JP6368791B2 - 硬化性鋼製の１つ又はそれ以上のワークピースを突合せ継手においてレーザ溶接する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部による、プレス硬化性鋼製、具体的にはマンガンボロン鋼製の１つ又はそれ以上のワークピースを突合せ継手においてレーザ溶接する方法に関する。

アルミニウムをベースとするコーティングを有し、レーザ溶接の前に、溶接される当接端部に沿った縁領域におけるそれらのコーティングの除去により部分的にコーティング除去される、プレス硬化性マンガンボロン鋼からのワークピースが使用される、上記の方法は、特許文献１により知られている。

自動車工学において、衝突安全に課せられる高い要求を、車体の最低限の可能な重量によって満たすためにテーラード鋼板ブランク（いわゆるテーラードブランク）が使用される。このために、異なる材料品質及び／又は板厚の個々のブランク又はストリップが突合せ継手においてレーザ溶接によって結合される。このようにして、完成車体の構成要素の種々異なる区域を種々異なる応力に適合させることができる。従って、比較的厚い又はより高強度の鋼板を高応力区域に使用することができ、より薄い板又は比較的軟らかい延伸グレードの板を他の区域に使用することができる。付加的な補強部品は、テーラード金属板ブランクのために車体には不必要である。これは材料を節約し、車体の総重量を減らすことを可能にする。

近年、急冷を伴う加熱成形中に高強度、例えば、１５００乃至２０００ＭＰａの範囲の引張強度を達成するボロン合金鋼、具体的にはマンガンボロン鋼が開発されている。初期状態において、マンガンボロン鋼は通常フェライト−パーライト構造を有し、凡そ６００ＭＰａの強度を有する。しかし、プレス硬化により、即ち、成型プレス内でのオーステナイト化温度への加熱及び次の急冷によって、マルテンサイト構造にすることができ、その結果、このように処理された鋼は１５００乃至２０００ＭＰａの範囲の引張強度を達成することができる。

車体構成要素、例えば、このタイプのテーラード鋼ブランクから作製されたＢピラーは、特定の板厚に至るまで、又は厚さの特定の段差に至るまで完全な硬度プロファイルを有する。しかし、特に０．５ｍｍと１．８ｍｍの間の板厚に対して、又は０．２ｍｍと０．４ｍｍの間の厚さの段差がある場合にも、レーザ溶接継ぎ目が加熱成形（プレス硬化）中に適切に硬化しないという問題が生じることが見出されている。それゆえに、溶接継ぎ目の領域内でマルテンサイト構造が部分的にしか生成されず、その結果、完成された構成要素に応力が加えられると、溶接継ぎ目が破損する可能性がある。この問題は、特に厚さに段差がある場合、通常、冷却された成形ツール又は冷却ツールとの適切な接触が確保されない可能性があり、従って、溶接継ぎ目がマルテンサイトに完全には変態しない可能性があることに関係すると推定される。

特許文献２は、アルミニウム含有表面層を有するマンガンボロン鋼のブランクが突合せ継手において結合されるレーザ・アークハイブリッド溶接法であって、レーザビームが少なくとも１つの電気アークと組み合せられて突合せ継手における金属を溶融してブランクを溶接する方法を記載している。この点において、電気アークはタングステン溶接電極によって放射されるか又はミグ（ＭＩＧ）溶接トーチの使用中にフィラーワイヤの先端に生じる。フィラーワイヤは、鋼のオーステナイト構造への変態を引き起こし、溶融浴内でのオーステナイト変態の維持を促進する元素（例えば、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕ）を含むことができる。このレーザ・アークハイブリッド溶接法の目的は、アルミニウム−シリコンベースのコーティングを備えたマンガンボロン鋼の加熱成形可能ブランクを溶接することを、生成される溶接継ぎ目の領域内のコーティング材料を予め除去することなく、可能にすることであるが、それにもかかわらず、この意図はまた、ブランクの当接端部にあるアルミニウムが、継ぎ目内の構成要素の引張強度の低下を招かないことを確実にすることである。レーザビームの下流に電気アークをもたらすことの目的は、溶融浴を均一にし、それによりフェライト構造を生成する１．２重量％を超えるアルミニウムの局所濃度を排除することである。この既知のハイブリッド溶接法は、電気アークの生成による比較的高いエネルギー消費量を有する。

