CN112203792A - 电弧搭接角焊接头 - Google Patents

Abstract

一种电弧搭接角焊接头，具有第1钢板和第2钢板以及焊缝金属，所述第1钢板和所述第2钢板相互重叠且分别具有950MPa以上的抗拉强度，所述焊缝金属沿着由所述第1钢板的表面和所述第2钢板的端面形成的角延伸，在将所述焊缝金属的趾角度记为β、将从熔合边界起的0.4mm以内的范围中所含的存在于所述焊缝金属的表面的凹部的总数记为NA、将所述凹部之中的具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数量记为NB时，所述焊缝金属同时满足下述条件式(1)和(2)：0°＜β＜30°…(1)；NB/NA≤0.70…(2)(其中，NA为20以上)。

Description

电弧搭接角焊接头

技术领域

本发明涉及电弧搭接角焊接头。

本申请基于在2017年8月18日在日本提出的专利申请2017-157961号要求优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

在汽车领域中，为了环境保护，要求在通过车身的轻量化来提高燃油经济性的同时，提高碰撞安全性。一直以来，为了谋求车身的轻量化和碰撞安全性的提高，在使用板厚度薄的高强度钢板作为车身的结构构件的同时进行着车身结构的最佳化等的各种各样的技术开发。再者，在汽车的结构构件中，也包括具有多个高强度钢板来作为母材的焊接接头。在汽车领域中，作为焊接接头的制造方法，广泛地采用在重叠了2个高强度钢板的状态下进行电弧角焊的电弧搭接角焊法(电弧搭角焊法)。在本申请说明书中，将采用这样的电弧搭接角焊法制造的焊接接头称为电弧搭接角焊接头。

对于如汽车的结构构件那样在伴有振动、反复的外力负荷的环境中使用的结构构件，除了要求通常的静态的抗拉强度以外，还要求具备充分的疲劳强度以便耐受反复作用的力。钢板的疲劳强度(疲劳极限)与其抗拉强度成比例地上升，但是，一般已知电弧搭接角焊接头的疲劳强度低于作为其母材的钢板的疲劳强度。

作为其原因之一，可列举电弧搭接角焊接头的疲劳强度对焊趾部形状具有依赖性。图12是以焊趾部形状为参数，表示电弧搭接角焊接头的疲劳强度(疲劳极限)与母材钢板的抗拉强度的关系的图。以下，将疲劳强度与抗拉强度的关系称为疲劳特性。在图12中，作为参考也示出了母材钢板单体的疲劳特性(参照直线C0)。如由直线C0所示那样，母材钢板单体的疲劳强度与其抗拉强度成比例地上升。

在图12中，曲线C1表示焊缝金属的趾部形状陡峭的情况下的疲劳特性，曲线C2表示焊缝金属的趾部形状平缓的情况下的疲劳特性。如由曲线C1所示那样，在焊缝金属的趾部形状陡峭的情况下，即使母材钢板的抗拉强度增加，电弧搭接角焊接头的疲劳强度也几乎不增加而仅是与母材钢板单体的疲劳强度相比以非常低的水平推移。

其原因是因为：在焊缝金属的趾部形状为陡峭的形状的情况下，趾部的应力集中变得非常高。其结果，如图13所示那样，若电弧搭接角焊接头持续受到循环拉伸载荷，则在早期的阶段在焊缝金属100的趾部与母材钢板(下板)200的边界即熔合边界(fusionboundary)产生疲劳裂纹300。再者，图13是采用与焊缝金属100的焊接线正交的截面观察了具有陡峭的趾部形状的焊缝金属100与母材钢板200的接合部分的示意图。

另一方面，如由图12的曲线C2所示那样，在焊缝金属的趾部形状平缓的情况下，电弧搭接角焊接头的疲劳强度低于母材钢板单体的疲劳强度，但随着母材钢板的抗拉强度的增加而上升。其原因是因为：在焊缝金属的趾部形状平缓的情况下(参照图14)，能够抑制应力集中于该趾部。因此，一直以来，作为使电弧搭接角焊接头的疲劳强度提高的技术，一般采用将焊缝金属的趾部形状控制为平缓的形状的技术。

例如，在下述专利文献1中，作为将焊缝金属的趾部形状稳定地控制为平缓的形状的技术，公开了下述技术：通过使用具有特定的成分组成的焊接材料(焊丝)进行电弧搭接角焊，从而使熔融金属对母材钢板的润湿性提高。专利文献1中所公开的焊接材料，以质量％计含有C：0.005～0.40％、Mn：0.2～8.0％、和Si：大于1.1％且为8.0％以下，还含有Se：0.01～1％和/或Te：0.01～1％。

在下述专利文献2中公开了下述技术：为了使电弧搭接角焊接头的疲劳强度提高，不仅将焊缝金属的趾部形状控制为平缓的形状，而且将焊缝金属的硬度相对于热影响区的硬度之比控制为特定的范围内，由此降低由在熔合边界附近产生的硬度之差引起的局部的应力和应变的集中。

