JP4046324B2

JP4046324B2 - Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接方法

Info

Publication number: JP4046324B2
Application number: JP2002252571A
Authority: JP
Inventors: 淳黒部; 博朝田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004090017A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
重ねすみ肉継手でＺｎ系めっき鋼板をアーク溶接する場合には、被溶接材であるＺｎ系めっき鋼板間に溶接ワイヤを供給しながら加熱して接合している。その溶接法としては、ＭＡＧ法，ＭＩＧ法などがある。
Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接した際には、被溶接材であるＺｎ系めっき鋼板をアークで加熱した態様になるので、表面のめっき層が蒸気化して、その蒸気が溶融部に入り込み、溶融部表面から抜け出せない蒸気がブローホールとして溶接部内に残存することがある。特に図１に示すような重ねすみ肉継手溶接の際に、溶接部表面５から抜け出せない蒸気３がブローホール８となって溶接部７内に多く残りやすくなる。
【０００３】
ブローホール８の発生を抑制するために、種々の方法が提案されている。
例えば、特開平４−５９１７２号公報では、アーク溶融部を電流波形や磁界により振動・攪拌してブローホールを溶融部から凝固する前に排出する方法が提案されている。しかし、この方法では、電流波形の制御装置や磁界発生装置を新たに設置する必要があり、設備コストが増加すると言う問題がある。
また、特開平６−２１６２号公報では、めっき付着量を制限してめっき層の蒸発量を低減するアーク溶接方法が提案されている。しかし、この方法では、被溶接材自体の耐食性が低下することから、溶接部以外にも耐食性を確保するために何らかの皮膜を被覆する必要があり、工程の増加や被覆材により製造コストが増加するという問題がある。
さらに、特開平７−２３２２９４号公報では、アーク溶接時の溶接ワイヤ成分やシールドガス成分を規定した方法が提案されている。しかし、この方法では、めっきの種類によっては溶接金属の流動性が悪化して溶接ビード外観が粗悪になるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｚｎ系めっき鋼板を重ねすみ肉継手でアーク溶接により接合する際、ブローホール発生の抑制のために種々の方法が提案されていることは前記した通りである。しかし、それらの方法には様々な問題がある。しかも、完全にブローホールを消滅させることはできない。
ブローホールの発生は溶接部の接合面積を減少させることになるので、ブローホールの発生量が溶接部の強度に大きく影響することになる。しかし、ブローホールが少しでも発生すると必ず溶接部の接合強度が低下すると言うものではない。一定量以上で溶接部の接合強度低下を招くが、そのブローホール発生量は明確になっていない。
そのため、極力ブローホールが発生しない接合方法の開発に注力したり、ブローホールが発生した場合にその都度、引張せん断試験などの機械的な試験で溶接部の接合強度を確認して、最適溶接条件を把握するのが現状であり、多くの時間と費用を要するという問題がある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｚｎ系めっき鋼板を重ねすみ肉継手でアーク溶接により接合する際に、ブローホールが発生しても、予め溶接金属自体の強度を確認しておき、溶接部ののど厚寸法を調整することにより、所定値以上の接合強度が得られるＺｎ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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のめっき鋼板のアーク溶接方法は、その目的を達成するため、Ｚｎ系めっきを施しためっき鋼板を重ねすみ肉継手でアーク溶接により接合する際に、予め求まる溶接金属自体の引張強さ（Ｗｓ）と、下記（２）式の関係から予め求まる溶接する長さに対する溶接線方向のブローホール長さの積算値との比率（Ｂｒ）から、下記（１）式の関係を満たす溶接部ののど厚寸法（ｔ _ｎ）を確保するように溶接することを特徴とする。
