JP6809327B2 - スポット溶接部の強度試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接部の強度試験方法に関する。

自動車等の構造部品の製造には、多くの場合、スポット溶接が用いられる。自動車分野では、車体の軽量化、衝突安全性の向上のための車体の高剛性化が求められる。その要求を満たすためには、車体又は部品等に高強度鋼板を使用することが有効である。引張強度が高い高強度鋼板のスポット溶接においては、継手部の強度が問題となる。

鋼板を重ね合せ、スポット溶接をして形成した継手においては、特に、せん断方向に引張荷重を負荷して測定することにより得られる引張せん断強さ（ＴＳＳ、Tensile Shear Strength）と、剥離方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張試験により得られる十字引張強さ（ＣＴＳ、Cross Tension Strength）とが重要である。

引張強度が７５０ＭＰａを超える高強度鋼板においては、鋼板の引張強度が増加してもＣＴＳは増加しないか、逆に、ＣＴＳの値は減少することが知られている。そのため、ＣＴＳの向上が望まれている。

特許文献１には、ＣＴＳが安定的に確保された信頼性の高いスポット溶接継手が開示されている。

国際公開第２０１３／１６１９３７号

スポット溶接部は図１に示すように、溶融・凝固したナゲット部とナゲット周囲に形成される圧接部から成る。一般的に、スポット溶接部の強度の大部分は、ナゲット部が担保しているとされている。

しかしながら、圧接部が剥離してできる亀裂は、シートセパレーション（スポット溶接部の板−板間の隙間）と比較して非常に先端が鋭く、圧接部が剥離するタイミングが異なれば継手全体の破壊挙動が変化すると予想される。

前述のとおり、スポット溶接された継手ではＣＴＳが重要な特性の１つである。ＣＴＳの測定方法は、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に規定されている。前述のように，圧接部の強度を向上させることはＣＴＳの向上にもつながると予想される。しかしながら、圧接部の強度が議論されることは少なく、圧接部の強度を評価する手法は確立されていない。

上記の事情に鑑み、本発明は、ＣＴＳ向上のために重要な、スポット溶接部の圧接部の剥離応力を求める方法を提供することを課題とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、十字引張試験片のスポット溶接部からナゲット部を除去して十字引張試験を行うことにより、圧接部の強度を評価できることがわかった。本発明は、上記の知見に基づきさらに検討を進めてなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）スポット溶接された金属板の十字引張強度を求めるスポット溶接部の強度試験方法であって、十字引張強さを求める金属板と同種の金属板をスポット溶接して、断面サンプルを作製し、上記断面サンプルの溶接部の断面のナゲットの直径を測定し、次いで、金属板を上記スポット溶接と同じ条件で溶接して十字引張試験片を作製し、上記十字引張試験片の溶接部に、電極の圧痕の中心位置を中心とする上記ナゲットの直径と等しい直径を有する円孔を空け、円孔を空けた上記十字引張試験片に対して十字引張試験を行い、得られた最大荷重を上記十字引張試験片の溶接部の破面の面積で除して、圧接部強度（ＭＰａ）を求めることを特徴とするスポット溶接部の強度試験方法。

（２）前記金属板が引張強度５９０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする前記（１）のスポット溶接部の強度試験方法。

（３）前記ナゲットの直径が、十字引張試験片を構成する金属板の薄い方の板厚をｔとしたとき、５√ｔ以上であることを特徴とする前記（１）又は（２）のスポット溶接部の強度試験方法。

本発明の試験方法によれば、定量的に圧接部の剥離強度を求めることができる。

スポット溶接部の断面を示す図である。 円孔を空けた十字引張試験片を示す図である。 本発明の試験方法により圧接部強度を測定した結果を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明のスポット溶接部の強度試験方法では、はじめに、対象となるスポット溶接部の断面サンプルを作製する。具体的には、圧接部の強度を測定する十字引張試験片を構成するものと同種の金属板に対してスポット溶接を行い、断面サンプルを作製する。断面サンプルの金属板の厚さは、十字引張試験片と同じにする必要があるが、金属板の大きさは、スポット溶接部に対して大きければ問題なく、十字引張試験片の形状とする必要はない。

作製した断面サンプルを、ナゲット中心を通る直線で切断し、溶接部の断面観察により、ナゲット径を測定する（図１参照）。

次いで、圧接部の強度を測定する十字引張試験片を作製する。十字引張試験片は、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に則して、断面サンプルの作製と同じ溶接条件で作製する。

