JP2018176220A - ホットプレス成形品の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接を実施した際に溶接部の品質を安定させることができるホットプレス成形品の溶接方法を提供する。【解決手段】表面に亜鉛メッキ層Ｇ１を有する鋼板Ｓ１からホットプレス成形によりホットプレス成形品Ｐ１を得る。ホットプレス成形品Ｐ１の表面における複数のスポット溶接の打点実施予定部Ｘ１をそれぞれ矩形状に囲う溶接予定領域Ａ１に対し、ファイバーレーザ発振器５１ａを用いてレーザ光Ｌ１を照射して溶接予定領域Ａ１に付着する酸化被膜Ｗ１を気化させて除去する。その後、ホットプレス成形品Ｐ１にプレス板Ｐ２を重ね合わせるとともに、各溶接予定領域Ａ１における打点実施予定部Ｘ１にスポット溶接を実施する。【選択図】図３

Description

本発明は、ホットプレスにより得られたホットプレス成形品を溶接する方法に関する。

従来より、表面に亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層を有する鋼板からホットプレス成形によりホットプレス成形品を得ると、その表面に酸化被膜が形成されることが一般的に知られている。このホットプレス成形品の表面に付着する酸化被膜は、塗膜の密着性を低下させるおそれがあるため、例えば、特許文献１では、ホットプレス成形品の表面にレーザ光を照射して酸化被膜を気化させることにより除去した後、塗装処理を行うことで塗膜の密着性を高めている。

特開２０１５−１０５４２２号公報

ところで、ホットプレス成形品をスポット溶接により溶接する際、ホットプレス成形品の表面に酸化被膜が付着していると、電極チップでホットプレス成形品を加圧保持して通電する際に、電極チップの先端面とホットプレス成形品との間における電気抵抗が酸化被膜によって高くなってしまう。したがって、通電経路が不安定になって分流が発生してしまい、形成される溶接部の品質にばらつきが生じてしまう。

これに対応するために、特許文献１の如きレーザ光を照射する方法でホットプレス成形品の表面に付着する酸化被膜を除去した後、スポット溶接を行うことで溶接部の品質を安定化させることが考えられる。

しかし、特許文献１では、塗膜の密着性を高めるためのレーザ光による酸化被膜の除去の仕方についての記載はあるものの、スポット溶接により形成される溶接部の品質を安定させるためのレーザ光による酸化被膜の除去の仕方については、当然に考慮されていない。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スポット溶接を実施した際に溶接部の品質を安定させることができるホットプレス成形品の溶接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ホットプレス成形品の表面に付着する酸化被膜の一部領域のみをレーザ光により除去するようにし、酸化被膜を除去した領域と他の領域との間に段差が生じるようにしたことを特徴とする。

すなわち、第１の発明では、表面に亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層を有する鋼板からホットプレス成形によりホットプレス成形品を得た後、当該ホットプレス成形品の表面における複数のスポット溶接の打点実施予定部をそれぞれ矩形状か、或いは、円形状に囲う溶接予定領域に対し、レーザ発振器を用いてレーザ光を照射することによって上記溶接予定領域に付着する酸化被膜を気化させて除去するか、或いは、酸化被膜の膜厚を減らし、その後、上記ホットプレス成形品に他のプレス成形品か鋼板を重ね合わせるとともに、上記各溶接予定領域における打点実施予定部にスポット溶接を実施することを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記溶接予定領域は、スポット溶接時に使用する電極チップの先端面に対応する円形状であり、上記ホットプレス成形品の表面における上記溶接予定領域に付着する酸化被膜の膜厚が当該溶接予定領域を除く領域に付着する酸化被膜の膜厚よりも薄くなるように、且つ、所定量の厚みだけ残るように上記溶接予定領域に上記レーザ光を照射することを特徴とする。

