JP7125543B2

JP7125543B2 - ホイールリム溶接部の成形性に優れたフラッシュ溶接部材及びフラッシュ溶接方法

Info

Publication number: JP7125543B2
Application number: JP2021509158A
Authority: JP
Inventors: ギュ－ヨルベ、; ホ－スキム、
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: EP3851236A1; CN113165101B; BR112021006760A2; CN113165101A; EP3851236A4; EP3851236B1; JP2022502256A; MX2021003856A; WO2021045426A1; KR102178723B1; US20210379688A1

Description

本発明は、自動車の軽量スチールホイールなどに適用される引張強度７８０ＭＰａ以上及び鋼材厚さ６ｍｍ以下の高強度熱延鋼材の溶接部の強度及び成形性を向上させることができるフラッシュ溶接部材の製造に関し、より詳細には、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接の際、Ｐｒｅ－／Ｕｐｓｅｔ－／Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔの最適化パターンを導入して溶接部の硬さを２２０Ｈｖ以上及び２７０Ｈｖ以内に制御することができ、さらに溶接部の靭性低下の要因となる粗大結晶粒熱影響部（Ｃｏａｒｓｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）の領域を微細結晶粒熱影響部（Ｆｉｎｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）に補完して部品製造時の溶接部の靭性向上を介した成形性の確保が可能なフラッシュ溶接部材及び溶接方法に関するものである。

自動車分野は、地球温暖化問題などの環境保護に伴う燃費規制政策により、車体及び部品類の軽量化技術の研究が大きな課題として浮上している。自動車の走行性能に重要なシャーシ部品類もこのような基調によって軽量化のための高強度鋼材の適用が必要な実情である。部品の軽量化を達成するためには、素材の高強度化が必須であり、特に部品を製造するために、溶接後に成形を行う場合、溶接部の成形性を確保することが重要な要素といえる。

自動車のホイールリムの組み立て時に主に利用されるフラッシュ溶接の場合、フラッシュアークにより接合対象面の溶融飛散及び溶融部アプセットを介して接合がなされる工程であって、溶接部の成形性を確保するための最適条件の選定が重要である。特に、高強度鋼の場合、相対的に高い炭素当量により接合部の硬化に伴う脆性組織の発達が成形性の低下の要因となるため、接合部の相変態を制御することができる工程条件の開発が必要である。実際、ホイールリムの製造ラインにおいて溶接部の成形クラック不良が高い場合に、量産適用が難しい実情であるため、これに対する解決案の導出が重要である。

これを解消するための従来技術の一例として特許文献１に記載された発明が挙げられる。上記特許文献１によると、フラッシュ溶接の際に高温で形成された酸化介在物の効果的な排出のために接合段階でアプセット量の増大が提示されている。また、特許文献２では、高張力鋼のフラッシュ溶接の際に酸化介在物の形成抑制のためのオイル塗布装置が提案されている。

しかし、従来技術は、上述した高強度鋼のフラッシュ溶接部の組織制御のための方法が提示されていないため、部品の製造時に溶接部の成形性向上のための根本的な解決策を提示していないという限界がある。

韓国登録特許第１０－１２８１２９４号公報韓国登録特許第１０－０７１１４５９号公報

本発明の一側面は、自動車の軽量スチールホイールなどに適用される引張強度７８０ＭＰａ以上及び鋼材厚さ６ｍｍ以下の高強度熱延鋼材の溶接時に相変態組織制御の方法として、ビッカース硬度３００Ｈｖ以上のマルテンサイト相の発達に応じた溶接部の靭性低下を防止するために、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接の際、Ｐｒｅ－／Ｕｐｓｅｔ－／Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔパターンを導入することにより、溶接部の硬さを２２０Ｈｖ以上及び２７０Ｈｖ以内に制御することができるとともに、溶接部の靭性低下の要因となる粗大結晶粒熱影響部（Ｃｏａｒｓｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）の領域を微細結晶粒熱影響部（Ｆｉｎｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）に補完して溶接部の靭性及び成形性を確保することができるホイールリム溶接部の成形性に優れたフラッシュ溶接部材及び溶接方法を提供することを目的とする。

また、本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に限定されず、言及されていないさらに他の技術的課題は、以下の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば明確に理解することができる。

