継手強度に優れたレーザ溶接継手及びその製造方法
【課題】従来に比べ、継手強度に優れたレーザ溶接継手を得る。
【解決手段】Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードを有することを特徴とするレーザ溶接継手。
【解決手段】Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードを有することを特徴とするレーザ溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高張力鋼板を複数枚重ね合わせ、レーザで接合した重ね継手に関し、特に、溶接ビードの品質を向上し、継手強度に優れたレーザ溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費の改善や安全性の向上といった要求に対応するため、高強度の薄鋼板が自動車車体に多く使用されるようになっており、レーザ溶接を用いてこれらの鋼板を溶接することが求められている。さらに、高強度薄鋼板を重ね合わせて溶接する方法において、安定して、高い接合部の強度が得られるレーザ溶接方法が望まれている。
【０００３】
レーザ溶接は、レーザ光を熱源とするので、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などのアーク溶接に比べて入熱量の制御が確実かつ容易である。このため、溶接速度やレーザビームの照射出力、さらにはシールドガス流量などの溶接条件を適切に設定することによって、熱変形を小さくできる。また、レーザ溶接は、片側から溶接できるので、自動車の車体など複雑な部材の組付溶接に好適である。さらに、近年では、ミラーによりレーザビームを高速で位置決めし、溶接箇所間の移動を短時間に行う、高効率なリモート溶接が普及しつつある。
【０００４】
実際、レーザ溶接は、自動車製造業や電気機器製造業、その他の分野において、薄鋼板を成形加工した部材の溶接に多く採用されている。また、これに関連して、溶接継手強度に優れた重ね継手のレーザ溶接方法が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、１本目のビードを２本目のビードの熱により焼戻し、品質改善することで、成形時の容易なビードの破断を防止し、成形能を向上する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０００７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、鋼板が高強度化するに伴い、溶接部のさらなる強度向上が求められており、従来の技術では溶接部の強度が不十分となる場合があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであって、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、溶接部の強度を高めるレーザ溶接方法について鋭意検討した。その結果、閉ループ又は閉ループ状のビードを形成する溶接において、１本目のビードを形成した後に、その内側に、１本目のビードに焼戻しを施すことを目的とした２本目のビードを形成することにより、継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られることが分かった。
【００１０】
しかしながら、特に、Ｐの含有量［Ｐ］とＳの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板の重ね溶接では、単に焼戻しのためのビードを形成した場合、ビードに縦割れが生じることがあり、破面を観察したところ凝固割れであることが分かった。この理由は、以下のように考えられる。
【００１１】
閉ループ又は閉ループ状の１本目のビードを形成すると、ビードに囲まれた領域では、板厚方向に垂直な面内において、溶接線と直角方向に引張の残留応力場が生じる。すなわち、２本目のビード形成の際、引張の残留応力場が生じている状態で溶接が行われることとなるので、２本目のビードにおいて、凝固完了前に割れが発生する。
【００１２】
また、割れ発生の傾向は、閉ループ又は閉ループ状のビード長が長くなるほど、すなわち、閉ループ又は閉ループ状のビードの外接円が大きくなるほど顕著になり、特に外接円の直径が１０ｍｍ以上になると顕著であることが分かった。また、割れの発生は、鋼板のＣ量が０．０５％以上になると特に顕著であるが、Ｃ量が０．００２％程度であっても、割れが発生することがあることが分かった。
【００１３】
本発明者らは、この問題を解決するために、さらに検討した。その結果、１本目のビードに焼戻しを施すことを目的としたビードを形成する前に、焼戻しを施すことを目的としたビードを形成する位置よりも内側に、熱膨張により圧縮歪を形成するためのビードを形成することにより、焼戻しビードの割れを防止することができることを見出した。
【００１４】
すなわち、圧縮歪を形成するためのビードによる圧縮歪によって、１本目のビードによる引張歪をごく短時間ではあるが、相殺又は大幅に低減できるので、ビードに割れを生じさせることなく、焼戻しを施すことを目的としたビードを形成することができることが分かった。
【００１５】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は、以下のとおりである。
【００１６】
（１）Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、
平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビード
を有することを特徴とするレーザ溶接継手。
【００１７】
（２）前記圧縮場付与ビードは、前記焼戻しビードと重なることなく配置されたことを特徴とする前記（１）のレーザ溶接継手。
【００１８】
（３）前記閉ループ状の本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードが、各々１つ以上の開口部を有し、各々のビードにおける開口部の長さの合計は、各々のビードの外接円相当径の３／４以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）のレーザ溶接継手。
【００１９】
（４）前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低いことを特徴とする前記（１）〜（３）のレーザ溶接継手。
【００２０】
（５）前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも１５以上低いことを特徴とする前記（１）〜（４）のレーザ溶接継手。
【００２１】
（６）前記圧縮場付与ビード及び前記焼戻しビードからなる組を、２組以上有することを特徴とする前記（１）〜（５）のレーザ溶接継手。
【００２２】
（７）前記（１）〜（５）のいずれかのレーザ溶接継手の製造方法であって、
（ａ）平均ビード幅がＷの閉ループ又は閉ループ状の本ビードを形成する工程と、
（ｂ）上記本ビードの温度がＭｓ点−５０℃以下となった後に、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードする工程と、
（ｃ）上記圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３〜３．５ｓｅｃの間に、上記本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ点＋５０℃以下となるように、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードを形成する工程
を、順に備えることを特徴とするレーザ溶接継手の製造方法。
【００２３】
（８）本ビード及び焼戻しビードが閉ループであり、
ビードの中心と本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心と焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度を１０°以上とする
ことを特徴とする前記（７）のレーザ溶接継手の製造方法。
【００２４】
（９）前記（６）のレーザ溶接継手の製造方法であって、
前記（ｃ）の工程の後に、さらに、前記（ｂ）の工程、及び、前記（ｃ）の工程を順に含む工程を、１回以上備えることを特徴とする前記（７）又は（８）のレーザ溶接継手の製造方法。
【００２５】
（１０）複数枚重ねた鋼板に、複数の溶接継手を形成する際に、
本ビードを複数形成し、その後、
温度がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成することを特徴とする前記（７）〜（９）のいずれかのレーザ溶接継手の製造方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るレーザ溶接継手の概略を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図２】本発明に係るレーザ溶接継手の、本ビードの幅の測定方法を説明する図である。
