CN108602162B - 搭接焊接头的疲劳强度提高方法、搭接焊接头的制造方法以及搭接焊接头 - Google Patents

搭接焊接头的疲劳强度提高方法、搭接焊接头的制造方法以及搭接焊接头 Download PDF

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Abstract

通过以下的方法使搭接焊接头(10)的疲劳强度提高，在该搭接焊接头(10)中，第1钢材(12)的重叠部(12a)与第2钢材(14)的重叠部(14a)重叠，且第1钢材(12)的缘部被沿着该缘部延伸的焊接部(16)焊接于第2钢材(14)的表面(14b)。首先，以与焊接部(16)的延伸方向(X)垂直且与第2钢材(14)的表面(14b)平行的方向为基准方向(Y)，限制搭接焊接头(10)向基准方向(Y)的移动，并且，限制第1钢材(12)和第2钢材(14)向板厚方向的移动。在该状态下，对第2钢材(14)的一部分(14a)进行加热，以便在第2钢材(14)的一部分(14a)形成熔融部(18)。

Description

搭接焊接头的疲劳强度提高方法、搭接焊接头的制造方法以 及搭接焊接头
技术领域
本发明涉及搭接焊接头的疲劳强度提高方法、搭接焊接头的制造方法以及搭接焊接头。
背景技术
以往，作为汽车的车身等构成构件，使用了将多个钢板重叠而进行了焊接的搭接焊接头。另外，以往，为了谋求轻量化和碰撞安全性的提高，使用了各种钢板作为车身的构成构件。
不过，搭接焊接头的母材的疲劳强度与构成焊接接头的钢板的强度成比例地变高。另一方面，公知有如下内容：即使提高构成焊接接头的钢板的强度，搭接焊接头自身的疲劳强度也几乎不变高。因此，以往，为了使搭接焊接头的疲劳强度提高，进行了各种研究。
例如，在日本特开平10-193164号公报(专利文献1)中公开有搭接焊接头的疲劳特性提高方法。在专利文献1所公开的方法中，构成焊接接头的下侧钢板的焊接部的附近位置与焊接部平行地被加热到钢板不熔融的程度。在专利文献1中记载有如下内容：通过将下侧钢板如上述那样加热，焊趾部附近的拉伸残余应力降低，焊接接头的疲劳特性提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-193164号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，本发明人等的研究的结果得知：即使将搭接焊接头的下侧钢板如上述那样加热，也存在无法充分地降低在焊接接头产生的拉伸残余应力的情况。在该情况下，无法充分地提高焊接接头的疲劳强度。
本发明是为了解决这样的问题而做成的，目的在于提供一种能够充分地提高搭接焊接头的疲劳强度的方法、具有优异的疲劳强度的搭接焊接头的制造方法、以及具有优异的疲劳强度的搭接焊接头。
用于解决问题的方案
为了解决上述的问题，本发明人进行了研究，结果得知：通过将在专利文献1的方法中下侧钢板被加热的位置加热到该下侧钢板熔融，能够使在焊接接头产生的拉伸残余应力进一步降低。然而，在该情况下，可知：下侧钢板自身的疲劳强度降低，无法提高焊接接头的疲劳强度。
因此，本发明人等进一步进行了研究，结果得知：通过对焊接接头中的两个钢板重叠的部分的一部分进行加热，来提高焊接接头的疲劳强度。
本发明是基于上述的见解做成的，以下述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法和制造方法、以及搭接焊接头为主旨。
(1)一种搭接焊接头的疲劳强度提高方法，在该搭接焊接头中，具有预定的厚度的第1钢材的一部分和具有预定的厚度的第2钢材的一部分分别作为重叠部重叠，且所述第1钢材的缘部被沿着所述缘部延伸的焊接部焊接于所述第2钢材的表面，在该搭接焊接头的疲劳强度提高方法中，
以与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向为基准方向，在限制了所述搭接焊接头向所述基准方向的移动、限制了所述第1钢材向所述第1钢材的厚度方向的移动、且限制了所述第2钢材向所述第2钢材的厚度方向的移动的状态下，对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成熔融部。
(2)根据上述(1)的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，对所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成所述熔融部。
(3)根据上述(1)或(2)的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，所述熔融部以与沿着所述第1钢材的所述缘部延伸的所述焊接部平行地延伸的方式形成。
(4)根据上述(1)～(3)中任一个搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，所述第2钢材的所述重叠部的加热位置是沿着所述基准方向距沿着所述缘部延伸的所述焊接部2mm以上且10mm以下的位置。
(5)根据上述(1)～(4)中任一个搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，利用激光束、钨极惰性气体、或电子束来对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热。
