JP5320952B2

JP5320952B2 - 突合せ溶接ワークの強化方法及び突合せ溶接ワーク

Info

Publication number: JP5320952B2
Application number: JP2008257570A
Authority: JP
Inventors: 健雄楠木; 偉央徳光; 真尚田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: JP2010082685A

Description

本発明は、板材相互を突合せ溶接して作成したワークにおける溶接部近傍の熱影響軟化部を強化する突合せ溶接ワークの強化方法及び突合せ溶接ワークに関する。

従来から、鋼板同士をレーザ突合せ溶接によって接合し、その接合した鋼板（テーラードブランク材）をプレス加工により所望の形状の製品に成形する技術が知られており、この際強度や板厚が互いに異なる鋼板同士をレーザ突合せ溶接を行って、１枚の鋼板としてプレス成形を行うことで、製品の部分的な補強や軽量化が可能となる。

このようなレーザ突合せ溶接によって得られた鋼板は、特に母材の引張強度が７８０ＭＰａ以上の高張力鋼板では、溶接部近傍に、溶接時の熱の影響を受けて軟化する熱影響軟化部（ＨＡＺ部）が発生する。この熱影響軟化部は、成形時にて破断を引き起こし、成形性の悪化を招いている。

このため従来では、熱影響軟化部の幅を板厚の２５％以下とし、その際、溶接速度を毎分８ｍ以上とすることで、熱影響軟化部での破断を起因とする成形性の悪化に対応している（下記特許文献１参照）。
特開２００６−２１８５００号公報

しかしながら、上記した従来の方法では、溶接速度を毎分８ｍ以上とする必要があるので、溶接条件が限定されることになり、汎用性に劣るという問題がある。

そこで、本発明は、溶接条件が限定されることなく、熱影響軟化部での破断を起因とする成形性および部材強度性能の悪化を抑制することを目的としている。

本発明は、突合せ溶接して作成したワークの溶接部近傍の熱影響軟化部を、プレス成形により曲面形状の屈曲部を形成して塑性変形させることで、加工硬化させて強化する突合せ溶接ワークの強化方法であって、前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、前記屈曲部を成形する際の低強度側材料の高強度側材料に向かう流動を、前記ワークに形成した流動抑え部によって抑えることを特徴とする。

本発明によれば、熱影響軟化部は、塑性変形させることで加工硬化されるので、強度を高めることができ、したがって溶接条件が限定されることなく、熱影響軟化部での破断を起因とする成形性および部材強度性能の悪化を抑制することできる。
また、熱影響軟化部に対し、プレス成形により屈曲部を形成することで塑性変形させているので、熱影響軟化部の加工硬化がより確実かつ容易に実施できる。
その際、熱影響軟化部に対し、曲面形状の屈曲部を形成することで塑性変形させているので、単に折り曲げることで塑性変形させた場合に比較して、熱影響軟化部の全体をより均一に加工硬化することができる。
また、低強度側材料の高強度側材料側への材料移動を流動抑え部が抑えることで溶接ビードが屈曲部の中心となり、溶接ビードの両側の熱影響軟化部がより均等に塑性変形して加工硬化が均一化し、より高品質な製品を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
図１は、板材としての２枚の薄鋼板１，３をレーザによる突合せ溶接を実施してワークとしての１枚のテーラードブランク材（以下、単にブランク材とする）５を作成した後、このブランク材５の熱影響軟化部を強化して、所定の製品に成形加工するまでを、（ａ）〜（ｅ）の順に示している。

まず、図１（ａ）に示すように、２枚の薄鋼板１，３をその端縁部１ａ，３ａ同士を互いに突合せ、この突合せ部に、図示しないレーザ加工ヘッドから出力されるレーザ光７を突合せ部に沿って移動させながら照射して端縁部１ａ，３ａ同士を溶接接合する。ここで、上記した２枚の薄鋼板１，３は、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高張力鋼板で、かつ一方の例えば薄鋼板１の強度が他方の薄鋼板３の強度よりも高いものとする。

