JP6829312B2 - アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品およびその調製方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部品の製造に関し、特にアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品とその調製方法に関する。

近年、高い強度を維持し、省エネルギーで排出物を低下させつつ、厚さが薄くなっていることは、自動車産業の主な開発トレンドである。熱間プレスは、高い製品強化を達成するための一般的な方法であり、熱処理と高温度成形を組み合わせることで製品の高い強度が成し遂げられる。レーザーテーラード溶接ブランクの熱間プレスは、車体部品の数を少なくすることができ、重量を少なくする一方で製造の精密さを改良できる。

一般のレーザーテーラード溶接熱間プレス製品は、Ａピラー、Ｂピラー、Ｃピラー、中央のチャンネル、他の安全性の構造部品を含んでいる。これらの熱間プレス製品は、高い強度、複雑な形、良好な成型性、サイズの高い正確性、小さいリバウンド、異強度、異厚の特徴を持つ。熱間プレスに対する鋼の表面状態は、部品の提供状態によって被覆鋼板とむき出し状態の板に分けられる。コーティングを持つホットスタンプされた鋼板は、むき出し状態の板に対する熱間プレスの後のショットピーニングを除くことができるので、徐々に注目されている。熱間成形鋼で最も一般的に使われているのは、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持ったホットスタンプ鋼か、または亜鉛系のコーティングを持ったホットスタンプ鋼である。亜鉛系のコーティングは、基板へと延びるクラックを引き起こし得るので、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持ったホットスタンプ鋼がこれまで一般に使われていた。しかしながら、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼が溶接される時、該コーティングは溶接の熱によって溶融池へと溶かされ、もろくて硬い金属間化合物(Fe₃Al、Fe₂Al₅、FeAl₃)が生じる。溶接後の熱処理の間、金属間化合物はさらに増大し、結果、溶接接合部の強度および延性の著しい低下となる。

中国特許 CN101426612A は、原料としてアルミニウム-ケイ素コーティングでできてお
り、プレコーティングとして金属間化合物のみを含んでいる溶接ブランクの製造方法を開示している。具体的には、コーティングにおけるアルミニウム合金層が取り除かれて、過度のアルミニウムが溶解し溶融池となることを防止し、かつ、コーティングにおける金属間化合物が保たれ、そして、該溶解ブランクは溶接されホットスタンプされる。その特許によりコーティングの合金層は取り除かれるのだが、金属間化合物層が保たれるので（保たれる厚さは、3〜10 μm）、コーティングからの成分はまだ溶接シーム中に導入され、
結果として不適切な管理の場合に溶接性能の低下となる。それに加え、コーティングを数マイクロメーターに保つことも、安定的に実施するのはとても難しく、製造におけるリスクを増加させる。

本発明の目的は、熱間プレス後の溶接接合部の耐伸び性および耐腐食性、引張強度を確保する、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品を提供し、かつ、該鋼溶接部品の製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の技術的な解決策は、次のとおりである。
アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクであって、当該鋼溶接ブランクは、鋼の基板とコーティングとによって構成され；前記コーティン
グは、前記基板に接している金属間化合物合金層を有し、かつ、前記金属間化合物合金層上に金属合金層を有し；当該溶接ブランクのコーティング表面の少なくとも１つにおいて、当該溶接ブランクの溶接される領域の範囲内のコーティングは全て取り除かれ、かつ、前記の取り除かれた溶接される領域の範囲内のコーティングの側の前記コーティングの端面は、溶接シームに平行な前記基板の表面に垂直な平面とβの角度をなし、βは0〜80°であり、好ましくは、βは5〜60°である。

好ましくは、コーティングが取り除かれた、当該溶接ブランクの溶接される領域は、幅0.4 mm〜1.2 mm、好ましくは、0.5 mm〜1.0 mm、または、0.6 mm〜0.8 mmである。

好ましくは、溶接ブランクの基板は、次の重量%の成分を有し：C: 0.08〜0.8%、Si: 0.05〜1.0%、Mn: 0.1〜5%、P<0.3%、S<0.1%、Al<0.3%、Ti<0.5%、B: 0.0005〜0.1%、Cr: 0.01〜3%、残部がFeと不可避不純物である。

好ましくは、当該溶接ブランクの基板は、次の重量%の成分を有し：C: 0.1〜0.6%、Si:
0.07〜0.7%、Mn: 0.3〜4%、P<0.2%、S<0.08%、Al<0.2%、Ti<0.4%、B: 0.0005〜0.08%、Cr: 0.01〜2%、残部がFeと不可避不純物である。

