JP6945929B2

JP6945929B2 - スポット溶接方法及び鋼板部品の製造方法

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Publication number: JP6945929B2
Application number: JP2017187843A
Authority: JP
Inventors: 直澄上北; 孝行草部
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: JP2019058946A

Description

本発明は、複数の高張力鋼板をスポット溶接により接合するための方法に関する。

例えば自動車の車体は、強度向上及び軽量化を図るために、引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、さらには引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板の使用が進められている。

高張力鋼板を溶接により接合すると、鋼板同士の接合部に形成されるナゲットが硬化して脆くなる。溶接を行った後には、溶接部の強度を確認するために、複数の鋼板を剥離する方向の力を加える試験（例えば、接合した鋼板の間にタガネを打ち込むタガネ試験）を行うことがあるが、上記のようにナゲットが脆くなると、この強度試験によりナゲットに割れ（亀裂）が生じる可能性がある。この場合、ナゲットに割れが生じているか否かは、鋼板を切断しない限り確認することができないため、高張力鋼板同士の溶接部の強度試験を行った場合、ナゲットの割れの有無に関わらず全て廃棄しているのが実情である。

そこで、廃棄する鋼板を減らすために、溶接部の強度試験を行った場合でも、ナゲットに割れが生じないようにする工夫が検討されてきた。例えば、下記の特許文献１では、ナゲット周辺の熱影響部を軟化させることにより、溶接部の強度試験においてナゲットに伝達される剥離方向の力を低減して、ナゲットの割れを防止している。具体的には、複数の鋼板の接合予定部に通電してナゲットを形成し、一定の冷却期間をおいた後、再び接合予定部に通電することで、ナゲット及びその周囲の硬度を低下させている。

特開２００１−１７０７７６号公報

上記のような熱処理によりナゲット及びその周囲を軟化させる方法は、ナゲットの割れを防止する一定の効果は認められるものの、これを確実に防止できるとは言えなかった。このため、強度試験によりナゲットに割れが生じる可能性は拭いきれず、結果的に、従来と同様に、溶接部の強度試験を行ったワークを全て廃棄せざるを得ない。

そこで、本発明は、高張力鋼板を溶接するにあたり、溶接部の強度試験を行った場合でも、ナゲットに割れが生じることを確実に防止することを目的とする。

本発明は、本通電の後に行う後熱通電により、ナゲット及びその周囲を軟化させることを狙いとするのではなく、ナゲットの周囲に固相接合層を設けるという新たな着想に基づいてなされたものである。具体的に、本発明は、重ね合わせた複数の高張力鋼板の接合予定部に通電してナゲットを形成する本通電工程と、前記接合予定部への通電を休止する冷却工程と、前記接合予定部に再度通電することにより、前記ナゲットの周囲に、前記複数の高張力鋼板同士が固相状態で接合された固相接合層を形成する後熱通電工程とを順に経て行うスポット溶接方法を提供する。

このように、ナゲットの周囲に固相接合層を設けることにより、溶接部の強度試験において加えられる複数の鋼板を剥離する方向の力が固相接合層により遮断されるため、この剥離方向の力がナゲットまで伝わることがなく、ナゲットの割れを確実に防止できる。

上記のスポット溶接方法により複数の高張力鋼板を接合して鋼板部品を形成すれば、複数の高張力鋼板を剥離する方向の力を加えて溶接部の強度を確認する検査工程を行った場合でも、この検査工程によりナゲットに割れが生じることがないため、検査工程を行った鋼板部品を製品として使用することができる。これにより、廃棄する材料を減らすことができるため、材料歩留まりが高められる。

以上のように、高張力鋼板を溶接するにあたり、ナゲットの周囲に固相接合層を形成することにより、溶接部の強度試験を行った場合でも、ナゲットに割れが生じることを確実に防止することができる。

