KR20230132590A - 이재 접합용 아크 스폿 용접법 및 이재 용접 조인트 - Google Patents

Abstract

인장 전단 강도 및 십자 인장 강도가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 얻을 수 있는 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 제공한다. Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판(10)과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판(20)을 접합하는 이재 접합용 아크 스폿 용접법은, 제1판(10)에 구멍을 내는 공정과, 제1판(10)과 제2판(20)을 중첩하는 공정과, 중공부가 형성된 강제의 접합 보조 부재(30)를, 제1판(10)의 구멍에 삽입하는 공정과, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용하여, 접합 보조 부재(30)를 통해 제1판(10)과 제2판(20)을 접합하는 공정을 구비하고, 제1판(10)과 제2판(20)을 접합하는 공정은, 제2판(20) 및 접합 보조 부재(30)를 용융시킴과 함께 용접 재료를 용융시켜, 접합 보조 부재(30)의 중공부를 용접 금속(40)으로 충전하는 공정이다.

Description

이재 접합용 아크 스폿 용접법 및 이재 용접 조인트

본 발명은, 이재(異材) 접합용 아크 스폿 용접법 및 이재 용접 조인트에 관한 것이다.

자동차를 대표로 하는 수송 기기에는, (a) 유한 자원인 석유 연료 소비, (b) 연소에 수반하여 발생하는 지구 온난화 가스인 CO₂, (c) 주행 비용과 같은 각종 억제를 목적으로 하여, 주행 연비의 향상이 항상 요구되고 있다. 그 수단으로서는, 전기 구동의 이용 등 동력계 기술의 개선 이외에, 차체 중량의 경량화도 개선책의 하나이다. 경량화에는 현재의 주요 재료가 되고 있는 강을, 경량 소재인 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 탄소 섬유 등으로 치환하는 수단이 있다. 그러나, 모두를 이들 경량 소재로 치환하기 위해서는, 고비용화나 강도 부족이 된다고 하는 과제가 있고, 해결책으로서 강과 경량 소재를 적재적소에 조합한, 소위 멀티 머티리얼이라고 불리는 설계 방법이 주목을 받고 있다.

강과 상기 경량 소재를 조합하기 위해서는, 필연적으로 이들을 접합하는 개소가 나온다. 강끼리나 알루미늄 합금끼리, 마그네슘 합금끼리에서는 용이한 용접이, 이재에서는 극히 곤란한 것이 알려져 있다. 이 이유로서, 강과 알루미늄 혹은 마그네슘의 용융 혼합부에는 극히 취성인 금속간 화합물(IMC: Intermetallic Compound)이 생성되고, 인장이나 충격과 같은 외부 응력으로 용융 혼합부가 용이하게 파괴되어 버리는 것에 있다. 이 때문에, 저항 스폿 용접법이나 아크 용접법이라고 하는 용접법이 이재 접합에는 채용할 수 없고, 다른 접합법을 사용하는 것이 일반적이다. 강과 탄소 섬유의 접합도, 후자가 금속이 아닌 점에서 용접을 사용할 수 없다.

종래의 이재 접합 기술의 예로서는, 예를 들어 특허문헌 1에는, 알루미늄 합금 혹은 마그네슘 합금제의 상판과, 강제의 하판을 중첩하여, 강제의 접합 보조 부재를 통해 용접하는 아크 스폿 용접법이 개시되어 있다. 상기 특허문헌 1에 기재된 아크 스폿 용접법은, 중공부를 갖는 접합 보조 부재를, 상판에 마련된 구멍에 삽입하고, 이 중공부를 용접 금속으로 충전함과 함께, 하판 및 상기 접합 보조 부재를 용접하는 것이다.

또한, 특허문헌 2에는, 상기 특허문헌 1에 기재된 접합 보조 부재의 형상이 개량된 이재 접합용 아크 스폿 용접법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 접합 보조 부재는, 축부와 플랜지부를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고, 축부의 최대 외경 및 플랜지부의 폭이 상판의 구멍 직경보다 각각 크고, 축부가 플랜지부측에서 잘록부를 갖는 것이다.

상기 특허문헌 1이나 2에 기재된 용접법에 의하면, 강끼리를 용접하기 위해서, 높은 접합 강도와 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 상기 특허문헌 2에 의하면, 축부의 최대 외경이 상판의 구멍 직경보다도 크기 때문에, 상판과 하판을 수평 방향으로 구속하는 힘이 얻어지고, 수평 방향의 전단 응력에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.

일본 특허 공개 2018-034164호 공보 일본 특허 공개 2018-103240호 공보

그런데, 2매의 판재를 겹쳐서 접합함으로써 얻어지는 용접 조인트에 있어서는, 조인트 강도를 판단하는 지표로서, 인장 전단 강도(TSS: Tensile Shear Strength) 및 십자 인장 강도(CTS: Cross Tension Strength)를 들 수 있다. 따라서, 상기와 같은 강과 경량 소재를 조합하여 이재 접합된 이재 용접 조인트에 있어서도, TSS 및 CTS가 모두 우수한 것이 요구된다.

예를 들어, 하판으로서, 1180MPa급 이하의 강판을 사용하고, 상기 특허문헌 1이나 2에 기재된 용접법에 의해 이재를 접합한 경우에는, TSS 및 CTS가 모두 양호한 용접 조인트를 얻을 수 있다.

한편, 상기 수송 기기 등의 분야에 있어서는, 보다 한층 강재 부분의 강도에 대한 요구가 높아지고 있고, C(탄소)의 함유량이 0.1질량％ 이상이고, 인장 강도가 1180MPa 이상(약 1.2GPa급 이상)의 초고장력강재를 사용한 멀티 머티리얼에 대해서도, 고강도화의 검토가 필요하게 되어 있다.

그러나, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와, 1180MPa 이상의 초고장력강을 상기 용접법에 의해 용접하면, 원하는 CTS가 얻어지지 않는 경우가 있다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 순 알루미늄 혹은 알루미늄 합금(이하, 「Al계 재료」라고도 함), 또는, 순 마그네슘 혹은 마그네슘 합금(이하, 「Mg계 재료」라고도 함)을 포함하는 재료와, 강재와의 이재끼리를, 이미 세상에 보급되어 있는 저렴한 아크 용접 설비를 사용하여 접합할 수 있고, 인장 전단 강도 및 십자 인장 강도가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 얻을 수 있는 이재 접합용 아크 스폿 용접법 및 인장 전단 강도 및 십자 인장 강도가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본원 발명자들이 예의 검토를 행한 결과, 용접 대상으로 하는 강재가, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강인 경우에, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용함으로써, 이재 용접 조인트의 강도를 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 상기 목적은, 하기 (1)의 구성에 의해 달성된다.

(1) Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판을 접합하는 이재 접합용 아크 스폿 용접법이며,

상기 제1판에 구멍을 내는 공정과,

상기 제1판과 상기 제2판을 중첩하는 공정과,

상기 제1판 및 상기 제2판의 판 두께 방향으로 관통하는 중공부가 형성된 강제의 접합 보조 부재를, 상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입하는 공정과,

Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용하여, 상기 접합 보조 부재를 통해 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정을 구비하고,

상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정은, 상기 제2판 및 상기 접합 보조 부재를 용융시킴과 함께 상기 용접 재료를 용융시켜, 상기 접합 보조 부재의 중공부를 용접 금속으로 충전하는 공정인 이재 접합용 아크 스폿 용접법.

또한, 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 관한 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 이하의 (2) 내지 (4)에 관한 것이다.

