JP7485946B2 - Joint, automobile part, and method for manufacturing joint - Google Patents
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Description
本発明は、接合継手、自動車部品、及び接合継手の製造方法に関する。 The present invention relates to a joint, an automobile part, and a method for manufacturing a joint.
部材を接合して接合継手を製造する方法の一つとして、摩擦圧接接合が知られている。摩擦圧接接合とは、部材同士を摩擦しながら加圧することにより、部材同士を固相接合する技術である。部材同士の摩擦は、例えば、一方の部材の圧接面を回転対称形状(例えば円状又は多角形形状)とし、これを高速回転させることにより行われる。 Friction welding is known as one method for joining components to produce a welded joint. Friction welding is a technique for joining components together in a solid state by applying pressure while rubbing them together. The friction between the components is achieved, for example, by making the weld surface of one of the components rotationally symmetrical (e.g., circular or polygonal) and rotating it at high speed.
摩擦圧接接合の特徴のひとつは、接合部において部材の溶融又は撹拌が生じない点にある。溶接は、部材を溶融及び再凝固させることにより接合部を形成する接合方法である。摩擦撹拌接合は、圧入部材を高速回転させて部材同士の接触部を撹拌することにより接合部を形成する接合方法である。従って、溶接又は摩擦撹拌接合によって形成された接合継手の接合部では、部材が混じり合っている。一方、摩擦圧接接合によって形成された接合継手では、部材が混じり合った領域は存在しないか、又は極めて小さい。摩擦圧接接合によって形成された接合継手の接合部の断面を観察すると、摩擦圧接面を介して部材が分かれている様子が判別できる。例えば特許文献1及び特許文献2等に、摩擦圧接接合の方法が開示されている。
One of the features of friction welding is that the materials are not melted or stirred at the joint. Welding is a joining method in which a joint is formed by melting and resolidifying the materials. Friction stir welding is a joining method in which a press-in member is rotated at high speed to stir the contact area between the materials, forming a joint. Therefore, the materials are mixed at the joint of a joint formed by welding or friction stir welding. On the other hand, in a joint formed by friction welding, the area where the materials are mixed is either nonexistent or extremely small. When observing the cross section of the joint of a joint formed by friction welding, it is possible to distinguish how the materials are separated via the friction welding surface. For example,
また、摩擦圧接接合のもう一つの特徴は、異種材料の接合継手の製造に適用可能である点にある。例えば、鋼およびアルミニウムの丸棒の端面同士を突き合わせ、適切な条件で片方を回転し、加圧することで接合が可能である。また、摩擦圧接接合を活用することで、重ねられた板における異種材料の接合継手の製造も可能である。例えば、重ねられた上板及び下板と、上板を貫通し、下板と摩擦圧接接合された接合部材とからなる接合継手においては、上板と接合部材の頭部とを用いて下板を挟持することにより、上板及び下板の材質を異ならせることができる。 Another feature of friction welding is that it can be used to manufacture joints of dissimilar materials. For example, the end faces of steel and aluminum round bars can be butted together and one side can be rotated and pressed under appropriate conditions to join them. Friction welding can also be used to manufacture joints of dissimilar materials between stacked plates. For example, in a joint consisting of stacked upper and lower plates and a joining member that penetrates the upper plate and is friction-welded to the lower plate, the upper plate and the head of the joining member can be used to clamp the lower plate, making the upper and lower plates made of different materials.
重ねられた板(特に金属板)の接合手段としてもっともよく用いられているのは溶接(特にスポット溶接)である。例えば特許文献3には、高強度鋼板のスポット溶接方法が開示されている。しかし、溶接部において溶融材料の混合を生じさせる接合手段である溶接を、異種材料の接合に適用することは困難である。摩擦圧接接合は、例えば材料選定の自由度を向上させる点で、スポット溶接に対する優位性がある。 The most commonly used method for joining stacked plates (particularly metal plates) is welding (particularly spot welding). For example, Patent Document 3 discloses a method for spot welding high-strength steel plates. However, it is difficult to apply welding, which is a joining method that causes the molten materials to mix at the weld, to joining dissimilar materials. Friction welding has an advantage over spot welding in that it improves the freedom of material selection, for example.
本発明者らは、摩擦圧接接合を、様々な材料の接合に適用することを試みた。そして本発明者らは、高強度鋼板に鋼の丸棒や多角柱を摩擦圧接接合すると、接合部に外力が付与された際に接合部にき裂が生じやすくなり、接合部の強度が低下することを知見した。従来技術においては、摩擦圧接接合を高強度鋼材に適用した例がほとんど存在せず、接合強度の低下については何ら検討されていない。 The inventors have attempted to apply friction welding to the joining of various materials. They have discovered that when a steel round bar or polygonal column is friction-welded to a high-strength steel plate, cracks are likely to occur at the joint when an external force is applied to the joint, reducing the strength of the joint. In the prior art, there are almost no examples of applying friction welding to high-strength steel materials, and no consideration has been given to the reduction in joint strength.
上記事情に鑑みて、本発明は、高い接合強度を有する接合継手、及び自動車部品を提供することを課題とする。さらに本発明は、高い接合強度を有する接合継手の製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a joint having high joint strength and an automobile part. Furthermore, the present invention aims to provide a method for manufacturing a joint having high joint strength.
本発明の要旨は以下の通りである。
(1)本発明の一態様に係る接合継手は、軸部を有する鋼製の第1の部材と、前記軸部の断面よりも大きい接合面を有する鋼製の第2の部材と、前記第1の部材の第1の端部と、前記接合面とを摩擦圧接してなる接合部と、を備える接合継手であって、前記軸部の軸線を通る、前記接合継手の断面において、前記接合面から深さ0.1mmの位置を、前記接合部及びその周辺にわたって連続的に硬さ測定することによって得られる、前記接合部の両端の最高硬さの平均値Haveが、式1を満たす。
Have≦761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3……(式1)
ここで、前記式1における記号「C」は、前記第2の部材の単位質量%での炭素量である。
(2)上記(1)に記載の接合継手では、前記第2の部材が、前記第1の部材と前記第2の部材との界面である摩擦圧接界面から深さ0.1mm以内の領域において、焼戻しマルテンサイトを有してもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載の接合継手では、前記第2の部材の前記炭素量が0.20質量%以上であってもよい。
(4)上記(1)~(3)のいずれか一項に記載の接合継手では、前記第1の部材と前記第2の部材との界面である摩擦圧接界面は、前記第2の部材に入り込んでおり、前記軸線を通る、前記接合継手の前記断面において測定される、前記第2の部材の前記接合面に対する前記摩擦圧接界面の最大深さが0.3mm以上であってもよい。
(5)上記(1)~(4)のいずれか一項に記載の接合継手では、前記第2の部材が、板厚0.8~3.0mmの鋼板であってもよい。
(6)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の接合継手では、前記接合面の面積が、前記軸部の断面積の3.0倍以上であってもよい。
(7)上記(1)~(6)のいずれか一項に記載の接合継手では、前記軸部の、前記軸線に垂直な断面が回転対称形状であり、当該断面の外接円の直径が2.0~10.0mmであってもよい。
(8)上記(7)に記載の接合継手では、前記軸部の、前記軸線に垂直な断面が円、又は正多角形であってもよい。
(9)上記(1)~(8)のいずれか一項に記載の接合継手では、前記第1の部材が、その第2の端部に配された頭部を有し、前記接合継手は、前記頭部と前記第2の部材との間に設けられた第3の部材をさらに備え、前記第1の部材の前記軸部は、前記第3の部材を貫通し、前記第3の部材は、前記第1の部材の前記頭部と、前記第2の部材の接合面とによって挟持されていてもよい。
(10)上記(9)に記載の接合継手では、前記第3の部材が鋼板であってもよい。
(11)本発明の別の態様に係る自動車部品上記(1)~(10)のいずれか一項に記載の接合継手を有する。
(12)本発明の別の態様に係る接合継手の製造方法は、軸部を有する鋼製の第1の部材の第1の端部を、前記軸部の断面よりも大きい接合面を有する鋼製の第2の部材に、回転させながら押し付けることにより、前記軸部の前記第1の端部と前記接合面とを摩擦圧接してなる接合部を形成する工程と、電極を用いて、前記第1の部材及び前記第2の部材を、前記第1の部材の前記軸部の軸線方向に挟持し、電流値をIとして通電することにより、前記接合部を焼き戻す工程と、を備え、前記電流値Iを、下記式2を満たす範囲内とする。
(13)上記(12)に記載の接合継手の製造方法は、さらに、前記接合部の形成の前に、前記第2の部材に第3の部材を重ねる工程と、前記第3の部材に前記第1の部材の前記軸部を貫通させる工程と、を備え、前記第1の部材が、その第2の端部に頭部を有してもよい。
The gist of the present invention is as follows.