(6)根据上述(1)～(5)中任一项所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，所述熔融部形成于沿着所述基准方向与所述焊接部分开的位置。
(7)一种搭接焊接头的制造方法，其具有：
焊接工序，在该焊接工序中，通过对第1钢材和第2钢材进行焊接，来获得接合体；以及加热工序，在该加热工序中，对所述接合体进行加热，
所述焊接工序包括如下工序：在所述第1钢材的一部分和所述第2钢材的一部分分别作为重叠部而重叠起来的状态下，以沿着所述第1钢材的缘部形成焊接部的方式对所述缘部和所述第2钢材的表面进行焊接，
所述加热工序包括如下工序：以与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向为基准方向，在限制了所述接合体向所述基准方向的移动、限制了所述第1钢材向所述第1钢材的厚度方向的移动、且限制了所述第2钢材向所述第2钢材的厚度方向的移动的状态下，对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成熔融部。
(8)根据上述(7)的搭接焊接头的制造方法，其中，所述加热工序包括如下工序：对所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成所述熔融部。
(9)根据上述(7)或(8)的搭接焊接头的制造方法，其中，在所述加热工序中，所述熔融部以与沿着所述第1钢材的所述缘部延伸的所述焊接部平行地延伸的方式形成。
(10)根据上述(7)～(9)中任一个搭接焊接头的制造方法，其中，所述加热工序中的所述第2钢材的所述重叠部的加热位置是沿着所述基准方向距沿着所述缘部延伸的所述焊接部2mm以上且10mm以下的位置。
(11)根据上述(7)～(10)中任一个搭接焊接头的制造方法，其中，在所述加热工序中，利用激光束、钨极惰性气体、或电子束来对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热。
(12)根据上述(7)～(10)中任一个搭接焊接头的制造方法，其中，在所述加热工序中，所述熔融部形成于沿着所述基准方向与所述焊接部分开的位置。
(13)一种搭接焊接头，其是在第1钢材的一部分和第2钢材的一部分分别作为重叠部重叠起来的状态下所述第1钢材的缘部焊接于所述第2钢材的表面的搭接焊接头，其具有：
焊接部，其沿着所述第1钢材的缘部延伸且将所述缘部与所述第2钢材连接；以及
熔融部，其在所述第2钢材的所述重叠部的一部分中形成于与所述焊接部分开的位置，
在将与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向中的、以所述焊接部为基准而朝向与所述第1钢材相反的一侧的方向设为预定方向的情况下，
在沿着所述预定方向距所述焊接部的所述第2钢材的表面上的焊趾0.5mm的位置处，在所述第2钢材的所述表面产生的残余应力是比在所述第2钢材的厚度方向上的中央产生的残余应力靠压缩侧的值。
发明的效果
根据本发明，能够充分地提高搭接焊接头的疲劳强度。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的焊接接头的立体图。
图2是表示搭接焊接头的侧视图。
图3是用于说明本发明的一实施方式的疲劳强度提高方法的图。图3的(a)是表示疲劳强度提高前的焊接接头的图，图3的(b)是表示加热中的焊接接头的图，图3的(c)是表示从限制状态释放后的焊接接头的图。
图4是用于说明疲劳强度提高方法的另一个例子的图。图4的(a)是表示熔融部以从第2钢材的背面朝向第1钢材延伸的方式且以不到达第1钢材的表面的方式形成的焊接接头的图，图4的(b)是表示熔融部以贯通第1钢材和第2钢材的方式形成的焊接接头的图，图4的(c)是表示熔融部以从第1钢材的表面朝向第2钢材延伸的方式且以未到达第2钢材的背面的方式形成的焊接接头的图。
图5是用于说明焊接接头的另一个例子的图。图5的(a)是表示焊接接头的另一个例子的立体图，图5的(b)是表示焊接接头的另一个例子的分解立体图。
图6是用于说明焊接接头的又一个例子的图。图6的(a)是表示焊接接头的纵剖视图，图6的(b)是图6的(a)的B-B线剖视图。
图7是用于说明FEM分析模型的图。图7的(a)是表示本发明的焊接接头的FEM分析模型的图，图7的(b)是表示比较例的焊接接头的FEM分析模型的图，图7的(c)是表示另一比较例的焊接接头的FEM分析模型的图。
图8是表示在第2钢材的表面产生的残余应力(分析结果)的图表。
图9是表示在第2钢材的板厚中央产生的残余应力(分析结果)的图表。
图10是表示从在第2钢材的表面产生的残余应力减去在板厚中央产生的残余应力而得到的值的图表。
图11是用于说明弯矩对于分析模型的施加方法的图。
图12是表示对分析模型施加有弯矩之际的、第2钢材的表面的应力分布的图表。
图13是表示弯矩的施加的前后的应力的变化的图表。
图14是用于说明分析模型的另一个例子的图。图14的(a)是表示熔融部未到达第2钢材的背面的分析模型的图，图14的(b)是表示熔融部未到达第1钢材的表面的分析模型的图。
图15是表示在第2钢材的表面产生的残余应力的图表。
图16是表示实施例的焊接接头的立体图。
图17是表示疲劳试验片的图。图17的(a)是疲劳试验片的俯视图，图17的(b)是图17的(a)的b-b线剖视图。
图18是表示弯曲疲劳试验的结果的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式的搭接焊接头的疲劳强度提高方法(以下，也简称为提高方法。)、搭接焊接头的制造方法、以及搭接焊接头进行说明。
