TWI505890B - 電阻點銲接頭的評估方法 - Google Patents

Description

電阻點銲接頭的評估方法

本發明是關於：由搭接電阻銲接法(Lap Resistance Welding Method)之其中一種的電阻點銲所形成，且具有絕佳抗拉強度的接頭。

近年來，為了達成兼顧車體的高可靠性、及以降低廢氣排放為目的之車體重量的減輕，因此發展鋼板的高強度化。藉由採用高強度鋼板，相較於傳統的鋼材，即使形成材料厚度的薄型化、輕量化，也能獲得相同程度的車體剛性，但仍被指出若干個解決的課題。其中一個課題為：隨著高強度化的形成，車體組立時之銲接部的品質下降。

如第1圖所示，電阻點銲，是利用上下一對的電極端(下電極端4與上電極端5)，挾持「重疊2張以上之鋼板(在此，為下鋼板1與上鋼板2的2張鋼板)」的板組3，並藉由加壓、通電而使其熔融，形成必要尺寸的銲塊6，而獲得銲接接頭(welded joint)。

以上述方式所獲得之接頭的品質，是採用以下的方式進行評估：判斷是否可獲得充分的銲塊徑、或者剪斷抗拉強度(朝接頭的剪斷方向實施拉伸試驗時的強度)、十字抗拉強度(cross tension strength：朝接頭的剝離方向實施拉伸試驗時的強度)、或疲勞強度等。其中，剪斷抗拉強度和十字抗拉強度的靜態強度(static strength)，被 當成銲接接頭的品質指標而非常受到重視。

其中，點銲部的拉伸剪斷強度，具有「隨著鋼板之抗拉強度的增加而增加」的傾向。但是，十字抗拉強度卻與鋼板之抗拉強度的增加無關，幾乎不會增加，反而減少。其原因被認為是因為：高強度鋼板為了達成其強度，不得不增加以(1)式所示的碳當量(carbon equivalent)Ceq，除此之外，由於銲接呈現急熱急冷現象，因此在銲接部及受熱影響部，硬度上升且韌性下降之故。

Ceq=C+1/24×Si+1/6×Mn(%)．．．(1)

在該式中，%是意味著質量%。

當使用高強度鋼板時為了確保接頭強度，根據銲接法的觀點，考慮增加銲點數量或加大銲塊徑。但是，一旦增加銲點數量，除了分流的影響變大之外，將隨著作業時間的增加導致生產性惡化。此外，為了擴大銲塊徑，不得不使電極變大，且為了防止銲接金屬的飛散(散落)而不得不將加壓力增大，以致受到裝置性的限制，且由於後熱影響部擴大，也存在有母材的性質與狀態受損的缺點。

因此，乃利用與傳統相同、或者更少(小)的銲點數量及銲塊徑進行了各種的嚐試(試驗)。就該試驗而言，大多數是「在使銲接部一度形成凝固、變態後藉由再加熱，促使銲塊及HAZ部分軟化的回火通電」的檢討。這是為了圖謀銲塊之韌性的提升、和銲接部附近之應力集中的緩和，以求實現接頭部的強度提升。

因此，就接頭的品質保證而言，著眼於硬度的檢討也 不在少數。其中一例如專利文獻1和專利文獻2，測量銲塊及受熱影響部的硬度，並藉由使該測量值進入一定的範圍，而可保證接頭部的高強度。

[專利文獻1] 日本特開2008-229720號公報

[專利文獻2] 日本特開2009-001839號公報

然而，雖然存有「硬度的下降將促使剪斷抗拉強度下降」的指摘，但此一說法並非必然。因此，當欲確保電阻點銲接頭的接頭強度時，硬度以外的指標是不可或缺的。

本發明是針對含有高強度鋼板之板組的電阻點銲，解決前述的問題，本發明的的目的是提供一種：根據不依存於硬度的指標，來確保接頭強度的電阻點銲接頭。

本案的發明人，為了解決前述的課題，乃刻意針對「含有高張力鋼板的板組、且具有絕佳十字抗拉強度的電阻點銲接頭」進行了檢討。

首先，使用抗拉強度980MPa級的雙相鋼(duplex steel)，對決定接頭強度的因素進行檢討。而如同以上所說明，代表「電阻點銲的接頭強度之靜態強度」的拉伸剪斷強度與十字抗拉強度之中，拉伸剪斷強度配合鋼板的高 強度化而提升，另外十字抗拉強度則有下降的傾向。有鑑於此，更加重視十字抗拉強度而進行了檢討。

