焼入れ硬化性金属板の溶接方法
九州工業大学大学院 工学研究院物質工学研究系 材料開発部門
北村貴典,秋山哲也
平成28年11月9日 KTC大学合同新技術説明会 (於 北九州イノベーションギャラリー)
KTC大学合同新技術説明会
特許第5995162号
JIS規格で規定された抵抗スポット溶接の強度試験
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Test piece
引張せん断強度(JIS Z 3136)抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法
十字引張強度(JIS Z 3137)抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手の十字引張試験に対する試験片寸法及び試験方法
load
load
引張せん断強度
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6
A級
B級
C級
Plate thickness, h /mm
Nu
gg
et d
iam
eter
, d
/mm
JIS Z 3140で規定されている溶接部の等級と板厚,ナゲット径の関係
A級:特に強さを要する溶接部
B級:強さを要する溶接部
C級:A級,B級以外の溶接部
強度向上を図りたければ,ナゲット径を大きくする.
板厚とも関連し,必要以上にナゲット径を大きくする施工は困難
過去の研究者による引張せん断強度予測式
B
BM (1 0.0059 ) 1.95TSS h El D
B
BMTSS A h d B
BMTSS B h D
1.42 B 0.84
BM36.4TSS h
1) J.Heuschkel (1952) 2) J.M.Sawhill, JR. , J.C.Baker (1980) 3) J.M.Sawhill, JR. , S.T.Furr(1984)
4) 田中甚吉,樺沢真事,小野守章,長江守康(1984) 5) 樺沢真事,船川義正,小川和洋,田村学(1996)
1)
2,3)
4)
5)
引張せん断試験
TSS
TSS
Crack
Nugget
D
d
(a) SUS304等のような熱影響部が硬化しない材料の場合
過去の研究者による引張せん断強度予測式
B
BM (1 0.0059 ) 1.95TSS h El D
出典:樺沢ら:薄鋼板スポット溶接継手の引張せん断強さの推定 : 抵抗スポット溶接継手の強さ(第1報),溶接学会論文集,14 (4), p.754-761 (1996)
TSS
TSS
Crack
Nugget
HAZ by spot welding
D
d
(b) 軟鋼のような熱影響部が焼入れ硬化するような材料の場合
過去の研究者による引張せん断強度予測式
B
BM (1 0.0059 ) 1.95TSS h El D
出典:樺沢ら:薄鋼板スポット溶接継手の引張せん断強さの推定 : 抵抗スポット溶接継手の強さ(第1報),溶接学会論文集,14 (4), p.754-761 (1996)
Laser heating
Laser heating
Crack
HAZ by laser heating
D
HAZ by laser heating
過去の研究者による引張せん断強度予測式
B
BM (1 0.0059 ) 1.95TSS h El D
この概念に基づいて高強度化が可能であるか検討した.
出典:樺沢ら:薄鋼板スポット溶接継手の引張せん断強さの推定 : 抵抗スポット溶接継手の強さ(第1報),溶接学会論文集,14 (4), p.754-761 (1996)
TSS
TSS
Nugget
HAZ by spot welding
レーザ加熱を用いた硬化領域新成
供試材料およびレーザ加熱方法
h C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Al
SPHC 1.55 0.03 0.0 0.215 0.011 0.006 0.03 0.03 0.04 0.01 0.002 0.049
供試材料 SPHC の板厚と化学成分
Laser torch
K-thermo couple
SPHC steel
Laserbeam
fd
Cu block
Vice
Laser torch
SPHC steel
(b)銅ブロックを用いて鋼板の加熱部近傍の片側だけカバーした場合
K-thermo couple
(a) 銅ブロックを用いないで加熱した場合
冷却速度を上げる目的で銅ブロックを用いた.
