JP2012082890A - 溶接ナット部を有する自動車用構造部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】溶接前の引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板1にピアス孔11を設け、該ピアス孔11の中心11aと溶接ナット2のねじ孔22の中心22aとが概略一致した状態で、高強度鋼板1と溶接ナット2とを加圧しながら通電加熱を行うプロジェクション溶接によって各々が接合されることで得られるものであり、溶接ナット2は、高強度鋼板1との接合面2aに略半球状のプロジェクション部21が設けられており、且つ、高強度鋼板1において、溶接熱影響部13の板厚方向の深さH1と、高強度鋼板1の板厚H2との関係が、次式{H1/H2=0.05〜0.5}を満たす構成を採用している。
【選択図】図1
Description
このため、優れた遅れ破壊特性を備えるとともに、高い静的強度を備えた、溶接ナット部を有する自動車用構造部材が望まれている。
そして、溶接ナットを高強度鋼板に対してプロジェクション溶接する際の溶接条件、即ち、通電加熱時の電流、通電時間及び加圧力の各々の関係を適正範囲に制御することにより、優れた遅れ破壊特性及び高い静的強度を備える、上記構成の溶接ナット部を有する自動車用構造部材が得られることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。
[2] 前記高強度鋼板の板厚が0.6mm〜6.0mmの範囲であることを特徴とする、上記[1]に記載の溶接ナット部を有する自動車用構造部材。
[3] 溶接前の引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板にピアス孔を形成し、該ピアス孔の中心と溶接ナットのねじ孔の中心とを概略一致させた状態で、前記高強度鋼板と前記溶接ナットとを加圧しながら通電加熱を行うプロジェクション溶接によって各々を接合する、溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法であって、前記溶接ナットとして、前記高強度鋼板との接合面に略半球状のプロジェクション部を形成したものを用い、且つ、プロジェクション溶接による通電加熱時の電流I(kA)、通電時間t(s)、加圧力P(kN)の各々の関係が、次式{It/P=0.07〜0.4}を満たす条件で溶接することを特徴とする、溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法。
[4] 前記高強度鋼板の板厚を0.6〜6.0mmの範囲とすることを特徴とする、上記[3]記載の溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法。
以下に、本発明における被溶接物である高強度鋼板1の鋼板特性について詳しく説明する。
本発明で用いられる高強度鋼板の成分組成としては、特に限定されるものではないが、例えば、以下に説明するような組成とされた鋼板を採用することができる。
Cは、鋼の強度を確保するために必要な元素であり、その下限を0.01%とした。また、Cは、広い冷却速度の条件範囲で焼き入れ性を確保する上で必須の成分であるため、0.05%以上で添加することがより好ましい。一方、Cを過剰に添加すると溶接性が低下する場合があることから、その上限を0.5%とした。また、C含有量の上限は、溶接性とのバランスを考慮し、0.3%とすることがより好ましい。
Siは、鋼の強度確保や焼き入れ性確保のために、その含有量を0.01%以上とした。しかしながら、Siの過剰な添加は鋼板のコスト向上をもたらすことから、その上限を1.5%に制限した。なお、鋼板の表面に溶融亜鉛を施す場合、Siはめっき性を劣化させることから、その上限を0.2%に制限することが好ましい。
Mnは、鋼の強化効果や焼入れ性の向上効果が発現する最低添加量として、その下限を0.1%とする必要がある。一方、Mnの過剰な添加は、伸びに悪影響を及ぼすため、その上限を4%とした。
Crの添加量の加減を0.01%としたのは、0.01%以上の添加で強度向上の効果や焼入れ性の向上効果が発現するためである。一方、Crの添加量の上限を2%としたのは、これを超える量でCrを添加すると、加工性・延性に悪影響を及ぼすためである。
Bは、0.0001%以上の添加で焼入れ性の確保に有効であるものの、その添加量が0.01質量%を超えると、必要以上に鋼板強度が上昇して加工性が低下することから、その上限を0.01%とした。
Tiは、鋼中で窒化物を形成することで、鋼中のBが窒化物を形成してBによる焼入れ性向上効果が低下するのを防止することができる。このような効果が発現するのは、Tを0.01%以上で添加した場合であるため、その下限を0.01%とした。一方、Tiを添加し過ぎると延性劣化をもたらすことから、その上限を0.3%とした。
