JP5995162B2

JP5995162B2 - 焼入れ硬化性金属板の溶接方法

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Publication number: JP5995162B2
Application number: JP2012097245A
Authority: JP
Inventors: 貴典北村; 秋山　哲也; 哲也秋山
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: JP2013223872A

Description

本発明は、焼入れ硬化性金属板の溶接方法に関する。

２枚あるいはそれ以上の枚数の金属板の端部を重ねて重ね継手により溶接、接合して接合金属板を得ることが行われている。
溶接は、スポット溶接（抵抗スポット溶接ともいう。）、シーム溶接等の抵抗溶接法を用い、重ね合わせた継手の両側から加圧して行う。溶接部には溶融凝固したナゲットが生成する。
例えば自動車車体構造部材の材料に用いられる接合部材の場合、鋼種として主に軟鋼が使用され、主にスポット溶接により重ね継手を得る。自動車車体は、車体の軽量化と衝突安全性向上の観点から、車体全体の高強度化が求められている。このとき、自動車車体の破断部はスポット溶接部となることが多く、スポット溶接部自体の高強度化が求められている。

重ね継手に関し、JIS Z 3140には、溶接部の等級とナゲット径の最小値および平均値の関係が規定されている。また、JIS Z 3140には、ナゲット径を大きくすることにより溶接部の強度を大きくできることが記載されている。

重ね継手の溶接部強度の代表的な指標として引張せん断強度がある。
引張せん断強度を予測する方法および予測式の提案については数多くの研究がなされてきた。
例えば、板厚、母材の引張強度、ナゲット径および全伸びを指標とした薄鋼板スポット溶接継手の引張せん断強度の推定式が提案されている（非特許文献１参照）。

これらに対し、溶接継手の引張せん断強度を高める技術については、従来ほとんど開示がない。
例えば、鋼板の引張強度、ナゲットの直径、母材およびナゲットのビッカース硬さ、ナゲット端部から母材熱影響部までの距離および母材の厚みを指標とし、これらが所定の関係を満たす高強度スポット溶接継手が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この関係を満たすことができる高強度スポット溶接継手を得る溶接方法については、開示がない。

また、溶接止端部等疲労亀裂を生じやすい部位等の強度を高くするために、鉄基合金材料に材料表面が溶融しない条件下に１〜２０回のレーザ照射による急速加熱および急速冷却を施す金属組織の微細化方法が開示されている（特許文献２参照）。溶接金属下面（溶融境界部）から０〜０．２ｍｍの位置における結晶粒径はレーザ照射回数の増加に対応して次第に小さくなるとされている。溶接継手の引張せん断強度をはじめとする強度等のデータについての具体的な開示はない。

また、自動車走行時の衝突エネルギーの適正な吸収を最小重量増で達成する接合構造部材を提供するために、鋼製部材の点接合部を高周波焼入れ、もしくはレーザ焼入れし、または、金属製部材の点接合部に予め接着剤を塗布した後に点接合する接合構造部材の製造方法が開示されている(特許文献３参照)。前者の焼入れについては、衝突時のエネルギー吸収を十分とするために、点接合部の周囲を少なくとも５ｍｍ幅で焼入れ処理することが必要とされている。

特開２００９−００１８３９号公報特開２００２−２５６３３５号公報特開平１０−６８０２１号公報

樺沢真事ほか：薄鋼板スポット溶接継手の引張せん断強度の推定（抵抗スポット溶接継手の強さ(第1報)），溶接学会論文集，14 (4), p.754-761 (1996)

解決しようとする問題点は、ナゲット径を大きくする方法以外には簡易な方法によりスポット溶接重ね継手の引張せん断強度を大きくする溶接方法が得られていない点である。

本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、焼入れ硬化性金属板をスポット溶接して重ね継手を得る焼入れ硬化性金属板の溶接方法であって、
スポット溶接により生成するナゲットの外周の母材を重ね部分の両面側からそれぞれナゲットの外周端から２〜４ｍｍの幅で外周全体にわたってレーザ加熱法により焼入れ処理することを特徴とする。

また、本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、好ましくは、前記焼入れ硬化性金属板が炭素鋼であることを特徴とする。

また、本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、上記の焼入れ硬化性金属板の溶接方法によりスポット溶接して、前記重ね継手を有する接合金属板を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、前記接合金属板が、好ましくは、自動車車体構造部材材料用であることを特徴とする。