Ｔ＝Ｗｓ・ｔ_ｎ・（１−Ｂｒ）・Ｌｗ ≧ Ｔｓ・ｔ・Ｌｗ・・・（１）
Ｂｒ＝Ａ・ｔ_ｄ／（１＋Ｇ）・・・・・・・・・・（２）
ただし、Ｔは溶接部の接合強度（単位［Ｎ］、以下同様），Ｗｓはブローホールがない部分の溶接金属自体の引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２），Ｔｓは被溶接材の引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２），ｔ_ｎは溶接部ののど厚寸法（ｍｍ），ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ），Ｂｒは溶接する長さに対する溶接線方向のブローホール長さの積算値との比率，Ｌｗは溶接ビードの長さ（ｍｍ），Ａは溶接ワイヤ成分やシールドガス種類、流量などで決まる定数，ｔ_ｄはめっき層の厚さ（ｍｍ），Ｇは重ね合わせた被溶接材間の板間隙間（ｍｍ）である。
なお、溶接金属自体の引張強さ：Ｗ_ｓとは、溶接ワイヤや溶接棒自体の強度ではなく、これらの溶接材料を使用してブローホール等の欠陥発生がないように溶融溶接した後、欠陥のない部分の強度のことである。最適溶接条件で得られた溶接部から試験片を切り出し、機械的試験を行って、溶接ワイヤや溶接棒毎に予め求めたものである。
【０００６】
【実施の態様】
Ｚｎ系めっき鋼板を重ねすみ肉継手でアーク溶接により接合する際に、ブローホールの発生を完全になくすことは困難であるため、溶接部の接合強度に影響を及ぼさないブローホール発生量およびブローホールの形態を明確にする必要がある。
そこで、本発明者等は、Ｚｎ系めっき鋼板の重ねすみ肉継手を図１に示したアーク溶接で接合し、ブローホールの発生状況および溶接部の接合強度に影響するブローホールの形態について検討した。
その結果、Ｚｎ系めっき鋼板１を溶接トーチ９からのアーク６と溶接ワイヤ１０で溶接すると、Ｚｎ系めっき鋼板１の重ね部分１１よりＺｎ系めっき層２の蒸気３が溶融部４の表面５に向かって上昇していき、表面５から抜け出せない蒸気３がブローホール８として溶接部７内に残存していた。
【０００７】
Ｚｎ系めっき層２の蒸気３の挙動が前記のような状態であるため、ブローホール８の発生位置は溶接部７ののど厚の位置に相当し、形状は、ほとんど溶接部７ののど厚方向に細長い楕円形状となっていた。溶接部７ののど厚方向におけるブローホール８の長径がブローホール８間で大差がないことがわかった。また、溶接部７ののど厚も溶接された領域において大差がなかった。
ブローホール８がない場合の溶接部７の接合強度は、溶接部７自体の引張強さＷｓとのど厚方向の断面積で決まるが、ブローホール８が発生した場合は前記の断面積からブローホール８の断面積を差し引いた値にしなくてはならない。つまり、ブローホール８が発生した場合の溶接部７の接合強度は、溶接部７自体の引張強さＷ_sに溶接部７ののど厚方向の断面積を乗じた値に、溶接部７ののど厚方向の断面積とブローホール８の断面積との比率を乗じることで得られる。溶接部７ののど厚方向の断面積とブローホール８の断面積との比率は、溶接部７ののど厚方向のブローホール８の長さやのど厚が溶接された領域内で大差がないことから、図２に示すように、溶接部７の表面から測定した溶接線１２方向の各ブローホール長さＬ₁，Ｌ₂，・・・Ｌ_nの積算値と溶接線１２の溶接ビードの長さＬ_wとの比率で算出することができる。なお、この比率をブローホール占有率Ｂ_rと称することとする。
【０００８】
ところで、ブローホール８は、Ｚｎ系めっき層の厚みｔ_dが大きいほど、重ね合わされたＺｎ系めっき鋼板１間の隙間Ｇが小さいほど多く発生する。また、Ｚｎ系めっき層２の蒸気３の溶融部４からの抜け出しやすさは、溶接ワイヤ１０の成分やシールドガスの種類，流量などに左右される。
つまり、ブローホール占有率Ｂ_rは、Ｚｎ系めっき層の厚さｔ_d，重ね合わされためっき鋼板１間の隙間Ｇ，溶接ワイヤ１０の成分，シールドガスの種類，流量などで決まることになる。
