JP2010279991A - 薄鋼板のレーザ重ね溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フランジの構造や溶接部の位置に制約を設けなくても、凝固割れの生じない、薄鋼板の重ねレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】薄鋼板１Ａ、１Ｂを複数重ね合わせてレーザ光Ｌを照射し、互いに溶接する方法であり、薄鋼板１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１枚が高張力鋼板であり、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である溶接部２を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板１Ａ、１Ｂを互いに溶接し、薄鋼板１Ａ、１Ｂの重ね合せ部５の幅を８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光Ｌを用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５｝で表される関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法に関し、特に、板厚が０．５〜３．２ｍｍの薄鋼板を複数重ね合わせ、この重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、重ね合わせた薄鋼板の端部に沿ってレーザ光を移動させて、これら薄鋼板を互いに溶接する薄鋼板のレーザ重ね溶接方法に関する。なお、本発明は、主に、自動車や家庭用電化製品の構造物をレーザ溶接する場合に好適な方法である。

近年、自動車の燃費の改善や安全性の向上といった要求に対応するため、引張強さが４４０ＭＰａ級以上の高強度の薄鋼板が自動車車体に多く使用されるようになっており、レーザ溶接を用いてこれらの鋼板を溶接することが求められている。さらに、高強度薄鋼板を重ね合わせて溶接する方法において、安定した接合部強度が得られるレーザ溶接方法が求められている。

レーザ溶接は、レーザ光を熱源とするため、アーク溶接に比べて入熱量の制御が確実かつ容易である。このため、溶接速度やレーザビームの照射出力、さらにはシールドガス流量などの溶接条件を適切に設定することによって熱変形を小さくできるというメリットがある。また、レーザ溶接は、片側から溶接できることから自動車の車体など複雑な部材の組付溶接に好適である。このようなレーザ溶接は、自動車製造業や電気機器製造業等、多用な分野において、薄鋼板を成形加工した部材を溶接する際に多用されている。また、これに関連して、溶接継手強度に優れた重ね継手を形成する、レーザ重ね溶接方法が多数提案されている。

従来から自動車の車体パネルに用いられている、薄鋼板から形成され、重ね継ぎ手を有する部材の典型的な一例について、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す模式図を例に説明する。図示例のように、折り曲げ部２３およびフランジ部２４を有し、断面略ハット形状の構造部材である薄鋼板２１（２１Ａ）を互いに対向させ、そのフランジ部２４を重ね合わせ、その重ね合せ部をスポット溶接などで接合したフレーム部材の他、図２（ｂ）、（ｃ）に示すようにフランジ部２４と薄鋼板２１Ｂあるいはフランジ部２４の間に薄鋼板２１Ｂを介在させてそれらを重ね合わせ、それらを同様に接合したフレーム部材や、さらには、図２（ｄ）に示すように複数枚の構造部材である薄鋼板２１Ａを同一方向に重ね合わせたフレーム部材が使用されている。特に、近年、地球環境問題のための自動車の燃費向上のために、これらの部材に高張力鋼板を多用して車体の軽量化が図られるようになっている。

上述のような高強度鋼板の重ね合せ部の接合にレーザ溶接を採用した場合には、連続溶接によって高い接合強度が得られ、また、ビード幅が狭いことから、従来用いられていたスポット溶接やアーク溶接に比べて接合部の設計自由度が大きいため、フランジ部の幅を狭くすることで、構造部材を小型、軽量化することが可能となるなどの利点がある。
しかしながら、高張力鋼板よりなる構造部材において、例えば、フランジ部の幅を狭くして部材を軽量化し、重ね合せ部の端部近傍をレーザ溶接により下側の鋼板裏面まで溶融するように溶接する場合、凝固割れ等の問題が生じることが、特許文献１、２によって明らかとなっている。

すなわち、図７（ａ）に示すように、断面略ハット形状の構造部材１００の両側に備えられるフランジ部１０４を相互に重ね合わせてなるフレーム部材１１０のフランジ部１０４に、重ね合せ方向、すなわちフランジ部１０４に交差する方向からレーザ光を照射して、下側の鋼板裏面まで溶融するように溶接する。この際、フランジ部１０４の長手方向端部から溶接を開始する場合には（図７（ａ）、（ｂ）中の矢印を参照）、図７（ｂ）に示すように、溶接始端部側が外側に広がるように変形し、割れが発生するという問題がある。

