JP2007098462A - フラッシュバット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超ハイテン材をフラッシュバット溶接する際に、溶接割れを抑制する。
【解決手段】超ハイテン材１を突き合わせてフラッシュバット溶接を行う方法である。アプセット終了後、溶接電源をもちいて溶接部に通電と無通電を繰り返す直接通電を行う後熱処理において、予め、後熱処理の、昇温過程における加熱到達温度の目標値、および冷却過程における冷却到達温度と冷却速度のそれぞれの目標値に基づき、昇温過程および冷却過程におけるそれぞれの直接通電の条件を決定する。この決定した条件通りに後熱処理を行う。
【効果】超ハイテン鋼板のフラッシュバット溶接における溶接部品質が向上し、冷間圧延時の破断を効果的に防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フラッシュバット溶接方法に関し、特に、超ハイテン材に好適なフラッシュバット溶接方法に関するものである。
本発明において、超ハイテン材とは、低炭素鋼にＳｉ，Ｍｎ，Ａｌ等の酸化介在物を形成しやすい合金成分を少量含有させた鋼板（いわゆるハイテン材）のうち、引張強度が７８０MPa以上であるものを言う。

フラッシュバット溶接は、フラッシュ工程とアプセット工程とからなる溶接方法である。このうち、フラッシュ工程は、被溶接材をクランプし、その両端に電圧を印加した状態で突合せ端面を適切な速度で接近させることで局部的な接触部を生じさせ、この接触部に電流を流し、流れる高電流密度の短絡電流による抵抗発熱と、前記接触部の接触短絡部の接触に伴い発生するアークによって端面の溶融金属を飛散させる工程である。また、アプセット工程は、前記フラッシングにより端面全面の温度を上昇させ、突合せ端面の全面にほぼ一様な溶融層を形成させた時点で急速に圧接し変形させる工程である。

ところで、ハイテン材をフラッシュバット溶接する場合は、溶接界面に酸化介在物が残留するため、酸化介在物と地鉄との境界で割れが生じて溶接部の強度が低下し、後工程である冷間圧延の通板に支障をきたすといった問題があった。

そこで、酸化介在物が溶接界面に残存するのを回避させる方法として、溶接部近傍で還元性ガスを燃焼させることにより大気中の酸素を遮断する方法が特許文献１で開示されている。また、グリースを溶接部近傍に塗布して溶接時の熱により保護ガスを発生させる方法が特許文献２で開示されている。
特開昭４９−９６９４７号公報 特開昭６２−２７５５８１号公報

また、溶接電源を用いて溶接機内で溶接後に熱処理（後熱処理）を行ない、溶接部の内部応力の除去、及び靭性を向上させる方法が特許文献３、４に開示されている。
特開昭５５−３６０１７号公報 特開昭５５−３６０１８号公報

さらに、溶接機内の後熱処理において温度を変化させる方法が特許文献５、６に、また、溶接電源を用いた直接通電とガス燃焼による熱処理を組み合わせた溶接前・後の効率的な熱処理が特許文献７に開示されている。
特開昭５７−１４５９３６号公報 特開平４−１８２０７５号公報 特開平１１−３２０１０４号公報

ところで、溶接部の割れを防止するために、溶接部の内部応力を除去して靭性を得るようにするには、特に超ハイテン材では、後熱処理において、加熱到達温度および冷却到達温度になるまで、的確に昇温制御と冷却制御を行うことが要求される。

しかしながら、前記の各特許文献に開示された後熱処理は、加熱時間や冷却時間を単に調整する方法であり、溶接後の後熱処理における加熱到達温度や冷却到達温度を制御するものではない。したがって、前記の各特許文献に開示された方法で超ハイテン材をフラッシュバット溶接した場合には、溶接割れの防止が十分ではなかった。

本発明が解決しようとする問題点は、前記提案されているいずれの方法も、特に超ハイテン材をフラッシュバット溶接する場合には、溶接割れを十分に防止することができないと言う点である。

従来から、Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の合金成分を多く含有した鋼板のフラッシュバット溶接には、溶接界面に発生する溶接部酸化生成物と地鉄の間の境界で起こる割れが溶接不良の大きな要因として考えられていた。

発明者は、Ｍｎ：２.００質量％，Ｓｉ：０.６５質量％，Ａｌ：０.９０質量％を含有する、板厚が３．２mmの鋼板を用いたフラッシュバット溶接試験を行った。その結果、溶接部にはＳｉ，Ａｌ等による酸化生成物は確認されなかった。これより、被溶接部に塗布したグリースの燃焼と、アプセット工程で圧接を強化したことにより酸化介在物の発生が抑えられたものと考えられる。

