JP5713147B2 - 重ね合せ溶接部材、自動車用部品、重ね合せ部の溶接方法、及び、重ね合せ溶接部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2012年8月10日に、日本に出願された特願2012−178691号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
さらに、高張力鋼板の強度レベルも年々高まっており、例えば、1500MPa以上の引張強さを有するホットスタンプ材が実用化されている。ここで言うホットスタンプ材は、鋼板を約900℃に加熱して軟質化させた状態でプレス加工を行い、同時に金型との接触に伴う冷却効果(接触冷却)により焼き入れ強化することで、上述のような1500MPa級の引張強さと良好な寸法精度を実現するものである。
この抵抗スポット溶接によれば、通電加熱により楕円体の溶融凝固部、すなわち、ナゲットが重ね合せ部に形成され、これにより複数の鋼板部材を接合することができる。
より詳細には、図1の(a)は、TRIP材S11、S12の厚さ方向(すなわち、電極による加圧方向)を紙面上下方向としてスポット溶接部10の近傍を概念的に示す断面図である。なお、本願明細書の以下の説明においては、2つの重ね合わせた部材を図1の(a)と同様の断面で見た場合の図を、「スポット溶接部断面図」と称して説明する場合がある。
また、図1の(b)は、図1の(a)と対応させたビッカース硬さの分布を概念的に示すグラフである。
抵抗スポット溶接により生じた溶融金属は冷却速度が速いので、ナゲット12にはマルテンサイトを生じやすく、その結果、ナゲット12は母材部と比較して硬い組織になる。尚、一般的に、母材強度が高い場合には炭素当量が高いため、ナゲットのビッカース硬さが高くなる。
図1に示すように、スポット溶接部10は、ナゲット12とHAZ14を備えており、HAZ14は、ナゲット12と近接するHAZ硬化部14Hと、HAZ硬化部14Hの周囲に形成されるHAZ軟化部14Tとを有している。また、HAZ軟化部14Tの内周縁にはHAZ最軟化部14Lが存在する。
しかしながら、母材の引張強さが780MPa級より高い場合には、母材強度が高くなるにつれて、十字引張強さに代表される剥離強度が低下する傾向がある。
十字引張試験は、図2Aに示すように、鋼板からなる二つの試験片S21、S22を直交配置させて、抵抗スポット溶接によりナゲット12を有するスポット溶接部10を形成して接合する。
その後、試験片S21、S22を互いに剥離する方向に引っ張って、スポット溶接部10が破断するまでの剥離強度を測定する。
(a)ナゲット内の板−板間の界面で破断する界面破断と、
(b)図2Bに示すように、ナゲット12の内部(ナゲット端12Eよりも内方)にき裂が進展した後に板厚方向へ破断する部分プラグ破断と、
(c)図2Cに示すように、ナゲット12は破損せずにナゲット12の外周部分が板厚方向に破断するプラグ破断と、
に分類される。
図2Dにおいて、「黒塗りの丸」はプラグ破断を、「白抜きの丸」は部分プラグ破断を示している。
図2Dに示すように、十字引張強さは、1500MPa級ホットスタンプ材(ホットスタンプにより引張強さ1500MPa級となるホットスタンプ用鋼板をホットスタンプした後の鋼板部材)では約9kNであり、1800MPa級ホットスタンプ材(ホットスタンプにより引張強さ1800MPa級となるホットスタンプ用鋼板をホットスタンプした後の鋼板部材)では約4kNである。
一方、980MPa級以下の高強度鋼板の十字引張強さは約8〜14kNである。
すなわち、1500MPa級以上のホットスタンプ材は、980MPa級以下の高強度鋼板と比較して、十字引張強さが大幅に低下する。
また、十字引張試験による破断形態は、980MPa級以下の高強度鋼板ではナゲット12の外方で破断するプラグ破断が主体であり、一方、1500MPa級ホットスタンプ材や1800MPa級ホットスタンプ材では、部分プラグ破断が主体である。
これは、1500MPa級以上のホットスタンプ材では、ナゲットの靱性が低いことによりナゲットに亀裂が生じやすいことを示している。
従って、高張力鋼板のスポット溶接部の剥離強度の改善には、例えば、ナゲット径の拡大が有効である。
チリ発生の抑制には、例えば、電極による加圧力の増加が有効であるが、溶接ガンの剛性の限界といった設備上の制約を受ける。
さらに、スポット溶接の打点間距離が短くなると、既に形成されたスポット溶接部への電流の分流が生じ、ナゲットを安定的に形成できないという課題が生じる。
このような技術として、本通電によりナゲットを形成し、一旦冷却した後に再度通電を行う、後通電法が開示されている(例えば非特許文献1参照)。
(A)従来の通常条件により1回目の通電(本通電)を行ってナゲットを形成し、
(B)所定の休止時間を設けてナゲット周辺にマルテンサイトが形成されるまで冷却し、(C)2回目の通電(後通電)によりマルテンサイトを焼き戻す。
このような後通電法によれば、ナゲットおよびスポット溶接部の熱影響部(Heat-Affected Zone、以下HAZという)が焼き戻されて靭性が改善されることと、HAZが軟化されることによって変形し易くなることで、ナゲット端部領域における剥離時の応力が低減されることから、剥離強度を改善することが可能となると考えられている。
