JP3912491B2

JP3912491B2 - Laser welded joint of steel

Info

Publication number: JP3912491B2
Application number: JP2001357594A
Authority: JP
Inventors: 裕之武田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP2003154475A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材のレーザ溶接に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材同士の接合は、一般のアーク溶接、或いは電子ビーム、レーザビームなどの高エネルギー密度ビーム溶接により広く行われている。なかでもレーザ溶接は深溶込みの高速溶接が可能であり、また電子ビームのように真空を必要とせず高能率な溶接を達成できる手法として注目をあびている。また大容量のレーザ溶接機も製作され厚鋼板の溶接も可能となった。しかし、レーザ溶接には以下の2つの問題がある。
【０００３】
その第一は、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題である。レーザビームによる深溶込み溶接においては、被溶接材である金属がレーザビームにより蒸発し、蒸発反力と蒸気圧によりキーホールと呼ばれる空洞が材料中に形成される。キーホールは金属蒸気により満たされており、キーホール口から蒸気は外部に噴出している。このようにレーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。
【０００４】
第二は、溶接金属部が非常に狭いため冷却速度が速く、溶接金属部が硬化して靭性が低下する問題である。鋼材には量の大小はあるにせよ必須の含有元素としてＣが含まれること、また通常のアーク溶接に比較して冷却速度が速いことから、これら両因子が重畳してマルテンサイト変態による溶接金属の低温割れが発生し易い問題である。
【０００５】
従って、レーザ溶接を実用化するためには、特にブローホール発生防止と低温割れ防止を両立し、適切な強度の溶接継手を得ることが必要となる。更に、溶接そのものが安定して行えなければ、生産性を極めて重視する分野においては実用化ができない。
【０００６】
このような問題点を解決することを目的に、産学ともにレーザ溶接金属の欠陥防止と靭性向上に関する研究が盛んに行われており、提案されたものがある。
【０００７】
まずブローホールと言われる溶接欠陥を防止する方法として、例えば特開平９−３１４３６８号公報には、シールドガスの巻き込みにより発生するブローホールを抑制する方法として、レーザビームの波長を８．２μｍ以下に制限し、かつシールドガスの組成として窒素を体積比率で５％以上含有させる方法が提案されている。しかしながら本方法では、溶接欠陥を防止する方法は記載されているが、溶接金属の靭性を向上させる手法については記述がない。
【０００８】
また溶接金属の靭性を向上させる方法として、例えばフィラー材料を供給しながらレーザ溶接する方法（特開平９−１２２９５７号公報、特開平６−６７０号公報)、レーザ溶接する鋼板母材の化学成分と焼入れ臨界直径Ｄｉ値を制御する方法（特開平８−２７６２８６号公報、特開平１０−９４８９０号公報)、レーザ溶接する鋼板母材の化学成分と組織パラメータ（結晶粒径や第２相組織分率）や機械的特性（均一伸びと局部伸び）を制御する方法（特開平１１−２９３３９８号公報）などが提案されている。しかしながら、いずれの方法も溶接金属部の靭性や成形性改善に着目したものである。この内、特開平８−２７６２８６号公報、特開平１０−９４８９０号公報、特開平１１−２９３３９８号公報に提案の方法では、鋼材中に含まれるＭｎの蒸気やＮが原因となりブローホールが発生すると解析し、ブローホールを抑制するために、鋼材中に含まれるＭｎとＮの含有量を規制することが記述されている。しかしながら、特開平９−３１４３６８号公報に記述されているように、レーザ溶接で必須のシールドガスの巻き込みが原因で発生する気孔欠陥に対しては、何ら対策が施されていないと言える。
【０００９】
以上のように、従来のレーザ溶接方法並びに溶加材では、欠陥発生防止、溶接金属部の靭性向上の点で不十分であり、これらを共に満足できるレーザ溶接方法並びに溶加材は見あたらないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
鋼材同士の接合に対しては、前述のレーザ溶接が適用できれば、溶込み深さ、強度、生産性、歪みの面で有利と考えられる。しかしながら、レーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。また鋼材には量の大小はあるにせよ必須の含有元素としてＣが含まれること、また通常のアーク溶接に比較して冷却速度が速いこと、およびこれら両因子が重畳してマルテンサイト変態による溶接金属の低温割れが発生し易い問題がある。従ってレーザ溶接を実用化するためには、特にブローホール発生防止と低温割れ防止を両立し、適切な強度の溶接継手（接合体）を得ることが必要となる。更に、溶接そのものが安定して行えなければ、生産性を極めて重視する分野においては実用化ができない。