＜搭接焊接头的结构>
首先，对搭接焊接头(以下，也简称为焊接接头。)进行说明。图1是表示焊接接头10的立体图，图2是表示搭接焊接头10的侧视图。此外，图1所示的焊接接头10是通过后述的提高方法提高了疲劳强度的焊接接头10。
参照图1和图2，焊接接头10包括具有预定的厚度的第1钢材12、具有预定的厚度的第2钢材14以及焊接部16。在本实施方式中，分别使用钢板作为第1钢材12和第2钢材14。第1钢材12的厚度和第2钢材14的厚度既可以彼此相等，也可以不同。作为第1钢材12，能够使用厚度是3.3mm以下的钢材。同样地，作为第2钢材14，能够使用厚度是3.3mm以下的钢材。在本实施方式中，在第1钢材12的一部分12a和第2钢材14的一部分14a分别作为重叠部而相互重叠起来的状态下，第1钢材12的缘部焊接于第2钢材14的表面14b。以下，将第1钢材12的一部分12a称为重叠部12a，将第2钢材14的一部分14a称为重叠部14a。第1钢材12和第2钢材14通过例如气焊、电弧焊、电子束焊接、或激光束焊接等焊接。在本实施方式中，焊接部16是例如沿着第1钢材12的上述缘部延伸的焊道，将上述缘部与第2钢材14连接。
此外，在图1中，以箭头X表示焊接部16的延伸方向。另外，在图1和图2中，以箭头Y表示与焊接部16的延伸方向X垂直且与第2钢材14的表面14b平行的方向。以下，将以箭头Y表示的方向称为基准方向。在本实施方式中，基准方向Y包括：第1方向Y1，其以焊接部16为基准而朝向第1钢材12侧；以及第2方向Y2，其以焊接部16为基准而朝向与第1钢材12相反的一侧。
参照图1和图2，在第1钢材12的表面12b上形成有焊接部16的焊趾16a。另外，在第2钢材14的表面14b上也形成有焊接部16的焊趾16b。
在第2钢材14的重叠部14a的一部分形成有熔融部18。熔融部18形成于沿着基准方向Y(在本实施方式中，第1方向Y1)与焊接部16分开的位置。在本实施方式中，熔融部18形成于向第1方向Y1距焊趾16a的距离为d1的位置。在本实施方式中，在焊接接头10的仰视时，熔融部18以与焊接部16平行地延伸的方式形成。优选熔融部18的延伸方向X的长度是第2钢材14的宽度的0.5倍以上的长度，更优选是第2钢材14的宽度的0.8倍以上的长度，进一步优选在第2钢材14的整个宽度范围内。此外，在本实施方式中，第2钢材14的宽度意味着重叠部14a的延伸方向X上的长度。在本实施方式中，在焊接接头10的侧视时，熔融部18以从第2钢材14的背面14c朝向表面14b(从背面14c朝向第1钢材12的背面12c)延伸的方式形成。此外，距离d1表示基准方向Y(第1方向Y1)上的、熔融部18的中心与焊趾16a之间的距离。距离d1设定成例如1(mm)以上。另外，参照图2，在基准方向Y上，若将第1钢材12和第2钢材14重叠的部分的长度设为L(mm)，则距离d1既可以设定成例如0.2×L(mm)～0.8×L(mm)的范围的值，也可以设定成0.3×L(mm)～0.6×L(mm)的范围的值。距离d1设定成例如2mm以上且10mm以下，优选设定成8mm以下，进一步优选设定成6mm以下。长度L设定成例如10mm以上，优选设定成40mm以上。随后论述熔融部18的形成方法。
本实施方式的焊接接头10在向第2方向Y2距焊趾16b的距离为d2的位置处具有以下这样的应力状态。参照图2，第2钢材14的表面14b中的向第2方向Y2距焊趾16b的距离为d2的位置20a产生的残余应力成为比第2钢材14的厚度方向上的中央(在本实施方式中，板厚中央)中的向第2方向Y2距焊趾16b的距离为d2的位置20b产生的残余应力靠压缩侧的值。距离d2是例如0.5mm。在本实施方式中，上述残余应力意味着基准方向Y(第1方向Y1和第2方向Y2)上的残余应力。
此外，在位置20a产生的残余应力是比在位置20b产生的残余应力靠压缩侧的值并不限定于在位置20a产生压缩方向的残余应力、且在位置20b产生拉伸方向的残余应力的情况。例如，在位置20a和位置20b都产生压缩方向的残余应力、且位置20a的压缩残余应力比位置20b的压缩残余应力大的情况也满足在位置20a产生的残余应力是比在位置20b产生的残余应力靠压缩侧的值这一条件。另外，例如，在位置20a和位置20b都产生拉伸方向的残余应力、且位置20a的拉伸残余应力比位置20b的拉伸残余应力小的情况也满足上述条件。此外，在焊接接头10产生的残余应力使用X射线衍射法来测定。
＜疲劳强度提高方法的说明>
以下，对本发明的一实施方式的疲劳强度提高方法进行说明。图3是用于说明本实施方式的提高方法的图。此外，图3的(a)和(b)的三角形的记号表示第1钢材12和第2钢材14中的移动受到限制的部分。另外，图3的(a)所示的焊接接头10a相当于疲劳强度提高之前的焊接接头10。
参照图3的(a)，在本实施方式中，首先，利用未图示的保持构件以限制焊接接头10a向基准方向Y的移动和向厚度方向(在本实施方式中，板厚方向。以箭头Z表示的方向)的移动的方式保持第1钢材12和第2钢材14。在本实施方式中，以限制第1钢材12向第1方向Y1的移动和第1钢材12向第1钢材12的厚度方向(以下，也记载为板厚方向。)的移动的方式保持第1钢材12的一端部12d。另外，以限制第2钢材14向第2方向Y2的移动和第2钢材14向第2钢材14的厚度方向(以下，记载为板厚方向。)的移动的方式保持第2钢材14的一端部14d。
