JP4461587B2

JP4461587B2 - 薄鋼板のガスシールドアーク溶接方法

Info

Publication number: JP4461587B2
Application number: JP2000238803A
Authority: JP
Inventors: 倫正池田; 功一安田; 浩矢沢
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP2002045963A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力薄鋼板のガスシールドアーク溶接に係り、特に、疲労特性に優れた隅肉溶接継手を形成するためのガスシールドアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車車体などの鋼製の軽構造物において、その軽量化を図るために、より高強度の薄鋼板が使用される傾向にある。そして自動車などの振動を伴う環境で使用される構造物においては、通常の静的な引張強度のほか、十分な疲労強度も具備することが必要である。
ところが、高張力鋼板のガスシールドアーク溶接継手においては、静的な引張強度は鋼板の引張強度の増大とともに増すのに対して、疲労強度は鋼板の疲労強度の増大に応じて増加はしないという大きな問題が指摘されている。そのため、より高い疲労特性を有する溶接継手が得られる高張力薄鋼板のガスシールドアーク溶接方法の確立が要請されている。
【０００３】
ところで、溶接継手の疲労特性を向上するためには、一般に、溶接止端部の曲率半径を大きくし、溶接止端部での応力集中を低減することが有効であることが知られている。
このような観点の下に、特開平８−２５０８０号公報には、溶接ワイヤの化学組成および溶接電圧を規定することにより、溶接ビード止端部の曲率半径を大きくして隅肉溶接部の疲労特性を向上する溶接方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者らが、板厚1.0 mm以上、引張強さ590MPa以上の高張力薄鋼板を重ね隅肉ガスシールドアーク溶接について詳細に調査したところ、単に溶接ワイヤの化学組成や溶接電圧のみを規定しただけでは、溶接継手の疲労強度を十分に確保できない場合があることがわかった。
そこで本発明は、板厚1.0 mm以上、引張強さ590MPa以上の高張力薄鋼板の重ね隅肉ガスシールドアーク溶接において、疲労特性に優れた隅肉溶接継手を確実に達成するための溶接方法を提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、発明者らは、薄鋼板の重ね隅肉継手の溶接ビード止端部形状に及ぼす溶接金属化学組成の影響について鋭意検討した。その結果、溶接ビード止端部の曲率半径は溶接ワイヤ化学組成に直接依存するのではなく、溶接金属化学組成を適正範囲に制御すれば大きくなり、継手疲労強度が向上することを見いだした。また、溶接金属への鋼板希釈率を制限することも、溶接継手の静的引張強さ及び疲労強度を確保するために有効であることを見いだした。
【０００６】
本発明は、このような知見に基づいて完成したものであり、その要旨構成は次のとおりである。
（１）板厚１．０ｍｍ以上、引張強さ５９０ＭＰａ以上の高張力薄鋼板を重ね隅肉溶接するに際し、溶接金属の含有成分が、ｍａｓｓ％で、下記（１）、（２）および（３）式を満たし、かつ、溶接金属中への鋼板希釈率（溶接金属に占める鋼板溶融部の比率）を４０％以上８０％以下となるように、溶接ワイヤおよび／または溶接条件を設定することを特徴とする、ガスシールドアーク溶接方法。
記
０．３０≦Ｃ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４≦０．５５・・・（１）
０．１０≦Ｃ％＋４Ｓ％＋２Ｏ％≦０．３５・・・（２）
１．６≦Ｓｉ％＋Ｍｎ％＋４Ｔｉ％＋２Ａｌ％≦３．２・・・（３）
【０００８】
（２）上記５９０ＭＰａ以上級高張力薄鋼板が、ｍａｓｓ％でＣ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．０１〜２．００％、Ｃｒ：０．０１〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選ばれる少なくとも１種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる組成であることを特徴とする、上記（１）に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明において対象とする鋼板は、板厚1.0 mm以上、引張強さ590MPa以上の高張力薄鋼板とする。その理由は、疲労特性が懸念されるガスシールドアーク溶接継手は、引張強さ590MPa以上の高張力薄鋼板を溶接してなる溶接継手であるからである。引張強さ590MPa未満の薄鋼板の場合には、溶接継手における疲労特性の劣化がとくに問題になることはない。