好ましくは、当該溶接ブランクの基板は、次の重量%の成分を有し：C: 0.15〜0.5%、Si: 0.1〜0.5%、Mn: 0.5〜3%、P<0.1%、S<0.05%、Al: <0.1%、Ti: <0.2%、B: 0.0005〜0.08%、Cr: 0.01〜1%、残部がFeと不可避不純物である。

好ましくは、当該溶接ブランクのコーティングは、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。

好ましくは、当該溶接ブランクの基板は、0.5 mm〜3 mmの厚さである。

本発明の、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品が得られ、ここでは、アルミニウムまたはアルミニウム合金コーティングを持った前記鋼溶接ブランクが、コーティングが完全に取り除かれた、該溶接ブランクの溶接される領域における溶接によってテーラード溶接される。

本発明の、アルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法では、アルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクが、溶接された接合部を形成するために、コーティングが全て取り除かれた、該鋼溶接ブランクの溶接される領域における溶接によってテーラード溶接され；部品は熱間プレスによって得られ、該コーティングは、前記熱間プレスのプロセスの間に、金属間化合物へと完全に転換されて、前記鋼基板のための腐食防止および脱炭防止を提供し、オーステナイト化の後に、その部品の実際の望ましい機械的な性質を考慮して、基板における焼入れによるマルテンサイト変態の臨界スピードよりも大きい冷却速度が、冷却のために選択される。

好ましくは、溶接はレーザー溶接、好ましくは、フィラーワイヤーを用いたレーザー溶接である。

好ましくは、鋼溶接ブランクのコーティング表面の少なくともひとつにおいて、溶接されるその領域の範囲内のコーティングは、レーザーアブレーションによって取り除かれる。

好ましくは、鋼溶接ブランクのコーティング表面の少なくとものひとつにおいて、溶接
されるその領域の範囲内のコーティングは、機械的な剥離によって取り除かれる。

本発明の鋼溶接ブランクを溶接する前に、鋼溶接ブランクのコーティング表面の少なくともの一つにおいて、溶接される領域の範囲内のコーティングは、全体的に取り除かれ、取り除かれたコーティングの側のコーティングの端面は、溶接層と平行な基板の表面に対する垂直面とβの角度をなす。

βの角度は、コーティングが取り除かれたエッジ部において、厚さ勾配の部分を形成することを可能にする。その部分は狭いが、それはコーティング金属が、溶接の熱的循環に起因して溶接熱の影響を受けるゾーンに蓄積することまたは溶解し溶融池となることを、効果的に防止することを可能とする。

上記のように、本発明は、完全に取り除かれたコーティングの幅や角度のデザインによって、コーティング金属が融解せず溶融池とならないことを確保するものであり、よって、コーティング金属が溶解し溶融池となることに起因する、もろくて硬い金属間化合物(Fe₃Al、Fe₂Al₅、FeAl₃) を形成するというような以前の技術の問題は解決され、そして、
溶接後の熱処理の間の金属間化合物の増大による溶接接合部の強度や延性の低下の問題もまた解決される。

図１は、鋼溶接ブランクの溶接される範囲内のコーティングが全体的に取り除かれた後の、本発明の、アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクの概略図である。 図２は、レーザー光による完全な除去後の、本発明の鋼溶接ブランクにおける溶接される領域の金属組織図である。 図３は、機械的な方法による完全な除去後で、本発明の鋼溶接ブランクにおける溶接される領域の金属組織図である。 図４は、本発明における熱間プレス後のレーザーテーラード溶接接合部の金属組織図である。

上記の目的を達成するために、本発明の特徴や長所をより明らかにし、本発明の具体的な実施態様を添付図の参照とともに以下に詳細を記載する。本発明は、以下の具体的な実施態様に限られたものではないことに留意すべきである。本発明は、以下の実施態様で意図される当業者によって理解される。本出願の技術的用語は、その発明の意図に基づいて広く理解される。

図１に示すように、本発明の、アルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクは、鋼基板1とコーティング2、2'とによって構成され；前記コーティング2（例としてコーティング2を挙げる、以下同じ）は、前記基板1に接している金
属間化合物合金層21を有し、かつ、前記金属間化合物合金層21上に金属合金層22を有し；当該溶接ブランクのコーティング表面の少なくとも１つにおいて、当該溶接ブランクの溶接される領域3の範囲内のコーティング2は全て取り除かれ、かつ、前記の取り除かれた溶接される領域3の範囲内のコーティングの側の前記コーティング2の端面23は、溶接シームに平行な前記基板1の表面11に垂直な平面100とβの角度をなし、βは0〜80°であり、好
ましくは、βは5〜60°である。

