JP5130499B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、高張力鋼板を含む複数の部材を重ね合わせてレーザ溶接するのに利用して好適なレーザ溶接方法に関する。

近年、自動車の燃費の改善や安全性の向上といった要求に対応するため、高強度の薄鋼板が自動車車体に多く使用されるようになっており、レーザ溶接を用いてこれらの鋼板を溶接することが求められている。さらに、高強度薄鋼板を重ね合わせて溶接する方法において、安定した接合部強度が得られるレーザ溶接方法が望まれている。

レーザ溶接は、レーザ光を熱源とするため、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接等のアーク溶接に比べて入熱量の制御が確実かつ容易である。このため、溶接速度やレーザビームの照射出力、さらにはシールドガス流量等の溶接条件を適切に設定することによって熱変形を小さくできる。また、レーザ溶接は、片側から溶接できるので自動車の車体等複雑な部材の組付溶接に好適である。

実際、レーザ溶接は、自動車製造業や電気機器製造業その他の分野において、薄鋼板を成形加工した部材の溶接に多く採用されている。また、これに関連して、溶接継手強度に優れた重ね継手のレーザ溶接方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、１本目のビードを２本目のビードの熱により焼戻し、品質改善することで、成形時の容易なビードの破断を防止し、成形能を向上する方法が開示されている。

特開２００９−０００７２１号公報

鋼板が高強度化するに伴い、溶接部の強度向上が課題となっている。特に、引張強さが７８０ＭＰａ以上であり、含有する炭素量が０．０７質量％以上となる高張力鋼板の重ね溶接においては、従来の技術では溶接部の強度が不十分となる場合がある。

本発明者らは、溶接部の強度を高めるレーザ溶接方法について鋭意検討した。その結果、複数のビードを形成する溶接において、ビードを適切に形成し、１本目のビードの平均ヴィッカース硬度を２本目以降のビードの平均ヴィッカース硬度よりも低くすることにより、継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られることが分かった。

本発明は、溶接部の強度を高めるとともに、溶接変形を抑制できるようにすることを目的とする。

本発明のレーザ溶接方法は、含有する炭素量が０．０７重量％以上の高張力鋼板を含む複数の部材の重ね合わせ部において、複数の溶接位置で、リモートレーザ溶接によって、閉ループ、又は１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、前記開口部の長さの合計が、ビードの外接円相当径の３／４以下である形状の１本目のビードと、前記１本目のビードの内側の閉ループ、又は１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、前記開口部の長さの合計が、ビードの外接円相当径の３／４以下である形状の２本目のビードとを形成し接合するレーザ溶接方法であって、前記複数の溶接位置の全て又は一部に１本目のビードを連続的に複数形成する手順と、前記複数形成された１本目のビードに対して２本目のビードを連続的に複数形成する手順とを有し、前記１本目のビードを連続的に複数形成する手順、及び前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順のいずれの場合にも、前記複数の溶接位置のうち直近の溶接位置以外にビードを形成することを特徴とする。
また、本発明のレーザ溶接方法の他の特徴とするところは、前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順では、最高温度がＭｓ点−５０℃以下となった１本目のビードに対して２本目のビードを形成する点にある。
また、本発明のレーザ溶接方法の他の特徴とするところは、前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順では、１本目のビードの温度が４００度以上、Ａｃ１点＋５０℃以下となるように２本目のビードを形成する点にある。
また、本発明のレーザ溶接方法の他の特徴とするところは、１本目のビードは円形、２本目のビードは１本目のビードと同心となる円形を呈し、これらビードの中心から１本目のビードの始終端を結んだ線分と、２本目のビードの始終端を結んだ線分とがなす角度を１０°以上とする点にある。

