KR20190018563A - 용접 구조체 및 용접 구조체의 제조 방법 - Google Patents

용접 구조체 및 용접 구조체의 제조 방법 Download PDF

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요시아키 나카자와
도오루 오카다
야스히로 이토
마사노리 야스야마
야스노리 사와
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신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
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Abstract

본 발명의 목적은, 용접부의 파단을 적게 할 수 있는 용접 구조체를 제공한다. 본 발명에 의하면, 2매 또는 3매의 강판(11, 12)이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 강판이 접합된 용접 구조체가 제공된다. 이 용접 구조체에서는, 너깃(14)의 직경을 dng(㎜), 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 적층부에서의 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 할 때, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서, 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우에 dng>d(tave)1/2를 만족하고, 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우에 dng>1.05d를 만족한다.

Description

용접 구조체 및 용접 구조체의 제조 방법{WELDED STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING WELDED STRUCTURE}
본 발명은, 복수의 강판을 구비하고, 복수의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 저항 스폿 용접(이하, 단순히 「스폿 용접」이라고도 함)에 의해 접합된 용접 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 하중이 가해짐으로써 변형되는 것이 예정된 변형 예정 영역을 포함하는 용접 구조체 및 그 제조 방법에 관계한다.
도 1은, 자동차의 구조를, 골격 부재에 대하여 나타내는 사시도이다.
자동차의 측부에는, 프론트 사이드 멤버(2), 리어 사이드 멤버(3), 및 사이드 실(7)이 배치되어 있다. 이들 부재는, 모두, 자동차의 전후 방향(이하, 단순히, 「전후 방향」이라고 함)을 따라서 설치되어 있다. 프론트 사이드 멤버(2)는, 전방부에 배치되고, 리어 사이드 멤버(3)는, 후부에 배치되고, 사이드 실(7)은, 전후 방향 중간부에 배치되어 있다.
전후 방향 중간부에 있어서, 바닥(플로어)을 따라서, 자동차의 폭 방향으로 연장되는 플로어 크로스 멤버(4, 4')가 설치되어 있다. 전후 방향 중간부에 있어서, 측부에는, 상하 방향으로 연장되는 센터 필러(6)가 설치되어 있다. 자동차의 전단부에는, 자동차의 폭 방향으로 연장되는 범퍼 레인포스먼트(5)가 설치되어 있다.
이상의 부재는, 자동차의 골격을 이루는 골격 부재이다.
골격 부재 및 크래쉬 박스(1a, 1b)는, 복수의 강판을 구비한 용접 구조체이다. 용접 구조체는, 복수의 강판이 적층된 적층부를 갖고, 적층부에서, 그들 강판이 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해 접합되어 있다. 자동차의 충돌 시에 스폿 용접부(이하, 단순히, 「용접부」라고도 함)가 파단(전단 파단)하면, 골격 부재는, 원하는 변형을 발생할 수 없어, 따라서, 충돌의 에너지를 충분히 흡수할 수 없게 된다. 이로 인해, 전단 파단을 억제할 수 있는 용접 구조체가 요구되고 있다.
특허문헌 1에는, 인장 강도 440MPa의 고장력 강판에 있어서, 용접에 의한 열 영향부의 폭을 좁게 함으로써, 모재(母材) 강판에서 파단시키는 방법에 대하여 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 너깃의 외측을 넓게 연화시키고, 또한 너깃 내를 등축형상의 마르텐사이트 조직으로 함으로써, 인장 전단력, 및 십자 인장 특성의 양쪽이 우수한 고장력 강판의 저항 스폿 용접 조인트를 얻는 방법에 대하여 기재되어 있다. 특허문헌 3 및 4에는, 다단계로 통전 조건을 제어하여, 너깃 직경 d를, 3×tm 1/2≤d≤6×tm 1/2[tm은, 가장 얇은 판의 판 두께(㎜)]로 하는 것에 대하여, 기재되어 있다. 특허문헌 3의 방법에 의하면, 초기 플래시 및 중간 플래시의 발생을 억제할 수 있도록 되어 있으며, 특허문헌 4의 방법에 의하면, 높은 조인트 강도를 달성할 수 있도록 되어 있다.
일본 특허공개 제2001-9573호 공보 일본 특허공개 제2013-78782호 공보 일본 특허 제5359571호 공보 일본 특허 제5333560호 공보
그러나, 특허문헌 1 내지 4의 방법은, 너깃 직경을, 일정한 크기보다 크게 할 수 없음을 전제로 하기 때문에, 용접부에서의 파단을 억제하기 위해서는, 한계가 있었다. 특히, 강판의 인장 강도가 높아질수록 전기 저항이 높아지기 때문에, 용접 시의 발열에 의해 플래시가 발생하여, 너깃 직경이 작아지게 되어, 안정된 용접 강도를 확보할 수 없다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 용접부의 파단을, 보다 적게 하는 것이 가능한, 신규이고 또한 개량된 용접 구조체 및 용접 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 형태인 용접 구조체는,
2매 또는 3매의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 상기 강판이 접합된 용접 구조체이며,
너깃의 직경을 dng(㎜), 상기 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 상기 적층부에서의 상기 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 할 때, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서 하기 (a) 또는 (b)의 조건을 만족하는, 용접 구조체.
(식 1)
(a) 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우: dng>d(tave)1/2
(식 2)
(b) 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우: dng>1.05d
이 용접 구조체는, 하중이 가해짐으로써 소성 변형하는 것이 예정된 변형 예정 영역을 포함하고, 적어도 상기 변형 예정 영역 내에 상기 스폿 용접이 실시되어 있는 것이어도 된다.
또한, 상기 변형 예정 영역에서는, 플래시의 부착이 없는 것이어도 된다.
또한, 상기 강판의 인장 강도가 980MPa 이상이어도 된다.
또한, 상기 전극은, 상기 적층부에 있어서 상기 강판에 압박되는 전극체와, 상기 전극체의 주위에서 상기 강판에 압박되는 링 형상 부재를 갖는 복합 전극이어도 된다.
또한, 상기 복합 전극은, 상기 적층부에 있어서 상기 강판에 대향하여 가압되는 제1 및 제2 상기 링 형상 부재와, 상기 제1 및 제2 링 형상 부재에 각각 설치된 관통 구멍에 각각 삽입되고, 상기 적층부에 있어서 상기 강판에 대향하여 가압되는 제1 및 제2 상기 전극체를 갖고, 상기 강판을 개재해서 상기 제1 및 제2 전극체 사이에 전류가 흐르게 되는 것이어도 된다.
또한, 상기 조건 (a) 또는 (b)를 만족하는 상기 스폿 용접부가, 20%∼60%의 범위에 존재하는 것이어도 된다.
상기 스폿 용접부에 대하여, 하기 식(3)으로 정의되는 C 당량 Ceq가, 0.13질량% 이상인 것이 바람직하다.
(식 3)
Ceq=[C]+1/90 [Si]+1/100([Mn]+[Cr])
단, [C]: 상기 스폿 용접부의 평균 C 함유량(질량%)
[Si]: 상기 스폿 용접부의 평균 Si 함유량(질량%)
[Mn]: 상기 스폿 용접부의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Cr]: 상기 스폿 용접부의 평균 Cr 함유량(질량%)
이 용접 구조체는, 예를 들어 자동차용 부재여도 되며, 이 경우, 상기 변형 예정 영역은, 예를 들어 축 압축 하중, 및 굽힘 하중 중 적어도 한쪽을 받는 것이 예정된 것으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태인 용접 구조체의 제조 방법은,
2매 또는 3매의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 상기 강판이 접합된 용접 구조체의 제조 방법이며,
상기 스폿 용접을 실시하는 공정이, 제1 공정 및 제2 공정을 포함하고,
상기 제1 공정에서는, 상기 적층부를 사이에 두고, 막대 형상의 제1 전극체와 막대 형상의 제2 전극체를 대향하여 배치시킴과 함께, 상기 제1 전극체가 삽입되는 관통 구멍을 갖고 후단부에 제1 탄성체가 연결된 제1 링 형상 부재와 상기 제2 전극체가 삽입되는 관통 구멍을 갖고 후단부에 제2 탄성체가 연결된 제2 링 형상 부재를 대향하여 배치하고,
상기 제2 공정에서는, 상기 제1 전극체 및 상기 제2 전극체의 각 선단면을 상기 적층부에 압박함과 함께, 상기 제1 탄성체로부터 상기 제1 링 형상 부재에 압박하여 압력을 가하면서, 상기 제2 탄성체로부터 상기 제2 링 형상 부재에 압박하여 압력을 가하면서, 상기 제1 링 형상 부재 및 상기 제2 링 형상 부재의 각 선단면을 상기 적층부에 압박하여, 상기 적층부를 가압하고, 상기 제1 전극체와 상기 제2 전극체의 사이에 전류를 인가하고,
상기 제1 공정 및 상기 제2 공정에 의해, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서 하기 (c) 또는 (d)의 조건을 만족하는, 용접 구조체의 제조 방법.
(식 4)
(c) 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우: dng>d(tave)1/2
(식 5)
(d) 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우: dng>1.05d
단, 너깃의 직경을 dng(㎜), 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 상기 적층부에서의 상기 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 한다.
본 발명의 용접 구조체 및 그 제조 방법은, 종래의 용접 구조체에 비하여, 용접부의 파단을 적게 할 수 있고, 따라서, 우수한 충돌 흡수 에너지 성능을 나타낸다. 특히, 본 발명을 고장력 강판으로 이루어지는 용접 구조체에 적용한 경우에는, 이와 같은 효과를 현저하게 발휘할 수 있고, 이로 인해, 강판을 두껍게 할 필요가 없다. 따라서, 이 경우에는, 강판을 박육화하여, 용접 구조체의 경량화를 촉진할 수 있다.
도 1은, 자동차의 구조를, 골격 부재에 대하여 나타내는 사시도이다.
도 2a는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 A를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 2b는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 B를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 2c는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 C를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 2d는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 D를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 3a는, 프론트 사이드 멤버의 측면도이며, 변형 예정 영역을 나타내는 도면이다.
도 3b는, 센터 필러의 측면도이며, 변형 예정 영역을 나타내는 도면이다.
도 3c는, 리어 사이드 멤버의 측면도이며, 변형 예정 영역을 나타내는 도면이다.
도 3d는, 사이드 실의 사시도이며, 변형 예정 영역을 나타내는 도면이다.
도 4a는, 용접 구조체에 있어서 스폿 용접부 근방의 부분 단면도이며, 압흔에 있어서 양단부 근방에 곡률이 변화하는 영역이 보이는 경우의 단면도이다.
