JP4523755B2 - Manufacturing method of high fatigue strength fillet welded joint of high strength thin steel sheet - Google Patents

Manufacturing method of high fatigue strength fillet welded joint of high strength thin steel sheet Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に自動車の足回り部品の製作などに適用される薄鋼板の高疲労強度隅肉溶接継手の作製方法に関し、より詳しくは、引張強度が590MPa以上の薄鋼板の高疲労強度隅肉溶接継手の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
溶接鋼構造物の安全性および信頼性に重大な影響を与える疲労き裂は、溶接部に発生しやすいため、従来から溶接鋼構造物の溶接部の疲労特性を向上させる方法が種々検討されてきた。
【0003】
従来から溶接部のうちで最も疲労き裂が発生しやすい部位が溶接止端部であり、その主な原因が溶接止端部で発生しやすい引っ張りの残留応力と、溶接止端形状による応力集中であることが知られている。
【0004】
従って、従来の溶接継手の疲労特性の改善方法として、溶接後にTIGなめ付け溶接(化粧溶接)や研削等の機械加工などにより溶接止端形状を改善する方法、ピーニングなどにより溶接止端形状の改善と圧縮残留応力の導入を同時に行う方法などがあった。これら方法は、溶接線全線に対して処理しなければ継手全体としての疲労強度の確保ができず、作業負荷が大きくなり、経済的には好ましい方法ではない。最近では、ピーニングを行う際に超音波を用いるピーニング、すなわち超音波ピーニング技術について、例えば米国において多くの技術が開示されている(例えば特許文献1〜3)。この技術は、従来のピーニング方法に比べ、超音波を用いることによりピーニングの効率が大幅に改善されたものであり、これによりピーニング作業負荷の軽減が期待できる。しかし、溶接継手全体の疲労強度向上のためには、溶接線全線にわたってピーニング処理をしなければならないことにはかわりはなく、作業工程がその分増え、経済的負荷が増加するという問題は未可決のままである。
【0005】
一方、最近では、溶接金属の変態温度が低くなるように溶接で使用する溶接材料の成分を設計し、溶接時に変態に伴う体積膨張を利用し圧縮残留応力を導入することで溶接止端部の引張残留応力を低減させ、疲労特性を改善する技術が提案されている(例えば特許文献4。以降、このような溶接材料を総称して低温変態溶接材料と呼ぶ)。これによれば、低温変態溶接材料を用いて溶接して変態開始温度が170℃〜250℃の低温域で溶接金属をマルテンサイト変態させ、それによる体積膨張をさせることにより、その後の熱収縮起因の引張応力を相殺し室温での溶接止端部の引張残留応力を低減あるいは圧縮残留応力とする技術が開示されている。
【0006】
このような溶接金属の低温変態膨張を利用した技術は、主に溶接に使用する溶接材料の成分設計を変更するだけで継手の疲労強度が改善できるという点で上述の溶接後の後処理技術に比べて作業工程が少なく、その分人件費が節約できる経済的に優れた方法である。
【0007】
しかし、特許文献4などで開示される溶接金属の低温変態膨張を利用した技術は、大きく3つの問題がある。
【0008】
つまり、(1)溶接に用いる低温変態溶接材料は、変態温度を低下させるために高価な合金元素を多く添加しなければならず、その分溶接材料のコストが高い、(2)同じ合金元素を多く添加した理由により溶接施工時の作業性が悪くなり、作業効率劣化を招きそれだけ工作コストが高い、(3)低温域で変態開始するマルテンサイト変態の体積膨張を利用しているため室温での溶接金属がマルテンサイト主体の硬質組織となり、機械的特性、特に靭性が劣化する、などの点が挙げられる。
【0009】
このように、溶接金属の変態膨張を利用する方法や超音波ピーニング法には、まだ解決が望まれている問題点が存在し、これら問題を解決した高疲労強度溶接継手および溶接継手の疲労強度向上方法が強く望まれていた。
【0010】
【特許文献1】
US 6171415 B1
【特許文献2】
US 6338765 B1
【特許文献3】
US 2002/0014100 A1
【特許文献4】
特開平11−138290号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
溶接金属の変態開始温度を充分下げて疲労強度を向上させる技術は、特に新しい製造工程を必要とするわけではないためメリットが大きいが、作業性が悪い、高コストである、などの問題が現存している。一方、従来継手に対してピーニング処理をして疲労強度を向上させる方法は、全溶接線に対して実行しなければならず、製造コスト増加につながる方法である。
【0012】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、従来よりも溶接金属の変態温度が高い条件での変態膨張を利用して溶接継手の疲労強度を十分に向上させ、ピーニング処理を、ビード形状が乱れやすいスタート部分とクレーター部分に限定させることにより、従来低温変態のために必要であった高価な合金元素の添加量を大幅に低減させ、かつピーニング範囲を狭くすることにより従来よりも経済性および溶接金属の靭性に優れる、高強度薄鋼板の高疲労隅肉溶接継手の作製方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の技術的課題を解決するものであり、つまり、その要旨とするところは、次の通りである。
【0014】
(1) 板厚が1.0〜4.0mmで、かつ、引張強度が590MPa以上の高強度薄鋼板を用いた隅肉溶接継手の作製方法において、
該鋼板の下記式(1)で示される溶接部の拘束度(RF)を8000N/mm・mm以下とし、該溶接部における溶接金属の溶け込み深さを前記鋼板の板厚の1/3以下とし、該溶接金属を、変態開始温度が400〜600℃、かつ、引張強度が590MPa以上の溶接金属となるように、前記鋼板を隅肉溶接するに際し、
前記溶接金属の変態開始温度が475℃〜600℃の場合は前記拘束度(RF)を4000N/mm・mm以下とし、前記溶接金属の変態開始温度が400℃〜475℃未満の場合は前記拘束度(RF)を8000N/mm・mm以下として前記鋼板を隅肉溶接し、
その後さらに、該溶接部の溶接ビードのスタート部分およびクレーター部分の端部から10〜100mmの範囲にわたって、溶接止端部に超音波ピーニング処理を行うことを特徴とする、高強度薄鋼板の高疲労強度隅肉溶接継手の作製方法。
RF(N/mm・mm)=E(N/mm )・H(mm)/L(mm)・・(1)
上記式中において、RF:拘束度、L:中央に開先部を作製した試験片の両端を固定した場合の両固定端間の長さ、H:板厚、E:ヤング率を意味する。
【0015】
なお、前記溶接金属は、質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.1〜0.8%、Mn:0.4〜2.0%、P:0.03%以下、S:0.02%以下を含有し、必要に応じて、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、Ca、BおよびMgのうちの1種又は2種以上を合計量で0.001〜1.0%含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる溶接金属であることが好ましい。
【0016】
また、前記溶接金属は、質量%で、C:0.03〜0.2%未満、Si:0.1〜0.8%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Ni:2.0〜7.5%を含有し、必要に応じて、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、Ca、BおよびMgのうちの1種又は2種以上を合計量で0.001〜1.0%を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる溶接金属である場合も好ましい。
【0017】
また、前記超音波ピーニング処理方法として、周波数が20kHz〜60kHzの範囲内にある超音波を用いた方法を用いることが好ましい。
【0018】
また、前記超音波ピーニング処理を行なう際の、溶接部に衝撃を加える先端部分に、直径が1.5mm〜7.0mmの範囲内にあるピンを1本または複数本用い、かつ、ピン先端の硬度が、ビッカース硬さで450以上900以下であるピンを用いることが好ましい。
【0019】
また、前記超音波ピーニング処理の程度は、溶接止端部が鋼材表面より0.03mm以上かつ板厚の1/4以下へこむ程度が好ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【0021】
まず、本発明の技術思想について述べる。本発明の技術思想は大きく2つ存在し、第1の技術思想は、溶接金属の変態膨張を利用し溶接残留応力を低減する技術に関するものであり、第2の技術思想は超音波ピーニング処理に関するものである。初めに第1の技術思想について述べる。
【0022】
本発明は、従来のマルテンサイト変態開始温度が170〜250℃の低温変態溶材を用いた溶接方法、つまり、溶接時に比較的低温域での溶接金属の変態膨張を利用して溶接止端部に圧縮応力を発生させ、その圧縮応力を室温まで維持させることにより溶接止端部の引張残留応力を低減する方法と比べて、溶接金属の変態膨張を利用して溶接止端部に圧縮応力を発生させる点では同じであるものの、その変態開始温度が400〜600℃と相対的に高い溶接金属を用いる点が大きく異なる
【0023】
溶接における溶接部の残留応力の発生過程を考察すると、溶接後、溶接金属が凝固、冷却されてその変態開始温度になると、溶接金属は変態により体積膨張し、その周囲の母材熱影響部の反力との関係で溶接止端部に圧縮応力が発生する。
【0024】
この際、溶接金属の変態開始温度が高い場合は、溶接金属の変態による体積膨張が高温で発生するために、変態膨張終了後の冷却過程での熱収縮により溶接止端部には引張応力が発生し、室温まで冷却された時点での溶接止端部の残留応力は引張応力状態となる。そのため、従来の低温変態溶接材料を用いる溶接技術は、溶接金属の変態開始温度をできるだけ低温側(250℃以下)にすることにより、溶接金属の変態膨張終了時点から室温までの温度差を小さしてこの間の冷却・熱収縮量を低減し、室温で溶接止端部の残留応力を圧縮応力側に移行させることを技術思想とするものである。
【0025】
これに対し、本発明では、従来のように溶接金属の変態開始温度を低温域(250℃以下)にしなくても、つまり、変態開始温度が400℃〜600℃と非常に高い温度域で溶接金属の変態膨張が生じても、その変態膨張終了から室温までの冷却・熱収縮に起因して溶接止端部に発生する引張応力自体を抑制することにより、変態膨張時に溶接止端部で発生した圧縮応力を維持し、室温での溶接止端部の残留応力を圧縮応力側に移行させることを目的としている。
【0026】
さらに詳述すると、本発明は、(1)高温域での溶接金属の変態膨張開始から変態膨張終了までの間に、その変態に伴う体積膨張を利用して溶接止端部に圧縮応力を発生させるために、溶接金属および母材の引張強度を所定値以上確保するとともに、溶接金属の溶け込み深さを所定値以下に制限する。これにより、溶接金属の変態膨張に伴う体積膨張を溶接金属の下および周囲にある熱影響部を含む母材部で押さえ付け、溶接金属にはその変態膨張の拘束力により、また、溶接止端部には溶接金属の変態膨張の拘束力のために発生する反力として、圧縮の残留応力を導入する、(2)上記(1)のメカニズムにより圧縮応力が導入されて溶接金属の変態膨張が終了し、その後室温までの冷却・熱収縮過程において、熱収縮部分を拘束することなく自由収縮させることにより、熱収縮による溶接止端部での引張応力の発生を抑制する。これが可能であれば上記(1)により導入された圧縮応力が室温まで冷却しても保持される。そのためには、まず、板厚を所定値以下に薄くすることにより溶接金属の変態膨張終了までにその下部の熱影響部を含む母材に溶接熱の熱伝導を完了させる必要がある。これは、板厚方向の温度差をなくし、圧縮応力が生じている表面の溶接止端部が板裏面から拘束されないようにすることを意味する。板の表裏面の温度が同じならば、表裏面の熱収縮も同じになるため、表面は裏面から拘束されないのである。次に、溶接部の拘束度を所定値以下に低下させ、溶接金属が変態膨張終了してから生じる室温までの熱収縮を、できるだけ自由に発生させる必要がある。これにより、圧縮応力が生じている溶接止端部は、板裏面のみならず周囲からも拘束されない状態が実現する。このようなプロセスを経ることにより、溶接金属が変態膨張したときに発生した圧縮応力は、その後の熱収縮により引張応力に変わることなく、室温に冷却されるまで維持される。
【0027】
本発明における第1の技術思想は、このように比較的高温で生じる溶接金属の変態膨張に伴う圧縮応力を、板厚方向の温度差を小さくし、かつ拘束度を低減させることで室温まで維持させようというものである。
【0028】
発明における第2の技術思想は、溶接ビードのスタート部分とクレーター部分に対して、超音波ピーニング処理をほどこして、そこの部分の疲労強度を確保しようというものである。スタート部分およびクレーター部分は、ビード形状が乱れやすいという問題に加え、構造的にも応力集中しやすい部分である。そのため、本発明では、スタート部分とクレーター部分以外の溶接止端部については第1の技術思想を用いて疲労強度を確保し、スタート部分とクレーター部分については超音波ピーニング処理を用いて疲労強度を確保することにより、溶接継手全体としての高疲労強度を実現させている。このように、超音波ピーニング処理をスタート部分とクレーター部分近傍に限定することにより、超音波ピーニング作業の負荷をできるだけ低減させることが可能になる。
【0029】
本発明は、ピーニング処理として、超音波を用いたピーニングを用いることを特徴としている。超音波ピーニングを用いると、その分、ピーニング処理をする時間が短縮され、それだけメリットは大きい。本発明の本意は、できるだけ簡便な方法で疲労強度を向上させる技術の提供を目的としているため、超音波ピーニングを使用する意義は大きい。
【0030】
以下に、本発明の隅肉溶接方法およびそれを用いた溶接継手の構成およびその限定理由について説明する。
【0031】
(母材板厚1.0〜4.0mmの限定)
本発明が前提として母材板厚を限定した理由について述べる。
【0032】
本発明では、溶接時に溶接熱がすぐに被接合材の裏面まで伝達させるために、鋼材の板厚を薄くする。これは、溶接熱が裏面まで達した後では溶接金属は鋼材裏面から拘束を受けず、溶接金属の熱収縮と板裏面の熱収縮が同時に発生するためである。鋼材の板厚が厚くなるほど、溶接熱の伝達に時間がかかり、溶接金属が変態終了しても裏面まで溶接熱が伝わらないため、その変態終了後から室温まで冷却され熱収縮する過程で溶接金属はその下部の鋼材から拘束を受け、溶接止端部に引張応力が発生してしまう。
【0033】
本発明では、従来の低温変態溶材の変態温度に比べて200℃近く高い変態開始温度を有する溶接材料を用い、溶接金属の変態開始温度が600℃〜400℃と高く、その変態膨張が終了する温度も高い。そのため、このような高い温度領域から室温までの冷却で生じる溶接金属の熱収縮を抑制し、溶接金属の変態膨張により生成した溶接止端部での圧縮残留応力を室温まで保持しつづけるためには、少なくとも溶接金属の変態膨張が終了する時点で熱が裏面まで伝達していなければならない。
【0034】
また、変態開始温度のコントロールを低コストで実現するために高価な合金元素を減らしCを高めに添加した成分系の溶接材料を用いて溶接する場合には、溶接金属中のC量が高くなり、特に、鋼材板厚が厚い場合の突合せ凝固時に凝固割れが発生しやすい。
【0035】
この凝固割れの原因となる突合せ凝固は、鋼材板厚が厚くなると、鋼材そのものの熱容量が大きくなるため溶接熱が溶接ビードの幅方向に伝達されやすくなることによって発生する。そのため、高Cの成分系の溶接材料を用いて溶接する場合には、溶接金属の凝固割れ防止の意味からも鋼材板厚を薄くする必要がある。
【0036】