【図３】本発明に係る閉ループ状のレーザ溶接継手におけるビード形状の例を示す図である。
【図４】本発明に係る溶接継手の、本ビードと焼戻しビードの硬さ測定の方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る溶接継手で、本ビードと焼戻しビードが溶融し一体となったときの、本ビードの平均ビード幅の測定方法を説明する図である。
【図６】本発明に係るレーザ溶接継手の他の例の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の溶接継手について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下、単に「％」と記載した場合は、「質量％」を表すものとする。
【００２９】
図１は、本発明のレーザ溶接継手の概略を示す図である。図１の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’断面である。
【００３０】
本発明のレーザ溶接継手１は、高張力鋼板５を複数枚重ね合わせて接合してなる。図１は、２枚重ね合わせた例である。
【００３１】
特に、高張力鋼板５に、Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を用いると、ビードの中央に板厚方向の凝固割れが発生しやすくなる。凝固割れが発生した溶接部に荷重が負荷されると、ビードの融合線と鋼板の重ね部が交差する部位の近傍に発生する応力の値が、割れが発生しない場合に比べ高くなるので、継手強度、特に剥離方向の荷重に対する強度の確保が困難となる。
【００３２】
本発明の溶接継手は、従来に比べ、継手強度を向上させるものである。レーザ溶接継手１を形成するビードは、閉ループ又は閉ループ状であり、外側から、本ビード１０、焼戻しビード２０、圧縮場付与ビード３０を有する。
【００３３】
焼戻しビード２０は、本ビード１０の平均ビード幅をＷとすると、焼戻しビード２０の内側の止端２０ｂが、本ビード１０の外側の止端１０ａから内側にＷ超、２．２Ｗ以下となる位置に配置される。
【００３４】
本ビード１０の平均ビード幅Ｗは、鋼板の重なり部分で測定する。複数の鋼板を重ね合わせて溶接した場合は、それぞれの重なり部分のビード幅の平均値とする。図２は、４枚の鋼板を重ね合わせて溶接した例であり、平均ビード幅Ｗは、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の平均値である。
【００３５】
焼戻しビード２０は、本ビード１０を焼き戻すことを目的に形成される。これにより、溶接の重ね部の延性が向上し、荷重付加時の重ね部の応力集中が緩和できる。焼戻しビード２０は、本ビード１０の内側に形成されるので、荷重付加の際に受ける応力は、本ビード１０と比べて低くなる。
【００３６】
圧縮場付与ビード３０は、圧縮場付与ビード３０の外側の止端３０ａが、本ビード１０の外側の止端１０ａから内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下となる位置に配置される。
【００３７】
圧縮場付与ビード３０は、本ビード１０の形成により生じた引張歪を、圧縮歪により相殺するために、焼戻しビード２０の形成の前に形成する。これにより、引張歪のない状態で焼戻しビード２０が形成されるので、焼戻しビード形成時に割れが生じることがなくなる。
【００３８】
圧縮場付与ビード３０と焼戻しビード２０を重ねて配置すると、圧縮場付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融されるので、圧縮歪付与の効果が小さくなる。その結果、焼戻しビードに割れが生じる可能性が高くなるので、圧縮場付与ビード３０と焼戻しビード２０は、重なることなく配置するのが好ましい。
【００３９】
閉ループ状のビードとは、例えば、図３に示すように、本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードに、１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、開口部の長さの合計が、各々のビードの外接円相当径の３／４以下である形状のビードをいう。
【００４０】
図３は、開口部を有するビード形状の例であり、実線がビード、破線が開口部を示している。単純化のため、図３では、本ビードのみを描いている。図３に示したビード形状は、例示であり、閉ループ状のビード形状がこれに限定されるものではない。
【００４１】
また、例えば、亜鉛めっき鋼板を重ね合わせて溶接する際、鋼板間のめっきは沸点に達して蒸発し、急激に体積が膨張する。開口部を設ける理由は、ビードに囲まれた領域で蒸気又は気体となっためっきの通り道がないと、鋼板間の圧力が高まって、溶接中に溶融池が吹き飛び、ビードに欠陥が生じるからである。
【００４２】
本発明の溶接継手では、本ビードの平均ビッカース硬度が、焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低い。ビードの平均ビッカース硬度は、それぞれのビードの溶融境界の間を４等分した位置（境界を除く）で測定した硬さの平均値とする。
【００４３】
これを図４（ａ）を用いて説明する。本ビードの平均ビッカース硬さは、図４（ａ）の本ビードの溶融境界１０ｃの間を４等分したｈ１１、ｈ１２、ｈ１３で測定した硬さの平均値、焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、図４（ａ）の焼戻しビードの溶融境界２０ｃの間を４等分したｈ２１、ｈ２２、ｈ２３で測定した硬さの平均値とする。
【００４４】
本ビードと焼戻しビードは、溶融して一体となることもある。本ビードと焼戻しビードが一体となったときの硬さは、一体となったビードの中央部（本ビードの溶融境界と焼戻しビードの溶融境界の間を２等分した位置）と、それぞれのビードの溶融境界の間を４等分した位置（境界を除く）で測定した硬さの平均値とする。
【００４５】
これを、図４（ｂ）を用いて説明する。本ビードの平均ビッカース硬さは、一体となったビードの中央部６０と、本ビードの溶融境界１０ｃとの間を４等分した、ｈ１４、ｈ１５、ｈ１６で測定した硬さの平均値とする。焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、一体となったビードの中央部６０と、焼戻しビードの溶融境界２０ｃとの間を４等分した、ｈ２４、ｈ２５、ｈ２６で測定した硬さの平均値とする。
【００４６】
本ビードと焼戻しビードが一体となった場合であっても、上で定義した本ビードの硬さが、焼戻しビードの硬さよりも低ければ、本発明の効果は得られるので、本ビードと焼戻しビードは溶融として一体となってもかまわない。
【００４７】
本ビードと焼戻しビードが一体となった場合、図４（ｂ）に示したように、外観上は１本のビードに見える。しかし、単に１本のビードを形成する溶接を行った場合には、上で説明したような硬さ分布は得られず、本発明の効果も得られない。
【００４８】
本ビードの平均ビッカース硬さと焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、継手強度の向上の観点からは、本ビードの平均ビッカース硬さが、焼戻しビードの平均ビッカース硬さよりも、１５以上小さくなるように、焼戻しビードを形成するのが好ましい。
【００４９】
一般にレーザ溶接の際、ビードは、冷却に際して、溶融境界から凝固し、結晶がビード中央部に向かって成長するので、ミクロ組織の観察により、最終凝固部となるビード中央部を知ることは容易である。
【００５０】
したがって、本ビードと焼戻しビードが一体となり、本ビードが焼戻しビードで隠れた場合でも、図５（ａ）のように、本ビードがビード幅方向に半分以上残っている場合は、最終凝固部１０ｄから溶融境界１０ｃまでの距離を２倍すれば本ビードの平均ビード幅Ｗを求めることができる。例えば、図５（ａ）の場合には、２Ｗｈ1、２Ｗｈ2、２Ｗｈ3、の平均値となる。
【００５１】
一方、レーザ溶接において、レーザビームが板厚方向に複数の板を貫通するキーホール溶接では、ビード幅は主にビーム径によって決まる。コストの面から、通常、本ビードと焼戻しビードは、同じ光学系を用いて形成することが多いと考えられるので、ほぼ同じビーム径を有すると考えてよい。また、本ビードを焼戻すには、本ビードと同程度のビード幅を形成可能な焼戻しビードで溶接する必要がある。
【００５２】
したがって、図５（ｂ）に示すように、本ビードのビード中央部が焼戻しビードによって隠れ、元の本ビードのビード幅が分からない場合には、本ビードのビード幅を焼戻しビードの平均ビード幅で代替すればよい。
【００５３】
本発明の溶接継手は、図６に示すように、圧縮場付与ビードと焼戻しビードからなる組を、２組以上有してもよい。これにより、本ビードの焼戻しをさらに進め、また、１本目の焼戻しビードも、２本目の焼戻しビードにより焼戻されるので、剥離方向の継手強度をより向上させることが可能となる。また、鋼板間を繋ぐビードの断面積が増えるので、板厚方向と垂直な方向に荷重が負荷された場合のせん断強度も向上させることが可能となる。
【００５４】
