JP2004136314A

JP2004136314A - Method for welding galvanized sheet iron by which crack of galvanized layer during welding is prevented

Info

Publication number: JP2004136314A
Application number: JP2002302276A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasuya; 糟谷　正
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP3914856B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for welding a galvanized sheet iron, by which cracks of galvanized layers due to the galvanized layer melted by welding heat during welding can be prevented. <P>SOLUTION: A stress condition in the neighborhood of the welding end portion is temporarily brought to a compression stress state within the temperature range, in which the cracks of galvanized layers may occur, by limiting the distance between a welding arc and a peening position within the range of 50-200 mm in the range from the welding end portion after the welding arc to the welding heat affected zone, and further by carrying out the ultrasonic peening with the peening width larger than 2 mm and at the same peening speed as the welding speed. Preferably, the peening method uses the ultrasonic wave, the frequency of which is within the range of 20-60 kHz. Further, preferably, the tip end portion for giving the impact to the welded part during peening is provided with one or more pins having the diameter within 1.5-7.0 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性を持たせるために鋼板表面に亜鉛または亜鉛を主体としためっき層を形成させた、いわゆる亜鉛めっき鋼板の溶接に関するものであり、より詳しくは、溶接時に生じる亜鉛めっき割れを防ぐための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
亜鉛は、鋼材中に粒界をつたわって浸入していき、それが原因で割れを発生させる。このような亜鉛が起因となる割れは、通常亜鉛めっき割れ、亜鉛めっき脆性あるいは亜鉛脆化割れなどとよばれており、溶接終了後に亜鉛めっきを行なうために溶融亜鉛に溶接継手を浸漬する際に生じる場合が多い。
【０００３】
亜鉛めっき割れの発生メカニズムとしては、表面のごく近傍に溶融亜鉛が粒界を通して浸入し、そこに小さな割れを発生させ、割れによってできたすきまに毛管現象により溶融亜鉛がさらに浸入するため、その割れ先端で更なる割れが発生する、という過程が考えられる。そのため、亜鉛めっき割れは、鋼材中の亜鉛が拡散する以上の速度で進展する。
【０００４】
このような亜鉛割れを防ぐためには、鋼材の成分を耐割れ性に優れたものに調整する方法が以前より用いられてきた。実際、１９８８年にＪＩＳ　Ｇ３４７４では、亜鉛めっき割れ感受性指標として、ＣＥＺを制定しているが、これは、鋼材の成分で計算される指標である。その後、ＣＥＺは改良され、改良された指標は１９９５年にはＪＩＳ　Ｇ３４７４およびＧ３１２９に制定されているが、いずれも鋼材成分で計算される指標である。
【０００５】
亜鉛めっき割れは、溶融亜鉛に溶接継手を浸漬する場合以外にも、亜鉛めっき鋼板を溶接する場合に発生する。この理由は、溶接熱によりめっき層が溶融することによる。この場合でも、ＣＥＺなどの亜鉛めっき割れ感受性指標は有効であるが、溶接することにより生じる亜鉛めっき割れの場合、溶接後に亜鉛めっきを行なう場合と以下の点で相違がある。
【０００６】
初めの相違点は、溶融亜鉛が存在する時間間隔である。溶接時に生じる亜鉛めっき割れは、割れ発生温度領域が限られており、それは、表面のめっき層が溶融している間だけである。それより高い温度領域では亜鉛が蒸発するため割れが発生せず、それよりも低い温度領域では溶融亜鉛が存在しなくなるためやはり割れは発生しない。すなわち、割れを発生させる溶融亜鉛が表面に存在しているのはごく一定時間内のみである。それに対し、溶接後に亜鉛めっきを行なう場合は、めっき作業中は溶接継手全体が溶融亜鉛にさらされている。
【０００７】
次の相違点は、割れが発生する時の応力状態である。一般に、溶接熱影響部には引っ張りの応力が残留している部分が存在し、それは、特に融合線近傍でその値が大きい。このような状態で溶融亜鉛に浸されると、引っ張り残留応力が存在するところで割れが発生する危険が高まる。一方、溶接時の生じる亜鉛めっき割れは、問題となる応力状態は、溶融亜鉛が存在している温度領域の場合だけであり、継手が室温まで冷却したときに存在する高い引っ張り残留応力ではない。
【０００８】
本発明が対象としている溶接中に亜鉛めっき割れが発生するという問題は、これまであまり認識されてこなかった。それは、溶接熱により溶融亜鉛は蒸発してなくなってしまう、という認識があったことに加え、めっき後に溶接される鋼板の多くが自動車用であったため、めっき後の機械加工を考慮し、これまでは鋼板の引っ張り強度が低い場合、すなわち合金元素添加が少なく、結果的にＣＥＺが低く抑えられていた鋼板に限られていた。しかしながら、現在では、高強度鋼板に対してもめっきが施されるようになり、また、鋼板の高強度化は自動車の燃費向上、ひいては地球環境への考慮から、高強度亜鉛めっき鋼板の産業上の意義が大きくなってきた。このような場合で溶接が実施されると、亜鉛めっき割れという問題が生じてくるようになった。
