(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を１．０ｍ／min以上とし、冷却手段として、強制冷却した良熱伝導性金属からなる冷却板を該冷却板と溶接線との間の距離が０．３ｍｍ以上５ｍｍ以内となるように鋼板の片面又は両面に密着して設け、レーザ照射点付近を含む鋼板の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【請求項２】
下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板の片面又は両面から冷却ガスをレーザ照射点及びレーザ照射点が通過した後のビード部に吹き付けることにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却ガスを吹き付け、レーザ照射点付近を含む鋼板の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【請求項３】
下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板の片面又は両面から冷却用の液体をレーザ照射点及びレーザ照射点が通過した後のビード部に供給することにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却用の液体を供給し、レーザ照射点付近を含む鋼板の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【請求項４】
下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板の片面又は両面から霧をレーザ照射点及びレーザ照射点が通過した後のビード部に吹き付けることにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却用の霧を吹き付け、レーザ照射点付近を含む鋼板の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【請求項５】
下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を１．０ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板の片面又は両面からレーザ照射点及びレーザ照射点が通過した後のビード部に冷却ガスの吹き付け、冷却用の液体の供給、および、冷却用の霧の吹き付けのいずれかを行うことにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に、冷却ガスの吹き付け、冷却用の液体の供給、および、冷却用の霧を吹き付け、の何れかを行うことに加えて、水冷した良熱伝導性金属からなる冷却板を該冷却板と溶接線との間の距離が０．３ｍｍ以上５ｍｍ以内となるように鋼板の片面又は両面に密着して設け、レーザ照射点付近を含む鋼板の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【請求項６】
前記冷却ガス、冷却用の液体、および、冷却用の霧、のいずれかは、前記冷却板から鋼板に対して溶接線に沿って供給することを特徴とする請求項５に記載の高張力鋼板のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼板のレーザ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の安全対策のため、また低燃費化や二酸化炭素排出量削減を目的とした軽量化のため、自動車の車体に高張力鋼板を使用する必要性が高まっている。高張力鋼板を重ね溶接や突合わせ溶接によって溶接接合すると、溶接部および溶接熱影響部における強度が低下し、母材部に比較して軟化する現象が見られる。このような軟化が発生すると、こうした継手を有する部材に大きな力がかかったときに軟化部で座屈が生ずることがある。また、溶接部を含む鋼板を用いて成形加工を行った際、軟化した溶接部あるいは溶接熱影響部において破断が生じることがある。このように、高張力鋼板を使用したにも関わらずその性能を十分に発揮させることができない。
【０００３】
最近、下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板が注目されている。この値は、溶接熱影響部の軟化の程度を示す指標として実験的に決めたものである。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ））      （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
