【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、建築、自動車などの溶接構造部材に使用される亜鉛系合金めっき鋼板に関し、特に、このような亜鉛系合金めっき鋼板をアーク溶接する際に溶接熱影響部における液体金属脆化割れ（以下、亜鉛めっき割れということもある）を抑制できる亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｚｎめっき鋼板は、建築や自動車の構造部材の耐食性向上の観点から幅広く用いられている。また最近では、更なる耐食性向上のために鋼板表面にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきなどの亜鉛系合金めっきを施した亜鉛系合金めっき鋼板が特許文献１および特許文献２で知られている。そして、これら亜鉛系合金めっき鋼板は、アーク溶接方法によって溶接が施された溶接構造物として使用される場合が多い。
【０００３】
しかし、これら亜鉛系合金めっきを施した鋼板をアーク溶接する際に、鋼板の溶接熱影響部（以下、溶接ＨＡＺ部という。）は、溶接入熱により溶融された亜鉛系合金めっきが鋼板表面に溶融状態のまま残留しやすく、かつ、鋼板組織は結晶粒が成長、粗大化した組織となりやすい。このような状態で鋼板に引張応力が働いた場合には、鋼板の溶接ＨＡＺ部組織によっては、溶融めっきが鋼板表面の結晶粒界に侵入して粒界が脆化した領域、つまり脆化域が形成され、割れが発生する。特に被溶接部材が著しく拘束された状態での溶接時に溶接ＨＡＺ部の脆化域で割れが発生することが多い。
【０００４】
また、従来から、溶接を用いて作製した溶接継ぎ手を高温の溶融亜鉛合金めっき浴でめっきする際にも、溶接による溶接止端部近傍の残留引張応力やめっき時に発生する歪みなどが引張応力として作用し同様な割れが発生することが知られている。このように、高温状態の或る種の液体金属と或る種の固体金属が接触した状態で、固体金属にある大きさの引張応力が作用する場合に、固体金属に脆化域が形成され、割れが発生する現象を液体金属脆化割れ：ＬＭＥ（Ｌｉｑｕｉｄ ＭｅｔａｌＥｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）と称され、例えば、非特許文献１で知られている。
【０００５】
従来、溶接継ぎ手の溶融めっき時の液体金属脆化割れ（ＬＭＥ）を抑制するために鋼板の成分による組織制御が試みられており、ＪＩＳでは（例えば、鋼管用はＪＩＳ Ｇ ３４７４−１９９５、また、鋼板用はＪＩＳ Ｇ ３２１９−１９９５）ではＬＭＥ炭素当量式が規格化されている。
【０００６】
また、特許文献３では、Ｚｎ−Ａｌ合金めっきが施される鋼板に対して鋼材の各成分を限定するとともに、特にＢに対しては０．０００２％以下の厳しい制約を設けている。
【０００７】
しかし、上記ＬＭＥ炭素当量式は、溶接継ぎ手を高温で溶融めっき処理する際の液体金属脆化割れ（ＬＭＥ）を対象とし、その割れが発生する温度域は溶融亜鉛めっきの場合はそのめっき浴の温度：４５０℃（亜鉛の融点）程度と比較的低温であるのに対して、亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接の場合は、ビーク温度が１５００℃と高く、割れの発生は鋼板の溶融温度から室温までの広い温度域で発生する。したがって、従来のＮＴＢ試験およびその結果に基づくＬＭＥ炭素当量式を亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接時に適用しても、液体金属脆化割れ（ＬＭＥ）を充分に抑制することは困難であった。
【０００８】
一方、プレス成形性の要求される極低炭素鋼のＩＦ（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｆｒｅｅ）鋼板のろう付けにおけるはんだ脆性として上記液体金属脆化割れの発生が知られており、その対策として、例えば、特許文献４では、ＩＦ鋼のＣを０．０００５〜０．０３％と低くし、Ｔｉを０．０１〜０．２％添加してＮを固定するとともに、Ｂを０．０００２〜０．００３％添加して結晶粒界にＢを偏析させることにより溶融金属の粒界への進入を防ぎ、割れ発生を抑制している。
【０００９】
しかし、この方法は、極低炭素鋼のＩＦ鋼板を、ビーク温度が鋼板の融点より低い温度域でろう付けする場合の９００〜１０００℃程度で発生する割れを対象とするものであり、ＩＦ鋼よりもＣ含有量が高く、焼き入れ性が高い鋼の亜鉛系合金めっき鋼板を対象とし、ビーク温度が鋼板の融点より高い温度域でアーク溶接を行う場合の１５００℃〜室温までの広い温度域で発生する割れを充分抑制することは困難である。
【００１０】
従来、自動車用として多く用いられてきた亜鉛系合金めっき鋼板は、成形性を考慮しＣや合金元素などの少ない引っ張り強度が低い鋼に限られてきたが、近年、自動車の軽量化及び燃費向上、ひいては地球環境への考慮から高強度の亜鉛系合金めっき鋼板の産業上の意義が大きくなってきた。亜鉛系合金めっき鋼板の高強度化により、その溶接時に亜鉛液体金属脆化割れめっき割れという問題が顕在化するようになってきている。一方、建築分野においては、従来亜鉛浴での後付けめっきが主流であったのに対し、工程省略の観点からプレめっき鋼板の溶接が行われるようになり、めっき割れが問題となるようになってきた。
【００１１】
しかしながら、従来技術として中、高強度の亜鉛系合金めっき鋼板をアーク溶接する際に発生しやすい液体金属脆化割れを充分抑制するための有効な方法はなかった。特に、溶接条件などの観点から亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接における液体金属脆化割れを抑制する方法は皆無である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−２２６８６５号公報
【特許文献２】
特開２０００−６４０６１号公報
【特許文献３】
特開平０５−１５６４０６号公報
【特許文献４】
特開昭６０−９２４５３号公報
