JP3905876B2 - 破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物 - Google Patents

Description

本発明は、２枚の鋼板を重ね、一方の鋼板の端面と他方の鋼板の表面との間にアーク溶接によりすみ肉溶接継目を形成した重ね継手において、溶接金属の強度が高強度材からなる母材強度以上で、かつ過大な負荷がかかったとき、溶接金属で破壊せず母材で破壊する、破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物に関するものである。

近年、自動車の燃費向上などのために軽量化を目的として、Ａｌ合金等の軽金属や高強度鋼板の自動車部材への適用が進められている。ただし、Ａｌ合金等の軽金属は、比強度が高いという利点があるものの鋼に比較して高価であるため、その適用は特殊な用途に限られている。したがって、より広い範囲で自動車の軽量化を推進するためには、安価な高強度鋼板の適用が強く求められている。

一般に、材料は高強度になるほど延性が低下して成形性が悪くなる。鉄鋼材料においても例外ではなく、これまでに高強度と高延性の両立の試みがなされてきた。一方、自動車の足回り部材等に使用される材料には、これらの特性に加えて伸びフランジ加工性やバーリング加工性といった局部変形能が求められている。しかし、高強度化に伴ってこのような局部変形能は低下する傾向を示すので、高強度でありながら延性および上記局部変形能を向上させることが、自動車の足回り部品等への高強度鋼板の適用にあたっては、重要な検討課題である。

上記のような局部変形能を向上させた高強度鋼板の公知例として、特許文献１には、Ｃ≦０．０３質量％の低Ｃ鋼またはＴｉ，Ｎｂ等添加鋼において、主相がフェライトもしくはベイナイトで、粒界における鉄炭化物の占有率を０．１以下、該鉄炭化物の最大粒子径を１μｍ以下とすることで、穴広げ性を向上させた高強度鋼板が開示されている。

また特許文献２には、Ｃ：０．０２〜０．１０質量％のＴｉおよび／またはＮｂ添加鋼で、アシキュラー・フェライト組織に微細なＴｉＣおよび／またはＮｂＣを析出させた組織とすることで、高強度であっても優れた伸びフランジ性を有する熱延鋼板が開示されている。

さらに特許文献３には、フェライト単相組織に適正な範囲でＴｉおよびＭｏを含む析出物を分散析出させることにより、析出強化による高強度を維持し、転位密度の低いフェライト単相で延性および伸びフランジ性を向上させた高張力鋼板が開示されている。

上記従来の高強度鋼は、いずれも析出強化を有効に活用し、Ｃeqを低減して伸びフランジ性を向上させるというものであり、アーク溶接等を行った場合に溶接金属の硬度が低い。したがって、このような鋼板を使用した溶接継手は、大きな荷重負荷が付与されると溶接金属で破壊し、継手強度が母材強度よりも低いという問題があった。

一方、溶接継手に関しては特許文献４に、鋼板および溶接金属部の化学成分とＣeqを規定することで、溶接ビード止端部の曲率半径を大きくし、ビードの手直しを不要にした 「疲労強度に優れる重ねアーク溶接継手構造物」が開示されている。
特開平５−２９５４８５号公報 特開平７−１１３８２号公報 特開２００２−３２２５４３号公報 特開平６−３４０９４７号公報

自動車のサスペンションアームなどの足回り部材などでは、高強度、高延性、かつ伸びフランジ加工性やバーリング加工性に優れた鋼板が使用され、鋼板はアーク溶接されるので、このような鋼板を母材とする信頼性の高いアーク溶接継手構造物が要求される。アーク溶接継手構造物は、過大な負荷がかかったとき溶接金属で破壊せず、安定して鋼板母材で破壊することによって高い信頼性が得られる。しかし、従来の技術ではこのような継手を得るための安定性に課題が残されていた。