도 4b는, 용접 구조체에 있어서 스폿 용접부 근방의 부분 단면도이며, 압흔에 있어서 단부 근방에 곡률이 변화하는 영역이 보이지 않고 또한 압흔의 오목해진 양을 특정 가능한 경우의 단면도이다.
도 4c는, 용접 구조체에 있어서 스폿 용접부 근방의 부분 절단면 사진이며, 압흔의 오목해진 양을 특정 가능하지 않은 경우의 절단면 사진이다.
도 5a는, 본 발명의 용접 구조체의 제조 방법에 사용할 수 있는 저항 스폿 용접 장치의 일례를 나타내는 모식도이며, 용접 전의 상태를 나타내는 도면이다.
도 5b는, 본 발명의 용접 구조체의 제조 방법에 사용할 수 있는 저항 스폿 용접 장치의 일례를 나타내는 모식도이며, 용접 중의 상태를 나타내는 도면이다.
도 6a는, 도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치를 사용한 스폿 용접에서 너깃이 형성되는 상황을 설명하기 위한 모식도이며, 링 형상 부재가 도전체가 아닌 경우를 나타내는 도면이다.
도 6b는, 도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치를 사용한 스폿 용접에서 너깃이 형성되는 상황을 설명하기 위한 모식도이며, 링 형상 부재가 도전체인 경우를 나타내는 도면이다.
도 7은, 너깃 직경과 십자 인장 하중과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은, 굽힘 변형에 의한 압궤 시험에 사용한 용접 구조체를 구성하는 햇형 채널 부재 및 클로징 플레이트의 형상 및 치수를 나타내는 정면도 및 우측면도이다.
도 9는, 너깃 직경과, 굽힘 변형에 의한 흡수 에너지와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 축 압궤 시험에 사용한 용접 구조체를 구성하는 햇형 채널 부재 및 클로징 플레이트의 형상 및 치수를 나타내는 정면도 및 우측면도이다.
도 11은, 너깃 직경과, 축 압궤 변형에 의한 흡수 에너지와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 실시 형태에 따른 방법에서 용접 구조체를 얻은 경우에, 너깃의 직경 dng(㎜)와 소재의 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 13a는, 제1 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 E를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 13b는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 F를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 14a는, 제1 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 G를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 14b는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 H를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 15는, 제1 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 I를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 16은, 제1 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 J를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
도 17은, 제1 실시 형태의 용접 구조체의 구성예 K를 모식적으로 나타내는 우측면도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
이하에, 본 발명의 용접 구조체 및 그 제조 방법에 대하여, 그 실시 형태를 상세히 설명한다.
<용접 구조체>
전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 용접 구조체는, 2매 또는 3매의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 상기 강판이 접합된 용접 구조체이며, 너깃의 직경을 dng(㎜), 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 상기 적층부에서의 상기 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 할 때, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서 하기 (a) 또는 (b)의 조건을 만족한다.
(식 1)
(a) 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우: dng>d(tave)1/2
(식 2)
(b) 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우: dng>1.05d
이와 같은 본 실시 형태의 용접 구조체는, 2매의 강판으로 이루어지고, 적층부에는, 2매의 강판을 적층할 수 있는 형태(이하, 「제1 실시 형태」라고도 함)를 채용할 수 있다. 2매의 강판을 제1 및 제2 강판으로 하는 경우, 예를 들어 후술하는 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 강판을 햇형 채널 부재로 하고, 제2 강판을 클로징 플레이트 부재로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 용접 구조체는, 3매의 강판으로 이루어지는 형태(이하, 「제2 실시 형태」라고도 함)를 채용할 수 있다. 이 경우, 적층부는, 3매의 강판 중 2매의 강판이 적층되어 있어도 되며, 3매의 강판의 모두가 적층되어 있어도 된다. 이와 같은 제2 실시 형태의 용접 구조체는, 예를 들어 통형상의 본체와, 그 본체의 중공 영역을 구획하는 중간 판으로 구성할 수 있다. 보다 구체적으로는 3매의 강판을 제1, 제2 및 제3 강판으로 하는 경우, 도 2a 내지 도 2d에 도시한 구성예를 채용할 수 있다.
도 2a 내지 d는, 제2 실시 형태의 용접 구조체의 구성예를 모식적으로 나타내는 우측면도이며, 도 2a는 구성예 A, 도 2b는 구성예 B, 도 2c는 구성예 C, 도 2d는 구성예 D를 각각 나타낸다. 도 2a에 도시한 용접 구조체(43)에서는, 본체가 제1 강판(53) 및 제2 강판(63)으로 구성된다. 또한, 중간판은, 제3 강판(73)으로 구성된다. 제1 강판(53)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(63)은 클로징 플레이트 부재이다. 이와 같은 구성예 A의 용접 구조체는, 적층부를 4개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 3매의 강판 중 2매의 강판이 적층된다.
도 2b 내지 도 2d에 도시한 용접 구조체(44∼46)에서는, 본체가 제1 강판(54∼56) 및 제2 강판(64∼66)으로 구성된다. 또한, 중간판은, 제3 강판(74∼76)으로 구성된다. 제1 강판(54∼56) 및 제2 강판(64∼66)은, 모두 소정 각도(상기 도면에서는 90°)의 굽힘부를 2개소 갖는다. 이와 같은 구성예 B 내지 D의 용접 구조체는, 적층부를 2개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 3매의 강판의 모두를 적층할 수 있다.
또한, 도 13a는 구성예 E, 도 13b는 구성예 F, 도 14a는 구성예 G, 도 14b는 구성예 H, 도 15는 구성예 I, 도 16은 구성예 J, 도 17은 구성예 K를 각각 나타낸다. 도 13a에 도시한 용접 구조체(80)에서는, 본체가 제1 강판(83) 및 제2 강판(93)으로 구성된다. 도 13b에 도시한 용접 구조체(82)에서는, 본체가 제1 강판(83) 및 제2 강판(93)으로 구성되고, 중간판은, 제3 강판(84)으로 구성된다. 제1 강판(83)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(93)은 클로징 플레이트 부재이다. 구성예 E의 용접 구조체는, 적층부를 2개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 2매의 강판이 적층된다. 구성예 F의 용접 구조체는, 적층부를 4개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 3매의 강판 중 2매의 강판이 적층된다.
도 14a에 도시한 용접 구조체(100)에서는, 본체가 제1 강판(103) 및 제2 강판(113)으로 구성된다. 도 14b에 도시한 용접 구조체(101)에서는, 본체가 제1 강판(103) 및 제2 강판(113)으로 구성되고, 중간판은, 제3 강판(114)으로 구성된다. 제1 강판(103)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(113)은 클로징 플레이트 부재이다. 구성예 G의 용접 구조체는, 적층부를 2개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 2매의 강판이 적층된다. 구성예 H의 용접 구조체는, 적층부를 4개소 갖고, 그 중 3개소의 적층부에서는 3매의 강판 중 2매의 강판이 적층되고, 나머지 1개소의 적층부에서는 3매의 강판이 적층된다.
도 15에 도시한 용접 구조체(120)에서는, 본체가 제1 강판(123) 및 제2 강판(133)으로 구성된다. 제1 강판(123)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(133)은 클로징 플레이트 부재이다. 구성예 I의 용접 구조체는, 적층부를 3개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 2매의 강판이 적층된다.
도 16에 도시한 용접 구조체(140)에서는, 본체가 제1 강판(143) 및 제2 강판(153)으로 구성된다. 제1 강판(143)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(153)은 클로징 플레이트 부재이다. 구성예 J의 용접 구조체는, 적층부를 2개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 2매의 강판이 적층된다.
도 17에 도시한 용접 구조체(150)에서는, 본체가 제1 강판(153) 및 제2 강판(163)으로 구성된다. 제1 강판(153)은 햇형 채널 부재이며, 제2 강판(163)은 클로징 플레이트 부재이다. 구성예 K의 용접 구조체는, 적층부를 2개소 갖고, 어느 쪽의 적층부도, 2매의 강판이 적층된다.
이와 같은 본 실시 형태의 용접 구조체는, 도 1을 참조하여, 예를 들어 크래쉬 박스(1a, 1b), 프론트 사이드 멤버(2), 리어 사이드 멤버(3), 플로어 크로스 멤버(4, 4'), 범퍼 레인포스먼트(5), 센터 필러(6), 및 사이드 실(7) 중 어느 하나에 적용할 수 있다.
자동차에 대해서는, 주로, 전방, 후방 및 측방으로부터의 충돌(도 1에 있어서, 굵은 화살표와 함께, 각각, "Fr. impact", "Rr. impact", 및 "Side impact"라고 기재함)이 발생할 수 있다. 이때, 자동차에 있어서, 충돌이 발생한 부위 근방의 부재가 변형된다. 상기한 부재는, 모두, 긴 방향으로 연장되는 형상을 갖는다. 부재 선단부 부근에서는, 충돌 시에 길이 방향(또는, 축 방향)을 따르는 방향으로 하중이 가해지면, 길이 방향으로 주름상자 형상으로 줄어드는(절첩되는) 축 압궤 변형(진행성 소성 좌굴 변형)이 발생한다. 또한, 부재가 굴곡부를 갖는 경우에는, 충돌 시에 길이 방향을 따르는 방향으로 하중이 가해지면, 이 굴곡부에서, 절곡을 수반하는 굽힘 변형이 발생한다. 부재 중앙부 부근에서는, 충돌 시에 길이 방향으로 수직 또는 비스듬히 교차한 방향으로 하중이 가해지면, 굽힘 변형이 발생한다. 또한, 부재에 대하여, 단면 방향으로 직접 하중이 작용하면, 굽힘 변형을 수반하면서, 단면 붕괴하면서 부재 전체에서의 굽힘 변형이 발생한다.
표 1에, 각 부재에 대하여, 하중이 가해짐으로써 소성 변형하는 것이 예정된 영역(이하, 「변형 예정 영역」이라고 함)의 예를 나타낸다. 도 3a 내지 도 3d는, 각각, 프론트 사이드 멤버(2), 센터 필러(6), 리어 사이드 멤버(3), 및 사이드 실(7)에 있어서의 변형 예정 영역을 나타내는 도면이다.
