JP6432716B1 - 隅肉溶接継手及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記隅肉溶接継手は、上記母材、溶接金属及び熱影響部を含んでなり、
上記母材の引張強度が980MPa以上であり、上記母材の炭素当量が0.36以上0.60以下であり、上記母材の引張強度[MPa]が前記母材の炭素当量[wt%]の1950倍以上であり、
上記溶接金属の平均炭素当量 が0.45以上0.65以下であり、上記母材の炭素当量より高く、
前記隅肉溶接継手の溶接線に直角な断面において、溶接止端から前記母材の板厚方向に0.1mm以上0.3mm以下の位置を通り、前記母材表面に平行な直線上であって、
上記溶接金属と上記熱影響部との境界におけるビッカース硬さHVbondと、上記境界から上記溶接金属側に0.1mm以上0.3mm以下の位置における上記溶接金属のビッカース硬さの平均値HVwmtと、上記境界から上記熱影響部側に0.1mm以上0.3mm以下の位置における上記熱影響部のビッカース硬さの平均値HVhazと、が以下の関係を満たす、ことを特徴とする隅肉溶接継手。
HVbond≦HVwmt (1)
HVbond≧HVhaz−50 (2)
HVhaz≦350 (3)
上記溶接ルート点の下方に位置する上記溶接金属と上記熱影響部との境界から上記溶接金属側に0.1mm以上0.3mm以下の領域における上記溶接金属のビッカース硬さの平均値HVwmrが以下の関係を満たす、上記(1)から(7)のいずれか1つに記載の隅肉溶接継手。
HVwmr≦350
上記母材の引張強度が980MPa以上であり、上記母材の炭素当量が0.36以上0.60以下であり、上記母材の引張強度[MPa]が前記母材の炭素当量[wt%]の1950倍以上であり、
上記溶接ワイヤの炭素当量が0.50以上0.80以下で、上記母材の炭素当量より高く、
溶接速度が60cm/min以上150cm/min以下である、ことを特徴とする隅肉溶接の製造方法。
本発明者らは、高強度薄手鋼板の隅肉溶接において、溶接金属の低温割れを抑制しつつ溶接部(溶接金属と熱影響部とを含む)の疲労強度を向上させるべく、鋭意研究を重ねた。その結果、本発明者らは、母材として引張強度が980MPa以上の薄手鋼材を用いることを前提に、母材の炭素当量の値と、炭素当量と引張強度との関係と、を好適に選択した高強度鋼板を使用するとともに、適正な炭素当量を有する高強度溶接ワイヤを使用することで、止端部近傍領域の溶接部の疲労強度を向上させ、且つ、低温割れの原因となる溶接金属の水素脆化を防ぐことができる、との知見を得た。本実施形態の隅肉溶接継手は、上記のような知見に基づくものである。
なお、JIS Z 3001(溶接用語)によれば、熱影響部とは、溶接・切断などの熱で組織、や(治)金的性質、機械的性質などが変化を生じた、溶融していない母材の部分を意味する。
式中のC、Mn、Ni、Cr、Mo、Vは、各材料中の含有率[wt%]である。なお、上記元素の含有率は、めっき部分を含まない母材及び/又はめっき部分を含まない溶接ワイヤの部分で測定されるものである。
・溶接金属16と(母材14の)熱影響部(HAZ)との境界における代表点B、
・代表点Bから溶接金属16側に0.1mm以上0.3mm以下の領域Cにおける溶接金属のビッカース硬さの平均値HVwmt、
・代表点Bから熱影響部側に0.1mm以上0.3mm以下の領域Dにおける熱影響部のビッカース硬さの平均値HVhaz
を考える。
なお、ビッカース硬さの平均値HVwmt及びビッカース硬さの平均値HVhazについては、領域C、Dのそれぞれにおいて、少なくとも任意の3点における硬さの平均値とする。
(a)HVbond≦HVwmt
(b)HVbond≧HVhaz−50
(c)HVhaz≦350
本規定は、溶接金属を溶融境界領域に比べて硬化させることを意味する指標である。本規定には、溶接ワイヤの成分、及び薄鋼板溶接の特徴である高速溶接が影響する。高速度の溶接では、母材成分と溶接ワイヤ成分の混合が不均一となり、特に溶接金属と熱影響部の境界近傍(領域C)の溶接金属は母材成分の混合率が高くなる。また、母材成分が溶接熱で溶融すると、雰囲気の酸化性ガスの影響で合金元素が酸化消耗するとともに溶接金属中の酸化物系介在物がフェライト変態を促進させるため溶融境界近傍(領域C)の溶接金属硬さが低くなる。そこで、軟質化した溶融境界近傍(領域C)の溶接金属へのひずみ集中による疲労亀裂を防ぐため、溶接ワイヤの炭素当量の下限(0.50以上で母材の炭素当量より高い)を規定してHVbond≦HVwmtとする必要がある。