そこで、発明者は、溶接熱影響部による硬度分布の変化、靭性の低下を溶接不良の要因として取り上げ、溶接熱影響部の組織変化による溶接不良発生を防止する後熱処理方法を検討し、以下の知見を得た。

（１）溶接電源を用い、通電と無通電を繰り返して溶接部の昇温、冷却を行う後熱処理において、昇温過程における通電と無通電の条件と加熱到達温度の関係、および冷却過程における通電と無通電の条件と冷却到達温度、冷却速度との関係を予め求めておく。これらの関係に基づき、昇温過程における溶接部の加熱到達温度が目標値になるように通電、無通電の条件を決定し、また、冷却過程における溶接部の冷却到達温度と冷却速度がそれぞれ目標値になるように通電、無通電の条件を決定する。その後は、決定したこれらの条件の通りに後熱処理を行えば、冷間圧延の際の溶接割れを抑制することができる。なお、冷却到達温度以降は放冷処理をする。

（２）昇温過程における通電と無通電の条件と加熱到達温度の関係、および冷却過程における通電と無通電の条件と冷却到達温度、冷却速度との関係は、後熱処理中の溶接部の温度を測定することにより求めることができる。

（３）加熱到達温度、冷却到達温度および冷却速度のそれぞれの目標値は、被溶接材の材質により異なるが、溶接部の組織が焼き戻しマルテンサイト組織となるように設定される。これにより、溶接部の軟化、靭性の向上が図れ、溶接部の割れが抑制される。

本発明のフラッシュバット溶接方法は、発明者の上記知見に基づいてなされたものであり、
超ハイテン材をフラッシュバット溶接する場合にも、溶接割れを抑制して、後工程における冷間圧延が可能なようにするために、
被溶接材を突き合わせてフラッシュバット溶接を行う方法であって、
アプセット終了後、溶接電源をもちいて溶接部に通電と無通電を繰り返す直接通電を行う後熱処理において、
予め、後熱処理の、昇温過程における加熱到達温度の目標値、および冷却過程における冷却到達温度と冷却速度のそれぞれの目標値に基づき、昇温過程および冷却過程におけるそれぞれの直接通電の条件を決定し、
この決定した条件通りに後熱処理を行うことを最も主要な特徴としている。

より具体的には、本発明のフラッシュバット溶接方法において、昇温過程ならびに冷却過程におけるそれぞれの直接通電の条件は、予め後熱処理の際の溶接部の温度を測定し、昇温過程における加熱到達温度と直接通電条件との関係と、冷却過程における冷却到達温度、冷却速度と直接通電条件との関係を求めることにより決定したものを使用する。

前記の本発明のフラッシュバット溶接方法では、適用する被溶接材が超ハイテン材である場合には、溶接割れの抑制効果がより発揮できることになる。

本発明により、特に、引張強度が７８０ＭＰａ以上である超ハイテン材のフラッシュバット溶接における溶接部品質が向上し、冷間圧延時の破断を効果的に防止できるという利点がある。また、これにより、超ハイテン材製造時の繋ぎ材の低減、冷間圧延時の荷重変動による繋ぎ部オフゲージ発生の減少、圧延能率・稼働率の向上の効果を奏する。

以下、本発明のフラッシュバット溶接方法を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図１は本発明のフラッシュバット溶接方法の後熱処理前の状況を示す概要図、図２は本発明のフラッシュバット溶接方法の後熱処理時における昇温・冷却パターンを示す模式図である。

本発明は、例えば超ハイテン材を突き合わせてフラッシュバット溶接を行うに際し、アプセット終了後に、溶接電源を用いて溶接部に通電と無通電を繰り返す直接通電を行う後熱処理が主要な特徴である。

すなわち、フラッシュバット溶接を行うに際し、被溶接材である超ハイテン材１は、フラッシュ工程とアプセット工程による溶接工程を経た後、溶接部Ｗのビードが切削される。そして、当該溶接部Ｗは、図１、図２に示すように、エアーブロー２によって設定温度以下に冷却され、その後、溶接部Ｗの焼き鈍し処理として後熱処理が行われる。なお、エアーブロー２による冷却に代えて自然放冷してもよい。

