(57)【要約】【課題】熱影響部における応力集中を抑制することのできる高張力鋼板の溶接方法を提供する。【解決手段】この溶接方法は、重ね合わせた上側鋼板及び下側鋼板に対して照射装置からレーザーを照射し、上側鋼板及び下側鋼板を溶融してナゲットを形成するナゲット形成工程Ｓ２と、ナゲットが形成された中間接合体における熱影響部に対して、ナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザーよりも照射点のスポット径が大きく且つナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザーよりも低出力であるレーザーを、照射装置から照射する焼戻し工程Ｓ３と、を含む。【選択図】図２
2017087263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の高張力鋼板をレーザー・スクリュー・ウェルディングによって接合する溶接方法であって、
重ね合わせた高張力鋼板に対して照射装置からレーザーを照射し、前記高張力鋼板同士を溶融してナゲットを形成するナゲット形成工程と、
前記ナゲットと、該ナゲットの形成に伴って当該ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、が形成された中間接合体における当該熱影響部に対して、前記ナゲット形成工程における前記レーザーよりも照射点のスポット径が大きく、且つ前記ナゲット形成工程における前記レーザーよりも低出力のレーザーを前記照射装置から照射する焼戻し工程と、を含む溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高張力鋼板を接合する溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザー・スクリュー・ウェルディング（ＬＳＷ：Laser Screw Welding）によって高張力鋼板を接合する溶接方法が開示されている。この溶接方法では、レーザーを略同心円状に複数回照射する。そして、重ね合わせた高張力鋼板をレーザーの照射によって溶融し、円柱状のナゲットを形成することで高張力鋼板同士を接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５‐０７７６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されているような溶接方法では、ナゲットを形成するためのレーザーの照射に伴ってナゲット形成予定位置の周囲にも熱が伝搬し、伝搬した熱によってナゲットの周囲には熱影響部が形成される。このようにしてナゲットの周囲に形成される熱影響部は、熱による影響を受けていない部分と比較して硬度が相対的に低下している。すなわち、熱影響部は軟化している。レーザーを用いた溶接の場合、狭い範囲に高いエネルギを集中させることができるため、熱影響部の範囲は狭くなる。また、ＬＳＷの場合、上記のように同じ箇所に複数回レーザーを照射するため、熱影響部において特に硬度が低下しやすい。高張力鋼板をＬＳＷによって溶接した接合体では、接合体に荷重が作用したときに、硬度が局所的に低下している熱影響部において応力集中が起こり、当該箇所を起点とした亀裂が生じる虞があることが知られている。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱影響部における応力集中を抑制することのできる高張力鋼板の溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための溶接方法は、複数の高張力鋼板をレーザー・スクリュー・ウェルディングによって接合する溶接方法であって、重ね合わせた高張力鋼板に対して照射装置からレーザーを照射し、前記高張力鋼板同士を溶融してナゲットを形成するナゲット形成工程と、前記ナゲットと、該ナゲットの形成に伴って当該ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、が形成された中間接合体における当該熱影響部に対して、前記ナゲット形成工程における前記レーザーよりも照射点のスポット径が大きく、且つ前記ナゲット形成工程における前記レーザーよりも低出力のレーザーを前記照射装置から照射する焼戻し工程と、を含む。
【０００７】
