JPWO2015119159A1 - 重ね溶接方法、重ね継手、重ね継手の製造方法、および自動車用部品 - Google Patents

重ね溶接方法、重ね継手、重ね継手の製造方法、および自動車用部品 Download PDF

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Abstract

本発明は、高強度鋼板を含む複数の鋼板を重ね合わせるために、抵抗スポット溶接の代替となる略円状のレーザ重ね溶接におけるＨＡＺ軟化部に起因する亀裂による破壊を抑制することを課題とする。その課題を解決するため、複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部（１）を形成する重ね溶接方法であって、前記略円状のレーザ溶接部（１）の外縁を通り直線状にレーザを照射して鋼板に焼入れ部（８）を形成することにより、ＨＡＺ軟化部に起因する亀裂発生を抑制した重ね溶接方法を見出した。

Description

本発明は、複数鋼板の重ね溶接方法、その重ね溶接方法により形成される重ね継手とその製造方法、およびその重ね溶接継手を有する自動車用部品に関する。
これまで、複数の鋼板部材を用いて構成される構造物では、機能や使用環境に応じた鋼板部材を重ね合せるために抵抗スポット溶接を行っている。ナゲットを有するスポット溶接部を形成することにより、複数の鋼板部材の重ね溶接部材を構成することが広く行われてきた。例えば、モノコック構造を有する自動車車体では、衝突安全性および燃費を向上するために、高強度鋼板と鋼板を重ね合せ、フランジ（重ね合せ部）を抵抗スポット溶接することが一般的に行われてきた。
近年、自動車車体の組み立てでは、従来から用いられてきた抵抗スポット溶接に替えて、リモートレーザ溶接が用いられるようになってきた。リモートレーザ溶接は、ガルバノミラーを駆動し所定の立体的エリア内を自由に溶接可能である。リモートレーザ溶接では、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溶接打点の間を高速で移動できるため、溶接のタクトタイムの大幅な短縮が可能になる。また、リモートレーザ溶接では、抵抗スポット溶接のように既存の溶接部への溶接電流の分流が発生しないため、溶接部の間のピッチを短くすることができ、多点溶接により車体剛性も向上する。
リモートレーザ溶接は、抵抗スポット溶接の代わりとして用いられるため、通常は略円状のレーザ溶接部、すなわち円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状さらには多重円環状などの溶接形状が用いられる。
一方、自動車車体の構成材料として、近年、高強度鋼板の適用が進み、引張強度が１５００ＭＰａなどの１１８０ＭＰａ以上級の高強度鋼板の冷間プレス品や熱間プレス品（ホットスタンプ品）も用いられるようになってきた。このため、今後は、１１８０ＭＰａ以上級の高強度鋼板へのリモートレーザ溶接の適用が求められている。
しかし、このような高強度鋼板は焼入れされたマルテンサイト主体の金属組織を有するため、レーザ溶接部の周囲は焼き戻しされ、焼戻しマルテンサイトが生じ、硬さが低下する。例えば、１５００ＭＰａ級高強度鋼板の場合、母材の硬さはＨｖ４６０程度であるが、レーザ溶接部の周囲の熱影響部（ｈｅａｔ−ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ、以下「ＨＡＺ」という）の硬さは局所的にＨｖ３００程度まで低下し、当該部分は軟化する。この局所的に軟化した部分をＨＡＺ軟化部という。
このようなＨＡＺ軟化部は、車両の衝突時に、車体を構成する鋼板の破断の起点になることがある。例えば、フランジに１５００ＭＰａ級の鋼板を補強材としてレーザ溶接したセンターピラーの場合、側面衝突試験において、フランジのＨＡＺ軟化部から亀裂が入り、センターピラーが破断することがある。
このようなレーザ溶接によるＨＡＺ軟化部を起点とした破断現象は、引張強度が１１８０ＭＰａを越える高強度鋼板で顕著に発生する。特に、水冷機能を有する連続焼鈍設備で焼入れ組織を形成した引張強さ１１８０ＭＰａ以上の高強度鋼板や、ホットスタンプ（熱間プレス）で成形した高強度鋼板のレーザ溶接部において顕著である。リモートレーザ溶接は、溶接部の間のピッチを短くできるためにフランジに多数の溶接部を形成できる。しかし、多数のレーザ溶接部を形成することによりＨＡＺ軟化部も多数形成されるため、破断リスクが高まる。
高強度鋼板に形成されたＨＡＺ軟化部に起因する破断の対策は、これまで報告されていない。しかし、類似した現象は抵抗スポット溶接の場合にも発生することが報告されている。
非特許文献１には、ホットスタンプにより形成したＡピラーにおける衝突による破断の危険がある部分を、ホットスタンプ時に行う熱処理によって母材の強度を低下させることによって、抵抗スポット溶接によるＨＡＺ軟化を抑制することが開示されている。これにより、ＨＡＺ軟化部を起点とする構造部材の破断を防止することができる。
非特許文献２には、ホットスタンプにより形成したＢピラーのフランジ部を高周波加熱による焼戻しによって母材の強度を低下させ、抵抗スポット溶接を行なってもＨＡＺ軟化が生じず、ＨＡＺ軟化部を起点とする構造部材の破断を防止する方法が開示されている。
