JP4125325B2 - 鋼板のレーザ溶接方法および複合板材の製造方法 - Google Patents
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テーラードブランク材を製造するにあたり、鋼板を突合せ溶接するには、レーザ溶接が多く用いられている。レーザ溶接には、通常、シールドガスとしてアルゴンガスが用いられる。
また、炭酸ガス15〜25%をアルゴンガス等の不活性ガスに混合したガスをアシストガスとして用いて、重ねた鋼材をレーザ溶接する方法も知られている(特許文献2を参照)。
また、酸素を0.5〜10vol%含む、Ar、He、あるいはAr−He混合ガスをシールドガスとして用いて、鋼板をレーザ溶接する方法も知られている(特許文献3を参照)。
また、シールドガスとして、CO2、O2、CO2と他のガスとの混合ガス又はO2と他のガスとの混合ガスを使用するレーザ溶接方法も知られている(特許文献5を参照)。
しかしながら、レーザ溶接では、溶接ビード幅が小さくなるため、鋼板の突合せ溶接を行う場合には、突合せ部における鋼板の隙間(ギャップ)が局所的に大きくなると、この部分において溶接が不充分となり、溶接部の強度や成形性が低下することがあった。特に大型の鋼板を用いる場合には上記隙間が生じやすく、溶接部の強度や成形性の低下が起こりやすいという問題があった。
また、板厚が異なる複数の鋼板からなるテーラードブランク材では、溶接金属が、厚板側から薄板側に向けて徐々に厚みを減じる形状となる。
鋼板に対する溶接金属外面の傾斜が急峻である場合には、プレス成形時に応力集中による割れが発生したり、厚板側のエッジ部によってプレス金型が損傷を受けることがあるため、溶接金属の傾斜を小さくすることが望まれている。
(1)突合せ部における鋼板の隙間が大きい場合でも溶接不良を防ぐことができ、かつ溶接部の成形性を高めることができる溶接方法および複合板材の提供。
(2)板厚が異なる鋼板を突合せ溶接する場合に、溶接金属外面の傾斜角度を小さくすることができる溶接方法および複合板材の提供。
請求項1にかかる発明は、鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接する方法であって、
シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法である。
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部の裏ビード幅0.7mm以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法である。
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部のt/T(tは溶接金属の最小厚さで、Tは板厚の薄い方の鋼板の厚さである)が0.8以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法である。
シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法である。
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部の裏ビード幅0.7mm以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法である。
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部のt/T(tは溶接金属の最小厚さで、Tは板厚の薄い方の鋼板の厚さである)が0.8以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法である。
(1)炭酸ガスを含むシールドガスを用いるので、不活性ガスのみからなるシールドガスを用いる場合に比べて、溶接時に溶け込みを増加させることができる。
このため、突合せ部における鋼板の隙間(ギャップ)が大きい場合でも、溶接不良を防ぎ、溶接部の機械的強度および成形性を高めることができる。
従って、溶接された鋼板をプレス成形する際に、溶接部が破損するのを防ぐことができる。また、要求される突合せ精度を緩和することができる。
本発明では、酸化性のガスである炭酸ガスを含むシールドガスを用いるので、溶接部の硬度を低くし、じん性を高め、成形性を向上させることができる。
従って、プレス成形時に溶接部が破損するのを防ぐことができる。