上記目的を達成するための本発明は、
電極を利用して、２つの鋼板をフラッシュ溶接することにより得られる溶接部を有する溶接部材において、
上記溶接部の硬さが２２０～２７０Ｈｖであり、
上記溶接部の左右に対向して形成された微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たし、及び
上記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たすホイールリム溶接部の成形性に優れた溶接部材に関するものである。
上記溶接部は、ｄ＜０．１３Ｔを満たすことが好ましい。
上記溶接部は、３＜Ｌ／Ｔ＜４を満たすことが好ましい。
上記溶接部をなす粗大結晶粒ＨＡＺ部の平均結晶粒径は１００μｍ以下であり、上記微細結晶粒ＨＡＺ部の平均結晶粒径は１０μｍ以下であってもよい。

また、本発明は、電極を利用して、２つの鋼板の溶接対象面をフラッシュ溶接した後、アプセット加熱するフラッシュ溶接方法において、
上記フラッシュ溶接前に上記鋼板の溶接対象面を予備加熱し、そして、上記アプセット加熱された溶接部を冷却した後、その溶接部を後加熱処理するホイールリム溶接部の成形性に優れたフラッシュ溶接方法に関するものである。

上記後加熱処理によって得られる溶接部は、硬度が２２０～２７０Ｈｖであり、上記溶接部の左右に対向して形成された微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たし、及び、上記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たすことができる。

上述した構成の本発明によると、引張強度７８０ＭＰａ以上及び鋼材厚さ６ｍｍ以下の高強度熱延鋼材のＦｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の微細組織の最適化により溶接部の靭性向上が可能であることから、自動車用軽量スチールホイールリム製造時の溶接部の強度及び成形性を効果的に向上させることができる。したがって、本ソリューションで、商用車軽量スチールホイールリムなどに適用して鉄鋼材の新需要創出及び販売拡大が可能であるという効果がある。

本発明の一実施例によるＦｌａｓｈｂｕｔｔ溶接パターン（Ｐｒｅ－ｈｅａｔ、Ｕｐｓｅｔ－ｈｅａｔ、Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔ段階）を模式的に示す図である。本発明の一実施例により製造された溶接部の断面形状を示す図である。（ａ）～（ｂ）は、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の断面組織を示す写真であり、（ａ）は比較例５に、（ｂ）は発明例１に関するものである。本発明の実施例において発明例２に対する引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の引張及び３点曲げ（４Ｒ）の結果を示す写真である。本発明の実施例において発明例３に対する引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の引張及び３点曲げ（４Ｒ）の結果を示す写真である。

以下、本発明を説明する。

本発明は、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接の際、Ｐｒｅ－／Ｕｐｓｅｔ－／Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔパターンを導入することにより、溶接部の硬さを２２０Ｈｖ以上及び２７０Ｈｖ以内に制御することができるとともに、溶接部の靭性低下の要因となる粗大結晶粒熱影響部（Ｃｏａｒｓｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）の領域を微細結晶粒熱影響部（Ｆｉｎｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）に補完して溶接部の靭性を向上させることができる技術を提供することを特徴とする。

したがって、本発明は、電極を利用して、２つの鋼板をフラッシュ溶接することにより得られる溶接部を有する溶接部材において、上記溶接部の硬さが２２０～２７０Ｈｖであり、上記溶接部の左右に対向して形成された微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たし、及び、上記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たす溶接部材を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例によるＦｌａｓｈｂｕｔｔ溶接パターン（Ｐｒｅ－ｈｅａｔ、Ｕｐｓｅｔ－ｈｅａｔ、Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔ段階）を模式的に示す図である。

図１に示すように、本発明のＦｌａｓｈｂｕｔｔ溶接工程は、大きく１）Ｂｕｒｎｏｆｆ（素材の接合対象面を溶融飛散）、２）Ｐｒｅｈｅａｔ（接合対象面を均一に予熱）、３）Ｆｌａｓｈ（接合対象面を高いアーク熱で溶融飛散）、４）Ｕｐｓｅｔ（接合対象面を一定の力で加圧して溶融部の排出及び接合［このとき、Ｕｐｓｅｔｈｅａｔ導入により接合部の急冷緩和］）、及び５）Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔ（接合部の相変態後の低温変態の脆性組織ｔｅｍｐｅｒｉｎｇのための後熱処理）を備えて構成される。

すなわち、本発明は、電極を利用して、２つの鋼板の溶接対象面をフラッシュ溶接した後、アプセット加熱するフラッシュ溶接方法において、上記フラッシュ溶接前に上記鋼板の溶接対象面を予備加熱し、そして、上記アプセット加熱された溶接部を冷却した後、その溶接部を後加熱処理するホイールリム溶接部の成形性に優れたフラッシュ溶接方法を提供することができる。

