JP2009001839A - 高強度スポット溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａの高張力鋼板をスポット溶接するに際して、ＨＡＺおよび母材鋼板からの亀裂の発生を抑制し、十分な強度を確保することのできる高強度スポット溶接継手を提供する。
【解決手段】本発明の高強度スポット溶接継手は、引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａの鋼板を溶接母材としてスポット溶接した溶接継手であって、スポット溶接によって形成されるナゲット部の直径をφ（ｍｍ）、母材のビッカース硬さをＨｖ₀（Ｈｖ）、ナゲット部のビッカース硬さをＨｖ_n（Ｈｖ）、ナゲット端部から母材熱影響部までの距離をａ（ｍｍ）、母材鋼板の厚さをｔとしたとき、これらが下記（１）式の関係を満足するものである。
０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝−０．０３＜（ａ・ｔ）^1/2／φ＜０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝＋０．０３ …（１）
【選択図】図５

Description

本発明は、２枚の高張力鋼板を重ね合わせて丸棒状の電極で圧力を加えつつ溶接するスポット溶接（点溶接）によって得られる溶接継手に関するものであり、特に継手強度を向上させて溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」と呼ぶことがある）や母材鋼板からの亀裂の発生を極力抑制することのできるスポット溶接継手に関するものである。

スポット溶接法は、鋼板を重ね合わせて接合するものであり、例えば自動車部品等を施工する際に広く適用されており、溶接継手の強度を高くすることは極めて重要な要件である。一方、自動車車体の軽量化の観点から、部品の薄肉化が進められており、高強度鋼板を積極的に自動車用部品鋼板として用いられるようになっている。こうしたことから、高強度鋼板のスポット溶接では溶接継手の強度を十分に向上させる必要性が高まっている。

しかしながら、特に引張強度が７８０ＭＰａ以上となるような高張力鋼板では、母材鋼板の強度向上に対して、スポット溶接継手の強度向上が不十分となることが多く、部品の強度設計上での大きな問題となることがある。こうした状況の下、引張強度が７８０ＭＰａ以上（１２７０ＭＰａ以下程度）の高張力鋼板のスポット溶接において、継手部の強度を安定して補償するための技術の確立が望まれているのが実情である。

スポット溶接によって形成される溶接継手が破壊する場合、（１）溶接部の接合面が剥離する場合、（２）ＨＡＺや母材鋼板から亀裂が発生する場合、等が知られている。このうち、前者についてはスポット溶接によって一旦溶融した後形成される溶接金属部（通常、碁石状に形成され「ナゲット」と呼ばれる）の高強度化・高延性化によって解消できることが知られている。

こうした技術として、例えば特許文献１には、母材鋼板の化学成分組成を調整すると共に、母材の硬さ、ナゲットの硬さ、および熱影響部（ナゲット外周から板厚と同じ距離離れた熱影響部）の硬さの関係を規定することによって、接合部の剥離に対する強度向上を確保した技術が提案されている。

また特許文献２には、スポット溶接した後のテンパー通電する際に、テンパー通電電流、溶接通電時間およびテンパー通電時間を適切な関係を満足するように規定することによって、スポット溶接接合部の強度（特に、疲労強度）を改善する技術が提案されている。

これらの技術によって、溶接継手接合強度（若しくは疲労強度）については、改善され得ることが期待されるが、ＨＡＺや母材鋼板から亀裂が発生する場合への対応策として、破壊メカニズムの調査や、それを改善するための溶接継手特性を明確にした技術については、殆ど提案されていないのが実情である。実際の自動車部品においては、ＨＡＺや母材鋼板から亀裂が発生する場合が多く、こうした問題での解決策の確立が望まれているのが実情である。
特開平２−１１５３５２号公報 特開昭５８−３７９２号公報