(2) 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정에 있어서, 상기 용접 금속을 상기 제2판에 이파(裏波)가 나오는 상태까지 용입시키는, (1)에 기재된 이재 접합용 아크 스폿 용접법.

(3) 상기 접합 보조 부재는, 삽입부와 비삽입부를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고, 상기 중공부는 상기 삽입부 및 상기 비삽입부를 관통하도록 형성되어 있는, (1) 또는 (2)에 기재된 이재 접합용 아크 스폿 용접법.

(4) 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정은, 이하의 (a) 내지 (e)의 어느 것의 용접법을 사용하는, (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 이재 접합용 아크 스폿 용접법.

(a) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 가스 실드 아크 용접법.

(b) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 논가스 아크 용접법.

(c) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접법.

(d) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 플라스마 아크 용접법.

(e) 상기 용접 재료를 용극식의 용접봉으로서 사용하는 피복 아크 용접법.

또한, 본 발명의 상기 목적은, 이재 용접 조인트에 관한 하기 (5)의 구성에 의해 달성된다.

(5) Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판과, 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 접합부를 구비하는 이재 용접 조인트이며,

상기 제1판은, 상기 제2판과의 중첩면에 면하는 구멍을 갖고,

상기 접합부는,

상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입되어, 상기 중첩면에 직교하는 방향으로 관통하는 중공부를 갖는 강제의 접합 보조 부재와,

상기 접합 보조 부재의 일부 및 상기 제2판의 일부를 포함하고, 상기 접합 보조 부재의 중공부에 충전된 용접 금속을 갖고,

(1) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 이재 접합용 아크 스폿 용접법으로 접합된 이재 용접 조인트.

또한, 이재 용접 조인트에 관한 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 이하의 (6) 및 (7)에 관련된다.

(6) 상기 제2판은, 상기 접합부에 인접하는 위치에 열 영향부를 갖고,

상기 열 영향부의 최대 경도는, 상기 제2판에 있어서의 상기 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도에 대하여 130％ 이상이고,

상기 용접 금속의 최대 경도는, 상기 평균 경도에 대하여 50％ 이하인, (5)에 기재된 이재 용접 조인트.

(7) 상기 접합 보조 부재는, 삽입부와 비삽입부를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고, 상기 삽입부가 상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입되어 있는, (5) 또는 (6)에 기재된 이재 용접 조인트.

본 발명에 따르면, Al계 재료 또는 Mg계 재료와, 강재의 이재끼리를, 이미 세상에 보급되어 있는 저렴한 아크 용접 설비를 사용하여 접합할 수 있고, 인장 전단 강도 및 십자 인장 강도가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 얻을 수 있는 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 인장 전단 강도 및 십자 인장 강도가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 제공할 수 있다.

도 1a는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 공정 순으로 도시하는 사시도이고, 스텝 S1을 도시하는 도면이다.
도 1b는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 공정 순으로 도시하는 사시도이고, 스텝 S2를 도시하는 도면이다.
도 1c는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 공정 순으로 도시하는 사시도이고, 스텝 S3을 도시하는 도면이다.
도 1d는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 공정 순으로 도시하는 사시도이고, 스텝 S4를 도시하는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 얻어진 이재 용접 조인트를 도시하는 단면도이다.
도 3은, Ni를 함유하지 않는 와이어를 사용한 경우의, 강판의 종류와 조인트의 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 종축을 비커스 경도로 하고, 횡축을 용접부의 중심선 L로부터의 거리로 하여, Ni를 함유하지 않는 와이어를 사용한 경우의, 조인트의 단면 경도를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 종축을 비커스 경도로 하고, 횡축을 용접부의 중심선 L로부터의 거리로 하여, 강판 C를 사용한 경우의, 조인트의 단면 경도를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 십자 인장 시험의 구체적인 방법을 도시하는 모식도이다.
도 7은, 용접후의 이재 용접 조인트를 도시하는 모식적 단면도이다.
도 8a는, 인장 강도가 1.0GPa 이하인 강판 A, B를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다.
도 8b는, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여, 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다.
도 8c는, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni 함유량이 96.3질량％인 와이어 III를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다.
도 9는, 스테인리스강용 용접 와이어를 사용한 용접에 의해 얻어진 조인트의 단면을 도시하는 도면 대용 사진과, 해당 조인트의 단면 위치와 단면 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, Ni를 함유하지 않는 고장력강용 용접 와이어를 사용한 용접에 의해 얻어진 조인트의 단면을 도시하는 도면 대용 사진과, 해당 조인트의 단면 위치와 단면 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 실시 형태에 따른 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 얻어진 이재 용접 조인트의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
도 12는, 본 실시예에 있어서 사용한 접합 보조 부재의 사이즈를 도시하는 측면도이다.
도 13은, 인장 전단 시험용 공시재의 사이즈를 도시하는 상면도이다.
도 14는, 십자 인장 시험용 공시재의 사이즈를 도시하는 상면도이다.
도 15는, 강판 C를 사용한 경우의, 와이어의 종류와 조인트의 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은, 강판 C를 사용하고, 여러가지의 Ni 함유량을 갖는 와이어의 종류와 조인트의 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은, 강판 A를 사용한 경우의, 와이어의 종류와 조인트의 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은, 강판 B를 사용한 경우의, 와이어의 종류와 조인트의 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법 및 이재 용접 조인트에 대해서, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

[이재 접합용 아크 스폿 용접법]

도 1a 내지 도 1d는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법을 공정 순으로 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 얻어진 이재 용접 조인트를 도시하는 단면도이다.

도 1a 내지 도 1d 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법은, 서로 중첩된 Al계 재료 또는 Mg계 재료제의 상판(제1판)(10)과, 강제의 하판(제2판)(20)을, 접합 보조 부재(30)를 통해, 아크 스폿 용접법에 의해 접합하는 용접법이다.

구체적인 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 대해서, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 상판(10)에 대하여, 판 두께 방향으로 관통하여 하판(20)의 중첩면에 면하는 구멍(11)을 비우는 천공 작업을 행한다(스텝 S1). 천공 작업의 구체적인 방법으로서는, (A) 전동 드릴이나 보르반과 같은 회전 공구를 사용한 절삭, (B) 펀치를 사용한 펀칭, 또는 (C) 금형을 사용한 프레스 다이 커팅을 들 수 있다.

이어서, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 상판(10)과 하판(20)을 중첩하는 중첩 작업을 행한다(스텝 S2). 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 하판(20)으로서, 인장 강도가 1180MPa 이상의 것으로서, 예를 들어 1.5GPa인 초고장력강을 사용하고 있다.

또한, 도 1c에 도시하는 바와 같이, 접합 보조 부재(30)의 삽입부(31)를, 상판(10)의 상면으로부터, 상판(10)의 구멍(11)에 삽입한다(스텝 S3). 접합 보조 부재(30)는, 예를 들어 상판(10)의 구멍(11)에 삽입되는 삽입부(31)와, 상판(10)의 상면에 배치되는 플랜지 형상의 비삽입부(32)를 가진, 단차 구비의 외형 형상을 갖는다. 또한, 접합 보조 부재(30)에는, 삽입부(31) 및 비삽입부(32)를 관통하는 중공부(33)가 형성되어 있다. 즉, 중공부(33)의 관통 방향이, 상판(10) 및 하판(20)의 판 두께 방향이 되도록, 접합 보조 부재(30)를 상판(10)의 구멍에 삽입한다. 또한, 비삽입부(32)의 외형 형상은, 도 1c에 도시하는 바와 같은 원형에 한정되지는 않고, 임의의 형상으로 할 수 있다. 또한, 중공부(33)의 형상도, 원형에 한정되지는 않고, 임의의 형상으로 할 수 있다.

