JP6203647B2 - 高強度鋼板のレーザ溶接継手およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度鋼板のレーザ溶接継手およびその製造方法に関し、詳しくは、２枚の高強度鋼板を重ね合わせてレーザ溶接した溶接継手およびその製造方法に関する。

自動車等の輸送機器の燃費向上のため、鋼材の高強度化が進んでいる。一方で、材料（母材）の高強度化が進んでも、溶接接合部の継手強度が高まらない限り接合部での破壊が部材の特性を支配してしまい、鋼材の高強度化の効果が十分に得られない。一般に鋼板の高強度化が進むと接合強度はある程度の強度クラスまでは向上するが、７８０ＭＰａ以上の強度クラスになると継手強度は飽和してくると考えられている。

このような材料の接合技術としてはスポット溶接が主流である。スポット溶接は５√ｔ（ｔ：板厚）程度のナゲット径を確保することで、鋼板の高強度化にあわせて継手強度をある程度高められる接合方法である。しかしながら、スポット溶接は溶接部を２５〜６０ｍｍ程度のナゲット径とする必要があり、継手強度を確保することは可能であるが、剛性を確保することが困難とされていた。

そのため、剛性を確保するためには連続溶接が有効とされ、レーザ溶接の適用が広がりつつある。一方でレーザ溶接はスポット溶接に比べ溶接幅が狭く、特に鋼板の高強度化が進んでくると、接合部の強度確保に難しさがある。そのため、レーザ溶接における接合部での破断強度を高めるための取組が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、高強度鋼板のレーザ照射位置の後方近傍にロール式抜熱体を接触させて冷却しながら溶接することで、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の軟化を抑制し継手強度を確保するとするレーザ溶接方法が提案されている。この方法は、テーラードブランクのような突合せ溶接では強度が重要なため、ＨＡＺ軟化防止には有効であるが、重ね溶接では溶接部を急冷させるだけでは却って溶接金属の脆化を招き、重ね溶接継手の継手強度が劣化する問題がある。

また、特許文献２には、ハット形断面のフランジ部のレーザ溶接による接合を対象として、溶接長と溶接ピッチ比を０．２以上０．９５以下、フランジ部の重ね合わせ部の溶接幅Ｗと板厚ｔの比（Ｗ／ｔ）を１．０以上３．０以下とすることで、ハット型断面の部品の接合部強度を高め、部品強度の劣化を防止するとするレーザ溶接方法が提案されている。しかしながら、この方法は、実施例では溶接幅としては１．２ｔしか確認されておらず、ここで用いている引張強度２８０ＭＰａ級の鋼板では十分な接合強度を確保できているものの、強度クラスが７８０ＭＰａ以上の超ハイテンに適用しても十分な継手特性は確保できない問題がある。

また、特許文献３〜５には、鋼板の重ね合わせ部にレーザ溶接を１回行った後、２回目のレーザ溶接を施して１回目のレーザ溶接部を焼きなますことで、継手部の強度を高める方法が提案されている。しかしながら、これらの方法では、１回目のレーザ溶接部に主応力が作用するような、片方からの応力が付与される状況でしか継手特性の向上効果は得られず、溶接順序を適正化しても剥離強度では継手特性の向上効果が見られるものの、せん断引張では継手強度の向上効果は見られない問題がある。

特開２００６−６８８０８号公報 特開２００６−１４２９１７号公報 特開２００９−７２１号公報 特開２０１０−１２５０４号公報 特開２０１２−１４８３４５号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、高強度鋼板同士の重ね合わせ部をレーザ溶接した溶接継手であっても、一方向からの応力でなく、せん断引張試験のように種々の方向から応力が加わるような場合でも、継手強度を確保できるレーザ溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第1発明は、
引張強度が７８０ＭＰａ以上の２枚の高強度鋼板の重ね合せ部をレーザ溶接して重ね継手を製造する方法であって、
レーザ溶接により、まず、前記重ね合せ部に板幅方向に沿って２本の平行な溶接ビードを接合幅Ｌが１．５〜１０．０ｍｍとなるように作製した後、
これら２本の溶接ビードの間に、これらと平行に、さらに、３本目の溶接ビード、または、３本目および４本目の溶接ビードを、前記最初の２本の溶接ビードとこれらにそれぞれ隣接する溶接ビードとの中心間距離ｄ１，ｄ２が、ともに０．２〜２．０ｍｍとなるように作製することを特徴とする高強度鋼板のレーザ溶接継手の製造方法である。
ここに、前記接合幅Ｌは、前記２枚の鋼板の接合面における、前記最初の２本の溶接ビードの両外側端面間の距離を意味する。