また、類似の技術としては、例えば、特許文献１には、高強度鋼板を溶接して自動車用構造部材を形成する場合に、レーザ溶接とスポット溶接を併用することにより、溶接部の応力を緩和するとともに遅れ破壊を抑制する技術が開示されている。特許文献２には、溶接部の接合を向上する技術として、スポット溶接部に沿って金属材にレーザ溶接による連続溶接部を形成する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、溶接部の接合力を向上する技術として、スポット溶接部またはスポット溶接部の周囲にレーザ溶接する技術が開示されている。
特開２００８−１７８９０５号公報 特開２００９−２４１１１６号公報 特開２０１０−２６４５０３号公報
Tailored Properties for Press-hardened body parts Dr.Camilla Wastlund, Automotive Circle International, Insight edition 2011 Ultra-high strength steels in car body lightweight design-current challenges and future potential Tempering of hot-formed steel using induction heating, Olof Hedegard, Martin Aslund, Diploma work No.54/2011 Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden (URL: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/144308.pdf))
非特許文献１により開示されるように、Ａピラーの部位ごとに強度を調整する方法では、Ａピラーの比較的広い範囲に低強度部が不可避的に形成されることになる。このため、高強度が得られるというホットスタンプの効果を充分に享受することができず、軽量化の効果も限定的なものとなる。加えて、この方法では、焼入れ領域と未焼き入れ領域の間の遷移領域が広く、強度特性が不均一になり、Ａピラーの衝突性能にばらつきを生じる可能性がある。
非特許文献２に開示されるように、ホットスタンプ後に高周波加熱により焼き戻す方法は、高周波加熱により発生する熱ひずみによりＢピラーが変形して寸法精度が低下する可能性がある。Ｂピラーに限らず、Ａピラー、ルーフレールといったドアー開口部周りに配置される構造部材は、例えばドアーパネルとの隙間がドアーパネル全周にわたって均一となるように寸法精度を確保する必要がある。ドアー開口部周りに配置される構造部材の寸法精度が低下すると、車両の外観品質を確保できなくなる。このため、非特許文献２に開示された技術をドアー開口部周りの構造部材に適用することは困難である。
なお、Ｂピラー等の構造部材を、衝突時に、スポット溶接部のＨＡＺ軟化部が破断ひずみに達しないように設計することも考えられる。しかし、このような設計を行うことは、構造部材を構成する鋼板の板厚の増加や補強材の追加につながり自動車車体のコストや重量が増加するために好ましくない。
特許文献１に開示された技術は、鋼板を重ね合わせるための連続レーザ溶接直後に発生する水素脆化による遅れ破壊を抑制する技術である。水素脆化は、溶接に伴う残留応力や歪が、レーザ溶接の始終端部に集中し、そこに鋼中の溶存水素が集中することにより引き起こされる。そこで、鋼板の変形を防止し、残留応力や歪を緩和するため、レーザ溶接施工の予定位置に、溶接などによる仮付けを行い鋼板の変形を抑制することを提案している。すなわち、この技術は、連続レーザ溶接で生じる鋼板の変形を抑え水素脆化による遅れ破壊の対策に関するものであって、抵抗スポット溶接の代替となり鋼板を重ねるための略円状のレーザ溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部に起因する破断の対策に関するものではない。
特許文献２により開示された技術も、連続レーザ溶接を行うに先立って抵抗スポット溶接を行うことにより、重ね合せ部分の固定手段として機能させるものである。すなわち、この技術も、連続レーザ溶接で生じる鋼板の変形を抑える技術であって抵抗スポット溶接の代替となり鋼板を重ねるための略円状のレーザ溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部に起因する破断の対策に関するものではない。
特許文献３により開示された技術は、スポット溶接工程とレーザ溶接工程を順次行って、２以上の鋼板のうち、表面側鋼板に隣接する高板厚鋼板と表面側鋼板との間にスポット溶接部が形成されない場合でも、レーザ溶接によって表面側鋼板と高板厚鋼板とを溶接して確実に重ね溶接するものである。すなわち、この技術も、抵抗スポット溶接の代替となり鋼板を重ねるための略円状のレーザ溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部に起因する破断の対策に関するものではない。
以上のように、高強度鋼板（特に、１１８０ＭＰａ以上級の鋼板）を含む鋼板を重ね合わせるための接合として、抵抗スポット溶接の代替となるレーザ溶接の適用が求められている中、ＨＡＺ軟化部に起因する破断に対する有効な対策はない。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高強度鋼板を含む複数の鋼板を重ね合わせるためにレーザ溶接した場合でも、ＨＡＺ軟化部に起因する亀裂による破壊を抑制することを課題とする。特に、自動車のピラー等の耐衝突構造部材へ適用する際に低歪で破壊することを抑制する有効な解決策を得ることが喫緊の課題である。