(1) A bonded joint according to one aspect of the present invention is a bonded joint comprising a first steel member having a shaft, a second steel member having a bonding surface larger than a cross section of the shaft, and a bonded joint formed by frictionally welding a first end of the first member and the bonding surface, wherein an average value Have of maximum hardness at both ends of the bonded joint obtained by continuously measuring hardness at a position 0.1 mm deep from the bonding surface in a cross section of the bonded joint passing through the axis of the shaft, over the bonded joint and its periphery satisfies
Have≦761.6×C 3 −1897.2×C 2 +1848.8×C+168.3……(Formula 1)
Here, the symbol "C" in the
(2) In the welded joint described in (1) above, the second member may have tempered martensite in a region within a depth of 0.1 mm from a friction welded interface, which is an interface between the first member and the second member.
(3) In the welded joint described in (1) or (2) above, the carbon content of the second member may be 0.20 mass % or more.
(4) In the bonded joint described in any one of (1) to (3) above, a friction welded interface, which is an interface between the first member and the second member, may penetrate into the second member, and a maximum depth of the friction welded interface relative to the bonding surface of the second member, measured in the cross section of the bonded joint passing through the axis, may be 0.3 mm or more.
(5) In the joint described in any one of (1) to (4) above, the second member may be a steel plate having a plate thickness of 0.8 to 3.0 mm.
(6) In the joint described in any one of (1) to (5) above, an area of the joining surface may be 3.0 times or more the cross-sectional area of the shaft portion.
(7) In the joint described in any one of (1) to (6) above, a cross section of the shaft portion perpendicular to the axis may have a rotationally symmetric shape, and a diameter of a circumscribing circle of the cross section may be 2.0 to 10.0 mm.
(8) In the joint described in (7) above, a cross section of the shaft portion perpendicular to the axis may be a circle or a regular polygon.
(9) In the joint joint described in any one of (1) to (8) above, the first member has a head disposed at a second end thereof, and the joint joint further includes a third member provided between the head and the second member, the shaft portion of the first member penetrating the third member, and the third member being clamped between the head of the first member and the joint surface of the second member.
(10) In the joint described in (9) above, the third member may be a steel plate.
(11) An automobile part according to another aspect of the present invention, comprising the bonded joint according to any one of (1) to (10) above.
(12) A method for manufacturing a joined joint according to another aspect of the present invention includes the steps of: pressing a first end of a first steel member having a shank against a second steel member having a joining surface larger than a cross section of the shank while rotating the first end of the shank, thereby frictionally welding the first end of the shank and the joining surface; and tempering the joint by using electrodes to hold the first member and the second member in the axial direction of the shank of the first member and passing a current of I through the electrodes, wherein the current I is within a range that satisfies the following formula 2:
(13) The method for manufacturing a joint described in (12) above may further include a step of overlapping a third member on the second member before forming the joint, and a step of passing the shaft portion of the first member through the third member, and the first member may have a head at its second end.
本発明によれば、高い接合強度を有する接合継手、及び自動車部品を提供することができる。さらに本発明によれば、高い接合強度を有する接合継手の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a joint having high joining strength, and an automobile part. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a manufacturing method for a joint having high joining strength.
本発明者らは、軸部111を有する鋼製の第1の部材11と、軸部111の断面よりも大きい接合面121を有する鋼製の第2の部材12とを摩擦圧接接合して得られた種々の接合継手の、破断試験を実施した。そして本発明者らは、破断部を詳細に調査し、以下の事柄を知見した。
The inventors conducted fracture tests on various joints obtained by friction welding a
まず、破断が、接合部14の外周付近であって、且つ、第2の部材12の二相域加熱部にあたる箇所において生じる傾向にあることが発見された。二相域加熱部とは、摩擦圧接接合の際に摩擦熱によってAc1点以上Ac3点以下の温度域(二相域)まで加熱され、次いで冷却された部位のことである。二相域加熱部の金属組織は、硬質相(例えばマルテンサイト、ベイナイト、及び焼戻しマルテンサイト等)と軟質相(例えばフェライト等)とが混在したものとなる。
First, it was discovered that fractures tend to occur near the outer periphery of the
次に、本発明者らが破断試験後の二相域加熱部を詳細に観察したところ、硬質相と軟質相との間に多数のボイドが存在する様子が確認された。図1に、破断試験後の二相域加熱部の写真を示す。これら多数のボイドが破壊の起点として働いたと推定された。また、ボイドが生じた理由は、軟質相と硬質相の硬度差が大きく、これらの界面にひずみが集中したからであると推定された。 Next, the inventors closely observed the two-phase region heated area after the fracture test and confirmed the presence of numerous voids between the hard and soft phases. Figure 1 shows a photograph of the two-phase region heated area after the fracture test. It was presumed that these numerous voids acted as the starting points of fracture. It was also presumed that the reason the voids were generated was because the difference in hardness between the soft and hard phases was large, causing strain to concentrate at the interface between them.
以上の知見に基づいて本発明者らは、二相域加熱部の通電焼戻しによって、前述の硬度差を低減し、ひずみ集中を緩和することを試みた。しかしながら、通電量が小さい場合は、接合強度の向上が認められなかった。一方、通電量が大きい場合は、第1の部材11が軟化して、通電加熱中に第1の部材11の座屈が生じた。
Based on the above findings, the inventors attempted to reduce the hardness difference and alleviate strain concentration by electrically tempering the two-phase region heated portion. However, when the amount of current flow was small, no improvement in the joint strength was observed. On the other hand, when the amount of current flow was large, the
なお、通電焼戻しはスポット溶接において実施されることがある。しかしながら、スポット溶接部の通電焼戻しにおいては、スポット溶接の際の電流値及び発熱量の実績値を考慮することにより、焼戻しのために必要な温度を達成するための電流条件を予測可能である。一方、摩擦圧接接合部の通電焼戻しにおいてはこのような電流条件予測をすることはできない。また、スポット溶接部の通電焼戻しにおいて溶接部の座屈は生じないので、座屈回避について、先行技術ではなんら検討されていない。従って、スポット溶接部の通電焼戻しを単純に摩擦圧接接合部の通電焼戻しに転用することは困難であった。 Electric current tempering is sometimes performed in spot welding. However, in electric current tempering of spot welds, it is possible to predict the current conditions to achieve the temperature required for tempering by considering the actual current value and heat generation value during spot welding. On the other hand, such prediction of current conditions is not possible in electric current tempering of friction welded joints. In addition, since buckling of the weld does not occur in electric current tempering of spot welds, no consideration has been given to avoiding buckling in the prior art. Therefore, it has been difficult to simply convert electric current tempering of spot welds to electric current tempering of friction welded joints.
