(57)【要約】【課題】高張力鋼によって形成された部材と鉄系材料によって形成された他の部材とを抵抗溶接により接合する際の、熱影響部における特性劣化を、良好に抑制すること。【解決手段】一対の電極間を通電させることで接合部に溶接電流を通流した後、接合部を、第一部材（高張力鋼）におけるマルテンサイト変態終了温度以下まで降温させる。次に、接合部に焼き戻し初期電流を通流する。これにより、接合部を、マルテンサイト変態終了温度以下の温度から、第一部材におけるオーステナイト変態温度よりも低温の焼き戻し温度まで昇温させる。その後、焼き戻し初期電流から電流値が徐減するような焼き戻し電流を通流する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高張力鋼によって形成された第一部材と、鉄系材料によって形成された第二部材と、を抵抗溶接により互いに接合した、溶接接合体の製造方法であって、
一対の電極間に、前記第一部材と前記第二部材とが加圧状態にて互いに接触する接合部を配置することで、前記一対の電極間の通電により前記接合部に電流を通流可能とし、
前記一対の電極間を通電させることで、前記接合部に溶接電流を通流し、
前記溶接電流の通流後、前記接合部を前記第一部材におけるマルテンサイト変態終了温度以下まで降温させ、
前記降温後の前記マルテンサイト変態終了温度以下の温度から、前記第一部材におけるオーステナイト変態温度よりも低温の焼き戻し温度まで、前記接合部が昇温するような、焼き戻し初期電流を、前記接合部に通流し、
前記焼き戻し初期電流の通流後、当該焼き戻し初期電流から電流値が徐減するような焼き戻し電流を、前記接合部に通流する
ことを特徴とする、溶接接合体の製造方法。
【請求項２】
前記焼き戻し電流を通流することで、前記接合部の温度を前記焼き戻し温度に保持することを特徴とする、請求項１に記載の溶接接合体の製造方法。
【請求項３】
前記第一部材は高張力鋼板であり、前記第二部材は突起を有するナットであり、前記抵抗溶接はプロジェクション溶接であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶接接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高張力鋼（通常の鋼材に対して事後的に所謂ダイクエンチ工法等の引張強度を向上する処理を施したものをも含む）によって形成された部材と、鉄系材料によって形成された部材と、を抵抗溶接により互いに接合した、溶接接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の製造方法として、例えば、特開２０００−２１０７７６号公報、特開２００４−５０２８０号公報、等に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２１０７７６号公報
【特許文献２】特開２００４−５０２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような「高張力鋼によって形成された部材」においては、所定の機械的強度（引張強度等）を実現するために、熱処理等により、内部組織が適宜調整されている。しかしながら、抵抗溶接による熱影響部にて発生する特性劣化（例えば、熱影響部の急冷による、焼入れ硬化や遅れ破壊特性低下、等。）の点で、従来のこの種の製造方法には、まだまだ改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、高張力鋼によって形成された部材と鉄系材料によって形成された他の部材とを抵抗溶接により接合する際の、熱影響部における上述のような特性劣化を、良好に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、高張力鋼によって形成された第一部材と、鉄系材料によって形成された第二部材と、を抵抗溶接により互いに接合した、溶接接合体の製造方法であって、以下の工程を有することを特徴としている：（１）一対の電極間に、前記第一部材と前記第二部材とが加圧状態にて互いに接触する接合部を配置することで、前記一対の電極間の通電により前記接合部に電流を通流可能とする。（２）前記一対の電極間を通電させることで、前記接合部に溶接電流を通流する。（３）前記溶接電流の通流後、前記接合部を前記第一部材におけるマルテンサイト変態終了温度以下（典型的には未満）まで降温させる。