JP5999253B2 - アークスポット溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アークスポット溶接継手の製造方法に関する。
近年、例えば、自動車分野においては、車体の軽量化および衝突安全性向上のために、高強度鋼板の使用が増加しており、使用される高強度鋼板の強度もますます上昇している。
このような高強度鋼を使用した車体の組立や部品の取付け等の工程においては、主として抵抗溶接によるスポット溶接が用いられている。
スポット溶接は、鋼板の両面側から電極を圧接させる必要があるため、閉断面を有する部材等には適用することができない。そこで、スポット溶接できない個所にはアーク溶接によるアークスポット溶接(別名、プラグ溶接)が採用されている。
スポット溶接部の接合強度は、せん断方向に引張荷重を負荷して測定する引張せん断強さ(TSS)と、剥離方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張強さ(CTS)によって評価される。
この引張せん断強さと十字引張強さは、鋼板の引張強度の増加とともに図6に示すような関係で変化することが知られている。
すなわち、引張せん断強さが鋼板の引張強さの上昇に伴って向上するのに対し、十字引張強さは、鋼板の引張強さが590MPa前後で飽和し、鋼板の引張強さがそれ以上となるに従って低下する。
引張強さが590MPaを超えるような高強度鋼板をスポット溶接した場合、母材鋼板の焼き入れ性の向上に伴ってナゲットの靱性や延性の低下が生じる。また、スポット溶接の十字引張強さのような剥離荷重を負荷した場合、鋼板の強度が高くなるほど溶接金属(ナゲット)端部に応力が集中しやすくなる。さらに、特に加圧力が高い場合や散りが発生した場合には、スポット溶接部の鋼板厚みが周囲に比べて薄くなり、荷重負荷に対する応力レベルが一層上昇する。これらの原因によって、鋼板強度が高い場合には、スポット溶接における溶接部の十字引張強さが低下するようになる。
これに対し、アークスポット溶接では鋼板を貫通させて溶接し、溶接金属で余盛部を形成することができるため、スポット溶接よりも高い継手強度を得ることができる。しかし、引張強さが980MPa以上の高強度鋼板の重ね合わせ溶接では、スポット溶接と同様に鋼板の引張強度が上昇するに従って十字引張強さが低下して高い継手強度が得られ難いという問題があった。
この問題に対し、本発明者らは、先に、特開2013−10139号公報で、重ね合わせられた高強度鋼板の一方の鋼板の表面から他方の鋼板の裏面側まで溶融させ、且つ、一方の鋼板の表面と他方の鋼板の裏面のそれぞれから突出するように形成された溶接ビードのビード径を鋼板板厚との関係で適正範囲とし、さらに、母材硬度Hvと溶接ビードの硬度Hvの関係を適正範囲に制御したアークスポット溶接継手を提案している。これにより、鋼板強度が高い場合でも、溶接部の靱性や延性が低下することなく、高い十字引張強さと引張せん断強さの両方が得られ、継手強度に優れた溶接継手を実現している。
本発明者達は、特開2013−10139号公報に記載の技術を炭素含有量が高い鋼板に適用すべく、さらに検討した結果、炭素含有量が0.3質量%以上の高炭素鋼を用いた鋼板と炭素含有量が0.07質量%以上の高炭素鋼を用いた鋼板とをアークスポット溶接した場合には、所定の継手強度を得ることが困難となるという問題があった。
そこで、本発明は、炭素含有量が0.3質量%以上の高強度鋼を用いた鋼板と炭素含有量が0.07質量%以上の高炭素鋼を用いた鋼板とのアークスポット溶接において、引張せん断強さと十字引張強さの両方の強度に優れたアークスポット溶接継手及びその製造方法を提供することを目的とする。
アークスポット溶接で高い継手強度、特に高い十字引張強さを得るためには、重ね合わされた鋼板の表裏に、所定の余盛部の高さを確保することが重要となる。
その観点から、炭素含有量が0.3質量%以上の高炭素鋼を用いた鋼板と炭素含有量が0.07質量%以上の高炭素鋼を用いた鋼板とのアークスポット溶接した場合に高い十字引張強さを得ることが困難な原因について検討した。この結果、そのような高炭素鋼を用いた鋼板を含む板組みでは溶接金属が垂れやすく、特開2013−10139号公報に記載された1パスの溶接では、入熱量を抑えて裏面側に所定の高さの余盛部を形成しても、溶接トーチ側に所定の高さの余盛部の形成が困難となるという問題があることが判明した。
そこで、この問題を解決するため、溶接を2パスで実施することを考案した。1パス目の溶接で重ね合わせた鋼板のうち、アーク照射側と反対側の鋼板の裏面まで溶融して裏面側に所定の高さの余盛部を形成し、2パス目でアーク照射側の鋼板の表面側に所定の高さの余盛部を形成すれば、少なくとも一方の鋼板が炭素含有量が0.3質量%を超える高強度鋼板であるアークスポット溶接でも重ね合わせた鋼板の表裏に十分な高さの余盛部を形成できることが確認された。さらに、高い強度を有する溶接継手を得るために必要な条件を検討して本発明を完成させた。
本発明の第1の態様によれば、重ね合わされた第1鋼板と第2鋼板の一方は鋼板成分中の炭素量が0.3質量%以上の高強度鋼板であり、前記第1鋼板と前記第2鋼板の他方は、鋼板成分中の炭素量が0.07質量%以上の高強度鋼板であり、前記第1鋼板側から前記第2鋼板の裏面まで形成され、前記第2鋼板の裏面から突出した第1余盛部を含む第1溶接金属と、前記第1溶接金属よりも前記第1鋼板の表面側に、前記第1溶接金属上に形成され、前記第1鋼板の表面から突出する第2余盛部を含む第2溶接金属と、を備え、下記(1)、(2)式を満たすアークスポット溶接継手が提供される。