【０００９】
このように、亜鉛めっき鋼板の溶接した時のめっき割れは、問題の存在そのものが比較的最近になって認識されてきたものである。この問題の最大の特徴は、溶接熱によって亜鉛が溶融する範囲内かつその温度領域内でのみ割れが発生するという点である。これは、溶接継手表面全体が溶融亜鉛に接する場合と大きく異なる。これらの点から、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に生じる亜鉛めっき割れを防ぐ場合、溶接熱で溶融した亜鉛が継手表面に存在している間だけ何らかの方法で割れが発生しないような方法が見出せれば、亜鉛めっき鋼板を溶接する有効な手段となることは疑う余地がない。すなわち、溶接継手のごく一部分のかつごく限られた時間内の溶融亜鉛が存在するときだけ割れ防止対策をほどこしさえすればいいのである。このような方法は、鋼板表面全体が溶融亜鉛に接している場合の亜鉛めっき割れ防止対策より簡便で経済的な方法であると期待できる。
【００１０】
亜鉛めっき割れの要因として、鋼板表面に存在する引っ張りの応力が挙げられ、これを低減することができれば耐割れ性を改善させることができることは明白である。一方、鋼板表面に圧縮応力を形成させる従来技術としてピーニング方法があり、その中でも最近米国で開示された超音波を用いたピーニング方法（特許文献１、２、３）は効率よいピーニング方法である。しかしながら、この方法は、現在までには疲労強度向上として利用されるのみであり、亜鉛めっき割れの防止に利用されるまでにはいたっていない。その理由は、ピーニングは、溶接終了後の応力を圧縮にするためにのみ用いられているためであり、亜鉛めっき割れが生じる温度領域では引っ張り応力が鋼板表面に存在しているからである。一旦、亜鉛めっき割れが発生してしまうと、その後、超音波ピーニングをしても割れはなくならない。したがって、超音波ピーニングを利用して亜鉛めっき割れを防ぐ方法はいまだ実現されていない。
【００１１】
【特許文献１】
ＵＳ　６１７１４１５　Ｂ１
【特許文献２】
ＵＳ　６３３８７６５　Ｂ１
【特許文献３】
ＵＳ　２００２／００１４１００　Ａ１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、以上のような考察に鑑み、鋼材表面に存在する亜鉛または亜鉛を主体としためっき層が溶融している間だけ、そこの部分の局部応力を圧縮状態にすることができないか、鋭意研究を重ねてきた。本発明の目的は、このような、溶融亜鉛が鋼板表面に存在する間だけそこの部分の局部応力を超音波ピーニングを用いて圧縮状態にする溶接方法を提供し、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に生じる亜鉛めっき割れを防ぐ手段を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、上記技術課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
【００１４】
（１）　亜鉛または亜鉛を主体としためっき層が表面に存在する亜鉛めっき鋼板を溶接する方法において、溶融アークの後方で溶融アークとの距離が５０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲内に超音波ピーニング装置のピーニング先端部分を配置し、溶接速度と同じ速度で溶接止端部近傍から溶接熱影響部にかけてピーニング幅が２ｍｍ以上になるようにピーニングすることを特徴とする溶接時めっき割れを防止する亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
【００１５】
（２）　ピーニング方法として、特に周波数が２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲内にある超音波を用いた方法を用いることを特徴とする、前記（１）記載の溶接時めっき割れを防止する亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
【００１６】
（３）　ピーニングを行なう際の、溶接部に衝撃を加える先端部分に、直径が１．５ｍｍ〜７．０ｍｍの範囲内にあるピンを１本または複数本用いることを特徴とする前記（２）記載の溶接時めっき割れを防止する亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
【００１７】
（４）　亜鉛めっき鋼板を溶接する前に、同じ板厚および同じ入熱量で試験溶接を行ない、めっき割れ発生が想定される溶接熱影響部の熱履歴カーブを測定し、冷却過程での温度がめっき層の溶融温度〜（めっき層の溶融温度＋１５０℃）の範囲になるようにピーニング先端部分と溶融アークの距離を設定することを特徴とする前記（１）、（２）または（３）記載の溶接時めっき割れを防止する亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
【００１８】
（５）　前記（１）、（２）、（３）または４記載の亜鉛めっき鋼板溶接部のめっき割れを防止する方法において、亜鉛めっきされている鋼板の引っ張り強度が５７０ＭＰａ級以上の強度レベルを有する場合に対して適用することを特徴とする溶接時めっき割れを防止する亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２０】
初めに本発明の技術思想について述べる。
本発明における第一の技術思想は、溶融亜鉛が溶接継手に存在する間継手表面の応力状態を圧縮状態にする、という点に存在する。一般に、溶接部は、溶融状態で鋼板におかれた溶接金属の熱収縮のため外力が加わっていない状態でも応力が分布し、特に室温付近まで温度が下がってくると溶接金属近傍では引っ張り応力状態になっている。この引っ張り応力が、亜鉛めっき層が溶融している温度範囲で既に発生している場合、この応力が引き金となり亜鉛めっき割れが発生する。本発明では、このような考察から、亜鉛めっき層の融点以上の状態でピーニング処理をし、亜鉛めっき層が溶融している温度領域だけを一時的に圧縮応力状態することにより、めっき割れを防ぐという考えである。
【００２１】
次に、本発明のおける第二の技術思想について述べる。
【００２２】
本発明では、ピーニング処理を行なう際に、超音波ピーニングを用いることとしている。めっき割れを防ぐ目的の場合、ピーニング処理を行なえば部分的に圧縮応力を導入することができるので、特に超音波ピーニングに限定する必要はない。しかし、本発明では、ピーニング速度と溶接速度を同じにする必要があり、そのためには、短時間で何回も割れ発生領域に衝撃を与える必要がある。そのため、超音波を用いたピーニング処理は必須である。