（４）前記降温後の前記マルテンサイト変態終了温度以下の温度から、前記第一部材におけるオーステナイト変態温度よりも低温の焼き戻し温度まで、前記接合部が昇温するような、焼き戻し初期電流を、前記接合部に通流する。（５）前記焼き戻し初期電流の通流後、当該焼き戻し初期電流から電流値が徐減するような焼き戻し電流を、前記接合部に通流する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記焼き戻し電流を通流することで、前記接合部の温度を前記焼き戻し温度に保持することを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記第一部材は高張力鋼板であり、前記第二部材は突起を有するナットであり、前記抵抗溶接はプロジェクション溶接であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上述した本発明の製造方法においては、まず、前記溶接電流の通流により、前記接合部が溶接される。次に、前記溶接電流の通流後、例えば、前記溶接電流が遮断されると、前記接合部が、前記マルテンサイト変態終了温度以下の温度まで降温する。これにより、前記接合部（具体的には前記第一部材における熱影響部）は、実質的に「焼き入れ」された状態となる。
【００１０】
上述のようにして前記マルテンサイト変態終了温度以下の温度まで一旦降温した前記接合部（前記熱影響部）は、前記焼き戻し初期電流の通流によって、前記焼き戻し温度まで昇温されるように（例えば急速に）加熱される。その後、前記焼き戻し初期電流から徐減するような前記焼き戻し電流が通流される。これにより、前記接合部（前記熱影響部）にて、残留応力が良好に緩和されるとともに、靭性が良好に回復する。したがって、本発明によれば、前記接合部（前記熱影響部）における上述のような特性劣化を、良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法の実施に用いられる抵抗溶接装置の概略構成を示す図。
【図２】図１に示されている抵抗溶接装置による抵抗溶接の際の温度条件を示すタイムチャート。
【図３】図２に示されている温度条件を実現するための通電条件の一例を示すタイムチャート。
【図４】本実施形態に係る製造方法によって製造された溶接接合体における接合部の接合強度を、比較例と対比して示すグラフ。
【図５】本実施形態に係る製造方法によって製造された溶接接合体における接合部のビッカース硬度を、比較例と対比して示すグラフ。
【図６】本実施形態に係る製造方法によって製造された溶接接合体における接合部を模式的に示す拡大断面図。
【図７】図２に示されている温度条件を実現するための通電条件の他の一例を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
【００１３】
＜抵抗溶接装置の全体構成＞
図１を参照すると、本実施形態に係る抵抗溶接装置１０は、プロジェクション溶接装置であって、第一電極１１と、第二電極１２と、溶接電源部１３と、電極冷却部１４と、を備えている。本実施形態においては、第一電極１１は、第二電極１２よりも下方にて固定されている。第二電極１２は、第一電極１１に向けて移動することで、溶接対象物を加圧可能に設けられている。
【００１４】
第一電極１１及び第二電極１２は、溶接電源部１３に電気的に接続されている。溶接電源部１３は、第一電極１１と第二電極１２との間を通電することで、両者の間に挟持された溶接対象物に電流を通流するように設けられている。特に、溶接電源部１３は、図示しないマイクロコンピュータを備えていて、第一電極１１と第二電極１２との間の通電電流を制御可能に構成されている。
【００１５】
電極冷却部１４は、第一電極１１及び第二電極１２に対して、これらを冷却するための液体である冷媒（例えば冷却水）を供給することで、これらを冷却するように設けられている。なお、この種の抵抗溶接装置１０の構成は周知であるので、本明細書においては、抵抗溶接装置１０の構成についてのこれ以上の詳細な説明は省略する。
【００１６】
図１には、抵抗溶接装置１０を用いて、高張力鋼板２０とナット３０とをプロジェクション溶接する際の様子が示されている。ここで、本実施形態においては、本発明の第一部材としての高張力鋼板２０は、いわゆるダイクエンチ工法によって成形と同時に熱処理を施された（焼き入れされた）部材（例えば自動車のドアビーム部材）であって、所定の形状に成形されつつ、引張強度が１０００ＭＰａ以上となるように形成されている。
