JP5459750B2 - 溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の軽量化を目的に使用される高張力鋼板によって構成される部材の接合手段として使用される抵抗溶接が良好な９８０Ｍｐａ級以上の高張力鋼板の溶接方法に関するものである。

従来、自動車用鋼板としては、自動車の軽量化を目的に高張力化が進んでいる。自動車の高張力化の弊害としてスポット溶接などの抵抗溶接を行った際、急熱、急冷により溶融凝固部の靭性が失われ、接合強度が低いもしくは安定的ではないといった問題があった。そこで添加元素とくにＣ（重量％）を抑える事により、溶接凝固部の靭性劣化を防ぐことで接合強度を確保している（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２１１９３４号公報

しかしながら、添加元素とくにＣ量を押さえることは、鋼板の高張力化を抑制するものであり、自動車用高張力鋼板としては、引張り強さが９８０ＭＰａ級程度で留まっているといった問題がある。また、熱間プレスによる高強度化があり、この場合、０．２％（重量）程度のＣを含有し、加熱と型による冷却により焼き入れされ材料強度は１５００ＭＰａ程度になるが、スポット溶接に関わる上記課題等により、接合の相手材を制約することにより強度的な信頼性を確保している。このようにＣ（重量％）を抑制することは材料の高張力化を難しくしていること、また、仮にＣ（重量％）をある程度高めた場合は板組が制約されるなどの課題がある。

本発明の目的は、材料強度が９８０ＭＰａを超える高張力鋼板でありながら、接合部の接合強度を確保することができる溶接方法を提供することにある。

本発明者らが検討した結果、抵抗溶接により被溶接材を溶融凝固させナゲットを形成させた後、高周波加熱により、溶融凝固部および熱影響部の焼戻し処理を行うことにより、溶融凝固部および熱影響部を焼き戻しマルテンサイトあるいは焼き戻しベイナイト組織とすることでＣ量を０．３８（重量％）まで添加しても接合強度はほとんど低下しないことを見出した。また、溶融凝固部の硬さを母材の硬さより、Ｈｖ＋５０〜＋１５０の範囲とすることで、溶融凝固部の強度と靱性の双方を確保でき、良好な接合強度が得られることを確認した。

上記した本発明の目的を達成するために、本発明者らが検討した結果、以下に示す条件を満足することが有効であることを知見した。

即ち、
（ａ）抵抗溶接用の電極の周りに高周波加熱用コイルを巻きまわした配置からなる装置を用いる鋼板の溶接において、抵抗溶接により被溶接材を溶融凝固させナゲットを形成させた後、高周波加熱により、溶融凝固部及び熱影響部の焼戻し処理を行い、この際、高周波加熱による前記焼き戻し処理は、その加熱温度を前記被溶接材のＡ３変態点以下で行ない、且つ前記焼き戻し処理のＡ３変態点まで高周波加熱により加熱する方法を、高周波加熱コイルのＡ２変態点到達時のインピーダンス変化を検知して、その検知してから１秒以下の時間の経過後、高周波加熱を停止する、あるいは、高周波加熱による入熱を低下させる方法とし、その後、２０℃／ｓ以上の放冷する、あるいは、抵抗溶接の電極を加圧保持することにより２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する溶接方法。

（ｃ）前記請求項の溶接方法において、抵抗溶接により被溶接材を溶融凝固させナゲットを形成させた後、Ａ３変態点まで高周波加熱し、続いて冷却し、溶融凝固部及び熱影響部の焼き戻しを行なう溶接方法。

（ｆ）前記請求項の溶接方法において、被溶接材を９８０ＭＰａを超える鋼板とし、その抵抗溶接による接合部の溶融凝固部と熱影響部が、焼き戻しマルテンサイトか、あるいは、焼き戻しベイナイトを主相とした組織を形成せしめる溶接方法。

（ｇ）前記請求項の溶接方法において、溶融凝固部の硬さを、母材の硬さより、＋Ｈｖ５０〜＋１５０の範囲に調整することを特徴とする溶接方法。

本発明によれば、９８０Ｍｐａ以上の高張力鋼板でも接合部の強度が低下することなく、これまでに無い優れた効果を示す。

図１は実施の形態の説明図である。加熱コイル４、５を図示しないサーボモータの駆動により適切な位置まで移動することによって、ワーク（被溶接材）の予め設定されている溶接部を挟みこむことができる。また加熱コイル４、５は高周波電源６に接続して、高周波加熱手段を構成する。この高周波加熱手段はコイル駆動装置からの移動完了信号に基づいて、加熱制御装置７により駆動制御する。

以下に実施の形態の動作を説明する。
ワーク１、２をコイル駆動装置により移動した加熱コイル４、５により、溶接部３に対し適切な位置で挟みこむ。コイル駆動装置の移動完了信号基づいて、加熱制御装置７により高周波電源６は加熱コイル４、５に高周波電流を供給する。加熱は加熱コイル４、５がワーク１、２のＡ２変態到達時のインピーダンス変化を加熱制御装置７により検出し、それから１秒後、高周波電流を停止させ、ワーク１、２のＡ３変態まで加熱させた。その後、高周波電流を加熱制御装置７によって、ワーク１、２を２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する。
冷却過程の終了後、加熱制御装置７により加熱コイル４、５への高周波電流の供給を停止するとともに、コイル駆動装置により、加熱コイル４、５を溶接部３より離れた所定の待機位置まで移動させる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（比較例１〜２７、実施例２８〜３０）
図１に示す溶接装置を用い、表１に示す組成の鋼板を溶接した。

