(57)【要約】【課題】鋼板を重ねてレーザ溶接した重ね溶接継手の疲労強度の向上方法を提供する。【解決手段】表層にめっき層を有さない鋼板２枚を上下に重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザ溶接する重ね継手において、鋼板の板厚を０．６〜４．０ｍｍ、上下鋼板間の隙間ｇ（ｍｍ）を０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとして溶接する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層にめっき層を有さない鋼板２枚を上下に重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザ溶接する重ね継手において、鋼板の板厚を０．６〜４．０ｍｍ、両鋼板間の隙間ｇ（ｍｍ）を０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとしてレーザ溶接することを特徴とする重ね継手の疲労強度向上方法。
【請求項２】
前記レーザ溶接において、レーザのエネルギ密度を０．７ＭＷ／ｃｍ２以上とすることを特徴とする請求項１に記載の重ね継手の疲労強度向上方法。
【請求項３】
前記鋼板の下記＜１＞式で示されるＣｅｑ値が、０．３５を超える高張力鋼板であることを特徴とする請求項１または２に記載の重ね継手の疲労強度向上方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６        ＜１＞
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板の重ね溶接方法に関し、詳しくは、鋼板を重ねてレーザ溶接した重ね溶接継手の疲労強度の向上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、亜鉛めっき鋼板同士を重ね合わせてレーザ溶接する際には、溶接中に発生する亜鉛蒸気による溶鋼の飛散を防止するために、鋼板間に隙間を設ける方法が知られている。例えば、金属箔を用いて亜鉛めっき鋼板間に適当な隙間を設け、溶接中に発生する亜鉛蒸気を隙間から逃がすことによって良好な溶接部強度を得ようとする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、溶接前に少なくとも一方の亜鉛めっき鋼板に突出部を形成して重ね合わせると溶接部近傍に所定の隙間が確保され、前例と同様に、亜鉛蒸気を隙間から逃がして良好な溶接部強度を得る方法が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
しかし、亜鉛めっき鋼板の溶接で隙間を設けるのは、あくまで溶接中に発生する亜鉛蒸気を隙間から逃がすことが目的であり、仮にこの方法を用いても安定して優れた継手の疲労強度の向上効果を得ることはできない。
【０００４】
また、鋼材の疲労強度は、鋼材強度が大きくなればそれに応じて向上する。しかしながら、重ね溶接継手のように応力集中部が存在するとその疲労限は、鋼材の強度に殆ど依存せず、ほぼ一定のレベルにとどまることが知られている。従って、重ね溶接継手の疲労強度を向上させることは、例えば、自動車車体のなどの構造体において高強度の鋼材を使用し、安全性の向上、軽量化を図ろうとする際の大きな課題となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−３１８１５５号公報
【特許文献２】
特開平０７−１５５９７４号公報
【特許文献３】
特開平１０−２１６９７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、自動車車体のような薄板構造体の溶接部の信頼性を一層向上させるために、レーザ溶接した重ね継手の疲労強度を向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）  表層にめっき層を有さない鋼板２枚を上下に重ね合わせ、重ね合わせ部をレーザ溶接する重ね継手において、鋼板の板厚を０．６〜４．０ｍｍ、上下鋼板間の隙間ｇ（ｍｍ）を０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとして溶接することを特徴とする重ね継手の疲労強度向上方法。
（２）  前記レーザ溶接において、レーザのエネルギ密度を０．７ＭＷ／ｃｍ２以上とすることを特徴とする（１）に記載の重ね継手の疲労強度向上方法。
（３）  前記鋼板の下記＜１＞式で示されるＣｅｑ値が、０．３５を超える高張力鋼板であることを特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載の重ね継手の疲労強度向上方法。
【０００８】
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６        ＜１＞
【０００９】
【発明の実施の形態】
通常、重ね継手において、疲労亀裂は重ね合わせ面のボンド部に発生し、溶接金属中に進展する。これは、重ね部のボンド部近傍が、いわば切り欠きに相当し、継手に荷重が働くと、ここが応力集中部となるためである。鋼板間に隙間を設けることで、密着状態で曲率半径＝０であったボンド部近傍、すなわち切り欠き部の曲率半径を増加させることができ、応力集中を緩和できるため疲労強度が向上すると考えられる。
【００１０】