在此，所谓焊缝金属的硬度，是从焊趾部的熔合边界FL向焊缝金属侧离开0.5mm的位置处的焊缝金属的硬度Hv(FL-0.5)。所谓热影响区的硬度，是从熔合边界FL向热影响区侧离开0.5mm的位置处的热影响区的硬度Hv(FL+0.5)。具体而言，在专利文献2的技术中，焊缝金属的硬度相对于热影响区的硬度之比(Hv(FL-0.5)/(FL+0.5))被控制在0.3～0.9的范围内。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2002-361481号公报

专利文献2：日本国特开2008-178910号公报

发明内容

如上述那样，一直以来，作为使电弧搭接角焊接头的疲劳强度提高的技术，一般采用将焊缝金属的趾部形状控制为平缓的形状的技术。然而，通过本申请发明人的研究而判明：如由图12的曲线C2所示那样，当母材钢板的抗拉强度达到950MPa以上时，即使将焊缝金属的趾部形状控制为平缓的形状，电弧搭接角焊接头的疲劳强度也大幅地降低。

近年来，在强烈要求汽车的轻量化及碰撞安全性提高的过程中，为了将具有950MPa以上的高抗拉强度的高强度薄板钢板用作为汽车的结构构件，确立能够实现疲劳强度等各种条件的接合技术(焊接技术)是非常重要的研究主题。因此，本申请发明人首先调查了在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下电弧搭接角焊接头的疲劳强度大幅地降低的原因。

其结果判明：如图14所示，在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，不是在具有平缓的趾部形状的焊缝金属110与母材钢板(下板)200的熔合边界，而是在焊缝金属的趾部的表面产生疲劳裂纹310。再者，图14是采用与焊缝金属110的焊接线正交的截面观察了具有平缓的趾部形状的焊缝金属110与母材钢板200的接合部分的示意图。

而且，若微观地观察产生了疲劳裂纹310的部分，则判明：从存在于焊缝金属的趾部的表面的粗大的铁素体粒产生疲劳裂纹310。由以上的结果，本申请发明人如以下那样考察了在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下电弧搭接角焊接头的疲劳强度大幅地降低的原因。

在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，在焊缝金属的表面生成了铁素体与贝氏体(或马氏体)的复合组织。如众所周知的那样，铁素体为较软的组织，贝氏体(或马氏体)为较硬的组织。因此认为：起因于硬度不同的组织间的强度差，应力和应变容易集中于软的铁素体。而且认为：在电弧搭接角焊接头持续受到循环拉伸载荷的环境下，应力和应变集中于铁素体的结果是在早期的阶段从存在于焊缝金属的表面的铁素体粒产生了疲劳裂纹310。

针对这样的技术课题，在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，也能通过单纯地使用更高强度的焊丝进行电弧搭接角焊来得到具有高疲劳强度的电弧搭接角焊接头。在图12中，曲线C3表示通过使用更高强度的焊丝以焊缝金属的趾部形状变得平缓的方式进行电弧搭接角焊而得到的电弧搭接角焊接头的疲劳特性。如由该曲线C3所示可知：如果单纯地使用更高强度的焊丝，则即使母材钢板的抗拉强度为950MPa以上，电弧搭接角焊接头的疲劳强度也持续上升。

然而，本申请发明人进一步研究的结果判明：若使用更高强度的焊丝进行电弧搭接角焊，则起因于焊缝金属的高强度化(高硬度化)，焊缝金属容易产生氢脆裂纹。即，判明：在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，虽然通过使用更高强度的焊丝能够提高电弧搭接角焊接头的疲劳强度，但若考虑氢脆裂纹的产生，则电弧搭接角焊接头的综合性的强度反而降低。另外，使用更高强度的焊丝会招致电弧搭接角焊接头的制造成本的上升。

另一方面，也想到不使用高强度焊丝而应用专利文献2中所公开的技术来提高电弧搭接角焊接头的疲劳强度的方法。然而，如上述那样，在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，起因于存在于焊缝金属的表面的硬度不同的组织间的强度差，应力和应变容易集中于软的铁素体，可以认为这是招致电弧搭接角焊接头的疲劳强度的降低的原因。因此，即使如专利文献2中所公开的技术那样，以降低起因于在熔合边界附近产生的硬度之差(即，热影响区与焊缝金属之间的硬度之差)的局部的应力和应变的集中为目的，应用将焊缝金属的硬度相对于热影响区的硬度之比控制为特定的范围内的方法，也难以提高采用具有950MPa以上的抗拉强度的母材钢板来构成的电弧搭接角焊接头的疲劳强度。

本发明是鉴于上述的情况而完成的，其目的是在不使用成为氢脆裂纹的原因的高强度焊丝的前提下提高采用具有950MPa以上的抗拉强度的母材钢板来构成的电弧搭接角焊接头的疲劳强度。