ここで生じたマルテンサイトは、後通電の電流条件等を制御して入熱量を調整することで、焼き戻しが可能となる適正温度範囲(すなわち、図3に示すように、約550℃〜600℃以上かつAc1点以下)まで昇温されて、後通電が完了した後に冷却されることにより、焼き戻しマルテンサイトとなる。
Phase)材又はTRIP材である試験片S31、S32を重ね合せてスポット溶接部10を形成し、後通電した後におけるスポット溶接部10の硬さ分布を概念的に説明する図である。
より詳細には、図4の(a)は、スポット溶接部断面図であり、図4の(b)は、図4の(a)の位置と対応させたビッカース硬さの分布を概念的に示すグラフである。
この時点では、図1の(b)に示すように、スポット溶接部10は、ナゲット12とHAZ14を備えており、HAZ14は、ナゲット12と近接するHAZ硬化部14Hと、HAZ硬化部14Hの周囲に形成されるHAZ軟化部14Tとを有している。また、HAZ軟化部14Tの内周縁にはHAZ最軟化部14Lが存在する。
しかしながら、HAZ硬化部14Hには、局所的に硬い部分14Pが残存するので、剥離時にHAZ14の硬い部分は変形せず、変形がナゲット端12Eの近傍に集中するため、ナゲット端12Eの応力集中を十分に改善することにはならない。
より詳細には、図5の(a)は、試験片S41、S42に対して単通電により形成したナゲット12を含むスポット溶接部断面図であり、図5の(b)は、図5の(a)と位置を対応させたビッカース硬さの分布を概念的に示すグラフである。
また、図5の(c)は、後通電後のナゲット12を含むスポット溶接部断面図であり、図5の(d)は、図5の(c)と位置を対応させたビッカース硬さの分布を概念的に示すグラフである。
なお、図5の(d)に示す二点鎖線は、本通電後であって後通電前の状態におけるビッカース硬さの分布を示している。
すなわち、焼き戻しによる靭性向上効果が十分に得られないため、スポット溶接部10の剥離強度を充分に確保することは容易ではない。
その結果、ナゲット12の靱性が低下して、スポット溶接部10の剥離強度は低下する。
しかしながら、具体的に、軟化の状態は示されておらず、十字引張強さは改善するとされているものの、そのメカニズムは不明瞭であり、必ずしも剥離強度を十分に改善できなかった。
また、特許文献3、引用文献4に開示された技術は、本発明で対象とするような1500MPa級以上のホットスタンプ材等では、効果が得られない技術である。
(1)本発明の第一の態様は、複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材であって、前記複数の鋼板部材のうちの少なくとも一つがマルテンサイトを含み;前記スポット溶接部が、スポット溶接により形成されたナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成された熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、前記ナゲットの中心部と前記最軟化部との間に形成され、焼き戻しマルテンサイトからなるとともにそのビッカース硬さが前記最軟化部のビッカース硬さを100%とした場合に120%以下である焼き戻し領域と、を有する;重ね合せ溶接部材である。
(2)本発明の第二の態様は、複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材であって、前記複数の鋼板部材のうちの少なくとも一つがマルテンサイトを含み;前記スポット溶接部が、抵抗スポット溶接により形成されたナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成された熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、を有し;前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(1)式を満足する;重ね合せ溶接部材である。
D≦t0.2 ・・・(1)式
(3)上記(1)又は(2)に記載の重ね合せ溶接部材では、前記複数の鋼板部材にホットスタンプ材が含まれていてもよい。
(4)本発明の第三の態様は、上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の重ね合せ溶接部材を含む自動車用部品である。
(5)本発明の第四の態様は、複数の鋼板部材の重ね合せ部に、ナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、を有するスポット溶接部を抵抗スポット溶接により形成する抵抗スポット溶接工程と;前記ナゲットの中心部と、前記最軟化部との間に、焼き戻しマルテンサイトからなるとともにそのビッカース硬さが前記最軟化部のビッカース硬さを100%とした場合に120%以下である焼き戻し領域を形成する焼き戻し工程と;を備える重ね合せ部の溶接方法である。
(6)上記(5)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程で、前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(2)式を満たすように通電してもよい。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(2)式
