JP3156512B2

JP3156512B2 - 積層鋼板と普通鋼板とのレーザー溶接結合部構造

Info

Publication number: JP3156512B2
Application number: JP18723694A
Authority: JP
Inventors: 康司藤井; 清史上井; 悟史児玉; 恭典松田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 2001-04-16
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JPH0852580A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、積層鋼板と普通鋼板
とのレーザー溶接結合部構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層鋼板は、鋼板間に高分子樹脂が存在
するもので、加工性、施工性等は、普通鋼板の場合とは
全く異なり、プレス成形時に表皮鋼板が剥離すること、
曲げ加工時に形状異常（カモメ現象）が起こること、ス
ポット溶接が困難となること、ネジ止め部でトルクダウ
ンが起こること、タップ加工部の強度が低く、充分な締
結強度が得られないこと、積層鋼板端部の耐食性が劣る
こと等、多くの適用上の問題点がある。

【０００３】これらの問題を解決する方法として、積層
鋼板そのものを改良する方法がある。例えば、高分子樹
脂の弾性率、伸びを限定し、表皮鋼板との接着力を高め
ることにより、加工性を向上する方法（特開昭６０−８
２３４９号公報）、高分子樹脂に導電性金属粉を添加
し、スポット溶接性を付与する方法（特開昭５０−７９
９２０号公報、特公昭６０−９１２号公報、特開昭６２
−８７３４１号公報、特開昭５７−１４６６４９号公
報、特公昭６１−２９２６１号公報）、ボルト締め部を
加熱した状態でボルト締めし、高分子樹脂の厚みを薄く
した状態にすることにより、トルクダウンを防止する方
法（特公昭６３−３４３２４号公報）、腐食環境下で溶
出の少ない表面処理鋼板を用いて、端面耐食性を向上す
る方法（特公平２−２７１４５号公報）等がある。

【０００４】しかし、積層鋼板そのものを改良する方法
では適用上の問題点がある程度は改良されるものの、適
用にあたってプレス金型の形状調整、スポット溶接条件
の変更、作業工程の増加等が必要であり、積層鋼板の適
用性に関して抜本的な解決には至らない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、積層鋼板
と普通鋼板とをレーザー溶接により結合することによ
り、積層鋼板で問題となる部分を普通鋼板に置き換える
試みがなされている。しかしこのものは、レーザー結合
部に溶接中に樹脂が分解して生ずるガスが混入して、充
分な接合部強度やプレス成形に耐え得る伸び特性が得ら
れないという問題がある。例えば、特開昭５９−３３０
９０号公報では、積層鋼板と普通鋼板とを両鋼板の結合
線よりも普通鋼板側に０．１〜０．５ｍｍ偏った線に沿
って、レーザービームを移動させ接合し、積層鋼板の問
題部分を普通鋼板に置き換えることにより、積層鋼板適
用上の欠点を解消する方法が提案されている。しかしこ
の方法では、積層鋼板側の溶け込みが不充分であり、充
分な接合部強度および伸び特性が得られず、積層鋼板と
普通鋼板のレーザー結合材は、未だ実用化にあたっては
結合部の特性に問題がある。

【０００６】本発明は、上記のような積層鋼板を適用す
る上での問題点を解決した積層鋼板結合部構造を提供す
るもので、積層鋼板本来の特性を失う事なく、かつ普通
鋼板と同一条件で加工が可能な結合部特性を有するレー
ザー溶接にて結合した積層鋼板と普通鋼板との溶接都合
部構造を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の積層鋼板と普通鋼
板等とのレーザー溶接結合部構造において、結合部に必
要なことは双方の鋼板に充分な溶け込みを持たせ、か
つ、結合部におけるガスの混入を防ぎ、プレス成形加工
などに耐え得る充分な結合部強度と伸び特性を確保する
ことである。

【０００８】上記課題を解決するために、本発明者らは
積層鋼板と普通鋼板とをレーザー溶接により接合した積
層鋼板部材に関して検討を行い、本発明を完成した。す
なわち、本発明の積層鋼板部材は、結合部において、大
きさ０．０５ｍｍ径以上のブローホールが１０個／ｍ以
下で、かつ溶込み量イ）、ロ）が下記の範囲にあり、イ）板厚方向０．８×Ｔ≦ｄ（Ｔは積層鋼板のトータル板厚、ｄは結合部の溶込み深
さ）ロ）板幅方向０．３５×Ｔ≦ｗ≦０．７５×Ｔ（ｗは結合部の溶込み幅）さらに、結合部の溶接金属中の炭素量を０．０７重量％
以下に抑え、あるいは、結合部の硬度を４００Ｈｖ以下
とした積層鋼板と普通鋼板とのレーザー溶接結合部構造
である。

