JP2019081179A

JP2019081179A - 重ね隅肉溶接継手の加工方法および重ね隅肉溶接継手の製造方法

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Publication number: JP2019081179A
Application number: JP2017208580A
Authority: JP
Inventors: 塩崎　毅; Takeshi Shiozaki; 毅塩崎; 尚記山口; Naoki Yamaguchi
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-30
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: JP6750595B2

Abstract

【課題】部材表面に過大な荷重を与えることなく、高い生産性の下、十分に疲労特性を向上させることが可能な重ね隅肉溶接継手の加工方法を提供する。【解決手段】回転工具の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、２以上の部材を接続した溶接継手の溶接止端部に当接させながら、該溶接止端部に沿って該溶接継手の溶接ビードの長手方向に移動させる、重ね隅肉溶接継手の加工方法であって、上記回転工具の回転軸と上記溶接ビードの長手方向とを、上記回転工具が当接する溶接止端部の部材表面に垂直な方向から見て、略平行とし、上記回転工具の先端部の回転軸に垂直で、かつ、上記溶接止端部に当接する位置における上記回転工具の先端部の断面の形状を円形とし、また、該断面での直径を上記溶接止端部の曲率半径の１．００〜５．００倍とする。【選択図】図２

Description

本発明は、薄鋼板を母材とする重ね隅肉溶接継手に適用して好適な溶接継手の加工方法および溶接継手の製造方法に関する。

自動車の足回り（シャシー）部品には、特に路面からの繰り返しの荷重に対する耐久性が求められるため、十分な疲労強度を確保することが要求される。

一般的に、自動車の足回り部品は、鋼板をプレス成形して得られた各部材を、アーク溶接により接合して組み立てられており、かような足回り部品では、溶接止端部（溶接金属と被溶接母材との境界部）から疲労き裂が発生し易いことが知られている。

図１は、自動車の足回り部品で多くみられる重ね隅肉溶接継手の断面の一例を模式的に示すものである。この例では、２枚の鋼板３、４のそれぞれの端部を重ね、上側の鋼板３の端面と下側の鋼板４の表面とが溶接金属１により接合されている。
このような溶接継手に、例えば、図示したような方向の曲げモーメントが繰り返し負荷されると、溶接止端部５の近傍は切欠き形状であるために応力が集中し、当該溶接止端部５の近傍に疲労き裂７が生じる。

このため、疲労特性の改善には、疲労き裂７が発生し易い溶接止端部５の近傍を加工することによって、溶接止端部５の形状を滑らかにして応力の集中を緩和したり、圧縮残留応力を付与することが有効と考えられる。
このような技術として、以下のような方法が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、
「溶接止端部を回転する圧子により塑性変形するまで加圧したのち、加熱するという処理を繰返し行って同止端部に発生する亀裂を防止することを特徴とした溶接止端部の処理方法。」
が開示されている。

特許文献２には、
「被溶接部材上を溶接後、溶接金属と被溶接部材の境界付近をその断面が半円形の凹部となるよう加圧し、同上境界付近に圧縮残留応力を生ぜしめることを特徴とする溶接部の機械的性質改善方法。」
が開示されている。

特許文献３には、
「回転体ホルダ先端に保持した回転体を、ワークの溶接止端部に当接させた状態で前記ホルダを介して押圧し、該ホルダまたはワークを溶接部分に沿って移動して溶接止端部を加圧することを特徴とする溶接止端部の加圧方法。」
が開示されている。

特許文献４には、
「溶接継手の製造方法であって、ａ）第１部材と第２部材とを溶接して溶接部を形成する工程と、ｂ）前記溶接部の溶接止端部における所定の対象領域に対する表面溶融処理または研削処理により、前記対象領域の表面を平滑化する工程と、ｃ）前記溶接止端部の前記対象領域に対して圧縮残留応力を付与する工程と、を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。」
が開示されている。

特許文献５には、
「複数の部材を互いに当接させ、これら各部材間に溶接ビードを形成してなる溶接継手の溶接ビード整形方法であって、前記各部材よりも硬質な非消耗式の整形ツールを用い、該整形ツールを前記溶接ビード及び溶接ビード止端部の周辺に押付けつつ相対移動することにより摩擦熱を発生させる摩擦熱発生工程と、この摩擦熱により前記溶接ビード及び溶接ビード止端部の周辺を塑性流動化しつつ前記整形ツールを移動することにより、前記溶接ビード表面及び溶接ビード止端部の形状を滑らかに整形する整形工程とからなる溶接継手の溶接ビード整形方法。」
が開示されている。