上記溶接方法によれば、ナゲット形成工程におけるレーザーの照射によって、重ね合わせた高張力鋼板が溶接されたナゲットが形成される。そして、熱影響部が形成された中間接合体に対して焼戻し工程においてレーザーを照射することによって、高張力鋼板におけるナゲットの周囲の軟化している範囲をさらに広げた接合体を製造することができる。焼戻し工程において照射するレーザーは、照射点のスポット径が大きく、且つ低出力である。そのため、高張力鋼板を溶融させないように高張力鋼板を加熱することができる。そして、こうした加熱によって照射点及び照射点周辺の硬度を低下させることができる。
【０００８】
上記溶接方法によれば、焼戻し工程におけるレーザー照射によって、硬度が局所的に低下している熱影響部において硬度が高く保たれている部分の硬度が低下する。そのため、狭い範囲において局所的に硬度が低下している状態が解消される。このように硬度が低下している部分の範囲をあえて広げることによって、狭い範囲に応力が集中することを抑制することができ、熱影響部における応力集中を抑制することができる。換言すれば、より広い範囲に応力を分散させてナゲット周辺部の延性を向上させることができるため、接合体の耐力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態としての溶接方法の溶接対象である鋼板及び同溶接方法に用いるレーザーの照射装置を示す略図。
【図２】同実施形態の溶接方法における各工程の順序を示すフローチャート。
【図３】同実施形態の溶接方法におけるナゲット形成工程によって得られる中間接合体の断面構造を示す図であり、図１における３‐３線で示す部分の断面図。
【図４】同実施形態の溶接方法によって製造される接合体の断面構造を示す断面図であり、図３で示されている部分と対応する部分の断面図と、この部分の各部における硬度の分布と、の関係を示す図。
【図５】比較例としての溶接方法における鋼板の断面構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、溶接方法の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の溶接方法は、上側鋼板３０と下側鋼板４０との接合に用いられる。上側鋼板３０及び下側鋼板４０は、共に高張力鋼板である。上側鋼板３０は、両端部にフランジ３１を備え、フランジ３１の間に位置する中央部３２が台形状に折り曲げられたハット形に成形されている。こうした上側鋼板３０のフランジ３１を、平面板状の下側鋼板４０に重ね合わせ、重ね合わされた部分の複数の箇所を点状に溶接することにより、閉断面構造をなすように上側鋼板３０と下側鋼板４０とを接合する。
【００１１】
本実施形態の溶接方法では、照射装置５１から照射するレーザーを用いて溶接を行う。照射装置５１は、制御装置６１と接続されている。制御装置６１は、照射装置５１へ指令信号を送信し、照射するレーザーの出力・スポット径の制御やレーザー走査等の制御を行う。
【００１２】
図２及び図３を用いて、本実施形態の溶接方法の各工程について説明する。
図２に示すように、本実施形態の溶接方法は、位置合わせ工程Ｓ１と、ナゲット形成工程Ｓ２と、焼戻し工程Ｓ３とを含む。
【００１３】
はじめに行われる位置合わせ工程Ｓ１では、図１に示すように上側鋼板３０と下側鋼板４０とを重ね合わせる。そして、上側鋼板３０及び下側鋼板４０の位置を調整する。なお、次のナゲット形成工程Ｓ２において上側鋼板３０及び下側鋼板４０を溶融させる際には、上側鋼板３０及び下側鋼板４０の表面に存在する被覆層が揮発してガスが発生する。そのため、この位置合わせ工程Ｓ１では、その際に発生するガスを逃がすことができるように、上側鋼板３０のフランジ３１と下側鋼板４０との間に僅かな隙間を生じさせるように位置合わせを行う。
【００１４】
本実施形態の溶接方法では、位置合わせ工程Ｓ１の次に、上側鋼板３０と下側鋼板４０とを溶接するナゲット形成工程Ｓ２が行われる。ナゲット形成工程Ｓ２は、上側鋼板３０と下側鋼板４０とを接合する複数のナゲット１１を形成する工程である。
【００１５】
図１に示すように、ナゲット形成工程Ｓ２では、下側鋼板４０に重ね合わせた上側鋼板３０のフランジ３１に対して、照射装置５１からレーザー５２を照射することによって、上側鋼板３０及び下側鋼板４０を溶融させる。溶融した上側鋼板３０及び下側鋼板４０が凝固することで、レーザー５２の照射点にはナゲット１１が形成される。こうして複数の箇所に対してナゲット１１を形成し、複数の箇所を点状に溶接することにより、上側鋼板３０と下側鋼板４０とを接合した中間接合体１０が得られる。