此外，在本实施方式中，针对第1钢材12的至少一部分，限制向板厚方向的移动即可，无需针对第1钢材12的全部的部分限制向板厚方向的移动。另外，针对第2钢材14的至少一部分，限制向板厚方向的移动即可，无需针对第2钢材14的全部的部分限制向板厚方向的移动。例如，也可以仅在端面12e(第1钢材12的第1方向Y1侧的端)限制第1钢材12的向板厚方向的移动。另外，例如，也可以是，对于表面12b和背面12c中的仅一者，第1钢材12向板厚方向的移动受到限制。另外，例如，也可以是，仅在端面14e(第2钢材14的第2方向Y2侧的端)，第2钢材14向板厚方向的移动受到限制。另外，例如，也可以是，对于表面14b和背面14c中的仅一者，限制第2钢材14向板厚方向的移动。
另外，第1钢材12和第2钢材14被保持的部分并不限定于上述的例子。例如，也可以是，在第1钢材12中，在基准方向Y上，以重叠部12a为基准而与焊接部16相反的一侧的任意的部分被上述保持构件保持。即，在第1钢材12中，重叠部12a与一端部12d之间的任意的部分被保持。在该情况下，例如，也可以是，以限制第1钢材12的上述任意的部分向第1方向Y1的移动和向板厚方向的移动的方式保持第1钢材12。另外，例如，也可以是，在第2钢材14中，在基准方向Y上，以焊接部16为基准而与重叠部14a相反的一侧的任意的部分被上述保持构件保持。即，在第2钢材14中，也可以是焊接部16与一端部14d之间的任意的部分被保持。在该情况下，例如，也可以是，以限制第2钢材14的上述任意的部分向第2方向Y2的移动和向板厚方向的移动的方式保持第2钢材14。
接着，参照图3的(b)，在如上述那样限制了焊接接头10a的移动的状态(以下，也称为限制状态。)下，通过对第2钢材14的重叠部14a的一部分进行加热，在该重叠部14a的一部分形成上述的熔融部18。在本实施方式中，例如通过使用加热装置22来对第2钢材14的背面14c进行加热，在第2钢材14形成熔融部18。在本实施方式中，第2钢材14的重叠部14a的加热位置是在例如基准方向Y上与焊接部16分开0.2×L(参照图2)～0.8×L的位置。具体而言，上述加热位置是例如沿着基准方向Y与焊接部16分开2mm以上且10mm以下的位置。在本实施方式中，上述加热位置与焊接部16之间的基准方向Y上的距离以基准方向上的加热中心与焊趾16a之间的距离表示。此外，熔融部18能够通过例如激光束、钨极惰性气体、或电子束等形成。熔融部18的基准方向Y上的长度是例如1mm～2mm。加热温度比钢材的熔点高即可。在本实施方式中，在第2钢材14形成有熔融部18，因此，加热温度设定成比第2钢材14的熔点高的温度。此外，如后述的图4所示，在熔融部18形成于第1钢材12和第2钢材14的情况下，加热温度设定成比第1钢材12的熔点和第2钢材14的熔点高的温度。例如，在使用SUS316L作为钢材的情况下，加热温度是1400℃以上。
在本实施方式中，在如上述那样形成了熔融部18之后，例如，维持焊接接头10a的限制状态，同时冷却该焊接接头10a。具体而言，维持焊接接头10a的限制状态直到例如熔融部18的温度成为200℃以下、优选成为100℃以下、进一步优选成为常温为止。
接着，参照图3的(c)，使焊接接头10a从限制状态释放。即，解除焊接接头10a向基准方向Y和向板厚方向的移动的限制。由此，参照图2，获得在位置20a产生的残余应力成为比在位置20b产生的残余应力靠压缩侧的值的焊接接头10。
此外，在本实施方式中，限制焊接接头10a的移动并不只是意味着将焊接接头10a的移动完全限制。例如，焊接接头10a向基准方向Y的移动受到了限制的状态意味着，在基准方向Y上，被上述保持构件保持着的第1钢材12的任意的部分与被上述保持构件保持着的第2钢材14的任意的部分之间的相对的位置关系被维持着的状态。因而，只要上述相对的位置关系被维持，第1钢材12的上述任意的部分和第2钢材14的上述任意的部分就也可以沿着基准方向Y同时移动。同样地，焊接接头10a向板厚方向的移动受到了限制的状态意味着，在板厚方向上，被上述保持构件保持着的第1钢材12的任意的部分与被上述保持构件保持着的第2钢材14的任意的部分之间的相对的位置关系被维持着的状态。
＜本实施方式的效果>
在形成有熔融部18的焊接接头10中，在第2钢材14的表面14b中，能够防止在焊趾16b的附近产生较大的拉伸残余应力。在本实施方式中，如上所述，在位置20a产生的残余应力成为比在位置20b产生的残余应力靠压缩侧的值。由此，例如，在第2钢材14中，即使基准方向Y的力作用于焊趾16b的附近，也能够抑制在表面14b的焊趾16b的附近产生基准方向Y较大的拉伸应力。其结果，与以往的焊接接头相比较，能够抑制在焊趾16b的附近在第2钢材14的表面14b侧产生龟裂等。即，能够获得具有优异的疲劳强度的焊接接头10。此外，为了获得具有更优异的疲劳强度的焊接接头10，优选在位置20a产生的残余应力成为比在位置20b产生的残余应力靠压缩侧150MPa以上的值，更优选成为靠压缩侧200MPa以上的值。
另外，在本实施方式的焊接接头10中，通过在第2钢材14的重叠部14a的一部分形成熔融部18，能够将在位置20a产生的残余应力如上述那样设为压缩侧的值。在此，在第1钢材12被向第1方向Y1拉伸、第2钢材14被向第2方向Y2拉伸的情况下，在第1钢材12产生基准方向Y的拉伸应力，并且，在第2钢材14的比焊接部16靠第2方向Y2侧的部分产生基准方向Y的拉伸应力。另一方面，在第2钢材14的比焊接部16靠第1方向Y1侧的部分、即第2钢材14的重叠部14a几乎不产生拉伸应力。因此，通过在第2钢材14的重叠部14a的一部分形成熔融部18，即使重叠部14a的强度降低，也能够防止焊接接头10的抗拉强度降低。即，根据本实施方式，不使焊接接头10的抗拉强度降低，就能够使在位置20a产生的残余应力如上述那样成为压缩侧的值。