本発明によれば、溶接部の強度を高めるとともに、溶接変形を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るレーザ溶接継手の概略を説明する図である。 図２Ａは、実施形態に係るレーザ溶接継手の他の例の概略を説明する斜視図である。 図２Ｂは、図２ＡのＩ−Ｉ線断面図である。 図３Ａは、閉ループ状のビード形状の例を示す図である。 図３Ｂは、閉ループ状のビード形状の例を示す図である。 図３Ｃは、閉ループ状のビード形状の例を示す図である。 図３Ｄは、閉ループ状のビード形状の例を示す図である。 図３Ｅは、閉ループ状のビード形状の例を示す図である。 図４Ａは、複数の溶接位置に、複数本のビードからなる溶接部を形成した構造部材の一例を示す斜視図である。 図４Ｂは、複数の溶接位置に、複数本のビードからなる溶接部を形成した構造部材の一例を示す平面図である。 図５は、リモートレーザ溶接により、ハット部材のフランジ部の複数の溶接位置に、複数本のビードからなる溶接部を形成する手順の例を示す図である。 図６Ａは、レーザのスポット位置が高速で移動可能な、リモートレーザ溶接のシステムを示す概念図であり、集光光学系を示す図である。 図６Ｂは、レーザのスポット位置が高速で移動可能な、リモートレーザ溶接のシステムを示す概念図であり、レーザスポット位置が移動する様子を示す図である。 図７は、実施例１の結果を示す図である。 図８Ａは、実施例２の片ハット部材を示す正面図である。 図８Ｂは、実施例２の片ハット部材を示す平面図である。 図９は、実施例３の片ハット部材を示す正面図である。 図１０は、実施例４の両ハット部材を示す正面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下、単に「％」と記載した場合は、「質量％」を表すものとする。
（第１の実施形態）
本実施形態に係るレーザ溶接継手１は、高張力鋼板１０を複数枚重ね合わせて接合してなる。高張力板を２〜４枚程度重ね合わせて接合したものが一般的であるが、高張力板の枚数は特に限定されない。図１は、高張力板を２枚重ね合わせた例である。

高張力鋼板１０には、炭素量が０．０７％以上の鋼板を用いられるが、炭素量が０．０７％以上であると、焼入れ性が高くなり、広い入熱範囲で硬化し、かつ、焼きが入った場合の硬度が高くなる。その結果、継手強度、特に剥離方向の荷重に対する強度の確保が困難となる。

本発明は、このような高張力鋼板を溶接した場合であっても十分な強度を有する溶接継手を製造する技術であり、炭素量が０．０７％以上の高張力鋼板を対象とする。なお、「高張力鋼板を含む複数の部材の重ね合わせ部」には、高張力鋼板の重ね合わせ部のさらに外側に軟鋼板を重ね合わせて、軟鋼板＋高張力鋼板＋高張力鋼板、あるいは、軟鋼板＋高張力鋼板＋高張力鋼板＋軟鋼板のようにして、重ね合わせ部を形成する場合を含み、その場合も本発明の対象とする。また、軟鋼板＋高張力鋼板のようにして、重ね合わせ部を形成する場合を含み、その場合も本発明の対象とする。

溶接継手の溶接部は、複数本のビードからなる。ここで、２本目以降のビードは、１本目のビード１１の鋼板表面の止端のうち荷重負荷時により高い応力を受ける側の止端上の任意の点を原点Ｏとし、原点Ｏから見て、１本目のビード１１の鋼板表面の止端のうち荷重負荷時により低い応力を受ける側の止端であって原点に最も近い止端の方向を正の向きに取るとき、１本目のビードよりも正の方向に形成する。

そして、１本目のビードにおける板厚方向の平均ビード幅をＷとすると、２本目以降のビードの、原点に近い側の止端の位置ｘは、０＜ｘ≦１．２Ｗの範囲に位置する。図１には、２本目のビード１２のみを示している。

１本目のビードは、２本目のビードを形成する際の熱で焼戻される。溶接部に荷重が負荷されると、特に１本目のビードの融合線と鋼板の重ね部が交差する部位の近傍に応力が集中し破断に至りやすい。

本実施形態に係る溶接継手においては、１本目のビードが焼戻されることによって、ビードボンド部の延性が向上し、荷重負荷時の重ね部の応力集中も緩和できるので、荷重負荷に対する耐性が高くなる。したがって、２本目のビードは、１本目のビードよりも、荷重負荷される際に受ける応力が低くなる側に形成する。

ｘが０以下であると、２本目以降のビードを形成する際に、１本目のビードの応力負荷が高くなる側の止端や該重ね部の温度は、Ａｃ３点以上となり、再び焼きが入るので、継手強度が向上しない。ｘが１．２Ｗより大きくなると、２本目以降のビードを形成する際の熱が１本目のビードまで十分に伝導しないので、１本目のビードの焼戻しができず、継手強度が向上しない。

このような位置関係にビードを形成することにより、１本目のビードの平均ヴィッカース硬度が、２本目以降のビードの平均ヴィッカース硬度よりも低い、継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。

ビードの本数を３、４と増加し、接合面積を増大すれば、さらにせん断強度も高くすることができる。このとき、３本目のビードは２本目のビードと同じ位置又は２本目のビードよりもプラス側とし、４本目のビードは３本目のビードと同じ位置又は３本目のビードよりもプラス側とする。

