JP2023055526A - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のプレス成形品の製造方法では、テーラードブランク材を熱処理した後にプレス成形をすることから、溶接部の硬度が高い場合、溶接部に割れが生じることがあるという問題点があった。【解決手段】ブランク材Ｂ１，Ｂ２同士の接合部ＷＢを含む領域をレーザ照射ＬＣにより加熱してブランク材Ｂ１，Ｂ２の表面の油分を蒸発させる第１工程と、ブランク材Ｂ１，Ｂ２同士をレーザ溶接ＬＷにより接合してテーラードブランク材ＴＢを得る第２工程と、テーラードブランク材ＴＢを冷間プレス成形してプレス成形品Ｐを得る第３工程とを備えた製造方法とし、テーラードブランク材ＴＢにおける溶接部ＷＢの水素脆化を防止しつつ、炭素による溶接部ＷＢの硬化を抑制してプレス成形の際の割れを防止し、高品質のプレス成形品Ｐを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、テーラードブランク材をプレス成形して成るプレス成形品を製造するのに用いられるプレス成形品の製造方法に関するものである。

従来、上記したようなプレス成形品の製造方法としては、例えば、特許文献１に記載されているものがあった。特許文献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は、複数枚の鋼板（ブランク材）を接合したテーラードブランク材を冷間プレスすることによりプレス成形品を製造する際に、溶接後のテーラードブランク材を熱処理し、その後、テーラードブランク材を冷間プレス成形する。これにより、上記の製造方法は、テーラードブランク材の溶接ビード内の水素濃度を低下させ、その後のプレス成形の際に、水素起因による鋼板の割れの発生を防止する。

特開２０１７－１７７１４０号公報

しかしながら、上記したような従来のプレス成形品の製造方法では、溶接後のテーラードブランク材を熱処理し、その後、プレス成形をすることから、溶接部の硬度が高い場合には、溶接部の延性が乏しくなり、プレス成形の際に溶接部に割れが生じることがあるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、テーラードブランク材における溶接部の水素脆化を防止しつつ、炭素による溶接部の硬化を抑制して、プレス成形の際の割れを防ぐことができるプレス成形品の製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係わるプレス成形品の製造方法は、複数枚のブランク材を接合したテーラードブランク材をプレス成形して成るプレス成形品を製造する方法である。このプレス成形品の製造方法は、ブランク材同士の接合部を含む領域をレーザ照射により加熱してブランク材の表面の油分を蒸発させる第１工程を備える。

通常、ブランク材の表面には、油分（防錆油）が塗布してあり、このブランク材をレーザ溶接すると、高温によりプラズマが生じて油分が気化し、これに含まれる水素や炭素が溶接部に侵入する。このため、溶接部には、水素による脆性低下や、炭素による硬化が生じる。そこで、上記のプレス成形品の製造方法では、上記第１工程におけるレーザ照射によりブランク材の表面の油分を蒸発させて除去する。

そして、プレス成形品の製造方法は、ブランク材同士をレーザ溶接により接合してテーラードブランク材を得る第２工程と、テーラードブランク材を冷間プレス成形してプレス成形品を得る第３工程とを備えたことを特徴としている。第２工程では、第１工程においてブランク材の溶接部の油分を除去しているので、レーザ溶接時には油分由来の水素及び炭素が発生しない。これにより、第３工程においては、テーラードブランク材の溶接部の延性を確保した状態で、プレス成形が行われることとなる。

本発明に係わるプレス成形品の製造方法は、上記構成を採用したことにより、テーラードブランク材における溶接部の水素脆化を防止しつつ、炭素による溶接部の硬化を抑制して、プレス成形の際の割れを防ぐことができ、高品質のプレス成形品を得ることができる。

本発明に係わるプレス成形品の製造方法を工程順に示す各々説明図（Ａ）～（Ｅ）である。 レーザ照射装置の一例を示す説明図（Ａ）、及びテーラードブランク材の溶接部の平面図（Ｂ）である。

