KR102407608B1

KR102407608B1 - 겹침 레이저 용접 조인트, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및 자동차용 골격 부품

Info

Publication number: KR102407608B1
Application number: KR1020207033332A
Authority: KR
Inventors: 아사토 하라; 야스시 기타니
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2022-06-10
Also published as: JPWO2019225528A1; WO2019225528A1; EP3797921A4; MX2020012334A; CN112118932A; US11638969B2; CN112118932B; EP3797921A1; KR20200140910A; JP6852797B2; US20210205924A1

Abstract

겹침 레이저 용접 조인트, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및 그 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트는, 복수의 강판을 서로 겹쳐 레이저 용접에 의해 접합된 용접부를 갖는 겹침 레이저 용접 조인트로서, 용접부는, 용접선 형상을 직선으로 하는 본 용접부와, 당해 본 용접부의 일단부에 형성된 용접선 형상을 원호 또는 원으로 하는 용접 종단부로 이루어지는 J자 형상이고, 본 용접부의 길이 L₁(㎜)은, (1)식으로 나타나는 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하이고, 용접 종단부의 반경 R(㎜)은 (2)식을 충족함과 함께, 용접 종단부의 각도 θ(rad)는 (3)식을 충족하고, 상기 복수의 강판을 서로 겹친 겹침부에 있어서의, 상기 복수의 강판 간의 간극의 크기의 합계가, 상기 복수의 강판의 총 판두께에 대하여 0％ 이상 15％ 이하이다.
10.0≤L　…(1) 0.5≤R≤1.5　…(2) 5/6π≤θ≤2π　…(3)

Description

겹침 레이저 용접 조인트, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및 자동차용 골격 부품

본 발명은, 겹침 레이저 용접 조인트(laser-welded lap joint), 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및 그 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품에 관한 것이다.

종래부터, 플랜지 부분을 갖는 자동차의 구조 부재의 용접에는, 저항 스폿 용접(resistance spot welding)이 이용되고 있다. 그러나, 저항 스폿 용접에는, 용접에 시간이 걸린다는 문제, 분류에 의해 발열량이 저하하기 때문에 피치를 좁게 할 수 없다는 문제, 나아가서는 용접기에 형성한 건(gun)에 의한 공간적인 제약이 있다는 문제가 있다. 이들 문제를 해결하기 위해, 최근에는, 종래의 저항 스폿 용접에 더하여, 겹침 레이저 용접을 이용하는 것이 검토되고 있다. 여기에서, 겹침 레이저 용접(laser lap welding)이란, 서로 겹친 복수매의 강판의 표면에 레이저 빔을 조사하여, 강판을 접합하는 용접 방법을 가리킨다.

겹침 레이저 용접에서는, 서로 겹친 복수매의 강판의 표면에 직선 형상으로 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 조사된 강판의 부위를 용융 및 응고시킴으로써, 용융부(용접부)가 형성된다. 이와 함께, 서로 겹친 강판이 접합되어 겹침 레이저 용접 조인트를 얻을 수 있다. 그러나, 겹침 레이저 용접의 경우에는, 직선의 용융부의 종단측에서 갈라짐(crack)이 발생하기 쉽고, 갈라짐이 발생하면 용융부의 전체 길이에 걸쳐 전파된다는 문제가 있다. 용접 금속에 갈라짐이 발생·전파되면, 겹침 용접 조인트부의 전단 및 박리 강도와 같은 정적 강도가 저하하는 것에 더하여, 갈라짐으로부터의 균열 진전에 의해 피로 강도가 현저하게 저하하는 것이 우려된다. 자동차 차체 부품, 특히 골격 부품에서는, 최근 차체 강도·강성 향상을 위해 보다 고강도의 고장력 강판이 사용되게 되어 있어, 용접부의 갈라짐에 의한 조인트의 정적 강도 및 피로 강도의 저하는 중대한 문제가 된다.

그래서, 서로 겹친 강판을 겹침 레이저 용접한 경우에 발생하는, 겹침 레이저 용접 갈라짐의 발생 및 전파를 억제하는 방법으로서, 여러 가지의 기술이 개시되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 겹침 용접의 하측의 강판을 돌출시키고, 또한 용접 개시 위치를 플랜지 단부로부터 떨어진 위치로 함으로써, 용접 갈라짐(weld cracking)을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 겹침면의 단부에 비스듬히 레이저 조사하여, 용접 갈라짐을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 3, 4에는, 한 번 용접한 부분 혹은 그 용접한 부분의 주위를, 재가열 혹은 용접함으로써, 용접 갈라짐을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 5에는, 겹침면을 타원형으로 용접하여 용접 갈라짐의 발생을 방지하는 기술이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 2009-154194호 일본공개특허공보 2008-296236호 일본공개특허공보 2012-240083호 일본공개특허공보 2012-240086호 일본공개특허공보 2017-113781호

그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 겹침 용접의 하측의 강판을 돌출시키기 때문에, 돌출시키는 부분이 여분이 되어, 부품 설계가 제약되는 문제가 있다.

특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 서로 겹친 판에 간극(gap)이 비어 있는 경우에는, 겹침면에서 용융부가 잘 형성되지 않는 용입 부족의 상태가 되어, 강도를 확보하는 것이 어려운 문제가 있다.

특허문헌 3, 4에 기재된 방법에서는, 한 번 용접한 부분 혹은 그 용접한 부분의 주위를, 재가열 혹은 용접하기 위해, 재가열 혹은 용접을 함으로써 추가로 용접 시간이 필요해지는 문제가 있다.

특허문헌 5에 기재된 방법은, 겹침면을 타원형으로 용접하는 것으로, 직선 형상의 용접부의 용접 갈라짐에는 적용할 수 없다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여, 용융부의 종단부에서 갈라짐이 발생하는 것 및 갈라짐이 전파되는 것을 억제할 수 있는, 조인트 강도가 양호한 겹침 레이저 용접 조인트, 이 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및, 이 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 검토한 결과, 이하의 인식을 얻었다.

본 발명에서는, 용융부의 전체 길이, 용접선(weld line) 형상, 겹친 복수매의 강판의 판두께의 합계, 겹친 복수매의 강판의 사이의 간극의 크기의 합계에 대해서, 각각 주목했다. 그리고, 용융부의 종단측에서의 갈라짐 발생을 방지하기 위해서는, 용융부의 전체 길이 및 용접선 형상을 제어하는 것이 유효한 것을 알았다. 즉 용접선 형상을, 하기의 (1)식 내지 (3)을 충족하는 J자 형상으로 함으로써, 용융부의 종단측에서의 갈라짐의 발생 및 전파를 억제할 수 있는 것을 인식했다. 또한, 본 발명에서는, 용융부와 용접 열 영향부를 합하여, 용접부라고 칭한다.