在此，電阻點銲接頭的十字抗拉強度與斷裂形態之間存有關聯，已知低強度銲接接頭會在鋼板產生斷裂成平行狀的剝離斷裂，隨著強度的增加，則會朝向「在其中1張鋼板殘留的狀態下被拔除，而斷裂成按鈕狀」栓狀斷裂(plug fracture)變化。亦即，為了確保接頭強度，抑制剝離斷裂的這點變得非常重要。剝離斷裂現象，是指斷裂在銲塊中進行所致，因此針對「銲塊組織及金屬元素的偏析(Segregation)狀態對斷裂的影響」這點進行了檢討。

檢討中得知：銲塊之偏析的形態，可能成為龜裂(裂痕)發生的主要因素。經對各種條件進行的檢討之後，發現形成銲塊且使其冷卻之後，藉由執行再通電，將使枝狀組織產生變化。利用數值解析進行評估後，得知在上述的冷卻期間，有時尚未開始形成麻田散鐵變態。

在對各種條件進行檢討的過程中，發現藉由執行「直到枝狀(dendrite)組織消失之程度為止」的再加熱，雖然銲塊徑並未變化，卻從傳統的剝離斷裂變成栓狀斷裂，也可提升十字抗拉強度。該接頭，就銲塊的硬度而言並無變化，消較於僅執行主通電(指實際使被銲接物熔融接合的通電)的場合，金屬組織也無顯著的差異。

在利用FE-EPMA(Field Emission Electron Probe Micro Analyser：高解析度場發射電子微探儀)對該枝狀構造的變化進行詳細分析後，清楚地得知銲塊的金屬成分 中，特別是P的分布狀態形成變化。在傳統的接頭中，看見與枝狀組織對應且彰顯P的峰值，並觀察到相對於母材組織形成2倍~10倍濃度的部分。另外，枝狀組織減少、消失的部分，P相對於母材組織形成約2倍以下之範圍的情形變得十分明顯。

基於上述的事實，本案的發明人得到以下的見解：為了確保銲塊的強度，特別是從「容易導入龜裂的電暈接合部端」起之一定距離的範圍，P的濃度分布必須呈現低水準。

本發明是根據上述的見解所完成，而具有以下的特徵。

(1)一種電阻點銲接頭的評估方法，是薄鋼板的電阻點銲接頭的評估方法，其特徵為：當將薄鋼板所構成之銲塊的直徑定義為d時，在被電暈接合部所圍繞之該銲塊的水平面上，對從熔融部端部到該銲塊內部方向，被d/100之距離的封閉曲線與d/5之距離的封閉曲線所圍繞的該銲塊內的領域所存在的P量的分布狀態實施面分析，P的濃度m(質量%)超出母材成分P的濃度M(質量%)2倍的面積率，為5%以下。

(2)如(1)所記載的電阻點銲接頭的評估方法，其特徵為：前述薄鋼板的數量為3張以上。

根據本發明，相對於含有至少1張以上之高張力鋼板的2張以上的板組，藉由使銲塊的偏折下降，且難以產生龜裂，可提供一種：抑制剝離斷裂，且不會使其軟化之高強度的電阻點銲接頭。

根據圖面對本發明的其中一種實施形態進行說明。

形成本發明的銲接接頭時所適用的銲接裝置，只要具備上下一對電極端，由一對電極端來挾持欲進行銲接的部分而進行加壓、通電，且具有可於銲接過程中，分別任意地控制加壓力、銲接電流的加壓力控制裝置及銲接電流控制裝置即可，加壓機構(氣壓缸或伺服馬達等)、電流控制機構(交流或直流等)、形式(定置式，銲接機器人等)等並無特殊的限制。