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｓ（１９１４）ｐ．１０８．（Ａ．Ｋ．Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような従来の問題点を踏まえ、例えば、めっき鋼板、特に、Ｚｎ−Ａｌ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきなどを施した亜鉛合金系めっき鋼板のアーク溶接における液体金属脆化割れを抑制することができる亜鉛合金系めっき鋼板のアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
（１）亜鉛系合金めっき層を鋼板表面に設けた亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法において、予めビードオンプレート溶接により仮溶接ビードを形成した後、本溶接を行なって本溶接ビードを形成する際に、前記仮溶接ビードと前記本溶接ビードが重なり、かつ前記ビードオンプレート溶接の狙い位置から前記本溶接の狙い位置までの距離Ｌと、本溶接時の入熱量Ｐが下記（１）式を満足するように溶接することを特徴とする亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
【００１５】
Ｌ≧０．５×Ｐ＋７．５ ・・・（１）
但し、Ｌは、ビードオンプレート溶接の狙い位置から本溶接の狙い位置までの距離（ｍｍ）、Ｐは、本溶接時の入熱量（ｋＪ／ｃｍ）を示す。
（２）前記亜鉛系合金めっきが、Ｚｎ−Ａｌ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、および、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきの何れか１種であることを特徴とする上記（１）記載の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
（３）前記Ｚｎ−Ａｌ系合金めっきは、質量％で、Ａｌ：０．１８〜５％を含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物であることを特徴とする上記（２）記載の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
（４）前記Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっきは、質量％で、Ａｌ：２〜１０％、Ｍｇ：１〜４％を含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物であることを特徴とする上記（２）記載の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
（５）前記Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきは、質量％で、Ａｌ：２〜１９％、Ｍｇ：１〜１０％、Ｓｉ：０．０１〜２％を含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物であることを特徴とする上記（２）記載の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
（６）前記亜鉛系合金めっき鋼板の引っ張り強度が３５０ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
一般に、鋼材同士をアーク溶接により接合して溶接継手を作成する場合には、その接合部は、溶接後に溶融状態の溶接金属が凝固した後、さらに冷却される過程で熱収縮されるため、外力が加わっていない状態でも溶接部の周囲に拘束されて溶接部には引張応力が発生し、室温になると溶接金属および母材熱影響部（以下、溶接金属および母材熱影響部を溶接部と称する）には引っ張り応力が残留（以下、これを残留引っ張り応力と称する）する。このような溶接部における熱収縮に起因した引っ張り応力が、溶融状態の亜鉛系合金めっきが鋼板表面から結晶粒界に侵入し、亜鉛めっき割れを発生させる引き金となっているものと考えられる。
【００１７】
溶接過程で溶接部に発生する熱収縮に起因した引っ張り応力の大きさは温度に応じて変化し、例えば、溶接部の温度が９００℃程度の高温状態で生じる引張応力は比較的小さいのに対し、亜鉛系合金めっきの融点近傍の温度に相当する４００℃程度では溶接部周囲の高温強度の回復および熱収縮の増加により引っ張り応力は大きくなると考えられる。また、その引っ張り応力は、被溶接材の高温強度（通常は冷間強度に依存する）が高いほど、溶接部の周囲の拘束度（継ぎ手形状や拘束器具などに依存する）が大きいほど、増加する。
【００１８】
従来の極低炭素のＩＦ鋼板のろう付けの場合の割れ発生は、約８００℃以上の高温域でのみ発生じていたのに対して、引っ張り強度が約３５０ＭＰａ以上の中、高強度（ＩＦ鋼より鋼中Ｃ量が高く焼き入れ性が高い）の亜鉛系合金めっき鋼板をアーク溶接する場合に高温域だけでなく、４００℃程度の低温域でもめっき割れが多く発生する理由は、鋼板強度がＩＦ鋼板に比べて高いために低温域での熱収縮に起因した引っ張り強度が大きくなったためと考えれる。
【００１９】
また、溶接部に発生する熱収縮に起因した引っ張り応力の大きさは、溶接止端部（溶接金属と母材熱影響部との境界部付近）で大きくなり、特に溶接止端部における溶接ビード（溶接金属）と被溶接材とがなす表面形状が鋭角になるほど、応力が集中するため引っ張り応力の作用は大きくなる。
【００２０】
本発明は、亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接において、高温域だけでなく、４００℃程度の低温域で多く発生するめっき割れを抑制するために、本溶接の前に予め補助溶接により溶接ビードを形成することにより溶接止端部の位置および形状を制御し、よって溶接止端部における引っ張り応力を低減することを技術思想とするものである。