【０００４】
鋼材の高張力を得る方法には、析出物や固溶元素を用いて組織を硬くする方法と、硬質の組織を軟質の組織に分散させて複合組織とする方法がある。しかし高張力鋼板の高い成形性を得るためには、複合組織によって高張力を得る方が有利である。このため、近年のより高張力でより高成形性を有する鋼板の研究開発の中で、フェライトにマルテンサイトを分散させた２相鋼に代表される鋼板が開発されてきた。こうした鋼板では結果的に上記ＨＴ値が高くなるとともに、溶接熱影響部の軟化が著しくなるという問題が発生した。
【０００５】
特開２０００−１７８６５４号公報に記載のものは、高張力鋼板において、鋼成分と圧延条件を規定してＮｂＮ析出を有効に活用することで、フェライト及びマルテンサイトからなる溶接熱影響軟化部の狭い高張力薄鋼板を提供できるとしている。しかしながら、析出物を多量に析出させると、高張力鋼板の伸びに代表される成形性が著しく低下してしまうことから、冶金的な手段によっては熱影響部軟化の抑制と高い成形性を両立させることは困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板を溶接接合した材料は、溶接接合部付近の軟化を抑えることができず、成形加工時に溶接接合部付近から破断が生じたり、部材に大きな力がかかったときに溶接接合部で座屈が生じる問題があった。本発明は、ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板において、溶接接合部の軟化を防止することのできる溶接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】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を１．０ｍ／min以上とし、冷却手段として、強制冷却した良熱伝導性金属からなる冷却板１０を該冷却板１０と溶接線４との間の距離ｘが０．３ｍｍ以上５ｍｍ以内となるように鋼板の片面又は両面に密着して設け、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
（２）下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板１の片面又は両面から冷却ガス１７をレーザ照射点３及びレーザ照射点が通過した後のビード５部に吹き付けることにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却ガス１７を吹き付け、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
（３）下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板１の片面又は両面から冷却用の液体１８をレーザ照射点３及びレーザ照射点が通過した後のビード５部に供給することにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却用の液体１８を供給し、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
（４）下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を２．５ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板１の片面又は両面から霧１９をレーザ照射点３及びレーザ照射点が通過した後のビード５部に吹き付けることにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に冷却用の霧１９を吹き付け、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
（５）下記（１）式のＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板のレーザ溶接方法において、溶接速度を１．０ｍ／min以上とし、冷却手段として、鋼板の片面又は両面からレーザ照射点３及びレーザ照射点が通過した後のビード５部に冷却ガス１７の吹き付け、冷却用の液体１８の供給、および、冷却用の霧１９の吹き付けのいずれかを行うことにより、溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分に、冷却ガス１７の吹き付け、冷却用の液体１８の供給、および、冷却用の霧１９を吹き付け、の何れかを行うことに加えて、水冷した良熱伝導性金属からなる冷却板１０を該冷却板１０と溶接線４との間の距離ｘが０．