JP6866691B2 - 重ね接合継手及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、重ね接合継手とその製造方法に関し、特に、自動車車体に用いられる高強度鋼板の重ね接合継手とその製造方法に関するものである。

近年、自動車分野では、低燃費化やＣＯ₂排出量の削減のため、車体を軽量化することや、衝突安全性の向上のため、車体部材を高強度化することが求められている。これらの要求を満たすためには、車体部材や各種部品などに高強度鋼板を使用することが有効である。

このような高強度鋼板よりなる車体の組立や部品の取付けなどの工程では、主として、抵抗発熱を利用したスポット溶接が広く普及しているが、近年、スポット溶接に替えて、一部で高パワー密度を有する光線（以下、光線とする。）による接合を用い、スポット状（点状）に接合を行う技術が自動車の製造に適用されつつある。

光線による点状の接合は、スポット溶接より高速の施工が可能で、スポット溶接のように分流の影響を受けないため、接合点のピッチを短くできるというメリットがあり、多点接合による車体剛性の向上も可能である。

一方、光線による点状の接合継手の強度は、従来の抵抗スポット溶接と同程度、もしくは低下する傾向があり、炭素量の高い９８０ＭＰａ以上の高強度鋼板の場合は、継手強度のうち、十字引張強度が低下する問題があった。
このため、高強度鋼板に光線による接合を行った場合に、ＣＴＳ等の継手強度を向上させる技術が望まれていた。

このような状況のもと、光線による接合において、継手強度を向上させる技術として、接合部の近傍に、他の接合部を形成する技術（特許文献１参照）、閉ループ状の本ビードの内側に、本ビードを焼き戻すことを目的とした他のビードを形成する技術（特許文献２、３参照）が知られている。

このようなループ状に光線による接合部を形成する技術では、接合部の接合面積が小さくなり、引張せん断強さ（ＴＳＳ）が低くなることが懸念される。これに対して、ループ状の接合部より接合面積が広い、鋼板表面側から平面視したとき、外側輪郭が略円形状で、その中心まで溶融凝固している光線による接合部を鋼板に形成して、継手強度を向上させる技術が報告されている（特許文献４参照）。

特開２０１０−０１２５０４号公報 特開２０１２−２４００８６号公報 国際公開第２０１２／０５００９７号 特開昭６０−６８１８５号公報

特許文献４に開示の技術は、光線による接合部を点状としているので、引張せん断強さ（ＴＳＳ）の向上に有効であるが、十字引張強さ（ＣＴＳ）を更に向上させることが望まれていた。
そこで、本発明は、このような実情に鑑み、継手強度に優れ信頼性の向上した重ね接合継手を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋼板に光線による接合を実施し、光線により形成される点状の接合部を形成した接合継手のＣＴＳを更に向上させるための手段について鋭意検討した。
重ね接合継手は、剥離方向に接合部に荷重が負荷されると、鋼板と溶融凝固部との溶融境界の近傍に応力が集中し破断に至り易いため、十分なＣＴＳ値を確保できないと考えられる。
そこで、溶融境界近傍を熱処理することにより、その部分の靭性を向上させることを着想し、そのための熱処理箇所及び熱処理方法について種々調査した。

その結果、点状の接合部の溶融凝固部の内側に光線を環状に照射して、照射部を再溶融凝固させるとともに、その際の熱によって鋼板と溶融凝固部との溶融境界付近におけるＰのような脆化元素の偏析を緩和するように再加熱することで、ＣＴＳが向上することを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。

（１） 重ね合わされた複数の鋼板で構成され、光線により形成される点状の接合部を有する重ね接合継手において、
前記光線により形成される点状の接合部は、前記複数の鋼板の全てに跨る点状の溶融凝固部を有し、
該溶融凝固部は、再溶融凝固部と、凝固再加熱部とを有し、
前記再溶融凝固部は、シリンダー状の形状を有し、前記溶融凝固部と鋼板との溶融境界の内側に該溶融境界とは重ならないように位置しており、
前記凝固再加熱部は、前記再溶融凝固部の周囲に位置し、前記溶融境界を含んでおり、
更に、前記凝固再加熱部において、前記複数の鋼板の合わせ面と前記溶融境界の交点から合わせ面の延長線上に１００μｍ隔てた点を中心点とし、
前記中心点から前記溶融凝固部の中心軸へ向かう方向に平行で、前記複数の鋼板の鋼板面に垂直な、前記中心点を中心とした、１００μｍ×１００μｍの矩形平面領域にて、Ｐ濃度を質量％で、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１μｍピッチで測定し、これにより１００点×１００点の測定点それぞれにおける当該Ｐ濃度の測定値を求め、
前記１００点×１００点の測定点のうち、前記鋼板面に平行な方向に一列に並んだ隣り合う２０点の各前記測定点における前記Ｐ濃度の測定値の部分平均値を、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１点ずつずらしながら算出することを繰り返し、これにより８１個×１００個の部分平均値を求めた場合に、
前記部分平均値のうち、前記１００点×１００点の測定点それぞれにおける前記Ｐ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える前記部分平均値の個数が０個以上１００個以下であることを特徴とする重ね接合継手。

（２） 前記複数の鋼板の板厚方向断面において、前記合わせ面と前記溶融境界の交点から前記再溶融凝固部までの最短距離が０．５〜１.０ｍｍであることを特徴とする上記（１）に記載の重ね接合継手。
（３） 前記複数の鋼板が、表面処理皮膜を有する鋼板を１枚以上含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の重ね接合継手。