【００１１】
本発明は、かかる要請に応えるべくなされたものであって、その目的は、レーザ溶接による鋼材同士の接合において、ブローホールや低温割れ等の欠陥のない溶接金属で構成される接合体を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、鋼材同士のレーザ溶接による接合体における溶接金属に固有の組織および成分を設定することによって鋼材同士の接合が可能であることを見出し、本発明を完成したものである。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、レーザ溶接により一体化された鋼材同士の接合体において、該接合体における溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められ、かつ該溶接金属中に質量割合で３６０〜５４０ｐｐｍのＮが含まれていることを特徴とする鋼材のレーザ溶接接合体を要旨とする。以下、単に「○○ｐｐｍ」は「質量割合で○○ｐｐｍ」を意味するものとする。
【００１４】
（作用）
レーザ溶接では、キーホールと呼ばれる非常に不安定な溶融池が形成され、気孔に起因するブローホール等の欠陥が発生し易い問題がある。また一般の鋼材には強度改善を目的としてＣが添加されているため、このような鋼材を一般的なアーク溶接と比較して冷却速度が極めて速いレーザビームで溶接すると、溶接金属中に含まれるＣが原因となり、溶接金属は靭性の乏しいマルテンサイトとなりやすく低温割れが発生し易い問題がある。
【００１５】
上記問題のない溶接金属を得るには、溶接金属が、(1)３０％以上オーステナイト組織でしめられていること、(2)溶接金属が３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有していること、をともに満たすことにより実現される。
【００１６】
すなわち、溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていることにより、マルテンサイト変態による低温割れがない溶接金属が得られる。
【００１７】
また、溶接金属が３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有することにより、溶融金属に溶解した窒素が溶接金属中に凍結され、ブローホールのない溶接金属が得られる。また、Ｎはオーステナイト形成能力が高いため、溶接金属のオーステナイト化を促進し、低温割れを防止する効果がある。
【００１８】
したがって、溶接金属が３０％以上オーステナイト組織で占められ、かつ３６０〜５４０ｐｐｍのＮを含有することにより、ブローホール発生防止と低温割れ防止を両立でき、接合強度に優れた接合体が得られるのである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の接合体における溶接金属の組織およびＮ含有量の限定理由、およびそのような組織およびＮ含有量の接合体を得る方法や条件について、詳細に説明する。
【００２０】
(1)溶接金属の組織について
溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていることとするのは、以下の理由による。
【００２１】
溶接金属の組織をオーステナイト化すること、すなわちマルテンサイト変態を抑制することにより低温割れが防止できる。しかし、必ずしも完全にオーステナイト組織とする必要はなく、所定割合以上のオーステナイト組織とすることで十分に低温割れ防止効果が得られる。したがって、後述の実施例の結果等に基づいて、オーステナイト組織の割合を３０％以上に限定する。
【００２２】
ここに「溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められていること」とは、溶接金属の組織が、３０％以上のオーステナイト組織と残部が主としてマルテンサイト組織の混合組織で構成されている場合、オーステナイト組織のみで構成されている場合の両方を含むものである。
【００２３】
このような組織は、鋼材の成分や溶加材の供給速度にもよるが、例えばＣ、Ｎｉ、Ｍｎ等のオーステナイト形成元素を、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉを代表とするフェライト形成元素に対し、適正な比率にて含有させた溶加材を溶融金属中に連続的に供給したり、あるいは予め開先面間にインサートして溶接を行うなどにより形成可能である。
【００２４】
(2)溶接金属中のＮ含有量について
溶接金属中のＮ含有量を３６０〜５４０ｐｐｍとするのは、以下の理由による。
【００２５】
レーザ溶接では一般に、大気中に含まれる酸素と溶融金属との反応を防止することを目的に、ヘリウム，アルゴンといった不活性ガスがシールドガスとして汎用されている。しかしながら、これら不活性ガスは一旦キーホール内に捕捉され溶融金属内に巻き込まれると、溶融金属が凝固するまでに外部に排出されないと溶接金属中に残留してブローホール欠陥の原因となる。