10㎜≤L　　　　(1)

0.5≤R≤1.5　 (2)

5/6π≤θ≤2π　(3)

여기에서, L은 용접부의 전체 길이(단위: ㎜), R은 용접부의 용접 종단부의 반경(단위：㎜), θ는 용접부의 용접 종단부의 각도(단위: rad)이다.

또한, 겹친 복수매의 강판의 판두께의 합계 및 겹친 복수매의 강판의 사이의 간극의 크기의 합계의 적어도 1개를 제어함으로써, 겹침면의 용융부로의 응력 집중을 억제하게 되어, 박리 강도를 보다 향상시킬 수 있는 것을 알았다.

본 발명은, 전술의 인식에 기초하여 완성된 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.

[1] 복수의 강판을 서로 겹쳐 레이저 용접에 의해 접합된 용접부를 갖는 겹침 레이저 용접 조인트로서, 상기 용접부는, 용접선 형상을 직선으로 하는 본 용접부와, 당해 본 용접부의 일단부에 형성된 용접선 형상을 원호 또는 원으로 하는 용접 종단부로 이루어지는 J자 형상이고, 상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)은, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하이고, 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)은 (2)식을 충족함과 함께, 상기 용접 종단부의 각도 θ(rad)는 (3)식을 충족하고, 상기 복수의 강판을 서로 겹친 겹침부에 있어서의, 상기 복수의 강판 간의 간극의 크기의 합계가, 상기 복수의 강판의 총 판두께에 대하여 0％ 이상 15％ 이하인, 겹침 레이저 용접 조인트.

10.0≤L　　　　… (1)

0.5≤R≤1.5　　… (2)

5/6π≤θ≤2π　　… (3)

여기에서, L은 용접부의 전체 길이(단위：㎜), R은 용접부의 용접 종단부의 반경(단위：㎜), θ는 용접부의 용접 종단부의 각도(단위：rad)이다.

[2] 상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 질량％로,

C: 0.07％ 초과 0.25％ 이하,

P＋S: 0.03％ 미만,

Mn: 1.8％ 이상 3.0％ 이하,

Si: 1.2％ 초과 1.8％ 이하

를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, [1]에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트.

[3] 상기 성분 조성에 더하여, 추가로, 이하의 A군 및 B군으로부터 선택되는 1개 또는 2개를 함유하는, [1] 또는 [2]에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트.

A군: 질량％로, Ti: 0.005％ 이상 0.01％ 이하 및, Nb: 0.005％ 이상 0.050％ 미만 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종

B군: 질량％로, Cr: 1.0％ 이하, Mo: 0.50％ 이하 및, B: 0.10％ 이하 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상

[4] 상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판이, 인장 강도 980㎫ 이상의 고장력 강판인, [1]∼[3] 중 어느 1개에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트.

[5] 상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 단면 형상이 대체로 햇(hat) 형상 또는 L자 형상이고, 종벽부 및 당해 종벽부의 선단으로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 갖고, 상기 플랜지부와 다른 강판이 서로 겹쳐진 접합면의 상기 종벽부측의 단부의 좌표를 0으로 하고, 상기 종벽부측을 (＋)로 하고, 상기 종벽부측과는 반대의, 상기 플랜지부의 외단측을 (－)로 한 좌표계로 나타냈을 때에, 상기 용접부가 식(4)로 나타나는 용접 위치 X(㎜)에 있는, [1]∼[4] 중 어느 1개에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트.

－2t≥X≥－4t　… (4)

여기에서, t는 상기 복수의 강판 중 가장 판두께가 두꺼운 강판의 판두께(단위: ㎜)이다.

[6] [1]∼[5] 중 어느 1개에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법으로서, 복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고, 서로 겹친 상기 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

[7] 상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)이, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록, 레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는, [6]에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

[8] [1]∼[5] 중 어느 1개에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품.

본 발명에 의하면, 용융부의 종단부에 있어서의 갈라짐의 발생 및 전파를 억제할 수 있기 때문에, 조인트 강도가 양호한 겹침 레이저 용접 조인트를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트는 외관도 우수하기 때문에, 자동차의 구조 부재에 적합하여, 자동차용 골격 부품으로 할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 2(A)는 종래의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접 종단부를 설명하는 개략도이고, 도 2(B)는 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접 종단부를 설명하는 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(용융부)의 구성을 설명하는 상면도이다.
도 4는, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(용융부)의 구성을 설명하는 상면도이다.
도 5는, 도 4에 있어서의 겹침 레이저 용접 조인트의 A-A선 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접 방법을 설명하는 사시도이다.
도 7(A)는 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(용융부)의 위치를 설명하는 상면도이고, 도 7(B)는 도 7(A)에 있어서의 B-B선 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 있어서의 겹침 레이저 용접 조인트의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9(A)는, 2매의 강판이 서로 겹쳐진 경우의 강판 간의 간극의 크기의 합계를 설명하는 도면이고, 도 9(B)는, 3매의 강판이 서로 겹쳐진 경우의 강판 간의 간극의 크기의 합계를 설명하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 각 도면을 참조하여, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및, 자동차용 골격 부품에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은 이 실시 형태에 한정되지 않는다.

＜겹침 레이저 용접 조인트＞

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트는, 복수의 강판을 서로 겹쳐 레이저 용접에 의해 접합된 용접부를 갖는다. 용접부는, 용접선 형상을 직선으로 하는 본 용접부와, 이 본 용접부의 일단부에 형성된 용접선 형상을 원호로 하는 용접 종단부로 이루어지고, 용접부의 형상은 J자 형상으로 형성된다. 본 용접부의 길이 L₁(㎜)은, 하기의 (1)식으로 나타나는 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하이고, 용접 종단부의 반경 R(㎜)은 하기의 (2)식을 충족함과 함께, 용접 종단부의 각도 θ(rad)는 하기의 (3)식을 충족한다.

10.0≤L　　　　　…(1)

0.5≤R≤1.5　　…(2)

5/6π≤θ≤2π　　…(3)

여기에서, L은 용접부의 전체 길이(단위: ㎜), R은 용접부의 용접 종단부의 반경(단위: ㎜), θ는 용접부의 용접 종단부의 각도(단위: rad)이다.

이러한 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 일 실시 형태에 대해서, 도 1∼도 5를 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 일 예를 나타내는 사시도이다. 도 2(A)는 종래의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접 종단부를 나타내는 개략도이고, 도 2(B)는 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접 종단부를 나타내는 개략도이다. 도 3, 도 4는, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(4)의 구성을 설명하는 상면도이다. 도 5는, 도 4에 나타낸 A-A선의 단면도이다.

우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에 대해서 설명한다.

