JP7211491B2 - 重ねレーザスポット溶接継手とその製造方法および自動車車体用構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、重ねレーザスポット溶接継手とその製造方法ならびに上記重ねレーザスポット溶接継手を有する自動車車体用構造部材に関するものである。

フランジ部を有する自動車車体の構造部材（強度部材）の溶接には、一般的に抵抗スポット溶接が用いられている。しかし、抵抗スポット溶接は、溶接に時間が掛かる、分流により発熱量が低下するため溶接ピッチを狭くすることができない、さらには、溶接ガンをセットするためにある程度の空間が必要となる等、種々の問題がある。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代えて、重ねレーザスポット溶接を適用することが検討・実用化されている。ここで、上記重ねレーザスポット溶接とは、重ね合わせた複数枚の鋼板の片側表面にレーザビームを照射して鋼板を溶融し、接合する溶接方法のことをいう。

従来、重ねレーザスポット溶接継手は、重ね合わせた複数枚の鋼板の表面にレーザビームを断続的に照射し、レーザビームを照射した部位の鋼板を溶融し、凝固させて直線状または円形状の接合部が連続的に列状に配列した溶接部を形成することで、複数の鋼板を接合していた。しかし、重ねレーザビーム溶接には、接合部が直線状の場合、接合部の溶接終端部側にある最終凝固部に割れが発生し易いという問題がある。また、接合部が円形状場合も、接合部の中央部にある最終凝固部に割れが発生し易いという問題がある。割れが発生すると、接合部の全長に亘って伝播するため、溶接継手部の剪断強度や剥離強度といった静的強度が低下するだけでなく、疲労強度も著しく低下することになる。近年、自動車車体用部材、特に骨格部材となる構造部材（強度部材）では、車体の強度や剛性の向上を図るため、高張力鋼板が多く採用されるようになってきており、接合部に発生した割れによる溶接継手の静的強度や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レーザビーム溶接したときに生じる接合部の溶接終端部の割れを防止する方法が種々検討されている。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。また、特許文献２には、重ね面の端部に斜めからレーザを照射して、溶接割れを防止する技術が開示されている。また、特許文献３および４には、一度溶接した部分やその溶接した部分の周囲を再加熱する、あるいは、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。また、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。さらに、特許文献６には、鋼板成分を適正化し、かつ、溶接ビード幅とビード厚の比を適正化することで溶接割れの発生を防止する技術が開示されている。

特開２００７－２２９７４０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 特開２０１８－００１１９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、重ね溶接の下側の鋼板を突出させているため、突出させる部分が余分となり、部品設計が制約されるという問題がある。また、特許文献２に記載の方法では、斜めからレーザを照射するため、重ね合わせた板に隙間が空いているときに、重ね面に溶融部がうまく形成されずに溶込み不足となり、十分な強度確保が難しいという問題がある。また、特許文献３および４に記載の方法では、一度溶接した部分や溶接した部分の周囲を再加熱したり溶接したりする必要があるため、溶接時間が長くなるという問題がある。また、特許文献５に記載の方法は、溶接部の形状が円形または円形に近い楕円形の限定されるため、十分な溶接強度を確保できないという問題がある。さらに、特許文献６に記載の方法では、溶接終端部に応力が集中し易くなるため、長さが短い直線状の接合部の溶接終端部における割れの発生を防止することができないという問題がある。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザビームを断続的に照射して接合部（溶接スポット）を列状に形成した溶接部を有する重ね溶接継手であって、接合部の最終凝固部に割れの発生がなく、かつ、溶接部の剥離強度にも優れる重ねレーザスポット溶接継手を提供し、その製造方法を提案するとともに、この重ねレーザスポット溶接継手を有する自動車車体用構造部材を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するため、レーザ溶接によって形成される溶接部を構成する個々の接合部（溶接スポット）の形状と大きさに着目して鋭意検討を重ねた。その結果、接合部の最終凝固部の割れを防止するためには、上記接合部を従来の線状や円形状または楕円形状よりも大きな長円形状とし、かつ、上記長円形接合部の各種寸法を適正範囲に制御することが有効であることを見出し、本発明を開発するに至った。

上記知見に基づく本発明は、複数の鋼板を重ねてなる溶接部を有する重ねレーザスポット溶接継手において、上記溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇが、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔの０～１５％の範囲内にあり、上記溶接部が、断続的に配列した長円形接合部からなり、かつ、上記長円形接合部が、下記（１）～（５）；
１．０≦Ｔ≦６．０ ・・・（１）
２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
１．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
ここで、Ｔ：溶接部を構成する鋼板の総板厚（ｍｍ）
Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅（ｍｍ）
Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅（ｍｍ）
ｕ：長円形接合部の最終凝固部の最小厚（ｍｍ）
式のすべてを満たすことを特徴とする重ねレーザスポット溶接継手である。

本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、上記鋼板のうちの少なくとも１つが、Ｃ：０．０７～０．４ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２～３．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．８～５．５ｍａｓｓ％、Ｐ＋Ｓ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０８ｍａｓｓ％以下およびＮ：０．０１０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有することを特徴とする。