【００２６】
一方、シールドガスに窒素を用いると、ヘリウムやアルゴンといった不活性ガスでシールドされている場合とは異なり、窒素は溶融Ｆｅ合金中に溶解するためブローホールの原因とはなりにくいのである。一般にアーク溶接では、窒素はブローホールの原因になるとして、できるだけ窒素が溶融金属中に接触しないようにする努力が図られている。これはアーク溶接のように冷却速度が遅い場合の現象であり、このように溶接後の冷却速度が遅い場合には、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素は冷却に伴う溶解度減少に伴い、折角、ブローホールの原因となる窒素が溶融Ｆｅ合金中に溶解しても、冷却過程で気泡が発生してしまい、ブローホールの原因となってしまう。本発明の従来知見との差異は、レーザ溶接のように溶接後の冷却速度が極めて速い場合には、アーク溶接の場合とは異なり、溶融Ｆｅ合金中に過飽和に溶解した窒素を、溶接後の冷却過程でも過飽和のまま凍結できることである。
【００２７】
しかし、例え熱源としてレーザビームを用いても、例えば被溶接材である鋼材の予熱温度を高めた場合や溶接入熱が過大な場合など溶接後の冷却速度が極めて遅くなると、溶融金属中に溶解した窒素を凍結できないため、ブローホールが発生してしまう。
【００２８】
したがって、レーザ溶接により形成された溶接金属中のブローホール欠陥を抑制するためには、一旦溶融金属中に溶解した窒素をそのまま冷却過程においても溶接金属中に凍結することがポイントとなる。すなわち、溶接金属中のＮ含有量を所定値以上として、窒素をできるだけ溶接金属中に凍結する必要がある。したがって、後述の実施例の結果等に基づいて、溶接金属中のＮ含有量の下限を３６０ｐｐｍに限定する。なお、Ｎ含有量が過剰になると溶接金属にブローホール欠陥が発生する可能性が高まるため、後述の実施例の結果に基づいて、上限を５４０ｐｐｍに限定する。
【００２９】
なお、本発明ではブローホール抑制を目的に溶接金属中に窒素を強制固溶させることをポイントとしているが、ＮはＣと同様にオーステナイト形成能力が高く、溶接金属のオーステナイト化ともなう低温割れ防止にも効果を発揮する。
【００３０】
溶接金属中にＮを多量に固溶させるためには、例えばＭｎやＣｒを含む溶加材を用いることが有効である。溶融Ｆｅ合金中にＭｎやＣｒを添加すると窒素の溶解度が上昇することが知られており、窒素吸収に極めて有効に働くからである。両元素のうちＣｒは、本来フェライト形成元素であるため溶接金属のオーステナイト化を阻害する可能性があるが、Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ等のオーステナイト形成元素を適正な比率で含有させれば問題はない。
【００３１】
また、溶加材には、必要に応じて強力な脱酸剤であるＡｌ、Ｔｉ等が添加されることがある。これは先にブローホールの原因が主に不活性ガスであると延べたが、例え窒素をシールドガスとして溶融金属に吹き付けても完全に大気と遮断することは不可能な場合がある。その際、大気から混入される酸素が原因で発生するブローホールを抑制するためである。例えＭｎ、Ｓｉを含めたとしても、Ｍｎ、Ｓｉの脱酸剤だけではブローホールの発生防止に対して不十分な場合には、Ａｌ、Ｔｉ等の強力な脱酸剤を所定量添加することにより完全にブローホールの発生を防止できる。したがって、溶接金属中には０．１５〜２．５％程度のＡｌ、Ｔｉ等の脱酸剤成分が含まれる場合がある。
【００３２】
以上述べたように、溶接金属の組織とＮ含有量を規定することにより、ブローホールの発生を防止するとともに低温割れを防止した靭性に優れる接合体が得られる。
【００３３】
鋼材としては機械構造用炭素鋼や合金鋼（ＮｉＣｒ鋼、ＮｉＣｒＭｏ鋼、Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏ鋼、Ｍｎ鋼、ＭｎＣｒ鋼など）、一般構造用圧延鋼材、建築構造用圧延鋼材、溶接構造用圧延鋼材などが非限定的に例示される。
【００３４】
レーザ溶接方法としては、熱源としてレーザを利用するものであれば、汎用のＣＯ₂、ＹＡＧ、半導体などのいずれのレーザ溶接方法でも適用可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
ＳＭ４９０鋼材同士（１００Ｗ×５００Ｌ×９ｔ）の突き合わせレーザ溶接試験を実施した。表１に示す２種類の化学成分のφ１．２ｍｍの溶加材（フィラーワイヤ）を用い、表２および表３に示す条件でレーザ溶接を行った。なお、本実施例１では、鋼材の予熱を行わず、シールドガスとしてＡｒ、Ｎ₂の２種類を用いた。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