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에서는, 적어도 2개의 강판을 서로 겹친다. 도 1에 나타낸 예에서는, 종벽부(2a) 및 종벽부(2a)의 선단으로부터 외측으로 연장되는 플랜지부(2b)를 갖는 단면 형상이 대체로 햇 형상인 강판(2)과, 평평한 패널 형상인 강판(3)의 2매의 강판을 이용한다. 강판(2)과 강판(3)은 대향하도록 서로 겹쳐지고, 강판(2)의 플랜지부(2b)의 영역이 접합면이 된다. 서로 겹친 2매의 강판(2, 3)은, 플랜지부(2b)에서 겹침 레이저 용접됨으로써 접합된다. 겹침 레이저 용접에서는, 강판(2, 3) 중 적어도 1매의 강판을 관통하여, 강판(2, 3)을 접합하는 용융부가 형성된다. 이 용융부 및 용접 열 영향부가, 용접부(4)가 된다.

또한, 겹침 레이저 용접은, 종벽부(2a)를 따라, 플랜지부(2b)를 길이 방향으로 이동하면서, 단속적으로 레이저 빔(7)을 조사하여 행해진다. 이에 따라, 강판(2, 3)의 접합면에는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 표면이 대체로 J자 형상인 복수의 용접부(4)가 형성된다. 여기에서는, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)로서, 2매의 강판(2, 3)이 서로 겹쳐지는 경우를 예로 설명하지만, 3매 이상의 강판이 서로 겹쳐져 있어도 좋다.

다음으로, 도 2∼도 5를 참조하여, 본 발명의 기술 사상 및 용접부(4)의 구성에 대해서 설명한다.

도 2(A)에는, 종래의 겹침 레이저 용접 조인트에 있어서의 용접부(14)의 종단(15)을, 도 2(B)에는, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트에 있어서의 용접부(4)의 종단(5)을, 각각 나타낸다.

종래의 레이저 용접기를 이용한 용접의 경우, 용접 초기에 있어서 용접 상태가 안정되지 않는다. 그 상태에서 원호 형상 등과 같이 용접 방향이 변화하는 바와 같은 용접을 행하면, 스패터(spatter)가 보다 많이 발생하기 때문에, 용접부(14)의 종단(15)의 형상을 직선으로 형성하는 것이 일반적이다. 그러나, 도 2(A)에 나타내는 바와 같이, 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(14)의 종단(15)의 형상이 직선으로 형성된 경우, 용접부의 종단(15) 부분에서는 인장 응력이 집중하는 것을 알 수 있었다.

구체적으로는, 종단(15)의 최종 응고부가 되는 중심부에, 용융부(14)의 외주 부분으로부터 외측을 향하는 인장 응력(도 2(A)에 나타낸 화살표 Fa 방향의 힘)이 집중하고, 이에 의해 응고 갈라짐(16)이 발생하기 쉬워진다. 응고 갈라짐이 발생하면 용접 갈라짐으로 이어지기 때문에, 겹침 레이저 용접 조인트에 용접 결함이 발생하는 경우가 있다.

이에 대하여, 도 2(B)에 나타내는 바와 같이, 겹침 레이저 용접 조인트의 용접부(4)의 종단(5)의 형상이 특정한 형상, 구체적으로는 원호 혹은 원형으로 형성되는 경우, 용접부의 종단(5) 부분에서는 인장 응력을 분산시킬 수 있다. 즉, 종단(5)의 최종 응고부의 중심부(6)에, 용융부(4)의 외주 부분으로부터 외측을 향하는 인장 응력(도 2(B)에 나타낸 화살표 Fb 방향의 힘)을 1개소에 집중시키지 않고 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 응고 갈라짐의 발생이 억제되기 때문에, 겹침 레이저 용접 조인트에 있어서의 용접 결함의 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다.

상기한 기술 사상에 기초하여, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에서는, 대체로 J자 형상으로 형성되는 용접부(4)의 표면의 치수를, 소정의 범위로 조정하는 것이 중요하다.

구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 용접부(4)는, 용접선 형상을 직선으로 하는 본 용접부(4a)와, 이 본 용접부(4a)의 일단부에서 계속하여 형성된, 용접부 종단까지의 용접선 형상을 원호 또는 원형으로 하는 용접 종단부(4b)로 구성된다. 본 용접부(4a)의 길이 L₁(㎜)은, 상기의 (1)식으로 나타나는 용접부(4)의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하이다. 용접 종단부(4b)의 반경 R(㎜)은, 상기의 (2)식을 충족함과 함께, 용접 종단부(4b)의 각도 θ(rad)는, 상기의 (3)식을 만족한다.

또한, 상기한 반경 R 및 각도 θ는, 어느것이나 용접부(4)의 중심선에서 측정한다. 또한, 본 용접부(4a)의 길이 L₁은, 본 용접부(4a)의 중심선(Z)에서 측정한다.

(용접부(4)의 전체 길이 L(㎜): 10.0㎜≤L)

용접부(4)의 전체 길이 L이 10.0㎜보다 짧은 경우, 충분한 접합 면적을 얻을 수 없어, 조인트 강도가 저하한다. 또한, 용융 금속이 적기 때문에 갈라짐의 발생이 억제되지 않고, 박리 강도가 저하한다. 그 때문에, 용접부(4)의 전체 길이 L은 10.0㎜ 이상(상기 (1)식)으로 한다. 바람직하게는 15.0㎜ 이상으로 한다. 또한, 특히 용접부(4)의 전체 길이 L의 상한은 규정하지 않지만, 부품의 용접 시간의 관점에서, 40.0㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 30.0㎜ 이하이다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 용접부(4)의 전체 길이 L은, 본 용접부(4a)의 길이 L₁과, 용접 종단부(4b)의 중심선의 길이의 합계이다.

(본 용접부(4a)의 길이 L₁(㎜): L×2/3≤L₁≤L×4/5)

본 용접부(4a)의 길이 L₁이 「L×2/3」(㎜)보다 짧은 경우, 충분한 직선 부분을 확보할 수 없고, 짧은 직선 부분에서 하중을 맡게 되기 때문에, 충분한 박리 강도를 얻을 수 없어 부적당하다. 한편, 본 용접부(4a)의 길이 L₁이 「L×4/5」(㎜)보다 긴 경우, 충분한 곡선 부분을 확보할 수 없어, 응력 집중을 일으키기 때문에, 충분한 박리 강도를 얻을 수 없어 부적당하다. 그 때문에, 본 용접부(4a)의 길이 L₁은, L×2/3≤L₁≤L×4/5로 한다. 바람직하게는 15.0㎜ 이상으로 한다. 바람직하게는 40.0㎜ 이하로 한다.