本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、焼入れ硬化性金属板をスポット溶接して重ね継手を得る焼入れ硬化性金属板の溶接方法であって、スポット溶接により生成するナゲットの外周の母材を重ね部分の両面側からそれぞれナゲットの外周端から２〜４ｍｍの幅で外周全体にわたって焼入れ処理するため、簡易な方法により引張せん断強度の大きいスポット溶接重ね継手を得ることができる。
また、本発明に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法により得た接合金属板は、上記の焼入れ硬化性金属板の溶接方法により得られるスポット溶接重ね継手を有するため、上記スポット溶接重ね継手の効果を好適に得ることができる。

図１は、スポット溶接重ね継手を有する接合鋼板について引張せん断試験を行ったときの試験片の破断状態を示す図である。図２は本実施の形態に係る接合金属板の断面図である。図３は実施例において、荷重とチャック間変位の関係を示す図である。図４は実施例において、ポット溶接部近傍の硬さ分布を測定した結果を示す図である。図５は実施例において、スポット溶接部近傍の引張せん断試験後の外観写真を示す図である。図６は実施例において、引張せん断試験を行ったときの、ナゲット中心点からき裂までの距離と引張せん断強度の関係を示す図である。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。
本発明者らは、スポット溶接重ね継手を有する接合鋼板の引張せん断試験において、鋼板の破断がスポット溶接により生成するナゲットの外周の母材のナゲットの外周端から約１ｍｍの位置において発生することに着目し、本発明に想達するに至った。
図１に示すように、重ね継手は引張軸のオフセットを一致させるように重ね部が回転変形する。これに伴い、ナゲット端部近傍は引張負荷と曲げ負荷が同時に作用する。この曲げ変形により、接合鋼板の重ね合わせ面、言い換えれば、鋼板の裏側で引張、鋼板の表側で圧縮となる。これと引張負荷との重畳により、表面側に比べて、接合鋼板の重ね合わせ面側で大きな引張応力が作用することで、鋼板の裏側に亀裂を生じ、亀裂が鋼板の表側まで進行することで破断に至る。

本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法は、焼入れ硬化性金属板をスポット溶接して重ね継手を得る焼入れ硬化性金属板の溶接方法であって、スポット溶接により生成するナゲットの外周の母材を重ね部分の両面側からそれぞれナゲットの外周端から２〜５ｍｍの幅で外周全体にわたって焼入れ処理する。

スポット溶接は、溶接継手部に大電流を流し、発生する抵抗熱によって加熱し、圧力を加えて行う抵抗溶接の一種である。スポット溶接は、固定された電極の上にスポット溶接を行うための重ね合わせた母材を置いて挟み、母材に電極を接触させ、電流を流してその抵抗熱で接触部分の金属を加熱・溶融するとともに、加圧力を加えて接合する。重ね合わせる母材は、本発明の効果を好適に得る上では２枚であることが好ましい。スポット溶接は、各種板金加工に用いられるが、特に自動車車体の生産に多用される。

焼入れ硬化性金属板は、焼入れにより硬化する性質を有する金属の意である。焼入れ硬化性金属板は、炭素鋼鋼板、一部の合金鋼鋼板、工具鋼鋼板、チタン板等を挙げることができ、このうち前者の炭素鋼鋼板は好ましい実施態様である。炭素鋼鋼板は、より好ましくは、JIS G 3131（熱間圧延軟鋼板及び鋼帯）やJIS G 3141（冷間圧延軟鋼板及び鋼帯）等の低炭素鋼鋼板である。
例えば冷間圧延軟鋼板（ＳＰＣＣ）の場合、ナゲットと熱影響部に著しい硬化が見られ引張せん断時の破断は硬度が急激に低下する硬化領域の外縁部で発生する。これに対して、例えばステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）の場合、大きな硬化領域は見られず破断はナゲット端で発生する（非特許文献１参照）。したがって、鋼種がステンレス鋼の場合、本発明の作用効果は得られない。

焼入れ処理は、例えば図２に示すように、２枚の金属板１２ａ、１２ｂの端部を重ね合わせてスポット溶接したときに生成するナゲット１４の外周の母材（鋼板）を重ね部分の両面側からそれぞれナゲットの外周端から幅Ａが２〜５ｍｍの範囲で行う。これにより、接合金属板１０を得る。図２中、参照符号１６は熱影響部を、参照符号１８は焼入れ処理領域を、それぞれ示す。なお、図２の接合金属板１０は引張せん断試験を行うための試験片を例示するものであるので、処理の簡略化を図るため、引張方向側の部位のみを試験片の全幅にわたって焼入れ処理している。焼入れ処理領域の幅Ａは、処理作業の能率の観点からは、４ｍｍ以下とすることがより好ましい。
焼入れ処理領域の幅Ａの始点（一端）となるナゲットの外周端は、目視観察では必ずしも明瞭でない。これに対して、溶接部の断面マクロを観察すれば、ナゲットの外周端を明瞭に確認することができる。しかし、溶接部一点一点に対して全て断面をカットして断面マクロ写真を測定することは、作業の能率上、現実的、実用的ではない。このため、本実施の形態では、ナゲットの直上から距離表示つきの写真を撮り、電極による圧痕の輪郭に沿って円を描き、円の中心をナゲットの中心として割り出し、予備実験で同溶接条件でスポット溶接した継手の断面マクロ写真から読み取ったナゲット径の半分を半径としてナゲットの外周端を設定する。