また、鋼板板厚が1.0mm 未満では、ガスシールドアーク溶接での隅肉溶接時に溶け落ちが生じやすく、溶接ビード止端部形状の改善は難しくなる。このため、本発明では鋼板板厚を1.0 mm以上に限定した。
【００１０】
次に、本発明で対象とする引張強度590MPa以上級高張力薄鋼板の好適な化学組成について説明する。なお、本発明において、薄鋼板、溶接金属の含有量を表す％はすべて質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.04〜0.15％
Ｃは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を得るために0.40％以上含有するのが望ましい。一方、0.15％を超える含有は、プレス成形性の指標である伸びおよびｒ値を低下させる。このため、Ｃは0.04〜0.15％の範囲とするのが好ましい。
【００１１】
Si：0.3 〜2.0 ％
Siは、脱酸材として不可欠な元素であるが、0.3 ％未満の含有では、その効果が発揮されず、ピットやブローホールなどの欠陥が発生する。一方、2.0 ％を超えると、高Siスケールによる表面品質の劣化が著しくなる。このため、Siは0.3〜2.0 ％の範囲とするのが好ましい。
【００１２】
Mn：1.0 〜3.0 ％
Mnは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を得るためには1.0 ％以上含有するのが望ましい。一方、3.0 ％を超えると、鋼板硬さが過度に上昇して、伸びおよびｒ値が低下する。このため、Mnは、1.0 〜3.0 ％の範囲とするのが望ましい。
【００１３】
Ｐ：0.05％以下
Ｐは、鋼板の延性を劣化させるとともに表面処理性を劣化させる。このため、できるだけ低減するのが好ましいが、0.05％までは許容できる。
【００１４】
Ｓ：0.05％以下
Ｓは、少ないほど鋼中の析出物が減少し、加工性が向上する。このＳ含有量は0.05％までは大きな悪影響を及ぼさないので許容できる。
【００１５】
薄鋼板の化学組成は上述した元素を基本含有成分として、必要に応じて、さらに以下の元素のうちの１種以上を含有することができる。
Ni：0.01〜2.00％
Niは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を得るために本発明では0.01％以上含有するのが望ましい。一方、含有量の上限は経済性を考慮して、2.00％以下とする。このため、Niは0.01〜2.00％の範囲とするのが望ましい。
【００１６】
Cr：0.01〜1.00％
Crは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を得るために0.01％以上含有するのが望ましいが、1.00％を超えると経済性の上で不利となる。このため、Crは0.01〜1.00％の範囲とするのが望ましい。
【００１７】
Mo：0.01〜1.00％
Moは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を得るために0.01％以上含有するのが望ましいが、1.00％を超えると経済性の上で不利となる。このため、Moは0.01〜2.00％の範囲とするのが望ましい。
【００１８】
Cu：0.01〜0.50％
Cuは、鋼板および溶接金属において防食効果を発揮する元素であり、0.01％以上含有することが望ましい。一方、含有量が0.50％を超えると、防食効果が飽和するほか、高温割れが生じるようになる。このため、Cuは0.01〜0.50％の範囲とすることが望ましい。
【００１９】
Ti：0.01〜0.50％
Tiは、TiC を形成して、初期γ粒を微細化し、さらには、変態および再結晶時の粒成長を抑制する元素である。鋼板平均結晶粒を微細化させるためには0.01％以上含有するのが望ましいが、0.50％を超えると経済性の上で不利となる。このため、Tiは、0.01〜0.50％の範囲とするのが望ましい。
【００２０】
Al：0.005 〜0.10％