また、図８に示すように、溶接開始点１０５をフランジ部１０２の長手方向の端部とはせず、該端部から所定距離隔てた点を溶接開始点とした場合でも、溶接後に溶接部１０６の中央部分が膨出し、割れ等が発生する場合がある。なお、図８中において、符号１０８はレーザ溶接ヘッドである。これは、重ね合わせた下側の鋼板の裏面まで溶融するようにレーザ光を照射して溶接する場合、レーザ光の照射によって形成された溶融部が凝固するまで、溶融部よりも端部側の部位が、フランジ部１０２本体から切り離された状態になるため、この部位の幅が小さいと、溶接部１０６からの熱伝導による熱膨張で当該部位が変形し、凝固途中の溶接ビードを引っ張るため、凝固時に割れが発生するものと考えられる。

このような、従来のフランジ部材の重ね合せ部の端部近傍をレーザ溶接した際に生じる凝固割れの問題に対し、特許文献１、２では、以下のような方法により、凝固割れを防止することが提案されている。
まず、特許文献１においては、凝固割れの発生は溶接金属のＣ、Ｐ、Ｓ成分に依存し、図９に示すように、Ｃ＜０．０５質量％、かつ、Ｐ＋Ｓ＜０．０３質量％になるように、または、０．０８質量％＜Ｃ＜０．７質量％、かつ、Ｐ＋Ｓ＜０．０５質量％になるように溶接部を形成することにより、凝固割れを防止できることが記載されている。

また、特許文献２では、特許文献１で示された凝固割れが生じない成分範囲以外の場合、図１０に示すように、まず、溶接金属鋼板１１１、１１４の重ね合せ部の幅を８ｍｍ以内とし、かつ、一方の鋼板（溶接金属鋼板）１１４の端部からの距離Ｂが３．５ｍｍ以上の位置に溶接部１１２を形成することで凝固割れを防止できることが記載されている。または、図１０に示すように、一方の鋼板１１４の他方の鋼板１１１からの突出量Ｄが５ｍｍ以上となるように重ね合わせ、鋼板同士の重ね合せ部の幅を８ｍｍ以内とし、かつ、他方の鋼板１１１の端からの距離Ｂが１．５ｍｍ以上の位置に溶接部１１２を形成することにより、凝固割れを防止できることが記載されている。

特開２００７−２２９７４０号公報 特開２００７−２２９７５２号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の発明では、溶接金属の成分であるＣ（炭素）の含有量が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％の場合に、凝固割れを回避するためには、フランジの重ね合せ部の構造や溶接部の形成位置に制約が生じるという問題があった。
ところが、高張力薄鋼板のレーザ溶接において、部材の軽量化のためにフランジ部の幅を短くし、さらに、重ね合せ部の端部近傍を下側の鋼板裏面まで溶融するように溶接する場合で、溶接金属の成分Ｃが０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、または、Ｃ＜０．０５質量％、かつ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％の場合に、溶接凝固割れを回避するための方法として、フランジの重ね合せ部の構造や溶接部の形成位置に制約を設けない溶接方法については、従来は提案されていなかった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、フランジの重ね合せ部の構造や、溶接部の形成位置に制約を設けること無く、凝固割れ等が発生するのを抑制可能な、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者等が上記問題を解決するために鋭意研究したところ、少なくとも１枚の薄鋼板を高張力鋼板から構成し、また、溶接部の溶接金属の成分Ｃが、０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％の場合でも、各種溶接条件を適性化することにより、フランジの重ね合せ部の構造や、溶接部の形成位置に多くの制約を設けること無く、凝固割れ等が生じるのを抑制できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。

［１］ 板厚０．５〜３．２ｍｍの薄鋼板を複数重ね合わせ、この重ね合わせた下側の薄鋼板の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、重ね合わせた薄鋼板の端部に沿って前記レーザ光を移動させて溶接部を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板を互いに溶接する、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法であって、前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚が高張力鋼よりなる板材であり、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である前記溶接部を形成することにより、重ね合わせた前記薄鋼板を互いに溶接し、前記薄鋼板の重ね合せ部の幅を８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光を用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、下記（１）式で表される関係を満たすことを特徴とする、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５ ・・・・・・・・・・ （１）
［２］ 前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚の薄鋼板は、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った鋼板端部のうちの少なくとも片側に、折り曲げ部および該折り曲げ部に続くフランジ部を有する構造部材であり、前複数の記薄鋼板の重ね合せ部が、前記フランジ部と他の前記薄鋼板を重ね合わせたものであることを特徴とする、上記［２］に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
［３］ 前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚の薄鋼板が、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った鋼板端部の両側に前記折り曲げ部および前記フランジ部を有する、断面略ハット形状の構造部材であることを特徴とする、上記［２］に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
［４］ 前記フランジ部の幅が８ｍｍ以内であることを特徴とする、上記［２］または［３］に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。