（４） 複数の鋼板を重ね合わせ、高パワー密度を有する光線を照射して前記複数の鋼板を接合する重ね接合継手の製造方法において、
重ね合わされた鋼板の一方の外表面の限られた領域内に高パワー密度を有する光線を照射し、前記複数の鋼板の全てに跨って溶融凝固させて点状の溶融凝固部を有する高パワー密度を有する光線による点状の接合部を形成し、
次いで、該溶融凝固部と鋼板との溶融境界の内側に、該溶融境界とは重ならないようにかつ、重ね合わされた鋼板を貫通しないように、高パワー密度を有する光線を環状に再照射し、該照射部分を再溶融凝固させてシリンダー状の再溶融凝固部を形成するとともに、該再溶融凝固部の周囲を再加熱して前記溶融境界を含む凝固再加熱部を形成し、
さらに、前記再溶融凝固部を形成する際の接合条件を調整して、
前記複数の鋼板の重ね合わせ面の前記溶融境界から前記溶融凝固部の中心軸側に１００μｍの点を中心点とし、
前記中心点から前記中心軸へ向かう方向に平行で、前記複数の鋼板の鋼板面に垂直な、前記中心点を中心とした、１００μｍ×１００μｍの矩形平面領域にて、Ｐ濃度を質量％で、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１μｍピッチで測定し、これにより１００点×１００点の測定点それぞれにおける当該Ｐ濃度の測定値を求め、
前記１００点×１００点の測定点のうち、前記鋼板面に平行な方向に一列に並んだ隣り合う２０点の各前記測定点における前記Ｐ濃度の測定値の平均値を、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１点ずつずらしながら算出することを繰り返し、これにより８１個×１００個の部分平均値を求めた場合に、
前記部分平均値のうち、前記１００点×１００点の測定点それぞれにおける前記Ｐ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える前記部分平均値の個数が０個以上１００個以下となるようにする
ことを特徴とする重ね接合継手の製造方法。

（５） 前記光線の再照射は、前記複数の鋼板の板厚方向断面において、前記合わせ面と前記溶融境界の交点から前記再溶融凝固部までの最短距離が０．５〜１.０ｍｍとなるように行われることを特徴とする上記（４）に記載の重ね接合継手の製造方法。
（６） 前記複数の鋼板に、表面処理皮膜を形成した鋼板を１枚以上用いることを特徴とする上記（４）又は（５）に記載の重ね接合継手の製造方法。

ここで、光線により形成される点状の接合部とは、重ね合わされた鋼板表面の一部の限られた領域内に光線を照射して点状に形成された溶融凝固部によって鋼板が相互に接合された部分をいう。

本発明によれば、溶融凝固部の溶融境界近傍に、靱性に優れる凝固再加熱部を設けたので、重ね接合継手の継手強度、特に、十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させることができ、接合継手の信頼性を向上させることができる。そして、本発明の接合継手を自動車部品に適用することで、自動車部品の信頼性を向上させることができる。

光線により形成される点状の接合部を有する接合継手の断面図を示す。（ａ）は光線の再照射前の接合継手の断面図を示し、（ｂ）は光線の再照射後の接合継手の断面図を示す。 溶融凝固部の断面拡大図である。 本発明の接合継手の断面を示す図である。 光線により形成される点状の接合部を有する接合継手を模式的に示す図であり、（ａ）は接合継手の断面の構造を示し、（ｂ）は接合継手のビッカース硬さ分布を示す。 光線により形成された点状の接合部の内側に、環状に光線を照射した接合継手について、図４と同様に模式的に示す図である。 接合継手のビッカース硬さ分布の概略図を示す図であり、（ａ）は光線により形成された点状の接合部を有する接合継手のビッカース硬さ分布の概略を示し、（ｂ）は光線により形成された点状の接合部の内側に環状に光線を照射した接合継手のビッカース硬さ分布の概略を示す。 光線により形成される点状の接合部の形成の概要を示す斜視図であり、（ａ）は異なる照射直径で光線を照射する概要を示し、（ｂ）は集光面積を広くして光線を照射する概要を示し、（ｃ）は光線により形成された点状の接合部を示す。 光線により形成された点状の接合部の熱処理の概要を示す斜視図であり、（ａ）は光線を照射する概要図を示し、（ｂ）は再溶融凝固部と凝固再加熱部とを有する光線により形成された点状の接合部の斜視図を示す。

まず、本発明に至った検討の経緯及び本発明の基本的構成について説明する。
光線により形成される点状の接合部を有する重ね接合継手において、更に、継手強度を向上させることが望まれていた。重ね接合継手は、剥離方向に接合部に荷重が負荷されると、鋼板と溶融凝固部との境界（溶融境界）の近傍、特に、鋼板合わせ面と溶融境界との交点近傍に応力が集中し、破断に至り易い。また、高強度鋼板ではＰのような脆化元素が含有されている場合が多く、Ｐの偏析があるとそこが破壊の起点になりやすいと考えられる。
そこで、前記交点近傍の応力が集中する部分に熱処理することにより、Ｐの偏析を緩和することを検討した。

まず、重ね合わされた２枚の鋼板２ａ、２ｂの一方の外表面に光線を照射して、照射部分を溶融凝固させて、直径が約６ｍｍで、２枚の鋼板を重ね方向に柱状に貫通する溶融凝固部３を有する光線による点状の接合部を含む接合継手１ａを形成した（図１(ａ)参照）。
次に、この溶融凝固部３の鋼板との溶融境界４の内側に、ビーム径０．４ｍｍの光線を、直径４．０ｍｍの円周に沿って一周再照射して、照射部分を再溶融凝固させて、溶融凝固部の内側にシリンダー状の再溶融凝固部３ａを有するとともに、その周囲に、再溶融凝固部３ａの熱により再加熱された凝固再加熱部３ｂを有する光線による点状の接合部を含む接合継手１ｂを形成した（図１(ｂ)参照）。
なお、再照射の際には、再溶融凝固部３ａの重ね合わせ方向の先端部５が、鋼板合わせ面２ｃの延長線より鋼板２ａ側であって、鋼板合わせ面と溶融境界との交点６がＡｃ３点以上の温度範囲に加熱される位置になるように光線の照射条件を調整した。

この光線による接合部を有する接合継手１ａ、１ｂに対して、十字引張強さ（ＣＴＳ）を調査したところ、溶融凝固部３の内側に光線を再照射して得られた接合継手１ｂの十字引張強さの方が、接合継手１ａの十字引張強さより高くなることが判明した。

