专利名称：焊接构造构件及焊接方法
技术领域：
本发明涉及焊接构造构件及焊接方法。更详细地讲，本发明涉及包括高韧性的点焊部的焊接构造构件及焊接构造构件的焊接方法。
背景技术：
点焊装置用于将重合的钢板相互间焊接起来。图21是示意地表示钢板50相互间的点焊的剖视图。如图21所示，钢板50相互间的点焊通过这样的方式来进行，即，用ー对电极52夹着钢板50相互间的重合部分，对该电极52向箭头方向施加规定的力来对钢板50 相互间加压。接着，ー边保持加压状态，ー边向电极52通入kA数量级的大电流，通过焦耳发热、所谓的电阻发热瞬间将钢板50相互间的压接部分熔融，形成被称作熔核M的规定直径的熔融的块(例如參照非专利文献1)。熔核M也被称作熔融凝固部。图22是点焊部截面的详细图。如图22所示，点焊部53由熔融凝固部M、包围熔融凝固部M的热影响部阳、在热影响部阳中形成于钢板50、50之间的边界的(焊点周围的)电晕区结合部57、及产生于热影响部55与钢板50、50的边界的空隙58形成。热影响部55也被称作HAZ。电晕区结合部57和空隙58分別被称作压接部位、板间(即母材间的分离处，sheet s印aration)前端。还存在产生自熔融凝固部M经由热影响部55产生于钢板50、50之间重合部分的、作为熔融凝固部M的一部分的喷溅部56的情況。喷溅部56 也被称作板间喷溅部。由于产生喷溅部56，在焊接部53的内部生成气孔(blow hole)，或者飞散的喷溅部56附着在除点焊部53之外的钢板部位。喷溅部56的产生有可能导致在点焊之后进行的涂装エ序中的缺陷，因此为不良现象。但是，喷溅部56在现实中是不可避免地产生的。在点焊部53中，产生于热影响部55的电晕区结合部57中的裂纹决定后述的十字接头强度。但是，近年来，在车辆的生产线中使用的点焊中，为了使谋求车辆的轻量化和安全性同时成立，作为车体用原料采用高张カ钢板。图23是用于调查高张カ钢板的点焊强度的拉伸试验所采用的试样的俯视图，(A) 表示重合接头的试样，(B)表示十字接头的试样。在图23的(A)所示的重合接头的试样中， 两片长方形的钢板50在其长度方向上的端部重合，在端部点焊。在图23的(B)所示的十字接头的试样中，使两片长方向的钢板50交叉成十字形状，该交叉的部位被点焊。由虚线围成的大致椭圆状部是通过焊接形成的熔核M，用箭头表示在十字拉伸试验中施加的力56。图M是示意地表示点焊部的十字拉伸试验的断裂样式的图。如图M所示，断裂样式分类为(a)熔核内表面上断裂、(b)熔核内柱状断裂、(c)热影响部内柱状断裂、(d)母材断裂、(e)未图示的复合型断裂。复合型断裂是由上述(b) (d)的组合构成的断裂。随着断裂位置从(b)转移到(d)，十字断裂强度增加。专利文献1 日本特开2005-211934号公报专利文献2 日本特开2007-332457号公报专利文献3 日本发明专利第4006513号公告
非专利文献1 社団法人焊接学会編，“焊接·接合便览”，丸善株式会社，平成2年 9 月 30 日，pp. 392-398非专利文献2 早川正夫，松岗三郎，“利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，pp. 717-723，2004年对于高张カ钢板的点焊强度，报告有以下情況重合接头随着材料強度的増加，其拉伸强度也上升，但十字接头的剥离强度随着材料強度的上升而难以増加，反而难以得到稳定的強度。十字接头在应对剥离型的负荷方面无法得到稳定的拉伸强度的理由被认为是由熔核M的圆周上的应カ集中程度极高、以及母材的強度越高，熔核M周围的约束カ也随之増加所引起的。鉴于这样的情況，从确保点焊区域強度的韧性的方面考虑，在现实中，在将强度较高的钢板应用于实际的车体时，为了不使焊接区域过硬，需要使含碳量为一定水平以下等，综合考虑与组成方面、对应材料的組合，通过这样的方式等来设置制约。另ー方面，使用高张カ钢板是能够高效地使车体轻量化的方法，期望強度和延展性这两者得到进ー步提高的高张カ钢板。通过进一歩提高车体用钢板的強度，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、在产品状态下碰撞时的充分的变形能。通常，车体用钢板显示出若提高强度则延展性降低的倾向。为了同时提高车体用钢板的強度和延展性，提高材料的含碳量是有效的，但点焊区域与含碳量成正比地变硬、变脆，因此，难以得到稳定的充分的強度。迄今为止进行了各种作为利用焊接方法欲解决该点焊部的強度的试验。例如尝试在将焊接接合部形成为规定的大小之后，通过后通电实施回火。但是，在车体组装的电阻点焊中，要求每ー焊点所需要的エ序时间至多也要在1秒以内完成，在利用现实的焊接设备通过后通电等进行回火的情况下，其回火效果极为受限。或者，欲在回火过程中得到充分的效果的情况下，需要大幅度超过エ序的要求时间的时间。其原因在干，在利用以往式的焊接机进行回火作业时，通电电流仅通入到电极正下方的熔核部分，仅有熔核中心被通电，欲获得回火效果的部分与主要发热的部分错位。在专利文献1中还公开了包括点焊机和高频感应加热部件的点焊装置。该高频感应加热部件由用于对エ件的被焊接部分进行感应加热的加热线圈和用于向加热线圈供给高频电カ的高频电源构成。