(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強さが４９０〜１０００MPa で、フェライト中にマルテンサイトを含む２相組織鋼、フェライト中に残留オーステナイトを含む加工誘起変態型高残留オーステナイト鋼、および、フェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼の何れかの高強度鋼板を被接合材とし、重ね合わせた該被接合材に引張強さの値が下記の式で表されるリベットを打ち込んで機械的に接合することを特徴とする疲労特性に優れた高強度鋼板の接合方法。
１．２ＴＳＭ≦ＴＳＲ≦２．５ＴＳＭ
ただし、ＴＳＭ：被接合材の引張強さ、 ＴＳＲ：リベットの引張強さ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車体の軽量化、衝突安全特性向上を目的として用いられる高強度鋼板の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、大気中でのＣＯ2 の増加による地球の温暖化が環境問題として大きく取り上げられるようになり、自動車、鉄道車両、船舶、などを軽量化し、ＣＯ2 の排出量を軽減させようという動きがある。このような動きに対応して、自動車分野では、高強度鋼板を用いることにより板厚を低減し、車体の重量を低減させようという試みが成されている。一方、これとは別に、最近、自動車の衝突安全特性の問題が大きくクローズアップされるようになり、衝突安全特性を向上させるために、高強度鋼板を適用することが検討されている。このように、自動車分野においては、高強度鋼板に対するニーズが高まっているが、高強度鋼板の溶接では、以下のような問題がある。
【０００３】
従来、自動車の組立行程では、スポット溶接が主に使われており、高強度鋼板の溶接でもスポット溶接が使われている。鋼板同士をスポット溶接した場合、鋼板の引張強さが増加すると継手の引張せん断強さも増加する。しかし、継手の引張せん断方向の疲労強度は、鋼板の引張強さが増加しても、ほとんど増加しないのである。例を上げるなら、引張強さが２９０MPa の軟鋼板の代わりに、引張強さが５９０MPa の高強度鋼板を用いれば、スポット溶接継手の引張せん断強さはほぼ２倍になるが、引張せん断方向の疲労強度（例えば、２×１０6 回における疲労強度）は２倍にはならず、軟鋼板の場合とほぼ同じ値を示すのである。これは、従来、報告されているように、スポット溶接部のノッチ形状が原因であるものと考えられる。
【０００４】
すなわち、図１に示すように、鋼板１の間に存在するナゲット（溶接部）２の部分がノッチ形状になっているため、引張せん断方向（矢印方向）に負荷されて疲労試験を行った場合、引張強さの高い鋼板を用いても、このノッチ効果によって疲労強度が向上しないのである。特に、高強度鋼板を用いた場合には、軟鋼板を用いた場合に比べて、ナゲット部の硬さが増加するため、このノッチ効果は顕著になる。負荷の方向が剥離方向（矢印と垂直な方向）になっても、この傾向は同じであり、この場合には、ナゲット部で応力集中が起こるため、引張せん断方向に比べて、疲労強度の値が低下する。
【０００５】
高強度鋼板のスポット溶接部の疲労強度を向上させる手段としては、例えば、鉄と鋼、６８巻（１９８２年）第９号、Ｐ１４４４〜Ｐ１４５１にあるように、スポット溶接後にテンパー通電を行うことによってナゲット部を焼鈍し、また、残留応力を変化させ、スポット溶接部の疲労強度を向上させる方法が知られている。しかし、この方法では、最適なテンパー通電の条件が非常に狭く、再現性が乏しいという問題がある。また、めっき鋼板を連続的に打点した時のように、打点数の増加に伴って、めっきと電極との合金化反応によって電極先端が劣化し、電極先端径が増大するような場合には、電流密度が低下して通電状況が変化するため、最適な通電条件からずれて、継手の疲労強度が向上しないという問題もある。
【０００６】
一方、上記で述べたテンパー通電を行う方法とは別に、図２に示すように、重ね合わせた２枚の高強度鋼板１にリベット３を打ち込んで両者を機械的に接合し、継手の疲労強度を向上させる方法が、Hahn.O. and Schulte.A.:Europaische Forschungsgesellschaft fur Blechverarbeitung, Band T17, EFB-Kolloquim, Leichtbau d. intelligente Blechverarbeitung, Fellbach, 1997.と、 Hahn.O.,Kurzok.J.R. and Schulte.A.:Tagungsband,,Innovative Fugetechniken fur Leichbaukonstruktionen, 7-8, November, 1996 in Paderborn, Freundeskreis desLaboratoriums fur Werkstoff-und Fugetechnik e.V.,Paderborn, 1997.