次に、本発明者らは、接合継手１ａ、１ｂに対して、溶融境界近傍における脆化元素であるＰの偏析の解析を実施した。Ｐの偏析の解析では、国際公開第２０１３／１６１９３７号に開示の方法を採用した。Ｐの偏析の解析方法は、この文献で詳細に説明されているので、ここでは簡潔に説明する。

図２に、溶融凝固部の断面拡大図を示す。図２は、図１（ｂ）の溶融凝固部３の中心軸Ｃから片側を拡大した図である。
まず、Ｐの偏析の解析では、鋼板２ａ、２ｂの合わせ面２ｃと溶融境界４との交点６から、合わせ面の延長線上に沿って中心軸Ｃ側に１００μｍ隔てた点を中心点とする。この中心点から中心軸Ｃへ向かう方向に平行で、鋼板２ａ、２ｂの表面に垂直な、中心点を中心とした１００μｍ×１００μｍの矩形平面領域Ａを設定する。

この矩形平面領域Ａにおいて、合わせ面２ｃに平行な方向及び垂直な方向にそれぞれ１μｍピッチでＰ濃度（質量％）を測定し、１００点×１００点の測定点それぞれにおけるＰ濃度（質量％）の測定値を求める。Ｐ濃度（質量％）は、電界放出型電子線マイクロアナライザ（ＦＥ−ＥＰＭＡ）で測定する。

次に、１００点×１００点の測定点のうち、合わせ面２ｃに平行な方向に一列に並んだ隣り合う２０点の各測定点におけるＰ濃度の測定値の部分平均値を、合わせ面２ｃに平行な方向及び垂直な方向それぞれに沿って１点ずつずらしながら算出する。これを繰り返し、８１個×１００個の部分平均値を求める。

この部分平均値のうち、１００点×１００点の測定点それぞれにおけるＰ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える部分平均値の個数を比較する。この個数が０個以上１００個以下である場合をＰの偏析が緩和されており、１０１個以上をＰが偏析していると判断する。

このＰの偏析の解析法を用いて、図１（ａ）に示す接合継手１ａと、図１（ｂ）に示す接合継手１ｂにおいて、領域ＡにおけるＰの偏析の解析を実施したところ、接合継手１ａでは、Ｐが偏析していたが、接合継手１ｂでは、Ｐの偏析が緩和されていた。

これより、光線により形成された点状の接合部を有する重ね接合継手において、点状の接合部の合わせ面と溶融境界の交点６近傍のＰの偏析を緩和することで、十字引張強さが向上することを知見した。また、鋼板の組合せを変えても、Ｐの偏析が緩和されているものでは、十字引張強さが向上することが確認された。

本発明は、以上のような検討過程を経て上記（１）に記載の発明に至ったものであり、そのような本発明について、さらに、必要な要件や好ましい要件について順次説明する。

［接合継手］
本発明の接合継手１０は、図３の断面図に示すように、複数の鋼板２０ａ、２０ｂを重ね合わせ、鋼板２０ａ側から鋼板２０ａの限られた領域内に光線を照射し、光線により形成される点状の接合部を形成して複数の鋼板２０ａ、２０ｂを光線による重ね接合をしたものである。

＜光線により形成される点状の接合部＞
光線により形成される点状の接合部は、複数の鋼板２０ａ、２０ｂを重ね合わせ、光線の照射により溶融凝固した点状の溶融凝固部３０を有しており、さらに、溶融凝固部３０は、内部に該溶融凝固部が再溶融した再溶融凝固部３０ａと、再溶融凝固部によって溶融凝固部が凝固後に再加熱された凝固再加熱部３０ｂとを有している。なお、図３では、鋼板側の熱影響部は示していない。
ここで、光線により形成される点状の接合部とは、重ね合わされた鋼板表面の一部の限られた領域内に光線を照射して点状に形成された溶融凝固部によって鋼板が相互に接合された部分をいう。

（点状の溶融凝固部）
光線による点状の接合部に形成される溶融凝固部３０は、重ね合わされた鋼板表面の一部の限られた領域内に光線を照射して形成された溶融凝固部である。
溶融凝固部３０の幅Ｗ（光線の照射側から溶融凝固部を平面視したときの溶融凝固部の円相当径）は、継手強度等に応じて調整すればよく、特に限定されるものでないが、５〜１２ｍｍが例示される。好ましくは、６〜１０ｍｍである。
溶融凝固部３０は、接合部を形成する複数の鋼板２０ａ、２０ｂに跨って形成されていれば、光線照射側と反対側の鋼板の外表面まで貫通していても、貫通していなくてもよい。

ここで、点状とは、光線の照射側から溶融凝固部を平面視したとき、溶融凝固部の外周輪郭が円形状又多角形状などの限られた領域に限定されており、かつ、その領域の中心まで溶融凝固していることを意味する。円形状とは、光線の照射側から溶融凝固部を平面視したとき、溶融凝固部が円形や楕円形の場合以外に、直径の異なる半円や半楕円を組み合わせたものも含むものである。また、鋼板に光線を渦巻状に、外周側から中心側又は中心側から外周側に向かって照射して形成した溶融凝固部の形状も点状に含まれる。

（再溶融凝固部）
再溶融凝固部３０ａは、溶融凝固部３０と鋼板の溶融境界４０の内側の溶融凝固部３０に光線を環状の軌跡に沿って再照射し、照射部分を再溶融凝固させて得られるシリンダー状の形状を有する部分であり、溶融凝固したままの組織となっている。なお、環状とは、輪郭が円形状又多角形状を意味する。円形状とは、再溶融凝固部が円形や楕円形の場合以外に、直径の異なる半円や半楕円を組み合わせたものも含むものである。

再溶融凝固部３０ａは、溶融境界４０とは重ならないように形成されており、その際、光線の照射側から溶融凝固部を平面視したとき、溶融凝固部の円相当の中心と、再溶融凝固部３０ａの円相当の中心とは、一致する必要はない。
再溶融凝固部３０ａは、接合継手１０の板厚方向において、その重ね合わせ方向の先端部５０は、図３などのように、重ね合わされた鋼板の合わせ面２０ｃと溶融境界４０との交点６０近傍位置まで形成されていれば十分であるが、合わせ面２０ｃの延長線を超えた位置や重ね合わされた鋼板を貫通した位置とすることもできる。

