JP5073526B2 - 構造部材の重ねレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の鋼板を重ね合せた構造部材の鋼板重ね部に、レーザ光を照射して、耐遅れ破壊特性に優れた溶接部を形成する重ねレーザ溶接方法に関する。

従来、自動車の車体構造部材として、図１に示すように、（ｉ）ハット型断面形状の２つの高張力薄鋼板１を、ハット型断面形状が同方向又は逆方向になるように重ね合せ（（ａ）又は（ｂ）、参照）、(ii)高張力薄鋼板３の片面又は両面にハット型断面形状の高張力薄鋼板１を重ね合せ（（ｃ）又は（ｄ）、参照）、又は、（iii）ハット型断面形状の３つの高張力薄鋼板材を、２つは、ハット型断面形状が同方向に、１つは、ハット型断面形状が逆方向になるように重ね合せ（（ｅ）、参照）、鋼板重ね部（フランジ部）２をスポット溶接で接合した構造部材が使用されている。

高張力薄鋼板の機械的特性を充分に生かし、構造部材としての高強度を確保するためには、鋼板重ね部において、接合強度を充分に確保する必要があるので、近年、スポット溶接に替えて、接合強度が高い溶接ビードを連続的に形成することができるレーザ溶接を用いるようになってきた。

しかも、レーザ溶接の場合、片側からのレーザ光の照射で溶接することができるとともに、ビード幅は、スポット溶接やアーク溶接で形成するビード幅に比べて狭いので、構造部材を設計する際、鋼板重ね部（フランジ部）の幅を狭くすることができ、構造部材を、強度を維持したまま、小型化、軽量化することができる。

それ故、これまで、構造部材のレーザ溶接方法が幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、構造部材のレーザ溶接を実現するために、レーザ溶接を行う鋼板重ね部において、適正な間隔を維持する対策が提案されている。

しかし、近年、自動車の車体構造部材に用いる鋼板の高強度化が進み、それに伴い、溶接時に侵入する水素が原因で、レーザ溶接部に遅れ破壊（低温割れ）が発生することが課題となっている。

レーザ溶接部における遅れ破壊の発生を防止する方法は、これまで幾つか提案されている。例えば、特許文献２には、高炭素鋼の突合せレーザ溶接部において、溶接完了後１分以内に、４００℃以上Ａc₁点以下の温度範囲で、後熱処理を施すことが提案されている。

しかし、上記対策においては、後熱処理を必要とするので、構造部材の製作コストが上昇するほか、後熱処理による熱変形により、構造部材の形状を正確に作り込むことが困難になるという課題がある。

特開平８−９０２６４号公報 特開平５−１３２７１９号公報

本発明は、構造部材のレーザ溶接部に係る上記課題に鑑み、複数の鋼板を重ね合せた構造部材の重ねレーザ溶接において、水素脆化に起因する遅れ破壊（低温割れ）が発生しない溶接部を形成することを課題とし、該課題を解決するレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

遅れ破壊は、溶接中、周辺雰囲気より侵入する水素、塗装工程で侵入する水素、及び／又は、腐食過程で侵入する水素が、応力場又は歪み場に集積して、材質の脆化が進行して生じる現象である。

そこで、本発明者らは、溶接部に残留する応力又は歪みを、できるだけ抑制するとの観点から、上記課題を解決する溶接手法について鋭意検討した。

その結果、本発明者らは、（ｘ）重ね合せる鋼板の曲率が一定の条件を満足すると、鋼板重ね部（フランジ部）に、遅れ破壊が発生し難い溶接部を形成することができることを見いだした。