＜焊接接头的制造方法的说明>
在上述的实施方式中，对获得通过加热现有的焊接接头10a来提高了疲劳强度的焊接接头10的方法进行了说明，但也可以由第1钢材12和第2钢材14获得焊接接头10。在该情况下，首先，通过将第1钢材12和第2钢材14焊接，获得具有与图3的(a)所示的焊接接头10a的结构同样的结构的接合体(焊接工序)。具体在而言，焊接工序中，在将第1钢材12的重叠部12a和第2钢材14的重叠部14a重叠起来的状态下，以沿着第1钢材12的缘部形成焊接部16的的方式将上述缘部和第2钢材14的表面14b焊接。之后，通过对在焊接工序中获得的接合体实施加热工序(相当于上述的提高方法的工序)，能够获得焊接接头10。
＜变形例>
在上述的实施方式中，对熔融部18仅形成于第2钢材14的重叠部14a的情况进行了说明。然而，熔融部18所形成的区域并不限定于上述的例子。例如，如图4的(a)～(c)所示，也可以在第1钢材12的重叠部12a的一部分和第2钢材14的重叠部14a的一部分的整个范围内形成有熔融部18。在该情况下，第1钢材12的重叠部12a和第2钢材14的重叠部14a被焊接，因此，即使形成熔融部18，也能够防止焊接接头10的强度在重叠部12a和重叠部14a中降低。此外，在该情况下，熔融部18以例如与焊接部16平行地延伸的方式形成。
此外，图4的(a)所示的熔融部18以未到达第1钢材12的表面12b的方式从第2钢材14的背面14c朝向第1钢材12的表面12b延伸。该熔融部18与上述的实施方式同样地，例如能够通过从第2钢材14的背面14c侧对重叠部12a和重叠部14a进行加热来形成。
图4的(b)所示的熔融部18贯通第1钢材12的重叠部12a和第2钢材14的重叠部14a。该熔融部18例如也能够通过与上述的实施方式同样地从第2钢材14的背面14c侧对重叠部12a和重叠部14a进行加热来形成，也能够通过从第1钢材12的表面12b侧对重叠部12a和重叠部14a进行加热来形成。
图4的(c)所示的熔融部18以未到达第2钢材14的背面14c的方式从第1钢材12的表面12b朝向第2钢材14的背面14c延伸。该熔融部18例如能够通过从第1钢材12的表面12b侧对重叠部12a和重叠部14a进行加热来形成。
在上述的实施方式中，对使具有俯视长方形状的第1钢材12和第2钢材14的焊接接头10的疲劳强度提高的方法进行了说明。然而，焊接接头的形状并不限定于上述的例子，本发明能够适用于各种形状的焊接接头。例如，也可以将本发明适用于图5所示那样的焊接接头24。以下，简单地说明焊接接头24。
图5的(a)是表示焊接接头24的立体图，图5的(b)是表示焊接接头24的分解立体图。参照图5的(a)，焊接接头24具有第1构件26、第2构件28以及将第1构件26和第2构件28连接的焊接部30。第1构件26和第2构件28分别由钢形成。另外，第1构件26和第2构件28的厚度是例如3.3mm以下。
参照图5的(a)、(b)，第1构件26具有方管形状，具有4个板状部32、34、36、38。板状部32和板状部36彼此相对且平行地设置。板状部34和板状部38彼此相对且平行地设置。板状部34、38分别将板状部32和板状部36连接起来。板状部32的一部分32a和板状部36的一部分36a相对于板状部34、38向第2构件28侧突出。
第2构件28具有方管形状，具有4个板状部40、42、44、46。板状部40和板状部44彼此相对且平行地设置。板状部42和板状部46彼此相对且平行地设置。板状部42、46分别将板状部40和板状部44连接起来。
在将第1构件26和第2构件28焊接之际，利用板状部32的一部分32a和板状部36的一部分36a夹持第2构件28。在焊接接头24中，在板状部32的一部分32a和板状部40的一部分分别作为重叠部而相互重叠且板状部36的一部分36a和板状部44的一部分分别作为重叠部而相互重叠的状态下，第1构件26和第2构件28被焊接。焊接部30沿着第1构件26中的靠第2构件28侧的缘部形成。
在本实施方式中，板状部32和板状部36分别相当于第1钢材，板状部40和板状部44分别相当于第2钢材。参照图5的(a)，在本实施方式中，例如，将焊接部30沿着板状部32中的靠第2构件28侧的缘部延伸的方向设为上述的延伸方向X来规定基准方向Y。如此规定基准方向Y，与上述的实施方式同样地，例如，在板状部32的一部分32a和板状部40中的与上述一部分32a重叠的部分形成熔融部48。虽省略详细的说明，但同样地，将焊接部30沿着板状部36中的靠第2构件28侧的缘部延伸的方向设为延伸方向来规定基准方向。如此规定基准方向，与上述的实施方式同样地，例如，在板状部36的一部分36a和板状部44中的与上述一部分36a重叠的部分形成熔融部。由此，与上述的焊接接头10同样地，在焊接接头24中也能够使疲劳强度提高。
如以上那样，在使具有将一个构件的板状部焊接到另一个构件的板状部而成的结构的搭接焊接头的疲劳强度提高之际，能够将一个板状部规定为第1钢材、将另一个板状部规定为第2钢材来利用本发明。
在上述的实施方式中，对第1钢材和第2钢材分别由钢板或平板状的部分构成的情况进行了说明，但第1钢材和第2钢材的形状并不限定于上述的例子。例如，第1钢材也可以具有曲面状的表面和/或背面，第2钢材也可以具有曲面状的表面和/或背面。具体而言，例如，也可以将本发明适用于图6所示那样的焊接接头10b。