3t≦W≦10t (1)
h≧t/5 (2)
但し、
W:前記第1溶接金属による溶接ビードの円相当径と前記第2溶接金属による溶接ビードの円相当径の平均値(mm)、
t:前記第1鋼板又は前記第2鋼板の板厚(mm)(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚(mm))、
h:前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が等しい場合には、前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2余盛部の高さ(mm)のうち、低い方の余盛部の高さ(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、前記第2余盛部の高さ(mm)と前記第1鋼板の前記第2余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和と前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2鋼板の前記第1余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm))。
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h≧t/5 (2)
但し、
W:前記第1溶接金属による溶接ビードの円相当径と前記第2溶接金属による溶接ビードの円相当径の平均値(mm)、
t:前記第1鋼板又は前記第2鋼板の板厚(mm)(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚(mm))、
h:前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が等しい場合には、前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2余盛部の高さ(mm)のうち、低い方の余盛部の高さ(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、前記第2余盛部の高さ(mm)と前記第1鋼板の前記第2余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和と前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2鋼板の前記第1余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm))。
本発明の第2の態様によれば、一方は鋼板成分中の炭素量が0.3質量%以上の高強度鋼板であり、他方は鋼板成分中の炭素量が0.07質量%以上の高強度鋼板である第1鋼板と第2鋼板が重ね合わされる工程と、1回目のアーク溶接によって、アーク照射側の前記第1鋼板側から前記第2鋼板の裏面まで溶融させ、前記第2鋼板の裏面から突出する第1余盛部を含む第1溶接金属を形成する工程と、前記第1溶接金属の表面が凝固した後、2回目のアーク溶接によって前記第1溶接金属の上に溶融させ、前記第1鋼板の表面から突出する第2余盛部を含む第2溶接金属を形成する工程と、を備え、下記(1)、(2)式を満たすアークスポット溶接継手の製造方法が提供される。
3t≦W≦10t (1)
h≧t/5 (2)
但し、
W:前記第1溶接金属による溶接ビードの円相当径と前記第2溶接金属による溶接ビードの円相当径の平均値(mm)、
t:前記第1鋼板又は前記第2鋼板の板厚(mm)(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚(mm))、
h:前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が等しい場合には、前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2余盛部の高さ(mm)のうち、低い方の余盛部の高さ(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、前記第2余盛部の高さ(mm)と前記第1鋼板の前記第2余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和と前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2鋼板の前記第1余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm))。
3t≦W≦10t (1)
h≧t/5 (2)
但し、
W:前記第1溶接金属による溶接ビードの円相当径と前記第2溶接金属による溶接ビードの円相当径の平均値(mm)、
t:前記第1鋼板又は前記第2鋼板の板厚(mm)(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚(mm))、
