JPH02115352A - 強度特性の優れた溶接部を有する加工部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高Ｃｕ系高強度薄鋼板を素材とし、静的強度お
よび動的強度の優れたスポット溶接部を有する加工部品
に関する。

［従来の技術］ 最近、プレス加工性およびスポット溶接性に優れた高強
度鋼板の開発に対する利用者側からの要請は極めて強い
。

例えば、衝突時の自動車乗員保護のための安全規制の強
化に対し、衝突エネルギー吸収能が大きく、衝突時の変
形の少ない銅板として高強度鋼板の適用が検討されてお
り、一方自動車の高級化にともなう各種機器の新規搭載
に関し、車体重量の増加と、それによる燃料消費の増大
を回避するために、鋼板の板厚減少による軽量化が鋭意
試みられており、このためにも強度の高い鋼板が要求さ
れている。

また、かかる薄鋼板は一般にプレス加工により成形され
、溶接で組み立てられ一体の構造物として使用されるた
め、破断やくびれを伴うことなく良好な寸法精度で複雑
な形状に成形し得る十分な加工性を有し、更にその後の
組立工程で溶接構造物として組み立てられた状態で、良
好な強度．耐衝撃性．疲労強度等を具備する必要から、
溶接性、なかんずくスポット溶接性に優れていることが
要求される。

しかし、従来の加工用高強度薄鋼板は炭素量約０、０３
９６以上であり、その炭素を利用した焼入れによる組織
強化の他にＭｎ，Ｓｉ，Ｐ等の固溶強化元素を添加した
り、ＴｉやＮｂ等の炭窒化物による析出強化を活用して
製造されるのが通常であり、このような方法で鋼板を高
強度化した場合、鋼板のスポット溶接部の強度、特に静
的強度の十字引張強度は鋼板強度の増加とともに低下す
る問題があるため、高強度薄鋼板の使用が制限されてい
た。

［発明が解決しようとする課題］ 薄鋼板構造として代表的な自動車の車体を例にとると、
自動車の車体および車体を構成する部品は、鋼板をプレ
ス成形し、これをスポット溶接によって組みつけること
を基本としている。乗用車１台当たりのスポット溶接点
数は約４０００点と多く、その際、用いられる継手の形
状としては第１図に示すようなものが基本的である。

一般に薄鋼板構造における継手強度として、静的強度と
して引張剪断強度，十字引張強度が、動的強度としては
疲労強度．衝撃強度．クリープ強度が問題とさわる。

スポット溶接継手の引張剪断強度は第２図に示すように
、母材の引張強度にほぼ比例する。しかし、十字引張強
度は、第３図に示すように、母材の引張強度に比例せず
、場合によっては、低下することがある。このような強
度特性は車体の軽量化のために高強度鋼板を採用しても
十字引張継手強度の向上が期待出来ないことを示してお
り、高強度鋼板の採用部位が制限されるなど問題になっ
ている点である。

本発明は、この問題に鋭意検討を加え、高強度鋼板を母
材として、十字引張継手強度の優れた加了部品を提供す
る技術を開発したものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る加工部品は、次のように構成される。すな
わち、 重量ｔで Ｃ　　Ｏ．０１５　９６以下 Ｍｎ　Ｏ．０５　〜Ｌ５　５ｋ Ｓ　　０．０３０　＄以下 Ｃｕ　Ｏ．８〜３．０　’＊ Ｐ　　Ｏ．１００　Ｎ以下 Ｓｉ　１．０を以下 Ｎ　Ｏ．００５０　％以下 Ｓｏｌ．ＡＱ　Ｏ．００２〜０．１０　’！を含有し、
更に必要に応じて０．０１−０．２４にのＴｉと、０、
００３０！に以下のＢと、】、Ｏｔ以下のＮｉとのうち
，１種または複数種を含有し、残部不可避的不純物およ
びＦｅよりなる鋼板をスポット溶接した板厚０．４〜１
０．０ｍｍの加工品であって、母材の硬さ（ビッカース
硬さ）をＸ、ナゲツト部の硬さ（ビッカース硬さ）をＹ
とすると、Ｙ≦２７０で且つナゲツト外周から板厚と同
じ距離離れた熱影響部の硬さ（ビッカース硬さ）がイ・
（３Ｘ＋Ｙ）以上であることを特徴とする特許 加工部品である。

