JP2009045628A

JP2009045628A - 鋼板のレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2009045628A
Application number: JP2007211190A
Authority: JP
Inventors: Taikan Horikoshi; 大寛堀越; Moriaki Ono; 守章小野; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】本発明は、高い生産性で、溶接欠陥がなく、安定して高い継手強度が得られる鋼板のレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
【解決手段】有機または無機の酸化防止剤を少なくとも片面に塗布した鋼板同士を重ね接合する際に、レーザ出力（Ａ）と加工速度（Ｂ）との比が式（１）を満足するように接合することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。
【数１】

【選択図】図１

Description

本発明は、酸化防止剤を塗布した鋼板のレーザ溶接方法に関するものである。

自動車車体の軽量化の進展につれ、自動車部品に使用される薄鋼板は次第に高強度化しており、最近では引張強度が980MPa級の高張力鋼板も使用され始めている。特に、ドアインパクトビームやルーフリンフォース、センターピラーリンフォース等の耐側面衝突用の強化部品には、衝突時の客室の変形を抑えるため、車体部品の中でも最も高い強度レベルの鋼板が使用される傾向にある。ただし、鋼板の高強度化に伴って不可避的に成形性が低下することが、引張強度980MPa級を超える超高張力鋼板の実用化に対して大きな阻害要因となっている。

鋼板の成形性を確保しながら大幅な高強度化を実現するための方策として、熱処理による強化、とりわけ焼入効果の利用が挙げられる。なかでも、ホットプレスと呼ばれる成形法は、高温に加熱した鋼板を水冷金型で成形しつつ同時に焼入することによって、成形時の低強度と980MPaをはるかに超える成形後の高強度を両立させる手段となっている。ホットプレス法は成形加工と焼入効果を同一工程で済ませられる利点があり、欧州では以前から実用化が進んでいる。

しかし、鋼板にホットプレス法を施す場合、表面に酸化スケールが生成するという問題がある。この酸化スケールは通電性がないため、酸化スケールの生成量が多くなると、スポット溶接等の溶接が困難となる。

そこで、この対策として、主に、プレス焼入前に、予め表面の酸化スケールを防止するための皮膜を塗布するか、もしくはプレス焼入後にショットブラストをかけて酸化スケールを剥離する対策が考えられている。

たとえば、鋼板にAl-10%Si層をめっき処理する方法である。この方法によると、めっき層の融点は、600℃程度であるため、炉中でめっき層が溶融するが、全部が溶けることはなく一部が残るので、酸化スケールは生成しない。

従って、ショットブラスト、サンドブラスト等を使う必要がなく、また皮膜に通電性があるため、ホットプレス処理を行ったままの状態で溶接することが可能である。

一方、めっき処理をしない鋼板を使う場合は、ホットプレスを行うと、鋼板表面に酸化スケールが生成するので、ショットブラスト、サンドブラスト等で酸化スケールを除去しなければならないので手間がかかるという問題がある。

この場合には、鋼板に予め酸化防止剤を塗布することで、酸化スケールの生成を防止することができる。鋼板の酸化防止剤には、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃等を主成分にした有機または無機皮膜が使われることが多く、この場合、酸化スケールの生成は抑えられるものの、酸化防止剤自体が溶接に大きく影響を及ぼすという問題がある。

即ち、スポット溶接を行うと、酸化防止剤の皮膜の接触抵抗が大きいため、通電時に電極自体が溶解し皮膜と結合してしまう現象がおこるからである。

またアーク溶接を行う場合は、酸化防止剤の皮膜には導電性がないため、アークが発生しにくく、発生してもビード形状が不安定になりがちである。

一方、スポット溶接、アーク溶接と比べて、レーザ溶接は、皮膜の導電性の影響を受けないため、比較的接合がしやすい傾向にあるが、接合はするものの、皮膜が気化しブローホールが発生しやすいという問題がある。

ホットプレス材をブローホールの生成なしに接合する方法として、特許文献１または特許文献２には、接合する亜鉛めっき鋼板または表面処理鋼板に隙間を設け、めっき層または表面処理皮膜が気化しても、発生したガスが隙間を通過するようにして、ブローホールの生成を防止する技術が開示されている。