さらに、鋼材の板厚は、後述する拘束度を低下させる観点からも薄い方が有利である。溶接金属の熱収縮が受ける拘束は、鋼材の裏面からの拘束の他に、溶接継手の構造全体からも拘束を受けるが、この拘束を低減するためにも鋼材板厚を薄くすることは意味がある。
【0037】
鋼材の板厚が4.0mmを上回る場合は、溶接熱の裏面への伝達が遅くなり、溶接金属の変態終了時点で溶接熱が裏面まで伝わらず、その後の室温までの冷却、熱収縮過程で溶接金属が鋼材下部から拘束を受け、溶接止端部に引張応力が発生するため溶接継手の疲労強度が低下する。また、高Cの成分系の溶接材料を用いて溶接する場合には、溶接金属の凝固割れが発生する危険性が高くなる。さらには、溶接継手の構造との関係で決まる拘束度が高くなり、十分低い拘束度が得られない。
【0038】
一方、鋼材板厚が1.0mm未満に薄くなると、後述する溶接金属の溶け込み深さを板厚に対する相対値で制限することが難しくなるばかりではなく、溶接金属の変態膨張時に反力として作用する溶接金属直下の母材部分が少なくなり、溶接止端部への圧縮応力の導入が難しくなる。従って、本発明では、鋼材の板厚の上限を4.0mm、その下限を1.0mmとする。
【0039】
(拘束度4000N/mm・mm以下又は8000N/mm・mm以下の規定)
本発明で溶接継手の拘束度を限定した理由について述べる。
【0040】
溶接継手の拘束度は、従来は、溶接時に溶接部に生じる割れを評価するために一般に用いられていたパラメータであるが、本発明では、溶接金属の変態膨張終了後の冷却、熱収縮過程で溶接金属がその周囲からどれだけ強く拘束されているかを定量的にあらわす指標として採用した。
【0041】
一般に、拘束度(RF)は、溶接開先を単位長さだけ縮めるために必要な溶接線方向単位長さあたりで受ける荷重と定義され、中央に開先部を作製した試験片の両端を固定した場合の両固定端間の長さ(L)と、板厚(H)と、ヤング率(E)との関係から、開先幅が固定端間の距離(L)に対して十分小さい場合には、以下の(1)式で与えられる。
RF(N/mm・mm)=E(N/mm)・H(mm)/L(mm)・・・(1)
なお、拘束度(RF)の単位は、慣例上N/mm・mmと表現されている。
【0042】
(1)式の関係から、拘束度(RF)は、溶接時の鋼材の板厚(H)を薄くするか、又は、溶接継手構造によって決まる固定端間の距離(L)を長くすることにより低下させられる。実際の溶接施工において拘束度(RF)を調整する方法としては、拘束治具を工夫してその固定端の距離を変化させる方法や、溶接部材の設計に工夫を加え鋼板の板厚Hを変化させる方法などが考えられる。
【0043】
本発明では、溶接金属の変態膨張終了から室温までの冷却・熱収縮過程において、溶接金属の熱収縮が自由収縮に近い状態にし、溶接止端部での引張応力の発生を抑制するために、上述のように鋼材板厚の上限を4mm以下に規制するとともに、溶接金属の熱収縮時の周囲からの拘束状態の指標として拘束度(RF)の上限を以下のように規制する。
【0044】
先に述べた通り、溶接継手の疲労強度を向上することを目的とし、室温時の溶接止端部の残留応力を圧縮側に保持するためには、(1)溶接金属の変態膨張開始から変態膨張終了までの体積膨張時において、その膨張が拘束されることにより発生する応力とその周囲の母材熱影響部に生じる反力を確保し、溶接止端部に圧縮応力を発生させるとともに、(2)溶接金属の変態膨張終了から室温までの熱収縮時において、溶接金属の周囲からの拘束を小さくし自由収縮させることで溶接止端部での引張応力の発生を抑制することが必要である。このうち、拘束度の上限規制は、上記(2)の溶接金属の熱収縮における溶接止端部での引張応力の発生を抑制する作用を有し、溶接金属の変態開始温度が同じ条件では、拘束度の上限を低くすることにより、室温時の溶接止端部の残留応力は圧縮側に移行し、溶接継手の疲労強度は向上する。
【0045】
しかし、溶接金属の変態開始温度が高くなるとともに、上記(1)の溶接金属の変態膨張時の溶接金属に発生する応力と、その周囲の母材熱影響部に発生する反力が低下するため、溶接止端部で発生する圧縮応力は低下し、かつ、変態終了温度も高くなり室温との温度差が大きくなるため、上記(2)の溶接金属の熱収縮による溶接止端部での引張応力も増加する。その結果、上記(2)の作用により室温時の残留応力を圧縮側にするためには、溶接金属の変態開始温度の増加に応じて拘束度をより低下する必要がある。
【0046】
本発明では後述するように実用上、2種類の成分系の溶接材料を用いて溶接することにより、溶接金属の変態開始温度が475〜600℃と、400℃〜475℃未満の異なる2種類の変態開始温度条件で溶接を行うため、これらの変態開始温度に応じて拘束度の上限値を以下のように規定する。
【0047】
つまり、本発明で400℃〜600℃の変態開始温度のうちで、溶接金属の変態開始温度がより高い475〜600℃の場合は、拘束度の上限値を4000N/mm・mmとより低くし、変態開始温度が400℃〜475℃未満の場合は、拘束度の上限値を8000N/mm・mmとする。いずれの変態開始温度の上限値を超えた場合も、溶接金属の変態膨張終了後の熱収縮によって溶接止端部で発生する引張応力を低減する効果が不十分となり、室温時の残留応力を圧縮側にすることは困難となり、溶接継手の疲労強度を十分に向上できない。
【0048】
(溶接金属および鋼材の引張強度590MPa以上の規定)
本発明の前提として、溶接金属および鋼材の引張強度を限定した理由について述べる。本発明の前提技術では、溶接金属の変態開始温度が従来よりもかなり高い条件で溶接を行うため、溶接金属の変態膨張開始温度から変態膨張終了温度までの体積膨張過程における溶接金属およびその周囲の母材熱影響部の引張強度は、従来よりも相当低いものと考えられる。また、従来の低温変態溶接材料を用いた溶接では、溶接金属が合金成分の多い焼入れ性が高い成分系であり、マルテンサイト変態による体積膨張を利用するものであるため、溶接金属の変態膨張時にはマルテンサイトの硬質組織に起因して、変態膨張時に溶接金属の強度を十分確保することができる。しかし、本発明の高温変態溶接材料を用いた溶接では、低温変態溶接材料の場合に比べて、溶接金属は合金成分が少なく焼入れ性が低い成分系であり、従来技術における低温変態溶接材料を用いた場合に比べて変態膨張時の溶接金属の強度は低い。
【0049】
本発明では、先に述べた通り、板厚および拘束度の条件を制限することにより溶接金属の変態膨張終了から室温までの熱収縮時において発生する溶接止端部での引張応力を低減することが可能である。室温時の溶接止端部の残留応力を圧縮応力側にするためには、これに加えて、溶接金属の変態膨張開始から変態膨張終了までの体積膨張を利用し溶接止端部に十分な圧縮応力を発生するための、溶接金属の膨張が拘束されることにより発生する応力とその周辺の母材熱影響部に生じる反力を確保する必要がある。そのためには、それらに相当する溶接金属および鋼材の引張強度が確保されていなければならない。例えば、もし溶接金属の変態膨張時の温度域での溶接金属の引張強度が0となった場合には、溶接金属の変態膨張時には溶接金属は塑性変形し単に変態膨張が塑性歪に変化するだけであり溶接止端部での圧縮応力は0のままであり、仮に、その後、室温に冷却されるまで溶接金属の熱収縮を抑制し、この状態が保持されたとしても、溶接止端部を圧縮残留応力とすることはできない。
【0050】
以上のことを踏まえて、本発明では、溶接金属の変態による体積膨張を利用し溶接止端部に十分な圧縮応力を発生するための最低限の溶接金属に生じる応力とその周辺の母材熱影響部の反力を確保するため、溶接金属および鋼材の引張強度をそれぞれ590MPa以上とした。
【0051】
なお、本発明では、鋼材および溶接金属の引張強度の上限は特に規定する必要はなく、特に溶接金属はその変態開始温度の下限の規定によりその引張強度も制約される。しかし、鋼材および溶接金属の引張度を高くする場合には、鋼材および溶接金属に相当量の合金元素を添加する必要があるため、溶接部の靱性向上や製造コスト低減の観点から、好ましくは、鋼材および溶接金属の引張強度の上限値を980MPaとすることが望ましい。
【0052】
(溶接金属の溶け込み深さが鋼板の板厚の1/3以下の規定)
本発明で溶接金属の溶け込み深さを限定した理由について述べる。
【0053】
溶接金属の溶け込み深さが過度に大きい場合は溶接金属の変態膨張時にその下部の熱影響部を含む鋼材の反力が十分に得られず、溶接止端部での圧縮残留応力が小さくなるため疲労強度は十分に改善しない。例えば、図1に示すように溶接金属Wの溶け込み深さが大きい場合は、溶接金属の変態膨張時にAで示された未溶融部分が少なくなるため溶接金属の膨張をほとんど拘束することができず塑性変形し、溶接金属はほとんど自由に膨張してしまい、溶接止端部には圧縮残留応力が発生しない。これに対して、Aの未溶融部分の拘束に頼らずに、溶接継手の構造や拘束具などの拘束により、拘束度を高く維持して溶接する方法を用いると、溶接金属の変態膨張時には溶接止端部は圧縮応力状態になるものの、溶接金属の変態終了後から室温までの冷却による熱収縮で溶接止端部に引張応力が発生し、変態膨張時の圧縮応力を相殺する結果となるため有効な方法とはいえない。
【0054】
鋼材板厚が比較的厚い条件での溶接では、このような溶接金属の溶け込み深さによる溶接金属下部の母材拘束低下の問題はなくなる。しかし、先に述べた理由で、本発明では、溶接金属下部の母材の熱伝導性を確保するために、鋼材板厚を4mm以下に制限する。このため、このような板厚の薄い場合は、溶接金属の溶け込み深さを制限しなければ、溶接金属下部の熱影響部を含む母材の拘束が低下し、溶接止端部の圧縮残留応力を十分に発生できない。その結果、溶接継手の疲労強度を向上させることができない。
【0055】
本発明では、上記と同様な溶接金属の変態膨張時の下部未溶融部分の拘束を十分に確保するために溶接金属の溶け込み深さを鋼材板厚の1/3に規定する。ここで、溶け込み深さとは、溶接金属のうちで最も溶け込み深さが大きい、溶け込み深さの最大値を示すものであり、鋼材板厚とは、溶接する前の板厚である。
【0056】
(溶接金属の変態開始温度475〜600℃又は400〜475℃未満の規定)
接金属の変態開始温度の範囲を限定した理由について述べる。本発明における溶接金属の変態開始温度は、従来の溶接金属の変態に伴う体積膨張を利用した溶接継手の疲労強度向上技術とは大きく異なり、溶接金属の変態開始温度が従来に比べて200℃以上高い条件での溶接金属の変態膨張を利用するものである。本発明では、溶接金属の変態開始温度が非常に高いため、従来のような変態開始温度が低い条件での変態ではなく、マルテンサイト以外にもベイナイト変態又はフェライトパーライト変態による体積膨張を利用するものである。そのため、溶接継手の溶接金属は、従来のマルテンサイト主体の硬質組織よりも硬さが低いベイナイト変態又はフェライトパーライト主体組織となり、靭性が高い溶接金属が得られる。また、本発明では、溶接金属の変態開始温度が従来の低温変態溶接材料を用いた溶接に比べて非常に高い。そのため、溶接材料中に溶接金属の変態開始温度を低下させるために必要な高価な合金成分の添加量を低減できることから、従来に比べ溶接材料の製造コストを低減できる。
【0057】
しかし、一般に溶接金属や母材の強度は、温度が高くなるに従って低くなるため、本発明のように溶接金属の変態開始温度が高い条件で溶接を行う場合には、その分強度が低くなる。そのため、溶接金属の変態膨張時にその膨張が拘束されることにより発生する応力とその周囲の熱影響部を含む母材に生じる反力が低下するため、変態膨張時に溶接止端部で発生する圧縮応力は低下する。同時に、変態終了温度と室温との温度差が大きくなるため、その温度間での冷却による溶接金属の熱収縮で生じる溶接止端部での引張応力も増加する。その結果、室温時の溶接止端部の残留応力を圧縮側にし溶接継手の疲労強度を向上することが困難になる。従って、本発明では、先に述べたように、溶接における拘束度のレベルに応じて溶接金属の変態開始温度を規定することにより、溶接金属の変態終了後の熱収縮時に自由収縮させて溶接止端部での引張応力の増加を抑制させる。
【0058】
本発明では、溶接における溶接金属の変態開始温度条件を以下のように変態開始温度が高い475〜600℃と、それよりも低い400℃〜475℃未満の異なる2つの変態開始温度レベルに分類する。
【0059】
溶接金属の変態開始温度が475℃〜600℃となる条件で溶接する場合は、より高温で溶接金属の変態が開始するため、溶接継手の溶接金属がベイナイト変態又はフェライトパーライト主体組織でかつより硬度が低くより靭性に優れた溶接継手が得られる。そのため、溶接材料中に変態開始温度を低下させるために添加する高価な合金成分の添加量をより低減でき、溶接継手の製造コストもより低減できる。なお、溶接金属の変態開始温度が475℃〜600℃の条件で溶接止端部に圧縮応力を導入して室温時の残留応力と圧縮応力側にすることで溶接継手の疲労強度を十分確保するためには、先に述べた通り、拘束度を4000N/mm・mm以下に規定する必要がある。しかし、このような低い拘束度条件で溶接した場合でも、溶接金属の変態開始温度が600℃を上回ると、溶接止端部の残留応力を圧縮応力側にすることが困難となり溶接継手の疲労強度が十分に向上できないため、溶接金属の変態開始温度の上限値を600℃とした。一方、溶接金属の変態開始温度の下限値は、変態開始温度が475℃より低い場合には溶接継手の疲労強度の改善効果は得られるが、変態開始温度の低下に伴う上記の理由で溶接継手の製造コストおよび溶接部の靭性が低下するため、経済性および製造コストの観点から溶接金属の変態開始温度の下限値を475℃とした。
【0060】
溶接金属の変態開始温度が400℃〜475℃未満となる条件で溶接する場合は、上記の溶接金属の変態開始温度が高い溶接条件に比べて溶接継手の溶接金属がベイナイト変態又はフェライトパーライト主体組織となるものの硬度が少し高くなり溶接部の靭性は若干低下する。そのため、溶接材料中に溶接金属の変態開始温度を低下させるために添加する高価な合金成分の添加量も増加し溶接継手の製造コストも少し増加する。しかし、拘束度が8000N/mm・mm以下の高い拘束条件で溶接しても、溶接止端部の残留応力を圧縮応力側にすることができ、溶接継手の疲労強度を十分に確保することが可能である。従って、溶接継手の構造上、拘束度を十分に低下した施工条件で溶接することが困難な場合の溶接で、特に有効となり、溶接施工条件の自由度を向上させることができる。
【0061】
この溶接条件では比較的拘束度が高く、溶接金属の変態膨張終了後の熱収縮の影響が比較的大きくなりやすいため、溶接金属の変態開始温度の上限を475℃未満と低く規制しなければ、溶接金属の変態膨張終了後の熱収縮過程で収縮部が拘束されることにより溶接止端部の残留応力が引張応力側に移行してしまい、十分な疲労強度の向上が得られなくなる。そのため、溶接金属の変態開始温度の上限を475℃未満とする。一方、溶接金属の変態開始温度の下限値は、変態開始温度が400℃より低い場合でも溶接継手の疲労強度の改善効果は得られるが、変態開始温度の低下に伴う溶接継手の製造コストおよび溶接部の靭性が低下するため、経済性および製造コストの観点から溶接金属の変態開始温度の下限値を400℃とした。
【0062】
次に、本発明で、溶接止端部の鋼材表面からの好ましいへこみ量について述べる。
【0063】
本発明では、溶接継手の疲労強度向上を、溶接金属の変態膨張と超音波ピーニング処理の2つを併用して達成させている。溶接金属の変態膨張を用いて疲労強度を向上させる方法は、溶接金属の変態開始温度を限定したり、溶接金属の成分を限定することにより疲労強度向上効果を確保することができるが、超音波ピーニング処理を行った場合、その処理で疲労強度向上効果が得られているのかどうかは必ずしも明確ではない。そこで、本発明者らは、超音波ピーニング処理をした後の溶接止端部のへこみ量に着目し、疲労強度向上効果が得られるへこみ量を調査した。その結果、へこみ量0.03mmを下回る、超音波ピーニング処理の効果が小さく疲労強度が向上しない場合があり好ましくないこと、また、へこみ量が板厚の1/4を上回ると、板厚減少による局部応力の増加を引き起こし、継手としての疲労強度向上からは好ましくない場合があることが判明した。そこで、本発明では、前記超音波ピーニング処理の程度は、溶接止端部が鋼材表面より0.03mm以上かつ板厚の1/4以下へこむ程度とするのが好ましい。
【0064】
次に、止端部への超音波ピーニング処理を行う領域または止端部のへこみが存在する領域の範囲を限定した理由について述べる。
【0065】