【００２１】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１に従来の亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接における典型的な液体金属脆化割れ（亜鉛めっき割れ）の例を示す。鋼板表面に亜鉛系合金めっき層６が施された亜鉛系合金めっき鋼板１にめっきの無い鋼板２を重ね隅肉溶接した場合には、溶接ビード（溶接金属）３と亜鉛系合金めっき鋼板１との境界部に位置する溶接止端部５は、熱収縮に起因した引っ張り応力が発生しかつ鋭角な形状に起因して応力集中部となるため、溶融状態での亜鉛めっきが鋼板表面の粒界に侵入して板厚方向に割れ４が発生する。このような割れ４は、被溶接部材が厳しく拘束された状態で溶接する場合に多く発生する。そこで発明者らは、亜鉛めっき割れを防止するために、溶接止端部５における引っ張り応力を低減する方法について鋭意検討した。
【００２３】
溶接止部端部における引っ張り応力の低減方法として、溶接継ぎ手の拘束力を低減させる方法や、溶接止端部の立ち上がり角度（溶接ビード表面と被溶接材表面とでなす角度をいう。以下同様）を小さくし応力集中度合いを下げる方法が考えられる。しかしながら、溶接継ぎ手の拘束力低減方法は溶接の構造に係わるため適用範囲が制限され汎用性が乏しい。一方、溶接止端部の立ち上がり角度の低減方法は、例えば、溶接方法としてＭＡＧ溶接を用いる、アーク電圧を通常よりも高く設定して溶接する、パルス電源を用いて溶接する等によって可能となるが、溶接条件の変更・変動によって溶接止端部の立ち上がり角度は変化しやすく安定的に溶接部の亜鉛めっき割れを抑制することは困難である。
【００２４】
ところで、鋼板上に単純に溶接ビードをおくビードオンプレート溶接は、基本的に溶接構造に起因する拘束力は小さく、溶接入熱を極端に増加させない限り、溶接止端部における熱収縮に起因した引っ張り応力の発生は比較的小さく、かつ溶接止端部の立ち上がり角度も小さく応力集中が低減するため、溶接止端部における割れは発生しない。
【００２５】
そこで、発明者らはこのビードオンプレート溶接に着目し、図２に示すように、本溶接を行う前に、鋼板２端部（本溶接の狙い位置に相当）から所定距離Ｌだけ離れた位置（ビードオンプレート溶接の狙い位置に相当）に予めビードオンプレート溶接により仮溶接ビード６を形成した後、その仮溶接ビード６の一部にかぶさるように本溶接により本溶接ビード３を形成することによって亜鉛めっき割れを抑制する方法を検討した。なお、上記所定距離Ｌは、ビード幅方向の距離を示す。
【００２６】
図３（ｂ）に示すように、ビードオンプレート溶接の狙い位置と本溶接の狙い位置（鋼板２端部）との距離Ｌが遠すぎて、仮溶接ビード７に本溶接ビード３が全く重ならなくなった場合は、本溶接ビードの溶接止端部５において引っ張り応力が発生し、この領域に残存する溶融状態の亜鉛めっきが鋼板表面の粒界に侵入して亜鉛めっき割れが発生する。また、図３（ａ）に示すように、ビードオンプレート溶接の狙い位置と本溶接の狙い位置（鋼板２端部）との距離Ｌが近すぎても、本溶接の際の溶接入熱により本溶接の前に形成した仮溶接ビード７の溶接止端部８の温度が上昇後、熱収縮に起因する引っ張り応力が発生し、かつ周囲の亜鉛めっきが再溶融して鋼板粒界に侵入するため亜鉛めっき割れが発生する。また、亜鉛めっき割れが発生しないための上記距離Ｌの下限は、本溶接時の入熱量に依存し、入熱量が比較的小さい場合は上記距離Ｌの下限は小さく（近く）なり、入熱量が増加するにつれて上記距離Ｌの下限は大きく（遠く）なる。
【００２７】
図４に本溶接時の溶接入熱量Ｐと本溶接前に行うビードオンプレート溶接時の狙い位置（図２の鋼板２端部からの距離）Ｌとの関係と示す。なお、図４においては、ビードオンプレート溶接により形成する仮溶接ビードと本溶接により形成される本溶接ビードは全て一部が重なった条件で溶接した。また、ビードオンプレート溶接および本溶接は、ＭＡＧ溶接を用い、ビードオンプレート溶接は、Ｍ溶接電流１５０Ａ、溶接電圧２０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎの一定の条件で行ない、本溶接は、溶接電流２００Ａ、溶接電圧２３Ｖを一定とし、溶接速度を調整することにより溶接入熱量を５〜２０ｋＪ／ｃｍの範囲に調整した。
【００２８】
ビードオンプレート溶接による仮溶接ビード形成後、本溶接により仮溶接ビードの一部に重ねて本溶接ビードを形成する場合は、仮溶接ビードの溶接止端部における割れ発生は、本溶接時の入熱量Ｐとビードオンプレート溶接の狙い位置（本溶接の狙い位置（鋼板端部）からの距離）Ｌが支配要因となり、亜鉛めっき割れが発生しないためには、Ｌ≧０．５Ｐ＋７．５の条件を満足することが必要である。
【００２９】
以上の理由から、本発明では、亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法において、予めビードオンプレート溶接により仮溶接ビードを形成した後、本溶接を行なって本溶接ビードを形成する際に、前記仮溶接ビードと前記本溶接ビードが重なり、かつ前記ビードオンプレート溶接の狙い位置から前記本溶接の狙い位置までの距離Ｌと、本溶接時の入熱量Ｐが下記（１）式を満足するように規定する。
【００３０】
Ｌ≧０．５×Ｐ＋７．５ ・・・（１）
但し、Ｌは、ビードオンプレート溶接の狙い位置から本溶接の狙い位置までの距離（ｍｍ）、Ｐは、本溶接時の入熱量（ｋＪ／ｃｍ）を示す。
【００３１】
このように、仮溶接ビードと前記本溶接ビードが重なるように溶接することにより、本溶接ビードの溶接止端部において引っ張り応力が発生し、この領域に残存する溶融状態の亜鉛めっきが鋼板表面の粒界に侵入して亜鉛めっき割れが発生することを防止することができる。また、ビードオンプレート溶接の狙い位置から本溶接の狙い位置までの距離Ｌと、本溶接時の入熱量Ｐが下記（１）式を満足するように規定することにより、本溶接時の溶接入熱により仮溶接ビードの溶接止端部の温度が上昇後、熱収縮に起因する引っ張り応力が発生し、かつ周囲の亜鉛めっきが再溶融して鋼板粒界に侵入するため亜鉛めっき割れが発生することを抑制できる。
【００３２】