そこで本発明が解決しようとする課題は、自動車の車体部品等に使用され、高強度かつ高延性で伸びフランジ加工性やバーリング加工性を向上させた鋼板同士を溶接して得られるアーク溶接重ね継手であって、過大な負荷がかかったとき溶接金属で破壊せず、安定して鋼板母材で破壊するような、信頼性の高い、破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物を提供することである。

上記課題を解決するための本発明継手は、２枚の鋼板を重ね、一方の鋼板の端面と他方の鋼板の表面との間に、アーク溶接により形成するすみ肉溶接継目に、前記他方の鋼板の表面側の脚長Ｌ１を前記一方の鋼板の板厚Ｔａ以上、理論のど厚Ｔｈを０．７Ｔａ以上とする溶接金属を形成した重ね継手において、鋼板の引張強度ＴＳを６４０ＭＰａ以上、鋼板のＣeq（Ｂ）を０．４質量％以下、溶接金属のＣeq（Ｗ）（質量％）を下記（１）式の範囲とし、かつ溶接金属の硬さＨ（Ｗ）を鋼板の硬さＨ（Ｂ）以上としたことを特徴とする破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物である。
Ｃeq（Ｗ）≧ＴＳ／２０００−０．０６ ・・・・・（１）
ただし、
ＴＳは鋼板の引張強度（ＭＰａ）
Ｃeqは下記（２）式で表わされ、Ｃ，Ｓｉ，…はこれら元素の含有量（質量％）であ る。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
・・・・・・・（２）

また本発明は、上記（１）のアーク溶接によりすみ肉溶接継目を形成した重ね継手構造物を製造するに際し、Ｃeq（Ｒ）（質量％）を下記（３）式の範囲とする溶接ワイヤを使用し、下記（４）式の範囲ですみ肉溶接してなる請求項１記載の破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物である。
Ｃeq（Ｒ）≧ＴＳ／１０００−０．３０ ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
１．７×１０^-2≦（ln（Ｔｂ＋１）×ｖ）／（Ｖ×Ｉ）≦４．５×１０^-2・・（４）
ただし、
Ｔｂは前記他方の鋼板の板厚（ｍｍ）
ｖは溶接速度（ｃｍ／分）
Ｖは溶接電圧（Ｖ）
Ｉは溶接電流（Ａ）である。

本発明のアーク溶接重ね継手構造物は、自動車の車体部品等に使用される高強度かつ高延性で、伸びフランジ加工性やバーリング加工性を向上させた鋼板同士を溶接して得られる。継目の溶接金属が母材鋼板以上の高強度を有し、かつ過大な負荷がかかったとき、溶接金属で破壊せず安定して母材で破壊するので、使用に際して、再現性よく設計強度が得られ、自動車等の安全性、信頼性の向上に貢献できる。

本発明の対象とするアーク溶接重ね継手構造物は、図１に示すように、２枚の鋼板１，２を重ね、一方の鋼板１の端面と他方の鋼板２の表面との間に、アーク溶接により、すみ肉溶接継目４を形成したものである。すみ肉溶接継目４には溶接金属３が生成している。

本発明者は、このアーク溶接重ね継手構造物において、鋼板１，２には、自動車足回り部材等への適用を考慮して、高強度、高延性で、かつ伸びフランジ加工性やバーリング加工性を向上させたものを採用した。そして、すみ肉溶接継目４については、過大な負荷がかかったとき溶接金属３で破壊せず、母材の鋼板１または鋼板２で破壊することが、高い信頼性を得るために重要であるとの観点から種々の検討を重ね、本発明構造物の条件を明らかにした。また、安定して本発明構造物を得るための溶接条件を明らかにした。

まず、本発明のアーク溶接重ね継手構造物について説明する。
採用する２枚の鋼板１，２は、ともに、引張強度ＴＳが６４０ＭＰａ以上の高強度のものとし、高延性で、かつ伸びフランジ加工性やバーリング加工性を向上させるために成分組成を限定した。成分は、上記（２）式で表わされるＣeqで限定し、鋼板１，２のＣeq （ｂＢ）を０．４質量％以下とした。

