JP4766958B2 - Ｚｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤー及びＺｎ系めっき鋼板の溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｚｎめっき又はＺｎ合金めっきを施しためっき鋼板を、溶接部に溶融金属脆化割れを発生させることなく溶接するための溶接ワイヤー並びにその溶接ワイヤーを用いてＺｎ系めっき鋼板をアーク溶接する方法に関する。
Ｚｎめっき又はＺｎ合金めっきを施しためっき鋼板（以下、「Ｚｎ系めっき鋼板」と記す。）は、優れた耐食性を活用して屋根材や住宅用構造材，配管，自動車部品等の幅広い分野で使用されている。しかし、板状のままで使用されることはほとんどなく、所要の形状に成形した後に各々の部品を溶接接合して最終製品を製造している。つまり、Ｚｎ系めっき鋼板を用いて所望製品を製造する際には、ほとんどの場合で溶接工程が入ってくる。
溶接の種類としては、スポット溶接に代表されるような抵抗溶接と、アーク溶接に代表されるような溶融溶接がある。住宅用構造物や自動車の足廻り部品等では、比較的高い接合強度が必要であることや板厚が比較的厚いこと、抵抗溶接での電極挿入が難しい閉領域の構造があることから、溶融溶接、多くはアーク溶接が用いられている。
溶接の種類としては、スポット溶接に代表されるような抵抗溶接と、アーク溶接に代表されるような溶融溶接がある。住宅用構造物や自動車の足廻り部品等では、比較的高い接合強度が必要であることや板厚が比較的厚いこと、抵抗溶接での電極挿入が難しい閉領域の構造があることから、溶融溶接、多くはアーク溶接が用いられている。
アーク溶接は、非常に高い熱量を被溶接材に与えて溶融・凝固、場合によっては溶接ワイヤーを供給して溶接する方法である。Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接するとめっき原板である鋼母材も溶融するが、その母材表面に被覆されているめっき層も再溶融、あるいは蒸発する。
Ｚｎ系めっき鋼板の場合、めっき層の融点が母材である鋼板の融点よりもかなり低いことから、溶接部の一部の領域や溶接部の周辺では、溶接中あるいは溶接後のある一定期間の間、めっき層が溶融状態で鋼板表面に存在することになる。鋼板上にめっき金属であるＺｎが溶融状態で存在した状態で、一定以上の引張応力が作用すると、鋼板に割れが発生することが知られている。非特許文献１に記載されている、いわゆる「溶融金属脆化割れ」と称されているものである。
Ｚｎ系めっき鋼板の場合、めっき層の融点が母材である鋼板の融点よりもかなり低いことから、溶接部の一部の領域や溶接部の周辺では、溶接中あるいは溶接後のある一定期間の間、めっき層が溶融状態で鋼板表面に存在することになる。鋼板上にめっき金属であるＺｎが溶融状態で存在した状態で、一定以上の引張応力が作用すると、鋼板に割れが発生することが知られている。非特許文献１に記載されている、いわゆる「溶融金属脆化割れ」と称されているものである。
溶融金属脆化割れは、アーク溶接した際に発生する熱影響部近傍で起きる場合が多く、その発生メカニズムは、溶融したＺｎが鋼板表面から結晶粒界に侵入して結晶粒界の結合力を弱め、その状態に何らかの原因で引張応力が作用することが考えられている。
このような溶融金属脆化割れを抑制するために、本出願人は、溶接施工方法の改善による溶融金属脆化割れ抑制方法を提案している。特許文献１〜３に記載しているように、溶融めっき金属が熱影響部近傍へ再流入することを防止して、溶融したＺｎが熱影響部近傍に存在しないようにした技術である。
特開２００４−３４４９０４号公報
特開２００４−３４４９０５号公報
特開２００５−９８６号公報
上田修三著「叢書 鉄鋼技術の流れ 第１シリーズ 第９巻 構造用鋼の溶接−低合金鋼の諸性質とメタラジー−」１９９７．６．１ 株式会社地人書館，ｐ.２７４−２７６
このような溶融金属脆化割れを抑制するために、本出願人は、溶接施工方法の改善による溶融金属脆化割れ抑制方法を提案している。特許文献１〜３に記載しているように、溶融めっき金属が熱影響部近傍へ再流入することを防止して、溶融したＺｎが熱影響部近傍に存在しないようにした技術である。
しかしながら、溶接条件や材料の拘束状態によっては、図１に示すような溶接金属１において溶融金属脆化割れ２が発生する場合がある。この溶接金属１内の割れ２は、Ｚｎ系めっき鋼板３，４のすみ肉部分５から溶融したＺｎが溶接金属１内に侵入し、そのような状態で引張応力が作用したために前記割れ２が発生したものと考えられる。