３ｍｍ以上５ｍｍ以内となるように鋼板１の片面又は両面に密着して設け、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の溶接中及び溶接後の温度が２００℃以上の昇温部分であって、前記レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算した距離Ｌまでの範囲を冷却することを特徴とする高張力鋼板のレーザ溶接方法。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ）） （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さである。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板のビッカース硬さである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は板厚方向の平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
（６）前記冷却ガス１７、冷却用の液体１８、および、冷却用の霧１９、のいずれかは、前記冷却板１０から鋼板１に対して溶接線４に沿って供給することを特徴とする請求項５に記載の高張力鋼板のレーザ溶接方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、下記ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板を対象とする。このような指標を有する鋼板は、焼入れ強化によって優れた高張力を発揮することができる一方、従来の溶接方法では溶接部及び溶接熱影響部の軟化が発生するからである。
ＨＴ＝（１＋４Ｃ−０．１Ｓｉ−０．１Ｍｎ−Ｎｂ−Ｍｏ）／（Ｈｖ（Ｍ）−Ｈｖ（ＢＭ））      （１）
ただし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏは各元素の含有量（質量％）である。また、Ｈｖ（Ｍ）は当該鋼板がフルマルテンサイトになったときのビッカース硬さであり、鋼板を水焼入れなどの手段によってフルマルテンサイト組織とした上で、焼入れままでビッカース硬度を測定することにより評価することができる。また、Ｈｖ（Ｍ）はＣ濃度との相関が高く、
Ｈｖ（Ｍ）＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ2）＋２９４
としてＣ濃度（質量％）から計算で求めることもできる。Ｈｖ（ＢＭ）は鋼板母材のビッカース硬さであり、母材の引張強度Ｔ（ｋｇｆ／ｍｍ2）から
Ｈｖ（ＢＭ）＝３Ｔ
として求めることも可能である。
【０００９】
本発明は、板厚が３ｍｍ以下の薄鋼板の溶接において特に優れた効果を有する。板厚が厚い場合であって溶接ビード幅が狭い場合には、溶接部近傍に軟化部が発生しても、軟化部は硬質の溶接金属と母材に力学的に拘束されることによって悪影響が生じない。それに対し、板厚が３ｍｍ以下の薄鋼板においては、実際の溶接施工においては軟化部の幅を板厚に対して十分狭くすることができる程度に入熱を低減することができず、その結果軟化部が力学的に悪影響を及ぼすことを抑えることができず、本発明によって軟化部の生成を抑制することが必要になるからである。
【００１０】
本発明は、溶接方法としてレーザ溶接を採用する。レーザ溶接であれば、レーザビームスポット径を小さく絞って少ない入熱量で溶接を行うことができ、溶接部近傍の熱影響を極少にすることができるからである。ビームスポット径を１．０ｍｍ以下とすると好ましい。０．６ｍｍ以下とすればより好ましい。
【００１１】
溶接が行われた後の溶接部近傍における熱影響を少なくするためには、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ以上とすることが有効である。溶接速度が１ｍ／ｍｉｎ未満であると、溶接中に加工点から熱が周囲に広がり、溶接入熱のうちで溶融に費やされる熱量が減少し、溶接部周辺の温度上昇に費やされる熱量が増大し、結果として溶接部周辺の軟化を助長する。それに対し、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、溶接入熱を最大限に溶融に費やすことが可能になる。その結果、溶接部近傍の熱影響部は、溶接に寄与せず、溶接部周辺の温度を上昇させているだけの加工点からの無効熱流束の影響は少なくなり、主に高温の溶接ビードからの熱流束によって形成されることとなる。溶接速度を２．５ｍ／ｍｉｎ以上とすると、加工点からその周囲への無効熱流束の影響は一層少なくなり、好適である。
