JP7035458B2 - 溶接構造体、および溶接構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接構造体、および溶接構造体の製造方法に関する。

周知のように自動車用の部品には溶接構造体が多数用いられている。溶接構造体は、板材、丸棒、角材などの種々の形状を有する鋼材からなる複数の部品を溶接接合することによって形成されている。溶接接合は、アーク溶接やレーザー溶接などの工法が用いられる。

自動車用部品、例えばトランスバースリンクなどの車体足回り部品については、軽量化の要求が普遍的なものである。自動車用部品の軽量化を満足するために、断面形状を最適化したり、高強度材を採用したりしている。

従来、溶接構造体に関して、溶接部にショットピーニング処理によるひずみ硬化を付与し、残留圧縮応力を付与することによって疲労強度を向上させる技術が知られている（特許文献１を参照。）。

特許第５８８０２６０号

溶接構造体における溶接部は、溶接金属と、溶接金属の外側周辺に位置する熱影響部とからなる。熱影響部は、溶接接合時の加工熱が浸透し、温度の影響によって材料強度が低下する。なお、本明細書においては、「材料強度」は引張強度を意味するものとする。

高強度材を適用する場合であっても、熱影響部においては材料強度が低下する。部品の厚みは、材料強度の低下を考慮して設計されることになる。このため、部品の厚みは、高強度材そのものの強度を適用して設計した場合に比べて増加する。したがって、高強度材を適用しても、初期の軽量化効果を十分に得ることができないという問題がある。

従来、ショットピーニング処理によって疲労強度を向上させる技術は知られている（上記の特許文献１を参照）。しかしながら、溶接部における軟化した熱影響部の材料強度を回復する技術については確立されていないのが実情である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、溶接部における軟化した熱影響部の材料強度を回復した溶接構造体を提供することを目的とする。さらに、溶接部における軟化した熱影響部の材料強度を回復させることが可能な溶接構造体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の溶接構造体は、鋼材からなる複数の部品が溶接接合されている。溶接構造体は、溶接部における熱影響部のビッカース硬さが、前記鋼材の表面から厚みの１１％以上、２５％以下の範囲において、前記溶接部の領域以外の前記鋼材におけるビッカース硬さ相当である。ビッカース硬さが前記溶接部の領域以外の前記鋼材におけるビッカース硬さ相当である範囲は、前記熱影響部を含み、ビード端から、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下である。

また、本発明の溶接構造体の製造方法は、鋼材からなる複数の部品が溶接接合された溶接構造体の製造方法において、
溶接部の熱影響部にショットピーニング処理によるひずみ硬化を、
平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材を用いて、
アルメンストリップＡでのアークハイト０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下によって、
前記熱影響部を含み、ビード端から、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与する。

本発明によれば、溶接部における軟化した熱影響部の材料強度を回復した溶接構造体を提供できる。

さらに、溶接部における軟化した熱影響部の材料強度を回復させることが可能な溶接構造体の製造方法を提供できる。

ショットピーニング装置を示す概略構成図である。 ショットピーニング処理を施すワークの一例としてのトランスバースリンクを示す斜視図である。 トランスバースリンクにおける溶接箇所およびショットピーニング処理の範囲を示す斜視図である。 溶接箇所を模式的に示す断面図である。 溶接構造体としての重ね継手試験片を示す断面図である。 試験片に対して行なった硬度分布測定の結果を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照しながら、実施形態とその改変例について説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における各部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

図１は、ショットピーニング装置１００を示す概略構成図である。

ショットピーニング装置１００は、ショット材１０を収納するタンク２０と、ショット材１０の供給量を調整するミキシングバルブ３０と、圧縮空気を供給するコンプレッサ４０と、圧縮空気によってショット材１０を溶接構造体であるワークＷに吹き付けるノズル５０と、を有している。ショットピーニング装置１００は、ワークＷに吹き付けたショット材１０をタンク２０に回収する回収部６０を有している。ショットピーニング装置１００は、装置全体の作動を制御する制御部７０を有している。コンプレッサ４０とミキシングバルブ３０とは第１空気配管８１を介して接続され、コンプレッサ４０とタンク２０とは第２空気配管８２を介して接続されている。

