提供することである。少なくとも一方の鋼板は、焼入れ可能な鋼から製作され、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆を備え、その溶接シームは、熱間成形（プレス焼入れ）中に、（例えばＭｎＢ−ＭｎＢ接続部において）マルテンサイト微細組織または（例えば、ＭｎＢ鋼と非調質鋼との接続部において）混合微細組織に確実に変態可能である。この目的は、本溶接方法によって比較的高い費用効果と最適化された溶接シーム形状とをもたらすことである。
この目的を達成するために、請求項１に記載の特徴を有する方法が提案される。本発明による方法の好適かつ有利な複数の実施形態が従属請求項に見出される。
本発明による方法は、熱間成形可能なテーラーメイドの半完成板金製品を製作するために使用される。本方法においては、材質および／または板厚がそれぞれ異なる少なくとも２枚の鋼板がレーザ溶接によって突き合わせ接合で接合される。これら鋼板のうちの少なくとも１枚は、プレス焼入れ可能な鋼、好ましくはマンガンボロン鋼、から製作され、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆を備える。レーザ溶接は、少なくとも１つのレーザビームのみによって生じさせた溶融池にフィラーワイヤを送り込みながら、行われる。このフィラーワイヤは、アルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する合金元素を少なくとも１種含有する。フィラーワイヤ中のこの合金元素の含有量は、プレス焼入れ可能な鋼中の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％多い。フィラーワイヤは、溶融池に送り込まれる前に、加熱デバイスによって加熱される。本発明による方法は、溶接対象の前記鋼板の両端縁によって画定される間隙が存在するように、およびこの間隙の平均幅が少なくとも０．１５ｍｍであるように鋼板が互いに溶接され、この間隙に挿入されるフィラーワイヤの材料の量は、少なくとも１つのレーザビームによって溶融される鋼板材料の体積に対するこの間隙に挿入されるフィラーワイヤの体積の比が少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％になるような量であることを更に特徴とする。
本発明において、アルミニウムを全く含有しない、またはアルミニウムをほぼ含有しない、フィラーワイヤとは、不可避不純物または不可避的な痕跡量を除き、アルミニウムを全く含有しないフィラーワイヤを意味すると理解されたい。
本発明によるレーザ溶接方法においては、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆を備えた鋼板の縁部から前記被覆を事前に除去する必要がない。したがって、前記被覆は前記端縁部から事前に除去されない。縁部からの金属被覆の除去（アブレーション）を省いた結果、本発明による方法は、特許文献１による公知の方法に比べ、大幅に費用効果が高い。
間隙の平均幅が少なくとも０．１５ｍｍ、好ましくは少なくとも０．１８ｍｍ、特に好ましくは少なくとも０．２ｍｍであり、前記レーザが接合部に当たる箇所におけるレーザビームの直径またはレーザビームの幅がレーザビームの標準直径に比べほぼ変わらないように鋼板が本発明により接合されるとすると、溶融されて溶融池に流入する鋼板の材料が、ひいてはアルミニウム含有被覆の体積も、減ることが保証される。鋼板の位置決めによって調整される間隙は、アルミニウムをほぼ含有しないフィラーワイヤの溶融材料で充填される。更に、フィラーワイヤの挿入は、溶融池の均質化の向上をもたらす。すなわち、金属被覆から溶融池に流入するアルミニウムの体積が著しく減り、極めて均質に、またはほぼ均質に、分散される。本発明によると、間隙に挿入されるフィラーワイヤの材料の量は、レーザビームによって溶融される鋼板材料の体積に対する間隙に挿入されるフィラーワイヤの体積の比が少なくとも２０％、または少なくとも３０％、好ましくは少なくとも３５％、特に好ましくは少なくとも４０％になるような量である。
間隙の平均幅は、好ましくは０．５ｍｍ以下に設定されるべきである。したがって、本発明による方法は、従来のレーザビーム溶接用の光学素子を用いて実施可能である。その理由は、レーザビームが接合部に当たる箇所におけるレーザビームの直径または幅ができる限り変わらないと想定されるからである。間隙の平均幅がより狭く、レーザ光のみで溶接すると、レーザ・アークハイブリッド溶接における相対的に幅広の溶接シームに比べ、シームおよびルートの広がりが小さい幅狭の溶接シームになる。同じ理由により、少なくとも１つのレーザビームによって溶融される鋼板材料の体積に対する間隙に挿入されるフィラーワイヤの体積の比は、６０％以下であるべきである。
