CN105636736A - 点焊接头以及点焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供提高了点焊金属的断裂韧度、且提高了点焊接头强度的点焊接头、以及点焊方法。本发明涉及一种点焊方法，其包括以下工序：通过通电而形成熔融部的熔融部形成工序；和与熔融部形成工序接续，流通比在熔融部形成工序中流通的电流低的电流并使熔融部凝固的凝固工序，在凝固工序中，向熔融部施加电磁振动，电磁振动的频率fV、熔融部凝固时的凝固速度νS以及熔融部凝固时的枝晶(31a)的臂间隔λD满足0.2≤νS/(λD×fV)≤4.0。
Description
技术领域
本发明涉及将在汽车领域等使用的抗拉强度750～2500MPa的高强度钢板、特别是抗拉强度为980MPa以上的高强度钢板重叠来进行点焊的焊接方法和采用该焊接方法形成的点焊接头。
背景技术
近年来，在汽车领域中，为了用于降低油耗和削减CO2排放量的车体的轻量化、以及提高碰撞安全性，车体、部件使用了高强度钢板。在车体的组装、部件的安装等中，主要使用点焊。在高强度钢板的点焊中，焊接接头的强度成为问题。
在将钢板重叠、进行点焊而形成的接头(以下称为“点焊接头”)中，抗拉强度是重要的特性。通常点焊接头的机械特性采用在剪切钢板的方向负载拉伸载荷而测定到的拉伸剪切力(TSS)、和在剥离钢板的方向负载拉伸载荷而测定到的十字拉伸力(CTS)进行评价。拉伸剪切力和十字拉伸力的测定方法在JISZ3136和JISZ3137中进行了规定。
在抗拉强度为270～600MPa的钢板中，点焊接头的CTS伴随钢板强度的增加而增加，因此难以产生关于接头强度的问题。但是，在抗拉强度为750MPa以上的钢板中，即使钢板的抗拉强度增加，CTS也不增加、或者相反地减少。
一般地，高强度钢板的情况下，由于变形能的降低，向焊接区的应力集中提高。另外，由于合金元素增加而容易在焊接区淬火，焊接区的断裂韧度降低。其结果，CTS降低。因此，对于750MPa以上的高强度钢板的点焊接头，要求提高CTS。
作为在高强度钢板的点焊接头中确保强度的方法，曾提出了各种方法。
专利文献1公开了下述焊接方法：在点焊的正式通电后，在附加了加压压力的状态下反复进行通电的休止和再通电，其后进行维持(hold)，由此将焊点内的组织微细化，使接合部的断裂强度提高。
专利文献1中的焊点内的组织为最终组织，而不是凝固组织。在该方法中，虽然通过再通电，偏析被缓和，但是凝固组织没有被微细化。其结果，不能得到充分的断裂韧度。另外，由于需要再通电的反复、和维持，因此焊接需要长时间，不能发挥作为以短时间焊接的点焊的优点。
专利文献2公开了下述方法：在正式通电结束后经过一定时间后，进行回火通电，将点焊接头(焊点部以及热影响区)进行退火，使硬度降低。
该方法存在以下问题：在进行回火通电前，为了使马氏体相变大致完成，需要长的冷却时间，不能发挥作为以短时间焊接的点焊的优点。
另外，作为在高强度钢板的点焊接头中确保强度的方法，曾提出了在焊接后采用其他的加热方法加热焊接区的方法。
专利文献3公开了在焊接后高频加热焊接区来进行回火处理的方法。
在该方法中，焊接后需要别的工序，作业步骤变得烦杂，另外，为了利用高频而需要特殊的装置。
专利文献4公开了下述方法：在通过正式焊接而形成焊点后，将正式焊接电流以上的电流进行后通电的方法。
在该方法中，当使后通电时间较长时，焊点直径扩大，另外，焊点组织变得与通常的焊接区的组织相同。
专利文献5中公开下述方法：将抗拉强度为440MPa以上的钢板进行点焊时，将钢板的成分组成规定为C×P≤0.0025、P：0.015％以下、S：0.01％以下，焊接后，对焊接区实施300℃×20分钟左右的热处理，来提高接头的剥离方向强度。
在该方法中，能够应用的钢板被限定，另外，焊接需要长时间，因而生产率低。
专利文献6公开了：规定了焊点外层区域的显微组织和显微组织中的碳化物的平均粒径和个数密度的高强度钢板(抗拉强度：750～1850MPa，碳当量Ceq：0.22～0.55质量％)的点焊接头。
专利文献6仅公开了关于碳化物的规定，仅采用该规定并不能获得可靠性高的接头强度。
专利文献7公开了下述方法：在点焊方法中，焊接预定部位从熔融状态向凝固组织转变时，对焊接预定部位给予机械性振动，使焊接区的组织微细化。