以下、本発明の内容について説明する。

周知の如く、スポット溶接は溶接部に大電流を集中し、
これによって生ずるジュール熱を熱源として加熱し、同
時に大きな加圧力を与えて、大電流・加圧下に金属を接
合するものである。この際、溶接部の温度は材料の融点
以上に達し、この溶融接合しているナゲツト部と、その
周りに溶融はしていないが顕微鏡組織や機械的性質が変
化している熱影響部が形成される。第４図はスポット溶
接部の温度分布の一例を示したものである。

尚、溶接条件は第１表に示す通りであり、供試材の板厚
は２．０ｍｍである。

第１表　スポット溶接条件 この様なスポット溶接条件において、従来の高強度熱延
鋼板（０．１５！ＩｉＣ　−　０．７木Ｍｎ）を溶接し
た場合の硬さ分布の一例を第４図に併記した。第４図に
おいて特徴的なことは、従来の高強度鋼板の場合にはナ
ゲツト部の硬さが局部的に著しく硬いことである。この
現象は、”溶接部の引張剪断試験では問題にならないが
、十字引張試験では以下に述べる理由で溶接部の強度を
低下させる原因になると考えられる。即ち、スポット溶
接部の引張剪断試験では負荷時に溶接部の回転が生じる
ため、破断直前の溶接部は第５図（ａ）のような形状に
なる。

この場合の負荷は、主として■と■の間で作用し、溶接
部への力の伝達には■と■および■と■の間の一種の切
り欠きの影響は小さくなる。従って、破断は硬さの硬い
ナゲツト部ではなく、軟らかい母材でおこる。これに対
し、十字引張試験では溶接部に加わる力は溶接部の周囲
全体にわたるものである。これは第５図（ｂ）に示すよ
うに、■と■および■と■の間の切り欠きを介して、溶
接部端部に大きな集中応力として作用する。ナゲット内
金属および熱影響部のこの負荷に対する抵抗が小さい時
には、破断は低い荷重でナゲツト内に生じる。このこと
が、従来の高強度鋼板では、母材の引張強さの上昇と共
に、溶接部の引張剪断強さは前記第２図に示した如く上
昇し、十字引張強さは前記第３図に示した如く低下する
所以と考えられる。

本発明者等は、上記の如き状況に基づき鋭意検討した結
果、第４図に併記した如く、従来のものに比較してナゲ
ツト部の絶対硬さを低く抑えると共に、ナゲツト周辺の
熱影響部に母材硬さに対する硬さの上昇部を与えること
により、引張剪断強さはもとより、従来では得られなが
った十字引張強さの優れた溶接部を得ようというもので
ある。

以下、本発明の基礎となった実験結果について説明する
。ナゲツト部の硬さを抑えるには、焼入れ性を高める元
素である例えばＣ，Ｍｎを制御する必要がある。ナゲツ
ト外周部の熱影響部の最高到達温度は、ナゲツトからの
距離によって異なるが、約１０００℃から７００　”Ｃ
であり、この温度から室温まで極〈短時間で冷却される
。この温度と時間でもって析出させて、ナゲツト外周部
の熱影響部の硬さを所定の硬さに保ち得る元素について
種々検討した結果、Ｃｕが最適であることを見出した。

ＡＭキルド熱延鋼板においてＣ　、Ｍｎ，Ｃｕの含有量
を種々変えた場合の、スポット溶接部の断面硬さおよび
十字引張強さを調査した。なお、溶接条件は第１表と同
じである。これらのスポット溶接部について、ナゲツト
部の硬さ（ビッヵース硬さ）と十字引張強さの関係を整
理したところ、第６図に示すように十字引張強ざは、ナ
ゲツト外周部の熱影響部の硬さと母材部の硬さＸおよび
ナゲツト部の硬さＹとの相対関係に相関し、ナゲツト外
周から板厚と同じ距１１１１！ｌれた熱影響部の硬さを
イ・（３Ｘ＋Ｙ）以上とすることによフて、極めて優れ
た十字引張強さが得られることが判明した。