【００１７】
また、本発明の第二部材としてのナット３０は、ナット本体部３１と、フランジ部３２と、複数の突起３３と、を備えている。フランジ部３２は、ナット本体部３１の軸方向（ネジ穴の中心軸と平行な方向：図中上下方向）における一端にて、外側（上述の中心軸から離れる方向）に突出するように設けられている。突起３３は、フランジ部３２における、ナット本体部３１が設けられた側とは反対側の面上にて、ナット本体部３１が突出する方向とは反対の方向に（すなわち高張力鋼板２０に向かって）突出するように設けられている。
【００１８】
＜抵抗溶接工程＞
本実施形態においては、上述のように、抵抗溶接装置１０を用いて、高張力鋼板２０とナット３０とをプロジェクション溶接により接合したものである溶接接合体４０を製造する方法について説明する。
【００１９】
まず、第一電極１１に、高張力鋼板２０とナット３０とを、突起３３が高張力鋼板２０側を向くようにセット（載置）する。次に、第二電極１２を第一電極１１に向けて移動させることで、高張力鋼板２０とナット３０との積層体を第一電極１１と第二電極１２との間に挟持する。これにより、接合部５０にて、ナット３０における突起３３と高張力鋼板２０とが加圧状態にて互いに接触する状態が生じる。そして、かかる接合部５０は、第一電極１１と第二電極１２との間の通電により電流が通流可能な状態となる。
【００２０】
続いて、かかる接合部５０に対する加圧力（Ｐ）、及び、第一電極１１と第二電極１２との間の通電電流を制御しつつ、プロジェクション溶接のための通電動作を行う。ここで、本実施形態においては、接合部５０における電流通流部分（突起３３と高張力鋼板２０との接触及び溶着部分）の温度が図２にて実線で示されているような時間経過をたどるように、通電電流が図３のように制御される。以下、図２及び図３を用いて、通電動作の詳細について説明する。なお、接合部５０における上述の電流通流部分の温度を、以下単に「接合部温度」と称する。
【００２１】
具体的には、まず、時刻ｔ０にて、第一電極１１と第二電極１２との間を通電させることで、パルス状の大電流である溶接電流Ｉ１を、接合部５０に通流させる（通電時間ｔｗ１）。これにより、接合部５０が溶着する。このとき、接合部温度が、オーステナイト変態温度Ａｃ３を超える。その後、時間ｔｃにわたって、第一電極１１と第二電極１２との間の通電を遮断する。すると、第一電極１１や第二電極１２の冷却作用により、接合部温度が急速に低下し、時刻ｔ０から時間ｔｃ後の時刻ｔ１にて、接合部温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆよりも低くなる（好ましくはＭｆ−５０℃付近あるいはこれ以下となる）。すなわち、時間ｔｃにわたる通電の遮断により、例えば、接合部温度を２５０℃未満（より好ましくは２００℃未満）まで降温させる。
【００２２】
この時点では、接合部５０は、いわゆる「焼き入れ」された状態であって、このままでは焼入れ硬化や遅れ破壊特性低下が生じている。そこで、時刻ｔ１にて、第一電極１１と第二電極１２との間を再度通電させることで、溶接電流Ｉ１よりも小電流であるものの、比較的大きな（例えば溶接電流Ｉ１の６５〜７５％程度の）焼き戻し初期電流Ｉ２を通流させる。すると、接合部温度が急速に上昇し、比較的短時間（例えば０．１〜０．７秒程度）で所定の焼き戻し温度Ｔtp（オーステナイト変態温度Ａｃ３未満：具体例としては３５０〜８００℃）に達する。
【００２３】
但し、かかる焼き戻し初期電流Ｉ２を通流させ続けると、接合部温度がオーステナイト変態温度Ａｃ３を超えてしまい、再度焼入れ硬化や遅れ破壊特性低下が生じてしまうおそれがある。そこで、本実施形態においては、焼き戻し初期電流Ｉ２の通流直後に通流する焼き戻し電流Ｉ３を、焼き戻し初期電流Ｉ２から電流値が徐減するように制御する。なお、第一電極１１と第二電極１２との間を通電させることで接合部５０に通流する焼き戻し電流Ｉ３は、時刻ｔ２まで通流させる。これにより、接合部温度が、焼き戻し温度Ｔtp近傍にて所定時間保持される。
【００２４】
＜効果＞
