JP5606741B2 - テーラードブランクの製造方法およびテーラードブランク用鋼板 - Google Patents
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Description
突合せレーザ溶接の素材である鋼板1、2は、その端面を切断される際におけるクリアランスの変動に対する切断端面の変化、例えば、刃の摩耗や金型のたわみによって、シャープな切断端面が得られないことがある。このため、この鋼板1、2を突合せレーザ溶接により接合する際に、突き合わせた部分に大きな隙間3が生じ、溶接時に隙間3を埋めるための溶融金属の体積が不足するために溶接部に穴あきや凹み(アンダーフィル)が生じ易い。凹みはプレス品の疲労強度を低下させる。なお、アンダーフィルの程度は、図12に示すように{(T−Tw)/T}×100(%)として求められる。このように、2枚の鋼板を突合せレーザ溶接により接合する場合、安定した溶接品質を確保することは容易ではなかった。
図13、14に示すように、プレスやシャーリングによって鋼板4に施されるせん断切断では、下降する上刃5によってせん断面Sが形成され、さらに上刃5および下刃6それぞれの先端からそれぞれクラックが発生および成長し、これらが会合することにより破断面Bが形成されて、切断に至る。
本発明は、クリアランスが15〜25%に設定された金型により切断された端面を有する第1の鋼板の当該端面と、クリアランスが15〜25%に設定された金型により切断された端面を有する第2の鋼板の当該端面とを突き合わせ溶接して一体化したテーラードブランクの製造方法であって、第1の鋼板および前記第2の鋼板は、合計の体積率で95%以上のフェライトおよびベイナイトの2相からなる金属組織を有し、ベイナイトの体積率が60%以上であるとともに、前記第1の鋼板における前記端面のせん断面比率、および前記第2の鋼板における前記端面のせん断面比率は、いずれも、25%以上であることを特徴とするテーラードブランクの製造方法である。
(1)本発明の原理
図1は、体積率がフェライト100%のフェライト単相組織を有する、板厚2.9mmの780MPa級熱延鋼板と、板厚2.3mmの780MPa級熱延鋼板とを切断金型を用いて切断した後にこの切断による端面でレーザ突き合わせ溶接を行うことにより、切断金型のクリアランスがレーザ溶接部のアンダーフィルに及ぼす影響を調査した結果を示すグラフであり、図2は、この場合に切断金型のクリアランスが端面の形状(せん断破面率およびダレ角度)に及ぼす影響を調査した結果を示すグラフである。
図1にグラフで示すように、クリアランスの増加に伴ってアンダーフィルが増減する理由を、図3を参照しながら説明する。
図3(b)に示すように、クリアランスが15%であると、せん断面およびダレ角がいずれも大きいため、突き合わせ時の隙間3が大きくなり、アンダーフィルが大きくなる。
図4は、板厚2.0mm、強度780MPaのフェライト単相組織の鋼板(以下、「A鋼板」という)と、板厚2.0mm、強度980MPaのフェライト50%とマルテンサイト50%との2相組織の鋼板(以下、「B鋼板」という)とに関して、クリアランスとせん断面比率との関係を示すグラフであり、図5は、A鋼板とB鋼板とに関して、クリアランスとアンダーフィルとの関係を示すグラフである。図4、5のグラフにおける丸印はA鋼板を示し、三角印はB鋼板を示す。なお、図5に示すグラフにおいて、アンダーフィルは、種々のクリアランスで切断した端面を突き合わせて形成される隙間の形状を測定することにより算出した。
(I)鋼板がフェライト単相またはベイナイト単相の金属組織を有すること、または
(II)鋼板がフェライトおよびベイナイトよりなる二相を主体とする金属組織を有し、かつ、フェライトの体積率が65%以上またはベイナイトの体積率が60%以上であること
によって、切断金型の上刃および下刃によるクラックの発生および成長を遅延させることができ、これにより、クリアランスが比較的狭い場合は元より、クリアランスが15%以上、例えば20%程度に大きい場合においても、突合せ溶接に有利な広いせん断面と小さい端面隙とを有する切断端面を得ることができる。
本発明で用いる第1の鋼板および第2の鋼板それぞれの好適な化学組成を説明する。
