KR20230154325A

KR20230154325A - 아크 용접 이음매 및 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR20230154325A
Application number: KR1020237035560A
Authority: KR
Inventors: 교헤이 고니시; 히로시 마츠다; 고이치 다니구치
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-11-07
Also published as: JP7364087B2; CN117177830A; WO2022230903A1; JPWO2022230903A1; EP4306253A1

Abstract

아크 용접 이음매 및 아크 용접 방법을 제공한다. 본 발명의 아크 용접 이음매는, 적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접된 용접부에 있어서의 플랭크각 θ 이 θ ≥ 100°이고, 또한 용접부의 비드 지단부로부터 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 비드 지단부로부터 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 비드 지단부 표면적을 S_TOE및 슬래그 표면적을 S_SLAG로 했을 때, S_RATIO = 100×S_SLAG/S_TOE로 산출되는 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 이 50 ％ 이하이다.

Description

아크 용접 이음매 및 아크 용접 방법

본 발명은, 자동차용 부재 등에 적합한 피로 특성이 우수한 아크 용접 이음매 및 그것을 얻기 위한 아크 용접 방법에 관한 것이다.

최근 자동차에 대하여, 차체의 안전성 및 신뢰성의 향상을 목적으로 한, 자동차에 채용되는 다양한 부재의 고강도화 및 고강성화와, 연비 개선을 목적으로 한 부재의 경량화를 양립시키는 요구가 높아지고 있다. 이로써, 고강도 강판의 적용에 의한 부재 강판의 박육화가 진행되고 있다.

용접 이음매의 제조 방법으로는, 2 장의 강판을 중첩한 상태에서 필릿 아크 용접을 실시하는 겹치기 필릿 아크 용접법이 널리 적용되고 있다. 자동차에 채용되는 여러 가지 부재는, 반복 하중을 수반하는 환경에서 사용되기 때문에, 정적인 인장 강도 외에, 충분한 피로 강도의 담보가 요구된다. 특히 부식 환경하에서 사용되는 부재에서는, 시간 경과에 따라서 부식 영역이 확대됨과 함께, 부식이 판두께 방향으로도 진행됨으로써 용접 이음매의 용접부와 그 근방에 있어서의 판두께가 감소하기 때문에, 부재 강도의 확보가 곤란해진다.

부재의 피로 강도를 개선하는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1 을 들 수 있다. 특허문헌 1 에는, 용접 금속의 용접 지단부 (止端部) 형상을 평활화하기 위해서 용접시에 특정한 성분 조성을 갖는 용접 와이어를 사용하고, 이것에 의해, 모재 강판에 대한 용융 금속의 습성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허공보 제3860438호

그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 기술에서는, 용접 와이어의 와이어 조성을 조정할 필요가 있기 때문에, 다종 다양한 강판의 모두에 이 기술을 적용할 수 있다고는 말하기 어렵다.

또한, 용접 슬래그의 성분인 첨가 합금 원소가 와이어 조성에 많이 함유되는 경우에는, 용접 슬래그의 부착에 의해 전착 도장이 저해되어, 발청 (녹 발생) 의 억제가 곤란해진다. 그 결과, 부식에 의한 판두께의 감소가 현저해지고, 용접 지단부 형상이 악화되어, 피로 강도의 대폭적인 감소가 야기되는 것으로 생각된다.

본 발명은 이들 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 발청을 억제할 수 있고, 부식이 진행되는 환경하에 있어서도 우수한 피로 특성을 갖는 아크 용접 이음매, 및 그것을 얻기 위한 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해, 강으로 만든 부재의 용접부에 있어서의 발청을 억제하고, 또한 부식이 진행되는 환경하에 있어서도 용접부의 피로 특성을 향상시키는 수법에 대해, 예의 연구를 거듭하였다.

본 발명자들은, 용접부의 용접 지단부에 있어서의 플랭크각을 규정함으로써, 용접부의 응력 집중을 저감시키고, 피로 특성 (피로 강도) 의 향상이 가능해지는 지견을 얻었다. 또한, 용접부, 특히 용접 지단부에 부착되는 용접 슬래그 (이하, 「슬래그」라고 부르는 경우도 있다) 를 저감함으로써, 발청을 억제할 수 있고, 부식에 의한 피로 강도 저하를 억제할 수 있다고 생각하였다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하고 추가로 검토를 거듭하여 완성된 것으로서, 그 요지는 이하와 같다.

[1] 적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접된 용접부에 있어서의 플랭크각 θ (°) 이 θ ≥ 100°이고,

또한, 상기 용접부의 비드 지단부로부터 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 상기 비드 지단부로부터 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 용접 비드의 표면적을 비드 지단부 표면적 S_TOE (mm²), 상기 비드 지단부 표면적 S_TOE중 슬래그로 덮인 영역의 면적을 슬래그 표면적 S_SLAG (mm²) 으로 했을 때, (1) 식으로 산출되는 슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) 이 50 ％ 이하인, 아크 용접 이음매.

S_RATIO = 100×S_SLAG/S_TOE … (1)

[2] 상기 용접 비드의 비드 시종단으로부터 각각 15 mm 까지의 영역을 제외한 상기 용접부에 있어서의 플랭크각의 최대값을 θmax (°), 최소값을 θmin (°) 으로 했을 때, 상기 플랭크각의 최대값 및 최소값이, θmax－θmin ≤ 30°의 관계를 만족하는, [1] 에 기재된 아크 용접 이음매.

[3] [1] 또는 [2] 에 기재된 아크 용접 이음매의 아크 용접 방법으로서,

적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접하여 용접부를 형성함에 있어서,

Ar 가스 및 산화성 가스로 이루어지며, 또한 상기 산화성 가스가 (2) 식의 관계를 만족하는 실드 가스를 사용하고,

평균 용접 전류를 I (A), 평균 아크 전압을 V (V), 용접 속도를 s (cm/min), 상기 실드 가스에 있어서의 (2) 식의 (2×[O₂]＋[CO₂]) 의 값을 Y 로 했을 때, 이들 I, V, s 및 Y 가 (3) 식의 관계를 만족하는, 아크 용접 방법.

2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 16 … (2)

50 ≤ (I×V)/s×(24＋Y)/24 ≤ 200 … (3)

단, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂ 의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.

[4] 상기 실드 가스는, (4) 식의 관계를 만족하고,

상기 아크 용접에서는, 상기 강판과 용접 와이어가 단속적으로 단락되고,

상기 단락의 평균 단락 주파수 F_AVE (Hz) 가 20 ∼ 300 Hz 이며, 또한 상기 단락의 최대 단락 주기 T_CYC (s) 가 1.5 s 이하인, [3] 에 기재된 아크 용접 방법.

2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 5 … (4)

[5] 상기 아크 용접에서는 용접 전류로서 펄스 전류를 사용하고,

상기 펄스 전류의 피크 전류를 I_PEAK(A), 베이스 전류를 I_BASE (A), 피크 기간을 t_PEAK (ms), 상승 기간을 t_UP (ms), 하강 기간을 t_DOWN (ms), 및 상기 강판과 콘택트 팁의 거리를 L (mm) 로 했을 때, (5) 식으로 산출되는 X (A·s/m) 의 값이 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하는, [3] 또는 [4] 에 기재된 아크 용접 방법.

X = (I_PEAK×t_PEAK/L)＋(I_PEAK＋I_BASE)×(t_UP＋t_DOWN)/(2×L) … (5)

[6] 상기 아크 용접에서는, 용접 와이어로서 솔리드 와이어를 사용하는, [3] ∼ [5] 중 어느 하나에 기재된 아크 용접 방법.

