JP5610660B2

JP5610660B2 - 溶接部低温強度に優れたフェライト系ステンレス鋼板製容器およびその溶接方法

Info

Publication number: JP5610660B2
Application number: JP2005310590A
Authority: JP
Inventors: 竜一本間; 井上　裕滋; 裕滋井上; 小野　直人; 直人小野; 治彦梶村
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007119808A

Description

本発明は、自動車燃料タンク等の容器において、低温時の内圧変動や低温時の衝突により、タンクフランジ部周囲の溶接部に応力が集中する場合においても、レーザー溶接部の脆性破断や低応力での破断を阻止できるフェライト系ステンレス鋼板製容器およびそのレーザー溶接方法に関するものである。

フェライト系ステンレス鋼は、熱膨張係数が小さいことから加熱・冷却が繰り返される自動車排気系部品に使用されてきた。また、最近では寒冷地域での融雪剤付着時の応力腐食割れ感受性が低いことから、自動車燃料系部品の燃料給油管への適用も始められ、更に特開２００２−３６３７１１号公報（特許文献１）のように燃料タンクへの適用も検討されている。燃料タンクにおいては、外周部は拝み形状のシーム溶接やレーザー溶接により接合され、密閉した容器として使用されるが、燃料タンクが使用される環境、例えば寒冷地区等の低温な環境においては、フェライト系ステンレス鋼板溶接部は、従来のターンシート等のメッキ鋼板に比較し、脆性的に破断し易く、かつ破断荷重も低い場合が有り、燃料タンク内のガソリンの気化による加圧や燃料ポンプのガソリン吸い込みによる減圧等の内圧変動による応力や後方衝突等による衝撃等による応力により脆性的に破断する危険性が考えられる。
一方、燃料タンクにおける耐衝撃性については、特開２００３−２７７８９１号公報（特許文献２）のように、素材の成分、引張破断伸びやランクフォード値を規定し、加工に必要な成形性と耐衝撃性を備えた燃料タンクや給油管が提案されているが、これらは母材部の耐衝撃性を述べているに過ぎず、フェライト系ステンレス鋼で最も耐衝撃性が問題となる溶接部については何の言及もされていない。
特開２００２−３６３７１１号公報特開２００３−２７７８９１号公報

本発明は前述のような従来技術の問題点を解決し、溶接部、特に拝み形状等の溶接部に応力が集中し易い溶接部において、低温での脆性破断が無く、破断強度の高いフェライト系ステンレス鋼板製容器およびその溶接方法を提供することを課題とする。

本発明者らは上記目的を達成するため、フェライト系ステンレス鋼板溶接部の形状、溶接条件と低温での破断形態、破断強度の関係を種々検討し、溶接部の低温引張時に、脆性破断が無く、強度を向上させるためには、拝み形状溶接部において、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍと広くすることが重要で、そのためのレーザー溶接条件や施工方法が非常に重要であるとの知見を得た。その要旨とするところは以下の通りである。

（１）板厚が4.76mm未満のフェライト系ステンレス鋼板薄板の拝み形状溶接部において、前記薄板の端部を曲げてフランジを形成する曲率部を含むレーザー溶接をし、前記フランジ間に形成された溶接部であって、該フランジの端面の反対側に露出した溶接部である、前記曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器。
（２）質量％にて、Ｃ：０．００１〜０．０1５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％，Ｍｎ：０．０１〜１．０％，Ｐ：０．０１〜０．０３％，Ｓ：０．０００５〜０．０１０％，Ｎ：０．００１〜０．０２０％，Ｃｒ：１１〜２５％，Ｍｏ：０．０１〜２．０％，Ｃｕ：０．０１〜２．０％，Ｎｉ：０．０１〜２．０％，ＴｉまたはＮｂの１種または２種を０．０５〜０．６％，Ｂ：０．０００３〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる（１）に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器。
（３）拝み形状溶接部において、フランジ面水平方向、且つ、フランジ端面側からのレーザー溶接により、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。
（４）拝み形状溶接部において、フランジ面垂直方向からレーザー溶接により、フランジが曲がり始める曲率開始部からギャップが０．０ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。
（５）拝み形状溶接部において、フランジ面垂直方向からレーザー溶接により溶接する方法であって、フランジ間に板厚０．３〜０．８ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を挟みこみ、フランジ部とフランジ間に挟んだ鋼板の端部を溶融し、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。

以下にＳＵＳ４３６Ｌ／０．８ｍｍｔの薄板を、レーザー溶接条件は、YAGレーザー，出力４ｋＷ，溶接速度６ｍ／ｍｉｎ、シールドガスＡｒ、２０Ｌ／ｍｉｎで、図１のように突合せ溶接、重ね合わせ溶接、拝み溶接をした溶接材の破断強度で本発明を詳細に説明する。破断強度は、溶接部幅が２０ｍｍになるように試験片を準備した後、クロスヘッド速度１０ｍｍ／ｍｉｎで試験を行い、単位幅当たりの破断強度を求めると共に、破断面の観察を行い、評価した。