また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手における上記鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、以下のＡ群およびＢ群；
・Ａ群；Ｔｉ：０．０００５～０．０１ｍａｓｓ％およびＮｂ：０．００５～０．０５０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
・Ｂ群；Ｃｒ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：０．５０ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。

また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、上記鋼板のうちの少なくとも１つが、引張強さが９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板であることを特徴とする。

また、本発明は、複数の鋼板を上下に重ね合わせ、該重ね合わせた鋼板の片側表面にレーザビームを断続的に照射して、列状に連続して配列した長円形接合部からなる溶接部を形成して重ねレーザスポット溶接継手を製造する方法において、上記溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇを、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔの０～１５％の範囲内とし、上記長円形接合部は、レーザビームを半円と直線を組み合わせた細長い円形を描くようにスピンさせながら長円形の外側から内側に向かって螺旋状に走査するとともに、上記長円形接合部が、下記式（１）～（５）式；
１．０≦Ｔ≦６．０ ・・・（１）
２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
１．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
ここで、Ｔ：溶接部を構成する鋼板の総板厚（ｍｍ）
Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅（ｍｍ）
Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅（ｍｍ）
ｕ：長円形接合部の最終凝固部の最小厚（ｍｍ）
のすべてを満たすよう、レーザ出力、焦点位置、溶接速度、スピン半径および１スピンあたりの移動量およびビーム径のうちの少なくとも１つを制御することを特徴とする重ねレーザスポット溶接継手の製造方法を提案する。

また、本発明は、上記のいずれかに記載の重ねレーザスポット溶接継手を有する自動車車体用構造部材である。

本発明によれば、重ね合わせた複数の鋼板をレーザビーム溶接した重ねレーザスポット溶接継手の溶接部を構成する接合部を従来よりも大きな長円形接合部とすることで、最終凝固部における割れの発生を確実に抑止することができるだけでなく、溶接部の剥離強度に優れる重ねレーザスポット溶接継手を製造することができる。また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、幅広い長軸-短軸比の長円形接合部を形成できるので、部品設計の自由度を高めて、より軽量・高剛性・高強度な部材の開発を可能とする。したがって、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、自動車車体の骨格となる構造部材（強度部材）に好ましく適用することができる。

従来の重ねレーザスポット溶接継手の一例を示す斜視図である。 従来の重ねレーザスポット溶接継手の溶接部を説明する概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 本発明の重ねレーザスポット溶接継手の溶接部を説明する概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ断面図である。 本発明の溶接継手の製造に用いる溶接方法を説明する図である。 本発明の長円形接合部を得るためのレーザビームの走査軌跡の一例を説明する図である。 本発明の重ねレーザスポット溶接継手の溶接位置を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ－Ｃ断面図である。 本発明の実施例に用いた重ねレーザスポット溶接継手を有する剥離試験片を説明する斜視図である。

以下、本発明の重ねレーザスポット溶接継手と、その製造方法、および、その重ねレーザスポット溶接継手を有する自動車車体用構造部材について説明する。
＜重ねレーザスポット溶接継手＞
図１は、従来の重ねレーザスポット溶接継手の一例を示す斜視図である。重ねレーザスポット溶接継手１は、少なくとも２枚の鋼板を重ね合わせたものであり、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状の鋼板２と、平らなパネル状の鋼板３の２枚の鋼板が、フランジ部２ｂと鋼板３とが対向するように重ね合わせられて接合面を形成しており、フランジ部２ｂの上方からフランジ部２ｂの表面にレーザビームを照射し、少なくとも鋼板２を貫通する溶融部（溶融金属部）を形成し、凝固させて接合部（溶接スポット）を形成することで溶接が行われている。なお、上記溶融部の周辺には熱影響部（ＨＡＺ）が存在するが、本発明の接合部は、熱影響部を除いた溶融部のみのことをいう。

上記重ねレーザスポット溶接継手１の溶接部は、レーザビーム源である溶接ヘッドを縦壁部２ａの長さ方向（図１中の矢印方向）に沿って移動しながら、レーザビームをフランジ部２ｂの表面に断続的に照射することで形成される。その結果、鋼板２の接合面上には、図１に示すように、楕円形状の接合部（溶接スポット）が列状に連続的に形成されている。

図２は、図１に示した重ねレーザスポット溶接継手のフランジ部２ｂ上に形成された従来の溶接部を示す概略図であり、（ａ）は、上記溶接部を構成する接合部をフランジ部２ｂの上方から見た平面図、（ｂ）は、上記（ａ）中に示されたＡ－Ａ断面を示す断面図である。