本发明为了解决上述课题而达到上述目的，采用以下的方案。

(1)本发明的一个方式涉及的电弧搭接角焊接头，具备第1钢板和第2钢板以及焊缝金属，所述第1钢板和所述第2钢板相互重叠且分别具有950MPa以上的抗拉强度，所述焊缝金属沿着由所述第1钢板的表面和所述第2钢板的端面形成的角延伸。在该电弧搭接角焊接头中，所述焊缝金属的维氏硬度为400HV以下。另外，在采用与所述焊缝金属的焊接线正交的截面观察该电弧搭接角焊接头的情况下，将存在于所述第1钢板的表面的熔合边界的位置记为A点；将在与所述第1钢板的表面平行的X方向上从所述A点向所述焊缝金属离开0.5mm的位置记为D点；将在所述X方向上从所述A点向所述焊缝金属离开0.4mm的位置记为C点；将通过所述D点且在所述第1钢板的板厚方向上延伸的直线与所述焊缝金属的表面的交点记为B点；将连结所述A点和所述B点的直线与连结所述A点和所述D点的直线之间的角度记为所述焊缝金属的趾角度β；将在所述A点与所述C点之间的范围中所含的存在于所述焊缝金属的表面的凹部的总数记为NA；将所述凹部之中的、具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数量记为NB。在如上述那样定义了β、NA和NB时，所述焊缝金属同时满足下述条件式(1)和(2)。

0°＜β＜30°…(1)

NB/NA≤0.70…(2)

(其中，NA为20以上)

(2)在上述(1)所述的电弧搭接角焊接头中，所述第1钢板和所述第2钢板的板厚分别可以为0.8～3.5mm。

根据本发明的上述方式，能够不使用成为氢脆裂纹的原因的高强度焊丝而提高采用具有950MPa以上的抗拉强度的母材钢板来构成的电弧搭接角焊接头的疲劳强度。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式涉及的电弧搭接角焊接头的截面图。

图2是本发明的一个实施方式涉及的电弧搭接角焊接头的俯视图。

图3是采用光学显微镜得到的焊缝金属的截面照片。

图4是示出从存在于焊缝金属的表面的凹部产生了疲劳裂纹的截面照片。

图5是关于条件式(2)中所含的NA和NB的确定方法的第1说明图。

图6是关于条件式(2)中所含的NA和NB的确定方法的第2说明图。

图7是关于条件式(2)中所含的NA和NB的确定方法的第3说明图。

图8是关于条件式(2)中所含的NA和NB的确定方法的第4说明图。

图9是关于条件式(2)中所含的NA和NB的确定方法的第5说明图。

图10是关于电弧搭接角焊的焊接条件的说明图。

图11是实施例中的焊缝金属的截面照片。

图12是将焊缝金属的趾部形状作为参数，示出电弧搭接角焊接头的疲劳强度(疲劳极限)与母材钢板的抗拉强度的关系的图。

图13是采用与焊缝金属的焊接线正交的截面观察了具有陡峭的趾部形状的焊缝金属与母材钢板的接合部分的示意图。

图14是采用与焊缝金属的焊接线正交的截面观察了具有平缓的趾部形状的焊缝金属与母材钢板的接合部分的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的一个实施方式涉及的电弧搭接角焊接头进行说明。

图1是本实施方式涉及的电弧搭接角焊接头10的截面图，图2是本实施方式涉及的电弧搭接角焊接头10的俯视图。如图1和图2所示，本实施方式涉及的电弧搭接角焊接头10，具备：相互重叠的第1钢板1和第2钢板2、以及沿着由第1钢板1的表面1a和第2钢板2的端面2a形成的角4延伸的焊缝金属(焊道)3。

再者，图1是采用与焊缝金属3的焊接线W(参照图2)正交的截面观察了电弧搭接角焊接头10的图。另外，如图1和图2所示，将与焊接线W平行的方向记为Z轴方向，将与Z轴方向正交且与第1钢板1的表面1a平行的方向记为X轴方向，将与X轴方向和Z轴方向正交且与第1钢板1的板厚方向平行的方向记为Y轴方向。

第1钢板1和第2钢板2是电弧搭接角焊接头10的母材钢板，分别具有950MPa以上的抗拉强度。具有这样的高抗拉强度的第1钢板1和第2钢板2特别适合作为强烈要求轻量化和碰撞安全性的提高的汽车用的电弧搭接角焊接头10的母材钢板。为了兼顾汽车的轻量化和碰撞安全性的提高，第1钢板1和第2钢板2的板厚优选分别为0.8～3.5mm。

只要能够得到至少950MPa以上的抗拉强度这样的机械特性，第1钢板1和第2钢板2的成分组成就没有特别限定。列举优选的例子，第1钢板1和第2钢板2优选以质量％计含有C：0.01～0.25％、Si：0.01～2.0％、Mn：0.1～3.0％、P：0.05％以下、S：0.0005～0.01％。

焊缝金属3是通过在第1钢板1和第2钢板2重叠的状态下沿着角4在Z轴方向上连续地进行电弧角焊而形成的焊道。在本实施方式中，如以下说明的那样，通过控制焊缝金属3的硬度、焊缝金属3的趾部形状、和焊缝金属3的表面形状与铁素体组织的关系以使得分别满足特定的条件，从而实现电弧搭接角焊接头10的疲劳强度的提高。

[焊缝金属3的硬度]