この後熱処理は、制御装置３からの指令により、溶接電源を用いて通電と無通電のサイクルを繰り返すことにより溶接部Ｗの昇温と冷却が行われる。

そのうち、溶接部Ｗの昇温は、電極クランプ４を加圧状態にして、二次導体をコンタクタ５により連結させ、クランプされた被溶接部に溶接電源より電圧を印加し、昇温設定条件に定められた通電、無通電のサイクルを繰り返すことにより行う。これにより、溶接部は目標とする加熱到達温度まで加熱される。

一方、冷却は、電極クランプ４は加圧状態に、二次導体のコンタクタ５は連結状態にして、冷却設定条件に定められた通電、無通電のサイクルを繰り返すことにより行う。これにより、溶接部Ｗは目標とする冷却到達温度まで、目標とする冷却速度で到達する。溶接部Ｗの温度が冷却到達温度まで達した時点で電極クランプ４は開の状態、二次導体のコンタクタ５は開放状態にする。

本発明では、このような後熱処理中における溶接部Ｗの温度を、予め測定することで、昇温過程における加熱到達温度が目標値となるように通電と無通電の条件（昇温設定条件）を求めておくのである。また、冷却過程における冷却到達温度と冷却速度がそれぞれ目標値となるように通電と無通電の条件（冷却設定条件）を求めておくのである。

そして、実際の後熱処理に際しては、前記決定した条件通りに後熱処理を行うのである。後熱処理後は、放冷で圧延可能温度まで冷却し、冷間圧延ミルに供給する。
なお、前記溶接部Ｗの温度測定は、例えば入側の電極クランプ４の下部に温度センサーを取付けて測定すればよい。温度センサーとしては、例えば反射式レーザ温度計を用いることができる。

このような本発明のフラッシュバット溶接方法によれば、Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の合金成分を多く含有した超ハイテン材であっても、溶接部Ｗの軟化、靭性の向上が図れ、冷間圧延の際に発生しやすい溶接部の割れを抑制することができる。
なお、図１中の６はエアーブロー２のコントローラ、７は電磁弁、８は溶接トランスを示す。

以下、本発明のフラッシュバット溶接方法の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
予め、下記表１に示す化学成分の供試材（引張強度：７８０MPa）を用いてフラッシュバット溶接を行い、アプセット完了後、溶接部をエアーブロー冷却（冷却速度：２５℃／sec）にて３５０℃以下となるように冷却した。

その後、溶接部の温度を測定しながら後熱処理を行い、加熱到達温度が７５０℃或いは７８０℃となるように、加熱過程における通電、無通電の１サイクル中の時間割合と総通電時間を決定した。また、冷却到達温度が３５０℃、冷却速度が１７℃／sec（平均値）となるように、冷却過程における通電、無通電の１サイクル中の時間割合と総通電時間を決定した。

なお、後熱処理条件は、溶接部の組織が焼き戻しマルテンサイト組織になるように決定されるが、フラッシュバット溶接する材質により、例えば下記の範囲内で決定される。
(a) 溶接後の冷却温度：５００℃以下、２００℃以上。
(b) 後熱処理時の加熱到達温度：５００℃以上、８００℃以下。
(c) 冷却到達温度：４５０℃以下。

次いで、前記供試材を用いて、フラッシュバット溶接を行い、アプセット後に、図２に示すように、エアーブローを用いて溶接部に冷却用エアーを噴射し、溶接部を２５℃／secの冷却速度で、３５０℃以下に冷却した。その後、前記決定した通電、無通電の条件の通り後熱処理を行った。

なお、比較例として、経験的に決定した後熱処理の条件、すなわち、通電、無通電の時間配分と総時間とを経験的に決定し、その条件で加熱処理を行い、その後は放冷とした試験も実施した。

後熱処理を実施した供試材から、溶接部を含む２００mm長さの試験片を採取し、エリクセン試験を行い、溶接部の割れ形態、割れ発生時の耐荷重ならびに溶接部の硬度を調査した。なお、エリクセン試験では、試験片両端部から５０ｍｍ内側に入った２箇所（端部ともいう）とセンター部の計３箇所において、下方より３０ｍｍ径の球にて油圧荷重をかける方法で行った。

エリクセン試験により、溶接線に沿った縦割れ（界面割れ）あるいは溶接線周辺のカップ状割れが発生した。
耐荷重については母材の耐荷重を１００％とし、前記３箇所の内で耐荷重が最も小さい箇所の耐荷重の、母材の耐荷重に対する割合（耐荷重比）が６５％以上であって、前記３箇所の全てにおいてカップ状割れが発生する場合を、冷間圧延可能と判定した。したがって、耐荷重比が６５％未満のもの、あるいは、界面割れの発生が有るものは、冷間圧延不可と判定した。
下記表２に試験結果を示す。