在该方法中，机械性振动向熔融部的传播少，要获得效果的话，装置就成为大规模。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012-187615号公报
专利文献2:日本特开2002-103048号公报
专利文献3:日本特开2009-125801号公报
专利文献4:日本特开2010-115706号公报
专利文献5:日本特开2010-059451号公报
专利文献6:国际专利公开第2011/025015号
专利文献7:日本特开2011-194411号公报
发明内容
本发明的课题是提供提高了点焊金属的断裂韧度、提高了点焊接头强度的点焊接头以及点焊方法。
本发明人等对于解决上述课题的方法进行锐意研究。其结果，本发明人等发现，当在熔融部的凝固过程中对熔融部负载所需的频率的电磁振动时，凝固组织微细化，点焊金属的断裂韧度显著提高。
本发明是基于上述见解完成的，其要旨如下。
(1)一种点焊接头，其特征在于，在焊点端部的0.5mm×0.5mm的区域中包含凝固组织的晶粒375个以上。
(2)根据上述(1)所述的点焊接头，其特征在于，十字抗拉强度CTS与拉伸剪切强度TSS之比、即CTS/TSS为0.33以上。
(3)一种点焊方法，其特征在于，包括以下工序：通过通电来形成熔融部的熔融部形成工序；和与所述熔融部形成工序接续，流通比在所述熔融部形成工序中流通的电流低的电流并使所述熔融部凝固的凝固工序，在所述凝固工序中，向所述熔融部施加电磁振动，所述电振动电磁振动的频率fV、所述熔融部凝固时的凝固速度νS以及所述熔融部凝固时的枝晶的臂间隔λD满足0.2≤νS/(λD×fV)≤4.0。
根据本发明，能够显著提高点焊部的韧性，因而能够提供可靠性高的点焊接头。
附图说明
图1是模式地表示点焊时的电流模式的图。
图2是模式地表示对正在凝固的熔融部负载电磁振动的形态的图。
图3是模式地表示枝晶的生长和分断的形态的图。(a)表示枝晶的生长形态，(b)表示枝晶的分断形态。
图4是表示凝固组织以及最终组织的观察的概念的图。
图5是表示对通过通常的凝固而形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织、和根据本发明形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织进行比较的图，(a)为通常凝固，(b)为本发明的凝固。
图6是表示对通过通常的凝固而形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织、和根据本发明形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织进行比较的图，(a)为通常凝固，(b)为本发明的凝固。
图7是说明本发明中的凝固组织观察的图。
具体实施方式
首先，对本发明的焊接方法进行说明。
[熔融部形成工序]
首先，从重叠的钢板的两侧进行通电，形成用于确保需要的焊点直径的熔融部。用于形成该熔融部的通电，只要凝固不开始，怎样选择都可以。可以是多段通电。另外，电流值可以不恒定，也可以是正弦波、脉冲波。
[凝固工序]
要是形成了需要的熔融直径的熔融部的话，就与之接续，以比维持熔融直径的电流值低的电流值进行通电，一边使熔融部凝固一边施加电磁振动。
图1模式地表示本发明焊接方法中的最单纯的情况下的、点焊时的电流模式。在本发明焊接方法中，以tW(＝t2-t1)的时间、电流值IW形成熔融部之后，接着，一边以比保持熔融部的熔融直径的电流低的电流值IV进行tV(＝t3-t2)的时间的通电，一边使熔融部凝固。
熔融部形成工序中的通电(以下称为“正式通电”)的电流，没有特别限制。可以是商用频率的交流，也可以是直流。在凝固工序中流通的电流IV的值没有特别限定，但是为了较快地进行凝固，需要相对于形成熔融部时的电流较低地设定，满足IV 2/IW 2≤0.5的程度的值为目标。电流值IV不需要为恒定。但是，没有要使其成为特别复杂的波形的意思，优选为恒定、或单调减少。