すなわち、Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層の厚みｔ_dと重ね合わされたＺｎ系めっき鋼板１間の板間隙間Ｇに対する定性的な関係は図３に示すようになる。図３において、定性的な関係を示す直線の傾きは、使用する溶接ワイヤの成分，シールドガスの種類，流量などで決まる係数Ａに左右される。
【０００９】
そこで、重ねすみ肉溶接継手するＺｎ系めっき鋼板と使用する溶接ワイヤ、およびシールドガスを用い、予め、めっき層２の厚みｔ_dおよび板間隙間Ｇを種々変更した予備溶接実験を行ってブローホール占有率Ｂ_rを測定し、図３の関係を参酌して、下記（２）式から係数Ａを求めた。
Ｂ_r＝Ａ・ｔ_d／（１＋Ｇ）・・・（２）
ただし、ｔ_dはめっき層の厚さ（ｍｍ），Ｇは重ね合わせた被溶接材間の板間隙間（ｍｍ）である。
【００１０】
実際にＺｎ系めっき鋼板を重ねすみ肉継手溶接した際の溶接部接合強度Ｔは、溶接部７の断面積からブローホール８の断面積を差し引いた値にしなくてはならない。
そして、溶接部７の接合強度Ｔが被溶接材の強度Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w以上となるには、以下（１）式を満足することが必要である。
Ｔ＝Ｗ_s・ｔ_n・（１−Ｂ_r）・Ｌ_w≧Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w ・・・（１）
ただし、Ｔは溶接部の接合強度，Ｗ_sはブローホールがない部分の溶接金属の引張強さ，Ｔ_sは被溶接材の引張強さ，ｔ_nはのど厚寸法，ｔは被溶接材の板厚，Ｂ_rは溶接した長さに対する溶接線方向のブローホール長さの積算値との比率で、ブローホール長さは溶接部表面より測定した値，Ｌ_wは溶接ビードの長さである。
この関係を満たすようなのど厚寸法ｔ_nになるように、アーク電流，アーク電圧および溶接速度などを調整しながら溶接すると、接合強度が十分な重ねすみ肉溶接継手が得られる。
【００１１】
なお、溶接部７自体の引張強さＷ_sは、ブローホールが発生しにくい単板でのビードオンプレート溶接を用い、溶接条件を種々変更してブローホール８が発生していない試験片を作製して機械的試験を行って予め求めておけばよい。
【００１２】
【実施例】
実施例１：
板厚が２．３ｍｍでめっき層２の厚みｔ_dが１５μｍ，引張強さＴ_sが４４７Ｎ／ｍｍ²のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっき鋼板１を用い、図１に示した重ねすみ肉継手のＭＡＧ溶接を行った。溶接条件は、溶接電流：１５０Ａ，アーク電圧：２０Ｖ，溶接速度：０．４ｍ／ｍｉｎであり、溶接ビード長さＬ_wを３００ｍｍとした。シールドガスはＡｒ−１０％ＣＯ₂ガスを、流量１５ｌ／ｍｉｎにして用い、溶接ワイヤ１０としてＹＧＷ１４を用いた。その際の溶接金属自体の引張強さＷ_sは、４５５Ｎ／ｍｍ²であった。
ブローホール占有率Ｂ_rは、前記の溶接条件で板間隙間Ｇを０ｍｍ，０．２ｍｍ，０．４ｍｍ，０．６ｍｍにしてＭＡＧ溶接し、溶接部７の表面からＸ線撮影した写真から測定した溶接線１２方向の各ブローホール８の長さＬ₁，Ｌ₂，・・・Ｌ_nと溶接ビードの長さＬ_wより算出した。一方、（２）式から板間隙間Ｇに対する係数Ａを算出した。その結果、めっき層厚みｔ_d，板間隙間Ｇに応じて定数Ａおよびブローホール占有率Ｂ_rは表１に示す値となった。また、板間隙間Ｇとブローホール占有率Ｂ_rの関係は図４に示す通りとなった。
表１の値と溶接金属自身の引張強さＷ_s，被溶接材の各諸元を（１）式に代入すると、溶接部７の接合強度Ｔが被溶接材の強度Ｔ_s・ｔ・Ｌ_wとなる、つまり強度比Ｒ｛Ｔ／（Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w）｝が１以上となるのど厚寸法ｔ_nは、各ブローホール占有率Ｂ_rとの関係で図５に示す関係となった。
【００１３】

【００１４】
上記溶接条件での実際の溶接部７ののど厚寸法ｔ_nは３．２ｍｍであり、溶接ビードの長さＬ_w中で均一であったことから、そののど厚寸法ｔ_nを用い、（１），（２）式により溶接部７の接合強度Ｔを求めると図６の実線で示す傾向となった。ここで、図５に示したようにブローホール占有率Ｂ_rが３０％以下では、のど厚寸法ｔ_nが３．２ｍｍ以下で強度比Ｒが１以上となるため、ブローホール占有率Ｂ_rが３０％以下での溶接部７の接合強度Ｔは被溶接材の強度Ｔ_s・ｔ・Ｌ_wの値とした。
