JP6539972B2 - 鋼板のレーザ溶接方法、及び溶接構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板のレーザ溶接方法、及び溶接構造体の製造方法に関する。より具体的には、金属板部材の重ね合わせ部をレーザ溶接する鋼板のレーザ溶接方法、及び溶接構造体の製造方法に関する。なお、「金属板部材」とは、金属板から所定形状に成形加工及び／又は切り出しされた部材の意味で用いる。

自動車には、金属板（代表的には鋼板であり、以下では鋼板として説明する。）から製造される金属板部材の１態様である断面ハット型の長尺の部材（以下、単に「ハット型部材」という。）が数多く使用されている。このようなハット型部材は、通常フランジで他の金属板部材である鋼板部材（例えばクロージングプレートや他のハット型部材等）と重ね合わされて、その重ね合わせ部で接合される。この場合の接合手段として最も一般的に用いられている方法は、抵抗スポット溶接（以下、スポット溶接という。）である。
最近は、スポット溶接に代えてレーザ溶接を適用することで、ハット型部材のフランジ幅を狭くして部材を軽量化する検討がなされている。具体的には次の通りである。

スポット溶接では、溶接部を電極で狭持及び加圧する必要がある。また溶接位置がフランジの端面に寄り過ぎると、溶融した金属の飛散（チリ）が発生する。そのため、スポット溶接ではフランジの幅を１５ｍｍ以上程度の大きさで確保する必要がある。これに対してレーザ溶接によれば、スポット溶接のように加圧する必要はなく、溶融幅も１ｍｍ程度に抑えることができる。そのためレーザ溶接では、フランジの幅をより狭くできる可能性がある。

しかしながら一般に、フランジの端面近く（概ね端面から１０ｍｍ未満の領域）にレーザ溶接をすると、溶接部の凝固割れが発生するおそれが高くなる。従って、フランジの幅を短くしても凝固割れが発生しない溶接方法が求められている。
例えば「安藤弘平ら、「回転変形による高温割れの発生進展機構と高温割れ感受性の評価方法−薄板アルミニウム合金の高温割れ現象（第２報）−」、溶接学会誌、第４２巻、第９号、ｐｐ．３７−４７（１９７３）」等によれば、溶接時の凝固割れは、溶融した金属が凝固する過程において、固相と液相が共存する延性が低下した部分である凝固脆性温度領域（Ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒａｎｇｅ（ＢＴＲ））内において、溶融熱で鋼板端部（ハット型部材では、フランジ）が変形することにより生じるひずみの増分が、割れ発生に要するひずみ（以下、「限界ひずみ」という）を超えることで生じる、と考えられる。これを鑑みると、凝固割れの防止方法として、溶接金属の成分適正化によるＢＴＲの縮小や限界ひずみの制御、及び鋼板端部に発生するひずみの抑制が挙げられる。ところが、溶接金属の成分適正化によるＢＴＲの縮小や限界ひずみの制御については、鋼板の材料自体を調整する必要がある。鋼板の材料自体の調整は、他の性能に影響を与えることもあるので、対策としては限界がある。

そこで、鋼板端部（フランジ）に発生するひずみを抑制することについてみると、例えば次のような技術が提案されている。

特許文献１、２には溶接金属の組成が割れを発生し得る場合に、レーザ光の照射位置の近傍の鋼板端部にプレートを押し当て、鋼板端部の膨張を抑制しながら溶接することにより凝固割れを防止する発明が開示されている。すなわち、冶具による拘束である。
しかしながら、このように冶具を用いると、溶接の際に鋼板端部の膨張を抑制する装置（冶具）を配置する必要があり、小さな部材や複雑な形状の部材の溶接部には用いることができないとともに、溶接の作業工数が増加して煩雑になってしまう。

また、特許文献２にはフランジ端面を冷却しつつ溶接する方法が開示されている。ここでは母材側と、母材側に対し高い温度となる端面側との熱膨張の差に起因して生じるひずみによって割れが発生すると考え、フランジ端面側の到達温度を低下させ板幅方向の膨張・収縮を抑えることでひずみの発生を抑制して割れ発生を防止する。
しかしながら、フランジ端面を冷却すると溶接線との温度差が大きくなり回転変形の駆動力が大きくなることで、溶接条件によってはひずみが大きくなり割れ発生を助長するおそれもある。さらには、この方法では上記と同様に冷却装置の配置に留意しなければならず、作業工数が増加するおそれがある。