在时间t2至t3的期间的凝固工序中，向正在凝固的熔融部施加电磁振动。图2模式地表示向正在凝固的熔融部施加电磁振动的形态。将钢板21a和钢板21b重叠，以电流值Iw进行时间为tw的期间的正式通电(参照图1)，形成熔融部22。在经过tw后的时间t2将电流值降低至Iv(参照图1)，使熔融部的凝固开始。
熔融部凝固时，如果利用通常的焊接方法，则从熔融部的周围朝向熔融部的中心部枝晶生长下去而完成凝固。在本发明的焊接方法中，在凝固过程中对于枝晶的生长方向23施加电磁振动24，将枝晶的生长分断，将熔融部的凝固组织细粒化。
在这里，凝固组织是指在凝固过程中作为单一的晶粒而生成的结构。例如如果为枝晶凝固，则1根枝晶为凝固组织的一个单位，如果为等轴的凝固，则1个凝固时的晶粒为凝固组织的一个单位。
电磁振动的频率，只要能够分断枝晶，就不限定于特定的频率，但是为了确实地分断枝晶的生长，使凝固组织成为更细的粒晶，需要设为由下述式(1)定义的指标A满足下述式(2)的频率。
A＝νS/(λD×fV)···(1)
fV：电磁振动的频率；
νS：凝固速度(凝固界面的推进速度)；
λD：枝晶的臂间隔。
0.2≤A≤4.0···(2)
凝固速度、枝晶的臂间隔通过事前的实验而得到。即，将实际要焊接的种类的钢板在事前以在焊接部形成工序、凝固工序中流通的电流值进行点焊，测定凝固速度、枝晶的臂间隔。测定一次之后，将同种的钢板在相同的条件下进行点焊时，使用相同的值即可。更具体的步骤如下。
首先，决定板组、钢种，决定正式通电的条件。接着，决定凝固工序中的电流值。该电流值如上所述不特别限定。
接着，测定凝固速度。使用实际要焊接的板组、钢种，制作将以所决定的凝固工序中的电流值流通电流的时间设为多个水准的样品。观察样品截面的凝固组织，求出枝晶的臂间隔。另外，由于凝固组织从柱状晶变为等轴晶的位置、或者柱状晶的粗细度变化的位置是停止电流的时刻的固液界面位置，因此通过计算求出凝固速度。
例如，在正式通电之后进行25毫秒的期间的通电的情况下，如果在截面中、距熔融边界0.5mm的位置处凝固组织发生了变化，则凝固组织被求出为20mm/秒。
凝固速度依赖于焊接条件、钢板的组合、被焊接材料的尺寸等，但大约为(10～50)×10-3m/秒。枝晶的臂间隔依赖于焊接条件、钢板的组合、被焊接材料的尺寸、由电磁振动引起的热量输入等，但大约为(5～30)×10-6m。
电磁振动的频率fv为电源频率的2倍。例如，如果使频率为500～1000Hz的交流电流流通，则电磁振动的频率fV为1000～2000Hz(＝(500～1000Hz)×2)。
例如，在凝固速度为20×10-3m/秒的情况下如果使频率为500～1000Hz的交流电流流通，则引起一次电磁振动的周期Tv(＝1/fV)为(0.5～1.0)×10-3秒，每引起一次电磁振动，凝固界面就以(10～20)×10-6m推进。即，由电磁振动所致的凝固的混乱，在大致等于上述的枝晶的臂间隔的位置引起。其结果，凝固组织成为等轴晶状的凝固组织。
图3模式地表示枝晶的生长和分断的形态。图3(a)表示枝晶的生长形态，图3(b)表示枝晶的分断形态。
在通常的方法中，如图3(a)所示，枝晶31a维持臂间隔λD，以凝固速度νS生长下去，熔融部的凝固完成。
在本发明中，在形成枝晶的凝固过程中，由于电磁振动和电磁振动时的通电所产生的热，扰乱凝固的进行，分断枝晶的生长，得到如图3(b)所示的等轴晶状的凝固组织。
若对以臂间隔λD、凝固速度νS生长的枝晶施加满足上述式(2)的频率fV的电磁振动，则在凝固过程的熔融部的内部，由于电磁振动和电磁振动时的通电所产生的热，当将电磁振动周期设为TV(＝1/fV)时，以νS×TV的位置间隔产生凝固过程中的凝固的混乱。
通过在凝固工序中，在熔融部定期地产生凝固的混乱，如图3(b)所示，枝晶的生长被分断，成为细粒31b，能够使熔融部的凝固组织成为等轴晶状的凝固组织。
在本发明中定义的指标A，是表示枝晶的分断的程度的指标，如果指标A满足上述式(2)，则在熔融部中能够得到期望的凝固组织。
在指标A为1的情况下，凝固组织成为将臂间隔λD的枝晶以臂间隔λD分断了的形态的等轴晶组织，断裂韧度提高。但是，在本发明中，只要通过凝固组织的细粒化焊接接头的韧性提高即可，因此不一定需要使指标A为1。
从微细化的观点出发，优选指标A较小。但是，要不提高用于电磁振动的凝固时的电流值而使指标A小于0.2的话，就必须提高电磁振动频率。要提高电磁振动频率就必须使用于电磁振动的凝固时的通电的频率较大，用于电磁振动的通电时的电感损失变大，电源要大容量化。因此，指标A设为0.2以上。优选为0.4以上。
