JP6000947B2 - ガンマジェニック元素（ｇａｍｍａｇｅｎｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓ）と、１０％未満の窒素又は酸素を含有するガスとを使用する、アルミナイズ鋼部品に対するハイブリッドアーク／レーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム系の表面被覆、特にはアルミニウム／ケイ素被覆を含む鋼材被加工物を溶接するためのレーザー／アークハイブリッド溶接方法に関し、この方法は、１種以上のガンマジェニック元素を含有するワイヤ、及び好ましくはアルゴン及び／又はヘリウムと小割合の窒素又は酸素とから形成されるシールドガスを使用する。

所定の鋼材、例えばUSIBOR（登録商標）鋼は、アルミニウムによって又はアルミニウム系合金によって被覆されているのでアルミナイズ鋼と呼ばれ、熱延伸後に非常に高い機械的性質を有し、そのため、軽量化が望まれる場合、自動車製造の分野でますます使用されている。

特に、これらの鋼材は、熱延伸作業中に、熱処理されてその後急冷されるように設計されており、このようにして得られる機械的性質は、標準的な高降伏強さの鋼材と比較して、乗り物の重量を非常に著しく低減することを可能にする。これらの鋼材は、主に、バンパービーム、ドア補強材、センターピラー、ウィンドウピラーなどの製造に使用される。

文献EP-A-1878531は、このタイプのアルミナイズ鋼をレーザー／アークハイブリッド溶接方法を使用して溶接することを提案している。レーザー／アークハイブリッド溶接の原理は、当技術分野において周知されている。

しかしながら、実際には、アルミニウムにより又はアルミニウム合金、特にはＡｌ／Ｓｉ合金により被覆された鋼材被加工物が、Ｈｅ／Ａｒ混合物から形成されるシールド雰囲気を使用するハイブリッド溶接作業と、９２０℃での熱延伸及びその後のツールでの（３０℃／秒での）急冷を含む溶接後熱処理とに供された後に、母材よりも及び溶接部−金属領域よりも低い引張り強さの相がしばしば溶接継手に現れることが観察されてきた。

特に、この低い引張強さの相は、以下に説明するように、このようにして得られる溶接部に脆い領域を生じさせる。これらのより脆い領域は、アルミニウムの凝集体を含有する白色相の島（white-phase islands）の形態で、表面層からマルテンサイト領域に現れる。

この相は、鋼材の延伸前熱処理中の鋼材のオーステナイト変態を防ぐかなりの割合のアルミニウム（＞２％）を含有する、すなわちこの相は、デルタフェライト形態に留まり、その結果、非加工物の残りの部分よりも柔らく、マルテンサイト／ベイナイト変態を受けることが、分析により分かっている。

溶接、延伸及びそれに続く熱処理後の継手の物理試験中、マルテンサイト変態を起こしていない相は、溶接継手にクラック又はせん断歪みを引き起こし得る。なぜなら、溶接のこれらの領域はアルミニウムを含有しているので、それらは堆積された金属よりも脆弱であるからである。

直面する問題は、アルミニウム含有層により被覆された鋼材被加工物を溶接するための作業において生じる溶接部の機械的性質を向上させる、アーク／レーザーハイブリッド溶接方法を如何にして提供するかということである。より詳細には、問題は、典型的に約９２０℃での熱延伸、及び延伸機における、典型的に、８００℃〜５００℃までの、約３０℃／秒の冷却速度での急冷後に、均一なマルテンサイト微細的構造を溶接部−金属領域において、すなわち溶接部において如何にして得るかということである。

本発明の解決策は、例えば、単一の溶融池において電気アーク及びレーザービームを互いに組み合わせて使用し、そこにおいて溶接金属が消耗ワイヤを溶融させることにより提供され、溶融池が、アルミニウム系表面被覆を含む少なくとも１つの鋼材被加工物において生じ、且つシールドガスを使用するレーザー／アークハイブリッド溶接方法であって、消耗ワイヤが少なくとも３重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有し、シールドガスがヘリウム及び／又はアルゴンと、追加成分としての１０体積％未満の窒素又は酸素とから形成されていることを特徴とする方法である。