作为使高強度和高韧性同时成立的钢，研究了微细晶粒的复合组织钢，得知碳化物的析出是有效的方法(參照专利文献幻。为了使碳化物析出，需要提高材料的含碳量，但在碳量较高的情况下，存在着点焊部过硬，因此脆化，接合部強度明显降低的问题。因此，广泛使用的汽车用钢板将含碳量抑制在0. 15%wt程度以下。另外，人们一直对点焊的电极形状、通电条件进行研究至今。然而在通过向电极通电而形成的点焊区域中，由于点焊区域的冷却快，因此，对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的情况进行了研究，但并没有进行进一歩的研究。在以往的点焊中，焊接部的強度恢复是欲恢复熔融凝固部的韧性。在这种情况下， 在熔核周边的热影响部中存在被称作电晕区结合的弱结合状态的区域，该接合状态脆弱， 无法有助于接合強度。即，该区域的強度由钢板的材料組成決定，并未改善強度、韧性、该区域的接合状态的强度。
发明内容
本发明的第1目的在干，鉴于上述课题，提供一种点焊部具有強度和韧性、在十字拉伸试验等断裂试验中得到的断裂强度较高的焊接构造构件。本发明的第2目的在于提供一种该焊接构造构件的焊接方法。为了达到上述目的，本发明的焊接构造构件由将钢板的面相互间重合、通过点焊形成焊接部接合起来的钢板构成，其特征在于，焊接部自接合部的接合端部向中心部逐渐变软。S卩，本发明是一种焊接构造构件，该焊接构造构件是将钢板的面相互间重合、通过点焊形成焊接部接合而成的，其特征在于，焊接部包括熔融凝固部和包围熔融凝固部的热影响部，面的硬度自热影响部的外侧区域向该热影响部逐渐变硬，并且自热影响部向熔融凝固部的中心部逐渐变软。在上述构造中，在将热影响部相对于钢板的最大硬度的上升量设为H的情况下， 熔融凝固部的中心部的硬度优选相对于热影响部的最大硬度的部位软化H的1/2以上。热影响部的金属组织优选具有由硬质相和软质相构成的微细复合组织。熔融凝固部的金属组织优选由分散有微细碳化物的马氏体组织构成。在将分散到熔融凝固部和热影响部的软部位的碳化物的颗粒直径设为d，颗粒之间的间隔设为L吋，用下述式(1)表示的碳化物的颗粒分散指数优选为0. 02以上。颗粒分散指数=(颗粒直径的平方根)/颗粒间隔=(d)1/2/L (1)碳化物的颗粒直径优选为IOnm以上。碳化物的颗粒体积率也可以在1^-10% 的范围内。钢板的热影响部的部分相互间优选固相接合。热影响部的固相接合优选具有如下接合強度焊接部的十字拉伸试验的断裂路径成为沿着除熔融凝固部之外的区域裂纹扩展的断裂路径、或者成为沿着熔融凝固部和热影响部之间的边界附近裂纹扩展的断裂路径。在熔融凝固部和热影响部之间的边界区域中，优选熔融凝固部具有沿着该重合部突出到热影响部的区域内的凸部。钢板优选含有0. 15质量％以上的碳。焊接部的十字拉伸试验的断裂路径优选成为沿着除熔融凝固部之外的区域裂纹扩展的断裂路径，或者成为沿着熔融凝固部和热影响部之间的边界附近裂纹扩展的断裂路径。采用上述构造，能够得到点焊部具有较高的強度和韧性、在十字拉伸试验等断裂试验中得到的断裂强度较高的焊接构造构件。为了达到上述第2目的，本发明的点焊方法的特征在干，用一对电极夹着将面相互间重合后的钢板，向一对电极之间施加直流或者第1频率的电力，利用形成的焊接部将钢板相互间点焊吋，对电极施加比第1频率高的第2频率的电カ，利用第2频率的电カ对钢板和一对电极相接触的区域的外周部附近加热，并且，对焊接部的钢板相互重合的接合端部区域加热。本发明的点焊方法的特征在干，用一对电极夹着将面相互间重合后的钢板，向一对电极之间施加直流或者第1频率的电力，利用包括熔融凝固部和包围熔融凝固部的热影响部的焊接部将钢板相互间点焊吋，向电极施加比第1频率高的第2频率的电力，利用第2频率的电カ对钢板和一对电极相接触的区域的外周部附近加热，并且，对焊接部的钢板相互重合的接合端部区域加热。在上述构造中，也可以在利用直流或者第1频率的电カ进行点焊之后施加第2频率的电力。采用上述构造，用ー对电极夹着重合的钢板，通过电阻加热形成熔融凝固部，利用直流或者比低频电カ的频率高的高频电カ对熔融凝固部的周缘区域加热，能够制造強度和韧性较高的焊接构造构件。采用本发明，能够提供点焊部具有较高的強度和韧性、十字拉伸试验的断裂強度较高的焊接构造构件及焊接方法。
图1是示意地表示本发明的实施方式的焊接构造构件中的点焊部的构造的一例子的剖视图。图2是示意地表示点焊部截面的硬度分布的一例子的图。图3的㈧是表示式⑴的图，图3的⑶是表示强度增量与颗粒间隔L的关系的图。图4是示意地表示碳化物的分散状态的图。图5是示意地表示对本发明的实施方式的焊接构造构件进行点焊的焊接装置的构造的一例子的图。图6是图5所示的焊接装置的电路图。图7是示意地表示自低频电源和高频电源向重合的两片钢板同时施加电カ时在钢板中产生的电流分布的剖视图。图8是表示钢板的加热状态的俯视图。图9是表示利用高频电流对钢板的加热状态的剖视图。图10是表示在将3片钢板重合的情况下利用高频电流的加热状态的剖视图。图11是表示在施加了来自低频电源的电カ之后施加来自高频电源的电カ的情况下的加热波形的图。图12是示意地说明在实施例1中自低频电源和高频电源施加电カ的图。图13是表示实施例及比较例的焊接构造构件的后补加热时的高频投入电カ和十字拉伸试验时的断裂载荷的图。图14是表示在实施例1中制成的点焊构造构件的点焊部的大致中央截面中的硬度分布的一例子的图。图15是表示在比较例中制成的点焊构造构件的点焊部的大致中央截面中的硬度分布的图。图16是实施例1的点焊部的示意的局部剖视图。图17是表示对图16中的A所示的区域的硬度进行測定的结果的图。图18是表示在图16中用B表示的热影响部的金属组织的扫描型电子显微镜图像 (SEM图像)的图。图19是表示在图17中用C表示的熔融凝固部的金属组织的SEM图像的图。