如果指标A超过4.0，则在凝固过程中扰乱凝固的间隔变大，凝固组织柱状化，韧性提高效果变小。因此，指标A设为4.0以下。优选为3.0以下。
在指标A为4.0以下时所形成的本发明焊接接头中，至少焊点端部的凝固组织不是非常长的柱状组织，而成为等轴晶状组织(包括等轴晶组织)。
接着，对本发明的点焊接头的组织进行说明。
本发明的点焊接头，在焊点端部的0.5mm×0.5mm的区域中包含凝固组织的晶粒375个以上。在应力集中的焊点端部，如果凝固组织的晶粒为375个以上，则点焊接头能够具备高的断裂韧度。
当焊点端部的0.5mm×0.5mm的区域中的凝固组织的晶粒小于375个时，不能实现凝固组织的等轴晶状，焊接金属的韧性提高效果小，焊接接头的强度没有提高。优选的晶粒的个数为500个以上。
凝固完成后没有产生大的应变的金属，凝固时容易在液相中浓化的元素浓化，在凝固后其浓稀留下来。因此，如果观察元素的浓度分布，则能够确认浓化的元素稀的一块对应于凝固组织的一个单位。对于如钢铁那样在凝固后在固相发生相变的金属而言，最终组织的晶粒的一个单位与凝固组织的一个单位是不同的单位。
作为观察凝固组织的方法，例如，有采用苦味酸进行腐蚀后用光学显微镜观察组织的方法。若采用苦味酸进行腐蚀，则偏析元素(特别是P)浓化着的部分优先地被腐蚀。另外，P是在凝固时产生偏析的元素。因此，由于清楚凝固时的偏析元素的浓度分布，因而能够观察凝固组织。
作为其他的方法，有使用EPMA的方法。由于利用EPMA能够测定各元素的分布，因此能够观察凝固组织。
再者，作为观察最终组织的方法，例如，可举出通过硝酸乙醇腐蚀液腐蚀而进行的组织观察、通过EBSD进行的测定。
图4是表示凝固组织以及最终组织的观察的概念的图。如图4所示，即使是相同的金属41，所观察到的组织根据腐蚀的方法而不同。
图5是通过通常的凝固而形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织、和根据本发明形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织的比较，(a)为通常凝固，(b)为本发明的凝固。(a)形成了枝晶，偏析强，与此相对，(b)的组织微细化，偏析变弱。
图6是表示通过通常的凝固而形成的点焊接头的焊点端部的凝固组织、和在凝固后进行后通电之后的凝固组织的图，(a)为凝固后的组织，(b)为后通电之后的组织。通过后通电，缓和了凝固偏析，但凝固时所形成的凝固组织(枝晶)本身不会被微细化。
图7是说明本发明中的凝固组织观察的图。为了观察凝固组织，通过金属流动腐蚀(metalflowetching)使凝固组织呈现，计数焊点端部的凝固组织的个数。在本发明中，在0.5mm×0.5mm的区域中即使包含凝固组织的一部分也将其计数为一个。
本发明的焊接接头，通过使焊点端部的0.5mm×0.5mm的区域中的凝固组织的晶粒为375个以上，焊接金属的断裂韧度提高，接头的机械特性、特别是接头强度提高。
关于接头强度，十字抗拉强度CTS和拉伸剪切强度TSS是重要的指标。但是，为了确保点焊接头的质量，不能够仅TSS高而CTS低。其理由是因为，由于结构物担负复杂的负载，因此如果相对于TSS，CTS较低，则在微小的剥离负载下就产生断裂的缘故。因此，为了客观地评价焊接区的机械特性，采用了用下述式(4)定义的指标Z。
Z＝CTS/TSS···(4)
CTS：十字抗拉强度；
TSS：拉伸剪切强度。
焊接接头依赖于板厚、焊接金属的大小，但对于指标Z而言，TSS和CTS各自包含板厚、焊接金属的大小的效果，因此指标Z作为评价焊接金属本身的特性的指标是适当的。
当Z小于0.33时，对接头的负载方向的屈服强度的差过大，构件的特性变得不稳定。即，在很小的剥离负载下接头就断裂。因此，Z优选为0.33以上。更优选为0.4以上。Z的上限不特别限定。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明。实施例中的条件是为了确认本发明的实施可能性以及效果而采用的一个条件例，本发明并不被该一个条件例限定。本发明在不脱离本发明的要旨、能达到本发明的目的的范围内可采用各种条件。