【００１６】
なお、ナゲット形成工程Ｓ２では、ＬＳＷによって各ナゲット１１を形成する。ＬＳＷでは、１つのナゲット１１を形成する際に、ナゲット１１の形成予定位置に向けて照射装置５１からレーザー５２を複数回照射する。詳しくは、１回目の照射として円形状の走査軌跡を描くようにレーザー５２を照射する。そして、１回目の走査軌跡とほぼ同一の走査軌跡を描くように、２回目の照射、３回目の照射を行う。次いで、同走査軌跡の半径方向内側に４回目の照射を行う。さらに、４回目の照射における走査軌跡の半径方向内側に５回目の照射を行う。このようにして上側鋼板３０と下側鋼板４０とを溶融させる。そして、溶融した上側鋼板３０と下側鋼板４０とが凝固することで、上側鋼板３０と下側鋼板４０とを接合するナゲット１１が形成される。なお、ＬＳＷでのレーザー照射回数は適宜変更可能である。また、走査軌跡は、楕円状、半円状、多角形状、渦巻き状等を採用することもできる。
【００１７】
ここで、図３を用いて、中間接合体１０について説明する。中間接合体１０には、ナゲット形成工程Ｓ２におけるＬＳＷによって円柱状のナゲット１１が複数形成されている。各ナゲット１１を形成する際には、レーザー５２の熱が各ナゲット１１の周囲に伝搬する。そのため、中間接合体１０には、各ナゲット１１を取り囲むように熱影響部１２が形成されている。熱影響部１２は、レーザー５２の熱が伝搬したことによって上側鋼板３０及び下側鋼板４０の組織が変化し、軟化した部分である。つまり、熱影響部１２は、中間接合体１０において硬度が低下している部分である。
【００１８】
図２に示すように、本実施形態の溶接方法では、ナゲット形成工程Ｓ２の次に、焼戻し工程Ｓ３が行われる。焼戻し工程Ｓ３では、図３に示すように、中間接合体１０に対して再度レーザーを照射して中間接合体１０を加熱する。なお、ここでは、中間接合体１０においてナゲット１１の周囲に形成されている熱影響部１２のうち、中央部３２に近い側の部分（例えば図３における熱影響部１２のうち右側に示す範囲）にレーザーを照射する。焼戻し工程Ｓ３では、ナゲット形成工程Ｓ２と同じく照射装置５１からレーザーを照射する。このとき制御装置６１は、レーザー５３の照射点のスポット径がナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザー５２よりも大きくなるように、レーザー５３の出力がナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザー５２よりも低出力となるように、照射装置５１を制御する。焼戻し工程Ｓ３にて照射しているレーザー５３は、ナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザー５２と比較して低出力とされている上に、スポット径を大きくしている。そのため狭い範囲にエネルギを集中させているレーザー５２と比較してエネルギが分散される。こうして、焼戻し工程Ｓ３におけるレーザー５３の照射では、上側鋼板３０の融点を超えない温度範囲での加熱がなされる。こうした加熱によって、上側鋼板３０の組織が変化して硬度が低下する。
【００１９】
以上のように、各工程Ｓ１〜Ｓ３を経て、上側鋼板３０と下側鋼板４０とが接合された接合体２０が製造される。
次に本実施形態にかかる溶接方法の作用について、説明する。
【００２０】
ナゲット形成工程Ｓ２におけるレーザー５２の照射によって、重ね合わせた上側鋼板３０と下側鋼板４０とが溶接されたナゲット１１が形成される。そして、熱影響部１２が形成された中間接合体１０に対して焼戻し工程Ｓ３においてレーザー５３を照射することによって、中間接合体１０におけるナゲット１１の周囲の軟化している範囲をさらに広げた接合体２０が製造される。
【００２１】
図４を用いて、本実施形態の溶接方法によって製造される接合体２０と、接合体２０の各部に対応した硬度の分布を説明する。図４では、硬度の分布について、接合体２０における硬度の分布を実線で示し、比較のために焼戻し工程Ｓ３を経る前の中間接合体１０における硬度の分布を破線で示している。
【００２２】