焼入れ処理は、レーザ加熱法、高周波加熱法あるいは電子ビーム加熱法等の適宜の方法を用いることができるが、このうち、レーザ加熱法は好ましい実施態様である。

焼入れ処理により、焼入れ処理を行わない場合、すなわち、スポット溶接のみを行った場合に比べて、母材の厚み方向全体にわたって、すなわち、母材の表面から鋼板の重ね合わせ面である裏面に至るまで、母材の焼入れ処理領域の硬度が大きくなる。
接合鋼板の引張せん断試験を行うとき、スポット溶接のみを行ったものはナゲットの外縁である熱影響部（例えばナゲットの外周端から１ｍｍ位置の母材）において鋼板の重ね合わせ面側から亀裂を生成し、さらに亀裂が鋼板の表面まで進行して接合鋼板の破断に至るのに対して、スポット溶接の後にさらに焼入れ処理を行ったものは、母材の焼入れ処理領域の外周の硬度の低い領域において破断を発生する。
引張せん断時の破断位置がナゲット端部から遠ざかることにより、ナゲット端部近傍の形状不均一による応力集中の影響が緩和され，接合鋼板の引張せん断強度が向上する。

本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法によれば、ナゲットの外周の母材を２〜５ｍｍの幅で焼入れ処理する簡易な方法により、引張せん断強度の大きいスポット溶接重ね継手を得ることができる。
引張せん断強度の増大をナゲット径を大きくすることで図る場合、用いる電極径の増大とこれに伴う大電流が必要となり、また、設備上、ナゲット径を大きくすることができないことも起こりうる。また、引張せん断による破断はナゲット自体ではなくナゲットの外周の母材で発生し、引張せん断強度とナゲット径の関係は直線比例的な関係ではあるが原点を通る直線関係にはならずに切片を持つような直線関係となることが知られているので、ナゲット径を大きくしても引張せん断強度の増大を十分に図れないおそれもある。これに対し、本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法によれば、これらの不具合がない。
また、本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法によれば、これまでスポット溶接不適で廃棄していた接合金属板を廃棄する必要がなくなる．

つぎに、本実施の形態に係る接合金属板は、本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法により得られるスポット溶接重ね継手を有する。接合金属板は、用途を特に限定するものではなく、各種板金加工材料用とすることができるが、自動車車体構造部材材料用とすることがより好適である。
本実施の形態に係る接合金属板は、本実施の形態に係る焼入れ硬化性金属板の溶接方法により得られるスポット溶接重ね継手の効果を好適に得ることができる。

以下、実施例および比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

＜接合鋼板の製造＞
（実施例）
板厚１．５５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１２５ｍｍの熱間圧延鋼板（SPHC）試験片２枚を用い、２枚の熱間圧延鋼板の端部を３０ｍｍ重ねて、抵抗溶接法によりスポット溶接した。スポット溶接は、単相交流式のスポット溶接機（愛知産業株式会社社製型式ART-AC100SPW）を用い、溶接電流11600A、通電時間14cycles、加圧力3.6kNの条件で行った。これにより、直径約７ｍｍのナゲットを生成した。
つぎに、２枚の試験片の母材を、重ね部分の表面側からそれぞれ、試験片の長さ方向についてナゲットの外周端から約２〜５ｍｍの幅で試験片の全幅にわたって、レーザ照射、加熱により焼入れ処理した（図２参照）。ナゲットの外周全体にわたって焼入れ処理を行わなかったのは、引張せん断試験において破断は引張り方向で発生するので、この方向のみ焼入れ処理して処理効果を評価すれば発明の効果の確認方法としては十分であるため、試験を簡略化したものである。
レーザ加熱は、YAGレーザ装置（住友重機械工業株式会社製型式MW2000）を用い、出力１５００Ｗ、連続波、焦点外し距離２４ｍｍの条件で行った。５００ｍｍ／ｍｉｎのレーザ走査速度でワンパスの走査によりレーザ加熱処理を行った。このとき、焦点外し距離を２４ｍｍと短くして単位面積当たりの入熱量を大きくするとともに試験片のレーザ加熱部近傍を銅板で挟むことで、急速加熱、急速冷却を行った。レーザ加熱時、試験片のレーザ加熱側表面は一部溶融した。これにより、接合鋼板試験片を得た。