本発明者らはそこで一層の検討を重ねた。その結果、本発明者らは、第2の部材12の成分、第1の部材11の大きさ、通電時間、及び加圧力などを総合的に考慮しながら通電条件を最適化することにより、接合部14を適切に軟化させ、接合強度を向上させられることを知見した。
The inventors then conducted further investigations. As a result, they discovered that by optimizing the current conditions while comprehensively taking into account the components of the
以上の知見に基づき完成した本発明の一態様に係る接合継手1は、例えば図2に示されるように軸部111を有する鋼製の第1の部材11と、軸部111の断面よりも大きい接合面121を有する鋼製の第2の部材12と、第1の部材11の第1の端部と、接合面121とを摩擦圧接してなる接合部14と、を備え、軸部111の軸線Yを通る、接合継手1の断面において、接合面121から深さ0.1mmの位置Xを、接合部14及びその周辺にわたって連続的に硬さ測定することによって得られる、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveが、式1を満たす。
Have≦761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3……(式1)
ここで、式1における記号「C」は、第2の部材12の単位質量%での炭素量である。以下、本実施形態に係る接合継手1について詳細に説明する。
A bonded joint 1 according to one embodiment of the present invention completed based on the above findings comprises, for example, as shown in FIG. 2 , a
Have≦761.6×C 3 −1897.2×C 2 +1848.8×C+168.3……(Formula 1)
Here, the symbol "C" in
(第1の部材11)
鋼製の第1の部材11は、第2の部材12と接合される軸部111を有する。軸部111には、第2の部材12と摩擦圧接接合されることが可能となるような形状を有する限り、任意の形状を適用することができる。便宜上、第1の部材11の両端部のうち、第2の部材12の接合面121と接合される側の端部を第1の端部と称し、もう一方の端部を第2の端部と称する。
(First member 11)
The
(第2の部材12)
第2の部材12は、第1の部材11が接合される接合面121の大きさが、第1の部材11の軸部111の断面(より具体的には、軸部111の第1の端部の近傍において、摩擦圧接接合による変形が小さい箇所での軸線Yに垂直な断面)よりも大きいものとされる。換言すると、接合面121を平面視した際に、接合面121が軸部111の断面を包含するものとされる。この要件を満たす限り、第2の部材12には、任意の形状を適用することができる。なお、用語「接合面121」とは、接合に供される面という意味であり、後述する摩擦圧接界面15(2つの部材が接合される面)とは異なる概念である。
(Second member 12)
The
(接合部14)
接合部14は、第1の部材11の端部と、第2の部材12の接合面121とを摩擦圧接接合することによって形成された部分である。本実施形態において、接合部14とは、摩擦圧接接合の影響によって熱影響や変形が生じた領域と定義される。図2に、接合部14の外縁を概略的に破線で示す。ただし、溶接によって形成される溶接部とは異なり、摩擦圧接接合によって形成される接合部14では、第1の部材11と第2の部材12とが混じり合っておらず、これらの界面を明瞭に確認することができる。本実施形態において、第1の部材11と第2の部材12との界面は、摩擦圧接界面15と称される。
(Joint 14)
The joint 14 is a portion formed by friction welding an end of the
(接合部14の両端の最高硬さの平均値Have)
鋼製の部材を摩擦圧接接合して得られる通常の接合継手においては、摩擦熱によって、接合部14に焼入れ硬化が生じる。一方、本実施形態に係る接合継手1においては、接合部14の焼入れ硬化を緩和することによって、接合強度を高めている。そのため、本実施形態に係る接合継手1においては、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveが、式1を満たす。最高硬さの平均値Haveは、軸部111の軸線Yを通る接合継手1の断面において、接合面121から深さ0.1mmの位置Xを、接合部及びその周辺にわたって連続的に硬さ測定することによって得られる。
Have≦761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3……(式1)
ここで、式1における記号「C」は、第2の部材12の単位質量%での炭素量である。
(Average value Have of maximum hardness at both ends of joint 14)
In a normal welded joint obtained by friction welding steel members, quench hardening occurs in the welded
Have≦761.6×C 3 −1897.2×C 2 +1848.8×C+168.3……(Formula 1)
Here, the symbol “C” in
接合面121から深さ0.1mmの位置Xとは、図2において符号「X」が付された直線によって示される位置である。接合面121は、接合部14において著しく変形している。しかしながら、接合面121から深さ0.1mmの位置Xは、変形を受けていない接合面121に基づいて特定される。即ち、変形を受けていない接合面121を延長することによって、摩擦圧接接合を実施する前の接合面121を推定し、これに基づいて接合面121から深さ0.1mmの位置Xを特定する。通常、摩擦圧接界面15は第2の部材12の内部に食い込んでいる。そのため、軸線Yの付近では、接合面121から深さ0.1mmの位置Xに、第1の部材11が配されている場合がある。
Position X, which is 0.1 mm deep from the
接合面121から深さ0.1mmの位置Xを、接合部及びその周辺にわたって連続的に硬さ測定することによって、例えば図3に示されるような、接合面121から深さ0.1mmの位置Xに沿った硬さ分布曲線を得ることができる。接合部14の両端の最高硬さとは、硬さ分布曲線における、軸線Yの左側での硬さの最大値、及び軸線Yの右側での硬さの最大値である。
By continuously measuring the hardness at position X, 0.1 mm deep from the
硬さ分布曲線において硬さが最大になる箇所は、接合面121から深さ0.1mmの位置Xと、摩擦圧接界面15との交点の近傍になることが通常である。この箇所は、摩擦圧接接合の際の摩擦熱によって、著しい焼入れ硬化が生じる箇所である。図3に示される破線の硬さ分布曲線は、鋼材を摩擦圧接接合した後で、特段の後処理を行わなかった接合継手の硬さ分布曲線の一例である。このような接合継手の硬さ分布曲線では、焼入れ硬化によって、軸線Yの両側に著しいピークが存在する。
The point where the hardness is maximum on the hardness distribution curve is usually near the intersection of position X, 0.1 mm deep from the
一方、本実施形態に係る接合継手1では、焼入れ硬化が緩和されている。そのため、硬さ分布曲線における硬さピークの高さは小さくなる。図3に示される実線の硬さ分布曲線は、本実施形態に係る接合継手1の硬さ分布曲線の一例である。本実施形態に係る接合継手1の硬さ分布曲線では、軸線Yの少なくとも片側において、硬さピークの高さが破線よりも低くなる。 On the other hand, in the bonded joint 1 according to this embodiment, quench hardening is mitigated. Therefore, the height of the hardness peak in the hardness distribution curve is smaller. The solid line hardness distribution curve shown in FIG. 3 is an example of the hardness distribution curve of the bonded joint 1 according to this embodiment. In the hardness distribution curve of the bonded joint 1 according to this embodiment, the height of the hardness peak is lower than the dashed line on at least one side of the axis Y.
本実施形態に係る接合継手1における、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveを定量的に規定するために、本発明者らは、第2の部材12の炭素量に着目した。第2の部材12の焼き入れ後の硬さは、第2の部材12の炭素量に応じて決まる。そのため、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveの上限値を、第2の部材12の炭素量の関数「761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3」とした。接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveが式1を満たす場合、接合継手1は良好な接合強度を有する。なお、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveが式1を満たす限り、接合部14の一方の端部の最高硬さが「761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3」を上回ることは許容される。接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveを上述の範囲内とするための手段は特に限定されないが、例えば後述する条件に従った通電焼戻しが好適である。平均値Haveの上限値は、好ましくは「761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3」の95%以下、90%以下、又は85%以下である。なお、平均値Haveの下限値は特に制限されないが、例えば第2の部材12の母材硬さの60%以上、70%以上、80%以上、又は90%以上と規定してもよい。第2の部材12の母材硬さとは、第2の部材12における、摩擦圧接接合の熱影響及び変形が生じていない領域の硬さのことである。
In order to quantitatively define the average value Have of the maximum hardness at both ends of the joint 14 in the joint joint 1 according to this embodiment, the inventors focused on the carbon content of the
接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveの測定方法は、以下の通りである。
まず、接合継手1を、第1の部材11の軸部111の軸線Yを実質的に含む断面で切断し、断面を適宜研磨する。なお、この断面が軸線Yから若干外れることは許容される。
次に、接合面121から深さ0.1mmの位置Xを特定する。接合面121は、接合部14において著しく変形しているので、変形を受けていない接合面121を延長することによって、摩擦圧接接合を実施する前の接合面121を推定し、これに平行であり且つ0.1mm離れた線X(図2参照)を特定する。接合面121が曲面である場合は、線Xもこれに合わせた曲線とされる。
そして、線Xに沿って、接合部及びその周辺にわたって連続的にビッカース硬さ測定をする。ビッカース硬さの測定荷重は200gとし、ビッカース硬さの測定間隔は0.2mmとする。
得られた硬さ測定結果を、軸線Yからの距離を横軸とし、硬さを縦軸としたグラフにプロットして、硬さ分布曲線を作成する。そして、軸線Yの左側における硬さの最大値と、軸線Yの右側における硬さの最大値とを特定し、これらの値を平均することにより、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveを算出する。
The method for measuring the average value Have of the maximum hardness at both ends of the joint 14 is as follows.