なお、これら２枚の薄鋼板１，３の強度の違いは、板厚を互いに異ならせるか、あるいは引張強度を互いに異ならせることによって達成される。例えば、（１）板厚を同等として引張強度を互いに異ならせる、（２）引張強度を同等として板厚を互いに異ならせる、（３）板厚及び引張強度の双方を互いに異ならせる。これら各方法によって２枚の薄鋼板１，３の強度を異ならせることができる。本実施形態では、上記（１）によって強度を異ならせている。

図１(ａ)のレーザ溶接後は、薄鋼板１，３相互間に溶接部である溶接ビード１１が形成されるとともに、この溶接ビード１１近傍に、図２に示すように、溶接による熱の影響を受けて軟化する熱影響軟化部（ＨＡＺ部）１３，１５がそれぞれ発生する。各薄鋼板１，３における熱影響軟化部１３，１５の溶接ビード１１と反対側は、薄鋼板１，３の母材部分１７，１９となる。

このようなレーザ溶接後の１枚の鋼板であるブランク材５は、図３に示すように、熱影響軟化部１３，１５の強度が、溶接ビード１１や母材部分１７，１９と比較して低くなっている。この熱影響軟化部１３，１５は、引張強さが低い鋼板の溶接品に比較して、引張強さの高い高張力鋼や超高張力鋼の溶接品において顕著に現れ、その後の製品形状とするためのプレス成形時または成形後の部材の衝突変形時に破断を引き起こす要因となる。なお、上記した熱影響軟化部１３，１５が発生する要因としては、高張力鋼板中のマルテンサイト組織が溶接熱により焼き戻されるからである。一方、溶接ビード１１は、一度溶融して凝固するため、マルテンサイト化されて母材部分１７，１９よりも硬度が高まっている。

次に、上記したブランク材５を、図１（ｂ）に示すように、下型２１と上型２３とで、溶接ビード１１及びその近傍の少なくとも熱影響軟化部１３，１５を含む部位に対してプレス成形し、図１（ｃ）に示すような屈曲部２５を形成して熱影響軟化部１３，１５を塑性変形させる。

すなわち、下型２１は、溶接ビード１１に沿って延びる凹曲面状の凹部２１ａを備える一方、上型２３は、上記凹部２１ａに対応して溶接ビード１１に沿って延びる凸曲面状の凸部２３ａを備え、これら凹部２１ａ及び凸部２３ａ相互間で上記した屈曲部２５を成形する。この際、凹部２１ａの最深部及び凸部２３ａの頂点位置、すなわち凹部２１ａ及び凸部２３ａの幅方向（図１（ｂ）中で左右方向）中心位置に、溶接ビード１１を整合させた状態でプレス成形する。これにより、図１（ｃ）に示すように、溶接ビード１１が中心位置となった曲面形状の屈曲部２５が形成される。

このように溶接ビード１１及びその近傍の熱影響軟化部１３，１５に対し屈曲部２５を形成して熱影響軟化部１３，１５を塑性変形させることで、熱影響軟化部１３，１５が加工硬化されて強化される。そして、この熱影響軟化部１３，１５を強化したブランク材５を、図１（ｄ）に示すように、図示しないプレス成形機にて下型２７と上型２９とでプレス成形し、図１（ｅ）に示す製品３１が完成する。この成形後における屈曲部２５の製品形状への影響はない。

この際、本実施形態では、上記ブランク材５をプレス成形する際に、熱影響軟化部１３，１５を強化しているので、熱影響軟化部１３，１５での割れや破断を引き起こすことを抑制でき、高品質な製品３１を得ることができる。すなわち、本実施形態では、溶接条件が限定されることなく、熱影響軟化部１３，１５での破断を起因とする成形性および部材強度性能の悪化を抑制することができる。
なお、上記図１（ｅ）の製品３１は、その一例として自動車の車体骨格部材であるサイドメンバを示しており、強度が低い薄鋼板３側の部分３０を車体前方側に配置する一方、強度が高い薄鋼板１側の部分１０を車室側に対応する位置に配置することで、車両の前面衝突時に、強度が低い部分３０によって潰れ変形しやすくして衝撃吸収し、強度が高い部分１０によって車室形状を維持することになる。

