焊接构造部件和焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接构造部件和焊接方法。进一步详细而言，本发明涉及具有高韧性 的点焊部的焊接构造部件和构造部件的焊接方法。
【背景技术】
[0002] 点焊装置用于对重合的钢板相互间进行焊接。图36是示意性表示通常进行的钢 板50相互间的点焊。如图36所示，钢板50相互间的点焊用一对电极52夹着钢板50相互 间的重合部分，使规定的力沿箭头方向作用在该电极52上而对钢板50相互间加压。接着， 保持加压状态，同时对电极52施加 kA级的大电流，通过焦耳热、即所谓电阻加热使钢板50 相互间的压接部分瞬间熔融，形成被称为熔核54的规定直径的熔融的块，来进行点焊（参 照例如非专利文献1)。熔核54也被称为熔融凝固部。
[0003] 图37是通过以往的点焊形成的焊接部截面的详细图。如图37所示，在点焊部53 形成熔融凝固部54、包围熔融凝固部54的热影响部55、在热影响部55中形成于钢板50、50 之间的边界的塑性金属环区（Corona bond)部位57、以及能够在热影响部55与钢板50、50 的边界生成的空隙58。热影响部55也被称为HAZ。塑性金属环区部位57和空隙58分别 被称为压接部位、板间隔前端。
[0004] 而且，存在在空隙58中生成粉末56的情况。粉末56是由于点焊时熔化的钢从熔 融凝固部54的区域穿过热熔接影响部55向外部飞溅而在钢板50、50之间的重合部分的空 隙58生成，成为焊接凝固部54的一部分。粉末56也被称为中等粉末。由于产生粉末56， 所以在焊接部53的内部生成球状的空洞的吹孔（Blow hole)或者飞散的粉末56附着于点 焊部53以外的钢板部位。粉末56的产生有可能导致在点焊之后进行的涂装工序中产生缺 陷，故不优选。然而，现状是不可避免地会产生粉末56。
[0005] 然而，近年来，在车辆的生产线中使用的点焊中，为了兼顾车辆的轻量化和安全 性，使用高张力钢板作为车体用材料。
[0006] 图38是检测高张力钢板的点焊强度的拉伸试验所使用的试料的俯视图，㈧示出 了重合接头的试料，（B)示出了十字接头的试料。在图38(A)所示的重合接头的试料中，2 片长方形的钢板50在其长度方向的端部重合，并在端部进行了点焊。图38(B)所示的十字 接头的试料中，使2片长方形的钢板50交叉成十字形状，该交叉的部位进行了点焊。由虚 线包围的大致椭圆状部是通过焊接形成的熔核54。在十字拉伸试验中施加的力56由箭头 示出。
[0007] 图39是示意性地表示点焊部的十字拉伸试验的断裂模式的图。如图39所示，断 裂模式分成：(a)恪核内表面上断裂；(b)恪核内塞子断裂（Plug rupture) ;(c)热影响部 内塞子断裂；（d)母材断裂；和（e)未图示的复合型断裂。复合型断裂是上述断裂模式中的 (b)~（d)组合而成的断裂。通常，随着断裂位置从上述的断裂模式（b)转移到（d)，存在 十字抗断裂强度增加的趋势。
[0008] 据报告，对于高张力钢板的点焊强度，十字接头的剥离强度即使在材料强度增加 时也难以增加，反而难以获得稳定的强度。在十字接头的剥离中不能获得稳定的拉伸强度 的理由被认为是由熔核54的圆周上的应力集中的程度非常高引起的。基于上述情况，现状 是从确保焊接区域强度的韧性的观点出发，在将强度高的钢板应用于实际的车体时，通过 使碳量为一定水准以下等使得焊接区域不会过分变硬、考虑接合面或与对象材料的组合等 来设置限制。
[0009] 另一方面，如果使用高张力钢板则能够有效地使车体轻量化，因此期望强度和延 展性两者进一步提尚的尚张力钢板。通过进一步提尚车体用钢板的强度，能够期待进一步 的轻量化。通过提高车体用钢板的延展性，能够确保冲压成形性以及在产品状态下发生碰 撞时的充分的变形能力。通常，车体用钢板呈现强度提高时延展性下降的趋势。为了同时 提高车体用钢板自身的强度和延展性，提高材料的碳含量是有效的。然而，在车体用钢板的 点焊时，点焊区域与碳含量成正比地变硬、变脆，因此难以获得稳定的充分的强度。
