JP4781046B2 - Ｚｎ系めっき鋼板の溶接継手 - Google Patents

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融溶接した際に溶接部に溶融金属脆化割れを発生させることがない溶接継手に関する。

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。

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。

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に発生する場合が多く、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

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が、２枚の鋼板のすみ肉部分から溶融Ｚｎが侵入するために起きる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継手を提供することを目的とする。

本発明のＺｎ系めっき鋼板の溶接継手は、その目的を達成するため、Ｚｎを主成分とするめっき層を有する鋼板とアーク溶接部からなるＺｎ系めっき鋼板の溶接継手において、前記アーク溶接部が、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、さらに必要に応じて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。

本発明では、Ｚｎを主成分とするめっき層を有する鋼板と溶接部からなるＺｎ系めっき鋼板の溶接継手の溶接部が、含有する成分の調整によって結晶粒を微細化させた溶接金属で構成されている。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提供することが可能となる。

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。

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。
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。

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，０.０００１〜０.０１質量％のＢ及び０.０５〜０.５質量％のＭｏを含ませたものとすること、さらに必要に応じて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。
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。

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。

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。

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。

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部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。

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。必要に応じて含有させる。
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、Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接した際に、継手溶接部の溶接金属が上記のように調整された成分組成を備えるようにする手段について説明する。
本発明における溶接金属は、基本的な成分組成を有する鋼に所定量のＴｉ，Ｂ及びＭｏをさらに含有させていることを特徴とするものである。この基本成分は、めっき鋼板及びアーク溶接時に用いる溶接ワイヤーとも当然備えている程度のものである。したがって、Ｔｉ，Ｂ及びＭｏ、さらには任意成分を含有させる態様について説明する。
簡便な手段としては、溶接ワイヤーとして所定量のＴｉ，Ｂ及びＭｏ、さらには所定量の任意成分を含有するものを用いることが好ましい。溶接部の溶接金属は溶接ワイヤーだけからではなく、被溶接材料であるめっき鋼板の下地鋼からの成分も入り込む。そこで、所定量のＴｉ，Ｂ及びＭｏ、さらには所定量の任意成分を含有しためっき鋼板の下地鋼から入り込むものを活用しても良い。
さらに、溶接ワイヤーとめっき鋼板の下地鋼の両方の含有成分が溶接金属中に入り込むように、溶接ワイヤーとめっき鋼板の下地鋼の成分を調整する方法を活用しても良い。

表１に示す２種類の板厚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、板幅方向の両端を炭酸アーク溶接でスポット状に仮止めした後、板幅方向全長に渡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に示す成分の鋼とし、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。
溶接金属の成分と割れ発生の関係を表３に示す。

結果を表３に示すが、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１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、試験Ｎｏ.１〜１１のように溶接金属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融金属脆化割れの発生がなくなる。
これに対して、試験Ｎｏ.１２では、溶接金属中に含まれるＴｉ量が少ないために、また試験Ｎｏ.１３及び１４では各々溶接金属中に含まれるＢ量やＭｏ量が少ないために、溶接金属に溶融金属脆化割れが生じていた。

溶接金属中に含まれるＴｉ量が少なかった試験Ｎｏ.１２やＭｏ量が少なかった試験Ｎｏ.１４の溶接金属部を断面組織観察すると、他の試験Ｎｏ.のものと比較して結晶粒が大きかった。また、溶接金属中に含まれるＢ量が少なかった試験Ｎｏ.１３では、結晶粒界の強度が不足していたものと予測される。
このように、所定量のＴｉ，Ｂ及びＭｏを含ませて溶接金属の結晶粒を微細化し、かつ結晶粒界の強度を強くすると、溶融Ｚｎの粒界への侵入が防止され、溶融金属脆化割れが抑制できることがわかる。

溶接金属内の溶融金属脆化割れの一例を示す概略図 実施例での溶接状態を示す概略図

符号の説明

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

Claims (2)

1. Ｚｎを主成分とするめっき層を有する鋼板とアーク溶接部からなるＺｎ系めっき鋼板の溶接継手において、前記アーク溶接部が、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ていることを特徴とするＺｎ系めっき鋼板の溶接継手。
2. アーク溶接部が、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む金属で構成されている請求項１に記載のＺｎ系めっき鋼板の溶接継手。

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