本出願人が既に提案している特許文献１〜３の方法は、何れもアーク溶接時に生じる熱影響部での溶融金属脆化割れの抑制には有効である。しかし、溶接金属内での溶融金属脆化割れは、２枚の鋼板のすみ肉部分から溶融Ｚｎが侵入するために抑制することは困難である。すなわち、これまでに提案してきた発明は、熱影響部に発生しやすい溶融金属脆化割れを抑制する方法としては極めて良好な結果をもたらすが、溶接金属内での溶融金属脆化割れの抑制には有効でない。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接する際に、溶接金属内での溶融金属脆化割れが発生することのない溶接ワイヤーを提供することを目的とする。
本出願人が既に提案している特許文献１〜３の方法は、何れもアーク溶接時に生じる熱影響部での溶融金属脆化割れの抑制には有効である。しかし、溶接金属内での溶融金属脆化割れは、２枚の鋼板のすみ肉部分から溶融Ｚｎが侵入するために抑制することは困難である。すなわち、これまでに提案してきた発明は、熱影響部に発生しやすい溶融金属脆化割れを抑制する方法としては極めて良好な結果をもたらすが、溶接金属内での溶融金属脆化割れの抑制には有効でない。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接する際に、溶接金属内での溶融金属脆化割れが発生することのない溶接ワイヤーを提供することを目的とする。
本発明のＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤーは、その目的を達成するため、Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％，Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％，Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％を含み、さらにＮｂ：０.００１〜０.１質量％，Ｖ：０.０１〜０.３質量％，Ｚｒ：０.０１〜０.５質量％の一種又は二種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属で構成されていることを特徴とする。
本発明のＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤーは、また、上記成分組成を有する金属で構成された外皮と、当該外皮内に充填された溶接用フラックスからなるコアードフラックスワイヤーであってもよい。
また、Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％，Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％，Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属で構成された外皮と、当該外皮内に充填された溶接用フラックスからなるコアードフラックスワイヤーであってもよい。
この場合、溶接用フラックスには、塩化物系混合物又はフッ化物系混合物が混入されているものが好ましい。
このような溶接ワイヤーを用いて２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部をアーク溶接すると、溶融金属脆化割れを起しがたい溶接金属部を形成することができる。
また、Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％，Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％，Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属で構成された外皮と、当該外皮内に充填された溶接用フラックスからなるコアードフラックスワイヤーであってもよい。
この場合、溶接用フラックスには、塩化物系混合物又はフッ化物系混合物が混入されているものが好ましい。
このような溶接ワイヤーを用いて２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部をアーク溶接すると、溶融金属脆化割れを起しがたい溶接金属部を形成することができる。
本発明で得られた溶接ワイヤーで２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部をアーク溶接すると、結晶粒を微細化させた溶接金属で構成された溶接継手部が得られる。このため、溶融したＺｎが溶接金属の結晶粒界に侵入することが抑えられ、溶接金属内での溶融金属脆化割れが発生することのない溶接継手を得ることが可能となる。
特に、溶接ワイヤーを、塩化物系混合物又はフッ化物系混合物が混入されたフラックスを充填させた、いわゆる溶接コアードフラックスワイヤーとして２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部のアーク溶接に用いると、溶融Ｚｎの溶接金属結晶粒界への侵入が効果的に抑えられ、溶接金属内での溶融金属脆化割れの発生が抑制される。