（比較例）
実施例と同様の条件でスポット溶接のみ行って接合鋼板試験片を得た。

＜接合鋼板の引張せん断強度評価＞
実施例および比較例で得られたそれぞれの接合鋼板試験片について、引張せん断試験装置（島津製作所製型式AG-20kNIST）を用い、引張せん断強度を測定した。このときの荷重とチャック間変位の関係を図３に、実施例について実線で、および比較例について破線でそれぞれ示す。チャック間変位とは、試験片をつかむ試験機の上下のチャック（つかみ部）間の変位のことである。実施例の接合鋼板試験片は、比較例の接合鋼板試験片に比べて、引張せん断強度が大きく、かつ破断までのチャック間変位も大きいことが分かる。

＜接合鋼板の硬さ評価＞
実施例および比較例で得られたそれぞれの接合鋼板試験片について、2枚の板の合わせ面からそれぞれ0.15mm内部側の位置で、ビッカース硬さ測定装置（島津製作所製型式HMV-1）用い、スポット溶接部近傍の硬さ分布を測定した結果を図４に示す。図４中、（ａ）は比較例を、（ｂ）は実施例をそれぞれ示す。（ｂ）において、○印および△印は2枚の板の結果を区別したものである。
比較例の場合、ナゲットの硬さは約220HV程度であり、ナゲット端からおよそ1mm程度離れた位置で母材硬さ約130HVに急激に低下していることが分かる。これに対して、実施例の場合、レーザ加熱に伴って硬さが上昇している領域が広く分布していることが分かる。
なお、溶接する前の母材とレーザ照射後の母材について厚み方向加熱裏面から約０．４ｍｍ位置の結晶粒径を測定した。溶接する前の母材の平均結晶粒径が２２μｍ、レーザ照射後の平均結晶粒径が５２μｍであり、加熱後の結晶粒径の方が大きくなっている。

＜接合鋼板の外観評価＞
実施例および比較例で得られたそれぞれの接合鋼板試験片について、スポット溶接部近傍の引張せん断試験後の外観写真を図５に示す。図５中、（ａ）が比較例、（ｂ）が実施例である。比較例の場合、破断位置がナゲット中心点から4.5mｍの距離であるのに対し、実施例の場合、破断位置がナゲット中心点から5.7mmの距離であり、ナゲット端から遠い位置になっている。
このことから、スポット溶接のみの場合、スポット溶接に伴う熱影響部の外側で破断したのに対して、さらにレーザ加熱した場合、レーザ加熱による硬化領域が広く分布することに伴い、破断位置がナゲット端から遠ざかり、これによってナゲット端部近傍の形状不均一による応力集中の影響が緩和され、引張せん断強度TSSが向上したものと考えられる。

＜レーザ照射幅と引張せん断強度の関係評価＞
実施例および比較例で得られたそれぞれの接合鋼板試験片について、ナゲット中心点からレーザ加熱中心までの距離を変化させることによりレーザ照射幅を変えて、試験片を用いて引張せん断試験を行ったときの、ナゲット中心点からき裂（破断箇所）までの距離（b）と引張せん断強度（TSS）の関係を図６に示す。図６中、黒丸印は比較例の引張せん断試験結果を、白丸印は実施例の引張せん断試験結果を、それぞれ示す．レーザ加熱による硬化領域付与で破断位置をナゲット端から遠ざけることによって、スポット溶接のみの場合と比較して，約15％程度の強度向上が図れたことが分かる。

１０接合金属板
１２ａ、１２ｂ金属板
１４ナゲット
１６熱影響部
１８焼入れ処理領域

Claims

焼入れ硬化性金属板をスポット溶接して重ね継手を得る焼入れ硬化性金属板の溶接方法であって、
スポット溶接により生成するナゲットの外周の母材を重ね部分の両面側からそれぞれナゲットの外周端から２〜４ｍｍの幅で外周全体にわたってレーザ加熱法により焼入れ処理することを特徴とする焼入れ硬化性金属板の溶接方法。
前記焼入れ硬化性金属板が炭素鋼鋼板であることを特徴とする請求項１記載の焼入れ硬化性金属板の溶接方法。
前記焼入れ硬化性金属板をスポット溶接して、前記重ね継手を有する接合金属板を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の焼入れ硬化性金属板の溶接方法。
前記接合金属板は自動車車体構造部材材料用であることを特徴とする請求項３記載の焼入れ硬化性金属板の溶接方法。