JP7364088B2 - アーク溶接継手およびアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
[1] 少なくとも2枚の鋼板を重ねてアーク溶接された溶接部を有するアーク溶接継手であって、
前記溶接部における溶接ビードの表面の面積をビード表面積SBEAD(mm2)、前記ビード表面積SBEADのうちのスラグで覆われた領域の面積をスラグ表面積SSLAG(mm2)としたとき、(1)式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIO(%)が20%以下であり、
前記溶接部における溶接金属のビッカース硬さの最大値をHmax、溶接金属のビッカース硬さの最小値をHmin、溶接熱影響部の軟化部のビッカース硬さの平均値をHHAZとしたとき、前記溶接金属および前記溶接熱影響部の軟化部におけるビッカース硬さが、Hmax≦550かつHmin≧1.07×HHAZの関係を満たす、アーク溶接継手。
SRATIO=100×SSLAG/SBEAD …(1)
[2] 前記溶接金属のビッカース硬さの最大値および前記溶接金属のビッカース硬さの最小値が、Hmax-Hmin≦100の関係を満たす、[1]に記載のアーク溶接継手。
[3] [1]または[2]に記載のアーク溶接継手を得るためのアーク溶接方法であって、
少なくとも2枚の鋼板を重ねてアーク溶接して溶接部を形成するに際し、
Arガスおよび酸化性ガスからなり、かつ、前記酸化性ガスが(2)式の関係を満たすシールドガスを使用する、アーク溶接方法。
2×[O2]+[CO2]≦5 …(2)
ただし、[O2]はシールドガス中のO2の体積%であり、[CO2]はシールドガス中のCO2の体積%である。
[4] 前記アーク溶接では、前記鋼板と溶接ワイヤが断続的に短絡し、
前記短絡の平均短絡周波数FAVE(Hz)が20~300Hzであり、かつ前記短絡の最大短絡周期TCYC(s)が1.5s以下である、[3]に記載のアーク溶接方法。
[5] 前記アーク溶接では溶接電流としてパルス電流を使用し、
前記パルス電流のピーク電流をIPEAK(A)、ベース電流をIBASE(A)、ピーク期間をtPEAK(ms)、立ち上がり期間をtUP(ms)、立ち下がり期間をtDOWN(ms)、および前記鋼板とコンタクトチップとの距離をL(mm)としたとき、(3)式で算出されるX(A・s/m)の値が50≦X≦250を満たす、[3]または[4]に記載のアーク溶接方法。
X=(IPEAK×tPEAK/L)+(IPEAK+IBASE)×(tUP+tDOWN)/(2×L)…(3)
[6] 前記アーク溶接では、溶接ワイヤとしてソリッドワイヤを使用する、[3]~[5]のいずれか1つに記載のアーク溶接方法。
[7] 前記アーク溶接は逆極性で行う、[3]~[6]のいずれか1つに記載のアーク溶接方法。
O2→2[O] …(6)
CO2→CO+[O] …(7)
このような分解反応で生成した酸素は、溶融メタル7や溶融池8に溶解(図2(A)および図2(B)を参照)し、冷却されて溶接金属として凝固する際に、気泡となって溶接金属内に残留する。また、酸素と鉄の酸化反応が進行して、溶接金属の機械的性能を劣化させる場合がある。
図4には、図1の重ね隅肉溶接で形成されるアーク溶接継手の溶接ビード6の斜視図を示す。図5には、図4に示すアーク溶接継手のA-A線断面を正面視した一部拡大図を示す。
SRATIO=100×SSLAG/SBEAD …(1)
図4に示すように、溶接部の溶接ビード6の表面の面積をビード表面積SBEAD(mm2)とし、ビード表面積SBEADのうちのスラグ11で覆われた領域の面積をスラグ表面積SSLAG(mm2)としたとき、(1)式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIO(%)が20%以下である。溶接時に生成するスラグ11がその被覆面積率20%を超えて溶接ビード6の表面に付着すると、アーク溶接継手を化成処理に供しても、化成処理層が十分に形成されず、電着塗装を施しても塗膜の形成不良や、塗膜の密着性低下が生じる。このため、腐食環境下での発錆および減肉が容易となり、その結果、継手強度が低下する場合がある。スラグの生成量が減少すると溶接ビード6の表面におけるスラグ11の凝集が抑制されるため、化成処理性および電着塗装性が向上し、腐食による継手強度の低下の抑制につながる。そのため、スラグ被覆面積率SRATIOは、好ましくは15%以下とし、より好ましくは10%以下とする。