従来のレーザビーム溶接では、細長い楕円形すなわち溶融部の短軸－長軸比が大きい接合部１４を形成すると、最終凝固部となる中心部１４ａから溶接割れ５が発生するため、溶融部の短軸－長軸比を小さくする必要があり、溶接強度の向上が難しいという問題があった。これは、図２の（ｂ）に示したように、従来のレーザビーム溶接では、多量のスパッタが発生するため、最終凝固部となる中心部１４ａが、過度に薄くなるため、溶融部外周部分から外側に向かう引張応力（図２の（ａ）に示した矢印σａ方向の力）が集中して掛かることによる。一方、溶接強度を向上するため、接合部の溶融径を大きくしようとすると、溶落ちが発生するという別の問題が発生する。

なお、上記溶接終端部の割れは、接合部の最終凝固部に表面から裏面まで貫通して発生し、その発生有無は、目視でも確認することができるが、より確実に判定するには、溶接後の接合部の最終凝固部を幅方向に切断し、その切断面を、例えば光学顕微鏡で１０倍程度に拡大して観察して判定するのが好ましい。

そこで、発明者らは、レーザビーム溶接において、接合部の最終凝固部に発生する応力集中を軽減するため、接合部の最終凝固部となる中心部の厚さの低減を防止する方策について検討を重ねた。

その結果、後述するように、レーザビームを半円と直線を組み合わせた細長い円形を描くようスピンさせながら長円形の外側から内側に向かって螺旋状に走査させて、図３（ａ）に示したような、長円形接合部を形成することで、スパッタの発生を抑制することができ、ひいては、図３の（ｂ）に示すように、最終凝固部となる接合部の中心部４ａの最小厚さuを厚くすることができる。したがって、上記長円形接合部を形成することで、接合部の最終凝固部４ａにかかる溶融部外周部分から外側に向かう引張応力（図３（ａ）に示した矢印σｂ）を、従来の溶接方法よりも大幅に軽減することができるので、最終凝固部の割れを防止することが可能となる。ここで、本発明における「長円形」とは、半径の等しい２つの円を共通外接線でつないだ形のことをいう。

上記のような従来よりも大きな長円形接合部を採用することで、接合部の最終凝固部の割れを大幅に低減することができる。しかし、発明者らのさらなる研究によれば、接合部の最終凝固部の割れをより確実に防止し、かつ、溶接部の剥離強度を十分な強度とするためには、上記した長円形接合部を採用することに加えてさらに、上記長円形接合部が、後述する０≦Ｇ／Ｔ≦０．１５を満たすとともに、下記式（１）～（５）式；
１．０≦Ｔ≦６．０ ・・・（１）
２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
１．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
ここで、Ｔ：溶接部を構成する鋼板の総板厚（ｍｍ）
Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅（ｍｍ）
Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅（ｍｍ）
ｕ：長円形接合部の最終凝固部の最小厚（ｍｍ）
のすべてを満たしていることが必要であることがわかった。
以下、具体的に説明する。

０≦Ｇ／Ｔ≦０．１５
本発明の重ねレーザビーム溶接継手は、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔに対する溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇの比（Ｇ／Ｔ）が０～０．１５、すなわち、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔに対する溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇの比率が０～１５％の範囲内にあることが必要である。上記ＧのＴに対する比率が１５％を超えると、溶接終端部のクレータの深さが深くなり、より応力が集中し易くなるからである。好ましくは０～１０％の範囲である。

１．０≦Ｔ≦６．０
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、複数の鋼板の総板厚Ｔが、１．０～６．０ｍｍの範囲であることが必要である。総板厚が１．０ｍｍより薄い場合および６．０ｍｍより厚い場合には、レーザビームを照射した際、溶落ちが発生し易くなり、重ね溶接を行うことが難しくなる。そのため、本発明の溶接継手は、継手を構成する鋼板の総板厚Ｔを１．０～６．０ｍｍの範囲とする。好ましくは２．０～５．０ｍｍの範囲である。

２．０≦Ｄ_１≦８．０
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、溶接部を構成する長円形接合部の短軸幅Ｄ_１が２．０～８．０ｍｍの範囲であることが必要である。Ｄ_１が、８．０ｍｍより大きいと、溶落ちが発生するようになる。好ましくは６．０ｍｍ以下である。一方、Ｄ１は、十分な接合強度を確保する観点から、２．０ｍｍ以上とする。好ましくは４．０ｍｍ以上である。

６．０≦Ｄ_２≦１５．０
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、溶接部を構成する長円形接合部の長軸幅Ｄ_２が６．０～１５．０ｍｍの範囲であることが必要である。上記Ｄ_２が、１５．０ｍｍより大きいと、溶接割れが発生するようになる。好ましくは１３．０ｍｍ以下である。一方、Ｄ_２の下限値は、規定しないが、十分な接合強度を確保する観点から、６．０ｍｍとする。好ましくは８．０ｍｍ以上である。

１．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、溶接部を構成する長円形接合部の短軸幅Ｄ_１に対する長軸幅Ｄ_２の比（Ｄ_２／Ｄ_１）が、１．１～５．０範囲であることが必要である。上記比（Ｄ_２／Ｄ_１）が５．０より大きいと、溶接割れが発生するようになる。好ましくは４．０以下である。一方、比（Ｄ_２／Ｄ_１）が１．１倍より小さい場合も、溶接割れが発生し易くなる。好ましくは１．５以上である。