国際公開第２０１３／０１４４８１（Ａ１）号 米国特許出願公開第２００８／００１１７２０（Ａ１）号

本発明の目的は、プレス硬化性鋼、具体的にはマンガンボロン鋼の、０．５ｍｍと１．８ｍｍの間の厚さを有し、及び／又は突合せ継手において０．２ｍｍと０．４ｍｍの間の厚さの段差を生じる、ワークピースを突合せ継手において結合してテーラードワークピース、具体的にはテーラードブランクを生成することができるレーザ溶接法であって、その溶接継ぎ目を加熱成形（プレス硬化）中に確実に硬化させてマルテンサイト構造にすることができる、レーザ溶接法を提供することである。さらに、この方法は、高効率且つ比較的少ないエネルギー消費によって特徴付けられるべきものである。

この目的を達成するために、請求項１に記載の特徴を有する方法が提案される。本発明によるこの方法の好ましい且つ有利な実施形態が従属請求項において提示される。

本発明による方法は、プレス硬化性鋼製、具体的にはマンガンボロン鋼製の１つ又はそれ以上のワークピースを突合せ継手においてレーザ溶接するために用いられ、この方法において、ワークピース又は複数のワークピースは、０．５ｍｍと１．８ｍｍの間、具体的には０．５ｍｍと１．６ｍｍの間の厚さを有し、及び／又は突合せ継手において、０．２ｍｍと０．４ｍｍの間、具体的には０．２ｍｍと０．３ｍｍの間の厚さの段差を生じる。レーザ溶接は、レーザビームによって生成される溶融浴中へのフィラーワイヤの送込みによって行われる。フィラーワイヤは、マンガン、クロム、モリブデン、シリコン及び／又はニッケルを含む群からの少なくとも１つの合金元素であって、レーザビームによって生成される溶融浴中でのオーステナイトの形成を促進する合金元素を含み、ここで前記少なくとも１つの合金元素は、フィラーワイヤ中に、ワークピース又は複数のワークピースのプレス硬化性鋼中よりも少なくとも０．１重量％大きい質量百分率で存在し、ここで使用されるワークピース又は複数のワークピースはコーティングされていないか又はレーザ溶接の前に、溶接される当接部分に沿った周辺領域内でのその／それらのコーティングの剥離によって部分的にコーティングが除去される。本発明による方法は、フィラーワイヤが以下の組成、
０．０５乃至０．１５重量％のＣ、
０．５乃至２．０重量％のＳｉ、
１．０乃至２．５重量％のＭｎ、
０．５乃至２．０重量％のＣｒ＋Ｍｏ、及び
１．０乃至４．０重量％のＮｉ、
残りはＦｅ及び不可避の不純物、
を有し、ここでフィラーワイヤは、ワークピース又は複数のワークピースのプレス硬化性鋼よりも少なくとも０．１重量％小さい炭素質量百分率を有することによってさらに特徴付けられる。試験は、本発明による方法を用いて、このタイプのフィラーワイヤにより次のプレス硬化中に特に確実に、溶接継ぎ目のマルテンサイト構造への完全な変態を保証することができることを示した。フィラーワイヤの比較的少ない炭素含有量は溶接継ぎ目の脆化を防ぐことができる。具体的には、フィラーワイヤの比較的少ない炭素含有量のために、溶接継ぎ目において良好な残余伸展性を達成することが可能である。

本発明によって生成されるワークピース又はテーラードブランクは、加熱成形（プレス硬化）に関して、構成要素の、また特にそれらの溶接継ぎ目において、十分な硬化が達成される、より広いプロセスウィンドウを提供する。

本発明による方法は、異なる材料品質及び／又は板厚の複数の鋼ブランクを突合せ継手において結合するためだけではなく、例えば、単一の板状又はストリップ状の鋼板をレーザ溶接するためにも用いることができ、後者の場合には、溶接されるワークピースの端部が成形によって、例えば、折り曲げによって又はロール成形によって互いに向かって動かされ、その結果、それらは最終的に突合せ継手において互いに向き合うように配置される。

