JFE 技報 No. 34 (2014 年 月 )p. -13 高張力薄鋼板の継手特性向上を実現する抵抗スポット溶接技術 Development of Next Generation Resistance Spot Welding Technologies Improving the Weld Properties of Advanced High Strength Steel Sheets 谷口公一 TANIGUCHI Koichi JFE 研究所接合 強度研究部主任研究員 ( 副課長 ) 沖田泰明 OKITA Yasuaki JFE 研究所接合 強度研究部主任研究員 ( 課長 ) 池田倫正 IKEDA Rinsei JFE 研究所接合 強度研究部主任研究員 ( 部長 ) 博士( 工学 ) 要旨車体 高張力薄鋼板適用 際, 高 衝突安全性 実現, 組立溶接法 最 多 利用 抵抗 溶接技術 継手特性向上 重要 溶接, 溶接通電 短時間高電流通電 活用, 短 超高張力薄鋼板 溶接継手強度向上 実現 溶接, 溶接中 加圧力 溶接電流 変化, 高張力薄鋼板 適用 増加 高板厚比三枚重 溶接 容易 Abstract: The new technologies of resistance spot welding, which has been widely used for auto body production, are significant to realize the high collision safety of car body. Pulse Spot welding, utilizing the high conduction with short periods in the weld pattern can enhance the weld joint strength of high strength steel sheets without extending the weld time. Intelligent Spot welding, varying the force and welding during welding, enables to mitigate the limitation of the three sheets lap welding which is more frequently performed with increased application of high strength steels. 1. はじめに 自動車 環境負荷低減 目的 車体軽量化 進 中, 乗客安全性向上 両立 実現, 自動車 車体 対 各種高機能高張力薄鋼板 適用 検討 車体 組立工程, 鋼板 有 効 活用 溶接技術 重要, JFE 各種 高機能高張力薄鋼板 提供, 車体組立用 溶接技術 積極的 研究開 発 進, 各種高張力薄鋼板 自動車車体 適用 目指 自動車車体 組立溶接, 抵抗溶接, 溶接 溶接 主 用, 最 多 使用 溶接法 抵抗 溶接, 高 施工 性 有 今後 重要 溶接技術 位置付 本報,JFE 開発 車体組立用抵抗 溶接技術, 今後 高張力薄鋼板 適用拡 大 寄与 期待 溶接技術 1-5), 溶接技術 -) 報告 2014 年 2 月 15 日受付 2. パルススポット 溶接技術 2.1 高張力薄鋼板の溶接における課題車体 衝突安全性 向上 上, 抵抗 溶接継手 破断強度 確保 不可欠, 高張力薄鋼板, 離方向 破断強度 十字引張強 (Cross tension strength, CTS) 低下 懸念 指摘 図 1 板厚 1. mm 引張強 590~1 MPa 級薄鋼板 二枚重 継手, 径 5 mm 引張 断強 (Tension shear strength, TSS), 十字引張強 破断形態 示 引張 断強 鋼板引張強 増加 増加 傾向, 十字引張強 90 MPa 超 逆 低下 傾向, 十字引張試験,90 MPa 級以下 鋼板 母材 熱影響部 延性的 破断 破断 対,90 MPa 級 超 鋼板 ( 溶融凝固部 ) 脆性的 破断 界面破断 示, 継手強度 低下 高張力鋼板 界面破断 要因, 十字引張試験時 端部 応力集中, C,P 靱性低下 指摘 9-11), 十字引張強 劣化 解決 方法 通電法 提案 12) 抵抗 溶接 得 硬 Copyright 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. - -