First, the welded joint 1 is cut at a cross section that substantially includes the axis Y of the
Next, position X is identified at a depth of 0.1 mm from the
Then, the Vickers hardness is measured continuously over the joint and its periphery along the line X. The load for measuring the Vickers hardness is 200 g, and the measurement interval for the Vickers hardness is 0.2 mm.
The hardness measurement results are plotted on a graph with the horizontal axis representing the distance from the axis Y and the vertical axis representing the hardness to create a hardness distribution curve. Then, the maximum hardness value on the left side of the axis Y and the maximum hardness value on the right side of the axis Y are identified, and these values are averaged to calculate the average value Have of the maximum hardnesses at both ends of the joint 14.
以上、本実施形態に係る接合継手1の基本的態様について説明した。以下、本実施形態に係る接合継手1の一層好ましい態様について説明する。 The above describes the basic aspects of the joint 1 according to this embodiment. Below, we will explain more preferred aspects of the joint 1 according to this embodiment.
本実施形態に係る接合継手1の金属組織は特に限定されない。接合部14の焼入れ硬化が上述の通り抑制されている限り、本実施形態に係る接合継手1は、その金属組織に関わらず優れた接合強度を確保可能である。一方、例えば、第2の部材12が、第1の部材11と第2の部材12との界面である摩擦圧接界面15から深さ0.1mm以内の領域において、焼戻しマルテンサイトを有してもよい。換言すると、第2の部材12における、摩擦圧接界面15から深さ0.1mm以内の領域の一部または全部の金属組織が焼戻しマルテンサイトであってもよい。
The metal structure of the welded joint 1 according to this embodiment is not particularly limited. As long as the quench hardening of the welded
鋼材を摩擦圧接接合した後に、特段の後処理が行われていない接合継手においては、摩擦圧接界面15から深さ0.1mm以内の領域には焼戻しマルテンサイトが存在しない。何故なら、該領域は摩擦圧接接合の際の摩擦熱によって焼き入れされるからである。たとえ、鋼材が焼戻しマルテンサイトを含むものであったとしても、この焼戻しマルテンサイトは摩擦圧接接合の際の焼き入れによってフレッシュマルテンサイト(焼戻しされていないマルテンサイト)となる。一方、第2の部材12における、摩擦圧接界面15から深さ0.1mm以内の領域の一部または全部の金属組織を焼戻しマルテンサイトとすることにより、第2の部材12から発生する破壊を一層抑制し、接合継手1の接合強度を一層高めることができる。
In a welded joint in which no special post-processing is performed after the steel materials are friction welded, tempered martensite does not exist in the region within 0.1 mm depth from the
なお、接合部14の金属組織は焼戻し組織であることが好ましいが、接合部14以外の箇所が焼き戻されている必要はない。例えば、第1の部材11及び第2の部材12、並びに後述する第3の部材13の一部または全部を、焼戻しされていない組織(例えばフレッシュマルテンサイト)としてもよい。
The metal structure of the joint 14 is preferably a tempered structure, but it is not necessary for parts other than the joint 14 to be tempered. For example, the
第1の部材11及び第2の部材12は鋼製とされる。これらの化学成分は特に限定されない。一方、第1の部材11及び第2の部材12の一方又は両方の炭素量が、例えば0.20質量%以上、0.22質量%以上、0.25質量%以上、又は0.30質量%以上であってもよい。これにより、高強度である第2の部材12との摩擦圧接接合をより安定して行うことができる。なお、第2の部材12における炭素量が0.20質量%以上である鋼材の摩擦圧接接合においては、接合強度の低下が問題となるが、本実施形態に係る接合継手1においては、接合部14の両端の最高硬さの平均値Haveが式1を満たすように接合部14の焼入れ硬化が抑制されているので、第2の部材12の炭素量が0.20質量%以上であっても接合強度が確保される。
The
第1の部材11及び第2の部材12の機械的性質も特に限定されない。一方、第1の部材11及び第2の部材12の強度が高いほど、接合継手1を有する部品の特性を高めることができるので好ましい。また、本実施形態に係る接合継手1では、接合部14における焼入れ硬化が抑制されているので、第1の部材11及び第2の部材12の強度が高い場合であっても、接合強度を確保することができる。従って、例えば第1の部材11及び第2の部材12の一方又は両方の引張強さを590MPa以上としてもよい。
The mechanical properties of the
本実施形態に係る接合継手1において、接合部14の形状は特に限定されない。図2に示されるように、摩擦圧接接合の際に第1の部材11及び第2の部材12が変形し、バリが形成されることがある。接合部14が、このようなバリを有してもよい。一方、接合部14からバリを機械的に除去してもよい。
In the bonded joint 1 according to this embodiment, the shape of the bonded
また、接合部14において、第1の部材11が第2の部材12の内部に入り込んでいることが好ましい。換言すると、第1の部材11と第2の部材12との界面である摩擦圧接界面15が、第2の部材12に入り込んでいてもよい。この場合、軸線Yを通る接合継手1の断面において測定される、第2の部材12の接合面121に対する摩擦圧接界面15の最大深さが0.1mm以上、0.3mm以上、又は0.5mm以上であってもよい。これにより、摩擦圧接界面15における接合不良が抑制され、接合継手1の接合強度が一層向上する。
In addition, it is preferable that the
第1の部材11及び第2の部材12の形状も特に限定されないが、以下に、第1の部材11及び第2の部材12の形状の好適な例を示す。
The shapes of the
第2の部材12は、例えば板厚0.8~3.0mmの鋼板であることが好ましい。このような板厚の鋼板は、自動車部品の材料として非常に好適である。第2の部材12の板厚を1.0mm以上、1.2mm以上、又は1.5mm以上としてもよい。第2の部材12の板厚を2.8mm以下、2.5mm以下、又は2.0mm以下としてもよい。一方、第2の部材12を丸棒、又は角棒などとすることも妨げられない。
The
第2の部材12の接合面121の面積が、第1の部材11の軸部111の断面積の3.0倍以上、4.0倍以上、又は5.0倍以上であってもよい。これにより、接合継手1の形状を柔軟に設計することができるようになる。なお、第1の部材11の軸部111の断面積が、軸線Y方向に沿って一定ではない場合(例えば軸部111がテーパ形状を有する場合)は、第1の部材11の軸部111の断面積とは、軸部111の外周面と第2の部材12の接合面121との交線がなす領域の面積を意味する。接合部14がバリを有する場合は、軸部111の外周面とは、その延長面を意味する。
The area of the
第1の部材11の軸部111の形状は特に限定されないが、例えば、軸部111の、軸線Yに垂直な断面(以下、「軸部111の断面」と略する場合がある)が回転対称形状であることが好ましい。具体的には、軸部111の断面が円又は正多角形であることが好ましい。軸部111の大きさは特に限定されないが、例えば、軸部111の断面の外接円の直径(軸部111の断面が円である場合は、断面の直径)が2.0~10.0mmの範囲内であることが好ましい。軸部111の外接円の直径は、軸線Yに沿って一定であってもよく、相違させてもよい。例えば、軸部111は、その先端に向かって太さが小さくなるテーパ形状を有してもよい。また、軸部111は中空構造(例えば円筒状構造等)でも、中実構造であっても良い。軸部111が中空構造である場合の、軸部111の断面の内形は回転対称形状、例えば円又は正多角形であることが好ましい。
The shape of the
第1の部材11は、第2の端部に、軸部111よりも断面径が大きい頭部112を備えてもよい。頭部112は、後述する第3の部材13を固定する働きを有する。この場合、第1の部材11はリベット形状であってもよい。頭部112の外接円の直径は、軸部111の外接円の直径の1.5倍以上であることが好ましい。また、軸部111の長さ(第1の部材11全体の長さから、頭部112の厚さを除いた値)は、第3の部材13の厚さの1.5倍以上であることが好ましい。一方、接合継手1が第3の部材13を含まなくてもよいし、第1の部材11が軸部111のみからなる棒状部材であってもよい。
The