h:前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が等しい場合には、前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2余盛部の高さ(mm)のうち、低い方の余盛部の高さ(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、前記第2余盛部の高さ(mm)と前記第1鋼板の前記第2余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和と前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2鋼板の前記第1余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm))。
以下、本発明の一実施形態のアークスポット溶接継手およびその製造方法について詳細に説明する。
先ず、本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法について説明し、次にこのアークスポット溶接継手の製造方法で製造されたアークスポット溶接継手について説明し、その後にアークスポット溶接継手及びその製造方法の作用効果について説明する。
以下、本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法について説明する。
先ず、溶接される被溶接材である鋼板と溶接トーチについて図1Aを参照して説明する。図1Aに示すように、被溶接材である鋼板11、12を積層し、鋼板11に形成された貫通孔5に対して溶接トーチ2が対向配置され、溶接トーチ2から溶接ワイヤ4を供給する構成である。
なお、以下の説明において、図1Aに示すように、アーク照射(溶接トーチ2)側の鋼板11を「第1鋼板11」、反対側の鋼板12を「第2鋼板12」という場合がある。また、第1鋼板11のアーク照射側の面を「表面11a」、反対側の面を「裏面11b」という場合がある。さらに、第2鋼板12の第1鋼板11側の面を「表面12a」、反対側の面を「裏面12b」という場合がある。
さらに、重ねあわされた第1鋼板11と第2鋼板12において、第1鋼板11の表面11a側を上、第2鋼板12の裏面12b側を下という場合がある。
但し、本実施形態では第1鋼板11と第2鋼板12を上下に積層しているが、第1鋼板11と第2鋼板12の積層方向はこれに限定されるものではない。例えば、第1鋼板11と第2鋼板12の積層方向を水平方向としても良い。
(被溶接材)
本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法において、被溶接材である2枚の鋼板(第1鋼板11、第2鋼板12)は、それぞれ成分中の炭素が0.07質量%以上であり、引張強さが980MPa以上の高強度鋼より形成されたものである。また、第1鋼板11、第2鋼板12の少なくとも一方は、成分中の炭素が0.3質量%以上である中高炭素鋼より形成されたものである。
成分中の炭素量が0.3質量%以上の中高炭素鋼からなる高強度鋼板は、例えば、軽量化が求められている自動車分野等で使用が求められている。
第1鋼板11、第2鋼板12に用いられる高強度鋼の鋼種や成分は、炭素含有量を除き特に限定されず、例えば、2相組織型(例えば、フェライトとマルテンサイトを含む組織、フェライトとベイナイトを含む組織)、加工誘起変態型(フェライトと残留オーステナイトを含む組織)、微細結晶型(フェライト主体組織)等、何れの型の鋼板であっても良い。
本実施形態で用いられる第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2(図1A参照)は、特に限定されるものではないが、少なくとも重なり部分の板厚t1、t2が0.5〜3.0mmの範囲にあることが好ましい。板厚t1、t2の少なくとも一方が0.5mm未満では、継手強度が板厚t1、t2に大きく支配されるため、例えば自動車分野等では、溶接継手を含む部材の強度や剛性が十分に確保できない。一方、板厚t1、t2の少なくとも一方が3.0mm超では、例えば自動車分野において、高強度化と薄板(軽量)化の両立を達成することができない。
第1鋼板11、第2鋼板12は、同一の鋼種や同一の板厚に限定されるものではなく、鋼板成分中の炭素量が上記条件を満たしアークスポット溶接が可能なものであれば適宜組み合わせることができる。
また、第1鋼板11、第2鋼板12の形状も、少なくとも重ねられる部分が板状であれば良い。したがって、本実施形態の第1鋼板11、第2鋼板12は、全体が板でないものを包含し、例えば、鋼板から特定の形状に成形されたプレス成形品なども含む。また、別々の鋼板を重ねる場合に限定されず、1枚の鋼板を管状などの所定の形状に成形して、端部を重ね合わせたものも包含する。
(重ね部の形態)
図1Aに示すように、第1鋼板11と第2鋼板12は、第1鋼板11の裏面11bと第2鋼板12の表面12aをつきあわせて重ねられている。
本実施形態において、溶接トーチ2からアークが照射される第1鋼板11には、溶接個所に表面11aから裏面11bに貫通した貫通孔5が予め形成されている。
