JP4016911B2

JP4016911B2 - 高張力鋼のレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP4016911B2
Application number: JP2003300415A
Authority: JP
Inventors: 忠紀岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: JP2005066649A

Description

本発明は、レーザビームによって所定厚さの高張力鋼板同士を重ね合わせ溶接する高張力鋼のレーザ溶接方法に関する。特に、自動車用の衝撃吸収部材などのフランジ部の溶接に好適なレーザ溶接方法に関する。

一般に、自動車の車体前部の両サイドには、フロントサイドメンバと呼ばれる閉断面構造の衝撃吸収部材が設けられ、正面からの衝突時に効率よく潰れて衝突のエネルギを吸収し乗員の安全を確保する構造となっている。従来、このような衝撃吸収部材の衝突時のエネルギ吸収特性を高めることを目的に、衝突時の圧潰モードのコントロールや溶接位置の適正化、あるいは溶接部強度の向上に必要な溶接部形状の検討など多くの提案がなされている。例えば、閉断面構造の衝撃吸収部材を構成するハット断面形状の鋼板とフラット形状の鋼板とをフランジにおいてレーザ溶接する方法において、レーザ溶接の溶融幅をある範囲に限定して溶接する方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法によりスポット溶接時のような軸衝撃時の溶接部からの破断による圧潰モードの不良などの問題がなく、優れた衝撃吸収特性が得られるとしている。そして、５９０ＭＰａ以上の鋼板を用いて衝撃吸収部材を製造することにより、更に衝撃吸収特性を向上させることができるとしている。

しかし、４４０Ｍｐａ以上の高張力鋼板の重ね合わせレーザ溶接部の剥離方向の強度は、材料強度が上昇するにつれて低下するために、例えば衝撃吸収部材の圧潰時に溶接部から破断が生じ、十分な衝撃吸収特性を発揮できない可能性がある。図７に材料強度と重ね合わせレーザ溶接部の剥離強度との関係を示す。図７は、厚さ１．２ｍｍの鋼板を２枚重ねてその上面からレーザ光を照射して形成した溶接試験片を、後述する試験方法で剥離試験を行い試験片が破断した強度を剥離強度としてプロットしたものである。引張強度が２７０ＭＰａ程度の軟鋼（ＳＰＣＤ）（○）では、単位長さ当たりの剥離強度は２７０Ｎ／ｍｍ（２２５ＭＰａ）とほぼ母材強度に近い値が得られるが、例えば、引張強度が５９０ＭＰａの高張力鋼（ＳＰＦＣ５９０Ｙ）（◆）では、剥離強度は５５〜７５Ｎ／ｍｍ（４６〜６３ＭＰａ）と母材強度に比べて極めて低い値しか得られな。

これは、高強度材料ほど変形し難いために、低強度材料に比べて溶接ビード部により大きな曲げ応力が作用するためである。図８に引張強度の低い、例えば軟鋼などの低強度材料（ａ）と、高張力鋼のような高強度材料（ｂ）とについて、各々重ね合わせレーザ溶接して、同一荷重Ｆで剥離試験を行った場合の剥離試験片の変形の様子を模式的に示した。Ｂは溶接ビード部であり、Ｃは剥離試験するために溶接試験片を９０゜曲げした曲げ部である。つまり、同じ荷重条件では溶接ビードＢを支点とするモーメントアームの長さが、低強度材料（ａ）ではＬ₁と短いが、高強度材料（ｂ）ではＬ₂と長くなり、高強度材料の場合には溶接ビード部Ｂに低強度材料（ａ）よりも大きな曲げ応力が作用するためである。また、レーザ溶接した溶接ビードＢの近傍は急冷されて焼き入れ硬化しているために母材よりも硬さが上昇し延性は低下している。従って、剥離変形時に最も大きく変形する溶接ビード境界部Ａでは変形に対する許容度は低下している。さらに、図９に示すように、溶接ビード部Ｂが冷却による収縮などによってビードの母材近傍部にアンダーカットＤが生じる。このためアンダーカットＤ部の厚さｔは、母材の厚さｔ₀よりも減少するので、この部分が剥離荷重を受けた場合の最弱部Ｅとなる場合が多い。このため、剥離試験で試験片を両側へ引っ張ると、試験片は板厚の薄い最弱部Ｅで破断し（図１０参照）、この荷重が剥離強度となる。以上のように従来の高張力鋼の重ね合わせレーザ溶接方法においては、材料強度よりも遙かに低い剥離強度しか得ることができなかった。
特開２００２−７９３８８号公報