本発明の一実施形態に係るスポット溶接方法の本通電工程の様子を示す断面図である。上記スポット溶接方法の後熱通電工程の様子を示す断面図である。上記スポット溶接方法における熱影響部の温度と時間との関係を示すグラフである。上記スポット溶接方法を施した２枚の鋼板の溶接部に強度試験を施した様子を示す断面図である。実施例（１）における通電パターンを示すグラフである。実施例（１）の本通電後の電極間抵抗値と時間との関係を示すグラフである。実施例（２）における通電パターンを示すグラフである。実施例（２）の本通電後の電極間抵抗値と時間との関係を示すグラフである。実施例（３）における通電パターンを示すグラフである。実施例（３）の本通電後の電極間抵抗値と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態に係るスポット溶接方法では、図１に示すように、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２を一対の電極１、２で挟持加圧した状態で両電極１，２間に通電する、いわゆるダイレクトスポット溶接により、鋼板Ｗ１、Ｗ２が接合される。具体的には、２枚鋼板Ｗ１、Ｗ２の接合予定部Ｑを電極１、２で挟持加圧した状態で、本通電工程、冷却工程、及び後熱通電工程を経て溶接が行われる。鋼板Ｗ１、Ｗ２は、何れも引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板である。尚、鋼板Ｗ１、Ｗ２の一方又は双方が、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板であってもよい。

本通電工程では、電極１、２間に通電することにより、図１に示すように２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２同士の接触部（接合予定部Ｑ）が部分的に溶融し、ナゲット１０が形成される。このとき、ナゲット１０の周囲には、溶接部（ナゲット１０）の熱の影響を受けて組織や機械的性質が変化した熱影響部２０が形成される。本通電工程の通電時間や電流値は、鋼板Ｗ１、Ｗ２の板厚や、形成するナゲットの大きさ等に応じて適宜設定される。

冷却工程では、鋼板Ｗ１、Ｗ２を電極１、２で挟持加圧した状態を維持したまま、電極１、２間の通電を停止する。これにより、鋼板Ｗ１、Ｗ２のナゲット１０及び熱影響部２０が冷却される。

後熱通電工程では、鋼板Ｗ１、Ｗ２の接合予定部Ｑを電極１、２で挟持加圧した状態を維持したまま、両電極１、２間に再度通電する。これにより、図２に示すように、ナゲット１０の周囲に、鋼板Ｗ１、Ｗ２同士が固相状態で接合した固相接合層３０が形成される。固相接合層３０は、例えばナゲット１０の全周に形成される。固相接合層３０は、鋼板Ｗ１、Ｗ２同士の固相拡散接合により形成されていると考えられる。

後熱通電工程における通電パターン（通電時間及び電流値）は、ナゲット１０の周囲の熱影響部２０の加熱温度に基づいて設定される。熱影響部２０の加熱温度が鋼板Ｗ１、Ｗ２の融点の５０％未満では、鋼板Ｗ１、Ｗ２の間に固相拡散が生じず、固相接合層３０が形成されない。また、熱影響部２０の加熱温度が鋼板Ｗ１、Ｗ２のＡ３変態点を超えると、固相接合層３０は形成されるものの、鋼板Ｗ１、Ｗ２がオーステナイト領域に入るため、その後の急冷により硬くて脆いマルテンサイト組織となり、タガネ検査等の強度試験により固相接合層３０が容易に破壊するおそれがある。以上より、図３の（２）に示すように、熱影響部２０の温度が、鋼板Ｗ１、Ｗ２の融点の５０％以上（例えば７００℃以上）に達し、且つ、鋼板Ｗ１、Ｗ２のＡ３変態点（例えば９００℃）を超えないように、後熱通電工程における通電パターンが設定される。また、鋼板Ｗ１、Ｗ２間に固相拡散が十分に生じるように、図３の（３）に示すように、熱影響部２０が上記の温度範囲で所定時間以上（例えば３サイクル以上）滞在するように、後熱通電工程における通電パターンが設定される。

尚、一般に、鋼板間に固相拡散が生じるか否かは、鋼板同士の接触部の温度に依存するため、上記のスポット溶接方法の場合、冷却工程が無くても固相接合層３０が形成され得るとも考えられる。しかし、本発明者らの検証によれば、冷却工程の時間が、固相接合層３０の生成に大きく影響することが明らかになった。具体的に、固相接合層３０を生成させるためには、図３の（１）に示すように、冷却工程を所定時間以上（例えば２０サイクル以上）設ける必要がある。

以上のように、冷却工程の時間、及び、後熱通電工程における熱影響部の２０の温度を管理することで、鋼板Ｗ１、Ｗ２のナゲット１０の周囲に固相接合層３０を形成することができる。具体的には、以下の条件を満たすことで、ナゲット１０の周囲に固相接合層３０が生成される。
（１）冷却工程の時間を所定以上とする。
（２）後熱通電工程において、熱影響部が所定の温度範囲となるように加熱する。
（３）後熱通電工程において、熱影響部が上記温度範囲に滞在する時間を所定以上とする。