３本目、４本目のビードを２本目のビードと同じ位置とすれば、１本目のビードの焼戻しが一層進行し、剥離方向の荷重を向上できる。ただし、接合面積がほとんど変化しないため、せん断強度は向上しない。

一方、３本目のビードを２本目のビードよりプラス側とするか、又は、４本目のビードを３本目のビードよりプラス側とすれば、１本目のビードの焼戻しと接合面積の増加が達成でき、剥離方向の強度とせん断方向の強度の両者を向上可能である。

本実施形態に係るレーザ溶接継手において、ビードは板厚方向にはほぼ直線的な形状である。なお、ビード形状が板厚方向にほぼ直線的であるとの条件では、平均ビード幅Ｗの代わりに、鋼板表面で確認できるビード表面の幅、あるいは、鋼板の表裏面で確認できるビード表裏面の平均幅を代表的なビード幅としても差し支えない。

レーザ溶接継手の溶接線は直線でもよいが、閉ループ又は閉ループ状とすることにより、始終端の応力集中を緩和できるので、それにより、継手強度をさらに向上させることができる。図２Ａ、図２Ｂに、始終端の重なる閉ループで作製されたレーザ溶接継手の概略を示す。

閉ループとは、円、楕円等の始終端が一致する形状をいい、一部に曲率の異なる曲線を有する形状や、三角形、四角形等の形状も含まれる。

閉ループ状とは、例えば、図３Ａ〜図３Ｅに示すように、１つ以上の、ビード１１（あるいは１２）が形成されない開口部１５を有し、開口部１５の長さの合計が、ビード１１の外接円相当径の３／４以下である形状をいう。図３Ａ〜図３Ｅは、開口部１５を有するビード形状の例であり、実線がビード１１（あるいは１２）、破線が開口部１５を示している。図３Ａ〜図３Ｅに示したビード形状は、例示であり、閉ループ状のビード形状がこれに限定されるものではない。

開口部を有する閉ループ状のビード形状は、例えば、亜鉛めっき鋼板を重ね合わせて溶接する際等に有効である。亜鉛めっき鋼板等の溶接の場合、鋼板間のめっきが沸点に達して蒸発し、急激に体積が膨張する際に、ビードに囲まれた領域で蒸気又は気体となっためっきの通り道がないと、鋼板間の圧力が高まって、溶接中に溶融池が吹き飛び、ビードに欠陥が生じる。ビード形状を開口部を有する閉ループ状とすることにより、これを防ぐことができる。

レーザ溶接継手は、板厚が０．５〜３．０ｍｍの範囲の高張力鋼板を用いるのが好適である。板厚が０．５ｍｍ未満であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、継手の強度が板厚に支配されるので、継手全体の強度向上の効果が小さくなり、部材の適用範囲が限定される。また、板厚が３．０ｍｍ超であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、部材の軽量化の観点から、部材の適用範囲が限定される。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接継手の製造に用いる装置は、従来のレーザ溶接継手を製造する装置と同様のものを使用することができる。

レーザ溶接継手の製造の際は、１本目のビードをレーザ溶接で形成した後、１本目のビードの温度がＭｓ点−５０℃（Ｍｓ点：マルテンサイト変態開始温度）以下まで待機し、その後に、２本目以降のビード形成を開始する。

１本目のビードの温度をＭｓ点−５０℃以下とすると、鋼板中に一定量以上のマルテンサイトが生成される。その後、２本目のビード形成により加熱することで、先のマルテンサイトが焼戻されて軟化し、継手強度が上昇する。

１本目のビードの温度がＭｓ点−５０℃より高いうちに２本目以降のビード形成を開始すると、十分なマルテンサイトが生成されないため、２本目のビード形成により焼戻されるマルテンサイトの体積は限定され、残存したオーステナイトは２本目のビード形成後の冷却過程においてマルテンサイトに変態し硬化するため、焼戻しの効果が不十分となる。

ビードの硬度を低下させるには、冷却速度を低下し、ベイナイトやパーライトのような軟質な組織を析出させるとよいが、十分高い冷却速度を持つレーザ溶接では実現が困難である。

２本目以降のビード形成を開始するときの、１本目のビードの温度の下限は特に規定しないが、Ｍｓ点−２５０℃以上とするのが好ましい。Ｍｓ点−２５０℃で、一般の鋼板はマルテンサイト変態を終了するからである。Ｍｓ点−２５０℃未満まで待つことによるメリットは特になく、タクトタイムが増加し、生産コスト増となる。

