JP4591737B2

JP4591737B2 - マルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法

Info

Publication number: JP4591737B2
Application number: JP2001051052A
Authority: JP
Inventors: 巖杉谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002248587A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼きが入りやすいマルテンサイト系ステンレス薄帯を溶接でつなぎ合わせる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材を圧延し薄帯を製造する工程では、最終圧延後の薄帯はコイル状に巻取られて次工程へ送られる。この際、次工程でのコイル替え等の段取り頻度を低減し、製造ラインの生産性を向上させるため、圧延を終えた薄帯は端部を溶接等により接合され1コイルあたりの巻取り長さを増加することが行われる。
この際の接合の方法として、従来から様々な溶接技術が存在し、レーザ溶接は少ない熱影響部で高エネルギーを照射することができる技術として広く知られている。このレーザ溶接は薄帯の製造工程以外にも例えば、電子部品、ＩＴ関連部品として磁気ヘッド、光コネクタ、電池、表示器等の端子・部品の歪み無しを要求される精密接合に応用され、また自動車・家電品等には従来の抵抗スポット溶接等に代りスパッタ無しの高精度シーム接合等にも使用されている技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにレーザ溶接は溶接時の熱影響部が少ない点で優れ、広く用いられる方法である。しかしながら、本発明者が図２に示す従来用いられているパルス波形を用いて、焼入れ性に優れるマルテンサイト系ステンレス薄帯へのレーザ溶接の適用について検討したところ、接合は可能であったが溶接部の靭性の低下が著しく、１８０度曲げにより破断するという問題を生じた。
【０００４】
このような溶接部の靭性の低下は、接合後の薄帯のハンドリング性を悪くする。たとえば、コイルへの巻取り時やコイルからの巻出し時に接合部から破断する可能性もある。この対策として、レーザ溶接後の溶接部に焼戻しを目的とした局部的な熱処理を試みたところ、靭性の回復は可能であったが、生産性が悪く量産技術としては十分なものでは無かった。
本発明の目的は、より靭性の高い溶接部の確保が容易にできる作業性に優れたマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、レーザ溶接により靭性の低下するマルテンサイト系ステンレス薄帯に対して、レーザ溶接の出力を制御することで、レーザ溶接であっても靭性の高い溶接部を得ることが出来ることを見いだし本発明に到達した。
【０００６】
すなわち、本発明は、質量%で炭素当量＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋Ｓｉ％／２４＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１４が２％以上であるマルテンサイト系ステンレス薄帯の突合せ部に、パルスレーザを照射して溶接を行うマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法であって、前記パルスレーザは、対象部分を融点以上に加熱するに必要なエネルギー密度の高い初期と、凝固後の降温中にマルテンサイト形成温度域での冷却速度を低下させるエネルギー密度の低い後期とで１パルス相当とし、該パルスレーザを前記突合せ部に沿って移動させながら照射して溶接することを特徴するマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法である。
上記マルテンサイト系ステンレス薄帯はＣ：０．４％以上、Ｃｒ：１０％以上含むことが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴はレーザパルスのパターン制御にある。本発明のように、エネルギー密度の高い初期とエネルギー密度の低い後期で１パルス相当の照射を行うことにより、高エネルギーを与えられる初期で溶融した部分に対して、エネルギー密度の低い後期により溶融部が急速に冷却するのを防ぐことが可能となる。その結果、薄帯の靭性を著しく低下する過度のマルテンサイトの形成を防止することができる。
【０００８】
上述のように本発明のレーザ溶接において高いエネルギー密度とは、レーザの照射により対象部分を融点以上に加熱するに必要なエネルギー密度を意味する。また、低いエネルギー密度とは、照射により対象部分に与える熱量よりも、薄帯での伝熱による放熱の熱量のほうが大きく、高いエネルギー密度のレーザによる溶解、凝固後の降温中にマルテンサイト形成温度域での冷却速度を、過度のマルテンサイトの形成を抑制できる程度に低下させるに必要なエネルギー密度を意味する。ここで、伝熱による放熱の熱量は、主に薄帯の厚さによって異なるので薄帯に併せて適宜設定する。なお、本発明は溶接時の冷却速度が速い厚さが１００μm以下の薄帯のレーザ溶接に特に有効である。
【０００９】
これらエネルギー密度の異なるレーザを組み合わせて１パルスとすることで、溶接不良のない健全な溶接を達成すると同時に、溶接部の靭性を向上することができる。また、本発明は図３に示すように薄帯の端部を突合わせて溶接を行うため、重ね合わせの接続のように接続部で厚みが極端に増加することがない。そのため薄帯巻取り時や次工程での通材時に、薄帯が詰まること等による不具合の発生を抑制することもできる。
【００１０】
本発明を達成するための照射パルスのパターンとしては、たとえば図１に示すパターンを利用することができる。