본 발명에 의하면, 용접 지단부에 있어서의 플랭크각을 규정하는 것에 의해 용접부의 응력 집중을 저감하고, 또한, 용접부의 슬래그 부착량을 저감함으로써 발청을 억제한다. 이로써, 부식이 진행되는 환경하에 있어서도 안정적으로 우수한 피로 특성을 갖는 아크 용접 이음매를 얻을 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 이 용접 이음매를 얻는 아크 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은, 본 발명을 겹치기 필릿 용접에 적용하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2(A) 및 도 2(B) 는, 도 1 중의 용접 와이어와 그 부근을 확대하여 나타내는 단면도이고, 단락 이행의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 3 은, 도 1 의 겹치기 필릿 용접으로 형성되는 용접 비드의 용접 지단부 및 용접 비드의 시종단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4(A) 및 도 4(B) 는, 본 발명의 아크 용접 이음매에 있어서의 용접부를 모식적으로 나타내는 개략도이다.
도 5 는, 도 4(A) 에 나타내는 아크 용접 이음매의 A-A 선 단면도이고, 용접 지단부 및 그 주변을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은, 용접 전류로서 공급하는 펄스 전류 파형의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 플랭크각과 부식 후의 피로 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1 ∼ 7 을 참조하여, 본 발명의 아크 용접 이음매 및 아크 용접 방법에 대해 설명한다. 여기서는, 일례로서, 본 발명을 겹치기 필릿 용접에 적용하는 실시형태에 대해 설명한다. 단, 본 발명은 겹치기 필릿 용접에 한정되지 않고, 다양한 용접 기술 (예를 들어 맞대기 용접 등) 에도 적용할 수 있다.

먼저, 도 1 ∼ 도 3 을 참조하여, 본 발명의 기술 사상에 대해 설명한다. 도 1 ∼ 도 3 에는, 2 장의 강판을 아크 용접에 의해 겹치기 필릿 용접하는 일례를 나타낸다.

본 발명에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 용접 토치 (2) 의 중심부를 지나 용접 토치 (2) 로부터 강판 (3) 으로 연속적으로 송급되는 용접 와이어 (1) 와 강판 (3) 을 전극으로 하고, 용접 전원 (도시 생략) 으로부터 용접 전압이 인가된다. 상기한 「용접 토치 (2) 로부터 강판 (3) 으로」란, 상세하게는 「용접 토치 (2) 로부터, 모재인 강판 (3) 을 2 장 중첩하여 형성한 단차의 모서리부 (4) 로 이루어지는 용접선으로」라는 것을 가리킨다. 용접 토치 (2) 내로부터 공급되는 실드 가스 (도시 생략) 의 일부가 전리되어, 플라즈마화함으로써, 용접 와이어 (1) 와 강판 (3) 의 사이에 아크 (5) 가 형성된다. 또한, 실드 가스 중, 전리를 일으키지 않고 용접 토치 (2) 로부터 강판 (3) 으로 흐르는 부분은, 아크 (5) 및 강판 (3) 이 용융되어 형성되는 용융지 (도 1 에서는 도시 생략) 를 외기로부터 차단하는 역할을 갖는다. 아크 (5) 의 열 에너지에 의해, 용접 와이어 (1) 의 선단부가 용융되어 용적 (溶滴) 이 되고, 그 용적이, 전자력이나 중력 등에 의해 용융지로 수송된다. 이 현상이, 용접 토치 (2) 또는 강판 (3) 의 이동에 수반하여 연속적으로 발생함으로써, 용접선의 후방에서는 용융지가 응고되어, 용접 비드 (6) 가 형성된다. 이것에 의해, 2 장의 강판의 접합이 달성된다.

이와 같이 접합된 아크 용접 이음매에서는, 용접부의 플랭크각 (도 5 를 참조) 이 작은 경우, 용접 비드가 볼록 형상이 되기 때문에, 용접 지단부에 있어서의 응력 집중이 증가하는 문제가 있다. 이 문제를 해소하기 위해, 본 발명에서는, 용접부의 용접 지단부에 있어서의 플랭크각이 소정의 범위가 되도록 규정한다. 구체적으로는, 플랭크각을 100°이상으로 함으로써, 용접부의 응력 집중을 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 용접부의 플랭크각의 편차가 큰 경우, 플랭크각이 최소가 되는 위치에 있어서 국소적으로 큰 응력 집중이 발생하는 문제가 있다. 이 문제를 해소하기 위해서, 본 발명에서는, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단부 (10) (도 3 을 참조) 를 제외한 영역에 있어서, 상기 규정을 만족하며, 또한 플랭크각의 최대값과 최소값의 차를 30°이하로 한다. 이것에 의해, 용접 비드의 폭 방향의 응력 집중을 한층 더 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

즉, 본 발명에서는, 이와 같이 용접부의 용접 지단부에 있어서의 플랭크각을 규정함으로써 용접부의 응력 집중을 저감시키고, 그 결과, 용접부의 피로 특성 (피로 강도) 을 향상시킬 수 있음을 알아내었다.

또한 본 발명에서는, 상기 서술한 바와 같이, 부식이 진행되는 환경하에 있어서도 피로 특성을 향상시키는 관점에서, 용접부에 있어서의 발청을 억제하는 것에도 주목하였다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 2 장의 강판 (3) 을 중첩하고, 아크 용접으로 겹치기 필릿 용접을 실시할 때, 실드 가스에 혼입되는 O₂또는 CO₂가 아크 (5) 에 의해 가열되어, (6) 식 또는 (7) 식에 나타내는 반응이 진행된다.

O₂→ 2[O] … (6)

CO₂→ CO＋[O] … (7)

이와 같은 분해 반응으로 생성된 산소는, 용융 메탈 (7) 이나 용융지 (8) 에 용해 (도 2(A) 및 도 2(B) 를 참조) 되고, 냉각되어 용접 금속으로서 응고될 때에, 기포가 되어 용접 금속 내에 잔류한다. 또한, 산소와 철의 산화 반응이 진행되어, 용접 금속의 기계적 성능을 열화시키는 경우가 있다.

이 문제를 해소하기 위해서, 용접 와이어 (1) 나 강판 (3) 에 Si, Mn, Ti 등의 비철 원소를 탈산제로서 첨가한 것이 사용된다. 즉, (6) 식 또는 (7) 식의 반응에서 생성된 산소를 SiO₂, MnO, TiO₂등으로 이루어지는 슬래그로서 배출함으로써, 산소와 철의 반응을 억제한다.

그러나, 용융지 (8) 의 표면에 배출된 슬래그는, 그 후의 냉각 과정에 있어서 응집되어, 용접 비드 (6) 의 표면과 비드 지단부 (9) (도 3 을 참조) 에 부착되어 응고된다. 이와 같이 하여 비드 지단부 (9) 에 슬래그가 부착된 아크 용접 이음매에서는, 화성 처리 (예를 들어 인산 아연 처리 등) 를 실시해도, 절연체인 슬래그 영역에 있어서 인산 아연 결정으로 이루어지는 화성 처리층이 형성되지 않는다. 그리고, 화성 처리층으로 덮이지 않은 영역에서는, 전착 도장을 실시해도 도막의 형성이 불충분해지거나, 도막의 밀착성이 불충분해지기 때문에, 내식성이 현저하게 저하된다. 그 결과, 발청과 부식의 진전에서 기인하는 판두께의 감소를 야기한다. 따라서, 탈산제를 첨가한 용접 와이어 (1) 나 강판 (3) 을 사용하여, 용접 금속의 기계적 성능의 열화를 방지하면서, 슬래그의 생성을 억제할 필요가 있다.

구체적으로는, 용접 금속의 기계적 성능을 확보하기 위한 첨가 원소는 저감시키지 않고, 상기한 슬래그 생성 반응 (산화 반응) 을 억제하기 위해, 실드 가스에 포함되는 산화성 가스를 규정한다. 슬래그 생성 반응을 억제함으로써, 전착 도장에 있어서의 도막 불량이 저감되고, 이것에 의해 내식성이 향상됨으로써, 부식 환경하에서도 발청과 부식의 진전을 방지할 수 있다.

즉 본 발명에서는, 이와 같이 실드 가스에 포함되는 산화성 가스를 규정함으로써 O₂나 CO₂의 혼입량을 저감시키고, 그 결과, 용접부, 특히 용접 지단부에 부착되는 슬래그의 생성을 억제한다. 이것에 의해, 발청을 억제할 수 있고, 부식으로 인한 피로 강도 저하를 억제할 수 있는 것을 알아내었다.

