JP5564950B2 - 薄板の溶接部及び薄板のレーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼やステンレス鋼、高張力鋼などの特殊鋼からなる薄板の連続冷間圧延において、先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接して形成された溶接部、及び先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接する方法に関する。

鋼板の連続冷間圧延ラインでは、先行板の後端部と後行板の先端部とを圧延機の入側において突合せ溶接することにより間断なく圧延を行っている。先行板と後行板の突合せ溶接には、フラッシュバット溶接やレーザー溶接が用いられるが、電磁鋼やステンレス鋼、高張力鋼などの特殊鋼の連続冷間圧延ラインではレーザー溶接が用いられることが多い。

レーザー溶接システムは、レーザー発振器、導波路、集光部などから構成されている。レーザー溶接では、レーザー発振器として大出力化が進んでいるＣＯ_２レーザーとＹＡＧレーザーが用いられることが多い。レーザー発振器によって生成された単一波長かつ位相差の無い（コヒーレントな）光は、導波路を介して集光部へ導波され、放物面鏡や集光レンズ等で構成された集光部によって適切なサイズに集光された後、被溶接材に照射される。照射された光は被溶接材に吸収され、加熱された被溶接材が溶融することにより接合が行われる。なお、溶接金属の酸化等を防ぐため、ＡｒやＨｅなどのシールドガスを溶接金属へ吹き付けることが行われる。

レーザー溶接の場合、溶接金属の領域が小さく、しかも溶接速度が極めて速いため、溶接金属が急熱急冷によって硬化し、溶接金属の硬度が著しく上昇する。そのため、溶接金属自体の靭性を十分に確保できないという問題があった。特に、電磁鋼や高張力鋼のようなＳｉを多く含む特殊鋼にレーザー溶接を用いた場合、溶接部の脆化が著しく、圧延時に溶接部が破断することがある。

そこで、特許文献１では、高Ｓｉ鋼を溶接するに際し、Ｎｉを主成分とするフィラー材を用い、溶接金属の化学組成が下式を満足するように溶接を行うことを特徴とするレーザー溶接方法の発明が開示されている。そして、当該発明によれば、靱性に優れた溶接継手を得ることができるとしている。
Ｘ＝［％Ｎｉ］−［％Ｓｉ］×２．５−（［％Ｃｒ］＋［％Ｍｏ］）×０．４≧０
ここで、［％Ｎｉ］、［％Ｓｉ］、［％Ｃｒ］、及び［％Ｍｏ］は、それぞれ溶接金属中のＮｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、及びＭｏの含有量（重量％）を表している。

また、特許文献２では、先行板と後行板とを突合せてフィラーワイヤーを用いてレーザー溶接する方法において、溶接初期の先行板と後行板の突合せギャップ（Ｇａｐ）と溶接金属の平均巾（ＤＥＰＯ）との比（Ｇａｐ／ＤＥＰＯ）が０．３〜０．８であることを特徴とするレーザー溶接方法の発明が開示されている。そして、当該発明によれば、熱影響部（ＨＡＺ）の溶接金属に近接する部分における結晶粒径を微細化して十分な溶接強度を実現できるとしている。

特開平５−３０５４６６号公報 特開２００４−２５２８４号公報

特許文献１では、Ｓｉを多く含有する電磁鋼板の場合、粗大フェライトが溶接部に生成して機械的性質が劣化することに加え、熱影響部における結晶粒が粗大化して熱影響部で破断することがあるため、溶接時にフィラーを添加して溶接金属中のＳｉを希釈することにより、靭性に優れた溶接継手を実現しようとしている。また、特許文献２では、レーザー溶接の場合、熱影響部の結晶粒径が大きくなり、圧延時に溶接点から破断する原因となるため、熱影響部における結晶粒径の微細化を図っている。即ち、特許文献１及び２記載の発明では、圧延時の溶接部破断を、溶接部における粗大フェライトの生成及び熱影響部における結晶粒の粗大化が原因であるとしている。

しかし、本発明者は、圧延時における溶接部の破断は、後述するように、圧延による溶接部の異常変形が原因であることを発見し、溶接部の異常変形を抑制することにより溶接部の破断を防止できることを見いだした。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、特殊鋼からなる薄板の連続冷間圧延において、冷間圧延による破断が発生しない溶接部、並びにそれを実現するためのレーザー溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、連続冷間圧延ライン上を搬送される特殊鋼からなる先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接して形成された溶接部において、冷間圧延によって母材の上面側に延び出た溶接金属からなる上側延出部の下側に存在する前記母材の最小厚みをＬ１とし、冷間圧延によって前記母材の下面側に延び出た溶接金属からなる下側延出部と前記上側延出部に挟まれた前記母材の最小厚みをＬ２とすると、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きく、冷間圧延前における余盛断面積を、冷間圧延前における前記溶接金属の全断面積で除した余盛断面積比が０．２３以下であることを特徴としている。