【０００９】

【作用】本発明の作用について図１を参照しながら説明
する。図１は本発明の基本的な構造を模式的に示す断面
図である。積層鋼板１は表皮鋼板２，２間に高分子樹脂
３を挟んで構成され、この積層鋼板１と普通鋼板４とを
レーザー接合部５で結合している。

【００１０】本発明に適用される積層鋼板１には、表皮
鋼板２が例えば板厚０．２〜１．６ｍｍの冷延鋼板、メ
ッキ鋼板、合金化メッキ鋼板等各種の鋼板が挙げられ、
高分子樹脂として、例えば０．０２〜２ｍｍ程度のポリ
オレフィン、ポリアミド、ナイロン等の熱可塑性樹脂、
あるいはアクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキ
シ系樹脂、ウレタン系樹脂およびこれらをゴム変成した
もの等の熱硬化性樹脂等、一般に積層鋼板に用いられて
いるものが挙げられる。特に、結合部へのガスの混入を
抑制するためには、樹脂の厚みは０．０２〜０．２ｍｍ
が望ましく、特に０．０２〜０．１ｍｍが望ましい。

【００１１】また、普通鋼板として冷延鋼板、メッキ鋼
板、合金化メッキ鋼板等各種の鋼板が適用でき、板厚と
しては積層鋼板のトータル厚と同厚であることが望まし
い。次に、本発明の積層鋼板結合部構造は、結合部にお
いて、大きさ０．０５ｍｍ径以上のブローホールが１０
個／ｍ以下で、かつ溶込み量イ）、ロ）が下記の範囲に
あるものである。

【００１２】イ）板厚方向０．８×Ｔ≦ｄ（Ｔは板厚）ロ）板幅方向０．３５×Ｔ≦ｗ≦０．７５×Ｔその理由を以下に示す。

【００１３】まず、ブローホールは亀裂の起点となるも
のであり、そのため、０．０５ｍｍ以上のブローホール
が１０個／ｍ以下では特に問題はないが、１０個／ｍを
越えて存在すると、結合部の引張り強さが著しく低下
し、成形加工に耐え得る強度が不足する。なお、０．０
５ｍｍ未満のブローホールは、亀裂の起点とはならない
ので、通常は特に考慮する必要はない。

【００１４】溶込み量（板厚方向）は、上記イ）未満で
は、積層鋼板の下板に対する溶接不良を発生し、結合部
の強度が低下する。また、溶込み量（板幅方向）が上記
ロ）の範囲未満では入熱不足のため、充分な溶込み深さ
が得られず、積層鋼板の下板に対する溶接不良を発生
し、結合部の強度が低下し、成形加工時に結合部破断が
起こる。一方、溶込み量（板幅方向）が上記イ）の範囲
を越えると、入熱が大きいため、溶接時に樹脂が分解し
て生ずるガスが多くなり、０．０５ｍｍ以上のブローホ
ールの発生が多くなり、結合部の強度が低下するととも
に、ビードの溶け落ちも生じやすくなる。

【００１５】次に、結合部の溶接金属中の炭素量を０．
０７重量％以下に抑えまたは結合部の硬度を４００Ｈｖ
以下より好ましくは３００Ｈｖ以下とする。その理由
は、以下である。

【００１６】結合部の硬度は加工性に大きく影響し、硬
さが大きいと伸び特性が低下する。特に、溶接部の硬さ
が４００Ｈｖを越えると、著しい伸びの低下を招き、プ
レス成形時に結合部付近での破断が発生してしまう。な
お、深絞り成形が行われる場合は、時に伸び特性が重要
となるので、溶接部の硬さが３００Ｈｖ以下がより望ま
しい。ここで、結合部は溶融状態から急速に冷却される
ため、焼きが入りやすく、そのため結合部の硬さは大き
くなりやすい。これを抑制して結合部の硬度を４００Ｈ
ｖ以下とするために、溶接時のシールドガスを低減して
徐冷したり、また結合部の溶接金属中の炭素量を低減し
て硬度の上昇を抑制するなどの手段を講じることができ
る。溶接条件にもよるが、例えば、炭素量を０．０７重
量％以下にすることで溶接部の硬さを４００Ｈｖ以下に
することが可能である。