여기서, 도 3 을 이용하여, 용접 비드 (6) 에 있어서의 비드 지단부 (9) 및 비드 시종단부 (10) 를 설명한다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 있어서 「비드 시종단부」란, 비드 시단부와 비드 종단부를 각각 포함하는 영역을 가리킨다. 「비드 시단부」란, 비드 시단 (용접 개시 위치) 으로부터 용접선 상에서 비드 종단 (용접 종료 위치) 방향으로 15 mm 까지의 영역이고, 「비드 종단부」란, 비드 종단으로부터 용접선 상에서 비드 시단 방향으로 15 mm 까지의 영역이다. 또한, 본 발명에 있어서 「비드 지단부」란, 용접 비드의 용접선에 수직인 방향의 용접 금속과 미용융 모재 강판과의 경계를 가리킨다. 「용접선」이란, 용접 비드 (6) 의 용접 방향에 평행한 선을 가리킨다. 또한, 「용접 비드의 폭 (비드폭)」이란, 용접 비드 (6) 의 용접선에 수직인 면과 비드 지단부의 교점 (2 개의 교점) 을 연결하는 직선의 길이를 가리킨다.

다음으로, 도 4(A) ∼ 도 5 를 참조하여, 본 발명의 아크 용접 이음매에 대해 설명한다.

도 4(A) 에는, 도 1 의 겹치기 필릿 용접으로 형성되는 아크 용접 이음매의 용접 비드 (6) 의 사시도를 나타내고, 도 4(B) 에는 당해 아크 용접 이음매의 평면도를 나타낸다. 도 5 에는, 도 4(A) 에 나타내는 아크 용접 이음매의 A-A 선 단면을 정면에서 본 일부 확대도를 나타낸다.

본 발명의 아크 용접 이음매는, 상기 서술한 바와 같이, 적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접된 아크 용접 이음매이다. 이 아크 용접 이음매는, 용접부에 있어서의 플랭크각 θ (°) 이 θ ≥ 100°이고, 또한, 그 용접부의 비드 지단부로부터 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 그 비드 지단부로부터 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 용접 비드의 표면적을 비드 지단부 표면적 S_TOE (mm²), 그 비드 지단부 표면적 S_TOE 중 슬래그로 덮인 영역의 면적을 슬래그 표면적 S_SLAG (mm²) 으로 했을 때, (1) 식으로 산출되는 슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) 이 50 ％ 이하이다.

S_RATIO = 100×S_SLAG/S_TOE … (1)

용접부에 있어서의 플랭크각 θ (°) : θ ≥ 100°

도 5 에는 비드 지단부 (9) 및 그 주변의 개략도를 나타내고 있고, 도 5 중의 각도 θ (°) 가, 비드 지단부 (9) 의 플랭크각이다. 플랭크각 θ (°) 이 100°미만인 경우, 용접 비드 (6) 가 볼록 형상이 되기 때문에, 비드 지단부 (9) 에 있어서의 응력 집중이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 플랭크각 θ (°) 을 100°이상으로 한다. 플랭크각 θ 이 커지면 비드 지단부 (9) 는 평활하게 되어, 용접부의 응력 집중을 저감할 수 있기 때문에, 바람직하게는 110°이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 120°이상으로 한다. 용접 비드의 폭의 과잉 확대를 방지하는 관점에서, 플랭크각 θ 은, 바람직하게는 160°이하로 하고, 보다 바람직하게는 150°이하로 하고, 더욱 바람직하게는 140°이하로 한다.

또한, 플랭크각 θ 은, 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.

슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) : 50 ％ 이하

도 4(A), 도 4(B) 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 용접부의 비드 지단부 (9) 를 포함하는 소정 영역의 표면적을 비드 지단부 표면적 S_TOE (mm²) 으로 하고, 비드 지단부 표면적 S_TOE 중 슬래그 (11) 로 덮인 영역의 면적을 슬래그 표면적 S_SLAG (mm²) 으로 했을 때, (1) 식으로 산출되는 슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) 이 50 ％ 이하이다. 용접시에 생성되는 슬래그 (11) 가 그 슬래그 피복 면적률 50 ％ 를 초과하여 용접 비드 (6) 의 표면에 부착되면, 아크 용접 이음매를 화성 처리를 적용시켜도, 화성 처리층이 충분히 형성되지 않는다. 슬래그의 생성량이 감소하면 용접 비드 (6) 의 표면에 있어서의 슬래그의 응집이 억제된다. 그 때문에, 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 은, 바람직하게는 45 ％ 이하로 하고, 보다 바람직하게는 40 ％ 이하로 한다.

상기한 「비드 지단부 표면적 S_TOE」이란, 도 4(A) 및 도 4(B) 에 나타내는 바와 같이, 용접부의 비드 지단부 (9) 로부터 용접선에 대하여 수직인 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 비드 지단부 (9) 로부터 용접선에 대하여 수직인 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 용접 비드 (6) 의 표면적을 가리킨다. 즉, 도 4(A) 및 도 4(B) 에 나타내는 예에서는, 비드 지단부 (9) 를 중심으로 한 4.0 mm 의 영역에 있어서의 용접 비드 (6) 의 표면적이 된다. 또한, 「슬래그 표면적 S_SLAG」이란, 도 4(A) 및 도 4(B) 에 나타내는 바와 같이, 비드 지단부 표면적 S_TOE을 구한 영역 내에 있어서, 슬래그 (11) 로 덮인 영역의 면적의 합계를 가리킨다. 비드 지단부 표면적 S_TOE및 슬래그 표면적 S_SLAG은, 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 구할 수 있다.

한편, 비도전성인 슬래그의 생성량이 저하될수록, 화성 처리성 및 전착 도장성이 양호해지기 때문에, 슬래그 피복 면적률 S_RATIO은 작을수록 바람직하므로, 그 하한은 특별히 규정하지 않는다. 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 은 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5 ％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 1.0 ％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이, 용접부에 있어서의 플랭크각 θ 및 슬래그 피복 면적률 S_RATIO을 상기한 범위 내로 함으로써, 상기 서술한 효과가 얻어진다. 도 7 에는, 플랭크각과 부식 후의 피로 강도의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 상세한 것은 후술하지만, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 플랭크각 및 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 을 적절하게 제어함으로써, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 용접부의 플랭크각의 편차가 큰 경우, 플랭크각이 최소가 되는 위치에 있어서 국소적으로 큰 응력 집중이 발생하는 문제가 있기 때문에, 상기 구성에 더하여, 용접 비드 (6) 의 형상을 안정시키는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명에서는, 도 4(A) 및 도 4(B) 에 나타내는 바와 같이, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단으로부터 각각 15 mm 의 영역 (비드 시종단부 (10)) 을 제외한 용접부에 있어서의 플랭크각 θ 의 편차를, 이하와 같이 작게 하는 것이 바람직하다.

플랭크각 θ 의 최대값 및 플랭크각 θ 의 최소값의 차 (적합 조건)

비드 시종단부 (10) 를 제외한 용접부의 영역에 있어서의, 용접 비드 (6) 의 용접 방향에 평행한 선 (용접선) 에 수직인 면 내의 플랭크각의 최대값을 θmax (°) 로 하고, 플랭크각의 최소값을 θmin (°) 으로 했을 때, 그 플랭크각의 최대값 및 최소값이, θmax－θmin ≤ 30°의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 용접 비드의 플랭크각의 편차를 작게 함 (즉 θmax 와 θmin 의 차를 작게 함) 으로써, 용접 비드 (6) 의 형상이 안정된다. 그 결과, 국소적인 응력 집중이 완화된다. 이 때문에, 플랭크각의 최대값 및 최소값의 차 (θmax－θmin) 는, 바람직하게는 25°이하로 하고, 보다 바람직하게는 20°이하로 한다.

상기한 플랭크각의 최대값 및 최소값의 차의 하한은, 특별히 규정하지 않는다. (θmax－θmin) 은, 바람직하게는 0.1°이상으로 하고, 보다 바람직하게는 0.2°이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 0.5°이상으로 한다.

또한, 본 발명의 아크 용접 이음매에 사용하는 강판은, 인장 강도가 440 MPa 이상인 고강도의 강판인 것이 바람직하다. 바람직하게는 500 MPa 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는 900 MPa 이상으로 한다.