Alは、低Siの組成とする場合に、脱酸を目的として添加するものであり、その下限を0.003%とした。一方、Alの過剰な添加は、溶接性や溶融亜鉛めっき性を劣化させることから、その添加量の上限を1.5%とした。
Nbは、微細な炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成して、鋼板の強化に極めて有効であることから、必要に応じて0.01%以上を添加する。一方、Nbの過剰な添加は延性劣化をもたらすため、その上限を0.05%とした。
Vは、少量の添加で焼入れ性を向上させる作用を有する元素であり、このような効果が発現する下限は0.001%である。一方、Vを過剰に添加すると溶接性が低下するため、その添加量を0.10%以下に制限した。
Moは、0.05%以上の添加で鋼の強化効果や焼入れ性の向上効果が現れるため、これを下限とした。一方、Moの過剰な添加は延性劣化を伴うため、その添加量の上限を0.5%とした。
本実施形態においては、鋼板表面にめっき処理を施した場合、めっきの濡れ性を劣化させるSi系の内部粒界酸化相生成を抑制することを目的として、Ca、Zr、REM(希土類元素:原子番号57〜71)の内の1種又は2種以上を添加することができる。これにより、本実施形態では、鋼板中において、Si系の酸化物のような粒界酸化物が形成されるのではなく、比較的微細な酸化物を分散して形成させることができる。本実施形態においてCa、Zr、REMを添加する場合、これらの内の1種又は2種以上の元素を、併せて0.0005%以上添加することにより、上記効果が得られる。一方、これらの元素を過剰に添加することは、鋳造性や熱間加工性等の製造性、及び、鋼板製品の延性を低下させるため、その上限を0.01%に制限した。
本発明の自動車用構造部材50においては、プロジェクション溶接を行う前の母材強度、即ち、溶接前の高強度鋼板1の引張強さを1100MPa以上に規定する。
鋼板の強度は、プロジェクション溶接後の自動車用構造部材50の遅れ破壊特性や、静的強度に対して大きな影響を及ぼす。本発明においては、まず、鋼板(母材)として、引張強さが1000MPa以上とされた高強度鋼板1を用いることで、プロジェクション溶接で得られる自動車用構造部材50の静的強度を高めている。一方、母材の強度を高めた場合には、一般に、接合部近傍の溶接熱影響部において遅れ破壊特性が低下し、構造部材を自動車に組み込んで走行した際に加わる応力や腐食等により、溶接熱影響部に遅れ破壊が発生することがある。
次に、本発明の自動車用構造部材50に用いられる高強度鋼板1の母材ミクロ組織について述べる。
自動車用構造部材を製造する際の熱間プレス工程においては、鋼板に焼き入れを施して高強度を達成するだけでなく、部品によっては、部分的に焼き入れを施さず、この部分を低強度・高延性とする必要がある。本発明者等は、上述のように焼き入れを施さない部分がある場合、即ち、母材まま、あるいは、組織変化の少ない熱処理を受けた部分がある場合に、この部分が高延性を発揮できる組織を見出した。具体的には、熱間プレス前の鋼のミクロ組織を、体積分率で50〜100%のフェライト相を含み、且つ、0〜50%のパーライトを含む組織とすることが好ましい。ここで、フェライト相は、加工性を確保するためには、下限を体積分率で50%とすることが好ましい。一方、パーライトは強度確保に有効であるため、フェライトと共存させるものの、過多にすると延性の低下が著しくなるため、その上限を50%とすることが好ましい。
本発明において用いられる高強度鋼板1の板厚H2は、特に限定されず、自動車用構造部材の分野で用いられる一般的な板厚、例えば、0.6〜6.0mm程度の板厚の高強度鋼板を用いることができる。また、板厚の増加とともに溶接熱影響部での応力集中も増加するので、高強度鋼板1の板厚H2は上記範囲であることが好ましい。
本発明において用いられる高強度鋼板1は、表面処理を施さずに、冷間圧延後の状態で母材として使用できるものであるが、必要に応じて、鋼板表面に、溶融亜鉛めっき、又は、合金化溶融亜鉛めっき等を施しても良い。また、めっきの表層に無機系、有機系の皮膜、例えば、潤滑皮膜等が設けられていても良い。また、これらのめっきの目付量についても、特に限定されず、プロジェクション溶接の障害とならない範囲で、適宜決定すれば良い。
高強度鋼板1の表面に上述のようなめっき処理を施すことにより、鋼板の耐食性を確保することができるとともに、熱間プレス時の酸化を防止できる効果が得られる。
本発明の自動車用構造部材50は、図1(a)、(b)に示すように、高強度鋼板1にプロジェクション溶接されることで溶接ナット部55を構成する溶接ナット(ウェルドナット)2として、図2(a)、(b)に示すような、接合面2aに略半球状のプロジェクション部21が備えられたものを採用している。