第１の発明では、ホットプレス成形品表面の各溶接予定領域に付着する酸化被膜が無くなるか、或いは、付着する酸化被膜の量が減って、ホットプレス成形品表面における各溶接予定領域とその他の領域との間に段差が発生するようになる。すると、電極チップでホットプレス成形品を加圧保持して通電する際に、電極チップの先端面とホットプレス成形品との間における電気抵抗が小さくなるとともに、ホットプレス成形品表面の各溶接予定領域とその他の領域との間において電気抵抗の差が大きくなるので、通電時の分流を防ぐことができるようになり、溶接部の品質を安定化させることができる。

第２の発明では、打点実施予定部において電極チップでホットプレス成形品を加圧保持した際、電極チップにおける先端面の周縁部分が酸化被膜の段差部分に対応した位置になる。したがって、電極チップの先端面とホットプレス成形品との間に電流を流すと、電流の流れが打点実施予定部に集中するようになって分流を確実に防ぐことができるようになり、溶接部の品質をさらに安定化させることができる。また、溶接予定領域に付着する酸化被膜が所定量残るようにレーザ光を照射しているので、レーザ光が亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層や母材に直接当たらない。したがって、亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層が損傷したり、或いは、母材の硬度に影響が出るといったことを防ぐことができ、スポット溶接後においても防食性、防錆性、及び剛性の高いホットプレス成形品にすることができる。

本発明の実施形態１に係る溶接方法が適用された生産ラインのレイアウト図である。 本発明の実施形態１に係る溶接方法が適用された生産ラインのブロック図である。 図１のIII矢視図である。 図３のIV−IV線における断面図である。 酸化被膜を除去する前のホットプレス成形品の断面を示す写真である。 酸化被膜を除去した後のホットプレス成形品の断面を示す写真である。 ホットプレス成形品において酸化被膜を除去する前後の母材の硬度を示すグラフである。 最大加熱条件で成形したホットプレス成形品に対してレーザ出力を変化させながら酸化被膜を除去したときの各種酸化被膜除去条件と、その各種酸化被膜除去条件で酸化被膜を除去したホットプレス成形品を一対の電極チップで加圧保持したときの電極チップ間の抵抗値との関係を示したグラフである。 最小加熱条件で成形したホットプレス成形品に対してレーザ出力を変化させながら酸化被膜を除去したときの各種酸化被膜除去条件と、その各種酸化被膜除去条件で酸化被膜を除去したホットプレス成形品を一対の電極チップで加圧保持したときの電極チップ間の抵抗値との関係を示したグラフである。 最大加熱条件で成形したホットプレス成形品に対して加工速度を変化させながら酸化被膜を除去したときの各種酸化被膜除去条件と、その各種酸化被膜除去条件で酸化被膜を除去したホットプレス成形品を一対の電極チップで加圧保持したときの電極チップ間の抵抗値との関係を示したグラフである。 最小加熱条件で成形したホットプレス成形品に対して加工速度を変化させながら酸化被膜を除去したときの各種酸化被膜除去条件と、その各種酸化被膜除去条件で酸化被膜を除去したホットプレス成形品を一対の電極チップで加圧保持したときの電極チップ間の抵抗値との関係を示したグラフである 酸化被膜が付着するホットプレス成形品に対してスポット溶接を実施したときの電流値と溶接部のナゲット径との関係を示したグラフである。 酸化被膜を除去したホットプレス成形品に対してスポット溶接を実施したときの電流値と溶接部のナゲット径との関係を示したグラフである。 実施形態２に係る図４相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る生産ライン１を示す。該生産ライン１では、車体フレームＢ１を生産するようになっていて、図２に示すように、生産ライン１の上流側から順に、表面に亜鉛メッキ層Ｇ１（又は合金化亜鉛メッキ層）を有する複数枚の鋼板Ｓ１を蓄えておく搬入工程２と、該搬入工程２から搬入された鋼板Ｓ１を加熱する加熱工程３と、該加熱工程３で加熱された鋼板Ｓ１からホットプレス成形品Ｐ１を成形するホットプレス工程４と、ホットプレス成形時においてホットプレス成形品Ｐ１の表面に付着する酸化被膜Ｗ１（図４参照）を除去する被膜除去工程５と、酸化被膜を除去した後のホットプレス成形品Ｐ１と平板状のプレス板Ｐ２（鋼板）とをスポット溶接により一体にして上記車体フレームＢ１を得る溶接工程６とが直線上に配置されている。