これら鋼板１，２を種々の条件で溶接したアーク溶接重ね継手構造物について、静的な破壊試験を行った。その結果、溶接金属３の硬さ、成分およびすみ肉の寸法を適正に限定することにより、溶接金属で破壊せず、安定して母材の鋼板１または鋼板２で破壊することが判明した。以下にその限定条件を示す。

溶接金属３の硬さＨ（Ｗ）は、鋼板１，２の硬さＨ（Ｂ）以上であることが必要であった。すなわち、Ｈ（Ｗ）≧Ｈ（Ｂ）である。
溶接金属３の成分は、鋼板１，２の引張強度ＴＳに応じて適正範囲にすることが必要であった。すなわち、溶接金属３のＣeq（Ｗ）（質量％）と鋼板の引張強度ＴＳ（ＭＰａ）との関係が、前記（１）式の範囲である。

すみ肉の寸法は、図２に示すように、下側の鋼板２（他方の鋼板）の表面側の脚長Ｌ１を、上側の鋼板１（一方の鋼板）の板厚Ｔａ以上とし、かつ理論のど厚Ｔｈを該板厚Ｔａの０．７倍以上とすることが必要であった。すなわち、Ｌ１≧Ｔａで、かつＴｈ≧０．７Ｔａである。

次に、このような本発明のアーク溶接重ね継手構造物を得るための溶接方法について説明する。
一般的なアーク溶接では、鋼板１，２の板厚に応じた適正な入熱を与えて、溶け落ちやアンダーカットといった溶接不良が生じない条件であればよいが、本発明においては、すみ肉の溶接金属３の寸法を上記のようにするための条件が必要である。また溶接ワイヤは、溶接金属３の硬さおよび成分を上記範囲とするために成分限定が必要である。

種々の成分の溶接ワイヤを使用し、種々の条件でアーク溶接を行い、溶接良否、溶接金属３の硬さ、成分、すみ肉の寸法を調べた。その結果、成分については、溶接ワイヤのＣeq（Ｒ）（質量％）を、鋼板１，２の引張強度ＴＳ（ＭＰａ）に応じて上記（３）式の範囲とし、溶接条件については、上記（４）式の範囲とすることにより、安定して本発明のアーク溶接重ね継手構造物が得られた。

表１の成分組成からなる表２に示す鋼板を、表３に示す条件で溶接して、アーク溶接重ね継手構造物を製造した。目視により溶接の良否を判定し、溶接金属の成分分析を行ってＣeqを求め、硬さを測定し、すみ肉の脚長と理論のど厚を測定した。また、図３に示す試験片で静的引張試験を行い、破断位置により破壊形態を判定した。これらの結果を表４に示す。

使用した表１および表２の鋼板は、いずれも引張強度ＴＳ≧６４０ＭＰａ、Ｃeq（Ｂ）≦０．４質量％の本発明対象材である。表２において、ＴＳ／１０００−０．３０は、表３に示す溶接ワイヤのＣeq（Ｒ）が（３）式を満足するか否かの判定のために示し、ＴＳ／２０００−０．０６は、表４に示す溶接金属のＣeq（Ｗ）が（１）式を満足するか否かの判定のために示した。

表３および表４において、＊印は本発明の条件をはずれていることを示す。
また、図３の試験片で引張試験を行う際、掴み部にあたる鋼板１，２の端部に補助板５，６を挟み、鋼板１，２が互いに平行に引張力を付与されるようにした。