(7)上記(5)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程の前に、通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、前記板厚t(mm)とが下記(3)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;前記抵抗スポット溶接工程で、通電時間をT2(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(4)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;前記予熱電流I(kA)と前記溶接電流I0(kA)とが、下記(5)式を満たしてもよい。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(3)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(4)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(5)式
(8)上記(5)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程では、前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(6)式を満足するように前記抵抗スポット溶接を行い;前記焼き戻し工程が、後通電により前記焼き戻し領域を形成する後通電工程であってもよい。
D≦t0.2 ・・・(6)式
(9)上記(8)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程で、前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(7)式を満たすように通電してもよい。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(7)式
(10)上記(8)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程の前に、通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、前記板厚t(mm)とが下記(8)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;前記抵抗スポット溶接工程で、通電時間をT2(秒)とし、通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(9)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;前記予熱電流I(kA)と、前記溶接電流I0(kA)とが下記(10)式を満たしてもよい。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(8)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(9)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(10)式
(11)本発明の第五の態様は、複数の鋼板部材の重ね合せ部に、ナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、を有するスポット溶接部を形成する抵抗スポット溶接工程を備え;前記抵抗スポット溶接工程では、前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(11)式を満足するように前記抵抗スポット溶接を行う;重ね合せ部の溶接方法である。
D≦t0.2 ・・・(11)式
(12)上記(11)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程で、前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(12)式を満たすように通電してもよい。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(12)式
(13)上記(11)に記載の重ね合せ部の溶接方法では、前記抵抗スポット溶接工程の前に、通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、前記板厚t(mm)とが下記(13)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;前記抵抗スポット溶接工程で、通電時間をT2(秒)と、通電1サイクルの時間をcyc(秒)とが、下記(14)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;前記予熱電流I(kA)と、前記溶接電流I0(kA)とが下記(15)式を満たしてもよい。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(13)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(14)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(15)式