従来、隅肉溶接継手において溶接部(溶接金属と熱影響部とを含む)の疲労強度が十分に発揮されない最大の理由は、図2の点Bにおけるビッカース硬さと、領域Dにおけるビッカース硬さ(の平均値)と、の差異が過度に大きいために、止端部A付近から疲労破壊が発生するためであった。これは、溶接金属と母材の熱影響部との境界(代表点B)においては平滑凝固界面となり、鋼成分の合金元素が溶融金属側に排出されることから比較的硬度が低くなる一方、熱影響部(領域D)においては溶接後の冷却によるマルテンサイト変態によって比較的硬度が高くなることが原因であった。
本規定は、溶融境界近傍の熱影響部の硬さの上限を規定するもので、過度な熱影響部の硬化、ひいてはそれに伴う溶接部疲労強度の低下を防ぐための指標である。母材の炭素当量を0.60以下とすることで、溶融境界近傍の溶接熱影響部における硬化を抑制することができる。
疲労試験片として、図3に示す形状の平面曲げ疲労試験片を用意し、溶接止端部の疲労強度を評価する。溶接止端部の疲労強度を両振り曲げ試験で求めるため、評価対象の重ね隅肉溶接を行った後に、裏面側を拘束溶接しルート部の開口を防止する。疲労試験は変位制御の曲げ疲労試験(応力比R=−1)とし、繰返し周波数は25Hz、試験終了条件は40%のトルク低下もしくは、トルクの低下無しで繰返し数が2×106回に達した時とする。
まず、母材の成分について説明する。なお、ここで、母材における各成分の値は、めっき部分を含まない母材の基材部分で測定されたものとする。
Cは、継手の強度確保のためには0.01%以上とすることが好ましい。また、溶接止端近傍の硬度分布の均一化のためには0.25%以下とすることが好ましい。
Siは、脱酸するのに、および強度を確保するのに有用であり、0.01%以上とすることが好ましい。また、2.00%超を添加すると溶接性を損なうので含有量は2.00%以下とすることが好ましい。
Mnは、安価に強度を上げる元素として有用であり、強度確保のため0.05%以上とすることが好ましい。また、3.0%超を添加すると溶接性を損なうので含有量は3.0%以下とすることが好ましい。
Alは脱酸のため0.001%以上とすることが好ましい。また、0.4%超を添加すると鋼中および溶接金属中の介在物が多くなりすぎ、靱性を低下させるため0.4%以下とすることが好ましい。
残部はFeと不純物である。ここで、不純物とは、原材料に含まれる成分、或いは製造の過程で混入される成分であって、母材に意図的に含有させた成分ではない成分をいう。不純物としては、P、Sが挙げられる。また、母材の表面にはめっきが施されている場合があるため、ZnやAl等のめっき成分が母材に不可避的成分として0.10〜0.3%程度混入されていることがある。めっき等の影響を受けないように、めっき等の厚みを考慮して、母材の成分を分析することが好ましい。
Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti、Bはいずれも継手疲労特性を向上させる成分であり、溶接金属及び熱影響部(HAZ)に影響してかかる疲労強度を向上させていると考えられる。この点でこれらの成分は有効成分であり、本実施形態の隅肉溶接継手には、これらの成分の少なくとも1種含有させることが可能である。しかしながら、過剰の添加はいずれも鋼板材質を劣化させる。このため、それぞれ、0.1≦Ni≦3.0、0.1≦Cr≦2.0、0.005≦Mo≦0.5、0.005≦Nb≦0.3、0.005≦V≦0.3、0.005≦Ti≦0.3、0.0001≦B≦0.01の範囲で含有させることが好ましい。
溶接金属の成分は、溶接金属部から採取した切り粉を用い、高周波誘導結合プラズマ(ICP)による発光分光分析法で測定することによって求めることができる。なお、切り粉の採取については、溶接部の断面を観察することによって予め溶接金属の領域を測定し、その領域からドリル等の刃物で切削することによって採取する。このため、溶接金属の成分は概ね溶接金属中央部の平均値であり、炭素当量も溶接金属の平均的な値となる。
上記の観点から、溶接金属の成分は以下のように規定されてもよい。
Cは、継手の強度確保のためには0.03%以上とすることが好ましい。Cは、酸化物を生成し、溶接金属組織のフェライト変態を促進し、強度低下の原因となる。そのため、溶接金属では、焼入れ性向上元素であるCを、母材よりも増やしている。また、溶接止端近傍の硬度分布の均一化のためには0.25%以下とすることが好ましい。
Siは、脱酸するのに、および強度を確保するのに有用であり、0.01%以上とすることが好ましい。また、2.00%超を添加すると溶接性を損なうので含有量は2.00%以下とすることが好ましい。
