(57)【要約】【課題】  板厚が５ｍｍ以下と薄く、かつ全厚にわたって平均粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接において、特に溶接フュージョンライン近傍で発生する溶接熱影響の軟化を抑制し、溶接継ぎ手強度を向上させることができる高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】  高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法において、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上とし、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分に対して、強制冷却した冷却板を、面圧が０．１〜５０ＭＰａで、かつ該冷却板と溶接線との間の距離が、冷却せずに溶接して得られる平均ビード幅に対する比で０．５〜１となるように、前記鋼板の片面または両面に密着させて冷却しながら溶接する高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法において、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上とし、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分に対して、冷却板を、面圧が０．１〜５０ＭＰａで、かつ該冷却板と溶接線との間の距離が、冷却せずに溶接して得られる平均ビード幅に対する比で０．５〜１となるように、前記鋼板の片面または両面に密着させて冷却しながら溶接することを特徴とする高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法。  
【請求項２】
前記冷却板が、銅または銅合金からなる良熱伝導性金属であることを特徴とする請求項１に記載の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超細粒鋼のレーザ溶接方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の安全対策のため、また低燃費化やＣＯ2排出量低減を目的とした軽量化のため、自動車の車体に溶接性に優れかつ高強度の熱延鋼板を使用する必要性が高まっている。
一方、近年、例えば、特許文献１〜４に開示される方法を利用し、熱延技術を駆使して、熱延鋼板の全厚にわたってフェライト組織の平均粒径が４μｍ以下、さらには、１〜３μｍ程度の超微細粒鋼板が実用化されつつある。
このような超微細粒鋼板は、溶接性を害する焼入れ性の高い合金元素を低減しても、結晶の細粒化効果により同一成分組成のフェライト＋パーライト鋼に比較して大幅な強度向上が図れる。
【０００３】
しかし、超微細粒鋼板は、加工熱処理あるいは熱処理、場合によってはメカニカルミリング等の冷間加工等を駆使して形成されたものであるが故に、本質的に熱的に不安定であり、一般に用いられるアーク溶接により溶接を行うと、溶接熱影響部（以下、これをＨＡＺという場合もある）においては、超微細粒組織が消失あるいは変化し、特に溶接融合線（フュージョンライン）近傍の溶接熱影響部の強度は、母材に比べて大幅に低下するというＨＡＺ軟化の問題が発生しやすい。
２相（ＤＰ）鋼板のように組織としてフェライトとともに第２相として硬質なマルテンサイトが含む鋼板の溶接では、マルテンサイトが焼き戻されることにより軟化され、フュージョンラインから離れたＡｃ１変態点以下の低温側で発生する。
これに対して、超微細粒鋼板の軟化現象は、２相鋼板に比較してより高温側のフュージョンライン近傍のＡｃ１変態点以上で発生しやすい。
【０００４】
超微細粒鋼板の溶接時の溶接熱影響部の軟化を抑制する技術としては、例えば、特許文献５および６に開示されているように、アーク溶接に比べて低入熱で高い溶け込み深さが得られるレーザ溶接を適用し、溶接熱影響部の幅を狭くする方法が開示されている。
しかしながら、このようなレーザ方法を用いても、特に、板厚が５ｍｍ以下と薄く、全厚にわたって平均粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板では、溶接熱影響部の軟化は十分に抑制できず、充分な溶接継ぎ手強度が得られず、溶接部材に大きな力がかかったときに軟化部で破断したり、座屈が生じる問題があった。
これは、全厚にわたって細粒化された組織を有し、かつ板厚の薄い鋼板では、溶接熱影響部の軟化が全厚で生じ、それによる溶接継ぎ手強度の低下が著しいことが原因であると考えられる。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２６７９７号公報
【特許文献２】特開平８−１９８８２９号公報
【特許文献３】特開平８−２９５９８２号公報
【特許文献４】特開平９−２０２９１９号公報
【特許文献５】特開昭２００１−１３１６７９号公報