ショット材１０は、鋼鉄あるいは非鉄金属の小さな球状物である。ショット材１０の材質は、ワークＷの材質や、ワークＷに付与しようとする特性に合わせて選択される。ミキシングバルブ３０は、タンク２０からショット材１０が供給される供給口３２と、供給口３２の開口面積を調整する第１バルブ３１とを有している。ミキシングバルブ３０は、第１バルブ３１によって供給口３２の開口面積を調整し、ショット材１０の供給量を調整する。ミキシングバルブ３０には第１空気配管８１が接続されている。第１空気配管８１には、ミキシングバルブ３０に供給する圧縮空気の圧力を調整する第２バルブ８３が取り付けられている。第１バルブ３１および第２バルブ８３は制御部７０に接続されている。制御部７０は、第１バルブ３１および第２バルブ８３の作動を制御することによって、ショット材１０の供給量および吹き付け圧力を調整する。

図２は、ショットピーニング処理を施すワークＷの一例としてのトランスバースリンク２００を示す斜視図、図３は、トランスバースリンク２００における溶接箇所２３０およびショットピーニング処理の範囲２４０を示す斜視図である。

図２に示すように、ショットピーニング処理を施すワークＷの一例として、例えば、自動車の車体足回り部品におけるトランスバースリンク２００を挙げることができる。トランスバースリンク２００は、鋼材からなる複数の部品が溶接接合された溶接構造体であり、部品として、プレス成形された本体部２１０や、車体側に回動可能に連結するためのカラー２２０などを有している。カラー２２０は、ボルトを挿通するために中空形状を有し、本体部２１０に溶接接合されている。溶接の種類は、例えば、アーク溶接やレーザー溶接である。

図３には、カラー２２０の近傍における溶接箇所２３０を示している。さらに、図３には、ショットピーニング処理の範囲２４０を示している。ショットピーニング処理の範囲２４０は、ドットによって示されように、溶接箇所２３０を含む範囲に設定されている。

図４は、溶接箇所２３０を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、溶接箇所２３０は、溶接金属２５１と熱影響部２５２（ＨＡＺ）とからなる溶接部２５０と、熱影響部２５２の外側の領域で熱影響を受けない母材２６０とが存在する。熱影響部２５２は、溶接時の加工熱によって組織や機械的性質に変化が生じる部分であり、母材２６０と溶接金属２５１との中間部分に位置する。熱影響部２５２は、加工熱が浸透し、温度の影響によって材料強度が低下する。

高強度材は、自動車用部品の軽量化を図るために、溶接構造体の鋼材として適用されている。高強度材を溶接構造体の鋼材に適用する場合であっても、熱影響部２５２においては材料強度が低下する。部品の厚みは、材料強度の低下を考慮して設計される。このため、溶接部２５０における軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復させない場合には、高強度材を溶接構造体の鋼材に適用しても、所期の軽量化効果を十分に得ることができない。

そこで、本実施形態においては、鋼材からなる複数の部品（例えば、本体部２１０およびカラー２２０）が溶接接合された溶接構造体（例えば、トランスバースリンク２００）を製造するにあたり、溶接部２５０における軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復させるために、次のような製造方法を採用している。

すなわち、溶接部２５０の熱影響部２５２にショットピーニング処理によるひずみ硬化を、
平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材１０を用いて、
アルメンストリップＡでのアークハイト０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下によって、
ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与する。ショットピーニング処理によるひずみ硬化の付与によって、溶接構造体の溶接部２５０における熱影響部２５２のビッカース硬さを、溶接部２５０の領域以外の鋼材（母材２６０）におけるビッカース硬さ相当に硬くする。

溶接の種類は、溶接部２５０に軟化した熱影響部２５２が生じる工法であれば特に限定されず、例えば、アーク溶接やレーザー溶接である。なお、レーザー溶接は、アーク溶接に比べて、熱影響部２５２の範囲やビード幅を小さくできる利点はある。ただし、レーザー溶接にあっても溶接部２５０に軟化した熱影響部２５２が生じることから、本実施形態を適用することができる。

ショット材１０は、平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材１０を用いることが好ましい。硬質なショット材１０の場合には、鋭利な突起を有すると部品の表面に傷を付ける虞がある。このため、球状のショット材１０を用いるのがよい。

ショット材１０の寸法は、平均直径が０．６ｍｍ未満の場合には、ショット材１０のエネルギーが小さく、熱影響部２５２の材料強度を回復させる効果を得るための処理時間が長くなり効率的な製造を行なうことができない。一方、平均直径０．８ｍｍを越えると、熱影響部２５２の表面にショット材１０を均等に衝突させることが難しく、熱影響部２５２の材料強度を十分に回復させることができない。したがって、平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材１０を用いることが好ましい。なお、平均直径とは、ショット材１０の寸法の分布の平均値を意味する。

