JP2008161899A - Plasma arc hybrid welding method for improving fatigue strength of lap fillet welding joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスシールドアーク溶接法を先行極、プラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、上板の板厚６mm以下の重ね隅肉溶接において継手疲労強度を向上する溶接方法に関するものである。 The present invention relates to a welding method for improving joint fatigue strength in lap fillet welding of a plate thickness of 6 mm or less of an upper plate by combining a gas shield arc welding method as a leading electrode and a plasma arc welding method as a trailing electrode. .
自動車の燃費効率を改善する効果的な方法の一つとして薄肉高張力鋼板を適用した構成部品の軽量化が挙げられる。最近では、自動車メーカは590〜780MPa級の熱延鋼板のサスペンションメンバー，サスペンションアーム，サブフレームなどの足回り部品への適用を進めている。これらの足回り部品は重要保安部品であるため長期間の使用に耐えうる高い信頼性が要求される。よって完成部品は耐食性や疲労特性といった長期間にわたって性能を保障する特性を備えていなければならない。 One effective method for improving the fuel efficiency of automobiles is to reduce the weight of components using thin-walled high-tensile steel sheets. Recently, automakers are promoting the application of 590 to 780 MPa grade hot-rolled steel sheets to suspension parts such as suspension members, suspension arms, and subframes. Since these undercarriage parts are important security parts, high reliability that can withstand long-term use is required. Therefore, the finished part must have characteristics that guarantee performance over a long period of time, such as corrosion resistance and fatigue characteristics.
鋼板の疲労強度は静的強度（引張り強さ）の向上に伴い向上するが、溶接継手部の疲労強度は必ずしも母材（鋼板）の静的強度向上に伴い向上しないことが知られている。したがって高強度鋼板の足回り部品への適用は、溶接継手部の疲労強度の確保が課題となる。
継手の疲労特性を支配する要因の一つとして、溶接ビード形状に起因する溶接止端部への応力集中が挙げられる。溶接止端部は母材とは不連続な表面形状になるため応力集中が生ずると考えられている。図１は自動車足回り部品の組み立てに広く取り入れられている重ね隅肉アーク溶接継手における典型的な疲労亀裂の例を示す。これより疲労亀裂６は、最も応力が集中すると考えられる下板３側の溶接止端部から発生することが分かる。この疲労亀裂６が成長して継手の破壊に到る現象が疲労破壊である。よって重ね隅肉アーク溶接においては、この下板側溶接止端部の形状を平滑化し応力集中を防ぐことにより継手疲労強度を向上することが出来ることが知られている。溶接止端部の平滑さを表す指標としてフランク角と曲率半径がある。図２は重ね隅肉アーク溶接継手の断面を模式的に示した図であり、下板側溶接止端部５のフランク角と曲率半径は図中のように示される。フランク角がより大きくかつ曲率半径がより大きい溶接止端部はより平滑であり、すなわちより高い疲労強度を示す。
It is known that the fatigue strength of a steel sheet increases with an increase in static strength (tensile strength), but the fatigue strength of a welded joint does not necessarily improve with an increase in static strength of a base material (steel plate). Therefore, securing the fatigue strength of the welded joint is an issue in applying the high-strength steel plate to the undercarriage part.
One of the factors governing the fatigue characteristics of the joint is stress concentration at the weld toe due to the weld bead shape. Since the weld toe has a discontinuous surface shape with the base material, stress concentration is considered to occur. FIG. 1 shows an example of a typical fatigue crack in a lap fillet arc welded joint widely incorporated in the assembly of automobile undercarriage parts. From this, it can be seen that the
自動車足回り部品の製造における重ね隅肉溶接には、ガスシールドアーク溶接法が広く取り入れられている。ガスシールドアーク溶接法には、電極が溶けるか溶けないかによって、溶極式と非溶極式とに大別される。さらに、鋼の溶極式ガスシールドアーク溶接法には、不活性ガスでアーク点をシールドするミグ溶接法と活性ガスでアーク点をシールドするマグ溶接法とに大別され、溶極として用いられる溶接ワイヤには、ソリッドワイヤとフラックスコアードワイヤ（以下、ＦＣワイヤという）がある。自動車足回り部品の製造に最も一般的に用いられているガスシールドアーク溶接法は、アークの安定性を目的として、溶極式溶接ワイヤを陽極とする逆極性のマグ溶接法である。 The gas shielded arc welding method is widely adopted for lap fillet welding in the manufacture of automobile undercarriage parts. The gas shielded arc welding method is roughly classified into a melting electrode type and a non-melting electrode type depending on whether the electrode is melted or not melted. Furthermore, the steel melt electrode type gas shielded arc welding method is broadly divided into a MIG welding method that shields the arc point with an inert gas and a MAG welding method that shields the arc point with an active gas, and is used as a melting electrode. The welding wire includes a solid wire and a flux cored wire (hereinafter referred to as FC wire). The gas shielded arc welding method that is most commonly used in the manufacture of automobile undercarriage parts is a reverse polarity mag welding method in which a melting electrode type welding wire is used as an anode for the purpose of arc stability.
溶極式のガスシールドアーク溶接用シールドガスは、溶極の挙動や溶接金属の特性に悪影響を及ぼすことのない成分を適宜選択して、様々な種類のガスが使用される。特に、シールドガスとしてＣＯ2ガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接は、ＣＯ2ガスが安価であるとともに、能率の良い溶接法であることから、鉄鋼材料の溶接に広く使用されている。 Various types of gas are used as the shield gas for the gas electrode arc welding of the melting electrode by appropriately selecting components that do not adversely affect the behavior of the melting electrode and the characteristics of the weld metal. In particular, carbon dioxide shielded arc welding using CO 2 gas as a shielding gas is widely used for welding steel materials because CO 2 gas is inexpensive and is an efficient welding method.
炭酸ガスアーク溶接に使用される電極（すなわちワイヤ）は、ソリッドワイヤとＦＣワイヤに大別される。ソリッドワイヤは、鋼素線からなる溶接ワイヤであり、素材となる鋼素線の表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布したものもある。このソリッドワイヤは、強度と靭性に優れた溶接金属が得られることが知られている。一方、ＦＣワイヤは、鋼製の外殻の内側に溶接フラックスを充填したワイヤであり、優れたビード形状が得られる。 Electrodes (that is, wires) used for carbon dioxide arc welding are roughly classified into solid wires and FC wires. The solid wire is a welding wire made of a steel wire, and there is a wire in which the surface of a steel wire that is a material is plated or a lubricant is applied. This solid wire is known to provide a weld metal having excellent strength and toughness. On the other hand, the FC wire is a wire in which a welding flux is filled inside a steel outer shell, and an excellent bead shape is obtained.
ＦＣワイヤがビード形状に優れる理由は、溶接ワイヤの先端から鋼板の溶融メタルに移行する溶滴が細かいので、溶融メタルの表面揺動が小さく抑えられ、かつ溶接用にフラックスに多量に含まれるスラグ形成剤によって生成したスラグが、ビードを覆うからである。
ソリッドワイヤでは、溶接ワイヤの先端から鋼板の溶融メタルに移行する溶滴が粗くかつ移行が不規則であるから、溶融メタルの表面揺動が大きく、鋼素線に含有される脱酸元素（すなわちSi，Mn，Ti，Zr，Al等）の酸化によってスラグが形成される。その結果、スラグが不均一に分布し、ビードを完全に覆うに至らない。また、ソリッドワイヤを使用した炭酸ガスシールドアーク溶接では、スラグがビードの端部に集積する。したがって、ソリッドワイヤを炭酸ガスシールドアークで使用すると、ビード形状は不安定になる。
The reason why FC wire is superior in bead shape is that the droplets that move from the tip of the welding wire to the molten metal of the steel sheet are fine, so the surface fluctuation of the molten metal is kept small, and the slag that is contained in a large amount in the flux for welding This is because the slag generated by the forming agent covers the bead.