本発明による方法で使用されるフィラーワイヤは、アルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する合金元素を少なくとも１種含有し、この合金元素のフィラーワイヤ中の含有量は、プレス焼入れ可能な鋼中の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％、好ましくは少なくとも０．２重量％多い。オーステナイトの形成を促進する合金元素を１種以上追加することによって、溶接シームの焼入れ性が向上する。フィラーワイヤは、オーステナイトの形成を促進する、またはオーステナイトを安定化させる、合金元素として少なくともマンガンおよび／またはニッケルを含有することが好ましい。
本発明による方法の別の好適な実施形態において、使用されるフィラーワイヤの組成は、０．０５〜０．１５重量％のＣ、０．５〜２．０重量％のＳｉ、１．０〜３．０重量％のＭｎ、０．５〜２．０重量％のＣｒ＋Ｍｏ、１．０〜４．０重量％のＮｉ、ならびに残部がＦｅおよび不可避不純物である。内部試験では、本発明による方法を使用すると、その後のテーラードブランクの熱間成形（プレス焼入れ）時に、この種のフィラーワイヤによってマルテンサイト微細組織（例えば、ＭｎＢ−ＭｎＢ接続の場合）または混合微細組織（例えば、ＭｎＢ鋼と非調質鋼との接続の場合）に極めて確実に完全に変態することを保証できることが証明された。
本発明による方法の別の好適な実施形態によると、使用されるフィラーワイヤの炭素含有量は、互いに溶接される鋼板の少なくとも一方のプレス焼入れ可能な鋼の炭素含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％少ない。これにより、溶接シームの脆化が防止される。特に、フィラーワイヤの炭素含有量が相対的に低いことによって、溶接シームの残留延性が極めて高くなる。
本発明によると、フィラーワイヤは、溶融池に送り込まれる前に、加熱デバイスによって加熱される。例えば、フィラーワイヤは、溶融池に送り込まれる前（流入する前）に、加熱デバイスによって少なくとも６０℃、好ましくは少なくとも１００℃、特に好ましくは少なくとも１５０℃、特に少なくとも１８０℃、の温度に加熱される。これにより、加熱されていないフィラーワイヤに比べ、極めて高い溶接速度が可能になる。この理由は、加熱されたフィラーワイヤの端部は、レーザビームによってより急速に溶融可能であることによる。更に、フィラーワイヤが溶融池に送り込まれる前に加熱される結果として、溶接プロセスがより安定化される。
本発明による方法において、溶接速度、すなわち、突き合わせ接合で互いに溶接される鋼板がレーザビームに対して動かされる速度、は少なくとも３ｍ／分、好ましくは少なくとも６ｍ／分、特に好ましくは少なくとも９ｍ／分である。
フィラーワイヤを急速かつ効率的に加熱するために、本発明による方法では、フィラーワイヤが溶融池に送り込まれる前に、前記ワイヤを誘導的、電気的、伝導的、または放熱によって加熱する加熱デバイスが使用されることが好ましい。この場合、フィラーワイヤの電気加熱は、接触によってフィラーワイヤに電流が流されるように行われることが好ましい。フィラーワイヤの送り込み速度は、レーザ溶接速度の７０〜１００％の範囲内であることが好ましい。
突き合わせ接合で溶接される被覆付き鋼板の縁部から事前に被覆が除去された後に行われるレーザビーム溶接に比べ、本発明による方法は、最適化された溶接シーム形状、特に耐荷重がより大きな鋼板端縁の断面、を実現する。これは、その後に動的荷重が溶接シームにかかる場合に特に好都合である。
プレス焼入れ可能な鋼としてマンガンボロン鋼が使用されることが好ましい。本発明による方法の好適な一実施形態において、突き合わせ接合で互いに溶接される鋼板の少なくとも一方は、その組成が０．１０〜０．５０重量％のＣ、最大０．４０重量％のＳｉ、０．５０〜２．００重量％のＭｎ、最大０．０２５重量％のＰ、最大０．０１０重量％のＳ、最大０．６０重量％のＣｒ、最大０．５０重量％のＭｏ、最大０．０５０重量％のＴｉ、０．０００８〜０．００７０重量％のＢ、最小０．０１０重量％のＡｌ、ならびに残部がＦｅおよび不可避不純物であるプレス焼入れ可能な鋼を含むように選択される。この種の鋼板から製作される構成要素は、プレス焼入れ後に、相対的に高い抗張力を有する。プレス焼入れによって強度が最大化されるテーラーメイドの半完成板金製品を提供するために、それぞれ異なる、または同一の、マンガンボロン鋼製の鋼板同士を本発明による方法によって溶接することもできる。