図６では、本ビード１０の内側に、焼戻しビード２０、２本目の焼戻しビード２１、圧縮場付与ビード３０、２本目の圧縮場付与ビード３１が順番に配置されている。１本目の焼戻しビードと２本目の焼戻しビード、１本目の圧縮場付与ビードと２本目の圧縮付与ビードの位置関係は、これに限定されるものではない。
【００５５】
次に、本発明による溶接方法について説明する。
【００５６】
本発明のレーザ溶接継手の製造に用いる装置は、従来のレーザ溶接継手を製造する装置と同様の装置を使用することができる。
【００５７】
本発明のレーザ溶接継手の製造では、本ビードを形成した後、本ビードの温度がＭｓ点−５０℃（Ｍｓ点：マルテンサイト変態開始温度）以下まで待機し、その後に、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードの形成を開始する。
【００５８】
本ビードの温度をＭｓ点−５０℃以下とすると、鋼板中に一定量以上のマルテンサイトが生成される。その後、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを順に形成することで、先のマルテンサイトが焼戻されて軟化し、継手強度が上昇する。
【００５９】
本ビードの温度がＭｓ点−５０℃より高いうちに圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードの形成を開始すると、本ビードには十分なマルテンサイトが生成されない。さらに、続いて照射された、圧縮場付与ビード及び焼戻しビードの熱により、溶接部近傍の広い領域が軟化するので、継手強度が大幅に低下する。
【００６０】
圧縮場付与ビードの形成を開始するときの、本ビードの温度の下限は特に規定しないが、Ｍｓ点−２５０℃以上とするのが好ましい。Ｍｓ点−２５０℃で、一般の鋼板はマルテンサイト変態を終了するからである。Ｍｓ点−２５０℃未満まで待つことによるメリットは特になく、タクトタイムが増加し、生産コスト増となる。
【００６１】
圧縮場付与ビードの外側の止端は、本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に配置される。本ビードの外側の止端から圧縮場付与ビードの外側の止端までの距離が１．５Ｗ以下となると、圧縮場付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融され、圧縮歪付与の効果が小さくなるので、焼戻しの際、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６２】
圧縮場付与ビードの外側の止端が、本ビードの外側の止端から４．０Ｗを超えると、本ビードより内側に位置する圧縮場付与ビードの総ビード長は短くなり、結果的に、鋼板へ与える総入熱量が減る。その結果、圧縮歪の総量が少なくなるので、本ビードの近傍に生じた引張歪を相殺できない。
【００６３】
また、焼戻しビードは、圧縮場付与ビードの形成開始時刻から、０．３〜３．５ｓｅｃの間に、本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ点＋５０℃以下となる条件で形成する。
【００６４】
圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３ｓｅｃ未満で焼戻しビードの形成を開始すると、圧縮歪が十分に付与されず、本ビード形成の際に生じた引張歪が相殺されないまま焼戻しビードが形成されることとなるので、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６５】
圧縮場付与ビードの形成開始時刻から３．５ｓｅｃを超えると、圧縮場付与ビードの形成により上昇した温度が低下し、熱膨張が収縮に変わる。すると、焼戻しビードが形成される位置には引張歪が生じることとなり、焼戻しビード形成時に、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６６】
ビードの温度は、鋼板表面の止端で測定した温度を代表値として用いることができる。温度は、放射温度計や熱電対を用いて測定することができる。Ｍｓ点は、鋼板の成分から、
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１×（％Ｃ）−３９×（％Ｍｎ）−３５×（％Ｖ）
−２０×（％Ｃｒ）−１７（％Ｎｉ）−１０×（％Ｃｕ）
−５×（％Ｍｏ＋％Ｗ）＋１５×（％Ｃｏ）＋３０×（％Ａｌ）
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。
【００６７】
また、焼戻しビードは、本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ１点＋５０℃以下の範囲となる条件で加熱し、形成する。ビードの温度は上記のように、鋼板表面で測定可能である。
【００６８】
焼戻しビードを形成する際に、本ビードの平均温度が４００℃未満であると、本ビードは十分に焼戻しされず、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。本ビードの温度がＡｃ１点℃＋５０℃を超えると、本ビード中の組織に生成するオーステナイトの割合が増加し、冷却時に再び焼入れられ、マルテンサイト変態が起こり、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。より好ましい温度範囲は、４００℃以上、Ａｃ１点未満である。
【００６９】
Ａｃ１点は、鋼板の成分から、
Ａｃ１（℃)＝７２３−１０．７×（％Ｍｎ）−１６．９×（％Ｎｉ)
＋２９．１×（％Ｓｉ)＋１６．９×（％Ｃｒ）＋２９０×（％Ａｓ)
＋６．３８×（％Ｗ)
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。
【００７０】
さらに、焼戻しビードの内側の止端は、本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離となるように配置する。本ビードの外側の止端から焼戻しビードの内側の止端までの距離がＷ以下だと、焼戻しビードを形成する際に、本ビードの外側の止端や重ね部の温度が、Ａｃ３点以上となり、再び焼きが入るので、継手強度が向上しない。
【００７１】
本ビードの外側の止端から焼戻しビードの内側の止端までの距離が、２．２Ｗより大きくなると、焼戻しビードを形成する際の熱が本ビードまで十分に伝導しないので、本ビードの焼戻しができず、継手強度が向上しない。
【００７２】
本発明のレーザ溶接継手を形成するのに用いるレーザのパワー密度は、０．５ＭＷ／ｃｍ２以上、５００ＭＷ／ｃｍ２以下の範囲が好ましい。パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ２以上、５００ＭＷ／ｃｍ２以下であれば、板厚方向にレーザビームが貫通するようなキーホール溶接が可能となり、ビードの焼戻しが広い溶接速度範囲で可能となる。
【００７３】
パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ２より低いと、キーホールが形成されないので、レーザビームの移動速度、すなわち、溶接速度を著しく低下させなければビードの焼戻しを実現できず、実生産では不利である。一方、パワー密度が５００ＭＷ／ｃｍ２より高い場合、ビーム照射部では、蒸発が支配的となるので、溶融溶接の熱源として利用できず、ビードを形成するのが困難になる。
【００７４】
レーザビームのパワー密度はレーザビームの出力をビーム面積で割ることで計算でき、さらに、ビーム面積はビーム径（ビーム中心からビーム中心の強度の１／ｅ２まで強度が減少する点までの距離(半径)）を用いて求めることができる。
【００７５】
始端と終端が一致する閉ループのビードを形成する場合は、終端に始端の熱が重畳して過加熱となり、溶鋼が垂れ落ちたり吹き飛んだりする場合がある。また、本ビードと焼戻しビードの始終端位置を近接させると、焼戻しビードの溶鋼の垂れ落ち、吹き飛びが、促進される場合がある。
【００７６】
溶鋼の垂れ落ち等が生じると、継手強度の低下につながる。そのため、溶鋼の垂れ落ち、吹き飛びを抑制するために、本ビードと焼戻しビードの始終端位置をずらすことが好ましい。
【００７７】
具体的には、ビードの中心から本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心から焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度が１０°以上となるように、ビードを形成することが好ましい。ここで、ビードの中心とは、ビードの外接円の中心をいう。
【００７８】
以上のように溶接ビードを形成することにより、良好な継手強度を有する溶接継手を製造することができる。
【００７９】
なお、本発明の溶接継手を複数形成する際には、個々の溶接継手を順番に形成する必要はない。すなわち、まず、本ビードのみを複数形成し、次いで、最高点がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成してもよい。
【００８０】