(용접 종단부(4b)의 반경 R(㎜): 0.5㎜≤R≤1.5㎜)

원호 또는 원형으로 형성되는 용접 종단부(4b)의 반경 R이 0.5㎜ 미만인 경우, 용접부(4)의 종단(5)에 대한 크레이터(crater) 부분의 비율이 커져, 용접 갈라짐의 발생을 억제할 수 없다. 한편, 용접 종단부(4b)의 반경 R이 1.5㎜보다 큰 경우, 상기한 인장 응력의 분산 효과를 충분히 얻을 수 없어, 용접 갈라짐의 발생을 억제할 수 없다. 그 때문에, 용접 종단부(4b)의 반경 R은, 0.5㎜≤R≤1.5㎜(상기 (2)식)로 한다. 바람직하게는 0.7㎜ 이상으로 한다. 바람직하게는 1.3㎜ 이하로 한다.

여기에서, 도 4 및 도 5를 이용하여, 본 발명의 용접부(4)의 종단(5)의 단면에 대해서 설명한다. 도 5는, 도 4에 나타낸 A-A선 단면도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 용접부(4)의 종단측은 오목한 형상을 하고 있고, 이것을 일반적으로 크레이터라고 칭한다. 전술과 같이, 용접 종단부(4b)의 반경 R이 0.5㎜ 미만인 경우, 이 크레이터부의 오목부(d)가 커져, 용접 갈라짐이 발생하기 쉬워진다.

(용접 종단부(4b)의 각도 θ(rad): 5/6πrad≤θ≤2πrad)

원호 또는 원형으로 형성되는 용접 종단부(4b)의 각도 θ가 5/6πrad보다 작은 경우, 상기한 인장 응력의 분산 효과를 충분히 얻을 수 없어, 용접 갈라짐의 발생을 억제할 수 없다. 한편, 용접 종단부(4b)의 각도 θ가 2πrad보다도 큰 경우, 용접 갈라짐의 발생은 억제되기는 하지만, 용접 시간의 증가나 열 영향부의 증가 등의 새로운 문제가 발생한다. 그 때문에, 용접 종단부(4b)의 각도 θ는, 5/6πrad≤θ≤2πrad(상기 (3)식)로 한다. 바람직하게는 πrad＜θ로 한다. 바람직하게는 θ≤3/2πrad 이하로 한다.

이상과 같이, 본 발명의 용접부(4)는, 본 용접부(4a) 및 용접 종단부(4b)를 상기한 소정의 범위가 되도록 형성하기 때문에, 용접부 종단의 최종 응고부의 중심부에 발생하는 인장 응력(상기한 화살표 Fb 방향의 힘)을 효과적으로 분산 가능하게 된다. 그 결과, 용융부 종단측의 용접 갈라짐의 발생을 방지할 수 있다. 이에 따라, 도 3에 나타내는 바와 같이, 용융부(4)의 전체 길이 L의 최소값이 10.0㎜로 짧은 경우라도 용접부 종단에서의 용접 결함의 발생을 방지할 수 있다.

(복수의 강판의 총 판두께(㎜)에 대한 강판의 사이의 간극(㎜)의 크기의 합계: 0％ 이상 15％ 이하)

본 발명에서는, 복수의 강판을 서로 겹친 겹침부에 있어서의, 강판의 사이의 간극(도 5에 나타낸 예에서는, 강판(2, 3)의 사이의 간극으로 함)의 크기의 합계를, 복수의 강판의 총 판두께(㎜)에 대하여 0％ 이상 15％ 이하로 한다. 도 9를 참조하여, 복수의 강판을 서로 겹친 겹침부에 있어서의, 강판 간의 간극의 크기의 합계 G에 대해서 설명한다. 도 9(A)에는, 겹침 레이저 용접 조인트(1)로서 2매의 강판(2, 3)이 서로 겹쳐지는 경우의 단면도를 나타내고, 도 9(B)에는, 겹침 레이저 용접 조인트(1)로서 3매의 강판(2, 3₁, 3₂)이 서로 겹쳐지는 경우의 단면도를 나타낸다. 도 9(A)에 나타내는 바와 같이 2매의 강판(2, 3)이 서로 겹쳐지는 경우, 강판(2)과 강판(3)의 간극이 강판 간의 간극의 크기의 합계 G이다. 한편으로, 도 9(B)에 나타내는 바와 같이 3매의 강판이 서로 겹쳐지는 경우, 강판(2) 및 강판(3₁)의 간극의 크기 G₁과 강판(3₁) 및 강판(3₂)의 간극의 크기 G₂의 합계가, 강판 간의 간극의 크기의 합계 G이다. 또한, 도 9에서는, 겹침 레이저 용접 조인트(1)로서 2매 또는 3매의 강판이 서로 겹쳐지는 경우를 예시했지만, 4매 이상의 강판이 서로 겹쳐져도 좋다. 구체적으로는, 강판(2)과 N매의 강판(3₁∼3_N)(N은 2 이상의 정수)이 서로 겹쳐지는 경우, 강판(2) 및 강판(3₁)의 간극의 크기 G₁과, 강판(3₁) 및 강판(3₂)의 간극의 크기 G₂와, 강판(3_n)과 강판(3_n＋1)(n은, 2≤n＜N을 충족하는 정수) 등의 각 간극의 크기의 합계가, 강판 간의 간극의 크기의 합계 G이다. 즉, 강판 간의 간극의 크기의 합계 G는, 서로 이웃하여 겹쳐지는 강판끼리의 간극의 합계(G＝G₁＋G₂＋…＋G_N－1＋G_N)라고도 환언할 수 있다. 복수의 강판의 총 판두께 T(㎜)에 대한 강판의 사이의 간극(㎜)의 크기의 합계(총 판극(sheet gap)) G가 0％ 이상 15％ 이하이면, 겹침면의 용융부로의 응력 집중을 억제하게 되어, 용접 갈라짐의 발생을 억제하면서, 박리 강도 향상이 가능해진다. 단, 총 판극이 15％를 초과한 경우는 용접 갈라짐이 발생하여, 강도도 판극 없음의 경우보다도 낮아진다. 바람직하게는, 복수의 강판의 총 판두께(㎜)에 대한 강판의 사이의 간극(㎜)의 크기의 합계는, 5％ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는 10％ 이하로 한다.

또한, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)는, 이상의 구성에 의해 본 발명에서 목적으로 하는 특성을 얻을 수 있지만, 상기의 구성에 더하여, 필요에 따라서 하기의 구성을 더할 수 있다.

(강판의 성분 조성)

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에 이용하는 강판의 성분 조성은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 질량％로, C: 0.07％ 초과 0.25％ 이하, P＋S: 0.03％ 미만, Mn: 1.8％ 이상 3.0％ 이하, Si: 1.2％ 초과 1.8％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 것으로 할 수 있다. 이하, 각 성분 조성에 있어서의 ％란, 질량％인 것을 가리킨다.