[实施例1]
准备表1所示的钢板，以表2所示的组合进行点焊。将焊接条件一并示于表2。
表1
| 记号 | 钢板种类 | 强度[MPa] | C量[质量％] | 碳当量 | 板厚[mm] |
| 1 | 冷轧 | 980 | 0.13 | 0.23 | 2 |
| 2 | 冷轧 | 1180 | 0.19 | 0.41 | 1.2 |
| 3 | 镀锌 | 980 | 0.13 | 0.23 | 1.66 --> |
| 4 | 热冲压 | 1470 | 0.22 | 0.34 | 1.6 |
在这里，碳当量是使用C、Si、Mn、P以及S的含量(质量％)，采用下述的式子求出的值。
碳当量＝C[质量％]+Si[质量％]/30+Mn[质量％]/20+P[质量％]×4+S[质量％]×4
表2中的“A”是将凝固工序中的电磁振动的频率记为fV、凝固速度记为νS、枝晶的臂间隔记为λD，通过A＝νS/(λD·fV)求出的值。凝固速度、枝晶的臂间隔使用了在事前采用所使用的板组、钢种如前述那样实验求得的值。
表2
将焊接接头的焊点端部用苦味酸进行腐蚀，用显微镜观察凝固组织，测定了焊点端的0.5mm×0.5mm的区域的晶粒的个数。另外，按照JISZ3137测定了焊接接头的十字拉伸力CTS，按照JISZ3136测定了拉伸剪切力TSS。将结果示于表3。表3中的“Z”是通过Z＝CSS/TSS求出的值。
表3
| 号码 | TSS[kN] | CTS[kN] | Z | 凝固组织个数 | 备注 |
| 1 | 21.3 | 10.9 | 0.51 | 516 | 发明例 |
| 2 | 15.3 | 6.1 | 0.40 | 440 | 发明例 |
| 3 | 14.7 | 7.2 | 0.49 | 664 | 发明例 |
| 4 | 20.2 | 8.4 | 0.42 | 458 | 发明例 |
| 5 | 19.6 | 7.8 | 0.39 | 442 | 发明例 |
| 6 | 19.7 | 7.6 | 0.38 | 397 | 发明例7 --> |
| 7 | 19.4 | 6.8 | 0.35 | 381 | 发明例 |
| 8 | 14.9 | 4.7 | 0.31 | 198 | 比较例 |
| 9 | 18.3 | 4.8 | 0.26 | 227 | 比较例 |
| 10 | 18.6 | 5.2 | 0.28 | 294 | 比较例 |
| 11 | 18.8 | 5.4 | 0.29 | 311 | 比较例 |
| 12 | 18.7 | 5.7 | 0.30 | 325 | 比较例 |
| 13 | 19.1 | 6.2 | 0.32 | 352 | 比较例 |
| 14 | 17.2 | 6.4 | 0.37 | 411 | 发明例 |
| 15 | 16.3 | 3.8 | 0.23 | 227 | 比较例 |
产业上的利用可能性
如前所述，根据本发明，能够显著地提高点焊接头强度，因此能够提供可靠性高的点焊接头。因此，本发明在结构物的组装使用焊接的产业、例如汽车产业中可利用性很高。
附图标记说明
21a、21b钢板；
22熔融部；
23枝晶的生长方向；
24电磁振动；
31a枝晶；
31b细粒；
41金属；
42枝晶；
43相1；
44相2；
71钢板；
72焊点；
73凝固组织。
Claims (3)
1.一种点焊接头，其特征在于，在焊点端部的0.5mm×0.5mm的区域中包含凝固组织的晶粒375个以上。
2.根据权利要求1所述的点焊接头，其特征在于，十字抗拉强度CTS与拉伸剪切强度TSS之比、即CTS/TSS为0.33以上。
3.一种点焊方法，其特征在于，包括以下工序：
通过通电来形成熔融部的熔融部形成工序；和
与所述熔融部形成工序接续，流通比在所述熔融部形成工序中流通的电流低的电流并使所述熔融部凝固的凝固工序，
在所述凝固工序中，向所述熔融部施加电磁振动，
所述电振动电磁振动的频率fV、所述熔融部凝固时的凝固速度νS以及所述熔融部凝固时的枝晶的臂间隔λD满足0.2≤νS/(λD×fV)≤4.0。
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