このようにビードを形成することにより、本ビードの温度が低下するまでの時間を、他の本ビードの形成に使えるので、複数の溶接継手を効率良く形成することができる。
【００８１】
本発明のレーザ溶接継手は、板厚が０．５〜３．０ｍｍの範囲の高張力鋼板の重ね合わせ溶接に好適である。板厚が０．５ｍｍ未満であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、継手の強度が板厚に支配されるので、継手全体の強度向上の効果が小さくなり、部材の適用範囲が限定される。また、板厚が３．０ｍｍ超であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、部材の軽量化の観点から、部材の適用範囲が限定される。
【実施例】
【００８２】
板厚１．０ｍｍの、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：２．０％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００４％である高張力鋼板を２枚重ね合わせ、レーザ溶接により接合し、継手を作製した。溶接部のビードの形状は閉じた円状、又は、図３の（ａ）〜（ｅ）に示す形状とした。
【００８３】
発明例の溶接部は、すべて、本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードの３本のビードを有する。
【００８４】
鋼板の成分から、Ｍｓ点、Ａｃ１点は、それぞれ、４２９℃、７１６℃と推定される。
【００８５】
レーザ溶接継手は、溶接ビードの形状、製造条件を、表１に示したように変えた、複数の種類を作製した。ビード形状の（ａ）〜（ｅ）は、図３の（ａ）〜（ｅ）の形状であることを示す。また、表１中の下線は、本発明で規定する範囲外であることを示す。
【００８６】
その他の溶接の条件は、レーザ出力を４．０ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面、焦点位置におけるビームスポット直径を０．５ｍｍとした。また、溶接速度は、本ビードと焼戻しビードを４ｍ／ｍｉｎ、圧縮場付与ビードを２ｍ／ｍｉｎ一定とした。
【００８７】
本ビードの温度は、本ビードの外側の止端の近傍に熱電対を貼り付け、測定した。
【００８８】
【表１】
【００８９】
作製したレーザ溶接継手の十字引張強度、及び、本ビード、焼戻しビードの平均ビッカース硬さを測定した。
【００９０】
十字引張強度の測定方法や継手形状は、スポット溶接継手に関し規定した、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に従った。十字継手をレーザ溶接によって作製し、所定の引張ジグを用い、引張速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ一定として引張試験を実施し、そのときの最高荷重を十字引張強度と定義した。
【００９１】
表２に、これらの結果を示す。ビードを１本のみ形成した場合（Ｎｏ．８）の十字引張強度を基準に、これの１．２倍以上となった場合を良好、十字引張強度の比が１．２倍未満となる場合を不良と判定した。
【００９２】
【表２】
【００９３】
表２の結果から分かるように、本発明によれば、ビードに割れを生じさせることなく、継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。
【００９４】
Ｎｏ．８は、１本の円形のビードで溶接継手を形成した比較例であり、発明例と比べると、十字引張強度が劣る。
【００９５】
Ｎｏ．９は、圧縮場付与ビードが本ビードから離れすぎているので、本ビードの近傍に生じた引張歪みを相殺できず、焼戻しビードに割れが生じた。
【００９６】
Ｎｏ．１０は、焼戻しビードが本ビードから遠すぎるので、本ビードに熱が十分に伝導せず、本ビードの焼戻しが不十分となり、継手強度が向上しなかった。
【００９７】
Ｎｏ．１１は、本ビードの温度が十分に下がらないうちに圧縮場付与ビードを形成したので、本ビードには十分なマルテンサイトが生成されず、過度に軟化され、十字引張強度が大幅に低下した。
【００９８】
Ｎｏ．１２は、圧縮場付与ビードを形成してから、焼戻しビードを形成するまでの時間が長いので、圧縮場付与ビードの形成により上昇した温度が低下し、焼戻しビードの形成位置に引張歪が生じて、焼戻しビードに割れが生じた。
【００９９】
Ｎｏ．１３は、圧縮場付与ビードが本ビードに近すぎるので、圧縮付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融され、圧縮歪付与の効果が小さくなり、焼戻しビードに割れが生じた。
【０１００】
Ｎｏ．１４は、焼戻しビードが本ビードに近すぎるので、本ビードの温度が上昇しすぎて再び焼きが入り、焼戻しが不十分となり、十字引張強度が向上しなかった。
【０１０１】
Ｎｏ．１５は、圧縮場付与ビードを形成してから、焼戻しビードを形成するまでの時間が短いので、圧縮歪が十分に付与されず、その結果、本ビード形成の際に生じた引張歪が相殺されず、焼戻しビードに割れが生じた。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られ、自動車用部材等に適用できるので、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【０１０３】
１ レーザ溶接継手
５ 高張力鋼板
１０ 本ビード
１０ａ 本ビードの外側の止端
１０ｂ 本ビードの内側の止端
１０ｃ 本ビードの溶融境界
１０ｄ 本ビードの最終凝固部（中央部）
２０，２１ 焼戻しビード
２０ａ 焼戻しビードの外側の止端
２０ｂ 焼戻しビードの内側の止端
２０ｃ 焼戻しビードの溶融境界
３０，３１ 圧縮場付与ビード
３０ａ 圧縮場付与ビードの外側の止端
３０ｂ 圧縮場付与の内側の止端
５０ 開口部
６０ 一体となったビードの中央部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高張力鋼板を複数枚重ね合わせ、レーザで接合した重ね継手に関し、特に、溶接ビードの品質を向上し、継手強度に優れたレーザ溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費の改善や安全性の向上といった要求に対応するため、高強度の薄鋼板が自動車車体に多く使用されるようになっており、レーザ溶接を用いてこれらの鋼板を溶接することが求められている。さらに、高強度薄鋼板を重ね合わせて溶接する方法において、安定して、高い接合部の強度が得られるレーザ溶接方法が望まれている。
【０００３】
レーザ溶接は、レーザ光を熱源とするので、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などのアーク溶接に比べて入熱量の制御が確実かつ容易である。このため、溶接速度やレーザビームの照射出力、さらにはシールドガス流量などの溶接条件を適切に設定することによって、熱変形を小さくできる。また、レーザ溶接は、片側から溶接できるので、自動車の車体など複雑な部材の組付溶接に好適である。さらに、近年では、ミラーによりレーザビームを高速で位置決めし、溶接箇所間の移動を短時間に行う、高効率なリモート溶接が普及しつつある。
【０００４】
実際、レーザ溶接は、自動車製造業や電気機器製造業、その他の分野において、薄鋼板を成形加工した部材の溶接に多く採用されている。また、これに関連して、溶接継手強度に優れた重ね継手のレーザ溶接方法が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、１本目のビードを２本目のビードの熱により焼戻し、品質改善することで、成形時の容易なビードの破断を防止し、成形能を向上する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０００７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、鋼板が高強度化するに伴い、溶接部のさらなる強度向上が求められており、従来の技術では溶接部の強度が不十分となる場合があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであって、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、溶接部の強度を高めるレーザ溶接方法について鋭意検討した。その結果、閉ループ又は閉ループ状のビードを形成する溶接において、１本目のビードを形成した後に、その内側に、１本目のビードに焼戻しを施すことを目的とした２本目のビードを形成することにより、継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られることが分かった。
【００１０】
しかしながら、特に、Ｐの含有量［Ｐ］とＳの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板の重ね溶接では、単に焼戻しのためのビードを形成した場合、ビードに縦割れが生じることがあり、破面を観察したところ凝固割れであることが分かった。この理由は、以下のように考えられる。
【００１１】