【００２３】
超音波を用いる最大のメリットは、ピーニング先端のピンの重さが小さくても十分大きな衝撃力を与えることができ、その結果少ない作業時間で十分なピーニング効果をあげることができる点である。そのため、ピーニング速度も溶接速度と同程度にすることができ、溶接部が亜鉛めっき割れを起こす温度領域で確実にピーニング処理をすることができる。ピーニング処理をする理由は、局部応力を一時的に圧縮にするためであるが、そのためには、ピーニング部分に塑性歪を導入させなければならない。弾性歪の範囲内では、応力状態が変化しないからである。塑性歪を導入するためには、材料が持つ降伏強度以上の衝撃応力を加える必要があるが、これをもし、静的応力で実現しようとする場合は、溶接部に降伏応力以上の応力を加える必要があり、その分装置が大きくなってしまい、作業負荷の増大をまねく。一方、超音波を用いると、ピーニング部分に加わる応力はピンの重量が例えば１０ｇ程度でも十分大きな応力になることがわかる。
この原理を簡単に説明する。
【００２４】
周波数を３３ｋＨｚとし、ピンの重量を１０ｇ、ピンが振動する範囲を０．０３ｍｍとし、ピン先端の直径を３ｍｍと仮定する。このとき、ピンのスピード、Ｖは
Ｖ＝０．０３×３３０００＝１０００ｍｍ／ｓ＝１ｍ／ｓ
である。ピンは１／３３０００秒に１回スピードを＋１ｍ／ｓから−１ｍ／ｓに変化させることになるが、その変化は、ピーニング処理部分にピンがぶつかる瞬間である。このとき、１回の周波数内の１／１０の時間すなわち、１／３３００００秒の間で生じるとすると、速度の時間変化、すなわち加速度、Ａは
Ａ＝ｄＶ／ｄｔ＝２×３３００００＝６６００００ｍ／ｓ^２
となる。衝撃力Ｆは、上記加速度にピンの重さ１０ｇ＝１／１００ｋｇをかければ求まり、
Ｆ＝６６００００×１／１００＝６６００Ｎ
となる。応力Ｓは、これをピンの断面積、１．５×１．５×３．１４＝７．１ｍｍ^２で割れば計算でき、
Ｓ＝６６００／７．１＝９３０Ｎ／ｍｍ^２＝９３０ＭＰａ
となる。注意すべきは、この応力は、ピンの重さがわずかに１０ｇとした場合の値である点である。しかも、この衝撃応力は１／３３０００秒に１回鋼板表面に与えられる。１秒間に３３０００回衝撃応力が加わるわけで、超音波ピーニングがいかに効率が高いかがわかる。実際の超音波ピーニングの場合は、速度反転が生じる時間間隔が上記計算の設定よりさらに短いと考えられるため、より大きな衝撃応力が出ているものと考えられる。
【００２５】
以上のように、ピーニング処理のうち、特に超音波を用いる方法は、ピンの重量が小さくて済み、かつ短時間で何回も衝撃を与えることができるため、ピーニング速度を高くしても十分その効果を確保することができる。図１は、このピーニング処理を説明する概念図である。亜鉛めっき鋼板１を溶接する際に溶接アーク２の後方でピーニング処理を超音波ピーニング３にすることにより、溶接速度と同じ速度で処理することが可能となり、一定温度の場所のピーニングが可能となる。また、装置の軽量化ができるなどの利点も有することがわかる。本発明では、溶接アークの後方で、めっき割れが発生する温度領域を常にピーニング処理しつづける必要があるため、超音波ピーニングに限定した。
【００２６】
次に、超音波ピーニング先端部分と溶融アークの間の距離を限定した理由について述べる。
【００２７】
本発明では、めっき割れが発生する温度領域でピーニングをしなければならない。これは、溶接後の冷却過程でその温度範囲になったときにピーニングをしなければならないことを意味するものである。この温度範囲になる領域とは、溶接アークより５０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲の部分である。５０ｍｍより近い場合は、熱影響部は十分温度が高く、そこに亜鉛が拡散してきても蒸発してしまうので下限を５０ｍｍとした。また２００ｍｍを上回るほどに離れた場所では、既に割れ領域に入ってしまい、めっき割れが発生してしまう危険がある。一度割れが発生すると、その後ピーニング処理しても割れは回復しない。そのため上限を２００ｍｍとした。
【００２８】
次に、ピーニングをする幅を限定した理由について述べる。
【００２９】
一般に亜鉛めっき割れが発生する場所は、引っ張り応力が高く、かつ応力集中部である溶接止端部である。溶接止端部は一度１０００℃以上に加熱されるため、亜鉛めっき層はいったん蒸発してなくなる。しかし、溶接止端部より少し離れたところでは、溶融亜鉛が存在しており、溶接止端部が冷却してくると、この溶融亜鉛は溶接止端部の方に流れてくる。このとき、溶接止端部の引っ張り応力に加え、応力集中部であるという条件が加わり、最も亜鉛めっき割れ感受性が高くなるのである。そのため、ここでの割れ感受性を抑えるためには、圧縮応力の導入に加え、応力集中を緩和させることができれば、より効果が大きい。本発明では、ピーニング方法として、超音波ピーニングを採用しており、溶接始端部の形状を改善するに十分な効果を持っている。応力集中を緩和するには、溶接止端部近傍を幅２ｍｍ以上でピーニングをする必要がある。これを下回る幅では、応力集中を緩和する効果が小さいばかりでなく、ピーニングをした場所のすぐ隣に引っ張り応力が存在する領域が残ってしまい、ここで亜鉛めっき割れが発生してしまう危険があるため下限を２ｍｍとした。なお、本発明ではピーニング幅の上限を設けていない。しかし、ピーニング幅を不必要なまでに大きくすることは、ピーニング処理の効率を悪くするので、好ましくはピーニング幅の上限を１０ｍｍと設けることが望ましい。
【００３０】
次に超音波ピーニングの周波数を限定した理由について述べる。
【００３１】
下限の２０ｋＨｚは、これを下回る周波数の場合、人間が聞こえる周波数すなわち可聴周波数の範囲の入ってしまい、ピーニング作業の観点からは好ましいことではない。本発明の本意は、簡便な亜鉛めっき割れ防止方法を提供することにあるため、作業環境が劣化するような方法は本発明の本意からはずれる。また、上記衝撃応力の試算からわかるように、超音波の周波数は高いほど衝撃応力が高くなりそれだけ有利となる。下限の２０ｋＨｚは、簡便な装置で十分なピーニング効果を得られる周波数として、また作業環境を劣悪なものとしない値として設定した。なお、下限の２０ｋＨｚは、より高い衝撃応力を得る観点から、好ましくは２３ｋＨｚ以上とすることが望ましい。上限の６０ｋＨｚは、これ以上の周波数になると、現在の技術では簡便な装置で超音波を得ることが難しくなり、かつ人間の耳には聞こえないものの健康管理上の問題が生じてくるためこの値を設定した。
【００３２】
次にピンの直径を限定した理由について述べる。
【００３３】