表４に示すように、比較例のＮｏ．２，Ｎｏ．６，Ｎｏ．７は、いずれも、溶接金属のＣeq（Ｗ）が（１）式の範囲からはずれ、かつ溶接金属の硬さＨ（Ｗ）が母材鋼板の硬さＨ（Ｂ）未満であったため、溶接金属で破断した。
これら各比較例は、表３に示すように、いずれもすみ肉の脚長Ｌ１および理論のど厚Ｔｈは本発明条件内で、外見上は良好な溶接であった。しかし、溶接ワイヤのＣeq（Ｒ） （３）式の範囲からはずれていたため、上記のように、溶接金属のＣeq（Ｗ）および硬さＨ（Ｗ）が本発明条件からはずれ、溶接金属破断となった。

比較例のＮｏ．３およびＮｏ．４は、表３に示すように、溶接ワイヤは適切であったが、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖおよび溶接速度ｖと下側の鋼板板厚Ｔｂとの関係が（４）式の範囲をはずれたため、すみ肉の寸法が本発明範囲をはずれ、溶接不良であった。Ｎｏ．３は、（４）式の範囲をはずれて、板厚Ｔｂに対し溶接入熱が過大であったため、理論のど厚Ｔｈが本発明条件をはずれ、溶け落ちが生じた。Ｎｏ．４は、（４）式の範囲をはずれて、板厚Ｔｂに対し溶接入熱が過小であったため、脚長Ｌ１が本発明条件をはずれ、アンダーカットが生じた。

発明例のＮｏ．１，Ｎｏ．５，Ｎｏ．８は、本発明条件の全てを満足し、いずれも母材破断であった。
なお、本実施例では静的破壊試験として引張試験の例を示したが、このほか曲げ試験、捩じり試験、疲労試験等でも、本発明条件を満足するものは安定して母材鋼板で破壊する結果が得られた。

本発明構造物の例を示す斜視図である。 本発明構造物の例を示す側面図である。 実施例における引張試験片の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１，２：鋼板
３ ：溶接金属
４ ：継目
５，６：補助板
Ｔａ ：鋼板１の板厚
Ｔｂ ：鋼板２の板厚
Ｔｈ ：理論のど厚
Ｌ１，Ｌ２：脚長

Claims (2)

1. ２枚の鋼板を重ね、一方の鋼板の端面と他方の鋼板の表面との間に、アーク溶接により形成するすみ肉溶接継目に、前記他方の鋼板の表面側の脚長Ｌ１を前記一方の鋼板の板厚Ｔａ以上、理論のど厚Ｔｈを０．７Ｔａ以上とする溶接金属を形成した重ね継手において、鋼板の引張強度ＴＳを６４０ＭＰａ以上、鋼板のＣeq（Ｂ）を０．４質量％以下、溶接金属のＣeq（Ｗ）（質量％）を下記（１）式の範囲とし、かつ溶接金属の硬さＨ（Ｗ）を鋼板の硬さＨ（Ｂ）以上としたことを特徴とする破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物。
   Ｃeq（Ｗ）≧ＴＳ／２０００−０．０６ ・・・（１）
   ただし、
   ＴＳは鋼板の引張強度（ＭＰａ）
   Ｃeqは下記（２）式で表わされ、Ｃ，Ｓｉ，…はこれら元素の含有量（質量％）であ る。
   Ｃeq＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
   ・・・・・・・（２）
2. 前記アーク溶接によりすみ肉溶接継目を形成した重ね継手構造物を製造するに際し、Ｃeq（Ｒ）（質量％）を下記（３）式の範囲とする溶接ワイヤを使用し、下記（４）式の範囲ですみ肉溶接してなる請求項１記載の破壊形態に優れるアーク溶接重ね継手構造物。
   Ｃeq（Ｒ）≧ＴＳ／１０００−０．３０ ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
   １．７×１０^-2≦（ln（Ｔｂ＋１）×ｖ）／（Ｖ×Ｉ）≦４．５×１０^-2・・（４）
   ただし、
   Ｔｂは前記他方の鋼板の板厚（ｍｍ）
   ｖは溶接速度（ｃｍ／分）
   Ｖは溶接電圧（Ｖ）
   Ｉは溶接電流（Ａ）である。

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