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａの高張力鋼板をスポット溶接するに際して、ＨＡＺや母材鋼板からの亀裂の発生を抑制し、十分な強度を確保することのできる高強度スポット溶接継手を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明のスポット溶接継手とは、引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａの鋼板を溶接母材としてスポット溶接した溶接継手であって、スポット溶接によって形成されるナゲット部の直径をφ（ｍｍ）、母材のビッカース硬さをＨｖ₀（Ｈｖ）、ナゲット部のビッカース硬さをＨｖ_n（Ｈｖ）、ナゲット端部から母材熱影響部までの距離をａ（ｍｍ）、母材鋼板の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、これらが下記（１）式の関係を満足する点に要旨を有するものである。
０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝−０．０３＜（ａ・ｔ）^1/2／φ＜０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝＋０．０３ …（１）

本発明のスポット溶接継手おいて、前記鋼板の化学成分組成は、Ｃ：０．０８〜０．２０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：３．０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＣｒ：０．０５〜１．５％を夫々含み、残部が鉄および不可避的不純物であるものが好ましい。また、母材鋼板の厚さｔは、０．８〜３．０ｍｍ程度が適切である。

本発明においては、スポット溶接によって形成されるナゲット部の直径φ（ｍｍ）、母材のビッカース硬さＨｖ₀（Ｈｖ）、ナゲット部のビッカース硬さＨｖ_n（Ｈｖ）、ナゲット端部から母材熱影響部までの距離ａ（ｍｍ）、母材鋼板の厚さｔ（ｍｍ）が、所定の関係を満足するように規定することによって、高張力鋼板をスポット溶接した溶接継手におけるＨＡＺや母材鋼板からの亀裂の発生を抑制し、十分な強度を確保できる溶接継手が実現できた。

本発明者らは、スポット溶接部で破壊が発生する機構について様々な角度から検討した。そして、スポット溶接部での破壊に関しては、スポット溶接部近傍に局所的に発生する歪み量が大きく影響を及ぼしているとの知見が得られた。こうした知見に基づいて、更に検討した結果、上記（１）式の関係を満足するように溶接部近傍の歪み量を制御すれば、スポット溶接部の強度が格段に向上し得ることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明が完成された経緯を説明しつつ本発明の作用・効果について詳細に説明する。

図１は、従来のスポット溶接部における硬さ分布および歪み分布を説明するための概略説明図であり、図［図１（ａ）］中１は鋼板（母材）、２は溶融部、３はナゲット端部（ナゲット部の端部）、４は熱影響部（ＨＡＺ）、５はＨＡＺ端部を夫々示している。図１（ｂ），（ｃ）は、図１（ａ）に対応した位置での硬さ分布、および歪み量分布を夫々示している。尚、ここでのナゲット端部３とは、溶融部２に加え、２枚の鋼板１が溶接時の加熱と加圧により圧接されてできたコロナボンド部も含むものである（後記図３参照）。

スポット溶接部には、図１（ｂ）に示すような硬さ分布が発生している。即ち、溶融部２を含むナゲット部は高硬度を有すると共に、その周囲の熱影響部（ＨＡＺ）４も同様に高硬度を有している。更に、ＨＡＺの周囲には、鋼板１と同等の硬度領域が存在する。図１は、ナゲットと鋼板の硬度差が大きい場合を示したものであるが、こうした硬度分布が存在するときには、スポット溶接部における歪み集中はナゲット端部とＨＡＺ端部に集中し、特にＨＡＺ端部での歪みの集中が大きくなり、ナゲット端部での歪み集中は低減される［図１（ｃ）］。

図２は、従来のスポット溶接部における硬さ分布および歪み分布を説明するための他の例を示す概略説明図であり［図２（ｂ）、（ｃ）は、図１（ｂ）、（ｃ）の夫々に相当］、図２において図１と対応する部分には同一の参照符号が付してある。この図２では、ナゲット部と鋼板の硬度差が小さい場合を示したものであるが［図２（ｂ）］、この場合はＨＡＺ端部５での歪み集中が低減し、ナゲット端部３の歪み集中が大きくなる［図２（ｃ）］。