ビードの温度は、荷重負荷時に高応力側となる鋼板表面の止端で測定した温度を代表値として用いることができる。なお、温度は放射温度計や熱電対を用いて測定することができる。また、直接測定が困難な場合、Ｑｕｉｃｋｗｅｌｄｅｒ等、市販の有限要素解析ソフトにより温度を推定することができる。さらに、Ｍｓ点は、鋼板の成分から、下記の式
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１×（％Ｃ）−３９×（％Ｍｎ）−３５×（％Ｖ）
−２０×（％Ｃｒ）−１７（％Ｎｉ）−１０×（％Ｃｕ）
−５×（％Ｍｏ＋％Ｗ）＋１５×（％Ｃｏ）＋３０×（％Ａｌ）
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。

また、１本目のビードを形成した後、２本目以降のビードは、１本目のビードの再加熱温度が４００℃以上、Ａｃ１点＋５０℃以下となる範囲に加熱できるような条件で形成する。ビードの温度は上述したように、熱電対、放射温度計による直接測定が可能であり、また、有限要素解析ソフトによる推定も可能である。そのため、目標とする温度範囲で、２本目以降のビードを形成することができる。

２本目以降のビードを形成する際に、１本目のビードの平均温度が４００℃未満であると、１本目のビードは十分に焼戻しされず、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。１本目のビードの温度がＡｃ１点℃＋５０℃を超えると、１本目のビード中の組織に生成するオーステナイトの割合が増加し、冷却時に再び焼入れられ、マルテンサイト変態が起こり、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。より好ましい温度範囲は、４００℃以上、Ａｃ１点未満である。

Ａｃ１点は、鋼板の成分から、
Ａｃ１（℃）＝７２３−１０．７×（％Ｍｎ）−１６．９×（％Ｎｉ）
＋２９．１×（％Ｓｉ）＋１６．９×（％Ｃｒ）＋２９０×（％Ａｓ）
＋６．３８×（％Ｗ）
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。

さらに、レーザ溶接継手を製造する際には、ｘ／Ｗが小さいほど、１本目のビードを溶接形成する際の溶接速度ｖ１と、２本目以降のビードを溶接形成する際の溶接速度ｖ２の比、ｖ２／ｖ１を増加させ、１本目のビードへの熱伝導量を抑える必要がある。ｘ／Ｗが大きい場合は、ｖ２／ｖ１を減少させ、１本目のビードへの熱伝導量を増加する必要がある。

ｖ２／ｖ１が小さくなると、１本目のビードの最高温度がＡｃ１点を超え、再焼入れが起こり、硬度が上昇するので、継手強度が高くならない。また、ｖ２／ｖ１が極端に小さい場合は、入熱が過大となり、ビード溶け落ちが発生することがある。

ｖ２／ｖ１が大きくなると、１本目のビードの最高温度が低くなり、焼戻しによる軟化ができなくなる傾向になるので、継手強度が高くならない。

ｖ２／ｖ１の最適範囲は、ｘ／Ｗに依存し、本発明者の検討の結果、
１．２／ｅｘｐ（ｘ／Ｗ）≦ｖ２／ｖ１≦４／ｅｘｐ（ｘ／Ｗ）
の範囲であれば、良好な継手強度が得られる。

レーザのパワー密度は、０．５ＭＷ／ｃｍ^２以上、５００ＭＷ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ^２以上、５００ＭＷ／ｃｍ^２以下であれば、ビードの焼戻しが広い溶接速度範囲で可能となる。

パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ^２より低いと、レーザビームの移動速度、すなわち、溶接速度を著しく低下させなければビードの焼戻しを実現できず、実生産では不利である。一方、パワー密度が５００ＭＷ／ｃｍ^２より高い場合、ビードを所定温度以下で焼戻すためにビームの移動速度を極端に高める必要があり、設備能力が制限されるほか、焼戻しの効果を安定的に得ることが困難となる。

なお、レーザビームのパワー密度はレーザビームの出力をビーム面積で割ることで計算でき、さらに、ビーム面積はビーム径（ビーム中心からビーム中心の強度の１／ｅ^２まで強度が減少する点までの距離（半径））を用いて求めることができる。