(C: 0.07％ 초과 0.25％ 이하)

C 함유량이 0.07％를 초과하는 경우, 석출 강화의 효과를 얻는 것이 가능해진다. 한편, C 함유량이 0.25％ 이하인 경우, 조대한(coarse) 탄화물의 석출을 초래하는 일 없이, 소망의 고강도 및, 가공성을 확보하는 것이 가능해진다. 그 때문에, C 함유량은 0.07％ 초과 0.25％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.10％ 이상이고, 0.20％ 이하이다.

(P＋S: 0.03％ 미만)

P 함유량과 S 함유량의 합계량 (P＋S)가 0.03％ 미만인 경우, 연인성(ductility and toughness)이 저하하지 않아, 소망의 고강도 및 가공성을 확보하는 것이 가능해진다. 그 때문에, P 함유량과 S 함유량의 합계량 (P＋S)는 0.03％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

(Mn: 1.8％ 이상 3.0％ 이하)

Mn 함유량이 1.8％ 이상인 경우, 충분한 퀀칭성(hardenability)이 확보 가능해지기 때문에, 조대한 탄화물이 석출되기 어려워진다. 한편, Mn 함유량이 3.0％ 이하인 경우, 입계 취화 감수성이 저하하여, 인성 및 내(耐)저온 갈라짐성이 열화되기 어려워진다. 그 때문에, Mn 함유량은 1.8％ 이상 3.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mn 함유량은 2.5％ 이하로 한다.

(Si: 1.2％ 초과 1.8％ 이하)

Si 함유량이 1.2％ 초과인 경우, 고용하여 강의 강도를 증가시키는 효과를 충분히 얻는 것이 가능해진다. 한편, Si 함유량이 1.8％ 이하인 경우, 용접 열 영향부의 경화가 커지기 어려워, 용접 열 영향부의 인성 및 내저온 갈라짐성이 열화되기 어렵다. 그 때문에, Si 함유량은 1.2％ 초과 1.8％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Si 함유량은 1.5％ 이하로 한다.

(잔부 Fe 및 불가피적 불순물)

상기 성분 조성 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, Al: 0.015∼0.050％, N: 0.002∼0.005％ 등을 들 수 있다.

그 외, 강판 강도나 조인트 강도를 보다 향상시키기 위해, 상기한 성분 조성에 더하여, 추가로, 필요에 따라서 이하의 A군 및 B군으로부터 선택되는 1개 또는 2개를 함유할 수 있다.

(A군: 질량％로, Ti: 0.005％ 이상 0.01％ 이하 및, Nb: 0.005％ 이상 0.050％ 미만 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종)

Ti나 Nb는, 탄화물 또는 질화물로서 석출되어, 어닐링 중의 오스테나이트의 조대화를 억제하는 작용을 갖는다. 따라서, Ti, Nb를 함유시키는 경우에는, 적어도 1종을 함유시키는 것이 바람직하다. 이 효과를 얻기 위해 Ti, Nb를 함유시키는 경우에는, 각각, Ti는 0.005％ 이상, Nb는 0.005％ 이상으로 한다. 그러나, 과잉으로 함유시켜도 상기 작용에 의한 효과가 포화하여 경제적이지 않을 우려가 있다. 또한, 어닐링 시의 재결정 온도가 상승하고, 어닐링 후의 금속 조직이 불균일하게 되어, 신장 플랜지성(stretch flangeability)도 손상될 우려가 있다. 또한, 탄화물 또는 질화물의 석출량이 증가하여, 항복비가 상승하고, 형상 동결성도 열화할 우려가 있다. 따라서, Ti, Nb를 함유시키는 경우에는, 각각, Ti 함유량은 0.01％ 이하, Nb 함유량은 0.050％ 미만으로 한다. 바람직하게는, Ti 함유량은 0.0080％ 미만으로 한다. 보다 바람직하게는, Nb 함유량은 0.040％ 미만으로 한다.

(B군: 질량％로, Cr: 1.0％ 이하, Mo: 0.50％ 이하 및, B: 0.10％ 이하 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)

Cr, Mo 및 B는, 강의 퀀칭성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 따라서 이들 원소의 1종류 이상을 함유시켜도 좋다. 그러나, 이들 원소를 과잉으로 함유시켜도 상기한 효과가 포화하여 경제적이지 않을 우려가 있다. 따라서, Cr, Mo 및 B를 함유시키는 경우에는, 각각, Cr 함유량은 1.0％ 이하, Mo 함유량은 0.50％ 이하, B 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 또한, 바람직하게는, Cr 함유량은 0.01％ 이상으로 한다. 바람직하게는, Mo 함유량은 0.004％ 이상으로 한다. 바람직하게는, B 함유량은, 0.0001％ 이상으로 한다. 바람직하게는, Cr 함유량은 0.50％ 이하로 한다. 바람직하게는, Mo 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 바람직하게는, B 함유량은 0.0030％ 이하로 한다.

(강판의 인장 강도)

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에 이용하는 복수의 강판 중, 적어도 1개의 강판의 인장 강도 TS가, 980㎫ 이상인 고장력 강판으로 할 수 있다. 적어도 1개의 강판이 상기한 고장력 강판이라도, 레이저 용접 조인트(1)는, 고접합 강도를 얻을 수 있음과 함께, 용접 결함의 발생을 방지할 수 있다. 예를 들면, 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 상기한 성분 조성을 갖고, 인장 강도 TS가 980㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 강판은, 동종, 동형상의 강판이라도 좋고, 이종, 이형상의 강판이라도 좋다.

(강판의 판두께)

본 발명에서는, 레이저 용접하는 대상인 복수매의 강판의 각각의 판두께 t′는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 0.5㎜≤t′≤2.5㎜의 범위 내인 것이 바람직하다. 판두께가 이 범위 내인 강판은, 자동차용 외판 및 자동차용 골격 부재로서 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 복수의 강판의 판두께는, 모두 동일해도 좋고, 상이해도 좋다.

구체적으로는, 도 1 등에 나타낸 레이저 용접 조인트(1)의 경우에는, 상측의 강판(2)의 판두께 t′2: 0.6㎜≤t′2≤1.2㎜를 충족하고, 하측의 강판(3)의 판두께 t′3: 1.0㎜≤t′3≤2.5㎜로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 상측의 강판(2)의 판두께 t′2 및 하측의 강판(3)의 판두께 t′3은, 모두 0.5㎜≤t′2≤2.5㎜, 0.5㎜≤t′3≤2.5㎜로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서의 「용접 갈라짐」이란, 용접부(4)의 용접 종단부에서 발생하여, 용접 종단부에서 용접 시단부까지 전파되는 저온 갈라짐을 가리킨다. 용접 갈라짐의 발생의 유무는, 용접 후의 용접부(4)를 절단하고, 갈라짐의 유무를 확인함으로써 판별할 수 있다. 갈라짐의 유무의 확인은, 육안으로 확인하는 것도 가능하지만, 보다 명료하게 판별하는 관점에서, 예를 들면 절단면을 광학 현미경으로 10배 정도로 확대하여 확인하면 좋다. 또한, 용접 갈라짐은, 용접부(4)의 표면에서 이면까지 관통하고 있다.