表２に示すように、試験Ｎｏ.１は経験的に決定した通電、無通電の条件で後熱処理を行ったもので、エリクセン試験の結果では、試験実施個所３箇所の全てに界面割れが発生した。そして、最低耐荷重も１１MPaで母材の耐荷重（３４MPa）に対する耐荷重比は３２％で、冷間圧延不可と判定された。なお、後熱処理における冷却過程は自然放冷とした。

試験Ｎｏ.２は、試験Ｎｏ．１の試験結果を踏まえ、通電時間を試験Ｎｏ．１の２倍とし、無通電時間を試験Ｎｏ．１の８０％に設定したものである。加熱終了後は試験Ｎｏ．１と同様に自然放冷とした。試験Ｎｏ．２では、１箇所で界面割れとなり、耐荷重はセンター部で２５ＭＰａ、端部で２１ＭＰａであった。また、耐荷重比は６２％で、冷間圧延不可と判定された。

これに対して、試験Ｎｏ．３〜５は、本発明方法による後熱処理を行ったもので、試験Ｎｏ．３，４は加熱到達温度の目標値を７５０℃とし、試験Ｎｏ．５は加熱到達温度の目標値を７８０℃とした。

すなわち、試験Ｎｏ．３，４では、加熱到達温度の目標値を７５０℃、冷却到達温度の目標値を３５０℃、冷却速度（平均値）の目標値を１７℃／secとし、予め、溶接部の温度を測定しながら後熱処理を行い、昇温設定条件ならびに冷却設定条件を決定した。そして、この条件の通りに、昇温、冷却の後熱処理を行った。

また、試験Ｎｏ．５では、加熱到達温度の目標値を７８０℃、冷却到達温度の目標値を３５０℃、冷却速度（平均値）の目標値を１７℃／secとして、試験Ｎｏ．３，４と同様に後熱処理を行った。

試験Ｎｏ．３，４では、３箇所の全てにおいてカップ状の割れとなり、最低耐荷重は２３MPa、耐荷重比は６７％であり、冷間圧延可能と判定された。また、試験Ｎｏ．５では、３箇所の全てにおいてカップ状割れとなり、耐荷重もセンター部が３０MPa、両端部が２７MPaで、耐荷重比は７９％であり、冷間圧延可能と判定された。さらに、試験Ｎｏ．３〜５では、試験Ｎｏ．１，２に比べ、溶接部の硬度が低下した。

すなわち、本発明のフラッシュバット溶接方法によれば、Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の合金成分を多く含有した超ハイテン材であっても、溶接部の軟化や靭性の向上が図れ、冷間圧延が可能な溶接部が得られることが判明した。

本発明は、上記の実施例に示したものに限られるものではなく、各請求項に記載した技術的思想の範囲内で適宜実施態様を変更しても良いことはいうまでもない。たとえば、上記の例では、後熱処理に際して溶接部をシールしていないが、溶接部の上下をシールした状態で後熱処理を行ってもよい等である。

本発明は、超ハイテン材のフラッシュバット溶接に限らず、他の鋼板のフラッシュバット溶接にも適用できる。

本発明のフラッシュバット溶接方法の後熱処理前の状況を示す概要図である。 本発明のフラッシュバット溶接方法の後熱処理時における昇温・冷却パターンを示す模式図である。

符号の説明

１ 超ハイテン材
３ 制御装置
４ 電極クランプ
５ コンタクタ

Claims (3)

1. 被溶接材を突き合わせてフラッシュバット溶接を行う方法であって、
   アプセット終了後、溶接電源をもちいて溶接部に通電と無通電を繰り返す直接通電を行う後熱処理において、
   予め、後熱処理の、昇温過程における加熱到達温度の目標値、および冷却過程における冷却到達温度と冷却速度のそれぞれの目標値に基づき、昇温過程および冷却過程におけるそれぞれの直接通電の条件を決定し、
   この決定した条件通りに後熱処理を行うことを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
2. 昇温過程ならびに冷却過程におけるそれぞれの直接通電の条件は、
   予め後熱処理の際の溶接部の温度を測定し、
   昇温過程における加熱到達温度と直接通電条件との関係と、冷却過程における冷却到達温度、冷却速度と直接通電条件との関係を求めることにより決定することを特徴とする請求項１に記載のフラッシュバット溶接方法。
3. 被溶接材が超ハイテン材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフラッシュバット溶接方法。
   

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