金属の世界の効率的な溶接を探る：熱間成形鋼

I. はじめに
熱間成形鋼は、先進的な自動車用鋼材として近年自動車業界で広く使用されています。 ホットスタンピング加工により成形され、車体構造の強度と安全性を大幅に向上させるとともに、車両の軽量化を実現します。 溶接は、熱間成形された鋼製コンポーネントを接続するための重要なステップであり、その品質は車体の全体的なパフォーマンスと信頼性に直接影響します。 したがって、熱間成形鋼の溶接技術を徹底的に研究することは、自動車産業の発展を促進する上で非常に重要です。

II. 熱間鍛造鋼の特徴
( 1 ) 超高強度
ホットスタンピングプロセス中に、熱間成形された鋼はオーステナイトからマルテンサイトへの変態を受け、その結果、非常に高い強度が得られます。 その引張強さは通常 1500 MPa 以上に達し、衝突時の車体の変形に対する耐性を効果的に向上させ、乗員の安全を確保します。

( 2 ) 良好な寸法精度
熱間成形プロセス中の高温と金型の拘束により、熱間成形鋼は良好な寸法精度を実現します。 成形された部品の誤差が少ないため、その後の組み立てや溶接作業が容易になり、車両全体の製造精度が向上します。

( 3 ) 高硬度
熱間成形鋼のマルテンサイト構造は高い硬度を与え、材料の耐摩耗性を向上させるだけでなく、部品の耐疲労性もある程度改善します。 ただし、硬度が高いため、その後の加工や溶接に課題も生じます。

( 4 ) 溶接性が比較的悪い
熱間成形鋼は、その化学組成と微細構造により、従来の鋼に比べて溶接性が比較的劣ります。 亀裂や接合部の軟化などの溶接の問題が発生しやすいため、溶接プロセスをより厳密に管理する必要があります。

III. 熱間成形鋼の溶接技術のポイント
( 1 ) 溶接材料の選定
溶接材料は、熱間成形鋼の成分や性質に応じて、母材の化学成分や強度等級に合わせて選定する必要があります。 たとえば、炭素含有量が高い熱間成形鋼の場合、溶接割れの発生を減らすために、耐割れ性に優れた低水素溶接材料を選択する必要があります。

( 2 ) 溶接プロセスパラメータの最適化
溶接電流、電圧、溶接速度などのパラメータを正確に制御することが不可欠です。 適切な熱入力が非常に重要です。過度の入熱は接合構造の過熱につながり、強度と硬度が低下する可能性がありますが、入熱が不十分な場合は不完全な溶け込みや溶接の形成不良が発生する可能性があります。 さまざまな厚さと接合部の構成に最適なプロセス パラメーターは、広範なテストを通じて決定する必要があります。

( 3 ) 溶接順序と方向
溶接の応力と変形を最小限に抑えるために、溶接の順序と方向を合理的に配置する必要があります。 複雑な熱間成形鋼構造部品の場合、溶接応力の均一な分布を確保し、局所的な応力集中を避けるために、対称溶接、セグメント溶接、およびその他の方法を採用する必要があります。

IV. 熱間鍛造鋼の主な溶接方法
( 1 ) 抵抗溶接
技術的特徴: 抵抗溶接は、ワークピースの接触点を通過する電流によって発生する抵抗熱を利用してワークピースを加熱し、圧力下で溶接接合部を形成します。 溶接速度が速く、生産効率が高く、溶接変形が小さく、自動化が容易で、溶加材が不要であるなどの利点があり、熱間成形鋼の本来の特性が効果的に維持されます。
適用範囲：厚さ0.8～3mm程度の熱間成形鋼板の溶接に適しています。 ドアインナーパネルや車体フレームなどのスポット溶接やシーム溶接など、自動車車体製造における熱間成形鋼部品の接合によく使用されます。
動作点: 溶接電流、溶接時間、電極圧力を厳密に制御する必要があります。 熱間成形鋼の硬さと厚さに応じて溶接電流を調整し、ワークピースが溶接温度に達するのに十分な熱を確保します。溶接時間は、過熱することなく適切な加熱を確保する必要があります。電極圧力は適度であり、過剰な圧力による表面の損傷や変形を引き起こすことなくワークピースを確実に密着させる必要があります。 さらに、溶接品質に影響を与える可能性のある電極表面への金属の付着を防ぐために、電極を定期的に清掃する必要があります。

( 2 ) レーザー溶接
技術的特徴: レーザー溶接は熱源として高エネルギー密度のレーザービームを使用し、高いエネルギー密度、速い溶接速度、狭い溶接線、小さな熱影響部、最小限の溶接変形、および優れた接合性能を特徴としています。 熱間成形鋼の微細構造と特性への影響を最小限に抑え、溶接継手の高い強度と靭性を確保します。
適用範囲: 高精度、高品質の熱間成形鋼部品の溶接、特に薄板および極薄板 (1 mm 未満) の溶接に適しています。 自動車製造では、エンジンフード、トランクリッド、その他の部品の溶接など、熱間成形鋼の突合せ溶接や重ね溶接によく使用されます。
動作点: 装置の精度と安定性は非常に重要であり、レーザービームの焦点精度とエネルギー安定性を確保します。 ワークピースの組み立て精度も厳しく要求され、ギャップと位置ずれを厳密に制御し、通常ギャップを 0.1 mm 以内、位置ずれをシート厚の 10% 以下に抑えます。 さらに、金属蒸気がレーザー光路を汚染しないように、溶接中に保護措置を講じる必要があります。

