JP6852797B2 - 重ねレーザ溶接継手、重ねレーザ溶接継手の製造方法および自動車用骨格部品 - Google Patents

Description

本発明は、重ねレーザ溶接継手、重ねレーザ溶接継手の製造方法およびその重ねレーザ溶接継手を有する自動車用骨格部品に関する。

従来より、フランジ部分を有する自動車の構造部材の溶接には、抵抗スポット溶接が用いられている。しかし、抵抗スポット溶接には、溶接に時間がかかるという問題、分流により発熱量が低下するためピッチを狭くすることができないという問題、さらには溶接機に設けたガンによる空間的な制約があるという問題がある。これらの問題を解決するため、近年では、従来の抵抗スポット溶接に加えて、重ねレーザ溶接を用いることが検討されている。ここで、重ねレーザ溶接とは、重ね合わせた複数枚の鋼板の表面にレーザビームを照射して、鋼板を接合する溶接方法をさす。

重ねレーザ溶接では、重ね合わせた複数枚の鋼板の表面に直線形状にレーザビームを照射し、レーザビームが照射された鋼板の部位を溶融および凝固させることにより、溶融部（溶接部）が形成される。これと共に、重ね合わせた鋼板が接合されて重ねレーザ溶接継手を得ることができる。しかし、重ねレーザ溶接の場合には、直線の溶融部の終端側で割れが発生し易く、割れが発生すると溶融部の全長に亘って伝播するという問題がある。溶接金属に割れが発生・伝播すると、重ね溶接継手部のせん断および剥離強さといった静的強度が低下することに加え、割れからのき裂進展により疲労強度が著しく低下することが懸念される。自動車車体部品、特に骨格部品では、近年車体強度・剛性向上のためにより高強度の高張力鋼板が使用されるようになっており、溶接部の割れによる継手の静的強度および疲労強度の低下は重大な問題となる。

そこで、重ね合わせた鋼板を重ねレーザ溶接した場合に生じる、重ねレーザ溶接割れの発生および伝播を抑制する方法として、種々の技術が開示されている。

例えば、特許文献１には、重ね溶接の下側の鋼板を突出させ、かつ溶接開始位置をフランジ端部から離れた位置にすることで、溶接割れを防止する技術が開示されている。特許文献２には、重ね面の端部に斜めからレーザ照射して、溶接割れを防止する技術が開示されている。特許文献３、４には、一度溶接した部分もしくはその溶接した部分の周囲を、再加熱もしくは溶接することで、溶接割れを防止する技術が開示されている。特許文献５には、重ね面を楕円形に溶接して溶接割れの発生を防止する技術が開示されている。

特開２００９−１５４１９４号公報 特開２００８−２９６２３６号公報 特開２０１２−２４００８３号公報 特開２０１２−２４００８６号公報 特開２０１７−１１３７８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、重ね溶接の下側の鋼板を突出させるため、突出させる部分が余分となり、部品設計が制約される問題がある。

特許文献２に記載の方法では、重ね合わせた板に隙間が空いている場合には、重ね面で溶融部がうまく形成されない溶込み不足の状態となり、強度を確保することが難しい問題がある。

特許文献３、４に記載の方法では、一度溶接した部分もしくはその溶接した部分の周囲を、再加熱もしくは溶接するため、再加熱もしくは溶接をすることによりさらに溶接時間が必要となる問題がある。

特許文献５に記載の方法は、重ね面を楕円形に溶接するものであり、直線形状の溶接部の溶接割れには適用することができない。

本発明は係る問題を鑑み、溶融部の終端部で割れが発生することおよび割れが伝播することを抑制できる、継手強度の良好な重ねレーザ溶接継手、この重ねレーザ溶接継手の製造方法、およびこの重ねレーザ溶接継手を有する自動車用骨格部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討した結果、以下の知見を得た。

本発明では、溶融部の全長、溶接線形状、重ねた複数枚の鋼板の板厚の合計、重ねた複数枚の鋼板の間の隙間の大きさの合計について、それぞれ注目した。そして、溶融部の終端側での割れ発生を防止するためには、溶融部の全長および溶接線形状を制御することが有効であることがわかった。すなわち溶接線形状を、下記の（１）式から（３）を満たすJ字形状とすることにより、溶融部の終端側での割れの発生および伝播が抑制できることを知見した。なお、本発明では、溶融部と溶接熱影響部をあわせて、溶接部と称する。
１０ｍｍ≦Ｌ （１）
０．５≦Ｒ≦１．５ （２）
５／６π≦θ≦２π （３）
ここで、Ｌは溶接部の全長（単位：ｍｍ）、Ｒは溶接部の溶接終端部の半径（単位：ｍｍ）、θは溶接部の溶接終端部の角度（単位：ｒａｄ）である。

さらに、重ねた複数枚の鋼板の板厚の合計および重ねた複数枚の鋼板の間の隙間の大きさの合計の少なくとも１つを制御することで、重ね面の溶融部への応力集中を抑えることとなり、はく離強度をより向上できることが分かった。