다음으로, 본 발명의 아크 용접 이음매를 제조하기 위한 아크 용접 방법의 일 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 아크 용접에 대해서는 도 1 을 사용하여 이미 기술하고 있기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다.

본 발명에서는, 아크 용접 이음매에 있어서의 플랭크각 θ (°) 및 슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) 를 상기한 범위 내로 하기 위해서, 아크 용접의 용접 조건을 이하와 같이 제어하는 것이 중요하다.

본 발명의 아크 용접에서는, 실드 가스로서, Ar 가스 및 산화성 가스로 이루어지는 실드 가스를 사용하며, 또한 그 산화성 가스는 (2) 식의 관계를 만족한다.

2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 16 … (2)

여기서, (2) 식에 있어서, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂ 의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.

이 조건에 추가하여, 그 아크 용접은, 평균 용접 전류를 I (A), 평균 아크 전압을 V (V), 용접 속도를 s (cm/min), 실드 가스에 있어서의 (2) 식의 (2×[O₂]＋[CO₂]) 의 값을 Y 로 했을 때, 이들 I, V, s 및 Y 가 (3) 식의 관계를 만족하도록 제어한다.

50 ≤ (I×V)/s×(24＋Y)/24 ≤ 200 … (3)

여기서, (3) 식의 실드 가스를 나타내는 Y 에 있어서, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.

(3) 식의 중앙의 값 (즉, ((I×V)/s×(24＋Y)/24) 로 산출되는 값) 이 50 미만인 경우, 입열량이 작기 때문에, 용접부의 냉각 속도가 커진다. 그 결과, 용접 비드는 비드폭이 가늘고, 볼록 형상이 된다. 따라서, (3) 식의 중앙의 값은 50 이상으로 한다. 입열량 확보의 관점에서, (3) 식의 중앙의 값은, 바람직하게는 60 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 75 이상으로 한다.

한편, (3) 식의 중앙의 값이 200 을 초과하는 경우, 입열량이 과다해진다. 그 결과, 용락 (溶落) 이 발생하거나, 용착량의 증가에 의해 용접 비드는 볼록 형상이 되는 경우가 있다. 따라서, (3) 식의 중앙의 값은 200 이하로 한다. (3) 식의 중앙의 값은, 바람직하게는 190 이하로 하고, 보다 바람직하게는 180 이하로 하고, 더욱 바람직하게는 170 이하로 한다.

상기의 「평균 용접 전류 I」및 「평균 아크 전압 V」이란, 각 용접 패스 내에서의 용접 전류의 평균값 및 아크 전압의 평균값을 가리킨다.

또한, 용접 조건의 바람직한 범위로는, 예를 들면, 평균 용접 전류 I : 100 ∼ 300 A, 평균 아크 전압 V : 10 ∼ 30 V, 용접 속도 s : 30 ∼ 150 cm/min 이다. 이 범위로 하는 경우에는, 콘택트 팁과 모재 사이의 거리 (이하, 「CTWD」라고 부른다) : 5 ∼ 30 mm 로 하는 것이 보다 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 평균 용접 전류 I 는 150 A 이상으로 하고, 평균 용접 전류 I 는 260 A 이하로 한다. 더욱 바람직하게는, 평균 아크 전압 V 는 15 V 이상으로 하고, 평균 아크 전압 V 는 28 V 이하로 한다. 더욱 바람직하게는, 용접 속도 s 는 35 cm/min 이상으로 하고, 용접 속도 s 는 130 cm/min 이하로 한다. 더욱 바람직하게는, CTWD 는 8 mm 이상으로 하고, CTWD 는 20 mm 이하로 한다.

역극성으로 아크 용접을 실시함으로써, 용접 와이어 (1) 가 양극이 되고, 강판 (3) 이 음극이 된다 (도 1 을 참조). 그리고, 용접 토치 (2) 의 중심부를 지나 강판 (3) 으로 연속적으로 공급되는 용접 와이어 (1) 로부터 용접 전압이 인가되어, 용접 토치 (2) 내로부터 공급되는 실드 가스의 일부가 전리되어 플라즈마화한다. 이것에 의해, 용접 와이어 (1) 와 강판 (3) 의 사이에 아크 (5) 가 형성된다. 실드 가스의 잔부 (즉 전리되지 않고 용접 토치 (2) 로부터 강판 (3) 으로 흐르는 가스) 는, 아크 (5), 용융 메탈 (7), 용융지 (8) 를 외기로부터 차단한다 (도 2(A) 및 도 2(B) 를 참조). 이로써, 산소의 혼입 (즉 슬래그의 생성) 및 질소의 혼입 (즉 블로우홀의 생성) 을 방지하는 역할을 갖는다.

용접 와이어 (1) 의 선단부는, 아크 (5) 의 열 에너지에 의해 용융되어 용융 메탈 (7) 이 되고, 그 용적이 전자력이나 중력에 의해 용융지 (8) 에 수송된다. 이 때, 용융 메탈 (7) 이 용융지 (8) 로부터 분리된 상태 (도 2(A) 를 참조) 와, 용융 메탈 (7) 이 용융지 (8) 에 접촉하여 전기적으로 단락된 상태 (도 2(B) 를 참조) 를 규칙적으로 반복한다. 그리고, 용접 와이어 (1) 를 용접선의 방향으로 이동시키면서, 이 현상을 연속적으로 발생시킴으로써, 용접선의 후방에서 용융지 (8) 가 응고되어, 용접 비드 (6) 가 형성된다.

실드 가스에 포함되는 산화성 가스를 규정하여, 용융 메탈 (7) 이나 용융지 (8) 에 혼입되는 산소를 저감함으로써, 슬래그의 생성을 방지하는 효과가 얻어진다.

이 효과를 보다 유효하게 얻는 관점에서, 본 발명에서는, 상기 서술한 용접 조건에 있어서의 「실드 가스」를, Ar 가스 및 산화성 가스로 이루어지는 실드 가스로 하며, 또한, 그 산화성 가스는 (2) 식의 관계를 만족하는 것으로 한다. (2) 식의 좌변의 값 (즉, (2×[O₂]＋[CO₂]) 에 의해 산출되는 값) 이 16 을 초과하는 경우, 아크가 긴축함으로써 용접 비드가 볼록 형상으로 되기 쉬워, 용접 지단부의 플랭크각이 커지는 경우가 있다. 따라서, (2) 식의 좌변의 값은 16 이하로 한다. (2) 식의 좌변의 값은, 바람직하게는 10 이하로 하고, 보다 바람직하게는 5 이하로 한다. 또한 (2) 식의 좌변의 값은, 바람직하게는 0.005 이상으로 한다.

본 발명에서는, 100 ％ Ar 가스의 실드 가스로도 상기 서술한 효과를 얻을 수 있다. 이 「100 ％ Ar 가스」의 조건으로서, Ar 순도가 99.99 ％ 이상인 것을 가리키고, 0.01 ％ 미만의 산화성 가스가 불가피하게 포함된다.

본 발명에서는, 이와 같이 아크 용접의 용접 조건을 제어함으로써, 상기한 용접부를 갖는 아크 용접 이음매를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명 효과를 한층 더 유효하게 얻는 관점에서, 상기의 용접 조건에 추가하여, 이하의 용접 조건을 규정해도 된다.

실드 가스에 포함되는 산화성 가스를 저감시킨 아크 용접에서는, 슬래그의 생성량을 감소시키는 것이 가능하다. 한편, 음극점이 심하게 변동되기 때문에, 용접 비드 (6) 가 사행하기 쉽거나, 혹은 웨이브 형상이 되기 쉽다는 결점이 있다.