搬入工程２は、図１に示すように、複数枚の鋼板Ｓ１を積層した状態で載置するパレット２０を有している。

搬入工程２と加熱工程３との間には、パレット２０に積み上げられた複数枚の鋼板Ｓ１を順次加熱工程３に搬入する第１ロボットＲ１が配設されている。

加熱工程３は、生産ライン１の上流側から下流側に沿って延びる加熱炉３０を備え、該加熱炉３０は、フロアに設置された下側炉体３０ａと、該下側炉体３０ａの上方の位置に対向配置された上側炉体３０ｂとを有している。

下側炉体３０ａには、鋼板Ｓ１を搬送する複数の搬送ローラ（図示せず）が設けられる一方、上側炉体３０ｂには、当該上側炉体３０ｂと下側炉体３０ａとの間の雰囲気ガスを上昇させるヒータ（図示せず）が取り付けられ、上記加熱炉３０は、鋼板Ｓ１の搬送時に当該鋼板Ｓ１の温度を約８００〜１０００℃にまで上昇させるようになっている。

加熱工程３とホットプレス工程４との間には、加熱炉３０で加熱された鋼板Ｓ１をホットプレス工程４まで搬送する第２ロボットＲ２が配設されている。

ホットプレス工程４は、上型４１及び下型４２を有するホットプレス成形用の金型４０と、サーボモータ制御の油圧式プレス４３とを備え、該油圧式プレス４３は、上型４１を下型４２に対して昇降させるようになっている。

上型４１には、断面略凹状の上側加圧面４１ａが形成される一方、下型４２には、上側加圧面４１ａに対応する断面略凸状の下側加圧面４２ａが形成されている。

そして、加熱状態の鋼板Ｓ１を下型４２の下側加圧面４２ａ上にセットして上型４１を下死点まで下降させることにより、鋼板Ｓ１を上側加圧面４１ａ及び下側加圧面４２ａに沿う断面略ハット形状の成形体に成形するとともに、当該成形体を上型４１及び下型４２で加圧保持して冷却することで成形体に焼き入れを施してホットプレス成形品Ｐ１を得るようになっている。

ホットプレス工程４と被膜除去工程５との間には、ホットプレス工程４で成形されたホットプレス成形品Ｐ１を被膜除去工程５へと順次搬送する第３ロボットＲ３が配設されている。

被膜除去工程５は、ホットプレス成形品Ｐ１を載置可能な載置台５０と、該載置台５０の側方に配置された被膜除去装置５１とを備えている。

該被膜除去装置５１は、産業用ロボットである第４ロボットＲ４と、該第４ロボットＲ４の側方に配置されたファイバーレーザ発振器５１ａと、該ファイバーレーザ発振器５１ａにファイバーケーブル５１ｂを介して接続され、上記第４ロボットＲ４のアーム先端に取り付けられたガルバノスキャナヘッド５１ｃとを備え、該ガルバノスキャナヘッド５１ｃは、ファイバーレーザ発振器５１ａで励起したレーザ光Ｌ１を対象物に対して走査させることが可能になっている。

載置台５０に載置されたホットプレス成形品Ｐ１のフランジ部Ｆ１には、図３に示すように、スポット溶接の複数の打点実施予定部Ｘ１が予め設定されていて、上記被膜除去装置５１は、各打点実施予定部Ｘ１をそれぞれ矩形状に囲う溶接予定領域Ａ１に対してレーザ光Ｌ１を走査させながら照射することにより、図４に示すように、各溶接予定領域Ａ１に付着する酸化被膜Ｗ１を気化させて除去するようになっている。

