JP2002224834A - 疲労特性に優れるすみ肉溶接継手およびガスシールドアークすみ肉溶接方法 - Google Patents
疲労特性に優れるすみ肉溶接継手およびガスシールドアークすみ肉溶接方法Info
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Abstract
のすみ肉溶接継手を得るために好適なガスシールドアー
クすみ肉溶接方法ついて提案する。 【解決手段】 質量%で、C:0.01〜0.15%、Si:0.3
〜2.0 %、Mn:1.0 〜3.0 %、P:0.05%以下、S:0.
005 %以下、Al:0.005 〜0.05%、Ti:0.005 〜0.08
%、N:0.003 〜0.025 %を含み、かつ、前記Al、Tiお
よびNは(1) 式を満たして含有し、残部はFeおよび不可
避的不純物からなる組成の鋼材を溶接ワイヤを用いてガ
スシールドアークすみ肉溶接するに当たり、溶接金属の
組成が下記 (2)〜 (5)式を満足するように、溶接ワイヤ
および溶接条件を定めて溶接する。 N−(14/48)Ti −0.2Al ≧0 ---- (1) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.55----(2) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 ---- (3) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 ---- (4) 0.003 ≦N≦0.020 ---- (5)
Description
のガスシールドアークすみ肉溶接技術に関わり、とくに
自動車用高張力薄鋼板のガスシールドアークすみ肉溶接
に適用して好適な溶接継手の疲労特性改善技術に関す
る。
軽量化を図るために、より高強度の薄鋼板が使用される
傾向にある。これら軽構造物が、例えば自動車などのよ
うに、振動を伴う環境で使用される場合には、通常の静
的な引張強度だけでなく、十分な疲労強度も具備してい
ることが必要となる。ところが、高張力鋼板の溶接継手
においては、静的な引張強度は鋼板の引張強度の増大と
ともに増すのに対して、疲労強度は、鋼板の疲労強度の
増大に対応して増加しないという大きな問題が指摘され
ている。このような問題は、特に自動車用鋼板としての
利用価値の高い、引張強度440MPa以上の強度を有する高
張力鋼板において、その重要性が大きい。したがって、
溶接継手の疲労強度をより高める技術の出現が強く望ま
れている。
るには、一般に、溶接止端部の曲率半径を大きくして、
止端部での応力集中を低減することが有効であることが
知られている。このような観点から、特開平 8−25080
号公報には、溶接ワイヤの化学組成および溶接電圧を規
定することにより、溶接ビード止端部の曲率半径を大き
くして、すみ肉溶接部の疲労特性を向上させる溶接方法
が提案されている。
らが高張力鋼板の溶接に多く利用されるガスシールドア
ーク溶接によるすみ肉溶接継手について詳細に調査した
ところ、単に溶接ワイヤの化学組成や溶接電圧のみを規
定しただけでは、すみ肉溶接継手の疲労特性を十分に確
保できない場合があることが分かった。そこで、本発明
は、疲労特性に優れるすみ肉溶接継手、およびすみ肉溶
接継手の疲労特性を改善するに好適なガスシールドアー
クすみ肉溶接方法を提案することを目的とする。なお、
本発明は、特に高張力薄鋼板の重ねすみ肉溶接継手に適
用して有用であり、このすみ肉溶接継手の疲労限が200M
Pa以上であることを具体的目標とする。
解決するために、ガスシールドアーク溶接に用いた溶接
ワイヤ、薄鋼板および溶接金属それぞれの化学組成が、
高張力薄鋼板のすみ肉溶接継手の疲労強度に与える影響
をさらに検討した。その結果、前記疲労強度(疲労限)
は、溶接金属の化学組成を適正範囲に制御して初めて向
上することを見いだした。また、疲労強度に優れたすみ
肉溶接継手を製造するためには、鋼板中の固溶窒素量を
適切に制御する必要があることも見いだした。
したものであり、その要旨構成は次のとおりである。 1) 質量%で、 C:0.01〜0.15%、 Si:0.3 〜2.0 %、 Mn:1.0 〜3.0 %、 P:0.05%以下、 S:0.005 %以下、 Al:0.005 〜0.05%、 Ti:0.005 〜0.08%、 N:0.003 〜0.025 % を含み、かつ、前記Al、TiおよびNは下記(1) 式を満た
して含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる組
成の鋼材と、該鋼材をガスシールドアークすみ肉溶接し
て得られた、下記 (2)〜 (5)式を満足する組成の溶接金
属とからなることを特徴とする疲労特性に優れるすみ肉
溶接継手。 記 N−(14/48)Ti −0.2Al ≧0 ---- (1) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.55----(2) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 ---- (3) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 ---- (4) 0.003 ≦N≦0.020 ---- (5) 但し、(1) 〜(5) 式中、N,Ti,Al,C,Si,Mn,Cr,