前記図１、２に示したように、通常のスポット溶接部では、硬さ分布に起因して歪み集中して存在する箇所が存在しており、こうした歪み集中部の存在がＨＡＺや母材鋼板からの亀裂の発生を誘発し、スポット溶接部の破壊を招くものと考えられた。

そこで本発明者らは、スポット溶接部での破壊を極力低減するための歪み分布について、検討したところ、ナゲット端部の歪み量とＨＡＺ端部の歪み量を略同等にすれば、ナゲット端部やＨＡＺ端部での局所的な歪み集中を回避でき、ＨＡＺや母材鋼板での亀裂の発生を防止してスポット溶接継手の破壊を極力抑制できるとの着想が得られた。即ち、スポット溶接部における歪み分布が図３に示すように、できるだけ均一化されたときに、局部的な歪み集中が回避されて、全体としての良好な強度が得られるとの着想が得られた。

本発明者らは、図３に示したような歪み分布を実現するために具体的手段について検討した。図４は、本発明で規定する（１）式を構成する各要件を説明するための図である。尚、図４においては、前記図１、２に示した溶融部２と前記コロナボンド部とを合わせたナゲット部６として示している（他の参照符号については、前記図１、２と対応）。図４を参照しつつ、各要件（パラメータ）の意義について説明する。

図４において、「Ｇａｐ」はＨＡＺ端部付近の（最大硬さ−最小硬さ）である。このうち「最大硬さ」は、材料（鋼板）が通電時のジュール熱によって溶融領域まで加熱され、その後の急冷によってマルテンサイトに変態することによって得られるものであり、この硬さはナゲット部の硬さとほぼ一致するものである。またこの最高硬さは、鋼板中のＣ含有量によってほぼ決定されるので、溶接を実施する材料（母材）の成分組成から評価することができる。

一方、「最小硬さ」は、母材（鋼板）硬さとして規定されるものであり、ビッカース試験によって容易に把握することができる。また母材硬さ（ビッカース硬さＨｖ）は、材料の引張強度（単位：ＭＰａ）のほぼ０．３倍（単位：無単位）となることが経験的に知られており、この関係から更に母材の硬さ（最小硬さ）を把握することができる。これらのことから、「Ｇａｐ」を把握することができる。

上記によって「Ｇａｐ」が把握され、それと同時に母材硬さも評価できるので、（Ｇａｐ／母材硬さ）も同様に評価できる。尚、この（Ｇａｐ／母材硬さ）の値は、０．３〜０．６８程度が通常である。

図４において「ａ」は、ナゲット端部３からＨＡＺ端部５までの距離（ｍｍ）である。ここでのナゲット端部３は、前述のごとく、２枚の鋼板は溶接時の加圧力と加熱で圧接しているコロナボンド部も含む趣旨である。このナゲット端部３の位置は、汎用のスポット溶接シミュレーション・プログラムにおいて溶接条件を入力することによって評価することができる（後述する）。尚、ナゲット端部からＨＡＺ端部までの距離ａは、通常０．２〜１．４ｍｍ程度となる。

ＨＡＺ端部５は、スポット溶接時の加熱によりＡ₁変態を起こす境界を意味する。スポット溶接によって、最高加熱時にはナゲット中心部が最も高温となり、半径方向に離れるに従って最高温度（その部位毎の最高温度）は低下する傾向を示す。この最高温度がＡ₁変態点温度となる位置が、ＨＡＺ端部となる。即ち、材料固有のＡ₁変態点温度を用いることによって、ＨＡＺ端部５を把握することができる。またＨＡＺ端部５を把握するためには、Ａ₁変態点温度とスポット加熱時の最高温度の分布が必要となる。このうち、Ａ₁変態点温度は、鉄鋼材料でほぼ一定と考えてよく「７２７℃」である。また最高温度の分布は、汎用のスポット溶接シミュレーション・プログラムにおいて溶接条件を入力することによって評価することができる（後述する）。