本発明の請求項１に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法によれば、複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚を高張力鋼板とし、また、薄鋼板の重ね合せ部の幅を８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光を用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５｝で表される関係を満たす条件で溶接する方法なので、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である溶接部を形成し、重ね合わせた下側の薄鋼板裏面まで充分に溶け込みを行った場合でも、溶接部に凝固割れが発生することなく、重ね合わせた薄鋼板を互いにレーザ溶接することができる。従って、重ね合せ部の幅が狭くても強度の高い溶接部を形成することができ、構造部材を小型化、軽量化することが可能となる。
また、本発明の請求項２、３に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法によれば、少なくとも１枚の薄鋼板がフランジ部を有する構造部材である溶接方法なので、自動車のパネル部品の製造等に適用することが可能となる。
また、本発明の請求項４に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法によれば、フランジ部の幅を適性化して溶接を行う方法なので、構造部材をさらに小型化、軽量化することが可能となる。

本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、フランジ部の幅と溶接部の位置との関係を示す概略斜視図である。 本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、重ね継ぎ手を有する構造部材をなす薄鋼板の各例を示す概略斜視図である。 本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、溶接部の溶接後の凝固過程の温度と歪との関係を示すグラフである。 本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、凝固脆性範囲と収縮変位の関係を示す図である。 本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、溶接部をなす溶接金属中の各元素の濃度と凝固温度幅との関係を示すグラフである。 本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の一例を模式的に説明する図であり、溶接部における凝固割れの発生とレーザ溶接条件との関係を示すグラフである。 従来の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を模式的に説明する図であり、溶接部に生じる凝固割れの一例を示す概略斜視図である。 従来の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を模式的に説明する図であり、溶接部に生じる凝固割れの他の例を示す概略斜視図である。 従来の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を模式的に説明する図であり、溶接部における凝固割れの発生と成分との関係を示すグラフである。 従来の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を模式的に説明する図であり、フランジ部の幅と溶接部の位置との関係を示す概略斜視図である。

以下、本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の実施形態について、図１〜図６を適宜参照しながら説明する（図７〜図１０等も参照）。なお、本実施形態は、本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り本発明を限定するものではない。

本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法は、板厚０．５〜３．２ｍｍの薄鋼板１（１Ａ、１Ｂ）を複数重ね合わせ、この重ね合わせた下側の薄鋼板１の裏面１ｃまで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光Ｌを照射しつつ、重ね合わせた薄鋼板１の端部１ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させて溶接部２を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板１を互いに溶接する方法であり、複数の薄鋼板１のうちの少なくとも１枚を高張力鋼板とし、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である溶接部１２を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板１Ａ、１Ｂを互いに溶接し、薄鋼板１Ａ、１Ｂの重ね合せ部５の幅Ａを８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光Ｌを用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合せ部（重ね合わされた被溶接部）５の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、下記（１）式で表される関係を満たす条件で溶接する方法である。
ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５ ・・・・・ （１）

（薄鋼板の材質）
本発明では、レーザ重ね溶接する鋼板の材質としては、複数の鋼板の全てが高張力鋼板である場合と、薄鋼板の少なくても１枚が高張力鋼板であり、他の薄鋼板は高張力鋼板に比べて引張強さが低い鋼などである場合があり、本発明はその何れをも対象（被接合物）とする。
高張力鋼板の強度レベルの範囲としては、引張強さが４４０ＭＰａ以上のものとする。これは、引張強さが４４０ＭＰａ級未満の薄鋼板同士の重ねレーザ溶接では、本発明が課題とする凝固割れの問題がないからである。また、鋼板強度レベルの上限は、溶接金属の成分が本発明の範囲を満たすことができる限り、特に限定する必要はないが、一般的な薄鋼板の成分を考慮して溶接金属の成分範囲を本発明の範囲とするためには、引張強さが９８０ＭＰａ級までとするのが好ましい。
また、異なる組合せの薄鋼板としては、例えば、引張強さが５９０ＭＰａ級の薄鋼板と２７０ＭＰａ級の薄鋼板の組合せ等が例示できる。