また、本発明で用いる溶接ナット2の強度レベルとしても、特に制限されるものではなく、一般的な強度レベル、例えば、5T(490MPa相当)や、8T(785MPa相当)のものを好適に用いることができる。
またさらに、溶接ナット2は、ビッカース硬度Hvが320以下の材質からなることが好ましい。
本発明の自動車用構造部材50においては、高強度鋼板1における溶接熱影響部13の板厚方向の深さH1と、高強度鋼板1の板厚H2との関係が次式{H1/H2=0.05〜0.5}を満たす構成とされている。
高強度鋼板1の溶接熱影響部13は、例えば、メタルフロー腐食液等を用いて出現させることが可能である。この際、溶接熱影響部13は、周囲の母材と比較して黒っぽい色に腐食されるため、光学顕微鏡や実体顕微鏡等の種々の手段を用いて判別することができるので、H1を容易に測定することが可能となる。また、この際、高強度鋼板1側と同時に溶接ナット2側も腐食されることになるが、溶接ナット2の溶接熱影響部(図示略)に関しては、特段に留意する必要は無い。これは、引張強さが980MPa級以下である一般的な溶接ナットの場合には、上述のような遅れ破壊が発生し難いからである。
以下に、上述したような本発明に係る、溶接ナット部を有する自動車用構造部材を製造する方法の一例について説明する。
本実施形態の自動車用構造部材50の製造方法は、溶接前の引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板1にピアス孔11を形成し、該ピアス孔11の中心11aと溶接ナット2のねじ孔22の中心22aとを概略一致させた状態で、高強度鋼板1と溶接ナット2とを加圧しながら通電加熱を行うプロジェクション溶接によって各々を接合する方法である。そして、溶接ナット2として、高強度鋼板1との接合面2aに略半球状のプロジェクション部21を形成したものを用い、且つ、プロジェクション溶接による通電加熱時の電流I(kA)、通電時間t(s)、加圧力P(kN)の各々の関係が、次式{It/P=0.07〜0.4}を満たす条件で溶接する方法を採用している。
まず、プロジェクション溶接に使用する溶接機としては、例えば、従来公知の定置式ダイレクト通電方式で、電流が交流インバータ式である装置を使用することができる。また、溶接機に備えられる電極としては、例えば、溶接ナットと鋼板との溶接に一般的に用いられる、クロム銅合金等からなる、溶接ナットプロジェクション溶接用電極を採用することができる。
また、高強度鋼板1の表面1aには、必要に応じて、予め、溶融亜鉛めっき又は合金化溶融亜鉛めっき等を、溶接の障害とならない程度の目付け量で施すことができる。またさらに、めっきの表層には、無機系、有機系の皮膜等を形成しておいても良い。
次に、溶接ナット2を、ねじ孔22に位置決めピン85を挿入して位置合わせしながら、高強度鋼板1上にセットする。これにより、高強度鋼板1に形成されたピアス孔11の中心11aと、溶接ナット2のねじ孔22の中心22aとが概略一致した状態でセットすることができる。また、この際、溶接ナット2の接合面2aに設けられた略半球状のプロジェクション部21が高強度鋼板1の表面1aと接触するようにセットする。
また、溶接の際の保持時間としては、1〜60サイクル(60Hz)、あるいは、1〜50サイクル(50Hz)の範囲とすることが好ましい。保持時間が1サイクル未満では、静的強度を確保できない場合があり、また、60サイクル超(60Hz)あるいは50サイクル超(Hz)では、生産性を低下させてしまうことから上記範囲とした。
まず、下記表1の鋼種番号A1、A2に示すような化学成分組成を有する鋼を転炉で溶製し、常法に従って連続鋳造でスラブとした。そして、これらのスラブを、加熱炉中で1140℃〜1250℃の温度で加熱し、810℃〜880℃の仕上げ温度で熱間圧延を行い、600℃〜660℃にて巻き取り、高強度熱延鋼板とした。さらに、酸洗後に冷間圧延、焼鈍(焼鈍温度:720℃)を施し、高強度冷延鋼板(板厚:1.0mm及び2.3mm)とした。その後、鋼板表面に溶融亜鉛めっき(目付け量:90g/m2)を施した。そして、この鋼板を用い、加熱炉にて950℃×5minの条件にて加熱を行うことで、ハット形状品の熱間プレスを実施し、部材強度1470MPaクラスの部材を採取した。この際に得られた部材は、幅100mm、長さ:300mm、高さ:60mmのハット形状であった(特開2006−9116号公報を参照)。
次に、上記手順で得られた高強度鋼板のサンプルを用いて、下記の条件でプロジェクション溶接を行ない、高強度鋼板に溶接ナットを溶接し、溶接後の遅れ破壊特性を調査するための供試材(溶接ナット部を有する構造部材)を作製した。この際、溶接ナットとして、JIS B 1196に準拠し、接合面に略半球状のプロジェクション部を備えたものを使用した。より具体的には、JIS B 1196規定による1B形・M8×1に類似した、強度区分8Tの溶接ナット(3個のプロジェクション部の突出距離が1mm)を用い、上記各種高強度鋼板(鋼種番号:A1、A2、B)とプロジェクション溶接を行った。