フェライトステンレス鋼板の溶接部強度については、図２に示すように母材や突合せ溶接、重ね溶接においては、−４０℃までの低温において、延性破断で、破断強度の低温での低下は見られず、やや破断強度は上昇する。一方、フランジ平行部部で、かつ内面側の溶接部ビード幅がほとんど無い拝み溶接部においては、引張試験により内面側溶接部がＶ字型となり、応力が集中するため、室温での破断強度も低く、０℃から脆性破断し、低温では破断強度は更に低くなっている。

このような拝み溶接部の破断強度の向上について、フランジ部水平方向からレーザー溶接により溶接した場合、溶接施工方法や溶接条件により溶接部形状を変更し、応力集中を緩和する形状について検討した結果、図３に示すように、拝み形状の曲率開始点内側までの曲率部を含む溶接をし、内面側溶接部ビード幅を１ｍｍと広くすることにより、室温での溶接部強度は向上し、更に低温での脆性破断も抑制され、低温破断強度も向上することが明らかになった。
なお、フランジとは、容器等を絞り加工で成形した場合、ブランク面に残った平面部分であり、容器を形成する場合はフランジ部を溶接する。

拝み形状曲率部の内面側溶接部ビード幅の影響については、図４に示すように、内面側の溶接部ビード幅が０．３ｍｍ未満では、−４０℃では脆性破断であり、破断強度も低い。一方、内面側の溶接部ビード幅が０．３ｍｍ以上では、−４０℃でも延性破断し、破断強度も高くなっている。ただし、内面側の溶接部ビード幅１．０ｍｍ以上は溶接金属の垂れ落ち等による溶接欠陥を招く恐れがあるため、上限は１．０ｍｍとした。

一方、溶接方法については、図５に示すように、溶接施工方法や溶接条件を変化させ、フランジ部水平方向からレーザー溶接し、曲率開始部内側の内面側溶接部ビード幅を確保する方法に加え、フランジ部のフランジ間ギャップが０．０〜１．０ｍｍの曲率部に垂直にレーザービームを照射し溶接する方法や、フランジ部間に同素材の薄板０．３〜１．０ｍｍを挟み込み、その端部を一緒に溶融させることにより曲率部内面側の溶接部ビード幅を確保する方法が有効であることが判った。なお、フランジ部の曲率部に垂直にレーザーを照射する方法は、溶接金属の表面張力と重力のバランスからギャップが１．０ｍｍより大きい部位で溶接すると、溶接金属の垂れ落ちや穴あきの原因となること、０．０ｍｍ未満では有効な内面側ビード幅が得られないことから、ギャップが０．０〜１．０ｍｍになるような位置の曲率部を溶接することが必要である。
なお、内面側の溶接部ビード幅とは、通常溶接部裏側のビード幅になるが、本発明の内面側ビード幅とは、拝み形状溶接部の内側、すなわち容器内面側の溶融凝固部の幅とした。

なお、本発明の成分限定範囲は、燃料タンク等容器の耐食性や成形性を確保するため以下のように限定した。
Ｃ、Ｎ：Ｃ、Ｎは多量に添加すると成形性や耐食性を劣化させる。また、これらを固定させるため必要Ｔｉ量が増加するため、上限はＣは０．０1５％、Ｎは０．０２０％とした。下限は精錬コストを考え、Ｃ，Ｎいずれも０．００１％とした。

Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素として用いられる元素であるが、１．０％を越えると成形性を著しく低下するため上限を１．０％とした。精錬工程コストを考えた場合、０．０１％は不可避に混入するレベルであることから、これを下限とした。

Ｍｎ：Ｍｎを多量に添加した場合、成形性を低下するため上限を１．０％とした。精錬工程コストを考えた場合、０．０１％は不可避に混入するレベルであることから、これを下限とした。

Ｐ：Ｐは固溶強化により、成形性を低下させることから、上限は０．０３％とした。下限は、原料選択等により製鋼コストを増加させることから、下限は０．０１％とした。

Ｓ：Ｓは多量に添加すると、介在物等により耐食性を劣化させることから、上限を０．０１０％とし、下限は製鋼コストを考慮し０．０００５％とした。

Ｃｒ：Ｃｒはステンレス鋼の基本特性である耐食性を確保するために必要な元素である。自動車燃料系部品で必要とされるＣｒは、下限は塗装をした場合で１１％、上限は成形性を低下させたり、製品コストを高めたり、製造性を劣化させるため２５％とした。

Ｍｏ：Ｍｏもステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。上限はＣｒと同様、成形性やコスト面から２．０％とし、下限は不可避なレベルとして０．０１％とした。