溶接金属およびHAZの軟化部におけるビッカース硬さが、Hmax≦550を満たさない場合、過度の硬化によって溶接金属において割れが生じやすくなる。また、上記した領域のビッカース硬さがHmin≧1.07×HHAZを満たさない場合、溶接金属において応力集中が発生し、溶接金属での破断が生じる場合がある。したがって、本発明では、溶接金属およびHAZの軟化部におけるビッカース硬さが、Hmax≦550およびHmin≧1.07×HHAZの両方を満たすものとする。溶接金属のビッカース硬さの最大値Hmaxは、好ましくは520以下とし、より好ましくは450以下とし、さらに好ましくは400以下とする。溶接金属のビッカース硬さの最小値Hminは、好ましくは220以上とし、より好ましくは240以上とする。
また、上記した領域のビッカース硬さは、Hmin≧1.10×HHAZとすることが好ましい。上記した領域のビッカース硬さは、1.35×HHAZ≧Hminとすることが好ましい。
そこで、本発明では、図4に示すように、溶接ビード6のビード始終端からそれぞれ15mmまでの領域(ビード始終端部10)を除いた溶接部における溶接金属のビッカース硬さのばらつきを、所定の範囲内となるように制御することが好ましい。
溶接ビード6の溶接方向に平行な線(溶接線)に垂直な方向の断面での溶接金属のビッカース硬さの最大値をHmaxとし、溶接金属のビッカース硬さの最小値をHminとしたとき、該ビッカース硬さの最大値および最小値が、Hmax-Hmin≦100の関係を満たすことが好ましい。溶接金属のビッカース硬さのばらつきを小さくする(すなわちHmaxとHminの差を小さくする)ことによって、応力集中を緩和することができる。その結果、継手強度に優れたアーク溶接継手を得ることができる。(Hmax-Hmin)は、より好ましくは80以下とし、さらに好ましくは50以下とし、さらに一層好ましくは40以下とする。
該鋼板の引張強度の上限は特に規定しない。自動車用部材に適用する観点からは、引張強度は1200MPa以下とすることが好ましい。
2×[O2]+[CO2]≦5 …(2)
ここで、(2)式において、[O2]はシールドガス中のO2の体積%であり、[CO2]はシールドガス中のCO2の体積%である。
本発明では、100%Arガスのシールドガスでも上述の効果を得られる。すなわち、(2)式の左辺の値が0の場合も含まれる。なお、この「100%Arガス」の条件として、Ar純度が99.99%以上のものを指す。
上記の「平均短絡周波数FAVE」とは、アーク溶接継手を得るために行なう溶接パスの短絡周波数の平均値を指す。よって、溶接パスのアーク電圧の推移を測定機器(たとえばオシロスコープ等)で測定し、そのアーク電圧がゼロになる回数を計測し、その溶接に要した時間(s)で回数を除した値(回/s=Hz)が、「平均短絡周波数」である。
上記の「最大短絡周期TCYC」とは、アーク溶接継手を得るために行なう溶接パスの短絡周期の中の最大値を指す。すなわち、溶接パスの各々の短絡周期が、いずれも1.5sを超えないことを意味する。
X=(IPEAK×tPEAK/L)+(IPEAK+IBASE)×(tUP+tDOWN)/(2×L)…(3)
(3)式で算出されるX(A・s/m)の値が小さすぎると、アーク5のふらつきや溶滴移行の不安定化が発生する場合がある。一方、Xの値が大きすぎると、溶接ワイヤ1が溶融池8へ突っ込んだり、成長した溶滴が短絡時に飛散して、ビード形状の劣化やスパッタ付着などを生じる場合がある。したがって、Xの値は、50≦X≦250を満たすように制御することが好ましい。Xの値は、より好ましくは60以上とし、さらに好ましくは80以上とする。Xの値は、より好ましくは230以下とし、さらに好ましくは200以下とする。
なお、Xの単位(A・s/m)中の「s」はセカンド(秒)であり、tPEAK、tUP、tDOWNの単位の「ms」は、ミリセカンド(=1/1000秒)である。
Cは、溶接金属の強度を確保するの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させる効果がある。しかし、C含有量が0.020質量%未満では、溶接金属の強度を確保できない。一方、C含有量が0.150質量%を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、C含有量は0.020~0.150質量%が好ましい。C含有量は、より好ましくは0.050質量%以上であり、より好ましくは0.10質量%以下である。
Siは、脱酸作用を有する一方で、適当量の添加によって溶接金属の焼入れ性を高め、溶接金属の靭性、強度向上に寄与する元素である。MIG溶接ではArシールドガスによって溶接金属への酸素の混入を抑制することができる。Siによる脱酸作用は特段必要ないが、Si含有量が0.20質量%未満では、溶接施工時に溶滴や溶融プールが揺動し、スパッタが多量に発生する。一方、Si含有量が1.00質量%を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Si含有量は0.20~1.00質量%が好ましい。Si含有量は、より好ましくは0.30質量%以上であり、より好ましくは0.90質量%以下である。
