JP2009028736A - 溶接方法及び溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な強度で浸炭層又は浸炭窒化層を有する鋼材と他の鋼材とを溶接できる溶接技術を提供する。
【解決手段】 浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と前記第１鋼材と別の部材である第２鋼材とを溶接金属を介して溶接する溶接工程と、溶接工程後、第１鋼材と溶接金属との境界部分の温度を８００〜５００℃の温度範囲で８〜１６秒間保持して冷却する冷却工程とを有するように冷却速度を調整する。これにより、浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分近傍の浸炭層又浸炭窒化層に硬度上昇及び靱性低下を生じさせずに十分な強度で溶接することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、浸炭材又は浸炭窒化材の溶接性を向上させた溶接方法及びその溶接方法を用いた溶接継手に関する。

例えば、自動車の生産技術においては、軽量化等を実現するために、生産プロセスの見直し、最適化がなされている。特に軽量化においては、個々の部品ではすでに限界まで達していると言えることから、組立・組付技術の発展による実現が期待されている。この組立部品点数の減少を狙った組立技術に溶接がある。

溶接による組立・組付は自動車の至る所で適用されており、例としてボデーやシャーシ、駆動部品、エンジン、吸排気系部品、熱交換器、電装部品など様々である。溶接を用いることにより、組立ラインの自動化を容易にし、また、組立ラインのシンプル化を図ることができ、さらにはボデーやシャーシなどの軽量化につながるというメリットによるものである。

しかしながら、溶接の適用箇所にも制限がある。溶接ではその材料の溶融点近傍まで加熱されることから一種の熱処理が施された状態となり、材料そのものの性質を変えてしまう。これはメリットとして働くこともあるが、熱影響部（heat-affected zone :HAZ）での異常な硬度上昇による靭性低下というデメリットの方が先立つこともしばしばである。例として表面に浸炭又は浸炭窒化の硬化処理を施した材料に対する溶接が挙げられる。これらの硬化処理した材料では溶接による熱影響を浸炭層又は浸炭窒化層で大きく受けることから、その部分で硬度上昇が著しく、加えて靭性が激減する。

浸炭窒化は主に耐摩耗性を必要とする部品の表面硬化として適用されているが、例としてリクライニングシートのギア部が挙げられる。このインターナルギアのシートフレームへの取り付け方法としては、従来はボルトで締結しており、これは溶接による継手強度の低信頼性を懸念してのことである。しかし、生産ラインの最適化としてよりフレキシブルで迅速な対応、および低燃費につながる軽量化の実現を図るために溶接による取り付けが検討され始めたことから、浸炭材又は浸炭窒化材においても十分に足る継手強度の確立、信頼性向上が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、浸炭層又は浸炭窒化層を有する鋼材と他の鋼材とを十分な強度で溶接できる溶接方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、浸炭層又は浸炭窒化層を有する鋼材を他の鋼材に十分な強度で溶接した溶接継手を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の溶接方法は、浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と、前記第１鋼材と別の部材である第２鋼材とを溶接金属を介して溶接する溶接工程と、溶接工程後、前記第１鋼材と前記溶接金属との境界部分の温度を８００〜５００℃の温度範囲で８〜１６秒間保持し冷却する冷却工程とを有するようにしている。
請求項２記載の溶接方法は、請求項１記載の溶接方法において、前記冷却工程における冷却時間が１０〜１６秒間の範囲である。
請求項３記載の溶接方法は、請求項１又は２記載の溶接方法において、前記冷却工程における冷却温度及び冷却時間を、外部からの加熱処理又は溶接条件で調整する。
請求項４記載の溶接方法は、請求項１〜３のいずれか１に記載の溶接方法において、前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームであり、前記シートフレームに前記部品を固定するために適用する。
請求項５記載の溶接方法は、請求項４記載の溶接方法において、前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアである。
請求項６記載の溶接継手は、請求項１〜３のいずれか１に記載の溶接方法により溶接されてなる。
請求項７記載の溶接継手は、請求項６記載の溶接継手において、前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームである。
請求項８記載の溶接継手は、請求項７記載の溶接継手において、前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアである。
また、請求項９記載の溶接継手は、浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と、前記第１鋼材と別の部材である第２鋼材とが溶接金属を用いて溶接されてなり、前記浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分で、８００〜５００℃の温度範囲を８〜１６秒間保って冷却処理を施した温度履歴を有する構成を採用している。
請求項１０記載の溶接継手は、請求項９記載の溶接継手において、前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームである。
請求項１１記載の溶接継手は、請求項１０記載の溶接継手において、前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアである。
即ち、本発明の溶接方法は、浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材とこの第１鋼材と別の部材である第２鋼材とを溶接金属を介して溶接する際に、溶接工程後、第１鋼材と前記溶接金属との境界部分の温度を８００〜５００℃の温度範囲で８〜１６秒間、好ましくは１０〜１６秒間保持して冷却する冷却工程を有するようにして冷却速度を調節したことにより、浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分近傍の浸炭層又浸炭窒化層に硬度上昇及び靱性低下を生じさせずに十分な強度で溶接することができる。
浸炭層又は浸炭窒化層と溶接部金属との境界部分で、冷却工程での８００〜５００℃の温度範囲における冷却時間を８〜１６秒間、好ましくは１０〜１６秒間保持して冷却速度を遅くする方法としては、外部からの加熱又は溶接条件の調節によって行うことができる。
本発明の浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と第２鋼材とを溶接金属を用いて溶接してなる溶接継手は、前記浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分で、８００〜５００℃の温度範囲を８〜１６秒間保って冷却処理を施した温度履歴を有するため、遅い冷却速度により、浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属の境界部分近傍の浸炭層又浸炭窒化層が硬度上昇及び靱性低下を生じずに十分な強度で溶接されている。