連続冷間圧延ライン上を搬送される特殊鋼からなる先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接して形成された溶接部を冷間圧延した際、冷間圧延によって母材の上面側に延び出た溶接金属からなる上側延出部の下側に存在する母材の最小厚みＬ１や、冷間圧延によって母材の下面側に延び出た溶接金属からなる下側延出部と前記上側延出部に挟まれた母材の最小厚みＬ２が小さい場合、その部位における母材が大きな延びを強制されるため、母材硬度が高くなる。実測結果に拠れば、上側延出部や下側延出部からなる異常変形部における延びは母材の冷延延びの１．５〜４倍と大きく、異常変形部における硬度は母材硬度の１．１〜１．８倍を示している。このことから、Ｌ１、Ｌ２が小さくなるにつれて当該部位における母材硬度が上昇し、破断限界を迎えやすくなっていると考えられる。そのため、冷間圧延による溶接部の破断を防止するためには、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなければならない。

ここで、「薄板」としては、冷間圧延前における板厚が１〜６ｍｍ程度のものを想定している。
また、「余盛断面積」は、溶接部を薄板の長さ方向に切断した断面において、薄板面から上側に突出した余盛１１ｕの断面積と薄板面から下側に突出した余盛１１ｄの断面積の和である（図１参照）。「溶接金属の全断面積」は、前記断面において、余盛１１ｕ、１１ｄを含む溶接金属全体の断面積である。なお、圧延前に余盛をカットした場合は、余盛断面積はゼロとなり、溶接部の表面がクレータ状になっている場合は、余盛断面積は負となるが、強度的観点から余盛断面積比はゼロ以上が望ましい。

余盛断面積比は上記Ｌ１及びＬ２と相関関係にあり、余盛断面積比が大きくなると、Ｌ１及びＬ２は小さくなる。即ち、余盛断面積比が大きくなると、溶接部の破断が発生しやすくなる。後述するように、余盛断面積比を０．２３以下とすることによりＬ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなる確率が高くなり、圧延による溶接部の異常変形に起因する溶接部の破断を防止することができる。

また、本発明に係る薄板の溶接部は、冷間圧延前における前記溶接金属の硬度を、冷間圧延前における前記母材の硬度で除した硬度比が０．９６以下であることが好ましい。
ここで、「硬度」は、ＪＩＳ Ｚ２２４４「ビッカース硬さ試験−試験方法」に規定されているビッカース硬度である。

硬度比は上記Ｌ１及びＬ２と相関関係にあり、硬度比が大きくなると、Ｌ１及びＬ２は小さくなる。即ち、硬度比が大きくなると、溶接部の破断が発生しやすくなる。後述するように、硬度比を０．９６以下とすることによりＬ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなる確率が高くなり、圧延による溶接部の異常変形に起因する溶接部の破断を防止することができる。なお、強度的観点から硬度比は０．３以上であることが望ましい。

また、本発明に係る薄板の溶接部は、前記溶接金属が含有するＮｉ当量をＮｉｅｑ、Ｃｒ当量をＣｒｅｑとすると、ＮｉｅｑとＣｒｅｑが下記（１）式及び（２）式を満足することを好適とする。
Ｎｉｅｑ＋０．９１×Ｃｒｅｑ≧２７ （１）
３×Ｎｉｅｑ−Ｃｒｅｑ≧−１２ （２）
但し、Ｎｉ当量＝Ｎｉ［質量％］＋３０×Ｃ［質量％］＋０．５×Ｍｎ［質量％］、Ｃｒ当量＝Ｃｒ［質量％］＋Ｍｏ［質量％］＋１．５×Ｓｉ［質量％］＋０．５×Ｎｂ［質量％］である。

図４はシェフラーの組織図であり、斜線を施された領域が（１）式及び（２）式を満足するＮｉ当量及びＣｒ当量の範囲となる。溶接部はオーステナイト組織の割合が多いほど柔らかくなるため、破断しにくくなる。本発明は、溶接部の組織をオーステナイト組織のみ又はオーステナイトとフェライト（好ましくは、２０質量％以下程度のフェライト）からなる組織とすることにより溶接部の破断を防止するものである。