以下、本明細書において、鋼板を重ね合わせるためのレーザ溶接を「レーザ重ね溶接」と呼び、その溶接部分を「レーザ重ね溶接部」と呼ぶ。また、本明細書においては、特に断りのない限り１１８０ＭＰａ以上級の鋼板を「高強度鋼板」と呼ぶ。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、略円状のレーザ重ね溶接部を横切ってＨＡＺの最軟化部の外方までレーザビームを照射して再焼入れ部を形成することにより、ＨＡＺ軟化部での歪みの集中を抑制し、ＨＡＺ軟化部での破断を抑制できることを見出した。本発明者らは、さらに詳細に検討し、以下の知見を得た。
（ａ）レーザ重ね溶接により生じたＨＡＺ軟化部を、レーザ照射により再加熱して焼入れることにより、一旦軟化した部分の硬度を高め、軟化部が解消され、これによりＨＡＺ軟化部を起点とする破壊は抑制できることを見出した。
これはレーザ照射による再加熱により、ＨＡＺ軟化部を焼入れすれば足りることも見出した。つまり、レーザ照射により一旦溶融凝固させてもよいが、必ずしも溶融凝固させる必要はない。本明細書において、レーザ照射により焼入れすることを「レーザ焼入れ」、また焼入れした部分を「レーザ焼入れ部」と呼ぶ。
（ｂ）再加熱による焼入れは、主応力方向に対し、概ね直線状に形成すればよいことを見出した。
本明細書において、最大応力方向を主応力方向と呼び、この時かかる応力を主応力と呼ぶ。通常、高強度鋼板を補強材とする耐衝撃部材は、衝撃応力のかかる方向がだいたい決まっている。自動車のピラー等の部材ではフランジの長手方向が主応力方向になる。したがって、この方向に対し亀裂の発生を抑制する対策を行なえばよい。
（ｃ）レーザ焼入れ部の周辺にも軟化部が形成され、その末端部分（終端部分）が新たな亀裂の起点となるが、その末端部分の曲率が、レーザ重ね溶接部のＨＡＺ軟化部分に比べて小さいため、亀裂の発生は著しくに抑制されることを見出した。
すなわち、主応力方向に直線状にレーザ照射するため、亀裂の起点になる部分はレーザ焼入れ部の末端に形成される軟化部になる。発明者らは実験により、レーザ焼入れ部の１ｍｍ程度外側に軟化部が形成されることを確認した。つまり、末端部の軟化部の曲率径は、レーザ照射幅に依存する。略円形状のレーザ重ね溶接部の円相当径（曲率径）に比べ、レーザ焼入れ部の末端部の曲率径（レーザ照射幅）は小さい。一定の中心角で見たときの弧の長さは曲率径に比例する。したがって、レーザ重ね溶接のＨＡＺ軟化部の硬度回復した部分の中心角と同じ中心角にした時のレーザ焼入れ部の末端部の弧の長さは、ＨＡＺ軟化部の硬度回復した部分の長さに比べて著しく短くなる。そのため、主応力方向に直線状にレーザ焼入れすることにより、亀裂の発生を大きく抑制することができる。
通常、略円形状で行うレーザ重ね溶接部の直径は２〜１５ｍｍ程度である。一方、再加熱でのレーザ照射幅（レーザビーム径と同じ。）は０．１５〜０．９ｍｍ程度である。
したがって、再加熱時のレーザ照射幅が、レーザ重ね溶接の直径（焼入れ部が通る部分の曲率径）より小さければ、亀裂抑制効果を得ることができる。特に、レーザ照射幅が、レーザ重ね溶接部の直径（曲率径）の５０％以下であれば、軟化部起因の亀裂発生を顕著に抑制できる。さらに好ましくは４０％以下にするとよく、より好ましくは３０％以下であるとよい。
一方、レーザ照射幅を狭めすぎると、ＨＡＺ軟化部の亀裂発生の抑制効果が低下する。このため、レーザ照射幅は、レーザ重ね溶接の直径（焼入れ部が通る部分の曲率径）の１0％以上あればよい。より好ましくは２０％以上であればよい。
（ｄ）レーザ重ね溶接の最軟化部は溶融部から１〜２ｍｍ程度外側に形成される。このため、レーザ焼入れ部の長さはレーザ重ね溶接部の外縁から３ｍｍ以上にする必要がある。望ましくはレーザ焼入れ部の長さはレーザ重ね溶接部の外縁から５ｍｍ以上、できれば６ｍｍ以上にするとよい。
（ｅ）レーザ照射による再加熱温度（焼入れ温度）は、鋼板のＡ３点以上であればよい。レーザ照射で加熱した場合、照射を止めれば急速に冷却されるため、一旦Ａ３点以上の温度になれば焼入れされるからである。また、一旦溶融させても問題はない。一旦溶融すると組み合わせた鋼板間で成分希釈が生じるが、外周部に形成される最軟化部分に応力集中が生じ、亀裂の起点となるという問題は変わらない。
（ｆ）以上の知見に基づき、レーザ重ね溶接のＨＡＺ軟化部を横切って主応力方向に直線状にレーザを照射した試験片を作成し、引張試験をおこなったところ、レーザ重ね溶接だけの場合に比較して、破断伸びが大きくなることを確認した（図４）。即ち、低歪破壊を解消できることを確認した。
本発明は、上記知見に基づき成されたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成する重ね溶接方法であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通り直線状にレーザを照射して鋼板に焼入れ部を形成することを特徴とする重ね溶接方法。
（２）前記直線状のレーザ照射が、予め求めた主応力方向に照射することを特徴とする（１）に記載の重ね溶接方法。