In a solid wire, since the droplets transferred from the tip of the welding wire to the molten metal of the steel sheet are rough and irregular, the surface fluctuation of the molten metal is large and the deoxidizing element contained in the steel wire (ie, Slag is formed by oxidation of Si, Mn, Ti, Zr, Al, etc.). As a result, the slag is unevenly distributed and does not completely cover the bead. Further, in carbon dioxide shielded arc welding using a solid wire, slag accumulates at the end of the bead. Therefore, when a solid wire is used in a carbon dioxide shielded arc, the bead shape becomes unstable.
特許文献１においては、炭酸ガスシールドアーク溶接において、希土類元素（以下、REMという）を0.015〜0.100質量％含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを、通常とは逆の正極性（すなわち溶接ワイヤを陰極）として溶接することにより、スパッタ発生の低減のみならず、優れたビード形状が得られる溶接ワイヤおよびそのワイヤを用いた溶接方法として技術が開示されている。同技術により陰極すなわち溶接ワイヤ先端においてアーク発生点を集中かつ安定させることができ、安定な溶滴移行が確保されスパッタを低減しかつ良好な溶接ビード形状を得ることができる。しかしながら、溶接継手の疲労強度を向上することは目的としておらず、その効果も確認されていない。
In
通常、炭酸ガスシールドアーク溶接のみならず溶極式のガスシールドアーク溶接は、電極（すなわち溶接ワイヤ）を１本で行う。これに対して、複数の熱源を使用すれば、溶接施工の能率を高めることができる。そこで、多極化による高能率の溶接施工技術が種々提案されている。その中に、レーザ溶接法の特徴である高速かつ省入熱での溶接施工と、汎用性に優れたアーク溶接法とを組み合わせたレーザアークハイブリッド溶接法がある（特許文献２参照）。この方法は、高価なレーザ設備を使用するので、大きな初期投資がかかる。 Usually, not only carbon dioxide shielded arc welding but also melted electrode type gas shielded arc welding is performed with a single electrode (ie, welding wire). On the other hand, if a plurality of heat sources are used, the efficiency of welding can be increased. Therefore, various highly efficient welding construction techniques using multipolarization have been proposed. Among them, there is a laser arc hybrid welding method that combines a high-speed and heat-saving heat welding characteristic of the laser welding method and a versatile arc welding method (see Patent Document 2). This method requires a large initial investment because it uses expensive laser equipment.
また、溶極式のガスシールドアーク溶接法を多電極化した高能率溶接法が開発されている（特許文献３参照）この方法で得られた溶接ビード形状は、１電極での高電流溶接と比較して大きく改善されず、相互の干渉によるアーク不安定も生じやすい。
その他、溶接止端部の平滑化を行う手段として、止端部をティグ溶接、プラズマアーク溶接などの非溶極式溶接法で再溶融する方法があるが、自動車部品の実生産ラインにおいては工数が増えるためにコスト高となり採用は困難であると考えられる。実機採用を考慮すれば工数を増やさず、高能率で同程度の止端部形状が得られる溶接方法であることが必須である。
In addition, a high-efficiency welding method in which the electrode type gas shielded arc welding method is made into multiple electrodes has been developed (see Patent Document 3). The weld bead shape obtained by this method is a high current welding with one electrode. Compared to this, it is not greatly improved, and arc instability is likely to occur due to mutual interference.
In addition, as a means for smoothing the weld toe, there is a method of remelting the toe using a non-molten electrode welding method such as TIG welding or plasma arc welding. This increases the cost and is considered difficult to adopt. Considering the adoption of an actual machine, it is essential to be a welding method that does not increase the number of man-hours and can obtain the same toe shape at high efficiency.
特許文献４に開示の溶極式のガスシールドアーク溶接法と非溶極式のプラズマアーク溶接法とを組み合わせたプラズマアークハイブリッド溶接法では、プラズマアーク溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、ガスシールドアーク溶接を先行極、プラズマアーク溶接を後行極とすることで、先行極のガスシールドアーク溶接によって鋼板側に形成した溶融プールの形状を後行極のプラズマアーク溶接で再加熱することにより、溶融池と溶接ビード形状を制御することができることを示した。特に、ガスシールドアーク溶接による溶融池とプラズマアーク溶接による溶融池とが分離すると溶接ビード形状を改善する効果がないため、この電極間の距離が50mm以下とすることでこれを防止できることを示した。さらに隅肉溶接において、下板（ウェブ）側へ２〜10mmプラズマアーク溶接電極をシフトさせることにより平滑なビードを得ることができ、さらにガスシールドアーク溶接に使用するワイヤのREM添加量を0.015〜0.100％とすることにより、アークの安定化によるスパッタ発生量を低減する効果と強いアークの指向性によってアークの干渉を防止する効果が得られることを示した。
In the plasma arc hybrid welding method that combines the melting electrode type gas shielded arc welding method and the non-melting type plasma arc welding method disclosed in
しかしながら、特許文献４は、高能率で優れたビード形状を得ることを目的とした溶接方法を提供することが目的であり、高い疲労強度を示す溶接継手を提供する溶接法としての検討は行われていない。溶接継手疲労強度向上のためには止端部の平滑化、すなわち前記の溶接止端部のフランク角と曲率半径を大きくする必要があるが、特許文献４ではフランク角に関わる記述が実施例にあるのみで、曲率半径に関する記載は全く見られない。
本発明は、上記のような問題を解消し、ガスシールドアーク溶接法を先行極とし、プラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、自動車足回り部品の製造における重ね隅肉溶接において、足回り部品の継手疲労強度を向上する溶接法を提供することを目的とする。 The present invention eliminates the above-mentioned problems, and combines the gas shield arc welding method as a leading electrode and the plasma arc welding method as a trailing electrode, in the case of lap fillet welding in the manufacture of automobile undercarriage parts, It aims at providing the welding method which improves the joint fatigue strength of components.
本発明者らは、溶極式のガスシールドアーク溶接法を先行極とし、非溶極式のプラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、高能率１パス溶接が可能で、かつ上板の板厚が６mm以下の重ね隅肉溶接において高い疲労強度を示す平滑な溶接ビード形状が得られる溶接方法について鋭意検討した。その際、溶接アークの安定性，スパッタ発生といったアーク溶接の基本的な評価項目に加え、溶接継手止端部の平滑さを表す指標としてフランク角と曲率半径に注目し調査を行ったところ、以下に述べる知見を得た。 The inventors of the present invention are capable of high-efficiency one-pass welding by combining a melting electrode type gas shielded arc welding method as a leading electrode and a non-melting electrode type plasma arc welding method as a trailing electrode. The inventors studied diligently about a welding method capable of obtaining a smooth weld bead shape exhibiting high fatigue strength in lap fillet welding with a plate thickness of 6 mm or less. At that time, in addition to the basic evaluation items of arc welding such as welding arc stability and spatter generation, we investigated the flank angle and the radius of curvature as an index to indicate the smoothness of the weld joint toe. We obtained the knowledge described in.
(1)溶極式のガスシールドアーク溶接法を先行極、非溶極式のプラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせ、かつプラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極とすることにより、高速でも安定したビードを得ることができ、さらにガスシールドアーク溶接法の電極とプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔を25mm以下とすることにより、プラズマ溶接、ガスシールドアーク溶接それぞれによって形成される溶融池を一体化させることができた。 (1) By combining the hot electrode gas shielded arc welding method as the leading electrode and the non-melting electrode type plasma arc welding method as the trailing electrode, both the plasma welding method and the gas shielded arc welding method are used as the positive electrode. However, a stable bead can be obtained, and further, the distance in the welding line direction between the electrode of the gas shielded arc welding method and the electrode of the plasma welding method is set to 25 mm or less, which is formed by plasma welding and gas shielding arc welding, respectively. The molten pool can be integrated.
