CN105189013A - 点焊接头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即便是对高强度钢板彼此进行电焊的焊接接头，接头强度也优异的电焊接头。一种电焊接头，其特征在于，是使板厚为t1和t2的2张钢板重合而进行点焊的焊接接头，点焊形成的熔核的直径为 以上(熔核的直径，t1和t2的单位全部是mm)，板厚方向截面中，所述熔核的径向两端部的曲率半径为0.3(t1+t2)以上。

Description

点焊接头
技术领域
本发明涉及点焊接头，详细地说，是涉及使2张薄钢板重合而进行点焊的焊接接头。
背景技术
在薄钢板之间的接合中，电阻点焊被最广泛地采用。另一方面，在汽车用的薄钢板的情况下，为了兼顾轻量化和安全性，高强度化正在推广，而为了实现这一点，需要各种合金元素的添加。其结果是，焊接性劣化，即使在高强度钢板中，仍要求确保焊接接头的机械特性(以下，仅称为“特性”。)。
因此，为了提高点焊接头的特性，提出有各种接合方法。
[现有技术1]
例如，在专利文献1中公开有一种点焊方法，其通过控制来自电极的加压力和通电模式，可以进行2张、3张重叠的金属板和异种金属等的接合。但是，根据这一方法而形成于焊接接头的熔核的形状，如同文献的图8、图9所示，为其径向两端部的曲率半径小的通常的围棋子状，不能期待充分的特性提高效果。
[现有技术2]
另一方面，在专利文献2中公开有一种点焊方法，其是通过在熔融后的凝固时施加超声波冲击形成的振动，从而使熔核端部的组织微细化，由此使焊接接头的强度提高。但是，该方法需要特殊的设备，实际的应用困难。
[现有技术3]
另外，在专利文献3中公开有一种接合方法，其是在通电时一边使压头压下电极与被焊接材料的接触部分周围一边进行点焊，从而扩大在熔核周围形成的塑性金属环区部，由此使焊接接头的强度提高。在此方法中，为了使配置在电极周围的压头所压下的区域塑性金属环区化，需要对该区域进行加热，因此对于配置在电极周围的压头没有进行积极的冷却。因此，在由这一方法形成的焊接接头中，如同文献的图1、图5所示，虽然塑性金属环区部扩大，但是熔核的形状与以往一样，是其径向两端部的曲率半径小的围棋子状。因此，所谓本申请发明，其特征为，通过积极地冷却电极周围的外加压部，使形成于焊接接头的熔核的形状，成为其径向两端部的曲率半径比通常大得多的丸药盒状，其技术性的思想全然不同。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2010-240740号公报
专利文献2：日本国特开2011-194411号公报
专利文献3：日本国特开平7-178563号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明为了解决上述问题点而形成，在于提供一种既是对于高强度钢板之间进行点焊的焊接接头，又是接头强度优异的点焊接头。
用于解决课题的手段
本发明的点焊接头，是使板厚为t1和t2的2张钢板重合而进行点焊的焊接接头，其特征在于，
由点焊形成的熔核的直径为以上(熔核的直径，t1和t2的单位全部是mm)，
板厚方向截面中，所述熔核的径向两端部的曲率半径为0.3(t1+t2)以上。
另外，在上述构成中，
所述2张钢板，具有如下成分组成：以质量％计(以下，成分组成均同。)，由
C：0.01～0.80％、
Si：3％以下，
Mn：0.2～10％、
余量Fe和不可避免的杂质构成。
另外，在上述构成中，所述2枚的钢板的成分组成，还含有从
Cr：0.01～1.50％、
Mo：0.01～1.50％、
Ni：0.01～1.50％、
Cu：0.01～1.50％、
B：0.0001～0.010％所构成的群中选择的至少一种。
另外，在上述构成中，含有从
Ti：0.001～0.20％、
Nb：0.001～0.20％、
V：0.001～0.20％所构成的群中选择的至少一种。
根据本发明，点焊所形成的熔核的形状，不会成为以往的围棋子状，而是丸药盒状(近圆筒状)，具体来说，通过使熔核直径为 以上(熔核直径，t1和t2的单位全部为mm)，并且使板厚方向截面中，熔核径向两端部的曲率半径为0.3(t1+t2)以上，从而在拉伸载荷作用于焊接接头部时，使容易脆化的区域和HAZ软化部(HAZ：热影响部)的伸长方向从应力最大化的45°的方向错开，由此既能够提供对于高强度钢板之间进行点焊的焊接接头，又能够提供接头强度优异的点焊接头。