また、上記亜鉛系合金めっきとは、特許文献１に記載されているようなＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系、特許文献２に記載されているようなＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、或いはＺｎ−Ａｌ系の亜鉛系合金めっきをいう。因みに、Ｚｎ−Ａｌ系合金めっきでは、Ａｌ：０．１８〜０．５％、残部Ｚｎからなるめっきを施し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっきでは、Ａｌ：２〜１０％、Ｍｇ：１〜４％、残部Ｚｎからなるめっきを施し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきでは、Ａｌ：２〜１９％、Ｍｇ：１〜１０％、Ｓｉ：０．０１〜２％、残部Ｚｎからなるめっきを施すものである。本発明においては、これらのうちの何れか１種の亜鉛系合金めっきを鋼板表面に施した亜鉛系合金めっき鋼板をアーク溶接する方法を対象とする。
【００３３】
また、引っ張り強度が３５０ＭＰａ以上の亜鉛系合金めっき鋼板において、溶接部の熱収縮に起因した引っ張り応力発生に伴う亜鉛めっき割れが顕著になるため、本発明方法は、このような亜鉛系合金めっき鋼板の溶接に適用することによりより顕著な効果が得られる。
【００３４】
なお、本発明において本溶接の前に実施するビードオンプレート溶接の条件は特に規定するものではないが、仮溶接ビードの止端部での微細な割れも抑制するためには、溶接電流、溶接電圧および溶接速度の何れかにより、溶接入熱量を１０ｋＪ／ｃｍ以下と比較的小さめに管理することが好ましい。
【００３５】
また、ビードオンプレート溶接に用いられる溶接手法は、上記説明では、溶接施工の煩雑さを低減するために本溶接と同じ消耗電極式のアーク溶接を前提としたが、溶接材料を用いないＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接、およびレーザ溶接等においても同様の効果が得られる。
【００３６】
【実施例】
質量％で、０．１５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．５％Ｍｎ−残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる低炭素鋼からなる母材鋼板に、目付量片面９０ｇ／ｍ２ で１１％Ａｌ−３％Ｍｇ−０．３％Ｓｉ−残部Ｚｎからなる亜鉛系合金めっきを施した強度：４００ＭＰａ級の亜鉛系合金めっき鋼板を用いてアーク溶接を実施した。溶接対象は、図５に示すように亜鉛系合金めっき鋼板１に廻し溶接９を施すに際し、廻し溶接部の頂点に予め溶接ビード長さ３０ｍｍのビードオンプレート溶接１０を付与し、その後、廻し溶接９を行ない、溶接部の割れを評価した。なお、拘束を厳しくするために６ｍｍ厚の亜鉛系合金めっき鋼板１同士を溶接してボックス形状とした。また、ビードオンプレート溶接１０および廻し溶接９は何れもパルスＭＡＧ溶接を用い、ビードオンプレート溶接１０は、溶接電流１５０Ａ、溶接電圧２０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎの一定条件で行ない、廻し溶接１０は、溶接電流２００Ａ、溶接電圧２３Ｖを一定とし、溶接速度を調整することにより溶接入熱量を５〜１５ｋＪ／ｃｍの範囲に調整した。
【００３７】
溶接部の割れ評価は、溶接部断面観察によって割れ深さを測定し、板厚に対する比率（％）を割れの度合いとして求めて評価した。表１にその結果を示す。記号１〜４は、本発明の範囲内の条件であるためいずれも溶接部の割れは発生しなかった。一方、比較例である記号５〜７に関して、記号５はビードオンプレート溶接を実施せず、記号６はビードオンプレート溶接の狙い位置から本溶接の狙い位置までの距離Ｌが近すぎ、記号７は逆に距離Ｌが遠すぎて、仮溶接ビードと本溶接ビードが重ならなかったためにいずれも溶接部で割れが発生した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、建築、自動車などの溶接構造部材に使用される亜鉛系合金めっき鋼板をアーク溶接する際に溶接熱影響部における液体金属脆化割れを抑制できる亜鉛系合金めっき鋼板のアーク溶接方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法における典型的な液体金属脆化割れ発生状況を示す図。
【図２】本発明方法の一つの実施形態を説明するための図。
【図３】（ａ），（ｂ）は仮溶接ビード及び本溶接ビードの位置と割れの関係を示す図。
【図４】本溶接時の溶接入熱量Ｐ、ビードオンプレート溶接の狙いから位置本溶接の狙い位置までの距離Ｌと割れの関係を示す図。
【図５】本発明の実施例の廻し溶接を説明するための図。
【符号の説明】
１…亜鉛系合金めっき鋼板
２…めっきの無い鋼板
３…本溶接ビード
４…割れ
５…本溶接ビードの溶接止端部
６…亜鉛系合金めっき層
７…仮溶接ビード
８…仮溶接ビードの溶接止端部
９…廻し溶接
１０…ビードオンプレート溶接
Ｌ…ビードオンプレート溶接の狙いから位置本溶接の狙い位置までの距離[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a zinc-based alloy-plated steel sheet mainly used for welded structural members of buildings, automobiles, and the like, and particularly to a liquid metal brittleness in a weld heat-affected zone when such a zinc-based alloy-plated steel sheet is arc-welded. The present invention relates to an arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet which can suppress chemical cracking (hereinafter, sometimes referred to as galvanizing cracking).