さらに、本発明者らは、上記（ｘ）に加え、（ｙ）重ね合せる鋼板への入熱量が一定の条件を満足すると、鋼板重ね部（フランジ部）に、遅れ破壊がより発生し難い溶接部を形成することができることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１） 複数の鋼板を重ね合せた構造部材の鋼板重ね部にレーザ光を照射して溶接部を形成する重ねレーザ溶接方法において、
（ｉ）下記式（１）を満たす曲率で湾曲した複数の鋼板を重ね合せてなる、前記鋼板重ね部を拘束治具で拘束しつつ、
（ii）該鋼板重ね部に、レーザ光を、湾曲方向に移動させて照射することで、
前記鋼板重ね部のレーザ溶接部の剥離応力を低減して拘束治具開放後の遅れ破壊を回避することを特徴とする構造部材の重ねレーザ溶接方法。
１．２×（１／Ｒｉ）≧１／Ｒｏ≧１．０５×（１／Ｒｉ） ……（１）
１／Ｒｏ：曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率
１／Ｒｉ：曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率

（２） 前記鋼板の引張強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする前記（１）に記載の構造部材の重ねレーザ溶接方法。

本発明によれば、複数の鋼板を重ね合せた構造部材の重ねレーザ溶接において、鋼板重ね部に、水素脆化に起因する遅れ破壊（低温割れ）が発生しない溶接部を形成することができる。

本発明の重ねレーザ溶接方法（本発明方法）においては、（ｉ）下記式（１）を満たす曲率で湾曲した複数の鋼板を重ね合せてなる鋼板重ね部を拘束治具で拘束しつつ、（ii）該鋼板重ね部に、レーザ光を、湾曲方向に移動させて照射することで、前記鋼板重ね部のレーザ溶接部の剥離応力を低減して拘束治具開放後の遅れ破壊を回避することを特徴とする。
１．２×（１／Ｒｉ）≧１／Ｒｏ≧１．０５×（１／Ｒｉ） ……（１）
１／Ｒｏ：曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率
１／Ｒｉ：曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率

以下、本発明方法について、図面に基づいて説明する。

図２に示すように、曲率１／Ｒiで湾曲した高張力薄鋼板５の片面に、上記式（１）を満たす曲率１／Ｒoで湾曲したハット型断面形状の高張力薄鋼板４を重ね合せ、鋼板幅方向の端部が重なったフランジ部２に、レーザ光を、レーザ溶接ヘッド６から照射して、溶接ビード７を形成する。

なお、図２には、連続して形成した溶接ビード７を示したが、充分な接合強度が得られる限りにおいて、溶接ビード７は不連続でもよい。

レーザ溶接の場合、幅が狭い溶接ビード７で、鋼板同士を強固に接合することができるので、フランジ部２のフランジ幅Ａを狭くすることができ、構造部材の小型化、軽量化に大きく寄与する。

本発明方法によれば、溶接に伴って生じる応力により、溶接ビード部７の端部鋼板間において、圧縮の残留応力を発生させることができるので、溶接ビード部７の端部鋼板間部分における水素の集積を抑制し、耐遅れ破壊特性に優れた溶接部（溶接ビードとその近傍領域）を形成することができる。

この理由について、以下に説明する。

図３（ｂ）に示すように、二枚の鋼板を重ね合せ中央部をレーザ溶接した場合、例えば、溶接ビード７を含むｘ方向の応力分布は、図３（ａ）に示す応力分布となる。図において、＋は引張応力を示し、−は、圧縮応力を示す。応力（σ_x）は、溶接ビードの近傍において、引張から圧縮に転じている。

溶接部（溶接ビードとその近傍）の溶融から凝固に至るまでの応力状態について、図４に基づいて説明する。

図４（ａ）に、鋼板の線膨張係数の変化を模式的に示す。レーザ溶接を開始するため、熱源（集光したレーザ光）を、溶接ビードを形成する部位（以下、溶接部位）に接近させ、溶接部位を加熱する。この加熱で、溶接部位は膨張するが、鋼板全体が膨張するわけではないので、加熱された溶接部位は、加熱されていない鋼板部分に拘束されて、溶接部位近傍には、図４（ｃ）に示すように、圧縮応力（σ_x＜０）が発生する。