先ほどの衝撃応力試算例からわかるように、最終的な衝撃応力は、衝撃力をピン断面積で割ることにより求めることができ、また断面積が小さいほど衝撃応力は大きくなる傾向にある。より大きい衝撃応力を得るためにはピンを例えば針のように細くすればいいが、この場合、ピンが折れたり座屈したりする危険があり、不必要な細径はかえってマイナスである。下限１．５ｍｍは、ピンが座屈や折れたりしないで十分ピーニング処理に耐えうる値として設定した。逆にピンの直径が大きすぎると、鋼板に塑性変形を与える程度の大きな衝撃応力が発生しなくなる可能性がある。上限の７ｍｍは、これ以上の直径ではピンの断面積が大きすぎ、衝撃応力が十分大きい値にならない場合があるためこの値を設定した。
次に、ピーニング先端部分と溶融アークの距離を、熱履歴カーブを測定し、冷却過程での温度が、めっき層の溶融温度〜（めっき層の溶融温度＋１５０℃）の範囲になる様に限定した理由について述べる。
【００３４】
本発明におけるピーニングの目的は、亜鉛めっき割れが発生する前に圧縮応力を導入することである。しかし、導入された圧縮応力がずっと維持されるわけではなく導入後の冷却過程で生じる熱収縮のために徐々に引っ張り応力状態になっていく。そのため、ピーニングするタイミングは、亜鉛めっき割れが発生する直前の温度領域が最も効率がよい。しかし、ピーニング後は、しばらく圧縮応力状態であるため、必ずしも割れ発生直前である必要はない。本発明では、ピーニング先端部分の位置をめっき層の溶融温度〜（めっき層の溶融温度＋１５０℃）としたが、この範囲を下回る温度になった場合にピーニングをしてもすでに割れが発生してしまっているために、また、この範囲を上回る温度でのピーニングでは、その後の熱収縮により割れが発生するタイミングまでに圧縮応力状態が維持されず、亜鉛めっき割れを防ぐことができないため、この様に範囲を設定したのである。
【００３５】
次に、めっき鋼板の強度を限定した理由について述べる。
【００３６】
従来よく使われていためっき鋼板は、既に述べたように、強度の低い鋼板であり、ＣＥＺが必然的に低くなり、鋼板そのものが持つ耐割れ性は十分良好であったため、本発明が取り扱っている割れは特に生じていなかった。このような鋼板にピーニング処理をする場合にも上記効果は得られるが、特にめっき割れが発生する危険がある引っ張り強度が５７０ＭＰａ級以上の鋼材において、顕著な効果が得られる。
【００３７】
【実施例】
以下に本発明における実施例について説明する。
【００３８】
初めに、４４０〜７８０ＭＰａ級の鋼材で板厚５ｍｍの試験素材を準備し、表面に亜鉛めっきをした。このときの亜鉛めっき層の融点は、亜鉛の中にＭｇなどをある程度含有させることにより変化させることができる。
【００３９】
図２は、亜鉛めっき割れを再現した時の試験片の形状を説明した図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。継手形状は重ね隅肉であり、図２における左側の鋼材表面に亜鉛めっきを施しためっき層４がある。試験片はボルト５で下の固定台６に取り付けられているが、一方の試験片はスペーサー７を介して取り付けてある。これは実構造物に近い拘束度を試験片に与えるためである。
【００４０】
溶接は、ソリッドワイヤをを用いて、炭酸ガス溶接を行なって溶接ビード８を形成した。その時の溶接条件は表１に示した。
【００４１】
表１に対し、超音波ピーニングを種々の条件で溶接止端部に対して実施して亜鉛めっき割れの有無を調べた。ピーニングを実施した位置の温度は、予め、同じ溶接条件（表１では継手Ｎｏ．１と２の２種類）で予備的に溶接を行ない、その時の熱履歴を測定してその冷却カーブから決定した。例えば、溶接速度が６０ｃｍ／分の場合、アークが通り過ぎてから１０秒後には６ｃｍ、すなわち６０ｍｍアークが移動しているため、１０秒後の温度が６０ｍｍ離れたところをピーニングしている時のピーニング位置の温度とわかる。この様にして、ピーニング位置の温度を決定した。
【００４２】
表２には、亜鉛めっき割れとピーニング処理条件の関係を調べた結果を示した。試験Ｎｏ．１は、継手Ｎｏが表１のＮｏ．１であり、ピーニング先端部分とアークとの距離が本発明の範囲外で、ピーニングを行なっていることころの温度が５８０℃と高すぎ、割れが防止できなかった例である。一方、試験Ｎｏ．２、３は、ピーニング位置とアークとの距離が適切であったため割れが防止できた例である。しかし、試験Ｎｏ．４になるとアークとピーニング位置の距離が大きくなりすぎて、ピーニング開始前に既に割れが発生してしまった例である。試験Ｎｏ．５は、溶接条件が他の継手と異なっている場合であるが、ピーニング条件が本発明の範囲内であり、割れ防止ができた例である。しかし、試験Ｎｏ．５の条件で、ピンの直径を１ｍｍと本発明の範囲外にした試験Ｎｏ．６は、ピーニング処理中にピンが折れてしまいピーニングが継続的に実施することができず、割れを防ぐことができなかった例である。一方、試験Ｎｏ．７は、継手が表１の継手Ｎｏ．３であり、鋼材強度が４４０ＭＰａ級と低い鋼材を用いた場合である。このような場合は、従来どおり、ピーニングをしなくとも割れは発生していなかった。試験Ｎｏ．８、９は、亜鉛めっき層の融点が他の継手より低い場合であるが、ピーニングする位置の温度が、本発明の範囲内であるため割れを防ぐことができた。試験Ｎｏ．１０は、ピンの直径が１０ｍｍと本発明例の範囲外であり、ピンが太すぎ十分なピーニング効果が得られず、微小ながら割れが確認された例である。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、亜鉛めっき割れを効率よく防止することが可能であり、工業的価値の極めて高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、亜鉛めっき鋼板を溶接する時のめっき割れを超音波ピーニングを用いて防止する方法を説明する概念図である。
【図２】図２は、亜鉛めっき割れを再現する試験方法を説明した概念図である。
【符号の説明】
１　亜鉛めっき鋼板
２　溶接アーク
３　超音波ピーニング
４　めっき層
５　ボルト
６　固定台
７　スペーサー
８　溶接ビード[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to welding of a so-called galvanized steel sheet in which a plating layer mainly composed of zinc or zinc is formed on the surface of the steel sheet in order to impart corrosion resistance, and more particularly to the prevention of galvanized cracks generated during welding. It is about the method for.
