JP2013184206A

JP2013184206A - 溶接部硬度評価方法

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Publication number: JP2013184206A
Application number: JP2012053128A
Authority: JP
Inventors: Shingo Iwatani; 信吾岩谷; Yoshiaki Uchida; 圭亮内田; Tomohiko Matsuda; 智彦松田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP5818009B2

Abstract

【課題】異種材料の突合せ溶接において、溶接部の硬度評価を低コスト、低工数で行える溶接部硬度評価方法を提供する。
【解決手段】異種材料の突合せ溶接の硬度評価に当たり、評価対象の、異種材料の突合せ位置に対する溶接部中央位置を測定し（１０１）、測定結果を、試験用評価対象にて予め作成された、異種材料の突合せ位置に対する溶接部中央位置と溶接部硬度の相関と対照し（１０２）、評価対象の溶接部の硬度を評価する（１０３）。評価対象の溶接部の硬度評価を破壊検査せずに行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、突合せ溶接部の硬度を評価する溶接部硬度評価方法に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載するようなものがあった。
これは、レーザを用いた突合せ溶接の溶接部良否判定方法であって、溶接部の断面形状を読み取ることで、溶接欠陥等、溶接良否を判定するという方法である。

特開２００８−２１２９４４号公報

上記従来技術では、次のような課題がある。
すなわち、異種材料の突合せ溶接の場合、溶接部の成分が溶融した母材によって希釈されることでその溶接部の金属組織等に変化が生じる。このため溶接部の硬度が、同一ワーク（評価対象）上の複数の溶接部間あるいは溶接を行った同一設計のワーク毎に変化する。
したがって従来技術では、溶接部が所望の硬度となっているかどうかの判定は、結局、破壊検査によって行うことになり、コストや工数の増大を招いていた。

本発明の課題は、異種材料の突合せ溶接において、その溶接部の硬度の評価を破壊検査によることなく行うことができて、コストや工数の低減が図れる溶接部硬度評価方法を提供することにある。

上記課題は、溶接部硬度評価方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に対応する。

（１）異種材料の突合せ溶接における溶接部硬度評価方法であって、評価対象の、前記異種材料の突合せ位置に対する前記突合せ溶接による溶接部中央位置を測定し、この溶接部中央位置を、試験用評価対象を用いて予め作成された、前記異種材料の突合せ位置に対する前記突合せ溶接による溶接部中央位置と溶接部硬度の相関と対照して、前記評価対象の前記突合せ溶接による溶接部の硬度を評価することを特徴とする溶接部硬度評価方法。
評価対象の突合せ位置や溶接部中央位置は、例えばスリットレーザを用いた光切断・三角測量法による公知の二次元断面測定装置によって測定される。
（２）前記異種材料の突合せ溶接は、高炭素鋼を含む異種材料の組合せの突合せ溶接であることを特徴とする（１）項に記載の溶接部硬度評価方法。
高炭素鋼を含む異種材料の組合せとしては、鋳物（例えばＦＣＤ４５０）と鋼材（例えばＳＣＭ４２０）又は、鋳物（ＦＣＤ６００）と機械構造用炭素鋼（ＳＣ材）若しくはクロム鋼鋼材（ＳＣｒ材）等の組合せが挙げられる。

（１）項に記載の発明によれば、異種材料の突合せ溶接において、評価対象の溶接部中央位置の測定によって、つまり破壊検査によることなく、溶接部の硬度評価ができるので、低コスト、低工数の溶接部硬度評価方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、高炭素鋼を含む異種材料の突合せ溶接による溶接部の硬度評価を低コスト、低工数にて実現できる。