再溶融凝固部３０ａの重ね合わせ方向の先端部５０の位置や再溶融凝固部３０ａの溶融境界４０側の外側輪郭の位置は、鋼板合わせ面２０ａ近傍の溶融凝固部を再加熱して、Ｐの偏析を緩和するために重要であり、後述するように、鋼板合わせ面と前記溶融境界の交点６０近傍の溶融凝固部が、母材の融点以下Ａｃ３点温度以上の再加熱温度になるように設定される。

シリンダー状に形成される再溶融凝固部３０ａの径方向の幅Ｗｂ（光線の照射側から溶融凝固部を平面視したときの環状の再溶融凝固部の径方向の厚み）は、前記交点６０近傍の溶融凝固部が、Ａｃ３点温度以上の再加熱温度になるために必要な熱量を与えるために、前記先端部の位置との関係で決められるが、０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。幅Ｗｂの上限は特に限定されないが、好ましくは、０．３Ｗ程度である。

（凝固再加熱部）
凝固再加熱部３０ｂは、光線により形成された点状の接合部の溶融凝固部３０に光線を環状に再照射し、再溶融凝固部３０ａの周囲に溶融境界を含むように形成される部分であり、Ｐの偏析が低減されている部分を含むものである。なお、図１〜３においては、Ａｃ３点温度以上に加熱される領域を凝固再加熱部３ｂとして示している。

重ね継手では、鋼板の剥離方向に荷重が負荷されると、鋼板の合わせ面近傍の溶融境界に応力が集中し、破断に至るため、少なくとも鋼板合わせ面２０ｃと溶融境界４０との交点６０の周囲に位置する溶融凝固部が、Ａｃ３点温度以上の再加熱温度となるように凝固再加熱部３０ｂを形成して、その部分のＰ偏析を緩和させる。

具体的には、鋼板合わせ面２０ｃ近傍の溶融凝固部は、応力が集中し易いため、前述のように、Ｐ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える部分平均値の個数が０個以上１００個以下とする。特に、ＣＴＳの向上のためには、鋼板合わせ面２０ｃと前記溶融境界の交点６０から内側に少なくとも０．５ｍｍの範囲がＡｃ３点温度以上の温度に加熱されることが望ましく、そのためには、鋼板の板厚方向断面において、鋼板合わせ面と前記溶融境界の交点６０から前記再溶融凝固部までの最短距離Ｗｃを、０．５〜１.０ｍｍとすることが好ましい。
なお、再溶融凝固部はミクロ組織の観察により判別することができるので、Ｗｃは光線による接合後の接合部の断面から測定することができる。

凝固再加熱部のＰの偏析の解析は、上述したように行う。ただし、Ｐ濃度（質量％）は、電界放出型電子線マイクロアナライザ（ＦＥ−ＥＰＭＡ）で測定することができ、測定条件として、以下が例示される。

加速電圧：１５ｋＶ
ビーム電流：０．５μＡ
１ピクセル当たりのビーム滞在時間：６０ｍｓ
ピクセル数：２５０×２５０
視野：１００μｍ×１００μｍ

また、凝固再加熱部３０ｂのうち、母材の融点以下Ａｃ３点温度以上に再加熱された部分は、加熱過程及び冷却過程でそれぞれ変態を受けて結晶が微細化する。そのような部分においては、特に、結晶粒のアスペクト比が１．５以下のポリゴナルフェライトとなっていることが好ましい。

（再溶融凝固部及び凝固再加熱部のビッカース硬さ）
次に、光線により形成された点状の接合部の溶融凝固部に光線を再照射する前と再照射した後の接合継手の板厚方向断面において、鋼板合わせ面及びその延長線近傍位置のビッカース硬さの変化を調査した。
図４、５に、引張強さ９８０ＭＰａの鋼板を用いた接合継手において、溶融凝固部に環状のレーサビームを再照射する前後のビッカース硬さ分布の概略図を示す。それぞれの図において、（ａ）は、接合継手の断面図であり、（ｂ）は、接合継手のビッカース硬さ分布の概略図である。

ビッカース硬さは、図４（ａ）及び図５（ａ）に示す、点線Ｘの位置（板厚方向断面のビッカース硬さの測定位置）を鋼板表面と平行方向のビッカース硬さの測定範囲Ｌ１にわたって求めた。
点線Ｘは、板厚方向において、鋼板２０ａ、２０ｂの合わせ面２０ｃから鋼板２０ａ側に０．５ｍｍの位置である。また、Ｌ２は、溶融凝固部のビッカース硬さの測定範囲である。

図４（ｂ）に示すように、溶融凝固部３０に光線を再照射する前の接合継手１０ａのビッカース硬さは、溶融凝固部３０の内側（Ｌ２）において、ＨＶ４１０程度と硬く、ほぼ一定となっている。Ｌ２のすぐ外側は、溶融凝固部ではないが、高温域まで加熱され焼入れられるので硬さが大きい。なお、さらに外側に硬さの低い部位があるが、これは母材である鋼板のＨＡＺ軟化部である。

これに対し、環状に光線を再照射した後は、図５（ｂ）に示すように、再溶融凝固部の熱を受けて、溶融境界の外側及び再溶融凝固部の内側の溶融凝固部に焼き戻されたビッカース硬さが低い部位が形成された。また、再溶融凝固部近傍に位置する溶融凝固部は、再溶融凝固部により再度高温域まで加熱され、焼入れられて硬化しており、溶融境界から溶融凝固部内に向かって１ｍｍ以上の幅でＨＶ４１０程度と硬くなっている。なお、溶融凝固部３０の外側の母材のＨＡＺ軟化部はそのままの硬さとして残っている。