本発明による方法の別の有利な実施形態は、少なくとも一方の鋼板がプレス焼入れ不可能であり、例えば非調質鋼から製作される、ことを特徴とする。マンガンボロン鋼などのプレス焼入れ可能な鋼製の鋼板と非調質鋼製の鋼板とを組み合わせると、車体構成要素の特定の領域、例えばＢピラー、において極めて異なる抗張力または延性を得ることが可能になる。この場合、非調質鋼の組成は、０．０５〜０．１５重量％のＣ、最大０．３５重量％のＳｉ、０．４０〜１．２０重量％のＭｎ、最大０．０３０重量％のＰ、最大０．０２５重量％のＳ、０．０１〜０．１２重量％のＮｂ、０．０２〜０．１８重量％のＴｉ、０．０００８〜０．００７０重量％のＢ、少なくとも０．０１０重量％のＡｌ、ならびに残部がＦｅおよび不可避不純物であることが好ましい。この種の鋼は、少なくとも２１％という高い破断時伸びＡ８０を特徴とする。
本発明による方法に使用される鋼板は、金属被覆を含め、例えば０．６〜３．０ｍｍの範囲内の板厚を有する。
本発明による方法の別の有利な実施形態によると、少なくとも１つのレーザビームは、直線集束ビームである。この直線集束ビームは、鋼板の端縁に当たる直線集束ビームの長手方向軸線が前記端縁にほぼ平行に延びるように、互いに溶接される鋼板の端縁に向けられる。焦線であるため、溶融池は、凝固前に液状の状態がより長く継続する。これは、溶融池の混合（均質化）の向上にも寄与する。焦線の長さは、例えば１．２〜２．０ｍｍの範囲内とすることができる。
本発明による方法の別の実施形態においては、溶接シームの脆化を防止するために、レーザ溶接中、シールドガス（不活性ガス）が溶融池に供給される。この場合、純アルゴン、ヘリウム、窒素、またはアルゴン、ヘリウム、窒素、および／もしくは二酸化炭素、および／もしくは酸素の混合物がシールドガスとして使用されることが好ましい。
以下においては、複数の実施形態を示す図面に基づき、本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明によるレーザ溶接方法を実施可能なレーザ溶接デバイスの複数部分を模式的に示す。このデバイスは、材質が互いに異なる２枚の鋼製ブランクまたは鋼板１、２がその上に配置される基盤または可動支持板（図示せず）を備える。鋼板１、２の一方はプレス焼入れ可能な鋼、好ましくはマンガンボロン鋼、から製作され、もう一方の鋼板２または１は、深絞りグレードが相対的に低い鋼、好ましくは非調質鋼、から製作される。
プレス焼入れ可能な鋼は、例えば、以下の化学組成を有し得る。
最大０．４重量％のＣ、
最大０．４重量％のＳｉ、
最大２．０重量％のＭｎ、
最大０．０２５重量％のＰ、
最大０．０１０重量％のＳ、
最大０．８重量％のＣｒ＋Ｍｏ、
最大０．０５重量％のＴｉ、
最大０．００７重量％のＢ、
最小０．０１５重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
最大０．４重量％のＣ、
最大０．４重量％のＳｉ、
最大２．０重量％のＭｎ、
最大０．０２５重量％のＰ、
最大０．０１０重量％のＳ、
最大０．８重量％のＣｒ＋Ｍｏ、
最大０．０５重量％のＴｉ、
最大０．００７重量％のＢ、
最小０．０１５重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
送達状態において、すなわち、熱処理および急冷前、プレス焼入れ可能な鋼１または２の降伏点Ｒｅは好ましくは少なくとも３００ＭＰａ、その抗張力Ｒｍは少なくとも４８０ＭＰａ、およびその破断時伸びＡ８０は１０〜１５％の範囲内である。熱間成形（プレス焼入れ）後、すなわち、約９００〜９２０℃のオーステナイト化温度への加熱およびその後の急冷後、前記鋼板１または２の降伏点Ｒｅは約１１００ＭＰａ、抗張力Ｒｍは約１５００〜２０００ＭＰａ、および破断時伸びＡ８０は約５％である。
これに対し、深絞りグレードが相対的に低い鋼板２または１の鋼または非調質鋼は、例えば、以下の化学組成を有する。
最大０．１重量％のＣ、
最大０．３５重量％のＳｉ、
最大１．０重量％のＭｎ、
最大０．０３０重量％のＰ、
最大０．０２５重量％のＳ、
最大０．１０重量％のＮｂ、
最大０．１５重量％のＴｉ、
最大０．００７重量％のＢ、