용접 구조체
(부재명)		 변형 예정
영역 비율(%)		 변형 예정 영역
프론트 사이드 멤버 약 30∼60 축 압궤 변형: 전단부와, 전단부로부터 약 250mm의 부분 사이의 영역
굽힘 변형: 길이 방향에 관하여, 중간부의 길이 약 300mm의 영역
센터 필러 약 20∼50 굽힘 변형: 상단부와, 상단부로부터 약 150mm의 부분 사이의 영역
단면 붕괴: 하단부와, 하단부로부터 약 300mm의 부분 사이의 영역
리어 사이드 멤버 약 35∼60 축 압궤 변형: 후단부와, 후단부로부터 약 300mm의 부분 사이의 영역
굽힘 변형: 길이 방향에 관하여, 중간부의 길이 약 300mm의 영역
사이드 실 약 30∼60 축 압궤 변형: 전단부와, 전단부로부터 약 100mm의 부분 사이의 영역
굽힘 변형: 길이 방향에 관하여, 중간부의 길이 약 300mm의 영역
※ 「전단부」, 「후단부」, 「상단부」, 및 「하단부」는, 자동차에 설치된 상태에서의 전후, 및 상하에 의함.용접 구조체인 이들 부재에서는, 각 부재의 길이 방향을 따라서, 스폿 용접에 의한 복수의 용접부가, 예를 들어 등피치로 형성되어 있다. 변형 예정 영역에 있는 용접부는, 상기 (a) 및 (b)의 조건 중 어느 하나를 만족한다.
표 1, 및 도 3a 내지 도 3d의 예에서는, 용접 구조체의 길이 방향에 관하여, 변형 예정 영역의 길이는, 용접 구조체의 전체 길이에 대하여, 약 20∼60％를 차지한다. 따라서, 스폿 용접부가, 용접 구조체의 길이 방향의 전체에 걸쳐 거의 등간격으로 존재하는 경우, 모든 스폿 용접부 중, 약 20∼60%의 스폿 용접부가, 변형 예정 영역에 존재한다. 이 경우, 나머지의 스폿 용접부는, 상기 (a) 및 (b)의 조건의 모두를 만족하지 않아도 된다.
크래쉬 박스(1a, 1b), 및 범퍼 레인포스먼트(5)(도 1 참조)에 대해서는, 변형 예정 영역은, 각 부재의 전체 영역이며, 각 부재의 모든 용접부가, 상기 (a) 및 (b)의 조건 중 어느 하나를 만족하고 있을 필요가 있다.
상기 (a) 및 (b)의 조건에 의해 규정되는 너깃 직경은, 종래의 스폿 용접에서, 플래시를 발생시키지 않고 형성 가능한 너깃 직경보다 크다.
플래시는, 스폿 용접을 할 때, 모재 강판의 용접 예정 영역 내에서 국부적으로 전류 밀도가 높은 부분이 발생하고, 그 부분이 급격한 가열 용융에 의해 모재의 융액이 비산됨으로써 발생한다. 이로 인해, 용접 구조체에 플래시의 부착이 있는 경우에는, 스폿 용접의 조건이 동일하더라도, 너깃의 크기 및 부피 분포 등의 형상이 일정해지지 않는다. 그 결과, 변형 예정 영역의 모두에 있어서, 상기 (a) 및 (b)의 조건을 만족하는 용접부를 구비한 용접 구조체는 얻어지지 않는다. 또한, 이 경우, 안정적으로 높은 강도를 갖는 너깃은 얻어지지 않고, 상기 (a) 및 (b)의 조건을 만족하고 있어도, 전단 파단이 빈번하게 발생한다.
본 실시 형태의 용접 구조체는, 플래시의 발생·부착이 없으므로, 제조 시에, 가열 용융한 모재의 융액이 용융부의 밖으로 튀어나오지 않는다. 이로 인해, 스폿 용접을 할 때, 용접 예정 영역 내에서 균일한 가열이 발생하고 있고, 스폿 용접의 조건이 동일하면, 너깃의 크기 및 형상이 거의 일정해진다. 본 실시 형태의 용접 구조체는, 상기 (a) 및 (b)의 조건 중 어느 하나를 만족함으로써, 너깃의 강도는 안정적으로 높아지게 되어, 전단 파단은 발생하기 어렵다.
본 실시 형태에 있어서, 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경이 불분명할 때는, 용접 구조체의 강판의 표면에 형성된 압흔의 직경을, 전극의 선단 직경으로 할 수 있다. 압흔은, 스폿 용접할 때, 전극의 선단이 강판의 표면에 압박됨으로써 형성된다. 이하, 용접 구조체의 구조, 및 압흔의 직경을 결정하는 방법에 대하여, 2매의 강판(제1 강판 및 제2 강판)이 접합되어 있는 경우를 참조하면서 설명한다.
도 4a는, 용접 구조체에 있어서, 스폿 용접부 근방을 나타내는 단면도이다.
이 용접 구조체(10)는, 제1 강판(11)과, 제2 강판(12)을 구비하고 있다. 용접 구조체(10)는, 제1 및 제2 강판(11, 12)이 서로 적층된 적층부를 갖는다. 제1 강판(11)과 제2 강판(12)은, 이 적층부에 있어서, 복수 개소에서, 스폿 용접에 의해 접합되어 있다. 도 4a에는, 1개의 스폿 용접부(13)만을 나타낸다.
제1 및 제2 강판(11, 12)의 각각의 표면에는, 스폿 용접에 사용한 전극의 선단에 대응하는 압흔(15)이 형성되어 있다. 도 4a에서는, 압흔(15)은, 오목부이다. 용접부(13)의 내부에는, 너깃(14)이 형성되어 있다. 도 4a에 있어서, 용접부(13)는, 제1 강판(11)과 제2 강판(12) 사이의 면에 대하여 실질적으로 대칭이며, 압흔(15) 및 이에 관련된 참조 부호는, 제1 및 제2 강판(11, 12)의 한쪽만에 대하여 나타낸다.
본 실시 형태에 있어서, 너깃의 직경(이하, 「너깃 직경」이라고 함) dng는, 너깃(14)이 형성된 부분 근방의 강판(11, 12)에 평행한 방향의 너깃(14)의 최대 길이로 정의한다. 도 4a는, 제1 및 제2 강판에 수직인 단면이며, 압흔(15)의 최대 직경부를 포함하는 단면(이하, 「최대 직경 단면」이라고 함)을 나타내고 있으며, 너깃 직경은, 이 단면에 있어서, 제1 및 제2 강판(11, 12)에 평행한 방향의 너깃(14)의 최대 길이로 할 수 있다. 용접부(13)의 절단면에 있어서, 너깃(14)은, 다른 부분과는 상이한 색(명도)을 나타내므로, 제1 및 제2 강판(11, 12)에 평행한 방향의 너깃(14)의 길이는, 용이하게 측정 가능하다.
압흔(15)은, 스폿 용접을 행했을 때 전극의 선단부에 의해 가압된 영역에 상당한다. 전극이 가압된 강판[상기 도면에서는 제1 강판(11) 및 제2 강판 (12)]의 종류 및 두께가 동일하면, 너깃 직경 dng가 클수록, 압흔(15)은 깊어지게 되는 경향이 있다.
본 실시 형태에 있어서의 압흔(15)의 직경(즉, 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경) d는, 이하와 같이 정의한다.
도 4a에서는, 압흔(15)에 있어서 양단부 근방에 곡률이 변화하는 영역이 보인다. 압흔(15)의 내면은, 곡률 반경이 큰 곡면인(또는, 평탄면인) 저면과, 저면의 주위에 형성되고, 저면보다 곡률 반경이 작고, 전체적으로 저면에 대하여 경사진 경사면을 갖는다. 도 4a의 단면에 있어서, 압흔(15)의 윤곽 곡률은, 저면과 경사면 사이에서 변화하고 있다. 이 경우, 압흔(15)의 직경 d는, 이 단면(최대 직경 단면)에 있어서, 곡률이 변화하는(또는, 곡률의 변화가 최대인) 2개의 점(16a, 16b)의 거리라 한다.
도 4b에, 용접부(13) 근방의 부분이며, 압흔(15)에 있어서 단부 근방에 곡률이 변화하는 영역이 보이지 않고, 또한 압흔(15)의 오목해진 양 D를 특정 가능한 부분의 최대 직경 단면을 나타낸다. 도 4b에 있어서, 도 4a에 도시한 구성 요소와 동일한 구성 요소의 부분은, 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
이 경우[압흔(15)의 한쪽의 단부 근방에만 곡률이 변화하는 영역이 보이는 경우를 포함함]에는, 당해 단면에 있어서, 강판(11, 12)에 평행한 방향에 대한 압흔(15)(오목한 영역)의 길이를, 압흔(15)의 직경 d라 한다.
도 4c에, 용접부(13) 근방의 부분이며, 압흔(15)의 오목해진 양을 특정 가능하지 않은 부분의, 최대 직경 단면에서의 절단면의 사진을 나타낸다. 도 4c에 있어서, 도 4a에 도시한 구성 요소와 동일한 구성 요소의 부분은, 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 너깃(14)의 주위에는, 열 영향에 의한 경화부(17)가 존재한다. 그 경화부(17)는 스폿 용접 시, 모재인 제1 및 제2 강판(11, 12)이 오스테나이트 영역까지 가열되어 담금질됨으로써 형성된다.
압흔(15)의 오목해진 양을 특정 가능하지 않는 경우에는, 압흔(15)의 직경 d는, 제1 또는 제2 강판(11, 12)의 최대 직경 단면에 있어서의 열 영향에 의한 경화부(17)의 직경으로 한다. 당해 단면에 있어서, 열 영향에 의한 경화부(17)의 명도는 다른 부분과는 상이하므로, 열 영향에 의한 경화부(17)의 직경은 용이하게 측정 가능하다.
스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경은, 도 4a 내지 도 4c를 이용하여 설명한 방법에 의해 특정되는 압흔의 직경으로 하는 대신에, 강판의 표면에 있어서 Cu(구리) 농도가 높은 영역의 최대 직경으로 하여도 된다. 스폿 용접에 사용하는 전극은 Cu를 함유하고, 스폿 용접 시에, 전극의 Cu가 강판의 표면에 전사된다. 따라서, 강판의 표면에 있어서 Cu 농도가 높은 영역은, 전극의 선단에 대응한다.
압흔의 직경을, 도 4a 내지 도 4c를 이용하여 설명한 방법에 의해 특정하는 경우, 및 Cu 농도가 높은 영역에서 특정할 경우 중 어느 하나라도, 한쪽의 강판(11)의 압흔(15)의 직경 d와, 다른 쪽의 강판(12)의 압흔(15)의 직경 d가 동일하다고 간주할 수 없는 경우에는, 양쪽의 강판(11, 12)의 압흔(15)의 직경 d의 평균값을, 압흔(15)의 직경 d라 한다.
본 실시 형태에 있어서, 2매의 강판이 적층된 적층부가 스폿 용접으로 접합되는 경우, 적층부에서의 강판 1매당 평균 두께 tave(㎜)은, (t1+t2)/2로 된다. 단, 2매의 강판의 개개의 두께를 t1(㎜) 및 t2(㎜)라 한다. 평균 두께 tave는 0.5㎜ 이상 또한 2.6㎜ 이하이다. 평균 두께 tave가 이 범위 내에 있을 때, 본 실시 형태의 용접 구조체의 바람직한 제조 방법(후술)에 의해, 플래시를 발생시키지 않고, 상기 식(1) 또는 식(2)를 만족하는 용접부를 형성하는 것이 가능하다.