图20是表示在图17的热影响部中硬度最高的D点的金属组织的SEM图像的图。图21是示意地表示钢板相互间的点焊的剖视图。图22是点焊部截面的详细图。图23是用于调查高张カ钢板的点焊强度的拉伸试验所采用的试样的俯视图，(A) 表示重合接头的试样，(B)表示十字接头的试样。图M是示意地表示点焊部的十字拉伸试验的断裂样式的图。附图标记说明1、焊接构造构件；2、钢板；2A、圆形内部；2B、2C、环状区域；3、点焊部；3A、中心部； 3B、接合端部；4、熔融凝固部；4A、熔融凝固部的凸部；5、热影响部；5A、固相接合；6、热影响部的外部；8、碳化物；10、焊接装置；10A、焊接装置的焊接用电路部；10B、焊接装置的焊接部；12、枪臂；12A、枪臂的上部；12B、枪臂的上部；13、电极支承部；14、电极；15、浮游电感器；16、低频电源；17、整合电容器；18、高频电源；20、通电控制部；21、旁路电容器；22、商用电源；23、高频电流阻止电感器；24、低频电源控制部；26、焊接变压器；28、振荡器；30、匹配变压器；32、高频电流；34、低频电流；
具体实施例方式下面，參照
本发明的实施方式。(点焊构造构件)图1是示意地表示本发明的实施方式的焊接构造构件中的点焊部的一例子的剖视图。如图1所示，焊接构造构件1具有通过点焊在钢板2、2的重合部分设有点焊部3 的构造。点焊部3由熔融凝固部4和包围熔融凝固部4的热影响部5构成，热影响部5的钢板相互间的合井面如作为图中虚线所示的固相接合部5A所示地固相接合。在熔融凝固部4和热影响部5的边界区域中，熔融凝固部4也可以作为凸部4A沿着钢板的重合部分突出到热影响部5的区域内。该凸部4A如图1所示地形成在热影响部 5内，未构成为延伸至热影响部5的外区域。点焊部3见后述，其通过用于形成熔融凝固部4的电阻加热而形成。热影响部5的金属组织见后述，其具有由硬质相和软质相构成的微细复合组织。 该热影响部5的硬质相和熔融凝固部4的金属组织具有分散有微细碳化物的马氏体组织。 金属组织能够利用光学显微镜、电子显微镜观察。金属组织的表面能够利用专利文献3及非专利文献2所公开的电解研磨法平坦化。点焊部的硬度分布图2是示意地表示点焊部截面的硬度分布的一例子的图。图2中的横轴表示点焊部分的截面的钢板重合部、具体地讲是表示沿着两片钢板2、2的重合面的方向的位置，与点焊部分的剖视图相对比地表示。图中的纵轴是钢板相互间的重合部中的维氏硬度。将点焊前的钢板(母材)的维氏硬度表示为HV。。如图2所示，在点焊部3的硬度分布中，钢板2的面中的硬度自热影响部5的外侧区域向热影响部5的外侧缘部5E逐渐变硬，进而自热影响部5向熔融凝固部4的中心部逐渐变软。并且，在热影响部的外侧缘部5E的外侧方向上，外侧缘部5E的硬度最硬，向外側、 即未进行点焊的区域逐渐变软，硬度成为点焊前的钢板的维氏硬度的硬度(mg。即，具有M字状的硬度(Hv)分布。具体地讲，熔融凝固部4包含硬度比钢板2、2的维氏硬度(Hvtj)高出H的部位。将该硬度较高的部位称作硬部位。将在热影响部5和熔融凝固部4中硬度比该硬部位软的部位称作软部位。该H例如为0<H<80的硬度。并且，如图所示，在将热影响部5相对于钢板2的最大硬度的上升量设为H的情况下，例如熔融凝固部4的中心部的硬度能够成为相对于热影响部5的最大硬度的部位软化H的1/2以上的状态。着眼于点焊部3的中心部3A和接合端部3B，点焊部3的硬度分布自接合端部
向中心部3A逐渐变软。即，点焊部3内的硬度分布具有U字状的硬度(Hv)分布。在此，点焊部3的中心部3A表示沿着两片钢板2、2的重合面的方向的中心位置，是熔融凝固部4的中心部。点焊部3的接合端部:3B相当于热影响部5的沿着两片钢板2、2的重合面的外侧缘部5E。图2中的虚线所示的硬度分布表示通过以往的低频(50Hz或60Hz)的电阻加热形成有点焊部的情况下的硬度分布。在通过以往的点焊形成的点焊部的硬度分布中，熔融凝固部和热影响部的硬度是大致相同的值，具有比母材更高的硬度。本发明的点焊部3的截面的硬度分布的特征在干，熔融凝固部4的硬度成为与热影响部的外周6的硬度相同程度。推測其原因在干，在点焊过程中，通过施加高频电力，将熔融凝固部4的周缘区域加热，形成与进行所谓的回火同样的组织。对本发明的焊接构造构件1进行十字拉伸试验，调查了断裂样式。断裂是所谓的母材断裂。作为后补加热施加了高频电カ的焊接构造构件1的十字拉伸试验时的断裂载荷，能够容易地得到采用相同的钢板2、2的以往的焊接构造构件的断裂载荷4kN以上的断裂载荷。在调整了后补加热中的高频电カ的情况下，本发明的十字拉伸试验时的断裂载荷能够达到SkN以上。该断裂载荷是以往的焊接构造构件的断裂载荷的两倍以上的強度。