＜겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법＞

다음으로, 도 6 및 도 7을 이용하여, 전술한 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 6은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 용접 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에 있어서의 적합한 용접부(용융부)(4)의 위치의 일 예를 설명하는 도면이다. 도 7(A)는, 2개의 강판(2, 3)의 조합을 나타내는 상면도이고, 도 7(B)는, 도 7(A)의 B-B선 단면도이다.

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 제조 방법은, 상기한 겹침 레이저 용접 조인트(1)의 제조 방법으로서, 우선, 복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고, 그 후, 서로 겹친 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부(4)를 형성한다.

또한, 본 발명에서는, 서로 겹친 복수의 강판에 대하여 편측 용접을 행한다. 편측 용접을 행함으로써, 스페이스 절약화를 실현할 수 있다. 편측 용접은, 서로 겹친 복수의 강판 중, 판두께가 보다 큰 쪽의 강판측으로부터 겹침 레이저 용접을 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 용락(burn through)을 막을 수 있다. 강판의 판두께가 동일한 경우에는, 어느 한쪽측으로부터 겹침 레이저 용접을 행하면 좋다.

도 6에 나타내는 예에서는, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)는, 복수의 강판(2, 3)을 서로 겹치고, 강판(2, 3)에 용접부(4)를 형성하도록, 최외층의 강판(2) 표면에 직선부 및 반원부를 갖도록 레이저 빔(7)을 조사하는 겹침 레이저 용접을 행함으로써 얻을 수 있다.

상기한 겹침 레이저 용접은, 레이저 빔(7)을, 직선부 및 곡선부를 갖도록 주사하면서 연속 조사한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 용접부(4a) 및 용접 종단부(4b)로서, 직선부 및 반원부를 갖는 용접부(4)를 형성한다. 이 경우, 직선부를 용접하고 나서, 연속하여 반원부를 향하여 레이저 빔(7)을 조사하는 것이, 용접부(4)의 종단(도 2(B)를 참조)으로의 과잉의 응력 집중을 막아, 갈라짐 발생을 방지할 수 있기 때문에, 바람직하다.

본 발명에서는, 용접부의 본 용접부(4a)의 길이 L₁(㎜)이, 상기 (1)식으로 나타나는 용접부(4)의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 용접부(4)의 용접 종단부(4b)의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부(4b)의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록, 레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 레이저 빔으로서는, 파이버 레이저, 디스크 레이저 등을 이용할 수 있다. 또한, 빔 지름: 0.4∼1.0㎜, 레이저 출력: 2.0∼5.0kW, 초점 위치: 강판 최외층 표면 상∼강판 최외층 표면으로부터 30㎜ 상방, 용접 속도: 2.0∼5.0m/min으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 본 용접부(4a)의 형성에 있어서, 빔 지름: 0.5∼0.8㎜, 레이저 출력: 2.5∼4.5kW, 초점 위치: 강판 최외층 표면 상∼강판 최외층 표면으로부터 20㎜ 상방, 용접 속도: 2.5∼4.5m/min의 범위에서 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 용접 종단부(4b)의 형성에 있어서, 빔 지름: 0.4∼1.0㎜, 레이저 출력: 2.0∼4.0kW, 초점 위치: 강판 최외층 표면 상∼강판 최외층 표면으로부터 30㎜ 상방, 용접 속도: 2.0∼4.0m/min의 범위에서 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 강판(2, 3)으로서, 예를 들면 상기한 성분 조성을 갖고, 인장 강도 TS가 980㎫ 이상인 강판을 이용할 수 있다. 또한, 복수의 강판(2, 3)의 판두께 t′2, t′3을, 각각 0.5㎜≤t′2≤2.5㎜, 0.5㎜≤t′3≤2.5㎜로 하고, 판극이 판두께의 합계의 0％ 이상 15％ 이하로 할 수 있다.

도 6에 나타낸 예에서는, 용접부(4)로서 직선부 및 반원부를 형성하는 경우만을 나타냈지만, 용접 종단부(4b)의 선형 형상에 대해서는 반원부를 대신하여 원형으로 해도 마찬가지로 상기한 발명의 효과는 얻어진다.

다음으로, 도 7을 이용하여, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)에 있어서의 적합한 용접 위치의 일 예에 대해서 설명한다. 또한, 도 7의 설명에서는, 강판(2)을 플랜지부(2b), 강판(3)을 다른 프레임 부품 혹은 패널 부품이라고도 기재한다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 바람직하게는, 용접부(4)는, 본 용접부(4a)의 중심선(Z)이 강판(2)의 플랜지부(2b)의 길이 방향에 대체로 평행이 되도록 형성된다.

본 발명에 있어서, 서로 겹친 복수의 강판 중, 적어도 1개의 강판은, 단면 형상이 대체로 햇 형상 또는 L자 형상이고, 종벽부 및 종벽부의 선단으로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 가져도 좋다. 플랜지부와 다른 강판이 서로 겹쳐진 접합면의 종벽부측의 단부의 좌표를 0으로 하고, 상기 종벽부측을 (＋)로 하고, 종벽부측과는 반대의, 플랜지부의 외단측을 (－)로 한 좌표계로 나타냈을 때에, 용접부가 하기의 (4)식으로 나타나는 용접 위치 X(㎜)에 있는 것이 바람직하다. 이하, 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 7(A) 및 도 7(B)에 나타낸 예에서는, 상측의 강판(2)의 플랜지부(2b)와 하측의 강판(3)의 프레임 부품의 접촉 위치의 종벽부(2a)측의 단부(이하, 접촉 단부라고 칭하는 경우가 있음)의 좌표를 0으로 한다. 또한, 플랜지부(2b)의 외단측을 (－), 대체로 햇 형상(도 7에서는, 일부의 형상만을 나타냄)에 있어서의 종벽부(2a)측을 (＋)로 한 좌표계로 나타낸다. 대체로 햇 형상의 프레임 부품에 있어서, 가장 판두께가 두꺼운 강판의 판두께를 t(㎜)로 한다. 이 때, 하기 (4)식으로 나타나는 용접 위치 X(㎜)에서 편측 용접 방법을 적용하여, 용접을 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도 8에 나타낸 것과 같은, 총 판두께가 2∼5㎜이고, 2매 겹침으로 플랜지 길이 50㎜의 L자 인장 시험편의 박리 강도를 1.2kN 이상으로 할 수 있다.