한편, 본 실시 형태에 있어서, 3매의 강판이 적층된 적층부가 스폿 용접에 의해 접합되는 경우, 적층부에서의 강판 1매당 평균 두께 tave(㎜)은 (t3+t4+t5)/3으로 된다. 단, 3매의 강판의 개개 두께를 t3(㎜), t4(㎜) 및 t5(㎜)라 한다. 평균 두께 tave는, 2매의 강판이 적층된 적층부가 스폿 용접으로 접합되는 경우와 마찬가지로, 0.5㎜ 이상 또한 2.6㎜ 이하이다. 평균 두께 tave가 이 범위 내에 있을 때, 본 실시 형태의 용접 구조체의 바람직한 제조 방법(후술)에 의해, 플래시를 발생시키지 않고, 상기 식(1) 또는 식(2)를 만족하는 용접부를 형성하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에 있어서, 용접부의 피치가 좁을수록, 즉 용접 구조체의 단위 길이당 용접부의 수가 많을수록, 충격을 받았을 때 흡수할 수 있는 에너지는 많아진다. 그러나, 용접부의 피치를 너무 짧게 하면, 용접 시에, 인접하는 용접부의 너깃이 겹치고, 이 경우, 인접하는 용접점 방향으로 전류가 분류하기 때문에, 소정의 직경에서 너깃이 형성되지 않는다. 이로 인해, 용접부의 피치는 17㎜ 이상인 것이 바람직하다.
본 실시 형태는, 하기 식(3)으로 정의되는 C(탄소) 당량 Ceq가 0.13질량% 이상인 용접부를 구비한 용접 구조체에 적용하는 것이 바람직하다.
(식 3)
Ceq=[C]+1/90[Si]+1/100([Mn]+[Cr])
단, [C]: 용접부의 평균 C 함유량(질량%)
[Si]: 용접부의 평균 Si 함유량(질량%)
[Mn]: 용접부의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Cr]: 용접부의 평균 Cr 함유량(질량%)
일반적으로, 용접하려고 하는 강판의 C 당량이 많을수록, 전기 저항이 높아지게 되어, 플래시를 발생시키지 않고 스폿 용접하는 것이 곤란해진다. 용접부의 C 당량 Ceq가 0.13질량% 이상의 경우, 플래시를 발생시키지 않고 스폿 용접하는 것은, 종래의 제조 방법에 따라서는, 매우 곤란한 한편, 본 실시 형태의 용접 구조체의 바람직한 제조 방법(후술)에 의해 가능하다.
용접부의 C 당량 Ceq는, 복수의 강판의 평균 화학 조성에 기초하는 C 당량에 거의 동등하다. 2매의 강판(제1 및 제2 강판)이 적층된 적층부에서 스폿 용접에 의해 접합되는 경우, 2매의 강판의 두께가 상이할 때는, 2매의 강판의 평균 화학 조성은, 제1 강판의 평균 화학 조성과 제2 강판의 평균 화학 조성을, 두께 t1 및 두께 t2로 가중 평균한 것으로 한다. 구체적으로는, 제1 및 제2 강판의 평균 화학 조성에 기초하는 C 당량 Ceqplate는, 하기 식(6)에 의해 부여된다.
(식 6)
Ceqplate=R1[C]1+R2[C]2+1/90(R1[Si]1+R2[Si]2)+1/100(R1[Mn]1+R2[Mn]2+R1[Cr]1+R2[Cr]2)
단, [C]1: 제1 강판의 평균 C 함유량(질량%)
[C]2: 제2 강판의 평균 C 함유량(질량%)
[Si]1: 제1 강판의 평균 Si 함유량(질량%)
[Si]2: 제2 강판의 평균 Si 함유량(질량%)
[Mn]1: 제1 강판의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Mn]2: 제2 강판의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Cr]1: 제1 강판의 평균 Cr 함유량(질량%)
[Cr]2: 제2 강판의 평균 Cr 함유량(질량%)
R1=t1/(t1+t2)
R2=t2/(t1+t2)
또한, 3매의 강판(제1, 제2 및 제3 강판)이 적층된 적층부에서 스폿 용접에 의해 접합되는 경우, 3매의 강판의 두께가 상이할 때, 3매의 강판의 평균 화학 조성은, 제1 강판의 평균 화학 조성과 제2 강판의 평균 화학 조성과 제3 강판의 평균 화학 조성을, 두께 t3, 두께 t4 및 두께 t5로 가중 평균한 것으로 한다. 구체적으로는, 제1, 제2 및 제3 강판의 평균 화학 조성에 기초하는 C 당량 Ceqplate는, 하기 식(7)에 의해 부여된다.
(식 7)
Ceqplate=R3[C]3+R4[C]4+R5[C]5+1/90(R3[Si]3+R4[Si]4+R5[Si]5)+1/100(R3[Mn]3+R4 [Mn]4+R5[Mn]5+R3[Cr]3+R4[Cr]4+R5[Cr]5)
단, [C]3: 제1 강판의 평균 C 함유량(질량%)
[C]4: 제2 강판의 평균 C 함유량(질량%)
[C]5: 제3 강판의 평균 C 함유량(질량%)
[Si]3: 제1 강판의 평균 Si 함유량(질량%)
[Si]4: 제2 강판의 평균 Si 함유량(질량%)
[Si]5: 제3 강판의 평균 Si 함유량(질량%)
[Mn]3: 제1 강판의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Mn]4: 제2 강판의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Mn]5: 제3 강판의 평균 Mn 함유량(질량%)
[Cr]3: 제1 강판의 평균 Cr 함유량(질량%)
[Cr]4: 제2 강판의 평균 Cr 함유량(질량%)
[Cr]5: 제3 강판의 평균 Cr 함유량(질량%)
R3=t3/(t3+t4+t5)
R4=t4/(t3+t4+t5)
R5=t5/(t3+t4+t5)
이하에, 난용접재의 고장력 강판이며, 본 실시 형태에 있어서의 강판으로서 사용할 수 있는 강판의 화학 조성을 예시한다. 이하의 예에서는, 주로 베이나이트 또는 마르텐사이트를 주상(主相)으로 하고, 일부, 페라이트나 잔류 오스테나이트를 포함한 조직을 형성하는 것을 상정하고 있다. 이 조직을 갖는 강판은, 고강도이고, 충돌 시에 모재 파단이 발생하지 않을 정도의 연성을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서의 강판은, 상기 조직 및 이하의 화학 조성을 갖는 것으로 한정되지 않는다. 이하의 예에서는, 각 원소의 함유량에 대한 「%」는, 「질량%」를 의미한다.
<강판의 화학 조성의 예>
(ⅰ) C: 0.06%∼0.35%
C는, 주상인 베이나이트 또는 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진하는 작용을 갖는다. C는, 또한 마르텐사이트의 강도를 높임으로써 강판의 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, C는, 고용 강화에 의해 강을 강화하고, 강판의 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다.
C 함유량이 0.06% 미만에서는, 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다. 따라서, C 함유량은, 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.12% 초과이며, 더 바람직하게는, 0.14% 초과이다. 한편, C 함유량이 0.35％를 초과하면, 마르텐사이트의 경도가 과도하게 높아지거나, 또한 잔류 오스테나이트의 안정도가 과도하게 증가하기 때문에 가공 유기 변태가 발생하기 어려워져서, 강판의 국부 연성의 현저한 저하를 초래할 경우가 있다. 또한, 용접성의 열화가 현저해진다. 이 때문에, C 함유량은, 0.35% 이하로 하는 것이 바람직하다.
(ⅱ) Mn: 1.0%∼3.5%
Mn은, 주상인 베이나이트 또는 마르텐사이트, 및 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진하는 작용을 갖는다. Mn은, 또한 고용 강화에 의해 강을 강화하고, 강판의 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Mn은, 고용 강화에 의해 베이나이트의 강도를 높이므로, 고 왜곡 부하 조건하에서의 베이나이트의 경도를 높임으로써 강판의 국부 연성을 향상시키는 작용을 갖는다.
Mn 함유량이 1.0% 미만에서는, 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량은 1.0% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 1.5% 초과이며, 더 바람직하게는, 1.8% 초과이며, 특히 바람직하게는, 2.0% 초과이다. 한편, Mn 함유량이 3.5% 초과에서는, 베이나이트 변태를 과도하게 지연시켜버려서, 그 결과, 잔류 오스테나이트의 안정화를 도모할 수 없어, 소정의 잔류 오스테나이트를 확보하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, Mn 함유량은, 3.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
(ⅲ) Si+Al: 0.20%∼3.0%
Si 및 Al은, 베이나이트 중의 탄화물의 생성을 억제함으로써 잔류 오스테나이트의 생성을 재촉하고, 강판의 균일 연성이나 국부 연성을 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Si 및 Al은, 고용 강화에 의해 강을 강화하고, 강판의 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Si 및 Al은, 고용 강화에 의해 베이나이트의 강도를 높이므로, 고 왜곡 부하 조건하에서의 베이나이트의 경도를 높임으로써 강판의 국부 연성을 향상시키는 작용을 갖는다.
Si 및 Al의 합계 함유량(이하, 「(Si+Al) 함유량」이라고도 함)이 0.20% 미만에서는 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란하다. 따라서, (Si+Al) 함유량은 0.20% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.5% 이상이며, 더 바람직하게는, 0.8% 이상이다. 한편, (Si+Al) 함유량을 3.0% 초과로 하여도, 상기 작용에 의한 효과는 포화해되어버려 비용적으로 불리해진다. 또한, 변태점의 고온화를 초래하여 생산성을 저해한다. 이 때문에, (Si+Al) 함유량은, 3.0% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Si는 우수한 고용 강화능을 갖기 때문에, Si 함유량은, 0.20% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.8% 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 한편, Si는, 강판의 화성 처리성이나 용접성을 저하시키는 작용을 가지므로, Si 함유량은 1.9% 미만으로 하는 것이 바람직하고, 1.7% 미만으로 하는 것이 더 바람직하며, 1.5% 미만으로 하는 것이 특히 바람직하다.
(ⅳ) P: 0.10% 이하
P는, 일반적으로 불순물로서 함유되고, 입계에 편석해서 강을 취화시키고, 충격 하중 부하 시에서의 깨짐의 발생을 촉진하는 작용을 갖는다. P 함유량이 0.10% 초과에서는, 상기 작용에 의한 강의 취화가 현저하게 되어, 충격 하중 부하 시에 있어서의 깨짐의 발생을 억제하는 것이 곤란해진다. P 함유량은, 바람직하게는 0.020% 미만, 더 바람직하게는 0.015% 미만이다.
