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[長島、早川ら：「1180MPaリサイクル鋼板のレーザ溶接継手の疲労破面解析」.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/5ba15925-fdfe-4f38-827c-646277670fe9/download)

## Creator

[長島 伸夫](https://orcid.org/0000-0003-3588-980X), [早川 正夫](https://orcid.org/0000-0001-5143-8350), 中西 宜文, 岩崎 勝, 林 和幸, 中西 榮三郎

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[In Copyright](http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/)

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[1180MPaリサイクル鋼板のレーザ溶接継手の疲労破面解析](https://mdr.nims.go.jp/datasets/387e94bb-9f92-4876-9889-6ca3cc610e52)

## Fulltext

見本1180MPa リサイクル鋼板のレーザ溶接継手の疲労破面解析  NIMS ○長島伸夫 早川正夫   東京製鐵（株） 中西宣文 岩崎勝 林和幸 中西栄三郎  Fatigue fracture surface analysis of laser welded joints in 1180MPa class recycled steel by Nagashima Nobuo, Hayakawa Masao,  Nakanisi Noriyuki, Iwasaki Masaru, Kazuyuki Hayashi, Nakanishi Eizaburo  A laser welded butt joint was fabricated using 1180MPa recycled steel plate and a tensile test was performed. Two types of fatigue tests using different loading methods were also performed. The tensile properties of this test material were 1218 MPa tensile strength and 23.8% elongation, which were almost the same strength and ductility as the base material. There were no abnormalities in the welded parts, and the joints were properly joined. The unbreakable stress at 107 cycles of the base material (as pickled) was 450 MPa for both axial and bending loads at a stress ratio R=－1. In addition, the unbreakable stress at 107 cycles of the bending fatigue test at R=0 was 340 MPa, which overlapped with the modified Goodman line on the fatigue limit diagram. The fatigue strength of the laser welded butt joint was constant under axial and bending loads in the low life range of R=－1, but varied in the high life range. The fatigue fracture surface under bending load was present only on one side and was caused by a defect located approximately 100 μm away from the surface. For R=0, the fatigue properties were in good agreement under axial and bending loads. The fatigue limit was 250 MPa for both R=－1 and R=0 conditions. When the laser input side was set to the maximum stress side and the stress ratio was set to R = 0 on the plane bending fatigue testing machine, the fatigue limit was dramatically improved to 340 MPa, and the same fatigue strength as that of the base material after pickling was obtained.  