附图说明
图1是表示由2张重合的钢板构成的点焊接头的概略结构的纵剖面图。
图2是用于模式化地说明本发明的点焊接头的断裂形态的纵剖面图，(a)表示剪切拉伸载荷作用于接头的状态，(b)表示在HAZ与母材部的边界裂纹路径发生的状态，(c)表示在熔核与HAZ的边界裂纹路径发生的状态。
图3是用于模式化地说明现有的点焊接头的断裂形态的纵剖面图，(a)表示剪切拉伸载荷作用于接头的状态，(b)表示在HAZ和母材部的边界裂纹路径发生的状态，(c)表示在熔核与HAZ的边界裂纹路径发生的状态。
图4是表示实施例中使用的电极头前端部的概略形状的局部纵剖面图，(a)是比较例中使用的，(b)是发明例中使用的。
图5是表示由实施例制作的点焊接头的截面的照片，(a)是比较例，(b)是发明例。
具体实施方式
本发明者为了解决上述课题，首先，对于剪切拉伸试验和十字拉伸试验中，现有的焊接接头部的断裂形态进行了调查。例如，在图3中，模式化地表示现有的焊接接头剪切拉伸试验的情况，如(a)所示，剪切拉伸的载荷作用于焊接接头部时，如(b)和(c)所示，沿着熔核的外周在相对于拉伸方向(即沿着接合面的方向)成45°的方向上有发生断裂的倾向。另外，虽未图示，但在十字拉伸试验的情况下也同样，沿着熔核的外周，在相对于拉伸方向(即与接合面垂直的方向)成45°的方向上有发生断裂的的倾向。如此，在现有的焊接接头部中，剪切拉伸试验、十字拉伸试验，之所以均沿着熔核的外周并在相对于拉伸方向成45°的方向上发生断裂，设想是由于以下的机理。
即，作为材料力学的技术常识，已知在相对于材料的拉伸方向成45°的方向上，应力·应变最大化。另外，在现有的焊接接头中，因为熔核的形状为围棋子状，所以在其径向两端部邻域的熔核-HAZ边界部的容易脆化的区域、和在HAZ软化部存在沿着上述应力最大化方向，即沿着与拉伸方向构成45°的方向而伸长的部分。因此，在熔核-HAZ边界部和HAZ软化部，裂纹沿着上述应力最大化方向进展，直到焊点断裂，因此接头强度的提高困难。
因此，本发明者认为，如果使焊接接头部的熔核的形状和HAZ部的形状，如图2(a)～(c)所示这样，不是以往的围棋子状，而成为丸药盒状(近圆筒状)，则在熔核HAZ边界部和HAZ软化部，便不会存在沿着上述应力最大化方向而伸长的部分，因此，裂纹的进展方向将从上述应力最大化方向大幅偏离，能够提高接头强度。
还有，熔核直径小时，断裂模式不是焊点断裂，而成为剥离断裂，因此不依存于熔核的形状，而是只由熔核直径来决定接头强度。因此，为了享有熔核形状的变更带来的接头强度提高的效果，而需要熔核直径足够地大。
基于上述思考研究，进行后述[实施例]中说明的证实试验，其结果是能够获得确凿的证据，因此进一步加以研究，直至完成了本发明。
本发明的点焊接头，是使板厚为t1和t2的2张钢板1、2重合而进行点焊的焊接接头，其特征在于，由点焊形成的熔核3的直径DN为 以上(熔核的直径，t1和t2的单位全部是mm)，板厚方向截面中，所述熔核3的径向两端部的曲率半径RNE为0.3(t1+t2)以上(参照图1)。
以下，对于规定本发明的要件详细地加以说明。
〔熔核直径DN：以上(熔核径DN，t1和t2的单位全部是mm)〕
熔核直径DN是规定熔核的大小的参数。如上述，若熔核小，则发生剥离断裂，因此不能确保接头强度，得不到熔核形状变更的效果。
为了防止剥离断裂，取得熔核形状变更的效果，熔核直径DN为 以上，优选为以上，更优选为 以上。在此，点焊中一般进行的是以熔核直径控制接头强度，在使板厚t(单位：mm)的薄钢板彼此重合的点焊中，要求使熔核直径为以上或以上。本发明中的上述熔核直径的规定，仿效此而采用以上(a：常数)的形式的算式，作为板厚t使用平均板厚(t1+t2)/2，以能够确保预定的接头强度的方式规定常数a的值。
〔板厚方向截面中，熔核的径向两端部的曲率半径RNE：0.3(t1+t2)以上〕
在板厚方向截面中，熔核的径向两端部的曲率半径RNE，是规定熔核形状的参数。通过加大曲率半径RNE(即，使熔核的截面形状，从其径向两端部尖的围棋子状，变更为其径向两端部在中心部方向压扁的丸药盒状)，使焊点(原文：ボタン)断裂时的龟裂的传播方向从应力最大化的45°方向偏离，从而能够抑制断裂的进行，使接头强度提高。