圧縮応力（σ_x＜０）は、溶接部位の温度の上昇に伴い、大きくなり、ある時点で、鋼板の降伏応力レベルに達することになる。

一方、鋼板の降伏応力は、図４（ｂ）に示すように、温度の上昇とともに、徐々に低下するので、図４（ｃ）に示すように、溶接部位の温度がＴ（例えば、約３００℃）を超えた頃から、鋼板が降伏し始め、溶接部位近傍における圧縮応力（σ_x＜０）は、低下し始める。

圧縮応力（σ_x＜０）が、ほぼ０に達し、その後も、ほぼ０の状態で、溶接部位の温度が鋼板の融点以上に達すると（図４（ｃ）、参照）、融点以上に加熱されて膨張した溶融部分は、周囲の鋼板による拘束により、鋼板の面外に膨出することになる。

熱源（集光したレーザ光）が通過し、融点以上に加熱されて膨張し、鋼板の面外に膨出した溶融部分の温度が低下し始めると、溶接部位に働く応力は、収縮に転じるが、冷却に伴い、鋼板の降伏応力が回復するので、溶接部位には、引張応力（σ_x＞０）が発生し、徐々に増大する。

そして、冷却過程で、溶接部位がマルテンサイト変態を起こし始めると、熱応力は、この変態に伴う膨張により、急激に低下する。その後、マルテンサイト変態が終了し、さらに、冷却が進むと、温度低下による鋼板の収縮量が、変態に伴う膨張量より大きくなるので、熱応力は、再び上昇し始め、冷却が完了した時点で、溶接部位には、引張り応力が残留する（図４（ｃ）、参照）。

溶接部位に残留する応力に起因し、溶接後の鋼板に変形が生じるが、レーザ溶接のように、溶接ビードの幅が、板厚方向にほぼ同じでかつ狭い場合、溶接ビードで鋼板を幅方向に折ったような角変形は生じず、溶接後には、溶接線方向に収縮して、図５に示すような変形の縦収縮８が、支配的となる。

図６〜８に、図３〜５に示した鋼板と比較して、薄手の鋼板をレーザ溶接した場合に生じる溶接変形を示す。なお、供試鋼板として、Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：１．５％を含有する、板厚１．２ｍｍ、引張強度５９０ＭＰａの鋼板を用い、レーザ加工点出力２ｋＷ、溶接速度２ｍ／ｍｉｎで溶接した。

図６に、平たい薄鋼板９を重ねて、中央部をレーザ溶接した場合に生じる溶接変形を示す。鋼板の板厚が薄く、曲げ剛性が小さいので、溶接ビード７の収縮に伴って、溶接されていない鋼板の一部が、弾性座屈を起こし、鋼板が全体的に湾曲する。この場合、図５に示す縦収縮は抑制される。

採用した溶接条件の下で、溶接ビードの幅が、鋼板の板厚方向で、ほぼ一定であったので、溶接後の湾曲は、その曲率中心が、レーザ照射側（表側）、及び、その反対側（裏側）の何れに位置していても、安定した湾曲であった。

図７に、長手方向に曲率を持たないハット型断面形状の薄鋼板１’を重ね合わせ、フランジ部２を重ねレーザ溶接した場合に生じる溶接変形を示す。

図７（ａ）に示すように、ハット型断面形状の薄鋼板の場合、平たい薄鋼板の場合と異なり、フランジ部２にハット部２’が隣接しているので、フランジ部２の板厚方向には大きな剛性が存在する。このため、溶接ビード７の収縮に伴う変形は、主に、鋼板の面内で生じる。

その結果、ハット部２’の端面（ＡＡ断面）では、図７（ｂ）に示すように、幅方向中央部が凹む断面崩れが生じて、構造部材の形状が安定化し、ハット部の長手方向中央部（ＢＢ断面）では、図７（ｃ）に示すように、幅方向中央部が膨らむ断面崩れが生じて、構造部材の形状が安定化する。