(2)前記後行極のプラズマアーク溶接電極の狙い位置、すなわち電極の中心からの延長線と部材が交わる点が、前記先行極のガスシールドアーク溶接電極の狙い位置から溶接方向に対し直角方向に下板側へ２〜７mmの範囲でオフセットするようにプラズマアーク溶接電極を配置することにより、得られた溶接継手のビード形状を制御することができ、下板側フランク角と曲率半径の双方を増大させることにより高い疲労強度を示す溶接継手が得られた。 (2) The target position of the plasma arc welding electrode of the trailing electrode, that is, the point where the extension line from the center of the electrode intersects the member is perpendicular to the welding direction from the target position of the gas shielded arc welding electrode of the leading electrode By arranging the plasma arc welding electrode so that it is offset to the lower plate side in the range of 2 to 7 mm, the bead shape of the obtained welded joint can be controlled, and both the lower plate side flank angle and the radius of curvature are controlled. As a result, a welded joint exhibiting high fatigue strength was obtained.
(3)非溶極式のプラズマアーク溶接法で用いる入熱を1.0kJ／cm以上とすることにより下板側フランク角と曲率半径の双方を増大させることに効果が見られた。
(4)溶極式の正極性ガスシールドアーク溶接法と非溶極式の正極性プラズマアーク溶接法との組み合わせにおいて、希土類元素（以下、REMという）を0.015〜0.100質量％含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを溶極式のガスシールドアーク溶接の電極として用いることでアークが集中するためアークが安定化し、溶融池の溶融メタルの揺動を低減するので、安定的に良好な溶接ビード形状を得ることができる。
(3) The effect of increasing both the lower plate side flank angle and the radius of curvature was confirmed by setting the heat input used in the non-melting electrode type plasma arc welding method to 1.0 kJ / cm or more.
(4) Steel wire containing 0.015 to 0.100% by mass of rare earth element (hereinafter referred to as REM) in the combination of the positive electrode gas shielded arc welding method and the non-positive electrode positive plasma arc welding method. Because the arc is concentrated by using the welding steel wire made of as an electrode for the melting electrode type gas shielded arc welding, the arc is stabilized and the fluctuation of the molten metal in the molten pool is reduced. A bead shape can be obtained.
(5)溶極式のガスシールドアーク溶接のシールドガスとしてＣＯ2を60体積％以上を含有するガスを使用することにより、継手疲労強度を向上する溶接継手を得ることができるとともに施工コストを削減できる。シールドガスの残部（すなわち40体積％以下）は、Ar，He，Ｈ2およびＯ2のうち１種類以上を混合するのが好ましい。なお、100体積％ＣＯ2のシールドガスを用いても何ら問題はない。 (5) By using a gas containing 60% by volume or more of CO 2 as the shielding gas for the melting electrode type gas shielded arc welding, a welded joint that improves joint fatigue strength can be obtained and construction costs can be reduced. it can. It is preferable to mix one or more of Ar, He, H 2 and O 2 in the balance of the shielding gas (that is, 40% by volume or less). It should be noted that there is no problem even if a shield gas of 100 volume% CO 2 is used.
(6)上記したプラズマアークハイブリッド溶接法を用い、下板側のフランク角が145°以上，曲率半径が0.6mm以上となる平滑な形状を持つ重ね隅肉溶接継手において、顕著に高い疲労強度が得られた。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、ガスシールドアーク溶接法を先行極とし、プラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極とし、かつガスシールドアーク溶接法の電極とプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔を25mm以下として、上板の板厚が６mm以下の重ね隅肉溶接を行なうプラズマアークハイブリッド溶接方法である。
(6) Using the plasma arc hybrid welding method described above, the lap fillet welded joint with a smooth shape with a flank angle of 145 ° or more and a curvature radius of 0.6 mm or more on the lower plate side has a significantly high fatigue strength. Obtained.
The present invention has been made based on these findings.
That is, the present invention combines the gas shield arc welding method as a leading electrode, the plasma arc welding method as a trailing electrode, and both the plasma welding method and the gas shield arc welding method are positive electrodes. This is a plasma arc hybrid welding method in which the overlap in the welding line direction with the electrode in the welding method is 25 mm or less, and the thickness of the upper plate is 6 mm or less.
本発明のプラズマアークハイブリッド溶接方法においては、プラズマアーク溶接法の電極の狙い位置（すなわち電極の中心からの延長線と部材とが交わる点）が、ガスシールドアーク溶接法の電極の狙い位置から溶接線方向に対し直角に下板側止端部へ２〜７mmの範囲でオフセットするようにプラズマアーク溶接電極を配置することが好ましい。プラズマアーク溶接法で用いる入熱は、1.0kJ／cm以上であることが好ましい。 In the plasma arc hybrid welding method of the present invention, the target position of the electrode in the plasma arc welding method (that is, the point where the extension line from the center of the electrode intersects the member) is welded from the target position of the electrode in the gas shield arc welding method. The plasma arc welding electrode is preferably arranged so as to be offset in the range of 2 to 7 mm to the lower plate side toe at a right angle to the line direction. The heat input used in the plasma arc welding method is preferably 1.0 kJ / cm or more.
またガスシールドアーク溶接法で溶極として用いる溶接用鋼ワイヤが、希土類元素を0.015〜0.100質量％含有する鋼素線からなることが好ましい。ガスシールドアーク溶接法で用いるシールドガスは、ＣＯ2を60体積％以上含有するガスあるいは100体積％のＣＯ2であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the steel wire for welding used as a melting electrode by a gas shielded arc welding method consists of the steel strand which contains 0.015-0.100 mass% of rare earth elements. Shielding gas used in gas-shielded arc welding method is preferably a gas or 100% by volume of CO 2 containing CO 2 or 60% by volume.
本発明によれば、上板の板厚が６mm以下の重ね隅肉溶接に用いるプラズマアークハイブリッド溶接法において、溶極式のガスシールドアーク溶接法を先行極とし、非溶極式のプラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、高能率で高い疲労強度を示す溶接継手を得ることができる。 According to the present invention, in the plasma arc hybrid welding method used for lap fillet welding in which the thickness of the upper plate is 6 mm or less, the melting electrode type gas shielded arc welding method is used as a leading electrode, and the non-melting electrode type plasma arc welding method is used. By combining the methods as the trailing electrode, a welded joint that exhibits high efficiency and high fatigue strength can be obtained.
まず本発明の、上板の板厚が６mm以下の重ね隅肉溶接に用いるプラズマアークハイブリッド溶接法において、溶極式のガスシールドアーク溶接法を先行極とし、非溶極式のプラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極とし、かつガスシールドアーク溶接法の電極とプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔を25mm以下とする限定理由について説明する。 First, in the plasma arc hybrid welding method of the present invention used for lap fillet welding in which the thickness of the upper plate is 6 mm or less, the non-magnetic electrode type plasma arc welding method is performed using the molten electrode type gas shielded arc welding method as a leading electrode. The reason for the limitation that the plasma welding method and the gas shielded arc welding method are used as the positive electrode, and the gap between the electrode of the gas shielded arc welding method and the electrode of the plasma welding method is 25 mm or less explain.
特許文献１に開示された炭酸ガスシールドガスアーク溶接法は、スパッタ低減と良好なビード形状の提供を目的とした技術であるが、高い疲労強度を持つ溶接継手の提供は目的としていない。また、特許文献２に開示されたレーザアークハイブリッド溶接法はそのレーザ装置が高価であり汎用性に欠ける。特許文献３に開示された溶極式のガスシールドアーク溶接法の多電極化は、溶接ビード形状を改善する効果はなく、かつ１電極で高電流とした場合と比較して大きなメリットはない。
The carbon dioxide shielded gas arc welding method disclosed in
特許文献４に開示のプラズマアークハイブリッド溶接方法においては、非溶極式のプラズマ溶接法と溶極式のガスシールドアーク溶接法における極性の最適化について検討し、ともに正極性とすることでアーク干渉を防止できることを見出した。しかしながら、特許文献４は、高能率で優れたビード形状を得ることを目的とした溶接方法を提供することが目的であり、高い疲労強度を示す溶接継手を提供する溶接法としての検討は行われていない。溶接継手疲労強度向上のためには止端部の平滑化、すなわち前記の溶接止端部のフランク角と曲率半径を大きくする必要があるが、特許文献４ではフランク角に関わる記述が実施例にあるのみで、曲率半径に関する記載は全く見られない。
In the plasma arc hybrid welding method disclosed in
これに対して本発明者らは、溶極式のガスシールドアーク溶接法を先行極とし、非溶極式のプラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極とし、ガスシールドアーク溶接法とプラズマアーク溶接法の電極間を25mm以下とすることにより、溶接継手の下板側フランク角と曲率半径の双方を増大させることができ、高い疲労強度を示す溶接継手を得ることができることを見出した。 On the other hand, the present inventors combined a plasma welding method and a gas shielded arc welding method by combining a melting electrode type gas shielded arc welding method as a leading electrode and a non-melting electrode type plasma arc welding method as a trailing electrode. By using both positive electrodes and the distance between the electrodes of the gas shield arc welding method and plasma arc welding method being 25 mm or less, both the lower plate side flank angle and the radius of curvature of the welded joint can be increased, and high fatigue strength is exhibited. It has been found that a welded joint can be obtained.