状況に応じて、本発明の方法は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る：
−ガンマジェニック元素は、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）及び窒素（Ｎ）から選択される；
−消耗ワイヤは少なくともＭｎを含有する；
−ガンマジェニック元素は、金属又は合金の形態、例えば炭素については炭素含有鉄合金又はグラファイト、マンガンについては電解金属マンガン又は鉄合金、元素ニッケル、又は窒素については窒素含有クロム鉄で、特にはメタルコアワイヤで提供され得る；
−消耗ワイヤは、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＮから選択される複数種のガンマジェニック元素を含有する；
−消耗ワイヤは、少なくとも５重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有する；
−ワイヤは、多くとも約２０重量％のガンマジェニック元素を含有する；
−消耗ワイヤは、鉄を更に含有する；
−ワイヤは、有芯ワイヤ、特にメタルコアワイヤ、又は中実ワイヤである；
−シールドガスは、ヘリウムとアルゴンとの混合物を含有する；
−シールドガスは、ヘリウム及び／又はアルゴンと、９体積％未満の窒素又は酸素、好ましくは、ガス中の窒素の存在は特に追加のガンマジェニック元素を供給するので、窒素とから形成される；
−シールドガスは、少なくとも２体積％の前記少なくとも１種の追加のＯ₂又はＮ₂成分を含有する；
−シールドガスは、少なくとも４体積％の窒素を追加の成分として含有する；
−シールドガスは、少なくとも５体積％の窒素を追加の成分として含有する；
−シールドガスは、多くとも８体積％の窒素を追加の成分として含有する；
−シールドガスは、少なくとも５．５体積％の窒素及び多くとも７．５体積％の窒素を含有する；
−使用するシールドガス中の窒素含有量は、アルゴン中又はヘリウム／アルゴン混合物中で約６〜７％である；
−酸素含有量は、アルゴン中又はヘリウム／アルゴン中で約８体積％未満である；
−酸素含有量は、アルゴン中又はヘリウム／アルゴン中で約３〜５体積％である；
−シールドガスは、ヘリウム及び／又はアルゴンと、４〜８体積％の窒素とから形成される；
−１つ以上の鋼材被加工物は、５〜１００μｍ、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有するアルミニウム系表面被覆を含む；
−１つ以上の金属被加工物は、アルミニウム及びケイ素に基づく表面被覆を有する鋼材製であり、表面被覆は好ましくは７０重量％より多くのアルミニウムを含有する；
−１つ以上の金属被加工物は、炭素鋼製である；
−消耗ワイヤを電気アーク、好ましくはＭＩＧ溶接トーチによって得られたアークで溶融させる；
−レーザービームを発振するレーザー発振器は、ＣＯ₂タイプ、ファイバタイプ、又はディスクタイプである；
−溶接されるべき１つ以上の被加工物は、テーラードブランク及びチューブから選択される；
−複数の被加工物、特に２つの被加工物を互いに溶接する；
−被加工物をＩ形突合せ構造に配置して溶接する；
−溶接されるべき１つ以上の被加工物は、作ろうとする溶接部の平面における、すなわち、金属が溶融して溶接部を形成する位置、例えば溶接されるべき被加工物の端面の高さにおける厚さを考慮すると、厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍである；
−被覆は、１つ以上の被加工物の少なくとも１つの表面を覆うが、好ましくは、該１つ以上の被加工物の周縁（end rims）上、すなわち例えばシートの端面上には、アルミニウム系被覆は存在していない又は殆ど存在していない；
−１つ以上の金属被加工物は、アルミニウム及びケイ素に基づく表面被覆を含み、この表面被覆は、珪素の５〜１００倍大きい割合のアルミニウムを含有し、例えば、９０重量％の割合のアルミニウムと、１０重量％の割合のケイ素とを含み、すなわち、表面被覆層は珪素の９倍大きいアルミニウムを含む；
−１つ以上の金属被加工物は、アルミニウム及びケイ素に基づく表面被覆を含み、この表面被覆は、ケイ素のそれよりも５〜５０倍大きい割合のアルミニウム、特に、ケイ素のそれよりも５〜３０倍大きい割合のアルミニウム、特にケイ素のそれよりも５〜２０倍大きい割合のアルミニウムを含有する；
−複数の被加工物、典型的には２つの被加工物を互いに溶接し、前記被加工物は、特に形状、厚さなどの点で、同一又は異なり得る；
−鋼材被加工物は、高合金鋼（＞５重量％の合金元素）製、低合金鋼（＜５重量％の頭金元素）製、又は非合金鋼製、例えば炭素鋼製である；
−溶接ワイヤは、０．５〜５ｍｍ、典型的には約０．８〜２．５ｍｍの径を有する中実ワイヤ又は有芯ワイヤである；
−溶接方向を考える際、溶接中にレーザービームがＭＩＧアークに先行する；
−ＭＩＧ溶接法は、ショートアークタイプである；
−溶接電圧は、２０Ｖ未満であり、典型的には１１〜１６Ｖである；
−溶接電流は、２００Ａ未満であり、典型的には１１８〜１６６Ａである；
−溶接速度は、２０ｍ／分未満であり、典型的には４〜６ｍ／分である；
−ガスの圧力は、２〜１５ｂａｒであり、例えば約４ｂａｒである；
−ガスの流量は、５〜４０ｌ／分であり、例えば２５ｌ／分である；
−レーザービームの焦点は、溶接されるべき被加工物上、好ましくは３〜６ｍｍの距離をとって合わせる；
−フィラーワイヤとレーザービームとの間の距離は、約２〜３ｍｍでなければならない。