特に、溶接ワイヤーを、塩化物系混合物又はフッ化物系混合物が混入されたフラックスを充填させた、いわゆる溶接コアードフラックスワイヤーとして２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部のアーク溶接に用いると、溶融Ｚｎの溶接金属結晶粒界への侵入が効果的に抑えられ、溶接金属内での溶融金属脆化割れの発生が抑制される。
本発明者等は、Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接した際の溶接部の状態，溶融金属脆化割れの状態を観察した結果、以下に示す推論の下に本発明を完成するに到ったものである。
Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接するとき、Ｚｎ系めっき鋼板の母材は１５００℃以上にまで昇温する。その温度域では溶接継手における溶接金属はオーステナイト域にあり、オーステナイトの結晶粒は成長しやすい状態にあると考えられる。オーステナイト粒が成長して粗大化するために溶融Ｚｎが結晶粒界に沿ってより深く侵入するとともに、引張応力がその結晶粒界に集中しやすくなる。このために、溶融金属脆化割れが発生するものと考えられる。
また、溶融Ｚｎの熱影響部や溶接金属内への侵入は、前記特許文献１〜３に記載したように、溶接部付近でめっき金属が蒸発して活性化し、それによって溶接熱で再溶融しためっき金属が溶接部付近まで流入することが影響していると推定される。
Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接するとき、Ｚｎ系めっき鋼板の母材は１５００℃以上にまで昇温する。その温度域では溶接継手における溶接金属はオーステナイト域にあり、オーステナイトの結晶粒は成長しやすい状態にあると考えられる。オーステナイト粒が成長して粗大化するために溶融Ｚｎが結晶粒界に沿ってより深く侵入するとともに、引張応力がその結晶粒界に集中しやすくなる。このために、溶融金属脆化割れが発生するものと考えられる。
また、溶融Ｚｎの熱影響部や溶接金属内への侵入は、前記特許文献１〜３に記載したように、溶接部付近でめっき金属が蒸発して活性化し、それによって溶接熱で再溶融しためっき金属が溶接部付近まで流入することが影響していると推定される。
この推論から、溶接金属内で発生する溶融金属脆化割れを防止するためには、オーステナイト域にある溶接金属の結晶粒を微細化して溶融Ｚｎが深く侵入することを防止するとともに引張応力を分散して割れの進展を抑制することが有効であると考えられる。また、溶接用フラックスによって生成されるスラグにより溶融Ｚｎの溶接金属内への侵入を遮ること、さらにはＺｎ合金めっき鋼板をアーク溶接する場合に、溶接用フラックスによってめっき成分の一部を除去して溶融しためっき金属の融点を高め、これによってめっき金属が溶融状態になっている時間を短くして溶接金属内への侵入を防止することが有効であると考えられる。
この技術思想に基づいた対策を実現化するため、種々の検討を行って効果を確認し、本発明に到達した。
以下に具体的な対策内容を示すが、その効果については実施例にて詳記する。
この技術思想に基づいた対策を実現化するため、種々の検討を行って効果を確認し、本発明に到達した。
以下に具体的な対策内容を示すが、その効果については実施例にて詳記する。
まず、オーステナイト域における溶接金属の結晶粒を微細化するためには、前記溶接金属を、Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下を基本成分とし、これに０.００５〜０.１質量％のＴｉ及び０.０００１〜０.０１質量％のＢ，０.０５〜０.５質量％のＭｏを含ませ、さらに０.００１〜０.１質量％のＮｂ，０.０１〜０.３質量％のＶ，０.０１〜０.５質量％のＺｒの一種又は二種以上を含ませたものとすることが有効であることを見出した。そのためには、アーク溶接時の溶接ワイヤーとして、このような成分組成を有する金属からなるものを用いればよいことに到達したものである。
含ませた合金成分の含有量，作用は以下に示す通りである。
含ませた合金成分の含有量，作用は以下に示す通りである。
Ｃ：０.００１〜０.３質量％
材料強度の確保に有効な成分であり、必要強度を得るため０.００１質量％以上にＣ含有量を定める。しかし、フェライト相への固溶，炭化物の形成により溶接金属の延性を低下させるので、上限を０.３質量％に規制する。
材料強度の確保に有効な成分であり、必要強度を得るため０.００１質量％以上にＣ含有量を定める。しかし、フェライト相への固溶，炭化物の形成により溶接金属の延性を低下させるので、上限を０.３質量％に規制する。
