JP2008173666A - 重ね抵抗溶接方法及び重ね溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】ナゲット割れ感受性が低く、ナゲット内破断が発生しにくい重ね抵抗溶接方法及び重ね溶接継手を提供する。
【解決手段】引張り強さが３４０ＭＰａ以上で、板厚が０．５〜１０ｍｍの高強度鋼板１ａ，１ｂを重ね合わせ、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．４％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下に規制された組成を有し、板厚ｔ_１が薄い方の高強度鋼板１ａの板厚ｔ_ｍｉｎの１／５０以上かつ１／５未満である鉄インサート材２を、高強度鋼板１ａ，１ｂの間に配置して溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被接合材を重ね合わせてスポット溶接する重ね抵抗溶接方法及びこの方法で溶接した重ね溶接継手に関し、特に、被接合材間にインサート材を配置して溶接する重ね抵抗溶接方法及び重ね溶接継手に関する。

自動車車体の加工組立工程においては、通常、乗用車１台あたり３０００〜５０００点という多数のスポット溶接がなされている。従来、このような自動車用途には、表面に亜鉛又は亜鉛合金等からなるめっき層を形成しためっき鋼板が使用されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。例えば、特許文献１には、スポット溶接性を向上させるために、鋼板の表面に、亜鉛めっき層、鉄めっき層又は鉄亜鉛合金めっき層、アルカリ金属等を含む酸化防止層をこの順に形成した合金化亜鉛めっき鋼板が開示されている。また、特許文献２には、溶融亜鉛めっき及び合金化処理が困難な高Ｓｉ添加高張力鋼板に対して、予備Ｆｅめっきを施してから、溶融亜鉛めっき及びその合金化処理を行う際に、予備Ｆｅめっきの目付け量、溶融亜鉛めっきの目付け量及び鋼中のＳｉ含有量との関係を規定することにより、めっき又は塗装の密着性向上を図った高張力合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法が開示されている。

更に特許文献３には、亜鉛めっき層上にＦｅ−Ｎｉ−Ｏ系皮膜を金属換算で合計１０〜１５００ｍｇ／ｍ^２形成し、更にこのＦｅ−Ｎｉ−Ｏ系皮膜中のＦｅ及びＮｉの総含有量に対するＦｅ含有量の比を規定することにより、スポット溶接性向上を図った積層鋼板が開示されている。更にまた、特許文献４には、めっき層の耐剥離性及び摺動特性を向上させるため、最表面のＦｅ含有率が最も高くなるようにめっき層中のＦｅ濃度を傾斜させると共に、めっき表面に微細な凹凸を形成すること等により、このＦｅ含有率が高い相を島状に存在させた合金化溶融めっき鋼板が開示されている。

一方、特許文献５には、引張り強度が１０００ＭＰａを超える超高強度鋼板の耐遅れ破壊特性を向上されるため、鋼素材の表面に厚さが１μｍ以上で、α相からなるＦｅめっき層を形成することが開示されている。

特開平４−１９１３５６号公報 特開平５−２７９８２９号公報 特開平９−２５４３０５号公報 特開２００５−２５６０４１号公報 特開平７−１７３６４６号公報

しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示す問題点がある。鋼板が高強度化するに伴い、スポット溶接部の強度が問題となっており、前述した特許文献１〜４に記載されているような亜鉛めっきを表面に施した高張力鋼板を、スポット溶接により重ね抵抗溶接した場合、引張せん断強さに関しては比較的問題が少ないが、十字引張試験を行うと、極端に強度が低下したり、ナゲット内に破断が生じたりしやすいという問題点がある。

また、特許文献５に記載されているようなα相からなるＦｅめっき層が形成された高張力鋼板は、水素脆化による遅れ破壊を防止することを目的としたものであるため、前述したようなスポット溶接により形成した継手における溶接部の割れ感受性改善については何ら検討がなされていない。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなさなれたものであって、ナゲット割れ感受性が低く、ナゲット内破断が発生しにくい重ね抵抗溶接方法及び重ね溶接継手を提供することを目的とする。

