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

load

load

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．