Ｎｉ，Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性、特に腐食の進展を抑制する元素である。ただし、過度の添加は強度上昇や延性の劣化させるため、上限は２．０％とし、下限は不可避なレベルとして０．０１％とした。

Ｔｉ、Ｎｂ：Ｔｉ、ＮｂはＣ，Ｎと結合し、析出物を形成し、成形性を向上させる元素である。また、耐食性、特に溶接部の耐食性を向上させる元素である。成形性向上に必要なレベルは０．１％以上であり、過剰に添加すると逆に成形性を低下させたり、Ｔｉ系介在物による疵の原因となるので、上限は０．５％とした。

Ｂ：Ｂは二次加工性を向上させる元素であり、拡管加工後の各種加工での二次加工割れを抑制する。その効果を得るためには０．０００３％以上必要なことから下限とした。上限は、素材の伸びやｒ値等成形性を劣化させるため０．００３０％とした。

表１に示す成分の０．８ｍｍ厚さの鋼板を用いて、端部フランジを５ｍｍ〜１０ｍｍＲの曲げ加工した後、図５に示すような溶接施工方法により曲率部の内面側溶接部ビード幅を変化させ、室温（２０℃）および低温（−４０℃）で引張試験を行った。なお、レーザー溶接条件は、YAGレーザー，出力４ｋＷ，溶接速度６ｍ／ｍｉｎ、シールドガスＡｒ、２０Ｌ／ｍｉｎを標準とし、引張試験は、溶接部幅が２０ｍｍになるように試験片を準備した後、クロスヘッド速度１０ｍｍ／ｍｉｎで試験を行い、単位幅当たりの破断強度を求めると共に、破断面の観察を行い、脆性あるいは延性破断か評価した結果を表２に示す。

各鋼種、各溶接施工、条件により、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側の溶接ビード幅を変化させ評価した結果、本発明範囲内の溶接ビード幅を有する拝み溶接部No.1〜No.13、No.15〜No.19は、−４０℃の低温においても、溶接部の破断形態は延性破断で、単位幅当たり２５０Ｎ／ｍｍ以上の高い破断強度を持ち、優れた低温溶接部強度を有している。
一方、母材や突合せ溶接、重ね合わせ溶接は、低温で問題が無いが、拝み溶接において、フランジ平行部で、かつ内面側の溶接ビード幅が殆ど無いか０．２ｍｍ程度、あるいは曲率部でも内面側ビード幅が０．３ｍｍ幅未満の場合には、室温でも破断強度はやや低く、−４０℃では、溶接部に応力が集中し、脆性的にかつ、低強度で破断に至り、燃料タンク等の重要保安部品に適応するには不適切である。

以上述べたように、本発明は、低温時の溶接部強度に優れたフェライト系ステンレス鋼板製の自動車燃料タンク等の容器を提供することが可能となり、産業的価値は大きい。

溶接部形状を示す図である。母材、突合せ溶接、重ね合わせ溶接、拝み溶接部の破断強度の温度変化を示す図である。拝み溶接部曲率部の内面側溶接部ビード幅と破断強度の関係を示す図である。 −４０℃での拝み溶接部曲率部の内面側溶接部ビード幅と破断強度の関係を示す図である。本発明における曲率部内側の内面側溶接部のビード幅を確保する溶接施工方法を示す図である。

Claims

板厚が4.76mm未満のフェライト系ステンレス鋼板薄板の拝み形状溶接部において、前記薄板の端部を曲げてフランジを形成する曲率部を含むレーザー溶接をし、前記フランジ間に形成された溶接部であって、該フランジの端面の反対側に露出した溶接部である、前記曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器。
質量％にて、Ｃ：０．００１〜０．０1５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％，Ｍｎ：０．０１〜１．０％，Ｐ：０．０１〜０．０３％，Ｓ：０．０００５〜０．０１０％，Ｎ：０．００１〜０．０２０％，Ｃｒ：１１〜２５％，Ｍｏ：０．０１〜２．０％，Ｃｕ：０．０１〜２．０％，Ｎｉ：０．０１〜２．０％，ＴｉまたはＮｂの１種または２種を０．０５〜０．６％，Ｂ：０．０００３〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる請求項１に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器。
拝み形状溶接部において、フランジ面水平方向、且つ、フランジ端面側からのレーザー溶接により、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。
拝み形状溶接部において、フランジ面垂直方向からレーザー溶接により、フランジが曲がり始める曲率開始部からギャップが０．０ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。
拝み形状溶接部において、フランジ面垂直方向からレーザー溶接により溶接する方法であって、フランジ間に板厚０．３〜０．８ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板を挟みこみ、フランジ部とフランジ間に挟んだ鋼板の端部を溶融し、曲率部を含む溶接をし、曲率部の内面側溶接部ビード幅が０．３〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の、−４０℃における単位幅当たり破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の溶接部形状を有する容器の溶接方法。