図１は、本発明に係わるプレス成形品の製造方法の一実施形態を説明する図である。図示例のプレス成形品は、図１（Ｅ）に示す自動車のセンターピラーＰである。このプレス成形品は、図１（Ａ）に示す複数枚（図示例）では２枚のブランク材Ｂ１，Ｂ２を素材としている。

一方のブランク材Ｂ１は、センターピラーＰのピラーアッパＰＵの素材であり、梨地模様を付した他方のブランク材Ｂ２は、センターピラーのピラーロアＰＬの素材である。センターピラー等の自動車の構造材に用いるブランク材Ｂ１，Ｂ２は、少なくとも１枚が、炭素（Ｃ）を０．１５重量％以上含み且つ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板である。

この実施形態では、ピラーロアＰＬに用いるブランク材Ｂ２には、衝突時の外力を吸収するために、上記の鋼板を使用している。他方、ピラーアッパＰＵに用いるブランク材Ｂ１には、衝突時の外力から乗員を保護するために、例えば、引張強度が１１８０ＭＰａ以上の鋼板を使用している。これらのブランク材Ｂ１，Ｂ２は、コイル材をブランキングプレスで打ち抜くことで形成してあり、表面には防錆油（油分）が塗布されている。以下の表１に、両ブランク材Ｂ１，Ｂ２の材質の具体例を示す。

プレス成形品の製造方法は、図１（Ｂ）に示すように、ブランク材Ｂ１，Ｂ２同士の接合部を含む領域をレーザ照射ＬＣにより加熱してブランク材Ｂ１，Ｂ２の表面の油分を蒸発させる第１工程と、図１（Ｃ）に示すように、ブランクＢ１，Ｂ２材同士をレーザ溶接ＬＷにより接合してテーラードブランク材ＴＢを得る第２工程と、図１（Ｄ）に示すように、上型５１と下型５２とを備えた成形型５０によりテーラードブランク材ＴＢを冷間プレス成形して、図１（Ｅ）に示すセンターピラー（成形品）Ｐを得る第３工程とを備えている。

すなわち、上記のプレス成形品の製造方法では、第１工程において、レーザ照射ＬＣによりブランク材Ｂ１，Ｂ２の表面の油分を蒸発させて除去するので、第２工程におけるレーザ溶接時には油分由来の水素及び炭素が発生しない。例えば、表１に示す材質のブランク材Ｂ１，Ｂ２同士をレーザ溶接で接合した場合、後記する実施例で説明するように、炭素量が０．５重量％以下、水素が０．６ｗｔ．ｐｐｍ以下の溶接部（溶接ビードＷＢ）、つまり、水素による脆性低下や炭素による硬化を抑制し得る溶接部（ＷＢ）が得られる。そして、上記のプレス成形方法では、第３工程において、テーラードブランク材ＴＢの溶接部の延性を確保した状態でプレス成形が行われる。

このようにして、上記のプレス成形品の製造方法は、テーラードブランク材ＴＢにおける溶接部（ＷＢ）の水素脆化を防止しつつ、炭素による溶接部（ＷＢ）の硬化を抑制して、プレス成形の際の割れを防ぐことができ、高品質のプレス成形品を得ることができる。

なお、ブランク材Ｂ１，Ｂ２の油分を除去するには、例えば、油分を拭き取ることも可能である。しかしながら、上記のプレス成形品の製造方法では、第２工程でレーザ溶接を行うので、同様にレーザを用いて油分を蒸発させる方が、装置構成を統一して油分の除去を安定して行うことが可能であり、製造効率も良好である。

また、上記の第１工程及び第２工程には、図２（Ａ）に示すように、平面上の少なくとも２カ所にレーザ照射が可能なレーザ照射装置６０を用いることができる。図示のレーザ照射装置６０は、マルチスポットジェネレータと呼ばれるもので、ブランク材Ｂ１，Ｂ２に対して、矢印で示す一方向に相対的な移動が可能である。そして、レーザ照射装置６０は、垂直方向にレーザ溶接用のレーザ照射ＬＷをすると共に、図２（Ｂ）にも示すように、その前方向（図２中で右方向）に加熱用のレーザ照射ＬＣをする。