閉ループ又は閉ループ状の１本目のビードを形成すると、ビードに囲まれた領域では、板厚方向に垂直な面内において、溶接線と直角方向に引張の残留応力場が生じる。すなわち、２本目のビード形成の際、引張の残留応力場が生じている状態で溶接が行われることとなるので、２本目のビードにおいて、凝固完了前に割れが発生する。
【００１２】
また、割れ発生の傾向は、閉ループ又は閉ループ状のビード長が長くなるほど、すなわち、閉ループ又は閉ループ状のビードの外接円が大きくなるほど顕著になり、特に外接円の直径が１０ｍｍ以上になると顕著であることが分かった。また、割れの発生は、鋼板のＣ量が０．０５％以上になると特に顕著であるが、Ｃ量が０．００２％程度であっても、割れが発生することがあることが分かった。
【００１３】
本発明者らは、この問題を解決するために、さらに検討した。その結果、１本目のビードに焼戻しを施すことを目的としたビードを形成する前に、焼戻しを施すことを目的としたビードを形成する位置よりも内側に、熱膨張により圧縮歪を形成するためのビードを形成することにより、焼戻しビードの割れを防止することができることを見出した。
【００１４】
すなわち、圧縮歪を形成するためのビードによる圧縮歪によって、１本目のビードによる引張歪をごく短時間ではあるが、相殺又は大幅に低減できるので、ビードに割れを生じさせることなく、焼戻しを施すことを目的としたビードを形成することができることが分かった。
【００１５】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は、以下のとおりである。
【００１６】
（１）Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、
平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビード
を有することを特徴とするレーザ溶接継手。
【００１７】
（２）前記圧縮場付与ビードは、前記焼戻しビードと重なることなく配置されたことを特徴とする前記（１）のレーザ溶接継手。
【００１８】
（３）前記閉ループ状の本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードが、各々１つ以上の開口部を有し、各々のビードにおける開口部の長さの合計は、各々のビードの外接円相当径の３／４以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）のレーザ溶接継手。
【００１９】
（４）前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低いことを特徴とする前記（１）〜（３）のレーザ溶接継手。
【００２０】
（５）前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも１５以上低いことを特徴とする前記（１）〜（４）のレーザ溶接継手。
【００２１】
（６）前記圧縮場付与ビード及び前記焼戻しビードからなる組を、２組以上有することを特徴とする前記（１）〜（５）のレーザ溶接継手。
【００２２】
（７）前記（１）〜（５）のいずれかのレーザ溶接継手の製造方法であって、
（ａ）平均ビード幅がＷの閉ループ又は閉ループ状の本ビードを形成する工程と、
（ｂ）上記本ビードの温度がＭｓ点−５０℃以下となった後に、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードする工程と、
（ｃ）上記圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３〜３．５ｓｅｃの間に、上記本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ点＋５０℃以下となるように、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードを形成する工程
を、順に備えることを特徴とするレーザ溶接継手の製造方法。
【００２３】
（８）本ビード及び焼戻しビードが閉ループであり、
ビードの中心と本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心と焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度を１０°以上とする
ことを特徴とする前記（７）のレーザ溶接継手の製造方法。
【００２４】
（９）前記（６）のレーザ溶接継手の製造方法であって、
前記（ｃ）の工程の後に、さらに、前記（ｂ）の工程、及び、前記（ｃ）の工程を順に含む工程を、１回以上備えることを特徴とする前記（７）又は（８）のレーザ溶接継手の製造方法。
【００２５】
（１０）複数枚重ねた鋼板に、複数の溶接継手を形成する際に、
本ビードを複数形成し、その後、
温度がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成することを特徴とする前記（７）〜（９）のいずれかのレーザ溶接継手の製造方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るレーザ溶接継手の概略を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図２】本発明に係るレーザ溶接継手の、本ビードの幅の測定方法を説明する図である。
【図３】本発明に係る閉ループ状のレーザ溶接継手におけるビード形状の例を示す図である。
【図４】本発明に係る溶接継手の、本ビードと焼戻しビードの硬さ測定の方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る溶接継手で、本ビードと焼戻しビードが溶融し一体となったときの、本ビードの平均ビード幅の測定方法を説明する図である。
【図６】本発明に係るレーザ溶接継手の他の例の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の溶接継手について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下、単に「％」と記載した場合は、「質量％」を表すものとする。
【００２９】
図１は、本発明のレーザ溶接継手の概略を示す図である。図１の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’断面である。
【００３０】
本発明のレーザ溶接継手１は、高張力鋼板５を複数枚重ね合わせて接合してなる。図１は、２枚重ね合わせた例である。
【００３１】
特に、高張力鋼板５に、Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を用いると、ビードの中央に板厚方向の凝固割れが発生しやすくなる。凝固割れが発生した溶接部に荷重が負荷されると、ビードの融合線と鋼板の重ね部が交差する部位の近傍に発生する応力の値が、割れが発生しない場合に比べ高くなるので、継手強度、特に剥離方向の荷重に対する強度の確保が困難となる。
【００３２】
本発明の溶接継手は、従来に比べ、継手強度を向上させるものである。レーザ溶接継手１を形成するビードは、閉ループ又は閉ループ状であり、外側から、本ビード１０、焼戻しビード２０、圧縮場付与ビード３０を有する。
【００３３】
焼戻しビード２０は、本ビード１０の平均ビード幅をＷとすると、焼戻しビード２０の内側の止端２０ｂが、本ビード１０の外側の止端１０ａから内側にＷ超、２．２Ｗ以下となる位置に配置される。
【００３４】
本ビード１０の平均ビード幅Ｗは、鋼板の重なり部分で測定する。複数の鋼板を重ね合わせて溶接した場合は、それぞれの重なり部分のビード幅の平均値とする。図２は、４枚の鋼板を重ね合わせて溶接した例であり、平均ビード幅Ｗは、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の平均値である。
【００３５】
焼戻しビード２０は、本ビード１０を焼き戻すことを目的に形成される。これにより、溶接の重ね部の延性が向上し、荷重付加時の重ね部の応力集中が緩和できる。焼戻しビード２０は、本ビード１０の内側に形成されるので、荷重付加の際に受ける応力は、本ビード１０と比べて低くなる。
【００３６】
圧縮場付与ビード３０は、圧縮場付与ビード３０の外側の止端３０ａが、本ビード１０の外側の止端１０ａから内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下となる位置に配置される。
【００３７】
圧縮場付与ビード３０は、本ビード１０の形成により生じた引張歪を、圧縮歪により相殺するために、焼戻しビード２０の形成の前に形成する。これにより、引張歪のない状態で焼戻しビード２０が形成されるので、焼戻しビード形成時に割れが生じることがなくなる。
【００３８】
圧縮場付与ビード３０と焼戻しビード２０を重ねて配置すると、圧縮場付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融されるので、圧縮歪付与の効果が小さくなる。その結果、焼戻しビードに割れが生じる可能性が高くなるので、圧縮場付与ビード３０と焼戻しビード２０は、重なることなく配置するのが好ましい。
【００３９】