レーザ加熱条件
YAGレーザ1500W
500mm/min
df=24mm
Unit:mass%
熱サイクル測定結果
K-thermo couple
K-thermo couple
冷却速度が遅い
冷却速度は速い
0
500
1000
1500
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
500mm/minv1500WP
f 24mmd
SPHC 1.55mmh
Cu block
Tem
pera
ture
, /
C
Time, /st
断面マクロ写真と硬さ分布
Cu block
: 0.15mm fromupper surface
: 0.15mm fromlower surface
CuCu
0
50
100
150
200
-10 -5 0 5 10
Distance from heating center line, /mmy
VV
icker
s har
dnes
s, H
500mm/minv
1500WP
f 24mmd 2.3mma
SPHC1.55mmh
裏面側も硬化している
0
50
100
150
200
-10 -5 0 5 10
: 0.15mm fromupper surface
: 0.15mm fromlower surface
Distance from heating center line, /mmy
VV
icker
s har
dnes
s, H
500mm/minv
1500WP
f 24mmd 2.3mma
SPHC1.55mmh
あまり硬化していない
HAZ 6.6Melt 4.2
HAZ 5.8Melt 2.0
Cu
Cu
HAZ 6.6Melt 4.6
HAZ 5.8Melt 2.51.0 1.0
Unit : mm Unit : mm
引張せん断強度の高強度化
レーザ加熱とスポット溶接の順序
301.5
5
12550
Chuck part
50
Chuck part
120
スポット溶接
レーザ加熱
レーザ加熱
(予備実験)スポット溶接後レーザ加熱した場合の硬さ分布
0
50
100
150
200
250
-10 -5 0 5 10
Laser heating
VV
icker
s har
dnes
s, H
SPHC1.55 1.55 mmh (Lap joint)
2.9
Distance from center of nugget, /mmx
a=2.9mm
: position A: position B
Nugget
Laser heatingafter spot welding
ナゲット内の硬化部がレーザ加熱により焼戻され,元々の硬さより軟化している.
レーザ加熱スポット溶接
TSS=11112 N←強化されていない
0
50
100
150
200
250
-10 -5 0 5 10
Nugget
SPHC1.55 1.55 mmh (Lap joint)
VV
icker
s har
dnes
s, H
: Spot welding only
Distance from center of nugget, /mmx
スポット溶接のみの硬さ分布
Laser
heating
Laser
heating
TSS=11644 N
レーザ加熱後スポット溶接した場合の硬さ分布
HAZ by spot welding
HAZ by laser heating
Laser heating
Laser heating HAZ by laser heating
0.1
5
0.1
5
0
50
100
150
200
250
-10 -5 0 5 10
Nugget
Laser heating
VV
icker
s har
dnes
s, H
SPHC1.55 1.55 mmh (Lap joint)
2.9
加熱位置 a=2.9mm の場合の硬さ分布
Distance from center of nugget, /mmx
a=2.9mm
: position A: position B
0
50
100
150
200
250
-10 -5 0 5 10
Nugget
SPHC1.55 1.55 mmh (Lap joint)
VV
icker
s har
dnes
s, H
: Spot welding only
Distance from center of nugget, /mmx
スポット溶接のみの硬さ分布
V measured position AH
V measured position BH
a
レーザ加熱
スポット溶接
レーザ加熱位置
あらゆる方向の荷重に対応するため,ナゲットの外周全体をレーザ加熱による焼入れ硬化させる必要があるが,ここでは,処理の簡略化を図るため,引張方向側の部位のみを試験片の全幅にわたって焼入れ処理している.