このため、過剰な溶け込みにより溶接部が形状不良となるのを防ぐことができる。従って、溶接部の機械的強度および成形性を高めることができる。
(4)溶融金属を適度に酸化し、そのぬれ性と流動性を適切な範囲に抑えることができるため、板厚が異なる鋼板を突合せ溶接する場合に、鋼板に対する溶接金属外面の傾斜をゆるやかにすることができる。
従って、プレス成形時における溶接部の割れや、厚板側のエッジ部によるプレス金型の損傷を防ぐことができる。
従って、スパッタ付着によって溶接物の外観が悪化するのを防ぐことができる。またスパッタによってプレス成形用の金型が損傷を受けるのを防ぐことができる。
(6)溶け込みを増加させ溶接不良を防ぐことができるため、高出力レーザやハイブリッドレーザを用いる必要がなく、設備コストを抑えることができる。
(7)溶け込みを増加させ溶接不良を防ぐことができるため、溶接速度を高めることができる。従って、生産性向上が可能である。
本発明の溶接方法では、シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用いる。
炭酸ガス濃度は、25vol%以上または30vol%以上としてもよい。炭酸ガス濃度は、45vol%以下または40vol%以下としてもよい。
すなわち、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスと、1vol%未満の酸素ガスとを含む混合ガスを用いることができる。
このシールドガスは、10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含み、残部がアルゴンからなる混合ガスとすることができる。
酸素濃度は、1.5vol%以上または2vol%以上としてもよい。酸素濃度は、4.5vol%以下または4vol%以下としてもよい。
酸素濃度は、上記範囲を下回ると溶け込みが不充分となり、溶接部の強度や成形性が低下しやすくなる。酸素濃度が上記範囲を越えると、溶接部の形状不良やスパッタ発生が起こりやすくなる。
なお、シールドガスには、他の成分、例えば不可避的な不純物が含まれていてもよい。
本発明の溶接方法は、後工程においてプレス成形される鋼板、例えばテーラードブランク工法に用いられるテーラードブランク材に適用することができる。
テーラードブランク材とは、板厚または材質が異なる板材どうしを突合せ溶接して一体化した複合板材をいう。テーラードブランク工法とは、複数の板材からテーラードブランク材を製造し、これをプレス成形する工法をいう。
本発明は、特に、板厚が互いに異なる鋼板を突合せ溶接する差厚突合せ溶接に適用するのが好適である。
本発明は、自動車部品、例えば車体部品の製造に適用することができる。
(1)炭酸ガスを含むシールドガスを用いるので、不活性ガスのみからなるシールドガスを用いる場合に比べて、溶接時に溶け込みが増加し、深さ方向に幅が均一な溶け込み形状が得られる。
溶け込みが十分になるため、突合せ部における鋼板の隙間(ギャップ)が大きい場合でも、溶接不良を防ぎ、溶接部の機械的強度および成形性を高めることができる。
従って、溶接された鋼板をプレス成形する際に、溶接部が破損するのを防ぐことができる。また、要求される突合せ精度を緩和し、製造を容易にすることができる。
上記混合ガスの使用によって、溶け込みが増加する理由については、次の推測が可能である。すなわち、酸化性ガスである炭酸ガスによって、溶接部が適度に酸化されるため、酸化熱が発生するとともに、レーザ光の吸収力が高められる。 このため、溶接部が効率よく加熱され、溶け込みが増加すると考えられる。
本発明では、炭酸ガスを含むシールドガスを用いるので、炭酸ガスにより溶接部に酸化物を生成させ、硬度上昇の原因となるオーステナイト粒の成長を抑制することができる。
このため、溶接部の硬度を低くし、じん性を高め、成形性を向上させることができる。従って、プレス成形時に溶接部が破損するのを防ぐことができる。
このため、過剰な溶け込みにより溶接部が形状不良となるのを防ぐことができる。従って、溶接部の機械的強度および成形性を高めることができる。
これに対し、酸素ガスと不活性ガスからなるシールドガスを用いる場合には、酸素の酸化力によって溶け込みが過剰となり、溶融金属の流動により溶接部形状が不安定となるおそれがある。
従って、プレス成形時における溶接部の割れや、厚板側のエッジ部によるプレス金型の損傷を防ぐことができる。
これに対し、酸素ガスと不活性ガスからなるシールドガスを用いる場合には、溶融金属の流動により、溶接金属外面の傾斜が急峻となることがある。