特開昭５３−１２３３４６号公報特開昭５９−８２１８６号公報特開平１０−２９６４８０号公報特開２０１５−１８２１３０号公報特開２００３−５３５８６号公報

「突合せ溶接継手余盛止端部形状と疲れ強さ」（溶接学会誌第４０巻（1971）第８号 P.723-735）

ところで、近年、自動車の衝突安全性能の向上と燃費規制の対応とを両立すべく、自動車の軽量化に対する要求が益々厳しくなっており、足回り部品についても、高強度鋼板を適用することによって、部品の板厚を低減して軽量化することが望まれている。

しかし、特許文献１〜３の技術は、圧子等の工具が回転して被加工材となる部材表面を加圧するものであるが、溶接止端部の曲率半径に比べて圧子の先端半径が小さいため、部品表面に十分な塑性変形を与えるためには、大きな荷重を負荷する必要がある。このため、かような技術を、自動車部品等の薄鋼板を母材とする重ね隅肉溶接継手に適用すると、母材に反りなどの変形を生じさせるおそれがある。
加えて、特許文献１の技術では、加圧と加熱を繰り返す必要があるため、生産性の点に問題がある。

また、特許文献４の技術では、溶接部の溶接止端部における所定の対象領域に対する表面溶融処理または研削処理により、対象領域の表面を平滑化する工程、および、前記溶接止端部の前記対象領域に対して圧縮残留応力を付与する工程の両方を行う必要があり、やはり生産性の点に問題がある。

さらに、特許文献５の技術では、基本的に塑性加工したい部材表面に対してほぼ垂直な軸で整形ツールを高速回転させ、その整形ツールを溶接ビードの長手方向に沿って移動させながら加工を進めていくため、被加工材表面において、整形ツール端部の回転軌跡の一部が、整形ツール端部における溶接ビードの長手方向への進行軌跡と重複し、その重複する部分が、溶接ビードの長手方向に連なる。このとき、摩擦熱で流動し易くなっている被加工材は、整形ツールの動きに引きずられて整形されていくため、被加工材に、上記した重複する部分の整形ツールの軌跡が残存し、結果的に、溶接ビードの長手方向に引き掻き痕が生じ、この引き掻き痕が、溶接継手の疲労き裂の発生起点となって、疲労強度の低下を招くおそれがある。
加えて、特許文献５の技術を隅肉溶接継手等に適用する場合に、継手形状に応じて整形ツールを部材表面の垂直な方向から傾けると、特許文献１〜３の技術と同様、部材表面に大きな荷重を負荷する必要が生じる。よって、かような技術を、自動車部品等の薄鋼板を母材とする重ね隅肉溶接継手に適用すると、やはり母材に反りなどの変形を生じさせるおそれがある。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであって、被加工材である部材の表面に過大な荷重を与えることなく、高い生産性の下、十分に疲労特性を向上させることが可能な溶接継手の加工方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の溶接継手の加工方法を用いた溶接継手の製造方法を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、種々検討を重ねた。
まず、発明者らは、図２に示す回転工具８を用いて溶接継手の溶接止端部５に種々の条件で加工を施して、溶接止端部５近傍の表面に塑性変形を生じさせ、その形態を調査した。

その結果、発明者らは、
・溶接ビード６の長手方向に沿った塑性変形は、疲労強度に影響する溶接ビード６の断面方向の圧縮残留応力の付与には殆ど寄与しておらず、
・よって、溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に対して優先的に塑性変形を生じさせれば、部材表面に付与する荷重、すなわち回転工具８の押し付け荷重を従来よりも低減しても、溶接止端部５の形状を滑らかにしつつ、溶接ビード６の長手方向に直角な方向の圧縮残留応力を十分に付与できる、
との考えに至った。

そこで、発明者らが、さらに検討を重ねたところ、
・図２、特に図２（ｂ）に示すように、回転工具８の回転軸と溶接ビード６の長手方向とを、部材表面に垂直な方向から見て、略平行となるようにして、溶接ビード６の溶接止端部５に、回転工具８の先端部を押し付けながら、回転工具８の先端部を溶接ビード６の長手方向に移動させることにより、溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に、優先的かつ効率的に塑性変形を生じさせることが可能となり、
・また、回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、溶接止端部５に当接する位置における回転工具８の先端部の断面の形状を円形とし、また、その直径を溶接止端部５の曲率半径に併せて所定の範囲に調整することで、溶接止端部５の形状も十分に平滑化される、
との知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．回転工具の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、２以上の部材を接続した溶接継手の溶接止端部に当接させながら、該溶接止端部に沿って該溶接継手の溶接ビードの長手方向に移動させる、重ね隅肉溶接継手の加工方法であって、
上記回転工具の回転軸と上記溶接ビードの長手方向とが、上記回転工具が当接する溶接止端部の部材表面に垂直な方向から見て、略平行であり、
上記回転工具の先端部の回転軸に垂直で、かつ、上記溶接止端部に当接する位置における上記回転工具の先端部の断面の形状が円形であり、また、該断面での直径が上記溶接止端部の曲率半径の１．００〜５．００倍である、
ことを特徴とする重ね隅肉溶接継手の加工方法。