Tensile shear strength (TSS), Cross tension strength (CTS)(kN) 20 1 12 4 TSS CTS 組織, 得 後通電 ( 通電 ) 付与 組織 焼 方法, 通電法, 軟化 継手 引張 断強 低下, 十分 焼 効果 得 後通電前 冷却時間 1 s 程度必要, 加, 径 小 電流 再溶融 生 焼 効果 得 施工性 課題,JFE 通電法 短時間 抵抗 溶接継手 十字引張強 向上, 引 張 断強 低下 生 溶接法, 短時間 高 電流通電 発熱 活用 抵抗 溶接技術 溶接 1-5) 開発 2.2 短時間 高電流通電における 溶接部の発熱形態 短時間 高電流通電 溶接部 発熱形態, 板厚 1. mm 1 MPa 級高張力鋼板 二枚重 板組 数値 検討 数値 Swantec Software and Engineering ApS SORPAS 用 計算 形成 本通電, 無通電状態 加圧保持 冷却, 再加熱 後 通電 解析 溶接条件, 本通電電流 ka, 本 通電時間 1 cycles/50 Hz, 冷却時間 0 cycles/50 Hz, 後 通電電流 20 ka, 後通電時間 1 cycle/50 Hz, 電極加圧力 4.41 kn Open mark : Interface failure Solid mark : Plug failure Sheet thickness : 1. mm Nugget diameter : 5.0 mm 0 200 400 00 00 1 000 1 200 1 400 Tensile strength of base metal (MPa) 図 1 母材強度に対する抵抗スポット溶接継手強度および破断形態 ( ナゲット径 :4 t ) Fig. 1 Weld joint strength and failure mode of resistance spot weld in each tensile strength of base metal 図 2, 温度分布 電流密度 解析結果 示 本 通電終了直後, 部 最 温度 高, 電流密 度 溶接部 均一 状態 対, 十分 冷却 後 20 ka,1 cycle 後通電直後, 周辺 電極近傍部 高温 加熱 (a) Just after main (b) Just after cool time (c) At 1cycle of postheating 図 2 高電流短時間通電による温度分布変化と電流密度分布変 5) 化 Fig. 2 Temperature distribution and density distribution by short-time high- post-heating 5), 電流密度分布 電極接触部近傍 最 高 1 cycle 通電 水冷電極 溶接部冷却効果 発現 状態,, 極 高 電流 流 電極近傍 集中的 発熱 生 考 2.3 パルススポット 溶接による 継手強度向上機構 2.2 節 述 短時間 高電流通電 周辺 優先的発熱現象 活用, 通電 短 時 間 継手強度向上 可能 抵抗 溶接技術 溶接 開発 図 3 溶接 溶接電流 示 形成 本通 電 後, 冷却 短時間 高電流 通電 2 回繰 返 溶接電流, 本通電 得 効率的 短時間再加熱 可能 溶接 効果 板厚 1. mm 1 MPa 級高張力鋼板 二枚重 溶接 検討 溶接条件, 本 通電 電流 5.5 ka, 通電時間 14 cycles, 通電 電流 9 ka, 通電時間 3 cycles, 冷却時間 cycles, 加圧力 3.5 kn 写真 1, 従来溶接 ( 本通電 ) 溶接 得 溶接部断面 組織 示 酸飽和水溶液 溶接 従来溶接 現 濃淡 Weld 図 3 パルススポット 溶接の溶接電流パターン Fig. 3 Temperature Main Cool Current density Pulsed Cool Pulsed Weld pattern of Pulse Spot Welding Current Temperature density ( ) (A mm 2 ) 1 500 1 000 1 350 900 1 200 00 1 050 700 900 00 750 500 00 400 450 300 300 200 150 0 20 0 1 mm Weld time - 9 - JFE 技報 No. 34(2014 年 月 )
Material: 1 MPa 模様 観察 図 4,P 偏析状態 確認 実施 EPMA( 電 子線 ) 結果 示 溶接 従来溶接 場合 比較 P 偏析 軽 減, 差異 状態 濃淡差 生 考 溶接, 通電 時 再加熱 内 P 拡散 推定 (a) Conventional welding (b) Pulse Spot welding 1 mm 5) 写真 1 溶接部の断面マクロ組織 Photo 1 Cross-sectional microstructures 5) 5) 図 4 ナゲット端部における P 分布 Fig. 4 Distribution of phosphorous at the edge of the nugget 5) Vickers hardness, Hv0.2 (a) Conventional welding 500 450 400 350 300 250 2 Fig. 5 Pulse Spot welding Nugget Conventional welding Evaluated line BM 0.2 mm (b) Pulse Spot Welding 図 5 溶接継手の硬さ分布の比較 P Level 0 70 0 