で知られている。しかし、この方法では、リベットを打ち込むために、ダイス側での鋼板の変形が非常に厳しくなり、高強度鋼板のダイス側で割れが発生するという問題がある。また、２×１０6 回における疲労強度を比較すると、スポット溶接に比べれば、リベット打ち込み方式による接合の方が疲労強度は高くなるが、同じリベット打ち込み方式の継手で高強度鋼板と軟鋼板の疲労強度を比べると、ほとんど差がない（約１．１倍程度向上）という問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、軟鋼板の代わりに高強度鋼板を用いても、継手の疲労強度は向上しない。したがって、高強度鋼板の板厚を薄くして軽量化するためには、溶接点数を増やすことが必要となる。しかし、これは生産時間の増加を招き、ひいては、コスト上昇の原因となる。また、設計の自由度もかなり制限されるものと考えられる。
本発明は、このような問題を解決しようとしたものであり、疲労特性に優れた高強度鋼板の接合方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
高強度鋼板の接合部の疲労強度を向上させる方法としては、大きく分けて２つある。すなわち、スポット溶接後にテンパー通電を行う方法とリベットを打ち込んで機械的に接合する方法である。前者の方法は、電極の劣化とともに、テンパー通電条件が変化するため、再現性良く疲労強度を向上させることは難しいものと考えられる。一方、後者の方法は、ナゲット部のノッチ効果が無くなるため、疲労強度を向上させる方法としてはかなり期待が持てる。したがって、上記２つの方法の内、再現性良く疲労強度を向上させるためには、後者の方法を用いる方が望ましいものと考えられる。一方、リベット打ち込み方式の機械的接合法で継手の疲労強度を向上させるためには、リベットを打ち込んだ際にダイス側で割れが発生しないような、この方式に適した高強度鋼板を用いることが重要であるものと考えられる。
【０００９】
このような観点から、高強度鋼板の継手の疲労強度を向上させるために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、被接合材として複合組織鋼板を用い、これにリベットを打ち込んで機械的に接合することにより、継手の疲労強度を向上させ得ることを見い出した。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨とするところは、
（１）引張強さが４９０〜１０００MPa で、フェライト中にマルテンサイトを含む２相組織鋼、フェライト中に残留オーステナイトを含む加工誘起変態型高残留オーステナイト鋼、および、フェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼の何れかの高強度鋼板を被接合材とし、重ね合わせた該被接合材に引張強さの値が下記の式で表されるリベットを打ち込んで機械的に接合することを特徴とする疲労特性に優れた高強度鋼板の接合方法。
１．２ＴＳＭ≦ＴＳＲ≦２．５ＴＳＭ
ただし、ＴＳＭ：被接合材の引張強さ、 ＴＳＲ：リベットの引張強さ
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を用いて、本発明に係る接合方法およびこれに用いる接合用材料について、作用とともに具体的に説明する。
図２は、本発明に係る機械的接合方法を説明するための図である。図２（ａ）に示したように、被接合材である２枚の高強度鋼板１を重ね合わせ、ポンチ４でリベット３を上方から打ち込み、打ち込み時にダイス５でリベット３の先端を図２（ｂ）のように変形させ、２枚の高強度鋼板を機械的に接合する。
【００１２】
機械的接合に用いるリベットの材質としては、被接合材である高強度鋼板より０．２％耐力、引張強さ、硬さの値が高いものであれば良い。すなわち、それぞれの値が下記の式を満たすものであれば良い。
１．２ＹＰ0.2M≦ＹＰ0.2R≦２．５ＹＰ0.2M
１．２ＴＳM ≦ＴＳR ≦２．５ＴＳM 
１．２ＨｖM ≦ＨｖR ≦２．５ＨｖM 
ただし、
ＹＰ0.2M：被接合材の０．２％耐力、ＹＰ0.2R：リベットの０．２％耐力
ＴＳM ：被接合材の引張強さ、      ＴＳR ：リベットの引張強さ
ＨｖM ：被接合材のビッカース硬さ、ＨｖR ：リベットのビッカース硬さ
【００１３】