図１の１〜４に連続して初期と後期のレーザパルスを照射するパターンを示す。それぞれ、１．段階減衰レーザ照射波形、２．遅延減衰レーザ照射波形、３．段階増加減衰レーザ照射波形、４．遅延増加減衰レーザ照射波形、により本発明を達成している。
【００１１】
本発明のパルスレーザは上記１〜４のように連続して照射してもよいが、マルテンサイト形成温度域にまで降温することのない間隔であれば、図１の５〜８に示すように断続的なパターンを１パルスとすることもでき、必ずしも初期と後期のレーザパルスは連続する必要はない。
また、一連のパルス列として見れば初期の前は後期となるため、初期の前に１パルスを照射しても同様である。断続されるパルスの１群とみなされればよいのである。
【００１２】
なお、本発明者の検討によれば、質量%で炭素当量＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋Ｓｉ％／２４＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１４（Ｍｎ%、Ｓｉ%、Ｎｉ%、Ｍｏ%、Ｖ%の内の１つ以上が０の場合を含む）が２％未満となる組成であれば、2%以上の場合と比べ図２に示すような単純矩形波形の照射による溶接でも接合部の脆化は生じ難い。よって、本発明のマルテンサイト系ステンレス薄帯の炭素当量を2%以上とする。一方、薄帯の強度、耐蝕性の点から用途に応じて合金中に一定量のＣ、Ｃｒの含有が必要となる。よって、本発明を適用する好ましいマルテンサイト系ステンレス薄帯の組成範囲をＣ：0.4％以上、Ｃｒ：10％以上と規定する。
【００１３】
【実施例】
質量%でC：０．７％、Ｍｎ：０．８％、Ｃｒ：１３．５％、残部Ｆｅからなる組成で幅10mmの厚さ７０μmの薄帯の被溶接材１を図３に示すように付き合わせ、図４の１に示す段階減衰レーザ照射波形を用いて溶接を行った。パルスピッチは50ｍｓ/パルス、移動速度は３μm/ｍｓで行った。比較として図２に示す0.4Ｊ/sec×1.2ｍｓの単純矩形波を用い、パルスピッチおよび移動速度は同条件で溶接を行った。
溶接後の薄帯の両端を切断し幅8mmの試片とした後、引張り試験による引張強度測定、曲げ試験による破断の有無、及び硬度分布測定により溶接部の機械的特性の評価を行った。曲げ試験は2.1R（薄帯厚みの３０倍のＲ）での180°曲げにより、また硬度分布はマイクロヴィッカース硬さ試験機により評価した。なお、引張り試験、及び曲げ試験はそれぞれ5回ずつ行った。
【００１４】
本発明例、比較例で被溶接材１の溶接部表３に形成する溶接部２のパルスピッチ、溶接部表３及び溶接部裏４に形成する照射溶解幅はほぼ同じで、それぞれ約150μm、440μm、370μmであった。引張り試験では本発明例、比較例とも203〜270Ｎで破断し、殆ど差は見られなかった。
一方、曲げ試験では本発明例では５本とも破断を生じなかったのに対し、比較例ではすべて破断を生じ、図５に示すように溶接部２の熱影響部５(溶接部の二番)から破断していた。
図６に本発明例および比較例の溶接中心部、及び中心部から100μmおきの硬度測定の結果を示す。素材の硬度は本発明例、比較例とも約300Ｈｖである。一方、溶接部の熱影響部の硬度は単純矩形照射波形で溶接を行った比較例では、570Ｈｖと高く、熱影響部で破断し易い硬度分布となっている。これに対し本発明例では、熱影響部の硬度が約400Ｈｖと低くなり破断し難い分布となっていることがわかる。
【００１５】
図４の１の段階減衰レーザ照射波形の他、図４の２〜８に示すレーザ照射波形を用いて溶接を行ったが、上記本発明例で得た結果と同程度の結果が得られた。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ溶接により溶接部に生じる硬化、脆化の程度が低く、薄帯の突合せ溶接部の曲げ等取り扱いにおいて殆ど破断が発生しない。さらに重ね合わせの接続のように厚みが接続部で極端に増加しないため通材時等の不具合を抑制することもできる。このため容易に薄帯コイルのロングコイル化による薄帯加工装置の段取り替え等の工数低減を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ照射パルス波形の例を示す図である。
【図２】従来から使用されている単純矩形レーザ照射パルス波形を示す図である。
【図３】レーザ溶接により接合した薄帯の形態を示す図である。
【図４】本発明の実施例のレーザ照射波形を示す図である。
【図５】曲げ試験による破断状態を示す図である。
【図６】本発明例と比較例の溶接部近傍の硬度分布を示す図である。
【符号の説明】
１．被溶接材、２．溶接部、３．溶接部表、４．溶接部裏、５．熱影響部（溶接部の二番）

Claims

質量%で炭素当量＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋Ｓｉ％／２４＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１４が２％以上であるマルテンサイト系ステンレス薄帯の突合せ部に、パルスレーザを照射して溶接を行うマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法であって、前記パルスレーザは、対象部分を融点以上に加熱するに必要なエネルギー密度の高い初期と、凝固後の降温中にマルテンサイト形成温度域での冷却速度を低下させるエネルギー密度の低い後期とで１パルス相当とし、該パルスレーザを前記突合せ部に沿って移動させながら照射して溶接することを特徴するマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法。
マルテンサイト系ステンレス薄帯が質量%でＣ：０．４％以上、Ｃｒ：１０％以上含むことを特徴する請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法。
前記マルテンサイト系ステンレス薄帯の厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス薄帯の溶接方法。