(ⅴ) S: 0.010% 이하
S는, 일반적으로 불순물로서 함유되고, 황화물계 개재물을 강 중에 형성하여, 성형성을 열화시키는 작용을 갖는다. S 함유량이 0.010% 초과에서는 상기 작용에 의한 영향이 현재화한다. S 함유량은, 바람직하게는 0.005% 이하, 더 바람직하게는 0.003% 미만, 특히 바람직하게는 0.001% 이하이다.
(ⅵ) N: 0.010% 이하
N은, 일반적으로 불순물로서 강 중에 함유되고, 강판의 연성을 열화시키는 작용을 갖는다. N 함유량이 0.010% 초과에서는, 이 연성 저하가 현저해진다. N 함유량은, 바람직하게는 0.0050% 이하이다.
이와 같이 강은, C: 0.06%∼0.35%, Mn: 1.0%∼3.5%, (Si+Al): 0.20%∼3.0%, P: 0.10% 이하, S: 0.010% 이하 및 N: 0.010% 이하를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 강을 공업적으로 제조할 때, 원료로서의 광석, 스크랩 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태의 대상으로 하는 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
이하에 설명하는 원소는, 임의 원소이며, 필요에 따라 전술한 화학 조성을 갖는 강에, Fe의 일부를 대신하여 함유시킬 수 있다.
(ⅶ) Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, 및 B: 0.01% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상
Cr, Mo 및 B는, 담금질성을 높이고, 베이나이트의 생성을 촉진하는 작용을 갖는다. 또한, 이들 원소는, 마르텐사이트나 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진하는 작용을 갖는다. 또한, 고용 강화에 의해 강을 강화하고, 강판의 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 따라서, Cr, Mo 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 된다. 상기 작용에 의한 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는, Cr: 0.1% 이상, Mo: 0.1% 이상, 및 B: 0.0010% 이상 중 어느 하나를 만족시키는 것이 바람직하다.
그러나, Cr 함유량이 0.5％를 초과하거나, Mo 함유량이 0.5％를 초과하거나, B 함유량이 0.01％를 초과하거나 하면, 강판의 똑같은 신장이나 국부 연성의 현저한 저하를 초래하는 경우가 있다. 이로 인해, Cr, Mo 및 B의 1종 또는 2종 이상을 함유시키는 경우에는, 각각 전술한 함유량의 범위 내에서 함유시키는 것이 바람직하다.
<용접 구조체의 제조 방법>
1. 저항 스폿 용접 장치
도 5a 및 도 5b는, 본 발명의 용접 구조체의 제조 방법에 의해 사용할 수 있는 저항 스폿 용접 장치의 일례를 나타내는 모식도이며, 도 5a는 용접 전의 상태를, 도 5b는 용접 중의 상태를 각각 나타낸다. 도 5a 및 도 5b에 도시한 스폿 용접 장치는, 한 쌍의 복합 전극(20, 30)을 구비하고 있다. 이하, 설명의 편의상, 그것들의 복합 전극(20, 30) 중 한쪽(도 5a 및 도 5b 중의 상측의 복합 전극)을 제1 복합 전극(20)이라 하고, 다른 쪽(도 5a 및 도 5b 중의 하측의 복합 전극)을 제2 복합 전극(30)이라고도 한다. 제1 복합 전극(20)과 제2 복합 전극(30)은, 스폿 용접하는 대상인 복수의 강판[상기 도면에서는 제1 및 제2 강판(11), (12)]이 적층된 적층부를 사이에 두고, 대향하여 배치된다. 제1 복합 전극(20)의 구성과 제2 복합 전극(30)의 구성은, 동일하다. 즉, 제1 복합 전극(20)은, 제1 전극체(21)와 제1 링 형상 부재(22)를 구비하고, 제2 복합 전극(30)은 제2 전극체(31)와 제2 링 형상 부재(32)를 구비하고 있다.
제1 전극체(21)는, 직선형 막대 형상의 생크(21b)와, 이 생크(21b)의 선단에 설치된 전극 팁(21a)을 구비하고, 전체적으로 막대 형상이다. 생크(21b)는 전극 팁(21a)에 인접해서 플랜지부(21ba)를 갖는다. 전극 팁(21a)은 DR형 전극 팁이다. 즉, 전극 팁(21a)은 선단부가 볼록 형상으로 돌출된 대략 원기둥 형상이며, 그 선단면(21aa)이 곡률 반경이 큰 볼록 곡면으로 형성되어 있다. 선단면(21aa)의 주연부에서는, 곡률 반경이 작아지게 되어 있다. 즉, 선단면(21aa)과, 그 주연부의 사이에서, 곡률이 변화하고 있다.
전극 팁(21a)으로서는, DR형 전극 팁 이외에도 주지의 전극 팁을 사용할 수 있어, 예를 들어 플랫형 전극 팁을 사용해도 된다. 생크(21b)는, 그 후단부가 홀더(24)에 고정되어 있다.
제1 링 형상 부재(22)는, 중심축 상에 원형의 관통 구멍(22b)을 갖는 원통 형상이며, 그 중심축 상에 제1 전극체(21)가 배치된다. 제1 전극체(21)의 전극 팁(21a) 및 플랜지부(21ba)는 제1 링 형상 부재(22)에 삽입되어 있으며, 제1 링 형상 부재(22)의 선단면(22a)을 포함하는 평면의 사이를 축 방향을 따라서 상대적으로 이동이 가능하다. 전극 팁(21a)의 제1 링 형상 부재(22)의 후방에의 이동은, 제1 전극체(21)의 플랜지부(21ba)가 제1 링 형상 부재(22)의 후단부 스토퍼면(22c)에 접촉함으로써 제한된다. 제1 링 형상 부재(22)와 제1 전극체(21)는, 전기적으로는 접속되어 있지 않다.
홀더(24)의 전단부에는 유지판(25)이 고정되어 있다. 제1 링 형상 부재(22)의 후단부와 유지판(25)의 사이에는, 제1 탄성체(23)로서, 압축 코일 스프링(23A)이 배치되어 있다. 제1 전극체(21)의 생크(21b)는, 압축 코일 스프링(23A)[제1 탄성체(23)]의 중심축 상에 배치되어 있다. 제1 링 형상 부재(22)는, 생크(21b)를 따라 상대적으로 이동이 가능하다.
마찬가지로, 제2 전극체(31)는, 직선형 막대 형상의 생크(31b)와, 이 생크(31b)의 선단에 설치된 전극 팁(31a)을 구비하고, 전체적으로 막대 형상이다. 생크(31b)는, 전극 팁(31a)에 인접해서 플랜지부(31ba)를 갖는다. 전극 팁(31a)은, DR형 전극 팁이다. 생크(31b)는, 그 후단부가 홀더(34)에 고정되어 있다.
제2 링 형상 부재(32)는, 중심축 상에 원형의 관통 구멍(32b)을 갖는 원통 형상이며, 그 중심축 상에 제2 전극체(31)가 배치된다. 제2 전극체(31)의 전극 팁(31a) 및 플랜지부(31ba)는, 제2 링 형상 부재(32)에 수용되어 있으며, 제2 링 형상 부재(32)의 선단면(32a)을 포함하는 평면의 사이를 축 방향을 따라서 상대적으로 이동이 가능하다. 전극 팁(31a)의 제1 링 형상 부재(32)의 후방에의 이동은, 제2 전극체(31)의 플랜지부(31ba)가 제2 링 형상 부재(32)의 후단부 스토퍼면(32c)에 접촉함으로써 제한된다. 제2 링 형상 부재(32)와 제2 전극체(31)는, 전기적으로는 접속되어 있지 않다.
홀더(34)의 전단부에는 유지판(35)이 고정되어 있다. 제2 링 형상 부재(32)의 후단부와 유지판(35)의 사이에는, 제2 탄성체(33)로서, 압축 코일 스프링(33A)이 배치되어 있다. 제2 전극체(31)의 생크(31b)는, 압축 코일 스프링(33A)[제2 탄성체(33)]의 중심축 상에 배치되어 있다. 제2 링 형상 부재(32)는 생크(31b)를 따라서 상대적으로 이동이 가능하다.
제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)를 각각 구성하는 생크(21b, 31b), 및 전극 팁(21a, 31a)의 재질은, 크롬 구리, 크롬 지르코늄 구리, 베릴륨 동), 알루미나 분산 강화 구리 또는 구리 텅스텐 등이다. 어느 쪽의 경우에도, 전극 팁(21a, 31a)은, 구리를 함유한다.
제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)는, 외부로부터의 힘에 대하여 실질적으로 변형되지 않는 것이 바람직하지만, 그 재질에 특별히 한정은 없으며, 금속 등의 도전체여도, 세라믹스 등의 절연체여도 된다. 또한, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)는, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)와 동일한 재질이어도 된다. 또한, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)는, 각 선단면(22a, 32a)의 전부를 도전체로 구성해도 되고, 그 일부를 도전체로 구성해도 된다.
제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)를 도전체로 하는 경우, 그 재질은, 특별히 한정은 없으며, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)의 재질과 동일하더라도 되고, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)와 상이해도 된다. 단, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)의 재질은, 적어도 용접 대상의 강판의 세트보다도 높은 전기 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 상세는 후술하지만, 스폿 용접 시에 강판 내에 흘러드는 전류를, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)를 향해서 유효하게 끌어들이기 위해서이다.
이와 같은 구성의 제1 복합 전극(20) 및 제2 복합 전극(30)은, 각각의 홀더(24, 34)가 도시하지 않은 스폿 용접 건에 장착된다. 구체적으로는, 용접 건은, 개폐 동작이 가능한 한 쌍의 아암을 갖고, 그 중 한쪽의 아암 선단에 제1 복합 전극(20)의 홀더(24)가 장착되고, 다른 쪽의 아암 선단에 제2 복합 전극(30)의 홀더(34)가 장착된다. 양 아암의 개폐 동작에 의해, 제1 복합 전극(20)과 제2 복합 전극(30)은, 서로 이격하거나 접근하거나 한다. 이때, 제1 전극체(21)와 제2 전극체(31)는, 서로 대향하여 동축형으로 배치되고, 또한 제1 링 형상 부재(22)와 제2 링 형상 부재(32)는, 서로 대향하여 동축형으로 배치된 상태로 되어 있다. 한 쌍의 아암 중 한쪽은, 고정되어 있어도 된다.