Mnは、安価に強度を上げる元素として有用であり、強度確保のため0.5%以上とすることが好ましい。Mnは、酸化物を生成し、溶接金属組織のフェライト変態を促進し、強度低下の原因となる。そのため、溶接金属では、焼入れ性向上元素であるMnを、母材よりも増やしている。また、3.0%超を添加すると溶接性を損なうので含有量は3.0%以下とすることが好ましい。
Alは脱酸のため0.001%以上とすることが好ましい。また、0.15%超を添加する、窒素と反応して、窒化物を生成し、溶接金属を著しく硬化させると共に、溶接金属の靱性値を低下させる。ため0.15%以下とすることが好ましい。そのため、溶接金属では、Alの上限値を、母材よりも制限している。
残部はFeと不純物である。ここで、不純物とは、上記に記載した元素、後述の任意選択元素以外の成分とみなす。不純物としては、CuやZn等が挙げられる。溶接金属は溶接ワイヤと母材の成分を含む。溶接ワイヤの表面には導電性確保のためにCuめっき等が施されている場合があり、また、母材もめっきが施されている場合は、めっき成分が溶接金属に含まれてくるので、CuやZnも不純物とみなす。
Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti、Bはいずれも継手疲労特性を向上させる成分であり、溶接金属及び熱影響部(HAZ)に影響してかかる疲労強度を向上させていると考えられる。この点でこれらの成分は有効成分であり、本実施形態の隅肉溶接継手には、これらの成分の少なくとも1種含有させることが可能である。しかしながら、過剰の添加はいずれも鋼板材質を劣化させる。このため、それぞれ、0.1≦Ni≦3.0、0.1≦Cr≦2.0、0.005≦Mo≦0.5、0.005≦Nb≦0.1、0.005≦V≦0.15、0.005≦Ti≦0.15、0.0001≦B≦0.01の範囲で含有させることが好ましい。なお、NbとTiは、窒素と反応して、窒化物を生成し、溶接金属を著しく硬化させると共に、溶接金属の靱性値を低下させる。そのため、溶接金属では、それらの元素の上限値を、母材よりも制限している。
HVwmr≦350
本願では、溶接部疲労強度の向上を目的に、母材成分よりも溶接金属成分の炭素当量が高いため、止端部A近傍の溶接金属に比べて、ルート点近傍(領域F)の溶接金属硬さが硬くなりやすい。このため、ルート部での低温割れを防止するためには、ルート点近傍(領域F)の溶接金属硬さを任意の3点の平均値としてビッカース硬さで350以下(HVwmr≦350)にすることが好ましい。
なお、ビッカース硬さ350の数値は、厚鋼板の溶接において低温割れ防止のための指標として知られていると共に、本願発明者らが行った薄鋼板の重ね隅肉継手での低温割れ検討結果での値とも一致する。すなわち、溶接ルート点側の溶接金属のビッカース硬さが350以下とすることにより、低温割れの抑制効果が向上する。
次に、本実施形態の隅肉溶接継手の製造方法について詳述する。
本実施形態の隅肉溶接継手の製造方法は、引張強度と炭素当量が所定の範囲である2枚の母材の一部を重ね、所定の炭素当量の溶接ワイヤを用い、所定の溶接速度で隅肉溶接を施す隅肉溶接継手の製造方法であり、母材の引張強度が980MPa以上であり、母材の炭素当量が0.36以上0.60以下であり、母材の引張強度[MPa]を母材の炭素当量[wt%]の1950倍以上とすることは上述したとおりである。得られた隅肉溶接継手は、上記母材、溶接金属及び熱影響部を含んでなる。
HVbond≧HVhaz−50 (5)
HVhaz≦350 (6)
HVwmr≦350
これにより、隅肉溶接継手における低温割れの抑制効果が向上する。
図4は、実施例において採用した溶接方法を示す図である。同図に示すように、2枚の薄板(厚さ2.6mm)を用いて重ね隅肉溶接継手を作成した。図4中符号26は溶接金属を示し、符号Wは溶接機を示す。
比較例2では、母材の炭素当量が本発明で規定する所定の範囲外であり、疲労強度が従来品に相当する比較例1を下回った。
比較例3では、母材の炭素当量、母材の引張強度と炭素当量との関係、及びビッカース硬さ(関係式(1)〜(3))が本発明で規定する所定の範囲外であり、疲労強度が従来品に相当する比較例1を下回った。
比較例4では、溶接ワイヤの炭素当量が本発明で規定する所定の範囲より少なく、またビッカース硬さ(関係式(1))が本発明で規定する所定の範囲外であり、疲労強度が従来品に相当する比較例1を下回った。
比較例5では、溶接ワイヤの炭素当量が本発明で規定する所定の範囲より多く、ルート部のビッカース硬さの関係、HVwmr≦350が満たされず、低温割れが発生した。
比較例6では、ビッカース硬さ(関係式(1)および(3))が本発明で規定する所定の範囲外であり、疲労強度が従来技術に相当する比較例1を下回った。
従って、各比較例では、溶接部(溶接金属と熱影響部とを含む)において低温割れを抑制しつつ優れた疲労強度が実現されるとはいえない。