焊缝金属3的维氏硬度为400HV以下。若焊缝金属3的维氏硬度超过400HV，则焊缝金属3产生氢脆裂纹。即，通过将焊缝金属3的维氏硬度限制在400HV以下，能够抑制焊缝金属3产生氢脆裂纹。再者，沿着通过距第1钢板1的表面1a为0.1mm的深度的位置且与X轴方向平行的直线，测定5点以上的焊缝金属3的维氏硬度，将这些测定结果的平均值定义为焊缝金属3的维氏硬度。

[焊缝金属3的趾部形状]

如图1所示，若将存在于第1钢板1的表面1a的熔合边界的位置记为A点，则焊缝金属3从A点以趾角度β升起，从比A点靠近第2钢板2侧的位置以侧面角θ升起。侧面角θ一般被用作为表示焊缝金属3的趾部形状的参数，但是，在本实施方式中，作为表示焊缝金属3的趾部形状的参数，使用趾角度β。趾角度β被如下定义。

如图1所示，将在X轴方向上从上述A点向焊缝金属3离开0.5mm的位置记为D点。另外，将通过D点且在第1钢板1的板厚方向(即Y轴方向)上延伸的直线与焊缝金属3的表面的交点记为B点。在这样地定义了B点和D点时，将连结A点和B点的直线与连结A点和D点的直线之间的角度定义为焊缝金属3的趾角度β。

在如上述那样定义了趾角度β时，电弧搭接角焊接头10的焊缝金属3满足下述条件式(1)。通过满足条件式(1)，焊缝金属3的趾部形状成为平缓的形状，因此能够抑制应力集中于焊缝金属3的趾部。在趾角度β为30°以上的情况下，焊缝金属3的趾部形状成为陡峭的形状，因此应力容易集中于焊缝金属3的趾部。

0°＜β＜30°…(1)

再者，在图1中，从便于说明出发，为了示出角4的位置，用虚线表示了在焊缝金属3的内部所包含的第1钢板1的表面1a和第2钢板2的端面2a。然而，实际上，上述的虚线部分熔入到焊缝金属3中，因此即使例如如图3所示那样使用光学显微镜得到焊缝金属3的截面照片，也不能够观察上述虚线部分。因此，通过在焊缝金属3的截面照片上确定如上述那样定义的A点、B点和D点这3点，能够从焊缝金属3的截面照片容易地得到焊缝金属3的趾角度β。再者，只要能够取得能确定焊缝金属3的趾角度β的程度的照片，就不限于光学显微镜，也可以使用扫描型电子显微镜(SEM)或显微镜(microscope)等。

[焊缝金属3的表面形状与铁素体组织的关系]

通过如上述那样将焊缝金属3的趾部形状控制为平缓的形状，能够抑制应力集中于焊缝金属3的趾部，但是，如使用图12进行了说明的那样，仅凭此难以提高采用具有950MPa以上的抗拉强度的母材钢板来构成的电弧搭接角焊接头10的疲劳强度。因此，在本实施方式中，为了提高电弧搭接角焊接头10的疲劳强度，控制焊缝金属3的微观的表面形状和存在于在焊缝金属3的表面的铁素体组织以使得满足以下的条件式(2)。

如图1所示，将在X轴方向上从A点向焊缝金属3离开0.4mm的位置记为C点。另外，将在A点与C点之间的范围中所包含的存在于焊缝金属3的表面的凹部的总数记为NA，将所述凹部之中的、具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数量记为NB。在这样地定义了NA和NB时，电弧搭接角焊接头10的焊缝金属3满足下述条件式(2)。

NB/NA≤0.70…(2)

(其中，NA为20以上)

如已经叙述的那样，在母材钢板的抗拉强度为950MPa以上的情况下，在焊缝金属的表面生成了铁素体与贝氏体(或马氏体)的复合组织。因此，认为起因于硬度不同的组织间的强度差，应力和应变容易集中于软的铁素体。本申请发明人进行研究的结果判明：如图4所示，从在从作为熔合边界的A点起的0.4mm范围以内所包含的存在于焊缝金属的表面的微小的凹部产生疲劳裂纹的情况较多。因此，本申请发明人对于与存在于焊缝金属的表面的凹部接触的铁素体的尺寸与疲劳强度的关系进行了进一步的研究。

其结果判明：若与凹部接触的铁素体的最大粒径达到10μm以上，则该凹部容易成为产生疲劳裂纹的起点。另外，在从作为熔合边界的A点起的0.4mm范围以内所包含的存在于焊缝金属的表面的、具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数NB相对于凹部的总数NA之比为0.7以下的情况下，疲劳裂纹的起点减少，其结果判明：如由图12的虚线C4所示那样，即使母材钢板的抗拉强度为950MPa以上，电弧搭接角焊接头的疲劳强度也提高。再者，以上的研究结果是以将焊缝金属的趾部形状控制为平缓的形状为前提条件而得到的结果。