２．前記断面での直径が、前記溶接止端部の曲率半径の１．７０〜３．４０倍であることを特徴とする前記１に記載の重ね隅肉溶接継手の加工方法。

３．前記１または２に記載の重ね隅肉溶接継手の加工方法を用いたことを特徴とする重ね隅肉溶接継手の製造方法。

本発明によれば、部材の表面に垂直な方向に過大な荷重を与えることなく、高い生産性の下、十分に疲労特性を向上させることが可能となる。

重ね隅肉溶接継手の断面の一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に従う溶接継手の加工方法の一例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は断面図、（ｄ）は側面図である。本発明の一実施形態に従う溶接継手の加工方法により生じる溶接止端部５近傍の断面でのメタルフロー１０の挙動を示す模式図である。本発明の一実施形態に従う溶接継手の加工方法を施した後の溶接継手の一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に従う溶接継手の加工方法で使用する回転工具８の先端部の形状の例を示す模式図である。試験片の形状を示す模式図である。

本発明を、実施形態に基づき説明する。
本発明の一実施形態に係る溶接継手の加工方法は、図２に示すとおり、
回転工具８の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、２以上の部材を接続した溶接継手の溶接止端部５に当接させながら、該溶接止端部５に沿って該溶接継手の溶接ビード６の長手方向に移動させる、溶接継手の加工方法であって、
上記回転工具８の回転軸と上記溶接ビード６の長手方向とが、上記回転工具８が当接する溶接止端部５の部材（鋼板４）表面に垂直な方向から見て、略平行であり、
上記回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、上記溶接止端部５に当接する位置における上記回転工具８の先端部の断面の形状が円形であり、また、該断面での直径が上記溶接止端部５の曲率半径の１．００〜５．００倍である、
ことを特徴とするものである。

例えば、図２（ａ）に示すような重ね隅肉溶接継手に加工を施す場合、図中の重ね隅肉溶接継手を上方（被加工材となる下側の鋼板４の表面に垂直な方向）から見たときに、図２（ｂ）に示すように回転工具８の回転軸１２と溶接ビード６の長手方向とが略平行となるようにして、溶接ビード６の溶接止端部５に回転工具８の先端部を当接させ（押し付け）ながら、回転工具８の先端部を、軸心回りに回転させつつ、溶接止端部５に沿って溶接ビード６の長手方向（溶接方向）に移動させる。
ここで、回転工具８の回転軸１２と溶接ビード６の長手方向とが略平行になるとは、回転工具８が当接する溶接止端部５の部材（鋼板４）表面に垂直な方向から見て、回転工具８の回転軸１２と溶接ビード６の長手方向とがなす角が、３°以内となることを意味する。

また、図２（ｃ）は、図２（ａ）の断面図である。図２（ｃ）に示すように、上記の加工を施すと、溶接止端部５近傍では、その表面が溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に擦られる。
これにより、溶接止端部５は平滑化されて、溶接止端部５での応力集中が低減され、疲労き裂７の発生や進展に対する抵抗が高まる。
このような観点から、回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、溶接止端部５に当接する位置における回転工具８の先端部の断面の形状を円形とし、また、該断面での直径を溶接止端部５の曲率半径の１．００〜５．００倍とする必要がある。好ましくは１．７０倍以上である。また、好ましくは３．４０倍以下である。

また、図３に、上記の加工（塑性加工）により生じる溶接止端部５近傍の断面におけるメタルフロー１０（塑性流動）の挙動を示す。図３に示すように、溶接止端部５の表面近傍は、回転工具８との摩擦により平坦化されるとともに、当該溶接止端部５の表面近傍には、溶接ビードの断面方向にせん断されたメタルフロー１０が生じる。
この塑性加工により生じたメタルフロー１０により、溶接止端部５の表面近傍の体積が大きくなる、すなわち、溶接止端部５の表面近傍の金属（溶接金属１および鋼板４）が、内部の金属よりも膨張しようとする。その結果、この溶接止端部５の表面近傍の金属の体積膨張を、内側の金属が拘束して縮めようとする力が働き、溶接止端部５近傍の表面付近には、図３の矢印に示すような圧縮残留応力が発生する。