（３）前記直線状のレーザ照射が、前記略円状のレーザ溶接部の外縁から少なくとも３ｍｍ以上照射することを特徴とする（１）または（２）に記載の重ね溶接方法。
（４）前記略円状は、円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状または多重円環状であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
（５）前記直線状のレーザ照射部分の照射幅が、前記略円状のレーザ溶接部外縁であって前記直線状のレーザ照射が通る部分の曲率直径より小さいことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
（６）前記複数の鋼板のうち、マルテンサイト組織を有する鋼板であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
（７）前記マルテンサイト組織を有する鋼板が、引張強度１１８０ＭＰａ以上を有する鋼板であることを特徴とする（６）に記載された重ね溶接方法。
（８）複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成して、前記複数の鋼板を接合した重ね継手であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通りレーザを照射して直線状に形成された焼入れ部を備えることを特徴とする重ね継手。
（９）前記直線状の焼入れ部が、予め求めた主応力方向に形成されていることを特徴とする（８）に記載の重ね継手。
（１０）前記直線状に形成された焼入れ部が、前記略円状のレーザ溶接部の外縁から少なくとも３ｍｍ以上形成されていることを特徴とする（８）または（９）に記載の重ね継手。
（１１）前記略円状は、円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状または多重円環状であることを特徴とする（８）〜（１０）のいずれか１項に記載された重ね継手。
（１２）前記直線状に形成された焼入れ部の幅が、前記略円状のレーザ溶接部外縁であって前記直線状の焼入れ部が交叉または接する部分の曲率直径より小さいことを特徴とする（８）〜（１１）のいずれか１項に記載された重ね継手。
（１３）前記鋼板のうち、少なくとも一つの鋼板がマルテンサイト組織を有する鋼板であることを特徴とする（８）〜（１２）のいずれか１項に記載された重ね継手。
（１４）前記マルテンサイト組織を有する鋼板が、引張強度１１８０ＭＰａ以上を有する鋼板であることを特徴とする（１３）に記載された重ね継手。
（１５）複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成して製造する重ね継手の製造方法であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通り直線状にレーザを照射して鋼板に焼入れ部を形成することを特徴とする重ね継手の製造方法。
（１６）（８）〜（１４）のいずれか１項に記載された重ね継手を備えることを特徴とする自動車用部品。
なお、本発明に係るレーザ重ね溶接の形状は特に問わない。しかしながら、通常抵抗スポット溶接の代替となるレーザ重ね溶接の形状は略円状である。ここで言う略円状とは、円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状などの円弧の連なり、さらには多重円環状や、円弧の連なりが多重になったものである。また、これらの内部を塗りつぶすようにレーザ溶接であっても、本発明は適用することができる。
更には、一般的には用いられないが、略円状ではない形状であっても、本発明は適用できる。例えば、三角形、四角形などの多角形であってもよい。
本発明によれば、複数の鋼板部材を重ね合わせてレーザ重ね溶接により接合した場合であっても、レーザ重ね溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部において亀裂の起点となることがなく、低ひずみで破断することを回避できる。そのため、例えば衝突時の乗員保護性能に優れた耐衝撃性があり高強度の自動車用部品を提供できる。
図１は、引張試験片を示し、図１（ａ）は全体を、図１（ｂ）は試験片中心線での断面を示す図である。 図２（ａ）は、１３１０ＭＰａ級鋼板における円状のレーザ溶接部の硬さ調査位置を示す図であり、図２（ｂ）は、円状のレーザ溶接部の硬さ分布を示す図である。 図３は、円状のレーザ溶接部のＨＡＺ軟化部での破断を示す図である。 図４（ａ）は、引張試験における比較例、図４（ｂ）は本発明例１、図４（ｃ）は本発明例２のレーザ溶接継手を示す図であり、図４（ｄ）は、引張試験における比較例、本発明例１、本発明例２の荷重−伸び線図である。 図５（ａ）は、本発明例１の引張試験における破断位置を示す図であり、図５（ｂ）は、引張試験における本発明例２の破断位置を示す図である。 図６（ａ）〜図６（ｇ）は、本発明の実施態様の例を示す図である。 図７（ａ）〜図７（ｊ）も、本発明の実施態様の例を示す図である。 図８は、本発明をセンターピラーに適用した例を示す図である。 図９は、本発明をサイドシルに適用した例を示す図である。 図１０は、本発明を、Ａピラー〜ルーフレールに適用した例を示す図である。 図１１（ａ）はＣ字型レーザ重ね溶接による引張試験片を示す図であり、図１１（ｂ）は比較例のレーザ重ね溶接部を示す図であり、図１１（ｃ）は本発明例に係るレーザ重ね溶接部を示す図であり、図１１（ｄ）は引張試験結果を示すグラフである。 図１２（ａ）は比較例の破断位置を示す図であり、図１２（ｂ）は本発明例の破断位置を示す図である。 図１３は本発明例におけるＣ字状のレーザ重ね継手の硬さ分布を示す図であり、図１３（ａ）は、本発明に係る重ね継手の硬さ分布の測定位置を示す図であり、図１３（ｂ）は線状のレーザ照射部末端部分の硬さ分布を、図１３（ｃ）は線状のレーザ照射部の中間部分の、図１３（ｄ）は略円状のレーザ重ね溶接部の硬さ分布を示す図である。