作製した十字引張試験片に、インデンテーション（電極の圧痕）の中心位置を中心として、断面サンプルで測定したナゲット径を直径とする円孔を空ける。そして、円孔を空けた十字引張試験片に対して、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に則して、十字引張試験を行い、最大荷重を求める。図２は、重ね合わせた金属板２１をスポット溶接し、溶接部２２の電極の圧痕の中心位置を中心とした円孔２３を空けた十字引張試験片の概略を示す。図２中の矢印は、十字引張試験における引張方向を示している。

十字引張試験で剥離した試験片から破面の面積を計測し、最大荷重を破面の面積で除すことで圧接部強度（剥離応力）を算出することができる。

円孔を空ける方法は特に限定されない。打ち抜き加工により円孔を空けてもよいし、ドリルで穴を空けた後に放電加工により円孔としてもよい。なお、円孔を空ける位置が多少ずれて、円孔を空けた後の十字引張試験片にナゲット部分が残存していても、求められる圧接部強度に大きな変化はない。

試験片が軟鋼のような強度が低い金属の場合は、引張試験により破面が変形して、破面の面積が測定できなくなることがある。本発明の試験方法は、母材強度５９０ＭＰａ以上の鋼板のような、引張強度の高い金属板のスポット溶接部の強度を測定するのに好適である。

また、溶接時のナゲット径が大きいほど、試験結果のばらつきは小さくなる。本発明の試験方法は、溶接される金属板のうち薄い方の板厚をｔとしたときナゲット径が５√ｔ以上であればばらつきが非常に小さくなるので、そのような溶接部の強度を測定するのに好適である。

引張強度５９０、９８０、１１８０ＭＰａ級の、板厚１．６ｍｍの鋼板を供試材としてスポット溶接部の強度を測定した。

まず、供試材を３０ｍｍ×５０ｍｍの鋼片に切断し、それぞれ同種の供試材を２枚重ねてスポット溶接した。スポット溶接した鋼片を、ナゲット中心を通る直線で切断し、断面観察によりナゲット径を計測した。

次に、十字引張試験用の試験片を、上記の鋼片の溶接と同じ条件のスポット溶接で作製した。続いて、溶接した試験片の電極の圧痕の中心を切り抜きの中心として、先に測定したナゲット径と同じ径の円孔を空けた。穴あけ加工は、まず、ナゲット部にドリルで穴を空け、その位置にワイヤーを通し、放電加工により所定の寸法の穴を空ける方法で行った。

そして、円孔を空けた試験片に対して、十字引張試験を実施し、最大荷重を測定した。また、試験後の試験片の破面をデジタルカメラで撮影し、写真から破面の面積を求め、最大荷重を破面の面積で除して圧接部強度を算出した。以上の方法により求めた圧接部強度の一覧を図３に示す。横軸の５９０、９８０、１１８０は鋼板の引張強度（ＭＰａ）であり、その上の１〜９の数値は、試験片番号を示す。

図３に示すように、本発明の試験方法により、定量的に圧接部強度を求めることが確認できた。

２１ 金属板
２２ 溶接部
２３ 円孔

Claims (3)

1. スポット溶接された金属板の十字引張強度を求めるスポット溶接部の強度試験方法であって、
   十字引張強度を求める金属板と同種の金属板をスポット溶接して、断面サンプルを作製し、
   上記断面サンプルの溶接部の断面のナゲットの直径を測定し、次いで、
   金属板を上記スポット溶接と同じ条件で溶接して十字引張試験片を作製し、
   上記十字引張試験片の溶接部に、電極の圧痕の中心位置を中心とする上記ナゲットの直径と等しい直径を有する円孔を空け、
   円孔を空けた上記十字引張試験片に対して十字引張試験を行い、
   得られた最大荷重を上記十字引張試験片の溶接部の破面の面積で除して、圧接部強度（ＭＰａ）を求める
   ことを特徴とするスポット溶接部の強度試験方法。
2. 前記金属板が引張強度５９０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部の強度試験方法。
3. 前記ナゲットの直径が、十字引張試験片を構成する金属板の薄い方の板厚をｔとしたとき、５√ｔ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスポット溶接部の強度試験方法。