ところで、ここで説明するガスシールドアーク溶接法とプラズマアーク溶接法の電極間とは、ガスシールドアーク溶接法とプラズマアーク溶接法の各電極の狙い位置（すなわち電極の中心からの延長線と部材が交わる点）の、溶接線方向に対しての間隔とする。
この電極間の距離が25mmを超えて拡大すると、ガスシールドアーク溶接，プラズマアーク溶接による溶融池が一体化と分離を繰返し、溶接ビード形状が安定しない。したがって、電極間の距離は25mm以下とする必要がある。一方、電極間が小さすぎると、ガスシールドアーク溶接法で発生するアーク熱，スパッタの飛散によるプラズマアーク溶接電極の損傷が激しくなるため、好ましくは15mm〜25mmである。
By the way, between the electrodes of the gas shield arc welding method and the plasma arc welding method described here is the target position of each electrode of the gas shield arc welding method and the plasma arc welding method (that is, the extension line and the member from the center of the electrode are (Intersection point) with respect to the weld line direction.
When the distance between the electrodes exceeds 25 mm, the weld pool by gas shield arc welding and plasma arc welding repeats integration and separation, and the weld bead shape becomes unstable. Therefore, the distance between the electrodes needs to be 25 mm or less. On the other hand, if the distance between the electrodes is too small, the arc heat generated by the gas shielded arc welding method and the plasma arc welding electrode are severely damaged due to spattering of the sputtering.
さらに、後行極のプラズマアーク溶接電極の狙い位置（すなわち電極の中心からの延長線と部材が交わる点）が、先行極のガスシールドアーク溶接電極の狙い位置から溶接方向に対し直角方向に下板側へオフセットするようにプラズマアーク溶接電極を配置することにより、下板側フランク角と曲率半径の双方をより増大させることができ、より高い疲労強度を示す溶接継手が得られることを見出した。 Furthermore, the aiming position of the plasma arc welding electrode of the trailing electrode (that is, the point where the extension line from the center of the electrode intersects with the member) is perpendicular to the welding direction from the aiming position of the gas shielded arc welding electrode of the leading electrode. It has been found that by arranging the plasma arc welding electrode so as to be offset to the plate side, both the lower plate side flank angle and the radius of curvature can be increased, and a welded joint exhibiting higher fatigue strength can be obtained. .
この後行極のプラズマアーク溶接電極の狙い位置のオフセットが７mmを超えると、ガスシールドアーク溶接，プラズマアーク溶接による溶融池が一体化と分離を繰返し、溶接ビード形状が安定しない。もしくは、ガスシールドアーク溶接による溶融池とプラズマアーク溶接による溶融池とが完全に分離するため溶接ビード形状を改善する効果が得られない。したがって、７mm以下とする必要がある。一方、２mmより小さくなると下板側フランク角と曲率半径の双方をより増大させる効果に乏しい。以上よりその範囲を２〜７mmとした。効果を最大限かつ安定的に得るためには、好ましくは３〜５mmである。 If the offset of the target position of the plasma arc welding electrode of the trailing electrode exceeds 7 mm, the weld pool by gas shield arc welding and plasma arc welding is integrated and separated repeatedly, and the weld bead shape is not stable. Alternatively, since the weld pool by gas shield arc welding and the weld pool by plasma arc welding are completely separated, the effect of improving the weld bead shape cannot be obtained. Therefore, it is necessary to make it 7 mm or less. On the other hand, if it becomes smaller than 2 mm, the effect of increasing both the lower flank angle and the radius of curvature is poor. From the above, the range was set to 2 to 7 mm. In order to obtain the maximum and stable effect, the thickness is preferably 3 to 5 mm.
さらに、後行極のプラズマアーク溶接法において用いる入熱を1.0kJ／cm以上とすることにより、下板側フランク角と曲率半径の双方を増大する上で顕著な効果が得られる。一方、4.0kJ／cmを超えると入熱が過多となり、溶接ビード形状制御を阻害するだけでなく溶接継手特性上の問題点も生じるので好ましくない。顕著な効果が得られる範囲としては、2.0〜3.0 kJ／cmが好ましい。 Furthermore, when the heat input used in the plasma arc welding method of the trailing electrode is set to 1.0 kJ / cm or more, a remarkable effect can be obtained in increasing both the lower plate side flank angle and the radius of curvature. On the other hand, if it exceeds 4.0 kJ / cm, the heat input becomes excessive, which not only hinders the weld bead shape control but also causes problems in the welded joint characteristics, which is not preferable. The range in which a remarkable effect can be obtained is preferably 2.0 to 3.0 kJ / cm.
さらに、後行のプラズマアーク溶接トーチを部材に対して鉛直から溶接線方向に直角となる方向に下板側へ15°以下の範囲で傾けることにより、下板側フランク角と曲率半径の双方をより増大させることに効果がある。
さらに、ガスシールドアーク溶接トーチおよびプラズマアーク溶接トーチの径の太さの都合上、先行のガスシールドアーク溶接法の電極と後行のプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔が所望の間隔に出来ない場合、後行のプラズマアーク溶接トーチを部材に対して鉛直から溶接方向に20°以下の範囲で前進角をとり、所望の前記電極間隔を得ることにしても、実質的に得られる効果に変化はない。
Furthermore, by tilting the subsequent plasma arc welding torch to the lower plate side in a direction perpendicular to the welding line direction from the vertical to the member within a range of 15 ° or less, both the lower plate side flank angle and the radius of curvature are reduced. It is effective to increase more.
Further, for the convenience of the diameter of the gas shield arc welding torch and the plasma arc welding torch, the distance in the weld line direction between the electrode of the preceding gas shield arc welding method and the electrode of the subsequent plasma welding method is a desired interval. If it is not possible, the following plasma arc welding torch can be substantially obtained even if the advance angle is taken in the range of 20 ° or less in the welding direction from perpendicular to the member to obtain the desired electrode interval. There is no change in effect.
後行のプラズマ溶接法のプラズマガスは、100体積％Arガス，HeあるいはＨ2が10体積％以下のAr−Ｈ2混合ガスを用い、その流量は0.6〜2.0liter／分が好ましい。また、後行のプラズマ溶接の溶接電流は100〜300Ａ，電圧は12〜30Ｖ，電極-部材間ギャップは４〜10mmが好ましい。
次に、本発明は、基本成分としてＣ，Si，Mn，Ｐ，Ｓを下記の通り含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤに適用するのが好ましい。
The plasma gas used in the subsequent plasma welding method is 100 volume% Ar gas, He, or an Ar—H 2 mixed gas containing H 2 of 10 volume% or less, and the flow rate is preferably 0.6 to 2.0 liters / minute. Further, the welding current of the subsequent plasma welding is preferably 100 to 300 A, the voltage is 12 to 30 V, and the electrode-member gap is 4 to 10 mm.
Next, the present invention is preferably applied to a welding steel wire made of a steel wire containing C, Si, Mn, P, and S as basic components as follows.