(14)本発明の第六の態様は、複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材の製造方法であって、前記複数の鋼板部材を、前記重ね合せ部の位置で重ね合せる、重ね合せ工程と;前記重ね合せ部を、上記(5)〜(13)のいずれか1項に記載の重ね合せ部の溶接方法により溶接する溶接工程と;を備える重ね合せ溶接部材の製造方法である。
また、ナゲット端とHAZ最軟化部との距離を小さくすると、ナゲット端部領域の剥離方向への荷重時にかかる応力が緩和されて剥離強度が大きく改善するとの知見を得た。
この知見に基づき、時間がかかる従来方式の後通電に代わって単通電でも強度を改善できる方法を開発した。
図6は、本発明の一実施形態に係る、例えば自動車用部品として用いられる重ね合せ溶接部材に形成されるスポット溶接部10の概略構成を説明するスポット溶接部断面図である。
本実施形態に係る重ね溶接部材は、この図6に示すように、鋼板部材S1、S2がスポット溶接部10を介して接合されることにより形成される。
図6に示すように、ナゲット12は、鋼板部材S1、S2をそれらの厚さ方向に挟み込む一対の抵抗スポット溶接用の電極50、50からの通電により、電極50の中心線CLを中心として鋼板部材S1、S2の重ね合せ部に形成されている。
その結果、ナゲット12は、デンドライトが板厚方向に成長する領域12Aと、デンドライトが板厚方向と交差して成長する領域12Bとを有することとなる。
HAZ14は、ナゲット12に隣接して形成されたHAZ硬化部14Hと、HAZ硬化部14Hの周囲に形成されたHAZ軟化部14Tとを有している。
また、HAZ軟化部14Tにおける内周部近傍には、ビッカース硬さが最も低いHAZ最軟化部14Lが形成されている。
図7に示した符号Dは、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離を示している。
本実施形態に係る短時間通電条件C11は、図8に示すように、通常通電条件C21の通電電流I21よりも高い通電電流I11でかつ従来の通常の通電時間T21よりも短い通電時間T11で電流を流す単通電を最初に行うことで、抵抗スポット溶接を行う。
図8において破線で示したのは、通常条件による1回目通電C21(電流値I21、通電時間T21)であり、電流値I11>電流値I21、通電時間T11(cyc)<通電時間T21(cyc)である。
また、図8において、短時間通電条件C11を、通常通電条件C21の時間軸の途中から示したのは、通電完了タイミングをそろえるためである。
そのため、短時間通電条件C11によれば、ナゲット12の周囲への過大な熱流が抑制されて、HAZ硬化部が縮小し、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離Dが小さくなる。
その結果、上記単通電のみで、剥離時にナゲット端部領域12B以外の部位にひずみを集中させることで、ナゲット端部領域12Bへの応力集中を緩和させることができ、剥離強度が向上する。
その結果、HAZ硬化部14Hの幅が小さくなり、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの間の距離Dが小さくなると考えられる。
このため、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの間にビッカース硬さが高い部分が形成されるのが抑制される。
すなわち、HAZ硬化部14Hが一様に軟化されることにより変形が容易となり、ナゲット端部領域12Bへの剥離時の応力が低減されるため、剥離強度を向上させることができる。
図9A、図9Bは、本実施形態に係る「(a)短時間通電条件」と、「(b)通常条件」とを、板厚1.6mmの1500MPa級ホットスタンプ材に適用して1回目通電した場合を示す図であり、図9Aがスポット溶接部断面図であり、また図9Bがスポット溶接部10の硬さ分布を示すグラフである。
硬さ分布の測定については、図9Aに示すように、ビッカース硬さを、鋼板部材S1、S2との接合面から、鋼板部材S1側に、鋼板部材S1の内部側に板厚の1/4離れた位置において、0.5mmピッチでJIS Z 2244に基づき荷重9.8Nで測定した。
図9Bのグラフにおいて、「白抜きのダイヤ」は短時間通電条件を示し、「白抜きの丸」は通常通電条件を示している。
尚、短時間通電条件は通電時間:9×cyc、通常条件は通電時間:20×cycとし、それぞれのナゲット径が4√t(mm)(tは板厚)となるように電流値を調整した。
図9A、図9Bから、「(a)短時間通電条件」による1回目通電を行うことにより、ナゲット端12EからHAZ最軟化部14Lとの距離Dが小さくなっていることがわかる。
短時間通電と通常条件を用いた弾塑性FEM解析にて、「(a)短時間通電条件」、「(b)通常条件」、「(c)HAZ軟化なし」の場合の相当塑性ひずみを求めた。以下詳細に説明を行う。
図10Aは、ナゲット端12EからHAZ最軟化部14Lまでの距離Dを0.75mmとして「(a)短時間通電条件」により1回目通電した単通電試験片の解析モデルを説明するスポット溶接部断面図である。
図10Bは、ナゲット端12EからHAZ最軟化部14Lまでの距離Dを1.5mmとして通常条件により1回目通電した単通電試験片の解析モデルを説明するスポット溶接部断面図である。