貫通孔5は、必ずしも必要ではないが、第1鋼板11の板厚t1が1.2mm以上のときには溶接個所に形成しておくことが好ましい。第1鋼板11の板厚t1が1.2mm以上で貫通孔を形成しない場合には、第1鋼板11を貫通させるために溶接入熱量を大きくする必要がある。このため、電流や電圧が変動した場合に溶け落ちが発生するおそれがある。すなわち、所定のビード径や余盛高さを確保し、かつ溶け落ちが発生しない適正な入熱範囲が狭くなる場合があるためである。
第1鋼板11の板厚t1が1.2mm未満の場合には、アークによる第1鋼板11の貫通が容易であるため、第1鋼板11に貫通孔はなくても良い。しかし、溶接入熱量を一層抑制したい場合には、第1鋼板11の板厚t1が1.2mm未満であっても貫通孔を形成しても良い。
(溶接工程)
まず、本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法では、図1Aに示すように、被溶接材である第1鋼板11、第2鋼板12を重ねて溶接位置にセットする。
溶接位置にセットされた第1鋼板11の表面11aに対向して消耗電極式のガスメタルアーク溶接の溶接トーチ2を配置して、第1鋼板11、第2鋼板12の重なり部分の溶接個所を点状にガスメタルアーク溶接して、第1鋼板11、第2鋼板12を接合する。
その際、アークスポット溶接の工程を2つの溶接パスに分けて行う。先ず、図1Bに示すように、最初の溶接パス(第1溶接パス)で第2鋼板12の裏面12b側に第1余盛部41を形成し、図1Cに示すように、次の溶接パス(第2溶接パス)で第1鋼板11の表面11a側に第2余盛部42を形成する。
具体的には、図1Aに示すように、第1溶接パスでは、第1鋼板11に形成された貫通孔5を狙い位置として、溶接トーチ2から貫通孔5に向けて溶接ワイヤ4を供給し、溶接ワイヤ4を送給しながらその先端からアークを発生させ、第2鋼板12の裏面12bまで溶融させる。その後、この溶接金属が冷却されて凝固することにより、図1Bに示すように、第2鋼板12の裏面12bから第1鋼板11の表面11a側まで到達する第1溶接金属31を形成する。この第1溶接金属31は、第2鋼板12の裏面12bから外部に突出した第1余盛部41(図1B、破線部43より下側部分参照)を含む。
第1溶接金属31の上面下端33(図1B、図1D参照)は、第1鋼板11の裏面11bより上方であれば、図1Dのように、第1鋼板11の表面11aより下であっても特に問題はない。
ただし、第1溶接金属31の上面下端33は、続いて行われる第2溶接パスの溶接入熱量が高い場合には、図1Bのように、第1鋼板11の表面11a又は表面11aより上側まで形成されるのが望ましい。図1Dに示すように、第1溶接金属31の上面下端33が第1鋼板11の表面11aよりも下側の場合には、第2溶接パスによって溶融される第2溶接金属32の量が増加し、溶接入熱量が増加する。この結果、第2溶接パスの溶接入熱量が過大になると、第2溶接パスによって第1溶接金属31が第2鋼板12の裏面12b側まで再溶融して垂れ落ちるおそれがあるためである。また、第1溶接金属31の上面下端33が第1鋼板11の表面11a以上上側まで形成されていれば、第2溶接パスの溶接入熱を抑制できるためである。
第1溶接金属31が凝固した後、第2溶接パスを行う。第2溶接パスでは、図1Cに示すように、第1溶接金属31の上に、第1鋼板11の表面11aから外部に突出した第2余盛部42(図1C、破線部44より上側部分参照)を含む第2溶接金属32を形成する。
(溶接条件)
アークスポット溶接の際の電流、電圧条件は、特に限定されるものではなく、溶接しようとする第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2などに応じて、適する条件を適宜採用すればよい。
また、第1と第2の溶接パスの際のシールドガスの種類も特に限定されるものではなく、通常のArと30体積%以下のCO2との混合ガスが例示される。CO2ガスの混合量を2〜15体積%とする場合には、特にビードの垂れ落ちを抑制することができるので、第1溶接パスはこのシールドガス条件で溶接するのが好ましい。
アークスポット溶接に用いる溶接ワイヤは、成分や直径等は特に限定されるものではない。例えば、JIS Z 3312やJIS Z 3313等で規定される溶接ワイヤ等、必要な継手強度に応じた強度の溶接金属が形成されるように、従来公知のものから選択して使用すればよい。
(溶接継手)
このような2パスの溶接により、図1Cに示すように、2枚の高強度鋼板11、12が重ね合わされてスポット溶接され、第1溶接金属31及び第2溶接金属32で接合されてなるアークスポット溶接継手40が得られる。
溶接継手40は、図2に示すように、第1鋼板11のビード径W1と第2鋼板12のビード径W2の平均値(以下、「平均溶接ビード径」という場合がある)Wが、板厚t(mm)に対して3t(mm)以上10t(mm)以下の範囲に形成される。
なお、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が異なる場合は、板厚tは薄い側の鋼板の板厚とする。
ここで、ビード径W1、W2とは、それぞれ第1溶接金属31によって第1鋼板11の表面11aに形成される溶接ビードの円相当直径、及び第2溶接金属32によって第2鋼板12の裏面12bに形成される溶接ビードの円相当径のことである。なお、溶接ビードの円相当径とは、第1鋼板11の表面11a又は第2鋼板12の裏面12bの位置に形成された溶接ビードの面積と同一面積の円の直径のことである。