Ｓｉ：１.５質量％以下
フェライト相に固溶して強度を向上させる成分であり、フェライト粒内を硬化して粒界への応力集中を促進させ、粒界の溶融金属脆化を助長するのでＳｉ含有量は低いほど好ましい。１.５質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、溶接金属の延性が低下する。
Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％
Ｓ起因の脆化を防止すると共に強度向上にも有効な元素であり、０.０５質量％以上でＭｎの含有効果がみられる。しかし、２.０質量％を超える過剰量のＭｎは、溶接金属の加工性を劣化させる。
フェライト相に固溶して強度を向上させる成分であり、フェライト粒内を硬化して粒界への応力集中を促進させ、粒界の溶融金属脆化を助長するのでＳｉ含有量は低いほど好ましい。１.５質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、溶接金属の延性が低下する。
Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％
Ｓ起因の脆化を防止すると共に強度向上にも有効な元素であり、０.０５質量％以上でＭｎの含有効果がみられる。しかし、２.０質量％を超える過剰量のＭｎは、溶接金属の加工性を劣化させる。
Ｐ：０.２質量％以下
延性に悪影響を及ぼす成分であることから、高加工性が要求される用途ではＰ含有量が低いほど好ましい。他方、強度向上に有効な成分であるので、高強度化用途には加工性に悪影響を及ぼさない範囲（具体的には０.２質量％以下，好ましくは０.１５質量％以下）の含有量とする。
Ｓ：０.０３質量％以下
熱間脆化の原因となり、加工性に有害な成分であるので、可能な限り低減することが好ましい。本成分系では、Ｓ含有量の上限を０.０３質量％（好ましくは、０.０１５質量％）に定めた。
延性に悪影響を及ぼす成分であることから、高加工性が要求される用途ではＰ含有量が低いほど好ましい。他方、強度向上に有効な成分であるので、高強度化用途には加工性に悪影響を及ぼさない範囲（具体的には０.２質量％以下，好ましくは０.１５質量％以下）の含有量とする。
Ｓ：０.０３質量％以下
熱間脆化の原因となり、加工性に有害な成分であるので、可能な限り低減することが好ましい。本成分系では、Ｓ含有量の上限を０.０３質量％（好ましくは、０.０１５質量％）に定めた。
Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％
溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。特に、溶接金属中のＮを窒化物として固定し、耐溶融金属脆化割れ性を改善する有効Ｂ量を確保する上で重要な成分である。これらの作用は、０.００５質量％以上で発揮されるが、０.１質量％を超えて過剰に含有させると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、Ｔｉ含有量は０.００５〜０.１質量％の範囲とする。
溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。特に、溶接金属中のＮを窒化物として固定し、耐溶融金属脆化割れ性を改善する有効Ｂ量を確保する上で重要な成分である。これらの作用は、０.００５質量％以上で発揮されるが、０.１質量％を超えて過剰に含有させると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、Ｔｉ含有量は０.００５〜０.１質量％の範囲とする。
Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％
結晶粒界に偏析することにより界面結合力を高め、耐溶融金属脆化割れ性を改善する。この効果は０.０００１質量％以上の含有で現れるが、０.０１質量％を超える過剰量のＢは硼化物の生成等により溶接金属の加工性が悪化する。このため、Ｂ含有量は０.０００１〜０.０１質量％の範囲とする。
結晶粒界に偏析することにより界面結合力を高め、耐溶融金属脆化割れ性を改善する。この効果は０.０００１質量％以上の含有で現れるが、０.０１質量％を超える過剰量のＢは硼化物の生成等により溶接金属の加工性が悪化する。このため、Ｂ含有量は０.０００１〜０.０１質量％の範囲とする。
Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％
溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。このような作用は、０.０５質量％以上で発揮されるが、過剰に添加すると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、上限を０.５質量％に規制する。
溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。このような作用は、０.０５質量％以上で発揮されるが、過剰に添加すると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、上限を０.５質量％に規制する。
Ｎｂ：０.００１〜０.１質量％
Ｖ：０.０１〜０.３質量％
Ｚｒ：０.０１〜０.５質量％
何れも、溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。
このような作用は、０.００１質量％以上のＮｂ，０.０１質量％以上のＶ又は０.０１質量％以上のＺｒで発揮されるが、過剰に添加すると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、上限を、Ｎｂ：０.１質量％，Ｖ：０.３質量％，Ｚｒ：０.５質量％に規制する。
Ｖ：０.０１〜０.３質量％
Ｚｒ：０.０１〜０.５質量％
何れも、溶接金属中のＣ，Ｎと結合して炭化物，窒化物，炭窒化物等の析出物又は複合析出物としてマトリックスに分散析出し、溶接金属の結晶粒を微細化する作用を現す。結晶粒の微細化により溶融金属脆化割れが抑制される。
このような作用は、０.００１質量％以上のＮｂ，０.０１質量％以上のＶ又は０.０１質量％以上のＺｒで発揮されるが、過剰に添加すると溶接した後に何らかの加工を行った場合に溶接金属部の加工性が悪化する。このため、上限を、Ｎｂ：０.１質量％，Ｖ：０.３質量％，Ｚｒ：０.５質量％に規制する。
次に、使用した溶接用フラックスについて説明する。
溶接用フラックスを用いてアーク溶接する際には、溶接心線材料で外皮を形作りその内部に溶接用フラックスを充填した、いわゆる溶接コアードフラックスワイヤーが用いられる場合が多いので、本発明でも同様に、溶接コアードフラックスワイヤー形態で用いることが好ましい。
溶接時に使用する溶接用フラックスの本来の働きは、溶接部の脱酸作用である。その脱酸作用によって、溶接部に、いわゆるスラグと称される酸化物が形成される。このスラグの形成により、溶接部が溶融Ｚｎに接触することを防ぎ、これによって熱影響部でのＺｎ系めっき鋼板・母材の結晶粒界への溶融Ｚｎの侵入を防止することができることになる。
溶接用フラックスを用いてアーク溶接する際には、溶接心線材料で外皮を形作りその内部に溶接用フラックスを充填した、いわゆる溶接コアードフラックスワイヤーが用いられる場合が多いので、本発明でも同様に、溶接コアードフラックスワイヤー形態で用いることが好ましい。
溶接時に使用する溶接用フラックスの本来の働きは、溶接部の脱酸作用である。その脱酸作用によって、溶接部に、いわゆるスラグと称される酸化物が形成される。このスラグの形成により、溶接部が溶融Ｚｎに接触することを防ぎ、これによって熱影響部でのＺｎ系めっき鋼板・母材の結晶粒界への溶融Ｚｎの侵入を防止することができることになる。
溶接部表面に形成されるスラグは、溶接用フラックスの種類に拘らず形成されるので、溶接心線で持って含包される溶接用フラックスとしては、ルチール系，メタル系，塩基性系等の何れの種類を選択してもよい。
さらに、Ｚｎ合金めっき鋼板では、Ｚｎめっき鋼板よりもめっき金属に添加されている金属成分が多いことから、めっき金属の融点が低下している場合がある。例えば、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板をアーク溶接する場合、めっき金属は融点が低いために溶融状態になっている時間が長く、その分、溶接金属内や熱影響部の母材内の結晶粒界に侵入しやすくなる。
さらに、Ｚｎ合金めっき鋼板では、Ｚｎめっき鋼板よりもめっき金属に添加されている金属成分が多いことから、めっき金属の融点が低下している場合がある。例えば、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板をアーク溶接する場合、めっき金属は融点が低いために溶融状態になっている時間が長く、その分、溶接金属内や熱影響部の母材内の結晶粒界に侵入しやすくなる。
このため、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板をアーク溶接する場合には、加熱時にめっき金属中のＡｌ成分，Ｍｇ成分を除去すれば融点の高い溶融合金に変換することができると考えられる。種々の検討により、本発明者等は、前記作用を与えるものとしては塩化物系混合物やフッ化物系混合物が好ましいことを見出すことができた。