【００１２】
ＨＴが０．００７を超える鋼板の溶接において、溶接部近傍の軟化を防止するためには、以上の対策に加え、溶接部近傍の温度上昇範囲を極力低減するとともに、温度上昇部をできるだけ速い冷却速度で冷却することが有効である。
【００１３】
本発明は、レーザ照射点３付近を含む鋼板１の昇温部分を冷却するための冷却手段を設けることを特徴とする。鋼板の昇温部分とは、レーザ照射点付近から始まり、移動するレーザ照射点３後方の溶接線４上に形成される高温の溶接ビード５、及び高温の溶接ビード５からの熱流束によって加熱される熱影響部を含む部分である。鋼板の昇温部分のうち、レーザ照射点３付近が最も高温の部分であり、冷却手段はこの部分を有効に冷却することが重要である。
【００１４】
ここにおいて、溶接線４とは、レーザビームスポット中心が移動する軌跡であり、溶接完了後において溶接線上にビード５が形成される。
【００１５】
鋼板の昇温部分を冷却するための冷却手段としては、図１に示すように、強制冷却した良熱伝導性金属からなる冷却板１０を鋼板１の片面又は両面に密着する手段を採用することができる。良熱伝導性金属としては、熱伝導度が鉄の熱伝導度の３倍以上のものを用いると良い。銅は熱伝導度が０．９２３ｃａｌ・ｃｍ-1ｓ-1ｄｅｇ-1であり、冷却板１０を構成する材料として最も好ましい。冷却板１０は、内部に冷却媒体を流通させる冷却媒体通路１１を形成することによって強制冷却し、低温に保持することができる。冷却板１０は鋼板１に密着することにより、鋼板１の温度を低下させる。密着の手段としては、鋼板１を表裏両面から圧力をかけて押さえ、鋼板に接する部分の片面又は両面を上記冷却板とすることによって行うことができる。通常は、溶接を行う鋼板を固定するための固定装置６のクランプ６ａまたは溶接定盤６ｂの一方または両方において、鋼板１と接する部分を上記冷却板１０とすることによって行うことができる。
【００１６】
冷却板１０を強制冷却させる手段としては、冷却板１０中に冷却媒体通路１１を形成し、該通路に冷却媒体を流通させることによって行うことができる。具体的には、水を流通させる方法、液体窒素の気化ガスや液体窒素そのものを流通させる方法を採用することができる。液体窒素そのものを流す場合には、冷却板１０を含む固定装置全体を乾燥空気中に置くなど、結露しないように工夫すると良い。
【００１７】
レーザ溶接の溶接中において、レーザ照射点３は溶接線４に沿って所定の溶接速度で移動する一方、鋼板１に密着させた冷却板１０は溶接中において鋼板１に固定したままである。従って、当然のことながら冷却板１０を溶接線４を覆って密着することはできず、溶接が完了した後の溶接ビード５に冷却板１０を直接密着して冷却することができない。従って、溶接中のレーザ照射点３及び溶接が完了して温度が上昇している溶接ビード５部を有効に冷却するためには、冷却板１０を極力溶接線４に近接させて配置することが重要である。本発明においては、冷却板１０と溶接線４との間の距離ｘを５ｍｍ以内とすることにより、溶接中及び溶接後の昇温部分を有効に冷却し、溶接部近傍の鋼板の軟化を防止することが可能になる。一方、レーザ溶接においてビームスポット径を小さく絞った場合においても、溶接ビードを形成するためには冷却板１０と溶接線４との距離ｘを０．３ｍｍ以上確保する必要がある。
【００１８】
上記本発明のように、水冷した良熱伝導性金属からなる冷却板１０を溶接線４との間の距離ｘが５ｍｍ以内になるように密着配置して冷却を行うことにより、レーザ照射点３における入熱のうち側方に伝搬する熱は冷却板１０に吸収され、レーザ照射点３側方の温度上昇を有効に防止することができる。さらに、前述のように溶接速度を１．０ｍ／ｍｉｎ以上の速度とすることにより、レーザ照射点３の側方への熱の広がりを抑制することができ、レーザによる入熱を効率よく鋼板１の溶融に使うことができ、周辺への熱の拡散を防止することができる。
【００１９】
冷却板１０の材質としては、例えばクロム銅を用いることができる。クロム銅は無酸素銅に比べると強度が高く、このため鋼板に押圧して用いる冷却板の寿命を長くすることができる。冷却板１０が鋼板１と接触する表面には、無酸素銅など軟らかい金属からなる薄板をロウ付けし、クランプ圧によって鋼板と密着しやすいようにしても良い。鋼板表裏面から鋼板１をクランプする固定装置６の全体を銅合金で製造することとしても良いが、銅合金は比較的高価であることから、溶接線付近の鋼板１と密着する部分のみを銅合金で製造した冷却板１０とすると好ましい。
【００２０】