ここで、溶接止端部５の疲労き裂７の発生や進展は、溶接止端部５近傍に生じる溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向の残留応力によって、大きく影響される。
特に、圧縮残留応力は、疲労き裂７の発生を抑制するとともに、発生した微小な初期き裂の開口を妨げる働きがあるため、溶接継手の疲労特性の向上に大きく寄与する。

このように、回転工具８の回転軸と溶接ビード６の長手方向とが略平行となるようにして、回転工具８の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、２つ以上の部材を接続した溶接継手の溶接止端部５に当接させながら、溶接止端部５に沿って溶接継手の溶接ビード６の長手方向（溶接方向）に移動させ、さらに、回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、溶接止端部５に当接する位置における回転工具８の先端部の断面の形状を円形とし、また、該断面での直径を溶接止端部５の曲率半径の１．００〜５．００倍とすることによって、部材表面に過大な荷重を与えずとも、溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に、優先的かつ効率的に塑性変形を生じさせて、高い生産性の下、十分な疲労特性を有する溶接継手を製造することが可能となる。
なお、図４は、上記した本発明の一実施形態に係る溶接継手の加工方法により加工した溶接止端部５近傍の加工部９を模式的に示した図である。同図に示すとおり、本発明の一実施形態に係る溶接継手の加工方法によれば、溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に塑性加工された加工部９は、溶接ビード６の長手方向に、溶接止端部５に沿って連なるように形成される。

また、上述したように、本発明の一実施形態に係る溶接継手の加工方法では、溶接ビード６の長手方向に直角な断面方向に優先的かつ効率的に塑性変形を生じさせることができるので、部材表面に過大な荷重を与えずとも、具体的には、回転工具８の押し付け荷重Ｆを１５０Ｎ以下、さらには１００Ｎ以下、よりさらには５０Ｎ以下としても、良好な疲労特性を得られる。
そのため、本発明の一実施形態に係る溶接継手の加工方法は、板厚：１．８〜３．６ｍｍで引張強さ：７８０ＭＰａ以上の薄鋼板を接続した重ね隅肉溶接継手に適用して、特に有利である。

なお、回転工具８の先端部の形状は、回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、上記溶接止端部に当接する位置における断面の形状が円形であれば、特に限定されず、例えば、図５に示す円柱状、球状および円錐状のものを用いることができる。また、円錐台状のものも用いることができる。
なお、円錐状および円錐台状の場合、溶接止端部５に当接する位置の断面直径は、その形状、特に中心角と、図２（ｄ）に示す回転工具８の仰角θとの関係によって変化するため、この関係を考慮して、回転工具８の断面直径と溶接止端部５の曲率半径を本願の範囲とする条件で加工を行うことが必要である。

加えて、回転工具８の回転数および溶接ビード６の長手方向への移動速度は、それぞれ５０００〜５００００ｒｐｍおよび２〜４ｍｍ／ｓとすることが好ましい。
ここで、回転工具８の回転方向は特に限定されるものではないが、圧縮残留応力をより有利に付与する観点から、図２（ｃ）に示すように、溶接止端部５の表面近傍を、鋼板４側から溶接金属１側に擦るような回転方向とすることが好ましい。
また、図２（ｄ）に示す回転工具８の仰角θ（溶接ビード６の長手方向に直角な方向から見たときの、鋼板４の表面（水平方向）と回転工具８の回転軸とがなす角）は、疲労特性の向上効果および作業性等の観点から、５〜６０°とすることが好ましい。より好ましくは１０〜４０°である。

なお、上記以外の加工条件については特に限定されず、常法に従えばよい。

板厚：２．９ｍｍの引張強さ：９８０ＭＰａ級の熱延鋼板から、幅１００ｍｍ×長さ３００ｍｍの板を複数切り出し、２枚１組として幅方向における端部同士を重ね代：１０ｍｍで重ね、アーク溶接により重ね隅肉溶接継手を作製した。
ここでは、溶接止端部を変化させて、２種類の条件で溶接した。すなわち、一方は、シールドガスを８０％Ａｒ＋２０％Ｏ₂とし、２０ｌ／ｍｉｎの流量で、電流：２３０Ａ、電圧：２０Ｖ、および、溶接速度：８０ｃｍ／ｍｉｎとした。他方は、シールドガスを９５％Ａｒ＋５％Ｏ₂とし、他の条件は前者の条件と同じとした。
また、重ね隅肉溶接継手の溶接止端部５の曲率半径は、前者の溶接条件の場合では０．２ｍｍ、後者の溶接条件では０．９ｍｍであった。なお、溶接止端部５の曲率半径は、非特許文献１に従い、１溶接継手あたり５か所を測定し、その平均値として求めたものである。