鋼ストリップ又は鋼板の上のスケール層の形成を防ぐために、普通、それらにはアルミニウム又はアルミニウム−シリコンをベースとするコーティングが備えられる。本発明による方法は、このタイプのコーティングされた鋼ブランク又は鋼ストリップを使用して、用いることができ、本発明による方法の有利な変形体により、アルミニウムベース又はアルミニウム−シリコンベースのコーティングが、溶接される当接端部に沿って、レーザ溶接の前に剥離され、その結果、使用されるワークピース又は複数のワークピースは部分的にコーティングが除去される。これは、少なくとも１つのエネルギービーム、好ましくはレーザビームを用いて行うことができる。機械的又は高周波（ＨＦ）コーティング除去手法もまた考えられる。このようにして、溶接継ぎ目が、別に非意図的に内部に導入され、加熱成形（プレス硬化）中に硬度プロファイル中に断続をもたらし得る又はもたらすことになるコーティング材料によって、損なわれることを確実に防ぐことが可能になる。

コーティングのない鋼ブランク又は鋼ストリップもまた、本発明の方法によって溶接することができる。

本発明による方法の好ましい実施形態において、ワークピース又は複数のワークピースは、それらの鋼が、０．１６乃至０．５０重量％のＣ、最大０．４０重量％のＳｉ、０．５０乃至２．００重量％のＭｎ、最大０．０２５重量％のＰ、最大０．０１０重量％のＳ、最大０．６０重量％のＣｒ、最大０．５０重量％のＭｏ、最大０．０５０重量％のＴｉ、０．０００８乃至０．００７０重量％のＢ、並びに最小０．０１０重量％のＡｌ、残りはＦｅ及び不可避の不純物、の組成を有するように選択される。このタイプの鋼から作られる構成要素は、プレス硬化の後に比較的高い引張強度を有する。

本発明による方法において、より好ましく使用されるのは、プレス硬化の後で１５００乃至２０００ＭＰａの範囲の引張強度を有する、プレス硬化性鋼のブランク状又はストリップ状ワークピースである。

本発明による方法の別の有利な実施形態は、フィラーワイヤが加熱された状態で溶融浴内に送込まれるようにする。その結果、より高速の処理速度及び／又はより高い効率を達成することが可能となる。この実施形態において、レーザビームを用いてフィラーワイヤを溶融するのに、より少ないエネルギーが消費される。溶融浴内に送込まれる前に、フィラーワイヤの少なくとも長さ部分が少なくとも５０℃の温度に加熱されることが好ましい。

溶接継ぎ目が脆弱になるのを防ぐために、本発明による方法の別の好ましい実施形態は、レーザ溶接中に不活性ガスが溶融浴に加えられるようにする。不活性ガスとして使用するのに特に好ましいのは、純アルゴン、ヘリウム、窒素又はこれらの混合物、或いは、アルゴン、ヘリウム、窒素及び／又は二酸化炭素及び／又は酸素の混合物である。

以下で、本発明は、実施形態を示す略図を参照しながらより詳しく説明されることになる。

本発明による、実質的に同じ厚さの２つのプレス硬化性鋼ブランクを突合せ継手において溶接するレーザ溶接方法を実施するためのデバイスの部分の斜視図である。 本発明による、厚さが異なる２つのプレス硬化性鋼ブランクを突合せ継手において溶接するレーザ溶接方法を実施するためのデバイスの部分の斜視図である。

図１は、それを用いて本発明によるレーザ溶接方法を実行することができるデバイスの略図を示す。このデバイスは支持台（図示せず）を備え、その上で異なる材料品質の２つの鋼ストリップ又は２つの鋼ブランク１、２が、結合部３に沿って互いに突き当たる。例えば、一方のワークピース１又は２が比較的軟らかい延伸グレードを有し、他方のワークピース２又は１がより高強度の鋼板から成る。ワークピース１、２のうちの少なくとも１つが、プレス硬化性鋼、例えば、マンガンボロン鋼から作られる。