レーザ溶接では、溶接金属の成分は、フィラー等の溶加材を別途添加しない場合、重ね合わせた各薄鋼板の母材成分値及びその板厚から計算される平均成分であり、計算されるＣ、Ｐ、Ｓの値が、上記本発明の規定を満たすように構造部材の材質を選定する。また、溶加材を加える場合には、その添加量を考慮してＣ、Ｐ、Ｓの値を計算する必要がある。

（薄鋼板の板厚）
本発明の溶接方法で対象とする薄鋼板の板厚は、０．５〜３．２ｍｍとする。この、薄鋼板の板厚の下限０．５ｍｍは、本発明が対象とする自動車、家庭用電化製品の構造物に使用される鋼板の板厚は、０．５ｍｍ以上が殆どであることに基づいて規定した。また、薄鋼板の板厚の上限３．２ｍｍは、通常用いられるレーザ溶接機の溶接能力に基づいて規定した。

（フランジ部）
本発明の溶接方法においては、図１等に示す例のように、複数の薄鋼板１のうちの少なくとも１枚の薄鋼板１Ａが、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った端部１ａのうちの少なくとも片側に、折り曲げ部３および該折り曲げ部３に続くフランジ部４を有する構造部材であり、複数の薄鋼板１Ａ、１Ｂの重ね合せ部５が、構造部材である薄鋼板１Ａのフランジ部４と薄鋼板１Ｂを重ね合わせたものとすることができる。また、図示例においては、薄鋼板１Ａが、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った端部１ａの両側に折り曲げ部３およびフランジ部４を有する、断面略ハット形状の構造部材として構成されている。

従来、高張力鋼板からなり、図１に示す断面形状が略ハット型の構造部材のような、端部にフランジを有する板状部材を、同様のフランジ部材や鋼板と重ね、両者の間をレーザ溶接してフレーム部材を製造する際、特許文献２で開示されているように、例えば、８ｍｍ以内というような、よりフランジ部の幅（鋼板の重ね合せ部の幅）の狭い構造部材を用いてフレーム部材全体をより軽量化しようとすると、溶接部からフランジ端部までの距離Ｂは、１．５ｍｍ以上の範囲のうちのより短い距離にならざるを得ない。このような条件では、図８に示すように、フランジ部１０２の長手方向端部から離れた位置で溶接を開始したとしても、上述したように、溶接部１０６からの熱伝導によって変形した部位が、凝固途中の溶接ビードを引っ張り、凝固割れが発生する場合があった。

本発明では、上述したように、複数の薄鋼板１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１枚を高張力鋼板とし、また、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光を用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５｝で表される関係を満たす条件でレーザ重ね溶接を行うことにより、薄鋼板１の重ね合せ部５の幅Ａが８ｍｍ以内という狭い寸法であっても、溶接部に凝固割れが生じるのが抑制できる。従って、重ね合せ部の幅が狭くても強度の高い溶接部を形成することができ、構造部材を小型化、軽量化することが可能となる。

なお、構造部材を軽量化するためには、フランジ部４の幅、即ち、重ね合せ部５の幅Ａを８ｍｍ以内とするのがより効果的であり好ましい。なお、フランジ部４の幅Ａを３ｍｍ未満とすると、フランジ部４が溶け落ちて溶接できなくなることがあるため、フランジ部４の幅Ａの下限は３ｍｍ以上とするのが好ましい。さらに、そのようなフランジ部４の幅Ａにおいて、溶接ビード（溶接部２）から端部１ａまでの距離Ｂを１．５ｍｍ以上とするのが好ましい。これは、１．５ｍｍ未満では、フランジ部４が、溶接部２から端部１ａまで溶融してそのまま溶け落ち易くなるためである。また、溶接部２からフランジ部４の長手方向端部１ｄまでの距離Ｃについても、上記同様に理由により、１．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
そこで、本発明者らは、凝固割れの発生原因を調べ、まず、溶接金属成分と凝固割れとの関連について検討した。