０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、接合部を構成する鋼板の総板厚Ｔに対する接合部の最終凝固部の中心部４ａに発生する溶融部の最小厚ｕの比（ｕ／Ｔ）が、０．６～１．１の範囲であることが必要である。上記比（ｕ／Ｔ）が、０．６より小さくなると、最終凝固部の中心部４ａにかかる溶融部外周部分から外側に向かう引張応力が大きくなり、割れを防止することができなくなる。好ましくは０．７以上である。一方、比（ｕ／Ｔ）は、スパッタにより最終凝固部となる中心部の溶融部厚さｕは、通常、複数の鋼板の総板厚Ｔより小さくなるため、１．０以下とする。

次に、本発明の重ねレーザスポット溶接継手を構成する鋼板について説明する。
なお、図１～４には、２枚の鋼板を重ねて重ねレーザスポット溶接継手を構成した例について示したが、３枚以上の鋼板を重ね合わせて溶接継手を構成してもよいことは勿論である。

鋼板の板厚
本発明の重ねレーザスポット溶接継手を構成する鋼板の合計厚については前述したが、個々の鋼板の板厚は、自動車車体の外板や構造部材（強度部材）として一般的に用いられている０．５～３．２ｍｍの範囲内のものであればよく、特に制限はない。また、複数の鋼板は、全て同じ板厚であってもよいし、個々に異なる板厚であってもよい。例えば、図１に示した形状の重ねレーザスポット溶接継手１の場合には、上側の鋼板２の板厚ｔ_２を０．６～１．８ｍｍ、下側の鋼板３の板厚ｔ_３を１．０～２．５ｍｍの範囲としてもよいし、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を同じ０．５～３．２ｍｍの板厚としてもよい。

鋼板の成分組成
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手を構成する複数の鋼板の成分組成は、特に制限しないが、少なくとも１つの鋼板は、以下に説明するように、Ｃ：０．０７～０．４ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２～３．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．８～５．５ｍａｓｓ％、Ｐ＋Ｓ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０８ｍａｓｓ％以下およびＮ：０．０１０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するものであることが好ましい。

Ｃ：０．０７～０．４ｍａｓｓ％
Ｃは、鋼の強度向上に有効な元素であり、０．０７ｍａｓｓ％以上含有させることによって、析出強化や変態強化の効果を得ることができる。また、Ｃ含有量を０．４ｍａｓｓ％以下とすることで、粗大な炭化物の析出を招くことなく、所望の強度と加工性を確保することができる。そのため、Ｃ含有量は０．０７～０．４ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは０．１５～０．３ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｓｉ：０．２～３．５ｍａｓｓ％
Ｓｉは、固溶強化能に優れる元素であり、０．２ｍａｓｓ％以上含有させることで鋼の強度を高めることができる。また、Ｓｉ含有量を３．５ｍａｓｓ％以下とすることで、溶接熱影響部の過度の硬化を抑制し、溶接熱影響部の靱性および耐低温割れ性の劣化を防止することができる。そのため、Ｓｉ含有量は０．２～３．５ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、１．０～２．５ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｍｎ：１．８～５．５ｍａｓｓ％
Ｍｎは、焼入性を向上し、粗大な炭化物の析出を抑止するのに有効な元素であり、１．８ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。また、Ｍｎ含有量を５．５ｍａｓｓ％以下とすることで、粒界脆化感受性の上昇を抑制し、靱性および耐低温割れ性の劣化を防止することができる。そのため、Ｍｎ含有量は１．８～５．５ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、２．０～３．５ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｐ＋Ｓ：０．０３ｍａｓｓ％以下
ＰおよびＳは、鋼の延性や靭性に悪影響を及ぼす有害元素であり、ＰとＳの合計含有量を０．０３ｍａｓｓ％以下とすることで、延性や靱性の低下を防止し、所望の強度と加工性を確保することができる。そのため、ＰとＳの含有量は、合計で０．０３ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．０２ｍａｓｓ％以下である。

Ａｌ：０．０８ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、製鋼の段階で脱酸剤として添加される元素であり、０．０１ｍａｓｓ％以上添加されるのが一般的である。しかし、Ａｌ含有量が０．０８ｍａｓｓ％を超えると、アルミナなどの介在物が増大し、耐疲労特性への悪影響が顕在化するようになる。したがって、Ａｌ含有量は０．０８ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０２～０．０７ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｎ：０．０１０ｍａｓｓ％以下
Ｎは、鋼の耐時効性を大きく劣化させる元素であり、極力低減するのが好ましい。特に、Ｎが０．０１０ｍａｓｓ％を超えると、耐時効性の劣化が顕著となるため、Ｎ含有量は０．０１０ｍａｓｓ％以下とする。なお、Ｎの下限は特に限定しないが、製造コストの上昇を防止する観点から、０．００１ｍａｓｓ％程度とするのが好ましい。