解析モデルは、図10Aに示す「(a)短時間通電条件」を模擬した場合と、図10Bに示す「(b)通常条件」を模擬した場合と、「(c)HAZ軟化なし」を模擬した場合の3パターンを用いた。
なお、図11において、「(c)HAZ軟化無し」の解析モデルにおけるPosition1は、「(b)通常条件」と同じ位置とした。
なお、図12において、「(c)HAZ軟化無し」の解析モデルにおけるPosition2は、「(b)通常条件」と同じ位置とした。
しかし、「(b)通常条件」と「(c)HAZ軟化なし」を比較すると、「(b)通常条件」のHAZ軟化位置では、ナゲットの端部領域の相当塑性ひずみに及ぼすHAZ軟化有無の影響はわずかであった。
図13Aにおいて、「白抜きの丸」は従来の単通電による980MPa級DP鋼を示している。
また、「白抜きのダイヤ」は従来の単通電による1500MPa級ホットスタンプ鋼を示している。
また、同鋼種で板厚の異なる板組では、板厚が薄い鋼板側で破断する。
以上の理由より、最も薄い鋼板部材の板厚tを用いる。
図13Bに示すように、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離D(mm)を、t0.2(mm)以下とすると、十字引張強さが約7kNまで向上し安定してプラグ破断とさせることができる。また、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離D(mm)を、0.75×(t0.2)(mm)以下とすると、十字引張強さが約8kNまで向上し、更に安定してプラグ破断とさせることができより好適である。
以上のように、スポット溶接部のナゲット端12EからHAZ軟化部14Tまでの距離Dを小さくすることにより十字引張強さが向上する。
特に、ナゲット端部領域12Bへの応力集中を緩和しても、ナゲット12自体の靭性が不足するためにナゲット内へき裂進展しプラグ破断が得られない継手に対しては、HAZ軟化部14Tの適正化に加えて後通電を行うことにより、従来よりも顕著な継手強度の向上効果を得られる。
このメカニズムは上述した通りである。
D≦t0.2・・・(1)式
を満足することにより、継手強度の充分な向上が得られる。
そこで、本実施形態に係る重ね合せ溶接部材では、ナゲット端12EからHAZ最軟化部14Lまでの距離Dが上記(1)式を満足することを条件とする。
また、ナゲット端12EからHAZの最軟化部までの距離D(mm)が
D≦0.75×(t0.2)・・・(1A)式
を満足することにより、より確実に破断態様をプラグ破断とさせることができる点で好適である。
抵抗スポット溶接工程では、複数の鋼板部材の重ね合せ部に、ナゲット12と、このナゲット12の周囲に形成されるHAZ14と、このHAZ14内でビッカース硬さが最も低い最軟化部14Lと、を有するスポット溶接部10を抵抗スポット溶接により形成する。
焼き戻し工程では、上記抵抗スポット溶接工程で形成されたナゲット12の中心部と、最軟化部14Lとの間に、焼き戻しマルテンサイトからなるとともにそのビッカース硬さが最軟化部14Lのビッカース硬さを100%とした場合に120%以下である焼き戻し領域を形成する。
焼き戻し領域の形成は、後通電により行うことが好ましいが、後通電に限定されるものではなく、例えばレーザビームの照射により行うこともできる。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(2)式
で表わされる通電時間Tでナゲット12を形成してもよい。
一般に、スポット溶接では板厚が厚くなるほど通電時間が長くなり、ナゲット端12EからHAZ最軟化部14Lとの距離Dは長くなる傾向にあるが、この(2)式を満足させることで、ナゲットを安定して形成できるとともに、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離D(mm)をより確実にt0.2以下とすることができる。
すなわち、スポット溶接部における剥離強度を安定して向上することが可能となる。
尚、ここでの板厚t(mm)についても、複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とし、一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とする。
上述のように、本実施形態で規定する通電時間を満足してスポット溶接すると、HAZ軟化部14Tの観点からは有効であるが、その一方、従来の通電条件に比べて適正電流範囲は狭くなる。
そこで、本発明者らは、上述の抵抗スポット溶接工程を行う前に予熱通電工程を行うことが、従来の条件と同等の適正電流範囲(チリ発生電流までの電流余裕度)を有しながら従来よりもHAZの最軟化部をナゲットの端部領域に接近させることができる点で好適であることを見出した。
図14は、短時間通電条件(9×cyc)、通常条件(20×cyc)、2段通電条件(第1工程の通電時間11×cyc、溶接電流4kA、第2工程の通電時間9×cyc)を板厚1.6mmの1800MPa級ホットスタンプ材に適用した場合におけるナゲット成長挙動を示すグラフである。
また、図15は、図14に示した条件により形成したスポット溶接部のナゲット端からの距離に基づくビッカース硬さの分布を示すグラフである。
これらの図14、図15に示されるように、予熱通電と本通電による2段通電を行うことにより、従来とほぼ同等の適正電流範囲を有しながら、HAZ軟化位置を従来よりもナゲット端部領域12Bに接近させることができる。