本発明は、上述の知見に基づいて完成されたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］ 複数の鋼板を重ね合わせてレーザ溶接により接合された溶接部を有する重ねレーザ溶接継手であって、前記溶接部は、溶接線形状を直線とする本溶接部と、該本溶接部の一端部に形成された溶接線形状を円弧または円とする溶接終端部とからなるＪ字形状であり、前記本溶接部の長さＬ_１（ｍｍ）は、（１）式で表される前記溶接部の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下であり、前記溶接終端部の半径Ｒ（ｍｍ）は（２）式を満たすとともに、前記溶接終端部の角度θ（ｒａｄ）は（３）式を満たし、前記複数の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部における、前記複数の鋼板間の隙間の大きさの合計が、前記複数の鋼板の総板厚に対して０％以上１５％以下である、重ねレーザ溶接継手。
１０．０≦Ｌ ・・・（１）
０．５≦Ｒ≦１．５ ・・・（２）
５／６π≦θ≦２π ・・・（３）
ここで、Ｌは溶接部の全長（単位：ｍｍ）、Ｒは溶接部の溶接終端部の半径（単位：ｍｍ）、θは溶接部の溶接終端部の角度（単位：ｒａｄ）である。
［２］ 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板は、質量％で、
Ｃ：０．０７％超え０．２５％以下、
Ｐ＋Ｓ：０．０３％未満、
Ｍｎ：１．８％以上３．０％以下、
Ｓｉ：１．２％超え１．８％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する、［１］に記載の重ねレーザ溶接継手。
［３］ 前記成分組成に加えて、さらに、以下のＡ群およびＢ群から選択される１つまたは２つを含有する、［１］または［２］に記載の重ねレーザ溶接継手。
Ａ群：質量％で、Ｔｉ：０．００５％以上０．０１％以下、およびＮｂ：０．００５％以上０．０５０％未満のうちから選択される１種または２種
Ｂ群：質量％で、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、およびＢ：０．１０％以下のうちから選択される１種または２種以上
［４］ 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板が、引張強さ９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板である、［１］〜［３］のいずれか１つに記載の重ねレーザ溶接継手。
［５］ 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板は、断面形状が略ハット形状またはＬ字形状であり、縦壁部および該縦壁部の先端から外側へ延びるフランジ部を有し、前記フランジ部と他の鋼板とが重ね合わされた接合面の前記縦壁部側の端部の座標を０とし、前記縦壁部側を（＋）とし、前記縦壁部側とは反対の、前記フランジ部の外端側を（−）とした座標系で表したときに、前記溶接部が式（４）で表される溶接位置Ｘ（ｍｍ）にある、［１］〜［４］のいずれか１つに記載の重ねレーザ溶接継手。
−２ｔ≧Ｘ≧−４ｔ ・・・（４）
ここで、ｔは前記複数の鋼板のうち最も板厚の厚い鋼板の板厚（単位：ｍｍ）である。
［６］ ［１］〜［５］のいずれか１つに記載の重ねレーザ溶接継手の製造方法であって、複数の鋼板を上下方向に重ね合わせ、重ね合わせた前記複数の鋼板のうち、上側の鋼板表面にレーザを照射して溶接部を形成する、重ねレーザ溶接継手の製造方法。
［７］ 前記本溶接部の長さＬ_１（ｍｍ）が、（１）式で表される前記溶接部の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下、かつ前記溶接終端部の半径Ｒ（ｍｍ）が（２）式を満たすとともに該溶接終端部の角度θ（ｒａｄ）が（３）式を満たすＪ字形状となるように、レーザ出力、焦点位置、溶接速度、およびビーム径のうち少なくとも１つを制御する、［６］に記載の重ねレーザ溶接継手の製造方法。
［８］ ［１］〜［５］のいずれか１つに記載の重ねレーザ溶接継手を有する自動車用骨格部品。

本発明によれば、溶融部の終端部における割れの発生および伝播を抑制できるため、継手強度の良好な重ねレーザ溶接継手を製造できる。また、本発明の重ねレーザ溶接継手は外観にも優れるため、自動車の構造部材に好適であり、自動車用骨格部品とすることができる。

図１は、本発明の重ねレーザ溶接継手の一例を示す斜視図である。 図２（Ａ）は従来の重ねレーザ溶接継手の溶接終端部を説明する概略図であり、図２（Ｂ）は本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接終端部を説明する概略図である。 図３は、本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接部（溶融部）の構成を説明する上面図である。 図４は、本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接部（溶融部）の構成を説明する上面図である。 図５は、図４における重ねレーザ溶接継手のＡ−Ａ線断面図である。 図６は、本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接方法を説明する斜視図である。 図７（Ａ）は本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接部（溶融部）の位置を説明する上面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図８は、本発明の実施例における重ねレーザ溶接継手の一例を示す図である。 図９（Ａ）は、２枚の鋼板が重ね合わされた場合の鋼板間の隙間の大きさの合計を説明する図であり、図９（Ｂ）は、３枚の鋼板が重ね合わされた場合の鋼板間の隙間の大きさの合計を説明する図である。

以下、各図を参照して、本発明の重ねレーザ溶接継手、重ねレーザ溶接継手の製造方法、および自動車用骨格部品について説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。

＜重ねレーザ溶接継手＞
本発明の重ねレーザ溶接継手は、複数の鋼板を重ね合わせてレーザ溶接により接合された溶接部を有する。溶接部は、溶接線形状を直線とする本溶接部と、この本溶接部の一端部に形成された溶接線形状を円弧とする溶接終端部とからなり、溶接部の形状はＪ字形状に形成される。本溶接部の長さＬ_１（ｍｍ）は、下記の（１）式で表される溶接部の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下であり、溶接終端部の半径Ｒ（ｍｍ）は下記の（２）式を満たすとともに、溶接終端部の角度θ（ｒａｄ）は下記の（３）式を満たす。
１０．０≦Ｌ ・・・（１）
０．５≦Ｒ≦１．５ ・・・（２）
５／６π≦θ≦２π ・・・（３）
ここで、Ｌは溶接部の全長（単位：ｍｍ）、Ｒは溶接部の溶接終端部の半径（単位：ｍｍ）、θは溶接部の溶接終端部の角度（単位：ｒａｄ）である。

このような本発明の重ねレーザ溶接継手１の一実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明の重ねレーザ溶接継手１の一例を示す斜視図である。図２（Ａ）は従来の重ねレーザ溶接継手の溶接終端部を示す概略図であり、図２（Ｂ）は本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接終端部を示す概略図である。図３、図４は、本発明の重ねレーザ溶接継手の溶接部４の構成を説明する上面図である。図５は、図４に示したＡ−Ａ線の断面図である。