第1の部材11が頭部112を有する場合、接合継手1は、第1の部材11の頭部112と第2の部材12との間に設けられた第3の部材13をさらに備えてもよい。例えば図4に示されるように、第1の部材11を、リベットのような軸部111と頭部112とを有する形状とし、第3の部材13に軸部111を貫通させ、第3の部材13を頭部112及び第2の部材12の接合面121によって挟持してもよい。この場合、第2の部材12及び第3の部材13が、第1の部材11を用いて緊密に接合されるので好ましい。また、このような構成を有する接合継手1では、第1の部材11及び第3の部材13が、溶接を適用できないような異種材料とすることができるので好ましい。第3の部材13は、例えば鋼板、軽金属板、及び樹脂板等である。軽金属板とは、例えばアルミ板などである。第1の部材11を高強度鋼材とすれば、第3の部材13が高強度鋼板であったとしても、第1の部材11を第3の部材13に貫通させることができる。接合継手1が、さらに別の部材を有することも妨げられない。
When the
第3の部材13は、軸部111が挿通される孔を予め有していてもよい。孔は、軸部111を挿通させる前に予め第3の部材13に設けられていてもよく、高速回転する軸部111を第3の部材13に押し付けることにより形成されてもよい。第3の部材13の孔の形状は特に限定されない。頭部112を用いて第3の部材13を固定するためには、貫通孔の直径を頭部112の直径より小さくすることがよい。
The
第1の部材11、第2の部材12、及び第3の部材13の1つ以上が表面処理層を有してもよい。表面処理層とは、例えばめっき層、塗膜、及び化成処理皮膜などである。第1の部材11、及び第2の部材12における表面処理層は、摩擦圧接接合の際に除去されるので、接合部14の形成の妨げとはならない。また、第3の部材13は第1の部材11を介して第2の部材12と機械的に接合されるものであるが、第2の部材12と第3の部材13とが、第1の部材11以外の手段(例えば溶接)によってさらに接合されていてもよい。即ち、第3の部材13を有する本実施形態に係る接合継手1は、第2の部材12及び第3の部材13を接合する追加の接合部(例えば溶接部など)をさらに備えてもよい。
One or more of the
次に、本発明の別の態様に係る自動車部品について以下に説明する。本実施形態に係る自動車部品は、本実施形態に係る接合継手1を有する。これにより、本実施形態に係る自動車部品は、高い接合強度を有する。 Next, an automobile part according to another aspect of the present invention will be described below. The automobile part according to this embodiment has the joint 1 according to this embodiment. As a result, the automobile part according to this embodiment has high joint strength.
次に、本発明の別の態様に係る接合継手の製造方法の一例について以下に説明する。上述された本実施形態に係る接合継手の製造方法は特に限定されないが、以下に説明する手段によれば、これを好適に製造することが可能となる。 Next, an example of a method for manufacturing a joint according to another aspect of the present invention will be described below. The method for manufacturing the joint according to the present embodiment described above is not particularly limited, but the method described below makes it possible to manufacture the joint in an appropriate manner.
本実施形態に係る接合継手の製造方法は、
(S1)軸部111を有する鋼製の第1の部材11の第1の端部を、軸部111の断面よりも大きい接合面121を有する鋼製の第2の部材12に、回転させながら押し付けることにより、軸部111の第1の端部と接合面121とを摩擦圧接してなる接合部14を形成する工程と、
(S2)電極Eを用いて、第1の部材11及び第2の部材12を、第1の部材11の軸部111の軸線Y方向に挟持し、電流値をIとして通電することにより、接合部14を焼き戻す工程と、
を備える。ここで、電流値Iを、下記式2を満たす範囲内とする。
式3、式4、及び式5において、記号「D1」は、軸部の断面の外接円の、単位mmでの直径である。記号「D2」は、軸部の中空部の断面の外接円の、単位mmでの直径である。ここで、軸部が中実である場合はD2=0とされる。記号「t」は、単位秒での通電時間である。記号「F」は、単位kNでの加圧力である。記号「A」は、式6によって定義される値である。
式6において、記号「C」「Si」「Mn」及び「Cr」は、それぞれ、第2の部材の単位質量%でのC含有量、Si含有量、Mn含有量、及びCr含有量である。
The manufacturing method of the joint according to the present embodiment is as follows:
(S1) a step of pressing a first end of a
(S2) a process of using an electrode E to clamp the
Here, the current value I is set to be within a range that satisfies the following formula 2.
In Equation 3, Equation 4, and Equation 5, the symbol "D 1 " is the diameter, in mm, of the circumscribing circle of the cross section of the shaft portion. The symbol "D 2 " is the diameter, in mm, of the circumscribing circle of the cross section of the hollow portion of the shaft portion. Here, when the shaft portion is solid, D 2 =0. The symbol "t" is the current application time, in seconds. The symbol "F" is the applied pressure, in kN. The symbol "A" is a value defined by Equation 6.
In formula 6, the symbols "C", "Si", "Mn" and "Cr" respectively represent the C content, Si content, Mn content and Cr content in unit mass % of the second component.
(S1)
本実施形態に係る接合継手の製造方法では、まず、軸部111を有する鋼製の第1の部材11の第1の端部を、軸部111の断面よりも大きい接合面121を有する鋼製の第2の部材12に、回転させながら押し付けることにより、軸部111の第1の端部と接合面121とを摩擦圧接してなる接合部14を形成する。摩擦圧接接合の条件は特に限定されず、第1の部材11及び第2の部材12の形状等に応じて適宜選択すればよい。例えば、直径30mm未満の軸部111の回転を利用して摩擦圧接接合を行う場合、軸部111の回転数を1000~8000rpmとし、軸部111を第2の部材12に押し付ける際の加圧力を5kN以上とすればよい。
(S1)
In the manufacturing method of the joint according to the present embodiment, first, a first end of a
軸部111の回転を利用して摩擦圧接接合を行う場合、摩擦圧接接合の前の軸部111の先端の形状は、例えば円錐形状、角錐形状、又は部分球形状とすることが好ましい。軸部111の先端の頂点は、軸部111の軸線Y上にあることが好ましい。また、円錐や角錐の高さや部分球の高さが大きすぎる場合、接合により押しつぶしきれない可能性があるため、高さは2.0mm以下が好ましい。
When friction welding is performed using the rotation of the
(S2)
本実施形態に係る接合継手の製造方法では、次に図5に示されるように、電極Eを用いて、第1の部材11及び第2の部材12を、第1の部材11の軸部111の軸線Y方向に挟持し、電流値をIとして通電することにより、接合部14を焼き戻す。この通電焼戻しにより、接合部14の焼入れ硬化を減少させる。電極Eの種類は特に限定されないが、例えば銅電極が好ましい。通電焼戻しを行うための装置は特に限定されないが、例えば抵抗スポット溶接機を通電焼戻し用の装置として用いてもよい。
(S2)
In the manufacturing method of the joint joint according to the present embodiment, as shown in Fig. 5, the
通電焼戻しにおいては、電流値Iを、式3及び式6によって算出されるImin以上とする必要がある。なお、電流値Iは一定であってもよく、通電焼戻しの間に変化させてもよい。電流値Iが一定ではない場合、通電焼戻しの間の電流値の平均値を、電流値Iとみなす。式3及び式6中の記号の意味は上述の通りである。 In electric tempering, the current value I must be equal to or greater than Imin, which is calculated using formulas 3 and 6. The current value I may be constant or may be changed during electric tempering. If the current value I is not constant, the average current value during electric tempering is regarded as the current value I. The symbols in formulas 3 and 6 have the same meanings as described above.