계속해서, 도 1d에 도시하는 바와 같이, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 와이어(용접 재료)(50)를 사용하고, 아크 용접에 의해, 하판(20) 및 접합 보조 부재(30)를 용융시킴과 함께, 용접 와이어(50)를 용융시켜서, 접합 보조 부재(30)의 중공부(33)에 용접 금속(40)으로 충전함으로써, 상판(10)과 하판(20)을 접합한다(스텝 S4). 이와 같이 하여, 도 2에 도시하는 이재 용접 조인트(1)를 얻을 수 있다. 또한, 도 1d는, 아크 용접의 일 예로서, 용극식 가스 실드 아크 용접법을 사용한 경우를 도시하고 있다.

여기서, Al계 재료(상판(10))와 강재(하판(20))를 상기 스텝 S1 내지 스텝 S4에 나타내는 방법에 의해 접합한 경우에, 강재와 용접 와이어의 종류에 의해, 조인트 강도가 변화되는 메커니즘에 대해서, 본원 발명자들이 여러가지 검토한 내용을 설명한다.

먼저 본원 발명자 등은, 하판(20)으로서 인장 강도가 서로 다른 강판을 사용하고, 상판(10)으로서 알루미늄 합금판을 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하고, 그 밖의 용접 조건은 상기 스텝 S1 내지 스텝 S4에 나타내는 방법을 채용하여, 상판(10)과 하판(20)을 접합하였다. 그리고, 얻어진 조인트의 인장 전단 강도(TSS) 및 십자 인장 강도(CTS)를 측정하였다.

도 3은, Ni를 함유하지 않는 와이어를 사용한 경우의, 강판의 종류와 조인트의 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 0.6GPa인 강판 A 및 인장 강도가 1.0GPa인 강판 B는, Ni를 사용하지 않는 와이어 I를 사용하여 알루미늄 합금판과 접합해도, TSS 및 CTS의 값에 큰 차이는 보이지 않는다.

한편, 도 3에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용한 경우에, CTS가 크게 저하되는 것을 읽어낼 수 있다.

그래서, 본원 발명자 등은, 조인트의 각 위치에 있어서의 경도가, 조인트의 인장 강도에 영향을 주고 있는 것이 아닌가라고 생각하여, 상기 조인트의 강도를 측정한 조건과 마찬가지로 하여, 상판(10)과 하판(20)을 접합하고, 얻어진 조인트의 단면 경도를 측정하였다.

도 4는, 종축을 비커스 경도로 하고, 횡축을 용접부의 중심선 L로부터의 거리로 하여, Ni를 함유하지 않는 와이어를 사용한 경우의, 조인트의 단면 경도를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 4 중, ○로 나타내는 그래프는, 하판(20)으로서 인장 강도가 0.6GPa인 강판 A를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타내고, □로 나타내는 그래프는, 하판(20)으로서 인장 강도가 1.0GPa인 강판 B를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타내고, △로 나타내는 그래프는, 하판(20)으로서 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타낸다.

또한, 용접부의 중심선 L로부터의 거리가 0mm로부터 약 2mm까지의 영역은, 용접 금속부(용접 금속이 형성되어 있는 부분)를 나타내고, 약 2mm로부터 약 4mm까지의 영역은, 열 영향부(HAZ: Heat-Affected Zone)를 나타내고, 약 4mm 이상의 영역은, 강판(하판(20))을 나타낸다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용한 용접 조인트는, HAZ의 비커스 경도가 약 650HV0.5이고, 다른 강판 A, B를 사용한 용접 조인트에 있어서의 HAZ의 비커스 경도 약 370HV0.5와 비교하여, 1.5배 이상 높은 값을 나타내었다.

이것은, 강판 C의 탄소량이, 다른 강판 A, B의 탄소량보다도 많기 때문이라고 생각된다.

이어서, 본원 발명자 등은, 하판(20)으로서 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, 상판(10)으로서 알루미늄 합금판을 사용하고, Ni 함유량이 서로 다른 와이어를 사용하고, 그 밖의 용접 조건에 대해서는, 상기 스텝 S1 내지 스텝 S4에 나타내는 방법을 채용하여, 상판(10)과 하판(20)을 접합하고, 얻어진 조인트의 단면 경도를 측정하였다.

도 5는, 종축을 비커스 경도로 하고, 횡축을 용접부의 중심선 L로부터의 거리로 하고, 강판 C를 사용한 경우의, 조인트의 단면 경도를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 5 중, △로 나타내는 그래프는, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타내고, ◇로 나타내는 그래프는, Ni 함유량이 와이어 전체 질량에 대하여 66.0질량％인 와이어 II를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타내고, ×로 나타내는 그래프는, Ni 함유량이 와이어 전체 질량에 대하여 96.3질량％인 와이어 III를 사용한 용접 조인트의 경도를 나타낸다.

또한, 도 4와 마찬가지로, 용접부의 중심선 L로부터의 거리가 0mm로부터 약 2mm까지의 영역은, 용접 금속부를 나타내고, 약 2mm로부터 약 4mm까지의 영역은, 열 영향부(HAZ)를 나타내고, 약 4mm 이상의 영역은, 강판(하판(20))을 나타낸다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용한 경우에, Ni를 함유하는 와이어 II, III를 사용하면, 용접 금속의 비커스 경도가 약 170HV0.5가 되고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용한 경우의 용접 금속의 비커스 경도 약 370HV0.5와 비교하여, 연화되는 경향을 나타내었다.

그리고, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni를 함유하는 와이어 II, III를 사용한 경우에, 인장 강도가 1.0GPa 이하인 강판 A, B를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용한 경우와 동등한 CTS가 얻어졌다.

상기의 결과로부터, 본원 발명자 등은, 십자 인장 시험(CTS)에 있어서의 파단 메커니즘에 대하여 추정하였다.

도 6은, 십자 인장 시험의 구체적인 방법을 도시하는 모식도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 평면에서 보아 한쪽의 편이 다른 쪽의 편보다도 긴 사이즈로 제작된 상판(10) 및 하판(20)을 준비하고, 상판(10)과 하판(20)이 평면에서 보아 십자가 되도록 양자를 겹쳐 배치한다. 검토 시험에 있어서는, 인장 강도가 다른 하판(20)이나, Ni 함유량이 다른 와이어를 사용하여, 도 1의 (C) 및 도 1의 (D)에 나타내는 방법으로 접합 보조 부재를 사용한 용접을 실시하였다. 그 후, 상판(10)의 긴 쪽 방향 양단부를 화살표 A10에 나타내는 방향으로 인장함과 함께, 하판(20)의 긴 쪽 방향 양단부를 화살표 A20에 나타내는 방향으로 인장하고, 시험편이 파단할 때까지의 최대 인장 하중을 측정하였다.

도 7은, 용접 후의 이재 용접 조인트를 도시하는 모식적 단면도이다. 또한, 도 8a는, 인장 강도가 1.0GPa 이하인 강판 A, B를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여, 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다. 또한, 도 8b는, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다. 도 8c는, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni 함유량이 96.3질량％인 와이어 III를 사용하여 접합한 이재 용접 조인트에 대하여, 십자 인장 시험을 실시한 후의 양태를 도시하는 모식적 단면도이다.