まず、図１を参照して、本発明の重ねレーザ溶接継手１について説明する。

本発明の重ねレーザ溶接継手１では、少なくとも二つの鋼板を重ね合わせる。図１に示した例では、縦壁部２ａおよび縦壁部２ａの先端から外側へ延びるフランジ部２ｂを有する断面形状が略ハット形状の鋼板２と、平らなパネル形状の鋼板３との２枚の鋼板を用いる。鋼板２と鋼板３は対向するように重ね合わせられ、鋼板２のフランジ部２ｂの領域が接合面となる。重ね合わせた２枚の鋼板２、３は、フランジ部２ｂで重ねレーザ溶接されることにより接合される。重ねレーザ溶接では、鋼板２、３のうち少なくとも１枚の鋼板を貫通し、鋼板２、３を接合する溶融部が形成される。この溶融部および溶接熱影響部が、溶接部４となる。

なお、重ねレーザ溶接は、縦壁部２ａに沿って、フランジ部２ｂを長手方向に移動しながら、断続的にレーザビーム７を照射して行なわれる。これにより、鋼板２、３の接合面には、図１に示すように、表面が略Ｊ字形状の複数の溶接部４が形成される。ここでは、本発明の重ねレーザ溶接継手１として、２枚の鋼板２、３が重ね合される場合を例に説明するが、３枚以上の鋼板が重ね合されていてもよい。

次に、図２〜図５を参照して、本発明の技術思想および溶接部４の構成について説明する。

図２（Ａ）には、従来の重ねレーザ溶接継手における溶接部１４の終端１５を、図２（Ｂ）には、本発明の重ねレーザ溶接継手における溶接部４の終端５を、それぞれ示す。
従来のレーザ溶接機を用いた溶接の場合、溶接初期において溶接状態が安定しない。その状態で円弧状などのように溶接方向が変化するような溶接を行うと、スパッタがより多く発生するため、溶接部１４の終端１５の形状を直線に形成することが一般的である。しかし、図２（Ａ）に示すように、重ねレーザ溶接継手の溶接部１４の終端１５の形状が直線に形成された場合、溶接部の終端１５部分では引張応力が集中することが分かった。

具体的には、終端１５の最終凝固部となる中心部に、溶融部１４の外周部分から外側に向かう引張応力（図２（Ａ）に示した矢印Ｆａ方向の力）が集中し、これにより凝固割れ１６が発生し易くなる。凝固割れが発生すると溶接割れに繋がるため、重ねレーザ溶接継手に溶接欠陥が発生することがある。

これに対し、図２（Ｂ）に示すように、重ねレーザ溶接継手の溶接部４の終端５の形状が特定の形状、具体的には円弧もしくは円形に形成される場合、溶接部の終端５部分では引張応力を分散させることができる。すなわち、終端５の最終凝固部の中心部６に、溶融部４の外周部分から外側に向かう引張応力（図２（Ｂ）に示した矢印Ｆｂ方向の力）を一箇所に集中させずに分散させることができる。これにより、凝固割れの発生が抑制されるため、重ねレーザ溶接継手における溶接欠陥の発生を防止することが可能になる。

上記した技術思想に基づき、本発明の重ねレーザ溶接継手１では、略Ｊ字形状に形成される溶接部４の表面の寸法を、所定の範囲に調整することが重要である。

具体的には、図３に示すように、溶接部４は、溶接線形状を直線とする本溶接部４ａと、この本溶接部４ａの一端部より続けて形成された、溶接部終端までの溶接線形状を円弧または円形とする溶接終端部４ｂとから構成される。本溶接部４ａの長さＬ_１（ｍｍ）は、上記の（１）式で表される溶接部４の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下である。溶接終端部４ｂの半径Ｒ（ｍｍ）は、上記の（２）式を満たすとともに、溶接終端部４ｂの角度θ（ｒａｄ）は、上記の（３）式を満たす。

なお、上記した半径Ｒおよび角度θは、いずれも溶接部４の中心線で測定する。また、本溶接部４ａの長さＬ_１は、本溶接部４ａの中心線Ｚで測定する。

（溶接部４の全長Ｌ（ｍｍ）：１０．０ｍｍ≦Ｌ）
溶接部４の全長Ｌが１０．０ｍｍより短い場合、十分な接合面積を得られず、継手強度が低下する。また、溶融金属が少ないため割れの発生が抑えられず、はく離強度が低下する。そのため、溶接部４の全長Ｌは１０．０ｍｍ以上（上記（１）式）とする。好ましくは１５．０ｍｍ以上とする。なお、特に溶接部４の全長Ｌの上限は規定しないが、部品の溶接時間の観点より、４０．０ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは３０．０ｍｍ以下である。なお、図３に示すように、溶接部４の全長Ｌは、本溶接部４ａの長さＬ_１と、溶接終端部４ｂの中心線の長さとの合計である。

（本溶接部４ａの長さＬ_１（ｍｍ）：Ｌ×２／３≦Ｌ_１≦Ｌ×４／５）
本溶接部４ａの長さＬ_１が「Ｌ×２／３」（ｍｍ）より短い場合、十分な直線部分を確保できず、短い直線部分で荷重を受け持つこととなるため、十分なはく離強度を得られず不適当である。一方、本溶接部４ａの長さＬ_１が「Ｌ×４／５」（ｍｍ）より長い場合、十分な曲線部分を確保できず、応力集中を起こすため、十分なはく離強度を得られず不適当である。そのため、本溶接部４ａの長さＬ_１は、Ｌ×２／３≦Ｌ_１≦Ｌ×４／５とする。好ましくは１５．０ｍｍ以上とする。好ましくは４０．０ｍｍ以下とする。