また、溶接継手40は、図2に示すように、第2鋼板12の裏面12bに形成される第1余盛部41の高さh1、第1鋼板11の表面11aに形成される第2余盛部42の高さh2が、いずれも、鋼板の板厚t(mm)に対してt/5(mm)以上に形成されていることが好ましい。
さらに、本実施形態では、溶接継手の強度を測る指標として、余盛高さhを用いる。ここで、余盛高さhとは、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が同じである場合には第1余盛部41、第2余盛部42の高さh1、h2の低い方の値とし、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が異なる場合には板厚が異なる場合には、第2余盛部42の高さh2(mm)と第1鋼板11の第2余盛部42に隣接する部分の板厚t1(mm)の和(h2+t1)と第1余盛部41の高さh1(mm)と第2鋼板12の第1余盛部41に隣接する部分の板厚t2(mm)の和(h1+t2)のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm)とする。
なぜならば、十字引張強さ試験の際、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が同じ場合には、余盛部の高さが低い鋼板側で破断するからである。また、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が異なる場合には、第2余盛部42の高さh2(mm)と第1鋼板11の第2余盛部42に隣接する部分の板厚t1(mm)の和(h2+t1)と第1余盛部41の高さh1(mm)と第2鋼板12の第1余盛部41に隣接する部分の板厚t2(mm)の和(h1+t2)のうち、和が小さい鋼板側でほとんどの場合破断する(継手の十字引張強さが決定される)ためである。
この余盛高さh(mm)が板厚t(mm)に対してt/5(mm)以上となるように形成されている。ここで、板厚tとは、第1鋼板11の板厚t1と第2鋼板12の板厚t2が等しい場合には、その板厚をさし、第1鋼板11の板厚t1と第2鋼板12の板厚t2が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚をいう。
なお、本実施形態のアークスポット溶接では、重ね合わされた第1鋼板11の表面11aに形成された第2余盛部42や第2鋼板12の裏面12bに形成された第1余盛部41が、図1Cに示すような完全な凸状のものばかりでなく、図4に示すように、凹部35が形成される場合がある。第1余盛部41や第2余盛部42に凹部35が存在する場合でも、その凹部35の底が第2鋼板12の裏面12bや第1鋼板11の表面11aよりも外側に位置すれば溶接継手40が必要な強度を確保することができる。
そのため、本実施形態では、第1余盛部41の高さh1を、凹部がないときは第1余盛部41の最大高さとし(図1C参照)、凹部35があるときは凹部35の底までの高さとする(図4参照)。第2余盛部42の高さh2も同様である。
このようにして形成されたアークスポット溶接継手40とその製造方法の作用効果について、以下説明する。
(製造方法の作用効果)
本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法では、2つの溶接パスによって第1鋼板11の表面11aから第2鋼板12の裏面12bに至る溶接金属を形成しているので、1つの溶接パスで同様の溶接金属を形成している場合と比較して、一回の溶接パスにおける溶接入熱が抑制され、第1溶接金属31の溶け落ちや過度の溶接変形が抑制される。
特に、第1溶接パスで第2鋼板12の裏面12bの第1余盛部41を形成し、第2溶接パスで第1鋼板11の表面11aの第2余盛部42を形成しているため、第1余盛部 41や第2余盛部42を形成する際の溶接入熱が抑制され、第1溶接金属31の溶け落ち等を防止しつつ、余盛高さh(mm)が所定の高さ(t/5(mm))以上となる第1余盛部41、第2余盛部42や平均溶接ビード径Wが所定範囲となる第1溶接金属31や第2溶接金属32を安定的に形成することができる。
また、アーク照射側の第1鋼板11に貫通孔5が形成されているため、第1溶接パスにおける溶接入熱が抑制され、第1溶接パスにおける第1溶接金属31の溶け落ちが防止又は抑制され、安定的に所定の高さの第1余盛部と所定のビード径となる第1溶融金属が形成される。
このように、第1溶接パス、第2溶接パス時の溶接入熱量が抑制されることにより、溶接金属が溶け落ちしやすい成分中の炭素量が0.3質量%以上の高強度鋼板と成分中の炭素量が0.07質量%以上の高強度鋼板とがアークスポット溶接されたアークスポット溶接継手40は、所定の範囲の余盛高さh(mm)および平均溶接ビード径W(mm)を確保することができ、引張せん断強さと十字引張強さに優れる。
また、第1鋼板11の貫通孔5の径d(mm)は、第1鋼板11の板厚t1に対する比(d/t1)を1以上10以下とすることが好ましい。これにより、第2鋼板12の裏面12bまでビードを貫通させながら、安定してアークスポット溶接を行うことが可能となる。