また、本発明の溶接継手を構成する少なくとも１つの鋼板は、上記した成分組成に加えてさらに、鋼板強度や溶接部の剥離強度をより向上させることを目的として、以下のＡ群およびＢ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することが好ましい。

Ａ群；Ｔｉ：０．０００５～０．０１ｍａｓｓ％およびＮｂ：０．００５～０．０５０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
ＴｉおよびＮｂはいずれも、炭化物や窒化物を形成して析出し、鋼板製造時の焼鈍中におけるオーステナイトの粗大化を抑制する効果がある。上記効果を得るためには、ＴｉおよびＮｂのうちから選ばれる１種または２種を、Ｔｉは０．０００５ｍａｓｓ％以上、Ｎｂは０．００５ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。しかし、ＴｉおよびＮｂを過剰に含有させても、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけである。また、再結晶温度を上昇させるので、鋼板製造時の焼鈍後の金属組織が不均一となり、伸びフランジ性が損なわれる虞がある。さらに、炭化物または窒化物の析出量が増大して降伏比が上昇し、形状凍結性が劣化する虞もある。よって、Ｔｉおよび／またはＮｂを含有させる場合には、Ｔｉは０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｎｂは０．０５０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。より好ましい含有量は、Ｔｉ：０．０００６～０．００８０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．０１０～０．０４０ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｂ群；Ｃｒ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：０．５０ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる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のに有効な元素であり、上記効果を得るためには、Ｃｒ：０．０１ｍａｓｓ％以上、Ｍｏ：０．００４ｍａｓｓ％以上およびＢ：０．０００１ｍａｓｓ％以上のうちの１種以上を含有させることが好ましい。しかし、これらの元素を過剰に含有させても、上記効果は飽和し、原料コストの上昇を招くだけである。よって、Ｃｒ，ＭｏおよびＢを含有させる場合には、Ｃｒ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：０．５０ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．１０ｍａｓｓ％以下として添加するのが好ましい。より好ましくは、Ｃｒ：０．０２～０．５０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１０～０．１０ｍａｓｓ％、Ｂ：０．００１～０．０３ｍａｓｓ％の範囲である。

本発明の溶接継手を構成する少なくとも１つの鋼板は、上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。

鋼板の引張強さ
また、本発明の重ねレーザスポット溶接継手を構成する複数の鋼板のうち、少なくとも１つの鋼板は、引張強さＴＳが９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板とすることが好ましい。少なくとも１つの鋼板が上記した高張力鋼板であれば、重ねレーザスポット溶接継手は、高い接合強度を得ることができるとともに、従来の楕円形接合部では溶接欠陥が発生する場合でも、本発明の長円形接合部であれば、最終凝固部への応力集中が小さいので、溶接割れの発生を防止することができる。したがって、例えば、複数の鋼板のうち少なくとも１つの鋼板を、上記した成分組成を有し、かつ、引張強さＴＳが９８０ＭＰａ以上とするのが好ましい。なお、本発明の重ねレーザビーム溶接継手を構成する複数の鋼板は、同一の成分、同一の強度の鋼板であってもよいし、異なる成分、異なる強度の鋼板であってもよい。

＜重ねレーザスポット溶接継手の製造方法＞
次に、本発明の重ねレーザスポット溶接継手の製造方法について図４～６を用いて説明する。
本発明の重ねレーザスポット溶接継手の製造方法は、複数の鋼板を上下に重ね合わせ、その重ね合わせた複数の鋼板のうち、最も上側の鋼板表面にレーザビームを断続的に照射して接合部４を順次形成することにより溶接部を形成して溶接継手を製造する。図４に示した例では、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、最上層の鋼板２の表面に、レーザビーム６を断続的に照射し、鋼板２と３の接合部４を列状かつ連続的に形成することで重ねレーザビーム溶接を行っている。

上述したように、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。片側溶接を採用することで、溶接に要する作業スペースを小さくすることができる。
なお、片側溶接においては、溶接時の溶落ちを防止する観点からは、重ね合わせた複数の鋼板のうち、板厚が大きい方の鋼板側からレーザビームを照射するのが好ましい。一方、未貫通による未接合を防止する観点からは、板厚が薄い方からレーザビームを照射するのが好ましい。なお、鋼板の板厚が同一の場合には、いずれの鋼板側からレーザビームを照射してもよい。

ここで、本発明において重要なことは、本発明の重ねレーザビーム溶接継手は、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔに対する溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇの比（Ｇ／Ｔ）が０～０．１５、すなわち、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔに対する溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇの比率が０～１５％の範囲内に設定するということである。上記ＧのＴに対する比率が１５％を超えると、溶接終端部のクレータの深さが深くなり、より応力が集中し易くなるからである。好ましくは０～１０％の範囲である。

さらに、本発明において最も重要なことは、図５（ａ）に示したように、レーザビーム６を半円および直線を組み合わせた細長い円形を描くようにスピンさせながら長円形の外側から内側に向かって螺旋状に走査させることで、通常よりも大きな長円形の接合部を形成することである。上記のように、レーザビームをスピンさせながら溶接することで、スパッタの発生を抑制することができるので、図３（ｂ）に示したように、接合部の最終凝固部となる中心部４ａの厚さｕを大きくすることができ、同部に掛かる過大な応力集中を防ぐことができるため、割れ発生を防止することができる。