本発明において、超音波ピーニング処理を行う目的は、ビード形状が不良となる溶接ビードのスタート部分とクレーター部分の疲労強度を確保することである。そのため、超音波ピーニング処理を行う、またはそれによって止端部のへこみが存在する領域はビード形状が不良となる領域をカバーする必要がある。特に疲労特性上問題となる部分はビードの両端部分である。そのため、止端部への超音波ピーニング処理または止端部へのへこみは、この両端部分を少なくともカバーしていなければならない。そして、ビード形状が悪い、両端部から10mmの範囲は、確実に超音波ピーニング処理を実施しへこみが確保されていなければならない。本発明で、止端部への超音波ピーニング処理を行う領域また止端部へのへこみがスタート部とクレーター部の端部から10mm以上の範囲にわたると下限規定した理由は以上のことによる。また、超音波ピーニング処理領域またはへこみ部領域の上限については、超音波ピーニング処理そのものは製造コストの上昇を招き、また本発明では低温変態溶接金属で疲労強度向上が達成されているため、この上限を100mmとする。
【0066】
(溶接金属の成分の規定)
本発明の溶接金属について、好ましい成分を規定した理由について述べる。
【0067】
本発明の溶接金属の成分系の実施形態として、上記の変態開始温度が比較的高い475〜600℃と、それよりも低い400℃〜475℃未満の異なる2つの変態開始温度レベルに応じて、以下の2種類の成分系が用いられる。
【0068】
変態開始温度が比較的高い475〜600℃の溶接金属の成分系としては、主としてCを比較的多く添加することにより溶接金属の変態開始温度を下げる成分系(以下、C系とする。)と主としてNiを添加することにより変態開始温度を下げる成分系(以下、Ni系とする。)を用いた。また、変態開始温度が比較的低い400℃〜475℃未満の溶接金属の成分系としては、主としてNiを添加することにより変態開始温度を下げる成分系(以下、Ni系成分とする。)を用いた。
【0069】
これらのうち、C系の溶接金属は、高価な合金元素の添加量が少ないため、その溶接金属を得るための溶接材料の製造コストが低減でき、溶接金属の靭性はやや劣るものの疲労特性に優れた溶接継手を製造する際に経済性の観点から有利である。一方、Ni系の溶接金属は、高価なNi合金元素を比較的多く添加するため、溶接継手の経済性の観点からは不利であるが、溶接金属の変態開始温度が同じ条件においてさらにNiの作用を用いて靭性を向上できるため、疲労特性とともに高い靭性レベルが要求される溶接継手を製造する際に有効である。これらの溶接金属の成分系およびそれを実現する溶接材料の選択は、それぞれの特徴を踏まえて、選択されるものである。
【0070】
(C系溶接金属の成分規定)
C系溶接金属の成分およびその含有量の限定理由について説明する。Cは、焼入れ元素で、溶接金属の強度向上および変態温度低減の両方の点から有効な元素である。C含有量の下限0.2%は、これを下回る添加量では、C系溶接金属の変態開始温度を475〜600℃の範囲内に調整することができないばかりではなく、溶接金属の強度を確保する上でも問題が生じてくるためこの値を設定した。一方、Cの含有量が高くなると特に鋼材板厚が厚い場合の突合せ凝固時に溶接金属に凝固割れを発生させる危険性が高まるため、Cの添加量の上限を0.4%とした。
【0071】
Siは、主として脱酸元素として添加し、溶接中の空気の混入などによる溶接金属の酸素濃度の上昇時にもその酸素レベルを下げる効果がある。Si含有量の下限は、0.1%を下回る添加量では脱酸効果が不十分で溶接金属中の酸素を十分低減できなくなり、溶接金属の機械的特性、特に靭性の劣化を招くためその含有量の下限を0.1%とした。一方、Siが0.8%を上回る量添加した場合にも靱性劣化を招くためその含有量の上限を0.8%とした。
【0072】
Mnは、焼入れ元素であり、溶接金属の強度を向上し、かつその変態温度を下げる作用を持つ。溶接金属の強度の確保は、本発明における溶接止端部の残留引張応力低減のメカニズムである溶接金属の変態膨張時に降伏強度を確保し溶接止端部に十分な圧縮応力を発生させる点から重要となる。
【0073】
Mn含有量の下限は、溶接金属の強度確保の点からその最低限の添加量として0.4%とした。溶接金属の変態温度を下げるという観点からは、Cの補完成分としてMnの添加量を調整するが、その添加量が過度に多くなると、溶接材料の製造コストが高くなり経済性の観点から好ましくないためMnの添加量の上限を2.0%とした。
【0074】
PおよびSは、不可避的不純物元素であり、本発明では、これら元素が溶接金属中に多く存在するとその靭性が劣化するため、PおよびSの含有量の上限をそれぞれ0.03%、0.02%とした。
【0075】
以上が、本発明におけるC系溶接金属の基本成分であり、これらの成分規定により溶接金属の疲労強度は十分得られるが、さらに、溶接金属の強度および靭性をより向上させるために、それらの要求特性に応じて、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、Ca、BおよびMgのうちの1種又は2種以上を合計量で0.001〜1.0%含有させても良い。この含有量の合計値の下限は、溶接金属の強度および靭性を向上させるために最低限必要な含有量であり、その上限は、過度に合金元素の含有量を増加させることにより溶接継手の製造コストが増加するためにその上限を1.0%とした。
【0076】
(Ni系溶接金属の成分規定)
Ni系溶接金属の成分およびその含有量の限定理由について説明する。
【0077】
Cは、焼入れ元素であり、溶接金属の強度向上および変態温度の低減の点から有効な元素であるが、Ni系成分では、溶接金属の変態開始温度を主としてNi添加により実現し、Cは、Niの溶接金属の変態温度低下効果を補完しかつその強度を十分得るために最低限の含有量としてその下限を0.03%と規定する。一方、Cの過度の添加は、溶接金属の靱性劣化を引き起こすため、その含有量の上限を0.2%未満とした。
【0078】
Siは、主として脱酸元素として添加し、溶接中の空気の混入などによる溶接金属の酸素濃度の上昇時にもその酸素レベルを下げる効果がある。Si含有量の下限は、Si量が0.1%に満たない場合、脱酸効果が低下し溶接金属中の酸素レベルが高くなりすぎ、溶接金属の機械的特性、特に靭性の劣化を引き起こす危険性があるため、その含有量の下限を0.1%とした。一方、Siの過度の添加も靱性劣化を発生させるため、その含有量の上限を0.8%とした。
【0079】
Mnは、焼入れ元素であり、溶接金属の強度を向上し、かつその変態温度を下げる作用を持つ。溶接金属の強度の確保は、本発明における溶接止端部の残留引張応力低減のメカニズムである溶接金属の変態膨張時に降伏強度を確保し溶接止端部に十分な圧縮応力を発生させる点から重要となる。
【0080】
Mn含有量の下限は、溶接金属の強度確保の点からその最低限の添加量として1.0%とした。溶接金属の変態温度を下げるという観点からは、Niの補完成分としてMnの添加量を調整するが、その添加量が過度に多くなると、溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を2.0%とした。
【0081】
PおよびSは、不可避的不純物元素であり、本発明では、これら元素が溶接金属に多く存在するとその靭性が劣化するため、PおよびSの含有量の上限をそれぞれ0.03%、0.02%とした。
【0082】
Niは、オーステナイト構造(面心構造)を有する金属元素であり、高温域での溶接金属のオーステナイト状態をより安定化し、低温域でのフェライト(体心構造)への変態を遅らせるため、その変態温度を低下させる元素である。また、Niは、同じ含有量を添加しても、Cに比べて溶接金属の凝固割れの危険性を高めないため、溶接金属の靭性を維持しつつさらに変態温度を低下させるために有効な元素である。
【0083】
本発明において、Ni系溶接金属の変態開始温度を475〜600℃の範囲に調整する場合には、C添加量を低減しても、C系溶接金属と同様に溶接継手の疲労強度の向上が達成できるとともに、C系溶接金属に比べてさらに靭性も向上させることができる。そのためのNi含有量の下限は、溶接継手の疲労強度の向上のために2.0%とする。一方、Ni含有量の上限は、溶接継手の経済性、靭性および溶接性を十分に維持するために4.0%未満とする。
【0084】
本発明において、Ni系溶接金属の変態開始温度を400〜475℃未満の範囲に調整する場合には、C系溶接金属では、C含有量の増加による溶接金属の凝固割れ発生の問題が生じやすいが、Ni含有量を4.0〜7.5%とすることで凝固割れを抑制しつつ溶接金属の変態開始温度を低くして400〜475℃未満に調整できる。また、NiはCと異なり、多少添加量を増やしても靱性劣化は必ずしも生じないため、この場合でもC系溶接金属と同等以上の靭性を確保できる。Ni含有量の下限は、溶接継手の疲労強度の向上のために4.0%とした。一方、Ni含有量の上限は、7.5%を超えて添加すると、溶接継手の経済性の悪化とともに、靭性および溶接凝固割れなどの溶接性が劣化する可能性が生じるためその含有量の上限を7.5%と規定した。
【0085】
以上が、本発明におけるNi系溶接金属の基本成分であり、これらの成分規定により溶接金属の疲労強度は十分得られるが、さらに、溶接金属の強度および靭性をより向上させるためには、それらの要求特性に応じて、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、Ca、BおよびMgのうちの1種又は2種以上を合計量で0.001〜1.0%含有させても良い。この含有量の合計値の下限は、溶接金属の強度および靭性を向上させるために最低限必要な含有量であり、その上限は、過度に合金元素の含有量を増加させことにより溶接継手の製造コストが増加するためにその上限を1.0%とした。
【0086】
以上、本発明におけるC系およびNi系の溶接金属の成分およびその含有量の限定理由について説明したが、溶接金属の成分含有量の調整は、溶接に用いる、溶接ワイヤ、溶接ワイヤと充填フラックスとの組み合わせ、又は溶接棒の心線および被覆フラックスのうちの何れかを用いて溶接する際の溶接金属中への成分歩留まりを考慮してそれぞれの溶接材料の成分設計を行うことで実現可能となる。
【0087】
次に、本発明において、ピーニング処理について超音波を用いたピーニング処理に限定した理由について述べる。
【0088】
ここで超音波ピーニングとは周波数が20kHzから60kHzの範囲内にある周波数を持つものをいう。超音波を用いる最大のメリットは、ピーニング先端のピンの重さが小さくても十分大きな衝撃力を与えることができ、その結果少ない作業時間で十分なピーニング効果をあげることができる点である。ピーニング処理をすることによる疲労強度向上原理は、そこの部分の形状を改善させるとともに圧縮の残留応力を付与することによる。そのためには、ピーニング部分に塑性歪を導入させなければならない。弾性歪の範囲内では、応力が残留しないからである。塑性歪を導入するためには、材料が持つ降伏強度以上の衝撃応力を加える必要があるが、これをもし、静的応力で実現しようとする場合は、溶接部に降伏応力以上の応力を加える必要があり、その分装置が大きくなってしまい、作業負荷の増大をまねく。一方、超音波を用いると、ピーニング部分に加わる応力はピンの質量が例えば10g程度でも十分大きな応力になることがわかる。
【0089】
この原理を簡単に説明する。
【0090】
周波数を33kHzとし、ピンの質量を10g、ピンが振動する範囲を0.03mmとし、ピン先端の直径を3mmと仮定する。このとき、ピンのスピード、Vは、
V=0.03×33000=1000mm/s=1m/s
である。ピンは1/33000秒に1回スピードを+1m/sから−1m/sに変化させると考えると、その変化は、ピーニング処理部分にピンがぶつかる瞬間に発生する。このスピード変化が1回の周波数内の1/10の時間すなわち、1/330000秒の間で生じるとすると、速度の時間変化、すなわち加速度、Aは、
A=dV/dt=2×330000=660000m/s
となる。衝撃力Fは、上記加速度にピンの重さ10g=1/100kgをかければ求まり、
F=660000×1/100=6600N
となる。応力Sは、これをピンの断面積、1.5×1.5×3.14=7.1mmで割れば計算でき、
S=6600/7.1=930N/mm=930MPa
となる。注意すべきは、この応力は、ピンの重さがわずかに10gとした場合の値である点である。実際の超音波ピーニングの場合は、速度反転が生じる時間間隔が上記計算の設定よりさらに短いと考えられるため、より大きな衝撃応力が出ているものと考えられる。
【0091】
以上のように、ピーニング処理に超音波を用いる方法は、ピンの質量が小さくて済み、その分装置の軽量化ができるなどの利点を有することがわかる。
【0092】
次に超音波ピーニングの好ましい周波数を規定した理由について述べる。
【0093】
下限の20kHzは、これを下回る周波数の場合、人間が聞こえる周波数すなわち可聴周波数の範囲の入ってしまい、ピーニング作業の観点からは好ましいことではない。本発明の本意は、簡便な疲労強度向上方法を提供することにあるため、作業環境が劣化するような方法は本発明の本意からはずれる。また、上記衝撃応力の試算からわかるように、超音波の周波数は高いほど衝撃応力が高くなりそれだけ有利となる。下限の20kHzは、簡便な装置で十分なピーニング効果を得られる周波数として、また作業環境を劣悪なものとしない値として設定した。なお、下限の20kHzは、より高い衝撃応力を得る観点から、好ましくは23kHz以上とすることが望ましい。上限の60kHzは、これ以上の周波数になると、現在の技術では簡便な装置で超音波を得ることが難しくなり、かつ人間の耳には聞こえないものの健康管理上の問題が生じてくるためこの値を設定した。
【0094】
次に、ピンの好ましい硬さを限定した理由について述べる。
【0095】
本発明では、鋼材および溶接金属の強度を限定している。これは、溶接金属の変態膨張を有効に圧縮弾性歪みに変化させることを目的としている。しかし、溶接ビードのスタート部、クレーター部に関してはビード形状の劣化からピーニング処理などで疲労強度を確保する必要がある。一方、強度に関しては、スタート部、クレーター部も所定の強度を有している。例えば、引張強度が780MPaの場合、硬さは280Hv程度ある。980MPaになると、硬さは350Hv近くある。ピーニングによりそこの部分の形状改善や残留応力低減を実行するには、ピーニング部分に塑性ひずみを導入しなければならない。そのためには、ピンの硬さを鋼材および溶接金属より硬くする必要がある。そのため本発明ではピンの硬さの下限を450Hvとした。上限の900Hvは、これ以上硬い材料はあるものの、ピンそのもののコストが大きくなり、またピーニング効果が格段に大きくなるというわけではないため、この値を設定した。
【0096】
次にピンの好ましい直径を限定した理由について述べる。
【0097】
前述の衝撃応力試算例からわかるように、最終的な衝撃応力は、衝撃力をピン断面積で割ることにより求めることができ、また断面積が小さいほど衝撃応力は大きくなる傾向にある。より大きい衝撃応力を得るためにはピンを例えば針のように細くすればいいが、この場合、ピンが折れたり座屈したりする危険があり、不必要な細形はかえってマイナスである。下限1.5mmは、ピンが座屈や折れたりしないで十分ピーニング処理に耐えうる値として設定した。逆にピンの直径の、上限の7mmは、これを超える直径ではピンの断面積が大きすぎ、衝撃力としては十分であるものの衝撃応力が所定の値にならない場合があるためこの値を設定した。
【0098】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示す。
【0099】