Ｃ：0.20質量％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させて流動性を向上する効果がある。しかしＣ含有量が0.20質量％を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接において溶滴および溶融メタルの挙動が不安定になるのみならず、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Ｃ含有量は0.20質量％以下が好ましい。一方、Ｃ含有量を過剰に減少させると溶接金属の強度を確保できない。そのため、0.01〜0.10質量％の範囲内が一層好ましい。
C: 0.20% by mass or less C is an element necessary for ensuring the strength of the weld metal, and has an effect of improving fluidity by reducing the viscosity of the molten metal. However, if the C content exceeds 0.20% by mass, not only the behavior of the droplets and the molten metal becomes unstable in the positive gas shielded arc welding, but also the toughness of the weld metal is lowered. Therefore, the C content is preferably 0.20% by mass or less. On the other hand, if the C content is excessively reduced, the strength of the weld metal cannot be ensured. Therefore, the range of 0.01 to 0.10% by mass is more preferable.
Si：0.05〜2.5質量％
Siは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のために不可欠な元素である。Si含有量が0.05質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶融金属にブローホールが発生する。さらに、正極性のガスシールドアーク溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴を微細にし挙動を安定化する効果を有する。一方、2.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって、Siは0.05〜2.5質量％の範囲内が好ましい。ただしSi含有量が0.65質量％を超えると、小粒のスパッタが増加する傾向が現れるので、0.05〜0.65質量％の範囲内が一層好ましい。
Si: 0.05-2.5 mass%
Si has a deoxidizing action and is an indispensable element for deoxidizing weld metal. When the Si content is less than 0.05% by mass, deoxidation of the molten metal is insufficient, and blowholes are generated in the molten metal. Furthermore, it has the effect of suppressing the spread of the arc in positive polarity gas shielded arc welding, making the droplets finer and stabilizing the behavior. On the other hand, if it exceeds 2.5 mass%, the toughness of the weld metal is significantly reduced. Therefore, Si is preferably within the range of 0.05 to 2.5% by mass. However, if the Si content exceeds 0.65% by mass, a tendency to increase the spatter of small grains appears, so that the range of 0.05 to 0.65% by mass is more preferable.
Mn：0.25〜3.5質量％
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Mn含有量が0.25質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する。一方、3.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Mnは0.25〜3.5質量％の範囲内が好ましい。なお、溶融メタルの脱酸を促進し、ブローホールを防止するためには、0.45質量％以上が望ましい。そのため、0.45〜3.5質量％の範囲内が一層好ましい。
Mn: 0.25 to 3.5% by mass
Mn has a deoxidizing action similar to Si and is an indispensable element for deoxidizing molten metal. When the Mn content is less than 0.25% by mass, deoxidation of the molten metal is insufficient, and blow holes are generated in the weld metal. On the other hand, if it exceeds 3.5% by mass, the toughness of the weld metal decreases. Therefore, Mn is preferably in the range of 0.25 to 3.5% by mass. In order to promote deoxidation of molten metal and prevent blowholes, 0.45% by mass or more is desirable. Therefore, the range of 0.45 to 3.5% by mass is more preferable.
Ｐ：0.05質量％以下
Ｐは、鋼の融点を低下させるとともに電気的効率を向上させ、溶融効率を向上させる元素である。さらに正極性のガスシールドアーク溶接において、溶滴を微細化し、アークを安定化させる作用も有する。しかしＰ含有量が0.05質量％を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接における溶融メタルの粘性が著しく低下し、アークが不安定となり、小粒のスパッタが多量に発生する。また、溶接金属に高温割れを生じる危険性が増大する。したがって、Ｐは0.05質量％以下とするのが好ましい。なお、0.03質量％以下が一層好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製綱段階でＰを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点からは0.002質量％以上が望ましい。そのため、0.002〜0.03質量％の範囲がさらに好ましい。
P: 0.05% by mass or less P is an element that lowers the melting point of steel and improves electrical efficiency and improves melting efficiency. Furthermore, in positive polarity gas shielded arc welding, it has the effect | action which refines | miniaturizes a droplet and stabilizes an arc. However, if the P content exceeds 0.05% by mass, the viscosity of the molten metal in positive gas shielded arc welding is remarkably lowered, the arc becomes unstable, and a large amount of small-sized spatter is generated. Also, the risk of hot cracking in the weld metal increases. Therefore, P is preferably 0.05% by mass or less. In addition, 0.03 mass% or less is more preferable. On the other hand, since it takes a long time to reduce P in the steelmaking stage where the steel material of the steel wire is melted, 0.002% by mass or more is desirable from the viewpoint of improving productivity. Therefore, the range of 0.002 to 0.03 mass% is more preferable.
Ｓ:0.02質量％以下
Ｓは、溶融メタルの粘性を低下させ、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進し、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを安定化する。また、Ｓは正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを広げ溶融メタルの粘性を低下させてビードを平滑にする働きを有する。Ｓ含有量が0.02質量％以下とするのが好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製綱段階でＳを低減するためには長時間を有するので、生産性向上の観点から0.002質量％以上が好ましい。そのため、0.002〜0.02質量％の範囲がさらに好ましい。
S: 0.02% by mass or less S lowers the viscosity of the molten metal, promotes the detachment of the droplet suspended from the tip of the welding steel wire, and stabilizes the arc in positive gas shielded arc welding. Further, S has a function of smoothing the bead by spreading the arc in the positive gas shielded arc welding and lowering the viscosity of the molten metal. The S content is preferably 0.02% by mass or less. On the other hand, since it takes a long time to reduce S in the steelmaking stage where the steel material of the steel wire is melted, 0.002% by mass or more is preferable from the viewpoint of improving productivity. Therefore, the range of 0.002 to 0.02 mass% is more preferable.
REM：0.015〜0.100質量％
希土類元素（すなわちREM）は、製綱および鋳造時の介在物微細化，靭性改善に有用な元素である。ガスシールドアーク溶接においては、スパッタの発生を抑制する効果を有する。特に、正極性のガスシールドアーク溶接においては、溶滴の微細移行に不可欠な元素である。また、通常の多電極溶接ではアークが干渉して不安定になるが、鋼素線にREMを添加することによってアークを集中させ、アークの指向性を高めることによって、アークの干渉を防ぐことができる
本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法では、溶極式のガスシールドアーク溶接を先行極とし、非溶極式のプラズマ溶接法を後行極とすることによって、溶極式のガスシールドアーク溶接によって鋼板側に形成した溶融プールの形状を後行極のプラズマ溶接法で再加熱することにより、溶融プールと溶接ビード形状を制御することができる。特に、重ね隅肉溶接において、下板側の２〜７mmシフトさせることによって、得られた溶接継手の下板側フランク角と曲率半径の双方を増大させることにより高い疲労強度を示す溶接継手を得ることができる。REM含有量が0.015質量％未満では、このアーク安定化によるスパッタ発生量を低減する効果と強いアークの指向性によってアークの干渉を防止する効果が発揮されない。
REM: 0.015-0.100 mass%
Rare earth elements (namely, REM) are useful elements for steelmaking and inclusion refinement and toughness improvement during casting. In gas shielded arc welding, it has the effect of suppressing the occurrence of spatter. In particular, in positive gas shielded arc welding, it is an element indispensable for fine transfer of droplets. In addition, in ordinary multi-electrode welding, the arc interferes and becomes unstable, but by adding REM to the steel wire, the arc is concentrated and the arc directivity is improved to prevent arc interference. In the plasma arc hybrid welding method of the present invention, the melting electrode type gas shielded arc welding is used as the leading electrode, and the non-melting electrode type plasma welding method is used as the trailing electrode. By reheating the shape of the molten pool formed on the steel plate side by the plasma welding method of the trailing electrode, the shape of the molten pool and the weld bead can be controlled. In particular, in lap fillet welding, by shifting the lower plate side by 2 to 7 mm, a weld joint exhibiting high fatigue strength is obtained by increasing both the lower plate side flank angle and the radius of curvature of the obtained welded joint. be able to. If the REM content is less than 0.015% by mass, the effect of reducing the amount of spatter generated by this arc stabilization and the effect of preventing arc interference due to strong arc directivity cannot be exhibited.