12、14、22、24 母材
16、26 溶接金属
A 溶接止端
B 境界の代表点
C 代表点Bから溶接金属16側に0.1mm以上0.3mm以下の位置である溶接金属内の領域
D 境界(代表点B)から熱影響部側に0.1mm以上0.3mm以下の位置である熱影響部内の領域
E 溶接ルート点
F 溶接ルート点側の境界(溶接ルート点Eの下方に位置する溶接金属と熱影響部との境界)から溶接金属側に0.1mm以上0.3mm以下の位置である溶接金属内の領域
S 溶接止端部と仮想線との間の寸法
W 溶接機
Claims (9)
- 2枚の母材の一部を重ねて隅肉溶接を施して得られる隅肉溶接継手であって、
前記隅肉溶接継手は、前記母材、溶接金属及び熱影響部を含んでなり、
前記母材の引張強度が980MPa以上であり、前記母材の炭素当量が0.36以上0.60以下であり、前記母材の引張強度[MPa]が前記母材の炭素当量[wt%]の1950倍以上であり、
前記溶接金属の平均炭素当量が0.45以上0.65以下であり、前記母材の炭素当量より高く、
前記隅肉溶接継手の溶接線に直角な断面において、溶接止端から前記母材の板厚方向に0.1mm以上0.3mm以下の位置を通り、前記母材表面に平行な直線上であって、
前記溶接止端の下方に位置する、前記溶接金属と前記熱影響部との境界におけるビッカース硬さHVbondと、前記境界から前記溶接金属側に0.1mm以上0.3mm以下の位置における前記溶接金属のビッカース硬さの平均値HVwmtと、前記境界から前記熱影響部側に0.1mm以上0.3mm以下の位置における前記熱影響部のビッカース硬さの平均値HVhazと、が以下の関係を満たす、ことを特徴とする隅肉溶接継手。
HVbond≦HVwmt (1)
HVbond≧HVhaz−50 (2)
HVhaz≦350 (3) - 前記母材の引張強度が前記母材の炭素当量の2750倍以下である、請求項1に記載の隅肉溶接継手。
- 前記母材が、質量%で、0.01≦C≦0.25、0.01≦Si≦2.00、0.05≦Mn≦3.0、0.001≦Al≦0.4、を含有し、残部がFeおよび不純物である、請求項1又は2に記載の隅肉溶接継手。
- 前記母材が、質量%で、0.1≦Ni≦3.0、0.1≦Cr≦2.0、0.005≦Mo≦0.5、0.005≦Nb≦0.3、0.005≦V≦0.3、0.005≦Ti≦0.3、0.0001≦B≦0.01の少なくとも1種をさらに含有する、請求項3に記載の隅肉溶接継手。
- 前記溶接金属が、質量%で、0.03≦C≦0.25、0.01≦Si≦2.00、0.5≦Mn≦3.0、0.001≦Al≦0.15、を含有し、残部がFeおよび不純物である、請求項1から4のいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記溶接金属が、質量%で、0.1≦Ni≦3.0、0.1≦Cr≦2.0、0.005≦Mo≦0.5、0.005≦Nb≦0.1、0.005≦V≦0.15、0.005≦Ti≦0.15、0.0001≦B≦0.01の少なくとも1種をさらに含有する、請求項5に記載の隅肉溶接継手。
- 前記母材の板厚が、1.0mm以上3.6mm以下である、請求項1から6のいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記隅肉溶接継手の溶接線に直角な断面において、溶接ルート点から前記母材の板厚方向に0.1mm以上0.3mm以下の位置を通り、前記母材表面に平行な直線上であって、
前記溶接ルート点の下方に位置する、前記溶接金属と前記熱影響部との境界から前記溶接金属側に0.1mm以上0.3mm以下の領域における前記溶接金属のビッカース硬さの平均値HVwmrが以下の関係を満たす、請求項1から7のいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
HVwmr≦350 - 2枚の母材の一部を重ね、溶接ワイヤを用いて隅肉溶接を施す、請求項1-8のいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法であって、
前記母材の引張強度が980MPa以上であり、前記母材の炭素当量が0.36以上0.60以下で、前記母材の引張強度[MPa]が前記母材の炭素当量[wt%]の1950倍以上であり、
前記溶接ワイヤの炭素当量が0.50以上0.80以下で、上記母材の炭素当量より高く、
溶接速度が60cm/min以上150cm/min以下である、ことを特徴とする隅肉溶接の製造方法。
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