第1の鋼板または第2の鋼板の化学組成は、例えば、C:0.02〜0.2%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.2〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.02〜2.0%、N:0.01%以下、任意添加元素として、Ti:0.3%以下、Nb:0.1%以下、V:0.3%以下およびMo:0.3%以下の1種もしくは2種以上、残部Feおよび不純物が例示される。この理由を説明する。
Cは、強度を決定する重要な元素である。590MPa以上の強度を達成するために、C含有量を0.02%以上とする。過度に含有すると、粗大炭化物の形成により母材の成形性を損なうことと、硬質第2相を形成して切断端面のせん断面比率を低下させ、高クリアランス域で溶接不良を生じやすくなるため上限を0.2%とする。したがって、C含有量は0.02%以上0.2%以下とするのが望ましい。
Siは、母材の強度−成形性バランスを向上するとともに、鋼中セメンタイトの粗大化を抑制して切断性を向上させるために、0.01%以上含有する。Si含有量は0.2%以上とすることが望ましい。しかし、過剰の含有により製品表面に施されるリン酸〜リン酸亜鉛による化成処理性を損なうため、上限を1.5%とする。したがって、Si含有量は0.01%以上1.5%以下とするのが望ましい。
Mnは、強度確保に有効な元素であり、含有量を0.2%以上とする。過剰の含有は硬質な第2相の形成を促して切断性を低下させるため、上限を2.0%とする。したがって、Mn含有量は0.2%以上2.0%以下とするのが望ましい。
Pは強度の確保に寄与する元素であるが、粒界に偏析し脆化を生じるため、含有量は0.10%を上限とするのが望ましい。
Sは、Mn等と結合し、粗大な硫化物系の介在物を形成して加工性を著しく損なうため、その含有量は0.01%以下とするのが望ましい。
Alは、延性を向上させる元素であるが、過度に含有させると、熱間圧延における仕上温度を過度に上昇させる必要が生じることがあるため、sol.Al含有量を2.0%以下とする。下限は不純物レベルでよい。通常脱酸過程により0.02%程度混入する。したがって、sol.Al含有量は0.02%以上2.0%以下とするのが望ましい。
Nは、加工性を損なう不純物元素であり、その含有量は0.01%以下とするのが望ましい。より好ましくは0.006%以下である。
[Ti:0.2%以下、Nb:0.1%以下、V:0.3%以下およびMo:0.3%以下の1種または2種以上]
これらの元素は、1種を単独で、または2種以上を複合して含有することにより、Cと結合し微細な金属炭化物を形成し強度の向上に著しく寄与するとともに、成形性を劣化させる粗大な鉄炭化物の生成を抑制する効果があり、さらに、切断時のクラック伝播を抑制してせん断面を拡大し、突合せ溶接性を向上する効果があるが、過剰に含有すると粗大な炭窒化物を形成し、切断時のクラック源となってせん断面を縮減しつき合わせ溶接性を低下させるので、Ti:0.2%以下、Nb:0.1%以下、V:0.3%以下およびMo:0.3%以下とすることが望ましい。上述した効果を確実に奏するために、Ti:0.01%以上、Nb:0.01%以上、V:0.01%以上、Mo:0.01%以上であることが望ましい。
(3)第1、2の鋼板の金属組織
第1の鋼板または第2の鋼板は、
(A)体積率で95%以上の実質的にフェライト単相の金属組織を有すること、
(B)体積率で95%以上の実質的にベイナイト単相の金属組織を有すること、または
(C)合計の体積率で95%以上の実質的にフェライトおよびベイナイトの2相の金属組織を有し、フェライトの体積率が65%以上またはベイナイトの体積率が60%以上であることが有効である。
第1の鋼板または第2の鋼板がフェライト単相の金属組織を有する場合には、ベイナイト、マルテンサイト、パーライト、残留オーステナイトの1種または2種以上を、合計の体積率で0%以上5%未満、残部組織として有していてもよい。
第1の鋼板または第2の鋼板の金属組織に、硬質相であるマルテンサイトが混在すると、切断による変形の際に、他の組織との界面にボイドが発生し易く、上刃または下刃から早期にクラックを生じて突合せ性ならびに突合せ溶接性が低下するとともに、シャシー部品素材として重要なバーリング加工性が低下する。したがって、第1の鋼板または第2の鋼板におけるマルテンサイトの体積率は5%未満であることが望ましく、3%未満であることがさらに望ましい。