コーティング2の除去効果は、顕微鏡写真のオフラインモニタリングによって検証され
得る。その除去操作の効果もまた、オンラインの光学調査によって速やかに検証され得る。コーティングの金属合金層22または金属間化合物層21と、基板1は、光の反射率において著しい違いがある。それゆえ除去操作は、分光計による反射率または放射率の計測によって検査され得る。特に、コーティングが取り除かれた領域は、光源によって光を当てられ、光学センサーによって管理され、測定値は反射エネルギーに対応し、その値はその時、除去操作の深さが基準に達しているかどうかを検査するために、コーティングの合金層22および金属間化合物層21と、基板1の、反射率または放射率の参照値と比較される。

コーティングが取り除かれた、溶接ブランクの溶接される領域3の幅Wは、0.4 mm〜1.2 mmであり、好ましくは0.5 mm〜1.0 mmまたは0.6 mm〜0.8 mmである。

好ましくは、溶接ブランクのコーティング2は、純粋なアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金で作られる。好ましくは、溶接ブランクの基板1は、0.5 mmから3 mmの厚さHを持つ。

実施例１
アルミニウム合金のコーティングを含んだ1.2 mmの鋼板は、240 mm×110 mmのブランクにレーザーブランクされ、溶融めっき容体の組成は、Si: 8.5%、Fe: 2.6%、残部がAlと内在する不純物であった。レーザーテーラード溶接に先立って、溶接ブランクを準備するための4つの異なる方法が使用された。

方法１ (本発明による): 0.6 mmの幅のアルミニウム-ケイ素コーティングが、レーザーアブレーションによって240 mmの長さのブランクの両側から取り除かれた。β=45°。定
格出力850 W、30nsのパルス幅および23 kHzのパルス周波数を持った、短いパルス、高い
平均出力のレーザーが使用され、鋼板に対して光スポットの移動速度は、8 m/minであっ
た。図２は、完全に除去後の鋼板の表面状態を示している。

方法２ (本発明による): 0.8 mmの幅のアルミニウム-ケイ素コーティングが、精密剥離装置を使用することによって240 mmの長さのブランクの両側から取り除かれた。β=45°
。図３は、コーティングがこの方法によって取り除かれた後の鋼板のエッジ部を示している。

方法３ (本発明によらなかった): 0.6 mmの幅のコーティングにおけるアルミニウム合
金層が、レーザーアブレーションによって240 mmの長さのブランクの両側から取り除かれ、一方、金属間化合物層は保たれた。

方法４ (本発明によらなかった): レーザーテーラード溶接が、何らの処理無しで、溶
接すべきエッジ部で直接的に行われた。

以下に記載する溶接プロセスによると、上記のブランクは、レーザーテーラード溶接されたものであった。溶接出力は4 kWで、溶接スピードは11.75 m/min、継ぎ目板の用意し
てあるすき間は0 mmで、デフォーカス量は0 mmで、溶接後の溶接接合部は、約1.0 mmの幅のコートされていない金属の領域を持っている。

次に、テーラード溶接ブランクが、930℃の加熱温度、3分間の加熱時間、通水型での10秒の圧力保持時間でホットスタンプされ、焼入れされた。上記の熱サイクル後に、テーラード溶接ブランクは、完全にオーステナイト化された。加熱の間、コーティング内の原子は、鋼内の原子と相互拡散し、オリジナルのコーティングの全体は金属間化合物層へと変形し、該オリジナルのコーティングを越える厚さであった。その上、金属間化合物層は、高い融点と高い硬度を持ち、基板が加熱段階と圧力保持段階の間における酸化と脱炭することを防止する。型内における圧力保持の間、テーラード溶接ブランクはマルテンサイト変質を受け、最終的に1450 MPaを越える引張強度を持つ溶接部品が得られた。
次に、溶接接合部の性能は、表１に従って評価された

^* 金属間化合物の存在を判断する為の、溶接表面に垂直な溶接シームの断面の電子顕微鏡解析。
^** 引張強度と接合部の伸長は、公称幅12.5 mmおよび元のゲージ長50 mmの標準張力標
本を用いて試験した。
^*** 耐腐食性の試験は、DIN50021、DIN50017、DIN50014に従って行われた。