本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑み、高張力鋼の重ね合わせレーザ溶接において、その溶接部の剥離強度を向上させるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは高張力鋼の重ね合わせレーザ溶接において、溶接ビード部に形成されるアンダーカットを解消して、剥離変形時に最も大きく変形する溶接ビード境界部の板厚を増肉することにより高張力鋼の剥離強度を向上させることに着目した。

すなわち、本発明の高張力鋼のレーザ溶接方法は、等しい厚さの２枚の高張力鋼をレーザビームによって重ね合わせ溶接する高張力鋼のレーザ溶接方法において、重ね合わせ溶接部にフィラーを供給して溶接ビード断面の余盛り高さが、前記高張力鋼の厚さの２０〜１２０％となるように溶接ビード部に余盛りを形成することを特徴とする。ここで、余盛高さは、重ね合わせた上板と下板とを融合しているビード部の上板の上面から突出しているビードの最高点までの高さと、下板の下面から突出しているビードの最高点までの高さとの和である。

溶接ビード部に余盛を形成することにより、ビード部に冷却によるアンダーカットといった形状不良を発生することがなく、剥離変形時に最も大きく変形する溶接ビード境界部の板厚を増肉することができるので高張力鋼の剥離強度を向上させることができる。そして、溶接ビード部の余盛高さがこの範囲にあれば、軟鋼（ＳＰＣＤ）の引張強度、つまり２７０ＭＰａ以上の剥離強度を得ることができる。

また、本発明の高張力鋼のレーザ溶接方法においては、高張力鋼は引張強度が４４０ＭＰａ以上の高張力鋼であることが望ましい。

引張強度が４４０ＭＰａ以上の高張力鋼を用いることにより、例えば、衝撃吸収部材の衝撃吸収エネルギを増大させ、自動車の軽量化とともに衝突安全性を一層向上させることができる。図１１に衝撃吸収部材を高速で軸圧潰するときに測定される荷重−変位曲線を模式的に示す。図１１では、同一形状の衝撃吸収部材を実線で示す高張力鋼で形成した場合と、点線で示す軟鋼を用いた場合とを併記して比較した。衝撃吸収エネルギは、荷重を変位で積分して得られ、この値が大きいほど衝撃吸収部材の衝撃吸収能は高く、軟鋼に代えて高張力鋼を使用することにより衝撃吸収エネルギを増大させることが分かる。

本発明の高張力鋼のレーザ溶接方法は、レーザビームによって重ね合わせ溶接する高張力鋼のレーザ溶接方法において、重ね合わせ溶接部にフィラーを供給して溶接ビード部に余盛りを形成することを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法は、図１に示すように一般の鋼板を溶接するレーザ溶接装置を使用して実施することができる。高張力鋼板イとロとを重ね合わせ溶接するレーザ溶接装置１０において、１１はレーザ発振器Ｒのレーザ溶接トーチであり、このレーザ溶接トーチ１１の先端には、レーザビームを集光させる集光レンズ１２が設けられている。また、レーザ溶接トーチ１１の先端部付近には巻回収納されている収納部１３より導出される線状のフィラーワイヤ１４の導出端が集光レンズ１２の先端に供給されるようにブラケット１５を介して挿通自在に支持されている。ここで、フィラーワイヤ１４は、溶接ビードの断面形状に余盛を形成することができればよいから、母材よりも極端に弱い材料でなければフィラーの材質には特に制約はない。例えば、ＪＩＳに規定されているＹＧＷ１７やＹＧＷ２３などを好適に使用することができる。