冷却板１０を鋼板１に密着させて鋼板１から冷却板１０への熱伝導を図るに際しては、冷却板１０を鋼板１に密着する単位面積あたりの圧力を高くするほど良好な熱伝導を実現することができる。図１に示すように、冷却板１０を装着したクランプ６ａを、鋼板に接する面積が小さくなるように構成することにより、クランプ圧発生用シリンダー６ｃによるクランプ力が同じであっても冷却板表面積あたりの圧力を増大させることができ、好ましい。
【００２１】
本発明の冷却手段はまた、鋼板１の片面又は両面から昇温部分に冷却ガス１７を吹き付ける方法を採用することができる。冷却ガス１７の吹き付けに当たっては、図２に示すように、鋼板１の温度が最も上昇するレーザ照射点３付近については冷却ガスノズル１２によって直接レーザ照射点に冷却ガス１７を吹き付け、レーザ照射点３が通過した後の高温に加熱されたビード５部については冷却ガス発生器１３から供給される冷却ガス１７によって冷却することができる。冷却ガス１７としては、水素、ヘリウム、窒素、二酸化炭素ガスなどが挙げられる。水素やヘリウムガスは抜熱能力に優れる。窒素ガスの場合は液体窒素から蒸発した直後の十分に冷たいガスを用いることができる。二酸化炭素ガスでは断熱膨張によりガスを冷却することができる。空気を用いる場合、十分なガス流量の確保が必要であり、５０リットル／ｍｉｎ以上の流量を用いるべきである。水素ガスは可燃性ガスであるので、防爆仕様の排気装置が準備できている場合に使用することができる。なお、図２においては、鋼板１は鋼板押さえ用ホイール９によって保持され、溶接に際してはレーザビーム２を固定し、鋼板１を鋼板移動方向２２に一定速度（溶接速度）で移動する。
【００２２】
前記冷却板１０を溶接線４から５ｍｍ以内の距離において鋼板１に密着させる本発明においては、レーザ照射点３から側方に流出する熱は冷却板１０によって奪われ、レーザ照射点側方の温度上昇を有効に防止することができる。そのため、溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎ以上の速度であれば十分であった。それに対し、レーザ照射点付近に冷却ガス１７を吹き付ける本発明においては、溶接速度１．０ｍ／ｍｉｎ程度の場合においては、レーザ照射点側方の温度上昇を十分に防止しようとすると高速ガスの吹き付けが必要となり、溶接現象が乱れ、良好な溶接ビード５が形成されず、ハンピングなどの形状不良が発生することとなる。そこで、冷却ガス吹き付けによる本発明においては、溶接速度を２．５ｍ／ｍｉｎ以上の速度とし、レーザ照射点３における入熱を鋼板の溶融のみに消費し、側方への熱流束をより一層低減することが必要となる。
【００２３】
本発明の冷却手段はまた、鋼板１の片面又は両面から昇温部分に冷却用の液体１８を供給する方法を採用することができる。液体１８の供給に当たっては、鋼板の温度が最も上昇するレーザ照射点３を含め、レーザ照射点３が通過した後の高温に加熱されたビード５部にも液体を供給する。液体１８としては、液体窒素の他、水や切削油などの油が用いられる。水や油を用いる場合、発生した蒸気を集める吸引装置を併用することが好ましい。冷却用の液体を供給する本発明の場合、上記冷却ガスを吹き付ける発明と同様、溶接速度を２．５ｍ／min以上の速度とすることが必要である。
【００２４】
本発明の冷却手段はまた、鋼板１の片面又は両面から昇温部分に冷却用の霧１９を吹き付ける方法を採用することができる。霧１９の吹き付けに当たっては、鋼板１の温度が最も上昇するレーザ照射点３を含め、レーザ照射点が通過した後の高温に加熱されたビード５部にも吹き付けを行う。霧１９を形成するための液体としては、液体窒素の他、水や切削油などの油が用いられる。水や油を用いる場合、発生した蒸気を集める吸引装置を併用することが好ましい。霧を吹き付ける本発明の場合、上記冷却ガスを吹き付ける発明と同様、溶接速度を２．５ｍ／min以上の速度とすることが必要である。
【００２５】
上記冷却ガス１７の吹き付け、冷却用液体１８の供給、霧１９の吹き付けを行う冷却手段として、図２〜図６に示す手段を用いることができる。
【００２６】
図２においては、冷却ガスノズル１２からレーザ照射点３に向けて冷却ガス１７を吹き付けると同時に、冷却ガス発生器１３から吹き出した冷却ガス１７を高温のビード部およびその周辺に吹き付ける。冷却ガスノズル１２および冷却ガス発生器１３をそれぞれ液体供給ノズルおよび液体供給器とすれば、液体１８を供給する冷却手段として用いることができる。また、冷却ガスノズル１３および冷却ガス発生器１３をそれぞれ霧噴霧ノズルおよび霧発生器とすれば、霧１９を吹き付ける冷却手段として用いることができる。
【００２７】