Mo,S,Oはそれぞれ、各元素の含有量 (質量%) を表
わす。
て、質量%で、 Ni:0.1 〜2.0 %、 Cr:0.1 〜1.0 %、 Mo:0.05〜1.0 %、 Nb:0.01〜0.1 %、 V:0.01〜0.1 %、 B:0.0005〜0.005 %、 Cu:0.1 〜1.0 %、 Ca:0.0005〜0.005 %、 およびREM:0.0005〜0.005 % から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴
とする疲労特性に優れるすみ肉溶接継手。
して含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる組
成の鋼材を溶接ワイヤを用いてガスシールドアークすみ
肉溶接するに当たり、溶接金属の組成が下記 (2)〜 (5)
式を満足するように、溶接ワイヤおよび溶接条件を定め
て溶接することを特徴とする疲労特性に優れるガスシー
ルドアークすみ肉溶接方法。 記 N−(14/48)Ti −0.2Al ≧0 ---- (1) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.55----(2) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 ---- (3) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 ---- (4) 0.003 ≦N≦0.020 ---- (5) 但し、(1) 〜(5) 式中、N,Ti,Al,C,Si,Mn,Cr,
Mo,S,Oはそれぞれ、各元素の含有量 (質量%) を表
わす。
て、質量%で、 Ni:0.1 〜2.0 %、 Cr:0.1 〜1.0 %、 Mo:0.05〜1.0 %、 Nb:0.01〜0.1 %、 V:0.01〜0.1 %、 B:0.0005〜0.005 %、 Cu:0.1 〜1.0 %、 Ca:0.0005〜0.005 %、 およびREM:0.0005〜0.005 % から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴
とする疲労特性に優れるガスシールドアークすみ肉溶接
方法。
以上80%以下とすることを特徴とする上記3)または
4)に記載の疲労特性に優れるガスシールドアークすみ
肉溶接方法。
一部を構成する鋼材の化学組成について説明する。な
お、以下の成分含有量の%は質量%を表すものとする。 C:0.01〜0.15% Cは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を
得るために0.01%以上含有することが必要である。一
方、0.15%を超えると鋼中の疲労特性に優れる炭化物の
分率が増加することに起因して鋼板の延性、さらには成
形性が顕著に悪化する。
の含有ではその効果が発揮されず、ピットやブローホー
ルなどの欠陥が発生する。一方、2.0 %を超えると、鋼
板の表面性状を劣化させて、美麗性を損なう。
得るためには1.0 %以上含有することが必要である。一
方、3.0 %を超えると、鋼板硬さが過度に上昇して、成
形性を劣化させる。
有すると、鋼板の延性および表面処理性を劣化させる。
このため上限を0.05%とした。なお、Pの強化作用を効
果的に引き出すには0.010 %以上含有させることが好ま
しい。
する。このため上限を0.005 %とした。なお、必要以上
のS低減はコストを増大させるため、0.0005%を下限と
することが好ましい。
満の含有では十分な脱酸効果を確保することができな
い。一方、0.05%を超えるとクラスタ状の介在物が多く
なり、加工性を劣化させるとともに、鋼板中の固溶Nを
確保することが困難になる。
安定であるために、溶接熱影響部の組織の粗大化を防止
するために有効な元素である。その効果は0.005 %以上
の含有により発揮される。一方、0.08%を超えると、鋼
板中の固溶Nを確保することが困難になる。
0.2Al ≧0 Nは、本発明において特に重要な添加元素である。すな
わち、適正範囲のN含有量とともに、Al,Tiを適正範囲
に制御して、固溶状態のNを確保することにて、大きな
溶接継手の疲労強度が得られる。上記の効果を得るに
は、鋼材中に0.003 %以上含有させることが必要であ
る。しかし、0.025 %を超えて含有させた場合には、鋼
板の内部欠陥の発生率が高くなるとともに、溶接金属中
にもポロシティ等の内部欠陥の発生率も高まり、疲労強
度も低下するので、その上限を0.025%とした。鋼材中
のNの一部は、鋼材中のAl,Tiと結合して窒化物を形成
するので固溶状態のNが低下する。そこで、固溶状態の
Nを確保するために、 (1)式:N−(14/48)Ti −0.2Al
≧0 を満たすように各含有量を調整することが必要であ
る。
有成分として、必要に応じてさらにNi:0.1 〜2.0 %、
Cr:0.1 〜1.0 %、Mo:0.05〜1.0 %、Nb:0.01〜0.1
%、V:0.01〜0.1 %、B:0.0005〜0.005 %、Cu:0.