图6的(a)是表示焊接接头10b的纵剖视图，图6的(b)是图6的(a)的B-B线剖视图。参照图6的(a)，焊接接头10b与上述的焊接接头10不同点在于，第1钢材12具有半圆筒形状，第2钢材14具有圆筒形状。即，在本实施方式中，第1钢材12具有曲面形状(半圆筒形状)的背面12c，第2钢材14具有曲面形状(圆筒形状)的表面14b。在本实施方式中，也与上述的实施方式同样地，第1钢材12和第2钢材14的厚度是例如3.3mm以下。
在焊接接头10b中，在背面12c的一部分与表面14b的一部分相对的状态下，第1钢材12和第2钢材14被焊接部16接合。在本实施方式中，焊接部16沿着第1钢材12的缘部在第2钢材14的周向(在图6的(b)中以箭头X表示的方向)上延伸。另外，在本实施方式中，熔融部18也以与焊接部16平行地延伸的方式形成于重叠部14a。在本实施方式中，熔融部18以沿着第2钢材14的周向X延伸的方式形成。此外，熔融部18也可以与上述的实施方式同样地形成于重叠部12a。
在图6所示的焊接接头10b中，也与上述的实施方式同样地，能够规定基准方向Y、第1方向Y1、第2方向Y2、位置20a、位置20b、距离d1、距离d2、以及距离L而利用本发明。此外，省略详细的说明，但也可以是，第1钢材具有圆筒形状，第2钢材具有半圆筒形状。另外，第1钢材和第2钢材也可以都具有半圆筒形状，第1钢材和第2钢材也可以都具有圆筒形状。
＜基于模拟的研究1>
以下，对本发明的效果与基于使用了计算机的FEM分析的模拟结果一起进行说明。图7的(a)是表示本发明的焊接接头的FEM分析模型50(以下，简称为分析模型50。)的图，图7的(b)是表示比较例的焊接接头的FEM分析模型55(以下，简称为分析模型55。)的图，图7的(c)是表示另一比较例的焊接接头的FEM分析模型60(以下，称为分析模型60。)的图。各分析模型是使用了平面应变要素的2维分析模型，要素数是1986。另外，基于线性移动硬化法则进行了分析。第1钢材12、第2钢材14和焊接部16的材料设为SUS316L。此外，在图7的(a)、(b)、(c)以及后述的图11、14中，将分析模型的约束点以三角形的记号表示。
对于分析模型50、55、60中的任一个，第1钢材12和第2钢材14的厚度都设为3.2mm。第1钢材12的向第1方向Y1距焊接部16侧的端1mm的区域与第2钢材14结合。另外，第1钢材12与第2钢材14之间的静摩擦系数设为0.2。
在使用了分析模型50的模拟中，设想形成贯通第1钢材12和第2钢材14的熔融部18，如下述的表1所示，将成为熔融部18的部分从常温(20℃)加热到1400℃以上。另外，如下述的表1所示，距离d1设定成3mm、6mm以及8mm。熔融部18的基准方向Y上的宽度设为2mm。之后，将焊接接头冷却到常温(20℃)之后，将焊接接头的两端部的约束解除而研究了在焊趾16b附近产生的残余应力。
此外，在使用了分析模型50的模拟中，在加热时和冷却时，如以下这样约束了焊接接头。在第1钢材12的端面12e中，限制第1钢材12向基准方向Y的移动，在向第2方向Y2距端面12e的长度为L1的区域中，限制了第1钢材12向板厚方向的移动。在第2钢材14的端面14e中，限制第2钢材14向基准方向Y的移动，在向第1方向Y1距端面14e的长度为L2的区域中，限制了第2钢材14的向板厚方向的移动。如下述的表1所示，长度L1设定成0mm、5mm、10mm、15mm以及35mm。此外，将长度L1设定成0mm的情况意味着第1钢材12中的向板厚方向的移动未被限制的场所仅是端面12e的情况。长度L2设定成0mm、5mm、10mm、15mm以及25mm。将长度L2设定成0mm的情况意味着第2钢材14中的向板厚方向的移动被限制着的场所仅是端面14e的情况。
[表1]
Figure BDA0001744472540000171
在使用了分析模型55的模拟中，以与使用了分析模型50的模拟同样的加热条件和冷却条件进行了分析。此外，如上述的表1所示，距离d1设为3mm。熔融部18的基准方向Y上的宽度设为2mm。另外，在加热时和冷却时，在第1钢材12的端面12e中，限制第1钢材12向基准方向Y的移动，在第2钢材14的端面14e中，限制了第2钢材14向基准方向Y的移动。未限制第1钢材12向板厚方向的移动和第2钢材14向板厚方向的移动。
另外，在使用了分析模型60的模拟中，将向第2方向Y2距焊趾16b的距离为d3的区域60a从常温(20℃)加热到第2钢材14不熔融的温度。如上述的表1所示，距离d3设定成3mm和11mm。加热温度设定成650℃和800℃。之后，在将焊接接头冷却到常温(20℃)之后，将焊接接头的两端部的约束解除而研究了在焊趾16b附近产生的残余应力。此外，在加热时和冷却时，在第1钢材12的端面12e中，限制第1钢材12向基准方向Y的移动，在向第2方向Y2距端面12e的长度为35mm的区域中，限制第1钢材12向板厚方向的移动。另外，在第2钢材14的端面14e中，限制第2钢材14向基准方向Y的移动，在向第1方向Y1距端面14e为长度25mm的区域中，限制了第2钢材14向板厚方向的移动。
在图8和图9中示出在焊趾16b附近产生的基准方向Y的残余应力。图8表示在第2钢材14的表面14b产生的残余应力，图9表示在第2钢材14的板厚中央产生的残余应力。在图8和图9中，将拉伸残余应力以正值表示，将压缩残余应力以负值表示。在后述的图12、图13和图15中也同样。另外，在图10中示出从在第2钢材14的表面14b产生的残余应力减去在板厚中央产生的残余应力而得到的值。此外，在图8～图10中，横轴表示向第2方向Y2距焊趾16b的距离。在后述的图12和图15中也同样。