また、本発明は、上記薄板の溶接部を実現するためのレーザー溶接方法であって、下記（３）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｓ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｓを含有する前記特殊鋼に、下記（４）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｆ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｆを含有するフィラーを使用し、下記（５）式を満足するようにレーザー溶接することを特徴としている。
１．２×１０^−２≦（Ｎｉｅｑｓ／Ｃｒｅｑｓ）≦４．１×１０^−１ （３）
５質量％≦Ｎｉｅｑｆ≦７０質量％、１質量％≦Ｃｒｅｑｆ≦３５質量％ （４）
０．９≦（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）≦１．４ （５）
但し、Ｎｉ当量＝Ｎｉ［質量％］＋３０×Ｃ［質量％］＋０．５×Ｍｎ［質量％］、Ｃｒ当量＝Ｃｒ［質量％］＋Ｍｏ［質量％］＋１．５×Ｓｉ［質量％］＋０．５×Ｎｂ［質量％］、Ｆ：前記フィラーの供給速度、Ａ_Ｆ：前記フィラーの断面積、Ｖ：レーザー加工ヘッドの母材幅方向移動速度、Ｇ：前記先行薄板と前記後行薄板との突合せギャップの幅、ｔ：前記先行薄板及び前記後行薄板の平均板厚である。

Ｆ×Ａ_Ｆは、単位時間当りのフィラーの供給量であり、Ｖ×Ｇ×ｔは、単位時間当りに溶接される突合せギャップの体積となる。従って、（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）は、単位時間当りの（フィラーの供給量）／（溶接される突合せギャップの体積）となる。即ち、（５）式は、突合せギャップに供給されるフィラーの量について適正範囲を規定したものであり、（５）式を満足するようにレーザー溶接することにより、余盛断面積比を０．２３以下とすることができる。一方、（３）式を満足する特殊鋼に対して（４）式を満足するフィラーを使用することにより、硬度比を０．９６以下とすることができる。

また、冷間圧延時の圧下率が９０％を超えると、溶接部の破断が発生しやすくなるため、本発明に係る薄板の冷間圧延方法は、上記薄板のレーザー溶接方法によってレーザー溶接された薄板を圧下率９０％以下で冷間圧延することを特徴としている。
ここで、「圧下率」は、（冷間圧延前の薄板の板厚−冷間圧延後の薄板の板厚）／冷間圧延前の薄板の板厚×１００である。

本発明によれば、レーザー溶接した薄板の溶接部を冷間圧延した際、上側延出部の下側に存在する母材の最小厚みＬ１、及び上側延出部と下側延出部に挟まれた母材の最小厚みＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなるので、冷間圧延に伴う溶接部の異常変形が抑制され、溶接部の破断を防止することができる。

冷間圧延前における溶接部を薄板の長さ方向に切断した断面の模式図である。 冷間圧延後における溶接部を薄板の長さ方向に切断した断面の模式図である。 冷間圧延後における溶接部を薄板の長さ方向に切断した断面の模式図であり、（Ａ）はＬ１がゼロの場合、（Ｂ）はＬ２がゼロの場合を示している。 本発明に係る薄板の溶接部に含まれるＮｉ当量、Ｃｒ当量の範囲をシェフラーの組織図に示したものである。 本発明に係る薄板のレーザー溶接方法における特殊鋼及びフィラーのＮｉ当量、Ｃｒ当量の範囲をシェフラーの組織図に示したものである。 溶接部におけるＬ１、Ｌ２と余盛断面積比との関係を示したグラフである。 溶接部におけるＬ１、Ｌ２と硬度比との関係を示したグラフである。 （Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）と溶接部の破断との関係を示したグラフである。 試験結果をシェフラーの組織図上にプロットしたものである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る薄板の溶接部１１について、図１、図２を参照しながら説明する。薄板の連続冷間圧延ラインにおいて、先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接して形成された溶接部１１（図１参照）を冷間圧延すると、図２に示すような断面となる場合がある。薄板面から上側に突出した溶接金属からなる余盛１１ｕは、圧延によって母材１０の上面側において母材１０の長さ方向に延び出して上側延出部１２を形成し、薄板面から下側に突出した溶接金属からなる余盛１１ｄは、圧延によって母材１０の下面側において母材１０の長さ方向に延び出して下側延出部１３を形成する。このように、溶接部１１が上側延出部１２や下側延出部１３からなる異常変形部を有する場合、上側延出部１２の下側に存在する母材１０の最小厚みＬ１や、上側延出部１２と下側延出部１３に挟まれた母材１０の最小厚みＬ２が小さくなると、溶接部１１の破断強度が低下する。