[0002]
[Prior art]
Zinc penetrates into the steel material by linking the grain boundaries, which causes cracking. Such cracks caused by zinc are generally called galvanized cracks, galvanized brittleness or zinc embrittlement cracks.When immersing a welded joint in molten zinc to perform galvanizing after welding, Often occurs.
[0003]
The mechanism of galvanizing cracks is that molten zinc penetrates very close to the surface through the grain boundaries, generates small cracks, and the molten zinc further penetrates into the gaps formed by the cracks. It is conceivable that a further crack occurs at the tip. Therefore, galvanization cracks develop at a rate higher than the diffusion of zinc in the steel material.
[0004]
In order to prevent such zinc cracking, a method of adjusting the composition of the steel material to one having excellent crack resistance has been used for some time. In fact, JIS G3474 established CEZ as a galvanizing crack susceptibility index in 1988, but this is an index calculated based on the composition of steel material. Thereafter, CEZ was improved, and the improved index was established in JIS G3474 and G3129 in 1995, both of which are indexes calculated based on steel components.
[0005]
Galvanizing cracks occur not only when a welded joint is immersed in molten zinc but also when a galvanized steel sheet is welded. The reason for this is that the plating layer is melted by welding heat. Even in this case, a galvanizing crack susceptibility index such as CEZ is effective, but in the case of galvanizing cracks caused by welding, there are differences from the case of performing galvanizing after welding in the following points.
[0006]
The first difference is the time interval during which molten zinc is present. The galvanizing cracks generated during welding have a limited crack initiation temperature range, only while the surface plating layer is melting. In a higher temperature range, no cracks occur due to evaporation of zinc, and in a lower temperature range, no crack occurs because no molten zinc is present. That is, the molten zinc causing cracks is present on the surface only for a certain period of time. In contrast, when galvanizing is performed after welding, the entire welded joint is exposed to hot-dip zinc during the plating operation.
[0007]
The next difference is the state of stress when cracks occur. In general, there is a portion where a tensile stress remains in the weld heat affected zone, which has a large value especially near the fusion line. When immersed in molten zinc in such a state, there is an increased danger of cracking where tensile residual stress exists. On the other hand, the galvanizing crack generated during welding is only a stress state in a temperature range where molten zinc exists, and is not a high tensile residual stress existing when the joint is cooled to room temperature.
[0008]
The problem of galvanizing cracks occurring during welding targeted by the present invention has not been recognized so far. This is because, in addition to the perception that molten zinc evaporates due to the heat of welding, many of the steel plates that are welded after plating were for automobiles, so considering machining after plating, Has been limited to steel sheets having low tensile strength, that is, low addition of alloying elements and consequently low CEZ. However, at present, plating is also applied to high-strength steel sheets. In addition, increasing the strength of steel sheets has led to the improvement of automobile fuel efficiency and, in view of the global environment, the industrial application of high-strength galvanized steel sheets. Has become more significant. When welding is performed in such a case, the problem of galvanization cracking has come to arise.
[0009]
As described above, the existence of the problem of galvanized steel sheet cracking at the time of welding has been recognized relatively recently. The most significant feature of this problem is that cracking occurs only in the range where zinc is melted by welding heat and only in the temperature range. This is significantly different from the case where the entire surface of the weld joint is in contact with the molten zinc. From these points, in order to prevent galvanizing cracks that occur when welding galvanized steel sheets, a method has been found that does not cause cracking in any way only while zinc melted by welding heat is present on the joint surface. There is no doubt that it will be an effective means of welding galvanized steel sheets. That is, it is only necessary to take measures to prevent cracking only when molten zinc is present in a very small part of the welded joint for a very limited time. Such a method can be expected to be a simpler and more economical method than a measure for preventing galvanization cracking when the entire steel sheet surface is in contact with the molten zinc.
[0010]
A factor of the galvanizing crack is a tensile stress existing on the surface of the steel sheet, and it is clear that if this stress can be reduced, the crack resistance can be improved. On the other hand, there is a peening method as a conventional technique for forming a compressive stress on a steel sheet surface, and among them, a peening method using an ultrasonic wave recently disclosed in the United States (Patent Documents 1, 2, and 3) is an efficient peening method. However, this method has only been used to improve fatigue strength up to the present, and has not been used to prevent galvanizing cracks. The reason for this is that peening is used only to compress the stress after welding is completed, and tensile stress exists on the steel sheet surface in a temperature region where galvanizing cracks occur. Once zinc plating cracks occur, the cracks do not disappear even after ultrasonic peening. Therefore, a method of preventing galvanization cracking using ultrasonic peening has not yet been realized.