또한, 도 8a 내지 도 8c는, 도 7에 도시하는 이재 용접 조인트(1)의 단면도에 있어서의 파선으로 둘러싸인 부분만을 도시하고 있다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 상판(10)과 하판(20)은, 접합부(46)에 의해 접합되어 있고, 접합부(46)는, 접합 보조 부재(30)와, 용접 금속(40)을 갖는다. 또한, 와이어 및 강재의 종류에 관계없이, 얻어진 이재 용접 조인트(1)에 있어서, 하판(강판)(20)에 있어서의 용접 금속(40)에 인접하는 영역에, HAZ(45)가 형성되어 있다. 또한, 용접 금속(40)은, HAZ(45) 사이에 계면부(본드)(41)를 갖는다.

도 8a에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 1.0GPa 이하인 강판 A, B를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용한 용접 조인트는, 현저한 HAZ(45)의 경화가 없고, 십자 인장 시험에 의해, 하판(20) 자체가 화살표로 나타내는 방향으로 변형되어 있다. 이에 의해, 높은 CTS를 나타내고 있다.

한편, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용한 용접 조인트에서는, 하판(강판)(20)에 함유되는 탄소량이 높기 때문에, HAZ가 현저하게 경화한다. 따라서, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 용접 금속(40)에 있어서의, 경화한 HAZ(45)와의 계면부(본드)(41)에 응력이 집중한다. 그 결과, 십자 인장 시험에 의해, 계면부(41)에 있어서 취성적으로 파단하고, CTS가 저하되었다고 생각된다.

또한, 인장 강도가 1.5GPa인 강판 C를 사용하고, Ni 함유량이 96.3질량％인 와이어 III를 사용한 용접 조인트는, 도 8b에 도시하는 경우와 마찬가지로, HAZ가 현저하게 경화한다. 단, Ni 함유량이 96.3질량％인 와이어 III를 사용하고 있기 때문에, 용접 금속(40)에 Ni가 함유되고, 용접 금속(40)의 조직은 신율이 큰 오스테나이트 결정 조직이 되고, 연질화한다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 상판(10)과 하판(20)을 접합하면, 도 8c에 도시하는 바와 같이, 십자 인장 시험에 의해, 용접 금속(40)이 화살표로 나타내는 방향으로 변형함으로써, 취성적인 파단이 억제되어, CTS가 향상했다고 생각된다.

또한, 본원 발명자 등은, 용접 금속(40)의 조직을, 연질임과 함께 고연성인 오스테나이트 결정 조직으로 할 수 있고, 보다 저비용인 용접 재료에 대해서, 검토를 더 행하였다. 구체적으로는, 용접 금속이 오스테나이트 결정 조직이 되는 용접 재료로서, 비교적 저렴한 스테인리스강용 용접 와이어(JIS Z 3321 YS310)를 사용하여, 아크 스폿 용접을 실시하고, 조인트의 단면 경도를 측정하였다. 또한, 비교를 위해, Ni를 함유하지 않는 고장력강용 용접 와이어(JIS Z 3317 G52A-1CM3)를 사용하여, 아크 스폿 용접을 실시하고, 마찬가지로 조인트의 단면 경도를 측정하였다. 또한, 사용한 스테인리스강용 용접 와이어의 Ni 함유량은, 20.0 내지 22.5질량％이다.

도 9는, 스테인리스강용 용접 와이어를 사용한 용접에 의해 얻어진 조인트의 단면을 도시하는 도면 대용 사진과, 해당 조인트의 단면 위치와 단면 경도의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9에 도시하는 조인트의 용접에 사용한 스테인리스강용 용접 와이어(JIS Z3321 YS310)의 Ni 함유량은, 21.21질량％이다. 또한, 도 10은, Ni를 함유하지 않는 고장력강용 용접 와이어를 사용한 용접에 의해 얻어진 조인트의 단면을 도시하는 도면 대용 사진과, 해당 조인트의 단면 위치와 단면 경도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9 및 도 10에 있어서, 그래프의 횡축은, 용접부의 중심선 L로부터의 거리(mm)를 나타내고, 조인트의 단면을 도시하는 도면 대용 사진의 위치에 대응하고 있다.

도 9 및 도 10에 있어서, 그래프 중의 둥글게 둘러싸인 부분은, 용접 금속의 영역을 나타낸다. 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 스테인리스강용 용접 와이어를 사용하여 얻어진 용접 금속의 최대 경도(약 210Hv)는, 고장력강용 용접 와이어를 사용하여 얻어진 용접 금속의 최대 경도(약 380Hv)와 비교하여, 현저하게 저하되었다. 이 결과로부터, 스테인리스강용 용접 와이어를 사용한 경우에도, 용접 금속은 연질에서 고연성의 오스테나이트 결정 조직이 되고 있다고 생각된다. 따라서, 용접 금속의 굽힘 변형능이 높아지고, 십자 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

이어서, 본 실시 형태에 관한 용접법에 사용되는 상판(10), 하판(20), 용접 재료 및 접합 보조 부재(30), 그리고 구체적인 용접 방법에 대해서, 이하에 상세하게 설명한다.

<하판(강판)>

상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서 용접 대상으로 하는 하판(20)은, 인장 강도가 1180MPa 이상인 강재로 한다. 이러한 강재로서는, 강재 전체 질량에 대한 C 함유량이 0.2질량％ 이상, 0.5질량％ 이하인 것이 바람직하다.

도 8a에 도시하는 바와 같이, 인장 강도가 1180MPa 미만인 강재에 대해서는, 와이어의 종류에 관계없이, 높은 강도를 얻을 수 있기 때문에, 용접 재료를 한정할 필요가 없기 때문에, 본 실시 형태에 있어서는 용접 대상으로 하지 않는다.

<상판(Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 판)>

본 실시 형태에 있어서는, 상기 하판(20)과의 이재 접합을 대상으로 하고 있기 때문에, 하판(20)과 다른 재료로서, Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 판을 상판(10)으로서 사용한다. 본 실시 형태에 있어서, 상판(10)의 조성은, 특별히 한정되지는 않는다. 또한, Al계 재료란, 상술한 바와 같이, 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 의미하고, Mg계 재료란, 순 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 의미하는 것으로 한다.

<용접 재료>

본 실시 형태에 있어서 사용할 수 있는 용접 재료로서는, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 재료를 포함하는 것이라면, 일반적으로 사용되는 용접 와이어가 적용 가능하다. 구체적으로는, 용접 재료 전체 질량에 대한 Ni 함유량이 13질량％ 이상인 것으로 하고, Ni 함유량은 21질량％ 이상인 것이 바람직하고, 조인트의 강도만을 고려하면, Ni 함유량은 96질량％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, Ni 함유량의 상한은 특별히 규정하지 않지만, 98질량％ 이하인 것이 바람직하고, 용접 재료의 비용 등을 고려하면, 22.5질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

구체적으로는, JIS Z 3321에 기재된 스테인리스강 용가재 YS310, YS309, JIS Z 3224: 2010에 기재된 니켈 및 니켈 합금 피복 아크 용접봉, JIS Z 3335: 2014에 기재된 니켈 및 니켈 합금 아크 용접용 플럭스가 들어간 와이어, JIS Z 3334: 2011에 기재된 니켈 및 니켈 합금 용접용의 용가봉 그리고 솔리드 와이어 등을 사용할 수 있다.

또한, 용접 재료 중의 Ni 이외의 성분으로서는, C, Si, Mn, Cr, Ti, Al, Fe, Mo, Ca 등을 들 수 있다. 용접 재료의 조성으로서는, 예를 들어 Cr, Ni 및 Fe의 함유량의 합계가, 85질량％ 이상인 것이 바람직하고, 90질량％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 95질량％ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이, 본 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법은, 1180MPa 이상의 고장력강과, Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 판의 접합에 사용하는 것이며, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 와이어를 사용하기 위해서, TSS 및 CTS가 모두 우수한 용접 조인트를 얻을 수 있다.