すなわち、d/t1が10を超えると、貫通孔5の孔端を十分に溶融させるためには、溶接トーチ2を大きな振れ幅で揺動させる必要が生じる。このため、溶接時間が長くなることや、溶接入熱が増大して、溶接変形が顕著になるおそれがある。また、溶接トーチ2を揺動させなければ、孔端を溶残し、溶接継手40の十字引張強さが低下する恐れがある。なお、d/t1の値を1未満とすると、貫通孔5をあけた効果(溶接入熱の抑制)が十分ではなくなる。
さらに、第1溶接パスの終了後(第1溶接パスのアークを切った後)、第2溶接パスを開始する(第2溶接パスのアークをスタートする)までの待ち時間は1秒以上、好ましくは2秒以上とするのが望ましい。待ち時間を置くことにより、第1溶接金属31の全てが、あるいは一部が凝固し、第1溶接金属31の溶け落ちなく第2溶接金属を安定して形成することができるためである。
なお、待ち時間を調整することにより、第1溶接金属31に対する第2溶接パスの熱の影響を調節することができるが、これについては後述する。
(溶接継手の作用効果)
溶接継手40は、平均溶接ビード径Wが3t以上10t未満のため、安定して製造できると共に、所定の継手強度を有する。
溶接継手40を構成する第1鋼板11と第2鋼板12は、双方の炭素含有量が0.07質量%以上で少なくとも一方の炭素含有量が0.3質量%以上の高強度鋼板である。したがって、溶接継手40は、第1鋼板11と第2鋼板12の少なくとも一方の引張強度が980MPa以上になると引張強度の増加に伴って十字引張強さが低下するため、ビード径の増加によってこれを補う必要がある。したがって、平均溶接ビード径Wが3t未満では、ビードが小さくて第1鋼板11、第2鋼板12の強度に見合った継手強度が得られない。また、この平均溶接ビード径Wが10tを超える大きさでは、溶接トーチ2の揺動が必要となって溶接時間が長くなり、溶接入熱量の増加により第1溶接金属31が垂れ落ちたり、溶接変形が顕著となるおそれがある。
また、溶接継手40の余盛高さh(mm)が鋼板の板厚t(mm)に対してt/5(mm)以上であれば、十分な継手強度を有する。余盛高さh(mm)がt/5未満では、余盛部の高さが不足して十分な継手強度が得られない。
(第1溶接金属組織の改質)
上記実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法では、前記第1溶接金属31を形成後、1秒以上経過してから前記第2溶接金属32の形成を開始するが、第2溶接パスの開始時期を調整することにより、第1溶接金属31の組織を改質することができる。
アークスポット溶接によって形成された第1溶接金属31の第1鋼板11の裏面11bと接する部分A(図1C参照)は、引張試験、特に十字引張強さ試験で応力が集中して作用する部分である。
炭素を0.3質量%以上含み、引張強さが980MPa以上の高強度鋼板は、C(炭素)以外にもSi(シリコン)、Mn(マンガン)などの焼き入れ性元素を多く含有するため、使用する溶接ワイヤもこれらの焼き入れ性元素の成分割合が高い場合には、溶接金属や熱影響部には溶接後の冷却過程でマルテンサイトが生成し、靭性が低下する場合がある。
このため、第1鋼板11の裏面11bと接する第1溶接金属31の部分Aも靭性が低下しており、十字引張強さ試験で割れやすくなっているものと考えられる。
溶接を2パスで行う場合は、第1溶接パスで形成された第1溶接金属31および第1鋼板11の裏面11b近傍の熱影響部は、第2溶接パスの熱で再加熱や再溶融される。この作用を利用して第1溶接金属31の冷却速度を緩和してマルテンサイトの生成を抑制したり、第1溶接金属31や第1鋼板11の裏面11b近傍の熱影響部に形成されたマルテンサイトを焼戻したりすることができる。
第2溶接パスの熱の作用は、第1溶接パスと第2溶接パスの間の待ち時間の長さ、すなわち第2溶接金属32の形成の開始時期により、第1溶接金属31に与える影響が異なる。
第1溶接金属31や第1鋼板11の裏面11b近傍の熱影響部がMs点以下の温度まで冷却してマルテンサイト変態してから第2溶接金属32の形成を開始した場合には、マルテンサイトを焼戻すことになる。
また、第1溶接金属31や第1鋼板11の裏面11b近傍の熱影響部がマルテンサイト変態する前の温度が高い状態の時に、第2溶接金属32の形成を開始した場合には、マルテンサイトの生成を抑制して、ベイナイト変態を進行させることができる。
第1鋼板11の裏面11bと第2鋼板12の表面12aの重ね位置に接する第1溶接金属31や重ね位置近傍の熱影響部の部分Aを、焼戻しマルテンサイトやベイナイトを多く含む組織とすることにより、靭性を向上して、特に十字引張強さ試験においてより高い強度を得ることができるようになる。
このような作用を享受できるようにするためには、図1Cに示すように、第2溶接金属32の溶け込み下端34が、第1鋼板11の裏面11bよりも上側に離間して位置するように形成されることが必要である。
そのため、図1Bに示すように、前記第1溶接金属31の上面下端33は第1鋼板11の板厚方向において裏面11bから板厚の1/2位置より表面11a側の位置に形成される。また、前記第2溶接金属の下端34は第1鋼板11の裏面11bより上方、好ましくは、第1鋼板11の板厚方向において裏面11bから板厚の1/3位置より表面11a側の位置に形成される。
第2溶接金属32の溶け込み下端34が、図5に示すように、第1鋼板11の裏面11bより下側にあると、第1溶接金属31の第1鋼板11の裏面11bと第2鋼板12の表面12aの重ね位置近傍部分や重ね位置近傍の熱影響部は第2溶接パスの際にオーステナイト単相域以上に加熱され、硬質組織が生成されるために、上記の効果を得ることができない。