溶接後、溶接金属部のＸ線と断面、および浸透探傷検査によりブローホール欠陥（単に「欠陥」ともいう。）と低温割れの有無を調査し、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合を測定した。また、溶接金属部より試験片を採取し、溶接金属中に固溶した窒素量を測定した。なお、欠陥についてはＸ線検査によりビード３０ｍｍ長さあたりの欠陥数を測定し、欠陥が認められなかったものを合格（○）とし、欠陥が存在するものを不合格（×）とした。調査・測定結果を表３に併記する。
【００３９】
【表３】

【００４０】
表３中の種々の溶接条件において、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合が３０％以上になり、かつ溶接金属中に固溶したN含有量が３６０〜５４０ｐｐｍの場合に、低温割れとブローホール欠陥の双方を防止できることを確認した（Ｎｏ．７〜８、１３〜１４）。
【００４１】
一方、溶接金属に占めるオーステナイト組織の割合、溶接金属に固溶したＮ含有量のいずれか、あるいは双方とも所定条件を満足しない場合には、低温割れ、ブローホール欠陥のいずれか、あるいは双方ともに発生する（Ｎｏ．１〜５、９〜１１）。
【００４２】
すなわち、Ｎｏ．１、９は、溶接金属中のオーステナイト含有量、Ｎ含有量ともに本発明の規定する条件を満足しない。そのため、低温割れとブローホール欠陥がともに発生している。
【００４３】
また、Ｎｏ．２〜４、１０、１１は、溶接金属中のオーステナイト含有量は本発明の規定する条件を満足しているが、Ｎ含有量は満足していない。そのため、低温割れは防止できているものの、ブローホール欠陥が発生している。
【００４４】
また、Ｎｏ．５は、溶接金属中のＮ含有量は本発明の規定する条件を満足しているが、オーステナイト含有量は満足していない。そのため、ブローホール欠陥は防止できているものの、低温割れが発生している。
【００４５】
（実施例２）
Ｓ４５Ｃ鋼材同士（１００Ｗ×５００Ｌ×１２ｔ）の突き合わせレーザ溶接試験を実施した。溶加材としては、実施例１のフィラーワイヤと異なり、表１に示すＡの化学成分に調製した薄膜を用いた。この薄膜を、図１に示すように予め溶接前に突き合わせ開先面にインサートしておき、表４および表５に示す条件でレーザ溶接を行った。なお、表４の溶加材供給速度は、予めインサートした薄膜の量と溶接速度との関係から、実施例１のフィラーワイヤの供給速度に換算した値である。本実施例２では、シールドガスをＮ₂に固定する一方、溶接後の冷却速度の影響を調査するため鋼材（母材１）の予熱温度を種々変化させた。溶接金属部の評価方法および判定基準は実施例１と同様である。
【００４６】
【表４】

【００４７】
【表５】

【００４８】
調査・測定結果を表５に併記する。表５の比較例のうちＮｏ．１７、１８は溶接金属中のオーステナイト量は本発明の規定する条件を満足しており、低温割れは発生していないが、溶接金属中のＮ固溶量が本発明の規定する条件を満足しておらず、ブローホールが発生した。鋼材の予熱温度が高く溶接後の冷却速度が小さいために、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素が冷却過程で溶解度の低下により気体として外部に放出され、凝固後のＮ固溶量が低下したためと想定される。
【００４９】
また比較例のうちＮｏ．１９、２０は溶加材を添加しなかった場合の結果を示している。
【００５０】
Ｎｏ．１９は鋼材を予熱しなかったため冷却速度が極めて大きくなり、窒素は溶接金属中に凍結でき、ブローホール欠陥の発生は回避できたものの、溶接金属の組織はマルテンサイト主体となりオーステナイト量が減少したため低温割れが発生した。
【００５１】
一方、Ｎｏ．２０は鋼材を高温（４００℃）で予熱した例である。冷却速度が小さくなっため溶接金属の組織がマルテンサイトからベイナイトへ変化し、オーステナイト量が少ないものの低温割れは回避できたが、ブローホール欠陥の発生は抑制できなかった。
【００５２】
Ｎｏ．１５は本発明例である。鋼材の予熱温度が低いため溶接後の冷却速度が大きくなり、溶融Ｆｅ合金中に溶解した窒素が過飽和状態で凍結され、凝固後の溶接金属中のＮ固溶量が本発明の規定する条件を満足しており、ブローホール欠陥は発生しなかった。溶接金属中のオーステナイト量も本発明の規定する条件を満足していることから、低温割れも発生しなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、レーザ溶接による鋼材同士の接合において、ブローホールや低温割れ等の欠陥のない溶接金属で構成された接合体を提供することができる。その結果、生産性のみならず信頼性の高い接合技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２におけるレーザ溶接の要領及び溶接状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１：母材
２：溶加材（薄膜）
３：レーザ取出ノズル
４：レーザビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to laser welding of steel materials.