しかし、ハット部の幅方向中央部が凹む断面崩れは、フランジ部に対し、フランジ部を外側に押し出すように作用するので（図７（ｂ）、参照）、上下のフランジ部には、フランジ部を上下に剥離するように働く剥離応力Ｓが発生する。構造部材のレーザ溶接において、剥離応力Ｓの発生は無視できず、レーザ溶接後、１分程度経過した後に、ハット部の端部で、溶接ビードが剥離する場合がある。

このように、構造部材の溶接変形により、フランジ部において、フランジ部を上下に剥離するように働く剥離応力Ｓが発生する。

なお、ハット部の幅方向中央部が膨らむ断面崩れは、フランジ部に対し、フランジ部を内側に引き込むように作用するので（図７（ｃ）、参照）、フランジ部に、溶接ビードを剥離するように作用する剥離応力Ｓは発生しない。

図８に、長手方向に曲率を持つハット型断面形状の薄鋼板１’のフランジ部２を重ねレーザ溶接した場合に生じる溶接変形を示す。

上記溶接においては、溶接後、ハット部の長手方向の曲率が若干大きくなったが、断面形状崩れは抑制され、目立った溶接変形は生じない。また、溶接後、所定の時間が経過しても、ハット部の端部で、溶接ビードは剥離しなかった。

このことは、ハット型断面形状の薄鋼板が、長手方向に、所定の曲率で湾曲しているので、フランジ部の面内方向の剛性が、板厚方向の剛性より相対的に大きくなり、フランジ部では、溶接ビードの収縮に対応して面外変形が優先的に起き、その結果、断面形状崩れが抑制され、剥離応力Ｓの発生が抑制されたことによると考えられる。

本発明者らは、重ねレーザ溶接に供するハット型断面形状の薄鋼板の曲率に着目し、該薄鋼板の曲率と、溶接ビードの剥離との関係について、更に詳しく調査した。

その結果、図９に示すように、曲率１／Ｒiで湾曲する鋼板の外側（曲率半径方向の外側）に、曲率１／Ｒiより僅かに大きい曲率１／Ｒoで湾曲する鋼板を重ね合せてレーザ溶接をすると、鋼板重ね部に、耐遅れ破壊特性に優れた溶接部を形成することができることが判明した。

このことは、ハット型断面形状の薄鋼板の端部（長手方向の端部）の溶接ビードの鋼板間部分に、圧縮の残留応力（図３（ａ）、参照）が発生したことによると考えられる。

なお、ハット部の端部（長手方向の端部）の溶接ビードの鋼板間部分で、板厚方向の残留応力が圧縮になった代わりに、溶接ビードの溶接線方向中央部の鋼板間部分では、板厚方向に引張となる残留応力が発生したが、残留応力は、溶接線方向の広い範囲にわたって発生するので、溶接部の耐遅れ破壊特性を劣化させる程の影響はない。

また、ハット端部の溶接ビードの鋼板間部分には、上下のフランジを、フランジ面内で相対移動させる方向のせん断応力（図３（ａ）でのσx、σy）が発生すると考えられるが、水素は、剪断よりも引張状態の鋼を脆化させるので、溶接部の耐遅れ破壊特性が劣化しなかったと考えられる。

但し、曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率が、曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率より大き過ぎると、ハット端部の剪断応力及びハット中央部の引張応力が強くなり過ぎ、溶接時に用いる拘束治具を開放したとき、鋼板が大きく捩れることが判明した。

また、曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率を、曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率より小さくした場合、拘束治具で、曲率半径方向の外側に配置する鋼板のハット部を、曲率半径方向の内側に配置する鋼板のハット部に強引に押し付けて接合することになるが、拘束治具を開放すると、曲率半径方向の外側に配置した鋼板のスプリングバックにより、やはり、ハット部端部の溶接ビードの鋼板間部分に、上下のフランジを引き離す方向の引張残留応力（剥離応力）が発生して、遅れ破壊を回避することができない。