【００１７】なお、注意しなければいけないのは、積層
鋼板の溶接では、単板の溶接とは異なり、結合部には積
層鋼板の溶接特有の現象が起こる。すなわち、従来で
は、ほとんど無視できると考えられていたが、積層鋼板
中の樹脂が分解して生ずる炭素も混入して、炭素量が増
大して大幅な硬度上昇を引き起こし、成形性を低下させ
る。従って、積層鋼板の場合、炭素量を０．０７重量％
以下に押さえ込み、溶接部の硬さを４００Ｈｖ以下にす
るためには、樹脂の溶接金属中への溶込み量をも抑制す
る必要がある。

【００１８】以上のことから、本発明では成形性を向上
させるために結合部のビード幅やビード深さ、ブローホ
ール数の限定のみではなくて、結合部の硬度や炭素量を
限定する。そのための溶接条件としては、例えば、シー
ルドガス量を低減して徐冷したり、もともと炭素量の多
い鋼板を使用する場合にビード幅を０．３５ｍｍＴ（Ｔ
は板厚）以上確保するもできるだけ小さくする方法があ
る。

【００１９】以上のように、本発明の結合部構造は、結
合部の強度および伸び特性が一層向上し、従来結合部で
割れが発生するような、より厳しい成形加工にも耐え得
ることができる。

【００２０】次に、本発明の積層鋼板結合部構造の適用
例を述べる。図２は、通常の積層鋼板ではプレス成形時
に表皮鋼板のずれにより、剥離が生じる部分への適用例
で、１は積層鋼板、４は普通鋼板である。剥離が生ずる
と、場合によっては、表皮鋼板に割れが発生することが
あるが、結合部がプレス成形に充分耐え得る強度と伸び
特性を保持しているため、剥離する部分を普通鋼板４に
置き換えれば、この問題は解決できる。これにより、剥
離が発生し、適用が困難な部品への適用が可能になる。

【００２１】図３〜図５は、成形加工後の適用例であ
る。本発明の積層鋼板結合部構造は、プレス成形に耐え
得る結合部強度を保持しているため、通常鋼板と同一条
件で成形加工が可能である。したがって、適用上、従来
の積層鋼板で問題となる部分を、普通鋼板に置き換える
ことにより、通常鋼板と全く同様の適用が可能となる。

【００２２】図３は、通常の積層鋼板においては高分子
樹脂が電気絶縁体であるためにスポット溶接が困難であ
るスポット溶接部への適用例で、１は積層鋼板、４，４
は普通鋼板、５はレーザー溶接部、６，６は電極であ
る。図４は、通常の積層鋼板においてはネジ止め部にお
いてトルクダウンが発生し問題となるネジ止め部への適
用例で、１は積層鋼板、４，４は普通鋼板、５はレーザ
ー溶接部、７はねじ止め部である。図５は、通常の積層
鋼板ではボルトを固定するに充分な強度が得られないと
いう問題があるタップ加工部への適用例で、１は積層鋼
板、４，４は普通鋼板、５はレーザー溶接部、８はタッ
プ加工部である。これらの問題部分を普通鋼板４に置き
換えることにより、これらの問題は解決できる。

【００２３】腐食環境下で使用される場合についても、
通常の積層鋼板においては、端部において、表皮鋼板と
高分子樹脂との界面からの腐食、いわゆる端面腐食が発
生するため、普通鋼板に比べて端面からの腐食速度が速
い欠点がある。端部を普通鋼板に置き換えることにより
この問題も解決できる。

【００２４】以上のように、本発明の積層鋼板結合部構
造は、従来から問題となっていた結合部の強度だけでな
く、伸び特性をも一層向上でき、厳しいプレス成形加工
などに耐え得る接合部強度と伸び特性を両立するレーザ
ー溶接結合材を得ることができる。また、積層鋼板で問
題となる一部分を普通鋼板で置き換えればよいので、積
層鋼板の特長を活かせ、通常の積層鋼板適用時の多くの
問題を解決でき、積層鋼板の用途が大幅に拡大できる。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例を比較例とともに説明する。（実施例１）溶接速度を変えて積層鋼板と普通鋼板との
レーザー溶接を行い、ビード幅の異なる結合材を作製し
た。溶接条件を下記に示す。