[0002]
[Prior art]
Joining steel materials is widely performed by general arc welding or high energy density beam welding such as an electron beam or a laser beam. In particular, laser welding is attracting attention as a technique capable of high-speed welding with deep penetration and achieving high-efficiency welding without the need for a vacuum unlike an electron beam. A large-capacity laser welding machine was also manufactured, making it possible to weld thick steel plates. However, laser welding has the following two problems.
[0003]
The first problem is that defects such as blow holes due to pores are likely to occur. In deep penetration welding using a laser beam, the metal to be welded is evaporated by the laser beam, and a cavity called a keyhole is formed in the material by the evaporation reaction force and vapor pressure. The keyhole is filled with metal vapor, and the vapor is ejected to the outside from the keyhole port. Thus, in laser welding, there is a problem that a very unstable molten pool called a keyhole is formed, and defects such as blow holes due to pores are likely to occur.
[0004]
The second problem is that the weld metal part is very narrow, so that the cooling rate is fast, the weld metal part is hardened, and the toughness is lowered. Steel material contains C as an essential element, albeit in a large or small amount, and because the cooling rate is faster than that of ordinary arc welding, both of these factors are superimposed, resulting in a weld metal resulting from martensitic transformation. It is a problem that low temperature cracking is likely to occur.
[0005]
Therefore, in order to put laser welding into practical use, it is particularly necessary to obtain a welded joint with appropriate strength that is compatible with prevention of blowhole generation and prevention of cold cracking. Furthermore, unless welding itself can be performed stably, it cannot be put into practical use in a field where productivity is extremely important.
[0006]
For the purpose of solving such problems, researches on defect prevention and toughness improvement of laser weld metal have been actively conducted in both industry and academia, and some have been proposed.
[0007]
First, as a method for preventing welding defects called blowholes, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-314368 discloses that a laser beam wavelength is set to 8.2 μm or less as a method for suppressing blowholes generated by entrainment of shield gas. There has been proposed a method of limiting and containing 5% or more of nitrogen by volume as the composition of the shielding gas. However, this method describes a method for preventing weld defects, but does not describe a method for improving the toughness of the weld metal.
[0008]
Further, as a method for improving the toughness of the weld metal, for example, a method of laser welding while supplying a filler material (JP-A-9-122957, JP-A-6-670), a chemical component of a steel plate base material to be laser-welded, and Methods for controlling the quenching critical diameter Di value (JP-A-8-276286, JP-A-10-94890), chemical components and structure parameters of the steel base material to be laser-welded (crystal grain size and second phase structure fraction) ) And a method for controlling mechanical characteristics (uniform elongation and local elongation) (Japanese Patent Laid-Open No. 11-293398) have been proposed. However, both methods focus on improving the toughness and formability of the weld metal part. Among these, in the methods proposed in JP-A-8-276286, JP-A-10-94890, and JP-A-11-293398, blowholes are generated due to Mn vapor or N contained in the steel material. It is described that the contents of Mn and N contained in the steel material are regulated in order to analyze and suppress blowholes. However, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-314368, it can be said that no countermeasures are taken against pore defects generated due to inclusion of shield gas essential in laser welding.
[0009]
As described above, the conventional laser welding method and filler metal are insufficient in terms of preventing the occurrence of defects and improving the toughness of the weld metal part, and there are no laser welding methods and filler materials that can satisfy both of them. Is the current situation.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
If the above-mentioned laser welding can be applied to the joining of steel materials, it is considered advantageous in terms of penetration depth, strength, productivity, and distortion. However, in laser welding, there is a problem that a very unstable molten pool called a keyhole is formed, and defects such as blowholes due to pores are likely to occur. Steel materials contain C as an essential element, albeit in a large or small amount, and the cooling rate is faster than that of normal arc welding, and these two factors are superimposed to achieve welding by martensitic transformation. There is a problem that cold cracking of metal is likely to occur. Therefore, in order to put laser welding into practical use, it is particularly necessary to obtain a welded joint (joint) with appropriate strength that is compatible with both prevention of blowhole generation and prevention of cold cracking. Furthermore, unless welding itself can be performed stably, it cannot be put into practical use in a field where productivity is extremely important.