Alは、鋼の脱酸のために必要な元素であり、0.005 ％未満の含有では十分な脱酸効果を確保することができない。一方、0.10％を超えると、クラスター状の介在物が多くなり、加工性を劣化させる。このため、Alは、0.01〜0.10％の範囲とするのが望ましい。
【００２１】
Nb：0.01〜0.10％
Nbは、鋼の強度を増加させる元素であり、溶接熱影響部での軟化を抑制する効果があるが、0.01％未満では期待する効果が十分には発揮されない。一方、0.10％を超えて含有すると、溶接熱影響部が過度に硬化するために溶接割れが生じる。このため、Nbは0.01〜0.10％の範囲とするのが望ましい。
【００２２】
Ｂ：0.0005〜0.0100％
Ｂは、鋼の強度を微量添加で増加させる元素であり、所望の強度を得るために0.0005％以上含有するのが望ましい。一方、0.0100％を超えて含有すると、溶接性が劣化する。このため、Ｂは0.0005〜0.0100％の範囲とするのが望ましい。
【００２３】
本発明を適用するに好適な鋼板は、上記成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物とする。
上述した強度と板厚の高張力薄鋼板をガスシールドアーク溶接法により、重ね隅肉継手を作製する。この重ね隅肉継手の溶接金属は、(1) 、(2) および(3) 式を満足する必要がある。
0.30≦Ｃ％＋Si％／24＋Mn％／６＋Ni％／40＋Cr％／５＋Mo％／４≦0.55… (1)
0.10≦Ｃ％＋４Ｓ％＋２Ｏ％≦0.35 … (2)
1.6 ≦Si％＋Mn％＋４Ti％＋２Al％≦3.2 … (3)
【００２４】
溶接金属のＣ％＋Si％／24＋Mn％／６＋Ni％／40＋Cr％／５＋Mo％／４（以後、Ｃeqで表す）が、0.30％未満では、溶接金属の引張強さが低くなるために、溶接継手の引張強さが鋼板の引張強さよりも低くなる。一方、Ｃeqが0.55％を超えると、溶接金属の延性が低下するとともに、溶接割れも生じやすくなる。このため、溶接金属のＣeqは(1) 式を満足するように調整する必要がある。
【００２５】
溶接金属のＣ％＋４Ｓ％＋２Ｏ％が、0.10％未満では、溶接中のアーク直下の溶融池の粘性が大きくなるため、溶接ビード止端部で鋼板とのなじみが悪くなり、止端部曲率半径が小さくなることにより継手疲労強度を劣化させる。また、この値が0.35％を超えると、表面張力の温度勾配ｄγ／ｄＴが負となるため、溶接中のアーク直下の溶融池表面流が放射流から求心流となり、溶接ビードは深溶け込みの凸形ビードとなること、さらには、溶融池の粘性が小さくなり過ぎるため、アーク力により溶鋼が溶融池後方に押しやられて凸形ビードとなること、の２点により溶接ビード止端部での曲率半径は小さくなり継手疲労強度は劣化する。このため、溶接金属のＣ％＋４Ｓ％＋２Ｏ％を(2) 式を満足するように調整する必要がある。
【００２６】
溶接金属のSi％＋Mn％＋４Ti％＋２Al％が、1.6 ％未満では、溶接アーク状態が不安定になり、溶接作業性が劣化するとともに、溶接ビード形状が不規則となり、溶接止端部での曲率半径は小さくなり継手疲労強度は劣化する。一方、この値が3.2 ％を超えると、溶接金属の延性が低下するとともに、溶接割れが生じやすくなる。このため、溶接金属のSi％＋Mn％＋４Ti％＋２Al％を(3) 式を満足するように調整する必要がある。
【００２７】
また、重ね隅肉溶接の際に、溶接金属中への鋼板希釈率（溶接金属に占める鋼板溶融部の比率）は40％以上80％以下とすることが好ましい。
なお、鋼板希釈率は次のように決定する。すなわち、溶接前の鋼板形状を記録した後に溶接を実施し、溶接部の断面部をエッチングすることにより形状測定し、図1 に示す各領域を算出する。Ａは溶接金属に含まれる下板の溶融領域、Ｂは溶接金属に含まれる上板の溶融領域、Ｃは溶接金属がＡおよびＢの領域を除いた領域、Ｄは鋼板の溶融領域でかつ溶接金属と重ならない領域である。さらに、溶接金属に含まれる鋼板溶融比率を (Ａ＋Ｂ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ) で算出し、パーセントで表示した値を鋼板希釈率とする。
【００２８】
溶接金属中への鋼板希釈率が40％未満では、溶接ビード断面の溶け込み形状が浅くなり溶接継手の静的引張強さが鋼板強さよりも低下する。一方、鋼板希釈率が80％を超えると、溶け込み形状が深くなりすぎ、鋼板が溶け落ちるあるいは鋼板が大きく変形するなどの欠陥が溶接継手部に生じ、静的引張強さの低下および疲労強度の低下が生じる。このため、溶接金属中への鋼板希釈率が40％以上80％以下であることが好ましい。溶接方法としては、ガスシールドアーク溶接のうち、ＭＡＧ溶接、CO_２アーク溶接いずれも好適であるが、なかでもＭＡＧ溶接が好ましい。