通过这样地除了满足条件式(1)以外还同时满足条件式(2)，即使在使用具有950MPa以上的抗拉强度的第1钢板1和第2钢板2作为母材的情况下，也能提高电弧搭接角焊接头10的疲劳强度。再者，在条件式(2)中，若NB/NA超过0.70，则成为疲劳裂纹的起点的凹部(即，具有10μm以上的最大粒径的粗大的铁素体粒接触的凹部)的数量增加，因此电弧搭接角焊接头10的疲劳强度降低。NB/NA的下限值理论上为零，但是在现实上难以使NB成为零。然而，NB/NA的值越小，疲劳强度的提高效果越增加。

以下，对在A点与C点之间的范围中所包含的存在于焊缝金属3的表面的凹部的总数NA、和所述凹部之中的具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数NB的确定方法进行说明。

首先，从电弧搭接角焊接头10切出包含焊缝金属3的部分来作为样品，以焊缝金属3的截面(与焊接线W正交的截面)露出的方式切断样品。然后，将样品的切断面进行了镜面研磨后，采用光学显微镜对至少在从熔合边界(A点)起的0.4mm范围以内所包含的焊缝金属3的截面进行拍摄，由此得到如图5所示的焊缝金属3的截面照片。只要能够取得能判别存在于焊缝金属3的表面的微小的凹凸的程度的照片，就不限于光学显微镜，也可以使用SEM或显微镜等。在图5的截面照片中，在左端存在熔合边界，在从该熔合边界起的0.4mm范围以内所包含的焊缝金属3的截面被收容于照片内。

接着，以焊缝金属3的截面照片为基础，用50点以上的标绘数描绘在从熔合边界起的400μm以上的范围中所包含的焊缝金属3的表面形状，由此制成图6所示的表示焊缝金属3的宏观的表面形状的点图。再者，在图6的点图中，由横轴x和纵轴y构成的xy坐标系对应于图1的XY坐标系。接着，如图7所示，以上述的点图为基础，采用最小二乘法来制成表示焊缝金属3的宏观的表面形状的三次函数的近似曲线f(x)。在此，使近似曲线f(x)为三次函数的理由是因为：宏观的趾部形状呈现从沿着母材(第1钢板1)的方向逐渐地升起、朝向焊缝金属3的顶点倾斜度变得平缓这样的三次函数的变化行为。

而且，如图8所示，从描绘出的各点向近似曲线f(x)引出法线，将各法线的长度作为yi求出。若将描绘出的各点的坐标记为(p，q)，则各法线的长度yi由下述(3)式求出。位于比近似曲线f(x)靠下部的位置的点的法线的长度yi附带上负的符号。(3)式的右边min()是括弧内的值的最小值这一意思，能够通过收敛计算等来求出。

[数1]

另外，将从法线与近似曲线f(x)的交点到熔合边界为止的近似曲线f(x)的长度作为xi求出。xi作为近似曲线f(x)的任意区间[0，a]的长度而用下述(4)式求出。

[数2]

接着，通过将利用上述的方法得到的xi和yi的数据标绘成xy坐标系的图，来制成如图9所示的表示存在于焊缝金属3的表面的凹凸的点图。在图9所示的点图中，数出y轴的值成为极小值的部分(成为谷的部分)的数量来作为在从熔合边界(A点)起的0.4mm范围以内所包含的存在于焊缝金属3的表面的凹部，从而算出NA。

然后，在图9所示的点图中，一边对照作为凹部被识别出的部分和图5所示的焊缝金属3的截面照片，一边数出被识别出的凹部之中的、具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数量，由此算出NB。

在此，所谓“铁素体粒的最大粒径”，被定义为：在铁素体粒内能够以焊缝金属3的表面为端点引出的最长的直线的长度。而且，所谓“铁素体粒与凹部接触”，意指：铁素体粒的至少一部分存在于在图9所示的点图的从极小值起算的x坐标±10μm的范围中所包含的焊缝金属3的表面。

通过上述的方法，能够确定条件式(2)中所含的NA和NB。再者，为了切实地得到由条件式(2)带来的疲劳强度提高效果，需要NA为20以上，但这并不意味着从一张截面照片得到的NA必须成为20以上。只要从在沿着焊接线W的不同的位置所拍摄的多个截面照片得到的NA合计成为20以上即可。在从多个截面照片算出NA的情况下，也需要从这些的多个截面照片算出NB。即，例如，在从2张截面照片得到的NA合计成为20以上的情况下，将从第1张截面照片得到的NB和从第2张截面照片得到的NB的合计值作为最终的NB。

如以上那样，根据具有同时满足条件式(1)和(2)的焊缝金属3的电弧搭接角焊接头10，即使在使用具有950MPa以上的抗拉强度的第1钢板1和第2钢板2作为母材的情况下，也能实现疲劳强度的提高。而且，由于焊缝金属3的维氏硬度为能够抑制氢脆裂纹的硬度，因此也能防止起因于氢脆裂纹而使电弧搭接角焊接头10的综合强度降低的情况。