閉ループ状のビードとは、例えば、図３に示すように、本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードに、１つ以上の、ビードが形成されない開口部を有し、開口部の長さの合計が、各々のビードの外接円相当径の３／４以下である形状のビードをいう。
【００４０】
図３は、開口部を有するビード形状の例であり、実線がビード、破線が開口部を示している。単純化のため、図３では、本ビードのみを描いている。図３に示したビード形状は、例示であり、閉ループ状のビード形状がこれに限定されるものではない。
【００４１】
また、例えば、亜鉛めっき鋼板を重ね合わせて溶接する際、鋼板間のめっきは沸点に達して蒸発し、急激に体積が膨張する。開口部を設ける理由は、ビードに囲まれた領域で蒸気又は気体となっためっきの通り道がないと、鋼板間の圧力が高まって、溶接中に溶融池が吹き飛び、ビードに欠陥が生じるからである。
【００４２】
本発明の溶接継手では、本ビードの平均ビッカース硬度が、焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低い。ビードの平均ビッカース硬度は、それぞれのビードの溶融境界の間を４等分した位置（境界を除く）で測定した硬さの平均値とする。
【００４３】
これを図４（ａ）を用いて説明する。本ビードの平均ビッカース硬さは、図４（ａ）の本ビードの溶融境界１０ｃの間を４等分したｈ１１、ｈ１２、ｈ１３で測定した硬さの平均値、焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、図４（ａ）の焼戻しビードの溶融境界２０ｃの間を４等分したｈ２１、ｈ２２、ｈ２３で測定した硬さの平均値とする。
【００４４】
本ビードと焼戻しビードは、溶融して一体となることもある。本ビードと焼戻しビードが一体となったときの硬さは、一体となったビードの中央部（本ビードの溶融境界と焼戻しビードの溶融境界の間を２等分した位置）と、それぞれのビードの溶融境界の間を４等分した位置（境界を除く）で測定した硬さの平均値とする。
【００４５】
これを、図４（ｂ）を用いて説明する。本ビードの平均ビッカース硬さは、一体となったビードの中央部６０と、本ビードの溶融境界１０ｃとの間を４等分した、ｈ１４、ｈ１５、ｈ１６で測定した硬さの平均値とする。焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、一体となったビードの中央部６０と、焼戻しビードの溶融境界２０ｃとの間を４等分した、ｈ２４、ｈ２５、ｈ２６で測定した硬さの平均値とする。
【００４６】
本ビードと焼戻しビードが一体となった場合であっても、上で定義した本ビードの硬さが、焼戻しビードの硬さよりも低ければ、本発明の効果は得られるので、本ビードと焼戻しビードは溶融として一体となってもかまわない。
【００４７】
本ビードと焼戻しビードが一体となった場合、図４（ｂ）に示したように、外観上は１本のビードに見える。しかし、単に１本のビードを形成する溶接を行った場合には、上で説明したような硬さ分布は得られず、本発明の効果も得られない。
【００４８】
本ビードの平均ビッカース硬さと焼戻しビードの平均ビッカース硬さは、継手強度の向上の観点からは、本ビードの平均ビッカース硬さが、焼戻しビードの平均ビッカース硬さよりも、１５以上小さくなるように、焼戻しビードを形成するのが好ましい。
【００４９】
一般にレーザ溶接の際、ビードは、冷却に際して、溶融境界から凝固し、結晶がビード中央部に向かって成長するので、ミクロ組織の観察により、最終凝固部となるビード中央部を知ることは容易である。
【００５０】
したがって、本ビードと焼戻しビードが一体となり、本ビードが焼戻しビードで隠れた場合でも、図５（ａ）のように、本ビードがビード幅方向に半分以上残っている場合は、最終凝固部１０ｄから溶融境界１０ｃまでの距離を２倍すれば本ビードの平均ビード幅Ｗを求めることができる。例えば、図５（ａ）の場合には、２Ｗｈ1、２Ｗｈ2、２Ｗｈ3、の平均値となる。
【００５１】
一方、レーザ溶接において、レーザビームが板厚方向に複数の板を貫通するキーホール溶接では、ビード幅は主にビーム径によって決まる。コストの面から、通常、本ビードと焼戻しビードは、同じ光学系を用いて形成することが多いと考えられるので、ほぼ同じビーム径を有すると考えてよい。また、本ビードを焼戻すには、本ビードと同程度のビード幅を形成可能な焼戻しビードで溶接する必要がある。
【００５２】
したがって、図５（ｂ）に示すように、本ビードのビード中央部が焼戻しビードによって隠れ、元の本ビードのビード幅が分からない場合には、本ビードのビード幅を焼戻しビードの平均ビード幅で代替すればよい。
【００５３】
本発明の溶接継手は、図６に示すように、圧縮場付与ビードと焼戻しビードからなる組を、２組以上有してもよい。これにより、本ビードの焼戻しをさらに進め、また、１本目の焼戻しビードも、２本目の焼戻しビードにより焼戻されるので、剥離方向の継手強度をより向上させることが可能となる。また、鋼板間を繋ぐビードの断面積が増えるので、板厚方向と垂直な方向に荷重が負荷された場合のせん断強度も向上させることが可能となる。
【００５４】
図６では、本ビード１０の内側に、焼戻しビード２０、２本目の焼戻しビード２１、圧縮場付与ビード３０、２本目の圧縮場付与ビード３１が順番に配置されている。１本目の焼戻しビードと２本目の焼戻しビード、１本目の圧縮場付与ビードと２本目の圧縮付与ビードの位置関係は、これに限定されるものではない。
【００５５】
次に、本発明による溶接方法について説明する。
【００５６】
本発明のレーザ溶接継手の製造に用いる装置は、従来のレーザ溶接継手を製造する装置と同様の装置を使用することができる。
【００５７】
本発明のレーザ溶接継手の製造では、本ビードを形成した後、本ビードの温度がＭｓ点−５０℃（Ｍｓ点：マルテンサイト変態開始温度）以下まで待機し、その後に、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードの形成を開始する。
【００５８】
本ビードの温度をＭｓ点−５０℃以下とすると、鋼板中に一定量以上のマルテンサイトが生成される。その後、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを順に形成することで、先のマルテンサイトが焼戻されて軟化し、継手強度が上昇する。
【００５９】
本ビードの温度がＭｓ点−５０℃より高いうちに圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードの形成を開始すると、本ビードには十分なマルテンサイトが生成されない。さらに、続いて照射された、圧縮場付与ビード及び焼戻しビードの熱により、溶接部近傍の広い領域が軟化するので、継手強度が大幅に低下する。
【００６０】
圧縮場付与ビードの形成を開始するときの、本ビードの温度の下限は特に規定しないが、Ｍｓ点−２５０℃以上とするのが好ましい。Ｍｓ点−２５０℃で、一般の鋼板はマルテンサイト変態を終了するからである。Ｍｓ点−２５０℃未満まで待つことによるメリットは特になく、タクトタイムが増加し、生産コスト増となる。
【００６１】
圧縮場付与ビードの外側の止端は、本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に配置される。本ビードの外側の止端から圧縮場付与ビードの外側の止端までの距離が１．５Ｗ以下となると、圧縮場付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融され、圧縮歪付与の効果が小さくなるので、焼戻しの際、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６２】
圧縮場付与ビードの外側の止端が、本ビードの外側の止端から４．０Ｗを超えると、本ビードより内側に位置する圧縮場付与ビードの総ビード長は短くなり、結果的に、鋼板へ与える総入熱量が減る。その結果、圧縮歪の総量が少なくなるので、本ビードの近傍に生じた引張歪を相殺できない。
【００６３】
また、焼戻しビードは、圧縮場付与ビードの形成開始時刻から、０．３〜３．５ｓｅｃの間に、本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ点＋５０℃以下となる条件で形成する。
【００６４】
圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３ｓｅｃ未満で焼戻しビードの形成を開始すると、圧縮歪が十分に付与されず、本ビード形成の際に生じた引張歪が相殺されないまま焼戻しビードが形成されることとなるので、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６５】
圧縮場付与ビードの形成開始時刻から３．５ｓｅｃを超えると、圧縮場付与ビードの形成により上昇した温度が低下し、熱膨張が収縮に変わる。すると、焼戻しビードが形成される位置には引張歪が生じることとなり、焼戻しビード形成時に、ビードに割れが生じる可能性が高くなる。
【００６６】
ビードの温度は、鋼板表面の止端で測定した温度を代表値として用いることができる。温度は、放射温度計や熱電対を用いて測定することができる。Ｍｓ点は、鋼板の成分から、
