JP7368760B2 - 溶接継手、及び自動車部品 - Google Patents
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Description
しかし、船舶や橋梁などの板厚が厚い鋼板を溶接した構造物に比べ,板厚が薄い鋼板を溶接した構造物は、自動車部材などのように、寸法が小さく、また、板厚が薄いため、発生した疲労亀裂が貫通亀裂となり易い。そのため、疲労寿命に占める疲労亀裂伝播寿命が小さく、疲労亀裂発生寿命が支配的である。
そのため、板厚が薄い鋼母材を溶接した場合、板厚が厚い鋼母材を溶接した場合と同様なメカニズムで疲労寿命は向上しない。
板厚0.4~4.0mmであり、かつ少なくとも一方が引張強度780MPa以上の一対の鋼母材と、
前記一対の鋼母材を溶接する溶接金属であって、溶接金属を平面視したとき、溶接金属の止端部が山部と谷部とを有し、隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での平均距離が3.0mm以下であり、隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm~3.0mmである前記山部と前記谷部とを合わせた平均の数が2~30個/15mmである溶接金属と、
を有する溶接継手。
[2]
隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm~3.0mmである前記山部と前記谷部とを合わせた平均の数が4~9個/15mmである[2]に記載の溶接継手。
[3]
前記鋼母材のビッカース硬さに対する、前記溶接金属のビッカース硬さの比が0.75以上0.95以下である[1]又は[2]に記載の溶接継手。
[4]
前記一対の鋼母材のうち少なくとも一方が、0.100~1.000質量%のAlを含有する[1]~[3]のいずれか1項に記載の溶接継手。
[5]
[1]~[3]のいずれか1項に記載の溶接継手を有する自動車部品。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。
数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
「好ましい態様の組み合わせ」は、より好ましい態様である。
「谷部」は、溶接金属を平面視したとき、止端部(具体的には溶融境界)が溶接金属側に寄った領域を示す。そして、「谷部の底点」とは、当該領域の最も溶接金属側に寄った極点を示す。つまり、「谷部の底点」とは、溶接金属側に寄った止端部(具体的には溶融境界)から、溶接線までの最短長さが最も短くなる点を示す。
「溶接金属を平面視する」とは、観察する溶接金属の止端部における山部がせり出した側の鋼母材の板厚方向から溶接金属を観察すること示す。
板厚0.4~4.0mmであり、かつ少なくとも一方が引張強度780MPa以上の一対の鋼母材と、
前記一対の鋼母材を溶接する溶接金属であって、溶接金属を平面視したとき、溶接金属の止端部が山部と谷部とを有し、隣り合う山部の頂点と谷部の底点との溶接線方向と直交方向での平均距離が3.0mm以下であり、隣り合う山部の頂点と谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm~3.0mmである山部と谷部とを合わせた平均の数が2~30個/15mmである溶接金属と、
を有する。
本開示の溶接継手は、次の知見により見出された。
特に、溶接金属の「のど厚」が減少すると、外部から応力が負荷された場合、溶接金属に生じる応力が増加し易い。引張強度780MPa未満の鋼母材では、溶接金属は鋼母材よりも強度が高い(オーバーマッチ)ことが多いため、疲労強度に影響し難いが、引張強度780MPa以上の鋼母材では、溶接金属は鋼母材よりも強度が低い(アンダーマッチ)ことが多く、疲労強度の低下を招くことがある。
この原因は、溶接するとき、鋼母材から溶け出したAlが溶融した金属の粘度を上昇させるためと推測される。
そして、溶接金属の「のど厚」の減少を抑えると、溶接金属に作用する応力が抑えられる。その結果、さらに、溶接金属の疲労強度が向上する。
そのため、本開示の溶接継手において、一対の鋼母材のうち少なくとも一方は、0.100~1.000質量%のAlを含有することがよい。
以下、本開示の溶接継手について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
1)第1鋼母材1と第2鋼母材2とをL字又はT字に配置し、第1鋼母材1と第2鋼母材2との互いの表面(板厚方向に対向する面)で形成される隅4に沿って、溶接金属3が延在する隅肉溶接継手の態様。