[0011]
[Patent Document 1]
US 6171415 B1
[Patent Document 2]
US 6338765 B1
[Patent Document 3]
US 2002/0014100 A1
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above considerations, the present inventors cannot make local stress in a portion there in a compressed state only while zinc or a zinc-based plating layer present on a steel material surface is molten. Or, I've been working diligently. An object of the present invention is to provide a welding method for compressing the local stress of the portion therethrough using ultrasonic peening only while molten zinc is present on the surface of the steel sheet, when welding a galvanized steel sheet. The present invention provides a means for preventing galvanizing cracks occurring in the steel sheet.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to solve the above technical problems, and the gist thereof is as follows.
[0014]
(1) In a method for welding a galvanized steel sheet having zinc or a plating layer mainly composed of zinc on a surface thereof, peening of an ultrasonic peening apparatus within a range of 50 mm to 200 mm behind the molten arc and the molten arc. A galvanized steel sheet that prevents galvanizing cracking during welding, characterized in that the tip is disposed and peening is performed at the same speed as the welding speed from the vicinity of the weld toe to the weld heat affected zone so that the peening width becomes 2 mm or more. Welding method.
[0015]
(2) Welding of a galvanized steel sheet for preventing galvanizing cracks during welding as described in (1) above, wherein a method using ultrasonic waves having a frequency in the range of 20 kHz to 60 kHz is used as a peening method. Method.
[0016]
(3) In the peening, one or a plurality of pins having a diameter in a range of 1.5 mm to 7.0 mm are used at a tip portion for applying an impact to a welded portion. A method for welding galvanized steel sheet to prevent plating cracks during welding as described.
[0017]
(4) Before welding a galvanized steel sheet, test welding is performed with the same thickness and the same heat input, and the heat history curve of the weld heat affected zone where plating cracking is assumed is measured. (1), (2) or (3), wherein the distance between the tip of the peening and the molten arc is set so as to be in a range from the melting temperature of the plating layer to (the melting temperature of the plating layer + 150 ° C.). For welding galvanized steel sheets to prevent galvanizing cracks during welding.
[0018]
(5) In the method for preventing galvanized steel sheet welding cracks described in (1), (2), (3) or (4), the tensile strength of the galvanized steel sheet is set to a strength level of 570 MPa class or more. A method for welding a galvanized steel sheet, which prevents plating cracks during welding, wherein the method is applied to the case where the steel sheet has galvanizing.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0020]
First, the technical concept of the present invention will be described.
The first technical idea of the present invention resides in that the stress state of the joint surface is brought into a compressed state while molten zinc is present in the welded joint. Generally, in the weld, stress is distributed even when no external force is applied due to thermal contraction of the weld metal placed on the steel sheet in the molten state, and especially when the temperature decreases to around room temperature, the tensile stress state near the weld metal It has become. If this tensile stress has already been generated in the temperature range where the galvanized layer is molten, this stress triggers a galvanizing crack. In the present invention, from such considerations, by performing a peening process in a state of the melting point or more of the galvanized layer, by temporarily putting only the temperature region where the galvanized layer is molten into a compressive stress state, the plating crack is prevented. That is the idea.
[0021]
Next, the second technical concept of the present invention will be described.
[0022]
In the present invention, ultrasonic peening is used when performing the peening process. For the purpose of preventing plating cracking, compressive stress can be partially introduced by performing a peening process, so that there is no need to particularly limit the process to ultrasonic peening. However, in the present invention, it is necessary to make the peening speed and the welding speed the same, and in order to do so, it is necessary to apply an impact to the crack generation region many times in a short time. Therefore, peening using ultrasonic waves is essential.
[0023]
The greatest advantage of using ultrasonic waves is that a sufficiently large impact force can be applied even if the weight of the pin at the tip of the peening is small, and as a result, a sufficient peening effect can be obtained in a short working time. Therefore, the peening speed can be made approximately equal to the welding speed, and the peening process can be reliably performed in a temperature region where a galvanized crack occurs in the welded portion. The reason for the peening treatment is to temporarily compress the local stress, but for that purpose, it is necessary to introduce a plastic strain into the peened portion. This is because the stress state does not change within the range of elastic strain. In order to introduce plastic strain, it is necessary to apply an impact stress greater than the yield strength of the material, but if this is to be achieved with static stress, apply a stress greater than the yield stress to the weld. This necessitates an increase in the size of the device, which increases the work load. On the other hand, when using ultrasonic waves, it can be seen that the stress applied to the peened portion is sufficiently large even if the weight of the pin is, for example, about 10 g.
This principle will be briefly described.
[0024]
Assume that the frequency is 33 kHz, the weight of the pin is 10 g, the range in which the pin vibrates is 0.03 mm, and the diameter of the pin tip is 3 mm. At this time, the speed V of the pin is V = 0.03 × 33000 = 1000 mm / s = 1 m / s
It is. The pin changes its speed once every 1/33000 seconds from +1 m / s to -1 m / s, the change being the moment the pin hits the peened part. At this time, assuming that the change occurs in 1/10 time within one frequency, that is, 1 / 330,000 seconds, the time change of the speed, that is, acceleration, A is A = dV / dt = 2 × 330000 = 660000 m / s ²
It becomes. The impact force F is obtained by applying a pin weight of 10 g = 1/100 kg to the acceleration,
F = 660000 × 1/100 = 6600N
It becomes. The stress S can be calculated by dividing this by the cross-sectional area of the pin, 1.5 × 1.5 × 3.14 = 7.1 mm ² ,
S = 6600 / 7.1 = 930 N / mm ² = 930 MPa
It becomes. It should be noted that this stress is the value when the weight of the pin is only 10 g. Moreover, this impact stress is applied to the steel sheet surface once every 1/33000 seconds. Since the impact stress is applied 33,000 times per second, it can be seen how high the efficiency of the ultrasonic peening is. In the case of actual ultrasonic peening, the time interval at which the speed reversal occurs is considered to be shorter than the setting in the above calculation, and thus it is considered that a larger impact stress is generated.