ここで、上記長円形接合部の大きさは、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザビームをスピンさせるときのスピン半径ｒ、スピン１回転あたり進む距離である進展量ｃ、および、レーザビームが描く長円形の直線部の長さＬと円弧部の半径Ｒを調整することにより変化させることができる。なお、上記したスピン半径ｒ、進展量ｃ、長円形の直線部の長さＬおよび円弧部の半径Ｒは、前述した長円形接合部の短軸幅Ｄ_１、長軸幅Ｄ_２および最終凝固部の最小厚ｕが、下記（２）～（５）式；
２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
１．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
を満たすようを調整することが必要である。

ここで、本発明が上記レーザビーム溶接に用いるレーザビームの種類としては、例えば、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、上記（２）～（５）式を満たすためには、上記レーザビームの照射は、出力：１．０～６．０ｋＷ、焦点位置：レーザビームを照射する鋼板表面から－５ｍｍ～鋼板表面＋５ｍｍ、ビーム径：０．２～０．６ｍｍおよびレーザビームの走査速度：５．０～１０．０ｍ／ｍｉｎの範囲で行うことが好ましい。より好ましくは、レーザ出力：３．０～５．０ｋＷ、焦点位置：レーザビームを照射する鋼板表面～鋼板表面＋５ｍｍ、ビーム径：０．３～０．５ｍｍおよびレーザビームの走査速度：６．０～９．０ｍ／ｍｉｎの範囲である。

なお、上記説明では、本発明の溶接部を構成する接合部の形状が長円形の場合について説明してきたが、上述した（２）～（５）式を満たす限り、楕円形であってもよい。

＜自動車車体用構造部材＞
次に、本発明の自動車車体用構造部材について説明する。
本発明の重ねレーザスポット溶接継手を好ましく用いることができる例として、自動車車体の骨格部分となる構造部材（強度部材）がある。前述した図１に示した部材は、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とから構成され、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た鋼板３とが、上記したレーザビーム溶接によって形成された列状に連続した長円形接合部４からなる溶接部により接合されて、閉断面を構成している。このような形状を有する部材を自動車車体の強度部材に適用するためには、衝突安全性を確保する観点から、溶接部の強度に優れていることが重要であるが、本発明の重ねレーザスポット溶接継手は、接合部の最終凝固部に割れがなく、かつ、十分な剥離強度を有するので、例えば、自動車車体のセンターピラーやルーフレールなどの構造部材に好適に用いることができる。

ここで、本発明の重ねレーザビーム溶接継手を適用して自動車車体用の構造部材等を製造する際、溶接部を形成する好適位置について、図６のように、フランジ部２ｂ、３ｂを有するＬ字型断面を有する２つの鋼板２，３を、フランジ部が対向するように重ね合わせて、片側からレーザビーム溶接を行う場合を例にとって説明する。図６の（ａ）は、重ね合わせたフランジ部を上から見たときの平面図であり、上記フランジ部には、列状に連続した長円形接合部からなる溶接部が形成されていることを示したものであり、図６の（ｂ）は、上記（ａ）に示されたＣ－Ｃ断面の断面図である。

図６において、溶接部を形成する好適位置は、鋼板２および３の板厚の中心線を基点（０点）とし、そこからフランジ部に形成された長円形接合部の幅中央部までの距離を溶接位置Ｘと定義したとき、上記溶接位置Ｘは、下記（５）式；
５ｔ≦Ｘ≦８ｔ ・・（５）
ここで、ｔ：溶接部を構成する鋼板の中で最も厚い鋼板の板厚（ｍｍ）
を満たすことが好ましい。例えば、最も厚い鋼板の板厚ｔが２ｍｍであった場合、溶接位置Ｘは１０～１６ｍｍの範囲とするのが好ましいことになる。

上記溶接位置Ｘが、５ｔよりも小さいと、剥離試験の際に、溶接金属部より破断し易くなり、剥離強度が低下することがある。一方、溶接位置Ｘが８ｔよりも大きいと、剥離試験で第１接合部４や後続接合部５にかかるモーメントが大きくなり過ぎ、やはり剥離強度が低下するからである。より好ましいＸの範囲は６ｔ≦Ｘ≦７ｔの範囲である。上記の位置に溶接部を形成することで、鋼板の合計板厚が２～５ｍｍの２枚重ねの溶接接合部の剥離強度を１２．０ｋＮ以上とすることができる。

なお、上記溶接位置Ｘに関する（５）式は、上記した図６に示したように、２枚のＬ字型断面を有する鋼板を重ね合わせたＴ字型の重ねレーザビーム溶接継手に限定されるものではなく、例えば、図１に示したような断面形状が略ハット型のフレーム部品（鋼板２）とパネル部品（鋼板３）とをレーザビーム溶接した重ねレーザスポット溶接継手にも適用することができ、この場合の溶接位置Ｘの基点（０点）は、断面形状が略ハット型のフレーム部品の縦壁部２ａの板厚中心とすればよい。