最小０．０１５重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
最大０．１重量％のＣ、
最大０．３５重量％のＳｉ、
最大１．０重量％のＭｎ、
最大０．０３０重量％のＰ、
最大０．０２５重量％のＳ、
最大０．１０重量％のＮｂ、
最大０．１５重量％のＴｉ、
最大０．００７重量％のＢ、
最小０．０１５重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
鋼板１、２の少なくとも一方は、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆１．１、２．１を備える。図１に示されている例においては、この種の被覆１．１、２．１が両鋼板１、２に設けられている。被覆１．１、２．１は、一般に、連続溶融めっきプロセスによって鋼帯に施すことができ、その後にこの鋼帯を所定寸法に切断することによって鋼板１、２が得られる。
図１に示されている鋼板１、２は、板厚がほぼ同じである。鋼板１、２の板厚は、被覆１．１、２．１を含め、例えば０．６〜３．０ｍｍの範囲内である。鋼板１、２の上面または下面の被覆１．１、２．１の厚さは、例えば約１０〜１２０μｍの範囲内、好ましくは５０μｍ以下、である。
鋼板１、２の上方に、レーザ溶接ヘッド３の一部分が示されている。レーザ溶接ヘッド３は、レーザビーム４を供給するための光学素子（図示せず）と、レーザビーム４を集光するための合焦装置とを備える。更に、シールドガスを供給するためのライン５がレーザ溶接ヘッド３上に配置されている。シールドガスライン５は、レーザビーム４の焦点領域、またはレーザビーム４によって生じさせた溶融池６、にほぼ開口する。純アルゴンまたはアルゴンとヘリウムおよび／もしくは二酸化炭素との混合物がシールドガスとして使用されることが好ましい。
加えて、レーザ溶接ヘッド３にワイヤ送り込み装置７が割り当てられている。ワイヤ送り込み装置７によってワイヤ８の形態の特定の溶加材が溶融池６に供給され、更にはレーザビーム４によって溶融される。溶接シームに参照符号９が付与されている。フィラーワイヤ８はアルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する、またはオーステナイトを安定化させる、少なくとも１種の合金元素、好ましくはマンガンおよび／またはニッケル、を含有する。
ブランクまたは鋼板１、２は、幅が少なくとも０．１５ｍｍ、好ましくは少なくとも０．２ｍｍ、の間隙Ｇが存在するように、突き合わせ接合で接合される。互いに溶接される鋼板の端縁によって画定される間隙Ｇの平均幅ｂは、０．１５〜０．５ｍｍの範囲内である。被覆付き鋼板１および／または２において、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン被覆１．１、２．１は、突き合わせ接合で溶接される鋼板端縁まで延在している。したがって、鋼板１、２は、溶接される鋼板端縁の縁部から被覆を（事前に）除去せずに、溶接される。
合焦装置は、ほぼ点状もしくは円形の焦点を形成するように、または好ましくは焦線を形成するように、レーザビーム４を集光する。レーザビーム４が鋼板１、２に当たる箇所におけるレーザビーム４の直径または幅は、約０．７〜０．９ｍｍの範囲内である。相対的に幅広の間隙Ｇは、その幅ｂが少なくとも０．１５ｍｍであり、例えば０．２５〜０．５ｍｍの範囲内にでき、溶融されて溶融池６に流入する鋼板１、２の材料ひいてはアルミニウム含有被覆１．１、２．１の体積が減ることを保証する。間隙Ｇは、固体状態で約０．８〜１．２ｍｍの範囲内の直径を有するフィラーワイヤ８が溶融した材料で充填される。間隙Ｇへの溶加材の挿入により、被覆１．１、２．１の溶融した縁部から溶融池６に流入するアルミニウムが大幅に薄くなり、かつ均質に分散される。レーザビーム４によって溶融される鋼板材料の体積に対する間隙Ｇに挿入されるフィラーワイヤの体積の比は、少なくとも２０％、好ましくは約３０〜６０％の範囲内である。
フィラーワイヤ８は、例えば、以下の化学組成を有する。
０．１重量％のＣ、
０．９重量％のＳｉ、
２．２重量％のＭｎ、
０．４重量％のＣｒ、
０．６重量％のＭｏ、
２．２重量％のＮｉ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
０．１重量％のＣ、
０．９重量％のＳｉ、
２．２重量％のＭｎ、
０．４重量％のＣｒ、
０．６重量％のＭｏ、
２．２重量％のＮｉ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物。