再者，在上述的电弧搭接角焊接头10中，为了降低由在熔合边界附近产生的硬度之差引起的局部的应力和应变的集中，也可以将焊缝金属3的维氏硬度相对于母材钢板(第1钢板1)的维氏硬度之比设为0.7以上。在采用具有950MPa以上的抗拉强度的母材钢板来构成的电弧搭接角焊接头10的焊缝金属3中，由于有时HAZ软化部的硬度相对于母材的硬度降低至60％左右，因此通过将焊缝金属3的硬度的下限限制为母材的硬度的70％，能够抑制焊缝金属3发生拉伸断裂。再者，沿着通过距第1钢板1的表面1a为0.1mm的深度的位置且与X轴方向平行的直线，测定5点以上的第1钢板1的维氏硬度，将这些测定结果的平均值定义为第1钢板1的维氏硬度。

[电弧搭接角焊接头10的制造条件]

本实施方式涉及的电弧搭接角焊接头10能够采用以下说明的制造条件来制造。

首先，焊缝金属3的维氏硬度用下述(5)式表示。(5)式中所含的Ceq用下述(6)式表示。因此，为了将焊缝金属3的维氏硬度限制为400HV以下，只要控制Ceq的值以使得用下述(5)式表示的焊缝金属3的维氏硬度Hmax成为400HV以下即可。更具体而言，只要通过调整母材钢板和焊丝的成分组成，来控制焊缝金属3中所含的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ti和Nb的含量(单位为质量％)以使得Ceq的值约为0.406以下即可。

[数3]

H_max＝769C_eq+88≤400…(5)

C_eq＝C+Si/97+Mn/21+Cr/13+Mo/17+Ti/2+Nb/8…(6)

为了得到粗大的铁素体少的焊缝金属3，希望在焊缝金属3的内部本来就不产生铁素体。因此，在焊缝金属3中，需要作为铁素体形成元素的Si、Al、Cr和Mo的含量少、且作为奥氏体形成元素的Mn、Ni、C和N的含量多。

具体而言，需要由下述(7)式得到的Cx的值为-0.4以上、且焊缝金属3以质量％计含有Ti：0.05～1.0％、B：0.0003～0.03％。通过调整母材钢板和焊丝的成分组成，如上述那样控制焊缝金属3的成分，由此TiO₂成为相变核而将铁素体微细化，B偏析于原始奥氏体晶界从而抑制晶界铁素体的生成，因此其结果能够得到粗大的铁素体少的焊缝金属3。

[数4]

C_X＝C-0.92Si+0.21Mn-1.15Al+0.84N-0.16Cr+0.26M-0.46Mo

…(7)

如上述那样，为了实现由以TiO₂为核的晶粒内相变引起的铁素体的微细化，需要微量的氧。如图10所示，在进行电弧搭接角焊的情况下，利用从设置于焊炬20的保护气体喷嘴21供给的保护气体来保护电弧周边，但在此时微量的氧混入到保护气体中。一般地，作为保护气体，可使用Ar、或CO₂、或Ar与CO₂的混合气体，在电弧空间内CO₂电离而产生的O(氧)和因空气的卷入而混入的氧对焊缝金属的氧量造成影响。为了在焊缝金属中稳定地生成TiO₂，将混入到保护气体中的氧的量控制为适当的值是重要的。

而且，就焊缝金属表面的凹部的曲率半径而言，表面张力越低，其越小，表面张力越高，其越大。作为疲劳强度与凹部的曲率半径的关系，形成表面张力低、曲率半径小的凹部时，容易成为疲劳裂纹的起点，越是曲率半径大的凹部，越难以成为疲劳裂纹的起点，因此与凹部接触的最大粒径10μm以上的铁素体粒的比例变得重要。作为凹部的曲率半径，若为13μm以下，则容易成为疲劳裂纹的起点。

混入到保护气体中的氧对熔池的表面张力产生影响。在该意义上，将混入到保护气体中的氧的量控制在最佳的范围是重要的。

为了铁素体的微细化和焊缝金属表面的凹部的控制，为了将混入到保护气体中的氧的量控制为适当的值，希望从保护气体喷嘴21的顶端到焊丝22的顶端的距离(焊丝伸出长度)L1为5～20mm、且用于使电流在焊丝22中流动的接触片23与母材表面之间的距离L2为8～30mm。而且，若在母材附近产生电弧，则熔池的摆动变大，作为微小凹凸的原因的波纹(在熔池产生的波纹)变大。因此希望L2-L1≥1mm。若L2-L1＜1mm，则较多地形成深度超过10μm的凹部，容易发生以凹部为起点的疲劳裂纹。

若上述的距离L1和L2超过上限值，则电弧周边的保护性恶化，招致过多的氧的混入。其结果，焊缝金属3的氧含量增大从而氧化物较多地析出，因焊缝金属3的淬火性降低而容易生成晶界铁素体等粗大的铁素体。另一方面，若上述的距离L1和L2小于下限值，则引起接触片23的烧损、或者由烟尘和飞溅的附着所致的焊炬20的破损等。

在进行电弧搭接角焊时，通过在上述的焊接条件的基础上，将焊接速度设为60～150cm/分，将焊接电流设为150～250A，能够在将焊缝金属3的趾部形状控制为平缓的形状以使得满足上述条件式(1)的同时，控制凹部与铁素体粒径的关系以使得满足上述条件式(2)。