即ち、ナゲツト外周から板厚と同じ距離離れた熱影響部
の硬さがイ・（３Ｘ＋Ｙ）を超えない場合には、ナゲツ
ト部の硬さが硬くなると十字引張強さは小さくなるが、
ナゲツト外周から板厚と同じ距離離れた熱影響部の硬さ
が％・（３Ｘ＋Ｙ）以上となるとＹ≦２７０の範囲では
ナゲツト部の硬さが硬くなると十字引張強さは大きくな
ることが判明した。そして更に研究を重ねた結果、組成
を特定した鋼板を通常の方法でスポット溶接することに
よりて、スポット溶接後に上記のような溶接部の硬さ分
布をもつ強度特性の優れた溶接部を有する加工部品を得
ることが出来たのである。

次に、この発明における加工部品の素材となる薄鋼板の
成分範囲の限定理由を説明する。

Ｃは焼入れ性を高める元素であり、ナゲツト部の硬さを
低く抑える為には極力低減させることが必要であると同
時に、加工時の延性を高くし、且つＣｕ添加の効果を最
大限に引き出す為には０．０１５！に以下とする必要が
ある。Ｃが０．０１５９６を超えるとナゲツト部の硬さ
が２７０を超える為、その上限を０．０１５％とする。

Ｍｎは焼入れ性を高める元素であり１．ナゲツト部の硬
さを２７０以下と低く抑える為には１．５を以下とする
必要がある。Ｍｎ量が余り低くなりすぎると鋼板の表面
疵が発生し易くなるのでその下限を０．０５ｔとする。

Ｓは鋼板の加工性を高めるためには低いほうが好ましく
、上限を０．０３！にとする。

Ｃｕはナゲツト外周部の熱影響部に、母材硬さに対する
硬さの上昇部を与えるために重要な元素である。Ｃｕは
加工後のスポット溶接前は固溶状態にしておき、溶接時
の入熱によって熱影響部にＣｕを析出させて硬さの上昇
を図る。０．８を未満では十字引張強さの向上につなが
る熱影響部の硬さ上昇が不十分であり、ナゲツト外周か
ら板厚と同じ距離離れた熱影響部の硬さが属・（３Ｘ＋
Ｙ）を超えないため、下限を０．８ｔとする。一方、３
．０！ｋを超えると鋼板の表面品質が劣化するため、上
限は３．０！Ｊとする。

Ｐは鋼板の強度および耐蝕性を高める元素として有効で
あるが、その必要のない時は、Ｐ量は０．０３％以下で
あってもよい。一方、鋼板の強度および耐蝕性を高める
場合には０，０６〜０．１０％のＰの添加が好ましい。

しかし、０．１ＯＮを超えるとナゲツト部の脆化が著し
くなり溶接強度が低下するので、上限をＯ，ＩＯ’４と
する。

Ｓｉは通常、不純物としては０．０３！に以下含まれる
が、鋼板の強度を上げる元素としてその必要強度レベル
に応じて１．Ｏｔ以下、好ましくは０．３〜１．０！ｅ
ｉ添加する。しかし、１．Ｈを超えると鋼板の表面性状
を劣化させるために、その上限を１．Ｈとする。

Ｎ量は加工性を高めるために低いほうが好ましく、０．
００５０９＆以下とする。

Ｓｏｌ、Ａｉは脱酸に必要な元素であり、Ｓｏｌ、Ａ党
が０．００２％未満では脱酸が不十分であり、−ガラす
ぎるとアルミナ生成量か増え、鋼板の表面品質に悪影響
を与えるので、その上限を０．１０９６とする。

Ｔｉは必要に応じて添加するものであり、Ｔｉを０、Ｏ
１〜０．２ｔの範囲で添加するとＣとＮはＴｉによって
固定されるため、得られる鋼板は非時効性の鋼板となり
加工性がより向上し、より複雑な形状の加工部品への加
工が可能となる。高度なプレス加工性を得る為には０．
０１％以上の添加が必要であり、一方０．２亀より多く
することはコスト的に不利である。

