JP4930048B2 - 重ね隅肉溶接継手の継手疲労強度を向上するプラズマアークハイブリッド溶接方法 - Google Patents
重ね隅肉溶接継手の継手疲労強度を向上するプラズマアークハイブリッド溶接方法 Download PDFInfo
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継手の疲労特性を支配する要因の一つとして、溶接ビード形状に起因する溶接止端部への応力集中が挙げられる。溶接止端部は母材とは不連続な表面形状になるため応力集中が生ずると考えられている。図1は自動車足回り部品の組み立てに広く取り入れられている重ね隅肉アーク溶接継手における典型的な疲労亀裂の例を示す。これより疲労亀裂6は、最も応力が集中すると考えられる下板3側の溶接止端部から発生することが分かる。この疲労亀裂6が成長して継手の破壊に到る現象が疲労破壊である。よって重ね隅肉アーク溶接においては、この下板側溶接止端部の形状を平滑化し応力集中を防ぐことにより継手疲労強度を向上することが出来ることが知られている。溶接止端部の平滑さを表す指標としてフランク角と曲率半径がある。図2は重ね隅肉アーク溶接継手の断面を模式的に示した図であり、下板側溶接止端部5のフランク角と曲率半径は図中のように示される。フランク角がより大きくかつ曲率半径がより大きい溶接止端部はより平滑であり、すなわちより高い疲労強度を示す。
ソリッドワイヤでは、溶接ワイヤの先端から鋼板の溶融メタルに移行する溶滴が粗くかつ移行が不規則であるから、溶融メタルの表面揺動が大きく、鋼素線に含有される脱酸元素(すなわちSi,Mn,Ti,Zr,Al等)の酸化によってスラグが形成される。その結果、スラグが不均一に分布し、ビードを完全に覆うに至らない。また、ソリッドワイヤを使用した炭酸ガスシールドアーク溶接では、スラグがビードの端部に集積する。したがって、ソリッドワイヤを炭酸ガスシールドアークで使用すると、ビード形状は不安定になる。
その他、溶接止端部の平滑化を行う手段として、止端部をティグ溶接、プラズマアーク溶接などの非溶極式溶接法で再溶融する方法があるが、自動車部品の実生産ラインにおいては工数が増えるためにコスト高となり採用は困難であると考えられる。実機採用を考慮すれば工数を増やさず、高能率で同程度の止端部形状が得られる溶接方法であることが必須である。
(4)溶極式の正極性ガスシールドアーク溶接法と非溶極式の正極性プラズマアーク溶接法との組み合わせにおいて、希土類元素(以下、REMという)を0.015〜0.100質量%含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを溶極式のガスシールドアーク溶接の電極として用いることでアークが集中するためアークが安定化し、溶融池の溶融メタルの揺動を低減するので、安定的に良好な溶接ビード形状を得ることができる。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、ガスシールドアーク溶接法を先行極とし、プラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極とし、かつガスシールドアーク溶接法の電極とプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔を25mm以下として、プラズマアーク溶接法の電極の狙い位置を、ガスシールドアーク溶接法の電極の狙い位置から溶接線方向に対し直角に下板側止端部へ2〜7mmの範囲内に設定し、プラズマアーク溶接法のトーチを溶接線の直角方向に鉛直から下板側へ8〜15°傾けて、溶接ビード下板側止端部のフランク角を135°以上、曲率半径を0.45mm以上として上板の板厚が6mm以下の重ね隅肉溶接を行なうプラズマアークハイブリッド溶接方法である。
この電極間の距離が25mmを超えて拡大すると、ガスシールドアーク溶接,プラズマアーク溶接による溶融池が一体化と分離を繰返し、溶接ビード形状が安定しない。したがって、電極間の距離は25mm以下とする必要がある。一方、電極間が小さすぎると、ガスシールドアーク溶接法で発生するアーク熱,スパッタの飛散によるプラズマアーク溶接電極の損傷が激しくなるため、好ましくは15mm〜25mmである。
さらに、ガスシールドアーク溶接トーチおよびプラズマアーク溶接トーチの径の太さの都合上、先行のガスシールドアーク溶接法の電極と後行のプラズマ溶接法の電極との溶接線方向の間隔が所望の間隔に出来ない場合、後行のプラズマアーク溶接トーチを部材に対して鉛直から溶接方向に20°以下の範囲で前進角をとり、所望の前記電極間隔を得ることにしても、実質的に得られる効果に変化はない。
次に、本発明は、基本成分としてC,Si,Mn,P,Sを下記の通り含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤに適用するのが好ましい。
Cは、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させて流動性を向上する効果がある。しかしC含有量が0.20質量%を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接において溶滴および溶融メタルの挙動が不安定になるのみならず、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、C含有量は0.20質量%以下が好ましい。一方、C含有量を過剰に減少させると溶接金属の強度を確保できない。そのため、0.01〜0.10質量%の範囲内が一層好ましい。
Siは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のために不可欠な元素である。Si含有量が0.05質量%未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶融金属にブローホールが発生する。さらに、正極性のガスシールドアーク溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴を微細にし挙動を安定化する効果を有する。一方、2.5質量%を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって、Siは0.05〜2.5質量%の範囲内が好ましい。ただしSi含有量が0.65質量%を超えると、小粒のスパッタが増加する傾向が現れるので、0.05〜0.65質量%の範囲内が一層好ましい。
