JP5467480B2 - 溶接構造部材及び溶接方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は、鋼板の面同士を重ね合わせてスポット溶接によって溶接部を形成して接合した溶接構造部材であって、溶接部は、溶融凝固部と溶融凝固部を取り囲む熱影響部とを備え、面における硬さは、熱影響部の外側領域から当該熱影響部に行くにつれて硬くなっており、さらに、熱影響部から溶融凝固部の中心部へ行くにつれて軟らかくなっていることを特徴とする。
該粒子間の間隔をLとしたときに、下記(1)式で表わされる炭化物の粒子分散指数は、好ましくは、0.02以上である。
粒子分散指数=(粒子径の平方根)/粒子間隔=(d)1/2/L (1)
本発明のスポット溶接方法は、面同士を重ね合わせた鋼板を一対の電極で挟み、一対の電極間に直流又は第1の周波数の電力を印加して、溶融凝固部と溶融凝固部を取り囲む熱影響部とを備えた溶接部によって鋼板同士をスポット溶接するに当たり、電極に第1の周波数よりも高い第2の周波数の電力を印加し、第2の周波数の電力によって、鋼板と一対の電極とが接触する領域の外周部近傍を加熱すると共に、鋼板の重なり合う接合端領域を加熱することを特徴とする。
2:鋼板
2A:円形内部
2B,2C:リング状領域
3:スポット溶接部
3A:中心部
3B:接合端部
4:溶融凝固部
4A:溶融凝固部の凸部
5:熱影響部
5A:固相接合
6:熱影響部の外部
8:炭化物
10:溶接装置
10A:溶接装置の溶接用回路部
10B:溶接装置の溶接部
12:ガンアーム
12A:ガンアームの上部
12B:ガンアームの上部
13:電極支持部
14:電極
15:浮遊インダクタンス
16:低周波電源
17:整合コンデンサ
18:高周波電源
20:通電制御部
21:バイパスコンデンサ
22:商用電源
23:高周波電流阻止インダクタンス
24:低周波電源制御部
26:溶接トランス
28:発振器
30:整合トランス
32:高周波電流
34:低周波電流
図1は、本発明の実施形態に係る溶接構造部材におけるスポット溶接部の一例を模式的に示す断面図である。
図2は、スポット溶接部の断面の硬度分布の一例を模式的に示す図である。図2の横軸はスポット溶接箇所の断面の鋼板の重ね合わせ部、具体的には2枚の鋼板2,2の重ね合わせ面に沿った方向の位置を示しており、スポット溶接箇所の断面図と対比させて示している。図の縦軸は、鋼板同士の重ね合わせ部におけるビッカース硬度である。スポット溶接前の鋼板(母材)のビッカース硬度をHV0として示している。
溶融凝固部4と熱影響部5の軟部位とに分散した炭化物の粒子直径をdとし、粒子間の間隔(粒子間隔)をLとすると、下記(1)式で炭化物の粒子分散指数を定義する。
粒子分散指数=(粒子径の平方根)/粒子間隔=(d)1/2/L (1)
粒子分散指数は、Ashbyの歪硬化理論に基づけば、歪硬化率に比例する量である。
図3(A)においては、(1)式は原点を通る直線勾配となる。歪硬化率はこの直線勾配に比例する。このため、炭化物の粒子分散は直線勾配が大きくなるように、つまり、粒子分散指数を大きくするとより高延性が得られる。粒子体積率を点線で示しているが、上限は10%とし、最低でも1%以上が望ましい。粒子径が10nm未満では、溶接構造部材1の応力増加の効果がない。このため、応力増加のためには、粒子径は10nm以上とする。
粒子分散指数は、以下の手順で測定することができる。
(イ)溶接構造部材のスポット溶接部3の金属組織を、電子顕微鏡で観察する。例えば、倍率は2万倍の視野とする。図4は炭化物の分散状態を模式的に示す図である。図示するように、スポット溶接部3中に炭化物8が分散している。図4に示す切片法で、分散した炭化物8の粒子直径dと粒子間隔Lを求める。ここで、粒子直径dが10nm以下(d<10nm)の炭化物の粒子は除外して観察する。電子顕微鏡観察のためのスポット溶接部3の金属組織は、特許文献3及び非特許文献1に開示されている電解研磨法で平坦化することができる。