Ｎｉは本発明の加工部品の表面品質を高品位に保つのに
有効である。必要に応じて１．Ｈ以下添加してもよい。

但し、１．０！Ｉｉを超えればＮｉの効果が飽和するの
で上限を１．０ｔとする。

Ｂは本発明の加工部品の表面品質を高品位に保つのに有
効である。必要に応じて０．００３０！に以下添加して
もよい。但し、０．００３０！ｋを超えればＢの効果が
飽和するのみならず、ナゲツトの硬さが硬くなって十字
引張強さが低下するので上限を０．００３０亀とする。

以上のような組成を有する鋼板は、加工後通常の方法で
スポット溶接することにより強度特性の優れた溶接部を
有する加工部品となるが、以下にスポット溶接条件の一
例を述べる。

溶接条件の設定に当たっては、基本的にはＲＷＭＡ推奨
条件を主体にすればよいが、板厚の変化による溶接条件
の相違を出来るだけ無くしたい場合には、溶接電流を除
く他の条件は板厚の関数として決めるのが好ましい。即
ち、板厚をｔ　（ｍＩｌｌ）として、通電時間Ｔ＝１０
ｔ＋２（交流サイクル）、加圧力Ｐ＝２００〜４００　
・ｔ　（ｋｇｆ）等である。尚、電極保持時間の長さに
ｉって溶接部の冷却速度が異なるが、熱影響部にＣｕの
析出を十分に行わせるには冷却速度が遅い方が好ましく
、電極保持時間は短い方が好ましい。

本発明において板厚を０．４〜１０．０ｍ＋ａに限定し
た理由は以下の通りである。本発明においては素材は熱
延鋼板および冷延銅板を対象とするが、板厚が０．４ｍ
ｍよりも薄い材料は本発明の対象とする用途には余り使
われないこととあわせて、板厚が０．４ｍｍよりも薄く
なると溶接後の冷却速度が著しく大きくなってナゲツト
部の硬さが２７０を超えてしまうため、板厚の下限を０
．４ｍｍとする。一方、板厚が１０．０ｍｍを超えると
本発明の対象とする用途には余り′使われないためその
上限を１０　、０ｍｍとする。

［実施例］ 以下にこの発明の実施例を比較例と共に示す。

（実施例１） 第２表に示す組成の熱延鋼板（板厚は２．０ｍｍ　）Ｎ
ｏ、１〜１６を、第１表に示す条件でスポット溶接し、
溶接部の硬さ分布を測定するとともに十字引張強さ、引
張剪断強さおよび表面品質を評価した。第２表から明ら
かなように、この発明の成分範囲の素材ｉｌｌ　Ｎｏ、
　１　、２　、８〜１５ハ、いずレモスポット溶接部の
強度特性に優れ且つ表面品質が優れている゛ことが明ら
かである。なお鋼Ｎｏ、３の比較材はＣ含有量が高いも
のであるが、この場合にはナゲツト部の硬さが硬く十字
引張強度が劣っている。鋼Ｎ００４の比較材はＭｎ含有
量が低く、表面品質が劣っている。鋼Ｎｏ、５の比較材
はＭｎ含有量が高く、ナゲツト部の硬さが硬くて十字引
張強度が劣っている。鋼Ｎ０８６の比較材はＣｕ含有量
が低く、熱影響部の硬さが十分ではなく十字引張強度が
劣っている。鋼Ｎ０９７の比較材はＣｕ含有量が高く、
十字引張強さは優れているが表面品質が劣っている。鋼
Ｎｏ、１６の比較材は素材が従来のＣ−Ｍｎ系の熱延鋼
板であり、ナゲツト部の硬さが高く十字引張強さが著し
く劣っている。尚、本発明材の素材熱延鋼板の製造方法
は以下の通りである。第２表に示す組成の鋼片を１０５
０℃〜１２５０℃で加熱したのち、８６０℃〜９３０℃
で熱延を終了し、３５０〜１５０℃で巻き取り、酸洗を
して製造した。