1 〜1.0 %、Ca:0.0005〜0.005 %、REM:0.0005〜
0.005 %から選ばれるいずれか1種または2種以上を含
有することができる。 Ni:0.1 〜2.0 % Niは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を
得るためには0.1 %以上含有させる。一方、含有量の上
限は経済性を考慮して2.0 %までである。
得るためには0.1 %以上含有させる。一方、含有量の上
限は経済性を考慮して1.0 %とする。
得るためには0.05%以上含有させる。一方、含有量の上
限は経済性を考慮して1.0 %とする。
での軟化を抑制する効果があるが、0.01%未満では期待
する効果が十分に発揮されない。一方、0.1 %を超えて
含有すると、溶接熱影響部が過度に硬化して溶接割れが
生じやすくなるので、0.1 %を上限とする。
での軟化を抑制する効果があるが、0.01%未満では期待
する効果が十分に発揮されない。一方、0.1 %を超えて
含有すると、溶接熱影響部が過度に硬化して溶接割れが
生じやすくなるので、0.1 %を上限とする。
強度を得るためには0.0005%以上含有させる。一方、0.
005 %を超えて含有すると、溶接性を劣化させるので、
0.005 %を上限とする。
あり、この効果を発揮させるには0.1 %以上含有させ
る。一方、含有量が1.0 %を超えると、防食効果が飽和
するほか、高温割れも生じやすくなるので、1.0 %を上
限とする。
素:Rare Earth Material):0.0005〜0.005 % Ca、REMは、いずれも鋼板中の介在物の形態を制御
し、成形性、特に伸びフランジ性を改善するのに有効な
元素であるが、0.0005%未満の含有では、期待する効果
が十分に発揮されない。一方、0.005 %を超えて含有す
ると、溶接性を劣化させるので、0.005 %を上限とす
る。REMとしては、La, Ceが入手のし易さから好まし
い。ただし、Sc, Y および原子番号57のLaから原子番号
71のLuまでのいずれを用いてもよい。
金属の化学組成(いずれの成分も質量%で表す)は、
(2),(3),(4) および(5) 式を満足することが必要であ
る。 (2) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.