本発明に係る重ね抵抗溶接方法は、被接合材を重ね合わせてスポット溶接する重ね抵抗溶接方法において、前記被接合材は、前記被接合材は、引張り強さが３４０ＭＰａ以上で、板厚が０．５〜１０ｍｍの冷延鋼板又は熱延鋼板であり、前記被接合材間に、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．４％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下に規制した組成を有し、前記被接合材のうち薄い方の被溶接材の板厚をｔ_ｍｉｎとしたとき、板厚ｔ_１が下記数式（１）で規定される鉄インサート材を配置して溶接することを特徴とする。

この重ね抵抗溶接方法における前記被接合材は、下記数式（２）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２８以上であることが好ましい。なお、下記数式（２）における［Ｃ］はＣ含有量（質量％）、［Ｓｉ］はＳｉ含有量（質量％）、［Ｍｎ］はＭｎ含有量（質量％）、［Ｐ］はＰ含有量（質量％）、［Ｓ］はＳ含有量（質量％）、［Ａｌ］はＡｌ含有量（質量％）である。

また、前記鉄インサート材は、上記数式（２）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２０以下であることが好ましい。

本発明に係る重ね溶接継手は、前述した重ね抵抗溶接方法で溶接された重ね溶接継手であって、コロナボンドからナゲット径ｄｎの１／５までの領域のナゲット組成は、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ａｌ含有量（質量％）を［Ａｌ］としたとき、上記数式（２）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２４以下であることを特徴とする。

本発明によれば、被接合材の間に炭素当量が低い鉄インサート材を設けているため、重ね抵抗溶接時にこの鉄インサート材によりコロナボンド近傍のナゲット内組成における炭素当量を希釈して、ナゲット割れ感受性を低減し、ナゲット内破断の発生を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、鋼組成における質量％は、単に％と記載する。

先ず、本発明の第１の実施形態に係る重ね抵抗溶接方法について説明する。図１は本実施形態の重ね抵抗溶接方法を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の重ね抵抗溶接方法は、先ず、被接合材である２枚の高強度鋼板１ａ，１ｂの間に鉄インサート材２を配置する。そして、これらを１対の溶接電極３ａ，３ｂで挟持し、加圧しながら通電することにより、高強度鋼板１ａ，１ｂを溶接する。

本実施形態の重ね抵抗溶接方法において溶接される高強度鋼板１ａ，１ｂは、引張り強さが３４０ＭＰａ以上で、板厚が０．５〜１０ｍｍの冷延鋼板又は熱延鋼板である。また、鉄インサート材２は、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．４％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下に規制された組成の鋼材（又は鉄材）からなり、その厚さｔ_１は、被接合材のうち薄い方の被溶接材（高強度鋼板１ａ）の板厚をｔ_ｍｉｎとしたとき、下記数式（３）で規定される。この鉄インサート材２の引張り強さは、例えば４４０ＭＰａ以下である。

次に、本実施形態の重ね抵抗溶接方法で使用する鉄インサート材２に関する数値限定理由について説明する。

組成：Ｃ含有量０．１％以下，Ｓｉ含有量１．４％以下，Ｍｎ含有量２．０％以下，Ｐ含有量０．１５％以下，Ｓ含有量０．０３％以下，Ａｌ含有量０．１％以下
鉄インサート材２に含まれる各成分のうち、Ｃ含有量が０．１％を超えるか、Ｓｉ含有量が１．４％を超えるか、Ｍｎ含有量が２．０％を超えるか、Ｐ含有量が０．１５％を超えるか、Ｓ含有量が０．０３％を超えるか、又はＡｌ含有量が０．１％を超えると、スポット溶接で重ね抵抗溶接した場合にナゲット割れ感受性が高くなる。その結果、継手のたがね試験及び十字引張り試験等の剥離方向に応力をかける破壊試験においてナゲット内破断が発生しやすくなる。よって、Ｃ含有量は０．１％以下、Ｓｉ含有量は１．４％以下、Ｍｎ含有量は２．０％以下、Ｐ含有量は０．１５％以下、Ｓ含有量は０．０３％以下、Ａｌ含有量は０．１％以下に規制する。なお、これらの成分の含有量は０％でもよい。また、鉄インサート材は、上記各成分以外に、例えば、Ｔｉ：１．０％以下、Ｎｂ：０．３％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．３％以下、Ｗ：０．３％以下、Ｚｒ：０．３％以下、Ｂ：０．０２％以下を含有していてもよい。なお、鉄インサート材２における上記以外の成分、即ち残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。