[0002]
[Prior art]
Zn-plated steel sheets are widely used from the viewpoint of improving the corrosion resistance of structural members of buildings and automobiles. Recently, a zinc-based alloy-plated steel sheet in which a zinc-based alloy plating such as a Zn-Al-Mg-based alloy plating or a Zn-Al-Mg-Si-based alloy plating is applied to the surface of the steel sheet to further improve corrosion resistance is disclosed in Patent Document 1. 1 and Patent Document 2. These zinc-based alloy-plated steel sheets are often used as welded structures welded by an arc welding method.
[0003]
However, when arc welding is performed on a steel sheet coated with such a zinc-based alloy, the welding heat-affected zone (hereinafter, referred to as a welding HAZ) of the steel sheet causes the zinc-based alloy plating melted by welding heat input to the steel sheet surface. It is likely to remain in a molten state, and the steel sheet structure tends to be a structure in which crystal grains grow and become coarse. When tensile stress acts on the steel sheet in such a state, depending on the weld HAZ structure of the steel sheet, a region in which hot-dip coating enters crystal grain boundaries on the surface of the steel plate and the grain boundaries are embrittled, that is, an embrittlement region Are formed and cracks occur. In particular, cracks often occur in the embrittlement zone of the weld HAZ during welding in a state where the member to be welded is significantly restrained.
[0004]
In addition, conventionally, when a welded joint made by welding is plated in a high-temperature hot-dip zinc alloy plating bath, residual tensile stress in the vicinity of the weld toe due to welding and strain generated during plating are considered as tensile stress. It is known that they act and cause similar cracks. Thus, when a certain amount of tensile stress acts on a solid metal in a state where a certain kind of liquid metal is in contact with a certain kind of solid metal at a high temperature, an embrittlement zone is formed in the solid metal. The phenomenon in which cracking occurs is called liquid metal embrittlement cracking: LME (Liquid Metal Embrimentment), and is known, for example, from Non-Patent Document 1.
[0005]
Conventionally, in order to suppress liquid metal embrittlement cracking (LME) at the time of hot-dip plating of a welded joint, microstructure control by a component of a steel sheet has been attempted, and JIS (for example, JIS G 3474-1995 for steel pipe, For steel plates, JIS G 3219-1995) standardizes the LME carbon equivalent formula.
[0006]
Further, in Patent Document 3, each component of the steel material is limited to a steel plate to which a Zn-Al alloy plating is applied, and a strict restriction of 0.0002% or less is set particularly for B.
[0007]
However, the above-mentioned LME carbon equivalent equation is intended for liquid metal embrittlement cracking (LME) when hot-dip coating is performed at a high temperature on a welding joint. Temperature: The temperature is relatively low at about 450 ° C. (melting point of zinc), whereas in the case of arc welding of a zinc-based alloy-coated steel sheet, the beak temperature is as high as 1500 ° C., and the occurrence of cracks depends on the melting temperature of the steel sheet. Occurs in a wide temperature range up to room temperature. Therefore, it has been difficult to sufficiently suppress liquid metal embrittlement cracking (LME) even when the conventional NTB test and the LME carbon equivalent formula based on the results are applied during arc welding of a zinc-based alloy-plated steel sheet.
[0008]
On the other hand, the occurrence of the above-mentioned liquid metal embrittlement cracking is known as solder embrittlement during brazing of an IF (Interstitial Free) steel sheet of an ultra-low carbon steel required for press formability. Then, C of the IF steel is reduced to 0.0005 to 0.03%, Ti is added by 0.01 to 0.2% to fix N, and B is added by 0.0002 to 0.003%. By segregating B at the crystal grain boundaries, the penetration of the molten metal into the grain boundaries is prevented, and the occurrence of cracks is suppressed.
[0009]
However, this method is intended for cracking occurring at about 900 to 1000 ° C. when brazing an ultra-low carbon IF steel sheet in a temperature range in which a beak temperature is lower than the melting point of the steel sheet. Wide temperature range from 1500 ° C to room temperature when arc welding is performed in a zone where the beak temperature is higher than the melting point of the steel sheet for zinc-based alloy-plated steel sheets with higher C content and higher hardenability It is difficult to sufficiently suppress the cracks generated in the above.
[0010]
Conventionally, zinc-based alloy-plated steel sheets, which have been widely used for automobiles, have been limited to steels with low tensile strengths, such as C and alloying elements, in consideration of formability. The industrial significance of high-strength zinc-based alloy-plated steel sheets has been increasing in consideration of the global environment. With the increase in strength of zinc-based alloy plated steel sheets, the problem of zinc liquid metal embrittlement cracking plating cracking during welding has become apparent. On the other hand, in the field of construction, post-plating in zinc baths has been the mainstream in the past, whereas pre-plated steel sheets have been welded from the viewpoint of omitting the process, and plating cracking has become a problem. Was.