为了有效地发挥上述作用，曲率半径RNE为0.3(t1+t2)以上，优选为0.4(t1+t2)以上，更优选为0.5(t1+t2)以上。
在此，之所以用含有(t1+t2)的不等式规定曲率半径RNE，是出于以下的理由。即，本发明的熔核的形状以上述曲率半径RNE和熔核厚度便能够大体确定。另外，要求熔核厚度，占合计板厚(t1+t2)的数10％左右的大体上固定的比率。因此认为，为了确定熔核形状，上述曲率半径RNE，通过其与合计板厚(t1+t2)的比率进行规定即可，上述曲率半径RNE的规定中，采用b(t1+t2)以上(b：常数)的形式的算式，以能够确保预定的接头强度的方式规定常数b的值。
〔2张钢板的板厚t1，t2〕
本发明的焊接接头以薄钢板的接合为对象，2张钢板的板厚t1，t2可以相同，也可以不同，但推荐均在0.10～5.0mm的范围，更推荐均在0.2～3.0mm的范围。
〔2张钢板的成分组成等〕
本发明的作用效果，即使对于低强度的钢板的点焊接头也会显现，但如上述，由于接头强度劣化的问题在高强度钢板的点焊中表现显著，所以推荐本发明特别适用于高强度的钢板。
即，作为上述2张钢板，推荐为，具有如下成分组成：以质量％计(以下，涉及成分组成均同。)，由C：0.01～0.80％、Si：3％以下、Mn：0.2～10％、余量Fe和不可避免的杂质构成，抗拉强度为590MPa以上的高强度的钢板。另外，作为钢板的种类，冷轧钢板、镀锌钢板、合金化镀锌钢板、镀铝钢板等均可，不论有无表面处理、差异。还有，关于2张钢板的成分组成，如果在上述成分范围内，则相同或不同均无妨，关于其种类，相同或不同也无妨。
C：0.01～0.80％
C是用于确保母材和焊接接头的强度的重要的元素。为了确保这些强度，优选C含量为0.01％以上。但是，若C含量过剩，则熔融部(即，熔核部)容易发生气孔和裂缝，反而使强度(特别是接合强度)降低。因此，C含量的上限优选为0.80％。还有，C含量的更优选的下限为0.03％，进一步优选的上限为0.40％。
Si：3％以下
Si作为脱氧剂发挥功能，对于确保焊接金属的强度和减少氧是有效的元素。这样的效果随着其含量增加而增大，但若Si含量过剩，则熔融镀敷性降低，因此优选为3％以下，更优选为2％以下。
Mn：0.2～10％
Mn对于提高母材的强度是有效的元素。这样的效果随着其含量增加而增大，但若Mn含量过剩，则点焊时容易发生喷溅，焊接操作性劣化，因此优选为10％以下，更优选为5％以下。
除上述基本成分以外，由Fe和不可避免的杂质(P、S、N、O等)构成。
另外，上述2张钢板中，根据需要，也可以还含有如下：(i)从Cr：0.01～1.50％、Mo：0.01～1.50％、Ni：0.01～1.50％、Cu：0.01～1.50％、B：0.0001～0.010％所构成的群中选择的至少一种；(ii)从Ti：0.001～0.20％、Nb：0.001～0.20％、V：0.001～0.20％所构成的群中选择的至少一种，根据这些含有成分的种类，焊接接头的特性得到进一步改善。
(i)从Cr：0.01～1.50％、Mo：0.01～1.50％、Ni：0.01～1.50％、Cu：0.01～1.50％、B：0.0001～0.010％所构成的群中选择的至少一种
这些元素提高焊接部的淬火性，是有助于接头强度的提高的有用的元素。
为了使上述作用有效地发挥，优选使各元素均含有下限值以上。但是，若过剩地含有，则焊接部脆化而接头强度劣化，因此优选使各元素均含有上限值以下。
(ii)从Ti：0.001～0.20％、Nb：0.001～0.20％、V：0.001～0.20％所构成的群中选择的至少一种
这些元素使焊接部析出强化，是有助于接头强度的提高的有用的元素。
为了使上述作用有效地发挥，优选使各元素均含有下限值以上。但是，若过剩地使之含有，则焊接部脆化而接头强度劣化，因此优选使各元素均含有上限值以下。
接下来，说明本发明的焊接接头的优选的制作方法。
〔本发明的焊接接头的优选的制作方法〕