まず、レーザビームによる本発明に係る溶接方法を説明する。
レーザ溶接機は特に限定されない。一例として、ディスクレーザ，ファイバーレーザ，ＹＡＧレーザ，炭酸ガスレーザを用いることができる。ビーム径は０．１５〜０．９ｍｍの範囲とし、出力は１〜１０ｋＷの範囲とし、さらに、溶接速度１〜２５ｍ／ｍｉｎの範囲とすることが例示される。レーザ溶接の条件は、鋼板の種類、鋼板の厚さ等により適宜決定されるものであり、上記例示に限定されるものではない。
溶接は、ロボットに搭載した一般的なトーチによる溶接でもよいが、ガルバノミラーを用いたリモートレーザ溶接であることが望ましい。リモートレーザ溶接は、専用スキャニングミラーに長焦点フォーカスレンズを組合せ、レーザビームの空間伝達を行い、レーザスポットを高速スキャニングし溶接する技術である。従来のレーザ溶接に使用されてきたロボットやＮＣ装置に比較すると、ビーム移動時間がほぼゼロとなるため高効率な溶接を行うことができる。このシステムは、加工中にある溶接個所から別の溶接個所へレーザスポットの移動時間をほとんど要さないというメリットがある。
焼入れ部の形成工程では、重ね合わせ部にレーザビームを照射して、略円状のレーザ溶接部を形成した後、略円状のレーザ溶接部の周囲（外周部）に形成されたＨＡＺ軟化部を横切って直線状の焼入れ部を形成することにより、略円状のレーザ溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部を硬化させる。したがって、レーザ重ね溶接部の外縁を通り直線状にレーザ照射することによりＨＡＺ軟化部を分断するように焼入れ部を形成することができる。ここで「レーザ重ね溶接部の外縁を通る」とは、レーザ重ね溶接部の外縁と交叉、あるいは接する状態を示す。
レーザ重ね溶接部は、図２（ｂ）で示すように溶融凝固部である。したがって、レーザ重ね溶接部の外縁とは、溶融凝固部と母材金属の境界を示す。図２は円状の中心部も溶融凝固させている例を示す。図１３はＣ字状であるが、この場合でもレーザ重ね溶接部は溶融凝固部であり、考え方は同じである。
図１３（ａ）にＣ字状のレーザ重ね溶接部を横断するようにレーザ焼入れした例を示す。図１３（ａ）中の点線で示す方向の鋼板表面の硬さ分布を示す。図１３（ｂ）（ｃ）（ｄ）に、それぞれレーザ焼入れ部末端部（終端部）、レーザ焼入れ部、レーザ重ね溶接部の鋼板表面硬さ分布を示す。
焼入れ部とは、図１３（ｃ）に示されるように、レーザ焼入れ部を横断して硬さ分布を測定した際に、レーザ照射部を挟んで出現する硬さの極大点に挟まれた領域を示す。
焼入れ部の周辺には、焼入れ時の入熱による軟化部ができる。図１３（ｃ）において、硬さのピークの外側に、硬さの極小値を示す部分がある。これがレーザ焼入れによる軟化部である。
レーザ焼入れ部の末端部（終端部）の硬さ状況を示す図が図１３（ｂ）である。図１３（ｂ）は、レーザ照射方向の硬さ分布を示す図である。図１３（ｂ）の硬度の極大点が焼入れ部の末端（終端部）であり、この右側が焼入れ部になる。図１３（ｂ）からも分かるように、硬さの極大点のすぐ外側に極小点を示す部分がある。これが、レーザ焼入れによる軟化部である。
また、焼入れ部の形成は、高強度鋼板（特にマルテンサイト組織を含む鋼板）の板厚の５０％以上であることが望ましい。
また、直線状の焼入れ部の位置は、衝突時の想定される主応力方向あるいは、フランジ状の鋼板部材にレーザ溶接をする場合にはこのフランジの伸びる方向を主応力方向とするとよい。レーザ溶接の精度などの関係で主応力方向からずれたとしも、そのずれ角は小さい方が好ましいので、直線状の焼入れ部は、主応力方向に対して±３０°以内の範囲に形成することが望ましい。焼入れ部が主応力方向に対して±３０°以内の範囲に形成されていれば、主応力方向に形成されたとみなすことができる。より望ましくは、主応力方向に対して±１５°以内の範囲であるとよい。さらに望ましくは、主応力方向に対して±１０°以内の範囲であるとよい。
なお、主応力方向は設計段階において、予め求めることができる。予め主応力方向を求める方法は限定されない。例えば有限要素法（ＦＥＭ）などのシミュレーションにより求めることができる。または、模型や実形状の試験部材により試験して求めることもできる。
主応力方向は複数あってもよい。この場合、各主応力方向に合せて直線状にレーザ照射し、焼入れ部を形成すればよい。
再加熱のためのレーザ照射により直線状の焼入れ部を形成することにより、略円状のレーザ重ね溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部が分断されて、主応力方向におけるＨＡＺ軟化部に起因する強度低下が抑制される。なお、直線状の焼入れ部は、レーザ重ね溶接部のＨＡＺ軟化部を分断すればよいため、レーザ重ね溶接部の内部においては、必ずしも直線状に連続形成されていなくてもよい。