(ロ)一視野毎に、炭化物8の粒子直径dと粒子間隔Lの平均値を、それぞれ求める。
ここで、複数の視野で、それぞれの視野の平均値が、いわゆるBi−modal分布となる場合は適用外とする。
(ハ)少なくとも三視野以上の値の平均値を持って、粒子分散指数を計算する。
(溶接装置)
図5は、本発明の実施形態に係る溶接構造部材をスポット溶接する溶接装置10の構成の一例を模式的に示す図である。
図7は、重ね合わせた2枚の鋼板2へ低周波電源16と高周波電源18とから電力を同時に印加したとき鋼板2に生じる電流分布を模式的に示す断面図であり、図8は鋼板2の加熱状態を示す平面図、図9は鋼板2の高周波電流32による加熱状態を示す断面図である。
図10は、鋼板2を3枚重ね合わせた場合の高周波電流32による加熱状態を示す断面図である。図10に示すように、鋼板2を3枚重ね合わせた場合には、2箇所のリング状領域2Bと、2箇所の鋼板2の接合面の端部2Cと、からなる4箇所のリング状領域が高周波電流32によって加熱される。
鋼板2へ低周波数又は高周波数の電力を印加した場合の表皮厚さは周波数の−1/2乗で変化するので、同じ材料であれば低周波数程厚くなり、高周波数になれば薄くなる。一般にスポット溶接用の電源は50Hz又は60Hzなので、電極14のチップ先端の直径6mm程度であれば電流は電極14の全体に流れる。
次に、溶接装置10によるスポット溶接及び加熱処理について説明する。
鋼板2,2の溶接は、鋼板2,2を一対の電極14,14で挟み、通電して鋼板2,2を加熱することによって行われる。一例として、一対の電極14,14への第1の通電によって鋼板2,2の所定領域を加熱する第1ステップと、鋼板2,2を挟む一対の電極14,14の位置を第1ステップと同一位置に維持した状態で、一対の電極14,14への第2の通電によって第1ステップとは異なる領域を加熱する第2ステップと、を備えていればよい。第1通電が低周波電源16からの通電である場合には、第1の通電による鋼板2,2の所定の加熱領域は、上記した円形内部2Aである。第2の通電が高周波電源18からの通電である場合には、第1の通電による鋼板2の所定の加熱領域は、上記したリング状領域2Bである。上記の第1ステップ及び第2ステップは組み合わせてもよい。
低周波電源16:50Hz,電極14は銅製であり、この電極14のチップ先端の直径が6mm、電源容量50kVA
低周波電源16の通電時間:0.3〜0.5秒
高周波電源18:30kHz,50kW出力
高周波電源18の通電時間:0.3〜0.6秒
鋼板2の組成は、鉄以外の成分として、C(炭素)が0.19〜0.29重量%含有されている。
実施例1〜3に対する比較例として、高周波電源8を印加せず、低周波電源6の通電によって溶接をした。つまり、通常のスポット溶接を行った。
鋼板2の重ね合わせ部において、溶融凝固部4の凸部4Aは最も負荷がかかる部位となり、この部位の靭性が溶接部の破断特性に重要となる。本発明では、溶融凝固部4の端部が凸部4Aを形成し、かつ、軟質な部位となっており、応力を緩和する作用を有している。従来のスポット溶接においては、溶融凝固部の端部に形成される凸部は中散りなどと呼ばれ、偶発的に発生する現象で材質的にも制御できるものではなかった。これに対して、本発明では、鋼板2を高周波通電で加熱することによって、溶融凝固部4の凸部4Aを含む状態を制御できるようになる。
Claims (16)
- 鋼板の面同士を重ね合わせスポット溶接によって溶接部を形成して接合した上記鋼板から成る溶接構造部材であって、
上記溶接部は、該接合部の接合端部から中心部に行くにつれて軟らかくなっていることを特徴とする、溶接構造部材。 - 鋼板の面同士を重ね合わせスポット溶接によって溶接部を形成して接合した上記鋼板から成る溶接構造部材であって、
上記溶接部は、溶融凝固部と、該溶融凝固部を取り囲む熱影響部と、を備え、