塩化物やフッ化物は、金属系や非金属系において様々な形態のものがあるが、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板に対しては、塩化物系混合物としてＺｎＣｌ2＋ＮＨ4Ｃｌが、フッ化物系混合物としてＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6を用いることが好ましい。
塩化物やフッ化物は、金属系や非金属系において様々な形態のものがあるが、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板に対しては、塩化物系混合物としてＺｎＣｌ2＋ＮＨ4Ｃｌが、フッ化物系混合物としてＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6を用いることが好ましい。
これらの混合物には、めっき金属中のＡｌ成分やＭｇ成分を除去する作用がある。Ａｌ成分やＭｇ成分を除去することにより、めっき金属の融点が高められると考えられる。
そのメカニズムは、下式の反応に基づいていると推測される。
ＺｎＣｌ 2 ＋ＮＨ 4 Ｃｌの場合
Ｍｇ＋ＺｎＣｌ2 → ＭｇＣｌ2＋Ｚｎ
２Ａｌ＋３ＺｎＣｌ2 → ２ＡｌＣｌ3＋３Ｚｎ
Ｍｇ＋２ＮＨ4Ｃｌ → ＭｇＣｌ2＋２ＮＨ3＋Ｈ2
Ａｌ＋３ＮＨ4Ｃｌ → ＡｌＣｌ3＋３ＮＨ3＋３／２Ｈ2
これらの反応式に従い、Ｍｇ，Ａｌの塩化物を形成することで、めっき金属中のＭｇ成分及びＡｌ成分が除去される。加えて加熱によるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の形成によるＡｌ除去も作用してくる。
そのメカニズムは、下式の反応に基づいていると推測される。
ＺｎＣｌ 2 ＋ＮＨ 4 Ｃｌの場合
Ｍｇ＋ＺｎＣｌ2 → ＭｇＣｌ2＋Ｚｎ
２Ａｌ＋３ＺｎＣｌ2 → ２ＡｌＣｌ3＋３Ｚｎ
Ｍｇ＋２ＮＨ4Ｃｌ → ＭｇＣｌ2＋２ＮＨ3＋Ｈ2
Ａｌ＋３ＮＨ4Ｃｌ → ＡｌＣｌ3＋３ＮＨ3＋３／２Ｈ2
これらの反応式に従い、Ｍｇ，Ａｌの塩化物を形成することで、めっき金属中のＭｇ成分及びＡｌ成分が除去される。加えて加熱によるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の形成によるＡｌ除去も作用してくる。
ＫＡｌＦ 4 ＋Ｋ 3 ＡｌＦ 6 の場合
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ4 → ２ＭｇＦ3＋ＭｇＦ2＋２Ａｌ
この反応式に従い、Ｍｇフッ化物が形成されて、めっき金属中のＭｇ成分が除去される。加えて加熱によるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の形成によるＡｌ除去も作用してくる。
上記で示した反応により、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき金属の融点は、３３５℃から４２０℃になる。
このように、ＺｎＣｌ2＋ＮＨ4ＣｌやＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6の混合物を溶接用のフラックスに含ませた溶接コアードフラックスワイヤーを用いてＺｎ合金めっき鋼板を溶接すると、めっき金属を融点の高い溶融金属に変換することができ、結果的により効果の高い溶融金属脆化割れ防止方法を実現することができる。
溶接用フラックスに混入させる塩化物系混合物やフッ化物系混合物としては、上記のように、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板ではＺｎＣｌ2＋ＮＨ4ＣｌやＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6の混合物が好ましいが、被溶接材のめっき金属の成分組成により種々の混合物を選択・採用することが好ましい。
３Ｍｇ＋２ＫＡｌＦ4 → ２ＭｇＦ3＋ＭｇＦ2＋２Ａｌ
この反応式に従い、Ｍｇフッ化物が形成されて、めっき金属中のＭｇ成分が除去される。加えて加熱によるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の形成によるＡｌ除去も作用してくる。
上記で示した反応により、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき金属の融点は、３３５℃から４２０℃になる。
このように、ＺｎＣｌ2＋ＮＨ4ＣｌやＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6の混合物を溶接用のフラックスに含ませた溶接コアードフラックスワイヤーを用いてＺｎ合金めっき鋼板を溶接すると、めっき金属を融点の高い溶融金属に変換することができ、結果的により効果の高い溶融金属脆化割れ防止方法を実現することができる。