【００２９】
溶接金属への鋼板希釈率は、溶接条件 (鋼板成分およびワイヤ成分) によって変化する。すなわち、溶接速度が遅くなるほど、また、溶接電流が大きくなるほど、溶融部の形状は大きくなり、鋼板の希釈率も大きくなる傾向となる。なお、鋼板成分およびワイヤ成分による溶融部形状の変化によっても希釈率は変化するため、各溶接において断面形状を観察することにより、希釈率を確認して最適な条件を設定することが好ましい。
また、溶接金属成分は、鋼板成分、ワイヤ成分および鋼板希釈率によって変化するが、板厚５mm以下の薄鋼板を希釈率４０％以上８０％以下で溶接する場合は、鋼板成分の影響が比較的大きくなるため、前述した(1) ，(2) および(3) 式を満足するためには、鋼板成分を調整することが最も重要である。ただし、ワイヤ成分によっても溶接金属成分は変化するため、各溶接において溶接金属成分の分析を行い、溶接金属成分が(1) ，(2) および(3) 式を満足することを確認することが、溶接継手の疲労強度を改善するためには好ましい。
【００３０】
【実施例】
表１に示す高張力薄鋼板（板厚3.0mm)を、表２に示す1.2 mmφの溶接ワイヤおよびガスシールドアーク溶接条件を用いて、重ね隅肉溶接継手を作製した。作製した溶接継手から疲労試験片を採取し、静的な引張特性および疲労特性を調査した。
引張特性は、継手の破断強度が鋼板の引張強さ以上となる場合を○、それ以外を×として評価した。疲労特性は、単軸引張疲労試験により実施し、10^７回の繰り返し荷重を負荷した場合に破断しない下限値を疲労限とし、継手の疲労限が鋼板の疲労限の12％以上となる場合を○、それ以外を×として評価した。
得られた結果を表３および表４に示す。発明例は、溶接継手部の引張特性および疲労特性が評価○となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、引張特性および／または疲労特性が劣っている。
【００３１】
以上の実施例においては、鋼板の化学組成、溶接ワイヤの化学組成、溶接速度を変化させることにより溶接金属組成、鋼板希釈率を制御しているが、溶接対象となる鋼板の厚さ等を考慮して、溶接電圧、溶接電流等、通常の方法を用いて制御することは差し支えない。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明により、板厚1.0 mm以上、引張強さ590MPa以上の高張力薄鋼板のガスシールドアーク溶接において、特に、疲労特性に優れた隅肉溶接継手の製作が確実に可能なガスシールドアーク溶接方法を提供することができるようになった。したがって、本発明は、高張力薄鋼板を使用する産業分野の発展に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板希釈率の定義を説明する、ビード止端部の模式図である。

Claims

板厚１．０ｍｍ以上、引張強さ５９０ＭＰａ以上の高張力薄鋼板を重ね隅肉溶接するに際し、溶接金属の含有成分がｍａｓｓ％で、下記（１）、（２）および（３）式を満たし、かつ、溶接金属中への鋼板希釈率（溶接金属に占める鋼板溶融部の比率）を４０％以上８０％以下となるように、溶接ワイヤおよび／または溶接条件を設定することを特徴とする、ガスシールドアーク溶接方法。
記
０．３０≦Ｃ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４≦０．５５・・・（１）
０．１０≦Ｃ％＋４Ｓ％＋２Ｏ％≦０．３５・・・（２）
１．６≦Ｓｉ％＋Ｍｎ％＋４Ｔｉ％＋２Ａｌ％≦３．２・・・（３）
上記５９０ＭＰａ以上級高張力薄鋼板が、ｍａｓｓ％でＣ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．０１〜２．００％、Ｃｒ：０．０１〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選ばれる少なくとも１種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる組成であることを特徴とする、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接方法。