이 결점을 해소하기 위해서, 본 발명에서는, 실드 가스 조건으로서 나타낸 (2) 식을 보다 한정하여, (4) 식의 관계를 만족하는 실드 가스를 사용하고, 또한 이 조건에 추가하여, 아크 용접에 있어서의 용접 와이어 (1) 와 강판 (3) 이 단속적으로 단락되며, 또 이 단락되는 주기 (이하, 「단락 주기」라고 한다) 의 최대값 및 단락되는 주파수 (이하, 「단락 주파수」라고 한다) 의 평균값을 다음과 같이 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 단락 주기의 최대값 (최대 단락 주기) T_CYC (s) 을 1.5 s 이하로 하고, 또한, 단락 주파수의 평균값 (평균 단락 주파수) F_AVE (Hz) 을 20 ∼ 300 Hz 로 하는 것이 바람직하다.

2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 5 … (4)

여기서, (4) 식에 있어서, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂ 의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.

(4) 식의 좌변의 값 (즉, (2×[O₂]＋[CO₂]) 에 의해 산출되는 값) 이 5 를 초과하는 경우, 용융 메탈 (7) 이나 용융지 (8) 에 혼입되는 산소가 증가하여, 용접 비드 표면에 있어서의 슬래그 부착이 증가한다. 그 결과, 화성 처리성 및 전착 도장성은 (4) 식을 만족하는 조건에 비해 열화되는 경우가 있다. 따라서, (4) 식의 좌변의 값은 5 이하로 한다. (4) 식의 좌변의 값은, 바람직하게는 3 이하로 한다. (4) 식의 좌변의 값은, 바람직하게는 0.005 이상으로 한다.

실드 가스가 (4) 식을 만족하는 경우에는, 아크 용접에 있어서의 용접 와이어 (1) 와 강판 (3) 이 단속적으로 단락되는 것으로 하고, 또한 그 단락이 상기 조건을 만족하는 것으로 한다. 그 이유는 다음과 같다.

용접 와이어 (1) 의 선단으로부터 발생하는 용적은, 체적이 지나치게 커도 지나치게 작아도 용융지 (8) 가 불안정해진다.

구체적으로는, 평균 단락 주파수 F_AVE가 20 Hz 미만인 경우에는, 큰 방울의 용적이 용융지 (8) 로 이동하거나, 단락 이행 이외의 용적 이행 형태 (예를 들면 스트리밍 이행 등) 가 불규칙하게 혼재하게 된다. 한편, 평균 단락 주파수 F_AVE가 300 Hz 를 초과하는 경우에는, 용적은 작은 방울이기는 하지만 단락에 수반되는 아크의 재점호가 과다해진다. 이러한 이유에서, 어느 경우에서도 용융지 (8) 의 흐트러짐이 발생하여, 용접 비드의 사행 및 웨이빙을 없애는 것은 곤란하다. 즉, 평균 단락 주파수 F_AVE를 20 ∼ 300 Hz 로 함으로써, 1 회의 단락으로 용융지 (8) 로 수송되는 용적의 체적을, 용접 와이어 (1) 와 동일 직경의 구체와 동일한 정도로 하는 것이 가능해진다. 그 결과, 용적의 이동을 안정시키는 것에 더하여, 용착량을 균일하게 할 수 있고, 이로써, 안정적으로 적정한 플랭크각을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 단락의 평균 단락 주파수 F_AVE (Hz) 를 20 ∼ 300 Hz 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 평균 단락 주파수 F_AVE 는, 1 회의 단락으로 용융지 (8) 로 수송되는 용적의 체적의 편차를 없애고, 용접 비드의 균일도를 향상시키는 관점에서, 보다 바람직하게는 35 Hz 이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 50 Hz 이상으로 한다. 또한, 평균 단락 주파수 F_AVE 가 크면, 체적이 작은 용적이 단락 및 재점호시에 대량의 스패터로서 비산되는 경우가 있다. 이 때문에, 평균 단락 주파수 F_AVE는, 보다 바람직하게는 250 Hz 이하로 하고, 더욱 바람직하게는 200 Hz 이하로 하고, 한층 더 바람직하게는 190 Hz 이하로 한다.

상기의 「평균 단락 주파수 F_AVE」란, 아크 용접 이음매를 얻기 위해 실시하는 용접 패스의 단락 주파수의 평균값을 가리킨다. 따라서, 용접 패스의 아크 전압의 추이를 측정 기기 (예를 들면 오실로스코프 등) 로 측정하고, 그 아크 전압이 제로가 되는 횟수를 계측하여, 그 용접에 소요된 시간 (s) 으로 횟수를 나눈 값 (회/s = Hz) 이 「평균 단락 주파수」이다.

최대 단락 주기 T_CYC 가 1.5 s 를 초과하면, 용적 이행이 불안정화되어, 비드폭이나 용입 깊이가 불안정해진다. 즉, 최대 단락 주기 T_CYC를 1.5 s 이하로 함으로써, 양호한 형상을 갖는 용접 비드 (6) 를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 단락의 최대 단락 주기 T_CYC를 1.5 s 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기의 「최대 단락 주기 T_CYC」란, 아크 용접 이음매를 얻기 위해 실시하는 용접 패스의 단락 주기 중 최대값을 가리킨다. 즉, 용접 패스의 각각의 단락 주기가, 모두 1.5 s 를 초과하지 않는 것을 의미한다.

또한, 상기 서술한 평균 단락 주파수 F_AVE를 20 Hz 이상으로 하기 위해서는, 최대 단락 주기 T_CYC는, 0.5 s 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.2 s 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 0.1 s 이하로 하는 것이 한층 더 바람직하다. 단락의 최대 단락 주기 T_CYC는, 평균 단락 주파수 F_AVE가 300 Hz 이하가 되는 범위이면 되기 때문에, 최대 단락 주기 T_CYC 의 하한은 특별히 규정하지 않는다. 최대 단락 주기 T_CYC 는, 0.004 s 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.008 s 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

이와 같이 평균 단락 주파수 F_AVE및 최대 단락 주기 T_CYC를 소정 범위로 제어함으로써, Ar 실드 가스를 사용한 실드 가스에 포함되는 산화성 가스를 저감시킨 아크 용접에 있어서, 규칙적으로 안정적인 용적의 이동이 가능해진다. 비단락의 경우, 아크의 흔들림이 크고, 불안정한 용적 이행이 되기 때문에, 동일 비드 상에서의 플랭크각의 편차가 커지는 경우가 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 평균 단락 주파수 F_AVE및 최대 단락 주기 T_CYC를 소정 범위로 제어하여, 규칙적이고 안정적인 용적 이행을 실현함으로써, 슬래그 생성의 억제와 안정적인 아크 방전을 양립시킨다. 이로써, 플랭크각 및 슬래그 피복 면적률 S_RATIO이 상기 서술한 범위 내가 되는 용접 비드 (6) 를 얻을 수 있다.

또한, 용접 조건의 바람직한 범위로는, 예를 들어, 평균 용접 전류 I : 150 ∼ 300 A, 평균 아크 전압 V : 20 ∼ 35 V, Ar 가스 유량 : 10 ∼ 25 Liter/min, CTWD : 5 ∼ 30 mm 를 들 수 있다.

본 발명에서는, 평균 단락 주파수 및 최대 단락 주기를 상기한 범위 내로 제어하는 방법은, 특별히 한정하지 않는다.

예를 들어, 도 6 에 나타내는 바와 같은 펄스 전류에 의한 전류 파형 제어를 부여하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 펄스 전류의 피크 전류를 I_PEAK (A), 베이스 전류를 I_BASE (A), 피크 기간을 t_PEAK (ms), 상승 기간을 t_UP (ms), 하강 기간을 t_DOWN (ms), CTWD 를 L (mm) 로 했을 때, (5) 식으로 산출되는 X (A·s/m) 의 값이 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하도록 제어한다. 이것에 의해, 안정적인 용적 이행을 실현할 수 있어, 플랭크각 및 슬래그 피복 면적률 S_RATIO이 상기 서술한 범위 내가 되는 용접 비드 (6) 를 한층 더 유효하게 얻을 수 있다.

X = (I_PEAK×t_PEAK/L)＋(I_PEAK＋I_BASE)×(t_UP＋t_DOWN)/(2×L) … (5)

(5) 식은, 도 6 에 나타내는 바와 같은 펄스 전류에 의한 전류 파형 제어를 나타내는 식이다.