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１×（％Ｃ）−３９×（％Ｍｎ）−３５×（％Ｖ）
−２０×（％Ｃｒ）−１７（％Ｎｉ）−１０×（％Ｃｕ）
−５×（％Ｍｏ＋％Ｗ）＋１５×（％Ｃｏ）＋３０×（％Ａｌ）
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。
【００６７】
また、焼戻しビードは、本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ１点＋５０℃以下の範囲となる条件で加熱し、形成する。ビードの温度は上記のように、鋼板表面で測定可能である。
【００６８】
焼戻しビードを形成する際に、本ビードの平均温度が４００℃未満であると、本ビードは十分に焼戻しされず、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。本ビードの温度がＡｃ１点℃＋５０℃を超えると、本ビード中の組織に生成するオーステナイトの割合が増加し、冷却時に再び焼入れられ、マルテンサイト変態が起こり、軟化しないので、十分な継手強度が得られない。より好ましい温度範囲は、４００℃以上、Ａｃ１点未満である。
【００６９】
Ａｃ１点は、鋼板の成分から、
Ａｃ１（℃)＝７２３−１０．７×（％Ｍｎ）−１６．９×（％Ｎｉ)
＋２９．１×（％Ｓｉ)＋１６．９×（％Ｃｒ）＋２９０×（％Ａｓ)
＋６．３８×（％Ｗ)
で推定することができる。（％Ｃ）等は、各元素の鋼板中の含有量を質量％で示した値である。
【００７０】
さらに、焼戻しビードの内側の止端は、本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離となるように配置する。本ビードの外側の止端から焼戻しビードの内側の止端までの距離がＷ以下だと、焼戻しビードを形成する際に、本ビードの外側の止端や重ね部の温度が、Ａｃ３点以上となり、再び焼きが入るので、継手強度が向上しない。
【００７１】
本ビードの外側の止端から焼戻しビードの内側の止端までの距離が、２．２Ｗより大きくなると、焼戻しビードを形成する際の熱が本ビードまで十分に伝導しないので、本ビードの焼戻しができず、継手強度が向上しない。
【００７２】
本発明のレーザ溶接継手を形成するのに用いるレーザのパワー密度は、０．５ＭＷ／ｃｍ２以上、５００ＭＷ／ｃｍ２以下の範囲が好ましい。パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ２以上、５００ＭＷ／ｃｍ２以下であれば、板厚方向にレーザビームが貫通するようなキーホール溶接が可能となり、ビードの焼戻しが広い溶接速度範囲で可能となる。
【００７３】
パワー密度が０．５ＭＷ／ｃｍ２より低いと、キーホールが形成されないので、レーザビームの移動速度、すなわち、溶接速度を著しく低下させなければビードの焼戻しを実現できず、実生産では不利である。一方、パワー密度が５００ＭＷ／ｃｍ２より高い場合、ビーム照射部では、蒸発が支配的となるので、溶融溶接の熱源として利用できず、ビードを形成するのが困難になる。
【００７４】
レーザビームのパワー密度はレーザビームの出力をビーム面積で割ることで計算でき、さらに、ビーム面積はビーム径（ビーム中心からビーム中心の強度の１／ｅ２まで強度が減少する点までの距離(半径)）を用いて求めることができる。
【００７５】
始端と終端が一致する閉ループのビードを形成する場合は、終端に始端の熱が重畳して過加熱となり、溶鋼が垂れ落ちたり吹き飛んだりする場合がある。また、本ビードと焼戻しビードの始終端位置を近接させると、焼戻しビードの溶鋼の垂れ落ち、吹き飛びが、促進される場合がある。
【００７６】
溶鋼の垂れ落ち等が生じると、継手強度の低下につながる。そのため、溶鋼の垂れ落ち、吹き飛びを抑制するために、本ビードと焼戻しビードの始終端位置をずらすことが好ましい。
【００７７】
具体的には、ビードの中心から本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心から焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度が１０°以上となるように、ビードを形成することが好ましい。ここで、ビードの中心とは、ビードの外接円の中心をいう。
【００７８】
以上のように溶接ビードを形成することにより、良好な継手強度を有する溶接継手を製造することができる。
【００７９】
なお、本発明の溶接継手を複数形成する際には、個々の溶接継手を順番に形成する必要はない。すなわち、まず、本ビードのみを複数形成し、次いで、最高点がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成してもよい。
【００８０】
このようにビードを形成することにより、本ビードの温度が低下するまでの時間を、他の本ビードの形成に使えるので、複数の溶接継手を効率良く形成することができる。
【００８１】
本発明のレーザ溶接継手は、板厚が０．５〜３．０ｍｍの範囲の高張力鋼板の重ね合わせ溶接に好適である。板厚が０．５ｍｍ未満であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、継手の強度が板厚に支配されるので、継手全体の強度向上の効果が小さくなり、部材の適用範囲が限定される。また、板厚が３．０ｍｍ超であっても、溶接部の強度向上の効果は得られるが、部材の軽量化の観点から、部材の適用範囲が限定される。
【実施例】
【００８２】
板厚１．０ｍｍの、鋼板の主成分が、Ｃ：０．１２％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：２．０％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００４％である高張力鋼板を２枚重ね合わせ、レーザ溶接により接合し、継手を作製した。溶接部のビードの形状は閉じた円状、又は、図３の（ａ）〜（ｅ）に示す形状とした。
【００８３】
発明例の溶接部は、すべて、本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードの３本のビードを有する。
【００８４】
鋼板の成分から、Ｍｓ点、Ａｃ１点は、それぞれ、４２９℃、７１６℃と推定される。
【００８５】
レーザ溶接継手は、溶接ビードの形状、製造条件を、表１に示したように変えた、複数の種類を作製した。ビード形状の（ａ）〜（ｅ）は、図３の（ａ）〜（ｅ）の形状であることを示す。また、表１中の下線は、本発明で規定する範囲外であることを示す。
【００８６】
その他の溶接の条件は、レーザ出力を４．０ｋＷ、焦点位置を上側鋼板の表面、焦点位置におけるビームスポット直径を０．５ｍｍとした。また、溶接速度は、本ビードと焼戻しビードを４ｍ／ｍｉｎ、圧縮場付与ビードを２ｍ／ｍｉｎ一定とした。
【００８７】
本ビードの温度は、本ビードの外側の止端の近傍に熱電対を貼り付け、測定した。
【００８８】
【表１】
【００８９】
作製したレーザ溶接継手の十字引張強度、及び、本ビード、焼戻しビードの平均ビッカース硬さを測定した。
【００９０】
十字引張強度の測定方法や継手形状は、スポット溶接継手に関し規定した、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に従った。十字継手をレーザ溶接によって作製し、所定の引張ジグを用い、引張速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ一定として引張試験を実施し、そのときの最高荷重を十字引張強度と定義した。
【００９１】
表２に、これらの結果を示す。ビードを１本のみ形成した場合（Ｎｏ．８）の十字引張強度を基準に、これの１．２倍以上となった場合を良好、十字引張強度の比が１．２倍未満となる場合を不良と判定した。
【００９２】
【表２】
【００９３】
表２の結果から分かるように、本発明によれば、ビードに割れを生じさせることなく、継手強度に優れたレーザ溶接継手を得ることができる。
【００９４】
Ｎｏ．８は、１本の円形のビードで溶接継手を形成した比較例であり、発明例と比べると、十字引張強度が劣る。
【００９５】
Ｎｏ．９は、圧縮場付与ビードが本ビードから離れすぎているので、本ビードの近傍に生じた引張歪みを相殺できず、焼戻しビードに割れが生じた。
【００９６】
Ｎｏ．１０は、焼戻しビードが本ビードから遠すぎるので、本ビードに熱が十分に伝導せず、本ビードの焼戻しが不十分となり、継手強度が向上しなかった。
【００９７】
Ｎｏ．１１は、本ビードの温度が十分に下がらないうちに圧縮場付与ビードを形成したので、本ビードには十分なマルテンサイトが生成されず、過度に軟化され、十字引張強度が大幅に低下した。
【００９８】
Ｎｏ．１２は、圧縮場付与ビードを形成してから、焼戻しビードを形成するまでの時間が長いので、圧縮場付与ビードの形成により上昇した温度が低下し、焼戻しビードの形成位置に引張歪が生じて、焼戻しビードに割れが生じた。
【００９９】