ビード形状を閉ループとし、始端と終端を一致させる場合は、終端に始端の熱が重畳して過加熱となり、溶鋼が垂れ落ちたり吹き飛んだりする場合がある。また、１本目と２本目以降のビードの始終端位置まで近接させると、２本目以降のビードは溶鋼の垂れ落ち・吹き飛びが、一層促進される場合がある。

溶鋼の垂れ落ち等が生じると、継手強度の低下につながる。そのため、これを抑制するために、１本目と２本目以降のビードの始終端位置をずらすことが好ましい。

例えば１本目のビードが円形で、２本目のビードが１本目のビードと同心となる円形を呈する場合、ビードの中心から１本目のビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心から２本目以降のビードの始終端を結んだ線分がなす角度が１０°以上となるように、ビードを形成することが好ましい。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、複数本のビードからなる溶接部の構成について説明した。第２の実施形態では、その適用例として、含有する炭素量が０．０７重量％以上の高張力鋼板を含む複数の部材の重ね合わせ部において、複数の溶接位置で、リモートレーザ溶接によって、閉ループ又は閉ループ状の１本目のビードと、当該１本目のビードの内側の閉ループ又は閉ループ状の２本目のビードとを形成し接合する例を説明する。閉ループ又は閉ループ状に形成されるビードと比べて大きな構造部材では、部材同士の接合強度（剥離強度、あるいは、剪断強度）を向上させるため、図４Ａ、図４Ｂに示すように、構造部材５０の複数の溶接位置に、複数本のビードからなる溶接部５１を形成する場合がある。

このような部材を溶接する際に、１本目のビードを形成し、１本目のビードの温度がＭｓ点−５０℃以下となるまで待機した後、２本目以降のビードを形成し、その後、次の１本目のビードを形成するというように、溶接箇所を順番に一つずつ固定していく方法では、総溶接時間が長くなり、タクトタイムが増加する。

これを避けるために、複数のビードを形成する場合には、図６Ａ、図６Ｂに示すような集光光学系６０にミラー６１を使用し、レーザのスポット位置の移動がごく短時間で済むリモートレーザ溶接を利用し、１本目のビードを複数の溶接位置に連続的に形成することで、２本目のビードを形成するまでの待機時間を有効に利用できる。なお、図中、符号６２はレーザビームを、符号６３はレーザ照射可能エリアを、６４はビードを、６５は高張力鋼板を示す。

その後、１本目のビードの最高点がＭｓ点−５０℃以下となったビードに対して、２本目のビードをリモートレーザ溶接により形成すれば、レーザを照射せずに待機する時間が短くなり、その結果、総溶接時間が減少する。

２本目の溶接順序は、溶接変形が小さくなる順序で溶接すればよく、特に順序は限定されない。溶接変形を小さくするような溶接順序は、有限要素法を用いて容易に解析可能である。

さらに、上記の方法で複数のビードを形成すると、１本目のビードを短時間で複数の箇所に形成するので、残留応力が発生して溶接変形が開始、あるいは、終了するまでの間に部材同士を固定させることができる。その結果、溶接後の構造部材の変形を最小にし、形状精度を向上させることができる。

３本目のビードを形成する際には、１本目のビードに対して２本目のビードを形成するのと同じように、２本目のビードに対して３本目のビードを形成すればよい。４本目以降のビードについても同様にすれば、総溶接時間を短くし、溶接変形を抑制することができる。

図５は、リモートレーザ溶接により、ハット部材のフランジ部５０ａの複数の溶接位置に、複数本のビードからなる溶接部を形成する手順の例を示す図である。まず、閉ループ又は閉ループ状の１本目のビード３１〜３６を番号順に連続的に形成する。そして、１本目のビードの最高点がＭｓ点−５０℃以下となった後、各１本目のビード３１〜３６の内側に、閉ループ又は閉ループ状の２本目のビード４１〜４６を番号順に連続的に形成する。ここで、連続的とは、「ビード形成→別の溶接位置へ移動→ビード形成・・・」という動作を一連の動作として行うことを意味し、レーザを途切れることなく連続して照射するという意味ではない。むしろ、別の溶接位置へ移動する際には、部材の余分な箇所に入熱を与えないように、レーザの照射をストップさせるようにする必要がある。

このように１本目のビードを連続的に複数形成する手順と、複数形成された１本目のビードに対して２本目のビードを連続的に複数形成する手順とを実行する際に、いずれの手順でも、直近の溶接位置以外にビードを形成するようにする。これにより、溶接変形を抑制することが可能になる。