另外，对如上述那样进行了加热和冷却之后的分析模型50(具体而言，在表1的分析No.1～7中所使用的分析模型50)施加了弯矩(0.4N·m)。具体而言，如图11所示，在将第2钢材14的靠第2方向Y2侧的端部约束了的状态下，对第1钢材12的预定的位置P施加了弯矩。虽省略图示，但对于进行了加热和冷却之后的分析模型60，也同样地施加了弯矩。将对分析模型50、60施加了弯矩之际的、第2钢材14的表面14b的应力分布表示在图12中。此外，为了比较，在图12中，将对加热前(即，形成熔融部18之前)的分析模型施加有弯矩之际的、第2钢材14的表面14b的应力分布表示为分析No.13。另外，在图13中示出弯矩的施加的前后的应力的变化。此外，在图13中，示出在第2钢材14的表面14b上向第2方向Y2距焊趾16b为0.5mm的位置(应力的变化量最大的位置)的应力。
如从图8可知那样，在本发明的焊接接头的分析模型50(分析No.1～7)中，与比较例的焊接接头的分析模型55、60(分析No.8～12)相比，能够在第2钢材14的表面14b中使充分大的压缩残余应力在焊趾16b的附近产生。另外，如从图8和图10可知那样，在分析模型50(分析No.1～7)中，与分析模型55、60(分析No.8～12)相比，在焊趾16b的附近中，能够使在表面14b产生的残余应力成为比在板厚中央产生的残余应力充分地靠压缩侧的值。另外，根据分析No.1的结果与分析No.2～7的结果之间的比较可知：通过在至少端面12e(参照图7)中限制第1钢材12的向第1方向Y1的移动和向板厚方向的移动，在至少端面14e(参照图7)中限制第2钢材14向第2方向Y2的移动和向板厚方向的移动，能够在焊趾16b的附近使在表面14b产生的残余应力成为比在板厚中央产生的残余应力充分地靠压缩侧的值。
而且，如从图12和图13可知那样，在施加有弯矩之际，在分析模型50(分析No.1～7)中，与分析模型60(分析No.9～12)和加热前的分析模型(分析No.13)相比，能够在表面14b中使焊趾16b的附近产生的拉伸应力充分地降低。从以上内容可知：根据本发明的焊接接头，能够在第2钢材14的表面14b中抑制在焊趾16b附近产生较大的拉伸应力。因而，根据本发明可知：能够充分地提高搭接焊接头的疲劳强度。此外，根据图12所示的结果得知：通过使距离d1比8mm小，能够更充分地降低在施加有弯矩之际产生的拉伸应力。另外，可知：通过使距离d1比6mm小，能够进一步充分地降低在施加有弯矩之际产生的拉伸应力。
＜基于模拟的研究2>
在上述的模拟中，设想以贯通第1钢材12和第2钢材14的方式形成熔融部18的情况而进行了分析，但在本模拟中，改变熔融部18的形成区域而研究了焊趾16b附近的残余应力。
参照图14的(a)、(b)，在本模拟中，使用了熔融部18未到达第2钢材14的背面14c的分析模型70、以及熔融部18未到达第1钢材12的表面12b的分析模型80。距离d1设为3mm。此外，对于除了熔融部18以外的部分，以与上述的分析模型50的条件同样的条件制作了分析模型70、80。约束条件与表1的分析No.5(L1＝35mm、L2＝25mm)的约束条件相同。
以与针对上述的分析模型50的条件同样的条件对分析模型70、80进行加热和冷却，研究了在第2钢材14的表面14b产生的残余应力。将其结果表示在图15中。此外，为了比较，将分析模型50的分析No.5(d1＝3mm)的分析结果也表示在图15中。
如从图15可知那样，在熔融部18未贯通第1钢材12和第2钢材14的情况下，获得了与以贯通第1钢材12和第2钢材14的方式形成了熔融部18的情况同样的效果。
实施例
使用以图3进行了说明的本实施方式的提高方法，制作了具有图16所示的形状·尺寸的多个焊接接头10。将第1钢材12和第2钢材14的厚度分别设为1.6mm，上述的距离L设定成10mm，上述的距离d1设定成3mm和6mm。以下，将距离d1设定成3mm的焊接接头10称为实施例1的焊接接头10，将距离d1设定成6mm的焊接接头10称为实施例2的焊接接头10。此外，第1钢材12和第2钢材14通过电弧焊接合起来。另外，利用激光束在整个第1钢材12和第2钢材14的范围内形成了熔融部18。从实施例1和实施例2的焊接接头10采集了各两根具有图17所示的形状·尺寸的疲劳试验片。此外，在图17中，(a)是疲劳试验片的俯视图，(b)是(a)的b-b线剖视图。另外，在图17的(a)中，为了避免附图变得繁杂，未示出熔融部18。另外，将除了不具有熔融部18这点(未进行加热和冷却处理这点)之外，具有与实施例1和实施例2的焊接接头的结构同样的结构的焊接接头制作成比较例的焊接接头。从所制作的比较例的焊接接头采集了3根具有图17所示的形状·尺寸的疲劳试验片。
使用从实施例1、2的焊接接头10和比较例的焊接接头所采集的上述的试验片，实施了弯曲疲劳试验。将弯曲疲劳试验的结果表示在图18中。如图18所示，在应用了本发明的实施例1、2的焊接接头10中，与未应用本发明的比较例的焊接接头相比，充分地提高了疲劳寿命。具体而言，若对例如最大应力是330MPa时的疲劳寿命进行比较，则实施例1、2的焊接接头10的疲劳寿命成为比较例的焊接接头的疲劳寿命的约8.4～8.7倍。另外，若对例如最大应力是360MPa时的疲劳寿命进行比较，则实施例1、2的焊接接头10的疲劳寿命成为比较例的焊接接头的疲劳寿命的约1.4～1.8倍。根据以上内容可知：根据本发明，能够充分地提高搭接焊接头的疲劳强度。