또한, 제1 전극체(21)와 제2 전극체(31)는, 도시하지 않은 전원 장치에 접속되어 있다. 예를 들어, 전원 장치로서 직류 전원 장치를 사용하는 경우, 전원의 정극 및 부극이, 제1 및 제2 전극체(21, 31)의 한쪽 및 다른 쪽에 각각 접속된다. 전원 장치로서는, 교류 전원 장치를 사용하는 것도 가능하다.
2. 저항 스폿 용접
우선, 도 5a에 도시한 바와 같이, 소재로서, 판 세트를 준비하고, 그 판 세트는, 2매의 강판(11, 12)이 서로 적층된 적층부를 갖는다. 이어서, 적층부를 사이에 두고, 제1 복합 전극(20)의 제1 전극체(21)와 제2 복합 전극(30)의 제2 전극체(31)를 대향하여 배치시킴과 함께, 각각의 제1 링 형상 부재(22)와 제2 링 형상 부재(32)를 대향하여 배치시킨다. 이 동작은, 용접 건의 이동 또는 판 세트의 반송에 의해 행해진다.
다음으로, 용접 건의 양 아암의 닫기 동작을 실행하고, 판 세트의 적층부에의 제1 복합 전극(20) 및 제2 복합 전극(30)의 압박 동작을 개시한다. 이에 의해, 제1 복합 전극(20)에서는, 홀더(24)가 적층부를 향해서 이동하고, 이와 동시에, 제2 복합 전극(30)에서는, 홀더(34)가 적층부를 향해서 이동한다. 이에 수반하여, 제1 복합 전극(20)에서는, 처음에, 제1 링 형상 부재(22)의 선단면(22a)이 제2 강판(12)의 표면에 접촉해서 압박되고, 제1 링 형상 부재(22)의 그 이상의 이동이 제한된다. 제2 복합 전극(30)에서는, 처음에, 제2 링 형상 부재(32)의 선단면(32a)이 제1 강판(11)의 표면에 접촉해서 압박되고, 제2 링 형상 부재(32)의 그 이상의 이동이 제한된다.
또한, 제1 복합 전극(20)에서는, 제1 전극체(21)가 제2 강판(12)을 향해서 계속해서 이동한다. 이때, 제1 링 형상 부재(22)와 유지판(25)의 간격이 점차 좁아지고, 제1 탄성체(23)[압축 코일 스프링(23A)]가 압축 변형한다. 이와 동시에, 제2 복합 전극(30)에서는, 제2 전극체(31)가 제1 강판(11)을 향해서 계속해서 이동한다. 이때, 제2 링 형상 부재(32)와 유지판(35)의 간격이 점차 좁아지고, 제2 탄성체(33)[압축 코일 스프링(33A)]가 압축 변형한다.
그리고, 도 5b에 도시한 바와 같이, 제1 복합 전극(20)에서는, 전극 팁(21a)의 선단부가 제2 강판(12)의 표면에 접촉해서 압박되고, 제1 전극체(21)의 그 이상의 이동이 제한된다. 이와 동시에, 제2 복합 전극(30)에서는, 전극 팁(31a)의 선단부가 제1 강판(11)의 표면에 접촉해서 압박되고, 제2 전극체(31)의 그 이상의 이동이 제한된다.
제1 및 제2 강판(11, 12)의 표면에, 각각, 전극 팁(31a, 21a)의 선단부가 압박됨으로써(또는, 이 상태에서, 제1 및 제2 전극체(21, 31) 사이에 전류가 흐르게 됨으로써), 압흔(15)(도 4a 내지 도 4c 참조)이 형성된다.
도 4a에 있어서, 오목부로서 형성된 압흔(15)의 저면은, 도 5a 및 도 5b에 도시한 제1 및 제2 전극체(21, 31)의 선단면(21aa, 31aa)이 접촉한 부분에 상당한다. 도 4a에 있어서, 압흔(15)의 경사면은, 도 5a 및 도 5b에 도시한 전극 팁(21a, 31a)에 있어서, 선단면(21aa, 31aa)의 주연에 형성되고, 선단면(21aa, 31aa)에 대하여 경사진 경사면에 상당한다.
도 4b 및 도 4c에 도시한 압흔(15)에서는, 전극 팁(21a, 31a)의 경사면에 대응하는 부분은, 명확하게 나타나 있지 않다.
도 4a 내지 도 4c를 이용하여 설명한 압흔의 직경 d는, 전극 팁(21a, 31a)의 선단면(21aa, 31aa)의 직경에 대응하고 있다.
전술한 바와 같이 하여, 판 세트의 적층부는, 서로 대향하는 제1 전극체(21)와 제2 전극체(31)에 의해 사이에 끼워짐과 함께, 서로 대향하는 제1 링 형상 부재(22)와 제2 링 형상 부재(32)에 의해 사이에 끼워진다. 이때, 적층부에는, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)로부터 압박하여 압력이 가해지고, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)로부터도 압박하여 압력이 가해져 있다.
여기서, 제1 링 형상 부재(22)에는, 압축 변형하고 있는 제1 탄성체(23)로부터 압축 변형의 반발력이 작용하고, 제2 링 형상 부재(32)에는, 압축 변형하고 있는 제2 탄성체(33)로부터 압축 변형의 반발력이 작용하고 있다. 이로 인해, 제1 및 제2 강판(11, 12)끼리는, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)의 접촉 영역을 가압할 뿐만 아니라, 그 둘레의 환상 영역[제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)의 접촉 영역]을 가압하고, 광범위에 걸쳐 충분히 접촉한 상태가 된다. 이에 의해, 시트 세퍼레이션[제1 강판(11)과 제2 강판(12)이 전극 팁(21a, 22a)에 의한 가압부 주변에서 이격하는 것]의 발생이 억제된다.
이 상태가 된 후, 전원 장치를 구동하고, 제1 전극체(11)와 제2 전극체(21)의 사이에 전류를 인가하여, 제1 강판(11)과 제2 강판(12)을 용접한다.
도 6a 및 도 6b는, 도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치를 사용한 스폿 용접에 의해 너깃이 형성되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다. 이들 도면 중, 도 6a는, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)가 도전체가 아닌 경우를 나타내고, 도 6b는, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)가 도전체인 경우를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b 중, 파선 화살표는, 용접 전류의 흐름을 나타내고 있다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 강판(11, 12)끼리의 접촉 영역은, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)의 접촉 영역뿐만 아니라, 그 둘레의 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)의 접촉 영역까지로 광범위하게 걸쳐 있기 때문에, 현저한 시트 세퍼레이션은 발생하지 않는다. 이로 인해, 제1 전극체(21)와 제2 전극체(31)의 사이에 전류를 인가하면, 종래의 스폿 용접에 비하여, 전류가 광범위하게 확대되어 흐른다.
특히, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)가 도전체인 경우, 도 6b에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 강판(11, 12) 내에서는, 전류가 더 광범위하게 확대되어 흐른다. 구체적으로는, 전류는, 제1 전극체(21)로부터 제2 전극체(31)를 향하여, 중간부에서 확대되어 흐를 뿐만 아니라, 제1 전극체(21)로부터 제1 링 형상 부재(22)를 향해 끌려 들어간 후, 제2 링 형상 부재(32)를 향해서 끌려 들어가, 최종적으로 제2 전극체(31)를 향해 흐른다. 제1 및 제2 강판(11, 12)끼리가, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)로부터의 강력한 가압에 의해, 제1 링 형상 부재(22)와 제2 링 형상 부재(32)의 대향 영역에서 충분히 접촉하면서, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)가 모두 높은 전기 전도율을 갖기 때문이다.
일반적으로, 플래시(중간 플래시)는 금속판끼리의 사이에서 발생하지만, 전극에 대전류를 인가하면, 전극과 금속판의 접촉부가 과가열로 되고, 그 금속판 표면으로부터 플래시(표면 플래시)가 발생하는 경우가 있다. 도 6b에 도시한 실시 형태와 같이, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)를 도전체로 하면, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)로부터 도전체의 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)로 전류가 우회하기 때문에, 전극과 금속판의 접촉부에서의 발열이 억제되어, 그 금속판 표면으로부터의 플래시의 발생을 억제할 수 있다는 이점도 있다.
따라서, 제1 및 제2 강판(11, 12)끼리가 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)에 의해 강력하게 가압되어 있기 때문에, 제1 및 제2 강판(11, 12)끼리의 접촉 영역이 광범위에 걸쳐 용융하고, 너깃 직경이 큰 너깃(14)이 형성된다. 또한, 이 스폿 용접에 의하면, 너깃 직경의 확대에 수반되어, 적정 전류 범위를 확대할 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태의 용접 구조체의 제조 방법은, 시트 세퍼레이션의 억제나 플래시 발생의 억제, 너깃 직경의 확대, 적정 전류 범위의 확대와 같은 효과를 발휘하고, 그 효과를 판 세트가 제1 및 제2 강판으로 구성되는 경우를 예로 하여 설명하였다. 이들 효과는, 판 세트가 2매의 강판으로 구성되는 경우로 한정되지 않고, 3매의 강판으로 구성되는 경우에도 발휘된다. 따라서, 본 실시 형태의 용접 구조체의 제조 방법에 의해, 제1 실시 형태의 용접 구조체로 한정되지 않고, 제2 실시 형태의 용접 구조체도 얻을 수 있다.
또한, 판 세트가 3매의 강판으로 구성되는 경우, 필요에 따라, 가압력이나 전류값, 통전 패턴을 적절히 조정하면 된다. 이에 의해, 후술하는 실시예에서 나타내는 바와 같은 판 세트가 2매의 강판으로 구성되는 경우와 마찬가지로, 너깃 직경이 큰 너깃을 형성할 수 있다.
시트 세퍼레이션을 충분히 억제하기 위해서는, 전극 팁(21a, 31a)이 판 세트에 접촉하고 있는 상태에 있어서, 제1 전극체(21)의 선단면(21aa)의 외주연과 제1 링 형상 부재(22)의 선단면(22a)의 내주연의 간격, 및 제2 전극체(31)의 선단면(31aa)의 외주연과 제2 링 형상 부재(32)의 선단면(32a)의 내주연의 간격이 중요하다. 이들 간격은, 용접 시에 양자가 간섭하지 않은 범위에서, 가능한 한 접근하는 것이 바람직하다. 이들 간격이 너무 넓으면, 시트 세퍼레이션의 억제 효과가 작아지게 되고, 또한, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)가 도전체인 경우에는, 전류가 넓어지기 어려워진다. 그들 간격은, 7㎜ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5㎜ 이하이며, 더 바람직하게는 3㎜ 이하이다.