予熱通電工程では、通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、板厚t(mm)とが
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(3式)
を満たした上で、予熱電流I(kA)を重ね合せ部に通電する。
そして、予熱通電工程を行った場合には、その後、抵抗スポット溶接工程で、通電時間をT2(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(4)式
を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を重ね合せ部に通電することで、ナゲットを形成する。
ここで、予熱電流I(kA)と溶接電流I0(kA)との関係は、
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(5)式
を満たす。
また、通電時間T1(秒)が(5t+4)×cyc以下であり、かつ、予熱電流I(kA)が0.7I0以下、すなわち、ナゲットを形成する抵抗スポット溶接工程における溶接電流I0の70%以下であるので、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lまでの距離Dを小さくすることができて好適である。
また、距離D(mm)が0.75×(t0.2)以下となるように通電時間を調整することで、より確実に、破断態様がプラグ破断となるスポット溶接部を得ることができ、剥離強度を向上させることができる。
従って、従来通りのナゲット径で、剥離強度に優れ、高い継手強度を有する重ね合せ溶接部材を製造することができる。
尚、焼き戻し領域のビッカース硬さの下限値は規定されるものではない。
本実施形態は、スポット溶接によりHAZ軟化する鋼板部材に対して効果を有するが、母材引張強さ980MPa級以上の高張力鋼板への適用が好ましい。
特に、ホットスタンプ材では、母材がフルマルテンサイトであるためHAZ軟化量が大きく、本実施形態の効果が顕著である。
また、後述する実施例では、同種の鋼板を2枚重ね合せる板組について説明しているが、これには限定されず、異材板組であっても、3枚以上の板組であっても効果を有する。
また、図17は、単通電後、及び、後通電後におけるスポット溶接部のビッカース硬さの変化を概念的に説明する図である。
短時間通電を行うことで、図16の(a)に示すように、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離Dは約1mmと小さくなる。
従来の通常条件による通電によるナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lとの距離Dが約1.5mmであるため、比較すると大幅に縮小した。
その結果、ナゲット端12E周辺における応力集中を緩和することができる。
その結果、ホットスタンプ材におけるスポット溶接部10の剥離強度を向上させることができる。なお、ナゲット端部領域12Bが焼き戻されていれば、ナゲット12の全体が焼き戻されることは必要ではない。
その結果、ナゲット12及びHAZ硬化部の靱性が向上して、剥離強度を向上することができる。
尚、ナゲット端12EとHAZ最軟化部14Lの間の最大のビッカース硬さが、HAZ最軟化部14Lのビッカース硬さの120%以下、好ましくは115%以下、より好ましくは110%以下であれば、ナゲット12全体が焼き戻されていなくても継手強度が向上する。
また、短時間通電条件を調整して、ナゲット端とHAZ最軟化部をさらに近づけて、後通電後におけるナゲットとHAZ最軟化部の間のビッカース硬さにおける最大値を、HAZ最軟化部14Lに対して110%の範囲とするとさらに好ましい。
また、図19は、本実施形態に係る短時間通電条件と通常の通電条件を板厚1.8mmの1800MPa級ホットスタンプ材に適用した場合の、後通電後におけるスポット溶接部の硬さ分布を示すグラフである。
図18において、「白抜きのダイヤ」は通電時間9×cyc(秒)の短時間通電条件を採用した本通電によりスポット溶接部を形成した場合の、スポット溶接部の硬さ分布を示す。また、「白抜きの丸」は通電時間22×cyc(秒)の通常条件を採用した本通電によりスポット溶接部を形成した場合の、スポット溶接部の硬さ分布を示す。
図19においては、「白抜きのダイヤ」は通電時間9×cyc(秒)の短時間通電条件を採用した本通電によりスポット溶接部を形成し、その後、後通電により焼き戻しを行った場合の、スポット溶接部の硬さ分布を示し、「白抜きの丸」は通電時間22×cyc(秒)の通常条件を採用した本通電によりスポット溶接部を形成し、その後、後通電により焼き戻しを行った場合の、スポット溶接部の硬さ分布を示す。
このように、ナゲット12の形成のための通電時間を短時間化すると、HAZ軟化位置をナゲットの端部領域に接近させて継手強度を向上させる観点から有効である。
図20の(a)は、スポット溶接部断面図である。
この場合、ナゲット12及びHAZ硬化部14HはDP材又はTRIP材の母材と比較して非常に硬くなる点で、図17に示したホットスタンプ材の硬さ分布と異なる。
その結果、DP材又はTRIP材におけるスポット溶接部10の剥離強度を向上させることができる。