ここで、「直近の溶接位置」とは、構造部材５０を構成する鋼板の形状に沿う距離が最も近い位置を意味する。直近の溶接位置を避けるのは、溶接変形に熱伝導が深く関わるためであり、鋼板の形状に沿う距離、すなわち熱が伝わる距離が最も近い位置を避けるようにしたものである。例えば図４Ａ、図４Ｂに示すように、溶接位置Ａにビードを形成した後に、溶接位置Ｂ、Ｃのいずれにビードを形成するかを考える。この場合、Ａ−Ｂ、Ａ−Ｃを結ぶ空間的な距離（平面視における距離）は同じであるが、鋼板の形状に沿う距離はＡ-Ｃ間のほうが短いので、直近の溶接位置であるＣを避けるということになる。

なお、図５の例では、１本目のビードを全ての溶接位置（６箇所）に形成し、次に２本目のビードを全ての溶接位置（６箇所）に形成する例を説明したが、それに限定されるものではない。例えば、まず１本目のビードを３箇所に形成し、次に２本目のビードを当該３箇所に形成した後、１本目のビードを残りの３箇所に形成し、次に２本目のビードを当該３箇所に形成するような形態でもよい。

また、図５に示すように、複数本のビードからなる溶接部を直線的に並べて配置する場合、ビード（の重心）の位置の間隔について、多数の溶接を施した構造部材で考えた場合、溶接構造物としては、溶接箇所（ビードの個数）に比例したせん断引張強度、剥離強度が得られる。そこで、「構造物に必要とされる強度が得られるような個数」を「フランジ部の長さ」で割った（平均の）間隔とするのがよい。ただし、部材において部分的、あるいは局所的に強度が必要とされる部分には、溶接箇所同士の間隔を縮めることが好ましい。

以上のように溶接部を形成することにより、良好な継手強度を有する溶接継手を製造することができる。

（実施例１）
板厚１．０ｍｍの、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２重量％、Ｓｉ：０．５重量％、Ｍｎ：２．０重量％、Ｐ：０．０１重量％、Ｓ：０．００３重量％である高張力鋼板を２枚重ね合わせ、レーザ溶接により接合し、継手を作製した。溶接部のビードの形状は円の閉ループとし、２本の溶接ビードを形成した。

このとき、溶接部の直径は最も外側に位置する１本目のビードのサイズで定義し、すなわち、レーザを照射した側の板表面でビードの直径を測定し、６ｍｍ一定とした。

ビードの中心から１本目のビードの始終端を結んだ線分と、２本目のビードの始終端を結んだ線分がなす角θは、０°又は１５°とした。

鋼板の成分から、Ｍｓ点、Ａｃ１点は、それぞれ、４２９℃、７１６℃と推定される。

レーザ溶接継手は、溶接ビードの幅、ビード位置、及び、溶接時の温度を、表１に示したように変えた複数の種類を作製した。その他の溶接条件は、レーザ出力を３．５ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面とし、さらに焦点位置におけるビームスポット直径は０．５ｍｍとして溶接を行った。

作製したレーザ溶接継手の十字引張強度及び１本目のビードの硬度（溶接部断面において、重ね面と融合線が交差する点から０．１ｍｍ溶接金属側に入った点を基準に板厚方向に５点溶接金属硬度を測定し平均化）を測定した。

十字引張強度の測定方法や継手形状はスポット溶接継手に関し規定した、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に従った。十字継手をレーザ溶接によって作製し、所定の引張ジグを用い、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎ一定で引張試験を実施し、そのときの最高荷重を十字引張強度と定義した。

１本目のビードの温度は、鋼板表面で低応力側となる止端の近傍に熱電対を貼り付け、計測した。この計測温度を１本目のビードの代表温度とした。

これらの結果を表１に示す。ビードを１本のみ形成した場合（Ｎｏ．５）の十字引張強度を基準に、これの１．２倍以上となった場合を良好、十字引張強度の比が１．２倍未満となる場合を不良と判定した。なお、表中の下線は、第１の実施形態で説明した条件を満たさないことを意味する。

また、図７に、ｘ／Ｗとｖ２／ｖ１が十字引張強度比に及ぼす影響を示す。図７中、○は本例の結果を、×は比較例の結果を示す。

ｖ２／ｖ１が第１の実施形態で説明した範囲にあれば良好な十字引張強度が得られた。ｖ２／ｖ１が低すぎると、１本目のビードの温度が上昇しすぎてビードが軟化しないか、あるいはビードが溶け落ちた。一方、ｖ２／ｖ１が高すぎると、１本目のビードの焼戻しが不十分となり、十字引張強度が向上しなかった。