(5) 식으로 산출되는 X (A·s/m) 의 값이 지나치게 작으면, 아크 (5) 의 흔들림이나 용적 이행의 불안정화가 발생하는 경우가 있다. 한편, X 의 값이 지나치게 크면, 용접 와이어 (1) 가 용융지 (8) 에 돌진하거나, 성장한 용적이 단락시에 비산하여, 비드 형상의 열화나 스패터 부착 등을 발생시키는 경우가 있다. 따라서, X 의 값은 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하도록 제어하는 것이 바람직하다. X 의 값은, 보다 바람직하게는 60 이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 80 이상으로 하고, 한층 더 바람직하게는 100 이상으로 한다. X 의 값은, 보다 바람직하게는 230 이하로 하고, 더욱 바람직하게는 200 이하로 하고, 한층 더 바람직하게는 180 이하로 한다.

또한, X 의 단위 (A·s/m) 중의 「s」는 세컨드 (초) 이고, t_PEAK, t_UP, t_DOWN의 단위의 「ms」는, 밀리세컨드 (= 1/1000 초) 이다.

강판 (3) 과 콘택트 팁의 거리 L 의 값이 지나치게 작으면, 용접 토치 (2) 의 손모가 심하여 용접이 불안정화되고, 과대하면 아크 (5) 의 흔들림이 발생한다. 이 때문에, (5) 식에 있어서, L 의 값은, 5 ∼ 30 mm 로 하는 것이 바람직하다. L 의 값은, 보다 바람직하게는 8 mm 이상으로 한다. L 의 값은, 보다 바람직하게는 20 mm 이하로 한다.

I_PEAK의 값은, 과소하면 충분한 입열을 확보할 수 없어 비드 형상의 열화를 발생하고, 과대하면 용락을 야기하거나, 스패터의 증가를 초래한다. 이 때문에, (5) 식에 있어서 I_PEAK의 값은, 250 ∼ 600 A 가 바람직하다. I_PEAK 는, 보다 바람직하게는 400 A 이상으로 한다. I_PEAK 는, 보다 바람직하게는 500 A 이하로 한다.

I_BASE 의 값은, 과소하면 아크가 불안정화되고, 과대하면 용락을 야기한다. 이 때문에, (5) 식에 있어서 I_BASE의 값은, 30 ∼ 120 A 가 바람직하다. I_BASE 는, 보다 바람직하게는 40 A 이상으로 한다. I_BASE 는, 보다 바람직하게는 100 A 이하로 한다.

t_PEAK 의 값은, 과소하면 입열을 충분히 확보할 수 없고, 과대하면 용락을 야기한다. 이 때문에, (5) 식에 있어서, t_PEAK의 값은, 0.1 ∼ 5.0 ms 가 바람직하다. t_PEAK 는, 보다 바람직하게는 1.0 ms 이상으로 한다. t_PEAK는, 보다 바람직하게는 4.0 ms 이하로 한다.

t_UP및 t_DOWN은, 과소하면 아크의 흔들림을 유발하고, 과대하면 비드 형상의 열화를 초래한다. 이 때문에, (5) 식에 있어서, t_UP및 t_DOWN 의 값은, 각각 0.1 ∼ 3.0 ms 가 바람직하다. t_UP및 t_DOWN은, 각각 보다 바람직하게는 0.5 ms 이상으로 한다. t_UP및 t_DOWN은, 각각 보다 바람직하게는 2.5 ms 이하로 한다.

X 의 값을 산출하기 위한 (5) 식에서는 사용하지 않지만, 펄스 전류의 베이스 기간을 t_BASE (ms) 로 했을 때, t_BASE가 과소하면 용적이 지나치게 작고, 과대하면 용적이 지나치게 커지기 때문에, 어느 경우에서도 용접이 불안정화된다. 따라서, t_BASE는 0.1 ∼ 10.0 ms 가 바람직하다. t_BASE는, 보다 바람직하게는 1.0 ms 이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 1.5 ms 이상으로 한다. 또한 t_BASE는, 보다 바람직하게는 8.0 ms 이하로 하고, 더욱 바람직하게는 6.0 ms 이하로 한다.

또한, 본 발명에서는, 펄스 전류의 매 주기에 1 단락을 일으키게 할 필요는 없고, 1 펄스 ∼ 수 펄스에서 1 단락을 일으키게 하면 된다. 또한, 1 펄스 ∼ 수 펄스에서 1 단락을 발생시킬 수 있다면, 펄스 전류의 펄스 주파수는 특별히 한정되지 않는다.

본 발명에서, 펄스 전류를 규정하는 목적은, (1) 베이스 기간에 있어서 저전류로 함으로써 아크의 흔들림을 억제하면서 용적의 안정 성장을 촉진하는 것, (2) 피크 기간에서부터 하강 기간에 걸쳐, 전자력이나 Ar 실드 가스의 전단력에 의해, 성장한 용적을 와이어로부터 이탈시키는 것이 아니라, 성장한 용적을 용융지로 밀어내림으로써, 단락을 촉진하는 것에 있다.

본 발명의 아크 용접 방법에서는, 산소의 공급이나 특별한 원소의 첨가를 필요로 하지 않는다. 이 때문에, 용접 와이어로서, 플럭스 함유 와이어에 비해 보다 저렴한 솔리드 와이어를 사용함으로써, 프로세스의 저비용화를 실현할 수 있다. 본 발명에서는, 솔리드 와이어의 와이어 조성 (와이어의 성분 조성) 을 특별히 한정하지 않는다.

바람직한 솔리드 와이어로서, 예를 들면, C : 0.020 ∼ 0.150 질량％, Si : 0.20 ∼ 1.00 질량％, Mn : 0.50 ∼ 2.50 질량％, P : 0.020 질량％ 이하, S : 0.03 질량％ 이하를 함유한 솔리드 와이어를 들 수 있다. 이러한 와이어 조성이면, 적절히 성분 조정함으로써, 연강 ∼ 초고장력강의 광범위한 강종의 아크 용접에 적용할 수 있다. 솔리드 와이어의 직경은 0.4 mm ∼ 2.0 mm 로 하는 것이 바람직하다.

이하에, 솔리드 와이어의 와이어 조성을 상기한 범위로 하는 이유에 대해 설명한다.

C : 0.020 ∼ 0.150 질량％

C 는, 용접 금속의 강도를 확보하는데 필요한 원소이며, 용융 메탈의 점성을 저하시켜 유동성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, C 함유량이 0.020 질량％ 미만에서는, 용접 금속의 강도를 확보할 수 없다. 한편, C 함유량이 0.150 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.020 ∼ 0.150 질량％ 가 바람직하다.

Si : 0.20 ∼ 1.00 질량％

Si 는, 탈산 작용을 갖는 한편, 적당량의 첨가에 의해 용접 금속의 ??칭성을 높여, 용접 금속의 인성, 강도 향상에 기여하는 원소이다. MIG 용접에서는 Ar 실드 가스에 의해 용접 금속으로의 산소의 혼입을 억제할 수 있다. Si 에 의한 탈산 작용은 특별히 필요하지 않지만, Si 함유량이 0.20 질량％ 미만에서는, 용접 시공시에 용적이나 용융 풀이 요동하여, 스패터가 다량으로 발생한다. 한편, Si 함유량이 1.00 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.20 ∼ 1.00 질량％ 가 바람직하다.

Mn : 0.50 ∼ 2.50 질량％

Mn 은, Si 와 마찬가지로 탈산 작용을 가짐과 함께, 용접 금속의 기계적 성질을 향상시키는 원소이다. 그러나, Mn 함유량이 0.50 질량％ 미만에서는, 용접 금속 중에 잔류하는 Mn 량이 부족하여 충분한 강도와 인성이 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 2.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.50 ∼ 2.50 질량％ 가 바람직하다.

P : 0.020 질량％ 이하

P 는, 제강 공정 및 주조 공정에서 강 중에 불순물로서 혼입되는 원소이며, 용접 금속의 내고온 균열성을 저하시키는 원소로, 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 특히, P 함유량이 0.020 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 내고온 균열성이 현저히 저하된다. 따라서, P 함유량은 0.020 질량％ 이하가 바람직하다.