上記面における硬さは、上記熱影響部の外側領域から当該熱影響部に行くにつれて硬くなっており、さらに、上記熱影響部から上記溶融凝固部の中心部へ行くにつれて軟らかくなっていることを特徴とする、溶接構造部材。 - 前記熱影響部の前記鋼板に対する最大硬さの上昇分をHとした場合、前記溶融凝固部の中心部の硬さは、前記熱影響部の最大硬さの部位に対して上記Hの1/2以上軟化していることを特徴とする、請求項2に記載の溶接構造部材。
- 前記熱影響部の金属組織が、550HV以上の硬度を有している硬質相と470〜550HVの硬度を有している軟質相とからなる微細複合組織を有していることを特徴とする、請求項2又は3に記載の溶接構造部材。
- 前記溶融凝固部の金属組織が、微細炭化物が分散したマルテンサイト組織からなることを特徴とする、請求項2又は3に記載の溶接構造部材。
- 前記溶融凝固部と前記熱影響部の軟部位とに分散した前記微細炭化物の粒子直径をdとし、該粒子間の間隔をLとしたときに、下記(1)式で表わされる前記微細炭化物の粒子分散指数が、0.02以上であることを特徴とする、請求項5に記載の溶接構造部材。
粒子分散指数=(粒子径の平方根)/粒子間隔=(d)1/2/L (1) - 前記微細炭化物の粒子直径が、10nm以上であることを特徴とする、請求項6に記載の溶接構造部材。
- 前記微細炭化物の粒子体積率が、1%〜10%の範囲内であることを特徴とする、請求項6に記載の溶接構造部材。
- 前記熱影響部の前記鋼板同士が、固相接合していることを特徴とする、請求項2〜8の何れかに記載の溶接構造部材。
- 前記熱影響部の固相接合は、前記溶接部の十字引張り試験の破断経路が、前記溶融凝固部以外の領域に沿って亀裂が進展する破断経路となるか、又は前記溶融凝固部と前記熱影響部との境界近傍に沿って亀裂が進展する破断経路となるような接合強度を有していることを特徴とする、請求項9に記載の溶接構造部材。
- 前記溶融凝固部と前記熱影響部との境界領域において、前記溶融凝固部が、当該重ね合わせ部に沿って前記熱影響部の領域内に突出した凸部を有していることを特徴とする、請求項2〜10の何れかに記載の溶接構造部材。
- 前記鋼板が、炭素を0.15質量%以上含有する鋼板よりなることを特徴とする、請求項2〜11の何れかに記載の溶接構造部材。
- 前記溶接部の十字引張り試験の破断経路が、前記溶融凝固部以外の領域に沿って亀裂が進展する破断経路となるか、又は前記溶融凝固部と前記熱影響部との境界近傍に沿って亀裂が進展する破断経路となることを特徴とする、請求項2〜12の何れかに記載の溶接構造部材。
- 面同士を重ね合わせた鋼板を一対の電極で挟み、上記一対の電極間に直流又は第1の周波数の電力を印加して、形成した溶接部によって上記鋼板同士をスポット溶接する方法であって、
上記電極に上記第1の周波数よりも高い第2の周波数の電力を印加し、
上記第2の周波数の電力によって、上記鋼板と上記一対の電極とが接触する領域の外周部近傍を加熱すると共に、
上記溶接部の鋼板の重なり合う接合端部領域を加熱することを特徴とする、溶接方法。 - 面同士を重ね合わせた鋼板を一対の電極で挟み、上記一対の電極間に直流又は第1の周波数の電力を印加して、溶融凝固部と該溶融凝固部を取り囲む熱影響部とを備えた溶接部によって上記鋼板同士をスポット溶接する方法であって、
上記電極に上記第1の周波数よりも高い第2の周波数の電力を印加し、
上記第2の周波数の電力によって、上記鋼板と上記一対の電極とが接触する領域の外周部近傍を加熱すると共に、
上記熱影響部の外周部と接触する鋼板の重なり合う接合端領域を加熱することを特徴とする、溶接方法。 - 前記第2の周波数の電力を、前記直流又は前記第1の周波数の電力によるスポット溶接の後で印加することを特徴とする、請求項14又は15に記載の溶接方法。
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