作为本发明的焊接构造构件1的材料，可以使用碳含量为0. 15质量％以上的钢板 2、2。另外，上述热影响部5的金属组织中的微细碳化物是碳与铁、碳与除铁之外所含有的金属形成的化合物。在本发明的焊接构造构件1的热影响部5和熔融凝固部4的金属组织中，将在热影响部5和熔融凝固部4的硬度分布中产生的硬部位和软部位分別称作硬质相、软质相。将混入有该硬质相和软质相的金属组织、即由具有硬度差的硬质相和软质相构成的部位互相微細地混入而成的金属组织称作微细复合组织。热影响部5的硬质相和熔融凝固部4的金属组织具有分散有微细碳化物的马氏体组织。碳化物不会以膜状析出到前奥氏体晶界中， 而是在包含前奥氏体晶界的金属组织的整个区域中微細分散。即，在本发明的焊接构造构件1的金属组织中，碳化物在包含前奥氏体晶界的范围内微細分散是以往技术所没有的重要的特征。以往无法抑制碳化物以膜状析出到前奥氏体晶界中。对使碳化物微細分散而成为马氏体组织的焊接构造构件1的碳化物的分散状态进行说明。在将分散到熔融凝固部4和热影响部5的软部位的碳化物的颗粒直径设为d，颗粒之间的间隔(颗粒间隔)设为L吋，用下述式(1)定义碳化物的颗粒分散指数。颗粒分散指数=(颗粒直径的平方根)/颗粒间隔=(d)1/2/L (1)颗粒分散指数若基于Astiby的应变硬化理论，则是与应变硬化率成比例的量。图3的㈧是表示式⑴的图，图3的⑶是表示强度增量与颗粒间隔L的关系的图。横轴表示颗粒间隔L(nm)。图3的(A)中的纵轴表示(d)"2，图3的(B)中的纵轴表示强度增量(相对刻度)。在图3的(A)中，式(1)是通过原点的线性梯度。应变硬化率与该线性梯度成比例。因此，碳化物的颗粒分散在线性梯度变大、即增大颗粒分散指数吋，能够得到高延展性。 用虚线表示颗粒体积率，但期望上限为10%，最低也为以上。在颗粒直径小于IOnm吋， 不存在焊接构造构件1的应カ增加效果。因此，为了增加应力，颗粒直径为IOnm以上。如图3的⑶所示，由颗粒分散引起的強度增量仅依赖于颗粒间隔，颗粒间隔越小，强度增量越大。因而，上述颗粒分散指数需要为0.02以上。颗粒分散指数的测定方法颗粒分散指数能够利用以下的过程測定。(a)用电子显微镜观察焊接构造构件的点焊部3的金属组织。例如采用倍率为两万倍的视场。图4是示意地表示碳化物的分散状态的图。如图所示，在点焊部3中分散有碳化物8。利用图4所示的切片法求出分散的碳化物8的颗粒直径d和颗粒间隔し在此， 观察除了颗粒直径d为IOnm以下(d < lOnm)的碳化物颗粒之外的碳化物颗粒。用于进行电子显微镜观察的点焊部3的金属组织能够利用专利文献3和非专利文献1所公开的电解研磨法平坦化。(b)针对每ー个视场，分別求出碳化物8的颗粒直径d和颗粒间隔L的平均值。在此，在多个视场中，各个视场的平均值成为所谓的Bi-modal分布的情况下不能应用。(c)掌握至少三个视场以上的值的平均值，计算颗粒分散指数。利用式(1)和上述測定方法求出的颗粒直径d和颗粒间隔L终归对求出作为欲得到更高延展性时的指标的颗粒分散指数是有效的。接着，对进行用于制造本发明的焊接构造构件1的点焊的焊接装置及点焊方法进行说明。焊接装置图5是示意地表示对本发明的实施方式的焊接构造构件进行点焊的焊接装置10 的构造的一例子的图。如图5所示，焊接装置10包含电极臂12，一端分別连接于电极臂12的上部12A、 下部12B的电极支承部13，分別连接于各电极支承部13的另一端的一对电极14，通过电感器15连接于电极臂12的焊接用电源16、通过电容器17连接于电极臂12的高频电源18、 及用于对焊接用电源16和高频电源18进行各输出控制的通电控制部20。另外，金属材料的焊接装置10还包括用干支承电极臂12的固定底座、用于驱动电极臂12的驱动机构、及用于自电极支承部13推出一个电极14的推出机构(未图示)等， 这一点未加图示。推出机构是为了利用电极14、14对作为后述的被焊接构造构件的钢板2、 2加压而使用的。电极臂12包括上部12A和下部12B，它们通过各电极支承部13分别连接于电极 4、4。电极臂12也被称作枪臂(gun arm)。由于图示的枪臂12具有所谓的C字形状，因此被称作C型枪臂。在便携型、机器人型等焊接装置中，除C型枪臂12之外也可使用X型枪等。电极臂12的形状能够应用各种形状，但在以下的说明中，说明使用C型枪臂12进行焊接的情況。一对电极14、14具有间隙地相对，在其间隙中插入有两片钢板2、2。电极14例如由铜材形成圆、椭圆的形状、棒状。图6是图5所示的焊接装置10的电路图。如图6所示，焊接装置10的电路由被虚线包围的焊接用电路部IOA和焊接部IOB构成。焊接用电路部IOA由焊接用电源16、高频电源18、电感器15、电容器17以及用于对焊接用电源16和高频电源18进行各输出控制的通电控制部20等电路构成。焊接部IOB构成与焊接用电路部IOA电连接的电路，其由枪臂12、与枪臂12电连接的一对电极14、14、及被这ー对电极14、14夹着的钢板2、2构成。焊接用电源16是低频电源，其例如由输出频率为50Hz或60Hz的商用电源22、连接于商用电源22的一端的低频电源控制部对、及连接于商用电源22的另一端和低频电源控制部M的输出端的焊接变压器26构成。