如以往，使用DR型和前端平滑型等的通常的电极头(tip)(参照图4(a))，以一对电极头将钢板的重合部挟在其中而进行点焊时，若为了增大熔核直径而提高焊接电流，则由于电阻放热而被加热熔融的区域，一边沿着2张钢板的重合面朝向外侧方向展开，一边形成熔核，因此在板厚方向截面中，形成熔核径向两端部的曲率半径小的、围棋子状的熔核。另外，若不想让上述熔融区域从钢板的重合面朝向外侧方向展开，而提高电极头的加压力，则电极头的周围的2张钢板之间分开，熔融物通过此分开的间隙朝外侧方向溢出，反而带来中间喷溅的发生，存在接缝强度劣化的问题。因此，在使用现有的电极头，控制焊接电流和加压力的方法中，制作同时满足本发明所规定的熔核直径与熔核径向两端部的曲率半径的要件的焊接接头困难。
因此，本发明者，对于同时满足本发明所规定的熔核直径与熔核径向两端部的曲率半径的要件的焊接接头的制作手段，进行了各种研究，其结果发现，例如，通过以下的手段就能够容易且确实地制作本发明的焊接接头。
即，使用以如下方式构成的电极头(本说明书中称为“外周部加压型电极头”。)，分成电极头中心部与电极头外周部而分体构成电极头，电极头中心部由现有的电极头同样的铜系材料构成，电极头外周部由高导热性材料构成，此外使非导电性膜介于中心部与外周部之间，能够使中心部和外周部独立而调整加压力(参照图4(b))。然后，在点焊时，通过独立调整电流值与中心部和外周部的加压力，能够制造本发明的焊接接头。
即，对电极头中心部通电，使之在2张钢板的接触面间放热而形成熔核，另一方面，在电极头外周部，用非导电性膜使之与电极头中心部之间绝缘，不通电，并且，一边使导热性高的材料与钢板接触而进行排热，一边以适度的加压力夹紧。
由此，通过防止熔融物从钢板的接合面的溢出，从而抑制中间喷溅的发生，确保足够大的熔核直径，并且通过冷却所形成的熔核的周围，抑制熔核沿着2张钢板的重合面的方向的优先地生长，促进熔核向着板厚方向生长。
其结果是，熔核的形状不会成为以往的围棋子状，而是成为熔核径向端部在中心部方向压扁这样的丸药盒状，能够得到满足本发明所规定的熔核直径和熔核径向两端部的曲率半径的焊接接头。
实施例
以下列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受下述实施例限定，在能够适合前、后述的宗旨的范围内也可以适宜加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
作为以点焊接合的2张钢板，使用具有表1所示的成分组成的软钢、590MPa级钢板、980MPa级钢板、1470MPa级钢板，使表2所示的钢种和板厚的2张钢板进行各种组合而进行重合点焊。
作为焊接装置，使用单相交流式电阻点焊机(50Hz)，使用图4中显示概略的截面形状的安装有(a)通常的铬铜合金制的DR型电极头，或(b)外周加压型电极头任意一种的装置。作为(b)的外周加压型电极头使用的是，电极头中心部为铬铜合金制，在电极头外周部使用导热率不同的各种材料，作为非导电性膜，例如将AlN膜被覆在电极头中心部，与电极头外周部进行电绝缘，可滑动地用弹簧缔结电极头中心部与电极头外周部。然后，通过变更该弹簧的弹簧常数，以能够使电极头中心部和电极头外周部形成的加压力的分配随便变更的方式构成。
通电时的加压力和电流值为表2所示的条件，通电时间为10个循环(0.2s；固定)而进行点焊。
试验结果显示在表3中。
在此，对于点焊后的焊接接缝，切割下通过熔核的俯视中心的板厚方向截面，拍摄同截面的图像，对其进行图像分析，由此测量熔核直径，和熔核径向两端部的曲率半径。
还有，关于熔核径向两端部的曲率半径，具体来说按以下方式求得。即，分别在熔核径向的两端部，描绘通过2张钢板1、2的界面与熔核外周的交点，和从2张钢板1、2的界面朝向钢板1的板厚方向离开t1/4，朝向钢板2的板厚方向离开t2/4这2个面与熔核外周的交点的合计3个交点的圆，将该圆的半径定义为熔核径向的一端部的曲率半径。如此，将分别对于熔核径向的两端部求得的2个曲率半径进行算术平均，以其作为熔核径向两端部的曲率半径。
另外，对于以上述同一条件制作的焊接接缝，另行实施剪切拉伸试验，测量断裂时的接头强度。
接头强度，不仅受熔核直径、熔核直径端部的曲率半径的影响，而且也会受母材的钢板强度、板厚等的很大影响，因此难以根据其绝对值评价发明的效果。
