(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接により一体化された鋼材同士の接合体において、該接合体における溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められ、かつ該溶接金属中に質量割合で３６０〜５４０ｐｐｍのＮが含有されていることを特徴とする鋼材のレーザ溶接接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材のレーザ溶接に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材同士の接合は、一般のアーク溶接、或いは電子ビーム、レーザビームなどの高エネルギー密度ビーム溶接により広く行われている。なかでもレーザ溶接は深溶込みの高速溶接が可能であり、また電子ビームのように真空を必要とせず高能率な溶接を達成できる手法として注目をあびている。また大容量のレーザ溶接機も製作され厚鋼板の溶接も可能となった。しかし、レーザ溶接には以下の2つの問題がある。
【０００３】
その第一は、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題である。レーザビームによる深溶込み溶接においては、被溶接材である金属がレーザビームにより蒸発し、蒸発反力と蒸気圧によりキーホールと呼ばれる空洞が材料中に形成される。キーホールは金属蒸気により満たされており、キーホール口から蒸気は外部に噴出している。このようにレーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。
【０００４】
第二は、溶接金属部が非常に狭いため冷却速度が速く、溶接金属部が硬化して靭性が低下する問題である。鋼材には量の大小はあるにせよ必須の含有元素としてＣが含まれること、また通常のアーク溶接に比較して冷却速度が速いことから、これら両因子が重畳してマルテンサイト変態による溶接金属の低温割れが発生し易い問題である。
【０００５】
従って、レーザ溶接を実用化するためには、特にブローホール発生防止と低温割れ防止を両立し、適切な強度の溶接継手を得ることが必要となる。更に、溶接そのものが安定して行えなければ、生産性を極めて重視する分野においては実用化ができない。
【０００６】
このような問題点を解決することを目的に、産学ともにレーザ溶接金属の欠陥防止と靭性向上に関する研究が盛んに行われており、提案されたものがある。
【０００７】
まずブローホールと言われる溶接欠陥を防止する方法として、例えば特開平９−３１４３６８号公報には、シールドガスの巻き込みにより発生するブローホールを抑制する方法として、レーザビームの波長を８．２μｍ以下に制限し、かつシールドガスの組成として窒素を体積比率で５％以上含有させる方法が提案されている。しかしながら本方法では、溶接欠陥を防止する方法は記載されているが、溶接金属の靭性を向上させる手法については記述がない。
【０００８】
また溶接金属の靭性を向上させる方法として、例えばフィラー材料を供給しながらレーザ溶接する方法（特開平９−１２２９５７号公報、特開平６−６７０号公報)、レーザ溶接する鋼板母材の化学成分と焼入れ臨界直径Ｄｉ値を制御する方法（特開平８−２７６２８６号公報、特開平１０−９４８９０号公報)、レーザ溶接する鋼板母材の化学成分と組織パラメータ（結晶粒径や第２相組織分率）や機械的特性（均一伸びと局部伸び）を制御する方法（特開平１１−２９３３９８号公報）などが提案されている。しかしながら、いずれの方法も溶接金属部の靭性や成形性改善に着目したものである。この内、特開平８−２７６２８６号公報、特開平１０−９４８９０号公報、特開平１１−２９３３９８号公報に提案の方法では、鋼材中に含まれるＭｎの蒸気やＮが原因となりブローホールが発生すると解析し、ブローホールを抑制するために、鋼材中に含まれるＭｎとＮの含有量を規制することが記述されている。しかしながら、特開平９−３１４３６８号公報に記述されているように、レーザ溶接で必須のシールドガスの巻き込みが原因で発生する気孔欠陥に対しては、何ら対策が施されていないと言える。
【０００９】
以上のように、従来のレーザ溶接方法並びに溶加材では、欠陥発生防止、溶接金属部の靭性向上の点で不十分であり、これらを共に満足できるレーザ溶接方法並びに溶加材は見あたらないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
鋼材同士の接合に対しては、前述のレーザ溶接が適用できれば、溶込み深さ、強度、生産性、歪みの面で有利と考えられる。しかしながら、レーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。また鋼材には量の大小はあるにせよ必須の含有元素としてＣが含まれること、また通常のアーク溶接に比較して冷却速度が速いこと、およびこれら両因子が重畳してマルテンサイト変態による溶接金属の低温割れが発生し易い問題がある。従ってレーザ溶接を実用化するためには、特にブローホール発生防止と低温割れ防止を両立し、適切な強度の溶接継手（接合体）を得ることが必要となる。更に、溶接そのものが安定して行えなければ、生産性を極めて重視する分野においては実用化ができない。