本発明に係る溶接部硬度評価方法の一実施形態を示すフローチャートである。突合せ溶接が行われた評価対象の溶接部中央位置を測定する様子を示す図で、一部を拡大して示す。図２中の評価対象の輪郭の拡大図である。異種材料の組合せに係る評価対象の溶接前の突合せ位置の説明図で、（ａ）は突合せ位置の端面を示す斜視図、（ｂ）は突合せ位置の断面図である。異種材料の組合せに係る評価対象の突合せ溶接された溶接部の説明図で、（ａ）は溶接部の端面を示す斜視図、（ｂ）は溶接部の断面図である。図１に示す実施形態において、予め作成された、突合せ溶接による溶接部（ビード）中央位置と溶接部硬度の相関の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明者らは、異種材料の突合せ溶接における溶接部硬度評価において、上記のような課題を解決するため鋭意、実験・検討を重ねた結果、次のような知見を得、本発明を完成するに至った。
すなわち、異種材料、特に鋳物等の高炭素鋼を含む異種材料Ａ，Ｂの組合せの突合せ溶接において、溶接部の成分が溶融した材料Ａ，Ｂ（母材）によって希釈されることでその溶接部の金属組織等に変化が生じる。例えば溶接部中央位置が、一方の材料Ａ側に偏っている場合、材料Ａからの希釈が大きくなっており、また、他方の材料Ｂ側に偏っている場合は、材料Ｂからの希釈が大きくなっていて、溶接部の硬度が変化する。
そこで、評価対象と同様の材料Ａ，Ｂからなる複数の試験用評価対象につき、評価対象における条件と同様の条件で材料Ａ，Ｂの突合せ溶接後、その溶接部中央位置が、材料Ａ側に偏っているか材料Ｂ側に偏っているか、及びどの程度偏っているか（偏り方向及び偏り量）を測定する。そして、その測定値と溶接部の硬度の相関（中央位置・硬度相関）を破壊検査等による実測によって予め作成しておく。
そして、突合せ溶接後の評価対象につき、その溶接部中央位置の上記偏り方向及び偏り量を測定し、測定結果を上記中央位置・硬度相関と対照すれば、同評価対象の溶接部硬度を評価できることを見い出し、本発明を完成するに至った。本発明によれば、評価対象の溶接部の硬度評価を同評価対象を破壊検査することなく行える。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明に係る溶接部硬度評価方法の一実施形態を示すフローチャートである。
この図１に示すように、本実施形態では、ステップ１０１において、評価対象（異種材料）の突合せ溶接による溶接部中央位置を測定する。
この溶接部中央位置の測定は、材料Ａ，Ｂの突合せ位置に対する溶接部中央位置の測定であって、上記の突合せ位置に対して溶接部中央位置が材料Ａ側に偏っているか材料Ｂ側に偏っているか、及びどの程度偏っているかを含んで行われる。すなわち、材料Ａ，Ｂの突合せ位置を溶接前に測定し（ステップ９１）、測定値を保持しておく。そして溶接（ステップ９２）の後、材料Ａ，Ｂの溶接部中央位置を測定し、その溶接部中央位置が、上記ステップ９１による突合せ位置の測定値（データ）に対して、どちら側にどれだけ位置ずれしているか（材料Ａ，Ｂの突合せ位置に対するずれ方向及びずれ量）を算出することにより行われる。
材料Ａ，Ｂの突合せ位置及び溶接部中央位置は、公知の二次元断面測定装置によって測定した２次元断面プロファイルから、特定した測定ポイントについての位置情報（座標）を演算して求められる。

ステップ１０２では、ステップ１０１で測定された材料Ａ，Ｂの溶接部中央位置（突合せ位置に対するずれ方向及びずれ量）を、実測によって予め作成された、材料Ａ，Ｂの突合せ溶接による溶接部中央位置（突合せ位置に対するずれ方向及びずれ量）と同材料Ａ，Ｂの溶接部の硬度の相関である中央位置・硬度相関と対照する。
ステップ１０３では、ステップ１０２における中央位置・硬度相関との対照結果から、評価対象の上記溶接部の硬度を求め評価して処理を終了する。