KEY WORDS: fatigue, 107 cycles fatigue limit, stress ratio, fatigue limit diagram, laser welded joint    1 緒     言 地球温暖化問題から，自動車に対する CO2 削減が強く求められている．この対策として重量軽減が進められ，素材を溶接した後にプレス成形するテーラードブランク（TB）が，自動車車体部品に実用化された 1),2),3）4）．TB は強度特性の異なる 2 次元の平板同士を突き合わせ溶接し，一体でプレス成形する工法である．TB は主に内板に適用されてきたが，近年，常時見える外板部品にも適用されている．今後，軽量化実現のため，さらに高強度ハイテン材の TB が使用されることが想定される． 著者らは素材創製における CO2 削減実現の一つである老廃スクラップから創製した 1180MPa 級ハイテン鋼について母材疲労強度を評価した 5)．その結果，鏡面仕上げを施した試験片の疲労破壊は表面起点型であり， 107 回疲労強度は引張強度の 1/2 であることを明らかにした．そこで本研究では，工学上重要とされる溶接継手の強度特性解明を目的として，TB で接合される平板同士の突き合わせレーザ溶接継手の模擬として，母材疲労強度を明らかにした 1180MPa スクラップ鋼板同士の突き合わせレーザ溶接継手の疲労試験を実施し破面解析を実施した結果を述べる．  2 実験方法 供試材は老廃スクラップから創製した 1180MPa 級のリサイクル鋼板である．Table 1 に化学成分を示す．老廃スクラップを 1533℃で溶解し，高さ 210mm×幅1219mm×長さ 10.2m のスラブに連続鋳造後，大気放置した．そのスラブを 1230℃で 180mim 加熱し，960℃から 1050℃の温度範囲で粗圧延し，板厚 30.6mm の鋼板 に延ばした．鋼板は，1050℃の中間炉内を通し均熱化し，1020℃から 620℃の温度範囲で，6 段仕上げ圧延機によって厚さ 2.3mm の薄鋼板に成型し，ランアウトテーブルで水冷後，コイラーで巻き取った．素材の受け入れ状態は酸洗ままの表面である． レーザ溶接はファイバーレーザ加工機（YLS600/600-AC，定格出力 600W，ピーク出力 6kW）を用いて実施                        Table 1 Chemical compositions of 1180MPa class recycled steel.  Element (wt%)  1180MPa  C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 0.20 1.48 0.39 0.02 0.003 0.30 0.10 1.31 0.30 V Nb Ti Al Sn Pb B O N 0.006 0.005 0.004 0.031 0.017 0.002 0.0001 0.0053 0.0024     した．あらかじめ用意した板材にメルトランを実施し，レーザ溶融が板裏側に到達した状態をレーザ接合の適正条件とした．レーザ溶接継手の形状確認のため，レーザ顕微鏡で突き合わせレーザ溶接継手の表裏を観察した．溶接継手表側の溶接部には平均 50μm のくぼみが観察され，溶接継手裏側には平均 140μm の突起部が存在した．表裏の形状の違いは，表側は溶融によりくぼみとなり，裏側は溶融した金属が重力により突き出したと考えられた． 引張試験は試験機容量 100kN の島津製作所オートグラフ AG-10 を用い，試験速度 0.5mm/sec，破断まで一定速度で実施した．疲労試験は室温 23℃に空調した室温大気中で実施した．軸力負荷試験は，試験機容量 100kNのサーボ式油圧疲労試験機（島津製作所製）を使用し，周波数 1Hz，応力比 R=－1 で行った．平面曲げ負荷試験は，試験機容量 25ｋN のモータ起動による疲労試験機（東京衡機製，PBF60 型）を使用し，周波数 25Hz で行った．応力比は R=－1 と 0 の 2 条件である．  軸力負荷用疲労試験片は，全長 150mm，幅 20mm，R40mm，最小幅 10mm，平面曲げ負荷用疲労試験片は，全長 90mm,幅 30mm，R45mm，最小幅 20mm である．いずれの試験片も溶接部が中央となるように試験片加工し，レーザ入力側に試験片の刻印を打痕した．平面曲げ負荷試験では試験片の取り付けは，刻印がある溶接継手表側（レーザ入力側）を上向きにして取り付けた．