S : 0.03 질량％ 이하

S 는, 강 소선에 불가피하게 함유되는 불순물이며, 용접 금속의 내고온 균열성을 저하시키는 원소로, 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 특히, S 함유량이 0.03 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, S 함유량은 0.03 질량％ 이하가 바람직하다.

또한, 솔리드 와이어는, 상기의 와이어 조성에 추가하여, 필요에 따라서, Ni, Cr, Ti, Mo 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 적절히 함유해도 된다.

Ni 는, 용접 금속의 강도를 증가시키고, 내후성을 향상시키는 원소이다. 그러나, Ni 함유량이 0.02 질량％ 미만이면, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Ni 함유량이 3.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Ni 를 첨가하는 경우, Ni 함유량은 0.02 ∼ 3.50 질량％ 가 바람직하다.

Cr 은, Ni 와 마찬가지로, 용접 금속의 강도를 증가시키고, 내후성을 향상시키는 원소이다. 그러나, Cr 함유량이 0.01 질량％ 미만이면, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Cr 함유량이 1.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Cr 을 첨가하는 경우, Cr 함유량은 0.01 ∼ 1.50 질량％ 가 바람직하다.

Ti 는, 탈산제로서 작용하며, 또한 용접 금속의 강도와 인성을 향상시키는 원소이다. 또한, Ti 는 아크를 안정시키고, 스패터를 감소시키는 효과도 갖는다. 그러나 Ti 함유량이 0.15 질량％ 를 초과하면, 용접 시공시에 용적이 조대해져 큰 알갱이의 스패터가 발생할 뿐만 아니라, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, Ti 를 첨가하는 경우, Ti 함유량은 0.15 질량％ 이하가 바람직하다.

Mo 는, 용접 금속의 강도를 향상시키는 원소이지만, 그 함유량이 0.8 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mo 를 첨가하는 경우, Mo 함유량은 0.8 질량％ 이하가 바람직하다.

솔리드 와이어의 와이어 조성의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다.

한편, 와이어 조성의 불가피적 불순물로서 N, Cu 를 들 수 있다. N 은, 강재를 용제하는 단계나 강 소선을 제조하는 단계에서 불가피하게 혼입되는 불순물이며, 용접 금속의 인성에 악영향을 미친다. 이 때문에, N 함유량은 0.01 질량％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. Cu 는, 강 소선에 불가피하게 함유되는 불순물이며, 용접 금속의 인성을 저하시키는 원소이다. 특히 Cu 함유량이 3.0 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하된다. 이 때문에, Cu 함유량은 3.0 질량％ 이하가 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 강으로 만든 부재의 용접부에 있어서의 발청을 억제하고, 또한 부식이 진행되는 환경하에 있어서도 용접부의 피로 특성의 향상을 도모할 수 있다. 특히, 발청을 억제할 수 있음으로써, 부식 환경하에서도 용접부가 형상 변화되기 어려워지므로, 플랭크각을 유지할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 예를 들어, 인장 강도가 440 MPa 이상인 고강도의 강판 (예를 들어 440 MPa 급, 590 MPa 급, 980 MPa 급의 강판) 을 사용하여, 상기 서술한 특성을 갖는 각종 부재를 제조할 수 있다. 이와 같이 고강도의 강판을 사용함으로써, 부재의 박육화를 도모할 수도 있다.

또한, 본 발명은 자동차용 부재 등에 적합하게 사용되는 점에서, 상기의 고강도 강판의 판두께는, 0.8 ∼ 4 mm 인 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

먼저, 표 1 에 나타내는 강판을 2 장 사용하여, 도 1 에 나타내는 겹치기 필릿 용접을 실시하여, 아크 용접 이음매를 제작하였다. 용접 조건은, 표 2 에 나타내는 조건으로 하였다. Ar 가스 유량은, 10 ∼ 25 Liter/min 의 범위에서 적절히 조정하였다. 표 2 중에 「와이어 기호」로서 나타내는 용접 와이어에는, 표 4 에 나타내는 와이어 조성을 갖고, 용접 와이어의 직경이 1.2 mm 인 솔리드 와이어를 사용하였다. 한편, 표 4 에 나타낸 「용접 와이어의 성분 조성」이외의 성분은, 잔부 (Fe 및 불가피적 불순물) 이다. 표 4 에 나타내는 와이어 기호 「W1」은, 와이어 조성의 불가피적 불순물로서 N 을 0.005 질량％, Cu 를 0.27 질량％ 가 함유된다.

제작한 아크 용접 이음매를 사용하여, 알칼리 탈지, 표면 조정 및 인산아연계의 화성 처리를 실시하고, 용접부 이외의 모재 평판부의 막두께가 15 ㎛ 가 되는 조건으로 카티온 전착 도장을 실시한 후, SAE J2334 의 부식 시험을 60 사이클까지 실시하였다.

용접 후의 용접 비드의 형상은, 다음과 같이 평가하였다.

[슬래그 피복 면적률 S_RATIO]

비드 지단부 표면적 S_TOE과 슬래그 표면적 S_SLAG은, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단부 (10) (각각 길이 15 mm) 를 제외한 영역에 있어서의 용접 비드 (6) 의 표면을 바로 위에서부터 촬영하고 (배율 : 5 배), 얻어진 촬영 화상을 이용하여, 용접 비드 및 슬래그의 상면으로부터의 투영 면적을 측정하고 산출하였다. 도 4(A), 도 4(B) 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 비드 지단부 (9) 로부터 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 비드 지단부 (9) 로부터 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 용접 비드 (6) 의 표면적을 비드 지단부 표면적 S_TOE (mm²) 으로 하였다. 이 비드 지단부 표면적 S_TOE중, 슬래그 (11) 로 덮인 영역의 면적의 합계를 슬래그 표면적 S_SLAG (mm²) 으로 하였다.

또한, 용접 비드 (6) 의 길이가 130 mm 미만인 경우에는, 비드 시종단부 (10) 를 제외한 전체 길이의 표면을 촬영하였다. 용접 비드 (6) 의 길이가 130 mm 이상인 경우에는, 비드 시종단부 (10) 를 제외한 임의의 부위 (길이 100 mm) 에 있어서의 용접 비드 (6) 의 표면을 촬영하였다. 또한, 전체 길이 0.5 mm 이하의 슬래그는 제외하고 구하였다.

산출한 비드 지단부 표면적 S_TOE및 슬래그 표면적 S_SLAG의 값과, 상기한 (1) 식을 이용하여, 슬래그 피복 면적률 S_RATIO을 구하였다. 구한 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 을 표 3 에 나타내었다.

[플랭크각 θ]

플랭크각 θ 의 측정은, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단부 (10) (각각 길이 15 mm) 를 제외한 영역에 있어서, 용접 비드 (6) 의 임의의 8 지점에 있어서의 용접선에 수직인 판두께 방향 단면에서 실시하였다. 단, 임의의 8 지점은 서로 5 mm 이상 떨어진 위치로 하였다. 여기서는, 용접 비드의 임의의 지점을 용접선에 수직인 판두께 방향으로 절단하여, 각각의 플랭크각을 구하고, 그들의 평균값을 「플랭크각 θ (°)」으로 하였다.

[플랭크각 θ 의 최대값 및 최소값]

상기 플랭크각 θ 의 측정 방법으로서 기재한 방법으로 측정한 임의의 8 지점의 플랭크각 θ 중, 최대값을 「플랭크각 θ 의 최대값 θmax (°)」으로 하고, 최소값을 「플랭크각 θ 의 최소값 θmin (°)」으로 하였다. 구한 플랭크각의 최대값 θmax 및 최소값 θmin 을 표 3 에 나타내었다.

표 3 에 나타내는 「피로 강도」의 평가는, 다음과 같이 실시하였다.