55 (3) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 (4) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 (5) 0.003 ≦N≦0.020
+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4 (以下、Ceqで表
わす) の値が、0.30%に満たないと、溶接金属の引張強
度が不足し、溶接継手の強度を確保できなくなる。一
方、Ceqが0.55%を超えると、溶接金属の延性が低下す
るとともに、溶接割れも生じやすくなる。さらに、疲労
き裂が生じ易くなり、疲労強度は低下する。このため、
溶接金属のCeqは(2) 式を満足することが必要である。
%未満では、溶接中のアーク直下の溶融池の粘性が大き
くなるため、溶接ビード止端部で鋼板とのぬれが悪くな
り、止端部曲率半径が小さくなる。結果として、継手疲
労強度を劣化させる。また、この値が0.35%を超える
と、溶接ビード溶融池の表面張力の温度勾配dγ/dTが
負となる。そのため、溶接中のアーク直下の溶融池の流
動状態は表面流から求心流となり、溶接ビードは深溶け
込みの凸型ビードとなる。さらには、溶融池の粘性が小
さくなりすぎ、アーク力により溶鋼が溶融池後方に押し
やられて凸型ビードとなる。以上の2点により、溶接ビ
ード止端部の曲率半径は小さくなり継手疲労強度は劣化
する。以上のことから、溶接金属のC、S、Oの含有量
は(3) 式を満足するように調整することが必要である。
1.6 %未満では、溶接アーク状態が不安定になり、溶接
作業性が劣化する。また、溶接ビード形状が不規則とな
り、溶接止端部での曲率半径は小さくなるので継手疲労
強度は劣化する。一方、この値が3.2 %を超えると、溶
接金属の延性が低下するとともに、溶接割れが生じやす
くなる。このため、溶接金属のSi、Mn、Ti、Alの含有量
は(4) 式を満足するように調整することが必要である。
では、固溶窒素量が不足して高い継手疲労強度が得られ
ない。一方、Nが0.020 %を超えると、溶接金属中にポ
ロシティ等の内部欠陥が生じやすくなり、継手疲労強度
は劣化する。このため、溶接金属中のNは(5) 式を満足
するように調整することが必要である。
の成分組成に応じて、溶接ワイヤの成分組成と溶接条件
を、鋼材希釈率を考慮しつつ決定することにより達成で
きる。
鋼材希釈率 (溶接金属中に占める鋼材溶融部の比率) は
40%以上80%以下とすることが好ましい。ここに、鋼材
希釈率は次のように決定する。すなわち、溶接前の鋼材
形状を記録した後に溶接を実施し、溶接部の断面部をエ
ッチングすることにより形状測定し、図1に示す各領域
を算出する。Aは溶接金属に含まれる図中で下方に示す
鋼材の溶融領域、Bは溶接金属に含まれる図中で上方に
示す鋼材の溶融領域でかつ溶接金属と重ならない領域で
ある。さらに、溶接金属に含まれる鋼材溶融比率を(A
+B+D)/(A+B+C)で算出し、これをパーセン
トで表示した値を鋼材希釈率とする。こうして求めた溶
接金属中への鋼材希釈率が、40%未満では、溶接ビード
断面の溶け込み形状が浅くなり、すみ肉溶接継手の静的
引張強さが鋼材より低下する。一方、鋼材希釈率が80%
を超えると、溶け込みが深くなりすぎ、鋼材が溶け落ち
るあるいは鋼材が大きく変形するなどの欠陥がすみ肉溶
接継手に生じ、静的引張強さおよび疲労強度の低下が生
じる。このため、溶接金属中への鋼材希釈率は40%以上
80%以下であることが好ましい。
としては、ガスシールドアーク溶接のうち、MAG溶
接、CO2アーク溶接いずれも好適であるが、なかでも
MAG溶接が好ましい。また、本発明は、自動車車体な
どに使用される高強度の薄鋼板であって、引張強度 440
MPa以上の強度を有する鋼板をガスシールドアーク溶接
したすみ肉溶接継手の場合に、十分な疲労強度が得られ
て、発明の利点が最大限に発揮される。特に、厚さ 0.3
〜5 mm程度の薄鋼板を重ねすみ肉溶接して得られるす
み肉溶接継手は、自動車などの振動を伴う環境で使用さ
れ、かつ軽量化の求められる構造物に有利に適用でき
る。
m)を、表2に示す1.2 mmφの溶接ワイヤと溶接条件
の組み合わせによりガスシールドアーク溶接して、すみ
肉重ね溶接継手を作製した。得られた、すみ肉溶接継手
から試験片を採取し、平面曲げ疲労試験を行った。な
お、平面曲げ疲労試験は完全両振り (R=−1) にて行
った。その結果を表3、表4に示す。これらの表から、
発明例はいずれも 200MPa以上の高い疲労限が得られ
た。これに対して、本発明の範囲を外れる比較例は低い
疲労限しか得られなかった。
疲労強度に優れた鋼材のガスシールドアークすみ肉溶接
継手を提供できる。とくに、本発明は、引張強度 440 M