前記ナゲット端部３の位置および最高温度の分布を評価するために、本発明においては、下記条件によるソフトウエア（「Ｑｕｉｃｋ Ｓｐｏｔ」，計算力学研究センター）を用いた。
［条件］
入力条件：試験片形状、電極形状、板厚ｔ、材料の熱特性、電気特性、溶接条件（通電電流、通電時間、加圧力）
計算方法：電気、熱、変形錬成の有限要素解析
出力：温度履歴、ナゲット径φ、スポット溶接後の変形状態

図４中、ｔは板厚であり、既知の条件となる。スポット溶接するときの板厚ｔは通常０．８〜３．０ｍｍ程度となる。またφは、ナゲット径（ｍｍ）であり、前述の如く、コロナボンド部を含む趣旨である。この値は、前述した汎用スポット溶接シミュレーション・プログラムを用いることによって評価することができ、通常６.０〜１０.０ｍｍ程度となる。

本発明の溶接継手では、２箇所で発生する歪みがほぼ同程度となる条件を既定するものである。こうした歪み分布を達成するための要件について検討した。そして、ナゲット端部３近傍での歪みの発生し易さを表すパラメータとして「（ａ・ｔ）^１/2」を選び、ＨＡＺ端部での歪みの発生のし易さを表すパラメータとして「Ｇａｐ／母材の硬さ」を選んだ。これらのパラメータを選んだ趣旨は次の通りである。

ナゲット端部３近傍での歪みを発生させ易くするためには、他の歪み集中因子を遠ざけ、且つ端部近傍集中率を増大させるという理由によって、（ａ）ナゲット端部３よりも遠い領域（ナゲット部６中心からの距離として）で高硬度となる領域を大きくし、且つ（ｂ）ナゲット領域を小さくする必要がある。上記（ａ）に関しては、上記ａ，ｔで評価でき、上記（ｂ）に関しては、φで評価できる。そこで、本発明では、（ａ×ｔ）を分子とし、φを分母とし、更に分子を１／２乗とすることによって［（ａ・ｔ）^１/2］、その値の正規化を行ったものである。

一方、ＨＡＺ端部５での歪みは、前述のごとくＧａｐが大きくなることによって、発生しやすくなる。但し、実際には、ＨＡＺ端部５での硬さの変化率が歪みの発生し易さに影響を与えることになるので、変化率（即ち、Ｇａｐ／母材硬さ）をパラメータとした。

上記のパラメータを様々に変化させた条件で、スポット溶接のモデル化を行い（前記図４）、夫々のモデルに対して鋼板の離反方向（鋼板を剥がす方向）への変位を与えたときのＦＥＭ解析（有限要素解析）を実施し、発生した歪みを評価した。様々な条件で計算した結果、２箇所に発生する歪み量がほぼ同一となるときのスポット溶接継手特性の各パラメータ［（ａ・ｔ）^1/2およびＧａｐ／母材硬さ］を抽出した。実際の解析結果では、２箇所の歪み量が全く一致する計算結果は得られにくいので、２つの歪みの差が１０％以内であれば同等の歪みであるとしてプロットした。

プロット結果を、図５に示す（基本的な条件は、後記実施例と同様）。このプロット結果に基づき、２乗回帰で近似したとき、下記（２）式が得られる。尚、（２）式においてＨｖ₀は、「母材硬さ」を意味する。
（ａ・ｔ）^1/2／φ＝０．１０（Ｇａｐ／Ｈｖ₀）²＋０．１６（Ｇａｐ／Ｈｖ₀）…（２）

母材のビッカース硬さをＨｖ₀（Ｈｖ）、ナゲット部のビッカース硬さをＨｖ_n（Ｈｖ）としたとき、上記Ｇａｐはこれらの差（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）（Ｈｖ）として表すことができる。即ち、上記（２）式は、下記（３）式のように変形できる。
（ａ・ｔ）^1/2／φ＝０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝…（３）

上記（３）式の関係をプロットした結果を、図５のラインＡとして示す。但し、解析によって得られたプロットは、このラインＡを中心にバラツキがあることから、そのバラツキの幅（以下、「バンド幅」と呼ぶ）をも考慮して設定したものである。このバラツキ幅は、図５中、２本の点線の幅として示すが、この「バンド幅」は縦軸に対して±０．０３とした。