2)第1鋼母材1と第2鋼母材2との端面(例えば鋼母材が平板である場合、板厚方向と直交方向に対向した面)を突き合わせて配置され、突き合わせ部に沿って、溶接金属3が延在する突合せ溶接継手の態様。
3)その他、開先継手、へり溶接継手等の周知の溶接した溶接継手の態様。
[溶接金属の止端部形状]
本開示の溶接金属3を平面視したとき、溶接金属3の止端部が溶接線方向(溶接金属すなわち溶接ビードの長手方向)に山部と谷部とを有する(図3参照)。図3中、Bは「谷部の底点」を示し、Tは「山部の頂点」を示す。
本開示の溶接金属は、隣り合う山部の頂点と谷部の底点との溶接線方向と直交方向での平均距離(以下、「山部と谷部との距離」とも称する)が3.0mm以下である。溶接線方向と直交方向の山部と谷部の平均距離が3.0mmを超えると、溶接金属3の形状が局所的に乱れ易く、疲労強度の低下を招く。溶接金属3の形状の局所的な乱れは、特に、ウィービング溶接によって溶接を行う場合に生じやすくなる。
よって、溶接線と直交方向の山部と谷部の平均距離は、3.0mm以下とする。
疲労強度向上の観点から、山部と谷部の平均距離は、2.8mm以下が好ましく、2.5mm以下がより好ましく、2.0mm以下がさらに好ましい。
隣り合う山部と谷部との距離が0.1mm未満だと、山部による疲労強度向上効果が小さくなるため、隣り合う山部と谷部との距離が0.1mm未満の山部および谷部は数えない。具体的には、任意の山部の頂点(又は谷部の底点)が、両隣に存在する2つの谷部(又は2つの山部)のうち一方の谷部の底点(又は山部の頂点)との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm未満の場合、前記任意の山部の頂点(又は谷部の底点)は、うねりの数として数えない。
つまり、うねりの数、および山部と谷部との距離は、距離が0.1mm未満の隣り合う山部と谷部を飛ばして、測定する(図5参照)。なお、図5中の符号の意味は図4と同一である。
なお、図4~図5中、隣り合う山部の頂点と谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離「A1~A4」及び「A」は、山部と谷部とのX軸方向距離(つまり、図1中のX方向に相当する溶接線方向と直交方向に沿った距離)を示す。
うねりの数が2個/15mm未満では、疲労亀裂の発生起点を山部に局所化する働きを失う。
うねりの数が30個/15mm超えでは、疲労亀裂の発生起点となる山部の数が多すぎて、疲労亀裂の発生起点を山部に局所化する利点が失われる。
よって、うねりの数は、上記範囲とする。疲労強度向上の観点から、うねりの数は、2~28個/15mmが好ましく、3~15個/15mmがより好ましい。
うねりの数を4~9個/15mmとすることで、溶接金属の谷部の構造に由来する、疲労亀裂の発生が抑制される領域が、山部の頂点に近い範囲まで及びやすくなる。そのため、より疲労亀裂の起点が、止端形状がなだらかな山部の頂点に近づく。それにより、溶接金属の疲労亀裂発生寿命がより延び、疲労強度がより向上すると推測される。
先ず、溶接金属3上に溶接線Wを描き、測定対象とする溶接金属3の止端部を上に向ける。始終端の各々5mmを除いた溶接金属3の任意の範囲(最低、溶接線方向に、長さ15mm以上の範囲)において、うねりの数、および山部と谷部との距離を測定する箇所の溶接線の長さWrを測定する。ここで、溶接線の長さWrの測定は、溶接線に直接、長さを測定する装置によって測定してもよいし、溶接金属3を平面視した状態の画像から、任意の曲線f(x)のx範囲[0,a]の曲線の長さxiとして、以下の式1を用いて算出しても良い。
続いて、存在する山部及び谷部のすべてにおいて、左側から右側にかけて1から始まる整数で番号付けをする。そして、番号付けされた山部及び谷部のすべてにおいて、山部の頂点から溶接線までの最短長さT2、T4、及びT6(以下、「山部の頂点から溶接線までの最短長さ」を単に「山部最短長さ」ともいう。)、及び谷部の底点から溶接線までの最短長さT1、T3、T5、及びT7(以下、単に「谷部の底点から溶接線までの最短長さ」を「谷部最短長さ」ともいう。)を測定する。また、溶接線における、山部の頂点から溶接線までの最短長さとなる線と溶接線との交点、及び谷部の底点から溶接線までの最短長さとなる線と溶接線との交点をプロットする。そして、各プロット間の距離Wr1~Wr6を測定する。