在該接頭中，當由2張薄鋼板所構成之銲塊的徑定義為d時，在被電暈接合部所圍繞之銲塊的水平面上，對從熔融部端部到銲塊內部方向所存在之P量的分布狀態實施面分析，並對P量進行評估。但由於點銲是將軸作為中心而形成對稱，因此只要在該範圍內，選擇性地限定範圍進行評估即可。由d/100之距離的封閉曲線、與d/5之距離的封閉曲線所圍繞的銲塊內領域；以及用於評估之各長度的位置關係一起顯示於第2圖。在第2圖中，封閉曲線(d/100)及封閉曲線(d/5)分別表示從熔融部端部到銲 塊內部方向，d/100之距離的封閉曲線與d/5之距離的封閉曲線。該圖面為示意圖，因此雖採用真圓的圖示來標示，且一旦實施時近似於真圓，卻不意味著一定只能形成真圓狀，有時也會稍有差異。

在此，所謂「被電暈接合部所圍繞之銲塊的表面」，由於電暈接合部通常強度較低，故當拉伸試驗時，最先產生剝離，而在銲塊形成龜裂開口端，因為此一緣故，被認為最適合用於評估。但因為電暈接合部的強度等導致龜裂方向沿著上下，故將「從與電暈接合部相同高度的面起，約銲塊之厚度的1/10左右」的範圍作為計測範圍即可。

不僅如此，所謂「從熔融部端部起d/100」，是基於「凝固最端部形成部分熔融，並非本次的評估對象」的考慮。此外，所謂「從熔融部端部起d/5」，是基於「對龜裂產生影響的範圍為d/5」的考慮。而「將上限定義為更小範圍的d/10以下」的作法更為適合。

針對上述領域的局部或者整個領域，利用面分析執行P的分析。在本評估中，EPMA的分析最為合適。

求出「P的濃度m(質量%)超出母材成分中P濃度M(質量%)2倍」的面積，並對由前述2條封閉曲線所圍繞之領域的面積進行比較，而評估面積率。

在此，母材成分中P的濃度M(質量%)，在2張鋼板之組合的場合中，如果具有相同的化學成分，便視為該鋼板所含有的P濃度(質量%)。當不同成分(P1、P2)(質量%)且不同板厚(t1、t2)(mm)時，可近似地採 用P=(P1×t1+P2×t2)/(t1+t2)的方式來計算求取。

在3張鋼板的場合中，該鋼板所含有的P濃度(質量%)，如同第3圖所示，根據「鋼板2完全熔融於與電極接觸的鋼板1及鋼板3」的觀點，藉由切斷銲接後的剖面，並採用觀察銲塊所得到之電極與同一軸上的銲塊厚度(t1~t3)，而以下述的計算式所示：P=(P1×t1+P2×t2+P3×t3)/(t1+t2+t3)。

不僅如此，在鋼板比3張更多出n張的場合中，可採用銲塊厚度(t1~tn)而同樣以P=(P1×t1+P2×t2+P3×t3+．．．+Pn×tn)/(t1+t2+t3+．．．tn)來表示。

而所謂「3張以上的板組中，在被電暈接合部所圍繞之銲塊的水平面上」是指：存在於作為「欲評估接頭強度之對象」的2張板組間的界面，且被電暈接合部所圍繞之銲塊的水平面上。舉例來說，在第4圖中，評估鋼板2及鋼板3間的接頭強度時，以實線表示的部分是該電暈接合部，被電暈接合部所圍繞之銲塊的水平面則是以點線的部分。

P的濃度m(質量%)被要求為：超過母材成分之P濃度M(質量%)2倍的領域，為面積率的5%以下。

如此一來，所謂「P的濃度m(質量%)超出母材成分之P濃度M(質量%)2倍的領域」，是因為在超過2倍的場合中，起因於凝固偏析的脆性破壞被顯著地引發。而所謂「面積率為5%以下」，是因為藉由定義為5%以下，可充分地抑制破壞的產生。

在本評估中，雖然如先前所述，利用EPMA執行的分析最合適，但也可以執行其他EDX或WDX的分析。在執行EPMA之分析的場合中，最好是以下述的條件執行：加速電壓13~17kV；照射電流為1×10^-7 A以上、3×10^-7 A以下；光束徑為1~3μm；步驟數為1~3；計數時間3~10s/points。