[0011]
However, there is no effective method of the prior art for sufficiently suppressing liquid metal embrittlement cracking, which tends to occur when arc welding a medium-strength zinc-based alloy-plated steel sheet. In particular, there is no method of suppressing liquid metal embrittlement cracking in arc welding of a zinc-based alloy-plated steel sheet from the viewpoint of welding conditions and the like.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-10-226865 [Patent Document 2]
JP 2000-64061 A [Patent Document 3]
JP 05-156406 A [Patent Document 4]
JP-A-60-92453 [Non-Patent Document 1]
Journal of Institute of Metals (1914) p. 108. (AK Huntington)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is based on the conventional problems described above, for example, a plated steel sheet, in particular, Zn-Al-based alloy plating, Zn-Al-Mg-based alloy plating, Zn-Al-Mg-Si-based alloy plating and the like An object of the present invention is to provide an arc welding method for a zinc alloy-based plated steel sheet which can suppress liquid metal embrittlement cracking in arc welding of the applied zinc alloy-based plated steel sheet.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above problems, and the gist thereof is as follows.
(1) In a method for arc welding of a zinc-based alloy-plated steel sheet having a zinc-based alloy-plated layer provided on a steel sheet surface, a temporary weld bead is formed in advance by bead-on-plate welding, and then a main weld is performed to form a main weld bead. At this time, the distance L from the target position of the bead-on-plate welding to the target position of the main welding and the heat input P at the time of the main welding are defined by the following formula (1). Arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet, characterized by welding to satisfy the following.
[0015]
L ≧ 0.5 × P + 7.5 (1)
Here, L indicates the distance (mm) from the target position of the bead-on-plate welding to the target position of the main welding, and P indicates the heat input (kJ / cm) during the main welding.
(2) The zinc-based alloy plating is one of Zn-Al-based alloy plating, Zn-Al-Mg-based alloy plating, and Zn-Al-Mg-Si-based alloy plating. An arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet according to the above (1).
(3) The zinc-based alloy according to (2), wherein the Zn-Al-based alloy plating contains 0.18 to 5% by mass of Al, and the balance is Zn and inevitable impurities. Arc welding method for alloy plated steel sheet.
(4) The Zn-Al-Mg based alloy plating contains 2 to 10% of Al and 1 to 4% of Mg by mass%, and the balance is Zn and inevitable impurities. (2) An arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet according to (2).
(5) The Zn—Al—Mg—Si alloy plating contains, by mass%, Al: 2 to 19%, Mg: 1 to 10%, and Si: 0.01 to 2%, with the balance being Zn and The arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet according to the above (2), which is an unavoidable impurity.
(6) The arc welding method for a zinc-based alloy-coated steel sheet according to any one of the above (1) to (5), wherein the zinc-based alloy-coated steel sheet has a tensile strength of 350 MPa or more.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Generally, when a welded joint is made by joining steel materials by arc welding, the joint is thermally contracted in the process of cooling after the weld metal in a molten state solidifies after welding. Even when no heat is applied, the weld is constrained around the weld and tensile stress is generated in the weld, and when the temperature reaches room temperature, the weld metal and the base metal heat affected zone (hereinafter, the weld metal and the base metal heat affected zone are referred to as the weld zone). (Hereinafter referred to as "residual tensile stress"). It is considered that the tensile stress caused by the heat shrinkage in such a welded portion causes the zinc-based alloy plating in the molten state to enter the crystal grain boundary from the steel sheet surface and trigger the galvanization crack.
[0017]
The magnitude of the tensile stress caused by the thermal shrinkage generated in the weld during the welding process changes according to the temperature. For example, the tensile stress generated when the temperature of the weld is as high as 900 ° C. is relatively small. At about 400 ° C., which corresponds to a temperature near the melting point of the zinc-based alloy plating, it is considered that the tensile stress increases due to the recovery of the high-temperature strength around the welded portion and the increase in thermal shrinkage. In addition, the tensile stress increases as the high-temperature strength (usually depending on the cold strength) of the material to be welded and the degree of constraint around the welded portion (depending on the shape of the joint and the restraining device) increase. I do.
[0018]
While cracking in the conventional brazing of ultra-low carbon IF steel sheets occurred only in a high temperature region of about 800 ° C. or higher, a high strength steel (IF steel sheet) having a tensile strength of about 350 MPa or more was used. The reason why a lot of plating cracks occur not only in a high temperature range but also in a low temperature range of about 400 ° C. when arc-welding a zinc-based alloy-plated steel sheet having a higher C content and a higher quenching property in steel is that the steel sheet strength is lower. It is considered that the tensile strength due to the heat shrinkage in the low temperature range was increased because the tensile strength was higher than that of the IF steel sheet.
[0019]
In addition, the magnitude of the tensile stress due to the heat shrinkage generated in the welded portion increases at the weld toe (near the boundary between the weld metal and the base metal heat affected zone), and particularly the weld bead at the weld toe. As the surface shape formed by the (weld metal) and the material to be welded becomes sharper, the stress concentrates, and the action of the tensile stress increases.
[0020]
The present invention relates to arc welding of a zinc-based alloy-plated steel sheet, not only in a high-temperature region, but also in order to suppress plating cracks that often occur in a low-temperature region of about 400 ° C. The technical idea is to control the position and shape of the weld toe by forming the same, thereby reducing the tensile stress at the weld toe.