表１に示したＡ～Ｊの成分組成を有し、板厚が１．２ｍｍ、１．６ｍｍおよび２．０ｍｍのいずれかであり、引張強さＴＳが５９０～１１８０ＭＰａ級の高張力鋼板から、幅：１００ｍｍ、長さ：１５０ｍｍの試料を採取し、これを長辺が１２０ｍｍ、短辺が３０ｍｍのＬ字状に曲げ加工し、Ｌ字状鋼板とした。ここで、上記Ｌ字状鋼板の長辺は、図１（図４）の縦壁２ａに、短辺は、図１（図６）のフランジ部２ｂに相当する。次いで、図７に示したように、上記２枚のＬ字状鋼板７の短辺を対向するように重ね合わせた後、その重ね合わせた部分に大気中でレーザビームを照射して断続的に配列した長円形接合部を形成し、Ｔ字型の剥離試験片８を作製した。

なお、上記重ねレーザビーム溶接を行うに際しては、レーザビームには、焦点位置のビーム径が０．４ｍｍφのファイバーレーザを用い、焦点位置は重ね合わせた鋼板の上側表面（図７に示す上側の鋼板７の表面）と設定した上で、表２に示したように、２枚の鋼板間の間隙Ｇ、照射するレーザビームの出力Ｐ、走査速度ｖ、レーザビームがスピンするときの半径ｒ、１スピンあたりの進展量ｃ、および、レーザビームが描く長円形の直線部の長さＬと円弧部の半径Ｒを種々に変えて、長円形接合部の短軸幅Ｄ_１、長軸幅Ｄ_２および最終凝固部の最小厚ｕを表２に示したように種々に変化させた。この際、溶接部を形成する溶接位置Ｘは、最も厚い板厚ｔの６．５倍（一定）に設定した。

斯くして得たＴ字型の剥離試験片について、溶接部、特に接合部との最終凝固部における割れの発生有無と、溶落ちの有無を、目視および浸透探傷試験で判定した。
次いで、上記Ｔ字型の剥離試験片について、２枚のＬ字型鋼板の長辺の長さ方向を引張方向する引張試験を、速度１０ｍｍ／ｍｉｎで行い、剥離強度（最大荷重）を測定した。なお、本実施例では、剥離強度が１２．０ｋＮ以上の場合を「合格」と判定した。

上記溶接割れ有無の判定結果および剥離強度の測定結果を表２に併記した。
この結果から、本発明に適合する条件で重ねレーザビーム溶接した試験片（Ｎｏ．１，９，１７，２５，３３，４１，４９，５７，６５および７３）は、いずれも接合部の最終凝固部に割れの発生がなく、溶落ちもなく、剥離強度も１２．０ｋＮ以上であった。
これに対して、Ｎｏ．２，１０，１８，２６，３４，４２，５０，５８，６６および７４の試験片は、いずれも最終凝固部の最小厚ｕが合計板厚Ｔの６０％より小さかったため、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生し、剥離強度も１２．０ｋＮ未満であった。
また、Ｎｏ．３，１１，１９，２７，３５，４３，５１，５９，６７および７５の試験片は、いずれも溶接部の間隙Ｇが、鋼板の合計厚Ｔの１５％より大きかったため、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生し、剥離強度も１２．０ｋＮ未満であった。
また、Ｎｏ．４，１２，２０，２８，３６，４４，５２，６０，６８および７６の試験片は、いずれも接合部の短軸幅Ｄ_１が２ｍｍより小さかったため、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生し、剥離強度も１２．０ｋＮ未満であった。
また、Ｎｏ．５，１３，２１，２９，３７，４５，５３，６１，６９および７７の試験片は、いずれも接合部の短軸幅Ｄ_１が８ｍｍより大きかったため、接合部の最終凝固部に割れはなかったが、溶落ちが発生した。
また、Ｎｏ．６，１４，２２，３０，３８，４６，５４，６２，７０および７８の試験片は、いずれも接合部の短軸幅Ｄ_２が１５ｍｍより大きかったため、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生した。
また、Ｎｏ．７，１５，２３，３１，３９，４７，５５，６３，７１および７９の試験片は、いずれも接合部の短軸幅Ｄ_１に対する長軸幅Ｄ_２の比（Ｄ_２／Ｄ_１）が５．０より大きかったため、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生した。
また、Ｎｏ．８，１６，２４，３２，４０，４８，５６，６４，７２および８０の試験片は、いずれも接合部の短軸幅Ｄ_１に対する長軸幅Ｄ_２の比（Ｄ_２／Ｄ_１）が１．１より小さかったため、やはり、溶落ちはなかったが、接合部の最終凝固部に割れが発生した。
また、Ｎｏ．８１および８２は、強度レベルが異なる２枚の鋼板を、本発明に適合する条件で重ねレーザビーム溶接した試験片についての試験結果を示した結果であり、５９０ＭＰａ級と９８０ＭＰａ級との組み合わせでも、鋼の成分組成が本発明の好適範囲内であるＮｏ．８１は、溶接割れもなく、優れた剥離強度が得られるが、鋼の成分組成が本発明の好適範囲外であるＮｏ．８２は、溶接割れが発生し、剥離強度も１２．０ｋＮ未満であった。
上記したように、本発明に従い重ねレーザビーム溶接を行った本発明例では、いずれも本発明が目的とする特性を有する良好な重ねレーザビーム溶接継手が得られているのに対し、本発明の条件を外れる比較例では、良好な重ねレーザビーム溶接継手を得ることができなかった。