[0011]
The present invention has been made to meet such a demand, and an object of the present invention is to provide a joined body made of weld metal free from defects such as blow holes and cold cracks in joining of steel materials by laser welding. Is.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has conducted extensive research, and as a result, it is possible to join steel materials by setting a structure and components specific to the weld metal in a joined body by laser welding between steel materials. The title and the present invention have been completed.
[0013]
That is, in the invention according to claim 1, in the joined body of steel materials integrated by laser welding, 30% or more of the weld metal in the joined body is occupied by the austenite structure, and the mass ratio in the weld metal The gist of the present invention is a laser-welded joined product of steel characterized by containing 360 to 540 ppm of N. Hereinafter, “XX ppm” simply means “XX ppm by mass ratio” .
[0014]
(Function)
In laser welding, a very unstable molten pool called a keyhole is formed, and there is a problem that defects such as blowholes due to pores are likely to occur. Further, since C is added to general steel materials for the purpose of improving the strength, if such steel materials are welded with a laser beam whose cooling rate is extremely faster than that of general arc welding, they are included in the weld metal. Due to C, the weld metal tends to be martensite with poor toughness and low temperature cracking is likely to occur.
[0015]
In order to obtain a weld metal free from the above problems, both the weld metal (1) has a 30% or more austenite structure and (2) the weld metal contains 360 to 540 ppm of N. Realized by satisfying.
[0016]
That is, when 30% or more of the weld metal is occupied by the austenite structure, a weld metal free from low-temperature cracking due to martensitic transformation can be obtained.
[0017]
Further, when the weld metal contains 360 to 540 ppm of N, nitrogen dissolved in the molten metal is frozen in the weld metal, and a weld metal free from blowholes is obtained. Further, since N has a high austenite forming ability, it has the effect of promoting the austenitization of the weld metal and preventing cold cracking.
[0018]
Therefore, the weld metal is occupied by an austenite structure of 30% or more, and by containing 360 to 540 ppm of N, it is possible to achieve both prevention of blowhole generation and prevention of cold cracking, and a joined body having excellent joining strength can be obtained. .
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The reasons for limiting the structure and N content of the weld metal in the joined body of the present invention, and the method and conditions for obtaining a joined body having such a structure and N content will be described in detail.
[0020]
(1) About the structure of the weld metal The reason why 30% or more of the weld metal is occupied by the austenite structure is as follows.
[0021]
Cold cracking can be prevented by austenitizing the structure of the weld metal, that is, by suppressing martensitic transformation. However, it is not always necessary to make the austenite structure completely. By making the austenite structure at a predetermined ratio or more, the effect of preventing cold cracking can be sufficiently obtained. Therefore, based on the result of the below-mentioned Example etc., the ratio of an austenite structure is limited to 30% or more.
[0022]
Here, “30% or more of the weld metal is occupied by the austenite structure” means that the structure of the weld metal is composed of a mixed structure of 30% or more of the austenite structure and the balance mainly of the martensite structure. In addition, it includes both cases where the material is composed only of an austenite structure.
[0023]
Such a structure depends on the components of the steel material and the feed rate of the filler metal. For example, austenite forming elements such as C, Ni and Mn are suitable for ferrite forming elements such as Cr, Mo and Si. It can be formed by continuously supplying the filler material contained in a proper ratio into the molten metal, or by inserting it between the groove surfaces in advance and performing welding.
[0024]
(2) About N content in a weld metal The N content in a weld metal is set to 360 to 540 ppm for the following reason.
[0025]
In laser welding, an inert gas such as helium or argon is generally used as a shielding gas for the purpose of preventing a reaction between oxygen contained in the atmosphere and molten metal. However, once these inert gases are trapped in the keyhole and entrained in the molten metal, they remain in the weld metal and cause blowhole defects unless the molten metal is discharged to the outside before solidification.