これらの結果に基づき、本発明では２箇所に発生する歪み量がほぼ同一となるときの条件として、下記（１）式の関係を規定したものである。即ち、（ａ・ｔ）^1/2および［Ｇａｐ／母材硬さ：｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝］等のパラメータが下記（１）式の関係を満足したときに、２箇所の歪み量がほぼ同一となって、溶接継手の強度が向上することになる。
０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝−０．０３＜（ａ・ｔ）^1/2／φ＜０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝＋０．０３ …（１）

上記パラメータ（ａ・ｔ）^1/2／φを構成するａ，ｔおよびφについては、スポット溶接の実操業を考慮したときに、夫々好ましい範囲がある。即ち、ナゲット端部からＨＡＺまでの距離ａは、０．２〜１．４ｍｍ程度である。距離ａが０．２ｍｍよりも小さくなると電流値が小さ過ぎるため正常なナゲットが生成しにくくなる。距離ａが１．４ｍｍよりも大きくなると、多い電流を要するため、通電時間が長くなって生産性が悪くなる。また、母材（鋼板）の厚さｔは、スポット溶接への適用を考慮すると、０．８〜３．０ｍｍ程度であることが好ましい。更に、ナゲット部の直径φは、６.０〜１０.０ｍｍ程度である。

本発明で用いる母材鋼板は、引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａ程度の高張力鋼板であれば良く、その化学成分組成については限定するものではないが、好ましい化学成分組成として、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：３．０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＣｒ：０．０５〜１．５％を夫々含み、残部が鉄および不可避的不純物であるものが挙げられる。各成分組成の範囲設定理由は下記の通りである。

［Ｃ：０．０８〜０．２０％］
Ｃは、母材およびナゲット部の強度を確保する上で重要な元素である。これらの強度を確保するためには、Ｃ含有量は０．０８％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、母材およびナゲット部の強度が高くなり過ぎるだけでなく、溶融部（即ち、ナゲット部）にブローホールやクラックが発生しやすくなって、強度（特に接合強度）を却って低下させることになる。こうしたことから、Ｃ含有量の上限は０．２０％とすることが好ましい。尚、Ｃ含有量のより好ましい下限は０．１０％であり、好ましい上限は０．１８％である。

［Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）］
Ｓｉは、脱酸剤として機能し、溶接金属の強度確保と酸素低減に有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、Ｓｉ含有量が過剰になると溶融めっき性が低下するので０．５％以下とすることが好ましい。

［Ｍｎ：３．０％以下（０％を含まない）］
Ｍｎは、母材（鋼板）の硬さを向上させるのに有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、Ｍｎ含有量が３．０％を超えて過剰になると、スポット溶接時に溶融金属が飛び散り易くなって（チリ現象）、溶接作業性が悪化することになる。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい上限は２．８％である。

［Ａｌ：１．５％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、鋼板の耐酸化性を向上させる上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰になると酸化物が顕著に増大し、割れ発生の原因となることから１．５％以下とすることが好ましい。

［Ｍｏ：０．０５〜１．５％］
Ｍｏは、母材（鋼板）の硬さを向上させるのに有効な元素である。また、ナゲット部の靭性を高めて溶融部の微小欠陥（空孔や割れ）の発生を防止する効果も発揮する。これらの効果を発揮させるには、Ｍｏ含有量は０．０５％以上であることが好ましく、より好ましくは０．１％以上である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると、コスト高となるので１．５％以下とすることが好ましく、より好ましくは１．０％以下とするのが良い。

［Ｃｒ：０．０５〜１．５％］
Ｃｒは、鋼板のフェライト分率を高め、結果的にナゲット部のマルテンサイト硬化を高める作用がある。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．０５％以上とすることが好ましいが、過剰に含有されるとナゲット部の硬さが硬くなり過ぎて、Ｇａｐが大きくなり、ＨＡＺ端部の歪みが顕著に増大するため、１．５％以下とすることが好ましい。