次に、被接合部材の鋼板を１５００ＭＰａホットスタンプ鋼板に変えて、上記と同様の調査を行った。
図６に、ホットスタンプ鋼板を用いた接合継手におけるレーサビームを再照射する前後のビッカース硬さ分布の概略図を示す。

ホットスタンプ鋼板では、溶融凝固部３０に光線を再照射する前の接合継手１０ａのビッカース硬さは、図６（ａ）に示すように、溶融凝固部３０の内側（Ｌ２）において、ＨＶ４５０程度と硬く、ほぼ一定となっている。Ｌ２のすぐ外側は、溶融凝固部ではないが、高温域まで加熱され、焼入れられるので、硬さが大きい。なお、さらに外側に硬さの低い部位があるが、これは母材である鋼板のＨＡＺ軟化部である。

また、光線を再照射した後の接合継手１０ｂのビッカース硬さは、図６（ｂ）に示すように、溶融境界から溶融凝固部内に向かって１ｍｍ以上の幅でＨＶ４２０程度と硬くなっている。さらに溶融境界の外側にビッカース硬さが低い部位が形成された。なお、溶融凝固部３０の外側の母材のＨＡＺ軟化部はそのままの硬さとして残っている。

このように、本発明の接合継手では、鋼板の鋼種が異なる場合であっても、溶融境界から溶融凝固部内に向かって１ｍｍ以上の幅に渡ってビッカース硬さの高い範囲が維持され、鋼板合わせ面近傍の溶融凝固部における接合金属の部分的な軟化がないため、引張せん断強度の低下が抑制される。
引張せん断強度の低下を抑制するためには、凝固再加熱部３０ｂのうち、鋼板２０ａ、２０ｂの合わせ面の延長線上から重ね合わせ方向に０．５ｍｍ離れた位置（上記Ｘの位置）における溶融境界から内部に向かって０．５ｍｍの範囲のビッカース硬さの平均値と、０．５〜１ｍｍの範囲のビッカース硬さの平均値を、±Ｈｖ７０未満とすることが好ましい。
なお、上記の範囲のビッカース硬さの平均値の測定では、それぞれの範囲の中央と両端近傍を含む３点以上等間隔でビッカース硬さを測定し、平均値を求める。

また、鋼板の重ね合わせ面が複数あるときは、それぞれの鋼板の重ね合わせ面と接する溶融凝固部３０の溶融境界同士を結んだ線上で測定する。なお、再溶融凝固部と凝固再加熱部とは、ミクロ組織の観察により、判別することができる。

＜複数の鋼板＞
本発明の接合継手に用いる鋼板は特に限定されるものでなく、種々の鋼板とすることができる。鋼板の成分組成は、特に限定されるものでなく、用途に応じた機械特性等が得られる成分組成の鋼板とすればよい。また、本発明の接合継手に炭素含有量を０．１０〜０．２５質量％の高強度鋼板を適用すると、十字引張強さの向上が顕著であり、このような鋼板を対象とすることが好ましい。また、Ｐ含有量は、特に限定されるものでないが、Ｐの偏析改善の効果が見込まれる０．００１％以上０．０３質量％以下が例示される。

鋼板の板厚は、特に限定されるものでなく、０．５〜３．２ｍｍの範囲とすることができる。板厚が０．５ｍｍ未満であっても、接合部の継手強度の向上の効果は得られるが、継手強度は板厚に影響されるので、接合継手全体の強度向上の効果が小さくなり、接合継手の適用範囲が限定される。また、板厚が３．２ｍｍ超であっても、接合部の継手強度の向上の効果は得られるが、部材の軽量化の観点から、接合継手の適用範囲が限定される。

（鋼板の表面処理皮膜）
鋼板には、少なくとも接合箇所の両面又は片面に表面処理皮膜を形成した鋼板を１枚以上含んでいてもよい。表面処理皮膜は、めっき皮膜を含むものであり、更に、塗装皮膜等を含むものとすることができる。めっき皮膜としては、例えば、亜鉛めっき、アルミニウムめっき、亜鉛・ニッケルめっき、亜鉛・鉄めっき、亜鉛・アルミニウム・マグネシウム系めっき等であり、めっきの製造方法としては、溶融めっき、電気めっき等である。

鋼板は、少なくとも接合継手を形成する部分が板状であればよく、全体が板でなくてもよい。例えば、断面ハット形の特定の形状にプレス成型された部材のフランジ部などを含むものである。重ね合わせる鋼板の枚数は、２枚に限らず、３枚以上としてもよい。また、各鋼板の、種類、成分組成及び板厚は、全て同じとしても、相互に異なっていてもよい。また、別々の鋼板から構成されるものに限定されず、１枚の鋼板を管状などの所定の形状に成形して、端部を重ね合わせたものの重ね接合継手であってもよい。

以下、これに限定されるものではないが、自動車での重ね接合継手の例を示す。
Ａピラーの場合、２７０〜３４０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、５９０〜１８００ＭＰａ級非めっき鋼板もしくはホットスタンプ鋼板と、５９０〜１８００ＭＰａ級非めっき鋼板もしくはホットスタンプ鋼板の３枚重ねの組み合わせでの重ね接合継手が例示される。

Ｂピラーの場合、引張強さが２７０〜３４０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、５９０〜１８００ＭＰａ級非めっき鋼板もしくはホットスタンプ鋼板と、４４０〜９８０ＭＰａ級非めっき鋼板の３枚重ねの組み合わせでの重ね接合継手が例示される。

サイドシルの場合、２７０〜３４０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、５９０〜１８００ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、５９０〜１８００ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板の３枚重ねの組み合わせでの重ね接合継手が例示される。

フロアメンバーの場合、２７０〜５９０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板のフロアパネルと、４４０〜１８００ＭＰａ級非めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板のフロアメンバーとの２枚重ねでの組み合わせでの重ね接合継手が例示される。

［重ね接合継手の製造方法］
次に、本発明の重ね接合継手の製造方法について説明する。
まず、（ａ）複数の鋼板を重ね合わせ、重ね合わされた鋼板の一方の外表面の限られた領域内に光線を照射し、前記重ね合わされた全ての鋼板に跨って前記領域の中心まで溶融凝固させて、点状の溶融凝固部を有する光線による点状の接合部を形成することについて、図７を用いて説明する。