（溶接終端部４ｂの半径Ｒ（ｍｍ）：０．５ｍｍ≦Ｒ≦１．５ｍｍ）
円弧または円形に形成される溶接終端部４ｂの半径Ｒが０．５ｍｍ未満の場合、溶接部４の終端５に対するクレータ部分の割合が大きくなり、溶接割れの発生を抑えることができない。一方、溶接終端部４ｂの半径Ｒが１．５ｍｍより大きい場合、上記した引張応力の分散効果を十分に得ることができず、溶接割れの発生を抑えることができない。そのため、溶接終端部４ｂの半径Ｒは、０．５ｍｍ≦Ｒ≦１．５ｍｍ（上記（２）式）とする。好ましくは０．７ｍｍ以上とする。好ましくは１．３ｍｍ以下とする。

ここで、図４および図５を用いて、本発明の溶接部４の終端５の断面について説明する。図５は、図４に示したＡ−Ａ線断面図である。図５に示すように、溶接部４の終端側は凹んだ形状をしており、これを一般的にクレータと称する。上述のように、溶接終端部４ｂの半径Ｒが０．５ｍｍ未満の場合、このクレータ部の凹みｄが大きくなり、溶接割れが発生しやすくなる。

（溶接終端部４ｂの角度θ（ｒａｄ）：５／６πｒａｄ≦θ≦２πｒａｄ）
円弧または円形に形成される溶接終端部４ｂの角度θが５／６πｒａｄより小さい場合、上記した引張応力の分散効果を十分に得ることができず、溶接割れの発生を抑えることができない。一方、溶接終端部４ｂの角度θが２πｒａｄよりも大きい場合、溶接割れの発生は抑えられるものの、溶接時間の増加や熱影響部の増加などの新たな問題が発生する。そのため、溶接終端部４ｂの角度θは、５／６πｒａｄ≦θ≦２πｒａｄ（上記（３）式）とする。好ましくはπｒａｄ＜θとする。好ましくはθ≦３／２πｒａｄ以下とする。

以上のように、本発明の溶接部４は、本溶接部４ａおよび溶接終端部４ｂを上記した所定の範囲となるように形成するため、溶接部終端の最終凝固部の中心部に生じる引張応力（上記した矢印Ｆｂ方向の力）を効果的に分散可能となる。その結果、溶融部終端側の溶接割れの発生を防止することができる。これにより、図３に示すように、溶融部４の全長Ｌの最小値が１０．０ｍｍと短い場合であっても溶接部終端での溶接欠陥の発生を防止することができる。

（複数の鋼板の総板厚（ｍｍ）に対する鋼板の間の隙間（ｍｍ）の大きさの合計：０％以上１５％以下）
本発明では、複数の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部における、鋼板の間の隙間（図５に示した例では、鋼板２、３の間の隙間とする。）の大きさの合計を、複数の鋼板の総板厚（ｍｍ）に対して０％以上１５％以下とする。図９を参照して、複数の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部における、鋼板間の隙間の大きさの合計Ｇについて説明する。図９（Ａ）には、重ねレーザ溶接継手１として２枚の鋼板２、３が重ね合わされる場合の断面図を示し、図９（Ｂ）には、重ねレーザ溶接継手１として３枚の鋼板２、３_１、３_２が重ね合わされる場合の断面図を示す。図９（Ａ）に示すように２枚の鋼板２、３が重ね合わされる場合、鋼板２と鋼板３との隙間が鋼板間の隙間の大きさの合計Ｇである。一方で、図９（Ｂ）に示すように３枚の鋼板が重ね合わされる場合、鋼板２および鋼板３_１の隙間の大きさＧ_１と鋼板３_１および鋼板３_２の隙間の大きさＧ_２との合計が、鋼板間の隙間の大きさの合計Ｇである。なお、図９では、重ねレーザ溶接継手１として２枚または３枚の鋼板が重ね合わされる場合を例示したが、４枚以上の鋼板が重ね合わされてもよい。具体的には、鋼板２とＮ枚の鋼板３_１〜３_Ｎ（Ｎは２以上の整数）とが重ね合わされる場合、鋼板２および鋼板３_１の隙間の大きさＧ_１と、鋼板３_１および鋼板３_２の隙間の大きさＧ_２と、鋼板３_ｎと鋼板３_ｎ＋１（ｎは、２≦ｎ＜Ｎを満たす整数）等の各隙間の大きさとの合計が、鋼板間の隙間の大きさの合計Ｇである。すなわち、鋼板間の隙間の大きさの合計Ｇは、隣り合って重なる鋼板同士の隙間の合計（Ｇ＝Ｇ_１＋Ｇ_２＋…＋Ｇ_Ｎ−１＋Ｇ_Ｎ）とも換言できる。複数の鋼板の総板厚Ｔ（ｍｍ）に対する鋼板の間の隙間（ｍｍ）の大きさの合計（総板隙）Ｇが０％以上１５％以下であれば、重ね面の溶融部への応力集中を抑えることとなり、溶接割れの発生を抑えつつ、はく離強度向上が可能となる。ただし、総板隙が１５％を超えた場合は溶接割れが発生し、強度も板隙なしの場合よりも低くなる。好ましくは、複数の鋼板の総板厚（ｍｍ）に対する鋼板の間の隙間（ｍｍ）の大きさの合計は、５％以上とする。より好ましくは１０％以下とする。

なお、本発明の重ねレーザ溶接継手１は、以上の構成により本発明で目的とする特性を得ることができるが、上記の構成に加えて、必要に応じて下記の構成を加えることができる。

（鋼板の成分組成）
本発明の重ねレーザ溶接継手１に用いる鋼板の成分組成は、特に限定されないが、例えば、質量％で、Ｃ：０．０７％超え０．２５％以下、Ｐ＋Ｓ：０．０３％未満、Ｍｎ：１．８％以上３．０％以下、Ｓｉ：１．２％超え１．８％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するものとすることができる。以下、各成分組成における％とは、質量％のことを指す。