Pa以上の強度を有する高張力薄鋼板のガスシールドアー
クすみ肉溶接に適用されたとき、200MPa以上の高い疲労
限を安定して達成できるので、自動車などの構造物の耐
久性、安全性の向上に寄与する。
ド止端部の模式図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 質量%で、 C:0.01〜0.15%、 Si:0.3 〜2.0 %、 Mn:1.0 〜3.0 %、 P:0.05%以下、 S:0.005 %以下、 Al:0.005 〜0.05%、 Ti:0.005 〜0.08%、 N:0.003 〜0.025 % を含み、かつ、前記Al、TiおよびNは下記(1) 式を満た
して含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる組
成の鋼材と、該鋼材をガスシールドアークすみ肉溶接し
て得られた、下記 (2)〜 (5)式を満足する組成の溶接金
属とからなることを特徴とする疲労特性に優れるすみ肉
溶接継手。 記 N−(14/48)Ti −0.2Al ≧0 ---- (1) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.55----(2) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 ---- (3) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 ---- (4) 0.003 ≦N≦0.020 ---- (5) 但し、(1) 〜(5) 式中、N,Ti,Al,C,Si,Mn,Cr,
Mo,S,Oはそれぞれ、各元素の含有量 (質量%) を表
わす。 - 【請求項2】 請求項1に記載の鋼材の組成に加えて、
質量%で、 Ni:0.1 〜2.0 %、 Cr:0.1 〜1.0 %、 Mo:0.05〜1.0 %、 Nb:0.01〜0.1 %、 V:0.01〜0.1 %、 B:0.0005〜0.005 %、 Cu:0.1 〜1.0 %、 Ca:0.0005〜0.005 %、 およびREM:0.0005〜0.005 % から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴
とする疲労特性に優れるすみ肉溶接継手。 - 【請求項3】 質量%で、 C:0.01〜0.15%、 Si:0.3 〜2.0 %、 Mn:1.0 〜3.0 %、 P:0.05%以下、 S:0.005 %以下、 Al:0.005 〜0.05%、 Ti:0.005 〜0.08%、 N:0.003 〜0.025 % を含み、かつ、前記Al、TiおよびNは下記(1) 式を満た
して含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる組
成の鋼材を溶接ワイヤを用いてガスシールドアークすみ
肉溶接するに当たり、溶接金属の組成が下記 (2)〜 (5)
式を満足するように、溶接ワイヤおよび溶接条件を定め
て溶接することを特徴とする疲労特性に優れるガスシー
ルドアークすみ肉溶接方法。 記 N−(14/48)Ti −0.2Al ≧0 ---- (1) 0.30≦C+Si/24 +Mn/6+Ni/40 +Cr/5+Mo/4≦0.55----(2) 0.10≦C+ 4S+ 2O≦0.35 ---- (3) 1.6 ≦Si+Mn+ 4Ti+ 2Al≦3.2 ---- (4) 0.003 ≦N≦0.020 ---- (5) 但し、(1) 〜(5) 式中、N,Ti,Al,C,Si,Mn,Cr,
Mo,S,Oはそれぞれ、各元素の含有量 (質量%) を表
わす。 - 【請求項4】 請求項3に記載の鋼材の組成に加えて、
質量%で、 Ni:0.1 〜2.0 %、 Cr:0.1 〜1.0 %、 Mo:0.05〜1.0 %、 Nb:0.01〜0.1 %、 V:0.01〜0.1 %、 B:0.0005〜0.005 %、 Cu:0.1 〜1.0 %、 Ca:0.0005〜0.005 %、 およびREM:0.0005〜0.005 % から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴
とする疲労特性に優れるガスシールドアークすみ肉溶接
方法。 - 【請求項5】 溶接金属における鋼材希釈率を40%以上
80%以下とすることを特徴とする請求項3または4に記
載の疲労特性に優れるガスシールドアークすみ肉溶接方
法。
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Publication Number | Publication Date |
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