図７は、限られた領域内（照射予定箇所）に光線を照射して光線による点状の接合部の形成の概要を示す斜視図である。図７（ａ）は、異なる照射直径で光線を照射する概要を示し、図７（ｂ）は、集光面積を広くして光線を照射する概要を示し、図７（ｃ）は、光線により形成された点状の接合部を示す。

図７（ａ）には、光線７０を照射する方法の一例を示しており、異なる照射直径で光線７０を照射するものである。この図には、光線７０の照射予定箇所８０ａを点線で示しており、照射直径の異なる３つの照射予定箇所８０ａが示されている。

光線による点状の接合部の形成では、まず、複数の鋼板２０ａ、２０ｂを重ね合わせ、一方の鋼板２０ａ側から光線７０を照射して光線による接合を行う。光線７０の照射では、光線７０の照射側から照射予定箇所８０ａを平面視したとき、白抜き矢印で示すように、略円状に光線を走査する。その際に、光線７０の照射を、外側の照射予定箇所８０ａに行い、その後、内側の照射予定箇所８０ａに行っても、内側の照射予定箇所８０ａに行い、その後、外側の照射予定箇所８０ａに行ってもよい。光線の走査方向は、特に限定されるものでなく、時計回り、反時計回りのいずれでもよい。

また、光線７０の照射側からの照射予定箇所８０ａを平面視した場合、光線７０の照射予定箇所８０ａの外周形状を円としているが、楕円状、多角形状、直径の異なる半円や半楕円を組み合わせた形状、渦巻状の形状としてもよい。光線７０の照射予定箇所８０ａを渦巻状の形状とした場合、光線７０の照射は、渦巻状の照射予定箇所の外側の端部から、内側の端部に向かって、又は、渦巻状の照射予定箇所の内側の端部から、外側の端部に向かって、渦巻状に光線を走査して行う。渦巻の方向は、特に限定されるものでなく、時計回り、反時計回りのいずれでもよい。

図７（ａ）では、直径の異なる３つの照射予定箇所を例示したが、光線の焦点面積や、光線により形成される点状の接合部の接合面積に応じて、直径の異なる照射予定箇所の数を増減させることができる。

図７（ｂ）には、光線７０を照射する方法の他の例を示しており、集光面積を広くして光線７０を照射するものである。この図には、光線７０の照射予定箇所８０ｂを点線で示している。そして、光線７０の照射は、光線の集光面積を広くして、１回で行われる。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように光線７０を照射することで、図７（ｃ）に示すように、光線による点状の接合部の溶融凝固部３０を形成できる。

また、複数の鋼板に、表面処理皮膜を形成した鋼板を１枚以上用いる場合、光線７０の照射を、外側の照射予定箇所８０ａに行い、その後、内側の照射予定箇所８０ａに行うことが好ましい。これにより、接合部内に欠陥を生じさせる気体となった皮膜を、溶融部の中心付近に集め、攪拌除去することが容易となる。なお、光線７０の照射を、内側の照射予定箇所８０ａに行い、その後、外側の照射予定箇所８０ａに行っても、光線７０の集光面積を広くして行っても、気体となった皮膜を溶融部から除去することができるため、これらの光線の照射方法を採用することを排除するものでない。

次に、（ｂ）点状の溶融凝固部と鋼板との溶融境界の内側に、該溶融境界とは重ならないように光線を環状に再照射し、該照射部分を再溶融凝固させてシリンダー状の再溶融凝固部を形成するとともに、該再溶融凝固部の周囲を再加熱（熱処理）して前記溶融境界を含む凝固再加熱部を形成し、さらに、前記再溶融凝固部を形成する際の接合条件を調整してＰの偏析を緩和することについて説明する。

光線により形成された点状の接合部の熱処理では、図７で示す方法等により得られた点状の接合部の溶融凝固部が凝固するまで待機し、その後に、鋼板２０ａ側から溶融凝固部３０の内側に光線７０を照射して行う。本発明は、高温での固体中の拡散を活用したものであるため、融凝固部３０が凝固した後に光線を照射しないと効果が得られないためである。
なお、溶融凝固部３０の内側とは、溶融凝固部３０の溶融境界を除く溶融凝固部３０内をいう。

次に、光線により形成された点状の接合部の熱処理における光線７０の照射について、図８を用いて説明する。
図８（ａ）には、再溶融予定箇所に光線７０を照射する方法の一例を示しており、光線７０の照射予定箇所９０を点線で示している。
光線７０の照射では、白抜き矢印で示すように略円状に光線を走査する。その際に、光線の走査方向は、特に限定されるものでなく、時計回り、反時計回りのいずれでもよい。

略円状の光線７０の照射予定箇所９０は、光線７０の照射により形成されたシリンダー形状の再溶融凝固部３０ａにより、溶融境界４０と鋼板合わせ面２０ｃの交点６０周囲のＰの偏析が緩和される位置に設定される。

また、光線７０の照射側から光線による接合部を平面視した場合、光線７０の照射予定箇所９０の外周形状を円としているが、溶融凝固部の外側輪郭に合わせて楕円状、多角形状、直径の異なる半円や半楕円を組み合わせた形状としてもよい。また、光線７０の照射回数は、再溶融凝固部の幅Ｗｂに応じて、１回または複数回としてもよい。

図８（ａ）に示すように光線７０を照射することで、図８（ｂ）に示すように、光線７０の照射側から溶融凝固部３０を平面視したとき、環状に再溶融凝固部３０ａが形成され、その周囲に凝固再加熱部３０ｂが形成される。そして、その際に溶融境界を含む前記交点近傍のＰの偏析が緩和され、靱性が向上する。