図４〜図６を用いて、上述の実施形態の製造方法による効果について説明する。図４及び図５は、厚さ２．０ｍｍの高張力鋼板とＭ６ナットとをプロジェクション溶接して得られた接合体に対して、押込みはく離試験及びビッカース硬さ試験を行った結果を示すものである。図４及び図５における（ａ）は、上述の実施形態の製造方法を用いた場合の試験結果である。一方、（ｂ）は、（ａ）と同じ材料を用いつつ、溶接電流Ｉ１の通流のみを行い焼き戻し初期電流Ｉ２及び焼き戻し電流Ｉ３の通流を行わなかった場合（比較例：従来技術相当）についての試験結果である。
【００２５】
押込みはく離試験（図４参照）は、ＪＩＳ  Ｂ１１９６に規定されている「押込みはく離強さ及びその試験方法」に基づいて行った（かかる試験方法については周知であって例えば特開２００５−２３３２６８号公報等も参照）。ビッカース硬さ試験（図５参照）は、接合部５０（図１及びその要部拡大断面図である図６参照）の断面に対して、試験荷重２００ｇｆ（約１．９６Ｎ）にて行った。ここで、図５は、図６における基準点ＡからＸ軸正方向に測定位置を変えることによって得られた、硬さ分布を示す。なお、図６において、５１は接合境界層、５２はナット側熱影響部、５３は鋼板側第一熱影響部、５４は鋼板側第二熱影響部である。
【００２６】
図４に示されているように、本実施形態の製造方法によれば、比較例よりも接合強度が向上した。また、図示はしていないが、様々な通電条件（後述）を用いて遅れ破壊特性について評価したところ、本実施形態の製造方法によれば、比較例よりも耐遅れ破壊特性が向上した。
【００２７】
ここで、ビッカース硬さの評価結果を見ると、図５に示されているように、本実施形態の製造方法によれば、鋼板側第一熱影響部５３（Ｘ＝０〜１．５付近）におけるビッカース硬さが、母材（Ｘ＝２．２付近〜）程度になったことが確認できた（なお、Ｘ＝１．５付近〜２．２付近は、鋼板側第二熱影響部５４に対応する。）。以上の評価結果から、本実施形態の製造方法においては、以下のメカニズムにより、接合部の特性が向上したものと考えられる。
【００２８】
高張力鋼（ダイクエンチ工法を経て得られたものを含む）においては、炭素当量が高いため、溶接の際に、熱影響部の硬化（及びこれによる脆化）が生じやすい。また、抵抗溶接（特にプロジェクション溶接）においては、急速な加熱及び冷却が局所的に生じる。このため、熱影響部において、残留応力及びこれに伴う耐遅れ破壊特性低下（水素脆化）が生じやすい。
【００２９】
以上の理由から、溶接電流Ｉ１が直接通流する鋼板側第一熱影響部５３は、かかる溶接電流Ｉ１の通流及びその後の所定時間の通電遮断により、オーステナイト変態温度Ａｃ３以上の温度からマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下（典型的には未満）の温度まで急速に降温することで、実質的に「焼き入れ」の作用を受ける。すると、鋼板側第一熱影響部５３においては、マルテンサイト組織が比較的均一に形成される。このとき、高張力鋼板２０の母材（所定のマルテンサイト組織が予め形成されている）よりも高硬度のマルテンサイト組織が形成されることがあり得る。なお、鋼板側第一熱影響部５３の周囲の鋼板側第二熱影響部５４においては、かかる鋼板側第一熱影響部５３からの伝熱により、母材のマルテンサイト組織の一部が「焼き戻し」の作用を受けることで、ベイナイトとマルテンサイトとの複合組織となる。
【００３０】
上述のようにして実質的に「焼き入れ」された状態の、鋼板側第一熱影響部５３は、適切な再通電によって焼き戻すことで、靭性や耐遅れ破壊特性の回復が図られる。この点、従来の製造方法においては、高張力鋼の抵抗溶接における適切な再通電条件が、充分に検討されていなかった。
【００３１】
すなわち、再通電による焼き戻しに際しては、昇温速度は通電部の電気抵抗の温度依存性に大きく影響される。特に、高張力鋼においては、高温時の抵抗は常温時の数倍となる。このため、再通電の電流値が一定であっても、通電部が低温であれば昇温速度は低い一方で、温度上昇に伴って昇温速度が急激に上昇する。さらに、上述の通り、鋼板側第一熱影響部５３には、高張力鋼板２０の母材よりも高硬度のマルテンサイト組織が形成される場合があり得る。この場合、かかるマルテンサイト組織においては、周囲からの固溶元素の拡散等に起因して母材のものよりも固溶元素が多くなることによる、オーステナイト変態温度Ａｃ３の低下が生じることがある。
【００３２】