焊接变压器沈的二次绕线的两端分別连接于 C型枪臂12的上部12A的左侧端部和下部12B的左侧端部。低频电源控制部M由晶闸管等电カ控制用半导体元件和栅极驱动电路等构成，其用于控制从商用电源22向电极14的通电等。与焊接变压器沈的C型枪臂12侧、即二次侧绕线16A并联地连接有旁路电容器 21。旁路电容器21具有对高频电源18的频率而言低容量性的阻杭。因此，使来自高频电源18的高频电压对二次侧绕线26A施加的电压为最小限度，能够降低向焊接变压器沈的一次侧的高频感应电压。高频电源18由振荡器观和连接于振荡器观的输出端的匹配变压器30构成。匹配变压器30的一端连接于C型枪臂12的上部12A。匹配变压器30的另一端经电容器17 连接于C型枪臂12的下部12B。该电容器17能够兼作后述的串联共振电路的匹配用电容器。电容器17的容量值依赖于振荡器观的振荡频率和C型枪臂12的浮游电感器15。振荡器28由采用各种晶体管的变换器等构成，用于控制高频电源18向电极14的通电电カ寸。如图6所示，从连接于焊接变压器沈的二次绕线的C型枪臂12到电极14、14的路径具有电感器15。电感器15可以利用由C型枪臂12形成的浮游电感器。在电容器17 兼作匹配用电容器的情况下，也可以构成由该匹配用电容器17和电感器15构成的串联共振电路。在钢板中产生的电流分布图7是示意地表示自低频电源16和高频电源18向重合的两片钢板2同时施加电力时在钢板2中产生的电流分布的剖视图，图8是表示钢板2的加热状态的俯视图，图9是表示利用高频电流32对钢板2的加热状态的剖视图。在图7中，实线表示由高频电源18产生的高频电流32，虚线表示由低频电源6产生的低频电流34。电极14由钢构成，该电极14的芯前端的直径为6mm，低频电源16的频率为50Hz。单片钢板2的厚度为2mm，高频电源18的频率为30kHz。如图7所示，低频电流34在电极14、14的整个内部流动，钢板2以大约熔核直径的截面积宽度通电。图8的(A)是表示仅利用低频电流34对钢板2加热的加热区域的俯视图，将电极 14的轴截面投影于钢板2而成的圆形内部2A成为主要的加热区域。图8的(B)是图8的(A)中的X-X方向的温度分布，在钢板2中，将电极14的轴截面投影于钢板2而成的圆形内部2A被集中地加热。另ー方面，高频电流32集中在电极14的表面和外周区域中。低频电流34和高频电流32的分布的不同与所谓的表皮厚度有关。图8的(C)是表示仅利用高频电流32对钢板2加热的加热区域的俯视图，将电极 14的轴截面投影于钢板2而成的外周圆和外周圆附近、即作为呈环状的圆形外部的环状的附近区域2B成为主要的加热区域。图8的(D)是X-X方向的温度分布，在钢板2中，将电极14的轴截面投影于钢板2而成的外周圆和外周圆附近的大致环状区域2B被电阻加热。 在这种情况下，利用高频电流32的加热也包含利用在电极14的表面流动的高频电流32对接近的钢板2感应加热的区域。因而，利用高频电流32对投影于钢板2而成的外周圆和外周圆附近的环状区域2B的加热能够通过利用高频电流32电阻加热、或者在该电阻加热的同时重叠上述高频感应加热的加热来进行。如图9所示，利用高频对钢板2截面的加热是通过由高频电流32形成的环状区域 2B的加热，使点焊部3的外周部中的热影响部5的钢板2的端部2C也被加热。该端部2C 也与形成在钢板2的表面侧的环状区域2B同样地成为环状。两处环状区域2B和钢板2的接合面的端部2C是高频电流32所集中流动的部位。由此，在重合的钢板中，两处环状区域 2B和钢板2的接合面的端部2C这3处是利用高频电流32温度上升最高的部位。在利用高频电流32加热钢板2的接合面的端部2C吋，在热影响部5中并未形成有形成于钢板2的边界中的以往的电晕区结合部(參照图22中标注了附图标记57的部位)，而是形成有牢固的固相接合5A。因而，在自低频电源16和高频电源18向重合的两片钢板2同时施加电カ时钢板 2的加热区域是如图8的￠)所示地将作为低频电流34的通过区域的圆形内部2A和作为高频电流32的通过区域的环状区域2B重叠而成的。并且，利用这些电流32、34产生的钢板2的温度分布是如图8的(F)所示地将利用低频电流34产生的温度分布(參照图8的
(B))和利用高频电流32产生的温度分布(參照图8的(D))重叠而成的。即，在钢板2中， 对将电极14的轴截面投影于钢板2而成的圆形内部2A、及将电极14的轴截面投影于钢板 2而成的外周圆和外周圆附近的环状区域2B加热，并如图9所示地对钢板2的接合面的端部2C加热。对将两片钢板2重合时在钢板2中产生的电流分布进行了说明，下面，对将多片钢板2重合时在钢板2中产生的电流分布进行说明。图10是表示在将3片钢板2重合的情况下利用高频电流32的加热状态的剖视图。 如图10所示，在将3片钢板2重合的情况下，利用高频电流32对由两处环状区域2B、两处钢板2的接合面的端部2C构成的4处环状区域加热。表皮厚度由于对钢板2施加低频或者高频电カ的情况下的表皮厚度以频率的-1/2次方变化，因此，只要是相同的材料，频率越低越厚，若是高频则变薄。点焊用的电源通常为50Hz 或60Hz，因此，只要是电极14的芯前端的直径6mm左右，电流就能够流入到整个电极14中。另ー方面，在仅对钢板2的表面加热的情况下，能够对高频电源18的频率进行设定，以成为规定的表皮厚度。