また、光線による点状の接合部の形成、及び、光線により形成された点状の接合部の溶融境界の熱処理において、光線の照射方法は、同じ照射方法でも、異なる照射方法でもよい。例えば、異なる照射直径で光線を照射して、点状の接合部を形成し、異なる照射直径で光線を照射して、光線により形成された点状の接合部の溶融境界を熱処理してもよいし、集光面積を広くして光線を照射して、光線による点状の接合部の形成し、異なる照射直径で光線を照射して、光線により形成された点状の接合部の溶融境界を熱処理してもよい。

次に、光線７０の照射のうち、凝固再加熱部３０ｂの加熱温度について説明する。
光線により形成された点状の接合部の溶融凝固部３０のうち鋼板合わせ面２０ｃと溶融境界４０との交点６０から、少なくとも０．５ｍｍの範囲の領域のＰの偏析が緩和されるように再加熱するとよい。

交点６０から少なくとも０．５ｍｍの範囲の領域のＰの偏析を緩和するには、この範囲の最高到達温度が母材の融点以下Ａｃ３点温度以上（例えば、９００℃以上）となる条件で、光線７０を溶融凝固部３０の内側に照射する。交点６０近傍の温度は、鋼板表面で測定した温度を代表値として用いることができる。温度は、放射温度計や熱電対を用いて測定することができる。

このような温度とするには、予め、再溶融凝固部の外側の円相当直径Ｗａ又は形成される再溶融凝固部の幅Ｗｂと、光線の再照射中の前記範囲の温度との関係や、光線の再照射時間と前記範囲の温度との関係等を調査しておき、再溶融凝固部の外側の円相当直径Ｗａ、再溶融凝固部の幅Ｗｂ、光線の再照射時間等を調整することで行うことができる。また、交点６０から０．５ｍｍの範囲の領域を母材の融点以下Ａｃ３点温度以上とするには、交点６０から前記再溶融凝固部までの最短距離Ｗｃが０．５〜１．０ｍｍとなるように光線の照射を調整することが例示される。好ましくは、０．６〜０．９ｍｍである。

次に、光線による点状の接合部の形成、及び、光線により形成された点状の接合部の熱処理で使用する光線について説明する。
光線による接合は、特に限定されるものでないが、リモートレーザ接合とすることが好ましい。リモートレーザ接合は、ロボットアームの先端に取り付けたガルバノミラーにより、光線を接合打点の間を高速で移動させて接合するものであり、接合の作業時間の大幅な短縮が可能になる。また、接合に用いる光線としては、例えば、ＣＯ₂光線、ＹＡＧ光線、ファイバー光線、ＤＩＳＫ光線、半導体光線などの光線を用いることができる。

また、光線による接合の条件は、従来の条件を採用することができる。例えば、光線出力２〜３０ｋＷ、集光面のビーム径０．１〜８．０ｍｍ、接合速度０．１〜６０ｍ／ｍｉｎの接合条件で行うことができる。

また、自動車の組み立ては、複数の接合工程からなるが、１つの工程内で本発明の製法を実施する場合、１つ１つの接合点に対して、光線照射による接合と再溶融を実施してもよいが、温度変化のばらつきを低減するために、より好適には、光線照射により複数の溶融接合を実施し、その後、光線照射により複数の再溶融を実施するとことが好ましい。また複数の接合工程で本発明の製法を実施する場合、光線照射による溶融接合工程と、光線照射による再溶融工程を別々の工程とすることで、冷却の待ち時間を無くすことができる。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。

表１に示す鋼板を２枚重ね合わせて、ガルバノミラーを有するリモート光線による接合装置を用い、ファイバーレーザ光線により接合を行い、光線により形成された点状の接合部を有する試験片を作成した。表２に、光線による点状の接合部を形成する際の接合条件を示す。ビーム径は、集光面での光線の直径である。

次に、各試験片に対して、鋼板合わせ面２０ｃ近傍の溶融凝固部の熱処理を行った。この熱処理では、溶融凝固部とシリンダー形状の再溶融凝固部の中心が一致するようにし、鋼板合わせ面の下側位置（０．１ｍｍ）に下端が位置するように再溶融凝固部を形成して行った。
表３に、再溶融凝固部の形成条件（熱処理条件）を示す。ビーム径は、集光面での光線の直径である。なお、熱処理では、点状の溶融凝固部の形成と同じリモート光線による接合装置を用いた。

表４に、熱処理後の試験片について、鋼板合わせ面と溶融境界の交点から前記再溶融凝固部までの最短距離Ｗｃ、再溶融凝固部の平均ビッカース硬さＡ、鋼板合わせ面の延長上、溶融境界から内部に０．５ｍｍ入った位置までの凝固再加熱部における平均ビッカース硬さＢ、平均ビッカース硬さＡとＢの差、Ｐ偏析、十字引張強さ（ＣＴＳ）について示す。 ＣＴＳは、ＪＩＳ Ｚ３１３７にスポット接合の強度試験方法として記載されている方法を援用した。

Ｐ偏析は、上述のＰの偏析の解析法に従い、Ｐ濃度（質量％）の部分平均が全平均値の２倍を超える個数が０個以上１００個以下である場合を「○」と表記し、個数が１０１個以上である場合を「×」と表記した。また、ＣＴＳは、ＪＩＳ Ｚ３１３７にスポット接合の強度試験方法として記載されている方法を援用した。

Ｎｏ．２〜４、６〜８、１０〜１３は、光線により形成される点状の接合部に熱処理を行い、本発明の接合継手で規定する構成をすべて満足するため、溶融凝固部の交点から０．５ｍｍの範囲の靱性が向上し、十字引張強さ（ＣＴＳ）が高くなっている。

これに対して、Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、及び、Ｎｏ．１４は、光線により形成される点状の接合部に熱処理を行っていないため、溶融凝固部の溶融境界の靱性が向上せず、十字引張強さ（ＣＴＳ）が低くなっていた。また、Ｎｏ．９は、溶融凝固部の全部に熱処理を行ったため、溶融凝固部の溶融境界の靱性が向上せず、十字引張強さ（ＣＴＳ）が低くなっていた。