－2t≥X≥－4t　… (4)

여기에서, X를 상기 (4)식과 같이 설정한 이유를 설명한다.

용접 위치 X가 －2t보다도 플랜지부(2b)의 접촉 단부에 가까우면, 인장 시험 시에 용접 금속부에서 파단하기 쉬워져, 박리 강도도 낮아지는 경우가 있다. 한편, 용접 위치 X가 －4t보다도 플랜지부(2b)의 접촉 단부로부터 멀면, 용접부(4)에 걸리는 모멘트가 커지기 쉬워, 박리 강도가 낮아지는 경우가 있다. 그 때문에, 용접 위치 X는, 상기 (4)식과 같이 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 위치 X는, 좌표 0에서 본 용접부(4a)의 중심선(Z)까지의 거리로 한다.

＜자동차용 골격 부품＞

본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)를 적합하게 이용할 수 있는 부품의 일 예로서, 자동차용 골격 부품이 있다. 상기의 도 1에 나타낸 자동차용 골격 부품의 경우에는, 단면 형상이 대체로 햇 형상의 프레임 부품인 강판(2)과, 패널 부품의 강판(3)이 이용된다. 프레임 부품(도 1에 나타내는 강판(2))의 플랜지부(2b)와, 이 플랜지부(2b)에 대향하여 배치되는 패널 부품(도 1에 나타내는 강판(3))이 상기한 용접 방법에 의해 용접되어 상기한 용접부(4)를 형성함으로써, 폐단면을 구성한다.

본 발명의 자동차용 골격 부품은, 예를 들면, 센터 필러(center pillars), 루프 레일(roof rails) 등에 적용하는 것이 바람직하다. 이들 부품에서는, 충돌 안전성의 관점에서 박리 강도를 확보하는 것이 중요하다. 본 발명의 자동차 골격 부품을 적용한 센터 필러는, 전술과 같이, 충분한 박리 강도를 갖는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 적어도 1매의 고장력 강판을 포함하는 복수매의 강판을 서로 겹치고, 용접부(4)를 형성하여 용접 접합함으로써, 이 강판의 표리면에 용접 결함이 발생하지 않는 겹침 레이저 용접 조인트(1)를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 용접부(4)의 종단측에서의 갈라짐의 발생 및 전파를 억제할 수 있기 때문에, 조인트 강도가 높고 내구성이 우수한 겹침 레이저 용접 조인트(1)를 제조할 수 있다.

또한, 종래의 레이저 용접에 비하여 짧은 용융부 길이라도, 용접 갈라짐을 억제할 수 있다. 이에 따라, 부재 설계의 자유도의 향상이나, 보다 박리 강도가 필요한 부분에 수많이 용접하는 것에 의한 강도 향상도 기대할 수 있다.

추가로, 본 발명의 겹침 레이저 용접 조인트(1)는, 외관이 우수하기 때문에, 자동차의 구조 부재에 적합하게 이용할 수 있다. 예를 들면, 접합하는 강판으로서 고강도 강판을 이용함으로써 자동차용 골격 부품으로 할 수 있다. 이러한 겹침 레이저 용접 조인트(1)를 이용함으로써, 조인트 강도가 높은 자동차용 골격 부품 등을 얻을 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 작용 및 효과에 대해서, 실시예를 이용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

본 실시예에서는, 공시재로서 표 1에 나타내는 성분 조성의 강판을 이용했다.

강판의 판두께는, 1.2㎜, 1.6㎜ 및 2.0㎜ 중 어느 하나이고, 판폭은 50㎜이다. 이들 강판을 이용하여, 도 8에 나타내는 바와 같이, L자의 단면 형상으로 굽힘 가공을 실시했다. L자 강판(8)은, 장변(8a)과 단변(8b)을 갖는다. 또한, 장변(8a)이, 상기한 도 1에 나타낸 레이저 용접 조인트(1)의 강판(2)의 종벽부(2a)에 상당하고, 단변(8b)이 플랜지부(2b)에 상당한다.

그리고, 동일한 강종 및 동일한 판두께의 L자의 강판(8)을 2매 이용하여, 각 단변(8b)끼리를 서로 겹친 후, 서로 겹친 부분을 길이 방향으로 복수 개소 단속적으로 레이저 용접을 행하여 용접 비드(용접부(4))를 형성하여, L자 시험편(이하, 시험편이라고 칭함)을 제작했다. 여기에서는, 시험편 사이즈는, 장변(8a)(횡벽 길이): 120㎜, 단변(8b)(시험편 폭): 50㎜, 서로 겹친 부분(플랜지 폭): 30㎜, 상하의 강판(8) 간의 판극은 0.2㎜로 했다.

레이저 용접에 의해 형성하는 용접부(4)의 조건을, 표 2-1, 표 2-2 및 표 2-3에 나타낸다.

용접 위치 좌표는, 시험편의 2개의 강판(8)을 서로 겹친 부분의 접촉 위치의 단부를 0으로 하고, 시험편의 서로 겹친 부분의 외단측을 (－), 시험편에 있어서의 종벽측을 (＋)로 한 좌표계로 나타낸다. 이 때의 용접 위치: X, 용융부(4)의 전체 길이: L, 용접부(4)의 종단(용접 종단부(4b))의 원호 혹은 원형의 반경: R, 용접부(4)의 종단(용접 종단부(4b))의 원호 혹은 원형의 각도: θ로 하고, 각각의 값을 여러 가지로 바꾸어 시험을 행했다.

레이저 용접에는 파이버 레이저를 이용했다. 겹침 레이저 용접은, 레이저 출력 4.5kW, 초점 위치의 빔 직경을 0.6㎜φ의 일정하게 하고, 용접 속도, 가공점 거리를 조절하여, 용접 비드의 용입을 조정했다. 또한, 용접은 대기 중에서 행했다. 레이저 용접의 초점 위치는, 단변(8b)의 강판 표면으로 했다.

또한, 인장 시험은 JIS Z3136에 기초하여, 10㎜/min의 속도로 행했다. 갈라짐 발생의 판정은, 육안 및 침투 탐상 시험에 의해 판정했다.

또한, 박리 강도는, L자로 굽힌 강판(8)끼리를 도 8과 같이 서로 겹쳐 레이저 용접을 행하고, 양측으로부터 인장 하중을 부하하는 L자 인장 시험으로 측정했다. 또한, 인장 방법은 JIS Z3136에 기초하여 행했다. 박리 강도가 1.2kN 이상인 경우에, 고접합 강도를 갖는 것으로서, 합격으로 했다.

우수한, 용접 갈라짐 및 박리 강도의 판정 결과를 표 2-1, 표 2-2 및 표 2-3에 나타낸다.