<접합 보조 부재>

또한, 상기 아크 스폿 용접법에 있어서 사용되는 강제의 접합 보조 부재(30)는, 예를 들어 Al계 재료 또는 Mg계 재료의 용융을 피하기 위한 방호벽으로서의 작용을 갖는다. Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 상판(10)에 있어서, 용접 시에 가장 용융하기 쉬운 개소는, 구멍(11)의 내면이나, 해당 내면의 주위의 표면이다. 이들의 면을 접합 보조 부재(30)로 덮음으로써, 아크 용접의 열이 직접 상판(10)에 전해지는 것을 방지하고, 용접 재료의 성분과 혼합되어, 금속간 화합물(IMC)을 생성되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 아크 용접의 용해 범위가, 접합 보조 부재(30)와 하판(20)만이면, 상판(10)의 성분(Al계 재료 또는 Mg계 재료)의 용접 금속(40)에 대한 희석은 제로가 되고, IMC의 생성은 완전히 방지되기 때문에, 높은 조인트 강도를 얻을 수 있다.

단, 본 실시 형태에서는 IMC의 발생이 제로일 필요는 없고, IMC의 다소의 형성은 허용된다. 구멍(11)의 내면에 IMC가 형성되어도, 용접 금속(40)이 연성과 적당한 강도를 갖고 있으면, 용접 금속(40)이 판 폭 방향(2차원 방향)으로의 외부 응력에 대한 저항 작용으로서 작용하므로, 용접 금속(40)의 주위에 형성되는 IMC층의 영향은 작기 때문이다. 또한, IMC는 취성적이지만, 구조체로서 인장 응력이 작용해도, 접합부에는 압축 응력과 인장 응력이 동시에 작용하는 구조로 되어 있고, 압축력에 대하여 IMC는 충분한 강도를 유지하는 점에서, IMC층의 형성은 파괴 전파는 되지 않는다. 따라서, 접합 보조 부재(30)의 삽입부(31)는 반드시, 상판(10)의 판 두께와 동일할 필요는 없다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 접합 보조 부재(30)은, 삽입부(31)과 비삽입부(32)를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고 있는 것이 바람직하다. 접합 보조 부재(30)가 상기와 같은 형상을 가지면, 십자 인장 시험과 같이, 판 두께 방향으로의 외력이 작용한 경우에도, 강도를 유지할 수 있다.

또한, 접합 보조 부재(30)를 구성하는 강재로서는, 예를 들어 연강, 탄소강, 스테인리스강을 이용할 수 있다.

<구체적인 용접 방법>

스텝 S4의 아크 용접에 의해 상판(10)과 하판(20)을 접합하는 공정은, 상기한 바와 같이, 하판(20)과 접합 보조 부재(30)를 용융시킴과 함께, 접합 보조 부재(30)에 마련된 중공부(33)를 용접 금속(40)으로 충전하기 위하여 필요해진다. 또한, 양호한 CTS를 얻기 위해서, Ni를 함유하는 용접 금속을 형성할 필요가 있다. 따라서, 아크 용접에는 충전재가 되는 용접 재료로서, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 재료를 포함하는 용접 와이어(용접 재료)(50)의 삽입이 불가결이 된다.

이 때문에, 본 실시 형태에 있어서는, 예를 들어 이하의 (a) 내지 (e)의 용접법을 사용할 수 있다.

「(a) Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 가스 실드 아크 용접법」

용극식 가스 실드 아크 용접법은, 일반적으로 MAG(마그)나 MIG(미그)라고 불리는 용접법이고, 솔리드 와이어 또는 플럭스가 들어간 와이어를 필러 겸 아크 발생 용극으로서 사용하고, CO₂, Ar, He와 같은 실드 가스로 용접부를 대기로부터 차단하여 건전한 용접부를 형성하는 용접법이다.

「(b) Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 논가스 아크 용접법」

논가스 아크 용접법은, 셀프 실드 아크 용접법이라고도 불리고, 특수한 플럭스가 들어간 와이어를 필러 겸 아크 발생 용극으로서 사용하고, 한편, 실드 가스를 요하지 않게 하여, 건전한 용접부를 형성하는 용접법이다.

「(c) Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접법」

가스 텅스텐 아크 용접법은, 가스 실드 아크 용접법의 1종이지만, 비용극식이고, 일반적으로 TIG(티그)라고도 불린다. 실드 가스는, Ar 또는 He의 불활성 가스가 사용된다. 텅스텐 전극과 모재 사이에는 아크가 발생하고, 필러 와이어는 아크에 옆에서 송급된다.

일반적으로, 필러 와이어는 통전되지 않지만, 통전시켜서 용융 속도를 높이는 핫 와이어 방식 TIG도 있다. 이 경우, 필러 와이어에는 아크는 발생하지 않는다.

「(d) Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 플라스마 아크 용접법」

플라스마 아크 용접법은, TIG와 원리는 동일하지만, 가스의 2중 계통화와 고속화에 의해 아크를 긴축시켜, 아크력을 높인 용접법이다.

「(e) Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 용극식의 용접봉으로서 사용하는 피복 아크 용접법」

피복 아크 용접법은, 금속의 코어선에 플럭스를 도포한 피복 아크 용접봉을 필러로서 사용하는 아크 용접법이고, 실드 가스는 불필요하다.

본 실시 형태에 있어서는, 상기한 바와 같이, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용하여, 접합 보조 부재(30)의 중공부(33)에 용접 금속으로 충전하지만, 일반적으로, 와이어 또는 용접봉의 목적 위치는 이동시킬 필요가 없고, 적절한 송급 시간을 거쳐서 아크를 잘라서 용접을 종료시키면 된다. 단, 중공부(33)의 면적이 큰 경우에는, 와이어 또는 용접봉의 목적 위치를, 중공부(33) 내에서 원을 그리도록 이동시켜도 된다.

용접 금속(40)은 접합 보조 부재(30)의 중공부(33)를 충전하고, 또한, 접합 보조 부재(30)의 표면에 잉여 쌓기(도 2에 있어서, 용접 금속(40)이 접합 보조 부재(30)보다도 상방으로 튀어나온 부분)를 형성하는 것이 바람직하다. 잉여 쌓기를 형성함으로써, 특히 판 두께 방향(3차원 방향)의 외부 응력에 대하여 높은 강도를 얻을 수 있다.

또한, 잉여 쌓기 측과 반대 측의 용해에 대해서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 용접 금속(40)을, 하판(20)의 판 두께를 초과하여 이파가 나오는 상태까지 용입시키는 것이 바람직하다. 용접 금속(40)을 하판(20)에 이파가 나오는 상태까지 용입시키면, 상판(10)과 하판(20)을 높은 강도로 접합할 수 있다.

또한, 용접 시에 이파의 발생을 확인함으로써, 접합 계면의 강도를 추정할 수 있기 때문에, 이파가 나오는 상태까지 용입시키는 것이 바람직하다.

단, 본 실시 형태에 있어서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 반드시 이파가 나오는 상태까지 용입시킬 필요는 없고, 도 11에 도시하는 바와 같이, 하판(20)이 적절하게 용융되어 있으면 된다.