このような溶接工程を利用することで得られた溶接部は、その溶接部の靭性及び成形性がより改善されることができる。すなわち、Ｐｒｅ－ｈｅａｔ（予備加熱）、Ｆｌａｓｈ、Ｕｐｓｅｔ－ｈｅａｔ、Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔ（後加熱）などを順次利用することにより靭性及び成形性に優れた溶接部を得ることができる。このとき、本発明においては上記工程での具体的な工程条件に制限されない。

但し、短絡電流を１００％としたとき、予熱３０～４０％、フラッシュ６０～７０％、アプセット熱３０～４０％、後熱１０～１５％の範囲で電流を印加することが好ましい。

また、予熱時間は１.５～４.０秒、アプセット加熱時間は０.１７～０.３秒、そして後熱時間は０.１～０.３秒の範囲で管理することが好ましい。

そして、アプセット加熱時、アプセット力７.０～１１.０トン、アプセット長さ７.０～７.５ｍｍの範囲とすることが好ましい。

上述のような溶接条件を適用する際、溶接部のｄ及びＬ／Ｔの適正値を満たすことができるとともに、溶接部の加熱及び冷却速度の適正な制御を介して最終連続冷却相変態組織の硬さを２００Ｈｖ以上及び２７０Ｈｖ以内に制御することで、溶接部の靭性向上による優れた成形性の確保が可能となる。

本発明においては、上記フラッシュ溶接工程の最適化による適正なアプセット（Ｕｐｓｅｔ）で溶融部の排出を適正化し、高温熱履歴によって生成された粗大結晶粒熱影響部（Ｃｏａｒｓｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ：ＣＧＨＡＺ）の領域を最小限に抑えるとともに、接合対象面の両側に形成された微細結晶粒熱影響部（Ｆｉｎｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ：ＦＧＨＡＺ）の領域間の距離を最小限に抑え、部品の加工時にクラック発生を防止することができる。一方、本発明において粗大結晶粒熱影響部（ＣＧＨＡＺ）は、１２００℃以上に加熱されて形成される脆性が大きい粗大化結晶粒熱影響部を指し、微細結晶粒熱影響部（ＦＧＨＡＺ）は、８５０～１０００℃に加熱されて形成される細粒化結晶粒熱影響部を指し、再結晶により微細化され、靭性などの機械的性質が良好であるという特性がある。

このとき、本発明においては、上記溶接部の左右に対向して形成された微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たすことができる。もし、ｄ値が０.２５Ｔを超えると、溶接部の靭性及び成形性を保証することが難しい。図２は、本発明の一実施例により製造された溶接部の断面形状を模式的に示す図である。

より好ましくは、上記溶接部は、ｄ＜０．１３Ｔを満たすものである。

さらに、本発明においては、上記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たすことができる。もし、上記Ｌ／Ｔ値が２以下であれば接合界面に形成された溶融部及び酸化物の十分な排出が不足して接合強度の低下の要因となり、また、上記ｄ＜０．２５Ｔを満たすことができないため、溶接部の優れた靭性及び成形性を確保できない問題がある。

より好ましくは、上記溶接部は、３＜Ｌ／Ｔ＜４を満たすものである。

また、本発明においては、Ｐｒｅ－ｈｅａｔ、Ｕｐｓｅｔ－ｈｅａｔ、Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔを適正に導入し、溶接部の相変態後の硬さを２２０Ｈｖ以上及び２７０Ｈｖ以内に制御することができるため、脆性による加工クラックを防止することができる。

さらに、本発明においては、上記溶接部をなす粗大結晶粒ＨＡＺ部の平均結晶粒径は１００μｍ以下であり、上記微細結晶粒ＨＡＺ部の平均結晶粒径は１０μｍ以下であることが好ましい。これは、溶接前の母材の平均結晶粒径が約４μｍレベルで、本発明の技術思想により得られた溶接部の優れた成形性の確保のために要求される溶接部の結晶粒径であり、もし、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接熱量が大きすぎる場合、結晶粒の成長によるＨＡＺ部の結晶粒径が全般的に増加して溶接部の物性低下の要因となる。

以下、実施例を介して本発明を詳細に説明する。

（実施例）
厚さ４.２ｍｍｔ、引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼（ＣｏｍｐｌｅｘＰｈａｓｅＳｔｅｅｌ）溶接母材を用意した。次に、上記引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼の溶接母材に対して下記表１の溶接条件でフラッシュ溶接をそれぞれ実施した後、得られたそれぞれの溶接部材をなす溶接部の硬さを測定し、その結果も下記表１に示した。