なお、本実施形態のアークスポット溶接継手の製造方法では、第1鋼板11に貫通孔5が形成されたものを用いたが、図3に示すように、貫通孔5が形成されていない第1鋼板11と第2鋼板12に対してアークスポット溶接継手の製造方法を適用することができる。
この場合でも基本的な溶接手順や各溶接パスの条件は、貫通孔5が形成されている場合と同じであるが、第1鋼板11を溶融させるために、貫通孔5が形成されたものと比較すると、第1溶接パスの入熱量を高めて溶接する必要がある。
このため、第1鋼板11および第2鋼板12の積層した厚み(t1+t2)が厚くなると、第2鋼板12の裏面12bまで溶融させるために必要な入熱量が増大し、十分な高さの第1余盛部41を確保しようとすると第1溶接金属31の溶け落ちが発生する場合がある。
そこで、第1鋼板11に貫通孔を形成しない場合は、比較的薄い第1鋼板11、第2鋼板12で実施するのが好ましい。本発明者らの検討では、重ね合わされる第1鋼板11の板厚t1、第2鋼板12の板厚t2の合計が2.5mm以下であれば、一定の入熱条件範囲で溶け落ちなく溶接できることを確認している。
(その他)
本実施形態では、第1溶接パスと第2溶接パスの間に待ち時間を挟んで溶接を行う。このため、1パスの溶接よりは溶接時間は伸びることになる。しかし、自動車車体の組み立てなどでは、各溶接部材のアークスポット溶接点は複数あり、溶接ロボットの台数を溶接点の数に応じて増加することで時間短縮を図ることができる。
以上のように、本実施形態は、一方の成分中の炭素量が0.3質量%以上であり、他方の成分中の炭素量が0.07質量%以上である高強度鋼からなる第1鋼板11、第2鋼板12を重ねてアークスポット溶接して、高強度の溶接継手部を有する部材を作成するものである。このような本発明の実施可能性や効果を確認する実施例を以下に示す。
(試験方法)
表1に示す成分組成を有し、板厚:1.0mm又は1.8mm、引張強さ:1890MPa又は2250MPaの高強度鋼板を用意し、その鋼板から試験用板材を切り出し、その板材に対してアークスポット溶接を行い、引張試験用の試験片を作製した。シールドガスは、すべて、15体積%CO2ガス、残部Arガスの混合ガスを用いた。
十字引張試験用の試験片は、スポット溶接継手の十字引張試験方法(JIS Z3137)に基づき、図7に示すような十字状に各板材を重ね合わせ、表2に示す条件で2パスのアークスポット溶接法によって試験片を重ね溶接し、十字引張試験片を作製した。この際、溶接ワイヤとしてJIS Z3312に記載のYGW17を用いた。なお、表2において貫通孔の直径が記載されている場合には、上側の試験片の溶接位置にその直径値の貫通孔が形成されている。
また、引張せん断試験用の試験片も、同様に、スポット溶接継手の引張せん断試験方法(JIS Z3136)に基づき、図8に示すような平行に各試験片を重ね合わせ、表2に示す各条件でアークスポット溶接法によって試験片同士を溶接し、引張せん断試験片を作製した。なお、表2において貫通孔の直径が記載されている場合には、上側の試験片の溶接位置にその直径値の貫通孔が形成されている。
さらに、同様にして作成した試験用板材を同鋼種の組合せで重ね合わせ、表2に示す各条件で、従来の1パスのスポット溶接法によって各板材を溶接し、十字引張試験用と引張せん断試験用の試験片を作製した。
以上のようにアークスポット溶接して作製した試験片について、まず、溶接ビードの形状を目視で確認するとともに、溶接ビードの径及び余盛高さを測定した。
第1鋼板11の表面11a側および第2鋼板12の裏面12b側における溶接ビードのビード径W1、W2を測定し、これらの平均値を平均溶接ビード径Wとして、表2に示した。なお、ビード径W1、W2は、平面視において溶接ビードの円相当直径を測定した。
また、余盛部の高さについては、まず、平面視において概略最大のビード径となる方向に試験片を切断し、図2、図4に示すような断面写真を撮影する。その後、画像解析装置によって余盛部に凹部35があるかどうかを判定する。凹部がない場合は当該余盛部の最大高さを、凹部35がある場合には、凹部35の底までの高さを余盛部の高さとして求めた。
ここで、余盛高さh(mm)とは、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が同一である場合には第1余盛部41、第2余盛部42の高さh1(mm)、h2(mm)のうちの低い方の値を指し、第1鋼板11、第2鋼板12の板厚t1、t2が異なる場合には第2余盛部42の高さh2(mm)と第1鋼板11の第2余盛部42に隣接する部分の板厚t1(mm)の和(h2+t1)と第1余盛部41の高さh1(mm)と第2鋼板12の第1余盛部41に隣接する部分の板厚t2(mm)の和(h1+t2)のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm)を指す。
さらに断面画像から、第2溶接金属32の下端34を第1鋼板11の裏面11bを基準に測定した。
なお、第1溶接金属の上端は、第1溶接パス終了後に、第2ビードが平面視において最大のビード径となる方向に試験片を切断し、その断面画像から測定した。
また、第1パス、第2パスの溶接入熱(J)は、それぞれの溶接時における溶接トーチに対して印加された電圧値、電流値及び溶接時間(アークタイム)から求めた。