또한, 상판(10) 및 하판(20)의 판 두께에 대해서는, 한정될 필요는 반드시 없지만, 시공 능률과, 겹침 용접으로서의 형상을 고려하면, 상판(10)의 판 두께는, 4.0mm 이하인 것이 바람직하다. 한편, 아크 용접의 입열을 고려하면, 판 두께가 과도하게 얇으면 용접 시에 녹아 떨어져 버려, 용접이 곤란한 점에서, 상판(10), 하판(20) 모두 0.5mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

[이재 용접 조인트]

본 실시 형태에 관한 이재 용접 조인트는, 상기 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 제조되는 것이다. 즉, 본 실시 형태에 관한 이재 용접 조인트는, Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판과, 제1판과 제2판을 접합하는 접합부를 구비한다. 여기서, 「접합부」란, 제1판과 제2판의 접합에 관계되는 부분을 말하고, 「용접부」라고 하는 경우도 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 상판(제1판)(10)은, 하판(제2판)(20)과의 중첩면에 면하는 구멍(11)을 갖는다. 또한, 접합부는, 접합 보조 부재(30)와, 용접 금속(40)을 갖는다. 접합 보조 부재(30)는, 상기 중첩면에 직교하는 방향으로 관통하는 중공부를 갖고, 상판(10)에 마련된 구멍(11)에 삽입되어 있다. 또한, 용접 금속(40)은, 접합 보조 부재(30)의 일부 및 하판(20)의 일부를 포함하고, 접합 보조 부재(30)의 중공부에 충전되어 있다.

또한, 용접 금속(40)은 Ni를 함유함과 함께, 접합 보조 부재(30)를 구성하는 강의 성분과, 하판(20)을 구성하는 초고장력강의 성분을 함유한다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 하판(20)은, 접합부(46)에 인접하는 위치에 열 영향부(45)가 형성된다. 본 발명의 대상으로 하는 하판(20)은, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 것이기 때문에, 열 영향부(45)의 경도는, 하판(20)의 열 영향부(45)를 제외하는 영역의 경도에 비해 높아진다. 즉, 열 영향부(45)의 최대 경도가, 하판(20)의 열 영향부(45)를 제외하는 영역(하판(20)의 모재 부분)의 평균 경도에 비해, 130％ 이상이면, 하판(20)은, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강이라고 판단할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서는, 열 영향부(45)의 최대 경도가, 하판(20)의 모재 부분의 평균 경도에 대하여, 130％ 이상으로 되는 경우에, 큰 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용하여, 용접을 행하기 때문에, 용접 금속(40)은 연질화하여, 그 최대 경도는, 하판(20)의 열 영향부(45)를 제외하는 영역의 평균 경도에 비해 낮아진다. 용접 금속(40)의 최대 경도가, 상기 평균 경도에 비해 50％ 이하이면, 용접 금속(40)이 충분히 연질화하고, 경도의 불균일이 없이 균질한 연질 조직이 되고 있기 때문에, CTS를 보다 한층 향상시킬 수 있다. 따라서, 용접 금속(40)의 최대 경도는, 상기 평균 경도에 비해 50％ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 용접 금속(40)의 최대 경도는, 얻어진 조인트의 단면에 있어서, 하판(20)의 상면(상판(10)과 접하는 면)으로부터 판 두께 방향으로 0.7mm 하방의 위치를 기준으로 하여, 판 두께에 직교하는 방향을 따라, JIS Z 2244: 2009에 준하여 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하고, 용접 금속(40)에 있어서의 최대의 경도를 읽어낸 값이다. 또한, 열 영향부(45)의 최대 경도는, 상기 용접 금속(40)의 최대 경도의 측정 방법과 마찬가지의 방법으로, 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하고, 열 영향부(45)에 있어서의 최대의 경도를 읽어낸 값이다. 또한, 하판(20)의 열 영향부(45)를 제외하는 영역의 평균 경도는, 용접 금속(40)의 중심선 L로부터 판 두께에 직교하는 방향을 따라서 6mm의 위치를 기점으로 하여, 8.1mm의 위치까지의 사이를, 상기 용접 금속(40)의 최대 경도의 측정 방법과 마찬가지의 방법으로, 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하고, 합계 8점의 측정값을 평균한 값이다. 또한, 용접 금속의 최대 경도, 열 영향부의 최대 경도 및 하판의 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도를 측정하는 개소는, 요구되는 개소의 최대 경도 또는 평균 경도가 올바르게 측정할 수 있는 위치이면 되고, 예를 들어 하판(20)의 판 두께의 중앙을 기준으로 하여, 판 두께에 직교하는 방향을 따라서 측정해도 된다.

또한, 하판에 있어서의 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도(하판의 평균 경도)에 대한 열 영향부의 최대 경도(％)는, 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.

((열 영향부의 최대 경도)/(하판의 평균 경도))×100

또한, 하판에 있어서의 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도(하판의 평균 경도)에 대한 용접 금속의 최대 경도(％)는, 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.

((용접 금속의 최대 경도)/(하판의 평균 경도))×100

이렇게 구성된 이재 용접 조인트에 있어서는, 용접 금속(40)이, 본 실시 형태에 관한 용접법에서 사용되는 용접 재료의 주성분인 Ni를 함유하기 때문에, 용접 금속(40)이 연질화하고, 취성적인 파단이 억제되어, 우수한 TSS 및 CTS를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은, 전술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 적절히, 변형, 개량 등이 가능하다.

실시예

<1. 제1 실시예>

이하, 본 실시 형태에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법의 실시예에 대해서, 그 비교예와 비교하여 구체적으로 설명한다. 또한, 제1 실시예에서는, Ni를 함유하지 않는 와이어 I, Ni 함유량이 66.0질량％인 와이어 II, Ni 함유량이 96.3질량％인 와이어 III를 사용하여 아크 스폿 용접을 실시하고, 인장 전단 시험 및 십자 인장 시험에 의해 강도를 측정하였다.

먼저, 스텝 S1로서, 강제의 접합 보조 부재(30)를 제작함과 함께, 상판(제1판)(10)으로서, 판 두께가 2.0mm인 알루미늄 합금판(A6022-T4)을 준비하고, 하판(제2판)(20)으로서, 판 두께가 1.4mm이고, 탄소(C) 함유량이 0.40질량％인 1.5GPa급 초고장력 강판(강판 C)을 준비하여, 인장 전단 시험용 공시재와, 십자 인장 시험용 공시재를 제작하였다.

도 12는, 본 실시예에 있어서 사용한 접합 보조 부재의 사이즈를 도시하는 측면도이다. 또한, 도 13은, 인장 전단 시험용 공시재의 사이즈를 도시하는 상면도이다. 도 14는, 십자 인장 시험용 공시재의 사이즈를 도시하는 상면도이다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 접합 보조 부재(30)는, 연강재를 포함하는 것으로 하고, 삽입부(31)의 직경을 6.9mm, 높이를 1.9mm, 비삽입부(32)의 직경을 11mm, 높이를 1.6mm, 중공부(33)의 직경을 4.9mm로 하였다.

또한, 도 13에 도시하는 바와 같이, 인장 전단 시험용 공시재는, 긴 쪽 방향의 길이를 125mm, 폭을 40mm로 하고, 긴 쪽 방향의 일단부면 및 폭 방향의 단부면으로부터 20mm의 위치에 구멍의 중심이 위치하도록, 구멍(11)을 형성하였다.