平面曲げ疲労の試験機の構造上，平均応力が高い R=0 の試験では，溶接継手裏側の最表面が最大応力となる．また，溶接継手は表側と裏側で形状が異なるので，溶接継手表側（レーザ入力側）を下向きにして取り付けたＲ＝0 の平面曲げ疲労試験も実施した．  3．実験結果と考察 3．1．引張試験結果 レーザ溶接継手から採取した3本の引張試験は強度延性にバラツキもなく引張強度の平均値は 1218MPa，伸び 23.8％で，母材の引張強度 1220MPa，伸び 18％とほぼ同程度強度と延性であり，破断位置は母材部であった．強度・延性も母材と同等であり，破断位置が母材部であることから，今回の突き合わせレーザ溶接継手は適正に接合されている． 3．2．母材（酸洗まま）の疲労試験結果 前報では主に 1180MPa スクラップ鋼板の鏡面研磨した試験片を用いて疲労試験を行い，107 回疲労強度が他の鉄鋼材料の強度と同様に，母材の引張強度の約 1/2 であることを示した．本研究では母材を受け入れ状態の酸洗ままの表面をレーザ溶接することから，酸洗ままの母材の疲労強度特性を評価した．平面曲げ疲労試験データは材料の弾塑性特性から推定した応力値で整理すると軸荷重試験と一致する．Koe ら 6)はこの方法で必要となる材料の弾塑性特性，すなわち繰返し変形における応力－ひずみ関係のパラメータを多くの材料を対象として評価し，種々の疲労強度が統一的に整理できることを示した．Fig.1 に Koe らの手法で応力補正した SN 特性を示す．R＝－1 の疲労限は 450MPa，R=0 の疲労限は340MPa であった．Fig.2 に鏡面研磨試験片と酸洗ままの試験片の疲労限度線図を示す。酸洗ままの R=0 の試験結果は修正 Goodman 線近傍となる結果が得られている．以降，本研究の平面曲げ疲労試験結果は，Koe らの手法で補正した応力値を用いる．  3．3．レーザ溶接継手の疲労試験結果 3．3．1．応力比 R＝－1 Fig.3 にレーザ溶接継手の応力比 R=－1 疲労試験の実験結果を示す．図中の○，△，□は 3 つの異なる継手板から採取した試験片による平面曲げ疲労試験結果を示し，■は軸疲労試験結果である．軸疲労試験は試験速度が 1Hz のためプロットは 3 点と少ないが，高応力側の破断寿命は平面曲げ疲労試験の破断寿命と良く一致した．一方，長寿命領域では軸疲労試験ではσａ=300MPaで 107 回未破断であるのに対して，曲げ負荷はバラツキが大きくなり，107 回未破断は，246.6MPa で未破断 3，破断が 2 本あった．Fig.4 に L0304 試験片（σａ=246.6MPa，Nf=9.1×105）の SEM による破面観察結果を示す．SEM 像は全体像の上側が溶接継手表側（レーザ入力側）に相当する．通常平面曲げ疲労試験の R=－1 の応力条件では，両側の最表面で最大応力となるため，両側の表面から疲労き裂が発生し，疲労き裂は中央で合体する．しかし，レーザ溶接継手の破面は，Fig.4 の全体像の下側に位置する溶接継手裏側に存在する大きな欠陥から発生し，全体像の上側すなわち溶接継手表側（レーザ入力側）に相当する最表面近傍で疲労き裂が合体していた．同様に疲労破壊した他の試験片破面も継手              Fig.1 Result of corrected plane benging fatigue test of base material of 11801MP recycled steel.              Fig.2 Fatigue limit diagram.              Fig.3 R=-1 fatigue test results for 1180 recycled steel plate laser welded joint material       103 104 105 106 107 108200300400500600700Number of cycles to failure Nf  (cycles)Stress amplitude σa  (MPa) 1180MPa Recycled steelAs picked surfaceCorrected plane bending stress  R = -1 R = 00 200 400 600 800 1000 1200 14000200400600Mean stress σm (MPa)Stress amplitude σa（MPa)Pickled surface1180MPa Recycled steelPolished surfaceσBσW0R = 0103 104 105 106 107 1081002003004005006001180MPa Recycled steelLaser welded joint               R = -1Number of cycles to failure Nf  (cycles)Stress amplitude σa  (MPa) Plane bending   Axial loading               裏側の欠陥を起点として継手表面に相当する最表面近傍で合体していた． レーザ溶接継手のレーザ顕微鏡断面観察では，刻印がある溶接継手表側（レーザ入力側）に 50μm 程度のくぼみが観察され，溶接継手裏側には 140μm の突起が観察されたが，疲労破面の観察結果(Fig.4)から，溶接接手裏側にはレーザ顕微鏡では検出できない深さ 100μm の欠陥がスリット状に存在している部位もあると考えられる．