図２は、レーザ溶接装置１０を用いて高張力鋼（ＳＰＣ４４０）に余盛を形成した溶接ビード部の断面をスケッチしたものである。板厚ｔ₀の高張力鋼板イとロとが溶接ビードＢで融合されている。そして、フィラーを供給することによりビード部Ｂの上面には高さｈ₁の余盛が、また下面には高さｈ₂の余盛が形成されている。この余盛の大きさ（以下、余盛高さという。）は溶接条件、例えば溶接速度やフィラーワイヤの供給速度などを調節することにより所望の高さとすることができる。ここで、溶接ビード部Ｂの合計の余盛高さＨを各余盛高さの合計、すなわち、Ｈ＝ｈ₁＋ｈ₂とすると、合計余盛高さＨは、溶接された高張力鋼の板厚ｔ₀の２０〜１２０％であることが望ましい。合計余盛高さＨが２０％未満では余盛による十分な剥離強度の向上を得ることができない。また、１２０％を越えるとレーザ溶接時に溶融金属が垂れ落ちる危険性が高くなるので好ましくない。より好ましくは７５〜１２０％である。

図３は図２に示した溶接部を剥離試験によって引っ張り破断させた溶接ビード部の断面をスケッチしたものである。ビード部Ｂには変形がなく高張力鋼板ロの母材部分で延性破壊していることが分かる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

供試材の高張力鋼として、厚さが１．２ｍｍで引張強度が４４０ＭＰａ以上のＳＰＦＣ４４０，ＳＰＦＣ５９０Ｙ、ＳＰＦＣ９８０Ｙとを準備した。

レーザ溶接は、ＹＡＧレーザを用い、レーザ発振出力を４ｋＷ、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎとし、直径１．２ｍｍのフィラーワイヤ（ＹＧＷ１７）を集光レンズ先端へ供給した。ここで、フィラーワイヤの供給速度を０．５〜２．０ｍ／ｍｉｎの範囲で変化させ、各供試材のビードの余盛高さＨが所望の高さとなるように調節した。また、レーザビームは、鋼板上に集光し、集光スポットは直径２．３５ｍｍとした。

まず、各鋼板から図４に示す形状（厚さ１．２ｍｍ×１００ｍｍ×６０ｍｍ、チャック幅４０ｍｍ）の試験片２枚を切り出した。次に、これら２枚の試験片をギャップが生じないように重ね合わせ、６０ｍｍ幅の端辺Ｋから１５ｍｍ隔てた位置に端辺Ｋに平行に上記の条件でレーザ溶接してビードＢを形成し溶接試験片ＴＰ₁とした。なお、レーザ溶接長さは５０ｍｍとした。

得られた各溶接試験片ＴＰ₁を図５に示す剥離試験片ＴＰ₂に形成した。剥離試験片ＴＰ₂は、溶接試験片ＴＰ₁の接合された２枚の各鋼板を、溶接ビード部Ｂから２１ｍｍの位置で曲げ半径３ｍｍで各々９０゜に外側に曲げ、引張り可能なＴ字型の試験片としたものである。この剥離試験片ＴＰ₂を引張試験機で剥離方向に引っ張り破断荷重を求めた。この破断荷重を溶接部の長さ（５０ｍｍ）で除して剥離強度Ｆ（Ｎ／ｍｍ）とした。剥離試験の引張速度は６ｍｍ／ｍｉｎ一定とした。なお、同一条件による繰り返し数は３としてその平均値で評価した。結果を図６に示す。