得られた重ね隅肉溶接継手から、図６に示す形状となる試験片を作製した。ついで、作製した試験片の下側の溶接止端部５に、表１に示す条件で、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、回転工具８の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、溶接止端部５に当設させながら、溶接止端部５に沿って溶接ビード６の長手方向に移動させて、溶接継手に加工を施した。なお、表１中のＤは、回転工具８の先端部の回転軸に垂直で、かつ、溶接止端部５に当接する位置における、回転工具８の先端部の断面での直径である。
この際、Ｎｏ．１〜１１では、回転工具８の回転軸と溶接ビード６の長手方向とが、下側の鋼板４の表面に垂直な方向から見て、略平行となるようにした。
また、回転工具８の押し付け荷重Ｆが１５０Ｎ以下であれば、部材表面に作用する荷重が従来に比べ十分に小さいため、母材に反りなどの変形が生じることはなかった。
さらに、Ｎｏ．１２では、回転工具８の仰角θを９０°、すなわち、回転工具８の回転軸を下側の鋼板４の表面に垂直となるようにした。
加えて、Ｎｏ．１３〜１８では、回転工具８の回転軸と溶接ビード６の長手方向とが、下側の鋼板４の表面に垂直な方向から見て、略平行とならないように、具体的には、回転工具８の回転軸と溶接ビード６の長手方向がなす角を３０°〜９０°とした。
なお、Ｎｏ．１９およびＮｏ．２０は、加工を施さなかった溶接ままのものである。
また、回転工具８の回転数および溶接ビード６の長手方向への移動速度はいずれも、３００００ｒｐｍおよび３ｍｍ／ｓとした。

ついで、加工後の試験片を用いて、ゼロ荷重から試験荷重（最大引張荷重）の間をＳｉｎ波形で変化させる片振り平面曲げ疲労試験を、ＪＩＳＺ２２７５に準拠して行った。そして、当該疲労試験で得られたＳ−Ｎ（応力範囲（ＭＰａ）−疲労寿命（サイクル））データを、Δσ＝ＡｌｏｇＮ_f＋Ｂの式（ここで、Δσ：応力範囲（０〜最大応力）、Ｎ_f：疲労寿命、Ａ，Ｂ：フィッティング係数）によりカーブフィットして、Ｓ−Ｎ曲線を作成し、１００万サイクル時点での応力範囲（ＭＰａ）を疲労強度とした。
そして、以下の基準により、疲労特性を評価した。
合格（特に優れる）：疲労強度が４８０ＭＰａ以上
合格（優れる）：疲労強度が３４０ＭＰａ以上、４８０ＭＰａ未満
不合格：疲労強度が３４０ＭＰａ未満
評価結果を表１に併記する。

表１に示すとおり、発明例ではいずれも、回転工具８の押し付け荷重を従来よりも小さくしながら、疲労特性を大幅に改善することができた。特に、回転工具８の先端部の断面の直径Ｄと溶接止端部５の曲率半径ρの比であるＤ／ρが１．７０〜３．４０の場合、疲労強度が著しく向上した。
一方、比較例では、十分な疲労特性が得られなかった。

１：溶接金属
３：鋼板（上側の被加工材）
４：鋼板（下側の被加工材）
５：溶接止端部
６：溶接ビード
７：疲労き裂
８：回転工具
９：加工部
１０：メタルフロー

Claims

回転工具の先端部を、軸心回りに回転させ、かつ、２以上の部材を接続した溶接継手の溶接止端部に当接させながら、該溶接止端部に沿って該溶接継手の溶接ビードの長手方向に移動させる、重ね隅肉溶接継手の加工方法であって、
上記回転工具の回転軸と上記溶接ビードの長手方向とが、上記回転工具が当接する溶接止端部の部材表面に垂直な方向から見て、略平行であり、
上記回転工具の先端部の回転軸に垂直で、かつ、上記溶接止端部に当接する位置における上記回転工具の先端部の断面の形状が円形であり、また、該断面での直径が上記溶接止端部の曲率半径の１．００〜５．００倍である、
ことを特徴とする重ね隅肉溶接継手の加工方法。
前記断面での直径が、前記溶接止端部の曲率半径の１．７０〜３．４０倍であることを特徴とする請求項１に記載の重ね隅肉溶接継手の加工方法。
請求項１または２に記載の重ね隅肉溶接継手の加工方法を用いたことを特徴とする重ね隅肉溶接継手の製造方法。