以上のスポット溶接方法で複数の鋼板Ｗ１、Ｗ２を接合することにより、鋼板部品が形成される。その後、鋼板部品の溶接部の強度を確認するための検査工程（例えばタガネ検査等）が施される。具体的には、図４に示すように、鋼板Ｗ１、Ｗ２を剥離する力を加えて、溶接部が剥離するか否か（すなわち、所定の径のナゲット１０が形成されているか否か）を確認する。この検査工程において、ナゲット１０の周囲に固相接合層３０が形成されていることで、鋼板Ｗ１、Ｗ２を剥離する力が固相接合層３０で遮断されてナゲット１０に到達しない。これにより、溶接部の強度試験によりナゲット１０に割れが生じることを確実に回避できるため、溶接部の強度試験を行った鋼板Ｗ１、Ｗ２を、製品として使用することができる。本実施形態では、検査工程で異常なしと判定された鋼板部品が、廃棄されることなく製品として使用される。鋼板部品は、例えば自動車の車体部品、具体的には、車体の骨格を構成する骨格部品や、ドアやフード等を構成するパネル部品として使用することができる。

ナゲット１０の周囲に固相接合層３０の形成するための通電パターン、特に、本通電後の通電パターンを確認する試験を行った。以下の各試験では、引張強度５９０ＭＰａ、板厚１．０ｍｍの鋼板と、引張強度７８０ＭＰａ、板厚１．２ｍｍの鋼板とを溶接した。本通電工程の通電パターンは、ナゲットの大きさが４．０√ｔとなるように設定し、具体的には、５．２ｋＡの電流を１５サイクル通電した。以下、各試験について詳しく説明する。

（１）後熱２段通電パターン（後熱通電時間の影響）
この試験では、冷却工程の時間を一定とし、後熱通電工程の通電パターンを変化させて溶接を行った。具体的には、図５に示すように、冷却工程の時間を１８サイクルとし、後熱通電工程では、３ｋＡの電流を流す第１後熱通電工程と、４．５ｋＡの電流を流す第２後熱通電工程とを連続的に行った。第１後熱通電工程の通電時間は５〜６０サイクルの範囲で変化させ、第２後熱通電工程の通電時間は５〜７５サイクルの範囲で変化させた。各条件で溶接を行う際、後熱通電工程におけるナゲット周囲の熱影響部の温度変化を監視した。尚、熱影響部の温度を直接測定することは困難であるため、電極間の通電抵抗値を記録した。通常のスポット溶接において、通電抵抗は、主に鋼板同士の接触面積（ナゲット径）と鋼板温度に依存するが、後熱通電工程ではナゲット径は変化しないため、鋼板の温度変化は電極間の通電抵抗値の変化と概ね相関すると考えられる。従って、電極間の通電抵抗値の変化から、鋼板の熱影響部の温度変化を推察することができる。こうして各条件で溶接を施してサンプルを形成した後、サンプルを切断して、ナゲットの周囲に固相接合層が形成されているか否かを確認した。

図６に、この試験における本通電後の電極間の通電抵抗値（μΩ）と時間（サイクル）との関係を示すグラフを示す。各グラフ上の○印は、その条件でナゲットの周囲に固相接合層が形成されたことを表し、×印は、その条件ではナゲットの周囲に固相接合層が形成されなかったことを表す。例えば、図６にＰで示すグラフは、冷却工程１８サイクル、及び、第１後熱通電工程（３．０ｋＡ）５サイクルを経た後、第２通電工程（４．５ｋＡ）を施した場合の電極間の通電抵抗の時間変化を示す。このグラフ上で、Ｐ１で示すプロット（○印）は、第２通電工程を５５サイクル行った場合のサンプルであり、この条件ではナゲットの周囲に固相接合層が形成されていたことを表している。

図６に示す結果から、電極間の通電抵抗値（すなわち、熱影響部の温度）が概ね所定の範囲（固相接合層生成温度域）内である場合に、固相接合層が形成されていることが分かる。また、各グラフにおいて、第１後熱通電工程では、熱影響部の温度がほとんど変化していないため、第１後熱通電工程は熱影響部の温度、ひいては固相接合層の形成に影響していないと考えられる。