[0010] 到目前为止，已经有想要通过焊接方法来解决这种点焊部的强度的配合。例如以 规定大小形成熔融接合部之后，尝试通过后通电实施回火。然而，在车体装配中所用的电阻 点焊中，要求每一焊点所需要的工序时间至多在1秒以内进行，在用现状的焊接设备通过 后通电等进行回火的情况下，该回火效果极为受限。或者，在想要通过回火来获得充分的效 果的情况下，需要大幅超过工序的要求时间。这是由于，如果用现有的焊接机进行回火作 业，则通电电流流通电极正下方，因此想要获得回火效果的部位与主要发热的部位错开。
[0011] 在现有的点焊中，焊接部的强度恢复是想要使熔融凝固部的韧性恢复。在这种情 况下，在熔核周边的热影响部存在被称为塑性金属环区的较弱的结合状态的区域，不过由 于塑性金属环区比较脆弱，所以该结合状态对点焊部位的接合强度没有贡献。也就是说，该 区域的硬度由钢板的材料组成决定，强度和韧性的改善、该区域的接合状态的强度改善无 法进tx。
[0012] 在专利文献1中公开了一种点焊装置，其包括：具有1对电极的点焊机、以及具有 卷绕在1对电极中的1个电极上来配置的加热线圈的高频感应加热装置。该高频感应加热 装置包括对工件的被焊接部分进行感应加热的加热线圈和对加热线圈供给高频电力的高 频电源。
[0013] 作为兼具高强度和高韧性的钢，对微细结晶粒的复合组织钢进行了研究，可知碳 化物的析出是有效的手段（参照专利文献2)。为了进行碳化物的析出，需要提高材料的碳 含量，但是在碳量较高的情况下点焊部变得过硬，因此存在发生脆化而接合部强度显著下 降的问题。因此，广泛使用的汽车用钢板能够将碳含量抑制到〇. 15wt%左右以下。此外，对 点焊的电极形状或通电条件进行了研究。然而，只进行了以下研究：在通过对电极通电而形 成的点焊区域中，由于点焊区域的冷却较快，所以熔融凝固部和热影响部的金属组织因该 冷却而成为马氏体组织，但并没有进行进一步的研究。
[0014] 在专利文献3中公开了一种在重合的钢板的点焊中低频通电之后进行高频通电 的焊接方法。
[0015] 图40是表示专利文献3中的钢板的加热状态的图。图40(A)是表示仅由低频电 流产生的钢板50的加热区域的俯视图，将电极52的轴截面投影于钢板50而成的圆形内部 52A成为主要的加热区域。图40⑶是图40(A)的X - X方向的温度分布，在钢板50中将 电极52的轴截面投影于钢板50而成的圆形内部52A被集中地加热。
[0016] 另一方面，高频电流的电流集中在电极52的表面和外周区域。低频电流和高频电 流的分布不同是与所谓的表皮厚度相关。
[0017] 图40 (C)是表示仅由高频电流产生的钢板50的加热区域的俯视图。将电极52 (参 照图36)的轴截面投影于钢板50而成的外周圆及外周圆附近、即作为圆形外部的环状的附 近区域52B成为主要的加热区域。40(D)是图40(C)的X - X方向的温度分布。在钢板50 中将电极52的轴截面投影于钢板50而成的外周圆及外周圆附近的大致环状的附近区域 52B被电阻加热。
[0018] 因此，在从低频电源和高频电源同时向重合的2片钢板50施加电力时，钢板50的 加热区域如图40 (E)所示是叠加作为低频电流的通过区域的圆形内部52A和作为高频电流 的通过区域的环状的附近区域52B而得到的。而且，由这些电流产生的钢板50的温度分布 如图40(F)所示是叠加基于低频电流的温度分布（参照图40(B))和基于高频电流的温度 分布（参照图40(D))而得到的。
[0019] 现有专利文献
[0020] 专利文献
[0021] 专利文献1 :日本特开2005 - 211934号公报
[0022] 专利文献2 :日本特开2007 - 332457号公报
[0023] 专利文献3 :国际公开公报TO2011/JP2011/013793
[0024] 专利文献4 :日本专利第4006513号公报
[0025] 非专利文献
[0026] 非专利文献1 :社团法人焊接学会编"焊接?接合便览"，丸善株式会社，平成2年 9月30日，pp. 392 - 398 (日文：社団法人溶接学会編、「溶接?接合便覧」、丸善株式会社、 平成 2 年 9 月 30 日、ρρ· 392-398)