本発明に係るレーザー／アークハイブリッド溶接方法の有効性を証明することを目的とした以下の例により、本発明はより十分に理解されるであろう。

この目的のために、それぞれの割合が９０重量％及び１０重量％である約３０μｍのアルミニウム／ケイ素合金の層で被覆された鋼材被加工物に対して、ＣＯ₂レーザー源及びＭＩＧアーク溶接トーチを使用して、レーザー／アークハイブリッド溶接試験を行った。より正確には、以下の例１〜３では、溶接されるべき被加工物は、Usibor 1500（登録商標）アルミナイズ（Ａｌ／Ｓｉ）鋼製のテーラードブランクであり、Ｉ形突合せ構造になっていた。

例１〜３では、使用したシールドガスを２５ｌ／分の流量及び４ｂａｒの圧力で供給し、溶接速度は４ｍ／分であった。約１５Ｖの溶接電圧及び約１３９Ａの電流は、Air Liquide Welding Franceにより販売されている、共働モードのDigi@wave 500 （ショートアーク／ショートアーク^＋）（EN 131）によって得た。

例１
この例では、被加工物は厚さが１．７ｍｍであった。

用いたガスは、ARCAL 37 混合物（組成：７０体積％のＨｅ＋３０体積％のＡｒ）に３体積％のＯ₂を加えたものであった−ARCAL 37 ガス混合物はAir Liquidから販売中である。

使用したトーチは、OTCによって販売されているＭＩＧトーチであり、これに、鉄に加えて約２０重量％のマンガン（Ｍｎ）を含有する１．２ｍｍ径のフィラーワイヤを３ｍ／分の速度で供給して充填した。

レーザー源はＣＯ₂レーザー発振器であり、用いた出力は８ｋＷであった。

得られた結果から、得られた溶接ビードが均一な微細構造を有している場合、溶接領域における高い割合のマンガン（すなわち、約２０重量％のＭｎ）の存在により、溶接ビードにおけるマンガンが少ない試験（すなわち、約２重量％のＭｎ）よりも遥かに優れた結果が得られたことが分かった。

急冷熱処理（８００℃から５００℃までの約３０℃／秒の冷却速度）の後、継手の引張強さは急冷後の母材のそれと等しかったが、ビードがたった２％のマンガンを含有していた場合、引張強さは１０００ＭＰａ（Ｒｍ）を超えなかった。

この第１の例により、ワイヤにおけるガンマジェニック元素、すなわちここでは２０％のＭｎの存在が、急冷後に溶接ビードが均一なマルテンサイト微細構造を溶接部−金属領域に有することを促進することが証明された。

例２
この例では、被加工物は厚さが２．３ｍｍであり、用いたガスはARCAL 37及び３体積％のＯ₂から形成された混合物であった。

使用したトーチはOTC ＭＩＧトーチであり、これに、鉄と、ガンマジェニック元素として０．７％の炭素（Ｃ）及び２％のマンガン（Ｍｎ）とを含む１．２ｍｍ径Nic 535（中実ワイヤ）フィラーワイヤを充填し、このワイヤを３ｍ／分の速度で供給した。