Ｎｏ．１３は、圧縮場付与ビードが本ビードに近すぎるので、圧縮付与ビード近傍の高温で大きく膨張した領域が焼戻しビードにより溶融され、圧縮歪付与の効果が小さくなり、焼戻しビードに割れが生じた。
【０１００】
Ｎｏ．１４は、焼戻しビードが本ビードに近すぎるので、本ビードの温度が上昇しすぎて再び焼きが入り、焼戻しが不十分となり、十字引張強度が向上しなかった。
【０１０１】
Ｎｏ．１５は、圧縮場付与ビードを形成してから、焼戻しビードを形成するまでの時間が短いので、圧縮歪が十分に付与されず、その結果、本ビード形成の際に生じた引張歪が相殺されず、焼戻しビードに割れが生じた。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、従来よりも継手強度に優れたレーザ溶接継手が得られ、自動車用部材等に適用できるので、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【０１０３】
１ レーザ溶接継手
５ 高張力鋼板
１０ 本ビード
１０ａ 本ビードの外側の止端
１０ｂ 本ビードの内側の止端
１０ｃ 本ビードの溶融境界
１０ｄ 本ビードの最終凝固部（中央部）
２０，２１ 焼戻しビード
２０ａ 焼戻しビードの外側の止端
２０ｂ 焼戻しビードの内側の止端
２０ｃ 焼戻しビードの溶融境界
３０，３１ 圧縮場付与ビード
３０ａ 圧縮場付与ビードの外側の止端
３０ｂ 圧縮場付与の内側の止端
５０ 開口部
６０ 一体となったビードの中央部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、
平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビード
を有することを特徴とする継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項２】
前記圧縮場付与ビードは、前記焼戻しビードと重なることなく配置されたことを特徴とする請求項１に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項３】
前記閉ループ状の本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードが、各々１つ以上の開口部を有し、各々のビードにおける開口部の長さの合計は、各々のビードの外接円相当径の３／４以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項４】
前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項５】
前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも１５以上低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項６】
前記圧縮場付与ビード及び前記焼戻しビードからなる組を、２組以上有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ溶接継手の製造方法であって、
（ａ）平均ビード幅がＷの閉ループ又は閉ループ状の本ビードを形成する工程と、
（ｂ）上記本ビードの温度がＭｓ点−５０℃以下となった後に、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードする工程と、
（ｃ）上記圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３〜３．５ｓｅｃの間に、上記本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ１点＋５０℃以下となるように、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードを形成する工程
を、順に備えることを特徴とする継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項８】
本ビード及び焼戻しビードが閉ループであり、
ビードの中心と本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心と焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度を１０°以上とする
ことを特徴とする請求項７に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載のレーザ溶接継手の製造方法であって、
前記（ｃ）の工程の後に、さらに、前記（ｂ）の工程、及び、前記（ｃ）の工程を順に含む工程を、１回以上備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項１０】
複数枚重ねた鋼板に、複数の溶接継手を形成する際に、
本ビードを複数形成し、その後、
温度がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項１】
Ｐの含有量［Ｐ］と、Ｓの含有量［Ｓ］が、［Ｐ］＋５［Ｓ］≧０．０２６質量％を満たす鋼板を複数枚重ねて、レーザにより接合したレーザ溶接継手であって、
平均ビード幅がＷで、閉ループ又は閉ループ状の本ビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードと、
上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビード
を有することを特徴とする継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項２】
前記圧縮場付与ビードは、前記焼戻しビードと重なることなく配置されたことを特徴とする請求項１に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項３】
前記閉ループ状の本ビード、焼戻しビード、及び、圧縮場付与ビードが、各々１つ以上の開口部を有し、各々のビードにおける開口部の長さの合計は、各々のビードの外接円相当径の３／４以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項４】
前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項５】
前記本ビードの平均ビッカース硬度が、前記焼戻しビードの平均ビッカース硬度よりも１５以上低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項６】
前記圧縮場付与ビード及び前記焼戻しビードからなる組を、２組以上有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ溶接継手の製造方法であって、
（ａ）平均ビード幅がＷの閉ループ又は閉ループ状の本ビードを形成する工程と、
（ｂ）上記本ビードの温度がＭｓ点−５０℃以下となった後に、上記本ビードの外側の止端から内側に１．５Ｗ超、４．０Ｗ以下の距離に外側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の圧縮場付与ビードする工程と、
（ｃ）上記圧縮場付与ビードの形成開始時刻から０．３〜３．５ｓｅｃの間に、上記本ビードの温度が４００℃以上、Ａｃ１点＋５０℃以下となるように、上記本ビードの外側の止端から内側にＷ超、２．２Ｗ以下の距離に内側の止端が配置された、閉ループ又は閉ループ状の焼戻しビードを形成する工程
を、順に備えることを特徴とする継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項８】
本ビード及び焼戻しビードが閉ループであり、
ビードの中心と本ビードの始終端を結んだ線分と、ビードの中心と焼戻しビードの始終端を結んだ線分がなす角度を１０°以上とする
ことを特徴とする請求項７に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載のレーザ溶接継手の製造方法であって、
前記（ｃ）の工程の後に、さらに、前記（ｂ）の工程、及び、前記（ｃ）の工程を順に含む工程を、１回以上備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【請求項１０】
複数枚重ねた鋼板に、複数の溶接継手を形成する際に、
本ビードを複数形成し、その後、
温度がＭｓ点−５０℃以下となった本ビードに対して、圧縮場付与ビード、及び、焼戻しビードを形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の継手強度に優れたレーザ溶接継手の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２４００８６（Ｐ２０１２−２４００８６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２５６３（Ｐ２０１１−１１２５６３）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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