続いて、任意の記録媒体(例えば、紙)に、溶接線の長さWrと同一の長さの直線を書く(以下、当該直線を「模擬溶接線」ともいう)。模擬溶接線の上部、かつ模擬溶接線と直交方向において、模擬溶接線から谷部最短長さT1と同一の位置に点「P1」を書く。そして、点「P1」を谷部の底点とする。次に、前記「P1」の右側、かつ模擬溶接線の上部、かつ模擬溶接線と直交方向において、模擬溶接線から山部最短長さT2と同一の位置に点「P2」を書く。そして、点「P2」を山部の頂点とする。このとき、模擬溶接線に沿った、点「P1」及び「P2」間の距離を、前記距離Wr1と同一の距離とする。以下、「P2」と同様の手順で、「P3」以降についても記載を行う。なお、番号付けされた山部及び谷部のすべてにおいて、本作業を行う。
そして、隣り合う山部の頂点と谷部の底点との模擬溶接線方向と直交方向での距離を、「隣り合う山部の頂点と谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離A」とする。
継手部のみの特徴としては、止端部の疲労亀裂は、例えば、止端部の形状が急峻である場合、止端部近傍に溶接欠陥(例えば、アンダカット等)がある場合、止端部近傍にスパッタの付着がある場合等に発生しやすい。
重ね隅肉溶接の場合、下側鋼母材1の上にある「溶接金属3の止端部のうねり」が、疲労強度に影響する場合が多い。そのため、本開示では、下側鋼母材1の上にある「溶接金属3の止端部」のうねりの数、および山部と谷部との距離が上記範囲内であればよい。
T字継手の場合、疲労亀裂の発生が懸念される側の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」のうねりの数、および山部と谷部との距離が上記範囲内であればよい。具体的には、例えば、主板側(応力伝達側)の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」、溶接脚長が短い側の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」、のど厚が小さい側の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」、鋼母材の板厚が異なる場合は板厚が薄い側の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」から疲労亀裂が発生し易いため、これらの側のうねりの数、および山部と谷部との距離が上記範囲内であればよい。
突合せ溶接の場合、例えば、鋼母材の板厚が異なる場合は板厚が薄い側の鋼母材の上にある「溶接金属3の止端部」から疲労亀裂が発生し易いため、これらの側のうねりの数、および山部と谷部との距離が上記範囲内であればよい。
溶接金属3の化学組成は、特に制限はないが、質量%で
C :0.01~0.50%
Si:0.005~2.000%
Mn:0.01~3.00%
P :0.100%以下
S :0.0500%以下
を含む鋼で構成された化学組成が例示できる。
具体的には、例えば、溶接金属3は、C :0.01~0.50%、Si:0.005~2.000%、Mn:0.01~3.00%、P :0.100%以下、およびS :0.0500%以下と、必要に応じて任意元素と、を含み、残部がFeおよび不純物からなる化学組成が例示できる。
Cは、溶接金属3の強度を確保する元素であり、少ないと溶接金属3の強度が担保できなくなることがある。そのため、C量は、0.01%以上が好ましい。一方、Cが過度に含有すると水素脆化割れが生じることがある。そのため、C量は0.50%以下が好ましい。
Siは、溶接金属3の強度調整、脱酸材として機能する元素である。加えて、そのため、Si量を極めて低下させた場合、精錬のコストアップを招く。Si量は、0.005%以上が好ましい。一方、Siを過度に含有すると溶接性が悪化し、目的とする溶接金属3の止端部形状が得られ難くなる。そのため、Si量は、2.000%以下が好ましい。
Mnは、溶接金属3の焼入れ性を増加させる元素である。そのため、Mn量は、0.01%以上が好ましい。Mn量が多いと靭性が低下する。そのため、Mn量は、3.00%以下が好ましい。
Pは、溶接金属3を強化する働きを有するが、溶接金属3の靱性を著しく劣化させる。そのため、P量は、0.100%以下が好ましい。一方、P量は0%でもよいが、鋼母材の原料などから混入するPを完全に除去することは経済的に不利である。そのため、P量は0.001%以上が好ましい。
Sは、Pと同様に溶接金属3の靱性を劣化させる元素であり、多量に含まれると溶接金属3の凝固割れの原因となる。そのため、S量は、0.0500%以下が好ましい、一方、鋼母材の原料などから混入するSを完全に除去することは経済的に不利である。そのため、S量は、0.0001%以上が好ましい。
Ti:0~0.5%、
Cr:0~2.0%、