板厚は、特に限定しないが、例えば2mm以上であることが望ましい。板厚が大きくなると、切断時の刃に加える荷重が大きくなる。このため、刃の損耗を抑えるために、クリアランスを大きく設定した切断が指向されるために大きなアンダーフィルが発生し易くなるからである。板厚の上限は、特に制限する必要はないが、テーラードブランクとして適用が想定される自動車部品の場合には、5mm程度が上限である。
引張強さは、特に規定しないが、引張強度が低いと、クリアランスが大きい条件で大きなせん断面を得ようとすると端面にバリが生じ易くなり、溶接用鋼板の端面として適さない。このため、第1、2の鋼板の引張強さは590MPa以上であることが望ましい。
本発明は、クリアランスが15%以上25%以下である金型により切断された、第1の鋼板または第2の鋼板の端面を突き合わせ溶接してテーラードブランクを製造することを前提とする。なお、この15%以上25%以下というクリアランスは、周知慣用のクリアランスに比べて極めて大きいものである。クリアランスが25%を超えると、バリが生じ易い。
切断端面のせん断面比率が25%以上である2枚の鋼板を突き合わせて溶接することによってアンダーフィルが25%以下の疲労強度に優れた溶接部を得ることができる。
(8)第1、2の鋼板の突き合わせ形態
第1の鋼板および第2の鋼板の突き合わせ形態は、特に限定しないが、第1の鋼板および第2の鋼板それぞれのせん断面同士が対向するように、突き合わせることが望ましい。
第1、2の鋼板の溶接部のアンダーフィルが過大となると、成形品の疲労強度が大きく低下する。アンダーフィル部が応力集中部となり、アンダーフィルが大きいほど応力集中が大きくなるからである。したがって、溶接金属のアンダーフィルは25%以下とすることが望ましい。以下、詳細に説明する。
溶接方法は、レーザ溶接や電子ビーム溶接のような溶融部の小さい高エネルギービーム溶接法であることが望ましい。
本発明に係るテーラードブランク用鋼板の適用対象は、特に限定する必要はないが、例えば、ホイール、サスペンションアームさらにはサスペンションメンバといった、自動車の足廻り部品の製造に好適である。自動車の足廻り部品は、板厚が比較的厚く、端面を精度良く切断することが困難であるために、本発明がより有効となるためである。
第1の鋼板および第2の鋼板の突き合わせる端面のせん断面比率は、せん断端面を拡大鏡にて目視で測定して求め、溶接部のアンダーフィルは先端の尖ったマイクロメータで溶接部の肉厚を測定することにより求めた。表1に結果をまとめて示す。
番号4〜6は、クリアランスが16%、19%、24%であって、せん断面比率が27%〜45%の参考例であり、アンダーフィルが25%以下の良好な接合部が得られた。
さらに、番号7は、第1の鋼板のクリアランスが28%であるために切断時に大きなバリが発生したため溶接が困難であった。
なお、試番1、6、11、16、21および31は、クリアランスが10.0%の参考例である。
Claims (2)
- クリアランスが15〜25%に設定された金型により切断された端面を有する第1の鋼板の当該端面と、クリアランスが15〜25%に設定された金型により切断された端面を有する第2の鋼板の当該端面とを突き合わせ溶接して一体化したテーラードブランクの製造方法であって、前記第1の鋼板および前記第2の鋼板は、いずれも、合計の体積率で95%以上のフェライトおよびベイナイトの2相からなる金属組織を有し、前記ベイナイトの体積率が60%以上であるとともに、前記第1の鋼板における前記端面のせん断面比率、および前記第2の鋼板における前記端面のせん断面比率は、いずれも、25%以上であることを特徴とするテーラードブランクの製造方法。
- 突き合わせレーザ溶接するための切断加工を行われた端面を有するテーラードブランク用鋼板であって、合計の体積率で95%以上のフェライトおよびベイナイトの2相からなる金属組織を有し、前記ベイナイトの体積率が60%以上であるとともに、前記端面のせん断面比率は25%以上であることを特徴とするテーラードブランク用鋼板。
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