ワークピース１、２は実質的に同じ厚さのものである。それらの厚さは０．５ｍｍと１．８ｍｍの間、例えば、１．６ｍｍである。

上で概略を説明したワークピース１、２はレーザ溶接ヘッド４の一部分であり、レーザ溶接ヘッド４にはレーザビームを供給するための光学系（図示せず）と、レーザビーム６の集束レンズ５との両方が備えられる。さらに、ライン７がレーザ溶接ヘッド４上に配置されて不活性ガスを供給する。不活性ガスライン７の開口は、レーザビーム６の集束領域の上に、又はレーザビーム６によって生成される溶融浴８の上に、実質的に向けられる。使用する不活性ガスは純アルゴン、或いは、例えば、アルゴン、ヘリウム及び／又は二酸化炭素の混合物であることが好ましい。さらに、レーザ溶接ヘッド４にはワイヤ送込み装置９が結合され、それによってワイヤ１０の形態の特定の付加的材料が溶融浴８中に送込まれ、さらにレーザビーム６によって溶融される。フィラーワイヤ１０は、加熱された状態で溶融浴８中に送込まれる。このために、ワイヤ送込み装置９には少なくとも１つの加熱要素（図示せず）、例えば、ワイヤ１０を囲む加熱コイル、が取付けられる。加熱要素は、フィラーワイヤ１０を、少なくとも５０℃、より好ましくは少なくとも９０℃の温度に加熱することが好ましい。

図２に示す実施形態は、ワークピース１、２’が異なる厚さを有し、それゆえに、０．２ｍｍと０．４ｍｍの間、例えば０．３ｍｍの厚さの段差ｄが突合せ継手３において存在する点で、図１による実施形態とは異なる。例えば、一方のワークピース２’が１．２ｍｍから１．３ｍｍまでの範囲内の板厚を有し、他方のワークピース１が１．４ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲内の板厚を有する。さらに、突合せ継手３において結合されるワークピース１、２’は、それらの材料品質が互いに異なってもよい。例えば、より厚いブランク１はより高強度の鋼板から作られ、他方、より薄い鋼ブランク２’は比較的軟らかい延伸グレードを有する。

突合せ継手３において結合されるワークピース１、２又は２’のうちの少なくとも１つのプレス硬化性鋼は、例えば、以下の化学組成、
最大０．４５重量％のＣ、
最大０．４０重量％のＳｉ、
最大２．０重量％のＭｎ、
最大０．０２５重量％のＰ、
最大０．０１０重量％のＳ、
最大０．８重量％のＣｒ＋Ｍｏ、
最大０．０５重量％のＴｉ、
最大０．００５０重量％のＢ、
最小０．０１０重量％のＡｌ、
残りはＦｅ及び不可避の不純物、
を有することができる。

ワークピース即ち鋼ブランク１、２及び２’はコーティングされていなくても良く、又は、特にＡｌ−Ｓｉ層のコーティングが備えられても良い。納入状態、即ち、熱処理及び急速冷却の前は、プレス硬化性鋼ブランク１、２及び／又は２’の降伏強度Ｒｅが好ましくは少なくとも３００ＭＰａであり、それらの引張強度Ｒｍが少なくとも４８０ＭＰａであり、及びそれらの破断伸び率Ａ_８０が少なくとも１０％である。加熱成形（プレス硬化）の後、即ち、凡そ９００乃至９２０℃におけるオーステナイト化及び次の急速冷却の後、これらの鋼ブランクは凡そ１１００ＭＰａの降伏強度Ｒｅ、凡そ１５００乃至２０００Ｍｐａの引張強度Ｒｍ、及び凡そ５．０％の破断伸び率Ａ_８０を有する。

ワークピース即ち鋼ブランク１、２及び／又は２’にアルミニウムコーティング、特にＡｌ−Ｓｉコーティングが備えられている場合、前記コーティングはレーザ溶接の前に、溶接される当接端部に沿った周辺領域内で剥離又は部分的に除去される。当接端部又は切断縁３に付着したアルミニウムコーティング材料もまた、適切な場合には除去される。アルミニウムコーティング材料は少なくとも１つのレーザビームによって剥離（除去）できることが好ましい。

使用されるフィラーワイヤ１０は、例えば、以下の化学組成、
０．１重量％のＣ、
０．８重量％のＳｉ、
１．８重量％のＭｎ、
０．３５重量％のＣｒ、
０．６重量％のＭｏ、及び、
２．２５重量％のＮｉ、
残りはＦｅ及び不可避の不純物
を有する。