[0026]
On the other hand, when nitrogen is used as the shielding gas, unlike the case where shielding is performed with an inert gas such as helium or argon, nitrogen dissolves in the molten Fe alloy and thus is unlikely to cause blowholes. Generally, in arc welding, since nitrogen causes blowholes, efforts are made to prevent nitrogen from coming into contact with molten metal as much as possible. This is a phenomenon when the cooling rate is slow as in arc welding, and when the cooling rate after welding is slow as described above, the nitrogen dissolved in the molten Fe alloy decreases as the solubility decreases with cooling. Even if nitrogen that causes blowholes dissolves in the molten Fe alloy, bubbles are generated in the cooling process, causing blowholes. The difference from the conventional knowledge of the present invention is that, when the cooling rate after welding is very fast as in laser welding, unlike in arc welding, nitrogen dissolved in supersaturation in the molten Fe alloy That is, it can be frozen while being supersaturated even in the cooling process.
[0027]
However, even if a laser beam is used as a heat source, if the cooling rate after welding becomes extremely slow, such as when the preheating temperature of the steel material to be welded is increased or when the welding heat input is excessive, it will dissolve in the molten metal. The blown holes are generated because the generated nitrogen cannot be frozen.
[0028]
Therefore, in order to suppress blowhole defects in the weld metal formed by laser welding, it is important to freeze the nitrogen once dissolved in the molten metal in the weld metal as it is in the cooling process. That is, it is necessary to freeze nitrogen in the weld metal as much as possible by setting the N content in the weld metal to a predetermined value or more. Therefore, the lower limit of the N content in the weld metal is limited to 360 ppm based on the results of examples described later. In addition, since possibility that a blowhole defect will generate | occur | produce in a weld metal will increase when N content becomes excessive, based on the result of the below-mentioned Example, an upper limit is limited to 540 ppm.
[0029]
In the present invention, for the purpose of suppressing blowholes, the point is to forcibly dissolve nitrogen in the weld metal, but N has a high austenite forming ability like C, and prevents cold cracking with the austenite of the weld metal. Is also effective.
[0030]
In order to dissolve a large amount of N in the weld metal, it is effective to use a filler material containing, for example, Mn or Cr. It is known that when Mn or Cr is added to the molten Fe alloy, the solubility of nitrogen increases, and this works extremely effectively for nitrogen absorption. Of these elements, Cr is inherently a ferrite-forming element and may inhibit the austenitization of the weld metal, but there is no problem if an austenite-forming element such as C, Ni, or Mn is contained in an appropriate ratio. .
[0031]
Moreover, Al, Ti etc. which are strong deoxidizers may be added to a filler material as needed. This was previously explained that the cause of the blowhole was mainly an inert gas. However, even if nitrogen is blown onto the molten metal as a shielding gas, it may not be possible to completely shut it off from the atmosphere. At this time, blowholes generated due to oxygen mixed from the atmosphere are suppressed. Even if Mn and Si are included, if a deoxidizer of Mn and Si is not sufficient to prevent blowholes, a predetermined amount of a strong deoxidizer such as Al and Ti should be added. This completely prevents blowholes from occurring. Accordingly, the weld metal may contain a deoxidizer component such as about 0.15 to 2.5% of Al, Ti or the like.
[0032]
As described above, by defining the structure and N content of the weld metal, it is possible to obtain a joined body excellent in toughness that prevents the occurrence of blowholes and prevents cold cracking.
[0033]
Steel materials include carbon steel and alloy steel for mechanical structures (NiCr steel, NiCrMo steel, Cr steel, CrMo steel, Mn steel, MnCr steel, etc.), general structural rolled steel, building structural rolled steel, welded rolled steel Is illustrated in a non-limiting manner.
[0034]
As a laser welding method, any laser welding method such as general-purpose CO ₂ , YAG, or semiconductor can be applied as long as it uses a laser as a heat source.
[0035]
【Example】
Example 1
A butt laser welding test of SM490 steel materials (100 W × 500 L × 9 t) was performed. Laser welding was performed under the conditions shown in Tables 2 and 3 using φ1.2 mm filler metal (filler wire) having two kinds of chemical components shown in Table 1. In Example 1, the steel material was not preheated, and two types of Ar and N ₂ were used as the shielding gas.
[0036]
[Table 1]

[0037]
[Table 2]

[0038]
After welding, the presence or absence of blowhole defects (also simply referred to as “defects”) and cold cracks were examined by X-ray and cross section of the weld metal part and penetration inspection, and the proportion of the austenite structure in the weld metal was measured. Moreover, the test piece was extract | collected from the weld metal part, and the amount of nitrogen dissolved in the weld metal was measured. In addition, about the defect, the number of defects per bead 30mm length was measured by the X-ray inspection, and the thing in which the defect was not recognized was made into pass ((circle)), and the thing in which a defect exists was made into disqualification (x). The survey and measurement results are also shown in Table 3.