能够采用上述那样的制造条件来制造本实施方式涉及的电弧搭接角焊接头10。在该情况下，对焊丝要求的条件为下述两个：(a)能够控制在焊缝金属3中所含的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ti和Nb的含量以使得Ceq的值约为0.406以下；(b)Cx的值成为-0.4以上、且能够将焊缝金属3中所含的Ti和B的含量控制为Ti：0.05～1.0％、B：0.0003～0.03％。

为此，作为用于制造电弧搭接角焊接头10的焊丝，能够使用较低强度的焊丝，因此不需要使用成为氢脆裂纹的原因的高强度焊丝。例如，在对950MPa级钢板使用高强度焊丝来提高疲劳强度的情况下，需要使用具有950MPa以上的熔敷金属强度的高强度焊丝，但是，根据本实施方式，采用具有540MPa以上的熔敷金属强度的焊丝就足够了，因此能够抑制电弧搭接角焊接头10的制造成本的上升，并且抑制由焊缝金属3的高强度化所致的氢脆裂纹的产生。

实施例

首先，准备了具有表1所示的成分组成的3种钢板和具有表2所示的成分组成的2种焊丝。3种钢板分别为具有2.9mm的板厚和956MPa的抗拉强度的钢板。2种焊丝之中，No.A的焊丝是具有满足为了制造本发明的电弧搭接角焊接头所要求的2个条件的成分组成的焊丝。另一方面，No.B的焊丝是比较用的焊丝，不是具有满足所要求的2个条件的成分组成的焊丝。

表1

表2

接着，通过以No.1的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了发明例1(试验符号1-A-WC1)的电弧搭接角焊接头。另外，通过以No.1的钢板为母材，使用No.B的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了比较例1(试验符号1-B-WC1)的电弧搭接角焊接头。

如表3所示，在焊接条件WC1中，将焊接速度设为80cm/分，将焊接电流设为235A，将焊丝伸出长度L1设为10mm，将接触片-母材间距离L2设为20mm，将保护气体设为Ar与20％CO₂的混合气体。

同样地，通过以No.2的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了发明例2(试验符号2-A-WC1)的电弧搭接角焊接头。另外，通过以No.2的钢板为母材，使用No.B的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了比较例2(试验符号2-B-WC1)的电弧搭接角焊接头。

同样地，通过以No.3的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了发明例3(试验符号3-A-WC1)的电弧搭接角焊接头。另外，通过以No.3的钢板为母材，使用No.B的焊丝在焊接条件WC1下进行电弧搭接角焊，得到了比较例3(试验符号3-B-WC1)的电弧搭接角焊接头。

另外，通过以No.1的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC2下进行电弧搭接角焊，得到了比较例4(试验符号1-A-WC2)的电弧搭接角焊接头。

如表3所示，在焊接条件WC2中，将焊接速度设为160cm/分，将焊接电流设为270A，将焊丝伸出长度L1设为10mm，将接触片-母材间距离L2设为20mm，将保护气体设为Ar与20％CO₂的混合气体。

而且，通过以No.1的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC3下进行电弧搭接角焊，得到了比较例5(试验符号1-A-WC3)的电弧搭接角焊接头。

如表3所示，在焊接条件WC3中，将焊接速度设为80cm/分，将焊接电流设为235A，将焊丝伸出长度L1设为25mm，将接触片-母材间距离L2设为35mm，将保护气体设为Ar与20％CO₂的混合气体。

同样地，通过以No.2的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC3下进行电弧搭接角焊，得到了比较例6(试验符号2-A-WC3)的电弧搭接角焊接头。另外，通过以No.3的钢板为母材，使用No.A的焊丝在焊接条件WC3下进行电弧搭接角焊，得到了比较例7(试验符号3-A-WC3)的电弧搭接角焊接头。

从如上述那样得到的发明例1～3的电弧搭接角焊接头和比较例1～7的电弧搭接角焊接头分别采取焊缝金属的成分测定用的样品，测定了焊缝金属的成分。将焊缝金属的成分的测定结果示于表4中。

另外，从各例的电弧搭接角焊接头采取焊缝金属的截面观察用的样品，分别测定了焊缝金属的趾角度β、焊缝金属的维氏硬度Hmax、在从熔合边界起的0.4mm范围以内所包含的存在于焊缝金属的表面的凹部的总数NA、和具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数NB。而且，从各例的电弧搭接角焊接头采取疲劳试验用的样品，基于金属平板的平面弯曲疲劳试验方法(JIS Z2275)，实施了平面弯曲疲劳试验。在疲劳试验中，基于JISZ2273，将在10⁷次的循环数下未引起断裂的弯曲应力作为疲劳极限。再者，平面弯曲疲劳试验，由为了固定位移而初始设定的弯曲力矩和试验片的成为最小截面积的截面的截面系数算出弯曲应力。将焊缝金属的截面观察结果和疲劳试验结果示于表5中。再者，在表5中，用相对于比较例1的疲劳极限的比值(疲劳极限比)来表示各例的疲劳试验结果。因此，比较例1的疲劳极限比为“1”。