フィラーワイヤ１０のマンガン含有量は、プレス硬化性ワークピース１、２及び／又は２’のマンガン含有量よりも必ず多い。フィラーワイヤ１０のマンガン含有量は、プレス硬化性ワークピース１、２及び／又は２’のマンガン含有量よりも凡そ０．２重量％多いことが好ましい。さらに、フィラーワイヤ１０のクロム及びモリブデンの含有量もまた、プレス硬化性ワークピース１、２及び／又は２’中のクロム及びモリブデンの含有量よりも多ければ好都合である。フィラーワイヤ１０のクロム−モリブデン組合せ含有量が、プレス硬化性ワークピース１、２及び／又は２’のクロム−モリブデン組合せ含有量よりも凡そ０．２重量％多いことが好ましい。フィラーワイヤ１０のニッケル含有量は１乃至４重量％の範囲内にあることが好ましい。さらに、フィラーワイヤ１０は、ワークピース１、２及び／又は２’のプレス硬化性鋼よりも少ない炭素含有量を有することが好ましい。

Claims (7)

1. プレス硬化性鋼製、具体的にはマンガンボロン鋼製の１つ又はそれ以上のワークピースを突合せ継手においてレーザ溶接する方法であって、前記ワークピース又は複数のワークピース（１、２；１、２’）は、０．５ｍｍと１．８ｍｍの間の厚さを有し、及び／又は前記突合せ継手（３）において０．２ｍｍと０．４ｍｍの間の厚さの段差（ｄ）を生じ、前記レーザ溶接は、少なくとも１つのレーザビーム（６）によって生成される溶融浴（８）中へのフィラーワイヤ（１０）の送込みによって行われ、前記溶融浴（８）は前記少なくとも１つのレーザビーム（６）によってのみ生成され、前記フィラーワイヤ（１０）は、マンガン、クロム、モリブデン、シリコン及び／又はニッケルを含む群からの少なくとも１つの合金元素を含み、前記合金元素は、前記レーザビーム（６）によって生成された前記溶融浴（８）内でのオーステナイトの形成を促進し、前記少なくとも１つの合金元素は前記フィラーワイヤ（１０）中に、前記ワークピース又は複数のワークピース（１、２；１、２’）の前記プレス硬化性鋼中よりも少なくとも０．１重量％大きい質量百分率で存在し、使用される前記ワークピース又は複数のワークピース（１、２；１、２’）は、コーティングされていないか、又は前記レーザ溶接の前に、溶接される当接部に沿った周辺領域におけるその／それらのコーティングの剥離によって部分的にコーティングが除去される、方法であり、前記フィラーワイヤ（１０）が以下の組成、
   ０．０５乃至０．１５重量％のＣ、
   ０．５乃至２．０重量％のＳｉ、
   １．０乃至２．５重量％のＭｎ、
   ０．５乃至２．０重量％のＣｒ＋Ｍｏ、及び
   １．０乃至４．０重量％のＮｉ、
   残りはＦｅ及び不可避の不純物、
   を有し、前記フィラーワイヤ（１０）は、前記ワークピース又は複数のワークピース（１、２；１、２’）の前記プレス硬化性鋼よりも少なくとも０．１重量％小さい炭素質量百分率を有する、ことを特徴とする方法。
2. 前記ワークピース又は複数のワークピース（１、２；１、２’）の前記鋼は以下の組成、
   ０．１６乃至０．５０重量％のＣ、
   最大０．４０重量％のＳｉ、
   ０．５０乃至２．００重量％のＭｎ、
   最大０．０２５重量％のＰ、
   最大０．０１０重量％のＳ、
   最大０．６０重量％のＣｒ、
   最大０．５０重量％のＭｏ、
   最大０．０５０重量％のＴｉ、
   ０．０００８乃至０．００７０重量％のＢ、及び、
   最小０．０１０重量％のＡｌ、
   残りはＦｅ及び不可避の不純物、
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記フィラーワイヤ（１０）は、加熱された状態で前記溶融浴（８）に送込まれることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記フィラーワイヤ（１０）の少なくとも長さ部分が、前記溶融浴（８）中に送込まれる前に、少なくとも５０℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. レーザ溶接中に、不活性ガスが前記溶融浴（８）に加えられることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 使用される前記不活性ガスは、純アルゴン又はアルゴンと二酸化炭素との混合物であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 使用される前記部分的にコーティングが除去されるワークピース又は前記部分的にコーティングが除去される複数のワークピース（１、２；１、２’）は、アルミニウム又はアルミニウム−シリコンをベースとする表面層を有することを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。

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