[0021]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0022]
FIG. 1 shows an example of typical liquid metal embrittlement cracking (galvanizing cracking) in arc welding of a conventional zinc-based alloy-plated steel sheet. When a steel plate 2 having no plating is overlapped and fillet-welded on a zinc-based alloy-coated steel plate 1 having a zinc-based alloy-plated layer 6 applied to the surface of the steel plate, the weld bead (weld metal) 3 and the zinc-based alloy-coated steel plate 1 The weld toe 5 located at the boundary of the steel plate generates tensile stress due to thermal shrinkage and becomes a stress concentrated portion due to the acute angle, so that galvanization in the molten state causes grain boundaries on the surface of the steel sheet. And cracks 4 are generated in the thickness direction. Such cracks 4 often occur when welding is performed in a state where the members to be welded are severely restrained. Therefore, the inventors have diligently studied a method for reducing the tensile stress at the weld toe 5 in order to prevent galvanizing cracks.
[0023]
As a method of reducing the tensile stress at the end of the weld toe, a method of reducing the binding force of the weld joint, or the rising angle of the weld toe (the angle formed between the surface of the weld bead and the surface of the material to be welded; the same applies hereinafter). And reducing the degree of stress concentration. However, since the method of reducing the binding force of the welding joint is related to the structure of welding, its application range is limited and its versatility is poor. On the other hand, a method of reducing the rising angle of the weld toe can be achieved by, for example, using MAG welding as a welding method, welding with an arc voltage set higher than usual, welding with a pulse power supply, and the like. In addition, the rising angle of the weld toe is easily changed due to the change or fluctuation of the welding condition, and it is difficult to stably suppress the galvanization crack of the weld.
[0024]
By the way, bead-on-plate welding, in which a weld bead is simply placed on a steel plate, basically has a small restraining force due to the welded structure, and is caused by heat shrinkage at the weld toe unless the heat input is extremely increased. Since the generation of tensile stress is relatively small, the rising angle of the weld toe is small, and the stress concentration is reduced, no crack occurs at the weld toe.
[0025]
Therefore, the inventors focused on this bead-on-plate welding, and as shown in FIG. 2, before performing the main welding, a position separated by a predetermined distance L from the end of the steel plate 2 (corresponding to the target position of the main welding). After forming the temporary weld bead 6 by bead-on-plate welding in advance (corresponding to the target position of the bead-on-plate welding), the final weld bead 3 is formed by main welding so as to cover a part of the temporary weld bead 6. A method for suppressing galvanizing cracks was studied. The predetermined distance L indicates a distance in the bead width direction.
[0026]
As shown in FIG. 3B, the distance L between the target position of the bead-on-plate welding and the target position of the main welding (the end of the steel plate 2) is too long, and the final welding bead 3 is completely heavy on the temporary welding bead 7. Otherwise, tensile stress is generated at the weld toe 5 of the present weld bead, and the molten zinc plating remaining in this region penetrates into grain boundaries on the steel sheet surface to cause galvanizing cracks. Further, as shown in FIG. 3A, even if the distance L between the target position of the bead-on-plate welding and the target position of the main welding (the end of the steel plate 2) is too short, the welding heat input during the main welding causes After the temperature of the weld toe 8 of the temporary welding bead 7 formed before the main welding increases, a tensile stress due to thermal shrinkage is generated, and the surrounding zinc plating remelts and penetrates into the grain boundaries of the steel sheet. Therefore, galvanization cracks occur. The lower limit of the distance L for preventing galvanizing cracks depends on the heat input during main welding. When the heat input is relatively small, the lower limit of the distance L is small (close), and the heat input is low. As the distance increases, the lower limit of the distance L increases (farther).
[0027]
FIG. 4 shows the relationship between the welding heat input amount P during the main welding and the target position (distance from the end of the steel plate 2 in FIG. 2) L during the bead-on-plate welding performed before the main welding. In FIG. 4, the temporary welding bead formed by the bead-on-plate welding and the main welding bead formed by the main welding are all welded under the condition that they are partially overlapped. The bead-on-plate welding and the main welding use MAG welding. The bead-on-plate welding is performed under a constant condition of an M welding current of 150 A, a welding voltage of 20 V, and a welding speed of 30 cm / min. The welding heat input was adjusted to the range of 5 to 20 kJ / cm by adjusting the welding speed while adjusting the welding voltage to 23 V.
[0028]
If a final weld bead is formed by bead-on-plate welding and then overlaid on a part of the temporary weld bead by final welding, cracking at the weld toe of the temporary weld bead will not occur during the actual welding. The heat quantity P and the target position of the bead-on-plate welding (distance from the target position of the main welding (the end of the steel plate)) L are the controlling factors, and in order to prevent zinc plating cracking, the condition of L ≧ 0.5P + 7.5 is required. It is necessary to satisfy
[0029]
For the above reasons, in the present invention, in the arc welding method for a zinc-based alloy-plated steel sheet, after forming a temporary welding bead by bead-on-plate welding in advance and then performing the final welding to form the final welding bead, The distance L from the target position of the bead-on-plate welding to the target position of the main welding and the heat input amount P during the main welding satisfy the following equation (1). Stipulate.
[0030]
L ≧ 0.5 × P + 7.5 (1)
Here, L indicates the distance (mm) from the target position of the bead-on-plate welding to the target position of the main welding, and P indicates the heat input (kJ / cm) during the main welding.