実施例２
アルミニウム合金のコーティングを持った1.2 mmの鋼板が、240 mm×110 mmのブランクへとレーザーブランクされ、溶融めっき溶液の組成は、Si: 8.5%、Fe: 2.6%、残部がAlと内在する不純物であった。レーザーテーラード溶接に先立って、次の方法(本発明による)が、コーティングを取り除くのに使用され、0.6 mmの幅のアルミニウム-ケイ素コーティ
ングが、レーザーアブレーションによって240 mmの長さのブランクの両側から取り除かれた。定格出力850 W、30nsのパルス幅および23 kHzのパルス周波数を持った、短いパルス
、高い平均出力のレーザーが使用され、鋼板に対して光スポットの移動速度は、8 m/min
であった。合計で5セットのサンプルブランクが調製された。留意すべき点は、しかしな
がら、ブランク(本発明による)のそれぞれの角度βは異なっており、次の表2に示すよう
になった。
次に、溶接接合部の性能は、表２に従って評価された。

^* 引張強度と接合部の伸長は、公称幅12.5 mmおよび元のゲージ長50 mmの標準張力標本を用いて試験した。
^** 耐腐食性の試験は、DIN50021、DIN50017、DIN50014に従って行われた。

Claims (13)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクであって、当該鋼溶接ブランクは、鋼の基板とコーティングとによって構成され；前記コーティングは、前記基板に接している金属間化合物合金層を有し、かつ、前記金属間化合物合金層上に金属合金層を有し；当該溶接ブランクのコーティング表面の少なくとも１つにおいて、当該溶接ブランクの溶接される領域の範囲内のコーティングは全て取り除かれ、かつ、前記の取り除かれた溶接される領域の範囲内のコーティングの側の前記コーティングの端面は、溶接シームに平行な前記基板の表面に垂直な平面とβの角度をなし、βは5〜60°であり；かつ、前記コーティングが取り除かれた当該鋼溶接ブランクの前記溶接される領域が、幅0.4 mm〜1.0 mmである、
   前記アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
2. 前記コーティングが取り除かれた当該溶接ブランクの前記溶接される領域が、幅0.6 mm〜0.8 mmである、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
3. 当該溶接ブランクの前記基板が、0.5 mm〜3 mmの厚さを持つ、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
4. 当該溶接ブランクの前記基板が、次の重量パーセントの成分を含み、該成分は、C: 0.08〜0.8%、Si: 0.05〜1.0%、Mn: 0.1〜5%、P<0.3%、S<0.1%、Al<0.3%、Ti<0.5%、B: 0.0005〜0.1%、Cr: 0.01〜3%、残部がFeおよび不可避不純物である、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
5. 当該溶接ブランクの前記基板が、次の重量パーセントの成分を含み、該成分は、C: 0.1〜0.6%、Si: 0.07〜0.7%、Mn: 0.3〜4%、P<0.2%、S<0.08%、Al<0.2%、Ti<0.4%、B: 0.0005〜0.08%、Cr: 0.01〜2%、残部がFeおよび不可避不純物である、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
6. 当該溶接ブランクの前記基板が、次の重量パーセントの成分を含み、該成分は、C: 0.15〜0.5%、Si: 0.1〜0.5%、Mn: 0.5〜3%、P<0.1%、S<0.05%、Al<0.1%、Ti<0.2%、B: 0.0005〜0.08%、Cr: 0.01〜1%、残部がFeおよび不可避不純物である、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
7. 当該溶接ブランクのコーティングが、純アルミニウムまたはアルミニウム合金によって作られている、請求項１に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランク。
8. アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品であって、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクが、コーティングが全て取り除かれた、該鋼溶接ブランクの溶接される領域における溶接によってテーラード溶接されている、
   前記アルミニウムまたはアルミニウム合金のコーティングを持った鋼溶接部品。
9. アルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法であって、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接ブランクが、溶接された接合部を形成するために、コーティングが全て取り除かれた、該鋼溶接ブランクの溶接される領域における溶接によってテーラード溶接され；部品は熱間プレスによって得られ、基板における焼入れによるマルテンサイト変態の臨界スピードよりも大きい冷却速度が、冷却のために選択される、
   前記アルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法。
10. 前記溶接ブランクのコーティング表面の少なくとも１つにおいて、前記溶接ブランクの溶接される領域の範囲内のコーティングが、レーザーアブレーションによって取り除かれる、請求項９に記載のアルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法。
11. 前記鋼溶接ブランクのコーティング表面の少なくとも１つにおいて、前記鋼溶接ブランクの溶接される領域の範囲内のコーティングが、機械的な剥離によって取り除かれる、請求項９に記載のアルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法。
12. 前記溶接が、レーザー溶接である、請求項９に記載のアルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法。
13. 前記溶接が、フィラーワイヤーを用いたレーザー溶接である、請求項９に記載のアルミニウムまたはアルミニウムの合金のコーティングを持った鋼溶接部品の製造方法。

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