図2および図3に本実施例で用いた疲労試験法の概略図を示す。実際の溶接時の部材の拘束度は、有限要素法などの数値計算やあるいは溶接前の開先部に荷重を負荷しそのときの開先幅の変化を測定することにより決定する方法が考えられる。しかし、このような方法では、必ずしも任意に拘束度を制御できるわけではなく、また、試験費用が膨大になるという問題もある。これらの試験法の問題に鑑みて、本実施例では、図2および図3に示すように疲労試験片を溶接により作製する際に、その拘束度を任意に定められるために考案した疲労試験方法である。ここでは、隅肉溶接継手の形状として図2および図3に示す2種類の継手を準備した。いずれの継手においても、溶接前に予め治具4、5にて疲労試験片を固定した。これは、溶接継手の拘束度を一定に保つためである。次に、この状態で隅肉溶接を行ない、疲労試験片を作製した。なお、疲労試験片の隅肉溶接は、ワイヤを用いCO溶接により行い、その溶接条件は、電流125A、電圧17Vを一定とし、溶接時の入熱量は溶接速度を変化することにより調整した。通常、疲労試験片に用いられる溶接継手は、溶接ビードのスタート部とクレーター部が試験片に残らないように機械加工で削除する。しかし、実構造物によっては、スタート部とクレーター部の削除が不可能または技術的・経済的に困難である場合も存在する。そこで、このような構造物の疲労挙動を再現できるようにしたのが図2および図3の継手形状である。図2の継手(以降継手Aと呼ぶ)は、溶接ビードがコの字型になっていて、図3の継手(以降継手Bと呼ぶ)はV字型になっている。継手A、B共にスタート部1とクレーター部2はビードが乱れやすいという条件に加え、構造的な応力集中部であることは明白である。これらスタート部1とクレーター部2以外にも、コーナー部3が構造的な応力集中部である。
【0100】
また、疲労試験片作成時の溶接における拘束度(RF)は、試験片が治具4、5で固定されている間の距離(図2、3のL)を変化させることにより、下記の(1)式を用いて計算される拘束度を任意に設定した。
RF(N/mm・mm)=E(N/mm)・H(mm)/L(mm)・・・(1)
但し、RF:拘束度、E:ヤング率、H:試験材板厚、L:固定端間の距離(L)
【0101】
溶接して作製した疲労試験片に対し、スタート部、クレーター部に超音波ピーニング処理をしたものとしなかったものを用意し、図2および3に示す矢印の方向に疲労荷重を負荷することにより疲労試験を行った。疲労強度は、500万回荷重を負荷しても破断しない負荷荷重を示し、例えば、疲労強度が1000Nであるということは、応力比が0.1で負荷荷重が111〜1111Nの間で500万回繰り返し負荷しても破断せず、それを上回る応力範囲では、500万回より少ない繰り返し数で破断してしまうことを意味する。なお、疲労破断の判断は、試験片のスタート部、クレーター部およびコーナー部に歪ゲージを貼り付けておき、疲労試験中にその歪ゲージの読みが初期の値より20%減少したときを疲労破断したとみなしたものである。また、歪ゲージは溶接後に試験片に貼り付けたため、溶接残留応力の影響は含まれていない。また、疲労試験片の溶接金属の溶け込み深さは、疲労試験を終了後に試験片から断面マクロ試験片を採取して、図4に示してある溶け込み深さ6を実測した。同様に、超音波ピーニング処理した時のへこみ量も、疲労試験終了後マクロ試験片を採取し、図5に示すへこみ量7を実測した。
【0102】
表1には、同じ溶接条件で作製した複数の疲労試験片の溶接金属部から試験片を採取し測定した溶接金属の成分組成、変態開始温度、引張強度および0℃シャルピー吸収エネルギーを示す。溶接金属の変態開始温度は、フォーマスター試験を用いて測定し、0℃シャルピー吸収エネルギーは、JIS Z3111に従って、270A−30V−25cm/minの溶接条件でオールデポ試験を実施して求めた。但し、表1に示す本発明が規定するC系溶接金属に相当する溶接金属No.1および2については、C含有量が高く、高温割れが発生する可能性が高いためこれを防ぐ目的で疲労試験片の作製時の溶接条件、すなわち125A−17V−40cm/minでオールデポ試験を行った。
【0103】
表1において、溶接金属記号A、B、EおよびFは、本発明で規定する溶接金属の変態開始温度:475〜600℃の範囲を満足するものであり、そのうち、溶接金属AおよびBが本発明で規定するC:0.2〜0.4%のC系溶接金属に該当し、溶接金属EおよびFが本発明で規定するNi:2.0〜4.0%未満(C:0.03〜0.2%未満)のNi系溶接金属に該当するものである。溶接金属HおよびIは、本発明で規定する溶接金属の変態開始温度:400〜475℃未満の範囲を満足するものであり、本発明で規定するNi:4.0〜7.5%(C:0.03〜0.2%未満)のNi系溶接金属に該当するものである。また、溶接金属C、DおよびGは、本発明で規定する溶接金属の変態開始温度範囲を外れるものである。溶接金属A、B、E、F、HおよびIのそれぞれの機械特性を比べると、何れも同レベルの引張強度を有するが、溶接金属E、F、HおよびIの本発明で規定のNi系溶接金属の0℃のシャルピー吸収エネルギーは100Jを上回り、溶接金属AおよびBの本発明で規定のC系溶接金属のそれ(vE0:70〜75J)に比べてより高かった。
【0104】
表2には、表1に示す溶接金属記号と疲労試験片の作製時の条件を示す。継手形状のA、Bは、図2および図3に示す継手A、Bであり、また、溶け込み深さは、試験片から断面マクロを採取して測定した結果である。また、拘束度は、板厚とLを用いて(1)式で計算した値である。また、本発明の範囲外の条件については、範囲外の項目も表2に載せた。
【0105】
表2の試験片に対し、種々の条件で超音波ピーニング処理を行い、疲労試験片を用意し疲労試験を行った。表3、表4は継手形状が図2に示す継手Aの疲労試験結果であり、表5、表6は図3の継手Bの結果である。各継手に対し、異なる板厚が含まれているため、板厚2mm以上の場合と2mm未満の場合に分けて疲労試験結果を示した。表3、表5は板厚が2mm以上の場合であり、表4、表6は2mm未満の場合である。なお、各表における超音波ピーニングの範囲とは、溶接ビードのスタート部およびクレーター部の両端部からの超音波ピーニングを実施した範囲を示している。
【0106】
表3に示された、試験No.2は、超音波ピーニング処理以外の条件は本発明の範囲内であるものの、超音波ピーニング処理を実施していないため、スタート部およびクレーター部から疲労が発生し、500万回疲労限は11.5kNとなった場合である。試験No.3は、超音波ピーニング範囲が狭すぎ、スタート部およびクレーター部の疲労発生を十分防げなかった場合である。試験No.4および8は、溶接金属の変態開始温度および強度が本発明の範囲外で、超音波ピーニングをしたスタート部およびクレーター部の疲労強度は向上しているものの、コーナー部からの疲労発生が防げなかった場合である。試験No.5は、試験No.4に超音波ピーニング処理を省略した場合であり、表3の中で最も疲労強度が低かった場合である。試験No.6は超音波ピーニング処理条件、鋼材および溶接金属は本発明の範囲内にあるものの溶接条件時の拘束度が高く(試験No.6の溶接金属Eは、変態開始温度が表2から530℃であるため、本発明の範囲内であるためには、拘束度が4000N/mm・mm以下である必要がある)、残留応力低減が不十分でコーナー部の疲労強度が不十分であった場合である。試験No.7はピン直径が1mmと細すぎ、超音波ピーニング途中でピンが折れてしまい、超音波ピーニング処理が不十分であった場合である。それに対し、本発明の範囲内である試験No.1は疲労強度が20.3kNと他の継手より約2倍の疲労強度が得られている。
【0107】
表4は、表3と継手形状は同じものの、板厚が2mm未満の場合の実施例である。試験No.12は、鋼材強度が本発明の範囲外であり、溶接金属の変態開始温度が本発明の範囲内であるものの鋼材からの反力が不十分であったため溶接残留応力が十分低減できなかった場合である。試験No.13は、超音波ピーニング処理を過度に行なった場合であり、へこみ量が板厚の1/3になり、ここでの板厚が減少し局部的な応力が高くなって、疲労強度が向上しなかった場合である。それに対し、同じ鋼材および溶接金属でも、試験No.11は超音波ピーニング処理条件が本発明の範囲内であるために疲労強度は試験No.12、13に比べ約2倍の高さになっている。
【0108】
表5は、継手形状が図3のBであり、かつ板厚が2mmの場合における疲労試験結果である。試験No.21は、溶接金属が表2のGであり、変態開始温度が本発明の範囲外であった場合であり、図3のコーナー部から疲労き裂が発生し、疲労強度が不十分であった場合である。試験No.22は試験No.21で超音波ピーニング処理を実施しなかった場合で、スタート部およびクレーター部の疲労強度がコーナー部より低く、表5の中では最も疲労強度が低い場合に相当する。試験No.23は超音波ピーニング範囲が5mmと狭く、スタート部およびクレーター部の疲労強度が不十分であった。試験No.24は試験No.23で超音波ピーニング範囲が本発明の範囲内である場合であり、疲労強度は20kNを上回った場合である。試験No.25は継手拘束度が8400N/mm・mmと表2の条件の中で最も高く、溶接金属の変態開始温度は430℃と本発明の範囲内であるにもかかわらず残留応力低減が不十分なため、コーナー部から疲労き裂が発生した場合である。このような高い拘束度での残留応力低減は、特許文献4にあるような従来技術における低温変態溶接材料を用いる必要がある。試験No.26は、鋼材強度が240MPaと低く、鋼材反力が小さかったため残留応力が十分低減できなかった場合である。試験No.27は、ピンの硬さが低すぎ、超音波ピーニング処理を十分に行なうことができず、結果的にへこみ量が不十分になった場合である。試験No.28は、ピンの直径が10mmと本発明の好ましい範囲外で、試験No.27同様、超音波ピーニング効果が不十分であった場合である。試験No.29は、表2の条件No.13に示すように板厚が5mmと厚く、溶接金属が変態する温度領域でもまだ板厚方向に温度差が残っており、板裏面からの拘束を取り除くことができず、残留応力低減効果が不十分であった場合である。これら試験に対し、試験No.24は本発明の範囲内であり、表5の中では、唯一疲労強度が20kNを上回った場合であり、疲労強度向上効果は明らかである。
【0109】
表6は、継手形状が図3のBであり、かつ板厚が2mm未満の場合の実施例である。試験No.31は、板厚が0.6mmと本発明の範囲外であり、結果的に溶け込み深さが板厚の1/3を上回ってしまい、残留応力低減が不十分となった場合である。試験No.33は、板厚が本発明の範囲内であるものの、その板厚に対する溶接条件が適切ではなく、溶け込みが板厚の半分になってしまい残留応力低減が不十分となった場合である。試験No.33に対し、試験No.32は同じ板厚でも溶接条件選択が適切で溶け込み深さが板厚の1/3以下であり本発明の範囲内になった場合であり、疲労強度は9.5kNと他の二つの比較例に対し約2倍の疲労強度を示している。
【0110】
【表1】

Figure 0004523755
【0111】
【表2】
Figure 0004523755
【0112】
【表3】
Figure 0004523755
【0113】
【表4】
Figure 0004523755
【0114】
【表5】
Figure 0004523755
【0115】
【表6】
Figure 0004523755
【0116】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接継手の疲労強度は従来継手より格段に向上させることが可能である。したがって、本発明は工業的価値がきわめて大きい発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、重ね継手部の概念図である。
【図2】 図2は、継手Aの試験片形状と疲労荷重負荷方向を説明した図である。
【図3】 図3は、継手Bの試験片形状と疲労荷重負荷方向を説明した図である。
【図4】 図4は、溶け込み深さを説明した概念図である。
【図5】 図5は、溶接止端部のへこみ量を説明した図である。
【符号の説明】
1 スタート部
2 クレーター部
3 コーナー部
4 治具
5 治具
6 溶け込み深さ
7 へこみ量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is particularly suitable for thin steel sheets applied to the production of undercarriage parts for automobiles.High fatigue strengthFillet weldingFor joint manufacturing methodsFor more details,TensionHigh fatigue strength fillet welded joint of thin steel sheet with a strength of 590 MPa or moreMakingIt is about the method.
[0002]
[Prior art]
  Fatigue has a significant impact on the safety and reliability of welded steel structures.CrackSince it is easy to generate | occur | produce in a welding part, the method of improving the fatigue characteristic of the welding part of a welded steel structure has been examined conventionally.
[0003]
  Traditionally the most fatigued weldCrackIs the weld toe, and the main cause is the tensile residual stress that tends to occur at the weld toe.And weld toe shapeIt is known that the stress concentration is due to.
[0004]
  Therefore, as methods for improving the fatigue characteristics of conventional welded joints, methods for improving the weld toe shape by machining such as TIG tanning welding (decorative welding) or grinding after welding, and improving the weld toe shape by peening, etc. And a method of simultaneously introducing compressive residual stress. If these methods are not applied to all the weld lines, the fatigue strength of the entire joint cannot be ensured, the work load increases, and this is not economically preferable. Recently, many techniques have been disclosed in, for example, the United States of America regarding peening using ultrasonic waves when performing peening, that is, ultrasonic peening techniques (eg, Patent Documents 1 to 3). In this technique, the efficiency of peening is greatly improved by using ultrasonic waves as compared with the conventional peening method, and this can be expected to reduce the peening work load. However, in order to improve the fatigue strength of the entire welded joint, there is no change in that peening must be performed over the entire weld line, and the problem that the work process increases and the economic load increases is still undecided. Remains.