酸化被膜除去後のホットプレス成形品Ｐ１は、図示しない産業用ロボットによって溶接工程６に搬送されるようになっている。

溶接工程６は、図１に示すように、酸化被膜除去後のホットプレス成形品Ｐ１とプレス板Ｐ２とを重ねて位置決めできる治具６１と、該治具６１の側方に配置され、アーム先端に溶接ガンＴ１が取り付けられた第５ロボットＲ５とを備え、溶接ガンＴ１を用いて各打点実施予定部Ｘ１にスポット溶接を実施することにより、ホットプレス成形品Ｐ１とプレス板Ｐ２とを一体にして車体フレームＢ１を得るようになっている。

次に、ホットプレス成形品Ｐ１における酸化被膜Ｗ１を除去する作業と酸化被膜Ｗ１の除去後のホットプレス成形品Ｐ１を溶接する作業とについて詳述する。

ホットプレス工程４にて得られるホットプレス成形品Ｐ１の表面には、図５に示すように、膜厚が約２〜５μｍの酸化被膜Ｗ１が付着している。

被膜除去工程５において、酸化被膜Ｗ１が付着するホットプレス成形品Ｐ１を載置台５０に載置すると、第４ロボットＲ４がガルバノスキャナヘッド５１ｃをホットプレス成形品Ｐ１におけるフランジ部Ｆ１の上方に移動させる。

次に、ガルバノスキャナヘッド５１ｃがフランジ部Ｆ１における酸化被膜Ｗ１を除去する前の所定の溶接予定領域Ａ１の上方に到達すると、ファイバーレーザ発振器５１ａで励起されたレーザ光Ｌ１がガルバノスキャナヘッド５１ｃから溶接予定領域Ａ１に向かって照射される。具体的には、図３及び図４に示すように、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積の溶接予定領域Ａ１に対し、走査幅を３０ｍｍ、加工速度（レーザ光Ｌ１における図３矢印Ｚ１方向の移動速度）を３０ｍｍ／ｓｅｃとして出力１００Ｗのレーザ光Ｌ１を走査させる。すると、図６に示すように、ホットプレス成形品Ｐ１の表面に付着する酸化被膜Ｗ１が除去される。尚、溶接予定領域Ａ１は、その他の広さであってもよい。

次いで、ガルバノスキャナヘッド５１ｃにおける所定の溶接予定領域Ａ１における酸化被膜Ｗ１の除去作業が終了すると、第４ロボットＲ４は、次に酸化被膜Ｗ１の除去作業を行う溶接予定領域Ａ１の上方に向けてガルバノスキャナヘッド５１ｃを移動させる。このように、全ての溶接予定領域Ａ１における酸化被膜Ｗ１の除去作業を順番に行う。

全ての溶接予定領域Ａ１における酸化被膜Ｗ１の除去作業が終了すると、図１に示すように、酸化被膜Ｗ１除去後のホットプレス成形品Ｐ１が図示しないロボットによって溶接工程６に搬送され、治具６１上にセットされたプレス板Ｐ２に重ね合わされるとともに治具６１に位置決めされる。

そして、第５ロボットＲ５が溶接ガンＴ１を移動させてホットプレス成形品Ｐ１における各打点実施予定部Ｘ１にスポット溶接を実施する。すると、ホットプレス成形品Ｐ１とプレス板Ｐ２とが一体になって車体フレームＢ１が得られる。

次に、酸化被膜Ｗ１の除去作業後におけるホットプレス成形品Ｐ１の硬度評価について説明する。

図７は、ホットプレス成形品Ｐ１における溶接予定領域Ａ１の酸化被膜Ｗ１を除去する前及び除去した後のそれぞれにおいて硬度を測定した結果を示したグラフであり、横軸をホットプレス成形品Ｐ１の表面からの深さ、縦軸を硬度としている。この結果より、ホットプレス成形品Ｐ１における酸化被膜Ｗ１を除去する前と除去した後とにおいて母材硬さに変化が無く、本発明の被膜除去工程５における酸化被膜Ｗ１の除去作業がホットプレス成形時における焼き入れ効果に影響を及ぼさないことを確認できた。