以下、本発明の溶接方法及び溶接継手の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の溶接方法は、表面に浸炭層を有する浸炭材又は表面に浸炭窒化層を有する浸炭窒化材の溶接性を向上させたものである。

本発明では、自動車のリクライニングシートのシートフレームのサイドフレームへのインターナルギア（浸炭窒化材）を溶接で取り付けて溶接継手を形成する際の強度の一定水準を達成するような最適溶接条件を検討した。以下に説明するように、試験片に溶接を行う第１実験と、実際にインターナルギアをシートバックフレームのサイドフレームに溶接で取り付け、硬さ試験と引張試験を行った第２実験とを行った。なお、溶接温度は、その材料の溶融点近傍であるが、自動車のサイドフレームにインターナルギアを取り付ける場合で、１５００℃位まで加熱される。また、溶接金属としては、JIS Z3312に規定されたものが用いられる。

第１実験
引張試験は次のように行った。板厚２ｍｍの板をつき合わせ、裏面まで１パスで完全に溶け込ませ、電流、電圧、溶接速度を調節して４パターンの入熱量で溶接を行う。その際、裏面で酸化防止のためＡｒガスでバックシールをした。また、溶接による熱変形防止のため４箇所でクランプした。約５０ｍｍのビードを施した後、ＪＩＳ Ｚ２２０１の引張試験片１４Ｂ号を参考に、ビードが中央にくるよう切り出す。その際、ビード端から２０ｍｍまでは試験片に適用しない。その後、表面の余盛および裏ビードは板表面から０．５ｍｍ以下にカットして、図３に示す試験片を作成した。引張試験では、テストスピードを２ｍｍ／ｍｉｎとした。比較として未処理のＳＰＨＣ材（一般熱延鋼板）でも同様に試験片作製を行った。

浸炭窒化材の溶接特性として、硬さに着目し、硬さと冷却速度（８００〜５００℃の冷却時間）の関係を導いた。溶接熱サイクルを再現するために、高周波誘導加熱炉を用いた。試料の寸法形状は、表面で温度勾配が生じないよう、５×５×４．５ｍｍのブロック形状である。高周波誘導加熱炉により温度制御を行った。１３５０℃まで加熱速度３０℃／ｓで加熱し、５秒保持後パワーオフにして各種冷却方法により冷却した。また加熱過程においては、試料の表面で酸化防止のためＡｒ雰囲気とした。高周波誘導加熱炉による再現熱サイクルで得られた６つの試料に対してビッカース硬さ試験を行った。測定面は表面から２ｍｍ程度の浸炭窒化層に垂直な断面とし、研磨機で削り出した。浸炭窒化層表面から１５０μｍのところ（浸炭窒化層中心部）で５点測定し、これを両面で行う。そして測定した１０点の平均をとることでその試料の硬さとした。

第２実験（ＭＡＧ溶接）
一方、実際にインターナルギアをシートバックフレームのサイドフレームに溶接で取り付け、硬さ試験と引張試験を行った。インターナルギアに設けられている６つの凸部（ダボ）をシートバックフレームに設けられている６つの穴に差込み、１つのダボのみに溶接を行い、他のダボへの溶接の際に生じる熱影響を除いた温度測定とした。