従って、スパッタ付着によって溶接物の外観が悪化するのを防ぐことができる。またスパッタによってプレス成形用の金型が損傷を受けるのを防ぐことができる。
これに対し、酸素ガスと不活性ガスからなるシールドガスを用いる場合には、酸化反応が激しくなり、スパッタが発生しやすい。
本発明は、スパッタ付着がなく表面平滑性が高い溶接物を得ることができるため、自動車部品製造に適用する場合に特に有用である。
従って、高出力レーザやハイブリッドレーザを用いる必要がなく、設備コストを抑えることができる。
(7)溶け込みを増加させ溶接不良を防ぐことができるため、溶接速度を高めることができる。従って、生産性向上が可能である。
(試験1:裏ビード幅の測定)
(試験例1−1)
厚さが異なる2枚の両面亜鉛メッキ鋼板(目付け量45g/m2)(板厚はそれぞれ0.7mm、1.4mm)をレーザ溶接によって突合せ溶接した。溶接条件は以下の通りである。なお、以下、厚さ0.7mmの鋼板を薄板といい、厚さ1.4mmの鋼板を厚板ということがある。
鋼板の端面処理:レーザカット
使用レーザ:YAGレーザ
レーザ出力:2kW
溶接方法:下向き差厚突合せ溶接
狙いずれ量:0mm
溶接速度:3.0m/min
ギャップ(2枚の鋼板の隙間):0mm
シールドガス:Ar−CO2混合ガス(またはAr)
シールドガス流量:40L/min
ノズル(シールドガス供給用):同軸型二重シールドノズル
裏ビード幅(平均値)を測定した結果を図1に示す。図中、添加ガス濃度はシールドガスの炭酸ガス濃度(xvol%)を示す。
シールドガスとして、Ar−O2−CO2混合ガス(またはAr−O2混合ガス)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。シールドガスの酸素濃度は5vol%とした。その他の条件は試験例1−1に準じた。
裏ビード幅を測定した結果を図1に示す。図中、添加ガス濃度は、シールドガスの酸素濃度(5vol%)と炭酸ガス濃度(yvol%)の合計を示す。
シールドガスとして、Ar−O2混合ガス(またはAr)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。その他の条件は試験例1−1に準じた。
裏ビード幅を測定した結果を図1に示す。図中、添加ガス濃度はシールドガスの酸素濃度(xvol%)を示す。
なお、いずれの試験例においても、裏ビードは長さ方向にとぎれることなく形成された。
(試験例2)
シールドガスとしてAr、Ar−CO2混合ガス(CO2濃度30vol%)、またはAr−O2−CO2混合ガス(O2濃度5vol%、CO2濃度20vol%)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。その他の条件は試験例1−1に準じた。
図2はArを用いた場合の溶接部断面を示し、図3はAr−CO2混合ガスを用いた場合の溶接部断面を示し、図4はAr−O2−CO2混合ガスを用いた場合の溶接部の断面を示す。
図3、4に示すように、Ar−CO2混合ガスまたはAr−O2−CO2混合ガスを用いた場合には、表ビード幅(上面側)と裏ビード幅(下面側)との間に大きな差がなく、深さ方向に幅がほぼ均一な溶け込み形状が得られた。
(試験例3)
シールドガスとして、Ar、Ar−CO2混合ガス、Ar−O2混合ガス、またはAr−O2−CO2混合ガスを用い、ギャップ(2枚の鋼板の隙間)を0〜0.3mmとして鋼板の突合せ溶接を行い、裏ビードを確認した。狙いずれ量はギャップが0mmの場合に0mmとし、ギャップが0.1mm以上である場合に0.1mmとした(厚板に対し、突合せ端面から0.1mmずれた位置にレーザ光を照射)。その他の条件は試験例1−1に準じた。
結果を表1に示す。裏ビードが観察された場合を○と評価し、観察されなかった場合を×と評価した。
(試験例4)
シールドガスとして、Ar、Ar−CO2混合ガス、Ar−O2混合ガス、またはAr−O2−CO2混合ガス(O2濃度5vol%)を用い、ギャップを0.25mmとして鋼板の突合せ溶接を行った。狙いずれ量は0.1mmとした。その他の条件は試験例1−1に準じた。
図5に示すように、溶接部の溶接金属の最小厚tを測定し、薄板の厚さT(0.7mm)に対する比率(t/T)を算出した。
結果を図6に示す。図中、添加ガス濃度は、試験1と同様、Ar以外の成分濃度である。溶接ができなかった場合の溶接金属厚比はゼロとした。
(試験例5)