ショットピーニング処理の加工条件は、部品にショットピーニングを行う場合と同じ条件でアルメンストリップＡにショットピーニングを行い、ショットピーニング処理後のアルメンストリップＡのアークハイトにより規定する。アークハイトは、ショットピーニング処理の加工条件を表す指標として一般的に用いられている。アルメンストリップの片面を投射面としてショットピーニング処理することにより生じる湾曲量（一定の弧長に対するキャンバ）を意味する。なお、アルメンストリップＡだけでなく、アルメンストリップＮ、アルメンストリップＣを用い、それぞれのアルメンストリップＮ、Ｃでのアークハイトを、アルメンストリップＡでのアークハイトに換算して使用することができる。

アルメンストリップＡでのアークハイトが０．２ｍｍ未満の場合には、付与するひずみ硬化が小さく、熱影響部２５２の材料強度を十分に回復させることができない。一方、アークハイトが０．６ｍｍを越えると、部品の変形が大きくなり、部品の寸法精度が低下する。したがって、ショットピーニング処理の加工条件は、アルメンストリップＡでのアークハイト０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下に調整することが好ましい。

ひずみ硬化を付与する範囲は、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与することが好ましい。この処理範囲は、ビード端からのビード幅寸法に対する倍率によって表される。ひずみ硬化を付与する範囲がビード幅の１．５倍未満の場合には、熱影響部２５２の全範囲にわたって材料強度を十分に回復させることができない。一方、ビード幅の３倍を越える範囲は、熱影響を受けない母材２６０の領域となることから材料強度を回復させる処理は必要がない。また、処理範囲を広げすぎると、処理時間が増加し、生産性が悪化する。したがって、ひずみ硬化を付与する範囲は、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与することが好ましい。

「溶接部２５０の領域以外の鋼材におけるビッカース硬さ相当」とは、母材２６０におけるビッカース硬さ相当のことを意味する。熱影響部２５２のビッカース硬さが母材２６０におけるビッカース硬さ相当になる鋼材の表面からの範囲、すなわち加工硬化深さは、鋼材の表面から厚みの１１％以上、２５％以下の範囲であることが好ましい。加工硬化深さが鋼材の表面から厚みの１１％未満の場合には、加工硬化深さが浅く、熱影響部２５２の材料強度を十分に回復させることができない。一方、加工硬化深さが鋼材の表面から厚みの２５％を越えると、部品の変形が大きくなり、部品の寸法精度が低下する。したがって、加工硬化深さは、鋼材の表面から厚みの１１％以上、２５％以下の範囲であることが好ましい。

ここに、「母材２６０におけるビッカース硬さ相当」とは、母材２６０におけるビッカース硬さと厳密に同じ硬さであることを要求するものではない。軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復できるという作用効果を発揮し得る限度において、母材２６０におけるビッカース硬さよりも若干小さい硬さでもよい。また、逆に、母材２６０におけるビッカース硬さよりも若干大きい硬さでもよい。ただし、母材２６０の材料強度に基づいて設計できるように、軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復できればよいので、母材２６０におけるビッカース硬さよりも過度に大きくする必要はない。

製造された溶接構造体は、溶接部２５０における熱影響部２５２のビッカース硬さが、鋼材の表面から厚みの１１％以上、２５％以下の範囲において、溶接部２５０の領域以外の鋼材、つまり母材２６０におけるビッカース硬さ相当になる。

溶接構造体は軟化した熱影響部２５２の材料強度が回復され、部品の強度を母材２６０の引張強度に近づけることができる。硬化深さを深くすることも可能ではあるものの、硬化が深くなることによって割れが生じたり、硬化深さを得るための強加工によって板厚が減少したりする。したがって、硬化深さを上記の範囲に設定することによって、部品として必要となる各板厚において、必要となる硬化深さを得ることができ、かつ、部品の変形を最小に抑制することができる。部品の厚みが高強度材そのものの強度を適用して設計されるため、溶接構造体は、高強度材を適用した場合の軽量化効果を十分に得ることができる。

熱影響部２５２のビッカース硬さが母材２６０におけるビッカース硬さ相当である範囲は、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下であることが好ましい。上記の範囲がビード幅の１．５倍未満の場合には、熱影響部２５２の全範囲にわたって材料強度が十分に回復していない。一方、ビード幅の３倍を越える範囲は、熱影響を受けない母材２６０の領域となることから、そもそも軟化していない。また、処理範囲が広すぎると、処理時間が増加し、生産性が悪化する。したがって、したがって、熱影響部２５２のビッカース硬さが母材２６０のビッカース硬さ相当である範囲は、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下であることが好ましい。