しかし、隙間が大きすぎると逆に接合しにくくなるため、安定した最適な間隔の隙間を設ける必要があり、設定には手間を要するという問題がある。
特開２００３−２９０９５５号公報特開２００１−１６２３８８号公報

本発明は、高い生産性で、溶接欠陥がなく、安定して高い継手強度が得られる鋼板のレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

発明者等は、上述した課題を鋭意検討し、発明を完成させたもので、その要旨は以下の通りである。

第一の発明は、有機または無機の酸化防止剤を少なくとも片面に塗布した鋼板同士を重ね接合する際に、レーザ出力（Ａ）と加工速度（Ｂ）との比が式（１）を満足するように接合することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法

である。

第二の発明は、有機または無機の酸化防止剤を少なくとも片面に塗布した鋼板と被覆層のない金属板とを、重ね接合する際に、レーザ出力（Ａ）と加工速度（Ｂ）との比が式（１）を満足するように接合することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法

である。

本発明の溶接条件を適用することにより、ホットプレス材をレーザ溶接により接合でき、また溶接欠陥もなく安定して高い継手強度が得られる。

レーザ溶接による入熱量が大きいと、鋼板の接合界面もしくはこの近傍に存在する酸化防止剤が広範囲に気化するため、上板と下板の界面に気泡が溜まりやすく、ブローホールが発生する。

一方この酸化防止剤の気化は熱量を吸収するため、酸化防止剤を塗っていない鋼板を接合する場合と比べて、多くの熱量を必要とする。従って、入熱が不足する場合は、十分に接合せず、強度不足が発生する。

従って、酸化防止剤を塗布していても、接合が可能なだけの熱量を加え、かつ接合部付近の酸化防止剤を広範囲で気化させるような過度の熱量を加えないように、溶接条件を最適化することが必要である。

そこで、レーザ出力、加工速度、酸化防止剤の皮膜厚、板厚を変化させて適正条件を検討した結果、下記式（１）の関係を満足するように、

レーザ出力、加工速度を調整した場合に、良好なビード形状および継手強度を持つ継手を得られることを明らかにした。

式（１）の左辺がA/B≦320+178ｔ+4.3Cとなる溶接条件の場合は、
板厚、酸化防止剤の量に比べて、板を接合するために十分な入熱量が加わらず、接合強度不足となる。即ち、式（１）の左辺は目的とする接合強度を得るための限界条件を示している。

一方、式（１）の右辺がA/B≧3770-6.4Cとなる溶接条件の場合は、
入熱過多となり、接合部周辺の酸化防止剤が大量に気化するため、ブローホールが大量に発生するため、溶接部の品質が劣化するとともに、ブローホールの大量発生により接合強度も低下する。即ち、式（１）の右辺はブローホールの発生限界条件を示している。

本発明で対象とするホットプレス材は、鋼板上の少なくとも接合する面に、有機、無機、あるいは有機・無機複合型の酸化防止剤を塗布した鋼板である。接合の相手となる金属板は、酸化防止剤を塗布したものでもよいし、酸化防止剤を塗布していないものであってもよい。また片方のみ酸化防止剤を塗布したものの場合、これが上板であっても、下板であってもよい。

接合の相手の金属板としては、たとえば、熱延鋼板、冷延鋼板や、鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、亜鉛合金めっき鋼板、アルミめっき鋼板、クロムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、銅めっき鋼板などのめっき鋼板、およびステンレス鋼板、アルミ板、銅板、アルミ合金板などが挙げられる。

酸化防止剤の主な組成としては、例えば、Cr₃C₂、CrSi₂、TiC、Cr、Ti、Al₂O₃、SiO₂、Na₂SiO₃、TiO₂、Cr₂O₃、B₄C、MoSi₂などの炭化物、酸化物、ケイ化物が挙げられる。また、Mg、Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo等の化合物が含まれてもよい。

本発明に用いるレーザ発振機は、溶接に用いるため200ワット以上、好ましくは数キロワットの出力が必要である。レーザの種類としては、レーザ光生成媒体としてYAGロッドを用いてハロゲンランプなどでレーザ光を励起するタイプや、レーザダイオード(LD)でレーザ光を励起するタイプのYAGレーザが好ましい。