在上述範圍中執行面分析，並算出面積率。但亦可簡易地利用線分析來執行評估。面積率可利用影像解析(image analysis)裝置求出。此時，藉由更進一步將面積率定義為3%以下，可更進一步減少P所帶來的影響，而獲得更佳的高強度接頭。

製作「P的濃度m(質量%)超出母材成分之P濃度M(質量%)2倍」的面積率為5%以下的電阻點銲接頭時，存有幾種方法。首先，在實施例中是採用以下的條件執行：於電阻點銲中形成銲塊的主要步驟後，各執行2次「放置一段無通電的時間形成冷卻，然後執行再度通電時間(後續步驟通電時間)」。此時，構成有若干電暈接合部之2張板組中，較薄的板保有板厚t，於其界面之銲塊徑的尺寸必須為3√t~6√t的範圍，這是為了在電阻點銲中確保最低限度的銲塊，並防止因為變得過大而使熱的影響變大。

在已形成銲塊之後，放置4個週期(cycle)~30個週期的無通電時間Tc(1個週期為0.02S)。這是由於：除了必須確保最低限度的凝固之外，冷卻後需要再加熱的 作法非常沒有效率。在此之後，執行二個階段的通電。第1階段的通電電流值I p1低於第2階段的通電Ip2，以抑制因為快速且大量的通電所引發的飛散(散落)。不僅如此，基於「為了使P充分地擴散，必須使銲塊高温化」的觀點，Ip2最好是較1m更高的電流。此外，二階段之通電時間的總合Tp=Tp1+Tp2，為了抑制銲接時間，最好是設定成最多20個週期。而，本接頭除了利用電阻點銲處理(process)實現之外，也可以利用「採用誘導加熱等」的後熱裝置來執行加熱。

實施例1

本發明的實施例，如前述的第1圖所示，針對重疊2張鋼板(下鋼板1、上鋼板2)的板組3，採用「利用安裝於銲接槍的伺服馬達加壓式的單相交流(50Hz)」的電阻銲接機執行電阻點銲，而製作成電阻點銲接頭。而所使用的一對電極端(下電極端4、上電極端5)，如同第5圖所示，是具有前端的曲率半徑R40，且前端徑6mm的氧化鋁分散銅的DR型電極。

試驗片是採用：下鋼板1與上鋼板2為相同鋼種(具有相同化學成分的鋼板)，且具有相同板厚的鋼板，並且使用抗拉強度780Mpa等級、抗拉強度980Mpa等級、1180Mpa等級、抗拉強度1470Mpa等級的冷延鋼板。採用上述的鋼板，執行依據JIS Z3137的溶接及拉伸試驗。

本發明例，是根據上述本發明的其中一種實施形態執 行電阻點銲。執行電阻點銲時，如第6圖所示，各執行2次「加壓狀態下未通電的時間(無通電時間Tc)」、與「執行再度通電(Ip1、Ip2)的時間(後續步驟通電時間TP1、Tp2)」。

另外，傳統例僅執行了主要步驟的電阻點銲。

在表1中，顯示本發明例與傳統例、比較例的銲接條件與銲接結果。本表所未顯示的銲接條件(譬如，擠壓(squeeze)時間或者衰減(slope)時間)，係並未設定。此外，確認了銲塊徑並未因為後續步驟的通電而擴大。

針對銲接後的銲塊部，在被電暈接合部所圍繞的面上，從熔融部端部到銲塊內部方向，在被d/100之距離的封閉曲線與d/5之距離的封閉曲線所圍繞的銲塊內的領域，也就是指從熔融端部起d/100~d/5的距離所圍繞之中空圓狀範圍的領域中，利用EPMA對30μm平方之範圍中的任意5點(處)，執行P之分布狀態的面分析。除此之外，對母材P量M評估形成2倍以上之偏析部的面積率。