よって、従来の製造方法においては、図２にて破線で示されているように、高温域における急激な昇温により、通電部の温度がオーステナイト変態温度Ａｃ３を超えてしまい、焼き戻しの効果が得られないことがあり得る。一方、再通電電流を小さくすると、水冷電極による熱損失や大気への熱拡散等の影響により、図２にて一点鎖線で示されているように、通電部が所定の焼き戻し温度に到達し難く、熱効率が悪かった。
【００３３】
そこで、本実施形態においては、比較的大きな焼き戻し初期電流Ｉ２（但し溶接電流Ｉ１よりも小）を通流させることで、鋼板側第一熱影響部５３の温度を所定の焼き戻し温度Ｔtpまで急速に昇温させる。続いて、焼き戻し初期電流Ｉ２から電流値が徐減するような焼き戻し電流Ｉ３を通流させることで、鋼板側第一熱影響部５３の温度を焼き戻し温度Ｔtp近傍にて所定時間保持する。これにより、鋼板側第一熱影響部５３にて、靭性が良好に回復した組織（具体的には焼き戻しマルテンサイト又は焼き戻しベイナイト組織）が形成されるとともに、残留応力が良好に緩和される。したがって、本実施形態によれば、接合部５０における靭性や遅れ破壊特性の回復を、良好な熱効率にて図ることが可能になる。
【００３４】
＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
【００３５】
本発明は、上述した具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明の「抵抗溶接」は、図１に示された抵抗溶接装置１０を用いたプロジェクション溶接の具体例に限定されない。具体的には、第一電極１１及び第二電極１２の強制冷却は、液体状の冷媒によるものに限定されない。また、第一電極１１及び第二電極１２のうちのいずれか一方は、強制冷却が行われていなくてもよい。特に、用いられる溶接対象物の材質や形状によっては、第一電極１１及び第二電極１２の強制冷却が全く必要ない場合もあり得る。
【００３６】
突起３３の数や形状も、特段の限定はない（１つでもよいし、場合によっては無くてもよい。１つの場合は、リング状であってもよい。）。複数の突起３３が設けられている場合、隣り合う突起３３間の間隔は、１０ｍｍ程度あるいはそれ以上であることが好適である。
【００３７】
本発明の適用対象は、上述のような、いわゆるダイクエンチ工法によって成形と同時に熱処理を施された（焼き入れされた）部材に限定されない。すなわち、本発明は、もともと高張力鋼（板）として製造された部材に対しても、好適に適用される。特に、引張強度が１０００ＭＰａ以上の材質に対して、本発明は好適に適用される。特に、本発明は、引張強度が１４００ＭＰａを超えるような材質に対して好適である。また、本発明は、薄板及び厚板の双方に対して、好適に適用される。
【００３８】
また、本発明の適用対象は、自動車のドアビーム部材に限定されない。もっとも、本発明は、軽量化、高強度化、及び耐候性が今後ますます要求される、自動車の車体部品に対して、非常に好適に適用されるものである。
【００３９】
本発明は、上述した具体的な処理態様に限定されない。例えば、溶接電流Ｉ１は、複数回に分けて通流されてもよい（特開２００４−９００３７号公報等参照）。
【００４０】
焼き戻し電流Ｉ３は、図３に示されているような連続的な電流でもよいし、図７に示されているように複数のパルス状電流Ｉ３１，Ｉ３２…に分割されていてもよい。また、焼き戻し初期電流Ｉ２の通流時間が極めて短時間（例えば１サイクル／６０Ｈｚ）であって、かかる焼き戻し初期電流Ｉ２の通流後直ちに図３のように通電遮断が行われるような場合、溶接電流Ｉ１の通電時間ｔｗ１によっては、溶接電流Ｉ１よりも焼き戻し初期電流Ｉ２の方が、電流値が大きくなることがあり得る。
【００４１】
すなわち、本発明の発明者は、下記の条件にて種々実験した結果、接合部５０における靭性や遅れ破壊特性が良好に回復したことを確認済みである。
・溶接電流：１０〜１５ｋＡ、１〜１０サイクル／６０Ｈｚ
・再通電電流：１２〜２ｋＡ、合計１２０サイクル／６０Ｈｚ
・焼き戻し処理時間：０．１秒以上
・焼き戻し温度：３５０〜８００℃
【符号の説明】
【００４２】
１０…抵抗溶接装置、１１…第一電極、１２…第二電極、１３…溶接電源部、１４…電極冷却部、２０…高張力鋼板、３０…ナット、３３…突起、４０…溶接接合体、５０…接合部、５３…鋼板側第一熱影響部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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