本発明によれば、光線により形成される点状の接合部の溶融境界近傍に、靱性に優れる凝固再加熱部を設けたので、重ね接合継手の継手強度、特に、十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させることができ、接合継手の信頼性を向上させることができる。そして、本発明の接合継手を自動車部品に適用することで、自動車部品の信頼性を向上させることができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

１、１０ 接合継手
２ａ、２０ａ 鋼板
２ｂ、２０ｂ 鋼板
２ｃ、２０ｃ 鋼板合わせ面
３、３０ 光線により形成される点状の接合部の溶融凝固部
３ａ、３０ａ 溶融凝固部内に形成された再溶融凝固部
３ｂ、３０ｂ 溶融凝固部内に形成された凝固再加熱部
４、４０ 鋼板と溶融凝固部の間の溶融境界
５、５０ 再溶融凝固部の重ね合わせ方向の先端部
６、６０ 鋼板合わせ面と溶融境界の交点
７０ 光線
８０ａ、８０ｂ 照射予定箇所
９０ 照射予定箇所
Ａ 矩形平面領域
Ｘ 板厚方向のビッカース硬さの測定位置
Ｌ１ 鋼板表面と平行方向のビッカース硬さの測定範囲
Ｌ２ Ｌ１中の溶融凝固部の範囲
Ｃ 中心軸
Ｗ 溶融凝固部の円相当直径
Ｗａ 再溶融凝固部の外側の円相当直径
Ｗｂ 再溶融凝固部の径方向の幅
Ｗｃ 鋼板合わせ面と溶融境界の交点から再溶融凝固部までの最短距離

Claims (6)

1. 重ね合わされた複数の鋼板で構成され、光線により形成される点状の接合部を有する重ね接合継手において、
   前記光線により形成される点状の接合部は、前記複数の鋼板の全てに跨る点状の溶融凝固部を有し、
   該溶融凝固部は、再溶融凝固部と、凝固再加熱部とを有し、
   前記再溶融凝固部は、シリンダー状の形状を有し、前記溶融凝固部と鋼板との溶融境界の内側に該溶融境界とは重ならないように位置しており、
   前記凝固再加熱部は、前記再溶融凝固部の周囲に位置し、前記溶融境界を含んでおり、
   更に、前記凝固再加熱部において、前記複数の鋼板の合わせ面と前記溶融境界の交点から合わせ面の延長線上に１００μｍ隔てた点を中心点とし、
   前記中心点から前記溶融凝固部の中心軸へ向かう方向に平行で、前記複数の鋼板の鋼板面に垂直な、前記中心点を中心とした、１００μｍ×１００μｍの矩形平面領域にて、Ｐ濃度を質量％で、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１μｍピッチで測定し、これにより１００点×１００点の測定点それぞれにおける当該Ｐ濃度の測定値を求め、
   前記１００点×１００点の測定点のうち、前記鋼板面に平行な方向に一列に並んだ隣り合う２０点の各前記測定点における前記Ｐ濃度の測定値の部分平均値を、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１点ずつずらしながら算出することを繰り返し、これにより８１個×１００個の部分平均値を求めた場合に、
   前記部分平均値のうち、前記１００点×１００点の測定点それぞれにおける前記Ｐ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える前記部分平均値の個数が０個以上１００個以下であることを特徴とする重ね接合継手。
2. 前記複数の鋼板の板厚方向断面において、前記合わせ面と前記溶融境界の交点から前記再溶融凝固部までの最短距離が０．５〜１.０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の重ね接合継手。
3. 前記複数の鋼板が、表面処理皮膜を有する鋼板を１枚以上含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね接合継手。
4. 複数の鋼板を重ね合わせ、高パワー密度を有する光線を照射して前記複数の鋼板を接合する重ね接合継手の製造方法において、
   重ね合わされた鋼板の一方の外表面の限られた領域内に高パワー密度を有する光線を照射し、前記複数の鋼板の全てに跨って溶融凝固させて点状の溶融凝固部を有する高パワー密度を有する光線による点状の接合部を形成し、
   次いで、該溶融凝固部と鋼板との溶融境界の内側に、該溶融境界とは重ならないようにかつ、重ね合わされた鋼板を貫通しないように、高パワー密度を有する光線を環状に再照射し、該照射部分を再溶融凝固させてシリンダー状の再溶融凝固部を形成するとともに、該再溶融凝固部の周囲を再加熱して前記溶融境界を含む凝固再加熱部を形成し、
   さらに、前記再溶融凝固部を形成する際の接合条件を調整して、
   前記複数の鋼板の重ね合わせ面の前記溶融境界から前記溶融凝固部の中心軸側に１００μｍの点を中心点とし、
   前記中心点から前記中心軸へ向かう方向に平行で、前記複数の鋼板の鋼板面に垂直な、前記中心点を中心とした、１００μｍ×１００μｍの矩形平面領域にて、Ｐ濃度を質量％で、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１μｍピッチで測定し、これにより１００点×１００点の測定点それぞれにおける当該Ｐ濃度の測定値を求め、
   前記１００点×１００点の測定点のうち、前記鋼板面に平行な方向に一列に並んだ隣り合う２０点の各前記測定点における前記Ｐ濃度の測定値の平均値を、当該鋼板面に平行な方向及び当該鋼板面に垂直な方向それぞれに沿って１点ずつずらしながら算出することを繰り返し、これにより８１個×１００個の部分平均値を求めた場合に、
   前記部分平均値のうち、前記１００点×１００点の測定点それぞれにおける前記Ｐ濃度の測定値の全平均値の２倍を超える前記部分平均値の個数が０個以上１００個以下となるようにする
   ことを特徴とする重ね接合継手の製造方法。
5. 前記光線の再照射は、前記複数の鋼板の板厚方向断面において、前記合わせ面と前記溶融境界の交点から前記再溶融凝固部までの最短距離が０．５〜１.０ｍｍとなるように行われることを特徴とする請求項４に記載の重ね接合継手の製造方法。
6. 前記複数の鋼板に、表面処理皮膜を形成した鋼板を１枚以上用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の重ね接合継手の製造方法。

Images