JP5914047B2 - 抵抗溶接部材、その加工方法およびその加工装置 - Google Patents
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Description
(1)本発明の抵抗溶接部材の加工方法は、溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材の加工方法であって、前記溶接部の周縁域に対応する前記被溶接物の環状域を環状加圧部材により圧縮冷間加工することにより該周縁域に環状の圧縮残留応力を付与する第一加工工程と、該第一加工工程の開始後に、該溶接部の周縁域に内包される内包域に対応する該被溶接物の中央域を中央加圧部材により圧縮冷間加工することにより該内包域の引張残留応力を低減する第二加工工程と、を備えることを特徴とする。
(1)本発明は、上記の加工方法としてのみならず、その加工方法を実施する加工装置としても把握できる。すなわち本発明は、圧接された電極から投入された電力によりジュール加熱され溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材の加工装置であって、前記溶接部の周縁域に対応する前記被溶接物の環状域へ圧縮加工を加える環状加圧部材と、該環状加圧部材による圧縮加工の開始後に該溶接部の周縁域に内包される内包域に対応する該被溶接物の中央域へ圧縮加工を加える中央加圧部材と、を備えることを特徴とする抵抗溶接部材の加工装置でもよい。
(1)本発明は、上記の加工方法により得られた抵抗溶接部材でもよい。さらに本発明は、加工方法を問わず、次のような抵抗溶接部材であってもよい。すなわち本発明は、圧接された電極から投入された電力によりジュール加熱され溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材であって、該溶接部の周縁域には、圧縮残留応力(σrl)が環状に分布しており、該周縁域に内包される内包域には、該周縁域の圧縮残留応力(σrl)の最大絶対値(|σrl|max)よりも小さい残留応力(σri)が分布していることを特徴とする抵抗溶接部材としても把握できる。
特に断らない限り、本明細書でいう「x〜y」は下限値xおよび上限値yを含む。また、本明細書または図面に記載した種々の下限値または上限値は、任意に組合わされて「a〜b」のような範囲を構成し得る。さらに、本明細書または図面に記載した範囲内に含まれる任意の数値を、新たな数値範囲を設定するための上限値または下限値とし得る。
本発明の加工方法は、主に第一加工工程および第二加工工程からなる。
第一加工工程は溶接部の周縁域に環状の圧縮残留応力を付与する工程である。溶接部は、被溶接物がジュール加熱により溶融した後、凝固して形成された部分である。いわゆるスポット溶接でいうナゲットである。積層された被溶接物は、この溶接部により、点在的に接合されることになる。このため、接合される被溶接物の間(接合される内面側)を観ると、溶接部により接合されている部分とそうでない部分との間に、周状の溶接端からなる境界が形成される。この境界を本明細書では「溶接部の周縁」といい、その周縁を含む両側近傍を「溶接部の周縁域」という。この周縁域は、周縁を含む限り、その幅は問わない。敢えて言うなら、疲労亀裂の起点が存在し得る範囲となる。
第二加工工程は、第一加工工程の開始後に、上記の周縁域に内包される内包域の引張残留応力を低減する工程である。抵抗溶接により不可避的に導入される引張残留応力が、第一加工工程後も溶接部近傍に大きく残存していると、第一加工工程で導入された圧縮残留応力による疲労強度の向上が望めず、さらには繰返応力が加わった際にその圧縮残留応力が解放され得る。ここで第二加工工程を行うと、第一加工工程により導入された圧縮残留応力は残存しつつ、上記の引張残留応力は確実に低減し、さらには圧縮側へも導き得る。なお、内包域は、前述した周縁の内側であり、周縁域に内包される領域である。この内包域は、周縁域が特定されれば自ずと明らかとなる。
被溶接物の形状、材質などは問わない。代表的な被溶接物は積層した鋼板である。例えば、厚さ0.5〜3mm程度、含有炭素量(C)が0.05〜0.2質量%の軟鋼板が抵抗溶接に用いられる。その他、高強度鋼(ハイテン)、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼、アルミニウム(Al)、Al合金、銅(Cu)、Cu合金、ニッケル(Ni)、Ni合金などの素材を被溶接物にしてもよい。さらに被溶接物は異種材の組み合わせでもよい。