レーザー源は１２ｋＷのＣＯ₂レーザー発振器であった。

得られた結果から、ワイヤ中のこの量のガンマジェニック元素、すなわちＭｎ及びＣは、オーステナイト変態に対抗して、溶接部−金属領域中のアルミニウムの存在によって引き起こされる影響を抑えるのに十分であったことが分かった。特に、顕微鏡写真から、白色相は完全に消失したか又は大きく低減されたことが分かった。

更に、継手の引張強さは、オーステナイト化及び急冷後、母材のそれと等しかったことが分かった。

この第２の例からも、ワイヤにおけるガンマジェニック元素、すなわちここではＣ及びＭｎの存在が、急冷後に溶接ビードが均一なマルテンサイト微細構造を溶接部−金属領域に有することを促進することが証明された。

例３
例３は、本発明に係るレーザー／アークハイブリッド溶接方法を２．３ｍｍ厚の被加工物を溶接するのに使用し、シールドガスとして、７０％のヘリウム及び３０％のアルゴンから形成されたARCAL 37混合物と、６％の追加のＮ₂とを使用した以外、上述の例２と同じである。

トーチ、フィラーワイヤ及び他の溶接条件は、例２のそれと同じであった。

比較として、ARCAL 37単独、すなわちＮ₂を添加しなかったものについても試験した。

得られた結果から、ガンマジェニック元素を含有したワイヤと、６％のＮ₂を３０％のアルゴン及び７０％のヘリウムを含む混合物（すなわち、ARCAL 37）に添加することによって形成されたシールドガスとを組み合わせて使用することにより、シールドガスが窒素を含有しなかったがワイヤは同じものであった場合よりも優れた結果をもたらしたことが分かる。

特に、窒素が混合物中に存在している場合、結果が著しく向上し、これは、混合物中のＮ₂含有量に比例して向上した。例えば、顕微鏡写真から白色相が完全に消失したことが分かり、更には、オーステナイト化及び急冷後、継手の引張強さが母材のそれに等しかった。

この向上は、１０体積％未満を最適値として窒素含有量が多ければ一層顕著であった。これは、約６〜７％の窒素をアルゴン中で又はアルゴン／ヘリウム中で使用することを示唆するものである。

概して、試験（例１〜３）で得られた結果から、消耗ワイヤ中でのガンマジェニック元素の存在は、アルミニウム／ケイ素合金製の表面層で被覆された鋼材の溶接の質を大きく向上させることを可能にし、詳細には、溶接部−金属領域における均一なマルテンサイト微細構造を得ることを可能にする。

なお、この向上は、以下の何れかの場合に一層顕著である：
−シールドガス中の窒素含有量が１０体積％未満を最適値として同時に高められる場合。これは、約６〜７％の窒素をアルゴン中で又はアルゴン／ヘリウム中で使用することを示唆するものである；
−又は、酸素含有量が１０体積％未満を最適値として高められる場合。これは、アルゴン中又はアルゴン／ヘリウム中で約３〜５％の酸素を使用することを示唆するものである。