図３に示す冷却手段においては、霧発生器１４がレーザ照射点３および高温のビード５部をカバーするように配置され、霧発生器１４から鋼板１に霧１９を吹き付けることができる。霧発生器１４を冷却ガス吹き付け器とすれば、冷却ガス１７を吹き付ける冷却手段として用いることができる。また霧発生器１４を液体供給器とすれば、液体１８を供給する冷却手段として用いることができる。図３に示す例では、シールドガス７をレーザビーム２と同軸に流すセンターシールドトーチ８を用いており、レーザ照射点３に吹き付けられるシールドガス７による冷却を付加している。
【００２８】
図４においては、溶接線４の両側に鋼板１を固定するための固定装置６が配置されている。固定装置６は、鋼板下面側から鋼板を保持する溶接定盤６ｂと、鋼板上面側から鋼板を保持するクランプ６ａとからなり、クランプ６ａと溶接定盤６ｂとの間に鋼板１を押しつけることによって鋼板１を固定することができる。図４に示すように、このクランプ６ａと溶接定盤６ｂの一方または両方から冷却ガス１７を鋼板１に向かって吹き付けることにより、冷却ガス１７を吹き付ける本発明の冷却手段とすることができる。冷却ガス１７は、冷却ガス通路１５から供給され、ノズルを経由して鋼板１に吹き付けられる。冷却ガス１７を吹き付けるかわりに液体１８を供給することにより、冷却用の液体１８を供給する本発明の冷却手段とすることができる。さらに、冷却ガス１７を吹き付けるかわりに霧１９を吹き付けることにより、霧１９を吹き付ける本発明の冷却手段とすることができる。図４に示すように固定装置６から冷却ガスなどを吹き付けることとすれば、鋼板１を駆動しなくても鋼板表裏面からの冷却が容易である。鋼板裏面側から吹き付ける冷却ガス１７は、レーザ照射点３を直接狙わないように吹き付けることが好ましい。レーザ照射点３を直接狙った場合、冷却ガスの流速を上げるとスパッタが増大するという不都合が生じるからである。これは鋼板を貫通して減衰されたビームにより維持される鋼板裏面のビームホール開口部が、強いパワーのビームにより維持される鋼板表面のビームホール開口部に対して不安定であるためである。
【００２９】
レーザ溶接における溶融金属を大気から保護する目的でシールドガス７が用いられる。シールドガスをレーザビーム２と同軸に流すセンターシールドトーチ８を用いる場合、シールドガスによる冷却と上記図４に示す固定装置６から吹き付ける冷却ガス１７とを組み合わせて鋼板を冷却することができる。この場合、シールドガス７と冷却用ガス１７のガス種を別々にすることも可能である。
【００３０】
上記冷却ガス１７の吹き付け、冷却用液体１８の供給、霧１９の吹き付けを行う冷却手段に加え、水冷した良熱伝導性金属からなる冷却板１０を鋼板１の片面又は両面に密着してなる前記冷却手段を付加することにより、より一層優れた効果を発揮することができる。この場合、前述の冷却板を用いる発明と同様、溶接速度を１．０ｍ／min以上の速度とすることが必要である。冷却ガス１７の吹き付け、冷却用液体１８の供給、霧１９の吹き付けを行う冷却手段については、それぞれの冷却手段についての前述した方法をそのまま採用することができる。また、冷却板１０を用いた冷却手段についても、前述した方法をそのまま採用することができる。図５に示す例は、霧発生器１４による霧１９の吹き付けと冷却板１０による冷却を併用した例である。
【００３１】
冷却ガス１７、冷却用の液体１８、冷却用の霧１９による冷却と冷却板１０による冷却を併用する上記本発明においては、前記冷却ガス１７、冷却用の液体１８、冷却用の霧１９のいずれかは、図６に示すように冷却板１０から鋼板１に対して溶接線４に沿って供給することとしても良い。これにより、冷却板１０を直接密着することができない溶接線４の真上を、冷却ガス１７や冷却用の液体１８、冷却用の霧１９で冷却することが可能となる。特にＹＡＧレーザや半導体レーザを用いたレーザ溶接の場合、液体窒素の霧１９を冷却用の霧として用いることができる。これらレーザは、波長が短いことから加工点にレーザ誘起プラズマを生成することがなく、このため加工点付近の窒素がプラズマ化することはなく、その結果溶鋼に多量に窒素が溶解せず、良好な溶接部が形成されるからである。
【００３２】
本発明の冷却手段として、鋼板１に接して流動する液体１８を用いることができる。図７に示すように、液体容器１６の中に高速で流れる液体１８浴を形成し、当該液体１８中に溶接する鋼板１を浸漬し、レーザ溶接を行う。液体１８の流速は鋼板１との相対速度で定義する。液体１８として液体窒素が好ましい。液体窒素流速は１０ｍ／ｍｉｎ以上の速度とする。液体１８として液体窒素を選択し、レーザ光源をＹＡＧレーザ光の波長程度より短い光源（短波長レーザ：ＹＡＧレーザの波長である１．０６μｍ以下）とすれば、窒素の溶接ビードへの溶解に伴う欠陥の発生を回避することが可能である。短波長レーザであれば、水や液体窒素で吸収されることがなく、溶接可能である。またレーザ誘起プラズマ中での原子状窒素の生成がないことから、溶鋼への窒素溶解量が少なくて済むからである。溶接速度は１ｍ／ｍｉｎ以上の速度とする。これにより、レーザビームによる入力は主に鋼板の溶解に用いられ、レーザ照射点から周囲への熱の拡散を低減することができる。