[0031]
In this manner, by welding the temporary welding bead and the main welding bead so as to overlap with each other, a tensile stress is generated at the welding toe of the main welding bead, and the galvanized molten state remaining in this region is formed on the surface of the steel sheet. It is possible to prevent the occurrence of zinc plating cracks by invading the grain boundaries. Further, by defining the distance L from the target position of the bead-on-plate welding to the target position of the main welding and the heat input P at the time of the main welding so as to satisfy the following equation (1), the welding input at the time of the main welding is performed. After the temperature of the weld toe of the temporary weld bead rises due to heat, tensile stress occurs due to thermal shrinkage, and the surrounding zinc plating remelts and penetrates into the steel sheet grain boundaries, causing galvanizing cracks. Can be suppressed.
[0032]
Further, the zinc-based alloy plating refers to a Zn-Al-Mg based as described in Patent Document 1, a Zn-Al-Mg-Si based as described in Patent Document 2, or a Zn-Al Zinc-based alloy plating. Incidentally, in the case of Zn-Al-based alloy plating, plating of Al: 0.18 to 0.5%, with the balance being Zn, is applied. In the case of Zn-Al-Mg-based alloy plating, Al: 2 to 10%, Mg: 1 to 1 4% by plating with the balance of Zn; in the case of Zn-Al-Mg-Si alloy plating, Al: 2 to 19%, Mg: 1 to 10%, Si: 0.01 to 2%, and the balance of Zn It is to be plated. The present invention is directed to a method for arc welding a zinc-based alloy-plated steel sheet in which one of these zinc-based alloy platings is applied to the surface of the steel sheet.
[0033]
Further, in a zinc-based alloy-coated steel sheet having a tensile strength of 350 MPa or more, a zinc-plated crack accompanying a tensile stress generated due to thermal shrinkage of a weld becomes remarkable. A more remarkable effect can be obtained by applying this method to welding.
[0034]
In the present invention, the conditions of the bead-on-plate welding performed before the main welding are not particularly specified. However, in order to suppress minute cracks at the toe of the temporary welding bead, the welding current and the welding It is preferable to control the welding heat input to a relatively small value of 10 kJ / cm or less by either the voltage or the welding speed.
[0035]
In the above description, the welding method used for bead-on-plate welding is based on the same consumable electrode type arc welding as the main welding in order to reduce the complexity of welding work, but TIG welding without using welding material is performed. A similar effect can be obtained in plasma arc welding, laser welding, and the like.
[0036]
【Example】
By mass%, the base material steel plate of low carbon steel consisting of 0.15% C-0.25% Si- 0.5% Mn- balance of Fe and unavoidable impurities, at a basis weight sided 90 g / m 2 11% Arc welding was performed using a zinc-based alloy-plated steel plate having a strength of 400 MPa and having a zinc-based alloy plating composed of Al-3% Mg-0.3% Si-balance Zn. As shown in FIG. 5, as shown in FIG. 5, when turning welding 9 is performed on the zinc-based alloy-plated steel sheet 1, a bead-on-plate welding 10 having a welding bead length of 30 mm is applied in advance to the top of the turning welding portion, and then turning welding is performed. 9 was performed, and the crack of the welded part was evaluated. In addition, in order to tighten the restraint, the zinc-based alloy plated steel sheets 1 having a thickness of 6 mm were welded to each other to form a box shape. In addition, the bead-on-plate welding 10 and the turning welding 9 both use pulse MAG welding, and the bead-on-plate welding 10 is performed under constant conditions of a welding current of 150 A, a welding voltage of 20 V, and a welding speed of 30 cm / min. The welding heat input was adjusted to a range of 5 to 15 kJ / cm by adjusting the welding speed while keeping the welding current 200 A and the welding voltage 23 V constant.
[0037]
For the evaluation of cracks in the welded portion, the crack depth was measured by observing the cross section of the welded portion, and the ratio (%) to the plate thickness was determined and evaluated as the degree of cracking. Table 1 shows the results. Symbols 1 to 4 did not cause any cracks in the welds because they were within the scope of the present invention. On the other hand, regarding symbols 5 to 7 which are comparative examples, symbol 5 does not perform bead-on-plate welding, symbol 6 indicates that distance L from the target position of bead-on-plate welding to the target position of main welding is too short, and symbol 7 does not. Conversely, the distance L was too long, and the temporary weld bead and the main weld bead did not overlap, and cracks occurred in the welds in each case.
[0038]
[Table 1]
[0039]
[Table 2]
[0040]
【The invention's effect】
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention provides a zinc-based alloy plating capable of suppressing liquid metal embrittlement cracking in a heat-affected zone when arc-welding a zinc-based alloy-coated steel sheet used for welding structural members such as buildings and automobiles. It is possible to provide an arc welding method for a steel sheet.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a typical state of occurrence of liquid metal embrittlement cracking in a conventional method.
FIG. 2 is a diagram for explaining one embodiment of the method of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the relationship between the positions of a temporary welding bead and a main welding bead and cracks.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a welding heat input amount P during main welding, a distance L from a target of bead-on-plate welding to a target position of main welding, and a crack.
FIG. 5 is a view for explaining turning welding according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Zinc-alloy plated steel plate 2 ... Steel plate without plating 3 ... Main welding bead 4 ... Cracking 5 ... Weld toe part 6 of main welding bead 6 ... Zinc-based alloy plating layer 7 ... Temporary welding bead 8 ... Welding of temporary welding bead Toe end 9: turning welding 10: bead-on-plate welding L: distance from target of bead-on-plate welding to target position of main welding