【００２６】溶接条件（１）積層鋼板１）表皮鋼板；冷延鋼板、板厚０．４ｍｍ^t ２）高分子樹脂；熱硬化アクリル系、樹脂厚５０μｍ（２）普通鋼板１）冷延鋼板、板厚０．８ｍｍ^t （３）溶接条件１）レーザーの種類；炭酸ガス２）出力；３ｋＷ，連続発振３）シールドガス；Ａｒガス、５ l／min. ４）溶接速度；２〜１５ m／min. ビード幅とブローホール（大きさ０．０５ｍｍ以上）数
を図６に、また、ビード幅と溶込み深さを図７に示す。
さらに、ビード幅と継ぎ手の引張り強さを図８に示す。

【００２７】図６から、ビード幅が増すにつれて、ブロ
ーホールの個数が増大することが判る。また、図７か
ら、ビード幅が増すにつれて、溶込み深さが増大するこ
とが判る。次に、図８から、ビード幅が０．３〜０．６
ｍｍ程度の範囲で高い引張り強さが得られることが判
る。この範囲では、引張り試験においても、結合部での
破断が認められず、良好な結合部特性を有していた。さ
らに、この範囲は、ブローホール１０個／ｍ以下であ
り、かつ溶込み深さが０．６４ｍｍ以上の範囲に対応し
ている。ビード幅が大きくなると引張り強さが低下する
のは、ブローホール数が増大するためである。一方、ビ
ード幅が小さくなると引張り強さが低下するのは、溶込
み深さが減少するためである。

【００２８】以上のことから、充分な引張り強度を得る
ためには、ブローホールの個数が１０個／ｍ以下であ
り、溶込み深さが０．６４ｍｍ（０．８ｍｍＴ）以上必
要であることが判る。

【００２９】図９には、表皮鋼板の板厚を変えた場合
（０．２〜１．６ｍｍ）の適正引張り強度が得られる範
囲を示す。図から、適正引張り強度はビード幅が０．３
５ｍｍＴ〜０．７５ｍｍＴの範囲の場合に得られる、こ
とが判る。

【００３０】（実施例２）同様に積層鋼板と普通鋼板と
をレーザー溶接により接合し、結合部の硬度を調査し
た。溶接条件を下記に示す。

【００３１】溶接条件（１）積層鋼板１）表皮鋼板；冷延鋼板、板厚０．５ｍｍ^t ２）高分子樹脂；エチレン−アクリル酸エステル共重
合体（ポリオレフィン）、樹脂厚５０μｍ（２）普通鋼板１）冷延鋼板、板厚１．０ｍｍ^t （３）溶接条件１）レーザーの種類；炭酸ガス２）出力；３ｋＷ，連続発振３）シールドガス；Ａｒガス、２０ l／min. ４）溶接速度；２〜６ m／min. これらの結合材について、結合部の硬度および炭素量を
測定し、また図１０に示すように結合部が側壁部に位置
するように、５０^H ×１００^W ×１００^L ｍｍの角筒に
プレス成形を行った。結果を、表１にまとめて示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】試験材１，２（比較例）で硬度が大きいの
は炭素量が多いため、焼きが入ったためであり、炭素量
が多くなったのはビード幅が広く、樹脂中の炭素量が多
く溶け込んだためと考えられる。試験材３（実施例）で
は、硬度および炭素量ともに本発明の範囲内であり、成
形性は良好であった。

【００３４】以上のことから、溶接部の炭素量を０．０
７重量％以下に抑え、溶接部の硬度を４００Ｈｖ以下に
抑えることにより、加工性に優れたレーザー溶接結合材
を得ることができる。（実施例３）上記の結果をもとに、種々の溶接条件でレ
ーザー溶接を行い、評価を行った。実施例および比較例
における、レーザー結合部の評価結果をまとめて、表２
（実施例）、表３（比較例）に示す。

【００３５】なお、レーザー溶接条件を下記に示す。溶接条件（１）積層鋼板１）表皮鋼板；冷延鋼板、板厚０．５ｍｍ^t ２）高分子樹脂；・エチレン−アクリル酸エステル共
重合体（ポリオレフィン）、樹脂厚５０μｍ・熱硬化アクリル系樹脂、厚み５０μｍ（２）普通鋼板１）冷延鋼板、板厚１．０ｍｍ^t （３）溶接条件１）レーザーの種類；炭酸ガス２）出力；２〜５ｋＷ，連続発振３）シールドガス；Ａｒガス、０〜２０ l／min. ４）溶接速度；２〜１５ m／min. 結合部の評価プレス成形性（試験条件は実施例２に準拠） ○：結合部近傍の割れなし ×：結合部近傍で割れ発
生表２から明らかなように、本発明範囲内の実施例１〜６
は、プレス成形試験において、結合部での割れは発生せ
ず、良好な結合部特性であった。