シールドガスとして、Ar、Ar−CO2混合ガス、Ar−O2混合ガス、またはAr−O2−CO2混合ガス(O2濃度5vol%)を用いて鋼板の突合せ溶接を行い、溶接金属のビッカーズ硬さ(最高硬さ)を測定した。その他の条件は試験例1−1に準じた。
ビッカーズ硬さは、頂角136度のダイヤモンド四角鐘を試験片の表面に押圧し、できた凹みの表面積で、加えた荷重を除した値をいう。すなわち、ビッカーズ硬さHv=1.8544p/d(p:押圧荷重(kg)、d:凹みの対角線の長さの平均(mm))である。
(試験例6)
シールドガスとしてAr、Ar−O2混合ガス(O2濃度10vol%)、またはAr−CO2混合ガス(CO2濃度30vol%)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。その他の条件は試験例1−1に準じた。
厚板側から薄板側に向けて徐々に厚みを減じる形状となった溶接金属の外面(上面)の傾斜について評価した。
図7はArを用いた場合の溶接部断面を示し、図8はAr−O2混合ガスを用いた場合の溶接部断面を示し、図9はAr−CO2混合ガスを用いた場合の溶接部の断面を示す。
(試験例7)
シールドガスとしてAr−CO2混合ガス(CO2濃度30vol%)、またはAr−O2混合ガス(O2濃度10vol%)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。その他の条件は試験例1−1に準じた。
溶接部を観察し、スパッタ発生の有無を確認した。
図10は、溶接部の外観(表ビードおよび裏ビード)を示す。図において、水平方向に延びる溶接部より上方の部分が厚板であり、下方部分が薄板である。
(試験例8)
シールドガスとしてAr−CO2混合ガス(CO2濃度30vol%または70vol%)を用いて鋼板の突合せ溶接を行い、表ビードの均一性について評価した。その他の条件は試験例1−1に準じた。
図11は、溶接部の外観(表ビード)を示す。図において、水平方向に延びる溶接部より上方の部分が厚板であり、下方部分が薄板である。
(試験例9)
シールドガスとしてAr、Ar−CO2混合ガス、またはCO2を用いて鋼板の突合せ溶接を行い、目視によって表ビードの均一性を評価した。その他の条件は試験例1−1に準じた。結果を表2に示す。
(試験例10)
シールドガスとしてAr−O2−CO2混合ガス(またはAr−O2混合ガス)を用いて鋼板の突合せ溶接を行った。シールドガスの酸素濃度は0.5〜20vol%とした。その他の条件は試験例1−1に準じた。
裏ビード幅の測定結果を図12に示す。図中、混合比はシールドガスの炭酸ガス濃度(xvol%)を示す。
また、酸素濃度が5vol%以上である場合には、炭酸ガス濃度によらず、裏ビード幅は十分な値(0.7mm以上)となった。
(試験例11)
シールドガスとしてAr、Ar−O2混合ガス、またはAr−O2−CO2混合ガスを用い、ギャップ(2枚の鋼板の隙間)を0〜0.3mmとして鋼板の突合せ溶接を行い、裏ビードを確認した。狙いずれ量はギャップが0mmの場合に0mmとし、ギャップが0.1mm以上である場合に0.1mmとした。その他の条件は試験例1−1に準じた。
結果を表3に示す。裏ビードが観察された場合を○と評価し、観察されなかった場合を×と評価した。
酸素濃度が2vol%である場合には、炭酸ガス濃度が10vol%以上であるときに、優れた耐ギャップ性が得られた。
酸素濃度が5vol%以上である場合には、炭酸ガス濃度によらず、優れた耐ギャップ性が得られた。
(試験例12)
シールドガスとして、Ar−O2−CO2混合ガス(またはAr−O2混合ガス)を用い、ギャップを0.25mmとして鋼板の突合せ溶接を行った。狙いずれ量は0.1mmとした。その他の条件は試験例1−1に準じた。溶接部の溶接金属の最小厚tを測定し、薄板の厚さT(0.7mm)に対する比率(t/T)を算出した。
結果を図13に示す。図中、混合比はシールドガスの炭酸ガス濃度(xvol%)を示す。
また、酸素濃度が2〜10vol%である場合には、炭酸ガス濃度を10vol%以上とすると、溶接金属厚は十分な値(t/Tが0.8以上)となった。
また、酸素濃度が20vol%である場合には、炭酸ガス濃度によらず、溶接金属厚は十分な値(t/Tが0.8以上)となった。
(試験例13)
シールドガスとして、Ar−O2−CO2混合ガス(またはAr−O2混合ガス)を用いて鋼板の突合せ溶接を行い、溶接金属のビッカーズ硬さ(最高硬さ)を測定した。その他の条件は試験例1−1に準じた。
結果を図14に示す。図中、混合比はシールドガスの炭酸ガス濃度(xvol%)を示す。