抵抗溶接の際に用いる電極の形状、材質などは問わない。電極は通常、円柱状または円筒状の銅製である。円筒状の電極の場合、その内部に冷却水が供給されて電極が強制冷却されていると、電極の損耗が抑制されて好ましい。
(1)被加工材の製造(抵抗溶接)
被加工材となるスポット溶接継手(抵抗溶接部材)を図1に示すようにして製造した。先ず、スポット溶接に供する40×125×厚さ1mmの高張力鋼板(JIS:SPFC980Y相当)W1、W2(単に「鋼板W」という。)を用意した。次に図1に示すように、それらの端部を重ねた上下面へ電極111、112(単に「電極11」という。)を圧接させ、この電極11へ通電した。この際、電極11による鋼板Wの加圧力は3kNとした。通電は、60サイクルの単相交流×実効電流値6.5kA×通電時間18サイクルタイムCt(1/60秒)とした。用いた電極11は円筒状で、その内部を水冷しつつスポット溶接した。電極の先端部はφ6mmであり、その先端面は曲率半径40mmの湾曲面とした。
得られた被加工材(スポット溶接継手)へ次のような圧縮加工を施した。ナゲットNの上下方向(図上)に対応する鋼板Wの環状外表両面を図2Aに示す円筒状ポンチPr(環状加圧部材)で加圧する第一圧縮冷間加工(第一加工工程、環状圧縮工程)を行った。この円筒状ポンチPrへは静的圧縮試験機(万能材料試験機)を用いて40kNの荷重を印可した。なお、円筒状ポンチPrの端面を接触させる鋼板W上の環状域Wrは、電極11の痕跡を目印に特定した。こうして環状域WrとナゲットNの周縁域Nrとの対応を図った(図3Aおよび図3B参照)。
(1)圧縮冷間加工前の試料
圧縮冷間加工前の試料の外観を図4Aおよび図4Bに示した。図4Aはその縦断面写真であり、図4Bはその平面写真である。なお、図4Aに示した写真は疲労試験後のものであるため、周縁Neの左右からそれぞれ上下方向に延びる疲労亀裂が生じている。
圧縮冷間加工後の試料の残留応力プロフィルを図5に示した。測定方法は前述した通りである。この残留応力プロフィルから、圧縮冷間加工後の試料では、溶接部の周縁域Nrが圧縮残留応力状態となっており、その内包域Ncの引張残留応力は零に近いところまで低減されていることがわかる。具体的にいうと、内包域Ncの残留応力(σri)は、高いところでも、周縁域Nrの圧縮残留応力(σrl)の最大絶対値(|σrl|max)の1/5以下ぐらいまで低下している。
圧縮冷間加工前の試料と、圧縮冷間加工後の試料を用いて、種々の条件下で疲労試験を行った。この疲労試験はJIS Z3138に基づいて行った。圧縮冷間加工後の試料について得られた試験結果を○、圧縮冷間加工前の試料について得られた試験結果を●として、横軸:破断繰り返し数(N/回数)、縦軸:荷重範囲(ΔL/N)とする線図(いわゆるS−N線図)上にプロットした。こうして得られた線図を図6に示した。なお、荷重範囲とは、負荷波形の最大荷重と最小荷重の差である。また参考として、既述した高張力鋼板(平滑材)自体のS−N線図も、JIS Z2273に基づいて実測し、図6上に重ねて示した。
図6に示す線図から明らかなように、本実施例に係る圧縮冷間加工を施すことによって疲労限度が急激に向上している。具体的には、圧縮冷間加工前の試料に対して疲労限度が2.7倍にもなった。これは高張力鋼板の疲労限度にかなり接近するものである。従って本実施例の圧縮冷間加工を施すことにより、スポット溶接した部材でも高い疲労強度ひいては耐久性を確保でき、高張力鋼板の高特性を有効に活用した部材を得ることが可能となる。
このように本実施例の疲労限度が大幅に向上した理由は、現状、次のように考えられる。先ず、前述の高張力鋼板からなる平滑試験片と、その平滑試験片に切欠き係数α=6の切欠きを設けた切欠き試験片とに関する疲労限度線図を求めた。これを図7に示す。ここで切欠き試験片(α=6)を採用したのは、スポット溶接継手のナゲットの周縁状況を代替するためである。また、図7に示した平滑試験片(○印)および試験片(●印)の疲労限度は、JIS Z2273に基づく試験を行って得たものである。この際、平均応力σmは各試験片に与える荷重(応力)で調整し、各試験片へ残留応力は付与しなかった。
(1)前述した第一圧縮冷間加工と同様な圧縮冷間加工(印加荷重:10kN)のみを行い、鋼板Wの環状域WrまたはナゲットNの周縁域Nrに存在していた引張残留応力(図4C参照)を、ほぼ零に近い圧縮応力側へシフトさせた比較試料を用意した。この比較試料の残留応力プロフィルを図9に、S−N線図を図10にそれぞれ示した。測定方法または試験方法は既述の通りである。
(1)構成