表5

如表3和表4所示，在发明例1～3中，满足用于得到以下那样的本发明的电弧搭接角焊接头的全部制造条件。

(a)焊缝金属的成分组成被控制以使得焊缝金属的维氏硬度成为400HV以下。

(b)焊缝金属的成分组成被控制以使得Cx的值成为-0.4以上、且Ti含量包含于0.05～1.0％的范围内、B含量包含于0.0003～0.03％的范围内。

(c)焊丝伸出长度L1包含于5～20mm的范围内、且接触片-母材间距离L2包含于8～30mm的范围内。

(d)焊接速度包含于60～150cm/分的范围内、且焊接电流包含于150～250A的范围内。

因此，如表5所示，在发明例1～3中，得到了以下那样的本发明的电弧搭接角焊接头的全部特征。

(A)焊缝金属的维氏硬度为400HV以下。

(B)焊缝金属的趾角度β包含在大于0°且小于30°的范围内。

(C)NB/NA的值为0.70以下。

如表5所示，确认到：发明例1～3，与比较例1相比，疲劳强度(疲劳极限)提高了30％以上。即，证实了：根据具有上述的(A)、(B)和(C)的特征的本发明的电弧搭接角焊接头，即使在使用具有950MPa以上的抗拉强度的钢板作为母材的情况下，也能实现疲劳强度的提高。

在比较例1～3中，由于不满足上述(b)的制造条件，因此在焊缝金属表面较多地生成粗大的铁素体粒，结果NB/NA的值超过了0.70。因此，与发明例1～3相比，比较例1～3的疲劳强度变低。即，证实了：不具有上述(C)的特征的电弧搭接角焊接头，没有充分得到疲劳强度提高效果。

在比较例4中，由于不满足上述(d)的制造条件，因此焊缝金属的趾角度β成为30°以上。因此，焊缝金属的趾部形状变得陡峭从而应力集中于趾部的结果，与发明例1～3相比，比较例4的疲劳强度变低。另外，证实了：即使与趾部形状平缓的(趾角度β小于30°的)比较例1相比，比较例4的疲劳强度也低。即，不具有上述(B)的特征的电弧搭接角焊接头，没有充分得到疲劳强度提高效果。

在比较例5～7中，由于不满足上述(c)的制造条件，因此在保护气体中较多地混入氧，在焊缝金属表面较多地生成粗大的铁素体粒，结果NB/NA的值超过了0.70。因此，与发明例1～3相比，比较例5～7的疲劳强度变低。即，证实了：为了得到上述(C)的特征，不仅需要控制焊缝金属的成分组成，而且需要适当地控制氧向保护气体中的混入量。

再者，如表5所示，当焊丝伸出长度L1和接触片-母材间距离L2变化时，电弧现象发生变化，因此焊缝金属的趾部形状(趾角度β)也发生变化，另外，铁素体粒的生成量也发生变化，因此焊缝金属的维氏硬度也发生变化。然而，它们的变化量并不是变得不能得到上述的(A)和(B)的特征的程度。

图11(a)示出发明例1中的焊缝金属的趾部附近的截面照片，图11(b)示出比较例1中的焊缝金属的趾部附近的截面照片。可知：在发明例1中，熔合边界附近的铁素体被微细化。

产业上的可利用性

根据本发明，在成为疲劳裂纹的发生起点的、存在于焊缝金属表面的铁素体中不会发生应变的集中，因此焊接接头的疲劳极限良好，另外，也能使疲劳寿命长寿命化。另外，也无接头发生氢脆的风险。其结果，通过将本发明应用于汽车的行走部分的构件、建材，能够提高安全性和耐久性，产业上的贡献很大。

Claims (2)

1.一种电弧搭接角焊接头，其特征在于，具备第1钢板和第2钢板以及焊缝金属，所述第1钢板和所述第2钢板相互重叠且分别具有950MPa以上的抗拉强度，所述焊缝金属沿着由所述第1钢板的表面和所述第2钢板的端面形成的角延伸，

所述焊缝金属的维氏硬度为400HV以下，

在采用与所述焊缝金属的焊接线正交的截面观察的情况下，在将存在于所述第1钢板的表面的熔合边界的位置记为A点，将在与所述第1钢板的表面平行的X方向上从所述A点向所述焊缝金属的内部离开0.5mm的位置记为D点，将在所述X方向上从所述A点向所述焊缝金属的内部离开0.4mm的位置记为C点，将通过所述D点且在所述第1钢板的板厚方向上延伸的直线与所述焊缝金属的表面的交点记为B点，将连结所述A点和所述B点的直线与连结所述A点和所述D点的直线之间的角度记为所述焊缝金属的趾角度β，将在所述A点与所述C点之间的范围中所含的存在于所述焊缝金属的表面的凹部的总数记为NA，将所述凹部之中的、具有10μm以上的最大粒径的铁素体粒接触的凹部的数量记为NB时，

所述焊缝金属同时满足下述条件式(1)和(2)，

0°＜β＜30°…(1)

NB/NA≤0.70…(2)

其中，NA为20以上。

2.根据权利要求1所述的电弧搭接角焊接头，其特征在于，所述第1钢板和所述第2钢板的板厚分别为0.8～3.5mm。

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