上記成分の他は、鉄および不可避不純物（Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｏ等）からなるものであるが、これらの不純物Ｐ，Ｓ，ＮおよびＯについては、下記に示すように抑制することが好ましい。

［Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であるが、多量に含有されると溶接領域の靭性を悪化させるので、できるだけ低減することが好ましい。そのためＰ量は、０．０２％以下とした。尚、Ｐ含有量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｓも、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であるが、多量に含有されると溶接領域の機械的特性（例えばＭｎＳ等の硫化物系介在物生成し、割れ発生の原因となる）を悪化させるので、できるだけ低減することが好ましい。そのためＳ含有量は、０．０２％以下とした。尚、Ｓ含有量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｎ：０．０５％以下、Ｏ：０．０５％以下］
ＮおよびＯは、いずれも介在物を形成して組織形成に悪影響を及ぼすので（例えば、上記のような割れ発生の原因となる）、いずれも０．０５％以下に抑制することが好ましい。

ところでスポット溶接を実施するに当り、溶接金属（特にナゲット部の特性）は、母材（鋼板）の物理的性質の他に、溶接電流およびその波形、通電時間、電極加圧力、電極材料および形状な等に影響されるものであり、これらの条件を適切な範囲に設定した上で、上記（１）式の関係を満足するように制御するようにすればよい（後述する）。特に、本発明のように溶接継手の硬さ分布を制御する手段としては、通電を二段階に分けて行うことも有効である。

スポット溶接を行うに当たっては、スポット溶接部での通電を１回で行う場合と、２回で行う場合が行われている。１回の通電によって、スポット溶接を完了する場合には、前述のごとく、スポット溶接部はマルテンサイト変態したナゲット部となって高硬度なものとなる。

これに対して、２回の通電を行う場合には、２回目の通電（以下、「二次通電」と呼ぶ）によって溶接部の温度が上昇し、その温度条件によっては、焼戻しが起こって溶接金属が軟化されてナゲット部硬度が低下する。こうした軟化は、二次通電による温度上昇が開始する時点でマルテンサイト部の温度がＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）以下であり、且つ二次通電による最高温度がＡ₁変態点以下のときに発生する。

焼戻しによる軟化硬さは、鋼板毎に焼戻し実験を行うことによって把握でき、硬さは下記（４）式で示す焼き戻しパラメータを用いて表すことができ、温度上昇分の影響も考慮にいれると、時間ｔ1からｔ２までの積分として下記（５）式のように表すことができる。
ナゲット部硬度Ｈｖ＝Ｔ（ｌｏｇｔ₀＋２１．３−５．８×［Ｃ］） …（４）
ナゲット部硬度Ｈｖ＝∫_t1 ^t2Ｔ（ｌｏｇ(ｄｔ₀)＋２１．３−５．８×［Ｃ］）…（５）
但し、Ｔ：温度、ｔ₀:時間、［Ｃ］：鋼板のＣ含有量（質量％）、を夫々示す。

またＭｓ点は下記（６）式のように鋼板の化学成分組成によって把握できる。
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１×［Ｃ］−３９×［Ｍｎ］−２０×［Ｃｒ］−５［Ｍｏ］＋３０［Ａｌ］ …（６）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ａｌ］は、鋼板中のＣ，Ｍｎ、Ｃｒ，ＭｏおよびＡｌの含有量（質量％）を示す。