この場合、フィラーワイヤ８のマンガン含有量は、プレス焼入れ可能な鋼板のマンガン含有量より多い。フィラーワイヤ８のマンガン含有量は、プレス焼入れ可能な鋼板のマンガン含有量より少なくとも０．２重量％多いことが好ましい。フィラーワイヤ８のクロムおよびモリブデン含有量もプレス焼入れ可能な鋼板１または２のクロムおよびモリブデン含有量より多いと有利である。フィラーワイヤ８のクロム−モリブデンの合計含有量は、プレス焼入れ可能な鋼板１または２のクロム−モリブデンの合計含有量より少なくとも０．１重量％多いことが好ましい。フィラーワイヤ８のニッケル含有量は、１．０〜４．０重量％の範囲内、特に２．０〜２．５重量％の範囲内、であることが好ましい。更に、フィラーワイヤ８の炭素含有量は、プレス焼入れ可能な鋼板１または２の炭素含有量より少ないことが好ましい。フィラーワイヤ８の炭素含有量は、０．０５〜０．１５重量％の範囲内であることが好ましい。
フィラーワイヤ８は加熱された状態で、レーザビーム４によって生じさせた溶融池６に送り込まれる。この目的のために、ワイヤ送り込み装置７は、フィラーワイヤ８を好ましくは誘導的、電気的、伝導的、または放熱によって加熱する加熱デバイス（図示せず）を具備する。これにより加熱されたフィラーワイヤ８の部分は、例えば少なくとも６０℃、好ましくは少なくとも１５０℃、特に好ましくは少なくとも１８０℃の温度を有する。
レーザ溶接デバイスのレーザ源に関して、そのレーザのタイプは、例えばＣＯ２レーザ、ダイオードレーザ、またはファイバレーザである。溶接プロセス中、レーザ源は、少なくとも７ｋＷのレーザ出力で単位長当たり少なくとも０．３ｋＪ／ｃｍのエネルギー入力をもたらす。溶接速度は、例えば３〜９ｍ／分の範囲内、好ましくは８ｍ／分を超える。この場合、フィラーワイヤ８は、レーザ溶接速度の７０〜１００％の範囲内の速度で送り込まれる。
図３および図４に示されている実施形態は、図１および図２の実施形態と異なり、鋼板１、２’の板厚が異なり、したがって少なくとも０．２ｍｍの板厚差ｄが突き合わせ接合部に存在する。例えば、プレス焼入れ可能な鋼板１は０．５ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内の板厚を有し、他方、非調質鋼製または相対的に延性の鋼製の鋼板２’は１．４ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内の板厚を有する。
Claims (16)
- 熱間成形可能なテーラーメイド半完成板金製品の製作方法であって、材質および／または板厚がそれぞれ異なる少なくとも２枚の鋼板（１、２、２’）がレーザ溶接によって突き合わせ接合され、前記鋼板（１、２、２’）のうちの少なくとも１枚はプレス焼入れ可能な鋼から製作され、アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン系の金属被覆（１．１、２．１）を備え、前記レーザ溶接は、少なくとも１つのレーザビーム（４）のみによって生じさせた溶融池（６）にフィラーワイヤ（８）を送り込みながら、行われ、前記フィラーワイヤ（８）はアルミニウムをほぼ含有せず、オーステナイトの形成を促進する合金元素を少なくとも１種含有し、前記フィラーワイヤ（８）中の前記合金元素の含有量は、前記プレス焼入れ可能な鋼中の前記合金元素の含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％多く、前記フィラーワイヤ（８）は、前記溶融池（６）に送り込まれる前に、加熱デバイスによって加熱される、方法において、前記鋼板（１、２、２’）は、互いに溶接される前記鋼板の端縁によって画定される間隙（Ｇ）が存在するように、および前記間隙（Ｇ）の平均幅（ｂ）が少なくとも０．１５ｍｍであるように、互いに溶接されることと、前記間隙（Ｇ）に挿入される前記フィラーワイヤ（８）の材料の量は、前記レーザビーム（４）によって溶融される前記鋼板材料の体積に対する前記間隙（Ｇ）に挿入されるフィラーワイヤの体積の比が少なくとも２０％であるような量であることとを特徴とする方法。