本発明の技術は、高速かつ低歪な溶接が可能であるため、フランジ部を有した自動車用構造部材に好ましく適用することができる。

１：重ねレーザスポット溶接継手
２、３：鋼板
２ａ：鋼板２の縦壁部
２ｂ：鋼板２のフランジ部
４、１４：接合部（溶接スポット）
４ａ、１４ａ：接合部の最終凝固部（中心部）
５：接合部の最終凝固部の割れ
６：レーザビーム
７：Ｌ字鋼板
７ａ：Ｌ字鋼板長辺
７ｂ：Ｌ字鋼板の幅
８：剥離試験片
Ｓ：接合部を形成するときのレーザビームの照射開始部
Ｅ：接合部を形成するときのレーザビームの照射終了部
σａ、σｂ：接合部の最終凝固部に掛かる応力
Ｔ：接合部を構成する鋼板の合計厚
ｕ：接合部の最終凝固部の最小厚
Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅
Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅
Ｇ：接合部を構成する鋼板間の合計間隙
Ｘ：溶接位置
０：溶接位置の基点

Claims (6)

1. 複数の鋼板を重ねてなる溶接部を有する重ねレーザスポット溶接継手において、
   上記溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇが、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔの０～１５％の範囲内にあり、
   上記溶接部が、断続的に配列した長円形接合部からなり、かつ、
   上記長円形接合部が、下記（１）～（５）式のすべてを満たすことを特徴とする重ねレーザスポット溶接継手。
   記
   １．０≦Ｔ≦６．０ ・・・（１）
   ２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
   ６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
   ２．２≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
   ０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
   ここで、Ｔ：溶接部を構成する鋼板の総板厚（ｍｍ）
   Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅（ｍｍ）
   Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅（ｍｍ）
   ｕ：長円形接合部の最終凝固部の最小厚（ｍｍ）
2. 上記鋼板のうちの少なくとも１つが、Ｃ：０．０７～０．４ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２～３．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．８～５．５ｍａｓｓ％、Ｐ＋Ｓ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０８ｍａｓｓ％以下およびＮ：０．０１０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザスポット溶接継手。
3. 上記鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、以下のＡ群およびＢ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする請求項２に記載の重ねレーザスポット溶接継手。
   記
   ・Ａ群；Ｔｉ：０．０００５～０．０１ｍａｓｓ％およびＮｂ：０．００５～０．０５０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
   ・Ｂ群；Ｃｒ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：０．５０ｍａｓｓ％以下およびＢ：０．１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上
4. 上記鋼板のうちの少なくとも１つが、引張強さが９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の重ねレーザスポット溶接継手。
5. 複数の鋼板を上下に重ね合わせ、該重ね合わせた鋼板の片側表面にレーザビームを断続的に照射して、列状に連続して配列した長円形接合部からなる溶接部を形成して重ねレーザスポット溶接継手を製造する方法において、
   上記溶接部を構成する鋼板間の合計間隙Ｇを、溶接部を構成する鋼板の合計厚Ｔの０～１５％の範囲内とし、
   上記長円形接合部は、レーザビームを半円と直線を組み合わせた細長い円形を描くようにスピンさせながら長円形の外側から内側に向かって螺旋状に走査するとともに、
   上記長円形接合部が、下記式（１）～（５）式のすべてを満たすよう、レーザ出力、焦点位置、溶接速度、スピン半径および１スピンあたりの移動量およびビーム径のうちの少なくとも１つを制御することを特徴とする重ねレーザスポット溶接継手の製造方法。
   記
   １．０≦Ｔ≦６．０ ・・・（１）
   ２．０≦Ｄ_１≦８．０ ・・・（２）
   ６．０≦Ｄ_２≦１５．０ ・・・（３）
   １．１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦５．０ ・・・（４）
   ０．６≦ｕ／Ｔ≦１．０ ・・・（５）
   ここで、Ｔ：溶接部を構成する鋼板の総板厚（ｍｍ）
   Ｄ_１：長円形接合部の短軸幅（ｍｍ）
   Ｄ_２：長円形接合部の長軸幅（ｍｍ）
   ｕ：長円形接合部の最終凝固部の最小厚（ｍｍ）
6. 請求項１～４のいずれか１項に記載の重ねレーザスポット溶接継手を有する自動車車体用構造部材。
   

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