なお、ナゲット端部領域12Bが焼き戻されていれば、ナゲット12の全体が焼き戻されることは必要ではない。
なお、図20の(c)に示す二点鎖線は、後通電前の硬さ分布を示している。
通電時間を短時間化することで、HAZ最軟化部をナゲット端部へ近づけることができるが、ナゲット形成の観点からは、通電時間の短時間化により、適正電流範囲(一般に、ナゲット径4√tを得られる電流値からチリ発生までの電流範囲)が狭くなる。
そこで、通電初期を低電流とする予備通電で鋼板を加熱した後に、短時間高電流でナゲットを拡大する2段通電によって、HAZ軟化位置の制御と適正電流範囲の確保とを両立することを検討した。
板厚1.6mmの1800MPa級ホットスタンプ材により、表1に示す溶接条件を用いて調査した。条件(1)は短時間単通電条件、(2)は従来単通電条件、(3)が2段通電条件である。
図14に示すナゲット形成挙動と、図15に示すスポット溶接部の硬さ分布からわかるように、2段通電により、従来単通電と同等の適正電流範囲を有し、かつ、HAZ最軟化部をナゲット端部へ近づけることが可能となった。
継手強度は、十字継手の場合はJIS Z3137(1999年)に基づく十字引張試験により測定し、L字継手の場合は図21の概略図を示す試験により測定した。
より詳細には、L字引張試験は、図21に示すように、鋼板をL字に曲げて形成した二つの試験片の屈曲部分同士を互いに重ね合せて、重ね合せ部に抵抗スポット溶接によりナゲット12を有するスポット溶接部10を形成して接合し、その後、重ね合せ部が剥離する方向に引っ張って、スポット溶接部10が破断するまでの強度を継手強度として測定した。
表3に条件A1、A2による継手強度の改善効果をまとめた。表3は、単通電に関する実施例を説明する表である。
12 ナゲット
12B ナゲット端部領域
12C 会合部
12E ナゲット端
14 HAZ
14H HAZ硬化部
14T HAZ軟化部
14L HAZ最軟化部
Claims (14)
- 複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材であって、
前記複数の鋼板部材のうちの少なくとも一つがマルテンサイトを含み;
前記スポット溶接部が、
スポット溶接により形成されたナゲットと、
前記ナゲットの周囲に形成された熱影響部と、
前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、
前記ナゲットの中心部と前記最軟化部との間に形成され、焼き戻しマルテンサイトからなるとともにそのビッカース硬さが前記最軟化部のビッカース硬さを100%とした場合に120%以下である焼き戻し領域と、
を有する;
ことを特徴とする重ね合せ溶接部材。 - 複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材であって、
前記複数の鋼板部材のうちの少なくとも一つがマルテンサイトを含み;
前記スポット溶接部が、
抵抗スポット溶接により形成されたナゲットと、
前記ナゲットの周囲に形成された熱影響部と、
前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、
を有し;
前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(1)式を満足する;
ことを特徴とする重ね合せ溶接部材。
D≦t0.2 ・・・(1)式 - 前記複数の鋼板部材にホットスタンプ材が含まれている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の重ね合せ溶接部材。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の重ね合せ溶接部材を含む
ことを特徴とする自動車用部品。 - 複数の鋼板部材の重ね合せ部に、ナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、を有するスポット溶接部を抵抗スポット溶接により形成する抵抗スポット溶接工程と;
前記ナゲットの中心部と、前記最軟化部との間に、焼き戻しマルテンサイトからなるとともにそのビッカース硬さが前記最軟化部のビッカース硬さを100%とした場合に120%以下である焼き戻し領域を形成する焼き戻し工程と;
を備えることを特徴とする重ね合せ部の溶接方法。 - 前記抵抗スポット溶接工程で、
前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、
前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とし、
前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、
下記(2)式を満たすように通電する
ことを特徴とする請求項5に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(2)式 - 前記抵抗スポット溶接工程の前に、
通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、板厚t(mm)とが下記(3)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;