被加工材(スポット溶接継手)への圧縮冷間加工は、上述したように独立した円筒状ポンチPrおよび円柱状ポンチPcを個別に用いて行う他、図12Aに示すような加工装置Dを用いて行うこともできる。この加工装置Dは、環状パンチ1(環状加圧部材)と中央パンチ2(中央加圧部材)とバネ3(弾性部材)とプレス機(例えば静的圧縮試験機)のパンチ等による加圧源(図略)とからなり、スポット溶接後の鋼板Wの上下両側にそれぞれ配置されている。なお、既述した部分と共通する部分には同じ符号を付して説明する。
先ず、円柱部21の円状端面21aが鋼板Wの中央域Wcに当接するまで、バネ3の圧縮量に比例した荷重の全てが環状パンチ1に印加される。この荷重により、環状パンチ1による鋼板Wの環状域Wrの圧縮冷間加工がなされる(第一加工工程、環状圧縮工程)。
前述した円筒状ポンチPrと円柱状ポンチPcを用いて圧縮冷間加工を順次行った場合(試料A1〜A5)と、加工装置Dを用いて連続的に圧縮冷間加工を行った場合(試料B1)とについて、スポット溶接後の鋼板Wに導入された周縁域の残留応力σrlと内包域の残留応力σriを既述した方法で求めた。すなわち、先ず、鋼板Wの測定領域(スポット溶接した表面部分)に生じている残留応力プロフィルを測定した。次に、この残留応力プロフィルに基づき、ナゲット中心からの半径が(0.5〜0.7)Dn(本実施例のナゲット径Dn≒5mm)である環状域Wrに生じている残留応力の平均値を、残留応力σrlとして算出した。また、その環状域Wrの内周域(半径0.5Dnの円周内域)である中央域Wcに生じている残留応力の平均値を、残留応力σriとして算出した。こうして各試料について得られた残留応力σrl、σriを荷重と共に表1に示した。
表1から以降のことがわかる。先ず、試料A1〜A5と試料C1〜C3とを比較すると明らかなように、疲労強度が大きく向上する場合、周縁域に十分に大きな圧縮残留応力(σrl<σr3)が付与されており、内包域の残留応力σriも十分に小さくなっていた。このような状態は、第二加工工程で大きな荷重を印加している場合に生じている。特に試料A5のように、第一加工工程の荷重が小さくても、第二加工工程で十分な荷重を印加すれば、疲労強度は大幅に向上することがわかった。
Wr 環状域
Wc 中央域
N ナゲット(溶接部)
Nr 周縁域
Nc 内包域
Claims (8)
- 溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材の加工方法であって、
前記溶接部の周縁域に対応する前記被溶接物の環状域を環状加圧部材により圧縮冷間加工することにより該周縁域に環状の圧縮残留応力を付与する第一加工工程と、
該第一加工工程の開始後に、該溶接部の周縁域に内包される内包域に対応する該被溶接物の中央域を中央加圧部材により圧縮冷間加工することにより該内包域の引張残留応力を低減する第二加工工程と、
を備えることを特徴とする抵抗溶接部材の加工方法。 - 前記第二加工工程で前記中央加圧部材に印加する荷重は、前記第一加工工程で前記環状加圧部材に印加する荷重よりも大きい請求項1に記載の抵抗溶接部材の加工方法。
- 溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材であって、
該溶接部の周縁域には、圧縮残留応力(σrl)が環状に分布しており、
該周縁域に内包される内包域には、該周縁域の圧縮残留応力(σrl)の最大絶対値(|σrl|max)よりも小さい残留応力(σri)が分布していることを特徴とする抵抗溶接部材。 - 前記内包域の残留応力の最大値(σrimax)は、前記最大絶対値(|σrl|max)の1/2以下である請求項3に記載の抵抗溶接部材。
- 前記溶接部は、全体として圧縮残留応力状態となっている請求項3または4に記載の抵抗溶接部材。
- 前記内包域に引張残留応力が分布している請求項3または4に記載の抵抗溶接部材。
- 圧接された電極から投入された電力によりジュール加熱され溶融凝固した溶接部によって接合された被溶接物からなる抵抗溶接部材の加工装置であって、
前記溶接部の周縁域に対応する前記被溶接物の環状域へ圧縮加工を加える環状加圧部材と、
該環状加圧部材による圧縮加工の開始後に該溶接部の周縁域に内包される内包域に対応する該被溶接物の中央域へ圧縮加工を加える中央加圧部材と、
を備えることを特徴とする抵抗溶接部材の加工装置。 - さらに、前記環状加圧部材に対して前記中央加圧部材を弾性的に支持すると共に該中央加圧部材が受けた荷重の少なくとも一部を弾性的に前記環状加圧部材へ伝達する弾性部材を備え、
該環状加圧部材と該中央加圧部材は該弾性部材を介して連動し得る請求項7に記載の抵抗溶接部材の加工装置。
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