特許文献３では、凝固割れの発生有無は端部からの距離（Ｌ）、溶接速度（Ｖ）、及び板厚（ｈ）に依存していると説明している。しかしフランジ幅が小さい場合、溶接速度を大きくすることができず、当該特許文献３にはその解決策も明示されていない。

特開２００８−１８４５０号公報 特開２００９−５６４８３号公報 特開２００９−２８５７２２号公報

前述したように、凝固割れは、ＢＴＲ内で生じるひずみの増分量がある閾値を超えたときに発生すると考えられる。ハット型部材フランジのレーザ溶接において、このＢＴＲ内のひずみ増分量に影響を与える主因子として以下２つがあると考えられる。

（１）フランジ端面からの溶接位置の距離（フランジ幅）の大きさ等で決定される部材剛性：
フランジ幅が大きく、溶接位置がフランジ端から距離が大きいほど、剛性が高く、フランジの変形（回転変形）及びそれにより受けるひずみは抑制される。しかしながら、単にフランジ幅を大きくするのでは、前述したような部材の軽量化には反する。

（２）入熱による板幅方向の温度分布：
鋼板の板幅方向に温度分布の不均一があるとき、回転変形の駆動力が働くことはよく知られているが、この回転変形が割れの原因となると考えられる。すなわち、図６（ａ）に示すように板１のＡからＢへ溶接を行うと、板幅方向に不均一な温度分布を生じるため、板１は溶融池Ｙの前方点Ｐを支点として矢印Ｃの方向に回転変形を生じる。溶接部の脆化領域の強度はきわめて小さいため、脆化領域部分の溶接金属はこの回転変形をほとんど抑制できない。この回転変形によって脆化領域部分に加えられるひずみ量が限界ひずみ量を超えるとき割れが発生する。その後溶接が進行すると、図６（ｂ）に示すように溶融池Ｙも進行し、回転変形の支点もそれに追随して点Ｐ’に移動する。このとき、温度分布が準定常状態にあると、脆化領域部に加えられるひずみ量は時間的に一定と考えられ、この場合割れは図６（ｂ）に示すように溶接線に沿って進展する。
一方、溶接速度が遅い場合は、板幅方向の温度分布は均一化しやすくなり回転変形の駆動力は小さくなる。しかし、単に溶接速度を下げるのでは、部材の生産性が悪くなり、板幅を小さくするのでは、剛性が落ちるため発生するひずみを抑制できず凝固割れが発生する可能性が高くなる。

そこで本発明は、上記問題に鑑み、金属板部材、例えばハット型部材のフランジを他の金属板部材と重ね合わせてレーザ溶接する溶接構造体を製造するにあたり、スポット溶接に比べてフランジ幅を小さくしても凝固割れが発生し難い鋼板のレーザ溶接方法、及び溶接構造体の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、次の通りである。

請求項１に記載の発明は、鋼板から形成された複数の金属板部材を重ね合わせて当該重ね合わせ部でレーザ溶接する、鋼板のレーザ溶接方法であって、重ね合わせた金属板部材のうち少なくとも１つの金属板部材について、溶接線となるべき線を挟んで一方側と他方側の部位のうち、前記線から端面までの距離が短い一方側の部位の端部を溶接前に冷間加工により加工硬化させることで、初期残留塑性ひずみを増大させ、前記線に沿ってレーザを照射して溶接を行う、鋼板のレーザ溶接方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、他方側の部位の初期残留塑性ひずみも増大させる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、初期残留塑性ひずみを増大させる部位は、初期残留塑性ひずみを増大させない部位に対して２０％以上残留ひずみを増大させる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接方法によりレーザ溶接する工程を含み、金属板部材の少なくとも一つは断面がハット型の長尺の部材であり、当該部材のフランジの端部の初期残留塑性ひずみを増大させ、フランジと他の金属板部材とを重ね合わせてレーザ溶接する、溶接構造体の製造方法である。