本発明の方法は、自動車製造の分野で使用されるテーラードブランクを溶接するのに又はチューブを溶接するのに特に適している。
本願の出願当初の請求項を、実施の態様として以下に付記する。
［１］ 単一の溶融池において電気アーク及びレーザービームを互いに組み合わせて使用し、そこにおいて溶接金属が消耗ワイヤを溶融させることにより提供され、前記溶融池が、アルミニウム系表面被覆を含む少なくとも１つの鋼材被加工物において生じ、並びにシールドガスを使用するレーザー／アークハイブリッド溶接方法であって、消耗ワイヤが少なくとも３重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有し、前記シールドガスがヘリウム及び／又はアルゴンと、１０体積％未満の窒素又は酸素とから形成されていることを特徴とする方法。
［２］ ［１］に記載の方法であって、前記ガンマジェニック元素が、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＮから選択されることを特徴とする方法。
［３］ ［１］又は［２］に記載の方法であって、前記ワイヤが多くとも２０重量％のガンマジェニック元素を含有することを特徴とする方法。
［４］ ［１］〜［３］の何れか１項に記載の方法であって、前記シールドガスが、ヘリウム及び／又はアルゴンと、１０体積％未満の窒素とから形成されていることを特徴とする方法。
［５］ ［１］〜［４］の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の鋼材被加工物が、５〜１００μｍの厚さを有するアルミニウム系表面被覆を含む鋼材製であることを特徴とする方法。
［６］ ［１］〜［５］の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の鋼材被加工物が、５０μｍ以下の厚さを有するアルミニウム系表面被覆を含むことを特徴とする方法。
［７］ ［１］〜［６］の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の金属被加工物が、アルミニウム及びケイ素（Ａｌ／Ｓｉ）に基づく表面被覆を有する鋼材製であることを特徴とする方法。
［８］ ［１］〜［７］の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の金属被加工物が、アルミニウム及びケイ素に基づく表面被覆を有する鋼材製であり、前記表面被覆が７０重量％より多くのアルミニウムを含有していることを特徴とする方法。
［９］ ［１］〜［８］の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤを前記電気アーク、好ましくはＭＩＧ溶接トーチによって得られたアークで溶融させることを特徴とする方法。
［１０］ ［１］〜［９］の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザービームを発振するレーザー発振器が、ＣＯ2タイプ、ファイバタイプ、又はディスクタイプであることを特徴とする方法。
［１１］ ［１］〜［１０］の何れか１項に記載の方法であって、溶接されるべき当該１つ以上の被加工物が、テーラードブランク及び排気パイプ若しくは排気チューブから選択されることを特徴とする方法。
［１２］ ［１］〜［１１］の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤがＣ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＮから選択される複数種のガンマジェニック元素を含有することを特徴とする方法。
［１３］ ［１］〜［１２］の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが少なくとも５重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有することを特徴とする方法。
［１４］ ［１］〜［１３］の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが少なくともＭｎを含有することを特徴とする方法。
［１５］ ［１］〜［１４］の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが更に鉄を含有することを特徴とする方法。

Claims (14)

1. 単一の溶融池において電気アーク及びレーザービームを互いに組み合わせて使用し、そこにおいて溶接金属が消耗ワイヤを溶融させることにより提供され、前記溶融池が、アルミニウム系表面被覆を含む少なくとも１つの鋼材被加工物において生じ、並びにシールドガスを使用するレーザー／アークハイブリッド溶接方法であって、消耗ワイヤが少なくとも３重量％かつ多くとも２０重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有し、前記シールドガスがヘリウム及び／又はアルゴンと、少なくとも２体積％から１０体積％未満の窒素又は酸素とから形成されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記ガンマジェニック元素が、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＮから選択されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記シールドガスが、ヘリウム及び／又はアルゴンと、少なくとも２体積％から１０体積％未満の窒素とから形成されていることを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の鋼材被加工物が、５〜１００μｍの厚さを有するアルミニウム系表面被覆を含む鋼材製であることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の鋼材被加工物が、５０μｍ以下の厚さを有するアルミニウム系表面被覆を含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の金属被加工物が、アルミニウム及びケイ素（Ａｌ／Ｓｉ）に基づく表面被覆を有する鋼材製であることを特徴とする方法。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の方法であって、当該１つ以上の金属被加工物が、アルミニウム及びケイ素に基づく表面被覆を有する鋼材製であり、前記表面被覆が７０重量％より多くのアルミニウムを含有していることを特徴とする方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤを前記電気アーク、好ましくはＭＩＧ溶接トーチによって得られたアークで溶融させることを特徴とする方法。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザービームを発振するレーザー発振器が、ＣＯ₂タイプ、ファイバタイプ、又はディスクタイプであることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の方法であって、溶接されるべき当該１つ以上の被加工物が、テーラードブランク及び排気パイプ若しくは排気チューブから選択されることを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤがＣ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＮから選択される複数種のガンマジェニック元素を含有することを特徴とする方法。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが少なくとも５重量％の１種以上のガンマジェニック元素を含有することを特徴とする方法。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが少なくともＭｎを含有することを特徴とする方法。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗ワイヤが更に鉄を含有することを特徴とする方法。