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Mn含有量が0.25質量%未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する。一方、3.5質量%を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Mnは0.25〜3.5質量%の範囲内が好ましい。なお、溶融メタルの脱酸を促進し、ブローホールを防止するためには、0.45質量%以上が望ましい。そのため、0.45〜3.5質量%の範囲内が一層好ましい。
Pは、鋼の融点を低下させるとともに電気的効率を向上させ、溶融効率を向上させる元素である。さらに正極性のガスシールドアーク溶接において、溶滴を微細化し、アークを安定化させる作用も有する。しかしP含有量が0.05質量%を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接における溶融メタルの粘性が著しく低下し、アークが不安定となり、小粒のスパッタが多量に発生する。また、溶接金属に高温割れを生じる危険性が増大する。したがって、Pは0.05質量%以下とするのが好ましい。なお、0.03質量%以下が一層好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製綱段階でPを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点からは0.002質量%以上が望ましい。そのため、0.002〜0.03質量%の範囲がさらに好ましい。
Sは、溶融メタルの粘性を低下させ、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進し、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを安定化する。また、Sは正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを広げ溶融メタルの粘性を低下させてビードを平滑にする働きを有する。S含有量が0.02質量%以下とするのが好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製綱段階でSを低減するためには長時間を有するので、生産性向上の観点から0.002質量%以上が好ましい。そのため、0.002〜0.02質量%の範囲がさらに好ましい。
希土類元素(すなわちREM)は、製綱および鋳造時の介在物微細化,靭性改善に有用な元素である。ガスシールドアーク溶接においては、スパッタの発生を抑制する効果を有する。特に、正極性のガスシールドアーク溶接においては、溶滴の微細移行に不可欠な元素である。また、通常の多電極溶接ではアークが干渉して不安定になるが、鋼素線にREMを添加することによってアークを集中させ、アークの指向性を高めることによって、アークの干渉を防ぐことができる
本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法では、溶極式のガスシールドアーク溶接を先行極とし、非溶極式のプラズマ溶接法を後行極とすることによって、溶極式のガスシールドアーク溶接によって鋼板側に形成した溶融プールの形状を後行極のプラズマ溶接法で再加熱することにより、溶融プールと溶接ビード形状を制御することができる。特に、重ね隅肉溶接において、下板側の2〜7mmシフトさせることによって、得られた溶接継手の下板側フランク角と曲率半径の双方を増大させることにより高い疲労強度を示す溶接継手を得ることができる。REM含有量が0.015質量%未満では、このアーク安定化によるスパッタ発生量を低減する効果と強いアークの指向性によってアークの干渉を防止する効果が発揮されない。
ここでREMとは、周期表の3族に属する元素の総称である。本発明では原子番号57〜71の元素を使用するのが好ましく、特にCe,Laが好適である。Ce,Laを鋼素線に添加する場合は、CeまたはLaを単独で添加しても良いし、CeおよびLaを併用しても良い。なお、CeおよびLaをともに添加する場合は、あらかじめCe:40〜90質量%,La:10〜60質量%の範囲内で混合して得られた混合物を使用するのが好ましい。
Ti:0.02〜0.50質量%およびZr:0.02〜0.50質量%のうち1種または2種
Ti,Zrは、いずれも強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下して溶滴の挙動を安定化し、ビード形状を安定化(すなわちハンピングビードを抑制)する作用も有する。このような効果を有するが故に350A以上の高電流溶接においては有効な元素であり、必要に応じて添加する。Tiが0.02質量%未満、Zrが0.02質量%未満ではこの効果が得られない。一方、Tiが0.50質量%を超える場合、Zrが0.50質量%を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが発生する。したがって、Ti:0.02〜0.50質量%,Zr:0.02〜0.50質量%の範囲内が好ましい。