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有するとともに、溶接金属の機械的性質を向上させる元素である。しかし、Mn含有量が0.50質量%未満では、溶接金属中に残留するMn量が不足して十分な強度と靭性が得られない。一方、Mn含有量が2.50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含有量は0.50~2.50質量%が好ましい。Mn含有量は、より好ましくは0.80質量%以上であり、より好ましくは1.80質量%以下である。
Pは、製鋼工程および鋳造工程で鋼中に不純物として混入する元素であり、溶接金属の耐高温割れ性を低下させる元素であり、可能な限り減少させることが好ましい。とくに、P含有量が0.020質量%を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が著しく低下する。したがって、P含有量は0.020質量%以下が好ましい。P含有量は、より好ましくは0.010質量%以下である。溶接金属の耐高温割れ性の観点から、P含有量の下限は特に規定せず、0質量%も含まれる。P含有量は、好ましくは0.001質量%以上とする。
Sは、鋼素線に不可避的に含有される不純物であり、溶接金属の耐高温割れ性を低下させる元素であり、可能な限り減少させることが好ましい。とくに、S含有量が0.03質量%を超えると、溶接金属の高温割れが発生し易くなる。したがって、S含有量は0.03質量%以下が好ましい。S含有量は、より好ましくは0.015質量%以下である。溶接金属の耐高温割れ性の観点から、S含有量の下限は特に規定せず、0質量%も含まれる。S含有量は、好ましくは0.001質量%以上とする。
なお、ワイヤ組成の不可避的不純物としてN、Cuが挙げられる。Nは、鋼材を溶製する段階や鋼素線を製造する段階で不可避的に混入する不純物であり、溶接金属の靭性に悪影響を及ぼす。このため、N含有量は0.01質量%以下に抑えることが好ましい。Cuは、鋼素線に不可避的に含有される不純物であり、溶接金属の靭性を低下させる元素である。特にCu含有量が3.0質量%を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。このため、Cu含有量は3.0質量%以下が好ましい。
なお、本発明は、自動車用部材等に好適に用いられることから、高強度の鋼板の板厚は、0.8~4mmであることが好ましい。
ビード表面積SBEADとスラグ表面積SSLAGは、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を除いた領域における溶接ビード6の表面を真上から撮影し(倍率:5倍)、得られた撮影画像を用いて、溶接ビードおよびスラグの上面からの投影面積を測定して算出した。この際、溶接ビード6の長さが130mm未満である場合は、ビード始終端部10を除く全長の表面を撮影した。溶接ビード6の長さが130mm以上である場合は、ビード始終端部10を除いた任意の部位(長さ100mm)における溶接ビード6の表面を撮影した。また、全長0.5mm以下のスラグは除外して求めた。
図4および図5に示すように、上記撮影した溶接ビード6の表面積をビード表面積SBEAD(mm2)とした。このビード表面積SBEADのうち、スラグ11で覆われた領域の面積の合計をスラグ表面積SSLAG(mm2)とした。
算出したビード表面積SBEADおよびスラグ表面積SSLAGの値と、上記した(1)式とを用いて、スラグ被覆面積率SRATIOを求めた。求めたスラグ被覆面積率SRATIOを表3に示した。
溶接金属およびHAZのビッカース硬さの測定は、図5に示すように溶接線に垂直な板厚方向断面における、溶接止端部側の鋼板の表面から板厚方向に0.2mmの位置で、かつ、板厚と垂直方向に溶接止端部からそれぞれ母材にかけて20mmの範囲を測定して行った。図5に示す例の場合、図5中に示した点線(ビッカース硬さ測定線)の領域におけるビッカース硬さを測定した。まず、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を除いた領域(図4を参照)における、溶接ビード6の任意の箇所を溶接線に垂直な板厚方向に切断し、研磨を施した。次いで、測定間隔0.2mm、測定荷重200gで、JIS Z 2244に記載のビッカース硬さ試験を行い、溶接金属領域のビッカース硬さの最大値Hmaxおよび最小値Hminを求めた。HAZの軟化部のビッカース硬さは、HAZ軟化部領域(図5を参照)におけるビッカース硬さの平均値を求め、その平均値をHAZの軟化部の代表ビッカース硬さ(すなわち、HHAZ)とした。
求めた各ビッカース硬さ(Hmax、Hmin、HHAZ)を表3に示した。