図３は、薄鋼板のレーザ重ね溶接における凝固過程の温度と溶接部周辺で発生する歪との関係を示すグラフである。図３のグラフは、質量％で、Ｃ量が０．０６％、Ｓｉ量が０．５％、Ｍｎ量が１．５％を含有する、板厚が１．２ｍｍで引張強さ５９０ＭＰａの高張力鋼板を重ね合わせ、集光径ｄが０．６ｍｍのレーザ光を用い、レーザ加工点出力ｐが２０００Ｗ、溶接速度ｖが３３ｍｍ／ｓｅｃの条件で、レーザ重ね溶接を行った試料を用いて得られたものである。

図３に示すように、溶接部には、液相温度直下から引張方向の力が働き、逆に、液相温度から温度が充分に低下すると、溶接部には圧縮の力が働くことが分かる。図３のグラフ中では、レーザ光照射位置後方の、凝固過程にある（２）の領域において、引張方向の大きな歪が発生しており、これが凝固割れに繋がるものということができる。
そして、このような歪の発生と凝固割れの関係は、図４に示すような、一般的に知られている凝固温度脆性範囲（ＢＴＲ）と収縮変位（Ｐ）の関係から説明できる。
即ち、溶接部の温度と凝固収縮に伴う部材の変位量との間には、図４のグラフ中に斜線で示すように、凝固割れ感受性の高い脆化域（Ｄ）があり、温度の降下に伴って凝固収縮変位（Ｐ）の値が大きくなり、それが脆化域を通過すると凝固割れが発生すると考えられる。また、液相温度直下では、最低延性値（Ｄｍｉｎ）が小さく脆化域は広いものの、液相率が高いので、例え柱状晶間に凝固割れが発生しても、液相により充填されるので、凝固割れは発生しない。

一般的に、凝固割れに影響を与える因子の一つとして、液相−固相間の凝固温度幅が挙げられる。ここで、Ｆｅに対する２元系において、少量の添加でも凝固温度幅を広げる元素としては、例えば、図５で示すようなＣ、Ｐ、Ｓが知られている。
また、Ｃ、Ｐ、Ｓは平衡分配係数が小さく、溶質が溶融金属中に排出され柱状晶間に残留するため、見かけの固相温度より最終凝固位置の温度は、図４中に示す太字破線のように低下し、ＢＴＲを広げやすく凝固割れを起こしやすい元素であると考えられる。さらに、溶接金属においては、その成分範囲で凝固過程の粒界強度が低くなるような、特に割れに敏感な成分範囲があると考えられ、その成分範囲は、Ｃ、Ｐ、Ｓ量の各範囲で決まると考えられる。このため、特許文献１、２では、図９に示すような、溶接金属の成分がＣ＜０．０５％、かつ、０．０３％≦Ｐ＋Ｓ、または、０．０５≦Ｃ≦０．０８％の範囲では、凝固割れが発生するということが示されている。

そこで、本発明者等は、溶接変形による引張応力を低下させ、変位量Ｐを小さくすることにより、凝固割れが生じないレーザ溶接条件が存在すると考え、さらに詳細に調査を行った。ここで、変位量（溶接変形）を小さくするレーザ溶接条件としては、入熱量（加工点出力ｐ／溶接速度ｖ）を小さくすればよい。また、レーザ集光径ｄが小さいほど、入熱量（加工点出力ｐ／溶接速度ｖ）が小さい溶接が可能である。また、重ね合わされた被溶接部の合計板厚ｔについては、厚いほうが、同一の入熱量に対して溶接変形は小さくなる。

実験は、板厚０．５〜３．２ｍｍで、引張強さ２７０ＭＰａ級から引張強さ９８０ＭＰａ級の鋼板を、溶接金属の成分が、Ｃ量が０．０５≦Ｃ≦０．０８％の範囲、または、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％の範囲になるように調整して用いた。また、レーザ溶接条件としては、レーザ光の集光径ｄを０．３〜０．９ｍｍ、加工点出力ｐを１５００〜４５００ｗ、溶接速度ｖを１７〜１００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で、種々変更して行った。

上記実験の結果を、割れの発生の有無で整理のうえ、図６で示す。図６中における横軸は、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした場合に、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２｝で表される溶接条件である。この結果より、本発明で規定するように、複数の薄鋼板１（１Ａ、１Ｂ）のうち、少なくとも１枚が高張力鋼板からなり、これら複数の薄鋼板１Ａ、１Ｂを重ね合わせ、この重ね合わせた下側の薄鋼板１Ｂの裏面１ｃまで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光Ｌを照射しつつ、重ね合わせた薄鋼板１の溶接方向端部１１から離れた位置から溶接を開始し、重ね合わせた薄鋼板１の端部１ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させて溶接部２を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板１を互いに溶接する際、溶接金属の成分が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％であっても、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合せ部（重ね合わされた被溶接部）５の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした場合、下記（１）式で示される溶接条件であれば、凝固割れを起こさないことが明らかとなった。
ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５ ・・・・・・・・・・ （１）