[0005]
  On the other hand, recently, the composition of the welding material used for welding is designed so that the transformation temperature of the weld metal is lowered, and the compression of the weld toe is introduced by using the volume expansion associated with transformation during welding.TensionA technique for reducing residual stress and improving fatigue characteristics has been proposed (for example, Patent Document 4. Hereinafter, such welding materials are collectively referred to as low-temperature transformation welding materials). According to this, the weld metal is martensitic transformed at a low temperature region where the transformation start temperature is 170 ° C. to 250 ° C. by welding using the low temperature transformation welding material, and the volume expansion is thereby caused. To cancel the tensile stress of the weld toe at room temperatureTensionTechniques for reducing residual stress or compressive residual stress are disclosed.
[0006]
  This technique using low-temperature transformation expansion of weld metal is a post-welding post-processing technique described above in that the fatigue strength of the joint can be improved simply by changing the component design of the welding material used for welding. It is an economically superior method that requires fewer work steps and saves labor costs.
[0007]
  However, the technique using the low temperature transformation expansion of the weld metal disclosed in Patent Document 4 has three main problems.
[0008]
  That is, (1) the low temperature transformation welding material used for welding must add a lot of expensive alloy elements in order to lower the transformation temperature, and the cost of the welding material is high accordingly, (2) the same alloy elements The workability at the time of welding construction deteriorates due to the reason why it is added in a large amount, resulting in deterioration of work efficiency and high work cost. For example, the weld metal becomes a hard structure mainly composed of martensite, and mechanical properties, particularly toughness, are deteriorated.
[0009]
  As described above, there are still problems to be solved in the method using the transformation expansion of the weld metal and the ultrasonic peening method, and the fatigue strength of the high fatigue strength welded joint and the welded joint that solved these problems. An improvement method was strongly desired.
[0010]
[Patent Document 1]
  US 6171415 B1
[Patent Document 2]
  US 6338765 B1
[Patent Document 3]
  US 2002/0014100 A1
[Patent Document 4]
  JP 11-138290 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
  The technology to improve the fatigue strength by sufficiently lowering the transformation start temperature of the weld metal is particularly advantageous because it does not require a new manufacturing process, but there are problems such as poor workability and high cost. is doing. On the other hand, the method of improving the fatigue strength by peening the conventional joint must be performed on all the weld lines, which leads to an increase in manufacturing cost.
[0012]
  In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention sufficiently improves the fatigue strength of a welded joint by utilizing transformation expansion under conditions where the transformation temperature of the weld metal is higher than that of the prior art, By limiting to the start part and crater part, which are likely to be disturbed, the amount of expensive alloying elements required for conventional low-temperature transformation is greatly reduced, and the peening range is narrowed, making it more economical than before And excellent weld metal toughness,High strengthHigh fatigue fillet welded joint of thin steel sheetMakingIt aims to provide a method.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention solves the above technical problem, that is, the gist thereof is as follows.
[0014]
  (1) In a method for producing a fillet welded joint using a high-strength thin steel plate having a plate thickness of 1.0 to 4.0 mm and a tensile strength of 590 MPa or more,
  Of the steel sheetIt is shown by the following formula (1)Restraint degree of weld(RF)Is 8000 N / mm · mm or less, the penetration depth of the weld metal in the weld is 1/3 or less of the plate thickness of the steel plate, and the weld metal has a transformation start temperature of 400 to 600 ° C. and a tensile strength. In the case of fillet welding the steel plate so that the weld metal is 590 MPa or more,
  When the transformation start temperature of the weld metal is 475 ° C. to 600 ° C., the degree of restraint(RF)When the transformation start temperature of the weld metal is 400 ° C. to less than 475 ° C., the restraint degree is 4000 N / mm · mm or less.(RF)Fillet welded the steel plate with 8000 N / mm · mm or less,
  Then, further, ultrasonic peening treatment is performed on the weld toe over a range of 10 to 100 mm from the start of the weld bead and the end of the crater of the weld, and the high fatigue strength of the high strength thin steel sheet A method for producing a strength fillet welded joint.
RF (N / mm · mm) = E (N / mm 2 ) ・ H (mm) / L (mm) ・ ・ (1)
In the above formula, RF: restraint degree, L: length between both fixed ends when fixing both ends of a test piece having a groove portion at the center, H: plate thickness, E: Young's modulus.
[0015]
  In addition, the said weld metal is the mass%, C: 0.2-0.4%, Si: 0.1-0.8%, Mn: 0.4-2.0%, P: 0.03% Hereinafter, S: 0.02% or less is contained, and if necessary, one or more of Ni, Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, Ca, B, and Mg are combined in a total amount. It is preferable to contain 0.001-1.0% of the weld metal, the balance being iron and inevitable impurities.
[0016]
  Moreover, the said weld metal is the mass%, C: 0.03-less than 0.2%, Si: 0.1-0.8%, Mn: 1.0-2.0%, P: 0.03 % Or less, S: 0.02% or less, Ni: 2.0-7.5%, if necessary, among Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, Ca, B and Mg It is also preferable that one or two or more types are contained in a total amount of 0.001 to 1.0%, and the balance is a weld metal made of iron and inevitable impurities.
[0017]
  Also, the aboveUltrasoundPeeningprocessingAs a method, it is preferable to use a method using ultrasonic waves having a frequency in the range of 20 kHz to 60 kHz.
[0018]
  Also, the aboveUltrasoundPeeningprocessing1 or more pins having a diameter in the range of 1.5 mm to 7.0 mm are used for the tip portion that gives an impact to the welded portion, and the hardness of the tip of the pin is Vickers hardness It is preferable to use pins that are 450 or more and 900 or less.
[0019]
The degree of the ultrasonic peening treatment is preferably such that the weld toe is recessed 0.03 mm or more and 1/4 or less of the plate thickness from the steel surface.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The present invention is described in detail below.
[0021]
  First, the technical idea of the present invention will be described. The technical idea of the present invention isThere are two major, the first technical idea is, Technology to reduce welding residual stress using transformation expansion of weld metalThe second technical idea isThe present invention relates to an ultrasonic peening process. at firstFirstDescribe the technical idea.
[0022]
  The present invention provides a welding method using a conventional low temperature transformation melt having a martensitic transformation start temperature of 170 to 250 ° C., that is, the transformation of the weld metal in a relatively low temperature region during welding to the weld toe. Compared with the method of reducing the tensile residual stress of the weld toe by generating a compressive stress and maintaining the compressive stress to room temperature, the compressive stress is generated at the weld toe using the transformation expansion of the weld metal. Although it is the same in that it is used, a weld metal having a relatively high transformation start temperature of 400 to 600 ° C. is used.The point is greatly different.
[0023]
  Considering the generation process of residual stress in the weld during welding, when the weld metal is solidified and cooled after welding and reaches its transformation start temperature, the weld metal undergoes volume expansion due to transformation, and the surrounding base metal heat affected zone Compressive stress is generated at the weld toe due to the reaction force.
[0024]
  At this time, when the transformation start temperature of the weld metal is high, the volume expansion due to the transformation of the weld metal occurs at a high temperature.TensionThe residual stress at the weld toe when the stress is generated and cooled to room temperature isTensionIt becomes a stress state. Therefore, the conventional welding technology using low-temperature transformation welding material reduces the temperature difference from the end of transformation expansion of the weld metal to room temperature by setting the transformation start temperature of the weld metal as low as possible (250 ° C or less). The technical idea is to reduce the amount of cooling and thermal shrinkage during this period and shift the residual stress at the weld toe to the compressive stress side at room temperature.
[0025]
  In contrast to thisIn the lightDoes not require the transformation start temperature of the weld metal to be in a low temperature range (250 ° C. or lower) as in the prior art, that is, transformation expansion of the weld metal occurs in a very high temperature range of 400 ° C. to 600 ° C. However, it occurs at the weld toe due to cooling and thermal contraction from the end of the transformation expansion to room temperature.TensionThe purpose is to maintain the compressive stress generated at the weld toe during transformation expansion by suppressing the stress itself, and to transfer the residual stress at the weld toe at room temperature to the compressive stress side.
[0026]
  In more detail,Tomorrow(1) In order to generate a compressive stress at the weld toe using the volume expansion accompanying the transformation between the start of transformation expansion of the weld metal in the high temperature range and the end of transformation expansion, MaterialTensionWhile ensuring the strength above the predetermined value, limit the penetration depth of the weld metal below the predetermined value. thisTherefore, the volume expansion accompanying the transformation expansion of the weld metal is suppressed by the base metal part including the heat-affected zone under and around the weld metal, and the weld metal is subjected to the restraint force of the transformation expansion and the weld toe part. , The residual stress of compression is introduced as a reaction force generated due to the restraint force of the transformation expansion of the weld metal. (2) The transformation stress of the weld metal is terminated by the introduction of the compression stress by the mechanism of (1) above. Then, in the process of cooling and heat shrinking to room temperature, by freely shrinking without constraining the heat shrinking part, at the weld toe due to heat shrinkingTensionSuppresses the generation of stress. If this is possible, the compressive stress introduced by the above (1) is maintained even after cooling to room temperature. For this purpose, first, it is necessary to complete the heat conduction of the welding heat to the base material including the heat-affected zone below by the time the transformation expansion of the weld metal is completed by reducing the plate thickness to a predetermined value or less. This means that the temperature difference in the plate thickness direction is eliminated and the weld toe portion on the surface where the compressive stress is generated is not restrained from the plate back surface. If the temperature of the front and back surfaces of the plate is the same, the heat shrinkage of the front and back surfaces is the same, so the front surface is not constrained from the back surface. Next, it is necessary to reduce the degree of restraint of the welded portion to a predetermined value or less, and to generate heat shrinkage to room temperature as much as possible after the weld metal finishes transformation expansion. This realizes a state where the weld toe portion where the compressive stress is generated is not restrained not only from the back surface but also from the surroundings. Through this process, the compressive stress generated when the weld metal undergoes transformation expansion is caused by subsequent thermal contraction.TensionIt is maintained until cooled to room temperature without changing to stress.
[0027]
  The present inventionFirst inThe technical idea is to maintain the compressive stress accompanying the transformation expansion of the weld metal, which occurs at a relatively high temperature, to room temperature by reducing the temperature difference in the thickness direction and reducing the degree of restraint. .
[0028]
  BookinventionSecond inThe technical idea is to apply ultrasonic peening to the start and crater portions of the weld bead to ensure the fatigue strength of the portions. In addition to the problem that the bead shape is likely to be disturbed, the start portion and the crater portion are portions where stress concentration tends to occur structurally. Therefore, in the present invention, about the weld toe other than the start part and the crater partFirstThe fatigue strength is ensured by using the technical idea, and the fatigue strength is ensured by using ultrasonic peening for the start portion and the crater portion, thereby realizing high fatigue strength as a whole welded joint. Thus, by limiting the ultrasonic peening process to the vicinity of the start portion and the crater portion, it is possible to reduce the load of the ultrasonic peening work as much as possible.
[0029]
  The present invention is characterized in that peening using ultrasonic waves is used as the peening process. When ultrasonic peening is used, the time for peening treatment is shortened accordingly, and the merit is great. The purpose of the present invention is to provide a technique for improving the fatigue strength by a method that is as simple as possible. Therefore, the significance of using ultrasonic peening is great.
[0030]
  The followingBright cornerMeat welding method and construction of welded joint using the sameLimit ofThe reason is described.
[0031]
  (Limitation of base metal plate thickness 1.0 to 4.0 mm)
  The reason why the base material plate thickness is limited based on the present invention will be described.
[0032]
  In the present invention, the thickness of the steel material is reduced in order to transmit the welding heat immediately to the back surface of the material to be joined during welding. This is because after the welding heat reaches the back surface, the weld metal is not restrained from the back surface of the steel material, and the heat shrinkage of the weld metal and the heat shrinkage of the back surface of the plate occur simultaneously. The thicker the steel plate, the longer it takes to transfer the welding heat, and even if the weld metal finishes transformation, the welding heat is not transmitted to the back surface. Is restrained by the steel material below it,TensionStress is generated.
[0033]
  In the present invention, a welding material having a transformation start temperature nearly 200 ° C. higher than the transformation temperature of the conventional low temperature transformation melt is used, and the transformation start temperature of the weld metal is as high as 600 ° C. to 400 ° C., and the transformation expansion is completed. High temperature. ThatTherefore, in order to suppress the thermal contraction of the weld metal caused by cooling from such a high temperature region to room temperature and to keep the compressive residual stress at the weld toe generated by the transformation expansion of the weld metal to room temperature. At least when the transformation expansion of the weld metal ends, heat must be transferred to the back surface.
[0034]
  In addition, in order to control the transformation start temperature at a low cost, when welding using a component-based welding material in which expensive alloy elements are reduced and C is added to a higher level, the amount of C in the weld metal becomes higher. In particular, solidification cracking is likely to occur during butt solidification when the steel plate is thick.
[0035]
  Butt solidification, which causes solidification cracking, occurs when the steel plate thickness increases and the heat capacity of the steel itself increases, so that welding heat is easily transmitted in the width direction of the weld bead.. ThatFor this reason, when welding using a high-C component-based welding material, it is necessary to reduce the thickness of the steel plate from the viewpoint of preventing solidification cracking of the weld metal.
[0036]
  Furthermore, it is advantageous that the thickness of the steel material is thin from the viewpoint of reducing the degree of restraint described later. The restraint that the weld metal undergoes thermal shrinkage is restrained not only from the back side of the steel material but also from the entire structure of the welded joint. To reduce this restraint, it is meaningful to reduce the steel plate thickness. is there.
[0037]
  When the steel plate thickness exceeds 4.0 mm, the transfer of welding heat to the back surface becomes slow, and the welding heat is not transmitted to the back surface at the end of the transformation of the weld metal. The weld metal is restrained from the bottom of the steel material andTensionSince stress is generated, the fatigue strength of the welded joint decreases. Also, when welding using high-C component welding materials, there is a danger of solidification cracking of the weld metal.SteepGet higher. Furthermore, the degree of restraint determined by the relationship with the structure of the welded joint becomes high, and a sufficiently low degree of restraint cannot be obtained.
[0038]
  On the other hand, when the steel plate thickness is reduced to less than 1.0 mm, the penetration depth of the weld metal described later is relative to the plate thickness.Control by valueNot only is it difficult to limit, but the base metal portion directly below the weld metal acting as a reaction force during transformation expansion of the weld metal is reduced, and it is difficult to introduce compressive stress to the weld toe. Therefore, in the present invention, the upper limit of the steel thickness is 4.0 mm, and the lower limit is 1.0 mm.
[0039]
  (Restriction of 4000N / mm · mm or less or 8000N / mm · mm or less)
  Main departureBright and meltedThe reason for limiting the degree of restraint of the joint will be described.
[0040]
  Conventionally, the degree of restraint of a welded joint is a parameter that is generally used to evaluate cracks that occur in a weld during welding. In the present invention, however, the cooling and heat shrinkage processes after the transformation expansion of the weld metal is completed. It was adopted as an index that quantitatively shows how strongly the weld metal is constrained from its surroundings.
[0041]
  In general, the degree of restraint (RF) is the welding line direction required to shrink the weld groove by the unit length.MukaiPer unit lengthGet inFrom the relationship between the length (L) between the two fixed ends, the plate thickness (H), and the Young's modulus (E) when both ends of the test piece that is defined as a load and has a groove portion at the center are fixed When the groove width is sufficiently small with respect to the distance (L) between the fixed ends, the following equation (1) is given.
    RF (N / mm · mm) = E (N / mm2) · H (mm) / L (mm) (1)
The unit of restraint (RF) is conventionally expressed as N / mm · mm.