構造部材の溶接変形を抑制するとともに、溶接部における遅れ破壊を回避するためには、曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率と、曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率を、適切に選択する必要があるので、本発明者らは、曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率（１／Ｒo）と、曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率（１／Ｒi）との適切な関係について調査した。

その結果、適切な関係として、下記式（１）を見出した。
１．２×（１／Ｒi）≧１／Ｒo≧１．０５×（１／Ｒi） ……（１）
１／Ｒo：曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率
１／Ｒi：曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率

曲率１／Ｒoが、１．２×（１／Ｒi）を超えると、前述したように、鋼板のハット端部の剪断応力及びハット中央部の引張応力が強くなり過ぎて、拘束治具を開放したとき、鋼板が大きく捩れて、構造部材として使用できないので、１／Ｒoは、１．２×（１／Ｒi）以下とする。好ましくは、１．１×（１／Ｒi）以下である。

しかし、曲率１／Ｒoが、１．０５×（１／Ｒi）より小さいと、曲率の差により得られる耐遅れ破壊特性の向上を、充分に確保することができないので、１／Ｒoは、１．０５×（１／Ｒi）以上とする。

なお、本発明者らは、レーザ溶接を、上記式（１）を満たす条件下で行うと、溶接部の疲労強度も向上することを確認している。

また、構造部材の溶接変形の程度は、鋼板への入熱量にも依存するので、本発明者らは、曲率半径方向の外側及び内側に配置する鋼板に対する入熱量と、遅れ破壊の有無の関係について調査した。

レーザ溶接の場合、入熱量を溶接条件で定義することは困難であるので、レーザ光の照射で形成される溶融・凝固部の面積で表示することとし、溶接ビードの単位長さ当たりの入熱量Ｑを、下記式（３）で定義した。
Ｑ＝ａ×Ｓ（ａ：定数、Ｓ：溶融断面積） ……（３）

定数ａには、単位体積の鋼板を溶融するのに必要な熱量とともに、溶融効率（＝溶接ビードだけを形成するのに必要な熱量／鋼板に投入した全熱量）が含まれるが、本発明では、入熱量Ｑの相対値を規定対象とするので、以下、ａの値については取り扱わない。

本発明者らの調査によれば、曲率半径方向の内側に配置する鋼板への入熱量Ｑiを、曲率半径方向の外側に配置する鋼板への入熱量Ｑoより多くすると、より確実に、溶接部における遅れ破壊を防止することができることが判明した。

曲率半径方向の内側に配置する鋼板への入熱量を多くすると、内側の鋼板の溶接ビードがより強く縮み、結果的に、構造部材の中央部で、外側の鋼板を押し上げて、図９に示す状況を実現し、構造部材の端部における溶接ビード端の鋼板間の溶接金属に、圧縮の残留応力が働くものと考えられる。

本発明者らは、曲率半径方向の内側に配置する鋼板への入熱量Ｑiと、曲率半径方向の外側に配置する鋼板への入熱量Ｑoとの間の最適関係を鋭意調査した。

その結果、重ね合せる鋼板の曲率が下記式（２）を満たし、かつ、曲率半径方向の内側に配置する鋼板への入熱量Ｑiと、曲率半径方向の外側に配置する鋼板への入熱量Ｑoが、下記式（４）を満たす時、より確実に、溶接部における遅れ破壊を防止することができることが判明した。

１．１５×（１／Ｒi）≧１／Ｒo≧０．９５×（１／Ｒi） ……（２）
１／Ｒo：曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率
１／Ｒi：曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率
Ｑi≧１．１×Ｑo ……（４）

上記式（４）に示す入熱量の配分は、鋼板の曲率中心側からレーザ光を照射することで実現できるし、また、曲率半径の外側からレーザ光を照射する場合でも、溶接速度を、重ね合せた鋼板を貫通して溶接することができる溶接速度（貫通限界速度）より、充分、遅くすることで、実現することができる。

鋼板の曲率中心側からレーザ光を照射する場合、レーザ光を、２分割又は３分割し、分割したレーザ光への出力配分を適宜調整すれば、上記式（４）に従う入熱量の配分を、容易に実現することができる。