各板間隙間Ｇで作製した溶接サンプルより平行部幅２５ｍｍの試験片を切り出して引張せん断試験を行ったところ、図６の丸印プロット値となり、（１），（２）式より求めた溶接部７の接合強度Ｔとよく一致した。
【００１５】
これにより、溶接ワイヤ１０やシールドガス種類，流量などが決まれば、のど厚寸法ｔ_nを測定するだけで溶接部７の接合強度Ｔを求めることができ、数多くの試験片を機械的試験する必要がない。このため、非常に短い時間で所定の接合強度Ｔが得られるアーク電流，アーク電圧などの溶接条件を把握してＺｎ系めっき鋼板の重ねすみ肉継手溶接を行うことができた。
また、図５の関係からブローホール占有率Ｂ_rに応じて、すなわち表１にもどり板間隙間Ｇ（０ｍｍ，０．２ｍｍ，０．４ｍｍ，０．６ｍｍ）に応じて、強度比Ｒ｛Ｔ／（Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w）｝が１以上になるようなのど厚寸法ｔ_n（４．８ｍｍ，３．２ｍｍ，２．６ｍｍ，２．３ｍｍ）を確認し、その厚さ以上ののど厚が得られるようにアーク電流，アーク電圧あるいは溶接速度などを調整して溶接作業を行えば良いことがわかる。
【００１６】
比較例１：
板間隙間Ｇを０ｍｍから０．６ｍｍまで０．０５ｍｍ間隔で設定し、その他の条件は実施例１と同じにして、各板間隙間Ｇでの溶接サンプルを作成した。それらの溶接サンプルから平行部幅２５ｍｍの試験片を切り出して引張せん断試験を行った。その結果、図７に示すように図６で示した計算値と良く一致していたが、所定の接合強度Ｔが得られるアーク電流，アーク電圧などの溶接条件を得るために多大の時間を要した。
【００１７】
実施例２：
溶接金属自体の引張強さＷ_sが５００Ｎ／ｍｍ²となる溶接ワイヤ１０を用い、その他の条件は同じにしてＭＡＧ溶接を行った。
同様にブローホール長さを測定し、（２）式により計算すると、めっき層厚みｔ_d，板間隙間Ｇに対する係数Ａおよびブローホール占有率Ｂ_rは表２に示す値となった。また、板間隙間Ｇとブローホール占有率Ｂ_rの関係は図８に示す通りとなった。
表２の値と溶接金属自身の引張強さＷ_s，被溶接材の各諸元を（１）式に代入すると、溶接部７の接合強度Ｔが被溶接材の強度Ｔ_s・ｔ・Ｌ_wとなる、つまり強度比Ｒ｛Ｔ／（Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w）｝が１以上となるのど厚寸法ｔ_nは、各ブローホール占有率Ｂ_rとの関係で図９に示す関係となった。
【００１８】

【００１９】
上記溶接条件での実際の溶接部７ののど厚寸法ｔ_nは３．２ｍｍであり、溶接ビードの長さＬ_w中で均一であったことから、そののど厚寸法ｔ_nを用い、（１），（２）式により溶接部７の接合強度Ｔを求めると図１０の実線で示す傾向となった。ここで、図９に示したようにブローホール占有率Ｂ_rが３５％以下では、のど厚寸法ｔ_nが３．２ｍｍ以下で強度比Ｒが１以上となるため、ブローホール占有率Ｂ_rが３５％以下での溶接部７の接合強度Ｔは被溶接材の強度Ｔ_s・ｔ・Ｌ_wの値とした。
各板間隙間Ｇで作製した溶接サンプルより平行部幅２５ｍｍの試験片を切り出して引張せん断試験を行ったところ、図１０の丸印プロット値となり、（１），（２）式より求めた溶接部７の接合強度Ｔとよく一致した。
【００２０】
これにより、溶接ワイヤ１０やシールドガス種類，流量などが決まれば、のど厚寸法ｔ_nを測定するだけで溶接部７の接合強度Ｔを求めることができ、数多くの試験片を機械的試験する必要がない。このため、非常に短い時間で所定の接合強度Ｔが得られるアーク電流，アーク電圧などの溶接条件を把握してＺｎ系めっき鋼板の重ねすみ肉継手溶接を行うことができた。
また、図９の関係からブローホール占有率Ｂ_rに応じて、すなわち表２にもどり板間隙間Ｇ（０ｍｍ，０．２ｍｍ，０．４ｍｍ，０．６ｍｍ）に応じて、強度比Ｒ｛Ｔ／（Ｔ_s・ｔ・Ｌ_w）｝が１以上になるようなのど厚寸法ｔ_n（４．８ｍｍ，３．２ｍｍ，２．４ｍｍ，２．０ｍｍ）を確認し、その厚さ以上ののど厚が得られるようにアーク電流，アーク電圧あるいは溶接速度などを調整して溶接作業を行えば良いことがわかる。
【００２１】
比較例２：