一方、0.100質量％を超えて添加すると溶接用鋼ワイヤの製造工程での割れ、溶接金属の靭性低下を招く。したがってREM含有量は0.015〜0.100質量％の範囲内が好ましい。なお、さらに好ましくは0.025〜0.050％である。
ここでREMとは、周期表の３族に属する元素の総称である。本発明では原子番号57〜71の元素を使用するのが好ましく、特にCe，Laが好適である。Ce，Laを鋼素線に添加する場合は、CeまたはLaを単独で添加しても良いし、CeおよびLaを併用しても良い。なお、CeおよびLaをともに添加する場合は、あらかじめCe：40〜90質量％，La：10〜60質量％の範囲内で混合して得られた混合物を使用するのが好ましい。
On the other hand, addition exceeding 0.100% by mass leads to cracks in the manufacturing process of the welding steel wire and toughness deterioration of the weld metal. Therefore, the REM content is preferably in the range of 0.015 to 0.100 mass%. Further, it is more preferably 0.025 to 0.050%.
Here, REM is a general term for elements belonging to
さらに、本発明では上記した組成に加えて、鋼素線がTi，Zr，Ｏ，Ca，Alを含有することが好ましい。
Ti：0.02〜0.50質量％およびZr：0.02〜0.50質量％のうち1種または2種
Ti，Zrは、いずれも強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下して溶滴の挙動を安定化し、ビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する作用も有する。このような効果を有するが故に350Ａ以上の高電流溶接においては有効な元素であり、必要に応じて添加する。Tiが0.02質量％未満、Zrが0.02質量％未満ではこの効果が得られない。一方、Tiが0.50質量％を超える場合、Zrが0.50質量％を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが発生する。したがって、Ti：0.02〜0.50質量％，Zr：0.02〜0.50質量％の範囲内が好ましい。
Furthermore, in the present invention, in addition to the above-described composition, the steel strand preferably contains Ti, Zr, O, Ca, Al.
One or two of Ti: 0.02-0.50 mass% and Zr: 0.02-0.50 mass%
Ti and Zr are elements that both act as strong deoxidizers and increase the strength of the weld metal. Furthermore, it has the effect | action which lowers | hangs a viscosity by deoxidation of molten metal, stabilizes the behavior of a droplet, and stabilizes a bead shape (that is, suppresses a humping bead). Since it has such an effect, it is an effective element in high current welding of 350 A or more, and it is added as necessary. If Ti is less than 0.02 mass% and Zr is less than 0.02 mass%, this effect cannot be obtained. On the other hand, when Ti exceeds 0.50 mass% and Zr exceeds 0.50 mass%, the droplets become coarse and large spatters are generated. Therefore, the ranges of Ti: 0.02 to 0.50 mass% and Zr: 0.02 to 0.50 mass% are preferable.
Ｏ：0.0080質量％以下
Ｏは、正極性のガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴に発生するアーク点を不安定にすると共に、溶滴の挙動を不安定にする作用がある。しかし、Ｏ含有量が0.0080質量％を超えると、350Ａ以上の高電流の正極性ガスシールドアーク溶接におけるアークの安定力というREM添加の効果が損なわれ、溶滴の揺動が増大してスパッタが多量に発生する。また、Ｏは鋼素線の鋼材を溶製する段階でREMと激しく反応してスラグを形成する性質を有しており。Ｏ含有量が0.0080質量％を超えると、REMの歩留まりが著しく低下する。したがって、Ｏは0.0080質量％以下が好ましい。ただし、Ｏ含有量が0.0010質量％未満ではＯ添加の効果は十分に得られない。したがって、0.0010〜0.0080質量％の範囲内が一層好ましく、0.0010〜0.0050質量％の範囲内がさらに好ましい。
O: 0.0080% by mass or less O is an effect of destabilizing the arc point generated in the droplet suspended from the tip of the welding steel wire in positive gas shielded arc welding and destabilizing the behavior of the droplet. There is. However, if the O content exceeds 0.0080% by mass, the effect of REM addition, which is the stability of the arc in high-current positive gas shielded arc welding at 350A or higher, is impaired, and the fluctuation of the droplets increases and spattering occurs. It occurs in large quantities. In addition, O has the property of reacting violently with REM and forming slag at the stage of melting steel material. When the O content exceeds 0.0080% by mass, the yield of REM significantly decreases. Therefore, O is preferably 0.0080% by mass or less. However, if the O content is less than 0.0010% by mass, the effect of adding O cannot be sufficiently obtained. Therefore, the range of 0.0010 to 0.0080 mass% is more preferable, and the range of 0.0010 to 0.0050 mass% is more preferable.
Ca：0.0008質量％以下
Caは、製鋼および鋳造時に不純物として溶鋼に混入したり、あるいは伸線加工時に不純物として鋼素線に付着する。正極性のガスシールドアーク溶接では、Ca含有量が0.008質量％を超えると、高電流溶接におけるREM添加のアーク安定化効果が損なわれる。したがって、Caは0.0008質量％以下が好ましい。
Ca: 0.0008 mass% or less
Ca is mixed into molten steel as an impurity during steelmaking and casting, or adheres to a steel wire as an impurity during wire drawing. In positive gas shielded arc welding, if the Ca content exceeds 0.008 mass%, the arc stabilization effect of REM addition in high current welding is impaired. Therefore, Ca is preferably 0.0008% by mass or less.
Al：0.005〜3.00質量％
Alは強脱酸剤として作用し、さらに溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸による粘性を低下してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。逆極性のガスシールドアーク溶接では、明確な溶滴の安定化効果は認められないが、正極性のガスシールドアーク溶接では、350Ａ以上の高電流溶接において溶滴移行の安定化効果が顕著に発揮される。一方、低電流溶接においては、短絡移行回数を増加させて溶滴移行の均一化とビード形状の改善を達成できる。また、Ｏとの親和力によって、溶接用鋼ワイヤの製造段階におけるREMの酸化ロスを低減する効果も有する。Alが0.005質量％未満では、このような効果は見られない。一方、Alが3.00質量％を超えると、溶接金属の結晶粒が粗大化し、靭性を著しく低下する。したがって、Alは0.005〜3.00質量％の範囲内が好ましい。
Al: 0.005 to 3.00 mass%
Al is an element that acts as a strong deoxidizer and further increases the strength of the weld metal. Furthermore, there is an effect that the viscosity due to deoxidation of the molten metal is lowered and the bead shape is stabilized (that is, the humping bead is suppressed). In gas-shielded arc welding with reverse polarity, no clear droplet stabilization effect is observed, but in gas-shielded arc welding with positive polarity, the droplet migration stabilization effect is significant in high current welding at 350A or higher. Is done. On the other hand, in low current welding, the number of short circuit transitions can be increased to achieve uniform droplet transfer and improved bead shape. In addition, the affinity with O also has an effect of reducing REM oxidation loss in the manufacturing stage of welding steel wires. When Al is less than 0.005% by mass, such an effect is not observed. On the other hand, when Al exceeds 3.00 mass%, the crystal grain of a weld metal will coarsen and toughness will fall remarkably. Therefore, Al is preferably within the range of 0.005 to 3.00 mass%.
さらに必要に応じて下記の元素を添加しても、本発明の効果を減じるものではない。
Cr:0.02〜3.0質量％，Ni：0.05〜3.0質量％，Mo：0.05〜1.5質量％，Cu：0.05〜3.0質量％，Ｂ：0.0005〜0.015質量％，Mg：0.001〜0.20質量％
Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgは、いずれも溶接金属の強度を増加させ、耐候性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性は低下を招く。したがって、Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgを含有させる場合は、それぞれCr:0.02〜3.0質量％，Ni：0.05〜3.0質量％，Mo：0.05〜1.5質量％，Cu：0.05〜3.0質量％，Ｂ：0.0005〜0.015質量％，Mg：0.001〜0.20質量％の範囲内が好ましい。
Furthermore, the effects of the present invention are not reduced by adding the following elements as necessary.