Oは、正極性のガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴に発生するアーク点を不安定にすると共に、溶滴の挙動を不安定にする作用がある。しかし、O含有量が0.0080質量%を超えると、350A以上の高電流の正極性ガスシールドアーク溶接におけるアークの安定力というREM添加の効果が損なわれ、溶滴の揺動が増大してスパッタが多量に発生する。また、Oは鋼素線の鋼材を溶製する段階でREMと激しく反応してスラグを形成する性質を有しており。O含有量が0.0080質量%を超えると、REMの歩留まりが著しく低下する。したがって、Oは0.0080質量%以下が好ましい。ただし、O含有量が0.0010質量%未満ではO添加の効果は十分に得られない。したがって、0.0010〜0.0080質量%の範囲内が一層好ましく、0.0010〜0.0050質量%の範囲内がさらに好ましい。
Caは、製鋼および鋳造時に不純物として溶鋼に混入したり、あるいは伸線加工時に不純物として鋼素線に付着する。正極性のガスシールドアーク溶接では、Ca含有量が0.008質量%を超えると、高電流溶接におけるREM添加のアーク安定化効果が損なわれる。したがって、Caは0.0008質量%以下が好ましい。
Alは強脱酸剤として作用し、さらに溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸による粘性を低下してビード形状を安定化(すなわちハンピングビードを抑制)する効果がある。逆極性のガスシールドアーク溶接では、明確な溶滴の安定化効果は認められないが、正極性のガスシールドアーク溶接では、350A以上の高電流溶接において溶滴移行の安定化効果が顕著に発揮される。一方、低電流溶接においては、短絡移行回数を増加させて溶滴移行の均一化とビード形状の改善を達成できる。また、Oとの親和力によって、溶接用鋼ワイヤの製造段階におけるREMの酸化ロスを低減する効果も有する。Alが0.005質量%未満では、このような効果は見られない。一方、Alが3.00質量%を超えると、溶接金属の結晶粒が粗大化し、靭性を著しく低下する。したがって、Alは0.005〜3.00質量%の範囲内が好ましい。
Cr:0.02〜3.0質量%,Ni:0.05〜3.0質量%,Mo:0.05〜1.5質量%,Cu:0.05〜3.0質量%,B:0.0005〜0.015質量%,Mg:0.001〜0.20質量%
Cr,Ni,Mo,Cu,B,Mgは、いずれも溶接金属の強度を増加させ、耐候性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性は低下を招く。したがって、Cr,Ni,Mo,Cu,B,Mgを含有させる場合は、それぞれCr:0.02〜3.0質量%,Ni:0.05〜3.0質量%,Mo:0.05〜1.5質量%,Cu:0.05〜3.0質量%,B:0.0005〜0.015質量%,Mg:0.001〜0.20質量%の範囲内が好ましい。
Nb,Vは、いずれも溶接金属の強度、靭性を向上し、アークの安定性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Nb,Vを含有する場合は、Nb:0.005〜0.5質量%,V:0.005〜0.5質量%の範囲内が好ましい。
次に、本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法のガスシールドアーク溶接法で使用する溶接用鋼ワイヤの製造方法について説明する。
鋼素線の表面に潤滑剤を安定して付着させ、給電の安定性を向上するために、鋼素線の平坦度(=実表面積/理論表面積)を1.0005以上1.0100未満とすることが好ましい。鋼素線の平坦度は、伸線加工で使用するダイスの管理を厳格に行うことによって、1.0005以上1.0100未満の範囲に維持することは可能である。
シールドガスは、CO2を60体積%以上含有するガスを用いても良い。シールドガスの残部(すなわち40体積%以下)は、Ar,He,H2 およびO2のうち1種以上のガスを混合するのが好ましい。なお、CO2ガスを単独(すなわちCO2の混合比率:100体積%)でシールドガスとして使用しても、支障なくプラズマアークハイブリッド溶接を行うことができる。
さらに、ビード形状を良好にするために、先行のガスシールドアーク溶接トーチを部材に対して鉛直から溶接線方向に直角となる方向に下板側へ45°以下の範囲で傾けてもよい。
2 上板
3 下板
4 上板側溶接止端部
5 下板側溶接止端部
6 疲労亀裂
7 ガスシールドアーク溶接法の電極(先行極)
8 プラズマアーク溶接法の電極(後行極)
Claims (5)
- ガスシールドアーク溶接法を先行極とし、プラズマアーク溶接法を後行極として組み合わせて、前記プラズマアーク溶接法および前記ガスシールドアーク溶接法ともに正極とし、かつ前記ガスシールドアーク溶接法の電極と前記プラズマアーク溶接法の電極との溶接線方向の間隔を25mm以下とし、前記プラズマアーク溶接法の電極の狙い位置を、前記ガスシールドアーク溶接法の電極の狙い位置から溶接線方向に対し直角に下板側止端部へ2〜7mmの範囲内に設定し、前記プラズマアーク溶接法のトーチを溶接線の直角方向に鉛直から下板側へ8〜15°傾けて、溶接ビード下板側止端部のフランク角を135°以上、曲率半径を0.45mm以上として上板の板厚が6mm以下の重ね隅肉溶接を行なうことを特徴とするプラズマアークハイブリッド溶接方法。
- 前記プラズマアーク溶接法で用いる入熱が1.0kJ/cm以上であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
- 前記ガスシールドアーク溶接法で溶極として用いる溶接用鋼ワイヤが、希土類元素を0.015〜0.100質量%含有する鋼素線からなることを特徴とする請求項1または2プラズマアークハイブリッド溶接方法。
- 前記ガスシールドアーク溶接法で用いるシールドガスがCO2を60体積%以上含有するガスであることを特徴とする請求項1、2または3に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
- 前記ガスシールドアーク溶接法で用いるシールドガスが100体積%のCO2であることを特徴とする請求項1、2または3に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
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