以下、本実施形態を詳しく説明する。
図２は、突合せ溶接が行われた評価対象（異種材料の組合せ）Ｗの溶接部中央位置を測定する様子を示す図である。図中の吹出し部には、評価対象Ｗの溶接部中央位置を測定する二次元断面測定装置２１部分を拡大して示す。
評価対象Ｗは、異種材料の組合せに係るもので、異種材料相互をレーザ溶接装置（レーザ溶接トーチ）２２によって突合せ溶接したものである。
本実施形態において、評価対象Ｗは、自動車のデファレンシャルギヤを構成する鋳物（例えばＦＣＤ４５０）からなるデフケースＷａと鋼材（例えばＳＣＭ４２０）からなるリングギヤＷｂの組合せについて、両者を突合せ溶接したものである（図３の拡大図参照）。突合せ溶接は、デフケース（鋳物）Ｗａとリングギヤ（鋼材）Ｗｂを突合せ位置３３に位置決め固定した状態で、中心軸３１回りに３６０°回転（矢印３２参照）させながら上記突合せ位置３３に溶接用レーザ光を照射して行われる。

二次元断面測定装置２１は、スリットレーザ２２ａを用いた光切断・三角測量法による公知の二次元断面測定装置である。この二次元断面測定装置２１によって、溶接前後に測定した２次元断面プロファイルから、特定した測定ポイントについての位置情報（座標）を用いて演算することにより、評価対象Ｗの上記突合せ位置３３及び後述する溶接部中央位置５１が求められる。

図４（ａ）は、異種材料、ここではデフケースＷａ（鋳物）とリングギヤＷｂ（鋼材）の組合せに係る評価対象Ｗの溶接前の突合せ位置３３の端面を示し、同（ｂ）は同突合せ位置３３の断面を示す。突合せ位置３３は、溶接前に二次元断面測定装置２１等によって測定される。
また図５（ａ）は、上記のデフケースＷａとリングギヤＷｂの組合せに係る評価対象Ｗの突合せ溶接された溶接部（ビード）５２の端面を示し、同（ｂ）は同溶接部５２の断面（ハッチング省略）を示す。評価対象Ｗの溶接部中央位置５１〔溶接部（ビード）５２の幅ｂｗ方向の中央位置ｂｗ／２〕は、溶接後に二次元断面測定装置２１等によって測定される。
評価対象Ｗの突合せ位置３３及び溶接部中央位置５１の測定は、溶接時と同様にデフケースＷａとリングギヤＷｂを３６０°回転させながら、溶接前の突合せ位置３３及び溶接後の溶接部５２に２次元断面プロファイル測定用レーザ光（スリットレーザ２２ａ）を照射して行われる。
評価対象Ｗの突合せ位置３３及び溶接部中央位置５１の測定を、位置決め固定されたデフケースＷａ及びリングギヤＷｂの３６０°に亘って連続して行ってもよいが、一定回転角毎に間欠的に行ってもよい。

この評価対象Ｗの溶接部中央位置５１が、デフケース（鋳物）Ｗａ側に偏っているかリングギヤ（鋼材）Ｗｂ側に偏っているか、及びどの程度偏っているかは、上記の突合せ位置３３及び溶接部中央位置５１の測定値に基づいて測定される。
ここでは、図４に示す突合せ位置３３を基準位置０と置く。そして、この基準位置０に対して、図５に示す溶接部中央位置５１、つまり溶接部５２の幅ｂｗ方向の中央位置ｂｗ／２が、同幅ｂｗ方向の図中、左側（−側）か右側（＋側）のどちら側に、何ｍｍずれているかを演算することによって測定される。

評価対象Ｗの溶接部中央位置５１が、溶接部５２の幅ｂｗ方向のどちら側に何ｍｍずれているか（突合せ位置に対するずれ方向及びずれ量）が測定されると、同溶接部５２の硬度が次のように評価される。
すなわち、評価対象Ｗの溶接部５２の硬度の評価に当たっては、評価対象Ｗと同様の材料、同様の条件で溶接された複数の試験用評価対象について、その溶接部中央位置（突合せ位置に対するずれ方向及びずれ量）を、同様の二次元断面測定装置２１及び演算等によって測定する。この測定結果を溶接部中央位置データと記すと、この複数の試験用評価対象についての各溶接部中央位置データを適宜の記憶装置に保存する。
そして、各試験用評価対象の溶接部５２の硬度を破壊検査等によって実測し、その実測値とそれに対応する溶接部中央位置データの相関（中央位置・硬度相関）データを予め作成する。