前記板厚t(mm)として、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚を用いる一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚を用い;
前記抵抗スポット溶接工程で、
通電時間をT2(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(4)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;
前記予熱電流I(kA)と前記溶接電流I0(kA)とが、下記(5)式を満たす;
ことを特徴とする請求項5に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(3)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(4)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(5)式 - 前記抵抗スポット溶接工程では、前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(6)式を満足するように前記抵抗スポット溶接を行い;
前記焼き戻し工程が、後通電により前記焼き戻し領域を形成する後通電工程である;
ことを特徴とする請求項5に記載の重ね合せ部の溶接方法。
D≦t0.2 ・・・(6)式 - 前記抵抗スポット溶接工程で、
前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(7)式を満たすように通電する
ことを特徴とする請求項8に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(7)式 - 前記抵抗スポット溶接工程の前に、
通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、前記板厚t(mm)とが下記(8)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;
前記抵抗スポット溶接工程で、
通電時間をT2(秒)とし、通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(9)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;
前記予熱電流I(kA)と、前記溶接電流I0(kA)とが下記(10)式を満たす;ことを特徴とする請求項8に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(8)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(9)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(10)式 - 複数の鋼板部材の重ね合せ部に、ナゲットと、前記ナゲットの周囲に形成される熱影響部と、前記熱影響部内でビッカース硬さが最も低い最軟化部と、を有するスポット溶接部を形成する抵抗スポット溶接工程を備え;
前記抵抗スポット溶接工程では、
前記ナゲットの溶融境界部から前記最軟化部までの距離をD(mm)とし、前記複数の鋼板部材のうち、最も引張強さの高い鋼板部材が単数であればその板厚をt(mm)とする一方、最も引張強さの高い鋼板部材が複数であればそれらの中で板厚が最も薄い鋼板部材の板厚をt(mm)とした場合に、下記(11)式を満足するように前記抵抗スポット溶接を行う;
ことを特徴とする重ね合せ部の溶接方法。
D≦t0.2 ・・・(11)式 - 前記抵抗スポット溶接工程で、
前記抵抗スポット溶接の通電時間をT(秒)とし、
前記抵抗スポット溶接の通電1サイクルの時間をcyc(秒)とした場合に、下記(12)式を満たすように通電する
ことを特徴とする請求項11に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T≦(5t+4)×cyc ・・・(12)式 - 前記抵抗スポット溶接工程の前に、
通電時間T1(秒)と、通電1サイクルの時間cyc(秒)と、前記板厚t(mm)とが下記(13)式を満たした上で、予熱電流I(kA)を前記重ね合せ部に通電する予熱通電工程をさらに備え;
前記抵抗スポット溶接工程で、
通電時間をT2(秒)と、通電1サイクルの時間をcyc(秒)とが、下記(14)式を満たした上で、チリ発生電流以下の溶接電流I0(kA)を前記重ね合せ部に通電し;
前記予熱電流I(kA)と、前記溶接電流I0(kA)とが下記(15)式を満たす;ことを特徴とする請求項11に記載の重ね合せ部の溶接方法。
5t×cyc≦T1≦(5t+8)×cyc ・・・(13)式
5t×cyc≦T2≦(5t+4)×cyc ・・・(14)式
0.3I0≦I≦0.7I0 ・・・(15)式 - 複数の鋼板部材の重ね合せ部がスポット溶接部で接合された重ね合せ溶接部材の製造方法であって、
前記複数の鋼板部材を、前記重ね合せ部の位置で重ね合せる、重ね合せ工程と;
前記重ね合せ部を、請求項5〜13のいずれか1項に記載の重ね合せ部の溶接方法により溶接する溶接工程と;
を備えることを特徴とする重ね合せ溶接部材の製造方法。
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