図１０に、レーザ光を２分割して照射する一態様を示す。図１０（ａ）に、レーザ光の照射態様を示し、図１０（ｂ）に、図１０（ａ）のＸ−Ｘ’断面でみた、プリズムの配置態様を示す。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、半円形のプリズム１３を凸レンズ１１と１２の間に配置し、プリズム１３に、レーザ光１０の半分のレーザ光１０ｂを通過させ、所要の角度で屈折させる。その結果、レーザ光１０ｂと、プリズム１３を通過しないレーザ光１０ａは、焦点位置を僅かにずらして、高張力薄鋼板３の溶接部に照射される。

図１１に、レーザ光の集光スポット直径を０．６ｍｍとし、レーザ光をプリズムで分割し、レーザ光１０ｂの焦点位置を、レーザ光１０ａの焦点位置から、溶接線と直交するＹ−Ｙ’方向に０．３ｍｍずらして照射した場合の照射態様を示す。図１１（ａ）は、上記照射態様による照射領域を示し、図１１（ｂ）は、上記照射態様で得られる集光強度分布を示す。

図１１（ｂ）に示すように、レーザ光１０ａとレーザ１０ｂの照射が重なる領域（図１１（ａ）中、斜線部）では、集光強度が重畳するので、溶接線と直交するＹ−Ｙ’方向において、集光強度の分布が形成される。

例えば、図１１（ｂ）に示す集光強度分布の下で、中央部のレーザ光（図１１（ａ）中、斜線部に照射されるレーザ光）は、重ね合せた上下２枚の鋼板を貫通させ、左右のレーザ光は、上側の鋼板を溶融するだけにとどめるレーザ溶接を行うことができる。

このようなレーザ溶接を行うと、溶接ビードが形成され冷却される過程において、曲率半径方向内側の溶接ビードの収縮が、曲率半径方向外側の溶接ビードの収縮に比べて相対的に大きくなるので、曲率半径方向内側の鋼板の曲率１／Ｒiを曲率半径方向外側の鋼板の曲率１／Ｒoより大きくするのと同等の効果を発揮し、鋼板間の溶接金属に、大きな圧縮応力が残留することになる。

また、図１２に示すように、屈折率の異なる扇状の２個のプリズム１３ａと１３ｂを配置して、レーザ光１０を、レーザ光１０ａ、レーザ光１０ｂ、及び、レーザ光１０ｃに３分割し、焦点位置をずらして溶接部に照射することもできる。

このように、照射するレーザ光において、溶接線と直交する方向に、集光強度の分布を形成することにより、入熱量を制御し、所望の特性を備える溶接部を得ることができる。

入熱量Ｑiが、１．１×Ｑo未満であると、曲率半径方向の内側に配置する鋼板への入熱量が少なくなり、曲率が上記式（２）を満足していても、内側の鋼板の溶接ビードが期待するほどに縮まず、図９に示す状況を実現できず、構造部材の端部における溶接ビード端の鋼板間の溶接金属に圧縮の残留応力が作用しない。

それ故、入熱量Ｑiは、１．１×Ｑo以上とする。好ましくは、１．２×Ｑo以上である。

上記式（４）に従って入熱量を配分する際、重ね合せる鋼板の曲率は、上記式（２）を満たす必要がある。上記式（１）に比べ、曲率１／Ｒoの上限は、１．１５×（１／Ｒi）と、若干厳しくなるが、下限は、０．９５×（１／Ｒi）まで緩和される。

上記式（２）で、曲率１／Ｒoの上限を設定する理由は、上記式（１）の場合と同様である。

曲率１／Ｒoが、０．９５×（１／Ｒi）未満であると、上記式（４）に従って入熱量を配分しても、構造部材の端部における溶接ビード端の鋼板間の溶接金属に、圧縮の残留応力を作用させることができないので、曲率１／Ｒoの下限を、０．９５×（１／Ｒi）とする。