請求項５に記載の発明は、請求項４の溶接構造体の製造方法において、初期残留塑性ひずみを増大させた範囲から１０ｍｍ以下の領域に、フランジの長手方向に沿って溶接線を形成する。

本発明によれば、金属板部材、例えばハット型部材のフランジを他の金属板部材と重ね合わせてレーザ溶接した溶接構造体を製造するにあたり、スポット溶接に比べてフランジ幅を小さくしても、凝固割れの発生を抑制することができる。

ハット型溶接構造体１０の概要を示す外観斜視図である。 フランジ１１ｃ及び溶接部１３の一部を拡大して表した図である。 溶接方法の過程の一場面を説明する図である。 溶接の一場面を説明する図である。 実施例による評価方法を説明する図である。 図６（ａ）は凝固割れ発生のメカニズムを模式的に示す１つの説明図、図６（ｂ）は凝固割れ発生のメカニズムを模式的に示す他の説明図である。

図１は第一の形態を説明する図であり、本発明の溶接構造体の製造方法により得られる溶接構造体の一形態であるハット型溶接構造体１０の外観を表す斜視図である。図２はフランジ１１ｃの一部を拡大して表した図である。図１、図２には幅方向、長手方向、及び高さ方向が必要に応じて併せて示してある。

ハット型溶接構造体１０は、ハット型部材１１及びクロージングプレート１２を有して構成されている。
ハット型部材１１は、鋼板から形成されており金属板部材の１つである。ハット型部材１１は、その長手方向に直交する断面においてウェブ片１１ａ、ウェブ片１１ａの両端から延びる壁片１１ｂ、及び壁片１１ｂの端部に設けられるフランジ１１ｃを有していわゆるハット型に形成されている。そしてフランジ１１ｃには、その幅方向端部に、初期残留塑性ひずみが他の部位（平坦部）より大きい（増大させている。）、初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄが配置されている（図２ではハッチングで示している部分。）。
ここで「残留塑性ひずみ」とは、材料に外力（荷重）を加えていない状態において材料中に残留している塑性ひずみを意味し、「初期残留塑性ひずみ」は、残留塑性ひずみのうち溶接前に存在する残留塑性ひずみである。

初期残留ひずみ増大部１１ｄは、初期残留ひずみを増大させていない他の部位に比べて初期残留ひずみの量が２０％以上大きくされていることが好ましい。これにより本発明による効果をより確実なものとすることができる。また初期残留塑性ひずみ増大量は大きいほど効果が高まるのでその上限は特に限定されることはないが、高すぎると材料に破断が生じることがあるので、用いられる材料により当該破断が生じないことが初期残留塑性ひずみ増大の上限となる。
また、初期残留ひずみ増大部１１ｄは、後述する溶接部１３からフランジ１１ｃの端部までの幅方向距離（図２のＩＩａの大きさ）を１００％としたとき、初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄがそのうちの６０％以上１００％以下の範囲で占めることが好ましい。
ここで残留塑性ひずみは公知の方法で測定して特定することができる。これには例えば硬さ測定法、Ｘ線回折法が挙げられる。硬さ測定法の場合には予め硬さと残留塑性ひずみとの関係を得ておき、この関係に基づいて残留塑性ひずみを特定する。硬さ測定の種類は特に限定されることなく例えばビッカース硬さ測定、ブリネル硬さ測定、及びロックウェル硬さ測定等を挙げることができる。

ハット型部材１１は、実際の用途に応じて、長手方向にまっすぐである場合もあれば、カーブしていたり、断面が拡がったり狭まったりしている等の場合もある。

一方、クロージングプレート１２は、金属板部材の１つであり、上記初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄに重なるような略平滑な鋼板である。またクロージングプレート１２の幅方向端部もハット型部材１１の例に倣って、幅方向端部の初期残留塑性ひずみが他の平坦である部位より大きくされ、初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄの一部として構成されていることが好ましい。