本発明者らは、この点を確認するため、重ね溶接継手における上下の鋼板の間隔と継手の疲労強度との関係を調査した。
【００１１】
すなわち、図１に示すように、２枚の鋼板を上下に重ね合わせ、重ね合わせた中央部をレーザビームで狙う重ね溶接の際に、厚みの異なる金属箔を用いて、鋼板間の隙間を変化させて溶接し、重ね溶接継ぎ手を作成した。このとき、板厚は１．２ｍｍとし、継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２６０ｍｍ（長さ）、重ね代は４０ｍｍとした。溶接には、発振出力が３ｋＷのＹＡＧレーザを用い、集光ビーム直径は０．５ｍｍφ、溶接速度は３．０ｍ／ｍｉｎとした。ビームの焦点位置はどの板厚でも上側鋼板１の表面とした。
【００１２】
作製した継手に、荷重比（最小荷重／最大荷重）＝０．０５、繰返し速度＝１０Ｈｚの片振り引張疲労試験を行った。なお、疲労強度は、板厚による影響を除くために、測定した荷重範囲を試験片断面積で除した応力で評価した。
【００１３】
この隙間と疲労限強度との関係を図２に示す。
【００１４】
図２から判るように、隙間を変化させると疲労強度が変化し、適切な隙間を設定することにより、疲労強度が向上する。すなわち、隙間ｇ（ｍｍ）を０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲とすると、より優れた疲労強度改善を得ることが出来る。これは、隙間ｇが０．０５ｍｍ未満では、切り欠き部として作用するボンド部近傍の曲率半径の増加による応力集中緩和が不十分なため疲労強度の改善効果が認められない。一方、隙間ｇが０．１５ｍｍを超えると、隙間が無い場合に比較し疲労強度が低下する。これは、溶接部に働くモーメントが増加し、ひいては再びボンド部の応力レベルが上昇するためと考えている。さらに、隙間が過大だと隙間に溶鋼が落ち込んでビード外観が不良となり、さらに悪いケースではビード形成が不可となる。
【００１５】
このようなことから、本発明の重ね溶接継手の溶接においては、上下２枚の鋼板の重ね部の隙間を、０．０５〜０．１５ｍｍとするものである。
【００１６】
ところで、鋼板の板厚を変えて同様な調査を行ったところ、４．０ｍｍを超える板厚の材料では、上記の隙間を設けても、継手の疲労強度の向上が認められず、むしろ隙間の増大とともに疲労強度が低下してしまう現象が認められた。これは、重ね継手の場合、継手両端が食い違っており、この食い違いは板厚とともに増大する。従って、荷重負荷時に溶接部に発生するモーメントが板厚と共に増加することとなる。鋼板の板厚が４．０ｍｍを超えると、隙間による応力集中緩和の効果よりも、モーメントの増加が疲労強度により強く影響するため、隙間の効果が現れないと考えている。このため、本発明における鋼板の板厚は、４．０ｍｍ以下とする。一方、板厚の下限は、特に定めるものではないが、例えば、自動車のような薄板構造物を対象とする場合は、材料は剛体を形成するに十分な板厚・強度を確保するために、０．６ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００１７】
さて、自動車などの構造体の安全性を確保し、かつ軽量化を図る観点から、そのような構造体の材料として高張力鋼板の採用が広がりつつある。しかし、上述のように、継手のような応力集中部が存在すると、その疲労強度は、鋼材の強度に殆ど依存せず、ほぼ一定のレベルにとどまっており、高張力鋼板を使用しても構造体全体としての疲労強度を上げることは、従来困難であった。しかし、上述のように、本発明の方法によれば、鋼板間に上記の範囲の隙間を設けるだけで簡便に疲労強度を向上できるので、特に、高張力鋼板を用いて構造体の疲労強度を向上させようとする際には、極めて有利である。
【００１８】
また、本発明において溶接に使用する２枚の鋼板は、下記＜１＞式の炭素当量Ｃｅｑが０．３５を超える高張力鋼板を用いると顕著な効果が得られるため好ましい。
【００１９】
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６        ＜１＞
例えば、自動車においては、車体の軽量化を推進するため上記成分の範囲を満足する高張力鋼板の採用が進みつつある。
【００２０】
上記＜１＞式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板をレーザ溶接する場合は、鋼板とともに溶接金属の切り欠き感受性が高まる。また、重ね溶接継手では、鋼板の重ね合わせ面におけるボンド端部（鋼板と溶接金属の境界部）が応力集中部となり、その継手の疲労強度は鋼材強度に依存せず、低強度の一般鋼板を用いて溶接した場合とほぼ同レベルとなり、鋼板として高張力鋼板を採用するメリットがなくなってしまう。
【００２１】
しかしながら本発明法によれば、重ね溶接継ぎ手の疲労強度の向上効果は得られるので、特に従来法では高張力鋼板を採用するメリットなかった上記＜１＞式のＣｅｑ値が０．３５を超える高張力鋼板を適用する重ね溶接継手において、顕著な効果が得られる。
【００２２】
本発明の方法を用いて重ね溶接する場合、所定の間隙は、所定厚みの金属箔を用いたり、いずれか一方の鋼板に突出部を形成したり、ショットブラスト、ショットピーニング、超音波衝撃処理などにより、溶接部の表面に凹凸を形成することによって、確保することができる。
【００２３】