鋼材の厚みは１．６ｍｍ以上、３．６ｍｍ以下であることが好ましい。鋼材の厚みが１．６ｍｍ未満の場合には、部品の変形が伴う。一方、鋼材の厚みが３．６ｍｍを越えると、母材２６０の材料強度が元々高いことから、ショットピーニング処理によって熱影響部２５２の材料強度を回復させる効果が影響する程度が相対的に低い。したがって、鋼材の厚みは１．６ｍｍ以上、３．６ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態にあっては、鋼材として高強度鋼板を用い、自動車用の部品である溶接構造体を製造するのに適用するのが好ましい。軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復した溶接構造体となるため、部品の厚みを、高強度材そのものの強度を適用して設計することができるからである。この結果、高強度材を適用した場合の軽量化効果を十分に得ることができる。高強度鋼板は、例えば、４４０ＭＰａ級鋼板、５９０ＭＰａ級鋼板、７８０ＭＰａ級鋼板などである。

なお、部品に要求される寸法精度が比較的低く、部品に生じる変形の許容範囲が比較的大きい場合には、加工硬化深さが鋼材の表面から厚みの５０％を越えなければよい。このように部品の寸法精度によっては、加工硬化深さは、鋼材の表面から厚みの１１％以上、５０％以下の範囲であってもよい。

また、熱影響部２５２にひずみ硬化を付与する手法としてショットピーニング処理を行う実施形態を示したが、ショットピーニング処理に代えて、ハンマーピーニング処理を適用することもできる。この場合には、ハンマーによる衝撃力を調整して、熱影響部２５２にひずみ硬化を付与する。

溶接構造体の製造方法の実施例を以下に示す。

図５は、溶接構造体としての重ね継手試験片３００を示す断面図である。図６は、試験片３００に対して行なった硬度分布測定の結果を示すグラフである。

自動車用の部品に適用される種々の強度および肉厚の高強度鋼板を用意した。図５に示すように、２枚の鋼板３０１、３０２をアーク溶接によって重ね継手３０３によって接合し、試験片３００を準備した。この試験片３００に対し、種々の条件でショットピーニング処理を行い、得られた試験片３００の引張強度評価、硬度分布測定を行なった。

表１に示すように、実施例１は板厚ｔが１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を使用し、実施例２は板厚ｔが１．８ｍｍの４４０ＭＰａ級鋼板を使用し、実施例３～７は板厚ｔが３．６ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板を使用した。比較例１は板厚ｔが４ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を使用し、比較例２は板厚ｔが１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を使用し、比較例３は板厚ｔが３．６ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板を使用した。

実施例１～７および比較例１～３のいずれも、平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるジョット材を使用した。実施例１～７、比較例１はビッカース硬さが５１３ＨＶのショット材１０を使用し、比較例２はビッカース硬さが５１４ＨＶのショット材１０を使用し、比較例３はビッカース硬さが５１５ＨＶのショット材１０を使用した。

ショットピーニング処理のショット条件は、アルメンストリップＡのアークハイトにより規定した。実施例１、２はＡＨ０．２ｍｍＡとし、実施例３、４はＡＨ０．４ｍｍＡとし、実施例５はＡＨ０．５ｍｍＡとし、実施例６、７はＡＨ０．６ｍｍＡとした。比較例１はＡＨ０．６ｍｍＡとし、比較例２はＡＨ０．１ｍｍＡ以下とし、比較例３はＡＨ０．４ｍｍＡとした。

ショット材１０の投射角（ｄｅｇ）は、実施例７は試験片３００の表面に対して直交する方向から４５度傾斜させてショット材１０を投射した。その他の実施例１～６、および比較例１～３は、試験片３００の表面に対して直交する方向（ゼロ度）からショット材１０を投射した
ショットピーニング処理の前後における熱影響部２５２のビッカース硬さの増加分を測定した（表１中のΔＨＶ）。ショットピーニング処理を行うことによって、実施例１～７は、熱影響部２５２のビッカース硬さがそれぞれ、１０１ＨＶ、１９４ＨＶ、２５４ＨＶ、１９４ＨＶ、３０５ＨＶ、４０２ＨＶ、２４０ＨＶ増加した。比較例１～３は、熱影響部２５２のビッカース硬さがそれぞれ、４００ＨＶ、２０ＨＶ、４８ＨＶ増加した。

試験片３００の加工硬化層の深さを測定した（表１中の加工硬化深さｄ）。実施例１～７、および比較例１、３は加工硬化深さが０．４ｍｍ、比較例２の加工硬化深さが０．０５ｍｍであった。