因此，为了选择外周区域的加热宽度，设定频率即可。即，通过改变高频电流22的频率，外周区域的加热宽度改变，能够对环状区域2B进行回火等加热处理来使环状区域2B软化。另外，在钢板2等的材料内部，表皮厚度的深度中的高频电流32的大小是最表面的Ι/e(在此，e是自然対数。)、即约1/3左右。频率为50Hz时，钢板2的表皮厚度约为 9. 3mm，频率为40Hz时，钢板2的表皮厚度约为0. 3mm。点焊方法接着，说明利用焊接装置10进行的点焊及加热处理。钢板2、2的焊接通过用ー对电极14、14夹着钢板2、2，通电对钢板2、2加热来进行。作为一例子，包括以下第1步骤和第2步骤即可；在上述第1步骤中，通过向ー对电极 14、14进行第1通电来加热钢板2、2的规定区域；在上述第2步骤中，在将夹着钢板2、2的一对电极14、14的位置維持在与第1步骤相同位置的状态下，向一对电极14、14进行第2 通电来加热与第1步骤不同的区域。在第1通电是自低频电源16的通电的情况下，第1通电对钢板2、2的规定的加热区域是上述圆形内部2A。在第2通电是自高频电源18的通电的情况下，第1通电对钢板2的规定的加热区域是上述环状区域2B。上述第1步骤和第2 步骤也可以组合起来。图11是表示在施加了来自低频电源16的电カ之后施加来自高频电源18的电カ 的情况下的加热波形的图。图11中的横轴表示时间(任意刻度)，纵轴表示自低频电源16 和高频电源18施加的电流波形32、34(任意刻度)。如图11所示，在自低频电源16施加电カ，将其停止之后自高频电源18施加电カ 的情况下，通过自低频电源16施加电カ来将钢板2相互间点焊。通过之后自高频电源18 施加电力，对两片钢板2的熔融凝固部4的外周区域的包含不与电极14接触的熔融凝固部在内的区域的表面加热。着眼于图2中说明的焊接部3，点焊是对电极14施加比第1频率高的第2频率的电力，利用第2频率的电カ对钢板2、2和一对电极14所接触的区域的外周部附近加热，并对将钢板2、2重合的焊接部3的接合端部加的区域加热。采用遵照本发明的焊接装置10，通过自低频电源16施加电カ之后自高频电源18 施加电力，能够对被点焊而形成的熔融凝固部4的外周区域加热。在以上说明中，表示了将点焊的对象设为钢板2、2的例子，但形状并不限定为板， 可以是任何形状。另外，钢板2表示了将两片点焊的例子，但也可以是多个板的焊接。实施例1下面，对利用焊接装置10将钢板2点焊的具体例子进行详细地说明。对两片钢板2进行点焊。以下表示采用的钢板2、低频电源16、高频电源18等的条件。钢板 2 厚度 1. 2mm，大小 5cmX15cm低频电源16 :50Hz，电极14为铜制，该电极14的芯前端的直径为6mm，电源容量 50kVA低频电源16的通电时间0. 3秒 0. 5秒高频电源18 :30kHz，50kW 输出高频电源18的通电时间0. 3秒 0. 6秒钢板2的組成中，作为除铁之外的成分，含有C(碳)0. 19重量％ 0. 重量％。
图12是示意地说明在实施例1中自低频电源16和高频电源18施加电カ的图。首先，自低频电源16施加电カ来进行焊接。如图12所示，在第1通电和第2通电这两阶段的通电投入低频电源16。将利用第1通电产生的第1电流的升高设为1个周期，接着，将保持第1电流的最大值的第1通电设为两个周期。第1电流的值的最大值约为9kA。 在第1通电之后，进行1个周期的冷却，然后进行第2通电。将利用第2通电产生的第2电流值的最大值设为7. 5kA地通电14个周期。利用低频电源16进行的两阶段通电还包含冷却等在内为17个周期。1个周期为0.02秒，因此，焊接时间为0.34秒。在自低频电源16 的第2通电结束之后，立即自高频电源18施加电カ0. 3秒或0. 6秒。高频投入电カ为6kW。实施例2在实施例2中，将高频投入电カ设为16kW，施加0. 3秒或0. 6秒。自低频电源6的电カ通入与实施例1相同。实施例3在实施例3中，将高频投入电カ设为27kW，施加0.3秒或0.6秒。自低频电源16 的电カ通入与实施例1相同。比较例作为相对于实施例1 实施例3的比较例，不施加高频电源8，而通过低频电源6 的通电进行焊接。即，进行通常的点焊。进行实施例及比较例的焊接试样的十字拉伸试验，求出断裂载荷。图13是表示实施例及比较例的焊接构造构件1的后补加热时的高频投入电カ和十字拉伸试验时的断裂载荷的图。图13中的横轴是高频投入电カ(kW)，纵轴是断裂载荷 (kN)。在实施例1中将高频投入电カ设为6kW的焊接构造构件的样本数在通电时间为0. 3 秒及0. 6秒的情况下各为三个。由图13可明确，在通电时间为0. 3秒及0. 6秒的情况下成为大致相同的断裂载荷，断裂载荷约为4. 5kN、6. 3kN、9. 3kN。焊接构造构件1均为母材断裂。在实施例2中将高频投入电カ设为16Kw的焊接试样的样本数在通电时间为0. 3 秒及0. 6秒的情况下各为三个。由图13可明确，在通电时间为0. 3秒及0. 6秒的情况下成为大致相同的断裂载荷，断裂载荷约为8kN、9. 5kN、9. 5kN。焊接构造构件1均为母材断裂。在实施例3中将高频投入电カ设为27Kw的焊接试样的样本数在通电时间为0. 3 秒及0. 6秒的情况下各为两个。由图13可明确，在通电时间为0. 3秒及0. 6秒的情况下成为大致相同的断裂载荷，断裂载荷约为10kN、llkN。焊接构造构件1均为母材断裂。比较例的焊接构造构件的样本数为三个，断裂载荷约为3. 5kN 4kN。比较例的焊