板間隙間Ｇを０ｍｍから０．６ｍｍまで０．０５ｍｍ間隔で設定し、その他の条件は実施例２と同じにして、各板間隙間Ｇでの溶接サンプルを作成した。それらの溶接サンプルから平行部幅２５ｍｍの試験片を切り出して引張せん断試験を行った。その結果、図１１に示すように図１０で示した計算値と良く一致していたが、所定の接合強度Ｔが得られるアーク電流，アーク電圧などの溶接条件を得るために多大の時間を要した。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、めっき鋼板を重ねすみ肉継手アーク溶接する際に、ブローホールが発生しても、予め使用する溶接金属自体の引張強さと
ブローホール占有率を把握しておけば、すみ肉溶接部ののど厚のみを所定値以上になるように溶接条件を調整しながらアーク溶接するのみで、所望の接合強度を有する重ねすみ肉継手溶接が行える。
必要な溶接部接合強度を、溶接後の溶接部から測定して溶接条件を調整するに比べて格段に効率良く所定値以上の接合強度が得られる最適溶接条件を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ねすみ肉溶接継手の概略とブローホールの発生状況を説明する図。（ａ）のａ−ａ線が（ｂ）図、ｂ−ｂ線が（ｃ）図、ｃ−ｃ線が（ｄ）図。
【図２】ブローホール占有率の定義を説明する図。
【図３】Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層厚みと、ブローホール占有率や重ねすみ肉継手の板間隙間との定性的な関係を説明する図。
【図４】実施例１での、板間隙間量と定数Ａおよびブローホール占有率の関係を示す図。
【図５】実施例１での、ブローホール占有率の違いによるのど厚と強度比の関係を説明する図。
【図６】実施例１における、ブローホール占有率と接合強度の関係の計算値と実測値を表した図。
【図７】比較例１における、ブローホール占有率と接合強度の関係の実測値を表した図。
【図８】実施例２での、板間隙間量と定数Ａおよびブローホール占有率の関係を示す図。
【図９】実施例２での、ブローホール占有率の違いによるのど厚と強度比の関係を説明する図。
【図１０】実施例２における、ブローホール占有率と接合強度の関係の計算値と実測値を表した図。
【図１１】比較例２における、ブローホール占有率と接合強度の関係の実測値を表した図。
【符号の説明】
１：めっき鋼板２：めっき層３：蒸気４：溶融部
５：溶融部表面６：アーク７：溶接部８：ブローホール
９：溶接トーチ１０：溶接ワイヤ１１：めっき鋼板の重ね部分
１２：溶接線
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，・・・Ｌ_n：溶接線方向のブローホール長さ
Ｌ_w：溶接ビードの長さ

Claims

Ｚｎ系めっきを施しためっき鋼板を重ねすみ肉継手でアーク溶接により接合する際に、予め求まる溶接金属自体の引張強さ（Ｗｓ）と、下記（２）式の関係から予め求まる溶接する長さに対する溶接線方向のブローホール長さの積算値との比率（Ｂｒ）から、下記（１）式の関係を満たす溶接部ののど厚寸法（ｔ _ｎ）を確保するように溶接することを特徴とする、Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接方法。
Ｔ＝Ｗｓ・ｔ_ｎ・（１−Ｂｒ）・Ｌｗ ≧ Ｔｓ・ｔ・Ｌｗ・・・（１）
Ｂｒ＝Ａ・ｔ_ｄ／（１＋Ｇ）・・・・・・・・・・（２）
ただし、Ｔは溶接部の接合強度（単位［Ｎ］、以下同様），Ｗｓはブローホールがない部分の溶接金属自体の引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２），Ｔｓは被溶接材の引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２），ｔ_ｎは溶接部ののど厚寸法（ｍｍ），ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ），Ｂｒは溶接する長さに対する溶接線方向のブローホール長さの積算値との比率，Ｌｗは溶接ビードの長さ（ｍｍ），Ａは溶接ワイヤ成分やシールドガス種類、流量などで決まる定数，ｔ_ｄはめっき層の厚さ（ｍｍ），Ｇは重ね合わせた被溶接材間の板間隙間（ｍｍ）である。