本発明が適用できる鋼板は、限定されない。しかし、ＨＡＺ軟化が生じるのは、マルテンサイト組織を有する鋼が顕著であり、そのような鋼板に本発明を適用すると、その効果は大きい。マルテンサイト組織を有する鋼板としては、１１８０ＭＰａ以上の引張応力を有する高強度鋼がある。このような高強度鋼は、ホットスタンプ（熱間プレス成形）に適用する場合が多く、ホットスタンプ用鋼とも呼ばれる場合がある。
また、めっきの有無も問わない。
本発明に係る重ね継手は、どのような鋼製部材に適用してもよい。特に、耐衝撃性を求められる自動車部材に適用することにより、得られる効果は大きい。
本発明を具体例に基づいて説明する。
例えば自動車のセンターピラーに衝突すると、インナーパネルとアウターパネルを重ね溶接したフランジ部に引張荷重が付加される。そのため、フランジに形成された円状のレーザ重ね溶接部のＨＡＺ軟化部にひずみが集中し破断する。発明者らは、このようなケースを想定して試験を行った。
図１は、引張試験片を示す説明図である。
４４０ＭＰａ級鋼板（板厚１．２ｍｍ）と、１３１０ＭＰａ級鋼板（板厚１．４ｍｍ）と、２７０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板（板厚０．７ｍｍ）とを重ね合わせ、試験片の把持部に抵抗スポット溶接で固定し、試験片の中央部に円状のレーザ重ね溶接を実施した。ファイバーレーザを用い、ビーム径０．６ｍｍ，出力２．０ｋＷ，溶接速度２．０ｍ／ｍｉｎの条件でレーザ溶接を行って、図４（ａ）に示す直径が約７ｍｍの円状で円内部も溶接したレーザ重ね溶接部を有する試験片を形成した。
図２（ａ）は、１３１０ＭＰａ級鋼板における円状のレーザ溶接部の硬さ調査位置を示す説明図であり、図２（ｂ）は、円状のレーザ溶接部の硬さ分布を示す説明図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、１３１０ＭＰａ級鋼板の円状のレーザ溶接では、焼入れ部の周囲のＨＡＺが焼き戻されて軟化していた。
図３は、円状のレーザ重ね溶接継手の破断位置を示す説明図である。引張試験を行ったところ、図３に示すように、１３１０ＭＰａ級鋼板のレーザ溶接部の周囲のＨＡＺ軟化部に歪みが集中して破断したことが分かる。
図４は、引張試験における比較例（図４（ａ））、本発明例１（図４（ｂ））、本発明例２（図４（ｃ））の荷重−伸び線図（図４（ｄ））である。比較例（図４（ａ））はレーザ重ね溶接のみの場合である。本発明例１（図４（ｂ））はレーザ重ね溶接の外縁から試験片の軸方向（主応力方向）に直線状にレーザ照射して焼入れ部を形成したものである。レーザ照射は、重ね溶接部縁から１２ｍｍ離れた点から、レーザ重ね溶接部を横断し、重ね溶接部縁から１２ｍｍ離れた点までの長さが３１ｍｍにわたり直線状にレーザ照射した。本発明例２（図４（ｃ））はレーザ焼入れ部を試験片の把持部まで形成した場合であって、レーザ焼入れ部の末端部が亀裂の起点にはならないようにした試験片である。作成した溶接部を評点距離５０ｍｍとして引張速度３ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を実施した。
図５は、本発明例１（図５（ａ））、本発明例２（図５（ｂ））の破断位置を示す説明図である。
破断伸び測定結果を図４（ｄ）に示す。「比較例」の破断伸びは２．３％程度と小さく、低歪破壊が起きていることが分かる。
本発明例１の破断伸びは４．３％であり、比較例と比較しても、破断伸びが比較例よりも約８７％向上した。また破断箇所もレーザ焼入れ部の末端部で破断していることが確認できた（図５（ａ））。この結果、本発明例１は、比較例に比べ低歪破壊が解消されていることが確認できた。なお、重ね溶接部の溶融金属部は、各鋼板の元素が混じるために軟化するが、この部分は３枚の鋼板が重ねあわされて板厚が大きいため、溶融金属部では破断しない。
本発明例２については、破断伸びは７．３％程度となり、比較例と比較して約３１７％も向上した。破断箇所はレーザ焼入れ部の途中で破断していることが確認できた（図５（ｂ））。つまり、重ね溶接のＨＡＺ軟化部で破断したのではないことが確認できた。この結果、本発明例２は、比較例や発明例１に比べ低歪破壊が解消されていることが確認できた。
なお、破断面の観察は、試験片のうち高強度鋼板（上記試験片では１３１０ＭＰａ級鋼板）の破断面を観察した。
図６（ａ）〜図６（ｇ）は、フランジを想定した各種の略円状のレーザ重ね溶接部１〜７を示す説明図である。この場合、主応力方向はフランジの長手方向（図中の左右方向）である。本発明は、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示すように、円状１、長円状２、Ｃ字状３、長Ｃ字状４、円環状５、長円環状６、２重円環状７のレーザ重ね溶接に適用することができる。
図７（ａ）〜図７（ｊ）は、円状のレーザ重ね溶接部１の周囲に形成されたＨＡＺ軟化部を横切って形成された線状のレーザ焼入れ部８を示す説明図である。図７もフランジを想定しており、図６と同様に主応力方向はフランジの長手方向（図中の左右方向）である。
図７（ａ）に示すように、線状のレーザ焼入れ部８は必ずしも円状のレーザ溶接部１の中央を通っていなくてもよい。
図７（ｂ）に示すように、線状のレーザ焼入れ部８の形成方向は、想定主応力方向に対し３０°以内であればよい。
図７（ｃ）に示すように、線状のレーザ焼入れ部８の左右の長さは必ずしも同じでなくてもよいが、略円状のレーザ溶接部１の端から外方に３ｍｍ以上離れた位置までレーザ焼入れ部８が形成される必要がある。