（Ｃ：０．０７％超え０．２５％以下）
Ｃ含有量が０．０７％を超える場合、析出強化の効果を得ることが可能となる。一方、Ｃ含有量が０．２５％以下の場合、粗大な炭化物の析出を招くことがなく、所望の高強度、および加工性を確保することが可能となる。そのため、Ｃ含有量は０．０７％超え０．２５％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．１０％以上であり、０．２０％以下である。

（Ｐ＋Ｓ：０．０３％未満）
Ｐ含有量とＳ含有量の合計量（Ｐ＋Ｓ）が０．０３％未満の場合、延靱性が低下せず、所望の高強度および加工性を確保することが可能となる。そのため、Ｐ含有量とＳ含有量の合計量（Ｐ＋Ｓ）は０．０３％未満とすることが好ましい。

（Ｍｎ：１．８％以上３．０％以下）
Ｍｎ含有量が１．８％以上の場合、十分な焼入れ性が確保可能となるため、粗大な炭化物が析出し難くなる。一方、Ｍｎ含有量が３．０％以下の場合、粒界脆化感受性が低下し、靱性および耐低温割れ性が劣化し難くなる。そのため、Ｍｎ含有量は１．８％以上３．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｍｎ含有量は２．５％以下とする。

（Ｓｉ：１．２％超え１．８％以下）
Ｓｉ含有量が１．２％超えの場合、固溶して鋼の強度を増加させる効果を十分に得ることが可能となる。一方、Ｓｉ含有量が１．８％以下の場合、溶接熱影響部の硬化が大きくなり難く、溶接熱影響部の靱性および耐低温割れ性が劣化し難い。そのため、Ｓｉ含有量は１．２％超え１．８％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする。

（残部Ｆｅおよび不可避的不純物）
上記成分組成以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．００２〜０．００５％等が挙げられる。

その他、鋼板強度や継手強度をより向上させるため、上記した成分組成に加えて、さらに、必要に応じて以下のＡ群およびＢ群から選択される１つまたは２つを含有することができる。

（Ａ群：質量％で、Ｔｉ：０．００５％以上０．０１％以下、およびＮｂ：０．００５％以上０．０５０％未満のうちから選択される１種または２種）
ＴｉやＮｂは、炭化物または窒化物として析出し、焼鈍中のオーステナイトの粗大化を抑制する作用を有する。したがって、Ｔｉ、Ｎｂを含有させる場合には、少なくとも１種を含有させることが好ましい。この効果を得るためにＴｉ、Ｎｂを含有させる場合には、それぞれ、Ｔｉは０．００５％以上、Ｎｂは０．００５％以上とする。しかし、過剰に含有させても上記作用による効果が飽和して不経済となる恐れがある。また、焼鈍時の再結晶温度が上昇し、焼鈍後の金属組織が不均一となり、伸びフランジ性も損なわれる恐れがある。さらには、炭化物または窒化物の析出量が増し、降伏比が上昇し、形状凍結性も劣化する恐れがある。したがって、Ｔｉ、Ｎｂを含有させる場合には、それぞれ、Ｔｉ含有量は０．０１％以下、Ｎｂ含有量は０．０５０％未満とする。好ましくは、Ｔｉ含有量は０．００８０％未満とする。より好ましくは、Ｎｂ含有量は０．０４０％未満とする。

（Ｂ群：質量％で、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、およびＢ：０．１０％以下のうちから選択される１種または２種以上）
Ｃｒ、ＭｏおよびＢは、鋼の焼入性を向上させる作用を有する元素である。したがってこれらの元素の１種類以上を含有させてもよい。しかしながら、これらの元素を過剰に含有させても上記した効果が飽和して不経済となる恐れがある。したがって、Ｃｒ、ＭｏおよびＢを含有させる場合には、それぞれ、Ｃｒ含有量は１．０％以下、Ｍｏ含有量は０．５０％以下、Ｂ含有量は０．１０％以下とする。また、好ましくは、Ｃｒ含有量は０．０１％以上とする。好ましくは、Ｍｏ含有量は０．００４％以上とする。好ましくは、Ｂ含有量は、０．０００１％以上とする。好ましくは、Ｃｒ含有量は０．５０％以下とする。好ましくは、Ｍｏ含有量は０．１０％以下とする。好ましくは、Ｂ含有量は０．００３０％以下とする。

（鋼板の引張強さ）
本発明の重ねレーザ溶接継手１に用いる複数の鋼板のうち、少なくとも１つの鋼板の引張強さＴＳが、９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板とすることができる。少なくとも１つの鋼板が上記した高張力鋼板であっても、レーザ溶接継手１は、高接合強度を得ることができると共に、溶接欠陥の発生を防止することができる。例えば、複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板は、上記した成分組成を有し、引張強さＴＳが９８０ＭＰａ以上とすることが好ましい。なお、複数の鋼板は、同種、同形状の鋼板であってもよいし、異種、異形状の鋼板であってもよい。

（鋼板の板厚）
本発明では、レーザ溶接する対象である複数枚の鋼板のそれぞれの板厚ｔ´は、特に限定されないが、例えば０．５ｍｍ≦ｔ´≦２．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。板厚がこの範囲内である鋼板は、自動車用外板および自動車用骨格部材として好適に使用することができる。なお、複数の鋼板の板厚は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。

具体的には、図１等に示したレーザ溶接継手１の場合には、上側の鋼板２の板厚ｔ´２：０．６ｍｍ≦ｔ´２≦１．２ｍｍを満たし、下側の鋼板３の板厚ｔ´３：１．０ｍｍ≦ｔ´３≦２．５ｍｍとすることが好ましい。あるいは、上側の鋼板２の板厚ｔ´２および下側の鋼板３の板厚ｔ´３は、いずれも０．５ｍｍ≦ｔ´２≦２．５ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ´３≦２．５ｍｍとすることが好ましい。