本実施の形態に係る薄板の溶接部１１では、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかをゼロより大きくすることにより、即ち、上側延出部１２ａが母材１０の下面に接触すること（図３（Ａ）参照）がないようにするか、上側延出部１２ｂと下側延出部１３ａが接触すること（図３（Ｂ）参照）がないようにすることにより、冷間圧延による溶接部の破断を防止する。

Ｌ１とＬ２による薄板溶接部の評価は以下のように行う。
（ＳＴＥＰ−１）冷間圧延後の溶接部について板幅方向の両端と中央の計３箇所における断面を写真に撮る。
（ＳＴＥＰ−２）断面写真よりＬ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きいと判断される場合、当該溶接部を良とする。但し、圧延によって延出した母材の先端部では上側延出部と下側延出部との境界が明確でないだけでなく、母材の先端部で破断するおそれも低いため、Ｌ１とＬ２の値を決定する際に母材の先端部は除外する。

次に、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなる溶接部を形成するための本発明の一実施の形態に係る薄板のレーザー溶接方法について説明する。
対象とする鋼板（先行板及び後行板）は、前記（３）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｓ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｓを含有する特殊鋼であって、冷間圧延前の平均板厚が１〜６ｍｍ程度の薄板である。一方、薄板の溶接に使用するフィラーには、前記（４）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｆ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｆを含有するものを使用する。図５のシェフラーの組織図において、右下がりの斜線を施した領域が（３）式、左下がりの斜線を施した領域が（４）式を満足する範囲である。（３）式を満足する特殊鋼に対して（４）式を満足するフィラーを使用することによって、形成された溶接金属のＮｉ当量Ｎｉｅｑ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑは前記（１）式及び（２）式を満足するものとなる。

レーザー溶接時には、（フィラー供給速度Ｆ×フィラー断面積Ａ_Ｆ）／（レーザー加工ヘッドの母材幅方向移動速度Ｖ×先行薄板と後行薄板との突合せギャップの幅Ｇ×薄板の板厚ｔ）で算出される溶接パラメータ値が常に０．９〜１．４の範囲内となるようにする。これにより、０．２３以下の余盛断面積比と０．９６以下の硬度比が担保される。なお、溶接パラメータ（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）は無次元量であり、（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）を算出する際、長さと時間の単位はそれぞれ統一しておく必要がある。

上記レーザー溶接方法によってレーザー溶接された薄板を冷間圧延する際は、圧下率を９０％以下とすることが好ましい。

なお、本実施の形態に係る薄板のレーザー溶接方法では、先行薄板と後行薄板の突合せ溶接における開先形状は、Ｉ型に限らず、Ｖ型、Ｕ型等の形状としてもよい。また、レーザー発振器としては、ＣＯ_２レーザーやＹＡＧレーザーを使用することができる。

次に、余盛断面積比（冷間圧延前における余盛断面積／冷間圧延前における溶接金属の全断面積）、硬度比（冷間圧延前における溶接金属の硬度／冷間圧延前における母材の硬度）、及び（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）の各パラメータと、Ｌ１及びＬ２と、溶接部の破断との相関性に関して実施した検証試験について説明する。

試験条件を以下に列記する。
（ａ）薄板：Ｎｉ当量０．１２〜２．２０質量％、Ｃｒ当量０．９０〜２０．２質量％、
板厚１．０〜６．０ｍｍ
（ｂ）フィラーワイヤ：Ｎｉ当量２３．７質量％、Ｃｒ当量２６．６質量％、
フィラーワイヤの直径：１．２ｍｍ、
フィラーワイヤの供給速度：１〜１０ｍ／ｍｉｎ
（ｃ）レーザー発振器：ＣＯ_２レーザー
（ｄ）レーザー加工ヘッドの母材幅方向移動速度：１〜１０ｍ／ｍｉｎ
（ｅ）突合せギャップの幅：０．１〜０．９ｍｍ
（ｆ）圧下率：４０〜９０％

溶接部におけるＬ１、Ｌ２と余盛断面積比との関係を図６に、溶接部におけるＬ１、Ｌ２と硬度比との関係を図７にそれぞれ示す。これらの図より、余盛断面積比が０．２３以下あるいは硬度比が０．９６以下になると、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きくなり、溶接部が破断していないことがわかる。一方、余盛断面積比が０．２３より大きくなると、殆どの溶接部においてＬ１及びＬ２がゼロとなり、Ｌ１及びＬ２がゼロの溶接部は全て破断している。また、硬度比が０．９６より大きくなると、Ｌ１及びＬ２がゼロとなり、全ての溶接部が破断している。