[0027] 非专利文献2 :早川正夫、松冈三郎"用原子力显微镜进行的回火马氏体的组织解 析"，Materia(日本金属学会会报），43卷，第9号，ρρ·717 - 723,2004年（日文：早川正 夫、松岡三郎、「原子間力顕微鏡(乙A §焼戾L >寸4卜①組織解析」、圭T 9态、43 卷、第 9 号、ρρ· 717-723、2004 年）
【发明内容】
[0028] 发明要解决的问题
[0029] 在现有的点焊中，进行焊接部的强度恢复的尝试基于专利文献3开始，还要求熔 融凝固部的强度改善。
[0030] 本发明的第一目的是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种点焊部具有强 度和韧性，通过十字拉伸试验等断裂试验得到的抗断裂强度较高的焊接构造部件。本发明 的第二目的在于提供这种构造部件的焊接方法。
[0031] 用于解决问题的手段
[0032] 为了达成上述第一目的，本发明的焊接构造部件，其包括将钢板的面相互间（彼 此）重合、通过点焊形成焊接部而接合的钢板，其中，焊接部具有熔融凝固部和包围熔融凝 固部的热影响部，焊接面的硬度从热影响部的外侧区域向热影响部逐渐变得比钢材的母材 硬度大。
[0033] 在上述结构中，优选热影响部和熔融凝固部的金属组织由回火马氏体组织构成。 优选热影响部的钢板相互间进行了固相接合。优选焊接部的十字拉伸试验的断裂路径成为 裂纹沿着熔融凝固部以外的区域扩展的断裂路径。优选具有使该焊接部的十字拉伸试验的 断裂路径成为裂纹的扩展方向在热影响部的内部发生变化的断裂路径的接合强度。
[0034] 采用上述结构，能够获得点焊部具有较高强度和韧性、通过十字拉伸试验等断裂 试验得到的抗断裂强度较高的焊接构造部件。优选焊接部在冷却期间内被冷却到比钢板的 马氏体转变结束点的温度低的温度。
[0035] 为了达成上述第二目的，本发明的点焊方法，用一对电极夹着将面相互间重合后 的钢板，对一对电极之间施加直流或第一频率的电力，并利用形成的焊接部将钢板相互间 点焊，该点焊方法包括：在对一对电极之间施加直流或第一频率的电力之后设置冷却期间， 接下来对电极施加比第一频率高的第二频率的电力，通过第二频率的电力对钢板和一对电 极接触的区域的外周部附近进行加热，并且对焊接部的钢板的重合的接合端部区域进行加 热。
[0036] 在上述结构中，也可以在施加第二频率的电力后经过规定时间之后，停止对电极 加压。
[0037] 采用上述结构，用一对电极夹着重合的钢板，通过电阻加热来形成熔融凝固部，并 利用频率比直流或低频电力高的高频电力对熔融凝固部的周缘区域进行加热，能够制造强 度和韧性较高的焊接构造部件。
[0038] 发明效果
[0039] 根据本发明，能够提供一种点焊部具有较高的强度和韧性并且十字拉伸试验的抗 断裂强度较高的焊接构造部件和焊接方法。
【附图说明】
[0040] 图1是示意性地表示本发明的实施方式涉及的对焊接构造部件进行点焊的焊接 装置的结构的一个例子的图。
[0041] 图2是图1表示的焊接装置的电路图。
[0042] 图3是表示本发明的加热波形的一个例子的图。
[0043] 图4是示意性地表示从低频电源和高频电源同时向重合的2片钢板施加电力时钢 板上产生的电流分布的截面图。
[0044] 图5是表示使2片钢板重合的情况下基于高频电流的加热状态的截面图。
[0045] 图6是示意性地说明冷却期间的钢板冷却的图。
[0046] 图7是示意性地说明基于高频的第三通电期间的钢板加热的图。
[0047] 图8是示意性地说明高频通电后的回火的图。
[0048] 图9是表示使3片钢板重合的情况下基于高频电流的加热状态的截面图。
[0049] 图10是表示点焊部的十字拉伸试验的断裂方式的JIS分类的图，（a)表示界面断 裂，（b)表示部分塞子断裂，（c)和（d)表示塞子断裂。
[0050] 图11是用示波器测量从低频电源和高频电源施加的电力而得