図７（ｄ）に示すように、線状のレーザ焼入れ部８の端は、応力集中を抑制するため、広がっていてもよい。ただし、円状のレーザ溶接部１よりも小さいサイズである必要がある。
図７（ｅ）に示すように、線状のレーザ焼入れ部８は想定主応力方向に対し±３０°以内であれば屈曲していてもよい。
図７（ｆ）に示すように、複数の円状のレーザ焼入れ部１，１を１つの線状レーザ溶接部８で連続的に結ばれていてもよい。
図７（ｇ）と図（ｈ）に示すように、直線状のレーザ焼入れ部８は必ずしも円状のレーザ重ね溶接部１の内部を貫通していなくてもよい。
図７（ｉ）に示すように、レーザ焼入れ部８は複数あってもよい。主応力方向が複数あれば、その方向にそれぞれレーザ焼入れ部を形成するとよい。
図７（ｊ）に示すように、レーザ焼入れ部の幅が変化してもよい。特に図７（ｉ）に示すように、レーザ焼入れ部の幅は、レーザ重ね溶接部の外縁で広く、末端部で狭くするとよい。
本発明を自動車用部品に適用した状況を説明する。
図８は、本発明をセンターピラー９に適用した状況を示す説明図である。
サイドパネルの製造工程において、２７０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板からなるサイドパネルアウター（図示しない）と、ホットスタンプ材からなるセンターピラーリンフォース１０と、５９０ＭＰａ級鋼板からなるセンタピラーインナー（図示しない）とを、それぞれの縁部に形成されたフランジで重ね合わせて、抵抗スポット溶接を行ってスポット溶接部１１で仮止めする。
アッセンブリーされたサイドパネルは、メインボディラインでアンダーボディと組み立てられ、仮止めされた後、リモートレーザ溶接で増し打ちされる。
このとき、図８に示すように、円状のレーザ重ね溶接を実施してレーザ重ね溶接部１を形成し、その後、円状のレーザ重ね溶接部１の周囲のＨＡＺ軟化部を分断するための線状のレーザ照射を実施してレーザ焼入れ部８を形成する。
なお、図８に示すように、円状のレーザ重ね溶接部１の周囲のＨＡＺ軟化部を分断するためのレーザ照射は、全てのレーザ重ね溶接部１に実施する必要はなく、ＨＡＺ軟化部における破断の可能性があるレーザ重ね溶接部１のみに実施すればよい。
図９は、本発明をサイドシル１２に適用した状況を示す説明図である。
サイドシル１２もセンターピラー９と同様に、メインボディラインでアンダーボディと組み立てられ、仮止めされた後、リモートレーザ溶接で増し打ちされる。サイドシル１２は、５９０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板からなるシルインナーパネルと、１１８０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板からなるシルインナーレインフォースと、２７０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板からなるシルアウターパネルとを、それぞれの縁部に形成されたフランジで重ね合わされて構成される。このとき円状のレーザ溶接を行ってレーザ重ね溶接部１を形成した後、ＨＡＺ軟化部を分断するための線状のレーザ照射を行って線状のレーザ焼入れ部８を形成する。
図１０は、本発明を、Ａピラー１３〜ルーフレール１４に適用した状況を示す説明図である。
図１０に示すように、Ａピラー１３〜ルーフレール１４もセンターピラー９と同様に、Ａピラー１３〜ルーフレール１４を含むサイドパネルは、メインボディラインでアンダーボディと組み立てられ、リモートレーザ溶接で増し打ちされる。Ａピラー１３、ルーフレール１４それぞれは、２枚のホットスタンプ材からなる成形パネルと、２７０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板との３枚重ねにより構成される。このとき、円状のレーザ溶接を行ってレーザ重ね溶接部１を形成した後、円状のレーザ重ね溶接部１の周囲のＨＡＺ軟化部を分断するレーザ照射を行ってレーザ焼入れ部８を形成する。
以上、円状のレーザ重ね溶接部を有する自動車部材の例を基に本発明について説明した。前述したように、本発明の実施態様は、上記例に限定されない。本発明要件を含む態様であれば、本発明の効果を奏するものであり、本発明の範囲に含まれる。
以下、上記とは異なる態様についての実施例を紹介する。
実施例１は、C字形状のレーザ重ね溶接に本発明を適用した例である。
図１１（ａ）は引張試験片を示す説明図であり、図１１（ｂ）は比較例のレーザ溶接部を示す説明図であり、図１１（ｃ）は本発明例のレーザ溶接部を示す説明図であり、図１１（ｄ）は引張試験結果を示すグラフである。
引張試験片は、板厚が０．７ｍｍの２７０ＭＰａ級合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、板厚が１．４ｍｍの１３１０ＭＰａ級鋼板と、板厚が１．２ｍｍの４４０ＭＰａ級鋼板とをこの順に３枚重ね合わせ、試験片の把持部に抵抗スポット溶接を行って図１１（ａ）に示す引張試験片を作成した。
次に、ファイバーレーザを用いて、ビーム径０．６ｍｍ，出力２．７ｋＷ，溶接速度２．０ｍ／ｍｉｎの条件でガルバノミラーを用いて、図１１（ｂ）に示す直径が約７ｍｍのＣ字状のレーザ溶接部を形成した試験片（比較例）と、図１１（ｃ）に示すＣ字状の溶接部を形成した後に線状のレーザ照射を実施した試験片（本発明例）を作成した。