因此，在本实施例中，母材的钢种、板厚、焊接条件(总加压力、焊接电流)同等，作为电极头，以使用现有的DR型的时的接头强度为标准，只变更电极头的形式，和中心部加压力与外周部加压力的比率，使熔核形状发生变化，其结果为，在所得到的接头强度相对于所述标准显示为高15％以上的值时，能够得到具有优异的接头强度的焊接接头，判定为合格(○)，低于15％时判定为不合格(×)。此外还区分为，相对于所述标准显示为高20％以上的值时，能够得到具有更优异的接头强度的焊接接头而以◎表示，相对于所述标准显示为高25％以上的值时，能够得到特别优异的接头强度而以◎◎表示。
[表1]
(-：无添加)
[表2]
[表3]
(下划线：本发明的范围外)
在表3中，试验No.1-2、2-2、4-2、5-2、5-3、6-2、7-2、8-2的焊接接头，是全部满足本发明的要件的发明例。任意一个发明例的焊接接头，接头强度均比标准高15％以上，可知接头强度得到大幅改善。
相对于此，试验No.1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1、7-1、8-1的焊接接头，是使用通常的DR型制作的标准的焊接接头(比较例)，根据焊接条件不同，虽然有熔核直径满足本发明的规定的情况，但熔核径向两端部的曲率半径不满足本发明的规定，得不到足够高的接头强度。
另外，试验No.3-2、5-4～5-6的焊接接头，是使用外周加压式的电极头制作，但不满足本发明的某一要件的比较例。这些比较例的焊接接头的接头强度，由标准的焊接接头的接头强度的提高效果低于15％，可知改善效果不足。
例如，试验No.3-2的焊接接头，采用外周加压式的电极头，虽然熔核径向两端部的曲率半径满足本发明的规定，但是焊接电流过低，因此熔核直径不足够大，得不到充分的接头强度的提高效果。
另外，试验No.5-4～5-6的焊接接头，采用外周加压式的电极头，以十分高的焊接电流接合，虽然熔核直径满足本发明的规定，但电极头的外周部使用导热性低的材料，冷却作用不足，因此熔核径向两端部的曲率半径不足够大，仍然得不到充分的接头强度的提高效果。
作为参考，图5中，比较显示(a)比较例(试验No.5-1)和(b)发明例(试验No.5-2)的焊接接头的截面的情况。如该图所示，以现有的电极头制作的焊接接头的熔核，虽然能够得到充分大小的熔核直径，但是熔核径向两端部的曲率半径小，是围棋子状。相对于此，以外周加压型电极头制作的焊接接头的熔核，虽然熔核直径与以往为大体相同的大小，但熔核直径向两端部的曲率半径极大，可知为丸药盒状(略圆筒状)。
由以上的结果可确认，应用本发明，能够提供一种点焊接头，即使是对于高强度钢板之间进行点焊的焊接接头，接头强度也优异的。
详细并参照特定的实施方式说明了本发明，但能够不脱离本发明的精神和范围而加以各种各样的变更和修改，这对于从业者来说很清楚。
本申请在于2013年3月19日申请的日本专利申请(专利申请2013-056659)，其内容在此参照并援引。
符号的说明
1、2...钢板
3...熔核

Claims (4)

1.一种点焊接头，其特征在于，是使板厚为t1和t2的2张钢板重合而进行点焊而成的焊接接头，
点焊形成的熔核的直径为以上，其中，熔核的直径、t1和t2的单位全部是mm，
板厚方向截面中，所述熔核的径向两端部的曲率半径为0.3(t1+t2)以上。
2.根据权利要求1所述的点焊接头，其中，所述2张钢板具有如下组成，以质量％计，由
C：0.01～0.80％、
Si：3％以下、
Mn：0.2～10％、
余量Fe和不可避免的杂质构成。
3.根据权利要求1所述的点焊接头，其中，所述2张钢板的成分组成，以质量％计，还含有从
Cr：0.01～1.50％，
Mo：0.01～1.50％、
Ni：0.01～1.50％、
Cu：0.01～1.50％、
B：0.0001～0.010％所构成的群中选择的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的点焊接头，其中，所述2张钢板的成分组成，以质量％计，还含有从
Ti：0.001～0.20％、
Nb：0.001～0.20％、
V：0.001～0.20％所构成的群中选择的至少一种。
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