厚さｔ_１：ｔ_ｍｉｎ／５０以上かつｔ_ｍｉｎ／５未満
鉄インサート材２の厚さｔ_１が、薄い方の被溶接材、即ち、高強度鋼板１ａの板厚ｔ_ｍｉｎの１／５０未満の場合、鉄インサート材２を配置した効果が得られず、スポット溶接で重ね抵抗溶接した場合にナゲット割れ感受性が高くなる。その結果、継手のたがね試験及び十字引張り試験等の剥離方向に応力をかける破壊試験においてナゲット内破断が発生しやすくなる。一方、鉄インサート材２の厚さｔ_１が高強度鋼板１ａの板厚ｔ_ｍｉｎの１／５以上になると、高強度鋼板１ａ，１ｂの間に形成されるナゲットの総体積に対して、高強度鋼板１ａ，１ｂよりも低強度の鉄インサート材２がナゲット内に占める割合が大きくなるため、継手全体としての強度が低下する。よって、鉄インサート材２の厚さｔ_１はｔ_ｍｉｎ／５０以上かつｔ_ｍｉｎ／５未満とする。

また、本実施形態の重ね抵抗溶接方法においては、高強度鋼板１ａ，１ｂとして、下記数式（４）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが例えば０．２８以上の鋼材を使用することができる。本発明は、このように通常のスポット溶接を行うとナゲット割れ感受性が大きくなる鋼材に適用することで、著しい効果を得ることができるものであり、そのナゲット割れ感受性をより低減し、ナゲット内破断の発生を抑制する効果を著しく向上させることができる。なお、下記数式（４）における［Ｃ］はＣ含有量（％）、［Ｓｉ］はＳｉ含有量（％）、［Ｍｎ］はＭｎ含有量（％）、［Ｐ］はＰ含有量（％）、［Ｓ］はＳ含有量（％）、［Ａｌ］はＡｌ含有量（％）である。

更に、本実施形態の重ね抵抗溶接方法で使用する鉄インサート材２は、上記数式（４）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２０以下であることが望ましい。これにより、重ね抵抗溶接した際に、鉄インサート材２により高強度鋼板１ａ，１ｂの間に形成されるナゲット内の成分が希釈されるため、コロナボンド近傍のナゲット内組成における炭素当量Ｃ_ｅｑを０．２４以下に低減することができる。その結果、溶接部におけるナゲット割れ感受性をより低くして、ナゲット内破断の発生を抑制する効果を大幅に向上させることができる。

上述の如く、本実施形態の重ね抵抗溶接方法においては、被接合材である高強度鋼板１ａ，１ｂの間に炭素当量Ｃ_ｅｑが低い鋼材（又は鉄材）からなり、適正な板厚の鉄インサート材２を配置しているため、重ね抵抗溶接した際に、この鉄インサート材２により高強度鋼板１ａ，１ｂの間に形成されるナゲット内の成分が希釈され、コロナボンド近傍のナゲット内組成における炭素当量Ｃ_ｅｑを低減することができる。その結果、溶接部におけるナゲット割れ感受性を低減し、ナゲット内破断の発生を抑制することができる。

また、本実施形態の重ね抵抗溶接方法は、特に、被溶接材である高強度鋼板１ａ，１ｂの炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２８以上である場合に有効であり、更に、鉄インサート材２の炭素当量Ｃ_ｅｑを０．２０以下とすることにより、溶接継手のコロナボンド近傍のナゲット内組成の炭素当量Ｃ_ｅｑを０．２４以下にまで低減することができ、前述した効果をより高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る重ね溶接継手について説明する。図２は本実施形態の重ね継手の構成を示す拡大断面図である。図２に示すように、本実施形態の重ね継手１１は、前述した第１の実施形態の重ね抵抗溶接方法により、高強度鋼板１ａと高強度鋼板１ｂとをスポット溶接したものである。そして、重ね継手１１におけるナゲット１２は、コロナボンドからナゲット径ｄｎの１／５までの領域１２ａにおいて、上記数式（４）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２４以下となる組成となっている。