０．２％耐力、引張強さ、硬さの値を上記の値以上に設定したのは、打ち込み時にリベットが破断しないように確実に高強度鋼板を打ち抜くためであり、また、疲労試験時にリベットで破断が起こらないようにするためである。また、０．２％耐力、引張強さ、硬さの値を上記の値以下に設定したのは、あまり強度の高いリベットを用いると、打ち込み時やダイス側での変形時にリベットで割れが発生するからである。具体的な材質としては、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、ＳＫ４、など）や複合組織鋼（２相組織鋼、ＴＲＩＰ鋼）などを用いれば良い。リベットの直径（鋼板に打ち込まれる部分の直径）と長さは、高強度鋼板の板厚によって適宜選択すれば良いが、直径３〜６mm、長さ４〜１４mm程度のものを用いれば良い。ダイスの形状としては、リベットで割れが生じない形状であれば良い。
【００１４】
本発明で用いる高強度鋼板は、オーステナイト、マルテンサイト、ベイナイトの１種以上の組織とフェライト組織を含む複合組織を有する鋼板である。具体的には、フェライト中にマルテンサイトを含む２相組織鋼（Ｄｕａｌ  Ｐｈａｓｅ鋼）、フェライト中に残留オーステナイトを含む加工誘起変態型の高残留オーステナイト鋼（ＴＲＩＰ鋼）、フェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼、などが上げられる。機械的特性としては、引張強さが、４９０〜１０００MPa のものである。複合組織鋼板は延性に優れているため、リベット打ち込み時に、ダイス側で割れが発生し難い。したがって、その他の機械的特性については特に制限を設けないが、リベット打ち込み時におけるダイス側での割れの発生を出来るだけ回避するため、伸び、ｒ値は高い方が望ましい。製造法は、熱間圧延法でも冷間圧延法でも良い。板厚は一般的に自動車などで使う鋼板の板厚、例えば、０．４mm〜４．０mm程度で良い。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
被接合材として、表１に示した厚さ１．０mmの６種類の高強度鋼板と１種類の軟鋼板（試験片形状：４０×１５０mm）を用いた。この鋼板を、同種材同士の組み合わせで、ラップしろ４０mmで重ね合わせ、図２に示した要領で、直径５．０mm、長さ６．０mmのリベット（材質；ＳＫ４）を片面から打ち込み、逆側のダイスでリベットを変形させて機械的に接合した。また、比較のため、これらの鋼板をナゲット径が５．０mmになる条件でスポット溶接した。
【００１６】
これらの継手について、ＪＩＳ引張せん断疲労試験法に基づき疲労試験を実施した。疲労試験は片振り試験で行い、応力比；０．０５、周波数；５Ｈｚの条件で行った。２×１０6 回における疲労強度を表１に示す。スポット溶接では、鋼板の強度が増加しても、疲労強度は増加していない。一方、固溶型、Ｎｂ析出型、Ｔｉ析出型の高強度鋼板を用いた場合には、機械的接合を用いても、疲労強度の上昇はわずかであった。これに対して、２相組織鋼板、ＴＲＩＰ鋼板、高バーリング鋼板を用いた場合には、機械的接合法を用いることにより、継手の疲労強度は、大幅に向上した。板厚２．０mmの鋼板を用いて同様の検討を行ったが。結果は同じであった。
【００１７】
【表１】
0003958883.tif 000002
【００１８】
（実施例２）
表２に示した、実施例１と同じ鋼板（試験片形状：５０×１５０mm）を、同種材同士の組み合わせで十字型に重ね合わせ、直径；５．０mm、長さ；６．０mmのリベット（材質；ＳＫ４）を片面から打ち込み、逆側のダイスでリベットを変形させて機械的に接合した。また、比較のため、これらの鋼板をナゲット径が５．０mmになる条件でスポット溶接した。これらの継手について、ＪＩＳ十字引張疲労試験法に基づき疲労試験を実施した。なお、疲労試験の条件は、第１の実施例と同様である。２×１０6 回における疲労強度を表２に示す。スポット溶接では、鋼板の強度が増加しても、疲労強度は増加していない。一方、固溶型、Ｎｂ析出型、Ｔｉ析出型の高強度鋼板を用いた場合には、機械的接合を用いても、疲労強度の上昇はわずかであった。これに対して、２相組織鋼板、ＴＲＩＰ鋼板、高バーリング鋼板を用いた場合には、機械的接合を用いることにより、継手の疲労強度は、大幅に向上した。板厚２．０mmの鋼板を用いて同様の検討を行ったが結果は同じであった。
【００１９】
【表２】
0003958883.tif 000003
【００２０】
【発明の効果】
以上説明した本発明の接合方法および接合用材料を用いれば、従来一般に用いられてきたスポット溶接法に比べて高強度鋼板の接合部で高い疲労強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スポット溶接部の疲労試験時における破壊の例を説明するための断面図である。
【図２】本発明における接合方法の一例を説明するための断面図で、（ａ）はリベット打ち込み開始時、（ｂ）はリベット打ち込み後の状態を示している。
【符号の説明】
１  高強度鋼板
２  ナゲット
３  リベット
４  ポンチ
５  ダイス
【図１】
0003958883.tif 000004
【図２】
0003958883.tif 000005