上記手順で得られた、プロジェクション溶接後の供試材について、0.2Nの塩酸に100hrの時間で浸漬させることにより、遅れ破壊特性を評価した。この際、上記時間で浸漬した後、溶接部に割れが生じていない場合を「OK」とし、割れが生じた場合を「NG」として、結果を下記表4に示した。
表4に示す処理番号1、2、5〜8、11、12、14〜17、20、21は本発明例であり、また、処理番号3、4、9、10、13、18、19は比較例である(備考欄を参照)。
また、処理番号4の比較例では、次式{It/P}が本発明で規定する上限を超えているため、H1/H2が本発明で規定する上限超となり、遅れ破壊特性が「NG」となった。
また、処理番号10の比較例では、上記処理番号4と同様、次式{It/P}が本発明で規定する上限を超えているため、H1/H2が本発明で規定する上限超となり、遅れ破壊特性が「NG」となった。
また、処理番号13では、次式{It/P}が極端に大き過ぎ、本発明で規定する上限を超えているため、次式{H1/H2=1}、即ち、高強度鋼板の板厚方向全体で溶接熱影響部が形成され、遅れ破壊特性が「NG」となった。
また、処理番号19の比較例では、上記処理番号4、10と同様、次式{It/P}が本発明で規定する上限を超えているため、H1/H2が本発明で規定する上限超となり、遅れ破壊特性が「NG」となった。
また、表2及び図5のグラフに示すように、It/Pを変化させた場合の押込み加重(kN)は、It/Pの数値が大きくなるほど高くなる傾向を示す一方、表4に示すように、遅れ破壊特性が低下することがわかる(処理番号10、13)。
このように、プロジェクション溶接条件を適正化し、次式{H1/H2=0.05〜0.5}を満たす条件でプロジェクション溶接を行うことにより、溶接後のサンプルにおいて、H1/H2が本発明の規定範囲に制御され、遅れ破壊特性及び静的強度特性を両立可能であることがわかる。
11…ピアス孔、
11a…中心(ピアス孔)、
12…接合部、
13…溶接熱影響部、
2…溶接ナット、
2a…接合面、
21…プロジェクション部、
22…ねじ孔、
22a…中心(ねじ孔)、
50…溶接ナット部を有する自動車用構造部材(自動車用構造部材)、
55…溶接ナット部、
80…プロジェクション溶接機、
81…上部電極、
82…下部電極(固定電極)、
84…位置決めピン、
H1…高強度鋼板における溶接熱影響部の板厚方向の深さ、
H2…高強度鋼板の板厚、
Claims (4)
- 溶接前の引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板にピアス孔を設け、該ピアス孔の中心と溶接ナットのねじ孔の中心とが概略一致した状態で、前記高強度鋼板と前記溶接ナットとを加圧しながら通電加熱を行うプロジェクション溶接によって各々が接合されることで得られる、溶接ナット部を有する自動車用構造部材であって、
前記溶接ナットは、前記高強度鋼板との接合面に略半球状のプロジェクション部が設けられており、且つ、前記高強度鋼板における溶接熱影響部の板厚方向の深さH1と、高強度鋼板の板厚H2との関係が、次式{H1/H2=0.05〜0.5}を満たすことを特徴とする、溶接ナット部を有する自動車用構造部材。 - 前記高強度鋼板の板厚が0.6〜6.0mmの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載の溶接ナット部を有する自動車用構造部材。
- 溶接前の引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板にピアス孔を形成し、該ピアス孔の中心と溶接ナットのねじ孔の中心とを概略一致させた状態で、前記高強度鋼板と前記溶接ナットとを加圧しながら通電加熱を行うプロジェクション溶接によって各々を接合する、溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法であって、
前記溶接ナットとして、前記高強度鋼板との接合面に略半球状のプロジェクション部を形成したものを用い、且つ、プロジェクション溶接による通電加熱時の電流I(kA)、通電時間t(s)、加圧力P(kN)の各々の関係が、次式{It/P=0.07〜0.4}を満たす条件で溶接することを特徴とする、溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法。 - 前記高強度鋼板の板厚を0.6〜6.0mmの範囲とすることを特徴とする、請求項3に記載の溶接ナット部を有する自動車用構造部材の製造方法。
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