なお、本発明における「溶接割れ」とは、溶接部４の溶接終端部で発生し、溶接終端部から溶接始端部まで伝播する低温割れをさす。溶接割れの発生の有無は、溶接後の溶接部４を切断し、割れの有無を確認することで判別できる。割れの有無の確認は、目視で確認することも可能であるが、より明瞭に判別する観点から、例えば切断面を光学顕微鏡で１０倍程度に拡大して確認するとよい。なお、溶接割れは、溶接部４の表面から裏面まで貫通している。

＜重ねレーザ溶接継手の製造方法＞
次に、図６および図７を用いて、上述した本発明の重ねレーザ溶接継手１の製造方法について説明する。図６は、本発明の重ねレーザ溶接継手１の溶接方法の一例を説明するための図である。図７は、本発明の重ねレーザ溶接継手１における好適な溶接部（溶融部）４の位置の一例を説明する図である。図７（Ａ）は、２つの鋼板２、３の組み合わせを示す上面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

本発明の重ねレーザ溶接継手１の製造方法は、上記した重ねレーザ溶接継手１の製造方法であって、まず、複数の鋼板を上下方向に重ね合わせ、その後、重ね合わせた複数の鋼板のうち、上側の鋼板表面にレーザを照射して溶接部４を形成する。

なお、本発明では、重ね合わせた複数の鋼板に対して片側溶接を行う。片側溶接を行うことにより、省スペース化を実現できる。片側溶接は、重ね合わせた複数の鋼板のうち、板厚がより大きい方の鋼板側から重ねレーザ溶接を行うことが好ましい。これにより、溶落ちを防ぐことができる。鋼板の板厚が同一の場合には、いずれか一方側から重ねレーザ溶接を行なえばよい。

図６に示す例では、本発明の重ねレーザ溶接継手１は、複数の鋼板２、３を重ね合わせ、鋼板２、３に溶接部４を形成するように、最外層の鋼板２表面に直線部および半円部を有するようにレーザビーム７を照射する重ねレーザ溶接を行うことで得ることができる。

上記した重ねレーザ溶接は、レーザビーム７を、直線部および曲線部を有するように走査しながら連続照射する。図６に示したように、本溶接部４ａおよび溶接終端部４ｂとして、直線部および半円部を有する溶接部４を形成する。この場合、直線部を溶接してから、連続して半円部に向けてレーザビーム７を照射することが、溶接部４の終端（図２（Ｂ）を参照）への過剰な応力集中を防ぎ、割れ発生を防止することができるため、好ましい。

本発明では、溶接部の本溶接部４ａの長さＬ_１（ｍｍ）が、上記（１）式で表される溶接部４の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下、かつ溶接部４の溶接終端部４ｂの半径Ｒ（ｍｍ）が（２）式を満たすとともに該溶接終端部４ｂの角度θ（ｒａｄ）が（３）式を満たすＪ字形状となるように、レーザ出力、焦点位置、溶接速度、およびビーム径のうち少なくとも１つを制御することが好ましい。

例えば、レーザビームとしては、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を用いることができる。また、ビーム径：０．４〜１．０ｍｍ、レーザ出力：２．０〜５．０ｋＷ、焦点位置：鋼板最外層表面上〜鋼板最外層表面から３０ｍｍ上方、溶接速度：２．０〜５．０ｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。
さらに好ましくは、本溶接部４ａの形成にあたり、ビーム径：０．５〜０．８ｍｍ、レーザ出力：２．５〜４．５ｋＷ、焦点位置：鋼板最外層表面上〜鋼板最外層表面から２０ｍｍ上方、溶接速度：２．５〜４．５ｍ／ｍｉｎの範囲で制御することが好ましい。
また、溶接終端部４ｂの形成にあたり、ビーム径：０．４〜１．０ｍｍ、レーザ出力：２．０〜４．０ｋＷ、焦点位置：鋼板最外層表面上〜鋼板最外層表面から３０ｍｍ上方、溶接速度：２．０〜４．０ｍ／ｍｉｎの範囲で制御することが好ましい。

本発明では、鋼板２、３として、例えば上記した成分組成を有し、引張強さＴＳが９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いることができる。また、複数の鋼板２、３の板厚ｔ´２、ｔ´３を、それぞれ０．５ｍｍ≦ｔ´２≦２．５ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ´３≦２．５ｍｍとし、板隙が板厚の合計の０％以上１５％以下とすることができる。

図６に示した例では、溶接部４として直線部および半円部を形成する場合のみを示したが、溶接終端部４ｂの線形形状については半円部に替えて円形としても同様に上記した発明の効果は得られる。

次に、図７を用いて、本発明の重ねレーザ溶接継手１における好適な溶接位置の一例について説明する。なお、図７の説明では、鋼板２をフランジ部２ｂ、鋼板３を他のフレーム部品あるいはパネル部品とも記す。図７に示すように、好ましくは、溶接部４は、本溶接部４ａの中心線Ｚが鋼板２のフランジ部２ｂの長手方向に略平行になるように形成される。