その他、炭酸ガスレーザ、スラブレーザ、ルビーレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。光学系には、変向用反射ミラーと数枚の正負の集束レンズを組み合せた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡の組み合わせだけでレーザ光を収束させてもよい。

ホットプレス処理を行う鋼板として、すべて幅200mm、長さ200mmのサイズで、厚さ0.8mm、引張強度TSが627MPa、降伏強度YSが514MPaの0.2%Cの冷延鋼板、厚さ1.2mm、引張強度TSが632MPa、降伏強度YSが518MPaの0.2%Cの冷延鋼板、および厚さ2.0mm、引張強度TSが633MPa、降伏強度YSが526MPaの0.2%Cの冷延鋼板を用いた。

また、酸化防止剤としては、水分を除く化学成分が、質量%でAl₂O₃が40%、SiO₂が40%およびNa₂SiO₃が20%であるものを用いた。

模擬ホットプレス装置は、図1に示すように200mm径の鋼管１を長さ70mmに切断し、両端開放部に幅250mm、長さ250mm、厚さ10mmの冷却用銅板２を接合し、模擬金型とした。銅板の表面が試料に接する構造になる。

酸洗処理した鋼板に、酸化防止剤を鋼板の表裏面に10μm、15μm、20μm、30μmの厚さに均一に塗布した後、950℃の大気雰囲気で加熱し、10〜30分均熱後、直ちに水冷された模擬金型で試料９の両面を上下に挟み冷却を行い、模擬ホットプレス材(成形なしの焼入材)を作製した。

YAGレーザを用いて、レーザ出力、加工速度、酸化防止剤の厚さ、上板の厚さを変化させた表1の条件で、2枚の模擬ホットプレス材の重ね接合を行って継手試料No.1〜29を作製した。なお、レーザビームの焦点位置は上板表面(デフォーカス＝0)、シールドガスはArガス20リットル／min、板の重ねしろは40mmとした。

接合部の品質を評価するために、Ｘ線透過試験により溶接ビード表面のピットを調査した。溶接長200mmで直径0.3mm以上のピットが20個以上あった場合、または溶接部が未接合の場合は×、20個未満の場合は○と表した。なお、ピットとは、上述した酸化防止剤が気化したときに溶接ビード部に発生したブローホールの痕跡である。

また、図2に示すような形状の引張試験片を用い、JIS Z 3136に準じた引張剪断試験を行い、継手強度を求めた。継手強度が590MPa以上の場合は○、590MPa未満の場合は×と表した。結果を表1に示す。

継手試料No.7,14,18では、A/B＞3770-6.4Cであるため、入熱過大となりブローホールが大量に発生し、溶接部品質が劣化（X線透過試験結果は×）するとともに、接合強度も低下した。

継手試料No.3,6,10,13,17,21,25,29では、A/B＜3770-6.4Cであるものの、320+178ｔ+4.3C＞A/Bであるため、入熱不足となり、溶接部が未接合のケース（継手試料No.3,17,21では、X線透過試験結果は×）や溶接部は一応接合しているケース（継手試料No.6,10,13,
25,29では、X線透過試験結果は○）が発生したが、いずれも接合強度が不足した。

一方、本発明の条件により作製された継手試料No.1,2,4,5,8,9,11,12,15,16,19,20,22〜24,26〜28では、320+178ｔ+4.3C＜A/B＜3770-6.4Cを満足すため、ピットが20個未満と少なく良好なビード形状となり、引張剪断試験における継手強度が590MPa以上となった。

溶接面に酸化防止材を塗布した鋼板にも本発明の溶接方法を適用することができる。

模擬ホットプレス装置の模式図である。引張剪断試験に用いた引張試験片の断面図である。引張剪断試験に用いた引張試験片の平面図である。

符号の説明

１鋼管
２冷却用胴板
３冷却水を通すパイプ
４試料
１１溶接部
１２鋼板

Claims

有機または無機の酸化防止剤を少なくとも片面に塗布した鋼板同士を重ね接合する際に、レーザ出力（Ａ）と加工速度（Ｂ）との比が式（１）を満足するように接合することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。
有機または無機の酸化防止剤を少なくとも片面に塗布した鋼板と被覆層のない金属板とを、重ね接合する際に、レーザ出力（Ａ）と加工速度（Ｂ）との比が式（１）を満足するように接合することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。