表１には、実施例および比較例の成分および機械的性質を記載する。表１記載の各鋼板からＪＩＳ Ｚ ３１３６およびＪＩＳ Ｚ ３１３７に準拠した引張りせん断試験片および十字引張り試験片を切削加工により作製し、その溶接接合面を脱脂後、加圧力４９５０〜６４５０ｋＮ、通電時間１９〜２３ｃｙｃ、電流値１０〜１４ｋＡの条件でスポット溶接を行った。試験片番号２８〜３０は、前記スポット溶接後にナゲット外周上にコイルが配置された高周波加熱処理装置によって、焼き戻し加熱処理を行った。

鋼板の機械的特性は、ＪＩＳ Ｚ ２２０１ ５号試験片により引張り試験を行った。母材および溶融部、熱影響部の組織観察は、断面を研磨後、ナイタール溶液によりエッチングし、光学顕微鏡１００〜１０００倍およびＳＥＭ観察１０００〜５０００倍を行った。
得られたスポット溶接試験片は、各々、ＪＩＳ Ｚ ３１３６およびＪＩＳ Ｚ ３１３７に準拠し、引張りせん断試験および十字引張り試験を実施した。断面試験はＪＩＳ Ｚ ３１３９に準拠し、ナゲット径を計測した。

抵抗溶接した接合部強度については、母材強度が５９０ＭＰａ級を超えると、ＴＳＳは上昇するが、ＣＴＳは上昇しない傾向がある。そのため、効果の比較としては下記、式（１）の関係を調べることで比較を行った。判定として、ＴＳＳと材料強度の比と、ＣＴＳと材料強度の積を併せ比較することで接合部の評価を行った。（表１中；５９０ＭＰａ級以上：○、５９０ＭＰａ級以下：×）
ＴＳＳ／（材料強度）＋ＣＴＳ×（材料強度）・・・・・・・式（１）

抵抗溶接することで、溶融部の周りに、その熱による影響を受け組織的に変化することが知られている。これにより、母材強度が軟化をすることで接合強度を低下させるため、軟化の有無（表１中；軟化無し：○、軟化あり：×）を、溶融凝固部およびその周辺を断面方向に切断し樹脂埋め後、鏡面研磨しＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠し硬さを計測することで確認した。

破断形態は、接合強度の安定性に最も起因する要因と言え、ＪＩＳ Ｚ ３１３６に記載されるプラグ破断の形態を取る場合が安定的な強度であると言える。（表１中；プラグ破断：○、界面破断：×）

図１に示す本発明範囲における鋼板のスポット溶接後の各性能は、表１に示すように接合強度、また強度に影響がある溶融部周辺の母材強度の軟化有無、接合強度のばらつき要因となる破断形態のすべての性能を満たしており、且つ母材の引張り強度が１１８０ＭＰａ級以上であると言え、高強度と抵抗溶接性の両立を可能としたこれまで無い優れた効果を示している。

なお、本発明は上記、実施例に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、上記実施例では１対のコイルによりワークを挟みこんでいるが、所定の加熱が可能である場合、一つのコイルによる加熱にしても同様な効果が得ることができ、構成の簡略化が図れる。
また２０℃／ｓ以上の冷却を得るため、スポット溶接電極で挟み、抜熱により冷却しても良い。なお、通常 高周波コイルと被溶接材の位置のずれにより、加熱温度は変動してしまうが、本方法によればＡ２変態点のインピーダンス変化の検知を起点に加熱制御するため、Ａ２変態点近傍域の温度制御が高精度になるという利点がある。

抵抗溶接装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１，２ ワーク
３ 溶接部
４，５ 加熱コイル
６ 高周波電源
７ 加熱制御装置

Claims (4)

1. 抵抗溶接用の電極の周りに高周波加熱用コイルを巻きまわした配置からなる装置を用いる鋼板の溶接方法において、
   抵抗溶接により被溶接材を溶融凝固させナゲット形成させた後、高周波加熱により溶融凝固部及び熱影響部の焼き戻し処理を行ない、
   この際、高周波加熱による前記焼き戻し処理は、その加熱温度を前記被溶接材のＡ３変態点以下で行ない、且つ前記焼き戻し処理のＡ３変態点まで高周波加熱により加熱する方法を、高周波加熱コイルのＡ２変態点到達時のインピーダンス変化を検知して、その検知してから１秒以下の時間の経過後、高周波加熱を停止する、あるいは、高周波加熱による入熱を低下させる方法とし、
   その後、２０℃／ｓ以上の冷却速度で放冷する、あるいは、抵抗溶接の電極を加圧保持することにより２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する溶接方法。
2. 請求項１に記載の溶接方法において、前記焼き戻し処理は、前記被溶接材のＡ３変態点まで高周波加熱する第１の焼き戻し処理であり、前記冷却後、高周波加熱により溶融凝固部及び熱影響部の焼き戻しを行なう第２の焼き戻し処理を更に行なう溶接方法。
3. 請求項１又は２に記載の溶接方法において、被溶接材を９８０ＭＰａを超える鋼板とし、その抵抗溶接による接合部の溶融凝固部と熱影響部とに、焼き戻しマルテンサイトか、あるいは、焼き戻しベイナイトを主相とした組織を形成せしめる溶接方法。
4. 請求項３に記載の溶接方法において、前記溶融凝固部の硬さを、母材の硬さより、＋Ｈｖ５０〜＋１５０の範囲に調整することを特徴とする溶接方法。

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