【００１１】
本発明は、かかる要請に応えるべくなされたものであって、その目的は、レーザ溶接による鋼材同士の接合において、ブローホールや低温割れ等の欠陥のない溶接金属で構成される接合体を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、鋼材同士のレーザ溶接による接合体における溶接金属に固有の組織および成分を設定することによって鋼材同士の接合が可能であることを見出し、本発明を完成したものである。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、レーザ溶接により一体化された鋼材同士の接合体において、該接合体における溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められ、かつ該溶接金属中に質量割合で３６０〜５４０ｐｐｍのＮが含まれていることを特徴とする鋼材のレーザ溶接接合体を要旨とする。以下、単に「○○ｐｐｍ」は「質量割合で○○ｐｐｍ」を意味するものとする。
【００１４】
（作用）
レーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。また一般の鋼材には強度改善を目的としてＣが添加されているため、このような鋼材を一般的なアーク溶接と比較して冷却速度が極めて速いレーザビームで溶接すると、溶接金属中に含まれるＣが原因となり、溶接金属は靭性の乏しいマルテンサイトとなりやすく低温割れが発生し易い問題がある。
【００１５】
上記問題のない溶接金属を得るには、溶接金属が、(1)３０％以上オーステナイト組織でしめられていること、(2)溶接金属が３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有していること、をともに満たすことにより実現される。
【００１６】
すなわち、溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていることにより、マルテンサイト変態による低温割れがない溶接金属が得られる。
【００１７】
また、溶接金属が３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有することにより、溶融金属に溶解した窒素が溶接金属中に凍結され、ブローホールのない溶接金属が得られる。また、Ｎはオーステナイト形成能力が高いため、溶接金属のオーステナイト化を促進し、低温割れを防止する効果がある。
【００１８】
したがって、溶接金属が３０％以上オーステナイト組織で占められ、かつ３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有することにより、ブローホール発生防止と低温割れ防止を両立でき、接合強度に優れた接合体が得られるのである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の接合体における溶接金属の組織およびＮ含有量の限定理由、およびそのような組織およびＮ含有量の接合体を得る方法や条件について、詳細に説明する。
【００２０】
(1)溶接金属の組織について
溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていることとするのは、以下の理由による。
【００２１】
溶接金属の組織をオーステナイト化すること、すなわちマルテンサイト変態を抑制することにより低温割れが防止できる。しかし、必ずしも完全にオーステナイト組織とする必要はなく、所定割合以上のオーステナイト組織とすることで十分に低温割れ防止効果が得られる。したがって、後述の実施例の結果等に基づいて、オーステナイト組織の割合を３０％以上に限定する。
【００２２】
ここに「溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていること」とは、溶接金属の組織が、３０％以上のオーステナイト組織と残部が主としてマルテンサイト組織の混合組織で構成されている場合、オーステナイト組織のみで構成されている場合の両方を含むものである。
【００２３】
このような組織は、鋼材の成分や溶加材の供給速度にもよるが、例えばＣ、Ｎｉ、Ｍｎ等のオーステナイト形成元素を、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉを代表とするフェライト形成元素に対し、適正な比率にて含有させた溶加材を溶融金属中に連続的に供給したり、あるいは予め開先面間にインサートして溶接を行うなどにより形成可能である。
【００２４】
(2)溶接金属中のＮ含有量について
溶接金属中のＮ含有量を３６０〜５４０ｐｐｍとするのは、以下の理由による。
【００２５】
レーザ溶接では一般に、大気中に含まれる酸素と溶融金属との反応を防止することを目的に、ヘリウム，アルゴンといった不活性ガスがシールドガスとして汎用されている。しかしながら、これら不活性ガスは一旦キーホール内に捕捉され溶融金属内に巻き込まれると、溶融金属が凝固するまでに外部に排出されないと溶接金属中に残留してブローホール欠陥の原因となる。