図８は、（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）と溶接部の破断との関係を示したものである。同図より、（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）の値が０．９〜１．４の場合、溶接部の破断が無く、０．９未満又は１．４を超えた場合、全ての溶接部が破断していることがわかる。

図９は、試験結果をシェフラーの組織図上にプロットしたものである。同図において、■印はフィラーのＮｉ当量及びＣｒ当量を、□印は特殊鋼のＮｉ当量及びＣｒ当量を示している。溶接部のＮｉ当量及びＣｒ当量は、■印と□印を結ぶ破線上に位置し、溶込み率によってフィラー側又は母材側へ移動する。同図より、破断していない試験体は、前記（１）式及び（２）式を満足する範囲内にあり、当該範囲外の試験体については、溶接部で破断していることがわかる。

１０：母材、１１：溶接部、１１ｕ、１１ｄ：余盛、１２、１２ａ、１２ｂ：上側延出部、１３、１３ａ：下側延出部

Claims (5)

1. 連続冷間圧延ライン上を搬送される特殊鋼からなる先行薄板と後行薄板とをレーザー溶接して形成された溶接部において、
   冷間圧延によって母材の上面側に延び出た溶接金属からなる上側延出部の下側に存在する前記母材の最小厚みをＬ１とし、冷間圧延によって前記母材の下面側に延び出た溶接金属からなる下側延出部と前記上側延出部に挟まれた前記母材の最小厚みをＬ２とすると、Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかがゼロより大きく、
   冷間圧延前における余盛断面積を、冷間圧延前における前記溶接金属の全断面積で除した余盛断面積比が０．２３以下であることを特徴とする薄板の溶接部。
2. 請求項１記載の薄板の溶接部において、冷間圧延前における前記溶接金属の硬度を、冷間圧延前における前記母材の硬度で除した硬度比が０．９６以下であることを特徴とする薄板の溶接部。
3. 請求項２記載の薄板の溶接部において、前記溶接金属が含有するＮｉ当量をＮｉｅｑ、Ｃｒ当量をＣｒｅｑとすると、ＮｉｅｑとＣｒｅｑは下記（１）式及び（２）式を満足することを特徴とする薄板の溶接部。
   Ｎｉｅｑ＋０．９１×Ｃｒｅｑ≧２７ （１）
   ３×Ｎｉｅｑ−Ｃｒｅｑ≧−１２ （２）
   但し、Ｎｉ当量＝Ｎｉ［質量％］＋３０×Ｃ［質量％］＋０．５×Ｍｎ［質量％］、Ｃｒ当量＝Ｃｒ［質量％］＋Ｍｏ［質量％］＋１．５×Ｓｉ［質量％］＋０．５×Ｎｂ［質量％］
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄板の溶接部を実現するためのレーザー溶接方法であって、
   下記（３）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｓ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｓを含有する前記特殊鋼に、下記（４）式を満足するＮｉ当量Ｎｉｅｑｆ及びＣｒ当量Ｃｒｅｑｆを含有するフィラーを使用し、下記（５）式を満足するようにレーザー溶接することを特徴とする薄板のレーザー溶接方法。
   １．２×１０^−２≦（Ｎｉｅｑｓ／Ｃｒｅｑｓ）≦４．１×１０^−１ （３）
   ５質量％≦Ｎｉｅｑｆ≦７０質量％、１質量％≦Ｃｒｅｑｆ≦３５質量％ （４）
   ０．９≦（Ｆ×Ａ_Ｆ）／（Ｖ×Ｇ×ｔ）≦１．４ （５）
   但し、Ｎｉ当量＝Ｎｉ［質量％］＋３０×Ｃ［質量％］＋０．５×Ｍｎ［質量％］、Ｃｒ当量＝Ｃｒ［質量％］＋Ｍｏ［質量％］＋１．５×Ｓｉ［質量％］＋０．５×Ｎｂ［質量％］、Ｆ：前記フィラーの供給速度、Ａ_Ｆ：前記フィラーの断面積、Ｖ：レーザー加工ヘッドの母材幅方向移動速度、Ｇ：前記先行薄板と前記後行薄板との突合せギャップの幅、ｔ：前記先行薄板及び前記後行薄板の平均板厚
5. 請求項４記載の薄板のレーザー溶接方法によってレーザー溶接された薄板を圧下率９０％以下で冷間圧延することを特徴とする薄板の冷間圧延方法。

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