먼저, 부식 시험 후의 아크 용접 이음매를 침지용 박리제에 침지하여 전착 도장을 박리한 후, ISO8407 에 준거하여 부식 생성물을 제거하였다. 이어서, 기계 가공에 의해, 용접 지단부 (비드 지단부 (9)) 를 길이 방향의 중심으로 하여 평행부 폭 22 mm 의 피로 강도 시험편을 얻었다. 제작한 피로 강도 시험편의 피로 시험으로서, 편진 (片振) 의 굽힘 피로 시험을 채용하였다. 피로 강도 시험편에 부여한 하중은 100 ∼ 500 MPa, 반복 주파수는 20 Hz 로 하고, 또한 반복 횟수는 1,000,000 회로 하였다. 이 굽힘 피로 시험에 의해 얻어진 강도 (부식 후 피로 강도) (MPa) 를, 표 3 중의 피로 강도에 나타내었다.

또한, 부식 후 피로 강도의 평가는, 이하의 기준에 의해 실시하여, 기호 A, B, F 를 각각 부여하였다. 표 3 에 나타내는, 「기호 A」는, 「부식 후 피로 강도가 320 MPa 이상」인 경우로 하였다. 「기호 B」는, 「부식 후 피로 강도가 190 MPa 이상 320 MPa 미만」인 경우로 하였다. 「기호 F」는, 「부식 후 피로 강도가 190 MPa 미만」인 경우로 하였다. 기호 A 가 가장 우수하고, 이어서 B 가 우수한 것으로 하였다. 기호 A, B 를 「합격」으로 평가하고, 기호 F 를 「불합격」으로 평가하였다. 평가한 결과를 표 3 에 나타내었다.

표 3 에 나타내는 「발청 방지」의 평가는, 다음과 같이 실시하였다.

부식 촉진 시험 후의 용접 이음매에 대하여, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단부 (10) (각각 길이 15 mm) 를 제외한 영역에 있어서의 용접 비드 (6) 의 표면을 바로 위로부터 촬영하여 (도 3 을 참조), 단위 길이당의 평균 발청 면적 (mm²/10 mm) 을 산출하였다. 얻어진 값을 표 3 에 나타내었다.

여기서는, 발청 방지의 평가는 이하의 기준으로 하였다.

평균 발청 면적이 95 (mm²/10 mm) 보다 크고 100 (mm²/10 mm) 이하인 경우에, 부식 후의 발청 방지 효과가 우수한 것으로 평가하였다. 또한, 평균 발청 면적이 50 (mm²/10 mm) 보다 크고 95 (mm²/10 mm) 이하인 경우에, 부식 후의 발청 방지 효과가 보다 우수한 것으로 평가하였다. 또, 평균 발청 면적이 50 (mm²/10 mm) 이하인 경우에, 부식 후의 발청 방지 효과가 한층 더 우수한 것으로 평가하였다.

표 2 ∼ 표 3 으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명예로서 나타내는 용접 No.1 ∼ 17 은, 플랭크각 θ 이 100°이상이고, 또한 S_RATIO 이 50 ％ 이하였다. 이로써, 발청을 방지할 수 있으며, 또한 부식 후의 피로 특성이 우수한 아크 용접 이음매가 얻어졌다.

이들 본 발명예 중 용접 No.1 ∼ 16 은, 플랭크각 θ 의 최대값 θmax 과 플랭크각 θ 의 최소값 θmin 의 차 (θmax－θmin) 가 30°이하이기 때문에, 응력 집중이 완화되어, 특히 피로 특성이 우수한 아크 용접 이음매가 얻어졌다.

또한, 본 발명예에 의하면, 초고장력강용의 용접 와이어 (표 4 중의 와이어 기호 W1, W2) 와 연강용의 용접 와이어 (표 4 중의 와이어 기호 W3) 중 어느 것을 사용해도 상기 효과를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

이에 대해, 비교예인 용접 No.18 ∼ 21 은 플랭크각 θ 이 100°미만 혹은 S_RATIO이 50 ％ 를 초과했기 때문에, 부식 진행으로 인한 피로 강도의 저하가 현저하였다.

또한, 도 7 의 그래프에는, 본 실시예에 있어서의 플랭크각과 부식 후의 피로 강도의 관계를 나타내었다. 도 7 중의 기호 「○ (본 발명예)」및 「△ (비교예)」는, 상기 서술한 (2) 식을 만족하는 것이었다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, 플랭크각의 증가에 의해 피로 강도는 상승하였다. 플랭크각에 추가하여, 또한 슬래그 피복 면적률 S_RATIO이 50 ％ 이하인 경우에는, 슬래그 피복 면적률 S_RATIO 이 50 ％ 초과인 것과 비교하면 높은 피로 강도가 얻어졌다.

1 : 용접 와이어
2 : 용접 토치
3 : 강판 (모재)
4 : 단차의 모서리부
5 : 아크
6 : 용접 비드
7 : 용융 메탈 (용적)
8 : 용융지
9 : 비드 지단부
10 : 비드 시종단부
11 : 슬래그

Claims

적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접된 용접부에 있어서의 플랭크각 θ (°) 이 θ ≥ 100°이고,
또한, 상기 용접부의 비드 지단부로부터 용접 금속 방향으로 2.0 mm 까지의 영역 및 상기 비드 지단부로부터 모재 방향으로 2.0 mm 까지의 영역에 있어서의, 용접 비드의 표면적을 비드 지단부 표면적 S_TOE (mm²), 상기 비드 지단부 표면적 S_TOE중 슬래그로 덮인 영역의 면적을 슬래그 표면적 S_SLAG (mm²) 으로 했을 때, (1) 식으로 산출되는 슬래그 피복 면적률 S_RATIO (％) 이 50 ％ 이하인, 아크 용접 이음매.
S_RATIO = 100×S_SLAG/S_TOE … (1)
제 1 항에 있어서,
상기 용접 비드의 비드 시종단으로부터 각각 15 mm 까지의 영역을 제외한 상기 용접부에 있어서의 플랭크각의 최대값을 θmax (°), 최소값을 θmin (°) 으로 했을 때, 상기 플랭크각의 최대값 및 최소값이, θmax－θmin ≤ 30°의 관계를 만족하는, 아크 용접 이음매.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 아크 용접 이음매의 아크 용접 방법으로서,
적어도 2 장의 강판을 중첩하여 아크 용접하여 용접부를 형성함에 있어서,
Ar 가스 및 산화성 가스로 이루어지며, 또한 상기 산화성 가스가 (2) 식의 관계를 만족하는 실드 가스를 사용하고,
평균 용접 전류를 I (A), 평균 아크 전압을 V (V), 용접 속도를 s (cm/min), 상기 실드 가스에 있어서의 (2) 식의 (2×[O₂]＋[CO₂]) 의 값을 Y 로 했을 때, 이들 I, V, s 및 Y 가 (3) 식의 관계를 만족하는, 아크 용접 방법.
2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 16 … (2)
50 ≤ (I×V)/s×(24＋Y)/24 ≤ 200 … (3)
단, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂ 의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.
제 3 항에 있어서,
상기 실드 가스는, (4) 식의 관계를 만족하고,
상기 아크 용접에서는, 상기 강판과 용접 와이어가 단속적으로 단락되고,
상기 단락의 평균 단락 주파수 F_AVE (Hz) 가 20 ∼ 300 Hz 이며, 또한 상기 단락의 최대 단락 주기 T_CYC (s) 가 1.5 s 이하인, 아크 용접 방법.
2×[O₂]＋[CO₂] ≤ 5 … (4)
단, [O₂] 는 실드 가스 중의 O₂ 의 체적％ 이고, [CO₂] 는 실드 가스 중의 CO₂의 체적％ 이다.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 아크 용접에서는 용접 전류로서 펄스 전류를 사용하고,
상기 펄스 전류의 피크 전류를 I_PEAK(A), 베이스 전류를 I_BASE (A), 피크 기간을 t_PEAK (ms), 상승 기간을 t_UP (ms), 하강 기간을 t_DOWN (ms), 및 상기 강판과 콘택트 팁의 거리를 L (mm) 로 했을 때, (5) 식으로 산출되는 X (A·s/m) 의 값이 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하는, 아크 용접 방법.
X = (I_PEAK×t_PEAK/L)＋(I_PEAK＋I_BASE)×(t_UP＋t_DOWN)/(2×L) … (5)
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아크 용접에서는, 용접 와이어로서 솔리드 와이어를 사용하는, 아크 용접 방법.