【特許文献６】特開昭２００２−３９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術の問題点を鑑みて、本発明は、板厚が５ｍｍ以下と薄く、かつ全厚にわたって平均粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接において、特に溶接フュージョンライン近傍で発生する溶接熱影響の軟化を抑制し、溶接継ぎ手強度を向上させることができる高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題と解決するものであり、その発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法において、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上とし、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分に対して、冷却板を、面圧が０．１〜５０ＭＰａで、かつ該冷却板と溶接線との間の距離が、冷却せずに溶接して得られる平均ビード幅に対する比で０．５〜１となるように、前記鋼板の片面または両面に密着させて冷却しながら溶接することを特徴とする高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法。
（２）前記冷却板が、銅または銅合金からなる良熱伝導性金属であることを特徴とする上記（１）に記載の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法において、溶接部の特にフュージョンライン近傍の冷却を促進することにより、溶接熱影響部の軟化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法において特に優れた効果を発揮する。
レーザ溶接はアーク溶接に比べて低入熱で高い溶け込み深さが得られ、溶接熱影響部の幅を比較的狭くできるため、板厚が５ｍｍを超えるような鋼板のレーザ溶接継ぎ手では、軟化部の幅は板厚に対して十分狭くなり、硬質の溶接金属と母材に力学的に拘束されて溶接継ぎ手の強度低下の影響は少ない。これに対し、板厚が５ｍｍ以下、さらには、板厚が４ｍｍ未満の薄鋼板においては、溶接施工において軟化部の幅を板厚に対して十分狭くすることが困難であるため、その軟化部が溶接継ぎ手に与える力学的な悪影響を充分に抑制することができない。
また、板厚が５ｍｍ以下の薄鋼板の場合には、平均結晶粒径が４μｍ以下の超微細粒が全厚にわたって存在する鋼板は、それが表層または裏層の一部のみに存在する鋼板に比べて、溶接熱影響部の軟化による溶接継ぎ手強度の低下の影響が大きくなる。
これらに加えて、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度鋼板をレーザ溶接する場合に溶接熱影響部の軟化による溶接継ぎ手強度の低下の影響が大きくなる。
なお、レーザ溶接継ぎ手の熱影響部の軟化による溶接継ぎ手強度の低下の点では、上記平均結晶粒径の下限は特に規定する必要はないが、平均結晶粒径が０．５μｍ未満になると、延びが小さくなり加工性劣化の点から実用的ではないため、上記平均結晶粒径は０．５μｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
このような板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板の成分組成は、本発明において、特に限定する必要はないが、例えば、Ｃ  ：０．０４〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０１〜１質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０．００１〜０．１質量％、Ｎ  ：０．００１〜０．０１質量％を含有し、Ｐ  ：０．０２５質量％以下、Ｓ  ：０．０１５質量％以下に制限し、残部が鉄及び不可避不純物である鋼板を用いることができる。
【００１１】
エネルギー密度の高い溶接方法としてレーザ溶接の他に、電子ビーム溶接やプラズマ溶接も一般に知られている。
レーザ溶接では、電子ビーム溶接やプラズマ溶接に比べ、比較的容易にビームスポット径を小さく絞ることにより少ない入熱量で深い溶け込みで溶接でき、その結果、溶接フュージョンライン近傍の熱影響部の幅を極少にできる。また、レーザ溶接では、溶接加工点の近傍に冷却板を配置して強制冷却する場合に、電子ビーム溶接やプラズマ溶接の場合のような、導電性の冷却板に電子ビームやアークプラズマが逸らされることがない。
以上の理由から本発明では、エネルギー密度の高い溶接方法の中でも、レーザ溶接が最も好ましい。また、レーザ溶接における、レーザビームのスポット径は、１ｍｍ以下とするのがより少ない入熱量で深い溶け込みを得るためにより好ましい。
【００１２】
本発明では、以上のように板厚が５ｍｍ以下で、かつ全厚にわたって平均結晶粒径が４μｍ以下のフェライト組織を有する引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接法を前提とし、溶接熱影響部の軟化をさらに抑制することで従来に比べて溶接継ぎ手強度を向上させるために以下の条件をさらに規定する必要がある。
【００１３】
先ず、レーザ溶接時の溶接速度は、溶接フュージョン部近傍の熱影響部の軟化を抑制するために、０．５ｍ／ｍｉｎ以上とする必要がある。
溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎ未満であると、レーザ溶接中に溶接加工点での入熱が周囲に広がり、溶接入熱に占める鋼板の溶融に費やされる熱量の割合が減少する一方、溶接フュージョン部周辺の温度が上昇する結果、溶接フュージョン部近傍の軟化を助長する。
これに対し、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、レーザの溶接入熱を鋼板の溶融、つまり溶接に最大限に利用でき、溶接フュージョン部周辺の温度を上昇させ溶接に寄与しない無効熱流束の影響を少なくし、溶接フュージョン部近傍の軟化を抑制することができる。
このような理由から、本発明における溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上とする。
【００１４】
さらに、本発明は、レーザ溶接時に鋼板のレーザ照射点（溶接加工点）付近の昇温部分を強制冷却するために図１に示すような冷却手段を設けることを特徴とする。
図１は本発明の冷却板を用いたレーザ溶接方法の実施形態の一例を示すものであり、溶接方向に対して垂直に前方から見た図である。
レーザ溶接は、鋼板同士の突合せ部にレーザビーム２のレーザ照射点３を合わせ、そのレーザ照射点３を所定の溶接速度で移動させながら突合せ部を溶融し溶接線４上に溶接ビードを形成することでなされる。ここで、溶接線４とは、レーザビームのスポット径の中心が移動する軌跡であり、溶接完了後に形成される溶接ビードの中心線に相当する。
本発明においてレーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分とは、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、及び高温の溶接ビードからの熱流束によって加熱されるその周囲の熱影響部を含む部分である。この鋼板の昇温部分のうち、レーザ照射点３付近が最も高温となり、溶接フュージョンラインを形成する。
上述したように本発明が対象とする高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接において、鋼板の超微細粒組織の消失、変化による軟化現象が最も顕著となるには、溶接ビード（溶接フュージョンライン）近傍のＡｃ１変態点以上の高温領域となる溶接熱影響部であるから、この領域を冷却板１０ａ，ｂにより冷却する。
鋼板１の昇温部分を冷却するために用いる冷却板１０ａ，ｂの素材としては、鉄に比べて熱伝導度が高く、溶接時の熱が鋼板中を伝わる以上に冷却板中を伝導させる必要がある。また、溶接ビード（溶接フュージョンライン）直近の高温領域に配置するため、冷却板自体が溶融することなく鋼板からの熱を伝導させるためには、融点が高い物質であることが必要である。このような条件を満たす冷却板の素材として、銅または銅にクロムやベリリウムなどを合金した銅合金などの良熱伝導性金属が冷却板として適用できる。
なお、銅の熱伝導度は０．９２３ｃａｌ・ｃｍ-1ｓ-1ｄｅｇ-1であり、鉄の３倍以上の熱伝導度であるため冷却板構成する素材としてより好ましい。
【００１５】
上記冷却板１０はレーザ照射点近傍の昇温部に位置する鋼板１の片面又は両面に密着するように配置し、昇温部から熱を冷却板に伝導させて温度を低下させる。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すると、より良好に低温に保持することができるので好ましい。冷却媒体としては、冷却水や液体窒素の気化ガスや液体窒素そのものが用いられる。なお、冷却媒体として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。
上記冷却板１０の密着手段としては、鋼板１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の全てを銅または銅合金製としても良いが、高価になる。通常は、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のレーザ照射点近傍の昇温部に接する部分に上記冷却板１０を配置するのが好ましい。
【００１６】
上記冷却板１０と鋼板１との密着性を向上させて鋼板１から冷却板１０への熱伝導効率を高めるためには、冷却板１０の単位面積当たりの圧力、つまり面圧を高くする必要がある。
冷却板１０の面圧が０．１ＭＰａ未満となると、冷却板１０と鋼板１の間の熱的障壁が大きく、十分な冷却能力が得られず、溶接熱影響部の軟化を十分に抑制できなくなる。
一方、冷却板１０の面圧が５０ＭＰａを超えると、冷却能力が飽和する一方、面圧を発生させるために大きな構造物が必要となり実用的ではない。
このような理由から、本発明では、冷却板を鋼板に密着する際の冷却板の面圧を０．１〜５０ＭＰａとした。
冷却板の面圧を高めるための方法としては、図１に示すように、冷却板１０を装着したクランプ６ａを、その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実現でき、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場合であっても冷却板の単位表面積あたりの圧力を増大させることが可能となる。
また、冷却板１０と鋼板１の密着性向上の点から、冷却板１０を比較的強度の高いクロム銅を母材とし、その鋼板１との接触面に比較的軟らかい無酸素銅の薄板をロウ付けした冷却板を作成し使用するのがより好ましい。