（実施例２） 第３表に示す組成の冷延鋼板（板厚は０．８ｍｍ）Ｎｏ
、　１７　、１８を第４表に示す条件でスポット溶接し
、溶接部の硬さ分布を測定するとともに十字引張強さ、
引張剪断強さおよび表面品質を評価した。第３表から明
らかなように、この発明の成分範囲の素材鋼Ｎｏ、１７
はスポット溶接部の強度特性に優れ且つ表面品質が優れ
ている。ことが明らかである。

なお鋼Ｎｏ、１８の比較材はＣ含有量が高いものである
が、この場合にはナゲツト部の硬さが硬く十字引張強度
が劣フている。尚、本発明Ｎｏ、　１７の素材冷延鋼板
の製造方法は以下の通りである。第３表に示す組成の鋼
片を１０５０℃で加熱したのち、８８０℃で熱延を終了
し、２５０℃で巻き取り、板厚４．０ＩＩ１ｍの熱延鋼
板を得た。その後酸洗をし、圧下率８０ｔの冷間圧延を
行った後連続焼鈍した。連続焼鈍条件は、８００℃で１
分間の再結晶焼鈍をし、ついで１００℃／秒の冷却速度
で室温まで冷却した。

［発明の効果］ ゛上述したように本発明によれば、スポット溶接継手の
従来の問題点を解決することによって、自動車への高強
度鋼板の使用を促進し、乗員の安全性や経済性に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｂ）はスポット溶接継手の基本構造を
示す図であり、第２図はスポット溶接部の引張剪断強さ
と母材の引張強さの関係を示す図であり、第３図はスポ
ット溶接部の十字引張強さと母材の引張強さの関係を示
す図であり、第４図はスポット溶接部の温度分布及び硬
さ分布の一例を示す図であり、第５図（ａ）　、　（ｂ
）は破断直館の溶接部の形状を示す図であり、第６図は
十字引張強さとナゲツト硬さとの関係を、母材およびナ
ゲツトの硬さに対する熱影響部の硬さの値に対応して示
す相関図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で Ｃ０．０１５％以下 Ｍｎ０．０５〜１．５％ Ｓ０．０３０％以下 Ｃｕ０．８〜３．０％ Ｐ０．１００％以下 Ｓｉ１．０％以下 Ｎ０．００５０％以下 Ｓｏｌ．Ａｌ０．００２〜０．１０％ を必須成分として含有し、残部不可避的不純物およびＦ
   ｅよりなる鋼板をスポット溶接した板厚０．４〜１０．
   ０ｍｍの加工品であって、母材の硬さ（ビッカース硬さ
   ）をＸ、ナゲット部の硬さ（ビッカース硬さ）をＹとす
   ると、Ｙ≦２７０で且つナゲット外周から板厚と同じ距
   離離れた熱影響部の硬さ（ビッカース硬さ）が１／４・
   （３Ｘ＋Ｙ）以上であることを特徴とする強度特性の優
   れた溶接部を有する加工部品。 ２、重量％で Ｃ０．０１５％以下 Ｍｎ０．０５〜１．５％ Ｓ０．０３０％以下 Ｃｕ０．８〜３．０％ Ｐ０．１００％以下 Ｓｉ１．０％以下 Ｎ０．００５０％以下 Ｓｏｌ．Ａｌ０．００２〜０．１０％ を含有し、更に０．０１〜０．２％のＴｉと、０．００
   ３０％以下のＢと、１．０％以下のＮｉとのうち、１種
   または複数種を含有し、残部不可避的不純物およびＦｅ
   よりなる鋼板をスポット溶接した板厚０．４〜１０．０
   ｍｍの加工品であって、母材の硬さ（ビッカース硬さ）
   をＸ、ナゲット部の硬さ（ビッカース硬さ）をＹとする
   と、Ｙ≦２７０で且つナゲット外周から板厚と同じ距離
   離れた熱影響部の硬さ（ビッカース硬さ）が１／４・（
   ３Ｘ＋Ｙ）以上であることを特徴とする強度特性の優れ
   た溶接部を有する加工部品。