- 前記鋼板（１、２、２’）は、互いに溶接される前記鋼板の前記端縁によって画定される前記間隙（Ｇ）が０．１５〜０．５ｍｍの範囲内の平均幅（ｂ）を有するように、位置決めされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記間隙（Ｇ）に挿入される前記フィラーワイヤ（８）の材料の量は、前記少なくとも１つのレーザビームによって溶融される前記鋼板材料の体積に対する前記間隙（Ｇ）に挿入されるフィラーワイヤの体積の比が３０〜６０％の範囲内になるような量であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 前記加熱デバイスは、前記フィラーワイヤ（８）が前記溶融池（６）に送り込まれる前に、前記ワイヤを誘導的、電気的、伝導的、または放熱によって加熱することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
- 前記フィラーワイヤ（８）は、前記溶融池（６）に送り込まれる前に、前記加熱デバイスによって少なくとも１００℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
- 前記プレス焼入れ可能な鋼はマンガンボロン鋼であることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
- 前記プレス焼入れ可能な鋼の組成が、
０．１０〜０．５０重量％のＣ、
最大０．４０重量％のＳｉ、
０．５０〜２．０重量％のＭｎ、
最大０．０２５重量％のＰ、
最大０．０１０重量％のＳ、
最大０．６０重量％のＣｒ、
最大０．５０重量％のＭｏ、
最大０．０５０重量％のＴｉ、
０．０００８〜０．００７０重量％のＢ、
最小０．０１０重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物、
であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。 - 前記鋼板（１、２、２’）のうちの少なくとも１枚が非調質鋼から製作されることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
- 前記非調質鋼の組成が、
０．０５〜０．１５重量％のＣ、
最大０．３５重量％のＳｉ、
０．４０〜１．２０重量％のＭｎ、
最大０．０３０重量％のＰ、
最大０．０２５重量％のＳ、
０．０１〜０．１２重量％のＮｂ、
０．０２〜０．１８重量％のＴｉ、
０．０００８〜０．００７０重量％のＢ、
最小０．０１０重量％のＡｌ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物、
であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。 - 直線集束ビームの形態の前記少なくとも１つのレーザビーム（４）は、互いに溶接される前記鋼板（１、２、２’）の前記端縁に当たる前記直線集束ビームの長手方向軸線が前記端縁にほぼ平行に延びるように、前記端縁に向けられることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
- 前記フィラーワイヤ（８）は、オーステナイトの形成を促進する前記合金元素として、少なくともマンガンおよび／またはニッケルを含有することを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
- 前記フィラーワイヤ（８）の組成が、
０．０５〜０．１５重量％のＣ、
０．５〜２．０重量％のＳｉ、
１．０〜３．０重量％のＭｎ、
０．５〜２．０重量％のＣｒ＋Ｍｏ、
１．０〜４．０重量％のＮｉ、ならびに
残部がＦｅおよび不可避不純物、
であることを特徴とする、請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。 - 前記フィラーワイヤ（８）の炭素含有量は、前記プレス焼入れ可能な鋼の炭素含有量より、重量比で少なくとも０．１重量％少ないことを特徴とする、請求項１〜１２の何れか一項に記載の方法。
- 前記フィラーワイヤ（８）は、前記レーザ溶接速度の７０〜１００％の範囲内の速度で送り込まれることを特徴とする、請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
- 前記レーザ溶接中、シールドガスが前記溶融池（６）に供給されることを特徴とする、請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法。
- 前記シールドガスとして純アルゴンまたはアルゴンと二酸化炭素との混合物が使用されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
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