본 발명의 일 실시 형태의 설명은 이상과 같지만, 본 발명은, 다른 형태에서도 실시할 수 있다. 예를 들어, 용접 구조체는, 가전제품(예: 복사기)의 하우징이며, 박강판을 사용해서 제작되는 것이어도 된다. 이 경우, 본 발명의 용접 구조체에 의해, 예를 들어 당해 제품이 낙하했을 때의 충격을 양호하게 흡수하여, 제품 내부를 보호할 수 있다.
<실시예>
본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 이하의 시험을 행하였다.
시험에는, 표 2에 나타내는 강판 A 내지 C(Mat. A 내지 Mat. C) 중 어느 하나를 사용하였다. 표 2에는, 각 강판 A 내지 C에 대하여, 화학 조성과, 강판의 특성으로서, 두께, 항복 강도(YS), 인장 강도(TS) 및 파단 신장(El)을 나타낸다. 강판 A 내지 C는, 모두, 자동차의 골격 부재의 강판으로서, 일반적으로 사용되는 것이다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 강판 A 내지 C의 C 당량 Ceq는, 모두 0.15질량% 초과이며, 종래의 용접 방법에서는, 플래시를 발생시키지 않고 스폿 용접을 행하는 것이 곤란한 것이다.
강판 화학 조성(질량%) 특성(핫 스탬프의 인장 특성은
담금질 후)		 비고
C Si Mn Cr Ceq 두께t (mm) YS (MPa) TS (MPa) El%
A 0.21 0.25 1.30 0.25 0.228 1.6 1162 1545 8.8 핫
스탬프
B 0.31 0.25 1.69 0.20 0.332 1.6 1267 1882 7.8
C 0.15 0.51 2.07 0.49 0.181 1.6 or 2.0 634.4 1011.4 17.2 냉간
압연
<십자 인장 시험>도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치와, 종래의 저항 스폿 용접 장치를, 각각 사용하여, 2매의 강판을 스폿 용접하여 용접 구조체를 제작하고, 십자 인장 시험을 실시하였다.
전술한 바와 같이, 도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치는, 제1 및 제2 복합 전극(20, 30)(이하, 「가동 전극」이라고 함)을 구비하고 있고, 제1 및 제2 전극체(21, 31)와, 제1 및 제2 링 형상 부재(22, 32)에 의해, 소재를 사이에 두고 전류를 흐르게 하도록 구성하였다. 종래의 스폿 용접 장치는, 도 5a 및 도 5b에 도시한 저항 스폿 용접 장치로부터, 제1 및 제2 링 형상 부재(12, 22)와, 제1 및 제2 탄성체(23, 33)를 배제한 것에 상당하고, 제1 및 제2 전극체(21, 31)에 상당하는 전극(이하, 「통상 전극」이라고 함)에 의해, 소재를 사이에 두고 전류를 흐르게 하도록 구성하였다.
2매의 강판으로서, 모두, 표 2의 강판 C(두께 2.0㎜)를 사용하였다. 적층부에서의 강판 1매당 평균 두께 tave는, 2.0㎜이며, 따라서, 1.1025∼2.6㎜의 범위 내에 있었다. 스폿 용접은, 전류의 크기를 변화시켜 행하였다.
십자 인장 시험은, JIS Z 3137에 규정되는 방법에 의해 행하였다.
도 12는, 본 실시 형태에 따른 방법에 의해 용접 구조체를 얻은 경우에, 얻어진 너깃의 직경 dng(㎜)와 소재의 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)의 관계를 나타내는 특성도이다. 2매의 강판이 적층된 적층부에 있어서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해 2매의 강판이 접합된 용접 구조체에 있어서, 각각의 강판의 두께를 t1, t2로 하면, 도 12의 횡축 평균 두께 tave=(t1+t2)/2이다.
본 실시 형태의 공법에 의하면, 도 12에 도시한 바와 같이, 해칭으로 나타낸 범위에서 너깃의 직경 dng(㎜)와 평균 두께를 tave(㎜)의 관계가 얻어졌다. 보다 상세하게는, 평균 두께 tave=1.1(㎜)를 경계로, 너깃의 직경 dng(㎜), 평균 두께 tave(㎜), 및 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경 d(㎜)의 관계에 서로 다른 특성이 얻어지는 것이 판명되었다.
구체적으로는, 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우, 이하의 조건 (a)가 얻어졌다.
(식 1)
(a) dng>d(tave)1/2
또한, 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우, 이하의 조건 (b)가 얻어졌다.
(식 2)
(b) dng>1.05d
소재의 강판 1매당 평균 두께 tave가 1.1㎜보다도 작은 얇은 조인트에 있어서는, 굴곡 강성이 낮기 때문에 용접부에 박리 응력이 발생하기 쉽고, 그 박리 응력에 의한 용접부에서의 계면 박리를 억제시키기 위해서는, 너깃의 직경 dng(㎜)를 조건 (a)와 같이 제어할 필요가 있다. 한편, 소재의 강판 1매당 평균 두께 tave가 1.1㎜ 이상인 경우에는, 굴곡 강성이 높기 때문에, 조건 (b)에 나타낸 바와 같이, 1.05d보다도 큰 너깃 직경 dng(㎜)를 설치하면 용접부에서의 계면 박리를 억제할 수 있다. 따라서, 조건 (a), 조건 (b)를 만족함으로써, 제조한 용접 구조체에 의하면 원하는 변형 거동을 실현할 수 있다.
가동 전극을 사용해서 제작한 용접 구조체에는, 플래시가 부착되어 있지 않았지만, 통상 전극을 사용해서 제작한 용접 구조체에는, 플래시가 부착되어 있었다. 도 7에, 너깃 직경 dng와 십자 인장 하중 P의 관계를 나타낸다. 도 7에 있어서, 파선은, 너깃 직경이 1.05d(d는, 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경)인 것을 나타낸다. 본 발명의 용접 구조체는, 도 7에서, 가동 전극을 사용하고, dng>1.05d인 것이다.
가동 전극을 사용한 경우 및 통상 전극을 사용한 경우의 모두, 너깃 직경 dng가 커짐에 따라서, 십자 인장 하중 P가 커지는 경향이 있다. 그러나, 통상 전극을 사용한 경우에는, 가동 전극을 사용한 경우에 비하여, 동일한 너깃 직경 dng에 대한 십자 인장 하중 P의 변동이 크고, dng>1.05d를 만족하여도, 반드시, 가동 전극을 사용한 경우(플래시의 부착이 없던 것)와 동등한 십자 인장 하중 P가 얻어지지 않았다. 플래시의 부착이 없던 것은, 플래시의 부착이 있던 것에 비하여, 안정적으로 높은 십자 인장 하중 P가 얻어지고 있다. 가동 전극을 사용한 경우, dng>1.05d인 스폿 용접부뿐만 아니라, dng≤1.05d인 스폿 용접부도 얻어지고 있지만, 용접 조건을 적절하게 설정함으로써, dng>1.05d인 용접 구조체를, 거의 확실하게 얻을 수 있다.
너깃 직경 dng를 일정한 크기보다도 크게 할 수 없는 경우에는, 용접부에서의 파단을 억제하기 위해서는 한계가 있다. 특히, 강판의 인장 강도가 높아질수록, 용접부에 걸리는 응력이 높아지기 때문에, 큰 너깃 직경 dng를 확보해서 견고한 용접을 행할 필요가 있다. 또한, 강판의 판 두께가 두껍게 될수록, 용접부에 걸리는 응력이 높아지기 때문에, 큰 너깃 직경 dng를 확보해서 견고한 용접을 행할 필요가 있다.
한편, 강판의 인장 강도가 높아질수록 전기 저항이 높아지기 때문에, 용접 시의 발열에 의해 플래시가 발생한다. 플래시의 발생에 의해 너깃 직경이 작아지고, 또한 판 두께가 얇아지고, 또한 안정된 용접이 곤란해지기 때문에, 용접한 강판이 박리하기 쉬워진다. 이로 인해, 플래시의 발생을 억제하면서, 보다 큰 너깃 직경 dng를 얻는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 제1 복합 전극(20) 및 제2 복합 전극(30)이 구비하는 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)를 강판에 압박함으로써, 용접되는 강판끼리가 확실하게 밀착하기 위해서, 너깃 직경 dng를 확실하게 크게 할 수 있고, 용접부의 강도를 대폭 높일 수 있다. 또한, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재를 도전체에 의해 구성한 경우에는, 도 6b에 도시한 바와 같이 전류가 광범위하게 확대되어 흐르고, 전류 밀도가 저하되기 때문에, 플래시의 발생을 확실하게 억제하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 인장 강도가 980MPa 이상의 강판을 사용한 경우에도, 조건 (a), 조건 (b)를 만족하는 너깃 직경 dng를 확보할 수 있고, 또한 플래시의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 용접부의 접합 강도를 대폭 높일 수 있고, 용접부에 박리가 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 바꾸어 말하면, 종래의 공법을 이용한 경우, 특히 인장 강도가 980MPa 이상의 강판에서는, 조건 (a), 조건 (b)를 만족하는 너깃 직경 dng를 확보하는 것은 곤란하다.
또한, 본 실시 형태에 따른 가동 전극을 사용하지 않는 경우, 너깃 직경의 확대를 도모하기 위해서는, 전극의 가압력을 증대시켜서 대전류를 흘리는 정도의 방법밖에 없다. 이에 반하여, 본 실시 형태에 따른 가동 전극을 사용한 경우에는, 제1 전극체(21) 및 제2 전극체(31)의 외주에 있어서, 제1 링 형상 부재(22) 및 제2 링 형상 부재(32)를 강판에 압박하기 위해서, 시트 세퍼레이션을 억제하면서 너깃 직경을 증대할 수 있다. 이로 인해, 종래 전극에서는, 고가압력에 기인하여 강판의 판 간극이 커지는 것에 비하여, 본 실시 형태에 따른 가동 전극에서는 시트 세퍼레이션 억제에 의해 판 간극을 충분히 작게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 종래 방법에 의한 판 간극이 큰 용접부의 조인트는, 충돌 시의 변형 과정에서 용접부를 박리시키는 응력 상태로 되어 쉽게 박리하기 쉽지만, 본 실시 형태에 따른 가동 전극에서 형성된 대직경의 너깃 조인트에 의하면, 종래 전극에서 형성된 조인트보다도 판 간극이 작기 때문에 충돌 변형 시의 박리가 확실하게 억제된다.
<압괴 시험>
하기의 요령에 의해, 용접 구조체에 대하여 충돌 시험(소위 동적 변형 충격 시험)을 행하였다. 충격 시험은, 실제로 자동차가 충돌할 때의 기본 시험 양식인 굽힘 변형, 및 축 압궤 변형의 2종류의 조건에 의해 행하였다.