Cr: 0.02 to 3.0 mass%, Ni: 0.05 to 3.0 mass%, Mo: 0.05 to 1.5 mass%, Cu: 0.05 to 3.0 mass%, B: 0.0005 to 0.015 mass%, Mg: 0.001 to 0.20 mass%
Cr, Ni, Mo, Cu, B, and Mg are all elements that increase the strength of the weld metal and improve the weather resistance. When the content of these elements is very small, such an effect cannot be obtained. On the other hand, if added excessively, the toughness of the weld metal is reduced. Therefore, when Cr, Ni, Mo, Cu, B, and Mg are contained, Cr: 0.02 to 3.0 mass%, Ni: 0.05 to 3.0 mass%, Mo: 0.05 to 1.5 mass%, Cu: 0.05 to 3.0 mass%, respectively. %, B: 0.0005 to 0.015% by mass, Mg: 0.001 to 0.20% by mass are preferable.
Nb:0.005〜0.5質量％，Ｖ：0.005〜0.5質量％
Nb，Ｖは、いずれも溶接金属の強度、靭性を向上し、アークの安定性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Nb，Ｖを含有する場合は、Nb：0.005〜0.5質量％，Ｖ：0.005〜0.5質量％の範囲内が好ましい。
Nb: 0.005-0.5 mass%, V: 0.005-0.5 mass%
Nb and V are elements that improve the strength and toughness of the weld metal and improve the stability of the arc. When the content of these elements is very small, such an effect cannot be obtained. On the other hand, when it adds excessively, the fall of the toughness of a weld metal will be caused. Therefore, when Nb and V are contained, the ranges of Nb: 0.005 to 0.5 mass% and V: 0.005 to 0.5 mass% are preferable.
上記した鋼素線の成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。例えば、Ｎは代表的な不可避的不純物であり、鋼材を溶製する段階や鋼素線を製造する段階で不可避的に混入する。Ｎは、0.0200質量％以下に低減するのが好ましい。
次に、本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法のガスシールドアーク溶接法で使用する溶接用鋼ワイヤの製造方法について説明する。
The balance other than the components of the steel strand described above is Fe and inevitable impurities. For example, N is a typical inevitable impurity, and is inevitably mixed in the stage of melting a steel material or the stage of manufacturing a steel strand. N is preferably reduced to 0.0200% by mass or less.
Next, the manufacturing method of the steel wire for welding used with the gas shield arc welding method of the plasma arc hybrid welding method of this invention is demonstrated.
転炉または電気炉等を用いて、上記した組成を有する溶鋼を溶製する。この溶鋼の溶製方法は、特定の技術に限定せず、従来から知られている技術を使用する。次いで、得られた溶鋼を、連続鋳造法や造塊法等によって鋼材（たとえばビレット等）を製造する。この鋼材を加熱した後、熱間圧延を施し、さらに乾式の冷間圧延（すなわち伸線）を施して鋼素線を製造する。熱間圧延や冷間圧延の操業条件は、特定の条件に限定せず、所望の寸法形状の鋼素線を製造する条件であればよい。 Using a converter or an electric furnace, molten steel having the above composition is produced. The melting method of the molten steel is not limited to a specific technique, and a conventionally known technique is used. Next, a steel material (for example, billet) is manufactured from the obtained molten steel by a continuous casting method, an ingot-making method, or the like. After this steel material is heated, hot rolling is performed, and dry cold rolling (that is, wire drawing) is further performed to manufacture a steel strand. The operating conditions for hot rolling and cold rolling are not limited to specific conditions, and may be any conditions as long as a steel wire having a desired dimensional shape is manufactured.
さらに鋼素線は、焼鈍−酸洗−銅めっき−伸線加工−潤滑剤塗布の工程を必要に応じて順次施して、所定の製品すなわち溶接用鋼ワイヤとなる。なお本発明では、必ずしも鋼素線に銅めっきを施す必要はなく、鋼素線の表面に潤滑剤を塗布した溶接用鋼ワイヤであっても何ら問題なく使用できる。
鋼素線の表面に潤滑剤を安定して付着させ、給電の安定性を向上するために、鋼素線の平坦度（＝実表面積／理論表面積）を1.0005以上1.0100未満とすることが好ましい。鋼素線の平坦度は、伸線加工で使用するダイスの管理を厳格に行うことによって、1.0005以上1.0100未満の範囲に維持することは可能である。
Further, the steel wire is sequentially subjected to annealing, pickling, copper plating, wire drawing, and lubricant application as necessary to form a predetermined product, that is, a steel wire for welding. In the present invention, it is not always necessary to apply copper plating to the steel wire, and even a steel wire for welding in which a lubricant is applied to the surface of the steel wire can be used without any problem.
In order to stably adhere the lubricant to the surface of the steel wire and improve the stability of power feeding, it is preferable that the flatness (= actual surface area / theoretical surface area) of the steel wire is 1.005 or more and less than 1.0100. The flatness of the steel wire can be maintained in the range of 1.0005 or more and less than 1.0100 by strictly managing the dies used in the wire drawing.
鋼素線の表面に銅めっきを施す場合は、厚さ0.6μｍ以上の銅めっきを施すことによって、溶接用鋼ワイヤの給電不良に起因するアークの不安定化を防止できる。なお、銅めっきの厚さを0.8μｍ以上とすると、給電不良防止の効果が顕著に発揮されるので一層好ましい。このようにして銅めっきを厚目付けとすることによって、給電チップの損耗も低減できるという効果も得られる。 When copper plating is applied to the surface of the steel wire, arc instability due to poor power feeding of the welding steel wire can be prevented by performing copper plating with a thickness of 0.6 μm or more. In addition, it is more preferable that the thickness of the copper plating is 0.8 μm or more because an effect of preventing power feeding failure is remarkably exhibited. By making the copper plating thicker in this way, it is possible to obtain an effect that the wear of the power feed tip can be reduced.
本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法において、先行極のガスシールドアーク溶接にこのようにして製造した溶接用鋼ワイヤを用いて正極性で溶接を行う際の好適な溶接条件について、以下に説明する。
シールドガスは、ＣＯ2を60体積％以上含有するガスを用いても良い。シールドガスの残部（すなわち40体積％以下）は、Ar，He，Ｈ2 およびＯ2のうち１種以上のガスを混合するのが好ましい。なお、ＣＯ2ガスを単独（すなわちＣＯ2の混合比率：100体積％）でシールドガスとして使用しても、支障なくプラズマアークハイブリッド溶接を行うことができる。
In the plasma arc hybrid welding method of the present invention, preferred welding conditions when welding with positive polarity using the welding steel wire manufactured in this way for gas shield arc welding of the leading electrode will be described below.
As the shielding gas, a gas containing 60% by volume or more of CO 2 may be used. The balance of the shielding gas (that is, 40% by volume or less) is preferably mixed with one or more gases of Ar, He, H 2 and O 2 . Even if CO 2 gas is used alone (that is, CO 2 mixing ratio: 100% by volume) as a shielding gas, plasma arc hybrid welding can be performed without hindrance.
また、先行のガスシールドアーク溶接の溶接電流は200〜350Ａ、溶接電圧は25〜38Ｖ（電流とともに上昇）、突き出し長さは15〜30mm，ワイヤ径は0.8〜1.6mmが好ましい。
さらに、ビード形状を良好にするために、先行のガスシールドアーク溶接トーチを部材に対して鉛直から溶接線方向に直角となる方向に下板側へ45°以下の範囲で傾けてもよい。
Further, it is preferable that the welding current of the preceding gas shield arc welding is 200 to 350 A, the welding voltage is 25 to 38 V (increases with the current), the protruding length is 15 to 30 mm, and the wire diameter is 0.8 to 1.6 mm.
Furthermore, in order to improve the bead shape, the preceding gas shielded arc welding torch may be tilted to the lower plate side in a range of 45 ° or less from the vertical to the direction perpendicular to the welding line direction with respect to the member.