＊上記表１の電流％は短絡電流の割合である。

また、上記のように得られたそれぞれの溶接部材をなす溶接部に対して、溶接部の左右に対向して形成された微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離ｄ、Ｌ（溶接部をなすアプセット部の全体長さ）／Ｔ（溶接母材の厚さ）を測定し、その結果を下記表２に示した。また、上記のように得られた溶接部を有するそれぞれの溶接部材に対して、下記表２に示すように、引張試験を行い、破断が発生する位置を評価し、併せて３点曲げ試験（４Ｒ）を実施してベンディングクラック発生の有無を評価した。

上記表１及び表２に示すように、Ｐｒｅ－ｈｅａｔ、Ｕｐｓｅｔ－ｈｅａｔ、Ｐｏｓｔ－ｈｅａｔ工程を順次利用して、フラッシュ溶接することにより得られた溶接部のｄ値、Ｌ／Ｔ値が所定範囲を満たす本発明例１－３は全て、引張試験時に母材で破断が発生し、ベンディング試験時にベンディングクラックが発生しなかったことがわかる。

これに対し、予熱、アプセット熱、アプセット力、及びアプセット長さが適正でないか、後熱処理工程などを利用しない比較例４－７の場合には、得られた溶接部のｄ値、Ｌ／Ｔ値がいずれも本発明の範囲を逸脱し、引張試験時に溶接部で破断が発生し、ベンディング試験時にベンディングクラックが発生したことが確認できる。すなわち、比較例５のように、予熱工程を適用してもアプセット長さが１.０ｍｍと適正値を外れた場合、ｄ及びＬ／Ｔ値が、本発明で提案した適正範囲から逸脱し、また後熱工程も存在しないため、溶接部の最大硬度値が３００Ｈｖまで到達して脆性が増加する問題があることがわかる。

図３の（ａ）～（ｂ）は、Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の断面組織を示す写真であり、（ａ）は比較例５に、（ｂ）は発明例１に対するものである。図３に示すように、溶接部のｄ（Ｆｉｎｅ－ＧｒａｉｎｅｄＨＡＺ間の距離）値が母材厚さＴの１３％以内であり、Ｌ／Ｔが２を超えるとき、溶接部の引張破断の発生が防止され、ベンディングクラックが発生しないことが確認できる。

一方、図４は、本発明の実施例において発明例２に対する引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の引張及び３点曲げ（４Ｒ）の結果を示す写真であり、図５は、本発明の実施例において発明例３に対する引張強度７８０ＭＰａ級の複合組織鋼Ｆｌａｓｈｂｕｔｔ溶接部の引張及び３点曲げ（４Ｒ）の結果を示す写真であり、すべてのｄ値がＴ値の２５％未満で、その引張特性及びベンディング特性に優れていることがわかる。

以上で説明したとおり、本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施例に限定されてはいけず、後述する特許請求の範囲だけでなく、これと均等なものによって定められなければならない。

Claims

電極を利用して、２つの鋼板をフラッシュ溶接することにより得られる溶接部を有する溶接部材であって、
前記溶接部の硬さが２２０～２７０Ｈｖであり、
前記溶接部の左右に対向して形成された平均結晶粒径１０μｍ以下の微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たし、及び
前記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たす、ホイールリム溶接部の成形性に優れた溶接部材。
前記溶接部は、ｄ＜０．１３Ｔを満たす、請求項１に記載のホイールリム溶接部の成形性に優れた溶接部材。
前記溶接部は、３＜Ｌ／Ｔ＜４を満たす、請求項１に記載のホイールリム溶接部の成形性に優れた溶接部材。
前記溶接部をなす粗大結晶粒ＨＡＺ部の平均結晶粒径は１００μｍ以下である、請求項１に記載のホイールリム溶接部の成形性に優れた溶接部材。
電極を利用して、２つの鋼板の溶接対象面をフラッシュ溶接した後、アプセット加熱するフラッシュ溶接方法であって、
前記フラッシュ溶接前に前記鋼板の溶接対象面を予備加熱し、そして、前記アプセット加熱された溶接部を冷却した後、その溶接部を後加熱処理することを含み、
前記後加熱処理によって得られる溶接部は、硬度が２２０～２７０Ｈｖであり、前記溶接部の左右に対向して形成された平均結晶粒径１０μｍ以下の微細結晶粒ＨＡＺ部（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄＨＡＺ）の間の最近接距離をｄとし、溶接母材の厚さをＴとするとき、ｄ＜０．２５Ｔを満たし、及び前記溶接部をなすアプセット部の全体長さをＬとするとき、Ｌ／Ｔ＞２を満たす、ホイールリム溶接部の成形性に優れたフラッシュ溶接方法。