[0039]
[Table 3]

[0040]
Under various welding conditions in Table 3, when the ratio of the austenite structure in the weld metal is 30% or more and the N content dissolved in the weld metal is 360 to 540 ppm, cold cracking and blowhole defects it was confirmed that both can be prevented (No. 7 ~8, 13 ~14) .
[0041]
On the other hand, if either the proportion of the austenite structure in the weld metal, the N content dissolved in the weld metal, or both do not satisfy the prescribed conditions, either cold cracking, blowhole defects, or both will occur (No. 1-5, 9-11).
[0042]
That is, no. 1 and 9 do not satisfy the conditions specified by the present invention in both the austenite content and the N content in the weld metal. Therefore, both low temperature cracks and blowhole defects occur.
[0043]
No. In Nos. 2 to 4, 10 and 11, the austenite content in the weld metal satisfies the conditions specified by the present invention, but the N content is not satisfied. Therefore, although a low temperature crack can be prevented, blowhole defects are generated.
[0044]
No. No. 5, the N content in the weld metal satisfies the conditions specified by the present invention, but the austenite content is not satisfied. Therefore, although a blowhole defect can be prevented, a low temperature crack has occurred.
[0045]
(Example 2)
A butt laser welding test of S45C steel materials (100W × 500L × 12t) was performed. As the filler material, unlike the filler wire of Example 1, a thin film prepared with the chemical component A shown in Table 1 was used. As shown in FIG. 1, this thin film was previously inserted into the butt groove face before welding, and laser welding was performed under the conditions shown in Tables 4 and 5. The filler material supply rate in Table 4 is a value converted to the filler wire supply rate of Example 1 from the relationship between the amount of thin film inserted in advance and the welding rate. In Example 2, while the shielding gas was fixed to N ₂ , the preheating temperature of the steel material (base material 1) was variously changed in order to investigate the influence of the cooling rate after welding. The evaluation method and criteria for the weld metal part are the same as in Example 1.
[0046]
[Table 4]

[0047]
[Table 5]

[0048]
The survey and measurement results are also shown in Table 5. Of the comparative examples in Table 5, In Nos. 17 and 18, the amount of austenite in the weld metal satisfies the conditions stipulated by the present invention, and no low temperature cracking occurs, but the amount of N solid solution in the weld metal satisfies the conditions stipulated by the present invention. There was no blow hole. Because the preheating temperature of the steel material is high and the cooling rate after welding is low, the nitrogen dissolved in the molten Fe alloy is released to the outside as a gas due to a decrease in solubility during the cooling process, and the amount of N solid solution after solidification decreases. is assumed.
[0049]
Of the comparative examples, No. 19 and 20 show the results when no filler material was added.
[0050]
No. No. 19 did not preheat the steel material, so the cooling rate became extremely high, and nitrogen could be frozen in the weld metal, and the occurrence of blowhole defects could be avoided, but the weld metal structure was mainly martensite and the austenite content was reduced. Cracking occurred.
[0051]
On the other hand, no. Reference numeral 20 is an example in which a steel material is preheated at a high temperature (400 ° C.). Since the cooling rate was reduced, the weld metal structure was changed from martensite to bainite, and although a low austenite amount was achieved, cold cracking could be avoided, but the occurrence of blowhole defects could not be suppressed.
[0052]
No. 15 is an example of the present invention. Since the preheating temperature of the steel material is low, the cooling rate after welding is increased, the nitrogen dissolved in the molten Fe alloy is frozen in a supersaturated state, and the amount of N solid solution in the weld metal after solidification satisfies the conditions specified by the present invention. Satisfied and no blowhole defects occurred. Since the amount of austenite in the weld metal also satisfies the conditions specified by the present invention, no cold cracking occurred.
[0053]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a joined body made of a weld metal free from defects such as blow holes and cold cracks in joining of steel materials by laser welding. As a result, it is possible to provide a bonding technique with high reliability as well as productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a procedure of laser welding and a welding situation in Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
1: Base material 2: Filler material (thin film)
3: Laser extraction nozzle 4: Laser beam

Claims

In the joined body of steel materials integrated by laser welding, 30% or more of the weld metal in the joined body is occupied by the austenite structure, and N of 360 to 540 ppm is contained in the weld metal in a mass ratio. A laser welded joint of steel materials characterized by the above.