【００３３】
本発明の冷却手段は、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分を冷却するにあたり、鋼板の温度が２００℃以上の領域を冷却することとすると好ましい。例えばビードの温度が４００℃まで低下したところで冷却手段による冷却を止めてしまうと、４００℃以下の冷却速度が緩冷却となり、鋼板の軟化を十分に防止することができなくなる。
【００３４】
本発明の冷却手段は、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分を冷却するにあたり、レーザ照射点の後方の下記（２）式で計算される距離Ｌまでの範囲を冷却することとすると好ましい。これにより、急冷却とすべき温度領域をすべて急冷却することが可能になり、鋼板の軟化を十分に防止することができる。レーザ照射点（加工点）から冷却を終了する点までのビード上の長さをいくつかの入熱量（平均ビード幅）と溶接速度について変更した実験を行い、軟化程度を調査した。このとき軟化の抑制が可能であった長さは、液体や霧の良によって変化したが、種々の冷却条件すべてに対して軟化抑制が可能であった長さ（Ｌ）を平均溶接ビード幅（Ｗ）と溶接速度（ｖ）の関数として回帰した結果、（２）式が得られたものである。
Ｌ（ｍｍ）＝２０×ｗ2×ｖ      （２）
ただし、ｗ（ｍｍ）は平均溶接ビード幅、ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は溶接速度である。
【００３５】
本発明の冷却手段は、レーザビーム照射点近傍においては、できるだけレーザ照射点３に近い位置から冷却を開始することが好ましい。特に、レーザビーム側方であって、溶接線４から側方にわずかにずれた位置の最高到達温度を低下するためには、レーザビームの直近の位置を有効に冷却することが重要である。
【００３６】
【実施例】
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示す各種鋼板強度、ＨＴ値、板厚を有する鋼板を突合わせ溶接するに際し、本発明のレーザ溶接方法を適用した。レーザ溶接光源としてはＹＡＧレーザまたは炭酸ガスレーザを使用し、シールド方法はセンターシールドトーチを採用した。レーザ溶接光源、シールドガス種、加工点における出力、溶接速度は表１に示すとおりである。
【００３９】
冷却手段として、表１に示すように図１〜図８の各種冷却手段を用いた。表１の「配置位置」に記載した内容は、冷却手段が冷却板１０である場合は、冷却板１０と溶接線４との距離ｘを記載しており、冷却ガス１７、冷却用液体１８、冷却用霧１９の吹き付けの場合は、溶接線に沿った吹き付け範囲を示している。吹き付け範囲において、プラス数字はレーザ照射点より後側、マイナス数字はレーザ照射点より前側の位置を示す。また、Ｎｏ．１０の液体中浸漬においては、液体１８と鋼板１との相対速度を記載している。
【００４０】
溶接後の成形性評価においては、エリクセン試験をした場合に、溶接金属の部分で破断したものを「ＯＫ」（良好）、熱影響部破断で成形高さが母材に比べて大幅に低下したものを「ＮＧ」（不良）としている。
【００４１】
表１のＮｏ．１〜８が本発明例である。Ｎｏ．１は図１に示す水冷銅合金製の冷却板１０を鋼板の表裏面から鋼板１に密着することにより冷却手段とした。冷却板１０と溶接線４との距離ｘは０．６ｍｍである。Ｎｏ．２は図２に示す冷却ガスノズル１２と冷却ガス発生器１３から冷却ガス１７としてヘリウムガスを吹き付けて冷却を行った。鋼板の冷却位置は、レーザ照射点３の手前５ｍｍから後方１５０ｍｍまでである。Ｎｏ．３は図３に示す霧発生器１４を冷却用の液体供給器に替え、水溶性油を液体１８として鋼板に供給した。鋼板の冷却位置は、レーザ照射点３の後方３ｍｍから後方１００ｍｍまでである。Ｎｏ．４は同じく図３に示す霧発生器１４を用い、霧１９として水を噴霧した。鋼板の冷却位置は、レーザ照射点３の手前５ｍｍから後方１５０ｍｍまでである。Ｎｏ．５は図５に示す冷却板１０と霧発生装置１４とを併用し、霧発生装置１４からは水を噴霧した。霧発生装置１４による鋼板の冷却位置は、レーザ照射点３の手前５ｍｍから後方１００ｍｍまでである。Ｎｏ．