【００３６】これに対して、表３に示すように、比較例
１はブローホール個数、板幅方向の溶込み量が本発明範
囲外であり、プレス成形試験において結合部で割れが発
生した。比較例２および５は結合部中の炭素量が０．０
７重量％を越えており、また硬度も４００Ｈｖを越えて
おり、プレス成形試験において結合部で割れが発生し
た。比較例３は、ブローホール個数、板幅方向の溶込み
量、結合部中の炭素量、結合部の硬度ともに本発明範囲
外であり、プレス成形試験において結合部で割れが発生
した。比較例４は板厚方向および板幅方向の溶込み量が
本発明範囲外であり、プレス成形試験において結合部で
割れが発生した。比較例のデータのアンダーライン箇所
は本発明の範囲外であることを示す。なお、ブローホー
ル数は、ＪＩＳ−Ｚ３１０４に準拠し、溶接部のＸ線透
過像から溶接線方向の数（個／ｍ）を求めた。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、制振性
および軽量性を有する積層鋼板と普通鋼板のレーザー溶
接結合材において、充分な結合部強度と伸び特性を有す
るので、積層鋼板適用上の欠点を普通鋼板でカバーする
ことができ、制振性および軽量性を保持したまま、普通
鋼板と同等の成形加工、施工が可能となる。これによ
り、積層鋼板の用途が大幅に拡大し、工業上有用な効果
がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構造を示す説明図。

【図２】本発明をプレス成型部品に適用した例を示す斜
視図。

【図３】本発明をスポット溶接部品に適用した例を示す
断面図。

【図４】本発明をねじ止め部に適用した例を示す図。

【図５】本発明をタップ加工部に適用した例を示す図。

【図６】積層鋼板と普通鋼板とをレーザー溶接する際の
ビード幅とブローホール個数との関係を示す図。

【図７】積層鋼板と普通鋼板とをレーザー溶接する際の
ビード幅と溶け込み深さとの関係を示す図。

【図８】積層鋼板と普通鋼板とをレーザー溶接した溶接
継手におけるビード幅と引っ張り強さとの関係を示す
図。

【図９】表皮鋼板の板厚を変えた場合の積層鋼板のトー
タル板厚とビード幅との関係を示す図。

【図１０】実施例２で成形された角筒プレス成形部品を
示す斜視図。

【符号の説明】

１…積層鋼板、２…表皮鋼板、３…高分子樹脂、４…普
通鋼板、５…レーザー接合部、６…電極、７…ねじ止め
部、８…タップ加工部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田恭典東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開平１−210172（ＪＰ，Ａ) 特開平５−245670（ＪＰ，Ａ) 特開平５−318154（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板間に高分子樹脂を挟持してなる積層鋼
板と普通鋼板とのレーザー溶接結合部構造において、結
合部は大きさ０．０５ｍｍ径以上のブローホールが１０
個／ｍ以下で、かつ溶接溶込み量が下記イ）、ロ）の範
囲にあり、結合部の溶接金属中の炭素量を０．０７重量
％以下に抑えたことを特徴とするプレス加工性に優れた
積層鋼板と普通鋼板とのレーザー溶接結合部構造。イ）板厚方向０．８×Ｔ≦ｄ（Ｔは積層鋼板のトータル板厚、ｄは結合部の溶込み深
さ）ロ）板幅方向０．３５×Ｔ≦ｗ≦０．７５×Ｔ（ｗは結合部の溶込み幅）
【請求項２】鋼板間に高分子樹脂を挟持してなる積層鋼
板と普通鋼板とのレーザー溶接結合部構造において、結
合部は大きさ０．０５ｍｍ径以上のブローホールが１０
個／ｍ以下で、かつ溶込み量が下記イ）、ロ）の範囲に
あり、結合部の硬度を４００Ｈｖ以下としたことを特徴
とするプレス加工性に優れた積層鋼板と普通鋼板とのレ
ーザー溶接結合部構造。イ）板厚方向０．８×Ｔ≦ｄ（Ｔは積層鋼板のトータル板厚、ｄは結合部の溶込み深
さ）ロ）板幅方向０．３５×Ｔ≦ｗ≦０．７５×Ｔ（ｗは結合部の溶込み幅）