図４に破線で示すように、中間接合体１０においては、熱影響部１２において硬度が局所的に低下している。これに対して、実線で示すように、焼戻し工程Ｓ３を経た接合体２０においては、ナゲット１１よりも中央部３２側の部分において硬度が低下している部分の範囲が拡大している。
【００２３】
なお、図４では、レーザー５３の照射によって上側鋼板３０の硬度が低下した範囲を軟化領域Ａとして示している。軟化領域Ａは、レーザー５３が照射された範囲と、レーザー５３の照射に伴って熱が伝搬した範囲とを含んでいる。
【００２４】
このように、本実施形態にかかる溶接方法では、狭い範囲において局所的に硬度が低下している状態が解消された接合体２０が製造される。
ところで、高張力鋼板を溶接することで製造された接合体において、熱影響部を起点とした亀裂を避けるためには、溶接前の高張力鋼板に対してあらかじめ熱を加える焼戻し処理を行うことが一般的に知られている。こうした溶接前に行われる焼戻しとしては、高張力鋼板の溶接予定位置に対して部分的に行う焼戻しや、高張力鋼板全体に行う焼戻しがある。このような溶接前に行う焼戻しには、以下のような問題があった。
【００２５】
まず、図５を用いて、溶接前に部分的な焼戻しを行う場合に生じる問題について説明する。あらかじめ焼戻し領域Ｂ１に部分的な焼戻しを施した第１鋼板１３０と、あらかじめ焼戻し領域Ｂ２に部分的な焼戻しを施した第２鋼板１４０とを溶接する場合、焼戻し領域Ｂ１及び焼戻し領域Ｂ２が、同一形状であったとしても以下（イ）、（ロ）、（ハ）に示すようなずれが生じる。そして、焼戻しがなされていない範囲にナゲットや熱影響部が形成される虞がある。
【００２６】
（イ）鋼板同士の位置合わせ誤差が要因となり、焼戻し領域Ｂ１と焼戻し領域Ｂ２とがずれる。つまり、焼戻し領域Ｂ１と焼戻し領域Ｂ２とにずれＤ１が発生し、焼戻し領域Ｂ１と焼戻し領域Ｂ２とが重なっている領域が狭くなってしまう。
【００２７】
（ロ）あらかじめ部分的に焼戻し処理を施した鋼板を溶接することから、焼戻し処理が施されている領域を狙って溶接を行う必要があるが、実際に形成されるナゲットが溶接予定位置からずれる虞がある。例えば、軸Ｃ１の位置に溶接を行うはずが軸Ｃ２の位置にずれてしまうと、ずれＤ２が発生する虞がある。
【００２８】
（ハ）想定よりも径の大きいナゲットが形成されることで、ナゲット及び熱影響部の範囲がずれる虞がある。
このような（イ）、（ロ）、（ハ）に示すずれが生じて、焼戻しがなされていない範囲にナゲットや熱影響部が形成されると、焼戻し処理を施したにも拘らずその効果が十分に得られないことになる。また、こうしたずれの影響を考慮して、あらかじめ行う部分的な焼戻しの範囲を広めに設定することも考えられるが、その場合には、各鋼板において軟化させられている部分の範囲が広がることになり、接合体の剛性の低下を招いてしまう。さらに、部分的な焼戻しを行う場合には、溶接対象の各鋼板について個別に焼戻し処理を行うため、接合体を製造するまでの工数が多くなるという問題もあった。
【００２９】
一方、鋼板全体に焼戻しを行う場合には、鋼板の全体に焼戻しが施されているため、焼戻しがなされていない範囲にナゲットや熱影響部が形成される虞はない。ところが、鋼板全体に焼戻し処理を行うと、溶接予定位置ではない部分についても焼戻しを行うことになる。すなわち、軟化させる必要のない部分までも軟化させてしまうことになる。そのため、当該鋼板を用いて製造される接合体の剛性が低下してしまう虞があった。
【００３０】
こうした従来の溶接方法と比較して、本実施形態における溶接方法では、ナゲット形成工程Ｓ２と焼戻し工程Ｓ３のいずれにおいても、照射装置５１からレーザーを照射する。そのため、ナゲット形成工程Ｓ２と焼戻し工程Ｓ３とを同じ装置を用いて続けて行うことができる。したがって、接合する各鋼板に部分的な焼戻しを施してから溶接を行う従来の溶接方法と比較して溶接工程が簡略なものとなる。
【００３１】
また、本実施形態における溶接方法では、ナゲット１１形成後の中間接合体１０に対して焼戻し工程Ｓ３を行う。そのため、上述の（イ）、（ロ）、（ハ）に例示したずれが生じる虞はない。つまり、焼戻しがなされていない範囲にナゲットや熱影響部が形成されることが抑制される。さらに、（イ）、（ロ）、（ハ）に例示したずれが生じる虞を解消しつつも部分的な焼戻しであるので、接合体２０の剛性の低下を抑制することができる。
【００３２】