또한, 도 14에 도시하는 바와 같이, 십자 인장 시험용 공시재는, 긴 쪽 방향의 길이를 150mm, 폭을 50mm로 하였다. 또한, 긴 쪽 방향의 단부면으로부터 75mm, 폭 방향의 단부면으로부터 25mm의 위치에 구멍의 중심이 위치하도록, 구멍(11)을 형성함과 함께, 긴 쪽 방향의 양단부면 및 폭 방향의 단부면으로부터 25mm의 위치에 구멍의 중심이 위치하도록, 2군데에 볼트 구멍(15)을 형성하였다. 또한, 각 시험용 공시판되고 있는 하판(20)은, 각각 상판(10)과 동일한 사이즈로 했지만, 구멍(11)은 형성하지 않았다.

이어서, 스텝 S2로서, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 상판(10)과 하판(20)을 중첩한 후, 스텝 S3으로서, 도 1c에 도시하는 바와 같이, 접합 보조 부재(30)를 상판(10)의 상면으로부터 구멍(11)에 삽입하였다.

그 후, 스텝 S4로서, 도 1d 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 마그 용접(MAG 용접: Metal Active Gas Welding)에 의해, 일정 시간, 정점에서의 아크 용접을 실시하였다. 이에 의해, 하판(20) 및 접합 보조 부재(30)를 용융시킴과 함께, 용접 와이어(50)를 용융시켜서, 접합 보조 부재(30)의 중공부(33)을 용접 금속(40)으로 충전하고, 상판(10)과 하판(20)이 접합된 이재 용접 조인트(1)를 얻었다. 상세한 용접 조건을 하기 표 1에 나타내고, 사용한 용접 와이어(50)의 화학 조성을 하기 표 2에 나타낸다.

그 후, 이재 용접 조인트(1)에 대하여, JIS Z3136 「저항 스폿 및 프로젝션 용접 조인트의 전단 시험에 대한 시험편 치수 및 시험 방법」 및 JIS Z3137 「저항 스폿 및 프로젝션 용접 조인트의 십자 인장 시험」에 준거하여, 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 측정 결과를 하기 표 3 및 도 15에 나타낸다. 또한, 하기 표 3 및 도 15에 있어서, TSS는 인장 전단 시험에 의해 측정된 인장 강도를 나타내고, CTS는 십자 인장 시험에 의해 측정된 인장 강도를 나타낸다.

상기 표 3 및 도 12에 도시하는 바와 같이, 발명예 No.1 및 2는, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 와이어(특히, Ni 함유량이 50질량％ 초과인 와이어)를 사용하여, 본 발명에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 접합한 것이다. 따라서, 이미 세상에 보급되어 있는 저렴한 아크 용접 설비를 사용할 수 있고, TSS 및 CTS가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 얻을 수 있었다.

한편, Ni를 함유하지 않는 와이어 I를 사용하여, 발명예와 마찬가지의 용접 방법으로 접합한 비교예 No.1은, TSS는 발명예와 동등한 값이었지만, CTS가 현저하게 저하되었다.

<2. 제2 실시예>

다음으로, 제2 실시예로서, Ni 함유량이 서로 다른 여러가지의 와이어(W1 내지 W6)를 사용하여 아크 스폿 용접을 실시하고, 인장 전단 시험 및 십자 인장 시험에 의해 강도를 측정함과 함께, 용접 금속, 열 영향부 및 하판의 경도를 비교하였다. 구체적인 용접 방법 및 시험 방법을 이하에 나타낸다.

인장 전단 시험용 공시재 및 십자 인장 시험용 공시재의 제작 방법 및 공시재의 사이즈는, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 하고, 각 시험용으로 3개씩, 공시재를 제작하였다. 상세한 용접 조건을 하기 표 4에 나타내고, 사용한 용접 와이어의 화학 조성을 하기 표 5에 나타낸다. 단, 하기 표 5에 있어서, 「-」란, 검출 한계값 이하였던 것을 나타내고, 「0.00」이란, 0.005질량％ 미만이었던 것을 나타낸다.

그 후, 제1 실시예와 마찬가지로, 얻어진 이재 용접 조인트의 각 공시재에 대하여 JIS Z3136 「저항 스폿 및 프로젝션 용접 조인트의 전단 시험에 대한 시험편 치수 및 시험 방법」 및 JIS Z3137 「저항 스폿 및 프로젝션 용접 조인트의 십자 인장 시험」에 준거하여, 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 측정 결과를 하기 표 6 및 도 16에 나타낸다. 또한, 하기표 6 및 도 16에 있어서, TSS는 인장 전단 시험에 의해 측정된 인장 강도를 나타내고, CTS는 십자 인장 시험에 의해 측정된 인장 강도를 나타낸다. 또한, 하기 표 6 및 도 16에 나타내는 TSS 및 CTS의 값은, 각각, 3개의 공시재의 평균값이다.

또한, 용접 금속의 최대 경도 및 열 영향부의 최대 경도를 측정하고, 하판의 평균 경도에 대한 경도비를 산출하였다.

먼저, 얻어진 조인트(공시재)의 단면에 있어서, 하판의 상면(상판과 접하는 면)으로부터 판 두께 방향으로 0.7mm 하방의 위치를 기준으로 하여, 판 두께에 직교하는 방향을 따라, JIS Z 2244: 2009에 준하여 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하였다. 그리고, 용접 금속에 있어서의 최대의 경도를 읽어내고, 용접 금속의 최대 경도로 하였다. 또한 용접 금속의 최대 경도의 측정 방법과 마찬가지의 방법으로, 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하고, 열 영향부에 있어서의 최대의 경도를 읽어내고, 열 영향부의 최대 경도로 하였다. 또한, 용접 금속의 중심선으로부터 판 두께에 직교하는 방향을 따라서 6mm의 위치를 기점으로 하여, 8.1mm의 위치까지의 사이를, 0.3mm 피치로 비커스 경도를 측정하고, 합계 8점의 측정값을 평균하여, 하판의 평균 경도(하판의 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도)로 하였다.

또한, 표 6 중의 하판 평균 경도에 대한 용접 금속의 최대 경도(％)는, 이하의 식에 의해 산출하였다.

((용접 금속의 최대 경도)/(하판의 평균 경도))×100

또한, 표 6 중의 하판 평균 경도에 대한 열 영향부의 최대 경도(％)는, 이하의 식에 의해 산출하였다.

((열 영향부의 최대 경도)/(하판의 평균 경도))×100

상기 표 6 및 도 16에 나타내는 바와 같이, 발명예 No.3 내지 6은, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 와이어(용접 재료) W3 내지 W6을 사용하여, 본 발명에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법에 의해 접합한 것이다. 따라서, 저렴한 아크 용접 설비를 사용할 수 있고, TSS 및 CTS가 모두 우수한 이재 용접 조인트를 얻을 수 있었다. 특히, 발명예 No.3 및 4는, 발명예 No.5 및 6과 비교하여 Ni 함유량이 낮은 SUS 와이어를 사용하고 있기 때문에, 와이어에 관한 비용도 저하되었다.

또한, 발명예 No.3 내지 6 그리고 비교예 No.1 및 2는, 모두, 하판으로서, 1500MPa급 중고 탄소 고장력 강판을 사용하고 있기 때문에, 열 영향부의 최대 경도는, 650HV 이상이 되고, 하판 평균 경도에 대한 열 영향부의 최대 경도는 130％ 이상이 되었다. 또한, 발명예 No.3 내지 6은, Ni를 13질량％ 이상 함유하는 와이어(용접 재료)를 사용했기 때문에, 용접 금속의 최대 경도는, 하판의 평균 경도에 비해 50％ 이하로 되고, 비교예 No.2 및 3과 비교하여, 낮은 것이 되었다. 따라서, 발명예 No.3 내지 6의 TSS 및 CTS는, 비교예와 비교하여 우수한 결과가 되었다고 생각된다.