腐食促進試験後の溶接継手に対して、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を除いた領域における溶接ビード6の表面を真上から撮影し(図3を参照)、単位長さ当たりの平均発錆面積(mm2/10mm)を算出した。得られた値を表3に示した。
ここでは、発錆防止の評価は以下の基準とした。
平均発錆面積が95(mm2/10mm)より大きく100(mm2/10mm)以下の場合に、腐食後の発錆防止効果が優れると評価した。また、平均発錆面積が50(mm2/10mm)より大きく95(mm2/10mm)以下の場合に、腐食後の発錆防止効果がより優れると評価した。さらに、平均発錆面積が50(mm2/10mm)以下の場合に、腐食後の発錆防止効果がさらに優れると評価した。
2 溶接トーチ
3 鋼板(母材)
4 段差のすみ部
5 アーク
6 溶接ビード
7 溶融メタル(溶滴)
8 溶融池
9 溶接ビード止端部
10 ビード始終端部
11 スラグ
Claims (7)
- 少なくとも2枚の鋼板を重ねてアーク溶接された溶接部を有するアーク溶接継手であって、
前記溶接部における溶接ビードの表面の面積をビード表面積SBEAD(mm2)、前記ビード表面積SBEADのうちのスラグで覆われた領域の面積をスラグ表面積SSLAG(mm2)としたとき、(1)式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIO(%)が20%以下であり、
前記溶接部における溶接金属のビッカース硬さの最大値をHmax、溶接金属のビッカース硬さの最小値をHmin、溶接熱影響部の軟化部のビッカース硬さの平均値をHHAZとしたとき、前記溶接金属および前記溶接熱影響部の軟化部におけるビッカース硬さが、Hmax≦550かつHmin≧1.07×HHAZの関係を満たす、アーク溶接継手。
SRATIO=100×SSLAG/SBEAD …(1) - 前記溶接金属のビッカース硬さの最大値および前記溶接金属のビッカース硬さの最小値が、Hmax-Hmin≦100の関係を満たす、請求項1に記載のアーク溶接継手。
- 請求項1または2に記載のアーク溶接継手を得るためのアーク溶接方法であって、
少なくとも2枚の鋼板を重ねてアーク溶接して溶接部を形成するに際し、
Arガスおよび酸化性ガスからなり、かつ、前記酸化性ガスが(2)式の関係を満たすシールドガスを使用し、
前記アーク溶接では、前記鋼板と溶接ワイヤが断続的に短絡し、
前記短絡の平均短絡周波数F AVE (Hz)が20~300Hzであり、かつ前記短絡の最大短絡周期T CYC (s)が1.5s以下である、アーク溶接方法。
2×[O2]+[CO2]≦5 …(2)
ただし、[O2]はシールドガス中のO2の体積%であり、[CO2]はシールドガス中のCO2の体積%である。 - 前記アーク溶接では溶接電流としてパルス電流を使用し、
前記パルス電流のピーク電流をIPEAK(A)、ベース電流をIBASE(A)、ピーク期間をtPEAK(ms)、立ち上がり期間をtUP(ms)、立ち下がり期間をtDOWN(ms)、および前記鋼板とコンタクトチップとの距離をL(mm)としたとき、(3)式で算出されるX(A・s/m)の値が50≦X≦250を満たす、請求項3に記載のアーク溶接方法。
X=(IPEAK×tPEAK/L)+(IPEAK+IBASE)×(tUP+tDOWN)/(2×L) …(3) - 請求項1または2に記載のアーク溶接継手を得るためのアーク溶接方法であって、
少なくとも2枚の鋼板を重ねてアーク溶接して溶接部を形成するに際し、
Arガスおよび酸化性ガスからなり、かつ、前記酸化性ガスが(2)式の関係を満たすシールドガスを使用し、
前記アーク溶接では溶接電流としてパルス電流を使用し、
前記パルス電流のピーク電流をI PEAK (A)、ベース電流をI BASE (A)、ピーク期間をt PEAK (ms)、立ち上がり期間をt UP (ms)、立ち下がり期間をt DOWN (ms)、および前記鋼板とコンタクトチップとの距離をL(mm)としたとき、(3)式で算出されるX(A・s/m)の値が50≦X≦250を満たす、アーク溶接方法。
2×[O 2 ]+[CO 2 ]≦5 …(2)
ただし、[O 2 ]はシールドガス中のO 2 の体積%であり、[CO 2 ]はシールドガス中のCO 2 の体積%である。
X=(I PEAK ×t PEAK /L)+(I PEAK +I BASE )×(t UP +t DOWN )/(2×L) …(3) - 前記アーク溶接では、溶接ワイヤとしてソリッドワイヤを使用する、請求項3~5のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
- 前記アーク溶接は逆極性で行う、請求項3~6のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
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