上述のように、レーザ溶接部の凝固割れの発生有無がレーザ溶接条件によって大きく異なる理由の詳細は、必ずしも明らかではないが、本発明者等は、以下に説明するような理由によるものと考える。

本発明のように、溶接変形による引張応力を小さくするために入熱を制限したレーザ溶接条件とした場合、図４中の一点鎖線で示すように変位量が低下した結果、Ｃ、Ｐ、Ｓが多くＢＴＲが広い場合でも凝固割れが生じなかったものと考えられる。ここで、溶接変形を小さくするためには、レーザ加工点出力ｐは小さく、溶接速度ｖは大きく、集光径ｄは小さいほうが良い。また、板厚が厚いと溶接変形は生じ難くなる。これらを考慮し、上記実験結果を解析することで凝固割れの発生有無を整理することができ、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした場合、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５｝｛（１）式｝を満足するレーザ溶接条件とすることで、凝固割れを起こさないことが明らかとなった。

なお、本発明では、レーザ発振器として、例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ＤＩＳＫレーザなどを用いることができる。

以上説明したように、本発明に係る薄鋼板１のレーザ重ね溶接方法によれば、複数の薄鋼板１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１枚を高張力鋼板とし、また、薄鋼板１Ａ、１Ｂの重ね合せ部５（フランジ部４）の幅Ａを８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光Ｌを用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合せ部５の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、次式｛ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５｝で表される関係を満たす条件で溶接する方法なので、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である溶接部２を形成し、重ね合わせた下側の薄鋼板１Ｂの裏面１ｃまで充分に溶け込みを行った場合でも、溶接部２に凝固割れが発生することなく、重ね合わせた薄鋼板１Ａ、１Ｂを互いにレーザ溶接することができる。従って、重ね合せ部５の幅Ｗが狭くても強度の高い溶接部２を形成することができ、構造部材を小型化、軽量化することが可能となる。

また、本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法によれば、少なくとも１枚の薄鋼板１Ａを、フランジ部４を有する構造部材とすることで、自動車のパネル部品の製造等に適用することが可能となる。
また、本発明によれば、フランジ部４の幅Ａを適性化して溶接を行う方法とすることで、構造部材をさらに小型化、軽量化することが可能となる。

なお、本実施形態の薄鋼板１（１Ａ、１Ｂ）のレーザ重ね溶接方法の説明においては、図１（図２（ｂ）も参照）に示すような構造部材を製造する際に適用する例を説明しているが、本発明はこれに限定されるものでは無い。例えば、図２（ａ）に示すような、折り曲げ部２３及びフランジ部２４を有し、断面略ハット形状の構造部材である薄鋼板２１（２１Ａ）を互いに対向させ、そのフランジ部２４を重ね合わせ、その重ね合せ部をスポット溶接などで接合したフレーム部材の他、図２（ｃ）に示すような、２つのフランジ部２４の間に薄鋼板２１Ｂを介在させてそれらを重ね合わせ、上記同様に接合したフレーム部材の製造に適用することも可能である。またさらに、図２（ｄ）に示すように、複数枚の構造部材である薄鋼板２１Ａを同一方向に重ね合わせたフレーム部材の製造に適用することも可能である。本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を、上述したような構造部材の製造工程に適用することにより、例えば、自動車部材の小型化や軽量化が可能となり、ひいては、車体の軽量化による自動車の燃費向上等、非常に優れた効果が得られる。

以下、本発明に係る薄鋼板のレーザ重ね溶接方法の実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

本実施例においては、供試材として、厚さが１．２ｍｍで引張強さが２７０〜９８０ＭＰａ級の薄鋼板よりなる断面ハット形状の構造部材を、平板上の薄鋼板に端部が揃うように重ねあわせた。この際、薄鋼板のそれぞれの重ね合せ部の幅を８ｍｍとした。また、これらの鋼板は、溶接金属中のＣ（炭素）の量が０．０５≦Ｃ≦０．０８％、または、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％となる試料を用いた。