本発明を実施するに当たっては、溶接条件を適切に設定する必要があるが、前記（１）式の関係を満足するように溶接条件を設定するには下記の手順に従って行えば良い。

（ａ）まず、事前に材料（鋼板）特性［高温強度、熱・電気特性、母材硬さ等］を取得しておく。
（ｂ）溶接条件（加圧力、電流値、通電時間）を仮決めする。
（ｃ）温度履歴計算ソフト（前述）を用いて、材料各部の温度履歴および溶接時の材料変形量を計算する（このとき、時々刻々の温度変化が計算される）。
（ｄ）材料のＣ含有量から温度−硬さ関係を予測する。
（ｅ）温度履歴計算結果から、ナゲット径（溶融温度を超える領域）を評価し、硬さ分布からＧａｐ、ａを評価する。
（ｆ）板厚ｔ、母材の硬さ、および上記Ｇａｐ、ａを用いて、（Ｇａｐ／母材硬さ）−（ａ・ｔ）^1/2／φの関係をプロットする。
（ｇ）プロットした位置が、最適線図のバンド内［（１）式の関係を満足している領域：前記図５］にない場合には、溶接条件を変更する。
（ｈ）温度履歴プログラムを用いて再計算する。
（ｉ）最適線図のバンド内にプロットが入った段階で、最適条件として決定する。

溶接の最適条件を決定するための具体的な方法について説明する。前記図５の最適線図のバンド内［（１）式の関係を満足している領域］にプロットがない場合には、プロットした位置が前記図５の右下の不適切領域であるときには、例えば溶接時間（通電時間）を長くしてナゲット端部から熱影響部までの距離ａを大きくし、最適線図のバンド内に鋼板特性が入るように制御すれば良い。逆に、プロットした位置が前記図５の左上の不適切領域であるときには、溶接時間（通電時間）を短くしてナゲット端部から熱影響部までの距離ａを小さくし、最適線図のバンド内に鋼板特性が入るように制御すれば良い。

本発明を実施するに当たっては、二次通電を利用することは、適切な溶接条件に制御を容易に実現する上で有用である。例えば、プロットした位置が前記図５の右下の不適切領域であるときには、二次通電を利用して前記距離ａを大きくしたり［上側（図面に対しての位置：以下同じ）に移行する］、二次通電によるナゲット軟化を利用してＧａｐを減少させることによって（左側に移行する）、最適線図のバンド内に鋼板特性が入るように制御すれば良い。更に、プロットした位置が前記図５の左上の不適切領域にあるときには、二次通電時間を短縮してナゲット端部から熱影響部までの距離ａを小さくしたり（下側に移行する）、二次通電時間をなくしてＧａｐを増大させることによって（右左側に移行する）、最適線図のバンド内に鋼板特性が入るように制御すれば良い。

二次通電を行って溶接を行う場合には、二次通電による焼戻し効果を発揮させる必要がある。二次通電量が一次通電量と同等か或はそれ以上の場合には、一次通電によりマルテンサイト変態した部分に二次通電によりＡ₁変態点以上の温度が入ることになって焼戻しされないことになる。そこで、二次通電を行う場合には、二次通電量は一次通電量よりも小さい値をする必要がある。

尚、二次通電条件としては、二次通電前の休止時間（即ち、一次通電後、二次通電までの時間）および二次通電時間も考慮に入れる必要がある。休止時間が短か過ぎると、二次通電開始時にマルテンサイト変態部の温度がＭｓ以下とならないので、二次通電によって焼戻しされない状態となる。また二次通電時間が長過ぎると、二次通電による温度がＡ₁変態点以上となって焼戻しされないことになる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［実施例１］
下記表１に示す化学成分組成の鋼を通常の溶製法によって溶製してスラブとし、加熱、熱間圧延、および冷間圧延後、必要によって焼戻しを行い、１．２ｍｍの鋼板とした。

得られた各鋼板について、試験片形状（幅：５０ｍｍ×長さ：１５０ｍｍ、厚さ：１．２ｍｍ）に切断し、スポット溶接を実施した。このとき、上記した手順に従って、（１）式の関係を満足するものと、しないものの溶接継手を作製した。得られた各種溶接継手について、十字引張試験を行い（ＪＩＳ Ｚ ３１３７）、スポット溶接部の強度（Ｎ）を測定し、継手強度が１５．０Ｎ以上を合格とした。溶接条件（一次通電だけ）は、下記の通りである。