【００２６】
一方、シールドガスに窒素を用いると、ヘリウムやアルゴンといった不活性ガスでシールドされている場合とは異なり、窒素は溶融Ｆｅ合金中に溶解するためブローホールの原因とはなりにくいのである。一般にアーク溶接では、窒素はブローホールの原因になるとして、できるだけ窒素が溶融金属中に接触しないようにする努力が図られている。これはアーク溶接のように冷却速度が遅い場合の現象であり、このように溶接後の冷却速度が遅い場合には、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素は冷却に伴う溶解度減少に伴い、折角、ブローホールの原因となる窒素が溶融Ｆｅ合金中に溶解しても、冷却過程で気泡が発生してしまい、ブローホールの原因となってしまう。本発明の従来知見との差異は、レーザ溶接のように溶接後の冷却速度が極めて速い場合には、アーク溶接の場合とは異なり、溶融Ｆｅ合金中に過飽和に溶解した窒素を、溶接後の冷却過程でも過飽和のまま凍結できることである。
【００２７】
しかし、例え熱源としてレーザビームを用いても、例えば被溶接材である鋼材の予熱温度を高めた場合や溶接入熱が過大な場合など溶接後の冷却速度が極めて遅くなると、溶融金属中に溶解した窒素を凍結できないため、ブローホールが発生してしまう。
【００２８】
したがって、レーザ溶接により形成された溶接金属中のブローホール欠陥を抑制するためには、一旦溶融金属中に溶解した窒素をそのまま冷却過程においても溶接金属中に凍結することがポイントとなる。すなわち、溶接金属中のＮ含有量を所定値以上として、窒素をできるだけ溶接金属中に凍結する必要がある。したがって、後述の実施例の結果等に基づいて、溶接金属中のＮ含有量の下限を３６０ｐｐｍに限定する。なお、Ｎ含有量が過剰になると溶接金属にブローホール欠陥が発生する可能性が高まるため、後述の実施例の結果に基づいて、上限を５４０ｐｐｍに限定する。
【００２９】
なお、本発明ではブローホール抑制を目的に溶接金属中に窒素を強制固溶させることをポイントとしているが、ＮはＣと同様にオーステナイト形成能力が高く、溶接金属のオーステナイト化ともなう低温割れ防止にも効果を発揮する。
【００３０】
溶接金属中にＮを多量に固溶させるためには、例えばＭｎやＣｒを含む溶加材を用いることが有効である。溶融Ｆｅ合金中にＭｎやＣｒを添加すると窒素の溶解度が上昇することが知られており、窒素吸収に極めて有効に働くからである。両元素のうちＣｒは、本来フェライト形成元素であるため溶接金属のオーステナイト化を阻害する可能性があるが、Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ等のオーステナイト形成元素を適正な比率で含有させれば問題はない。
【００３１】
また、溶加材には、必要に応じて強力な脱酸剤であるＡｌ、Ｔｉ等が添加されることがある。これは先にブローホールの原因が主に不活性ガスであると延べたが、例え窒素をシールドガスとして溶融金属に吹き付けても完全に大気と遮断することは不可能な場合がある。その際、大気から混入される酸素が原因で発生するブローホールを抑制するためである。例えＭｎ、Ｓｉを含めたとしても、Ｍｎ、Ｓｉの脱酸剤だけではブローホールの発生防止に対して不十分な場合には、Ａｌ、Ｔｉ等の強力な脱酸剤を所定量添加することにより完全にブローホールの発生を防止できる。したがって、溶接金属中には０．１５〜２．５％程度のＡｌ、Ｔｉ等の脱酸剤成分が含まれる場合がある。
【００３２】
以上述べたように、溶接金属の組織とＮ含有量を規定することにより、ブローホールの発生を防止するとともに低温割れを防止した靭性に優れる接合体が得られる。
【００３３】
鋼材としては機械構造用炭素鋼や合金鋼（ＮｉＣｒ鋼、ＮｉＣｒＭｏ鋼、Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏ鋼、Ｍｎ鋼、ＭｎＣｒ鋼など）、一般構造用圧延鋼材、建築構造用圧延鋼材、溶接構造用圧延鋼材などが非限定的に例示される。
【００３４】
レーザ溶接方法としては、熱源としてレーザを利用するものであれば、汎用のＣＯ2、ＹＡＧ、半導体などのいずれのレーザ溶接方法でも適用可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
ＳＭ４９０鋼材同士（１００Ｗ×５００Ｌ×９ｔ）の突き合わせレーザ溶接試験を実施した。表１に示す２種類の化学成分のφ１．２ｍｍの溶加材（フィラーワイヤ）を用い、表２および表３に示す条件でレーザ溶接を行った。なお、本実施例１では、鋼材の予熱を行わず、シールドガスとしてＡｒ、Ｎ2の２種類を用いた。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【表２】
0003912491.tif 000003
【００３８】