次に、本実施形態の重ね溶接継手のナゲット組成における数値限定理由について説明する。コロナボンドからｄｎ／５までの領域１２ａのナゲット組成の炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２４を超えると、ナゲット１２内の硬さが増すと共に、結晶粒界にＰ及びＳ等の金属介在物が偏析しやすくなるため、ナゲット割れ感受性が高くなり、たがね試験及び十字引張り試験等の剥離方向に応力をかける破壊試験においてナゲット内破断が発生しやすくなる。よって、コロナボンドからｄｎ／５までの領域１２ａのナゲット組成における炭素当量Ｃ_ｅｑは０．２４以下とする。これにより、ナゲット割れ感受性をより低減し、ナゲット内破断の発生の抑制効果を向上させることができる。

上述の如く、本実施形態の重ね溶接継手においては、被接合材である高強度鋼板１ａ，１ｂの間に、炭素当量Ｃ_ｅｑが例えば０．２０以下と低い組成で、板厚が適正化された鉄インサート材２を配置して重ね抵抗溶接することにより、コロナボンド近傍のナゲット１２内組成における炭素当量Ｃ_ｅｑを０．２４以下としているため、溶接部におけるナゲット割れ感受性が低減し、ナゲット内破断の発生を抑制することができる。

なお、前述した第１及び第２の実施形態においては、板厚が相互に異なる被接合材同士を溶接する場合を例にして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、同じ厚さの被接合材同士の溶接に適用しても同様の効果が得られる。

また、前述した第１及び第２の実施形態においては、平板状の鉄インサート材を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種形状のものを使用することができる。図３（ａ）及び（ｂ）は鉄インサート材の他の形状を示す側面図であり、図３（ｃ）〜（ｅ）は平面図である。具体的には、平板状以外に、図３（ａ）に示すような断面が台形状のもの、図３（ｂ）に示すような断面がコーン形のものを使用することもできる。一方、平面形状も、図３（ｃ）に示すような円形状、図３（ｄ）に示すような楕円形状、図３（ｅ）に示すような正方形状、その他六角形状等の多角形状を適用することができる。

更に、鉄インサート材の大きさも特に限定されるものではないが、高強度鋼板１ａ，１ｂの間に形成されるナゲットの直径（ナゲット径）ｄｎの２／３以上で、かつナゲット径ｄｎ以下にすると、ナゲット内成分の希釈効果は十分に発揮されると共に、コロナボンド部へのインサート材２のはみ出しがなく、シート・セパレーション（板の浮き上がり）が少なくなることから、くぼみが小さい良好な製品形状が得られる。図４はナゲット径ｄｎよりも小さいボタン型のインサート材を使用して重ね抵抗溶接方法する方法を模式的に示す断面図である。図４に示すように、ナゲット径ｄｎと同等以下の大きさの鉄インサート材２０を使用して、本発明の重ね抵抗溶接方法で溶接する場合、鉄インサート材２０を高強度鋼板１ａと高強度鋼板１ｂとの間に置くだけでもその効果は得られるが、重ね抵抗溶接を行う前に、例えば抵抗溶接及びパーカッション溶接等の周知の接合技術により、予め鉄インサート材２０を高強度鋼板１ａ又は高強度鋼板１ｂに接合しておくことが望ましい。更にまた、ナゲット径ｄｎよりも小さい鉄インサート材２０を使用すると共に、上下電極に先端が平坦な電極を使用し、この電極で高強度鋼板１ａ，１ｂを押圧しつつ溶接すると、溶接形態がソリッド・プロジェクション溶接となるため、溶接後の鋼板表面（製品形状）が平滑になると共に、上述したナゲット内成分の希釈効果が得られる。

以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、下記表１に示す組成の高強度鋼板を被接合材とし、下記表２に示す組成の鉄インサート材を使用して、図１に示す方法で重ね抵抗溶接して、実施例及び比較例の溶接継手を作製した。溶接は、単相交流式スポット溶接機により、上下１対の電極には直径が１６ｍｍ、先端径が６ｍｍ、先端のＲが４０であるＣｒ−Ｃｕ合金製のＤＲ形電極を使用し、加圧力を２．５ｋＮ、通電時間を１２サイクル、保持時間を２５サイクルとして行った。本実施例においては、これらの溶接条件は一定とし、溶接電流は適宜調整した。なお、下記表１及び表２に示す鋼組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、下記表１及び表２におけるＴ−Ａｌは固溶アルミニウム、並びにアルミニウムの酸化物及び窒化物等の析出物を含めたアルミニウムの総含有量であり、下記表２におけるＴ−Ｔｉは固溶チタン、並びにチタンの酸化物、炭化物及び窒化物等の析出物を含めた総チタンの総含有量である。更に、下記表１及び表２においては、本発明の範囲から外れるものに下線を付して示している。