50 40 30 20 0 μm Material: 1 MPa Grade Main : 5.5 ka Pulsed :.0 ka Conventional welding Heat affected zone (HAZ) (Softend) Base metal (BM) Nugget HAZ HAZ (Softened) Base metal (Hardened) `Pulse Spot welding 1 0 1 2 3 Distance from the nugget (mm) Comparison of hardness distribution of weld joints 次, 溶接部 硬 分布 比較 図 5 示 両溶接方 法 同様 硬 分布 示, 溶 接, 従来溶接 比較, 母材 組織 焼 生 溶接熱影響部 軟化領域 拡大 傾向 確認 溶接, 溶接熱 影響部 加熱 状態 考 一方, 硬 低下 確認 以上 結果, 溶接,(1) P 偏析軽減 靭性向上,(2) 熱影響域拡 大 端部 応力集中緩和 二 効果 継手強度向上 期待 2.4 パルススポット 溶接による継手強度向上 溶接 継手強度向上 効果, 板厚 1. mm 1 MPa 級高張力鋼板 二枚重 溶接継手 評価 図, 電流 十字引張強 関係 示 電流値以外 溶接条件 前項 同様 従来溶 接 継手強度 7 kn 対, 溶接 電流 ka 継手強度 12 kn 示, 顕著 継手強 度向上効果 確認, 電流 7 ka 9 ka 幅広 範囲 継手強度 向上, 溶接施工性 良好 確認 写真 2 電流 ka 十字引張試験後 破断 状態 示 従来溶接 内 裂 進展 破 断, 溶接 内 裂 進展, 良好 破断形態 示 靭性向上 端部 応力集中緩和 効果, 継手強度 大幅 向上 考 図 7, 図 1 継手強度 評価 板厚 1. mm 90~ 1 MPa 級鋼板 対 溶接 実施, 破断強度 従来溶接 比較 従来溶接 継手強度 低下 材料, 溶接 十字引張強 向上 示, Cross tension strength (kn) 15 14 13 12 11 9 7 5 Pulse Spot welding 7 図 パルススポット 溶接による十字引張強さの向上およびパルス電流範囲 Fig. Increase of cross tension strength by Pulse Spot welding and the effective conditions of pulsed 9 Pulsed (ka) Material: 1 MPa Grade steel Nugget diameter: 5.0 mm Weld Increase of cross tension streugth (CTS) by above 3 kn Average CTS of conventional welding Weld time Pulsed 11 JFE 技報 No. 34(2014 年 月 ) - -
Material: 1 MPa 写真 2 十字引張試験破断後の断面マクロ 5) Photo 2 Cross-sectional microstructures of fractured specimen after cross tension test 5) Cross tension strength (kn) 図 7 パルススポット 溶接によるハイテンの十字引張強さの向上 Fig. 7 1 14 12 Conventional welding Pulse spot welding Open mark: Interface failure Solid mark: Plug failure (a) Conventional welding (b) Pulse Spot welding 1 mm Improvement by Pulse spot welding Sheet thickness: 1. mm Nugget diameter: 5.0 mm 4 00 700 00 900 1 000 1 0 1 200 1 300 1 400 Tensile strength of base metal (MPa) Increase of cross tension strength of advanced high strength steel sheets by Pulse Spot welding 十字引張強度 向上 技術 溶接技術 紹介, 自動車車体, 高張力薄鋼板 含 多様 強度, 板厚, 表面処理状態 鋼板 用, 溶接板組 非常 多 組合, 抵抗 溶接施工条件 設定 十分 配慮 必要,, 外板 ( 板厚 0. mm 以下 軟質鋼板, 以後薄板 表記 ), 補強部材 ( 板厚 1.0 mm 以上 高張力薄鋼板, 以後厚板 表記 ) 内板 ( 厚板 ), 板厚比 ( 板組 総板厚 / 板組 中 外側 配置 薄板 板厚 ) 大 三枚重 板組 溶接 必要 高板厚比 板組 抵抗 溶接, 薄板 - 厚板間 溶融部形成 困難, 一般的 板厚比 4~5 以下 制限 JFE 問題 解決, 