この際、レーザ溶接用のレーザ照射ＬＷは、周知の出力である。加熱用のレーザ照射ＬＣは、ブランク材Ｂ１，Ｂ２を溶融させずに、油分の蒸発が生じる程度の出力であり、油分の性質にもよるが、具体的な加熱温度としては４００℃～１０００℃程度である。また、図示例のレーザ照射装置６０は、レーザ溶接用のレーザ照射ＬＷの後方に、加熱用のレーザ照射ＬＣを行うこともできる。この後方へのレーザ照射ＬＣは、本発明では必須ではないが、溶接ビードＷＢを徐々に冷却することができる。換言すれば、溶接ビードＷＢの急冷を抑制する。

プレス成形品の製造方法では、上記のレーザ照射装置６０を用いることにより、第１工程であるブランク材Ｂ１，Ｂ２の油分の除去と、第２工程であるブランク材Ｂ１，Ｂ２同士のレーザ溶接が連続的に行われるので、設備の簡略化を実現すると共に、作業効率を大幅に高めることができる。

また、上記のレーザ照射装置６０を使用する場合には、図２（Ｂ）に示すように、加熱用のレーザ照射ＬＣの位置に向けてエアブローを行う送風機６１を使用することがより望ましい。送風する気体としては、空気に限らず、不活性ガスでも良い。これにより、加熱用のレーザ照射ＬＣの位置で発生した油分由来のガスを吹き飛ばして、後方の溶接箇所にガスが及ばないようにし、溶接ビードＷＢに炭素や水素が侵入する事態を未然に阻止することができる。

さらに、図２（Ｂ）に示すように、第１工程におけるレーザ照射ＬＣの幅（スポット径）Ｄ１は、第２工程におけるレーザ溶接時のレーザ照射ＬＷの幅（スポット径）Ｄｗと同じ、若しくはそれ以上の幅Ｄ２にすることが望ましい。これにより、ブランク材Ｂ１，Ｂ２の必要最小限の範囲に対して油分の除去が行われることとなり、溶接部における油分由来の炭素及び水素の巻き込みを防止しつつ作業効率を高めることができる。

さらに、上記のプレス成形品の製造方法では、先述したように、ブランク材Ｂ１，Ｂ２の少なくとも１枚が、炭素を０．１５重量％以上含み且つ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板とすることで、熱処理工程を追加することなく、水素の溶け込みによる脆化リスクの高い鋼板の成形割れを抑制することができる。

さらに、プレス成形品の製造方法では、より望ましい実施形態として、第２工程で得たテーラードブランク材ＴＢにおけるレーザ溶接部（ＷＢ）の硬度が、５００ＨＶ以下であることが有効である。表２は、ビッカース硬さ（ＨＶ）と平均炭素濃度と成形割れの関係を示す表である。

表２に示すように、溶接ビードＷＢの平均炭素濃度が高くなると、凝固時に焼き入れ性が高まることで、硬さが５００ＨＶを超えて延性に乏しくなり、プレス成形をした際に割れが生じ易くなる。これに対して、溶接ビードＷＢの硬さを５００ＨＶ以下にすることにより、延性を確保して溶接部の限界成形歪みを向上させ、プレス成形時における割れの発生を抑制することができる。

さらに、プレス成形品の製造方法では、ブランク材Ｂ１，Ｂ２の厚さをｔとし、第３工程における冷間プレス成形により曲げられる溶接部（溶接ビードＷＢ）の曲率半径をＲとしたときに、溶接部の曲げ限界であるＲ／ｔが、７．５以下であることがより望ましい。以下の表３に、厚さｔ、曲率半径Ｒ、及び限界であるＲ／ｔの具体例を示す。

また、上記の限界（Ｒ／ｔ）の根拠は、以下の表４及び表５に示す実験結果である。

表４及び表５から明らかなように、比較例１、２は、ブランク材に防錆油を塗布してレーザ溶接による接合及びプレス成形を行ったものである。実施例は、上述した製造方法に準じて、ブランク材の油分をレーザ照射により蒸発させて除去した後、レーザ溶接による接合及びプレス成形を行ったものである。