本発明において、重ね合わせた複数の鋼板のうち、少なくとも１つの鋼板は、断面形状が略ハット形状またはＬ字形状であり、縦壁部および縦壁部の先端から外側へ延びるフランジ部を有してよい。フランジ部と他の鋼板とが重ね合わされた接合面の縦壁部側の端部の座標を０とし、前記縦壁部側を（＋）とし、縦壁部側とは反対の、フランジ部の外端側を（−）とした座標系で表したときに、溶接部が下記の（４）式で表される溶接位置Ｘ（ｍｍ）にあることが好ましい。以下、図７を参照して具体的に説明する。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示した例では、上側の鋼板２のフランジ部２ｂと下側の鋼板３のフレーム部品との接触位置の縦壁部２ａ側の端部（以下、接触端部と称する場合がある。）の座標を０とする。また、フランジ部２ｂの外端側を（−）、略ハット形状（図７では、一部の形状のみを示す。）における縦壁部２ａ側を（＋）とした座標系で表す。略ハット形状のフレーム部品において、最も板厚の厚い鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）とする。このとき、下記（４）式で表される溶接位置Ｘ（ｍｍ）で片側溶接方法を適用し、溶接を行うことが好ましい。これにより、図８に示したような、総板厚が２〜５ｍｍであり、二枚重ねでフランジ長さ５０ｍｍのＬ字引張試験片のはく離強度を１．２ｋＮ以上にすることができる。
−２ｔ≧Ｘ≧−４ｔ ・・・（４）
ここで、Ｘを上記（４）式のように設定した理由を説明する。

溶接位置Ｘが−２ｔよりもフランジ部２ｂの接触端部に近いと、引張試験の際に溶接金属部より破断しやすくなり、はく離強度も低くなる場合がある。一方、溶接位置Ｘが−４ｔよりもフランジ部２ｂの接触端部から遠いと、溶接部４にかかるモーメントが大きくなりやすく、はく離強度が低くなる場合がある。そのため、溶接位置Ｘは、上記（４）式のように設定することが好ましい。なお、溶接位置Ｘは、座標０から本溶接部４ａの中心線Ｚまでの距離とする。

＜自動車用骨格部品＞
本発明の重ねレーザ溶接継手１を好適に用いることができる部品の一例として、自動車用骨格部品がある。上記の図１に示した自動車用骨格部品の場合には、断面形状が略ハット形状のフレーム部品である鋼板２と、パネル部品の鋼板３とが用いられる。フレーム部品（図１に示す鋼板２）のフランジ部２ｂと、このフランジ部２ｂに対向して配置されるパネル部品（図１に示す鋼板３）とが上記した溶接方法により溶接されて上記した溶接部４を形成することにより、閉断面を構成する。

本発明の自動車用骨格部品は、例えば、センターピラー、ルーフレールなどに適用することが好ましい。これらの部品では、衝突安全性の観点からはく離強度を確保することが重要である。本発明の自動車骨格部品を適用したセンターピラーは、上述のように、十分なはく離強度を有する。

以上説明したとおり、本発明によれば、少なくとも１枚の高張力鋼板を含む複数枚の鋼板を重ね合わせ、溶接部４を形成して溶接接合することにより、この鋼板の表裏面に溶接欠陥が発生することのない重ねレーザ溶接継手１を得ることができる。

本発明によれば、溶接部４の終端側での割れの発生および伝播が抑制できるため、継手強度が高く耐久性に優れる重ねレーザ溶接継手１を製造することができる。

また、従来のレーザ溶接に比べて短い溶融部長であっても、溶接割れを抑制できる。これにより、部材設計の自由度の向上や、よりはく離強度が必要な部分に数多く溶接することによる強度向上も期待できる。

さらに、本発明の重ねレーザ溶接継手１は、外観に優れているため、自動車の構造部材に好適に用いることができる。例えば、接合する鋼板として高強度鋼板を用いることにより自動車用骨格部品とすることができる。このような重ねレーザ溶接継手１を用いることにより、継手強度の高い自動車用骨格部品等を得ることができる。

以下、本発明の作用および効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。

本実施例では、供試材として表１に示す成分組成の鋼板を用いた。

鋼板の板厚は、１．２ｍｍ、１．６ｍｍおよび２．０ｍｍのいずれかであり、板幅は５０ｍｍである。これらの鋼板を用いて、図８に示すように、Ｌ字の断面形状に曲げ加工を施した。Ｌ字鋼板８は、長辺８ａと短辺８ｂを有する。なお、長辺８ａが、上記した図１に示したレーザ溶接継手１の鋼板２の縦壁部２ａに相当し、短辺８ｂがフランジ部２ｂに相当する。

そして、同じ鋼種および同じ板厚のＬ字の鋼板８を２枚用い、各短辺８ｂ同士を重ね合わせた後、重ね合わせた部分を長手方向に複数箇所断続的にレーザ溶接を行って溶接ビード（溶接部４）を形成し、Ｌ字試験片（以下、試験片と称する）を作製した。ここでは、試験片サイズは、長辺８ａ（横壁長さ）：１２０ｍｍ、短辺８ｂ（試験片幅）：５０ｍｍ、重ね合わせた部分（フランジ幅）：３０ｍｍ、上下の鋼板８間の板隙は０．２ｍｍとした。

レーザ溶接により形成する溶接部４の条件を、表２−１、表２−２および表２−３に示す。
溶接位置座標は、試験片の２つの鋼板８を重ね合わせた部分の接触位置の端部を０とし、試験片の重ね合わせた部分の外端側を（−）、試験片における縦壁側を（＋）とした座標系で表す。この時の溶接位置：Ｘ、溶融部４の全長：Ｌ、溶接部４の終端（溶接終端部４ｂ）の円弧もしくは円形の半径：Ｒ、溶接部４の終端（溶接終端部４ｂ）の円弧もしくは円形の角度：θとし、それぞれの値を種々変えて試験を行った。

レーザ溶接にはファイバーレーザを用いた。重ねレーザ溶接は、レーザ出力４．５ｋＷ、焦点位置のビーム直径を０．６ｍｍφの一定とし、溶接速度、加工点距離を調節し、溶接ビードの溶け込みを調整した。なお、溶接は大気中で行った。レーザ溶接の焦点位置は、短辺８ｂの鋼板表面とした。

なお、引張試験はＪＩＳ Ｚ３１３６に基づき、１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で行った。割れ発生の判定は、目視および浸透探傷試験により判定した。