そして、薄鋼板の重ね合せ部を、以下に説明する条件でレーザ重ね溶接した。
まず、レーザとしてはＹＡＧレーザを用い、レーザ光の集光径ｄを０．３〜０．９ｍｍ、レーザの加工点出力ｐを１５００〜４５００ｗ、溶接速度ｖを１７〜１００ｍｍ／ｓｅｃの範囲として、下記表１に示す範囲で種々変更させて行った。また、この際、シールドガスとして、Ａｒガスを供給しながら溶接処理を行った。
また、レーザの照射位置は、フランジ部の端部から２．５〜４．０ｍｍの範囲とした。
そして、上記条件で複数の薄鋼板をレーザ重ね溶接した際の、溶接部における凝固割れの発生の有無について、「○（発生無し）」、「×（発生有り）」で下記表１に示した。

下記表１に、本発明例及び比較例の各々の溶接条件の一覧を示すとともに、フランジ部の長手方向の端部から溶接して得られた溶接部における凝固割れの発生の有無の一覧を示す。

表１に示す結果のように、本発明で規定する薄鋼板を用い、本発明の規定を満たす溶接条件でレーザ重ね溶接を行った本発明例（本発明例１〜６）では、凝固割れが生じることなく、複数の薄鋼板を良好に重ねレーザ溶接することが可能であることがわかる。
これに対し、各溶接条件の何れかが本発明の規定範囲外となっている比較例（比較例１〜４）では、全ての例において溶接部に凝固割れが生じた。

以上説明した実施例の結果から、本発明の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法を適用することにより、フランジ部の構造や溶接部の位置に制約を設けなくても、溶接部に凝固割れを生じることなく、複数の薄鋼板を良好に溶接できることが明らかである。

１、１Ａ、１Ｂ…薄鋼板、１ａ…端部（フランジ部）、１ｃ…裏面、１ｄ…長手方向端部（フランジ部）２…溶接部、３…折り曲げ部、４…フランジ部、５…重ね合せ部、Ａ…幅（重ね合せ部の幅、フランジ部の幅）Ｌ…レーザ光、ｐ…レーザ出力、ｔ…フランジ部（重ね合せ部：被溶接部）の合計板厚、ｖ…溶接速度、ｄ…集光径

Claims (4)

1. 板厚０．５〜３．２ｍｍの薄鋼板を複数重ね合わせ、この重ね合わせた下側の薄鋼板の裏面まで溶融するように重ね合わせ方向からレーザ光を照射しつつ、重ね合わせた薄鋼板の端部に沿って前記レーザ光を移動させて溶接部を形成することにより、重ね合わせた薄鋼板を互いに溶接する、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法であって、
   前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚が高張力鋼板であり、溶接金属の成分組成が０．０５≦Ｃ≦０．０８質量％、あるいは、Ｃ＜０．０５質量％、且つ、Ｐ＋Ｓ≧０．０３質量％である前記溶接部を形成することにより、重ね合わせた前記薄鋼板を互いに溶接し、
   前記薄鋼板の重ね合せ部の幅を８ｍｍ以内とし、且つ、集光径が０．５ｍｍ以下のレーザ光を用い、レーザ出力をｐ（ｗ）、溶接速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、重ね合わされた被溶接部の合計板厚をｔ（ｍｍ）、集光径をｄ（ｍｍ）とした際、下記（１）式で表される関係を満たすことを特徴とする、薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
   ｐ／ｖ／ｔ^１／２×ｄ^２＜１２．５ ・・・・・・・・・・ （１）
2. 前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚の薄鋼板は、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った鋼板端部のうちの少なくとも片側に、折り曲げ部および該折り曲げ部に続くフランジ部を有する構造部材であり、前記複数の薄鋼板の重ね合せ部が、前記フランジ部と他の前記薄鋼板を重ね合わせたものであることを特徴とする、請求項１に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
3. 前記複数の薄鋼板のうちの少なくとも１枚の薄鋼板が、溶接方向に平行ないし溶接方向に沿った鋼板端部の両側に前記折り曲げ部および前記フランジ部を有する、断面略ハット形状の構造部材であることを特徴とする、請求項２に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。
4. 前記フランジ部の横幅が８ｍｍ以内であることを特徴とする、請求項２または３に記載の薄鋼板のレーザ重ね溶接方法。

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