電流および電圧は一定とし、溶接速度を変えることで５パターンの入熱量を再現した。入熱量と冷却速度（８００〜５００℃の冷却時間）の関係は、図５に示すように、ほぼ直線関係が成立する。

図４は、シートバックフレームのサイドフレームへインターナルギアの一つのダボを溶接した溶接継手を示す断面図であり、溶接後の冷却温度を測定する位置を示している。サイドフレームとインターナルギアを溶接金属で溶接しているが、温度を測定する２つの熱電対を可能な限り溶融境界部かつ浸炭窒化層の両方に近い２点（Ｐ１、Ｐ２）に配置している。

ＳＰＨＣ材（一般熱延鋼板）に浸炭窒化焼入れ焼戻しを施したものを供試材料とした。硬化領域としては、材料表面から３００μｍでビッカース硬さ５００ＨＶの硬度を得られた。溶接施工後のインターナルギアに対して、ビードの中間部およびダボの中心を通る位置で切断し、断面を取った。この断面より、溶融境界部に近い浸炭窒化層において、表面から１５０μｍの位置でビッカース硬さ試験を行った。試験条件としては、ビッカース荷重を１ｋｇ、負荷時間を２０ｓとした。

図１に、溶接直後に８００℃から５００℃まで冷却する冷却時間に対するビッカース硬さ試験の結果を示す。図１は、第１実験（Ｍｏｄｅｌ）と第２実験（ＭＡＧ ｗｅｌｄｉｎｇ）の結果をまとめて示している。第１実験で行ったブロック形状をしたテストピースで得られた硬さと冷却速度（８００〜５００℃の冷却時間）の関係と、第２実験での実際に問題とされているリクライニングシートのサイドフレームにインターナルギアを取り付ける際の溶接施工における溶接再現熱サイクルにより得られた硬さと冷却速度の関係とを比較検討した結果、良好に一致した。８００〜５００℃の冷却速度を用いたのは、この温度範囲で組織がほぼ決まり、硬さを議論する上では８００〜５００℃の冷却時間がしばしば用いられるためである。

図１の横軸は冷却速度として８００〜５００℃を保った冷却時間（秒）であり、縦軸はビッカース硬さ（ＨＶ）である。溶接前の浸炭窒化層の初期ビッカース硬さは５００ＨＶであり、図１より、初期ビッカース硬さに近い６００〜４５０ＨＶの範囲の硬さを維持できる８００〜５００℃の温度を保つ冷却時間は８〜１６秒である。また、より好ましい５００±５０ＨＶの範囲の硬さを維持できる８００〜５００℃の冷却時間は１０〜１６秒である。８００〜５００℃の温度を保つ冷却時間が８秒未満であり、冷却速度が速すぎると、炭素濃度が高い浸炭窒化層の位置、すなわちトウ部で最も硬化し、加えて靭性低下、衝撃性低下を招くおそれがある。８００〜５００℃の温度を保つ冷却時間が１６秒を超え、冷却速度が遅すぎると、浸炭窒化層の硬さが低下し、層状に見られたマルテンサイト組織が徐々に崩れていき，まばらになっていく傾向がある。

図２に冷却速度（８００〜５００℃での冷却時間）と引張強さの関係のグラフを示す。図６は、第１実験で得られた入熱量と引張強さの関係を示すグラフである。溶接を施していない浸炭窒化材の引張強さは約８５０ＭＰａ、浸炭窒化処理をしていないＳＰＨＣ材の引張強さは３３０ＭＰａであり、図６から、浸炭窒化材は溶接を行うことで引張強さの低下が見られた。また、入熱量がそれほど大きくない場合（図６で示した範囲の場合）には、入熱量が大きくなると引張強さは大きくなり、溶接を施していない浸炭窒化材に近づくことが認められる。但し、図２からも推測されるように、図６の範囲よりさらに入熱量が大きくなると、溶接を施していない浸炭窒化材の引張強さに近づいた後、低下すると考えられる。入熱量と冷却速度（８００〜５００℃での冷却時間）の関係は、図５に示したように、ほぼ直線関係が成立する。そして、図２から、８００〜５００℃の温度を保つ冷却時間が８秒から１６秒の範囲、好ましくは１０〜１６秒の範囲で最も引張り強さが大きくなり、溶接を施していない浸炭窒化材に近づくことが認められる。なお、図２及び図６において、「carbonitrided metal(not weld)」は、溶接を施していない浸炭窒化材であり、「carbonitrided metal」は、溶接を施した浸炭窒化材であり、「untreated metal (not weld)」は、浸炭窒化処理をしておらず、かつ溶接を施していないＳＰＨＣ材であり、「untreated metal」は、浸炭窒化処理をせずに溶接を施したＳＰＨＣ材である。