溶接する母材（すなわち鋼材）の鋼種は、上板の板厚が６mm以下であること以外に特に限定されないが、Si-Mn系のJIS G3106に規定された溶接構造用圧延鋼材（SM材）やJIS G3136に規定された建築構造用鋼材（SN材）、もしくはJIS G3113に規定された自動車構造用熱間圧延鋼板、JIS G3134に規定された自動車用加工性熱間圧延高張力鋼板、JIS G3135に規定された自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板やその他自動車用鋼板を適用するのが好ましい。したがって、これらの鋼板が自動車に使用されることを考慮して、上板の板厚は２〜６mmの範囲内が好ましい。 The steel type of the base material to be welded (ie, steel material) is not particularly limited except that the thickness of the upper plate is 6 mm or less, but the rolled steel material for welded structure (SM material) specified in Si-Mn JIS G3106 Steel for building structure (SN material) specified in JIS G3136, hot rolled steel sheet for automobile structure specified in JIS G3113, hot workable hot rolled steel sheet for automobile specified in JIS G3134, JIS G3135 It is preferable to apply the workability cold-rolled high-tensile steel plate for automobiles and other steel plates for automobiles specified in 1. Therefore, considering that these steel plates are used in automobiles, the thickness of the upper plate is preferably in the range of 2 to 6 mm.
製鋼にて成分調整し、連続鋳造によって製造されたビレットを熱間圧延して、直径5.5〜7.0mmの素材とした。次いで冷間圧延（すなわち伸線）によって直径2.0〜2.8mmの鋼素線とし、必要に応じてこの鋼素線を窒素雰囲気中で焼鈍、酸洗、Cuめっきを施し、さらに冷間伸線を施して、直径1.2mmの溶接用鋼ワイヤを製造した。その成分（Cuめっきを含む）を表１に示す。 The billet manufactured by continuous casting was hot-rolled into a material having a diameter of 5.5 to 7.0 mm. Next, the steel strand having a diameter of 2.0 to 2.8 mm is formed by cold rolling (that is, wire drawing). If necessary, the steel strand is annealed, pickled, and plated with Cu in a nitrogen atmosphere. The steel wire for welding of diameter 1.2mm was manufactured. The components (including Cu plating) are shown in Table 1.
重ね隅肉溶接におけるプラズマアークハイブリッド溶接法の条件範囲を表２に示す。なお、図３は、継手形状と電極配置を模式的に示す図であり、(a)は後面図、(b)は側面図である。 Table 2 shows the condition range of the plasma arc hybrid welding method in the lap fillet welding. FIG. 3 is a diagram schematically showing the joint shape and electrode arrangement, in which (a) is a rear view and (b) is a side view.
表２のプラズマアークハイブリッド溶接の条件範囲内で各条件を設定して溶接実験を行った。その時の溶接条件を表３に示す。 Each condition was set within the range of plasma arc hybrid welding conditions shown in Table 2, and welding experiments were performed. Table 3 shows the welding conditions at that time.
表３の条件で作製した溶接継手に対して、溶接ビード安定性，止端部形状，継手疲労強度を調査した。これらの結果は表４に示す通りである。ビード安定性はビード外観を観察し、溶接線方向に安定して形成されているものを「安定」とし、評価を良（○）とした。一方、ガスシールドアーク溶接，プラズマアーク溶接による溶融池が一体化と分離を繰り返す、もしくは完全に分離する状態となり溶接線方向に安定したビードが得られないものを「不安定」とし、評価を不可（×）とした。 The weld bead stability, toe shape, and joint fatigue strength of the welded joints produced under the conditions in Table 3 were investigated. These results are shown in Table 4. For the bead stability, the appearance of the bead was observed, and those that were stably formed in the weld line direction were evaluated as “stable” and evaluated as good (◯). On the other hand, if the weld pool by gas shielded arc welding or plasma arc welding repeats integration and separation, or is completely separated and a stable bead is not obtained in the weld line direction, it is considered “unstable” and evaluation is impossible. (X).
さらに安定なビードが得られた溶接継手に関して、図２の重ね隅肉アーク溶接継手の断面の模式図に示すような溶接ビード下板側止端部のフランク角θ（°）と曲率半径（mm）を測定した。フランク角が145°以上かつ曲率半径が0.6mm以上となるものを良（○），フランク角が135°以上145°未満かつ曲率半径が0.45mm以上0.6mm未満となるものを可（△），フランク角が135°未満または曲率半径が0.45mm未満となるものを不可（×）とした。 Further, regarding the welded joint in which a stable bead was obtained, the flank angle θ (°) and the radius of curvature (mm) of the weld bead lower plate side toe as shown in the schematic diagram of the cross section of the lap fillet arc welded joint in FIG. ) Was measured. Good if the flank angle is 145 ° or more and the radius of curvature is 0.6 mm or more (○), good if the flank angle is 135 ° or more and less than 145 ° and the radius of curvature is 0.45 mm or more and less than 0.6 mm (△), A flank angle of less than 135 ° or a curvature radius of less than 0.45 mm was determined to be impossible (x).
なお、溶接ビード下板側止端部のフランク角，曲率半径の測定は、以下のように行なった。レーザ変位計により継手疲労試験片の溶接部の輪郭を溶接線に直角方向に0.5mmピッチで計測した。得られた結果よりフランク角と曲率半径を測定した。図５は、レーザ変位計による計測結果の例であり、フランク角と曲率半径を決定する方法を示す。図５中のｙ方向は溶接線に直角方向であり、ｚ方向はビードの高さ方向である。溶接ビードの止端となる点（以下、止端点という）を、下板接線からｚ方向に0.01mm離れる点とした。この止端点からビード上１mmまでの計測値を最小２乗法で直線を描いてビード接線とし、下板接線となす角をフランク角とした。曲率半径は、止端点からビードと下板双方に0.25mmまでの計測値に対し最小２乗近似によって得られる止端部に接する円の半径とした。 The flank angle and curvature radius of the weld bead lower plate side toe portion were measured as follows. The contour of the welded part of the joint fatigue test piece was measured with a laser displacement meter at a 0.5 mm pitch in the direction perpendicular to the weld line. From the obtained results, the flank angle and the radius of curvature were measured. FIG. 5 is an example of a measurement result by a laser displacement meter, and shows a method for determining a flank angle and a radius of curvature. The y direction in FIG. 5 is a direction perpendicular to the weld line, and the z direction is the height direction of the bead. A point that becomes the toe of the weld bead (hereinafter referred to as a toe point) was defined as a point that is 0.01 mm away from the lower plate tangent in the z direction. The measured value from this toe point to 1 mm above the bead was drawn as a bead tangent by drawing a straight line using the least-squares method, and the angle formed with the lower plate tangent was taken as the flank angle. The radius of curvature was the radius of a circle in contact with the toe portion obtained by the least square approximation for the measured values from the toe point to both the bead and the lower plate up to 0.25 mm.
また、安定なビードが得られた溶接継手に関して、図４に示す形状に加工し、東京衡機製造所製シェンク式疲労試験機を用い片振り平面曲げによる疲労試験を行い、溶接継手の疲労限を測定した。疲労限が200MPa以上のものを良（○），170MPa以上200MPa未満を可（△），170MPa未満を不可（×）とした。 In addition, the welded joint obtained with a stable bead was processed into the shape shown in FIG. 4 and subjected to a fatigue test by single swing plane bending using a Schenck type fatigue tester manufactured by Tokyo Henki Plant. It was measured. A fatigue limit of 200 MPa or more was judged as good (◯), 170 MPa or more but less than 200 MPa was acceptable (△), and a fatigue limit of less than 170 MPa was not acceptable (×).
本発明の実施例である試験番号１〜９の溶接継手については、ビード安定性に関しては良，止端部形状と継手疲労強度に関しては良または可であった。一方、比較例である試験番号10〜15の溶接継手では、ビード安定性に関しては良または不可，ビード安定性が良であったものでも止端部形状と継手疲労強度に関しては不可となった。
About the welded joint of the test numbers 1-9 which are the Examples of this invention, it was favorable regarding bead stability, and was favorable or acceptable regarding toe part shape and joint fatigue strength. On the other hand, in the welded joints of
１ 溶接ビード
２ 上板
３ 下板
４ 上板側溶接止端部
５ 下板側溶接止端部
６ 疲労亀裂
７ ガスシールドアーク溶接法の電極（先行極）
８ プラズマアーク溶接法の電極（後行極）
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8 Plasma arc welding electrode (following electrode)
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