［溶接条件］
電極先端部直径：６ｍｍ
一次通電電流値：８ｋＡ
溶接時間：２０サイクル（ｃｙｃｌｅ）
加圧力：４１６０Ｎ

その結果を、前記ａ，φ、ナゲット部硬さ、母材硬さ（前述の測定方法に基づく値）、および引張試験（引張試験片：ＪＩＳ Ｚ２２０１ ５号）による引張強度と共に下記表２に示す。また、これらの結果に基づいて、（Ｇａｐ／母材硬さ）および（ａ・ｔ）^1/2／φが溶接継手特性に与える影響（合格：○、不合格：×）を図６に示す。

この結果から明らかなように、上記（１）式の関係を満足するもの（試験Ｎｏ．１〜５）では、良好な溶接継手強度が達成されていることが分かる。これに対して、上記（１）式の関係を満足しないもの（試験Ｎｏ．６〜１２）では、溶接継手強度が低下していることが分かる。

［実施例２］
実施例１の試験Ｎｏ．６で得られた鋼板を用い、一次通電を上記の条件で行った後、二次通電条件（二次通電前の休止時間、二次通電電流、二次通電時間）を変えて、スポット溶接を実施して各種溶接継手を作製した。得られた各溶接継手について、実施例１と同様にして十字引張試験を行い、スポット溶接部の強度（Ｎ）を測定した。

その結果を、前記ａ，φ、ナゲット部硬さ、母材硬さ（前述の測定方法に基づく値）、引張強度および溶接条件（二次通電前の休止時間、二次通電電流、二次通電時間）と共に下記表３に示す。また、これらの結果に基づいて、（Ｇａｐ／母材硬さ）および（ａ・ｔ）^1/2／φが溶接継手特性に与える影響（合格：○、不合格：×）を図７に示す。

この結果から明らかなように、上記（１）式の関係を満足するもの（試験Ｎｏ．１６）では、良好な溶接継手強度が達成されていることが分かる。これに対して、上記（１）式の関係を満足しないもの（試験Ｎｏ．１３〜１５）では、溶接継手強度が低下していることが分かる。

従来のスポット溶接部における硬さ分布および歪み分布を説明するための概略説明図である。 従来のスポット溶接部における硬さ分布および歪み分布を説明するための他の例を示す概略説明図である。 良好な強度が得られるための歪み分布状況を示す図である。 本発明で規定する（１）式を構成する各要件を説明するための図である。 ２箇所に発生する歪み量がほぼ同一となるときのスポット溶接継手特性の各パラメータをプロットしたグラフである。 実施例１における（Ｇａｐ／母材硬さ）および（ａ・ｔ）^1/2／φが溶接継手特性に与える影響試験結果を示すグラフである。 実施例２における（Ｇａｐ／母材硬さ）および（ａ・ｔ）^1/2／φが溶接継手特性に与える影響試験結果を示すグラフである。

Claims (3)

1. 引張強度が７８０〜１２７０ＭＰａの鋼板を溶接母材としてスポット溶接した溶接継手であって、スポット溶接によって形成されるナゲット部の直径をφ(ｍｍ）、母材のビッカース硬さをＨｖ₀（Ｈｖ）、ナゲット部のビッカース硬さをＨｖ_n（Ｈｖ）、ナゲット端部から母材熱影響部までの距離をａ（ｍｍ）、母材鋼板の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、これらが下記（１）式の関係を満足するものであることを特徴とする高強度スポット溶接継手。
   ０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝−０．０３＜（ａ・ｔ）^1/2／φ＜０．１０｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝²＋０．１６｛（Ｈｖ_n−Ｈｖ₀）／Ｈｖ₀｝＋０．０３ …（１）
2. 前記鋼板の化学成分組成が、Ｃ：０．０８〜０．２０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：３．０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＣｒ：０．０５〜１．５％を夫々含み、残部が鉄および不可避的不純物である請求項１に記載の高強度スポット溶接継手。
3. 前記鋼板の厚さｔが０．８〜３．０ｍｍである請求項１または２に記載の高強度スポット溶接継手。
   

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