溶接用フラックスに混入させる塩化物系混合物やフッ化物系混合物としては、上記のように、Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板ではＺｎＣｌ2＋ＮＨ4ＣｌやＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6の混合物が好ましいが、被溶接材のめっき金属の成分組成により種々の混合物を選択・採用することが好ましい。
実施例１：
表１に示す板厚４.５ｍｍの鋼板を下地材とし、いずれもめっき付着量が片面当り９０ｇ／ｍ2のＺｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板を準備した。
板幅５０ｍｍ、全長１００ｍｍに裁断した同種のめっき鋼板６，７を、図２に示すようにすみ肉継手とし、板幅方向の両端をアーク溶接でスポット状に仮止めした後、板幅方向全長に亘って材料拘束を与えない状態で炭酸アーク溶接を実施した。
その際に用いた溶接ワイヤーは表２に示すものとし、各成分において溶接金属内の溶融金属脆化割れの発生状況を観察した。なお、溶接条件は、溶接電流を２２０Ａ，溶接電圧を２５Ｖ，溶接速度を０.２ｍ／分とした。
各溶接ワイヤーの成分と割れ発生の関係を表２に示す。
表１に示す板厚４.５ｍｍの鋼板を下地材とし、いずれもめっき付着量が片面当り９０ｇ／ｍ2のＺｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板を準備した。
板幅５０ｍｍ、全長１００ｍｍに裁断した同種のめっき鋼板６，７を、図２に示すようにすみ肉継手とし、板幅方向の両端をアーク溶接でスポット状に仮止めした後、板幅方向全長に亘って材料拘束を与えない状態で炭酸アーク溶接を実施した。
その際に用いた溶接ワイヤーは表２に示すものとし、各成分において溶接金属内の溶融金属脆化割れの発生状況を観察した。なお、溶接条件は、溶接電流を２２０Ａ，溶接電圧を２５Ｖ，溶接速度を０.２ｍ／分とした。
各溶接ワイヤーの成分と割れ発生の関係を表２に示す。
結果を表２に示しているが、アーク溶接した場合、図２中Ｆ線で示すようにめっき鋼板６，７は溶接金属の凝固収縮に伴い内側に変形するようになる。それによってすみ肉付近から溶接金属１に引張応力が作用する。
このような引張応力が作用しても、溶接ワイヤーＡ１〜Ａ１０のように、溶接ワイヤーの組成を請求項で規定した範囲内に調整することにより、溶接金属の溶融金属脆化割れの発生が無くなる。
このような引張応力が作用しても、溶接ワイヤーＡ１〜Ａ１０のように、溶接ワイヤーの組成を請求項で規定した範囲内に調整することにより、溶接金属の溶融金属脆化割れの発生が無くなる。
これに対して溶接ワイヤーＡ１１では、ワイヤー中に含まれるＴｉ量が少なすぎるために、また溶接ワイヤーＡ１２及びＡ１３では、各々ワイヤー中に含まれるＢ量やＭｏ量が少なすぎるために、溶接金属１に溶融金属脆化割れが生じていた。
溶接ワイヤー中に含まれるＴｉ量が少なかった溶接ワイヤーＡ１１や、Ｍｏ量が少なかったＡ１３を用いた場合の溶接金属部を断面組織観察すると、他の溶接ワイヤーを用いた場合よりも結晶粒が大きくなっていた。また、溶接ワイヤー中に含まれるＢ量が少なかった溶接ワイヤーＡ１２を用いた場合では、結晶粒界の強度が不足していたものと予測される。
溶接ワイヤー中に含まれるＴｉ量が少なかった溶接ワイヤーＡ１１や、Ｍｏ量が少なかったＡ１３を用いた場合の溶接金属部を断面組織観察すると、他の溶接ワイヤーを用いた場合よりも結晶粒が大きくなっていた。また、溶接ワイヤー中に含まれるＢ量が少なかった溶接ワイヤーＡ１２を用いた場合では、結晶粒界の強度が不足していたものと予測される。
実施例２：
表１に示す板厚４.５ｍｍの鋼板を下地材とし、いずれもめっき付着量が片面当り９０ｇ／ｍ2のＺｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板を準備した。
板幅５０ｍｍ、全長１００ｍｍに裁断した同種のめっき鋼板６，７を、図３に示すようにすみ肉継手とし、板幅方向の両端をアーク溶接でスポット状に仮止めした後、鋼板７を治具８によって土台９に固定した状態で板幅方向全長に亘って材料拘束を与えない状態で炭酸アーク溶接を実施した。
その際に用いた溶接ワイヤーは、表２に示した溶接ワイヤーＡ２とＡ１１と同じ鋼成分を外皮とし、その外皮内に、表３に示した成分組み合わせのフラックスを充填したものとした。各溶接ワイヤーを用いた際の溶融金属脆化割れの発生状況を観察した。なお、溶接条件は、溶接電流を２２０Ａ，溶接電圧を２５Ｖ，溶接速度を０.２ｍ／分とした。
各溶接ワイヤーと割れ発生の関係を表４に示す。