そして、ハット型部材１１のうち２つのフランジ１１ｃ間を渡し、ハット型部材１１の初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄと重なるようにクロージングプレート１２が配置され、該クロージングプレート１２とフランジ１１ｃとが重ねられている。当該重なった部分のうち、初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄよりも内側（端面とは反対側）に溶接部１３が設けられており、該溶接部１３で両者が接合されている。本形態で溶接部１３は、フランジ１１ｃ及びクロージングプレート１２を板厚方向に貫通した貫通溶接による溶接部とされている。
溶接部１３はレーザ溶接により形成されており、フランジ１１ｃの長手方向に沿って延びている。本発明は溶接部１３を形成するための溶接方法において、図２にＩＩａで示したフランジ１１ｃの端部から溶接部１３までの距離を従来のレーザ溶接に対して短くしつつ速い速度で溶接しても割れを抑制することができ、その結果、図２にＩＩｂで示したフランジ１１ｃの幅をスポット溶接の場合よりも小さくすることが可能となる。特に限定されることはないが、図２に示したようにフランジ１１ｃの幅ＩＩｂを１５ｍｍ以下程度に、初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄを除けば１０ｍｍ以下程度に抑えることが可能となる。

ここで、ハット型部材１１に使用される鋼板は特に限定されるものではなく、重ね合わせてレーザ溶接できる程度の組成、板厚であれば特に制限はない。例えば０．５ｍｍ以上３．２ｍｍ以下の厚さであることが好ましい。また、表面に亜鉛系めっきたアルミニウム系めっきを備えていてもよい。また、鋼板ではなく、例えばアルミニウム合金板等の別の金属板を使用することもできる。
また、ハット型部材１１の形状は、実際の用途に応じて、長手方向にまっすぐであるものもあればカーブしているものもあり、あるいは断面形状が長手方向に変化しているものもあるが、本発明はそのいずれにも適用してよい。また、クロージングプレート１２に代えて、他のハット型部材やその他の形状の金属板部材と溶接してもよい。あるいは、３つ以上の金属板部材を重ね合わせて溶接されるような溶接構造体にも適用できる。

次に上記のようなハット型溶接構造体１０は例えばつぎのように作製することができる。図３に説明のための図を示した。図３は図１と同じ視点による図で、幅方向、長手方向、及び高さ方向が併せて示してある。

初めに溶接用ハット型部材１１’を準備する。溶接用ハット型部材１１’は上記したハット型部材１１に対して、まだ溶接部１３が形成されていない部材である。ここで溶接用ハット型部材１１’には初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄが形成されている。初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄの形成方法は特に限定されることなく、上記説明した位置およびひずみ量で形成できればよいが、例えば鍛造、ピーニング、圧延等の冷間加工を行い加工硬化をさせることで残留塑性ひずみ量を増大させる方法を挙げることができる。

以上のような溶接用ハット型部材１１’に対して、図３に示したように溶接用ハット型パネル１１’のうち２つのフランジ１１ｃ間を渡すようにクロージングプレート１２が配置され、該クロージングプレート１２とフランジ１１ｃが重ねられ、これにより初期残留塑性ひずみ増大部１１ｄとクロージングプレート１２の端部（本形態ではクロージングプレート１２の端部で初期残留塑性ひずみが増大させられた部位）とが重ねられる。

次に、図４に示したように、フランジ１１ｃ及びここに重ねられたクロージングプレート１２をその板厚方向に貫通するように溶接する。すなわち、レーザを照射して、当該照射した部位を図４に矢印ＩＶａで示したように長手方向に移動させて溶接を行う。溶接をする装置としては、公知のレーザ溶接装置を挙げることができる。レーザの種類は通常に鋼板のレーザ溶接に用いられるレーザであれば、特に限定されることはなく、これには例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなどがある。なお、レーザ溶接におけるスポット径（レーザの鋼板への照射径）も特に限定されないが、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましく、得られる溶接部幅は約１ｍｍであることが通常である。

以上のような溶接方法であれば、鋼板の回転変形を抑制することができ、鋼板を拘束したり治具を接触させたりする必要がないため容易に溶接を行える。さらには、例えば端面からの距離が小さい部位において溶接速度を大きくしても凝固割れを抑制することもできる。