[0042]
  From the relationship of equation (1), the degree of restraint (RF) is the thickness of the steel material during welding (H)Or by increasing the distance (L) between the fixed ends determined by the welded joint structure. As a method of adjusting the degree of restraint (RF) in actual welding construction, the method of changing the distance of the fixed end by devising the restraining jig, or the design of the welding member, the thickness H of the steel plate is changed. A method to make it possible is considered.
[0043]
  Main departureIn the lightIn the process of cooling and heat shrinkage from the end of transformation expansion of the weld metal to room temperature, the heat shrinkage of the weld metal is close to free shrinkage, and at the weld toeTensionIn order to suppress the occurrence of stress, the upper limit of the steel plate thickness is restricted to 4 mm or less as described above, and the upper limit of the degree of restraint (RF) is used as an index of the restraint state from the surroundings when the weld metal is thermally contracted. It regulates like this.
[0044]
  As described above, in order to maintain the residual stress at the weld toe at room temperature on the compression side with the aim of improving the fatigue strength of the welded joint, (1) transformation from the start of transformation expansion of the weld metal At the time of volume expansion until the end of expansion, the stress generated by restraining the expansion and the reaction force generated in the surrounding base metal heat-affected zone are secured, and a compressive stress is generated at the weld toe ( 2) At the time of thermal contraction from the end of transformation expansion of the weld metal to room temperature, the restraint from the periphery of the weld metal is reduced to allow free contraction, and at the weld toe.TensionIt is necessary to suppress the generation of stress. Among these, the upper limit regulation of the degree of restraint is the weld toe portion in the thermal contraction of the weld metal of (2) above.TensionResidual stress at the weld toe at room temperature shifts to the compression side by reducing the upper limit of the degree of restraint under the same conditions that have the effect of suppressing the generation of stress and the transformation start temperature of the weld metal is the same. The fatigue strength of the joint is improved.
[0045]
  However, since the transformation start temperature of the weld metal increases, the stress generated in the weld metal during the transformation expansion of the weld metal (1) and the reaction force generated in the surrounding base metal heat-affected zone decrease. The compressive stress generated at the weld toe decreases, the transformation end temperature increases, and the temperature difference from room temperature increases, so that at the weld toe due to the thermal contraction of the weld metal of (2) above,TensionStress also increases. As a result, in order to bring the residual stress at room temperature to the compression side by the action of (2) above, it is necessary to further reduce the degree of restraint as the transformation start temperature of the weld metal increases.
[0046]
  Main departureIn the lightAs will be described later, two types of transformation starting temperatures of 475 to 600 ° C. and two different types of transformation starting from 400 ° C. to less than 475 ° C. are obtained by welding using welding materials of two types of components. In order to perform welding under temperature conditions, the upper limit value of the degree of restraint is defined as follows according to these transformation start temperatures.
[0047]
  In other words, this departureIn the lightIs400 ° C to 600 ° CAmong the transformation start temperatures, the weld metal transformation start temperature is higher.4In the case of 75 to 600 ° C., the upper limit value of the restraint degree is set lower to 4000 N / mm · mm., StrangeState start temperature is 400 ° C to 475 ° CLess thanIn this case, the upper limit value of the constraint degree is set to 8000 N / mm · mm. Even if the upper limit of any transformation start temperature is exceeded, it occurs at the weld toe due to thermal contraction after the transformation expansion of the weld metalTensionThe effect of reducing the stress becomes insufficient, making it difficult to set the residual stress at room temperature to the compression side, and the fatigue strength of the welded joint cannot be sufficiently improved.
[0048]
  (Welded metal and steelTension(Strength of 590 MPa or more)
  As a premise of the present invention, welding metal and steelTensionThe reason why the strength is limited will be described. In the base technology of the present invention, welding is performed under conditions where the transformation start temperature of the weld metal is considerably higher than before, so the weld metal and its surroundings in the volume expansion process from the transformation expansion start temperature to the transformation expansion end temperature of the weld metal. Of the base metal heat affected zoneTensionThe strength is considered to be considerably lower than before. Also, in welding using conventional low-temperature transformation welding materials, the weld metal is an alloy component.ManyBecause it is a component system with high hardenability and uses volume expansion due to martensitic transformation, due to the hard structure of martensite during transformation expansion of the weld metal, sufficient strength of the weld metal is secured during transformation expansion. be able to. However, this departureMysteriousIn welding using high-temperature transformation welding material, compared to the case of low-temperature transformation welding material, weld metal is a component system with less alloy components and low hardenability, compared with the case of using low-temperature transformation welding material in the prior art. The strength of the weld metal during transformation expansion is low.
[0049]
  Main departureIn the lightAs described above, by limiting the conditions of the plate thickness and the degree of restraint, the weld toe at the weld toe that occurs at the time of thermal contraction from the end of transformation expansion of the weld metal to room temperature.TensionIt is possible to reduce stressTheIn addition to this, in order to set the residual stress at the weld toe at room temperature to the compressive stress side, sufficient compression is applied to the weld toe using the volume expansion from the start of transformation expansion to the end of transformation expansion of the weld metal. In order to generate stress, it is necessary to secure the stress generated by restraining the expansion of the weld metal and the reaction force generated in the surrounding base metal heat affected zone.Thefor that reasonTheWeld metal and steel equivalent to theseTensionStrength must be secured. For example, if the weld metal in the temperature range during the transformation expansion of the weld metalTensionWhen the strength is 0, the weld metal is plastically deformed at the time of transformation expansion of the weld metal, and the transformation expansion is merely changed to plastic strain, and the compressive stress at the weld toe is still zero. Then, even if the thermal contraction of the weld metal is suppressed until it is cooled to room temperature, and this state is maintained, the weld toe cannot be made a compressive residual stress.
[0050]
  Based on the above,In the lightIn order to secure the minimum stress generated in the weld metal and the reaction force of the surrounding base metal heat affected zone to generate sufficient compressive stress at the weld toe using volume expansion due to transformation of the weld metal Of weld metal and steelTensionThe strength was 590 MPa or more.
[0051]
  In addition, this departureIn the lightOf steel and weld metalTensionThere is no need to specify the upper limit of strength.TensionStrength is also limited. However, steel and weld metalTensionstrengthHigh degreeIn this case, since it is necessary to add a considerable amount of alloying elements to the steel material and the weld metal, from the viewpoint of improving the toughness of the weld and reducing the manufacturing cost, it is preferable that the steel material and the weld metal areTensionIt is desirable that the upper limit value of strength be 980 MPa.
[0052]
  (The regulation that the penetration depth of the weld metal is 1/3 or less of the plate thickness of the steel plate)
  Main departureBright and meltedThe reason for limiting the penetration depth of the metal contact will be described.
[0053]
  If the penetration depth of the weld metal is excessively large, the reaction force of the steel material including the heat-affected zone below the weld metal cannot be sufficiently obtained during transformation expansion of the weld metal, and the compressive residual stress at the weld toe becomes small. Fatigue strength is not improved sufficiently. For example, as shown in FIG. 1, when the penetration depth of the weld metal W is large, the unmelted portion indicated by A is reduced during transformation expansion of the weld metal, so that the expansion of the weld metal can hardly be restricted. Plastic deformation occurs, the weld metal expands almost freely, and no compressive residual stress is generated at the weld toe. On the other hand, if a method is used in which welding is performed while maintaining a high degree of restraint by restraining the weld joint structure or restraint without relying on restraint of the unmelted portion of A, welding is performed during transformation expansion of the weld metal. Although the toe part is in a compressive stress state, it becomes a weld toe part due to thermal contraction due to cooling to room temperature after the transformation of the weld metal is completed.TensionSince stress is generated and the compressive stress at the time of transformation expansion is offset, this is not an effective method.
[0054]
  In welding under the condition that the steel plate thickness is relatively thick, the problem of lowering the base metal restraint under the weld metal due to the penetration depth of the weld metal is eliminated.. However, The reason mentioned earlierIn the present invention,To ensure the thermal conductivity of the base metal under the weld metalTo steelLimit board thickness to 4mm or less. thisBecause of such thin plate thicknessIs meltedThe penetration depth of the metal must be limitedMeltReduced restraint of base metal including heat affected zone under metal contactAnd meltCan generate sufficient compressive residual stress at the contact end.Absent.As a result, the fatigue strength of the welded joint cannot be improved.
[0055]
  Main departureIn the lightDefines the penetration depth of the weld metal to 1/3 of the steel plate thickness in order to ensure sufficient restraint of the lower unmelted portion during transformation expansion of the weld metal as described above. Here, the penetration depth is the maximum penetration depth, which is the largest of the weld metals.Show valueThe steel plate thickness is the plate thickness before welding.
[0056]
  (Regulation of transformation start temperature of weld metal of 475 to 600 ° C or less than 400 to 475 ° C)
MeltingThe reason for limiting the range of the transformation start temperature of the metal contact will be described. Main departureClearlyThe transformation start temperature of the weld metal in theAccompanying the stateFatigue strength improvement technology of welded joints using volume expansionIs largelistenDifferentThe transformation expansion of the weld metal under the condition that the transformation start temperature of the weld metal is 200 ° C. or more higher than the conventional temperature is utilized. Main departureIn the lightIs not a transformation under conditions where the transformation start temperature is low as in the prior art because the transformation start temperature of the weld metal is very high, but it uses volume expansion due to bainite transformation or ferrite pearlite transformation in addition to martensite.The for that reason,Weld metal welded jointIs obedientIt becomes a bainite transformation or a ferrite pearlite main structure whose hardness is lower than the conventional hard structure mainly composed of martensite, and a weld metal having high toughness is obtained. In addition, this departureIn the lightCompared with welding using conventional low temperature transformation welding materials, the transformation start temperature of weld metal is very high. ThatTherefore, it is possible to reduce the amount of expensive alloy components added to lower the welding metal transformation start temperature in the welding material.FromThe manufacturing cost of the welding material can be reduced compared to the conventional case.
[0057]
  However, since the strength of weld metal and base metal generally decreases with increasing temperature,MysteriousThus, when welding is performed under conditions where the transformation start temperature of the weld metal is high, the strength decreases accordingly.. ThatFor this reason, the stress generated by restraining the expansion of the weld metal during transformation expansion and the reaction force generated in the base material including the heat-affected zone around it are reduced.WeirdCompressive stress generated at the weld toe during state expansion decreasesTo do. at the same timeBecause the temperature difference between the transformation end temperature and room temperature increases, the weld toe at the weld toe that occurs due to the heat shrinkage of the weld metal due to cooling between the temperatures.TensionIncreased stressTo do.As a result, it is difficult to improve the fatigue strength of the weld joint by setting the residual stress at the weld toe at room temperature to the compression side. Therefore, this departureIn the lightAs described above, by prescribing the transformation start temperature of the weld metal according to the level of restraint in welding, it is possible to freely contract at the time of thermal contraction after the transformation of the weld metal andTensionSuppresses increase in stress.
[0058]
  Main departureIn the lightClassifies the transformation start temperature condition of the weld metal in welding into two different transformation start temperature levels of 475 to 600 ° C. where the transformation start temperature is high and 400 to 475 ° C. which are lower than that.
[0059]
  When welding is performed under the condition that the transformation start temperature of the weld metal is 475 ° C to 600 ° C, the transformation of the weld metal starts at a higher temperature. Therefore, the weld metal of the welded joint has a bainite transformation or a ferrite pearlite main structure and is harder. Resulting in a welded joint with lower toughness and better toughnessThe for that reasonIn addition, it is possible to further reduce the amount of the expensive alloy component added to lower the transformation start temperature in the welding material, and to further reduce the manufacturing cost of the welded joint. In addition, the fatigue strength of the welded joint is sufficiently ensured by introducing compressive stress to the weld toe at a transformation start temperature of the weld metal of 475 ° C. to 600 ° C. so that the residual stress at room temperature and the compressive stress side. For this purpose, as described above, the degree of restraint needs to be regulated to 4000 N / mm · mm or less. However, even when welding under such a low constraint condition, if the transformation start temperature of the weld metal exceeds 600 ° C., it becomes difficult to make the residual stress at the weld toe part compressive stress side, and the fatigue strength of the welded joint Therefore, the upper limit of the transformation start temperature of the weld metal was set to 600 ° C. On the other hand, when the transformation start temperature is lower than 475 ° C., the lower limit value of the transformation start temperature of the weld metal can improve the fatigue strength of the welded joint. Therefore, the lower limit value of the transformation start temperature of the weld metal was set to 475 ° C. from the viewpoints of economy and manufacturing cost.
[0060]
  When welding is performed under conditions where the transformation start temperature of the weld metal is 400 ° C. to less than 475 ° C., the weld metal of the welded joint has a bainite transformation or a ferrite pearlite main structure as compared with the welding conditions where the transformation start temperature of the weld metal is high. However, the toughness of the weld is slightly reduced.To do. for that reason,The amount of expensive alloy components added to reduce the transformation start temperature of the weld metal in the welding material is also increased, and the manufacturing cost of the welded joint is slightly increased.. HoweverEven if welding is performed under high restraint conditions with a restraint degree of 8000 N / mm · mm or less, the residual stress at the weld toe can be brought to the compressive stress side, and the fatigue strength of the welded joint can be sufficiently secured. It is. Therefore, it is particularly effective in welding when it is difficult to weld under construction conditions in which the degree of restraint is sufficiently reduced due to the structure of the welded joint, and the degree of freedom of the welding construction conditions can be improved.
[0061]
  Under these welding conditions, the degree of restraint is relatively high, and the influence of heat shrinkage after the end of transformation expansion of the weld metal tends to be relatively large.Therefore, unless the upper limit of the transformation start temperature of the weld metal is regulated as low as less than 475 ° C., Residual stress at the weld toe is reduced by constraining the shrinkage during the heat shrinkage process after the transformation expansion of the weld metal.TensionIt shifts to the stress side and sufficient fatigue strength cannot be improved.. ThatTherefore, the upper limit of the transformation start temperature of the weld metal is set to less than 475 ° C. On the other hand, the lower limit of the transformation start temperature of the weld metal can improve the fatigue strength of the welded joint even when the transformation start temperature is lower than 400 ° C. Therefore, the lower limit of the transformation start temperature of the weld metal was set to 400 ° C. from the viewpoint of economy and manufacturing cost.
[0062]
  Next, in the present invention, from the steel material surface of the weld toepreferableDentTo quantityDescribe.
[0063]
  In the present invention, the fatigue strength of the welded joint is improved by using both the transformation expansion of the weld metal and the ultrasonic peening treatment. The method for improving the fatigue strength by using the transformation expansion of the weld metal can ensure the fatigue strength improvement effect by limiting the transformation start temperature of the weld metal or by limiting the components of the weld metal. When a peening process is performed, it is not always clear whether the process has an effect of improving fatigue strength. Accordingly, the present inventors have investigated the amount of dents that can provide an effect of improving fatigue strength, focusing on the amount of dents at the weld toe after ultrasonic peening.as a result,Dented amountButBelow 0.03mmWhenThe effect of ultrasonic peening treatment is small and fatigue strength does not improveIn some cases, it is not preferable, and the amount of dent is1/4 of the plate thicknessAbove, Causing an increase in local stress due to a decrease in plate thickness, which is undesirable from the viewpoint of improving fatigue strength as a jointIt turns out that there may be cases. Therefore, in the present invention, the degree of the ultrasonic peening treatment is preferably such that the weld toe is recessed 0.03 mm or more and 1/4 or less of the plate thickness from the steel surface.