Mo:0~1.0%、
Ni:0~5.0%、
B :0~0.01%、
N :0~0.01%、
Al:0~1.0%
を1種以上を含んでもよい。
なお、溶接金属3が凝固する前、溶接金属3に含まれるAlは、酸化して、溶接スラグ浮上する場合がある。そのため、鋼母材中のAlが、凝固前の溶接金属3に入ったとしても、凝固後の溶接金属3に、残るAlは少なくなる。
一対の鋼母材は、少なくとも一方が引張強度780MPa以上の鋼母材である。高引張強度を有する鋼母材は、特に軽量化及び衝突安全性の向上が強く要請される自動車用の溶接継手10の鋼母材として好適である。この観点から、一対の鋼母材は、双方が、引張強度780MPa以上の鋼母材であることがよい。
なお、引張強度は、JIS Z2241(2011)に準じて測定される。
一対の鋼母材のうち少なくとも一方は、上述のように、溶接金属3の疲労強度向上の観点から、0.100~1.000質量%のAlを含有することが好ましい。
一対の鋼母材のうち少なくとも一方は、0.100%以上のAlを含有した一対の鋼母材を溶接すると、溶融した金属の粘度が大きくなり、例えばウィービング溶接、ウェーブパルス溶接等の溶接を行った際にのど厚の減少を伴うことなく、また、山部の応力集中が大きく低減される。それにより、溶接金属3の疲労強度が大幅に向上する。
一方、1.000%以下のAlを含有した一対の鋼母材を溶接すると、溶接金属3の靭性確保の点から好ましい。
Al量は、好ましくは0.100~0.500質量%であり、より好ましくは0.200~0.500質量%である。
なお、疲労強度向上の観点から、一対の鋼母材の双方が、0.100~1.000質量%のAlを含有することが好ましい。
一対の鋼母材の化学組成の一例としては、質量%で
C :0.002~0.400%
Si:0.002~2.000%
Mn:0.1~3.0%
P :0.1%以下
S :0.05%以下
Al:0.100~0.500%、
Ti:0~0.5%、
N:0~0.01%、
Cr:0~2.0%、
Mo:0~1.0%、
Ni:0~5.0%、
残部:Fe及び不純物からなる化学組成が挙げられる。
一対の鋼母材の板厚が0.4mm未満では、安定した溶接が実施できず、疲労強度が低下する。
一対の鋼母材の板厚が4.0mm超えでは、溶接残留応力が疲労強度に対して支配的となり、溶接金属3の山部による疲労強度向上効果の影響が小さくなってしまう。
好ましい一対の鋼母材の板厚は、0.8~3.2mmである。
鋼母材のビッカース硬さに対する、溶接金属のビッカース硬さの比が0.75以上0.95以下であることが好ましい。
なお、一対の鋼母材のビッカース硬さがそれぞれ異なる場合、少なくとも一対の鋼母材の内、一方の鋼母材のビッカース硬さに対する、溶接金属のビッカース硬さの比が前記範囲内であることが好ましく、一対の鋼母材の内、両方の鋼母材のビッカース硬さに対する、溶接金属のビッカース硬さの比が前記範囲内であることがより好ましい。
溶接金属のビッカース硬さの測定は、溶接継手のうち図1に示すようにX軸とY軸とで形成される面において測定する。溶接金属表面(図1に記載されている溶接金属3の実線部分)から0.2mm以上離れた位置で、かつ溶融境界(図1に記載されている溶接金属3の点線部分)からも0.2mm以上離れた位置で5点以上ビッカース硬さを測定し、得られる測定値の算術平均値を溶接金属のビッカース硬さとする。
続いて、溶接継手の止端部が有する任意の山部の頂点から母材側に向けて溶接線方向と直交方向に5mm以上離れた位置において、鋼母材の厚さ方向に鋼母材を切断することで断面試料を採取する。鋼母材のビッカース硬さは断面試料のうち、切断面において測定する。鋼母材の鋼板表面から深さ0.1mm以上、かつ板厚の40%以下の範囲において、ビッカース硬さの測定を5点以上行う。得られる測定値の算術平均値を鋼母材のビッカース硬さとする。
溶接金属のビッカース硬さを鋼母材のビッカース硬さで除する(つまり、「溶接金属のビッカース硬さ」/「鋼母材のビッカース硬さ」)ことで、鋼母材のビッカース硬さに対する、溶接金属のビッカース硬さの比を算出する。
ここで、「ビッカース硬さ」は、JIS Z 2244(2009年)に準拠して測定する。測定条件は、圧子の押込み荷重100gf以上、圧子=対面角136°のビッカース四角錐ダイヤモンド圧子、押込み時間=10s以上とする。
本開示の溶接継手の製造方法の一例は、下記条件を満たすウィービングアーク溶接による溶接継手の製造方法が挙げられる。
(1)溶接速度:40~110cm/min
(2)ウィービング周波数:0.2~20Hz
(3)ウィービング振幅:0.6~20mm
(4)シールドガスの組成(体積%):CO2濃度20%以下又はO2濃度8%以下、残部:Ar