板厚比制限 緩和 新 抵抗 溶接技術 溶接技術 -) 開発 3.1 溶接メカニズム 溶接技術, 溶接中 加圧力 溶接電流 多段制御 発熱位置 制御, 高板厚比 板組 抵抗 溶接 可能 技術 本技術 加圧力 電流, 溶融部形成過程 図 模式的 示 溶接過程 二段階 分割, 一段目, 低加圧力 短時間通電 高電流 薄板 - 厚板間 十分 発熱, 二段目 高加圧力 長時間通電, 薄板 - 厚板間 厚板 - 厚板間 必要 径 形成 一段目, 十分 加圧力 低 設定 上, 従来溶接 界面破断 場合, 破断 変化 示 2.5 パルススポット 溶接の展開 溶接, 溶接継手強度 向上 破断形態 向上 可能 技術, 従来 継手強度向上手法 通電 比較 溶接時間 短縮, 適正 電流範囲 広 施工性 優 抵抗 溶接技術 本技術, 自動車車体 溶接組立 適用 向, 既 自動車会社 検討 開始 高 評価 得 今後, 車体軽量化 向 高張力薄鋼板 適用拡大 考 上, 非常 有効 溶接技術 期待 Welding force First step Time Time Second step 3. インテリジェントスポット 溶接技術 2 章, 高張力薄鋼板 抵抗 溶接継手 図 インテリジェントスポット 溶接プロセス模式図 Fig. Schematic illustration of Intelligent Spot welding process for three-sheet-joint with higher sheet thickness ratio - 11 - JFE 技報 No. 34(2014 年 月 )
Welding force 0.02 s First step Second step Time 0.0 s 0.50 s Time 0.12 s 7) 写真 4 高板厚比三枚重ね抵抗スポット溶接部の断面の比較 Photo. 4 270 GA 70 GA 70 GA 2 mm 2 mm (a) Conventional resistance (b) Intelligent Spot Welding spot welding 270GA: 270 MPa Grade galvannealed steel sheet 70GA: 70 MPa Grade galvannealed steel sheet Comparison of cross section macros of three sheets joint with high sheet thickness ratio 7) 0.04 s 0.0 s 写真 3 高速度ビデオにより観察したインテリジェントスポット 溶接ナゲット形成過程 Photo. 3 Nugget formation process in Intelligent Spot welding observed by high speed video camera 短時間 高電流 溶接条件, 薄板 - 厚板間 発熱 膨張 生, 薄板 - 厚板間 板 浮 上, 発生 薄板 - 厚板間 接触径 減少, 電流密度 増加, 結果, 薄板 - 厚板間 発熱 促進 後, 加圧力 増加 二段目, 薄板 - 厚板間 通電面積 拡 大, 電流密度 減少, 抵抗発熱 電極冷却 熱 厚板 - 厚板間 溶融部 形成 以上, 本溶接技術 用, 高板 厚比 板組 各鋼板間 必要 径 得 可能 写真 3 板厚 0.7 mm 270 MPa 級合金化溶融亜鉛 鋼板 (270GA), 板厚 2.3 mm 70 MPa 級合金化 溶融亜鉛 鋼板 (70GA) 用,0.7 mm-2.3 mm-2.3 mm 三枚重 板組 ( 板厚比 7.) 鋼板端部 溶接, 本 形成過程 高速度 直接 観察 結果 低加圧力 一段目 薄板 - 厚板間 発熱 促進, 加圧力 増加 二段目, 厚 板 - 厚板間 溶融部 形成 様子 明瞭 観察 3.2 高板厚比板組の溶接への適用 0.30 s 0.5 s 上記板組 (270GA:0.7 mm-70ga:2.3 mm-70ga:2.3 mm) 場合, 従来 抵抗 溶接 Nugget diameter (mm) 9 7 5 4 3 2 1 0 Fig. 9 Between thick sheet and thick sheet Between thin sheet and thick sheet Acceptable range 図 9 インテリジェントスポット 溶接の適正電流範囲 溶接 溶接部断面 写真 4 示 厚板 - 厚板間 径,4 t(t: 板厚 ) 溶接 条件 断面, 薄板 - 厚板間 形成 溶接 場合 確認, 板組 本溶接技術 適正電流範囲 調査 結果 図 9 示 従来 抵抗 溶接, 発生 薄板 - 厚板間 4 t 径 得 困難 板組, 本溶接技術 用 約 2.5 ka 広 適正電流範囲 得 Expulsion 4 t (t=2.3) 4 t (t=0.7) t: Thinner sheet thickness (mm) 7 9 Second welding, I 2 (ka) Acceptable range of Intelligent Spot welding 次, 上述 三枚重 板組,, 板厚 2.3 mm 70 MPa 級合金化溶融亜鉛 鋼板 加 四枚重 板 組 場合 溶接事例 紹介 場合 板厚比.9 写真 5 溶接部断面 示 (a) 加圧力一定溶接 場合,(b) 溶接 場合 (a), 溶接電流 厚板 - 厚板間 散 発生 電流 増加, 薄板 - 厚板間 形成 一方,(b) 溶接, 三枚重 場合 同様, 薄板 - 厚板間 溶接部 形成 確認, 四枚重 溶接 実用化, 鋼板間 重 量 制御, 厚板側 確保 高加 圧力溶接機 適用, 溶接施工上 設備上 課題 JFE 技報 No. 34(2014 年 月 ) - 12 -