【００１７】
上記冷却板１０を鋼板１に密着する位置は、レーザ照射点付近を含む鋼板の昇温部分、つまり、溶接時のレーザ照射点、および溶接により形成された溶接ビード５部の近傍を効率的に冷却するためには、極力溶接線４に近接させて配置することが必要である。
上述したように本発明が対象とする高強度超微細粒薄鋼板のレーザ溶接において、溶接入熱により超微細粒組織の消失、変化による軟化現象が最も顕著となるのは、溶接ビード（溶接フュージョンライン）近傍のＡｃ１変態点以上の高温領域となる溶接熱影響部である。したがってこの溶接ビード（溶接フュージョンライン）近傍を効率的に冷却しその温度を低下させることが重要である。
本発明者らの実験などの検討結果によれば、冷却板１０と溶接線４との間の距離ｘを、冷却板による冷却をせずに同条件で溶接した場合の鋼板表裏の平均ビード幅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、溶接ビード（溶接フュージョンライン）近傍の軟化現象を確実に防止することが可能になる。
一方、冷却板１０と溶接線４との間の距離ｘが近づき過ぎると、冷却板が溶接時に溶損する危険性があるため、冷却板１０と溶接線４との距離ｘを冷却板による冷却をせずに同条件で溶接した場合の鋼板表裏の平均ビード幅の０．５倍以上とする必要がある。
これらの理由から、本発明では、冷却板を鋼板に密着する際の冷却板と溶接線との間の距離ｘを、冷却板により冷却せずに溶接して得られる平均ビード幅に対する比で０．５〜１とした。
【００１８】
上記本発明のように、冷却板１０、好ましくは銅または銅合金の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が冷却板を用いずに同条件で溶接した場合の鋼板表裏の平均ビード幅以内になるように、面圧０．１ＭＰａ以上で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。冷却板１０は強制冷却するとより好ましい。
さらに、前述のように溶接速度を０．５ｍ／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。
【実施例】
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に示す引張強度、全厚にわたる平均結晶粒径および板厚を有する各種鋼板をレーザを用いて突合わせ溶接するに際し、表１に示すレーザ溶接光源、シールドガス、加工点におけるレーザ出力、溶接速度、冷却における冷却板の面圧および配置位置で溶接した後、溶接継ぎ手強度の評価を行なった。
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、レーザ加工点のシールドはセンターシールド法を採用した。
冷却板を用いた冷却手段および密着手段は、図１に示す装置を用いた。表１の冷却板の配置位置における、ｘは冷却板１０と溶接線４との距離を示し、基準表裏平均ビード幅は、実験的に冷却板による冷却をせずに同じ条件で溶接した時の鋼板表裏面での平均ビード幅の実測値である。
溶接後の溶接継ぎ手の引張強度の評価は、溶接線と直角方向に引張試験を実施した場合に、母材部分で破断したものを「ＯＫ」（良好）、熱影響部破断したものを「ＮＧ」（不良）と評価した。
【００２１】
表１のＮｏ．１〜４が本発明例である。
全ての例で図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した。冷却板と鋼板の面圧および冷却板１０と溶接線４との距離ｘは本発明の範囲内としている。本発明例Ｎｏ．１〜４は、いずれも溶接部の強度評価結果が「ＯＫ」であり、良好な溶接部を形成することができた。
【００２２】
表１のＮｏ．５〜８が比較例である。
Ｎｏ．５の鋼板は、全厚にわたる平均結晶粒径０．５μｍと超微細粒組織であり引張強度も１０００ＭＰａと非常に高い強度を有する。この場合、冷却板と溶接線の距離ｘが本発明の範囲から外れているため、溶接熱影響部の超微細粒組織の消失、変化を十分に抑制するための冷却はできず、溶接熱影響部の軟化は発生し、溶接継手の引張試験では、溶接熱影響部で破断し、溶接継手強度が低かった。
Ｎｏ．６は溶接速度が本発明の範囲外にあり、熱影響部が広がりすぎて溶接熱影響部の軟化の結果、同様に溶接継手強度が低かった。
Ｎｏ．７は、冷却板を鋼板に密着させる面圧が不足して、冷却板による十分な熱伝達、冷却ができず、溶接熱影響部の軟化が発生し、同様に溶接継手強度が低かった。
Ｎｏ．８は、冷却板と溶接線の距離ｘが本発明の範囲から外れており、やはり冷却板による十分な熱伝達、冷却ができず、溶接熱影響部の軟化が発生し、同様に溶接継手強度が低かった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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。
【符号の説明】
【００２４】
１：鋼板
２：レーザビーム
３：レーザ照射点
４：溶接線
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
１０：冷却板
１１：冷却媒体通路
ｘ：冷却板と溶接線との距離
【図１】
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