Comparison of defect formation, mechanical strength and corrosion resistance of GTAW and LBW joints performed in pre-strained sheets of galvanized dual-phase steel
本研究は、レーザービーム溶接（LBW）が、最適化された熱管理を通じてポロシティを効果的に抑制しつつ、機械的強度と耐食性を向上させる微細で均質な微細構造を生成することにより、加工歪みを与えた亜鉛めっき二相鋼の接合においてガストンゲンアーク溶接（GTAW）よりも優れた性能を発揮することを実証している。
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技術要約：予備歪みを与えた亜鉛めっきダブルフェーズ鋼におけるGTAWおよびLBW継手の欠陥形成、機械的強度、および耐食性の比較
問題提起
自動車産業では、車両の軽量化と製造コストの最適化のために、テーラー溶接ブランク（TWB）の利用が進んでいる。これらの部品は、厚さや予備歪みレベルが異なる鋼板を接合する場合が多い。ダブルフェーズ（DP）鋼は優れた強度と延性のバランスを提供するが、亜鉛めっき（めっき層）の存在と成形に必要な予備歪みが、その適用を困難にしている。予備歪み、低融点の亜鉛めっき、および溶接時の熱サイクルが組み合わさることで、液状金属脆性（LME）、ガス気孔、および熱割れなどの欠陥が発生するリスクが高まる。さらに、DP鋼の熱影響部（HAZ）は、マルテンサイトのテンパリングによる軟化が生じやすい。ガスタンストローク溶接（GTAW）とレーザービーム溶接（LBW）は一般的な接合手法であるが、予備歪みのレベルが、めっき済みDP590鋼の熱場、欠陥形成、微細構造の進化、および耐食性に与える具体的な影響については、十分に解明されていない。
研究手法
本研究では、数値解析と実験的手法を組み合わせ、予備歪みを与えためっき済みDP590鋼板（厚さ0.89 mmおよび1.34 mm）に対するGTAWおよびLBWプロセスの影響を評価した。
- 実験設計: 溶接プロセス（GTAW対LBW）、溶接電流／レーザー出力、および予備歪みレベルを制御因子とし、フルファクトリアル 実験計画法（DoE）を用いた。
- 特性評価: マクログラフおよびマイクログラフを用いて、溶融部（FZ）の形状、アスペクト比、および内部欠陥（気孔、割れ）を分析した。微細構造解析には光学顕微鏡、SEM、およびEPMAを用い、相分率および亜鉛めっきの劣化を定量化した。また、母材（BM）、熱影響部（HAZ）、および溶融部（FZ）にわたるマイクロ硬度プロファイルを測定した。
- 腐食試験: 隔離されたFZおよびHAZ領域に対し、3.5 wt.% NaCl溶液中で動電位分極試験を行い、腐食速度とメカニズムを決定した。
- 数値シミュレーション: 過渡的な温度分布、冷却速度、および熱蓄積を予測するために、有限要素（FE）熱モデルを開発した。シートのたわみによって変化するFZ形態を考慮するため、異なる熱源モデル（GTAWには二重楕円体、LBWには楕円放物面）を校正した。
主な結果
- 欠陥形成: 予備歪みはFZの形態を劇的に変化させ、楕円形から台形または長方形へと移行させた。この幅の拡大により、亜鉛蒸気の泡の脱出が促進され、気孔が効果的に抑制された。高い冷却速度は凝固を加速させ、熱割れを防ぐとともに、凝固した金属と残留液状亜鉛との相互作用時間を最小限に抑え、LMEを軽減した。いずれの溶接部においても凝固割れは検出されなかった。
- 微細構造および硬度:
- GTAW: 幅広いFZは熱蓄積と中間変態温度域での滞留時間の延長をもたらし、フェライト形成を促進した。これにより、不均質な微細構造（主にウィドマンステッテンフェライトおよび多角形フェライト）が生じ、低く不均一なマイクロ硬度（平均〜326 HV）と局所的な軟化を招いた。
- LBW: 集中的な熱源と高い冷却速度により、フェライトの核生成が抑制され、より微細で均質なベイナイト・フェライト組織と高いマルテンサイト分率が促進された。これにより、FZ全体においてより高く均一なマイクロ硬度（平均〜398 HV）が得られた。
- 耐食性:
- GTAW: 不均質な微細構造（フェライトとベイナイト／マルテンサイトの結合）が多数のマイクロガルバニックカップルを形成し、高いガルバニック腐食速度をもたらした。亜鉛めっきの消失により、一様腐食が生じた。
- LBW: 安定した不動態膜の欠如により、塩化物イオンによるピッティング（孔食）に対して脆弱であったが、より貴な電気化学的挙動を示すマルテンサイトおよび上部ベイナイトの高い含有率により、GTAW継手と比較して全体的な腐食速度は低くなった。LBWのHAZは無視できる程度であり、母材の特性を維持していた。
意義および結論
本研究は、低厚さの予備歪みを与えためっき済みDP590鋼板に対しては、GTAWよりもレーザービーム溶接（LBW）がより適切な接合プロセスであると結論付けている。LBWの主な利点は、高い冷却速度を生成できる能力にあり、これにより微細構造を微細化し、機械的性質を均質化し、ガルバニック腐食への感受性を低減できることにある。予備歪みはFZの形状や熱蓄積に大きな影響を与えるものの、LBWプロセスはこれらの熱的影響を効果的に管理し、優れた機械的性能と耐食性を備えた欠陥のない継手を生成することができる。本研究は、めっき済みDP鋼の相変態とそれに続く性能を決定するのは、単なる入力エネルギーではなく、各溶接プロセスに固有の熱サイクルであることを強調している。
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