接构造构件的断裂推断为熔融凝固部的断裂，未能得到实施例1 实施例3那样的母材断 m农。实施例1 实施例3的焊接构造构件1的十字拉伸试验时的断裂载荷能够容易地得到作为比较例的情况下的断裂载荷的4kN以上。在调整了后补加热中的高频电カ的情况下，本发明的焊接构造构件1的十字拉伸试验时的断裂载荷能够达到8kN以上。该断裂载荷是以往的焊接构造构件的断裂载荷的两倍以上的強度。因而，与仅利用低频电源16进行点焊的情况相比，利用实施例1 实施例3的焊接构造构件1得到的断裂载荷能够显著地提高断裂载荷。另外，只要钢板2的含碳量在0. 19重量％ 0. 重量％左右的范围内，就能够相比于比较例显著提高断裂载荷。图14是表示在实施例1中制成的点焊构件1的点焊部3的大致中央截面中的硬度分布的一例子的图。图14中的横轴表示点焊部3沿着钢板2、2的重合部的方向的位置，与点焊部3的截面相对比地表示。图14中的纵轴是维氏硬度(HV)。点焊前的钢板(母材)2的维氏硬度(HV)为470HV。由图14可知，测定位置的左侧、即热影响部5左外部侧的硬度为520HV 550HV，热影响部5左侧的硬度为650HV 600HV，熔融凝固部4的硬度为520HV 600HV，热影响部5右侧的硬度为550HV 620HV，热影响部5右外部侧的硬度为470HV 500HV。图14中的硬度分布是实施例1的一例子，在实施例1 实施例3中均能够得到同样的结果。图15是表示在比较例中制成的点焊构造构件的点焊部的大致中央截面中的硬度分布的图。图15中的横轴及纵轴与图14相同。由图15可知，热影响部外部侧的硬度与母材同为470HV，热影响部和熔融凝固部的强度为570HV 620HV。对实施例1及比较例的点焊部3的硬度分布进行比较，在实施例1中，熔融凝固部4与热影响部5的硬度并不一致，自热影响部5向熔融凝固部4地硬度降低，熔融凝固部4的中央部的硬度与热影响部5的外部6的硬度为相同程度。并且，在实施例1的点焊部3中，热影响部5的外部6的硬度是比母材的硬度高一些的硬度。该硬度的上升为OHV +80HV的范围。并且，由图14所示的实施例1可明确，与比较例相比，在热影响部5的最外周部存在600HV 650HV这样的硬度上升的部分。图16是实施例1的点焊部的示意的局部剖视图，图17是表示对图16中的A所示的区域的硬度进行测定的结果的图。相对于图14中的实施例1的硬度分布是沿着包含凸部4A的钢板2的重合部分的线状分布，图17表示对包含熔融凝固部4、其凸部4A和热影响部5的面状的硬度分布进行测定的结果， 标记是硬度的测定点(11点)。熔融凝固部4内的3点、具体地讲是凸部4A的根部的3点的硬度为430HV。熔融凝固部4的硬度超过硬度550HV的点在图示的范围内仅有3点，其他5点的硬度为501HV M5HV左右。可明确除上述3点之外的硬度是明显低于比较例那样的熔融凝固部和热影响部的平均硬度589HV的硬度。对熔融凝固部4和其凸部4A进行更详细地说明。在钢板2的重合部中，熔融凝固部4的凸部4A是施加负荷最多的部位，该部位的韧性对于焊接部的断裂特性较为重要。在本发明中，熔融凝固部4的端部形成凸部4A，且成为软质的部位，其具有缓和应力的作用。在以往的点焊过程中，形成在熔融凝固部的端部的凸部被称作板间喷溅部等，其为偶然发生的现象，在材质上也无法控制。相对于此，在本发明中，通过利用高频通电对钢板2加热，能够控制包含熔融凝固部4的凸部4A的状态。将图17中说明的硬度的面分布和图13中说明的十字拉伸试验时的断裂载荷进行对比，推断出十字拉伸试验时的断裂载荷上升的起因在于，熔融凝固部4和热影响部5的硬度低于比较例的熔融凝固部和热影响部的平均硬度589HV，韧性升高。因此，在熔融凝固部4和热影响部5中产生的硬度较高的部位有可能散布在熔融凝固部4和热影响部5内。这样推断出，在实施例1中，在使用以往的点焊方法的情况下会在负荷试验中成为断裂路径的部位的硬度受到抑制，成为富有韧性的组织状态，从而能够得到高强度的接合强度。或者，通过将该硬度受到抑制、富有韧性的组织包围或者约束在硬度较高的部位，有可能得到高强度的接合强度。图18是表示在图16中用B表示的热影响部5的金属组织的扫描型电子显微镜图像(SEM图像)。焊接部的表面的金属组织利用专利文献3及非专利文献2所公开的电解研磨法平坦化。如图18所示，虚线状的部分是钢板2相互间的接合面，可明确钢板2相互间充分地固相接合。图19是表示在图17中用C表示的熔融凝固部4的金属组织的SEM图像。焊接部3的表面的金属组织利用在图18中说明的电解研磨法平坦化。由图19可明确，硬度为430HV的熔融凝固部4的金属组织具有分散有微细碳化物的马氏体组织。这样地分散有微细碳化物的状态作为使马氏体组织的强度和韧性同时成立的方法也是有效的，增大颗粒分散指数(=(颗粒直径的平方根)/颗粒间隔)的做法是有效的。图19是表示在图17的热影响部5中硬度最高的D点的金属组织的SEM图像。点焊部3的表面的金属组织利用在图18中说明的电解研磨法平坦化。由图19可明确，硬度为728HV的热影响部5的金属组织并未产生分散有微细碳化物的马氏体组织。不言而喻，本发明并不限定于上述实施方式，能够在权利要求书所述的发明的范围内进行各种变形，它们也包含在本发明的范围内。上述实施方式中的高频电力并不限定于后补加热，也可以用于预备加热和后补加热。低频电力的施加时间、高频电力的施加时间能够与钢板2的碳组成等、形状相应地适当设计，从而得到规定的十字断裂强度。