表１の結果から分かるように、継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。

（実施例２）
図８Ａ、図８Ｂに示すように、ハット部材８１の両側のフランジ部８１ａを掛け渡すように平板８２をレーザ溶接してなる片ハット部材８０を作製した。片ハット部材８０の高さは６１．２ｍｍ、フランジ部８１ａの外側端部間の距離は１０２ｍｍ、片ハット部材８０の長さ（すなわち、フランジ部８１ａの長さ）は６００ｍｍである。なお、ハット部材８１及び平板８２の板厚は１．２ｍｍ、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２重量％、Ｓｉ：０．５重量％、Ｍｎ：２．０重量％、Ｐ：０．０１重量％、Ｓ：０．００３重量％である高張力鋼板を重ね合わせ、レーザ溶接により接合した。

溶接条件は、レーザ出力を４．５ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面とし、さらに焦点位置におけるビームスポット直径は０．５ｍｍとして溶接を行った。図８Ｂに示すように、ビード幅０．５ｍｍ、直径６ｍｍの円形のビードを1→２→３→４の順に、すなわち両側のフランジ部８１ａのうち一方で端から端まで順番に、次に他方で端から端まで順番に形成した。２本目のビードは、１本目のビードと同心円の円形ビードで、直径を５．５ｍｍとして、１本目のビード形成後、１本目と同様に1→２→３→４の順でビードを形成した。ビード（の重心）の位置の間隔は２０ｍｍとした。この場合、ねじれ角度は約２０°であり、この片ハット部材８０を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題となる程度であった。ここで、ねじれ角度とは、図８Ａに示す方向からみたときに、一方の端部８０Ｒでの最高高さと他方の端部８０Ｌの最低高さとをむすんだ線と、一方の端部８０Ｒでの最低高さと他方の端部８０Ｌでの最高高さとをむすんだ線とがなす角度をいう。

それに対して、同様の片ハット部材８０について、１本目のビードを連続的に複数形成する際、及び２本目のビードを連続的に複数形成する際に、いずれも直近の溶接位置以外にビードを形成するようにした。この場合、溶接変形を抑制して、ねじれ角度が１°未満に抑えられ、この片ハット部材８０を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題がない精度にまで改善された。

（実施例３）
図９に示すように、軟鋼板のハット部材９１と高張力鋼板のハット部材９２の両側のフランジ部９１a、９２aを掛け渡すように高張力鋼板の平板９３をレーザ溶接してなる、フランジ部の鋼板が３枚重ねの片ハット部材９０を作製した。片ハット部材９０の高さは６６．２ｍｍ、フランジ部９１ａ、９２aの外側端部間の距離は１０２ｍｍ、片ハット部材９０の長さ（すなわち、フランジ部９１ａ、９２ａの長さ）は６００ｍｍである。軟鋼板は、板厚１．２ｍｍ、鋼板の主成分が、Ｃ：０．０４１重量％、Ｓｉ：０．００７重量％、Ｍｎ：０．１６重量％、Ｐ：０．００９重量％、Ｓ：０．０１重量％であり、高張力鋼板は、板厚１．２ｍｍ、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２重量％、Ｓｉ：０．５重量％、Ｍｎ：２．０重量％、Ｐ：０．０１重量％、Ｓ：０．００３重量％である。
なお、軟鋼板とは、ＪＩＳではＳＰＨＣ，ＳＰＨＤ，ＳＰＨＥ，ＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ，ＳＰＣＥ，ＳＰＣＣＴ，ＳＰＣＥＮ等の規格で称される鋼板である。本願でいう軟鋼板とは、このＪＩＳ規定の軟鋼板に限らず、炭素量が０．０７％以上の高張力鋼板よりも強度が低い鋼板と考えて良い。

溶接条件は、レーザ出力を４．５ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面とし、さらに焦点位置におけるビームスポット直径は０．５ｍｍとして溶接を行った。実施例２と同様、図８Ｂに示すように、ビード幅０．５ｍｍ、直径６ｍｍの円形のビードを1→２→３→４の順に、すなわち両側のフランジ部のうち一方で端から端まで順番に、次に他方で端から端まで順番に形成した。２本目のビードは、１本目のビードと同心円の円形ビードで、直径を５．５ｍｍとして、１本目のビード形成後、１本目と同様に1→２→３→４の順でビードを形成した。ビード（の重心）の位置の間隔は２０ｍｍとした。この場合、ねじれ角度は約１８°であり、この片ハット部材９０を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題となる程度であった。なお、ねじれ角度の定義については実施例２で説明したとおりである。