以上の結果より、浸炭層又は浸炭窒化層を有するインターナルギアをリクライニングシートのサイドフレームに溶接金属を介して溶接して溶接継手を形成する際に、浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分で、溶接工程後の冷却工程において、８００〜５００℃の温度範囲で冷却時間を８〜１６秒間、好ましくは１０〜１６秒間保持する冷却処理を施した温度履歴を与えることにより、浸炭材又は浸炭窒化材であるインターナルギアの硬さと引張強さを低下させずに溶接できることが認められる。

この溶接方法は、浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材とこの第１鋼材と別の部材である第２鋼材とを溶接する際に広く用いることができる。第１鋼材が鉄部品、第２鋼材が鉄フレームの場合に好適に適用できる。この場合、第１鋼材と第２鋼材の両方が浸炭材又は浸炭窒化材であってもよい。

また、冷却工程において８００〜５００℃の温度範囲での冷却時間を所定の時間保持するようにして冷却速度を遅くする方法には、例えば第１鋼材と第２鋼材の全体を高周波誘導加熱炉中で加熱するか、あるいは溶接金属と浸炭層又は浸炭窒化層との境界近傍をガスなどの炎で加熱するなどの加熱方法を採用することができる。その他、溶接速度の調節などの溶接条件で入熱量を大きくすることにより冷却速度を遅くすることも可能である。

本発明の溶接方法及び溶接継手は、浸炭材又は浸炭窒化材の硬さや引張強さを維持しながら溶接できる技術であり、上記した説明では、自動車生産におけるインターナルギア（浸炭窒化材）をリクライニングシートのサイドフレームに溶接する際に利用しているが、サイドフレームなどのシートフレームの任意の箇所に連結する他の部品を固定する際にも用いことができる。

８００〜５００℃の間の冷却時間とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。 ８００〜５００℃の間の冷却時間と引張強さとの関係を示すグラフである。 第１実験で作成した引張試験の試験片を示す斜視図である。 第２実験においてサイドフレームへインターナルギアを溶接したときの温度測定位置を示す断面図である。 溶接時の入熱量と８００〜５００℃の間の冷却時間との関係を示すグラフである。 溶接時の入熱量と引張強さとの関係を示すグラフである。

Claims (11)

1. 浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と、前記第１鋼材と別の部材である第２鋼材とを溶接金属を介して溶接する溶接工程と、
   溶接工程後、前記第１鋼材と前記溶接金属との境界部分の温度を８００〜５００℃の温度範囲で８〜１６秒間保持して冷却する冷却工程と
   を有することを特徴とする溶接方法。
2. 請求項１記載の溶接方法において、
   前記冷却工程における冷却時間が１０〜１６秒間の範囲であることを特徴とする溶接方法。
3. 請求項１又は２記載の溶接方法において、
   前記冷却工程における冷却温度及び冷却時間を、外部からの加熱処理又は溶接条件で調整することを特徴とする溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の溶接方法において、
   前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームであり、
   前記シートフレームに前記部品を固定するために適用することを特徴とする溶接方法。
5. 請求項４記載の溶接方法において、
   前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアであることを特徴とする溶接方法。
6. 請求項１〜３のいずれか１に記載の溶接方法により溶接されてなることを特徴とする溶接継手。
7. 請求項６記載の溶接継手において、
   前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームであることを特徴とする溶接継手。
8. 請求項７記載の溶接継手において、
   前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアであることを特徴とする溶接継手。
9. 浸炭層又は浸炭窒化層を有する第１鋼材と、前記第１鋼材と別の部材である第２鋼材とが溶接金属を用いて溶接されてなり、前記浸炭層又は浸炭窒化層と溶接金属との境界部分で、８００〜５００℃の温度範囲を８〜１６秒間保って冷却処理を施した温度履歴を有することを特徴とする溶接継手。
10. 請求項９記載の溶接継手において、
    前記第１鋼材が、固定対象の部品であり、前記第２鋼材が前記部品を固定するシートフレームであることを特徴とする溶接継手。
11. 請求項１０記載の溶接継手において、
    前記第１鋼材を構成する部品がリクライナのインターナルギアであることを特徴とする溶接継手。

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