以上説明した本実施形態の溶接方法によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）ナゲット形成工程Ｓ２に続いて行う焼戻し工程Ｓ３において照射するレーザー５３は、ナゲット形成工程Ｓ２において照射するレーザー５２よりも照射点のスポット径が大きく、且つ低出力である。そのため、中間接合体１０を溶融させないように中間接合体１０を加熱することができる。こうした加熱によってレーザー５３の照射点及び照射点周辺の硬度を低下させることができる。
【００３３】
（２）硬度が低下している部分の範囲をあえて広げることによって、狭い範囲に応力が集中することを抑制することができ、熱影響部１２における応力集中を抑制することができる。すなわち、より広い範囲に応力を分散させてナゲット１１の周辺部の延性を向上させることができるため、接合体２０の耐力を向上させることができる。
【００３４】
（３）ナゲット形成工程Ｓ２と焼戻し工程Ｓ３とを同じ装置を用いて続けて行うことができる。そのため、溶接工程を短縮あるいは簡略化することができる。
（４）ナゲット１１形成後の中間接合体１０に対して焼戻し工程Ｓ３を行う。そのため、狭い範囲に応力が集中することを抑制するための焼戻しを、必要な箇所に的確に行うことができる。
【００３５】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・接合体２０は、上側鋼板３０と下側鋼板４０とが図１に示すように溶接されることで、閉断面構造をなしている。そのため、接合体２０に荷重が作用したときにはフランジ３１に設けられた各ナゲット１１における中央部３２側の部分に負荷が作用する。上記実施形態では、こうした接合体２０の立体構造を考慮して、熱影響部のうち中央部３２に近い側の部分にのみ焼戻し工程Ｓ３でのレーザー５３を照射した。これに対して、熱影響部１２全体に対してレーザー５３を照射することもできる。
【００３６】
・焼戻し工程Ｓ３において、レーザー５３を熱影響部１２に対して照射した。熱影響部１２を含んだ領域、つまり熱影響部１２よりも広い範囲にレーザー５３を照射してもよい。この場合にも、上記実施形態と同様に、延性を向上させることができ、接合体２０の耐力を向上させることができる。
【００３７】
・上記実施形態では、ナゲット形成工程Ｓ２において複数のナゲット１１を形成し、焼戻し工程Ｓ３において各ナゲット１１の周囲に形成された熱影響部１２へレーザー５３を照射した。ナゲット１１のそれぞれについて、ナゲット形成工程に続いて焼戻し工程を行うこともできる。この場合、ナゲット形成工程、焼戻し工程の後に、別のナゲット形成予定位置にてナゲット形成工程、焼戻し工程を再度行う。このように、形成するナゲット１１の個数に応じてナゲット形成工程及び焼戻し工程を繰り返すことでも、接合体２０を製造することができる。
【００３８】
・上記実施形態では、上側鋼板３０及び下側鋼板４０の２枚の高張力鋼板を接合する例を示したが、３枚以上の高張力鋼板を接合する場合に上記実施形態の溶接方法を適用することもできる。
【００３９】
・位置合わせ工程Ｓ１において、上側鋼板３０のフランジ３１と下側鋼板４０との間にガスを逃がすための隙間が形成されるように位置を調整する例を示したが、こうした隙間を生じさせずに上側鋼板３０のフランジ３１と下側鋼板４０とを重ね合わせるようにしてもよい。
【００４０】
・上側鋼板３０及び下側鋼板４０は、上記実施形態に例示した形状に限らない。接合体２０において応力集中が発生する虞のある部分の硬度を低下させて延性を向上させるように、照射点のスポット径が大きく低出力のレーザー５３を中間接合体１０に対して照射することで、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…中間接合体、１１…ナゲット、１２…熱影響部、２０…接合体、３０…上側鋼板、３１…フランジ、３２…中央部、４０…下側鋼板、５１…照射装置、５２…レーザー、５３…レーザー、６１…制御装置、Ａ…軟化領域。
【図１】
2017087263.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017087263.tif 000005
【図４】
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【図５】
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