权利要求
1.一种焊接构造构件，该焊接构造构件由将钢板的面相互间重合、通过点焊形成焊接部接合起来的上述钢板构成，其特征在干，上述焊接部自该接合部的接合端部向中心部逐渐变软。
2.一种焊接构造构件，该焊接构造构件由将钢板的面相互间重合、通过点焊形成焊接部接合起来的上述钢板构成，其特征在干，上述焊接部包括熔融凝固部和包围该熔融凝固部的热影响部；上述面的硬度自上述热影响部的外侧区域向该热影响部逐渐变硬，并且自上述热影响部向上述熔融凝固部的中心部逐渐变软。
3.根据权利要求2所述的焊接构造构件，其特征在干，在将上述热影响部相对于上述钢板的最大硬度的上升量设为H的情况下，上述熔融凝固部的中心部的硬度相对于上述热影响部的最大硬度的部位软化上述H的1/2以上。
4.根据权利要求2或3所述的焊接构造构件，其特征在干，上述热影响部的金属组织具有由硬质相和软质相构成的微细复合组织。
5.根据权利要求2或3所述的焊接构造构件，其特征在干，上述熔融凝固部的金属组织由分散有微细碳化物的马氏体组织构成。
6.根据权利要求4或5所述的焊接构造构件，其特征在干，在将分散到上述熔融凝固部和上述热影响部的软部位的上述碳化物的颗粒直径设为 d，该颗粒之间的间隔设为L吋，用下述式(1)表示的上述碳化物的颗粒分散指数为0. 02以上，颗粒分散指数=(颗粒直径的平方根)/颗粒间隔=(d)1/2/L (I)0
7.根据权利要求6所述的焊接构造构件，其特征在干，上述碳化物的颗粒直径为IOnm以上。
8.根据权利要求6所述的焊接构造构件，其特征在干，上述碳化物的颗粒体积率在1 % 10 %的范围内。
9.根据权利要求2 8中的任一项所述的焊接构造构件，其特征在干，上述钢板的上述热影响部的部分相互间固相接合。
10.根据权利要求9所述的焊接构造构件，其特征在干，上述热影响部的固相接合具有如下接合強度上述焊接部的十字拉伸试验的断裂路径成为沿着除上述熔融凝固部之外的区域裂纹扩展的断裂路径、或者成为沿着上述熔融凝固部和上述热影响部之间的边界附近裂纹扩展的断裂路径。
11.根据权利要求2 10中的任一项所述的焊接构造构件，其特征在干，在上述熔融凝固部和上述热影响部之间的边界区域中，上述熔融凝固部具有沿着该重合部突出到上述热影响部的区域内的凸部。
12.根据权利要求2 11中的任一项所述的焊接构造构件，其特征在干，上述钢板由碳含量为0. 15质量％以上的钢板构成。
13.根据权利要求2 12中的任一项所述的焊接构造构件，其特征在干，上述焊接部的十字拉伸试验的断裂路径成为沿着除上述熔融凝固部之外的区域裂纹扩展的断裂路径，或者成为沿着上述熔融凝固部和上述热影响部之间的边界附近裂纹扩展的断裂路径。
14.一种焊接方法，该焊接方法用一对电极夹着将面相互间重合后的钢板，向上述ー对电极之间施加直流或者第1频率的电力，利用形成的焊接部将上述钢板相互间点焊，其特征在干，对上述电极施加比上述第1频率高的第2频率的电カ；利用上述第2频率的电カ对上述钢板和上述一对电极相接触的区域的外周部附近加执.并且，对上述焊接部的钢板相互重合的接合端部区域加热。
15.一种焊接方法，该焊接方法用一对电极夹着将面相互间重合后的钢板，向上述ー对电极之间施加直流或者第1频率的电力，利用包括熔融凝固部和包围该熔融凝固部的热影响部的焊接部将上述钢板相互间点焊，其特征在干，向上述电极施加比上述第1频率高的第2频率的电カ；利用上述第2频率的电カ对上述钢板和上述一对电极相接触的区域的外周部附近加执.并且，对与上述热影响部的外周部接触的钢板相互重合的接合端部区域加热。
16.根据权利要求14或15所述的焊接构造构件，其特征在干，在利用上述直流或者上述第1频率的电カ进行点焊之后施加上述第2频率的电力。
全文摘要
本发明提供焊接构造构件及焊接方法。该焊接构造构件(1)是将钢板(2)的面相互间重合，通过点焊形成焊接部接合而成的，其中，焊接部(3)包括熔融凝固部(4)和包围熔融凝固部(4)的热影响部(5)，面的硬度自热影响部(5)的外侧区域(6)向该热影响部(5)逐渐变硬，并且自热影响部(5)向熔融凝固部(4)的中心部逐渐变软。在熔融凝固部(4)和热影响部(5)的边界区域中，熔融凝固部(4)也可以具有沿着该重合部突出到热影响部(5)的区域内的凸部(4A)。钢板(2)由碳含量为0.15质量％以上的钢板构成。
文档编号C22C38/00GK102596481SQ201080044049
公开日2012年7月18日 申请日期2010年7月30日 优先权日2009年7月31日
发明者三宅昌幸, 中西荣三郎, 八田宗久, 川嵜一博, 早川正夫, 板垣孟彦, 生田文昭, 金井隆彦, 长井寿 申请人:日产自动车株式会社, 独立行政法人物质·材料研究机构, 高周波热炼株式会社