产业上的可利用性
根据本发明，能够充分地提高搭接焊接头的疲劳强度。因而，本发明能够恰当地利用于用作汽车的车身等构成构件的搭接焊接头的疲劳强度提高。
附图标记说明
10、10a、10b、24、焊接接头；12、第1钢材；14、第2钢材；16、30、焊接部；18、48、熔融部；26、第1构件；28、第2构件；32、34、36、38、40、42、44、46、板状部。

Claims (13)

1.一种搭接焊接头的疲劳强度提高方法，在该搭接焊接头中，具有预定的厚度的第1钢材的一部分和具有预定的厚度的第2钢材的一部分分别作为重叠部重叠，且所述第1钢材的缘部被沿着所述缘部延伸的焊接部焊接于所述第2钢材的表面，在该搭接焊接头的疲劳强度提高方法中，
以与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向为基准方向，在限制了所述搭接焊接头向所述基准方向的移动、限制了所述第1钢材向所述第1钢材的厚度方向的移动、且限制了所述第2钢材向所述第2钢材的厚度方向的移动的状态下，对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成熔融部。
2.根据权利要求1所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，
对所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成所述熔融部。
3.根据权利要求1或2所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，
所述熔融部以与沿着所述第1钢材的所述缘部延伸的所述焊接部平行地延伸的方式形成。
4.根据权利要求1或2所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，
所述第2钢材的所述重叠部的加热位置是沿着所述基准方向距沿着所述缘部延伸的所述焊接部2mm以上且10mm以下的位置。
5.根据权利要求1或2所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，
利用激光束、钨极惰性气体、或电子束来对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热。
6.根据权利要求1或2所述的搭接焊接头的疲劳强度提高方法，其中，
所述熔融部形成于沿着所述基准方向与所述焊接部分开的位置。
7.一种搭接焊接头的制造方法，其中，该搭接焊接头的制造方法具有：
焊接工序，在该焊接工序中，通过对第1钢材和第2钢材进行焊接，来获得接合体；以及加热工序，在该加热工序中，对所述接合体进行加热，
所述焊接工序包括如下工序：在所述第1钢材的一部分和所述第2钢材的一部分分别作为重叠部而重叠起来的状态下，以沿着所述第1钢材的缘部形成焊接部的方式对所述缘部和所述第2钢材的表面进行焊接，
所述加热工序包括如下工序：以与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向为基准方向，在限制了所述接合体向所述基准方向的移动、限制了所述第1钢材向所述第1钢材的厚度方向的移动、且限制了所述第2钢材向所述第2钢材的厚度方向的移动的状态下，对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成熔融部。
8.根据权利要求7所述的搭接焊接头的制造方法，其中，
所述加热工序包括如下工序：对所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热，以便在所述第1钢材的所述重叠部的一部分和所述第2钢材的所述重叠部的一部分形成所述熔融部。
9.根据权利要求7或8所述的搭接焊接头的制造方法，其中，
在所述加热工序中，所述熔融部以与沿着所述第1钢材的所述缘部延伸的所述焊接部平行地延伸的方式形成。
10.根据权利要求7或8所述的搭接焊接头的制造方法，其中，
所述加热工序中的所述第2钢材的所述重叠部的加热位置是沿着所述基准方向距沿着所述缘部延伸的所述焊接部2mm以上且10mm以下的位置。
11.根据权利要求7或8所述的搭接焊接头的制造方法，其中，
在所述加热工序中，利用激光束、钨极惰性气体、或电子束来对所述第2钢材的所述重叠部的一部分进行加热。
12.根据权利要求7或8所述的搭接焊接头的制造方法，其中，
在所述加热工序中，所述熔融部形成于沿着所述基准方向与所述焊接部分开的位置。
13.一种搭接焊接头，其是在第1钢材的一部分和第2钢材的一部分分别作为重叠部重叠起来的状态下所述第1钢材的缘部焊接于所述第2钢材的表面的搭接焊接头，其中，该搭接焊接头具有：
焊接部，其沿着所述第1钢材的缘部延伸且将所述缘部与所述第2钢材连接；以及
熔融部，其在所述第2钢材的所述重叠部的一部分中形成于与所述焊接部分开的位置，
在将与所述焊接部的延伸方向垂直且与所述第2钢材的所述表面平行的方向中的、以所述焊接部为基准而朝向与所述第1钢材相反的一侧的方向设为预定方向的情况下，
在沿着所述预定方向距所述焊接部的所述第2钢材的表面上的焊趾0.5mm的位置处，在所述第2钢材的所述表面产生的残余应力是比在所述第2钢材的厚度方向上的中央产生的残余应力靠压缩侧的值。
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