次に、加熱工程３における加熱条件を９１０℃にしてホットプレス成形により得られたホットプレス成形品Ｐ１と、加熱工程３における加熱条件を８９０℃にしてホットプレス成形により得られたホットプレス成形品Ｐ１とにおいて、各溶接予定領域Ａ１の酸化被膜Ｗ１の除去作業を各種酸化被膜除去条件で行った実験について説明する。

ガルバノスキャナヘッド５１ｃから照射されるレーザ光Ｌ１の出力、加工速度、及び周波数の組み合わせを変更した条件Ａ〜Ｆによって酸化被膜Ｗ１の除去作業を行うとともに、酸化被膜Ｗ１を除去した後の溶接予定領域Ａ１を一対の電極チップで挟み込んで５．８８ｋＮの加圧力で加圧し、電極チップ間の抵抗値を調べる作業を複数回行った。尚、ホットプレス成形品Ｐ１及びプレス板Ｐ２の板厚をそれぞれ１．８ｍｍとする。

すると、レーザ光Ｌ１の加工速度及び周波数を同条件にするとともに出力を変化させた場合、図８及び図９に示すように、加熱条件を変えたどちらのホットプレス成形品Ｐ１においてもレーザ光Ｌ１の出力が１００Ｗのときに電極チップ間の抵抗値が低く安定した値になることが分かった。

また、レーザ光Ｌ１の出力及び周波数を同条件にするとともに加工速度を変化させた場合、図１０及び図１１に示すように、加熱条件を変えたどちらのホットプレス成形品Ｐ１においてもレーザ光Ｌ１の加工速度が３０ｍｍ／ｓｅｃのときに電極チップ間の抵抗値が低く安定した値になることが分かった。

次に、酸化被膜Ｗ１を除去する前と除去した後とのそれぞれのホットプレス成形品Ｐ１に対してスポット溶接を実施した実験について説明する。

ホットプレス成形品Ｐ１に通電させる電流値を変化させながらスポット溶接を実施し、それぞれ形成される溶接部のナゲット径を測定した。尚、スポット溶接の他の溶接条件を、加圧力：５．８８ｋＮ、電極先端径：φ６Ｒ４０ｍｍ、通電時間２４ｃｙｃｌｅ、保持時間２ｃｙｃｌｅとした。

図１２に示すように、酸化被膜Ｗ１を除去する前のホットプレス成形品Ｐ１に対してスポット溶接を実施すると、溶接品質を確保できるナゲット径の基準値を満たす電流値の範囲（適正電流範囲）が非常に狭くなってしまうことが分かった。

一方、図１３に示すように、酸化被膜Ｗ１を除去した後のホットプレス成形品Ｐ１に対してスポット溶接を実施すると、溶接品質を確保できるナゲット径の基準値を満たす電流値の範囲（適正電流範囲）を広くすることができることが分かった。

以上より、本発明の実施形態１によると、ホットプレス成形品Ｐ１における表面の各溶接予定領域Ａ１に付着する酸化被膜Ｗ１が無くなり、図４に示すように、ホットプレス成形品Ｐ１の表面における各溶接予定領域Ａ１とその他の領域との間に段差が発生するようになる。すると、電極チップでホットプレス成形品Ｐ１を加圧保持して通電する際に、電極チップの先端面とホットプレス成形品Ｐ１との間における電気抵抗が小さくなるとともに、ホットプレス成形品Ｐ１表面の各溶接予定領域Ａ１とその他の領域との間において電気抵抗の差が大きくなるので、通電時の分流を防ぐことができるようになり、溶接部の品質を安定化させることができる。

《発明の実施形態２》
図１４は、本発明の実施形態２に係る生産ライン１の被膜除去工程５においてホットプレス成形品Ｐ１の表面から酸化被膜Ｗ１を除去している状態を示す。この実施形態２では、酸化被膜Ｗ１の除去の仕方が実施形態１と異なっているだけで、その他は実施形態１と同じであるため、以下、実施形態１と同一部分には同一符号を付し、異なる部分のみを詳細に説明する。