６は同じく図５に示す冷却板１０と霧発生装置１４とを併用し、霧発生装置１４からは液体窒素の霧を噴霧した。霧発生装置１４による鋼板の冷却位置は、レーザ照射点３の手前５ｍｍから後方１５０ｍｍまでである。Ｎｏ．７は図６に示す冷却手段を用い、冷却板１０による冷却と冷却板１０から吹き付ける冷却用ガス１７とを併用した。冷却板１０の冷却媒体通路１１には液体窒素気化ガスを流通させて冷却媒体とし、同じ液体窒素気化ガスを冷却ガス通路１５を経由して鋼板１に吹き付ける冷却用ガス１７とした。冷却板１０と溶接線４との距離ｘは０．６ｍｍである。Ｎｏ．８は図７に示す液体容器１６に冷却用の液体１８として水を用い、水中に鋼板１を浸漬してレーザ溶接を行った。冷却用の水に流れを形成し、水と鋼板１との相対速度を１０ｍ／ｍｉｎとした。本発明例Ｎｏ．１〜８は、いずれも成形性評価結果が「ＯＫ」であり、良好な溶接部を形成することができた。
【００４２】
表１のＮｏ．９〜１９が比較例である。Ｎｏ．９〜１１はＨＴ値が本発明の範囲より低く、本発明の冷却手段を用いなくても良好な成形性評価結果を得ている。Ｎｏ．１２〜１９はいずれもＨＴ値が本発明範囲内である。Ｎｏ．１２〜１５は本発明の冷却手段を用いずに図８に示す方法を採用しているので、成形性評価結果がいずれも不良であった。Ｎｏ．１６、１７は図１に示す冷却板１０を用いているものの、Ｎｏ．１６は冷却板１０と溶接線４との距離が本発明範囲よりも広すぎ、Ｎｏ．１７は溶接速度が本発明範囲よりも遅すぎ、いずれも成形性評価結果が不良であった。Ｎｏ．１８、１９は図３に示す本発明の冷却手段を用いているものの、Ｎｏ．１８は冷却開始位置がレーザ照射点３から離れすぎ、Ｎｏ．１９は溶接速度が遅すぎ、いずれも効果を発揮することができなかった。
【００４３】
本実施例において、冷却手段による冷却範囲が（２）式の距離Ｌより長い場合と短い場合が存在するが、本発明例においては、効率的な冷却が可能であったため、距離Ｌより短い冷却範囲であっても冷却終了時点で溶接ビード温度は２００℃以下になっていた。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、ＨＴ値が０．００７を超える高張力鋼板において、本発明の冷却手段を用いて溶接部および溶接熱影響部の冷却を促進することにより、溶接接合部の軟化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却板を用いたレーザ溶接方法を示す図であり、溶接方向に垂直にみた図である。
【図２】本発明の冷却ガス吹き付けを用いたレーザ溶接方法を示す図であり、溶接方向に平行にみた図である。
【図３】本発明の霧吹き付けを用いたレーザ溶接方法を示す図であり、（ａ）は溶接方向に垂直にみた図、（ｂ）は溶接方向に平行にみた図である。
【図４】本発明の冷却ガス吹き付けを用いたレーザ溶接方法を示す図であり、溶接方向に垂直にみた図である。
【図５】本発明の冷却板と霧吹き付けを併用したレーザ溶接方法を示す図であり、（ａ）は溶接方向に垂直にみた図、（ｂ）は溶接方向に平行にみた図である。
【図６】本発明の冷却板と冷却ガス吹き付けを併用したレーザ溶接方法を示す図であり、溶接方向に垂直にみた図である。
【図７】本発明の液体中に浸漬するレーザ溶接方法を示す斜視図である。
【図８】従来のレーザ溶接方法を示す図であり、溶接方向に垂直にみた図である。
【符号の説明】
１  鋼板
２  レーザビーム
３  レーザ照射点
４  溶接線
５  ビード
６  固定装置
６ａ  クランプ
６ｂ  溶接定盤
６ｃ  クランプ圧発生用シリンダー
７  シールドガス
８  センターシールドトーチ
９  鋼板押さえ用ホイール
１０  冷却板
１１  冷却媒体通路
１２  冷却ガスノズル
１３  冷却ガス発生器
１４  霧発生器
１５  冷却ガス通路
１６  液体容器
１７  冷却ガス
１８  液体
１９  霧
２０  液体流
２１  溶接進行方向
２２  鋼板移動方向
ｘ  冷却板と溶接線との距離
【図１】
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【図２】
0004678749.tif 000004
【図３】
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【図４】
0004678749.tif 000006
【図５】
0004678749.tif 000007
【図６】
0004678749.tif 000008
【図７】
0004678749.tif 000009
【図８】
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