表１に示す板厚４.５ｍｍの鋼板を下地材とし、いずれもめっき付着量が片面当り９０ｇ／ｍ2のＺｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板を準備した。
板幅５０ｍｍ、全長１００ｍｍに裁断した同種のめっき鋼板６，７を、図３に示すようにすみ肉継手とし、板幅方向の両端をアーク溶接でスポット状に仮止めした後、鋼板７を治具８によって土台９に固定した状態で板幅方向全長に亘って材料拘束を与えない状態で炭酸アーク溶接を実施した。
その際に用いた溶接ワイヤーは、表２に示した溶接ワイヤーＡ２とＡ１１と同じ鋼成分を外皮とし、その外皮内に、表３に示した成分組み合わせのフラックスを充填したものとした。各溶接ワイヤーを用いた際の溶融金属脆化割れの発生状況を観察した。なお、溶接条件は、溶接電流を２２０Ａ，溶接電圧を２５Ｖ，溶接速度を０.２ｍ／分とした。
各溶接ワイヤーと割れ発生の関係を表４に示す。
結果を表４に示すが、アーク溶接した場合、図３中Ｆ線で示すようにめっき鋼板６は溶接金属の凝固収縮に伴い内側に変形するようになる。それによってすみ肉付近から溶接金属１に引張応力が作用する。また、めっき鋼板７は拘束されているために変形しないが、溶接金属が凝固収縮するために、めっき鋼板７の熱影響部に引張応力が作用する。
フラックス入り溶接ワイヤーの外皮組成を請求項で規定した範囲内に調整することにより、溶接金属１の溶融金属脆化割れの発生がなくなる。しかし、外皮組成が請求項で規定した範囲を外れると、溶接金属１に溶融金属脆化割れが発生する。
また、溶接ワイヤーの外皮内にフラックスを充填させていると、フラックスの組成に影響されることなく、めっき鋼板の熱影響部に溶融金属脆化割れの発生がない良好な溶接品質を得ることができる。
フラックス入り溶接ワイヤーの外皮組成を請求項で規定した範囲内に調整することにより、溶接金属１の溶融金属脆化割れの発生がなくなる。しかし、外皮組成が請求項で規定した範囲を外れると、溶接金属１に溶融金属脆化割れが発生する。
また、溶接ワイヤーの外皮内にフラックスを充填させていると、フラックスの組成に影響されることなく、めっき鋼板の熱影響部に溶融金属脆化割れの発生がない良好な溶接品質を得ることができる。
１：溶接金属 ２：溶融金属脆化割れ ３，４：Ｚｎ系めっき鋼板
５：すみ肉部分 ６，７：Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板
８：治具 ９：土台
５：すみ肉部分 ６，７：Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっき鋼板
８：治具 ９：土台
Claims (5)
- Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％，Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％，Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％を含み、さらにＮｂ：０.００１〜０.１質量％，Ｖ：０.０１〜０.３質量％，Ｚｒ：０.０１〜０.５質量％の一種又は二種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属で構成されていることを特徴とするＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤー。
- 請求項１に記載の金属で構成された外皮と、当該外皮内に充填された溶接用フラックスからなるＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤー。
- Ｃ：０.００１〜０.３質量％，Ｓｉ：１.５質量％以下，Ｍｎ：０.０５〜２.０質量％，Ｐ：０.２質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下，Ｔｉ：０.００５〜０.１質量％，Ｂ：０.０００１〜０.０１質量％，Ｍｏ：０.０５〜０.５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属で構成された外皮と、当該外皮内に充填された溶接用フラックスからなるＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤー。
- 溶接用フラックスに、塩化物系混合物又はフッ化物系混合物が混入されている請求項２又は３に記載のＺｎ系めっき鋼板用溶接ワイヤー。
- 請求項１〜４の何れか１項に記載の溶接ワイヤーを用いて２枚のＺｎ系めっき鋼板のすみ肉継手部をアーク溶接するＺｎ系めっき鋼板の溶接方法。
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