[0025]
As described above, among the peening processes, the method using ultrasonic waves in particular requires only a small weight of the pin, and can apply an impact many times in a short time. The effect can be secured. FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the peening process. When the galvanized steel sheet 1 is welded, the peening process is performed by ultrasonic peening 3 behind the welding arc 2, so that the processing can be performed at the same speed as the welding speed, and peening can be performed at a constant temperature. . Further, it can be seen that there are also advantages such as a reduction in the weight of the device. In the present invention, since it is necessary to always continue the peening process in the temperature region where the plating crack occurs behind the welding arc, it is limited to the ultrasonic peening.
[0026]
Next, the reason why the distance between the tip portion of the ultrasonic peening and the molten arc is limited will be described.
[0027]
In the present invention, peening must be performed in a temperature region where plating cracks occur. This means that peening must be performed when the temperature reaches the temperature range in the cooling process after welding. The region within this temperature range is a portion within a range of 50 mm to 200 mm from the welding arc. If the distance is less than 50 mm, the temperature of the heat-affected zone is sufficiently high, and even if zinc diffuses there, it will evaporate, so the lower limit was set to 50 mm. In addition, if the distance is more than 200 mm, the crack may already enter the cracked area, and there is a risk that plating crack may occur. Once cracks occur, they do not recover even after peening. Therefore, the upper limit was set to 200 mm.
[0028]
Next, the reason why the width of peening is limited will be described.
[0029]
In general, the place where the galvanizing crack occurs is the weld toe, which has a high tensile stress and is a stress concentrated portion. Since the weld toe is once heated to 1000 ° C. or higher, the galvanized layer once evaporates and disappears. However, molten zinc is present at a position slightly away from the weld toe, and when the weld toe cools, the molten zinc flows toward the weld toe. At this time, in addition to the tensile stress at the weld toe, the condition of being a stress concentration portion is added, and the zinc plating cracking sensitivity becomes highest. Therefore, in order to suppress cracking susceptibility here, it is more effective if stress concentration can be reduced in addition to introduction of compressive stress. In the present invention, ultrasonic peening is employed as the peening method, and has a sufficient effect for improving the shape of the welding start end. In order to reduce the stress concentration, it is necessary to peen the vicinity of the weld toe with a width of 2 mm or more. If the width is less than this, not only is the effect of alleviating stress concentration small, but also there is a region where a tensile stress exists right next to the peened area, and there is a risk that galvanization cracks may occur here Therefore, the lower limit was set to 2 mm. In the present invention, no upper limit is set for the peening width. However, if the peening width is unnecessarily increased, the efficiency of the peening process deteriorates. Therefore, it is preferable to set the upper limit of the peening width to 10 mm.
[0030]
Next, the reason why the frequency of the ultrasonic peening is limited will be described.
[0031]
If the lower limit of 20 kHz is a frequency lower than this, it falls within the range of human audible frequencies, that is, the range of audible frequencies, which is not preferable from the viewpoint of peening work. Since the intent of the present invention is to provide a simple method for preventing galvanization cracking, a method that degrades the working environment deviates from the intent of the present invention. Further, as can be seen from the above-described calculation of the impact stress, the higher the frequency of the ultrasonic wave, the higher the impact stress and the more advantageous it becomes. The lower limit of 20 kHz is set as a frequency at which a sufficient peening effect can be obtained with a simple device, and as a value that does not deteriorate the working environment. The lower limit of 20 kHz is preferably set to 23 kHz or more from the viewpoint of obtaining a higher impact stress. If the upper limit of 60 kHz is a frequency higher than this, it is difficult to obtain ultrasonic waves with a simple device using current technology, and a problem in health management occurs although it cannot be heard by human ears. It was set.
[0032]
Next, the reason why the diameter of the pin is limited will be described.
[0033]
As can be seen from the above-described calculation example of impact stress, the final impact stress can be obtained by dividing the impact force by the pin cross-sectional area, and the impact stress tends to increase as the cross-sectional area decreases. In order to obtain a larger impact stress, the pin may be made thinner, for example, like a needle. In this case, however, there is a risk that the pin may break or buckle, and the unnecessary small diameter is rather negative. The lower limit of 1.5 mm is set as a value that can sufficiently withstand the peening process without causing the pin to buckle or break. On the other hand, if the diameter of the pin is too large, there is a possibility that a large impact stress that gives plastic deformation to the steel sheet may not be generated. The upper limit of 7 mm is set to a value larger than the diameter because the cross-sectional area of the pin is too large for a diameter larger than that and the impact stress may not be a sufficiently large value.
Next, the distance between the tip of the peening and the melting arc was measured by a heat history curve, and the temperature in the cooling process was limited so as to be in the range of the melting temperature of the plating layer to (the melting temperature of the plating layer + 150 ° C). The reason will be described.
[0034]
The purpose of peening in the present invention is to introduce compressive stress before galvanizing cracks occur. However, the introduced compressive stress is not always maintained, and gradually becomes a tensile stress state due to thermal contraction generated in a cooling process after the introduction. Therefore, the most efficient timing of the peening is in the temperature region immediately before the galvanizing crack occurs. However, after peening, it is in a state of compressive stress for a while, so it does not necessarily need to be immediately before crack generation. In the present invention, the position of the tip of the peening is defined as the melting temperature of the plating layer to (the melting temperature of the plating layer + 150 ° C.). However, if the temperature falls below this range, cracking has already occurred even if the peening is performed. In addition, in the case of peening at a temperature higher than this range, the compressive stress state is not maintained until the timing when cracks occur due to subsequent thermal shrinkage, and zinc plating cracks cannot be prevented. We set the range to.