[0064]
Next, the reason why the range of the region where the ultrasonic peening process is performed on the toe portion or the region where the indentation of the toe portion exists is limited will be described.
[0065]
  In the present invention, the purpose of performing the ultrasonic peening treatment is to ensure the fatigue strength of the start portion and the crater portion of the weld bead where the bead shape becomes defective. For this reason, it is necessary to perform an ultrasonic peening process or to cover an area where the dent of the toe portion is present to cause a bead shape defect. In particular, the parts that are problematic in terms of fatigue characteristics are the ends of the beads. Therefore, the ultrasonic peening process to the toe part or the dent to the toe part must cover at least the both end parts. And in the range of 10 mm from both ends where the bead shape is bad, the ultrasonic peening process must be carried out to ensure the dent. In the present invention, the area where ultrasonic peening is applied to the toe or the dent to the toe is the end of the start part and the crater part.Et 1If it is over 0mmLower limitThe reason for this is as described above. MaTheUpper limit of ultrasonic peening area or indentation areaaboutIn addition, the ultrasonic peening process itself increases the manufacturing cost, and in the present invention, the fatigue strength is improved by the low temperature transformation weld metal.ThisThe upper limit of 100mmThe
[0066]
  (Rules for weld metal components)
  The present inventionMeltingPreferred components for metal contactRegulationExplain why.
[0067]
  The present inventionMeltingAs an embodiment of the metal-contacting component system, depending on two different transformation start temperature levels of 475 to 600 ° C. where the transformation start temperature is relatively high and 400 ° C. to less than 475 ° C., which are lower than the following two, A variety of component systems are used.
[0068]
  As a component system of a weld metal having a relatively high transformation start temperature of 475 to 600 ° C., a component system that lowers the transformation start temperature of the weld metal mainly by adding a relatively large amount of C (hereinafter referred to as C system). A component system (hereinafter referred to as Ni system) that lowers the transformation start temperature mainly by adding Ni was used. In addition, as a component system of a weld metal having a relatively low transformation start temperature of 400 ° C. to less than 475 ° C., a component system that lowers the transformation start temperature mainly by adding Ni (hereinafter referred to as a Ni-based component) is used. It was.
[0069]
  Among these, C-based weld metal has a small additive amount of expensive alloy elements, so that the manufacturing cost of the welding material for obtaining the weld metal can be reduced, and the toughness of the weld metal is slightly inferior but excellent in fatigue characteristics. This is advantageous from the viewpoint of economy when manufacturing a welded joint. On the other hand, Ni-based weld metal is disadvantageous from the viewpoint of economics of welded joints because it adds a relatively large amount of expensive Ni alloy elements, but the effect of Ni is further increased under the same conditions for the transformation start temperature of the weld metal. Can improve the toughness, and is effective when manufacturing a welded joint that requires a high toughness level as well as fatigue characteristics. The selection of the component system of these weld metals and the welding material that realizes them is selected based on the respective characteristics.
[0070]
  (Composition rules for C weld metal)
  The reasons for limiting the components of the C-based weld metal and the content thereof will be described. C is a quenching element and is an effective element from both the viewpoint of improving the strength of the weld metal and reducing the transformation temperature. The lower limit of the C content is 0.2%. If the addition amount is less than this, the transformation start temperature of the C-based weld metal cannot be adjusted within the range of 475 to 600 ° C., and the strength of the weld metal is ensured. This value was set because it would cause problems. On the other hand, the higher the C content, the higher the risk of causing solidification cracks in the weld metal during butt solidification, particularly when the steel plate thickness is thick, so the upper limit of the C content is set to 0.4%.
[0071]
  Si is mainly added as a deoxidizing element and has an effect of lowering the oxygen level even when the oxygen concentration of the weld metal is increased due to air mixing during welding. The lower limit of the Si content is less than 0.1%, so that the deoxidation effect is insufficient and oxygen in the weld metal cannot be sufficiently reduced, and the mechanical properties of the weld metal, particularly toughness, are deteriorated. The lower limit of the amount was 0.1%. On the other hand, Si exceeds 0.8%WhenIn this case, the upper limit of the content is set to 0.8% because it causes toughness deterioration.
[0072]
  Mn is a quenching element and has the effect of improving the strength of the weld metal and lowering its transformation temperature. Ensuring the strength of the weld metalClearlyResidual weld toeTensionThis is important from the viewpoint of ensuring yield strength at the time of transformation expansion of the weld metal, which is a stress reduction mechanism, and generating sufficient compressive stress at the weld toe.
[0073]
  The lower limit of the Mn content is 0.4% as the minimum addition amount from the viewpoint of securing the strength of the weld metal. From the viewpoint of lowering the transformation temperature of the weld metal, the amount of Mn added is adjusted as a complementary component of C. However, if the amount added is excessively large, the manufacturing cost of the welding material increases, which is not preferable from the viewpoint of economy. Therefore, the upper limit of the amount of Mn added is set to 2.0%.
[0074]
  P and S are inevitable impurity elements.In the lightWhen these elements are present in large amounts in the weld metal, the toughness deteriorates, so the upper limits of the P and S contents were 0.03% and 0.02%, respectively.
[0075]
  The above is the departureClearlyIt is a basic component of the C-based weld metal in this, and the fatigue strength of the weld metal can be sufficiently obtained by these component rules, but in order to further improve the strength and toughness of the weld metal, according to their required characteristics, One or more of Ni, Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, Ca, B and Mg may be contained in a total amount of 0.001 to 1.0%. The lower limit of the total value of this content is the minimum content necessary for improving the strength and toughness of the weld metal, and the upper limit thereof excessively increases the content of alloy elements.SakoIn order to increase the manufacturing cost of the welded joint, the upper limit was made 1.0%.
[0076]
  (Component rules for Ni weld metal)
  The reason for limiting the components of the Ni-based weld metal and the content thereof will be described.
[0077]
  C is a quenching element, and is an effective element from the viewpoint of improving the strength of the weld metal and reducing the transformation temperature. However, in the Ni-based component, the transformation start temperature of the weld metal is realized mainly by addition of Ni. In order to complement the effect of lowering the transformation temperature of the Ni weld metal and to obtain sufficient strength, the lower limit is defined as 0.03%. On the other hand, excessive addition of C causes toughness deterioration of the weld metal, so the upper limit of its content was made less than 0.2%.
[0078]
  Si is mainly added as a deoxidizing element and has an effect of lowering the oxygen level even when the oxygen concentration of the weld metal is increased due to air mixing during welding. The lower limit of the Si content is that if the Si content is less than 0.1%, the deoxidation effect is reduced and the oxygen level in the weld metal becomes too high, causing the deterioration of the mechanical properties of the weld metal, particularly toughness. Therefore, the lower limit of the content is set to 0.1%. On the other hand, excessive addition of Si also causes toughness deterioration, so the upper limit of its content was made 0.8%.
[0079]
  Mn is a quenching element and has the effect of improving the strength of the weld metal and lowering its transformation temperature. Ensuring the strength of the weld metalClearlyResidual weld toeTensionThis is important from the viewpoint of ensuring yield strength at the time of transformation expansion of the weld metal, which is a stress reduction mechanism, and generating sufficient compressive stress at the weld toe.
[0080]
  The lower limit of the Mn content is 1.0% as the minimum addition amount from the viewpoint of securing the strength of the weld metal. From the viewpoint of lowering the transformation temperature of the weld metal, the amount of Mn added is adjusted as a complementary component of Ni. However, if the amount added is excessively increased, the toughness of the weld metal is deteriorated, so the upper limit is set to 2.0%. It was.
[0081]
  P and S are inevitable impurity elements.In the lightWhen these elements are present in large amounts in the weld metal, the toughness deteriorates, so the upper limits of the P and S contents were set to 0.03% and 0.02%, respectively.
[0082]
  Ni is a metal element having an austenite structure (face-centered structure), which further stabilizes the austenite state of the weld metal at high temperatures and delays transformation to ferrite (body-centered structure) at low temperatures. It is an element that lowers the temperature. In addition, even if Ni is added in the same amount, Ni does not increase the risk of solidification cracking of the weld metal compared to C. Therefore, Ni is an element effective for further lowering the transformation temperature while maintaining the toughness of the weld metal. It is.
[0083]
  Main departureClearlyHowever, when the transformation start temperature of the Ni-based weld metal is adjusted to the range of 475 to 600 ° C., the fatigue strength of the welded joint is improved as in the case of the C-based weld metal even if the C addition amount is reduced.Is achievedAnd improved toughness compared to C-based weld metalMakebe able to. Therefore, the lower limit of the Ni content is set to 2.0% in order to improve the fatigue strength of the welded joint. On the other hand, the upper limit of the Ni content is less than 4.0% in order to sufficiently maintain the economical efficiency, toughness and weldability of the welded joint.
[0084]
  Main departureClearlyHowever, when the transformation start temperature of the Ni-based weld metal is adjusted to a range of less than 400 to 475 ° C., the C-based weld metal tends to cause a problem of solidification cracking of the weld metal due to an increase in the C content. Further, by setting the Ni content to 4.0 to 7.5%, the transformation start temperature of the weld metal can be lowered and suppressed to 400 to less than 475 ° C. while suppressing solidification cracking. Further, unlike C, Ni does not necessarily deteriorate toughness even if the addition amount is slightly increased, and in this case as well, toughness equivalent to or higher than that of C-based weld metal can be secured. The lower limit of the Ni content is set to 4.0% in order to improve the fatigue strength of the welded joint. On the other hand, if the upper limit of Ni content exceeds 7.5%, the economics of welded joints deteriorates and the weldability such as toughness and weld solidification cracks may deteriorate. Was defined as 7.5%.
[0085]
  The above is the departureClearlyIt is a basic component of Ni-based weld metal, and the fatigue strength of the weld metal can be sufficiently obtained by the provisions of these components. Furthermore, in order to further improve the strength and toughness of the weld metal, according to the required characteristics. One or more of Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, Ca, B and Mg may be contained in a total amount of 0.001 to 1.0%. The lower limit of the total content is the minimum content necessary to improve the strength and toughness of the weld metal, and the upper limit is the production of welded joints by excessively increasing the content of alloy elements. In order to increase the cost, the upper limit was made 1.0%.
[0086]
  As aboveClearlyThe components of the C-based and Ni-based weld metals and the reasons for limiting the content thereof have been described, but the adjustment of the weld metal component content can be performed by using a welding wire, a combination of a welding wire and a filling flux, or This can be realized by designing the components of each welding material in consideration of the component yield in the weld metal when welding using either the core wire of the welding rod or the coating flux.
[0087]
  Next, the reason why the peening process is limited to the peening process using ultrasonic waves in the present invention will be described.
[0088]
  Here, ultrasonic peening means a frequency having a frequency in the range of 20 kHz to 60 kHz. The greatest merit of using ultrasonic waves is that a sufficiently large impact force can be applied even if the weight of the pin at the peening tip is small, and as a result, a sufficient peening effect can be achieved with a small work time. The principle of improving the fatigue strength by performing the peening process is to improve the shape of the portion there and to apply a compressive residual stress. For this purpose, plastic strain must be introduced into the peening portion. This is because no stress remains within the elastic strain range. In order to introduce plastic strain, it is necessary to apply an impact stress that exceeds the yield strength of the material. If this is to be achieved with static stress, a stress greater than the yield stress is applied to the weld. It is necessary to increase the work load by increasing the size of the apparatus. On the other hand, when ultrasonic waves are used, it can be seen that the stress applied to the peening portion is sufficiently large even if the mass of the pin is about 10 g, for example.
[0089]
  This principle will be briefly described.
[0090]
  It is assumed that the frequency is 33 kHz, the mass of the pin is 10 g, the range in which the pin vibrates is 0.03 mm, and the diameter of the tip of the pin is 3 mm. At this time, the pin speed, V, is
    V = 0.03 × 33000 = 1000 mm / s = 1 m / s
It is. Assuming that the pin changes the speed from +1 m / s to -1 m / s once every 1/33000 seconds, the change occurs at the moment when the pin hits the peening process portion. If this speed change occurs in 1/10 time within one frequency, ie 1 / 330,000 seconds, the time change in speed, ie acceleration, A is
    A = dV / dt = 2 × 330000 = 660000 m / s2
It becomes. The impact force F can be obtained by multiplying the acceleration by the weight of the pin 10 g = 1/100 kg,
    F = 660000 × 1/100 = 6600N
It becomes. Stress S is the cross-sectional area of the pin, 1.5 × 1.5 × 3.14 = 7.1 mm2Divided by
    S = 6600 / 7.1 = 930 N / mm2= 930 MPa
It becomes. It should be noted that this stress is a value when the weight of the pin is only 10 g. In the case of actual ultrasonic peening, it is considered that the time interval at which the speed inversion occurs is shorter than the setting of the above calculation, and therefore, it is considered that a larger impact stress is generated.
[0091]
  As described above, the peening processSenseIt can be seen that the method using ultrasonic waves has the advantage that the mass of the pin is small and the weight of the device can be reduced accordingly.
[0092]
  Next, the preferred frequency of ultrasonic peeningRegulationExplain why.
[0093]
  When the frequency is lower than 20 kHz, the lower limit of 20 kHz falls within a frequency range that can be heard by humans, that is, an audible frequency range, which is not preferable from the viewpoint of peening work. Since the intent of the present invention is to provide a simple method for improving fatigue strength, a method in which the work environment deteriorates deviates from the intent of the present invention. Further, as can be seen from the above calculation of the impact stress, the higher the ultrasonic frequency, the higher the impact stress and the more advantageous. The lower limit of 20 kHz was set as a frequency at which a sufficient peening effect can be obtained with a simple apparatus, and as a value that does not deteriorate the working environment. The lower limit of 20 kHz is preferably 23 kHz or more from the viewpoint of obtaining higher impact stress. If the upper limit of 60 kHz is a frequency higher than this, it is difficult to obtain ultrasonic waves with a simple device with the current technology, and although it is inaudible to the human ear, there is a problem in health care management. It was set.
[0094]
  Next, the reason why the preferable hardness of the pin is limited will be described.
[0095]
  In the present invention, the strength of the steel material and the weld metal is limited. This is intended to effectively change the transformation expansion of the weld metal into a compression elastic strain. However, with respect to the start and crater portions of the weld bead, it is necessary to ensure fatigue strength by peening treatment or the like due to the deterioration of the bead shape. On the other hand, regarding the strength, the start portion and the crater portion also have a predetermined strength. For example,TensionWhen the strength is 780 MPa, the hardness is about 280 Hv. At 980 MPa, the hardness is close to 350 Hv. In order to improve the shape of the portion or reduce the residual stress by peening, plastic strain must be introduced into the peening portion. For that purpose, it is necessary to make the pin harder than steel and weld metal. Therefore, in the present invention, the lower limit of the hardness of the pin is set to 450 Hv. The upper limit of 900 Hv was set to this value because there is a material harder than this, but the cost of the pin itself is increased and the peening effect is not significantly increased.
[0096]
  Next, the reason for limiting the preferred diameter of the pin will be described.
[0097]
  As can be seen from the above-described calculation example of impact stress, the final impact stress can be obtained by dividing the impact force by the pin cross-sectional area, and the impact stress tends to increase as the cross-sectional area decreases. In order to obtain a larger impact stress, the pin may be made thinner, for example, like a needle. In this case, however, there is a risk that the pin will break or buckle, and unnecessary thin shapes are rather negative. The lower limit of 1.5 mm was set as a value that can sufficiently withstand the peening treatment without buckling or breaking of the pin. Conversely, the upper limit of 7 mm of the pin diameter is set to this value because the cross-sectional area of the pin is too large at a diameter exceeding this, and the impact stress may not be a predetermined value although it is sufficient as the impact force. .