なお、式3等に含まれる「D1
2-D2
2」は、軸部111の断面積の指標である。上述の通り、軸部111は中空構造(例えば円筒状構造等)でも、中実構造であっても良い。軸部111が中空構造を有する場合を考慮して、式3は、軸部111の中空部の大きさが変数として含まれている。軸部111が中実構造を有するときは、中空部の外接円の直径D2に0を代入し、軸部111の外接円D1のみに基づいてIminを算出する。
It should be noted that "D 1 2 -D 2 2 " included in Equation 3 etc. is an index of the cross-sectional area of
また、上述の通り、第1の部材11の軸部111がテーパ形状を有していてもよい。この場合、D1及びD2は、第2の部材12の接合面121に一致すると推定される面において測定される値とすればよい。このような面は、第1の部材11の押し込み量Pを考慮して特定することができる。従って、第1の部材11の軸部111を、軸部111の先端から軸線Yに沿ってPだけ離れており、且つ軸線Yに垂直な面で切断して得られる切断面における、軸部111の外接円をD1とし、中空部の外接円をD2とすればよい。
As described above, the
図6に、テーパ形状を有する軸部111のD1の測定方法を図示する。説明の便宜のために、図6に記載される軸部111のテーパ角度は、実際よりも大きくされている。図6に記載された横方向の一点鎖線は、軸部111の先端から軸線Yに沿ってPだけ離れており、且つ軸線Yに垂直な面を示している。図6に示される軸部111を、押し込み量をPとして第2の部材12に接合すると、第2の部材12の接合面121は、軸部111の先端から軸線Yに沿ってPだけ離れており、且つ軸線Yに垂直な面と一致する。図6に中空部は図示されていないが、軸部111が中空部を有する場合も、D1と同様にD2を測定すればよい。摩擦圧接接合の際には、通常の方法で押し込み量Pを所定の値に制御し、さらに、押し込み量Pに基づいて測定されたD1及びD2に基づいて電流値の下限値Iminを決定すればよい。後述されるImax1及びImax2も、Iminと同様に決定すればよい。
FIG. 6 illustrates a method for measuring D1 of the
また、式6によって算出される「A」は、第2の部材12の電気抵抗に関する指標である。Aが大きい鋼材ほど焼入れによる硬さの上昇が著しい。
In addition, "A" calculated by formula 6 is an index related to the electrical resistance of the
Iminは、接合部14の熱処理条件に関連する値である。軸部111の断面積の指標「D1
2-D2
2」が大きいほど、Iminは大きくなる。これは、軸部111によって形成される接合部14の断面積が広いほど、電流密度を確保するための電流値が増大するからである。一方、入熱量は電流値と通電時間との積に比例するので、通電時間tが大きいほど、Iminは小さくなる。また、電気抵抗の指標Aが大きいほど、Iminは小さくなる。
Imin is a value related to the heat treatment conditions of joint 14. The larger the index "D 1 2 -D 2 2 " of the cross-sectional area of
また、通電焼戻しにおいては、電流値Iを、上述の式4及び上述の式6によって算出されるImax1以下、且つ式5によって算出されるImax2以下とする必要がある。換言すると、Imax1及びImax2のうち小さい方の値が、電流値Iの上限となる。式中の記号の意味は上述の通りである。
Imax1は、接合部14の熱処理条件に関連する値である。通電焼戻しの際の電流値がImax1を超える場合、接合部14が過度に焼き戻されて接合部の強度が低下したり、接合部14が焼入れられたりするおそれがある。
Imax2は、第1の部材11の座屈防止に関連する値である。通電焼戻しの際の電流値がImax2を超える場合、第1の部材11が座屈し、接合継手が製造できなくなる恐れがある。なお、軸部111の断面積の指標「D1
2-D2
2」が大きいほどImax2が大きくなり、通電時間tが大きいほどImax2が小さくなる理由は、Iminのそれと同じである。加圧力F(kN)が大きいほどImax2が小さくなる理由は、加圧力Fが大きいほど座屈が生じやすいので、通電による第1の部材11の軟化を抑制しなければならないからである。また、接合部の寸法精度として座屈を許容できる場合は、Imax2を超える電流値であっても適用可能な範囲が存在する場合がある。
通電時間t(s)は、安定して焼戻しを行うために0.4s以上とすることが好ましい。また、通電時間t(s)が長すぎると接合部以外の母材部まで焼戻してしまう可能性があることから、2.0s以下が好ましい。
In the electric tempering, the current value I needs to be equal to or less than Imax1 calculated by the above-mentioned formula 4 and formula 6, and equal to or less than Imax2 calculated by formula 5. In other words, the smaller of Imax1 and Imax2 is the upper limit of the current value I. The symbols in the formulas have the same meanings as described above.
Imax1 is a value related to the heat treatment conditions of the joint 14. If the current value during electric tempering exceeds Imax1, the joint 14 may be excessively tempered, reducing the strength of the joint, or the joint 14 may be quenched.
Imax2 is a value related to the prevention of buckling of the
The current application time t (s) is preferably 0.4 s or more in order to perform stable tempering, and is preferably 2.0 s or less because if the current application time t (s) is too long, the base material portion other than the joint portion may be tempered.
接合継手の製造方法がさらに、摩擦圧接面の形成の前に、第2の部材12に第3の部材13を重ねる工程と、第3の部材13に第1の部材11の軸部111を貫通させる工程と、を備えてもよい。第1の部材11は、軸部111よりも断面径が大きい頭部112を有するものとすればよい。これにより、第1の部材11の頭部112及び第2の部材12の接合面121によって第3の部材13が挟持される構成を有する接合継手1を製造可能である。
The method for manufacturing a bonded joint may further include a step of overlapping the
第3の部材13に軸部111を貫通させる手段は特に限定されない。例えば、第3の部材13の硬さが軸部111よりも大幅に軟質である場合、軸部111を高速回転させながら第3の部材13に押し付けることにより、第3の部材13を容易に貫通することができる。例えば、第1の部材11が高強度鋼材であり、第3の部材13が軽金属や板厚の薄い軟鋼である場合に、上述の貫通手段を利用可能である。上述の貫通手段は、貫通及び摩擦圧接接合を連続的に実施することができるので、接合作業効率上好ましい。
The means for penetrating the
一方、第3の部材13に予め貫通孔を設け、軸部111を貫通孔に挿通させてもよい。貫通孔の直径は、軸部111の直径より大きいことが好ましい。ただし、材質及び軸部111の回転数などを適切に選定すれば、たとえ貫通孔の直径が軸部111の直径より小さくとも、軸部111を第3の部材13に貫通させることは可能である。一方、頭部112を用いて第3の部材13を固定するためには、貫通孔の直径を頭部112の直径より小さくすることが求められる。
On the other hand, a through hole may be provided in advance in the
なお、上述の接合継手の製造方法は、上述された本実施形態に係る接合継手1の製造方法の一例にすぎない。上述の製造方法では通電条件の最適化により接合部14の軟質化を達成しているが、その他の方法を用いることも妨げられない。 The above-mentioned manufacturing method for the joint is merely one example of a manufacturing method for the joint 1 according to the present embodiment. In the above-mentioned manufacturing method, the softening of the joint 14 is achieved by optimizing the current flow conditions, but other methods may also be used.