また、本実施形態では、熱影響軟化部１３，１５に対し、プレス成形により屈曲部２５を形成することで塑性変形させているので、熱影響軟化部１３，１５の加工硬化がより確実かつ容易に実施できる。

その際、本実施形態では、熱影響軟化部１３，１５に対し、曲面形状の屈曲部２５を形成することで塑性変形させているので、単に折り曲げることで塑性変形させた場合に比較して、熱影響軟化部１３，１５の全体をより均一に加工硬化することができる。

なお、上記した第１の実施形態では、２枚の薄鋼板１，３は、引張強度が互いに異なっているが、引張強度が互いに同等であってもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、図４に示すように、第１の実施形態のブランク材５に代わるブランク材５Ａが、第１の実施形態と同様の屈曲部２５を溶接ビード１１及び熱影響軟化部１３，１５に対応する部位に備えるとともに、強度の低い薄鋼板３側の熱影響軟化部１５に隣接する母材部分１９に、屈曲部２５とほぼ同形状の低強度側母材屈曲部３３を、屈曲部２５とほぼ平行な状態となるように屈曲部２５と同時にプレス成形する。

前記第１の実施形態では、屈曲部２５を成形する際に、強度の低い薄鋼板３側の材料の延び量（塑性変形量）が強度の高い薄鋼板１側に比較して多くなるので、薄鋼板３の薄鋼板１側への材料移動が発生し、溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）から薄鋼板１側にずれる恐れがある。

そこで、第２の実施形態では、強度の低い薄鋼板３の母材部分１９に低強度側母材屈曲部３３を、屈曲部２５と同時に成形することで、低強度側母材屈曲部３３を成形する部分の下型と上型とで強度の低い薄鋼板３を固定保持し、薄鋼板３の薄鋼板１側への材料移動を阻止して溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）となるようにする。

このように溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）となることで、溶接ビード１１の両側の熱影響軟化部１３，１５がより均等に塑性変形して加工硬化が均一化し、より高品質なブランク材５を得ることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、図５に示すように、前記図４に示した第２の実施形態の低強度側母材屈曲部３３に加え、強度の高い薄鋼板１側の熱影響軟化部１３に隣接する母材部分１７に高強度側母材屈曲部３５を形成する、この高強度側母材屈曲部３５は、屈曲部２５及び低強度側母材屈曲部３３とほぼ同形状ではあるが、これら屈曲部２５及び低強度側材屈曲部３３よりも高さが低く、屈曲部２５とほぼ平行な状態となるように屈曲部２５と同時にプレス成形する。

すなわち、図６に示すように、屈曲部２５及び低強度側母材屈曲部３３の高さをそれぞれｈ１及びｈ２、高強度側母材屈曲部３５の高さをｈ３とすると、ｈ１＝ｈ２＞ｈ３の関係となる。

この場合には、屈曲部２５及び低強度側母材屈曲部３３に対応する部位が先に型に接触して同時に成形され始め、それに遅れて高強度側母材屈曲部３５が成形されることになる。高強度側母材屈曲部３５を成形することで、高強度側母材屈曲部３５を成形する部分の下型と上型とで強度の高い薄鋼板３を固定保持することになり、薄鋼板１から薄鋼板３側への材料移動を阻止する。

これにより、溶接ビード１１が屈曲部２５のより中心（頂点位置）となるようにし、溶接ビード１１の両側の熱影響軟化部１３，１５がさらに均等に塑性変形して加工硬化が均一化し、さらに高品質なブランク材５を得ることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態に対し、ブランク材５Ｃの屈曲部２５における強度の低い薄鋼板３側の曲面形状とした熱影響軟化部１５の曲率半径ｒ２を、強度の高い薄鋼板１側の曲面形状とした熱影響軟化部１３の曲率半径ｒ１より小さくしている。

したがって、ここでの屈曲部２５を成形する際に使用する前記図１（ｂ）に示した下型２１及び上型２３の凹部２１ａ及び凸部２３ａの曲率も、上記の各薄鋼板１，３に対応するよう変化させている。