また、レーザ出力、ビーム径、溶接速度などの溶接条件は、適宜選択すればよい。なお、重ね溶接の場合、ビームが鋼板を貫通するものでなくてもよいが、好ましくは、ビームのエネルギ密度（ビーム出力をビーム直径Ｄの円の面積で割ったもの）は、０．７ＭＷ／ｃｍ２以上とする。この範囲のエネルギ密度であれば、貫通溶接を安定して行うことが可能であるからである。
【００２４】
なお、ここで、重ね溶接継手において、本発明における隙間設定が継手の疲労強度を向上させるものであり、一方、亜鉛めっき鋼板における従来の間隔設定との相違を明確にする。
【００２５】
発明者らは、このことを確認するため、上記の試験で用いたものと同じ材質の鋼板に亜鉛めっきを施した板厚１．２ｍｍの鋼板を、隙間の間隔を変化させて重ね、同様な溶接条件でレーザ溶接し、重ね溶接した継手について疲労限強度を調査した。図４に疲労強度と隙間との関係を示す。なお、疲労試験片および疲労試験は、上記と同様とした。
【００２６】
図４から判るように、重ね隙間が０である密着した溶接継手だけは、疲労強度が継手ごとに大きくばらついた。これは、恐らく、溶接欠陥が多く、継手ごとに溶接欠陥の程度がばらついたためと思われる。
【００２７】
図４と図１を比較すると、亜鉛めっき鋼板では非めっき鋼板にくらべ、たとえ鋼材材質が同等であっても疲労強度は低い値を示しており、鋼板間に間隔を設けても疲労強度が向上しないことが判る。
【００２８】
この原因は、疲労き裂発生部である隙間のボンド部の形状の相違によると考えられる。非めっき鋼板では図３（ａ）に示すように、ボンド部が滑らかな曲線となるが、亜鉛めっき鋼板では、図３（ｂ）に示すようにボンド部が亜鉛の蒸発に起因したと思われる凹凸が際立つ形状となる。つまり、非めっき鋼板では隙間を設けることによってボンド部の曲率半径を拡大することになるので応力集中を低下できるが、亜鉛めっき鋼板ではこの効果が期待できないためと考えられる。このようなことから、亜鉛めっき鋼板で隙間を設けても、本発明のような重ね溶接継手の疲労強度の改善にはつながらないことが判る。
【００２９】
すなわち、亜鉛めっき鋼板の重ね溶接継手において、上下に鋼板に隙間を設けるのは、前述の如く、溶接時に発生する亜鉛蒸気によって溶鋼が吹き飛ばされるので、この隙間から亜鉛蒸気を排出し、亜鉛蒸気に起因するブローホールなどの欠陥を防止するものであって、疲労強度改善を図ることができるものでないことは明らかである。このようなことから、本発明は、沸点が、鋼板の融点より低い金属めっき層を有しない鋼板を対象とするものである。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明における重ね合わせ継手の隙間の作用効果を、実施例に基づいて説明する。図１に示すように、２枚の鋼板を重ね合わせ、重ね合わせた中央部をレーザビームで溶接する重ね溶接において、厚みの異なる金属箔を用いて鋼板間の隙間の間隔を変化させた。このとき、板厚は１．２ｍｍ、４．０ｍｍ、そして４．５ｍｍとした。継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２６０ｍｍ（長さ）、重ね代は４０ｍｍとした。溶接には、発振出力が３ｋＷのＹＡＧレーザを用い、集光ビーム直径は０．５ｍｍφ、溶接速度は板厚が１．２ｍｍのとき３．０ｍ／ｍｉｎ、４．０ｍｍのとき０．７５ｍ／ｍｉｎ、４．５ｍｍのとき０．６ｍ／ｍｉｎとした。ビームの焦点位置はどの板厚の場合も上側鋼板１の表面とした。なお、表１に示す疲労限は、板厚による影響を除くために、測定した荷重範囲を試験片断面積で除した応力で示した。
【００３１】
作製した継手に、荷重比（最小荷重／最大荷重）＝０．０５、繰返し速度＝１０Ｈｚの片振り引張疲労試験を行った。比較例とし、隙間および材料板厚が本発明範囲から外れている場合でも実験を行った。結果を表１に示す。表１から、本発明例は、鋼板間の隙間の条件が、本発明例から外れている比較例に比べて、優れた疲労強度が得られたことが判る。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、亜鉛めっき層を有しない鋼板を重ね溶接した継手において、重ね合わせる上下の鋼板の隙間を特定の範囲とする簡便な方法によって、重ね継手の疲労強度を向上させることができる。このため、鋼板を重ね溶接して組み立てた構造体全体としての疲労強度を大きく向上させることができる。
【００３４】
特に、高張力鋼板を母材として用いた構造体においては、本発明の方法によって、重ね継手の疲労強度が向上する結果、構造体全体の疲労強度を向上でき、高張力鋼板を使用して軽量化、安全性の向上を図る上で極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における重ね溶接方法を説明する模式図である。
【図２】本発明のめっき層を有しない鋼板の重ね溶接における上下鋼板の隙間の大きさと疲労強度との関係を示す図。
【図３】重ね溶接における継手の断面形状を示す模式図であり、（ａ）は、全体図、（ｂ）（ｃ）は、（ａ）のＸ部の拡大断面模式図であり、（ｂ）は冷延鋼板の場合、（ｃ）は、亜鉛めっき鋼板の場合をそれぞれ示す。
【図４】亜鉛めっき鋼板の場合の重ね溶接における上下鋼板の隙間の大きさと疲労強度との関係を示す図。
【符号の説明】
１…上側鋼板
２…下側鋼板
３…レーザビーム
４…隙間
５…溶接金属
６…ボンド部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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