本発明に係る第２発明は、
上記第１発明の製造方法により作製されたことを特徴とする高強度鋼板のレーザ溶接継手である。

本発明によれば、レーザ溶接により、重ね合せ部に平行に３本ないし４本の溶接ビードを作製するが、そのうちまず外側の２本を所定の接合幅になるように作製した後に、それらの間に３本目、または、３本目および４本目を作製することで、溶接ビードが複数化されて有効接合幅が拡大するとともに、最初の、外側の２本の溶接ビードが焼き戻され、また１本１本の溶接ビードの間隔が狭まり、溶接速度を高められるため、溶接作業の生産性を大幅に劣化させることなく、継手強度を高められる。その結果、高強度鋼板同士の重ね合わせ部をレーザ溶接した溶接継手であっても、一方向からの応力でなく、せん断引張試験のように種々の方向から応力が加わるような場合でも、継手強度を確保できるレーザ溶接継手およびその製造方法を提供することができるようになった。

本発明の実施形態に係る、２枚の重ね合わせ鋼板からなるレーザ溶接継手の概略構成を示す、（ａ）は溶接ビードが３本の場合、（ｂ）は溶接ビードが４本の場合、の縦断面図である。 せん断引張強度を評価するための試験片の形状を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分縦断面図である。 剥離強度を評価するための試験片の形状を示す縦断面図である。

本発明者らは、上記課題を解決するため、下記（１）〜（３）に示す思考フローに基づき、鋭意研究開発を進めた。
（１）レーザ溶接による溶接ビードを複数化することで、有効接合幅を拡大する。
（２）３本以上のレーザ溶接を行い、そのうちの２本を外側に施し、３本目以降は最初の２本の内側に焼き戻しをするように溶接する。
（３）このようにすることで、1本１本の溶接ビードの間隔を狭め、溶接速度を高められるため、溶接作業の生産性を大幅に劣化させることなく、継手強度を高められる。

上記思考フローに基づき、後記［実施例］にて説明する実証試験を行った結果、確証が得られたので、さらに検討を加え、本発明を完成するに至った。

以下、図１を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る高強度鋼板のレーザ溶接継手の製造方法は、
引張強度が７８０ＭＰａ以上の２枚の高強度鋼板１，２の重ね合せ部をレーザ溶接して重ね継手を製造する方法であって、
レーザ溶接により、まず、前記重ね合せ部に板幅方向に沿って２本の平行な溶接ビード３，４を接合幅Ｌが１．５〜１０．０ｍｍとなるように作製した後、
これら２本の溶接ビード３，４の間に、これらと平行に、さらに、３本目の溶接ビード５（図１（ａ）参照）、または、３本目および４本目の溶接ビード５，６（図１（ｂ）参照）を、前記最初の２本の溶接ビード３，４とこれらにそれぞれ隣接する溶接ビードとの中心間距離ｄ１，ｄ２が、ともに０．２〜２．０ｍｍとなるように作製することを特徴とする。
ここに、前記接合幅Ｌは、前記２枚の鋼板１，２の接合面における、前記最初の２本の溶接ビード３，４の両外側端面間の距離を意味する。

以下、本発明を規定する要件についてさらに詳細に説明する。

〔引張強度が７８０ＭＰａ以上の２枚の高強度鋼板１，２の重ね合せ部をレーザ溶接して重ね継手を製造する方法〕
本発明の作用効果は、低強度の鋼板のレーザ溶接重ね継手に対しても発現しうるが、上述したように、継手強度飽和の問題は高強度鋼板のスポット溶接で顕著に現れることから、本発明は、引張強度が７８０ＭＰａ以上の２枚の高強度鋼板１，２のレーザ溶接重ね継手を対象とする。なお、本発明に係る溶接継手は、薄鋼板の接合を対象としており、２枚の高強度鋼板１，２の板厚は、同じでも、異なっていてもよいが、ともに０．１０〜５．０ｍｍの範囲、さらには、ともに０．２〜３．０ｍｍの範囲とするのが推奨される。また、高強度鋼板１，２の種類としては、冷延鋼板、亜鉛めっき鋼板、合金化亜鉛めっき鋼板、アルミめっき鋼板等、表面処理の有無、相違を問わない。