한편, Ni 함유량이 0.01질량％인 와이어 W1을 사용하여, 발명예와 마찬가지인 용접 방법으로 접합한 비교예 No.2는, TSS는 발명예와 동등한 값이었지만, CTS가 현저하게 저하되었다. 또한, 와이어 W2를 사용하여, 발명예와 마찬가지인 용접 방법으로 접합한 비교예 No.3은, Ni 함유량은 와이어 W1을 사용한 경우와 비교하여 높았지만, 용접 금속의 조직이 불균일해지고, 비교예 No.2와 비교하여, TSS 및 CTS가 저하되었다고 생각된다.

<3. 참고예>

다음으로, 참고예로서, 인장 강도가 약 0.6GPa이고, 탄소(C) 함유량이 0.06질량％인 강판 A 및 인장 강도가 약 1.0GPa이고, 탄소(C) 함유량이 0.09질량％인 강판 B를 하판(20)으로서 사용하고, 상기 제1 실시예의 와이어 I 및 와이어 III를 사용하여, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 하여 상판(10)과 하판(20)을 접합하고, TSS 및 CTS를 측정하였다.

또한, 본 참고예에 있어서는, 강판 A로서, GA(합금화 용융 아연 도금: Galvannealed Steel) 590DP(Dual Phase)를 사용하고, 강판 B로서, GA980DP를 사용하였다.

사용한 와이어 I, 와이어 III의 화학 조성은 상기 표 2에 나타낸 대로이다. 또한, 강판 A를 사용한 경우의, 와이어의 종류와 조인트의 강도의 관계를 도 17에 그래프로 나타내고, 강판 B를 사용한 경우의, 와이어의 종류와 조인트의 강도의 관계를 도 18에 그래프로 나타낸다.

도 17에 도시하는 바와 같이, 0.6GPa급의 강판 A를 사용한 경우에, Ni를 함유하지 않는 와이어 I와, Ni를 96.3질량％ 함유하는 와이어 III 사이에 큰 차이는 없고, 모두 양호한 TSS 및 CTS를 얻을 수 있었다.

또한, 도 18에 도시하는 바와 같이, 1.0GPa급의 강판 B를 사용한 경우에 있어서도, 와이어 I와 와이어 III 사이에 큰 차이는 없고, 모두 양호한 TSS 및 CTS를 얻을 수 있었다.

이러한 점에서, 하판으로서, 인장 강도가 1180MPa 미만인 강재를 사용한 경우에 있어서는, 용접 재료의 Ni 함유량에 관계없이, 양호한 인장 강도를 얻을 수는 있는 것이 나타났다. 즉, 인장 강도가 1180MPa 미만인 강판을 하판으로서 사용하는 경우에는, 용접 재료로서, 소정의 Ni양을 함유하는 와이어를 사용할 필요는 없는 것을 알 수 있다.

그러나, 하판으로서, 인장 강도가 1180MPa 이상인 강판을 사용한 경우에는, Ni를 함유하지 않는 와이어로 용접을 실시하면, CTS가 현저하게 저하되기 때문에, CTS의 저하를 방지할 수 있는 본 발명에 관한 이재 접합용 아크 스폿 용접법이 극히 유효한 것이 나타났다.

이상, 도면을 참조하면서 각종 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지는 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다. 또한, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 실시 형태에 있어서의 각 구성 요소를 임의로 조합해도 된다.

또한, 본 출원은, 2021년 3월 5일 출원의 일본 특허 출원(특원 제2021-035718) 및 2022년 1월 14일 출원의 일본 특허 출원(특원 제2022-004685)에 기초하는 것이고, 그 내용은 본 출원 중에 참조로서 원용된다.

1: 이재 용접 조인트
10: 상판(제1판)
11: 구멍
20: 하판(제2판)
30: 접합 보조 부재
31: 삽입부
32: 비삽입부
33: 중공부
40: 용접 금속
41: 계면부(본드)
45: HAZ
50: 용접 와이어(용접 재료)

Claims (8)

1. Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판을 접합하는 이재 접합용 아크 스폿 용접법이며,
   상기 제1판에 구멍을 내는 공정과,
   상기 제1판과 상기 제2판을 중첩하는 공정과,
   상기 제1판 및 상기 제2판의 판 두께 방향으로 관통하는 중공부가 형성된 강제의 접합 보조 부재를, 상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입하는 공정과,
   Ni를 13질량％ 이상 함유하는 용접 재료를 사용하여, 상기 접합 보조 부재를 통해 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정을 구비하고,
   상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정은, 상기 제2판 및 상기 접합 보조 부재를 용융시킴과 함께 상기 용접 재료를 용융시켜, 상기 접합 보조 부재의 중공부를 용접 금속으로 충전하는 공정인 이재 접합용 아크 스폿 용접법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정에 있어서, 상기 용접 금속을 상기 제2판에 이파가 나오는 상태까지 용입시키는, 이재 접합용 아크 스폿 용접법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합 보조 부재는, 삽입부와 비삽입부를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고, 상기 중공부는 상기 삽입부 및 상기 비삽입부를 관통하도록 형성되어 있는, 이재 접합용 아크 스폿 용접법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정은, 이하의 (a) 내지 (e)의 어느 것의 용접법을 사용하는, 이재 접합용 아크 스폿 용접법.
   (a) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 가스 실드 아크 용접법.
   (b) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 논가스 아크 용접법.
   (c) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접법.
   (d) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 플라스마 아크 용접법.
   (e) 상기 용접 재료를 용극식의 용접봉으로서 사용하는 피복 아크 용접법.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 공정은, 이하의 (a) 내지 (e)의 어느 것의 용접법을 사용하는, 이재 접합용 아크 스폿 용접법.
   (a) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 가스 실드 아크 용접법.
   (b) 상기 용접 재료를 용극식의 와이어로서 사용하는 논가스 아크 용접법.
   (c) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접법.
   (d) 상기 용접 재료를 비용극식의 필러로서 사용하는 플라스마 아크 용접법.
   (e) 상기 용접 재료를 용극식의 용접봉으로서 사용하는 피복 아크 용접법.
6. Al계 재료 또는 Mg계 재료를 포함하는 제1판과, 인장 강도가 1180MPa 이상인 초고장력강을 포함하는 제2판과, 상기 제1판과 상기 제2판을 접합하는 접합부를 구비하는 이재 용접 조인트이며,
   상기 제1판은, 상기 제2판과의 중첩면에 면하는 구멍을 갖고,
   상기 접합부는,
   상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입되어, 상기 중첩면에 직교하는 방향으로 관통하는 중공부를 갖는 강제의 접합 보조 부재와,
   상기 접합 보조 부재의 일부 및 상기 제2판의 일부를 포함하고, 상기 접합 보조 부재의 중공부에 충전된 용접 금속을 갖고,
   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 이재 접합용 아크 스폿 용접법으로 접합된 이재 용접 조인트.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2판은, 상기 접합부에 인접하는 위치에 열 영향부를 갖고,
   상기 열 영향부의 최대 경도는, 상기 제2판에 있어서의 상기 열 영향부를 제외하는 영역의 평균 경도에 대하여 130％ 이상이고,
   상기 용접 금속의 최대 경도는, 상기 평균 경도에 대하여 50％ 이하인, 이재 용접 조인트.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 접합 보조 부재는, 삽입부와 비삽입부를 가진 단차 구비의 외형 형상을 갖고, 상기 삽입부가 상기 제1판에 마련된 구멍에 삽입되어 있는, 이재 용접 조인트.

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