HAZ by spot welding
HAZ by
laser heating
Laser heating
Laser heating
HAZ by laser heating
a
HAZ by spot welding
HAZ by
laser heating
Laser heating
Laser heating
HAZ by laser heating
a
Nugget
引張せん断試験片寸法とスポット溶接条件
Plate thicknessCurrent Weld time Pressure
Diameter and
curvature radius
of the top of the tip
Diameter and
curvature radius
of the tip
(mm) (A) (cycles) (kN) (mm) (mm)
14
(time=0.23s)φ 16-8R1.55+1.55 11600 3.6 φ 6-40R
301.5
5
12550
Chuck part
50
Chuck part
120
引張せん断試験結果
荷重-チャック間変位線図
HAZ by spot welding
HAZ by laser heating
Laser heating
Laser heating HAZ by laser heating
a
Nugget
0
5000
10000
15000
0 5 10 15 20
Ten
sile
shea
r lo
ad,
/N
P
Displacement between chucks, / mm
a=2.9mm
Spot welding only
島津製作所製オートグラフAG-20kNIST(容量2t)(引張速度 0.5mm/min)
引張せん断試験結果h aTSS D
1.311892 10.2 8.2
1.712296 12.2 7.8
1.812200 11.8 8.4
2.012392 13.5 7.8
2.211864 9.2 8.2
2.412872 17.5 9.8
2.913316 19.1 11.4
3.012724 16.1 10.4
3.412460 13.2 8.2
3.513096 18.1 9.0
4.212116 9.6 6.8
4.211932 7.9 8.0
1.55+1.55
4.212284 9.4 8.2
max
10970 7.6
11644 8.0Spot welding only
9.4
9.6
a : Distance from center of nugget to center of laser heating /mm
h : Plate thickness /mm TSS : Tensile shear strength /N
max : Displacement between chucks on /mmTSS
D : Fracture diameter /mm
TSS
Crack
Nugget
Laser heating
Laser heating
TSS
a
D
d
破断径と引張せん断強度の関係
5000
10000
15000
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Fracture diameter, D /mm
Ten
sile
shea
r st
rength
, /
NT
SS
BBM
(10.
0059
)1.9
5
TSSh
El
D
: Spot welding only
:Fractured near nugget edge:Fractured far from nugget edge
Spot welding with laser heating
TSS
Crack
Nugget
Laser heating
Laser heating
TSS
a
D
d
破断径Dが大きくなるにつれて,引張せん断強度TSSが大きくなっている
硬化領域新成による高強度化のメカニズム詳細
ナゲット中心から破断位置までの距離 , D/2 /mm
継手強度
, 𝑃MAX
/N
スポット溶接のみ
熱影響部(硬)
母材部(軟)
スポット溶接のみの試験片の場合
破断位置
D/2母材部(軟)
母材部(軟)
熱影響部(硬)
破断位置は熱影響部外側の母材部
ナゲット(硬)
ナゲット
母材部(軟)
母材部(軟)
ナゲット
硬化領域を新成した試験片の場合
硬化領域新成による高強度化のメカニズム詳細
硬化領域新成(硬)
破断位置がナゲット端部に移行
ナゲット(硬)
ナゲット中心から破断位置までの距離 , D/2 /mm
スポット溶接のみ
レーザ加熱後
硬化領域新成(硬)
母材部(軟)
破断位置が移行
継手強度
, 𝑃MAX
/N
ナゲット端に破断位置が移行するまで継手強度向上が見込める.
継手強度向上(上限値)D/2
ナゲット径と引張せん断強度の関係
5000
10000
15000
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Fracture diameter, D /mm
Ten
sile
shea
r st
rength
, /
NT
SS
: Spot welding only:Fractured near nugget edge:Fractured far from nugget edge
Spot welding with laser heating
ナゲット
15%Up
ナゲット端に破断位置が移行するまで継手強度向上が見込める.
結 論
スポット溶接重ね継手の引張せん断強度について,過去の研究者による強度予測式を元にして,強度向上に必要な因子を抽出し,この概念に基づいてスポット溶接継手の高強度化を検討したところ以下の知見が得られた.
1)強度向上には破断位置をナゲット端部から遠ざけることが有効である.
2)破断位置をナゲット端部から遠ざけるために,レーザ加熱による硬化領域をナゲット端部近傍に生成させることは有効である.
3)硬化領域を大きくすることにより,破断位置がナゲット端から遠ざかり,その結果として,引張せん断強度をおよそ15%程度の高強度化できた.