( 3 ）アーク溶接（混合ガスシールド溶接を例に）
技術的特徴: 混合ガスシールド溶接では通常、アルゴンと二酸化炭素の混合物をシールド媒体として使用し、溶接ワイヤとワークピースの間に発生するアークを利用して金属を溶かして溶接します。 比較的低コストであること、様々な溶接工程に対応できること、あらゆる姿勢で溶接が可能であることなどの利点があります。
適用範囲：さまざまな厚さの熱間成形鋼の溶接が可能で、中厚板（3〜10 mm）の溶接に広く使用されています。 一般に、自動車製造の重要ではない構造部品や修理用途に使用されます。
動作点: 溶接部への空気の侵入を防ぐには、効果的なガスシールドが不可欠です。 溶接ワイヤの直径、溶接電流、電圧、ガス流量パラメータの合理的な選択が必要です。 熱間成形鋼の厚さと溶接位置に応じてパラメータを調整し、良好な溶接形成を確保します。 さらに、溶接中は風よけ対策を講じる必要があり、風速が高すぎる場合は溶接を中止するか保護する必要があります。 さらに、溶接品質を確保するために、溶接部分を徹底的に洗浄して、油や錆などの不純物を除去する必要があります。

V. 熱間成形鋼の技術的課題と解決策
( 1 ) 溶接割れ
技術的課題: 熱間成形鋼は、溶接中に冷間亀裂や熱間亀裂が発生しやすいです。 コールドクラックは主に水素の拡散、溶接応力、硬化構造の形成によって発生します。高温亀裂は、引張応力下での凝固中に溶接金属に低融点共晶が存在するために発生します。
解決策: 低温亀裂の場合、溶接前に予熱することをお勧めします。予熱温度は通常 100 ～ 200°C、鋼の厚さと組成に従って調整されます。 低水素溶接材料の使用や溶接材料の乾燥など、溶接プロセスのパラメータを厳密に制御して水素源を削減します。 水素を除去するための溶接後の熱処理は、通常 200 ～ 200 ℃ の温度で速やかに実行する必要があります。 350°C、保持時間はワークの厚みに基づいて決定されます。 高温亀裂の場合は、溶接材料の組成を調整して溶接部の低融点共晶の含有量を減らします。より小さい溶接電流とより速い溶接速度を使用するなど、溶接プロセスのパラメータを最適化して溶接応力を軽減します。

( 2 ) 関節の軟化
技術的課題: 溶接中の熱影響部では、熱サイクルにより熱間成形鋼の微細構造が変化し、接合部の軟化として知られる強度と硬度の低下につながります。 これは、溶接継手の耐荷重能力と全体的な性能に大きく影響します。
解決策: レーザー溶接や電子ビーム溶接など、エネルギー密度が高く、熱影響部の幅と熱暴露を効果的に低減して、接合部の軟化を最小限に抑えることができる適切な溶接方法を選択します。 同時に、溶接プロセスのパラメータを最適化して入熱を制御し、熱影響部の微細構造への影響を最小限に抑えます。 接合部の軟化がすでに発生している場合は、焼き戻しなどの溶接後の熱処理を使用して、接合部の特性の一部を回復できます。

( 3 ) 多孔性の問題
技術的課題: 溶接中、溶接部へのガスの侵入、または冶金反応によって発生したガスが時間内に逃げられず、溶接部に気孔が形成されることがあります。 気孔の存在により溶接の密度と強度が低下し、溶接継手の品質に影響を与えます。
解決策: 湿気の吸収を避けるために、溶接材料が乾燥していることを確認してください。溶接中のガスシールドを強化し、適切なシールドガスとガス流量を選択し、効果的なガスシールドを確保します。 溶接電流、電圧、溶接速度などの溶接プロセスパラメータを合理的に制御して、ガスが逃げるのに十分な時間を確保します。 混合ガスシールド溶接では、ガスの純度や混合比に注意し、ガス中に不純物が混入しないようにガス供給系を定期的に点検する必要があります。 同時に、ワークピースの表面を徹底的に洗浄して油や水分などの不純物を除去し、ガスの発生源を減らす必要があります。

熱間成形鋼の溶接技術の進歩は自動車産業に限定されません。また、航空宇宙、機械製造、その他の分野でも大きな応用可能性を示します。 技術的課題を継続的に克服し、溶接プロセスを最適化することで、熱間成形鋼の性能上の利点を最大限に活用することができ、さまざまな産業の高品質な発展を確実に保証します。 多くの研究者と技術者の力を結集して、熱間鍛造鋼の溶接技術が必ずや明るい未来を切り開き、世界の製造業の発展に貢献できるものと信じています。