したがって，R=－1 の平面曲げ疲労試験で疲労き裂の合体が中央ではなく，溶接継手裏側が疲労起点となった理由として，突起に沿って存在する 100μm のくぼみが応力集中源になったと考えられる． 3．3．2．応力比 R＝0 Fig.5 に R=0 の疲労試験結果を示す．図中の○，△，□は溶接継手表側（レーザ入力側）を上向きに取り付けた平面曲げ疲労試験結果を示し，■は軸疲労試験結果である．軸疲労試験は試験速度が 1Hz のためプロットは 6点と少ないが曲げ疲労試験結果とよく一致した．平面曲げ疲労試験結果は3つの異なる継手板から採取した試験片（○，△，□）で，破断寿命にばらつきがほとんど無い．通常，溶接継手の疲労強度は溶接欠陥（ボイドや未溶融部）や溶接余盛り，溶接止端部の応力集中や残留応力の個体差などの影響により，破断寿命にばらつきが生じる場合がある．一方，本結果は疲労寿命のばらつきが比較的少なく，残留応力の影響は小さいものと考えられる．溶接継手表側（レーザ入力側）を上向きに取り付けたＲ＝0 の平面曲げ疲労試験で破断した全ての試験片では, 疲労起点はレーザ溶接継手裏側の深さ100μmの欠陥であった． 疲労試験前のレーザ顕微鏡観察結果の通り，レーザ入力面とその裏面では溶接欠陥の様態に差異がある．そこで，平面曲げ疲労機への試験片の取り付けとして，溶接継手表側（レーザ入力側）を下向きに取り付け，溶接継手表側（レーザ入力側）で最大曲げ応力が付与される疲労試験を実施した．Fig.6 にレーザ入力面を最大応力とする疲労試験結果を●で示す．さらに， 図中に酸洗ままの母材の疲労強度（×）を示す．溶接継手表側を上向きに取り付けた平面曲げ疲労試験結果（○，△，□）は疲労限度は 250MPa で SN データはばらつきが小さい．一方，溶接継手表側を下向きに取り付けた試験結果（●）は， SN データはばらつき，短時間で破断する試験も 2 点存在するが，疲労限は酸洗ままの母材（×）と同じ 340MPa と著しく改善した．Fig.7 に溶接継手表側を下向きに取り付けた疲労試験の破面を示す．起点は                             Fig.5 R=0 fatigue test results for 1180 recycled steel plate laser welded joint material                Fig.6 R=0 fatigue test results for 1180 recycled steel plate laser welded joint material. For open marks, the specimen was mounted with the engraved side facing up.  For solid marks, the specimen was mounted with the engraved side facing down.  溶接継手表側（レーザ入力側）で疲労起点は刻印側であり，起点部には欠陥らしいものは見当たらない．Fig.8にσa=349MPa で試験した短時間で破断した試験片の疲労起点部を示す．疲労起点は刻印側であるが，深さ220μm の大きな欠陥が存在していた．√area は 298μm である．SN データのばらつきはこの様な大きな欠陥が存在していたためと考察された．これまでレーザ溶接継手の疲労特性については，寿命の大部分がき裂進展過程で占められていることが報告されている 7），8），9）．溶接継手表側を上向きに取り付け平面曲げ疲労試験（○，△，□）でばらつきが小さい要因として，レーザ     Fig.4 SEM observation results of fatigue fracture surface(R=－1, σa=246MPa, Nf=9.1×105cycles).Maximum defect size√area=282μm.  103 104 105 106 107 1081002003004005006001180MPa Recycled steelLaser welded jointR = 0Number of cycles to failure Nf  (cycles)Stress amplitude σa  (MPa) Plane bending   Axial loading103 104 105 106 107 1081002003004005006001180MPa Recycled steelLaser welded jointR = 0Number of cycles to failure Nf  (cycles)Stress amplitude σa  (MPa)　Pane bending   (Front side of engraving(Lase input side)) Plane bending   (Back side of engraving)  As picked surface of base material      入力裏側に存在する深さ 100μm の比較的大きな欠陥が疲労起点となるため，き裂発生寿命が短く，疲労き裂進展寿命が支配的であると考えられる．