また、はく離強度は、Ｌ字に曲げた鋼板８同士を図８のように重ね合わせてレーザ溶接を行い、両側から引張荷重を負荷するＬ字引張試験で測定した。なお、引張方法はＪＩＳ Ｚ３１３６に基づいて行った。はく離強度が１．２ｋＮ以上の場合に、高接合強度を有するものとして、合格とした。

得られた、溶接割れおよびはく離強度の判定結果を表２−１、表２−２および表２−３に示す。

表２−１、表２−２および表２−３に示すように、本発明例の試験片は、はく離強度が１．２ｋＮ以上であり、溶接割れは発生しなかった。

一方、比較例の試験片のうち、Ｎｏ．２、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２３、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３７、は、総板隙Ｇが総板厚Ｔの１５％より大きいため、溶接割れが発生した。

また、Ｎｏ．４、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１８、Ｎｏ．２５、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３９は、溶接部４の全長Ｌが短いため、溶接割れが発生した。

また、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２６、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．４０、Ｎｏ．６７〜７８は、溶接部４の終端（溶接終端部４ｂ）の半径Ｒが大きいため、溶接割れが発生した。

また、Ｎｏ．６、Ｎｏ．１３、Ｎｏ．２０、Ｎｏ．２７、Ｎｏ．３４、Ｎｏ．４１は、溶接部４の終端（溶接終端部４ｂ）の半径Ｒが小さいため、溶接割れが発生した。

また、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．２１、Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３５、Ｎｏ．４２は、溶接部４の終端（溶接終端部４ｂ）の角度θが小さいため、溶接割れが発生した。

以上のとおり、上記した本発明に従いレーザ溶接を行った本発明例では、良好な重ねレーザ溶接継手が得られた。これに対し、本発明の上記した溶接条件を外れる比較例では、良好な重ねレーザ溶接継手が得られなかったことが分かる。

１ 重ねレーザ溶接継手
２ 鋼板
３ 鋼板
４ 溶接部
４ａ 本溶接部
４ｂ 溶接終端部
５ 溶接部の終端
６ 最終凝固部となる中心部
７ レーザビーム
１４ 溶接部
１５ 溶接部の終端
１６ 割れ

Claims (8)

1. 複数の鋼板を重ね合わせてレーザ溶接により接合された溶接部を有する重ねレーザ溶接継手であって、
   前記溶接部は、溶接線形状を直線とする本溶接部と、該本溶接部の一端部に形成された溶接線形状を円弧または円とする溶接終端部とからなるＪ字形状であり、
   前記本溶接部の長さＬ_１（ｍｍ）は、（１）式で表される前記溶接部の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下であり、
   前記溶接終端部の半径Ｒ（ｍｍ）は（２）式を満たすとともに、前記溶接終端部の角度θ（ｒａｄ）は（３）式を満たし、
   前記複数の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部における、前記複数の鋼板間の隙間の大きさの合計が、前記複数の鋼板の総板厚に対して０％以上１５％以下である、重ねレーザ溶接継手。
   １０．０≦Ｌ ・・・（１）
   ０．５≦Ｒ≦１．５ ・・・（２）
   π＜θ≦２π ・・・（３）
   ここで、Ｌは溶接部の全長（単位：ｍｍ）、Ｒは溶接部の溶接終端部の半径（単位：ｍｍ）、θは溶接部の溶接終端部の角度（単位：ｒａｄ）である。
2. 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板は、質量％で、
   Ｃ：０．０７％超え０．２５％以下、
   Ｐ＋Ｓ：０．０３％未満、
   Ｍｎ：１．８％以上３．０％以下、
   Ｓｉ：１．２％超え１．８％以下
   を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する、請求項１に記載の重ねレーザ溶接継手。
3. 前記成分組成に加えて、さらに、以下のＡ群およびＢ群から選択される１群または２群を含有する、請求項１または２に記載の重ねレーザ溶接継手。
   Ａ群：質量％で、
   Ｔｉ：０．００５％以上０．０１％以下、および
   Ｎｂ：０．００５％以上０．０５０％未満
   のうちから選択される１種または２種
   Ｂ群：質量％で、
   Ｃｒ：１．０％以下、
   Ｍｏ：０．５０％以下、および
   Ｂ：０．１０％以下
   のうちから選択される１種または２種以上
4. 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板が、引張強さ９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接継手。
5. 前記複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板は、断面形状が略ハット形状またはＬ字形状であり、縦壁部および該縦壁部の先端から外側へ延びるフランジ部を有し、
   前記フランジ部と他の鋼板とが重ね合わされた接合面の前記縦壁部側の端部の座標を０とし、前記縦壁部側を（＋）とし、前記縦壁部側とは反対の、前記フランジ部の外端側を（−）とした座標系で表したときに、前記溶接部が式（４）で表される溶接位置Ｘ（ｍｍ）にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接継手。
   −２ｔ≧Ｘ≧−４ｔ ・・・（４）
   ここで、ｔは前記複数の鋼板のうち最も板厚の厚い鋼板の板厚（単位：ｍｍ）である。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接継手の製造方法であって、
   複数の鋼板を上下方向に重ね合わせ、
   重ね合わせた前記複数の鋼板のうち、上側の鋼板表面にレーザを照射して溶接部を形成する、重ねレーザ溶接継手の製造方法。
7. 前記本溶接部の長さＬ_１（ｍｍ）が、（１）式で表される前記溶接部の全長Ｌ（ｍｍ）に対して２／３以上４／５以下、かつ前記溶接終端部の半径Ｒ（ｍｍ）が（２）式を満たすとともに該溶接終端部の角度θ（ｒａｄ）が（３）式を満たすＪ字形状となるように、
   レーザ出力、焦点位置、溶接速度、およびビーム径のうち少なくとも１つを制御する、請求項６に記載の重ねレーザ溶接継手の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接継手を有する自動車用骨格部品。

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