〔レーザ溶接により、まず、前記重ね合せ部に板幅方向に沿って２本の平行な溶接ビードを接合幅Ｌが１．５〜１０．０ｍｍとなるように作製〕
溶接部（「接合部」ともいう。）の強度は、接合部の幅の大きさに比例するが、接合部の幅の間の領域については完全に接合している必要はなく、外側の２本の溶接ビード３，４で囲まれた部分の幅の大きさ、すなわち、接合幅Ｌで、溶接部の強度などの特性が決定される。ここに、接合幅Ｌは、前記２枚の鋼板１，２の接合面（重ね合わせ面）における、前記最初の２本の溶接ビード３，４の両外側端面間の距離で定義される。接合幅Ｌは狭すぎると溶接部の強度が不足し、大きすぎると溶接部として広い面積が必要になるため、溶接作業性や美観の面から好ましくないので、接合幅Ｌは１．５〜１０．０ｍｍ、好ましくは２．０〜８．０ｍｍとする。

〔その後、上記２本の溶接ビード３，４の間に、これらと平行に、さらに、３本目の溶接ビード５、または、３本目および４本目の溶接ビード５，６を作製〕
最初の２本の溶接ビード３，４を作製した後に、それらの内側に追加の溶接を行うことで、その際における溶接熱で溶接ビード３，４を焼き戻すことにより溶接部の延性を高めて継手強度を得ることができる。また、溶接ビード３，４の作製が完了した後、冷却されてマルテンサイトが形成されるのに十分な時間が経過したのち（好ましくは０．５ｓ以上のち、さらに好ましくは２．０ｓ以上のち）に、追加の溶接を行うことで、焼き戻しの効果をさらに高めることができる。
なお、最初の２本の溶接は、必ずしも同時に行う必要はないが、溶接作業の生産性の観点からは同時に行うことが好ましい。また、追加の３本目および４本面の溶接を行う場合、これら追加の溶接についても、必ずしも同時に行う必要はないが、やはり溶接作業の生産性の観点からは同時に行うことが好ましい。

〔前記最初の２本の溶接ビード３，４とこれらにそれぞれ隣接する溶接ビードとの中心間距離ｄ１，ｄ２が、ともに０．２〜２．０ｍｍ〕
追加の溶接による焼き戻し効果を得るためには、追加の溶接を最初の溶接ビードに適度に近接させる必要がある。ただし、近づけすぎると最初の溶接ビードの外部が再度焼き入れされて硬質化するため好ましくない。したがって、最初の２本の溶接ビード３，４とこれらにそれぞれ隣接する溶接ビードとの中心間距離ｄ１，ｄ２は、ともに０．２〜２．０ｍｍとする。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

接合する２枚の高強度鋼板として、１４７０ＭＰａ級の冷延鋼板（マルテンサイト鋼）を用いた。そして、板厚１．０ｍｍ、長さ１２５ｍｍ、板幅４０ｍｍの上記冷延鋼板２枚を長さ方向に４０ｍｍ分だけ重ね合わせ、重ね合わせ部の板長さ方向中央部を板幅方向に沿ってレーザ溶接して図２に示すせん断引張強度の評価用試験片を作製した。また、上記と同じ冷延鋼板２枚を全長にわたって重ね合わせ、板長さ方向端部近傍を板幅方向に沿ってレーザ溶接した後、板長さ方向で最も中央寄りの溶接ビードの中心線からさらに１．０ｍｍ中央寄りの位置を９０°曲げ加工して図３に示す剥離強度の評価用試験片を作製した。

レーザ溶接は、具体的には、レーザ発振器にファイバレーザを用いたレーザ溶接機にて、溶接条件として、ビーム径１．０ｍｍ、出力２ｋＷ、送り速度３ｍ／ｍｉｎの一定条件下で、最初の２本の溶接、および、追加の２本の溶接（追加で２本溶接する場合のみ）は、それぞれ同時に行い、最初の溶接と追加の溶接との時間間隔は１０ｓ一定とし、表２に示すように、溶接ビードの本数およびそれらの間隔を種々変更して行った。