それに対して、同様の片ハット部材９０について、１本目のビードを連続的に複数形成する際、及び２本目のビードを連続的に複数形成する際に、いずれも直近の溶接位置以外にビードを形成するようにした。この場合、溶接変形を抑制して、ねじれ角度が１°未満に抑えられ、この片ハット部材９０を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題がない精度にまで改善された。

（実施例４）
図１０に示すように、軟鋼板のハット部材１０１、１０４と高張力鋼板のハット部材１０２の両側のフランジ部１０１a、１０２a、１０４ａを掛け渡すように高張力鋼板の平板１０３をレーザ溶接してなる、フランジ部の鋼板が４枚重ねの両ハット部材１００を作製した。両ハット部材１００の高さは８６．２ｍｍ、フランジ部１０１ａ、１０２a、１０４ａの外側端部間の距離は１０２ｍｍ、両ハット部材１００の長さ（すなわち、フランジ部１０１ａ、１０２a、１０４ａの長さ）は６００ｍｍである。軟鋼板は、板厚１．２ｍｍ、鋼板の主成分が、Ｃ：０．０４１重量％、Ｓｉ：０．００７重量％、Ｍｎ：０．１６重量％、Ｐ：０．００９重量％、Ｓ：０．０１重量％であり、高張力鋼板は、板厚１．２ｍｍ、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２重量％、Ｓｉ：０．５重量％、Ｍｎ：２．０重量％、Ｐ：０．０１重量％、Ｓ：０．００３重量％である。

溶接条件は、レーザ出力を５．０ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面とし、さらに焦点位置におけるビームスポット直径は０．５ｍｍとして溶接を行った。実施例２と同様、図８Ｂに示すように、ビード幅０．５ｍｍ、直径６ｍｍの円形のビードを1→２→３→４の順に、すなわち両側のフランジ部のうち一方で端から端まで順番に、次に他方で端から端まで順番に形成した。２本目のビードは、１本目のビードと同心円の円形ビードで、直径を５．５ｍｍとして、１本目のビード形成後、１本目と同様に1→２→３→４の順でビードを形成した。ビード（の重心）の位置の間隔は２０ｍｍとした。この場合、ねじれ角度は約１８°であり、この両ハット部材１００を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題となる程度であった。なお、ねじれ角度の定義については実施例２で説明したとおりである。

それに対して、同様の両ハット部材１００について、１本目のビードを連続的に複数形成する際、及び２本目のビードを連続的に複数形成する際に、いずれも直近の溶接位置以外にビードを形成するようにした。この場合、溶接変形を抑制して、ねじれ角度が１°未満に抑えられ、この両ハット部材１００を他の部材に組付けて溶接あるいは固定する際に問題がない精度にまで改善された。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。

本発明によれば、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られ、自動車用部材等に適用できるので、産業上の利用可能性は大きい。

Claims (4)

1. 含有する炭素量が０．０７重量％以上の高張力鋼板を含む複数の部材の重ね合わせ部において、複数の溶接位置で、リモートレーザ溶接によって、閉ループ、又は１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、前記開口部の長さの合計が、ビードの外接円相当径の３／４以下である形状の１本目のビードと、前記１本目のビードの内側の閉ループ、又は１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、前記開口部の長さの合計が、ビードの外接円相当径の３／４以下である形状の２本目のビードとを形成し接合するレーザ溶接方法であって、
   前記複数の溶接位置の全て又は一部に１本目のビードを連続的に複数形成する手順と、
   前記複数形成された１本目のビードに対して２本目のビードを連続的に複数形成する手順とを有し、
   前記１本目のビードを連続的に複数形成する手順、及び前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順のいずれの場合にも、前記複数の溶接位置のうち直近の溶接位置以外にビードを形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順では、最高温度がＭｓ点−５０℃以下となった１本目のビードに対して２本目のビードを形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記２本目のビードを連続的に複数形成する手順では、１本目のビードの温度が４００度以上、Ａｃ１点＋５０℃以下となるように２本目のビードを形成することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. １本目のビードは円形、２本目のビードは１本目のビードと同心となる円形を呈し、
   これらビードの中心から１本目のビードの始終端を結んだ線分と、２本目のビードの始終端を結んだ線分とがなす角度を１０°以上とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。

Images