このように、強度の低い薄鋼板３側の熱影響軟化部１５の曲率半径を小さくすることで、屈曲部２５を成形する際に、強度の低い薄鋼板３側の強度の高い薄鋼板１側への材料移動を阻止し、溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）となるようにする。

第４の実施形態では、前記した第２の実施形態や第３の実施形態のように、屈曲部２５のほかに低強度側母材屈曲部３３や高強度側母材屈曲部３５を形成する必要がないので、より簡素化した型構造で、溶接ビード１１を屈曲部２５の中心に位置させて、熱影響軟化部１３，１５に対する加工硬化を均一化することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、上記第４の実施形態における熱影響軟化部１３，１５の曲率半径ｒ１，ｒ２を変化させる代わりに、屈曲部２５における強度の低い薄鋼板３側の曲面形状とする熱影響軟化部１５に対応する下型２１及び上型２３の凹部２１ａ及び凸部２３ａの型表面を、屈曲部２５における強度の高い薄鋼板１側の曲面形状とする熱影響軟化部１３に対応する下型２１及び上型２３の凹部２１ａ及び凸部２３ａの型表面よりも粗面として摩擦抵抗を大きくする。

これにより、屈曲部２５を成形する際に、強度の低い薄鋼板３側の強度の高い薄鋼板１側への材料移動を、型表面の摩擦力によって阻止することができる。

第５の実施形態においても、第４の実施形態と同様に、屈曲部２５のほかに低強度側母材屈曲部３３や高強度側母材屈曲部３５を形成する必要がないので、より簡素化した型構造で、溶接ビード１１を屈曲部２５の中心に位置させて、熱影響軟化部１３，１５に対する加工硬化を均一化することができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、図８，図９に示すように、２枚の薄鋼板１，３の強度の違いを、板厚を互いに異ならせることで達成している。すなわち、ここでは薄鋼板１，３相互の引張強度をほぼ同等とした上で、薄鋼板３を、薄鋼板１よりも板厚を薄くして強度を低くしている。

なお、図８（ａ），（ｂ）はブランク材５Ｄ，５Ｅに屈曲部２５を形成する前の状態を示し、図９（ａ），（ｂ）は屈曲部２５を形成した後の状態を示す。

この場合には、溶接ビード１１における薄鋼板１，３相互の突合せ部に、図８（ａ），のように上部に段差３５が発生するか、あるいは図８（ｂ）のように下部に段差３７が発生する。図８（ａ）の場合には、上部の段差３５に対応して上型２３の凸部２３ａに、板厚が薄い薄鋼板３側に向けて接近するようにして傾斜面２３ｂを形成し、この傾斜面２３ｂの立上り部２３ｃを、段差３５に整合させた状態で図９（ａ）のようにしてプレス成形する。

一方、図８（ｂ）の場合には、下部の段差３７に対応して下型２１の凹部２１ａに、板厚が薄い薄鋼板３側に向けて接近するようにして傾斜面２１ｂを形成し、この傾斜面２１ｂの立上り部２１ｃを、段差３７に整合させた状態で図９（ｂ）のようにしてプレス成形する。

これにより、下型２１と上型２３により、溶接ビード１１及びその近傍の熱影響軟化部１３，１５に屈曲部２５を形成するときに、溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）からずれることを抑えることができる。

上記傾斜面２３ｂ及び傾斜面２１ｂを形成した部分の上型２３及び下型２１に、段差３５及び３７の形状に合わせて段差を形成した場合には、屈曲部２５を成形する際に、型の段差が薄鋼板１，３側の段差３５，３７に干渉し、溶接ビード１１が屈曲部２５の中心（頂点位置）からずれやすくなってしまう。