[0098]
【Example】
  Examples of the present invention are shown below.
[0099]
  2 and 3 are schematic views of the fatigue test method used in this example. The actual degree of restraint of the member during welding can be determined by numerical calculation such as the finite element method, or by measuring the change in groove width at that time by applying a load to the groove before welding. . However, with such a method, the degree of restraint cannot always be controlled arbitrarily, and there is also a problem that the test cost becomes enormous. In view of the problems of these test methods, in this embodiment, a fatigue test method devised to arbitrarily determine the degree of restraint when producing a fatigue test piece by welding as shown in FIGS. It is. Here, two types of joints shown in FIGS. 2 and 3 were prepared as shapes of fillet weld joints. In any of the joints, the fatigue test piece was fixed in advance with jigs 4 and 5 before welding. This is to keep the degree of restraint of the weld joint constant. Next, fillet welding was performed in this state to produce a fatigue test piece. In addition, fillet welding of a fatigue test piece uses a wire and CO.2The welding conditions were such that the current 125A and voltage 17V were constant, and the heat input during welding was adjusted by changing the welding speed. Usually, the welded joint used for the fatigue test piece is deleted by machining so that the start and crater parts of the weld bead do not remain on the test piece. However, depending on the actual structure, there are cases where it is impossible or technically and economically difficult to delete the start part and the crater part. Therefore, it is the joint shape of FIGS. 2 and 3 that can reproduce the fatigue behavior of such a structure. The joint in FIG. 2 (hereinafter referred to as joint A) has a U-shaped weld bead, and the joint in FIG. 3 (hereinafter referred to as joint B) has a V-shape. It is obvious that both the joints A and B have a structural stress concentration portion in addition to the condition that the bead is easily disturbed in the start portion 1 and the crater portion 2. In addition to the start portion 1 and the crater portion 2, the corner portion 3 is a structural stress concentration portion.
[0100]
  Moreover, the restraint degree (RF) in welding at the time of fatigue test piece preparation changes the distance (L of FIG. 2, 3) between the test piece being fixed with the jigs 4 and 5 below (L). 1) The degree of constraint calculated using the equation was arbitrarily set.
    RF (N / mm · mm) = E (N / mm2) · H (mm) / L (mm) (1)
However, RF: Restraint degree, E: Young's modulus, H: Test material plate thickness, L: Distance between fixed ends (L)
[0101]
  Fatigue test pieces prepared by welding were prepared with or without ultrasonic peening treatment at the start and craters, and fatigued by applying a fatigue load in the direction of the arrows shown in FIGS. A test was conducted. The fatigue strength indicates a load that does not break even when a load of 5 million times is applied. For example, a fatigue strength of 1000 N means that the stress ratio is 0.1 and the load is between 111-1111 N and 5 million. It means that it does not break even when it is repeatedly loaded, and breaks at a number of repetitions less than 5 million times in a stress range exceeding that. The fatigue fracture is determined by attaching a strain gauge to the start part, crater part and corner part of the test piece, and when the strain gauge reading is reduced by 20% from the initial value during the fatigue test. It is regarded as having done. Moreover, since the strain gauge was affixed to the test piece after welding, the influence of welding residual stress is not included. Moreover, the penetration depth of the weld metal of the fatigue test piece was obtained by actually measuring the penetration depth 6 shown in FIG. 4 by taking a cross-sectional macro test piece from the test piece after the fatigue test was completed. Similarly, as for the amount of dent at the time of ultrasonic peening treatment, a macro test piece was collected after the end of the fatigue test, and the amount of dent 7 shown in FIG. 5 was measured.
[0102]
  Table 1 shows the composition of the weld metal, the transformation start temperature, the specimens taken from the weld metal parts of a plurality of fatigue test pieces prepared under the same welding conditions,TensionIntensity and 0 ° C Charpy absorbed energy are shown. The transformation start temperature of the weld metal was measured using a four master test, and the 0 ° C. Charpy absorbed energy was determined by carrying out an all-depot test under welding conditions of 270A-30V-25 cm / min according to JIS Z3111. However, thisAkiraWeld metal No. corresponding to the specified C-based weld metal. For 1 and 2, the C content is high and the possibility of hot cracking is high. Therefore, in order to prevent this, an all-depot test was conducted under the welding conditions when preparing fatigue test pieces, that is, 125A-17V-40 cm / min. It was.
[0103]
  In Table 1, the weld metal symbols A, B, E and F areIn the lightSpecified welding metal transformation start temperature: satisfies the range of 475 to 600 ° C., of which welding metals A and B areIn the lightSpecified C: Corresponds to 0.2 to 0.4% C-based weld metal, and weld metals E and F areIn the lightSpecified Ni: Corresponds to Ni-based weld metal of 2.0 to less than 4.0% (C: less than 0.03 to 0.2%). Weld metals H and I areIn the lightSpecified welding metal transformation start temperature: It satisfies the range of 400 to less than 475 ° C.In the lightSpecified Ni: 4.0 to 7.5% (C: 0.03 to less than 0.2%) Ni-based weld metal. Weld metals C, D and G areIn the lightThis is outside the specified transformation start temperature range of the weld metal. When the mechanical properties of weld metals A, B, E, F, H, and I are compared, all are at the same level.TensionHas strength, but the main parts of weld metals E, F, H and IIn the lightThe specified Ni-based weld metal has a Charpy absorbed energy at 0 ° C of more than 100 J.In the lightSpecified C-type weld metal (vE0: 70-7It was higher than 5J).
[0104]
  Table 2 shows the weld metal symbols shown in Table 1 and the conditions for producing the fatigue test pieces. The joint shapes A and B are the joints A and B shown in FIGS. 2 and 3, and the penetration depth is a result of measuring a cross-sectional macro taken from a test piece. Further, the degree of restraint is a value calculated by equation (1) using the plate thickness and L. In addition, this departureMysteriousFor out-of-range conditions, out-of-range items are also listed in Table 2.
[0105]
  The test pieces in Table 2 were subjected to ultrasonic peening treatment under various conditions, and fatigue test pieces were prepared and subjected to fatigue tests. Tables 3 and 4 show the fatigue test results of the joint A shown in FIG. 2, and Tables 5 and 6 show the results of the joint B shown in FIG. Since different plate thicknesses are included for each joint, the fatigue test results are shown separately when the plate thickness is 2 mm or more and less than 2 mm. Tables 3 and 5 show cases where the plate thickness is 2 mm or more, and Tables 4 and 6 show cases where the plate thickness is less than 2 mm. In addition, the range of the ultrasonic peening in each table | surface has shown the range which implemented the ultrasonic peening from the both ends of the start part of a weld bead and a crater part.
[0106]
  Test No. shown in Table 3. 2 for the conditions other than ultrasonic peeningMysteriousAlthough it is within the range, since the ultrasonic peening treatment is not performed, fatigue occurs from the start portion and the crater portion, and the fatigue limit of 5 million times is 11.5 kN. Test No. 3 is a case where the ultrasonic peening range is too narrow and fatigue of the start portion and the crater portion cannot be sufficiently prevented. Test No. 4 and 8 show that the transformation start temperature and strength of the weld metalMysteriousUltrasonic peening out of rangeDidAlthough the fatigue strength of the start part and the crater part has been improved, the occurrence of fatigue from the corner part cannot be prevented. Test No. No. 5 is a test no. No. 4 is a case where the ultrasonic peening process is omitted, and the fatigue strength is the lowest in Table 3. Test No. 6 is the ultrasonic peening condition, steel and weld metal areMysteriousAlthough it is within the range, the degree of restraint under welding conditions is high (the weld metal E of test No. 6 has a transformation start temperature of 530 ° C. from Table 2,MysteriousIn order to be within the range, the degree of restraint must be 4000 N / mm · mm or less), and the case where the residual stress reduction is insufficient and the fatigue strength of the corner is insufficient. Test No. 7 has a pin diameter of 1 mm and is too thin.IsThis is a case where the ultrasonic peening treatment is insufficient. On the other hand, test No. which is within the scope of the present invention. No. 1 has a fatigue strength of 20.3 kN, which is approximately twice that of other joints.
[0107]
  Table 4 is an example in which the joint shape is the same as in Table 3 but the plate thickness is less than 2 mm. Test No. 12 is the strength of steel materialMysteriousOut of range, the transformation start temperature of the weld metal isMysteriousThis is the case where the welding residual stress could not be sufficiently reduced because the reaction force from the steel material was inadequate. Test No. 13 is a case where the ultrasonic peening process is excessively performed, the dent amount becomes 1/3 of the plate thickness, the plate thickness here is reduced, the local stress is increased, and the fatigue strength is improved. This is the case. On the other hand, even with the same steel material and weld metal, the test No. No. 11 is the test No. 11 because the ultrasonic peening treatment conditions are within the scope of the present invention. It is about twice as high as 12 and 13.
[0108]
  Table 5 shows the fatigue test results when the joint shape is B in FIG. 3 and the plate thickness is 2 mm. Test No. In No. 21, the weld metal is G in Table 2, and the transformation start temperature isMysteriousIt is the case that is out of range, fatigue from the corner of Fig. 3CrackIs generated, and the fatigue strength is insufficient. Test No. No. 22 is a test number. This corresponds to the case where the ultrasonic peening process is not performed at 21 and the fatigue strength of the start portion and the crater portion is lower than that of the corner portion, and in Table 5, the fatigue strength is the lowest. Test No. No. 23 had a narrow ultrasonic peening range of 5 mm, and the fatigue strength of the start part and crater part was insufficient. Test No. 24 is a test No. 24. 23, the ultrasonic peening range is within the range of the present invention, and the fatigue strength exceeds 20 kN. Test No. 25 has the highest joint restraint of 8400 N / mm · mm, which is the highest of the conditions in Table 2, and the transformation start temperature of the weld metal is 430 ° C.MysteriousDespite being within the range, the residual stress is not sufficiently reduced, so fatigue starts from the corner.CrackThis is the case. In order to reduce the residual stress with such a high degree of restraint, it is necessary to use a conventional low temperature transformation welding material as disclosed in Patent Document 4. Test No. No. 26 is a case where the residual stress could not be sufficiently reduced because the steel material strength was as low as 240 MPa and the steel material reaction force was small. Test No. 27 is a case where the hardness of the pin is too low to sufficiently perform the ultrasonic peening process, and as a result, the dent amount becomes insufficient. Test No. No. 28 has a pin diameter of 10 mm, which is outside the preferred range of the present invention. Similarly to 27, this is a case where the ultrasonic peening effect is insufficient. Test No. 29 is condition No. 2 in Table 2. As shown in FIG. 13, the plate thickness is as thick as 5 mm, and a temperature difference still remains in the plate thickness direction even in the temperature region where the weld metal is transformed. This is the case. For these tests, test no. No. 24 is within the scope of the present invention. In Table 5, the fatigue strength is more than 20 kN, and the effect of improving fatigue strength is clear.
[0109]
  Table 6 is an example when the joint shape is B in FIG. 3 and the plate thickness is less than 2 mm. Test No. No. 31 has a plate thickness of 0.6 mm.MysteriousIn this case, the depth of penetration exceeds the range of 1/3 of the plate thickness, resulting in insufficient residual stress reduction. Test No. 33 is the thicknessMysteriousAlthough it is within the range, the welding condition for the plate thickness is not appropriate, and the penetration becomes half the plate thickness, resulting in insufficient residual stress reduction. Test No. 33, test no. No. 32 is suitable for selecting the welding conditions even with the same thickness, and the penetration depth is 1/3 or less of the thickness.MysteriousThe fatigue strength is 9.5 kN, which is about twice that of the other two comparative examples.
[0110]
[Table 1]
Figure 0004523755
[0111]
[Table 2]
Figure 0004523755
[0112]
[Table 3]
Figure 0004523755
[0113]
[Table 4]
Figure 0004523755
[0114]
[Table 5]
Figure 0004523755
[0115]
[Table 6]
Figure 0004523755
[0116]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the fatigue strength of the welded joint can be significantly improved as compared with the conventional joint. Therefore, the present invention is an invention with extremely great industrial value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a lap joint portion.
FIG. 2 is a diagram illustrating the shape of a test piece of a joint A and the direction of fatigue load.
FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of a test piece of a joint B and a fatigue load loading direction.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the penetration depth.
FIG. 5 is a diagram for explaining a dent amount at a weld toe.
[Explanation of symbols]
  1 Start
  2 Crater
  3 Corner
  4 Jig
  5 Jig
  6 penetration depth
  7 dent amount

Claims (1)

板厚が1.0〜4.0mmで、かつ、引張強度が590MPa以上の高強度薄鋼板を用いた隅肉溶接継手の作製方法において、
該鋼板の下記式(1)で示される溶接部の拘束度(RF)を8000N/mm・mm以下とし、該溶接部における溶接金属の溶け込み深さを前記鋼板の板厚の1/3以下とし、該溶接金属を、変態開始温度が400〜600℃、かつ、引張強度が590MPa以上の溶接金属となるように、前記鋼板を隅肉溶接するに際し、
前記溶接金属の変態開始温度が475℃〜600℃の場合は前記拘束度(RF)を4000N/mm・mm以下とし、前記溶接金属の変態開始温度が400℃〜475℃未満の場合は前記拘束度(RF)を8000N/mm・mm以下として前記鋼板を隅肉溶接し、
その後さらに、該溶接部の溶接ビードのスタート部分およびクレーター部分の端部から10〜100mmの範囲にわたって、溶接止端部に超音波ピーニング処理を行うことを特徴とする、高強度薄鋼板の高疲労強度隅肉溶接継手の作製方法。
RF(N/mm・mm)=E(N/mm )・H(mm)/L(mm)・・(1)
上記式中において、RF:拘束度、L:中央に開先部を作製した試験片の両端を固定した場合の両固定端間の長さ、H:板厚、E:ヤング率を意味する。
In the method for producing a fillet welded joint using a high-strength thin steel plate having a plate thickness of 1.0 to 4.0 mm and a tensile strength of 590 MPa or more,
The restraint degree (RF) of the welded part represented by the following formula (1) of the steel sheet is 8000 N / mm · mm or less, and the penetration depth of the weld metal in the welded part is 1/3 or less of the plate thickness of the steel sheet. , When the fillet weld of the steel sheet so that the weld metal has a transformation start temperature of 400 to 600 ° C. and a tensile strength of 590 MPa or more,
When the transformation start temperature of the weld metal is 475 ° C. to 600 ° C., the degree of restraint (RF) is 4000 N / mm · mm or less, and when the transformation start temperature of the weld metal is 400 ° C. to less than 475 ° C. The steel plate is fillet welded at a degree (RF) of 8000 N / mm · mm or less,
Then, further, ultrasonic peening treatment is performed on the weld toe over a range of 10 to 100 mm from the start of the weld bead and the end of the crater of the weld, and the high fatigue strength of the high strength thin steel sheet A method for producing a strength fillet welded joint.
RF (N / mm · mm) = E (N / mm 2 ) · H (mm) / L (mm) ·· (1)
In the above formula, RF: restraint degree, L: length between both fixed ends when fixing both ends of a test piece having a groove portion at the center, H: plate thickness, E: Young's modulus.
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