図６は、上記のようにして作成した中央位置・硬度相関の一例を示す図である。
この図６において、横軸は溶接部中央位置（ビード幅方向中央位置）５１を、縦軸は溶接部５２の硬度〔Ｈｖ〕を示す。横軸に付された数値〔単位：ｍｍ〕は溶接部中央位置５１の突合せ位置３３からのずれ量を、符号「−」，「＋」は溶接部中央位置５１が突合せ位置３３に対して左右のどちら側にずれているかを示す。符号「−」は左側に、符号「＋」は右側にずれていることを示す。試験用評価対象（溶接部中央位置データ）に対する強度の実測値は、図６中に「◆」印にてプロットしてある。
なお図６中、曲線６３は、上記複数の試験用評価対象についての硬度の実測結果をプロットして得られた試験用評価対象硬度曲線である。

突合わせ溶接が済んだ評価対象Ｗは、上記のようにその溶接部中央位置５１が測定され、測定結果（溶接部中央位置データ）は図６に示す中央位置・硬度相関（データ）と対照される。
図６において、縦軸に沿う矢印６１は硬度〔Ｈｖ〕の上限規格を、横軸に沿う両方向矢印６２は硬度がＯＫとされるずれ量の範囲を示す。
したがって図６の例では、突合せ位置３３からの溶接部中央位置５１のずれが、左側について約０．３７ｍｍ以内、右側について約０．１６ｍｍ以内であれば、溶接部５２の硬度が良（ＯＫ）と評価される。
これにより、評価対象Ｗの溶接部中央位置データ、つまり評価対象Ｗの溶接部中央位置５１が溶接部５２の幅方向のどちら側に何ｍｍずれているか、を測定することにより、破壊検査によることなく評価対象Ｗの溶接部５２の硬度が高精度に推定され、その硬度から評価対象Ｗの溶接部５２の硬度が評価できる。
評価対象Ｗの溶接部５２の硬度の評価は、評価対象Ｗの突合せ位置３３及び溶接部中央位置５１の測定を行ったデフケースＷａ及びリングギヤＷｂの中心軸３１（図３参照）の回りの全ての箇所について連続して行ってもよいが、予め設定した回転角毎に間欠的に行ってもよい。

以上述べた実施形態によれば、異種材料、特に鋳物等の高炭素鋼を含む異種材料の組合せの突合せ溶接において、評価対象の溶接部中央位置の測定によりその溶接部の硬度を評価できる。したがって、従来行っていた破壊検査を評価対象について行う必要がなくなり、評価対象の溶接部の硬度評価を低コスト、低工数で行うことができる。

３３：突合せ位置、５１：溶接部中央位置、５２：溶接部（ビード）、Ｗ：評価対象、Ｗａ：デフケース（鋳物）、Ｗｂ：リングギヤ（鋼材）。

Claims

異種材料の突合せ溶接における溶接部硬度評価方法であって、
評価対象の、前記異種材料の突合せ位置に対する前記突合せ溶接による溶接部中央位置を測定し、この溶接部中央位置を、
試験用評価対象を用いて予め作成された、前記異種材料の突合せ位置に対する前記突合せ溶接による溶接部中央位置と溶接部硬度の相関と対照して、
前記評価対象の前記突合せ溶接による溶接部の硬度を評価することを特徴とする溶接部硬度評価方法。
前記異種材料の突合せ溶接は、高炭素鋼を含む異種材料の組合せの突合せ溶接であることを特徴とする請求項１に記載の溶接部硬度評価方法。