実施例により本発明の一態様の効果を更に具体的に説明する。ただし、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例に過ぎない。本発明は、この一条件例に限定されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。 The effect of one aspect of the present invention will be explained in more detail using an example. However, the conditions in the example are merely one example of conditions adopted to confirm the feasibility and effect of the present invention. The present invention is not limited to this one example of conditions. Various conditions may be adopted in the present invention as long as they do not deviate from the gist of the present invention and the object of the present invention is achieved.
軸部を有する鋼製の第1の部材の第1の端部を、軸部の断面よりも大きい接合面を有する鋼製の第2の部材に、回転させながら押し付けることにより、軸部の第1の端部と接合面とを摩擦圧接してなる接合部を形成する工程と、電極を用いて、第1の部材及び第2の部材を、第1の部材の軸部の軸線方向に挟持し、電流値をIとして通電することにより、接合部を焼き戻す工程とを含む製造方法によって、種々の接合継手を作製した。 Various types of joints were produced by a manufacturing method including a process of pressing a first end of a first steel member having a shaft against a second steel member having a joint surface larger than the cross section of the shaft while rotating the first end of the shaft to frictionally weld the first end of the shaft to the joint surface, and a process of using electrodes to hold the first member and the second member in the axial direction of the shaft of the first member and pass a current of I through the electrodes to temper the joint.
試験条件は以下の通りとした。なお、第1の部材の種類はすべての接合継手において同一とした。表において、発明範囲外の値には下線を付した。
●第1の部材の種類:炭素量0.22質量%且つ引張強さ1000MPa級の鋼材
●第1の部材の形状:先端が高さ0.8mmの円錐形状である丸棒(直径は表2に記載の通り)
●第2の部材の種類:表1に記載の成分を有する高強度鋼材a~cのいずれか
●第2の部材の形状:接合面の面積が2500cm2以上である鋼板
他の条件は、表1又は表2に記載の通りとした。なお、一部の接合継手には通電焼戻しを実施せず、これらの通電条件は表2中で「-」と表記した。表1に記載の成分の残部は鉄及び不純物であった。
The test conditions were as follows. The type of the first member was the same for all the welded joints. In the table, values outside the range of the invention are underlined.
Type of first member: Steel material with a carbon content of 0.22% by mass and a tensile strength of 1000 MPa class Shape of first member: Round bar with a conical tip having a height of 0.8 mm (diameter as shown in Table 2)
● Type of second member: Any of high-strength steel materials a to c having the components listed in Table 1 ● Shape of second member: Steel plate with a joining surface area of 2500 cm2 or more Other conditions were as listed in Table 1 or Table 2. Note that no current tempering was performed on some of the joined joints, and these current conditions are indicated as "-" in Table 2. The balance of the components listed in Table 1 was iron and impurities.
これにより得られた種々の接合継手を評価した。具体的には、これら接合継手において接合部の両端の最高硬さの平均値Have、及び接合部の強度を測定し、さらに座屈の有無を確認した。
接合部の両端の最高硬さの平均値Haveは、上述された方法で測定した。接合部の強度は、第2の部材の端を固定し、接合面の垂直方向に第1の部材を引張り、破断するまでに測定された最大荷重とした。
座屈の有無の判断に関して、目視で明らかに曲がっているものや、表の記載と同様の条件にて接合部を作製し、断面観察した際に見られる第1の部材の軸部の直径が元の直径よりも増加していたものを座屈有と判断した。ただし、座屈が生じないほうが好ましいものの、座屈によって接合部の強度が損なわれることが無いのであれば、座屈は許容される。
これらの評価結果を表3に示す。発明範囲外の値には下線を付した。また、参考のために、第2の部材の炭素量Cを「761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3」に代入して得られる値を、有効上限硬さとして表3に記載した。
The various bonded joints thus obtained were evaluated. Specifically, the average maximum hardness Have of both ends of the bonded joint and the strength of the bonded joint were measured, and the presence or absence of buckling was also confirmed.
The average value Have of the maximum hardness at both ends of the joint was measured by the method described above. The strength of the joint was defined as the maximum load measured when the end of the second member was fixed and the first member was pulled in the direction perpendicular to the joint surface until the first member broke.
Regarding the judgment of the presence or absence of buckling, those that were clearly bent by visual inspection, and those that, when a joint was made under the same conditions as those described in the table and a cross-section was observed and the diameter of the shaft of the first member was found to have increased from the original diameter, were judged to have buckling. However, although it is preferable that buckling does not occur, buckling is permissible as long as it does not impair the strength of the joint.
These evaluation results are shown in Table 3. Values outside the range of the invention are underlined. For reference, the value obtained by substituting the carbon content C of the second member into "761.6×C 3 - 1897.2×C 2 + 1848.8×C + 168.3" is listed in Table 3 as the effective upper limit hardness.
番号1の接合継手には、通電焼戻しが行われなかった。そのため、番号1の接合継手においては、Haveが式1を満たさず、十分な接合強度が得られなかった。
番号2~5の接合継手は、電流値及び通電時間以外は、番号1と同じ製造条件が適用されたものである。これらのうち、通電時間に対して電流値が大きすぎる条件で製造された番号3及び6の接合継手においては、丸棒の座屈及び再焼き入れが生じた。通電時間に対して電流値が小さすぎる条件で製造された番号4の接合継手においては、Haveが過剰となり、接合強度を高めることができなかった。一方、通電時間に対する電流値が適正範囲内である条件で製造された番号2及び5の接合継手は、Haveが式1を満たし、番号1の接合継手と比較して接合強度が飛躍的に高められていた。
No electric tempering was performed on the welded joint of No. 1. Therefore, in the welded joint of No. 1, Have did not satisfy
The bonded joints Nos. 2 to 5 were manufactured under the same manufacturing conditions as No. 1, except for the current value and current flow time. Among these, the bonded joints Nos. 3 and 6, which were manufactured under conditions where the current value was too large compared to the current flow time, suffered from buckling and re-quenching of the round bar. The bonded joint No. 4, which was manufactured under conditions where the current value was too small compared to the current flow time, had excessive Have and could not increase the joint strength. On the other hand, the bonded joints Nos. 2 and 5, which were manufactured under conditions where the current value was within the appropriate range relative to the current flow time, satisfied the
番号7~12の接合継手の製造においては、丸棒の直径(第1の部材の軸部の直径に相当)及び電流値が異なっていたが、その他の条件は同一であった。丸棒の直径に対して電流値が大きすぎる条件で製造された番号7の接合継手においては、座屈及び再焼き入れが生じた。丸棒の直径に対して電流値が大きすぎる条件で製造された番号9及び11の接合継手においては、再焼き入れが生じた。これら接合継手は、高い接合強度を有しなかった。一方、丸棒の直径及び電流値の関係が適正範囲内である条件で製造された番号8、10、及び12の接合継手は、Haveが式1を満たし、高い接合強度を有した。
In the manufacture of joints Nos. 7 to 12, the diameter of the round bar (corresponding to the diameter of the shaft of the first member) and the current value were different, but the other conditions were the same. In joint No. 7, which was manufactured under conditions where the current value was too large compared to the diameter of the round bar, buckling and re-quenching occurred. In joints Nos. 9 and 11, which were manufactured under conditions where the current value was too large compared to the diameter of the round bar, re-quenching occurred. These joints did not have high joint strength. On the other hand, joints Nos. 8, 10, and 12, which were manufactured under conditions where the relationship between the diameter of the round bar and the current value was within the appropriate range, had high joint strength, with Have
番号13及び14の接合継手の製造においては、加圧力が異なっていたが、その他の条件は同一であった。加圧力に対して電流値が大きすぎる条件で製造された番号14の接合継手においては、丸棒の座屈が生じた。一方、加圧力及び電流値の関係が適正範囲内である条件で製造された番号13の接合継手は、Haveが式1を満たし、高い接合強度を有した。ただし、番号14の接合継手には座屈が生じたが、その接合部強度は合否基準を満たしていた。そのため、番号14の接合継手も発明例として取り扱った。