なお、上記した各実施形態では、熱影響軟化部１３，１５を塑性変形させることで強化する加工方法として、屈曲部２５を形成しているが、薄鋼板１，３の各母材部分１７，１９を互いに離れる方向に引っ張ることで熱影響軟化部１３，１５を伸張させて塑性変形させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係わる２枚の薄鋼板を突合せ溶接して１枚のテーラードブランク材を作成した後、このブランク材の熱影響軟化部を強化して、所定の製品に成形加工するまでを、（ａ）〜（ｅ）の順に示した加工工程図である。テーラードブランク材の溶接ビード近傍の断面図である。テーラードブランク材の溶接ビードを中心とした強度分布図である。第２の実施形態を示すテーラードブランク材の熱影響軟化部を塑性変形させた斜視図である。第３の実施形態を示すテーラードブランク材の熱影響軟化部を塑性変形させた斜視図である。図５のＡ−Ａ断面図である。第４の実施形態を示すテーラードブランク材の溶接ビード近傍の断面図である。第６の実施形態を示す２枚の薄鋼板の厚さが異なる場合のテーラードブランク材の溶接ビード近傍をプレス成形する前の断面図で、（ａ）は薄鋼板相互の突合せ部の段差が上部に位置する場合、（ｂ）は薄鋼板相互の突合せ部の段差が下部に位置する場合である。（ａ）は図８（ａ）に対して溶接ビード近傍をプレス成形した後の断面図、（ｂ）は図８（ｂ）に対して溶接ビード近傍をプレス成形した後の断面図である。

符号の説明

１，３薄鋼板（板材）
５テーラードブランク材（ワーク）
１１溶接ビード（溶接部）
１３，１５熱影響軟化部
１７，１９薄鋼板の母材部分
２５曲面状の屈曲部
３３低強度側母材屈曲部
３５高強度側母材屈曲部
ｈ１屈曲部の母材表面からの高さ
ｈ２低強度側母材屈曲部の母材表面からの高さ
ｈ３高強度側母材屈曲部の母材表面からの高さ
ｒ１高強度側の薄鋼板の熱影響軟化部における屈曲部の曲率半径
ｒ２低強度側の薄鋼板の熱影響軟化部における屈曲部の曲率半径

Claims

板材相互を突合せ溶接して作成したワークの溶接部近傍の熱影響軟化部を、プレス成形により曲面形状の屈曲部を形成して塑性変形させることで、加工硬化させて強化する突合せ溶接ワークの強化方法であって、前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、前記屈曲部を成形する際の低強度側材料の高強度側材料に向かう流動を、前記ワークに形成した流動抑え部によって抑えることを特徴とする突合せ溶接ワークの強化方法。
前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、このうち低強度側の板材の母材部分に、前記屈曲部を成形する際の低強度側材料の高強度側材料に向かう流動を抑える低強度側母材屈曲部を形成することを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接ワークの強化方法。
前記強度が互いに異なる一対の板材のうち高強度側の板材の母材部分に、高強度側母材屈曲部を形成し、この高強度側母材屈曲部の母材表面からの高さを、前記屈曲部及び低強度側母材屈曲部の母材表面からの高さより低くしたことを特徴とする請求項２に記載の突合せ溶接ワークの強化方法。
前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、このうち低強度側の板材の前記熱影響軟化部における屈曲部の曲率半径を、高強度側の板材の前記熱影響軟化部における屈曲部の曲率半径より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接ワークの強化方法。
前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、このうち低強度側の板材の前記熱影響軟化部に接するプレス成形型の型表面を、高強度側の板材の前記熱影響軟化部に接するプレス成形型の型表面よりも摩擦抵抗を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接ワークの強化方法。
前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに板厚が異なり、この各板材相互の突合せ部に形成される段差を、前記曲面形状の屈曲部を成形するプレス成形型の型表面に前記一対の板材のうち板厚が薄い側に向けて接近するようにして形成した傾斜面の立上り部に整合させた状態で、プレス形成することを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接ワークの強化方法。
板材相互を突合せ溶接して作成したワークの溶接部近傍の熱影響軟化部が、プレス成形により曲面形状の屈曲部を形成して塑性変形させることで加工硬化強化され、前記突合せ溶接を行う一対の板材は互いに強度が異なり、前記屈曲部を成形する際の低強度側材料の高強度側材料に向かう流動が、前記ワークに形成した流動抑え部によって抑えられていることを特徴とする突合せ溶接ワーク。