比較例１，２は、いずれも溶接部の硬度が５００ＨＶを超え、炭素量が０．５ｗｔ％を超えると共に、水素量が０．６ｗｔ．ｐｐｍを超えた。これに対して、実施例は、溶接部の硬度が５００ＨＶ以下で、炭素量が０．５ｗｔ％以下、水素量が０．６ｗｔ．ｐｐｍ以下であった。

また、比較例１は、曲率半径Ｒが８ｍｍ（限界Ｒ／ｔ＝６．７）でプレス成形を行ったところ、溶接部に割れが発生した。他方、比較例２は、曲率半径Ｒが１０ｍｍ（限界Ｒ／ｔ＝８．３）でプレス成形を行ったところ、溶接部に割れは生じなかった。つまり、比較例１，２は、同じ条件でレーザ溶接及びプレス成形を行った場合、曲率半径Ｒが大きく且つ限界Ｒ／ｔも大きい方が、プレス成形時の割れを防止し得ることを示している。

しかしながら、例えば、センターピラーのような自動車の構造材に用いるプレス成形品では、内部に機器を配置したり外部に他の構造材を連結したりするので、断面形状の設計上、コーナー部の曲率半径Ｒが小さい方が望ましい。そこで、比較例１と実施例とを比較すると、双方の曲率半径Ｒはいずれも等しいが、比較例１では溶接部の割れが発生し、実施例では溶接部の割れが生じていない。つまり、実施例は、溶接部の硬度、炭素量及び水素量のいずれもが比較例１よりも低いので、曲率半径Ｒを比較例と同一にしても、溶接部の割れが生じないことを明確に示している。

上記のことから、プレス成形品の製造方法では、上記実施例に基づいて、限界Ｒ／ｔを７．５以下にすることにより、成形品断面形状の設計自由度を向上させながら、割れの無い良好なプレス成形品を製造することができる。

本発明に係わるプレス成形品の製造方法は、その構成が上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、上記実施形態ではプレス成形品として自動車のセンターピラーを例示したが、当然、その他の各種部品に適用することができる。

Ｂ１，Ｂ２ ブランク材
Ｐ センターピラー（プレス成形品）
ＴＢ テーラードブランク材
ＷＢ 溶接ビード（溶接部）
１ レーザ照射装置

Claims (7)

1. 複数枚のブランク材を接合したテーラードブランク材をプレス成形して成るプレス成形品を製造するに際し、
   前記ブランク材同士の接合部を含む領域をレーザ照射により加熱して前記ブランク材の表面の油分を蒸発させる第１工程と、
   前記ブランク材同士をレーザ溶接により接合して前記テーラードブランク材を得る第２工程と、
   前記テーラードブランク材を冷間プレス成形して前記プレス成形品を得る第３工程とを備えたことを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. 前記第１工程におけるレーザ照射幅が、前記第２工程におけるレーザ溶接時のレーザ照射幅と同じ幅以上であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品の製造方法。
3. 複数枚の前記ブランク材のうちの少なくとも１枚が、炭素（Ｃ）を０．１５重量％以上含み且つ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス成形品の製造方法。
4. 前記第２工程で得た前記テーラードブランク材におけるレーザ溶接部の硬度が、５００ＨＶ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造方法。
5. 前記ブランク材の厚さをｔとし、前記第３工程における冷間プレス成形により曲げられる溶接部の曲率半径をＲとして、
   前記溶接部の曲げ限界であるＲ／ｔが、７．５以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造方法。
6. 平面上の少なくとも２カ所にレーザ照射が可能なレーザ照射装置を使用し、
   前記第１工程におけるレーザ照射と、前記第２工程におけるレーザ溶接とを連続的に行うことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造方法。
7. 前記第１工程におけるレーザ照射の位置に向けてエアブローを行うことを特徴とする請求項６に記載のプレス成形品の製造方法。

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