(5)溶接電流:150~250A
溶接ワイヤの化学組成の一例としては、質量%で
C :0.002~0.400%
Si:0.002~2.000%
Mn:0.1~3.0%
P :0.1%以下
S :0.05%以下
Al:0.1~1.0%、
Ti:0~0.5%、
N :0~0.01%、
Cr:0~2.0%、
Mo:0~1.0%、
Ni:0~5.0%、
Cu:0~1.0%、
残部:Fe及び不純物からなる化学組成が挙げられる。
そのため、溶接速度は、40~110cm/minが好ましい。
なお、「うねりの数」が2~30個/15mmの範囲内とするには、溶接速度を速める場合、ウィービング周波数を上げることが好ましい。一方、溶接速度を遅くする場合、ウィービング周波数を下げることが好ましい。
そのため、ウィービング周波数は、0.2~20Hzが好ましい。
そのため、ウィービング振幅は、0.6~20mmが好ましい。
ここで、「ウィービング振幅」について、図8に基づいて説明する。溶接トーチをウィービングさせる時における、溶接トーチの動きMの振幅Waの2倍の値をいう。つまり、ウィービング振幅は、図8中、Wbで示される。なお、図8中、Dは溶接方向を示す。
そのため、シールドガスの組成(体積%)は、CO2濃度20%以下又はO2濃度8%以下、残部:Arとすることが好ましい。
そのため、150~250Aとすることが好ましい。
本開示の自動車部品は、本開示の溶接継手を備える。
例えば、本開示の自動車部品は、図1~図2に示す溶接継手を備える。
具体的には、本開示の自動車部品は、車体の骨格部品、パネル部品、足回り部品が例示され、具体的には、高い強度を必要とするサスペンションアーム、サスペンションフレーム、シャシーフレーム等が好適に挙げられる。
一対の鋼母材として、表1に示す、化学組成、板厚および引張強度を有する鋼板を用いて、表3及び表4に示す溶接条件で、重ね隅肉溶接を行った。
ただし、シールドガスの組成は、Ar+20%CO2とした。
また、溶接ワイヤは、JIS Z 3312(2009)のYGW16相当のワイヤ(表2参照)を用いた。
疲労限は1,000万回未破断となった最大の応力振幅とした。
曲げ応力は、試験片の最小断面(幅20mm、板厚2.9mm)における応力集中を考慮しない表面における最大曲げ応力を基準とした。
なお、表3及び表4中の「疲労限向上率」は以下の通り算出した。
ウィービング有りの条件で溶接した試験体の疲労限を、ウィービング無しとした以外は同溶接条件で溶接した試験体の疲労限で除した値を疲労限向上率と定義した。
特に、Al量を適正な範囲で含む鋼母材を適用した試験例2~3、7、10~12は、優れた疲労強度が得られることがわかる。
1、2 鋼母材
3 溶接金属
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び、技術規格は、個々の文献、特許出願、及び、技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (5)
- 板厚0.4~4.0mmであり、かつ少なくとも一方が引張強度780MPa以上の一対の鋼母材と、
前記一対の鋼母材を溶接する溶接金属であって、溶接金属を平面視したとき、溶接金属の止端部が山部と谷部とを有し、隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での平均距離が3.0mm以下であり、隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm~3.0mmである前記山部と前記谷部とを合わせた平均の数が2~30個/15mmである溶接金属と、
を有する溶接継手。 - 隣り合う前記山部の頂点と前記谷部の底点との溶接線方向と直交方向での距離が0.1mm~3.0mmである前記山部と前記谷部とを合わせた平均の数が4~9個/15mmである請求項1に記載の溶接継手。
- 前記一対の鋼母材の少なくとも一方のビッカース硬さに対する、前記溶接金属のビッカース硬さの比が0.75以上0.95以下である請求項1又は請求項2に記載の溶接継手。
- 前記一対の鋼母材のうち少なくとも一方が、0.100~1.000質量%のAlを含有する請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の溶接継手。
- 請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の溶接継手を有する自動車部品。
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