なお、本形態ではハット型溶接構造体であったため、溶接線（溶接部１３）を挟んでフランジ１１ｃの端部とは反対側には壁片１１ｂが形成されており、これが初期残留塑性ひずみ増大部と同様の機能（鋼板の回転変形を抑制）をする。従って、ハット型溶接構造体でない形態、又はハット型溶接構造体であっても、場合によっては溶接線を挟んでその両方の端部に初期残留塑性ひずみ増大部を設けてもよい。ただしこれに限らず、溶接線で区切られる一方及び他方の部位のうち、少なくとも端面までの距離が短い側の部位の端部に初期残留塑性ひずみ増大部が形成されていればよい。

これ以外の本発明の形態としては、凝固割れが防止できる範囲で、重ね合わせ端部において全ての部材に対して初期残留塑性ひずみが増大されている必要は必ずしもない。例えば、重ね合わされる一方の金属板部材の幅が十分に広い場合や、凝固割れを生じにくい鋼成分である場合等が想定される。

実施例では、通常の溶接方法で凝固割れが発生した条件に対して、初期残留塑性ひずみ増大部を形成して溶接を行い、凝固割れの発生の有無について評価を行った。本実施例は１枚の鋼板に対してレーザを照射して評価を行ったので厳密には溶接とは異なるが、この評価は複数の金属板部材を重ねた際の溶接に対しても展開することが可能である。実施例では図５に表したように１枚の１ｍｍ厚の鋼板３０に対して後に説明するように他の平坦部に比べて２０％〜３０％ひずみが高い初期残留塑性ひずみ増大部３１を形成した。そしてレーザ溶接を想定したレーザ光照射による加熱部が通過した部位に凝固割れが発生するか否かを評価した。

加熱はレーザ溶接機から出射されるレーザにより行い、その照射部分は鋼板３０の端面から６ｍｍの位置を端面と平行に移動させた。移動速度は１０ｍｍ／ｓである。
初期残留塑性ひずみ増大部３１は、図２に示した形状とし、他の部位に比べて端部から４ｍｍの範囲に形成した。より詳細には、端部から２ｍｍ幅の領域で初期残留ひずみが３０％高く、残り２ｍｍ幅の領域で初期残留ひずみが２０％高くなる初期残留塑性ひずみ増大部とした。
一方、比較例は実施例と同形状としつつ、初期残留塑性ひずみ増大部を形成しなかった。

その結果、比較例では加熱部が通過した部分に断続的な割れ（凝固割れ）が発生した。これに対して実施例では割れが発生しなかった。このように端部に初期残留塑性ひずみを増大させて（付与して）レーザ溶接をすることにより割れを抑制できることがわかった。

１０ ハット型溶接構造体（溶接構造体）
１１ ハット型部材（金属板部材）
１１ｃ フランジ
１１ｄ 初期残留塑性ひずみ増大部
１２ クロージングプレート（金属板部材）
１３ 溶接部

Claims (5)

1. 鋼板から形成された複数の金属板部材を重ね合わせて当該重ね合わせ部でレーザ溶接する、鋼板のレーザ溶接方法であって、
   前記重ね合わせた金属板部材のうち少なくとも１つの金属板部材について、溶接線となるべき線を挟んで一方側と他方側の部位のうち、前記線から端面までの距離が短い一方側の部位の端部を溶接前に冷間加工により加工硬化させることで、初期残留塑性ひずみを増大させ、前記線に沿ってレーザを照射して溶接を行う、鋼板のレーザ溶接方法。
2. 前記他方側の部位の初期残留塑性ひずみも増大させる、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
3. 前記初期残留塑性ひずみを増大させる部位は、初期残留塑性ひずみを増大させない部位に対して２０％以上残留ひずみを増大させる請求項１又は２に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接方法によりレーザ溶接する工程を含み、前記金属板部材の少なくとも一つは断面がハット型の長尺の部材であり、当該部材のフランジの端部の初期残留塑性ひずみを増大させ、前記フランジと他の金属板部材とを重ね合わせてレーザ溶接する、溶接構造体の製造方法。
5. 前記初期残留塑性ひずみを増大させた範囲から１０ｍｍ以下の領域に、フランジの長手
   方向に沿って前記溶接線を形成する、請求項４に記載の溶接構造体の製造方法。

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