作成した溶接部を評点距離５０ｍｍとして、引張速度３ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を実施した。
図１２（ａ）は比較例の破断位置を示す説明図であり、図１２（ｂ）は本発明例の破断位置を示す説明図である。
図１１（ｄ）に示すように、比較例のＣ字状のレーザ溶接では破断伸び２．７％であった。そして、図１２（ａ）に示すように、Ｃ字状の外周に沿って破断した。
これに対し、本発明例では、図１１（ｄ）に示すように、破断伸びは４．３％であった。そして、図１２（ｂ）に示すように、破断位置はレーザ焼入れ部の先端（末端部）であった。
このように、本発明例は、破断伸びが比較例よりも約６０％向上した。
本発明は、高強度鋼板含む鋼板を組み合わせた重ね継手に利用できる。特に自動車部品などの機械構造部品に利用することができる。
１ 略円状（円状）のレーザ溶接部
２ 略円状（長円状）のレーザ溶接部
３ 略円状（Ｃ字状）のレーザ溶接部
４ 略円状（長Ｃ字状）のレーザ溶接部
５ 略円状（円環状）のレーザ溶接部
６ 略円状（長円環状）のレーザ溶接部
７ 略円状（２重円環状）のレーザ溶接部
８ 直線状の焼入れ部
９ センターピラー
１０ センターピラーリンフォース
１１ スポット溶接部
１２ サイドシル
１３ Ａピラー
１４ ルーフレール

Claims (16)

  1. 複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成する重ね溶接方法であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通り直線状にレーザを照射して鋼板に焼入れ部を形成することを特徴とする重ね溶接方法。
  2. 前記直線状のレーザ照射が、予め求めた主応力方向に照射することを特徴とする請求項１に記載の重ね溶接方法。
  3. 前記直線状のレーザ照射が、前記略円状のレーザ溶接部の外縁から少なくとも３ｍｍ以上照射することを特徴とする請求項１または２に記載の重ね溶接方法。
  4. 前記略円状は、円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状または多重円環状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
  5. 前記直線状のレーザ照射部分の照射幅が、前記略円状のレーザ溶接部外縁であって前記直線状のレーザ照射が通る部分の曲率直径より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
  6. 前記複数の鋼板のうち少なくとも一つの鋼板が、マルテンサイト組織を有する鋼板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載された重ね溶接方法。
  7. 前記マルテンサイト組織を有する鋼板が、引張強度１１８０ＭＰａ以上を有する鋼板であることを特徴とする請求項６に記載された重ね溶接方法。
  8. 複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成して前記複数の鋼板を接合した重ね継手であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通りレーザを照射して直線状に形成された焼入れ部を備えることを特徴とする重ね継手。
  9. 前記直線状に形成された焼入れ部が、予め求めた主応力方向に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の重ね継手。
  10. 前記直線状に形成された焼入れ部が、前記略円状のレーザ溶接部の外縁から少なくとも３ｍｍ以上形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の重ね継手。
  11. 前記略円状は、円状、長円状、円環状、長円環状、Ｃ字状、長Ｃ字状または多重円環状であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載された重ね継手。
  12. 前記直線状の焼入れ部の幅が、前記略円状のレーザ溶接部外縁であって前記直線状の焼入れ部が交叉または接する部分の曲率直径より小さいことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載された重ね継手。
  13. 前記鋼板のうち少なくとも一つの鋼板が、マルテンサイト組織を有する鋼板であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載された重ね継手。
  14. 前記マルテンサイト組織を有する鋼板が、引張強度１１８０ＭＰａ以上を有する鋼板であることを特徴とする請求項１３に記載された重ね継手。
  15. 複数の鋼板を重ね合わせレーザを照射して略円状のレーザ溶接部を形成して製造する重ね継手の製造方法であって、前記略円状のレーザ溶接部の外縁を通り直線状にレーザを照射して鋼板に焼入れ部を形成することを特徴とする重ね継手の製造方法。
  16. 請求項８〜１４のいずれか１項に記載された重ね継手を備えることを特徴とする自動車用部品。
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