1. 굽힘 변형
강판 A 및 B를 사용한 햇형 채널 부재 및 클로징 플레이트 부재를 준비하였다. 도 8에, 햇형 채널 부재, 및 클로징 플레이트 부재의 형상 및 치수를 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 햇형 채널 부재는, 폭이 120㎜, 높이가 60㎜, 길이가 600㎜이며, 폭 방향 양측에 폭 20㎜의 돌출부(굴곡부 및 플랜지)를 갖고 있었다. 이 플랜지를, 햇형 채널 부재와 동일한 길이 및 폭을 갖는 클로징 플레이트 부재에 적층하여, 클로징 플레이트 부재와 스폿 용접하였다.
스폿 용접은, 가동 전극, 및 통상 전극을 각각 사용하여 행하였다. 용접부의 피치는, 17.5㎜, 및 35㎜로 하였다.
이 용접 구조체를, 클로징 플레이트 부재를 상방을 향한 상태에서, 2개의 반 원통 형상의 지그(원통부의 곡률 반경: 30㎜) 위에 적재하였다. 이때, 각 지그는, 원통부를 상방을 향하여, 2개의 지그가 평행하게, 이들 간격이 440㎜로 되도록 배치하였다.
이 상태의 용접 구조체의 길이 방향 중간부에 대하여 상방으로부터, 유압 압축 시험기에 의해, 반 원통 형상의 임팩터(원통부의 곡률 반경: 150㎜)를 원통부를 하방을 향해서, 속도 8.6㎞/h의 속도로 충돌시켰다.
그 때, 임팩터의 변위를 측정함과 함께, 그 굽힘 변형에 수반되는 변형 저항을, 임팩터에 내장한 압전식의 로드셀에 의해 측정하였다. 임팩터의 이동량인 시험 변위는 60㎜로 하였다. 시험 변위에 대한 변형 저항의 곡선에 기초하여, 변형 저항을 시험 변위(임팩터가 용접 구조체에 충돌하고 나서 45㎜ 이동할 때까지)로 적분하여, 용접 구조체가 굽힘 변형될 때의 흡수 에너지 U로 하였다.
도 9에, 너깃 직경 dng와 흡수 에너지 U의 관계를 나타낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 강판 A(Mat. A) 및 강판 B(Mat. B)를 사용한 경우의 모두가, 대개 너깃 직경 dng가 커짐에 따라서, 흡수 에너지 U가 커지게 된다. 강판 A를 사용한 경우에는, 너깃 직경 dng가 1.05d를 초과하면, 흡수 에너지 U는, 안정적으로 높은 값을 나타낸다.
강판 A를 사용한 경우에는, 피치의 차에 따라서는, 흡수 에너지 U에 큰 차는 나오고 있지 않다. 한편, 강판 B를 사용한 경우에는, 가동 전극으로 용접한 것을 비교하면, 피치가 17.5㎜의 용접 구조체는, 피치가 35㎜의 용접 구조체에 비하여, 흡수 에너지가 높아지는 경향이 있다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 강판 B는, 강판 A에 비하여, C 당량이 높다. C 당량이 높은 강판(예를 들어 Ceq>0.3의 강판)을 사용하는 경우에는, 충분히 높은 흡수 에너지를 얻기 위해서는, 피치를 짧게 하는 것이 바람직하다.
2. 축 압궤 변형
강판 C(두께 1.6㎜)를 사용한 햇형 채널 부재 및 클로징 플레이트 부재를 준비하였다. 도 10에, 햇형 채널 부재 및 클로징 플레이트 부재의 형상 및 치수를 나타낸다. 도 10에 도시한 바와 같이, 햇형 채널 부재는, 폭이 120㎜ 또는 126, 높이가 60㎜, 길이가 300㎜이며, 폭 방향 양측에 폭 20㎜ 또는 23㎜의 돌출부(굴곡부 및 플랜지)를 갖고 있었다. 햇형 채널 부재의 폭 방향에 관하여 각 굴곡부의 길이는 5㎜이며, 따라서, 플랜지의 폭은 15㎜ 또는 18㎜이다. 이 플랜지를, 햇형 채널 부재와 동일한 길이 및 폭을 갖는 클로징 플레이트 부재에 적층하여, 클로징 플레이트 부재와 스폿 용접하였다.
스폿 용접은, 가동 전극, 및 통상 전극을 각각 사용하여 행하였다. 용접부의 피치는, 35㎜로 하였다.
이 용접 구조체의 축 방향을 연직 방향을 향하여, 이 용접 구조체에 대하여, 그 축 방향으로 상방으로부터 질량이 850㎏의 추체를 4.83m의 높이로부터 자유 낙하시켜, 35㎞/h의 속도에서 충돌시켰다. 이때, 추체의 변위를 측정함과 함께, 용접 구조체의 변형 저항을, 압전식의 로드셀로 측정하였다. 그리고, 추체의 변위에 대한 변형 저항의 곡선에 기초하여, 변형 저항을 추체의 변위(추체가, 용접 구조체에 충돌하고 나서, 200㎜ 이동할 때까지)로 적분하여, 용접 구조체가 축 압궤 변형할 때의 흡수 에너지 U로 하였다.
도 11에, 너깃 직경 dng와 흡수 에너지 U의 관계를 나타낸다. 도 11의 범례에서, 플랜지의 폭이 20㎜인 경우를 「lf=20㎜」라 기재하고, 플랜지의 폭이 23㎜인 경우를 「lf=23㎜」라 기재하고 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 대개 너깃 직경 dng가 커짐에 따라서, 흡수 에너지 U는 커지게 되고, 너깃 직경 dng가 1.05d를 초과하면, 흡수 에너지 U는, 안정적으로 높은 값을 나타낸다.
또한, 이상 설명한 가동 전극에 의한 용접을 주 접합으로 하고, 보조 접합으로서 레이저 용접이나 접착을 병용해도 된다. 이 경우, 접착제로서는, 전기를 통과시키는 웰드 본드 등의 접착제를 사용할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에서의 통상의 지식을 갖는 사람이면, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
10, 41∼46: 용접 구조체
11, 51∼56: 제1 강판
12, 61∼66: 제2 강판
73∼76: 제3 강판
13, 41a, 42a: 스폿 용접부
14: 너깃
15: 압흔

Claims (11)

  1. 2매 또는 3매의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 상기 강판이 접합된 용접 구조체이며,
    너깃의 직경을 dng(㎜), 상기 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 상기 적층부에서의 상기 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 할 때, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서 하기 (a)의 조건을 만족하는, 용접 구조체.
    (식 1)
    (a) 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우: dng>1.05d
  2. 제1항에 있어서,
    하중이 가해짐으로써 소성 변형하는 것이 예정된 변형 예정 영역을 포함하고,
    적어도 상기 변형 예정 영역 내에 상기 스폿 용접이 실시되어 있는, 용접 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변형 예정 영역에서는, 플래시의 부착이 없는, 용접 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강판의 인장 강도가 980MPa 이상인, 용접 구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 적층부에 있어서 상기 강판에 압박되는 전극체와, 상기 전극체의 주위에서 상기 강판에 압박되는 링 형상 부재를 갖는 복합 전극인, 용접 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복합 전극은,
    상기 적층부에 있어서 상기 강판에 대향하여 압박되는 제1 및 제2 상기 링 형상 부재와,
    상기 제1 및 제2 링 형상 부재에 각각 설치된 관통 구멍에 각각 삽입되고, 상기 적층부에 있어서 상기 강판에 대향하여 압박되는 제1 및 제2 상기 전극체
    를 갖고,
    상기 강판을 개재해서 상기 제1 및 제2 전극체 사이에 전류가 흐르게 되는, 용접 구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조건 (a)를 만족하는 상기 스폿 용접부가, 20%∼60%의 범위에 존재하는, 용접 구조체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스폿 용접부에 대하여, 하기 식(3)으로 정의되는 C 당량 Ceq가, 0.13질량% 이상인, 용접 구조체.
    (식 3)
    Ceq=[C]+1/90[Si]+1/100([Mn]+[Cr])
    단, [C]: 상기 스폿 용접부의 평균 C 함유량(질량%)
    [Si]: 상기 스폿 용접부의 평균 Si 함유량(질량%)
    [Mn]: 상기 스폿 용접부의 평균 Mn 함유량(질량%)
    [Cr]: 상기 스폿 용접부의 평균 Cr 함유량(질량%)
  9. 제2항에 있어서,
    상기 용접 구조체가, 자동차용의 부재이며, 상기 변형 예정 영역이, 축 압축 하중을 받는 것이 예정되어 있는, 용접 구조체.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 용접 구조체가, 자동차용의 부재이며, 상기 변형 예정 영역이, 굽힘 하중을 받는 것이 예정되어 있는, 용접 구조체.
  11. 2매 또는 3매의 강판이 적층된 적층부에서, 복수 개소에서의 스폿 용접에 의해, 상기 강판이 접합된 용접 구조체의 제조 방법이며,
    상기 스폿 용접을 실시하는 공정이, 제1 공정 및 제2 공정을 포함하고,
    상기 제1 공정에서는, 상기 적층부를 사이에 두고, 막대 형상의 제1 전극체와 막대 형상의 제2 전극체를 대향하여 배치시킴과 함께, 상기 제1 전극체가 삽입되는 관통 구멍을 갖고 후단부에 제1 탄성체가 연결된 제1 링 형상 부재와 상기 제2 전극체가 삽입되는 관통 구멍을 갖고 후단부에 제2 탄성체가 연결된 제2 링 형상 부재를 대향하여 배치하고,
    상기 제2 공정에서는, 상기 제1 전극체 및 상기 제2 전극체의 각 선단면을 상기 적층부에 압박함과 함께, 상기 제1 탄성체로부터 상기 제1 링 형상 부재에 압박하여 압력을 가하면서, 상기 제2 탄성체로부터 상기 제2 링 형상 부재에 압박하여 압력을 가하면서, 상기 제1 링 형상 부재 및 상기 제2 링 형상 부재의 각 선단면을 상기 적층부에 압박하여, 상기 적층부를 가압하고, 상기 제1 전극체와 상기 제2 전극체의 사이에 전류를 인가하고,
    상기 제1 공정 및 상기 제2 공정에 의해, 스폿 용접부는, 평균 두께 tave(㎜)에 따라서 하기 (c) 또는 (d)의 조건을 만족하는, 용접 구조체의 제조 방법.
    (식 4)
    (c) 0.5㎜≤tave<1.1㎜인 경우: dng>d(tave)1/2
    (식 5)
    (d) 1.1㎜≤tave≤2.6㎜인 경우: dng>1.05d
    단, 너깃의 직경을 dng(㎜), 스폿 용접에 사용한 전극의 선단 직경을 d(㎜), 상기 적층부에서의 상기 강판 1매당 평균 두께를 tave(㎜)라 한다.
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