板厚ｔに対する加工硬化深さｄの比率ｄ／ｔ（％）は、実施例１は２５％、実施例２は２２％、実施例３～７は１１％であった。比較例１は１０％、比較例２は３％、比較例３は１１％であった。

ショットピーニング処理によってひずみ硬化を付与する処理範囲は次のように設定した。処理範囲はビード端からのビード幅寸法に対する倍率によって表される。実施例１～３、５～７、比較例１、２はビード幅の３倍とした。実施例４はビード幅の１．５倍とし、比較例３はビード幅と同じ幅（１倍）とした。

各試験片３００に引張強度試験を行い、ショットピーニング処理の前後における引張強さの増加分を測定した（表１中の引張強さ向上代（ＭＰａ））。引張強度試験においては、図５に白抜き矢印によって示すように、重ね継手によって溶接接合された２枚の鋼板を反対方向に引っ張った。ショットピーニング処理を行うことによって、実施例１～７は、試験片３００の引張強さがそれぞれ、４５ＭＰａ、２０ＭＰａ、７１ＭＰａ、４７ＭＰａ、９８ＭＰａ、１０２ＭＰａ、７２ＭＰａ増加した。比較例１、３は、試験片３００の引張強さがそれぞれ、７ＭＰａ、３ＭＰａ増加した。比較例２は、試験片３００の引張強さが増加しなかった。

図５に示される重ね継手試験片３００の下位側の鋼板３０２に関して、ショットピーニング処理の前後において鋼板表面の硬度分布を測定した。試験片３００に対して行なった硬度分布測定の結果の一例を図６に示す。図５に付された０（ゼロ）点の位置が、図６のビード端からの距離が０（ゼロ）ｍｍの位置である。

図６に示すように、溶接部２５０の熱影響部２５２にショットピーニング処理によるひずみ硬化を付与することによって、溶接部２５０における軟化した熱影響部２５２の材料強度を回復して、母材２６０におけるビッカース硬さ相当に硬くできることが示された。

以上説明したように、実施例１～７のように、溶接部２５０の熱影響部２５２にショットピーニング処理によるひずみ硬化を、
平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材１０を用いて
アルメンストリップＡでのアークハイト０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下によって、
ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与すれば、
溶接部２５０における熱影響部２５２のビッカース硬さを、板厚ｔの１１％以上、２５％以下の範囲において、母材２６０におけるビッカース硬さ相当に硬くできることが示された。

１０ ショット材、
２０ タンク、
３０ ミキシングバルブ、
４０ コンプレッサ、
５０ ノズル、
６０ 回収部、
７０ 制御部、
１００ ショットピーニング装置、
２００ トランスバースリンク（溶接構造体）、
２１０ 本体部（複数の部品）、
２２０ カラー（複数の部品）、
２３０ 溶接箇所、
２４０ ショットピーニング処理の範囲、
２５０ 溶接部、
２５１ 溶接金属、
２５２ 熱影響部、
２６０ 母材、
Ｗ 溶接構造体であるワーク。

Claims (6)

1. 鋼材からなる複数の部品が溶接接合された溶接構造体において、
   溶接部における熱影響部のビッカース硬さが、前記鋼材の表面から厚みの１１％以上、２５％以下の範囲において、前記溶接部の領域以外の前記鋼材におけるビッカース硬さ相当であり、
   ビッカース硬さが前記溶接部の領域以外の前記鋼材におけるビッカース硬さ相当である範囲は、前記熱影響部を含み、ビード端から、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下である、溶接構造体。
2. 前記鋼材の厚みが１．６ｍｍ以上、３．６ｍｍ以下である、請求項１に記載の溶接構造体。
3. 前記鋼材として高強度鋼板が用いられ、自動車用の部品に適用される、請求項１または２に記載の溶接構造体。
4. 鋼材からなる複数の部品が溶接接合された溶接構造体の製造方法において、
   溶接部の熱影響部にショットピーニング処理によるひずみ硬化を、
   平均直径０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の鋼球からなるショット材を用いて、
   アルメンストリップＡでのアークハイト０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下によって、
   前記熱影響部を含み、ビード端から、ビード幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に付与する、溶接構造体の製造方法。
5. 前記鋼材の厚みが１．６ｍｍ以上、３．６ｍｍ以下である、請求項４に記載の溶接構造体の製造方法。
6. 前記鋼材として高強度鋼板を用い、自動車用の部品に適用する、請求項４または５に記載の溶接構造体の製造方法。

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