此外，執行上述接頭的拉伸試驗，並對斷裂時的荷重進行比較。對比較的結果進行整理，相對於傳統例，提高者標示○，相等或下降者則標示×。

其結果，相較於傳統例與比較例，在本發明例中P的濃化部減少，可認定為十字抗拉強度提高。

實施例2

本發明的實施例，如前述的第3圖所示，針對重疊3張鋼板(下鋼板1、中鋼板3、上鋼板3)的板組，採用「利用安裝於銲接槍的伺服馬達加壓式的單相交流(50Hz)」的電阻銲接機執行電阻點銲，而製作成電阻點銲接頭。而所使用的一對電極端(下電極端4、上電極端5)，如同第5圖所示，是具有前端的曲率半徑R40，且前端徑6mm的氧化鋁分散銅的DR型電極。

試驗片的板組如表2所示。在表2中，強度是指抗拉強度，未電鍍的場合是採用冷延鋼板，GA則表示GA鋼板(鍍鋅鋼板)。而GA鋼板之鋅的電鍍量為45g/mm² 。採用上述的鋼板，執行依據JIS Z3137的溶接及拉伸試驗。而執行拉伸試驗的部分，是指整個鋼板1與鋼板2之間。

然後，本發明例，是根據上述本發明的其中一種實施形態執行電阻點銲。執行電阻點接時，如第6圖所示，各執行2次「加壓狀態下未通電的時間(無通電時間Tc)」、與「執行再度通電(Ip1、Ip2)的時間(後續步驟通電時間TP1、Tp2)」。

另外，傳統例僅執行了主要步驟的電阻點銲。

在表3中，顯示本發明例與傳統例、比較例的銲接條件與銲接結果。本表所未顯示的銲接條件(譬如，擠壓時間或者衰減時間)，係並未設定。此外，確認了銲塊徑並未因為後續步驟的通電而擴大。

針對銲接後的銲塊部，在「存在於鋼板1與鋼板2間」被電暈接合部所圍繞的面上，從熔融部端部到銲塊內部方向，在被d/100之距離的封閉曲線與d/5之距離的封閉曲線所圍繞的銲塊內的領域，也就是指從熔融端部起d/100~d/5的距離所圍繞之中空圓狀範圍的領域中，利用EPMA對30μm平方之範圍中的任意5點(處)，執行P之分布狀態的面分析。除此之外，對母材P量M評估形成2倍以上之偏析部的面積率。

此外，執行上述接頭的拉伸試驗，並對斷裂時的荷重進行比較。對比較的結果進行整理，相對於傳統例，提高者標示○，相等或下降者則標示×。

其結果，相較於傳統例與比較例，在本發明例中P的濃化部減少，可認定為十字抗拉強度提高。

1‧‧‧下鋼板

2‧‧‧上鋼板

3‧‧‧板組

4‧‧‧下電極端(bottom electrode tip)

5‧‧‧上電極端(upper electrode tip)

6‧‧‧銲塊

t‧‧‧總板厚(mm)

d‧‧‧銲塊直徑

第1圖：為本發明其中一種實施形態之電阻點銲方法的示意圖。

第2圖：是用來表示銲塊與分析測量範圍的示意圖。

第3圖：是顯示3張的板組時，對母材成分之P(磷)濃度M進行評估的圖。

第4圖：是顯示3張的板組時，母材成分之電暈接合部的示意圖。

第5圖：是表示電極形狀之剖面的示意圖(實施例所使用的電極)。

第6圖：是顯示本發明的其中一種實施態樣的銲接時間與電流間之關係的示意圖。

d‧‧‧銲塊直徑

t‧‧‧總板厚(mm)

1‧‧‧下鋼板

2‧‧‧上鋼板

3‧‧‧板組

4‧‧‧下電極端(bottom electrode tip)

5‧‧‧上電極端(upper electrode tip)

6‧‧‧銲塊

Claims (2)

1. 一種電阻點銲接頭的評估方法，是薄鋼板的電阻點銲接頭的評估方法，其特徵為：當將薄鋼板所構成之銲塊的直徑定義為d時，在被電暈接合部所圍繞之該銲塊的水平面上，對從熔融部端部到該銲塊內部方向，被d/100之距離的封閉曲線與d/5之距離的封閉曲線所圍繞的該銲塊內的領域所存在的P量的分布狀態實施面分析，P的濃度m(質量%)超出母材成分P的濃度M(質量%)2倍的面積率，為5%以下者判定為強度充分的接頭。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的電阻點銲接頭的評估方法，其中前述薄鋼板的數量為3張以上。