図６では、横軸を各溶接試験片の余盛高さＨとし、縦軸は溶接部の単位当たりの剥離強度Ｆ（Ｎ／ｍｍ）とした。なお、図６の記号は鋼板の種類を表し、ａ（■）は実施例であるＳＰＦＣ４４０（引張強度、４４０ＭＰａ）、ｂ（◆）は同様にＳＰＦＣ５９０Ｙ（同５９０ＭＰａ）、ｃ（△）は参考例であるＳＰＦＣ９８０Ｙ（同９８０ＭＰａ）の測定結果である。ここで、剥離強度Ｆが２５９Ｎ／ｍｍの点線ｆはフィラーによる余盛を実施しない場合の軟鋼（ＳＰＣＤ）の剥離強度である。

いずれの鋼板についても、余盛高さの増加に比例して剥離強度が向上することが分かる。特にａのＳＰＦＣ４４０とｂのＳＰＦＣ５９０Ｙについては余盛高さＨの増加による剥離強度Ｆの向上は顕著である。ａのＳＰＦＣ４４０では余盛高さＨが０．３ｍｍ（鋼板板厚の２５％）を越すと軟鋼の剥離強度よりも高い剥離強度が得られるようになり、ｂのＳＰＦＣ５９０Ｙでは０．９ｍｍ（同７５％）を越えると軟鋼の剥離強度よりも高い剥離強度を得ることができる。

本発明のレーザ溶接方法を用いることにより、例えば、軟鋼（ＳＰＣＤ）で形成された衝撃吸収部材を板厚の薄い高張力鋼を用いて軽量化しても、溶接部の剥離強度を軽量化前の軟鋼材の剥離強度よりも高くすることができ衝撃吸収特性をより向上することができる。

本発明の高張力鋼のレーザ溶接方法によれば、レーザ溶接部の剥離強度を向上させることができるので、自動車ボディーのフロントサイドパネルなどの衝撃吸収部材の軽量化とともに、衝撃吸収特性をも向上させることができる。

重ね合わせレーザ溶接の溶接装置を説明する要部構成図である。溶接ビード部に余盛を形成した重ね合わせレーザ溶接の溶接ビード部の断面スケッチである。剥離試験により破断した図２の溶接ビード部を示す断面スケッチである。重ね合わせレーザ溶接の溶接試験片の形状を示す図である。剥離試験片の形状を示す図である。各高張力鋼の余盛高さと剥離強度との関係を示す図である。各鋼材の引張強度と剥離強度との関係を示す図である。剥離試験時の試験片の変形の様子を示す図である。（ａ）は低強度材料の場合、（ｂ）は高強度材料の場合を示す。フィラーを用いない従来技術になる重ね合わせレーザ溶接の溶接ビード部の断面スケッチである。剥離試験により破断した図９の溶接ビード部を示す断面スケッチである。衝撃吸収部材の荷重−変位曲線の模式図である。

符号の説明

１０：レーザ溶接装置１１：レーザ溶接トーチ１２：集光レンズ１４：フィラーワイヤＡ：溶接ビード境界部Ｂ：溶接ビードＣ：曲げ部Ｄ：アンダーカットＥ：最弱部ｈ₁，ｈ₂：余盛高さＲ：レーザ発振器

Claims

等しい厚さの２枚の高張力鋼をレーザビームによって重ね合わせ溶接する高張力鋼のレーザ溶接方法において、
前記重ね合わせ溶接部にフィラーを供給して、溶接ビード断面の余盛り高さが、前記高張力鋼の厚さの２０〜１２０％となるように溶接ビード部に余盛りを形成することを特徴とする高張力鋼のレーザ溶接方法。
ここで、前記余盛高さは、重ね合わせた上板と下板とを融合しているビード部の該上板の上面から突出している該ビードの最高点までの高さと該下板の下面から突出している該ビードの最高点までの高さとの和である。
前記高張力鋼は引張強度が４４０ＭＰａ以上の高張力鋼である請求項１に記載の高張力鋼のレーザ溶接方法。