遅れ破壊は、破壊する部位において、(a)水素量が多いほど、(c)硬さが硬いほど、また、(c)応力が高いほど、起こり易い。引張強度が４４０ＭＰａ以上の鋼板は、炭素やマンガンの量が、軟鋼板に比べて多いので、溶接ビードのビッカース硬さは、遅れ破壊が懸念される下限値３５０を超えることが予測される。また、引張強度が４４０ＭＰａ以上の鋼板は、降伏応力も高いので、溶接部に残留する応力も上昇する。

そして、引張強度が４４０ＭＰａ以上の鋼板の場合、溶接ビードが硬くて、水素の拡散速度が遅くなるので、軟鋼板に比較し、水素が抜け難く、単に、レーザ溶接で溶接した溶接部は、耐遅れ破壊特性が劣るものとなる。

しかし、引張強度が４４０ＭＰａ以上の鋼板を重ね合せる構造部材のレーザ溶接に、本発明方法を適用すれば、溶接部における遅れ破壊を、より顕著に回避することができる。

これまで、２枚の鋼板を重ね合せて構造部材を製作するレーザ溶接の場合について説明したが、本発明は、３枚以上の鋼板を重ね合せて構造部材を、レーザ溶接で製作する場合にも適用することができる。

但し、３枚以上の鋼板を重ねて、鋼板重ね部をレーザ溶接する場合において、鋼材の強度条件を採用する場合は、鋼材の強度が大きい順に、２枚の鋼板を選択し、該２枚の鋼板に、本発明方法を適用するのが好ましい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表１に示すハット型断面形状の薄鋼板を用いて、同じく表１に示す溶接条件で、図８に示す構造部材を製作し、溶接部の耐遅れ破壊特性を調査した。用いた鋼板の厚みは、１．２ｍｍに統一し、ハットの長さは８００ｍｍ、幅は１００ｍｍ、高さは６０ｍｍであり、フランジの幅（Ａ）は１５ｍｍである。なお、入熱量比Ｑi／Ｑoは、溶融断面積比Ｓi／Ｓoで表示した。

結果を、表１に併せて示す。

曲率が上記式（１）を満足する構造部材Ｎｏ．１〜６は、溶接部において遅れ破壊が発生しないことが解る。構造部材Ｎｏ．７及び９は、溶接部において遅れ破壊が発生しなかったが、Ｎｏ．７は、溶接金属が硬くならず、水素が溶解しても遅れ破壊が発生し難い鋼板の例であり、Ｎｏ．９は、実験的に、乾燥環境で溶接したため、溶接金属に水素が溶解せず、遅れ破壊が発生しなかった例であるので、いずれも比較例とした。

前述したように、本発明によれば、複数の鋼板を重ね合せた構造部材の重ねレーザ溶接において、鋼板重ね部に、水素脆化に起因する遅れ破壊（低温割れ）が発生しない溶接部を形成することができる。したがって、本発明は、小型化、軽量化を目指す自動車産業において利用可能性が高いものである。