溶接後、溶接金属部のＸ線と断面、および浸透探傷検査によりブローホール欠陥（単に「欠陥」ともいう。）と低温割れの有無を調査し、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合を測定した。また、溶接金属部より試験片を採取し、溶接金属中に固溶した窒素量を測定した。なお、欠陥についてはＸ線検査によりビード３０ｍｍ長さあたりの欠陥数を測定し、欠陥が認められなかったものを合格（○）とし、欠陥が存在するものを不合格（×）とした。調査・測定結果を表３に併記する。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
表３中の種々の溶接条件において、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合が３０％以上になり、かつ溶接金属中に固溶したN含有量が３６０〜５４０ｐｐｍの場合に、低温割れとブローホール欠陥の双方を防止できることを確認した（Ｎｏ．７〜８、１３〜１４）。
【００４１】
一方、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合、溶接金属に固溶したＮ含有量のいずれか、あるいは双方とも所定条件を満足しない場合には、低温割れ、ブローホール欠陥のいずれか、あるいは双方ともに発生する（Ｎｏ．１〜５、９〜１１）。
【００４２】
すなわち、Ｎｏ．１、９は、溶接金属中のオーステナイト含有量、Ｎ含有量ともに本発明の規定する条件を満足しない。そのため、低温割れとブローホール欠陥がともに発生している。
【００４３】
また、Ｎｏ．２〜４、１０、１１は、溶接金属中のオーステナイト含有量は本発明の規定する条件を満足しているが、Ｎ含有量は満足していない。そのため、低温割れは防止できているものの、ブローホール欠陥が発生している。
【００４４】
また、Ｎｏ．５は、溶接金属中のＮ含有量は本発明の規定する条件を満足しているが、オーステナイト含有量は満足していない。そのため、ブローホール欠陥は防止できているものの、低温割れが発生している。
【００４５】
（実施例２）
Ｓ４５Ｃ鋼材同士（１００Ｗ×５００Ｌ×１２ｔ）の突き合わせレーザ溶接試験を実施した。溶加材としては、実施例１のフィラーワイヤと異なり、表１に示すＡの化学成分に調製した薄膜を用いた。この薄膜を、図１に示すように予め溶接前に突き合わせ開先面にインサートしておき、表４および表５に示す条件でレーザ溶接を行った。なお、表４の溶加材供給速度は、予めインサートした薄膜の量と溶接速度との関係から、実施例１のフィラーワイヤの供給速度に換算した値である。本実施例２では、シールドガスをＮ2に固定する一方、溶接後の冷却速度の影響を調査するため鋼材（母材１）の予熱温度を種々変化させた。溶接金属部の評価方法および判定基準は実施例１と同様である。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
【表５】
0003912491.tif 000006
【００４８】
調査・測定結果を表５に併記する。表５の比較例のうちＮｏ．１７、１８は溶接金属中のオーステナイト量は本発明の規定する条件を満足しており、低温割れは発生していないが、溶接金属中のＮ固溶量が本発明の規定する条件を満足しておらず、ブローホールが発生した。鋼材の予熱温度が高く溶接後の冷却速度が小さいために、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素が冷却過程で溶解度の低下により気体として外部に放出され、凝固後のＮ固溶量が低下したためと想定される。
【００４９】
また比較例のうちＮｏ．１９、２０は溶加材を添加しなかった場合の結果を示している。
【００５０】
Ｎｏ．１９は鋼材を予熱しなかったため冷却速度が極めて大きくなり、窒素は溶接金属中に凍結でき、ブローホール欠陥の発生は回避できたものの、溶接金属の組織はマルテンサイト主体となりオーステナイト量が減少したため低温割れが発生した。
【００５１】
一方、Ｎｏ．２０は鋼材を高温（４００℃）で予熱した例である。冷却速度が小さくなっため溶接金属の組織がマルテンサイトからベイナイトへ変化し、オーステナイト量が少ないものの低温割れは回避できたが、ブローホール欠陥の発生は抑制できなかった。
【００５２】
Ｎｏ．１５は本発明例である。鋼材の予熱温度が低いため溶接後の冷却速度が大きくなり、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素が過飽和状態で凍結され、凝固後の溶接金属中のＮ固溶量が本発明の規定する条件を満足しており、ブローホール欠陥は発生しなかった。溶接金属中のオーステナイト量も本発明の規定する条件を満足していることから、低温割れも発生しなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、レーザ溶接による鋼材同士の接合において、ブローホールや低温割れ等の欠陥のない溶接金属で構成された接合体を提供することができる。その結果、生産性のみならず信頼性の高い接合技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２におけるレーザ溶接の要領及び溶接状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１：母材
２：溶加材（薄膜）
３：レーザ取出ノズル
４：レーザビーム
【図１】
0003912491.tif 000007