（２）後熱１段通電パターン（冷却時間及び後熱通電時間の影響）
上記のように、第１後熱通電工程は固相接合層の形成に影響がないと考えられるため、この試験では、第１後熱通電工程を省略して、後熱通電工程を一定の電流値（４．５ｋＡ）による１段通電とし、冷却工程及び後熱通電工程の時間を変化させて溶接を行った。具体的には、図７に示すように、冷却工程の時間を１８サイクル＋０〜６０サイクルの範囲で変化させ、後熱通電工程の時間を５〜９５サイクルの範囲で変化させた。これらの条件で溶接を行うことで複数のサンプルを形成し、各サンプルの後熱通電工程におけるナゲット周囲の熱影響部の温度（電極間の通電抵抗値）の時間変化を記録すると共に、溶接後の各サンプルのナゲットの周囲に固相接合層が形成されているか否かを確認した。

図８に、この試験における本通電後の電極間の通電抵抗値（μΩ）と時間（サイクル）との関係を示すグラフを示す。このグラフから、上記（１）と同様に、電極間の通電抵抗値（すなわち、熱影響部の温度）が概ね所定の範囲（固相接合層生成温度域）内となる条件で溶接を行ったときに、固相接合層が形成されていることが分かる。ただし、冷却工程の時間が短すぎると、熱影響部の温度が上記の範囲内となる条件であっても、固相接合層が形成されていない。このことから、固相接合層を形成するためには、所定時間以上の冷却工程が必要であることが分かる。

（３）後熱１段通電パターン（後熱通電の時間及び電流値の影響）
この試験では、冷却工程の時間を一定（３３サイクル）とし、後熱通電工程（１段通電）の電流値及び時間を変化させた。具体的には、図９に示すように、後熱通電工程の電流値を４．２〜７．０ｋＡ、通電時間を４〜９５サイクルの範囲で変化させた。これらの条件で溶接を行うことで複数のサンプルを形成し、各サンプルの後熱通電工程におけるナゲット周囲の熱影響部の温度変化（電極間の通電抵抗値）を記録すると共に、溶接後の各サンプルのナゲットの周囲に固相接合層が形成されているか否かを確認した。

図１０に、この試験における本通電後の電極間の通電抵抗値（μΩ）と時間（サイクル）との関係を示すグラフを示す。このグラフから、上記（１）と同様に、電極間の通電抵抗値（すなわち、熱影響部の温度）が概ね所定の範囲（固相接合層生成温度域）内となる条件で溶接を行ったときに、固相接合層が形成されていることが分かる。

さらに、図１０に示す条件のうち、パターンＡ〜Ｆに示す条件でそれぞれ１０個のサンプルを形成し、固相接合層の有無を確認した。その結果、パターンＡ、Ｂ、Ｃの条件（●印）では、１０個のサンプル全てにおいて固相接合層が形成されていた。一方、パターンＤの条件（■印）では、１０個中６個のサンプルで固相接合層が形成されていたが、４個のサンプルは固相接合層が形成されていなかった。また、パターンＥ、Ｆの条件（■印）では、１０個中８個のサンプルで固相接合層が形成されていたが、２個のサンプルは固相接合層が形成されていなかった。これらの結果から、熱影響部が所定の温度範囲（固相接合層生成温度域）で保持される時間が短くなると、固相接合層が形成される確率が低下すると考えられる。従って、熱影響部が、所定の温度範囲で所定時間以上（例えば３サイクル以上）保持されるように、後熱通電工程の電流値及び時間を設定する必要があることが明らかになった。

１、２電極
１０ナゲット
２０熱影響部
３０固相接合層
Ｑ接合予定部
Ｗ１高張力鋼板

Claims

重ね合わせた複数の高張力鋼板の接合予定部に通電してナゲットを形成する本通電工程と、前記接合予定部への通電を休止する冷却工程と、前記接合予定部に再度通電することにより、前記ナゲットの周囲に、前記複数の高張力鋼板同士が固相状態で接合された固相接合層を形成する後熱通電工程とを順に経て行い、
熱影響部の温度が、前記高張力鋼板の融点の５０％以上に達し、且つ、前記高張力鋼板のＡ３変態点を超えないように、前記後熱通電工程における通電パターンが設定されるスポット溶接方法。
請求項１に記載のスポット溶接方法で複数の高張力鋼板を接合して鋼板部品を形成する接合工程と、前記複数の高張力鋼板を剥離する方向の力を加えて溶接部の強度を確認する検査工程とを有し、前記検査工程を経た鋼板部品を製品として使用する鋼板部品の製造方法。