そして、上記のようにして作製した評価用試験片を用いて、せん断引張強度および剥離強度を測定した。

試験結果を表１に示す。ここで、せん断引張強度が４０ｋＮ以上で、かつ剥離強度が３．０ｋＮ以上のものを合格とした。

表１において、試験Ｎｏ．６〜８、１０、１１の溶接継手は、本発明の製造方法の要件を全て満たす製造条件で作製された発明例である。いずれの発明例の溶接継手も、せん断引張強度、剥離強度ともに合格基準を満たしていることがわかる。

これに対して、試験Ｎｏ．１〜４、９、１２〜１４の溶接継手は、本発明の製造方法の要件の少なくともいずれかを満たさない製造条件で作製された比較例である。これらの比較例の溶接継手は、少なくともせん断引張強度が合格基準に達していないことがわかる。

例えば、試験Ｎｏ．１の溶接継手は、溶接ビードを１本のみとしたことで、接合幅が小さく、かつ焼き戻しされていないため、せん断引張強度、剥離強度ともに劣っている。

また、試験Ｎｏ．２の溶接継手は、溶接ビードを２本としたことで、後から作製した溶接ビードは焼き戻されないため、剥離強度には優れるものの、せん断引張強度は劣っている。

また、試験Ｎｏ．３、４の溶接継手は、溶接ビードを同じく２本としたが、さらにそれらの間隔が広すぎるため、最初に作製した溶接ビードも焼き戻されず、せん断引張強度だけでなく剥離強度も劣っている。

一方、試験Ｎｏ．５の溶接継手は、溶接ビードは３本としたが、接合幅が狭すぎるため、せん断引張強度、剥離強度ともに劣っている。

また、試験Ｎｏ．９の溶接継手は、溶接ビードは同じく３本としたが、最初の２本の溶接ビードと追加の３本目の溶接ビードとの中心間距離が開きすぎているため、最初に作製した２本の溶接ビードも焼き戻されず、せん断引張強度、剥離強度ともに劣っている。

また、試験Ｎｏ．１２、１３の溶接継手は、溶接ビードは４本としたが、最初の２本の溶接ビードのうちの１本と追加の３本目または４本面の溶接ビードとの中心間距離が開きすぎているため、最初に作製した２本のうち１本の溶接ビードも焼き戻されず、少なくともせん断引張強度が劣っている。

一方、試験Ｎｏ．１４の溶接継手は、溶接ビードは同じく４本としたが、最初の２本の溶接ビードと追加の３本目、４本面の溶接ビードとの中心間距離が狭すぎるため、最初の２本の溶接ビードが再度焼き入れされてしまい、せん断引張強度、剥離強度ともに劣っている。

以上の結果より明らかなように、本発明の製造方法を適用することで、高強度鋼板同士の重ね合わせ部をレーザ溶接した溶接継手であっても、一方向からの応力でなく、せん断引張強度のように種々の方向から応力が加わるような場合でも、継手強度を確保できるレーザ溶接継手を提供できることが確認された。

１，２…高強度鋼板
３，４，５，６…溶接ビード

Claims (2)

1. 引張強度が７８０ＭＰａ以上の２枚の高強度鋼板の重ね合せ部をレーザ溶接して３本または４本の平行な溶接ビードのみを作製することにより重ね継手を製造する方法であって、
   レーザ溶接により、まず、前記重ね合せ部に板幅方向に沿って２本の平行な溶接ビードを接合幅Ｌが１．５〜１０．０ｍｍとなるように作製した後、
   これら２本の溶接ビードの間に、これらと平行に、さらに、３本目の溶接ビード、または、３本目および４本目の溶接ビードを、前記最初の２本の溶接ビードとこれらにそれぞれ隣接する溶接ビードとの中心間距離ｄ１，ｄ２が、ともに０．２〜２．０ｍｍとなるように作製することを特徴とする高強度鋼板のレーザ溶接継手の製造方法。
   ここに、前記接合幅Ｌは、前記２枚の鋼板の接合面における、前記最初の２本の溶接ビードの両外側端面間の距離を意味する。
2. 請求項１に記載の製造方法により作製されたことを特徴とする高強度鋼板のレーザ溶接継手。