次に、実施例及び比較例の各溶接継手について、そのナゲット径ｄｎ、コロナボンドからナゲット径ｄｎの１／５までの領域のナゲット組成における炭素当量Ｃ_ｅｑを測定すると共に、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に基づいて十字引張り試験を行い、その破断形態及び引張り強さにより評価した。その結果を下記表３にまとめて示す。なお、下記表３に示す破断形態において、Ｐ／Ｂは母材部プラグ破断を示し、Ｐ／Ｎはナゲット内プラグ破断を示す。また、判定の良否は、母材部プラグ破断でかつ引張り強さが５．０ｋＮ以上のものを良好とし、ナゲット内プラグ破断を呈したもの又は引張り強さが５．０ｋＮ未満の低強度のものを不可とした。更に、下記表３には溶接時の溶接電流も併せて示す。

上記表３に示すように、鉄インサート材の厚さが本発明の範囲よりも薄い比較例Ｎｏ．２の継手は、ナゲット内プラグ破断で引張り強さは３．４ｋＮ／点であった。一方、鉄インサート材の厚さが本発明の範囲を超えている比較例Ｎｏ．３の継手は、母材部プラグ破断であったが引張り強さは４．１ｋＮ／点と低強度であった。また、鉄インサート材の組成が本発明の範囲から外れているＮｏ．５の継手は、ナゲット内プラグ破断で引張り強さは３．７ｋＮ／点であった。これに対して、本発明の範囲内で作製した実施例Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．６及びＮｏ．７の継手は、十字引張り試験の結果、母材部プラグ破断となり、ナゲット内破断は発生しなかった。また引張り強さも５．０ｋＮ／点以上のレベルにあった。特に、炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２０以下となる組成の鉄インサート材を使用した実施例Ｎｏ．４、Ｎｏ．７の継手は、引張り強さが７．２ｋＮ／点と最も高い値を示した。

本発明の第１の実施形態に係る重ね抵抗溶接方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る重ね溶接継手の構成を示す拡大断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は鉄インサート材の他の形状を示す側面図であり、（ｃ）〜（ｅ）は平面図である。 ナゲット径ｄｎよりも小さいボタン型のインサート材を使用して重ね抵抗溶接する方法を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 高強度鋼板
２、２０ 鉄インサート材
３ａ，３ｂ 電極
１１ 重ね溶接継手
１２ ナゲット
１２ａ コロナボンドからｄｎ／５までの領域

Claims (4)

1. 被接合材を重ね合わせてスポット溶接する重ね抵抗溶接方法において、
   前記被接合材は、引張り強さが３４０ＭＰａ以上で、板厚が０．５〜１０ｍｍの冷延鋼板又は熱延鋼板であり、
   前記被接合材間に、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．４％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下に規制した組成を有し、前記被接合材のうち薄い方の被溶接材の板厚をｔ_ｍｉｎとしたとき、板厚ｔ_１が下記数式（Ａ）で規定される鉄インサート材を配置して溶接することを特徴とする重ね抵抗溶接方法。
   

   
2. 前記被接合材は、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ａｌ含有量（質量％）を［Ａｌ］としたとき、下記数式（Ｂ）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２８以上であることを特徴とする請求項１に記載の重ね抵抗溶接方法。
   

   
3. 前記鉄インサート材は、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ａｌ含有量（質量％）を［Ａｌ］としたとき、下記数式（Ｂ）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね抵抗溶接方法。
   

   
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の重ね抵抗溶接方法で溶接された重ね溶接継手であって、
   コロナボンドからナゲット径ｄｎの１／５までの領域のナゲット組成は、Ｃ含有量
   （質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ａｌ含有量（質量％）を［Ａｌ］としたとき、下記数式（Ｂ）で表される炭素当量Ｃ_ｅｑが０．２４以下であることを特徴とする重ね溶接継手。
   

   

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