一方，疲労強度が高い溶接継手表側を下向きに取り付けた疲労試験（●）では，欠陥がほとんど無く表面からわずかな凹から疲労破壊が発生するためき裂発生寿命が長くなり結果的に疲労寿命が改善された．また，ばらつきについてはレーザ入力側でもまれに比較的大きなくぼみが存在した場合に寿命が短くなる．これらの結果からレーザ溶接接手は母材の強度を損ねない優れる溶接施工法であることを示している． 緒言で述べた通り，TB は主に内板に適用され，近年，外板にも一部使用されているが，今後ますます外板への適用が増加すると考えられる．外板に適用される場合，軸応力より曲げ応力が負荷される場合が多いと考えられる．レーザ接合部のレーザ入力側を車体外側（最大曲げ応力側）にすることにより，優れる耐疲労特性を発現できる．近年の車体製造において，車体のルーフ（屋根材）をレーザ接合している車両もあり，外側から照射してレーザ接合すれば，優れる曲げ疲労特性を示すことが期待される．  4．結言 1180MPa 級リサイクル鋼板の突き合わせレーザ溶接継手を作製し,引張試験を実施した．また，荷重方式の異なる 2 種類の疲労試験を実施した．これらの結果から，1180MPa 級鋼リサイクル鋼の突き合わせレーザ溶接継手の強度特性が明らかになった． (1) 本供試材の引張特性は，引張強度 1218MPa，伸び23.8%で，母材とほぼ同程度の強度延性であり，溶接部に異常はなく適正に接合されている． (2) 母材（酸洗まま）の 107 回未破断応力は，応力比 R=－1は軸負荷，曲げ負荷ともに 450MPaであった．また，曲げ疲労試験の R=0 の 107 回未破断応力は 370MPa であり，疲労限度線図において修正 Goodman 線と重なったことから，本供試材の酸洗材の疲労強度も疲労限度線図で評価できる． (3) 突き合わせレーザ溶接継手の R=－1 の疲労強度は低寿命では軸負荷，曲げ負荷で一致するが，長寿命域ではばらついた．曲げ負荷の疲労破壊破面は，レーザ入力裏側の約 100μm の欠陥を起点として継手表面に相当する最表面近傍で合体していた．疲労限は 250MPa である． (4) 突き合わせレーザ溶接継手の R=0 の疲労強度は軸負荷，曲げ負荷で良く一致し，疲労限は 250MPa である． (5) レーザ入力側を最大応力側にして平面曲げ疲労試験機に取り付けた応力比 R=0 では疲労限は 340MPa と飛躍的に改善され，酸洗ままの母材と同じ疲労強度が得られる．                         Fig.8 SEM observation results of fatigue fracture surface (R=0, σa=349MPa, Nf=9.34×104cycles).   参考文献 1) (1) 森清和，「自動車ボディへのレーザ溶接適用」，溶接学会誌 72（2003），40-43 2) 樽井大志，「自動車におけるレーザ加工技術の活用」，精密工学学会誌 84（2018）404-407 3) 宮崎康信，巽雄二郎，泰山正則，「自動車産業におけるレーザ加工技術の進歩」，レーザ加工学会誌26(2019)，13-22 4) 中尾敬一郎「サイドパネルアウターへのテーラードブランクの適用」．第 81 回レーザ加工学会講演論文集（2014）,75-78 5) 長島伸夫，早川正夫，長井寿，升田博之，中西栄三郎，中西宣文，岩崎勝，「1180MPa 級のリサイクル鋼板の疲労強度に及ぼす荷重様式の影響」，自動車技術会論文集，53（2022），815-820 6) S.Koe, H.Nakamura, T.Tamenari and T.Okada, J. Soc.Mater.Sci.,Jpn, 32(1983), 522 7) 戸梶恵郎，塩田裕久，皆木亜由美，宮田尚志，「レーザ突き合せ溶接継手の疲労強度」，鉄と鋼，85(1999)，66-70 8) 皆木亜由美，戸梶恵郎，「レーザ突き合せ溶接継手の疲労き裂進展特性」，鉄と鋼，86(2000)，51-56 9) J.R.Hwng, J.L.Doong and C.C.Chen, Mater. Trans., JIM, 37(1996),1443  Fig.7 SEM observation results of fatigue fracture surface (R=0, σa=365MPa, Nf=3.08×105cycles).  Laser input side