(표 1)

(표 2-1)

(표 2-2)

(표 2-3)

표 2-1, 표 2-2 및 표 2-3에 나타내는 바와 같이, 본 발명예의 시험편은, 박리 강도가 1.2kN 이상이고, 용접 갈라짐은 발생하지 않았다.

한편, 비교예의 시험편 중, No.2, No.9, No.16, No.23, No.30, No.37은, 총 판극 G가 총 판두께 T의 15％보다 크기 때문에, 용접 갈라짐이 발생했다.

또한, No.4, No.11, No.18, No.25, No.32, No.39는, 용접부(4)의 전체 길이 L이 짧기 때문에, 용접 갈라짐이 발생했다.

또한, No.5, No.12, No.19, No.26, No.33, No.40, No.67∼78은, 용접부(4)의 종단(용접 종단부(4b))의 반경 R이 크기 때문에, 용접 갈라짐이 발생했다.

또한, No.6, No.13, No.20, No.27, No.34, No.41은, 용접부(4)의 종단(용접 종단부(4b))의 반경 R이 작기 때문에, 용접 갈라짐이 발생했다.

또한, No.7, No.14, No.21, No.28, No.35, No.42는, 용접부(4)의 종단(용접 종단부(4b))의 각도 θ가 작기 때문에, 용접 갈라짐이 발생했다.

이상과 같이, 상기한 본 발명에 따라 레이저 용접을 행한 본 발명예에서는, 양호한 겹침 레이저 용접 조인트가 얻어졌다. 이에 대하여, 본 발명의 상기한 용접 조건을 벗어나는 비교예에서는, 양호한 겹침 레이저 용접 조인트가 얻어지지 않은 것을 알 수 있다.

1 : 겹침 레이저 용접 조인트
2 : 강판
3 : 강판
4 : 용접부
4a : 본 용접부
4b : 용접 종단부
5 : 용접부의 종단
6 : 최종 응고부가 되는 중심부
7 : 레이저 빔
14 : 용접부
15 : 용접부의 종단
16 : 갈라짐

Claims

복수의 강판을 서로 겹쳐 레이저 용접에 의해 접합된 용접부를 갖는 겹침 레이저 용접 조인트로서,
상기 용접부는, 용접선 형상을 직선으로 하는 본 용접부와, 당해 본 용접부의 일단부에 형성된 용접선 형상을 원호 또는 원으로 하는 용접 종단부로 이루어지는 J자 형상이고,
상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)은, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하이고,
상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)은 (2)식을 충족함과 함께, 상기 용접 종단부의 각도 θ(rad)는 (3)식을 충족하고,
상기 복수의 강판을 서로 겹친 겹침부에 있어서의, 상기 복수의 강판 간의 간극의 크기의 합계가, 상기 복수의 강판의 총 판두께에 대하여 0％ 이상 15％ 이하인, 겹침 레이저 용접 조인트.
10.0≤L　　　　… (1)
0.5≤R≤1.5　　… (2)
π＜θ≤2π　　… (3)
여기에서, L은 용접부의 전체 길이(단위: ㎜), R은 용접부의 용접 종단부의 반경(단위: ㎜), θ는 용접부의 용접 종단부의 각도(단위: rad)이다.
제1항에 있어서,
상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 질량％로,
C: 0.07％ 초과 0.25％ 이하,
P＋S: 0.03％ 미만,
Mn: 1.8％ 이상 3.0％ 이하,
Si: 1.2％ 초과 1.8％ 이하
를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 겹침 레이저 용접 조인트.
제2항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로, 이하의 A군 및 B군으로부터 선택되는 1개또는 2개를 함유하는, 겹침 레이저 용접 조인트.
A군: 질량％로,
Ti: 0.005％ 이상 0.01％ 이하 및,
Nb: 0.005％ 이상 0.050％ 미만
중으로부터 선택되는 1종 또는 2종
B군: 질량％로,
Cr: 1.0％ 이하,
Mo: 0.50％ 이하 및,
B: 0.10％ 이하
중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판이, 인장 강도 980㎫ 이상의 고장력 강판인, 겹침 레이저 용접 조인트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 단면 형상이 대체로 햇(hat) 형상 또는 L자 형상이고, 종벽부 및 당해 종벽부의 선단으로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 갖고,
상기 플랜지부와 다른 강판이 서로 겹쳐진 접합면의 상기 종벽부측의 단부의 좌표를 0으로 하고, 상기 종벽부측을 (＋)로 하고, 상기 종벽부측과는 반대의, 상기 플랜지부의 외단측을 (－)로 한 좌표계로 나타냈을 때에, 상기 용접부가 식 (4)로 나타나는 용접 위치 X(㎜)에 있는, 겹침 레이저 용접 조인트.
－2t≥X≥－4t　… (4)
여기에서, t는 상기 복수의 강판 중 가장 판두께가 두꺼운 강판의 판두께(단위: ㎜)이다.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법으로서,
복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고,
서로 겹친 상기 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)이, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록,
레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품.
제4항에 있어서,
상기 복수의 강판 중 적어도 1개의 강판은, 단면 형상이 대체로 햇 형상 또는 L자 형상이고, 종벽부 및 당해 종벽부의 선단으로부터 외측으로 연장되는 플랜지부를 갖고,
상기 플랜지부와 다른 강판이 서로 겹쳐진 접합면의 상기 종벽부측의 단부의 좌표를 0으로 하고, 상기 종벽부측을 (＋)로 하고, 상기 종벽부측과는 반대의, 상기 플랜지부의 외단측을 (－)로 한 좌표계로 나타냈을 때에, 상기 용접부가 식 (4)로 나타나는 용접 위치 X(㎜)에 있는, 겹침 레이저 용접 조인트.
－2t≥X≥－4t　… (4)
여기에서, t는 상기 복수의 강판 중 가장 판두께가 두꺼운 강판의 판두께(단위: ㎜)이다.
제4항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법으로서,
복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고,
서로 겹친 상기 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제5항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법으로서,
복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고,
서로 겹친 상기 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제9항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법으로서,
복수의 강판을 상하 방향으로 서로 겹치고,
서로 겹친 상기 복수의 강판 중, 상측의 강판 표면에 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)이, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록,
레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)이, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록,
레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 본 용접부의 길이 L₁(㎜)이, (1)식으로 나타나는 상기 용접부의 전체 길이 L(㎜)에 대하여 2/3 이상 4/5 이하, 또한 상기 용접 종단부의 반경 R(㎜)이 (2)식을 충족함과 함께 당해 용접 종단부의 각도 θ(rad)가 (3)식을 충족하는 J자 형상이 되도록,
레이저 출력, 초점 위치, 용접 속도 및, 빔 지름 중 적어도 1개를 제어하는, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제4항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품.
제5항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품.
제9항에 기재된 겹침 레이저 용접 조인트를 갖는 자동차용 골격 부품.