自動車の車体用構造部材の態様を示す図である。（ａ）は、ハット型断面形状の２つの高張力薄鋼板材を、ハット型断面が逆方向になるように重ねて接合した態様を示し、（ｂ）は、ハット型断面形状の２つの高張力薄鋼板材を、ハット型断面が同方向になるように重ねて接合した態様を示し、（ｃ）は、高張力薄鋼板材の片面にハット型断面の高張力薄鋼板材を重ねて接合した態様を示し、（ｄ）は、高張力薄鋼板材の両面にハット型断面の高張力薄鋼板材を重ねて接合した態様を示し、（ｅ）は、ハット型断面形状の３つの高張力薄鋼板材を、２つは、ハット型断面が同方向に、１つは、ハット型断面が逆方向になるように重ねて接合した態様を示す。 鋼板の片面にハット型断面形状の鋼板を重ね合せ、フランジ部にレーザ光を照射し溶接する態様を示す図である。 二枚の鋼板を重ね合せ中央部をレーザ溶接した場合における鋼板幅方向（溶接ビードを含む）の応力分布を示す図である。（ａ）は、溶接ビード方向の応力の、鋼板幅方向の分布を示し、（ｂ）は、レーザ溶接の態様を示す。 所定の曲率で湾曲した鋼板のフランジ部にレーザ光を照射し、溶接ビードを形成する場合において、凝固・冷却過程で生じる溶接ビード周辺での歪及び応力の変化を、模式的に示す図である。（ａ）は、鋼板の線膨張係数の変化を示し、（ｂ）は、鋼板の降伏応力の変化を示し、（ｃ）は、溶接ビード周辺での歪及び応力の変化を示す。 溶接線方向の収縮により、溶接ビードの両端に生じる縦収縮（溶接変形）を示す図である。 鋼板を重ね合せてレーザ溶接したときに生じる溶接変形の一態様を示す図である。 鋼板を重ね合せてレーザ溶接したときに生じる溶接変形の別の態様（断面崩れ）を示す図である。（ａ）は、断面崩れの全容を示し、（ｂ）は、ハット部端部（ＡＡ断面）での断面崩れを示し、（ｃ）は、ハット部中央（ＢＢ断面）での断面崩れを示す。 鋼板を重ね合せてレーザ溶接したときに生じる溶接変形のさらに別の態様を示す図である。 曲率半径方向ｒの外側に配置する曲率１／Ｒoの鋼板と、曲率半径方向ｒの内側に配置する曲率１／Ｒiの鋼板との相対関係を示す図である。 レーザ光を２分割照射して照射する一態様を示す図である。（ａ）は、レーザ光の照射態様を示し、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ’断面でみた、プリズムの配置態様を示す。 レーザ光をプリズムで分割し、レーザ光の焦点位置を、一方のレーザ光の焦点位置から、溶接線と直交する方向にずらして照射した場合の照射態様を示す。（ａ）は、上記照射態様による照射領域を示し、（ｂ）は、上記照射態様で得られる集光強度分布を示す。 屈折率の異なる扇状の２個のプリズムを配置して、レーザ光を３分割する照射態様を示す。

符号の説明

１ ハット型断面形状の高張力薄鋼板
１’ ハット型断面形状の薄鋼板
２ 重ね部（フランジ部）
２’ ハット部
３ 高張力薄鋼板
４ フランジ部が曲率１／Ｒ₀で湾曲したハット型断面形状の高張力薄鋼板
５ 曲率１／Ｒ_iで湾曲した高張力薄鋼板
６ レーザ溶接ヘッド
７ 溶接ビード
８ 縦収縮
９ 平たい薄鋼板
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ レーザ光
１１、１２ 凸レンズ
１３ プリズム
Ａ フランジ幅
Ｂ 溶接ビードとフランジ端部間の距離
ｒ 曲率半径方向
ｒ’ 曲率方向

Claims (2)

1. 複数の鋼板を重ね合せた構造部材の鋼板重ね部にレーザ光を照射して溶接部を形成する重ねレーザ溶接方法において、
   （ｉ）下記式（１）を満たす曲率で湾曲した複数の鋼板を重ね合せてなる、前記鋼板重ね部を拘束治具で拘束しつつ、
   （ii）該鋼板重ね部に、レーザ光を、湾曲方向に移動させて照射することで、
   前記鋼板重ね部のレーザ溶接部の剥離応力を低減して拘束治具開放後の遅れ破壊を回避することを特徴とする構造部材の重ねレーザ溶接方法。
   １．２×（１／Ｒｉ）≧１／Ｒｏ≧１．０５×（１／Ｒｉ） ……（１）
   １／Ｒｏ：曲率半径方向の外側に配置する鋼板の曲率
   １／Ｒｉ：曲率半径方向の内側に配置する鋼板の曲率
2. 前記鋼板の引張強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の構造部材の重ねレーザ溶接方法。

Images