[0035]
Next, the reason why the strength of the plated steel sheet is limited will be described.
[0036]
Conventionally used plated steel sheet is, as already mentioned, a low strength steel sheet, CEZ is necessarily low, and the crack resistance of the steel sheet itself is sufficiently good. Cracking did not occur. Although the above effect can be obtained when such a steel sheet is subjected to a peening treatment, a remarkable effect can be obtained particularly in a steel material having a tensile strength of 570 MPa or higher, at which there is a risk of occurrence of plating crack.
[0037]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0038]
First, a test material having a thickness of 5 mm was prepared from a steel material of 440 to 780 MPa class, and the surface was galvanized. At this time, the melting point of the galvanized layer can be changed by adding Mg or the like to zinc to some extent.
[0039]
2A and 2B are diagrams illustrating the shape of a test piece when a galvanized crack is reproduced. FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a side view. The joint shape is a fillet, and there is a galvanized layer 4 on the steel surface on the left side in FIG. The test piece is attached to a lower fixing table 6 with bolts 5, while one test piece is attached via a spacer 7. This is to give the test specimen a constraint close to that of the actual structure.
[0040]
For welding, carbon dioxide welding was performed using a solid wire to form a weld bead 8. Table 1 shows the welding conditions at that time.
[0041]
For Table 1, ultrasonic peening was performed on the weld toe under various conditions to check for galvanized cracks. The temperature at the position where the peening was performed was determined in advance by performing preliminary welding under the same welding conditions (two types of joint Nos. 1 and 2 in Table 1), measuring the heat history at that time, and determining the temperature from the cooling curve. . For example, when the welding speed is 60 cm / min, 10 cm after the arc passes, the arc moves 6 cm, that is, the 60 mm arc moves, so the peening occurs when the temperature is 60 mm away after 10 seconds. It is known as the temperature of the position. Thus, the temperature at the peening position was determined.
[0042]
Table 2 shows the results of examining the relationship between the galvanizing cracks and the peening conditions. Test No. No. 1 is No. 1 in Table 1 for the joint No. In this case, the distance between the tip of the peening and the arc was out of the range of the present invention, and the temperature at the time of peening was too high at 580 ° C., and cracking could not be prevented. On the other hand, Test No. Nos. 2 and 3 are examples in which cracks could be prevented because the distance between the peening position and the arc was appropriate. However, the test No. When it is 4, the distance between the arc and the peening position becomes too large, and cracks have already occurred before the peening starts. Test No. 5 is an example in which the welding conditions are different from those of the other joints, but the peening conditions are within the scope of the present invention, and cracking was prevented. However, the test No. Under the conditions of Test No. 5, the diameter of the pin was 1 mm, which was out of the range of the present invention. No. 6 is an example in which the pin was broken during the peening process, so that the peening could not be carried out continuously and cracking could not be prevented. On the other hand, Test No. 7 is the joint No. of Table 1 3, which is a case where a steel material having a steel material strength as low as 440 MPa class is used. In such a case, cracking did not occur even without peening as in the past. Test No. 8 and 9 are cases where the melting point of the galvanized layer is lower than that of the other joints, but since the temperature of the peening position is within the range of the present invention, cracking could be prevented. Test No. No. 10 is an example in which the diameter of the pin is 10 mm, which is out of the range of the present invention example, and the pin is too thick to obtain a sufficient peening effect, and cracks are confirmed even though it is minute.
[0043]
[Table 1]

[0044]
[Table 2]

[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to efficiently prevent galvanizing cracks, and it can be said that the present invention has an extremely high industrial value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a method for preventing plating cracks when welding a galvanized steel sheet by using ultrasonic peening.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a test method for reproducing zinc plating cracks.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Galvanized steel plate 2 Welding arc 3 Ultrasonic peening 4 Plating layer 5 Bolt 6 Fixing stand 7 Spacer 8 Weld bead

Claims

In the method of welding a galvanized steel sheet having a zinc or zinc-based plating layer on its surface, the distance between the molten arc behind the molten arc and the peening tip of the ultrasonic peening apparatus is set within a range of 50 mm to 200 mm. A galvanized steel sheet welding method for preventing galvanized steel sheets from being cracked at the time of welding, wherein peening is performed at the same speed as the welding speed from the vicinity of the weld toe to the weld heat affected zone so that the peening width becomes 2 mm or more.

The method for welding a galvanized steel sheet according to claim 1, wherein a method using an ultrasonic wave having a frequency in a range of 20 kHz to 60 kHz is used as the peening method.

3. The method according to claim 1, wherein one or a plurality of pins having a diameter in a range of 1.5 mm to 7.0 mm are used at a tip portion for applying an impact to a weld portion when peening is performed. A method for welding galvanized steel sheets to prevent plating cracks during welding.

Before welding galvanized steel sheets, test welding is performed with the same thickness and the same heat input, and the heat history curve of the weld heat affected zone where plating cracks are expected to occur is measured. 4. The plating crack during welding according to claim 1, 2 or 3, wherein the distance between the tip of the peening and the molten arc is set so as to be in the range of melting temperature to (melting temperature of plating layer + 150 ° C.). Welding method for galvanized steel sheet.

The method for preventing galvanized steel sheet welds from cracking according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the method is applied to a case where the galvanized steel sheet has a tensile strength of at least 570 MPa. A method for welding galvanized steel sheets, which prevents plating cracks during welding.