次に、十字引張試験片について、JIS Z3137に基づき、十字引張試験を実施し、十字引張強さ(CTS)を測定した。この際、剥離方向、即ち、図7中の矢印50で示すように、上側の試験片を上方向に、下側の試験片を下方向に、相互に剥離する方向で荷重を負荷することで十字引張試験を実施し、十字引張強さ(CTS)を測定し、結果を表2に示した。
また、引張せん断試験片について、JIS Z3136に基づき、引張せん断試験を実施し、引張せん断強さ(TSS)を測定した。この際、せん断方向、即ち、図8中の矢印51で示すように、それぞれの試験片を左右方向に、相互にせん断方向で荷重を負荷することでせん断引張試験を実施し、せん断引張強さ(TSS)を測定し、結果を下記表2に示した。
(試験結果)
以上の試験方法で試験を実施した結果を表2に示す。表2に示す結果の内、試験番号3、4、7、8、11、12は本実施例であり、試験番号1、2、5、6、9、10は比較例である。
表2に示すように、本実施例は、溶接を2パスで行い、溶接金属の余盛高さhと平均溶接ビード径Wが本実施形態で規定する範囲を満たすようにアークスポット溶接を行っている。この結果、炭素含有量が0.3質量%以上の高強度鋼板を用いて、十字引張強さ及び引張せん断強さの両方に優れた溶接継手が得られることが確認できた。
一方、比較例は、余盛高さhと平均溶接ビード径Wが本実施形態で規定する範囲を満たさないアークスポット溶接を行っている。この結果、試験番号2、6、8のように2パスで溶接パスを行っても、十分な十字引張強さ及び引張せん断強さを有する溶接継手を得ることができなかった。
本実施形態の溶接継手およびその製造方法によれば、一方の成分中の炭素量が0.3質量%以上であり、他方の成分中の炭素量が0.07質量%以上である高強度鋼よりなる自動車用車体や部品等をアークスポット溶接する際、溶け落ちを抑制して良好な溶接作業性を確保しつつ、高い十字引張強さおよび引張せん断強さの両方を有する溶接構造体の製造が可能となる。従って、自動車分野等で高強度鋼板を適用することによる、車体全体の軽量化に伴う低燃費化や炭酸ガス(CO2)の排出量削減、並びに衝突安全性の向上等のメリットを十分に享受することができる。
2013年7月31日に出願された日本国特許出願2013−159575号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (5)
- 一方は鋼板成分中の炭素量が0.3質量%以上の高強度鋼板であり、他方は鋼板成分中の炭素量が0.07質量%以上の高強度鋼板である第1鋼板と第2鋼板が重ね合わされる工程と、
1回目のアーク溶接によって、アーク照射側の前記第1鋼板側から前記第2鋼板の裏面まで溶融させ、前記第2鋼板の裏面から突出する第1余盛部を含む第1溶接金属を形成する工程と、
前記第1溶接金属の表面が凝固した後、2回目のアーク溶接によって前記第1溶接金属の上に溶融させ、前記第1鋼板の表面から突出する第2余盛部を含む第2溶接金属を形成する工程と、
を備え、下記(1)、(2)式を満たすアークスポット溶接継手の製造方法であって、
前記1回目のアーク溶接によって、前記第1溶接金属の上面下端が前記第1鋼板の前記表面または前記表面よりも外側の位置に形成されるアークスポット溶接継手の製造方法。
3t≦W≦10t (1)
h≧t/5 (2)
但し、
W:前記第1溶接金属による溶接ビードの円相当径と前記第2溶接金属による溶接ビードの円相当径の平均値(mm)、
t:前記第1鋼板又は前記第2鋼板の板厚(mm)(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、薄い側の鋼板の板厚(mm))、
h:前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が等しい場合には、前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2余盛部の高さ(mm)のうち、低い方の余盛部の高さ(但し、前記第1鋼板の板厚と前記第2鋼板の板厚が異なる場合には、前記第2余盛部の高さ(mm)と前記第1鋼板の前記第2余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和と前記第1余盛部の高さ(mm)と前記第2鋼板の前記第1余盛部に隣接する部分の板厚(mm)の和のうち、和が小さい方の余盛部の高さ(mm))。 - 前記第1溶接金属の形成停止後、1秒以上経過してから前記第2溶接金属の形成を開始する請求項1記載のアークスポット溶接継手の製造方法。
- 前記2回目のアーク溶接によって、前記第2溶接金属の下端は前記第1鋼板の裏面よりも前記第1鋼板の表面側に形成される請求項1又は請求項2に記載のアークスポット溶接継手の製造方法。
- 前記第1鋼板には、前記第1鋼板の板厚の1倍以上10倍以下の直径の貫通孔が形成されており、該貫通孔を含む位置に前記第1溶接金属が形成される請求項1〜3のいずれか1項に記載のアークスポット溶接継手の製造方法。
- 前記2回目のアーク溶接の入熱量は、前記1回目のアーク溶接の入熱量以下である請求項1〜4のいずれか1項記載のアークスポット溶接継手の製造方法。
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