酸素濃度が2vol%以上である場合には、炭酸ガス濃度によらず、溶接金属の硬さを低い値(170以下)にすることができた。
表4は、主にAr−CO2混合ガスについての試験結果をまとめたものであり、表5〜9はAr−O2−CO2混合ガスについての試験結果をまとめたものである。
表5〜9には、試験10〜13で用いたものと同様のAr−O2−CO2混合ガスを用い、試験6〜9と同様にして溶接部傾斜、スパッタ発生の有無、ビードの均一性について評価した結果を併せて示す。
耐ギャップ性(試験3、11)に関しては、裏ビードが観察された場合を○と評価した。
最小溶接金属厚比(試験4、12)に関しては、0.8以上を○と評価した。
溶接部傾斜(試験6)に関しては、鋼板に対する溶接金属の外面(上面)の最大傾斜角度が、Arを用いた場合(図7)とほぼ同等である場合を○と評価し、Arを用いた場合の傾斜角度より著しく大きい場合を×と評価した。
スパッタ(試験7)に関しては、溶接部表面のスパッタの有無を確認し、スパッタ発生が見られない場合を○と評価し、スパッタ発生が見られる場合を×と評価した。
硬さ(試験5、13)に関しては、170以下を○と評価した。
溶け込み形状(試験2)に関しては、深さ方向に幅がほぼ均一な溶け込み形状が得られた場合を○と評価した。
表5に示すように、酸素濃度が1vol%未満であるAr−O2−CO2混合ガスを用いた場合には、炭酸ガス濃度が20〜50vol%であるときに、Ar−CO2混合ガス(炭酸ガス濃度20〜50vol%)とほぼ同等の優れた結果が得られた。
表8、9に示すように、酸素濃度が5vol%を越えるAr−O2−CO2混合ガスを用いた場合には、いずれかの評価項目で劣る結果が得られた。
Claims (6)
- 鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接する方法であって、
シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。 - 鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接して複合板材を製造する方法であって、
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部の裏ビード幅0.7mm以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法。 - 板厚の異なる鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接して複合板材を製造する方法であって、
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと20〜50vol%の炭酸ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部のt/T(tは溶接金属の最小厚さで、Tは板厚の薄い方の鋼板の厚さである)が0.8以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法。 - 鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接する方法であって、
シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。 - 鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接して複合板材を製造する方法であって、
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部の裏ビード幅0.7mm以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法。 - 板厚の異なる鋼板をプレス成形に先だってレーザ溶接により突合せ溶接して複合板材を製造する方法であって、
レーザ溶接が、シールドガスとして、アルゴンと10〜40vol%の炭酸ガスと、1〜5vol%の酸素ガスとを含む混合ガスを用い、鋼板間のギャップを0.1mm〜0.25mmとして行われ、得られた溶接部のt/T(tは溶接金属の最小厚さで、Tは板厚の薄い方の鋼板の厚さである)が0.8以上である複合板材を得ることを特徴とする複合板材の製造方法。
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