実施形態２の溶接予定領域Ａ１は、スポット溶接時に使用する電極チップの先端面に対応する円形状をなしている。

また、実施形態２では、溶接予定領域Ａ１にレーザ光Ｌ１を照射する際、ホットプレス成形品Ｐ１の表面における溶接予定領域Ａ１に付着する酸化被膜Ｗ１の膜厚Ｈ１が当該溶接予定領域Ａ１を除く領域に付着する酸化被膜Ｗ１の膜厚Ｈ２よりも薄くなるように、且つ、所定量の厚みだけ残るようにしている。

以上より、本発明の実施形態２によると、打点実施予定部Ｘ１において電極チップでホットプレス成形品Ｐ１を加圧保持した際、電極チップにおける先端面の周縁部分が酸化被膜Ｗ１の段差部分に対応した位置になる。したがって、電極チップの先端面とホットプレス成形品Ｐ１との間に電流を流すと、電流の流れが打点実施予定部Ｘ１に集中するようになって分流を確実に防ぐことができるようになり、溶接部の品質をさらに安定化させることができる。

また、溶接予定領域Ａ１に付着する酸化被膜Ｗ１が所定量残るようにレーザ光Ｌ１を照射しているので、レーザ光Ｌ１が亜鉛メッキ層Ｇ１及び母材に直接当たらない。したがって、亜鉛メッキ層Ｇ１が損傷したり、或いは、母材の硬度に影響が出るといったことを防ぐことができ、スポット溶接後においても防食性、防錆性、及び剛性の高いホットプレス成形品Ｐ１にすることができる。

尚、本発明の実施形態１，２では、平板状のプレス板Ｐ２をホットプレス成形品Ｐ１に重ね合わせるとともにスポット溶接にて一体にしているが、平板状で無いプレス成形品をホットプレス成形品Ｐ１に重ね合わせるとともにスポット溶接にて一体にしてもよい。

また、本発明の実施形態１，２では、レーザ光Ｌ１を発振する発振器としてファイバーレーザ発振器５１ａを用いているが、ＹＡＧレーザ発振器を用いてレーザ光Ｌ１を発振するようにしてもよい。

さらに、本発明の実施形態１，２では、ガルバノスキャナヘッド５１ｃを用いてレーザ光Ｌ１を溶接予定領域Ａ１に照射しているが、その他のレーザ加工ヘッドを用いて溶接予定領域Ａ１にレーザ光Ｌ１を照射するようにしてもよい。

本発明は、ホットプレスにより得られたホットプレス成形品を溶接する方法に適している。

Ａ１ 溶接予定領域
Ｇ１ 亜鉛メッキ層
Ｌ１ レーザ光
Ｐ１ ホットプレス成形品
Ｐ２ プレス板（鋼板）
Ｓ１ 鋼板
Ｗ１ 酸化被膜
Ｘ１ 打点実施予定部

Claims (2)

1. 表面に亜鉛メッキ層又は合金化亜鉛メッキ層を有する鋼板からホットプレス成形によりホットプレス成形品を得た後、当該ホットプレス成形品の表面における複数のスポット溶接の打点実施予定部をそれぞれ矩形状か、或いは、円形状に囲う溶接予定領域に対し、レーザ発振器を用いてレーザ光を照射することによって上記溶接予定領域に付着する酸化被膜を気化させて除去するか、或いは、酸化被膜の膜厚を減らし、その後、上記ホットプレス成形品に他のプレス成形品か鋼板を重ね合わせるとともに、上記各溶接予定領域における打点実施予定部にスポット溶接を実施することを特徴とするホットプレス成形品の溶接方法。
2. 請求項１に記載のホットプレス成形品の溶接方法において、
   上記溶接予定領域は、スポット溶接時に使用する電極チップの先端面に対応する円形状であり、
   上記ホットプレス成形品の表面における上記溶接予定領域に付着する酸化被膜の膜厚が当該溶接予定領域を除く領域に付着する酸化被膜の膜厚よりも薄くなるように、且つ、所定量の厚みだけ残るように上記溶接予定領域に上記レーザ光を照射することを特徴とするホットプレス成形品の溶接方法。