The applied pressure was different in the manufacture of joints No. 13 and 14, but the other conditions were the same. In joint No. 14, which was manufactured under conditions where the current value was too high compared to the applied pressure, buckling occurred in the round bar. On the other hand, in joint No. 13, which was manufactured under conditions where the relationship between the applied pressure and the current value was within the appropriate range, Have
番号15及び17の接合継手には、通電焼戻しが行われなかった。そのため、番号15及び17の接合継手においては、Haveが式1を満たさず、十分な接合強度が得られなかった。
番号16及び18の接合継手は、第2の部材の成分が、番号15及び17の接合継手とそれぞれ同一であった。番号16及び18の接合継手は、適切な条件による通電焼戻しが行われたので、Haveが式1を満たし、番号15及び17の接合継手それぞれと比較して接合強度が飛躍的に高められていた。
No electric tempering was performed on the welded joints of Nos. 15 and 17. Therefore, in the welded joints of Nos. 15 and 17, Have did not satisfy
The bonded joints of Nos. 16 and 18 had the same composition of the second member as the bonded joints of Nos. 15 and 17, respectively. The bonded joints of Nos. 16 and 18 were subjected to electric tempering under appropriate conditions, so that Have satisfied
1 接合継手
11 第1の部材
111 軸部
112 頭部
12 第2の部材
121 接合面
13 第3の部材
14 接合部
15 摩擦圧接界面
X 接合面から深さ0.1mmの位置
Y 軸線
E 電極
Reference Signs List 1: Welded joint 11: First member 111: Shank 112: Head 12: Second member 121: Welding surface 13: Third member 14: Welded portion 15: Friction welded interface X: Position Y at a depth of 0.1 mm from the welded surface: Axis E: Electrode
Claims (13)
前記軸部の断面よりも大きい接合面を有する鋼製の第2の部材と、
前記第1の部材の第1の端部と、前記接合面とを摩擦圧接してなる接合部と、
を備える接合継手であって、
前記軸部の軸線を通る、前記接合継手の断面において、前記接合面から深さ0.1mmの位置を、前記接合部及びその周辺にわたって連続的に硬さ測定することによって得られる、前記接合部の両端の最高硬さの平均値Haveが、式1を満たす
接合継手。
Have≦761.6×C3-1897.2×C2+1848.8×C+168.3……(式1)
ここで、前記式1における記号「C」は、前記第2の部材の単位質量%での炭素量である。 a first member made of steel and having a shaft portion;
a second member made of steel having a joining surface larger than a cross section of the shaft portion;
a joint formed by frictionally welding a first end portion of the first member and the joint surface;
A joint joint comprising:
A bonded joint, in which an average value Have of maximum hardness at both ends of the bonded joint, obtained by continuously measuring hardness over the bonded joint and its periphery at a position 0.1 mm deep from the bonded surface in a cross section of the bonded joint passing through the axis of the shaft portion, satisfies Formula 1.
Have≦761.6×C 3 −1897.2×C 2 +1848.8×C+168.3……(Formula 1)
Here, the symbol "C" in the formula 1 is the carbon content in unit mass % of the second member.
ことを特徴とする請求項1に記載の接合継手。 The welded joint according to claim 1, characterized in that the second member has tempered martensite in a region within a depth of 0.1 mm from a friction welded interface, which is an interface between the first member and the second member.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の接合継手。 3. The welded joint according to claim 1, wherein the carbon content of the second member is 0.20 mass % or more.
前記軸線を通る、前記接合継手の前記断面において測定される、前記第2の部材の前記接合面に対する前記摩擦圧接界面の最大深さが0.3mm以上である
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の接合継手。 a friction welded interface between the first member and the second member penetrates into the second member,
The welded joint according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a maximum depth of the friction welded interface with respect to the welded surface of the second member, measured in the cross section of the welded joint passing through the axis, is 0.3 mm or more.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の接合継手。 The joint according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the second member is a steel plate having a thickness of 0.8 to 3.0 mm.
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の接合継手。 6. The joint according to claim 1, wherein the area of the joining surface is 3.0 times or more the cross-sectional area of the shaft portion.
当該断面の外接円の直径が2.0~10.0mmである
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の接合継手。 A cross section of the shaft portion perpendicular to the axis line has a rotationally symmetric shape,
7. The joint according to claim 1, wherein the diameter of the circumscribing circle of the cross section is 2.0 to 10.0 mm.
ことを特徴とする請求項7に記載の接合継手。 8. The joint according to claim 7, wherein a cross section of the shaft portion perpendicular to the axis is a circle or a regular polygon.
前記接合継手は、前記頭部と前記第2の部材との間に設けられた第3の部材をさらに備え、
前記第1の部材の前記軸部は、前記第3の部材を貫通し、
前記第3の部材は、前記第1の部材の前記頭部と、前記第2の部材の接合面とによって挟持されている
ことを特徴とする請求項1~8のいずれか一項に記載の接合継手。 the first member having a head disposed at a second end thereof;
The joint further includes a third member provided between the head and the second member,
The shaft portion of the first member passes through the third member,
The joint joint according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the third member is clamped between the head of the first member and the joint surface of the second member.
ことを特徴とする請求項9に記載の接合継手。 The bonded joint of claim 9, wherein the third member is a steel plate.
電極を用いて、前記第1の部材及び前記第2の部材を、前記第1の部材の前記軸部の軸線方向に挟持し、電流値をIとして通電することにより、前記接合部を焼き戻す工程と、
を備え、
前記電流値Iを、下記式2を満たす範囲内とする
接合継手の製造方法。
式3、式4、及び式5において、記号「D1」は、前記軸部の前記断面の外接円の、単位mmでの直径であり、記号「D2」は、前記軸部の中空部の前記断面の外接円の、単位mmでの直径であり、前記軸部が中実である場合はD2=0とされ、記号「t」は、単位秒での通電時間であり、記号「F」は、単位kNでの加圧力であり、
式6において、記号「C」「Si」「Mn」及び「Cr」は、それぞれ、前記第2の部材の単位質量%でのC含有量、Si含有量、Mn含有量、及びCr含有量である。 a step of pressing a first end of a first steel member having a shaft portion against a second steel member having a joint surface larger than a cross section of the shaft portion while rotating the first steel member, thereby forming a joint by frictionally welding the first end of the shaft portion and the joint surface;
a step of using electrodes to clamp the first member and the second member in an axial direction of the shaft portion of the first member, and passing a current of a value I through the electrodes to temper the joint;
Equipped with
A method for manufacturing a joint, in which the current value I is within a range that satisfies the following formula 2.
In Equation 3, Equation 4, and Equation 5, the symbol "D 1 " is the diameter, in mm, of the circumscribing circle of the cross section of the shaft portion, the symbol "D 2 " is the diameter, in mm, of the circumscribing circle of the cross section of the hollow portion of the shaft portion, and when the shaft portion is solid, D 2 = 0, the symbol "t" is the current application time, in seconds, and the symbol "F" is the applied pressure, in kN.
In formula 6, the symbols "C", "Si", "Mn" and "Cr" respectively represent the C content, Si content, Mn content and Cr content in unit mass % of the second member.
前記第2の部材に第3の部材を重ねる工程と、
前記第3の部材に前記第1の部材の前記軸部を貫通させる工程と、
を備え、
前記第1の部材が、その第2の端部に頭部を有する
ことを特徴とする請求項12に記載の接合継手の製造方法。 The method for manufacturing the bonded joint further comprises, before forming the bonded portion,
overlaying a third member on the second member;
a step of passing the shaft portion of the first member through the third member;
Equipped with
The method of claim 12, wherein the first member has a head at a second end thereof.
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