270 GA 70 GA 70 GA 体組立 適用時 各種外乱 影響 考慮 検討 実施, 実適用 開始, 高板厚比 部 適用, 低減 効果 確認 70 GA 検討 必要 考 3.3 インテリジェントスポット 溶接の効果 高板厚比板組 薄板 - 厚板間 形成 問 題, 自動車 三枚重 溶接 板厚比 4~5 程度 制限, 千鳥加工 二枚 溶接 対策, 生産性 設計自由度 犠牲 場合, 制限範囲内, 高板厚 比板組 薄板 - 厚板間 径 確保, 過 大 溶接電流設定, 発生 車体 付着, 拭 取 工数 増加 問題 溶接 適用, 現在未適用 板厚比 高 板組 溶接 可能, 板厚比制限 緩和 可能, 千鳥加工 工数削減 設計自 由度向上 期待, 板厚比制限範囲内 板組 溶接 薄板 - 厚板間 径 確保 過大 電流設定 不要 発生 低減 可能, 低 化技術 期待 2 mm 2 mm (a) Conventional resistance (b) Intelligent Spot Welding spot welding 270 GA: 270 MPa Grade galvannealed steel sheet 70 GA: 70 MPa Grade galvannealed steel sheet ) 写真 5 高板厚比四枚重ね抵抗スポット溶接部の断面の比較 Photo. 5 Comparison of cross section macros of four sheets joint with high sheet thickness ratio ), 本技術 厚板 - 厚板間 必要 径 形 成 二段目 通電後 条件 制約, 溶接技術 併用 可能 溶接 溶接 併用, 構造部材 超高張力薄鋼板 含 高板厚比三枚重 溶接, 各鋼板間 必要 径 確保, 高張力薄鋼板溶接部 継 手引張強 向上 可能 4. おわりに自動車車体 対, 各種 高機能高張力薄鋼板 有効 活用, 鋼板材質 高性能化, 技術, 溶接技術 工法開発 重要 本報告, 中, 継手強度 施工性向上 実現 新 溶接技術 開発事例 紹介 今後, 溶接技術 実適用 推進, 高張力薄鋼板 適用拡大 車体軽量化 環境性能向上 衝突安全性向上 貢献 考 参考文献 1) 谷口公一, 沖田泰明, 池田倫正, 遠藤茂. 溶接学会全国大会講演概要集. 20, 第 7 集,p. 9-97. 2) 谷口公一, 貞末照輝, 伊木聡, 池田倫正, 遠藤茂. 溶接学会全国大会講演概要集.2011, 第 9 集,p. 4-5. 3) 澤西央海, 小椋智, 廣瀬明夫, 谷口公一, 池田倫正, 遠藤茂, 安田功一. 溶接学会全国大会講演概要集.2011, 第 9 集,p. -9. 4) 谷口公一, 池田倫正, 大井健次. 溶接学会全国大会講演概要集.2012, 第 90 集,p. 240-241. 5) 谷口公一, 澤西央海, 池田倫正, 小椋智, 広瀬明夫..2014, vol. 53, no. 2, p. 3-5. ) 沖田泰明, 池田倫正, 小野守章, 安田功一. 溶接学会全国大会講演概要. 200, no. 7, p. 14-17. 7) 池田倫正, 沖田泰明, 小野守章, 安田功一..2009, vol. 4, no. 02, p. 7-7. ) 池田倫正, 沖田泰明, 小野守章, 安田功一, 寺崎俊夫. 溶接学会論文集. 20, vol. 2, no. 1, p. 141-14. 9) 田中甚吉, 樺沢真事, 小野守章, 長江守康. 日本鋼管技報.194, no. 5, p. 72-1. )Ferrasse, S.; Verrier, P.; Meesemaecker, F. Welding in the World. 199, vol. 41, p. 177-195. 11) 西武史, 斉藤亨, 山田有信, 高橋靖雄. 製鉄研究.192, no. 307, p. 5-2. 12), 溶接学会抵抗溶接研究委員会編. 溶接 下抵抗溶接現象 応用.192, p. 39. 3.4 インテリジェントスポット 溶接適用事例 本技術, 自動車 共同研究開発 中, 車 谷口公一沖田泰明池田倫正 - 13 - JFE 技報 No. 34(2014 年 月 ) Copyright 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載