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高強度鋼板のアーク溶接方法 - 新日本製鐵株式会社
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発明の名称 高強度鋼板のアーク溶接方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−96368(P2001−96368A)
公開日 平成13年4月10日(2001.4.10)
出願番号 特願平11−272001
出願日 平成11年9月27日(1999.9.27)
代理人 【識別番号】100094972
【弁理士】
【氏名又は名称】萩原 康弘
【テーマコード(参考)】
4E001
【Fターム(参考)】
4E001 AA03 BB12 CA07 CC04 DD02 DD04 EA01 EA02 
発明者 及川 初彦 / 小原 昌弘
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 板厚0.6mm〜3.0mmの薄板であって、フェライトならびにマルテンサイトまたはベイナイトのうちの少なくともいずれかを含む複合組織からなる高強度鋼板のアーク溶接において、継手部において鋼板を重ね合わせ、CO2 ガスまたはArとCO2 が混合されたガスをシールドガスに用い、下記に示す入熱範囲で、電流一定のMAG溶接により1パスで隅肉溶接継手を形成することを特徴とする高強度鋼板のアーク溶接方法。
50・t≦H≦110・tH=V・I/Rただし、t:板厚(mm)、 H:溶接入熱(kJ/m)、V:アーク電圧(V)
I:溶接電流(A)、R:溶接速度(m/s)
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、車体の軽量化や衝突安全性向上を目的に、自動車用構造材料として用いられる薄板における高強度鋼板の、アーク溶接方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近、大気中のCO2 の増加による地球の温暖化が環境問題として大きく取り上げられるようになり、自動車、鉄道車両、船舶などを軽量化し、CO2 の排出量を軽減させようという動きがある。このような動きに対応して、自動車分野では、高強度鋼板を用いることにより板厚を低減し、車体の重量を低減させようという試みがなされている。一方、これとは別に、最近、自動車の衝突安全特性の問題が大きくクローズアップされるようになり、衝突安全特性を向上させるために、高強度鋼板を使用することが検討されている。このように、自動車分野においては、高強度鋼板に対するニーズは日増しに高まっており、今後、その適用は拡大することが予想される。
【0003】薄板における高強度鋼板とは、一般的に、引張強さが370MPa以上の鋼板を指し、その種類としては、従来から使用されている、C、N、P、Si、Mn等で強化された固溶強化型や、Ti、V、Nbの炭窒化物を析出させて強化した析出強化型の他に、最近では、フェライト中にマルテンサイトを含む2相組織鋼(Dual Phase鋼)やフェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼、フェライト中に残留オーステナイトを含む加工誘起変態型の高残留オーステナイト鋼(TRIP鋼)、なども知られている。この内、Dual Phase鋼、高バーリング鋼、TRIP鋼は、2相以上の組織から構成されているため、複合組織鋼板と呼ばれている。複合組織鋼板では、フェライト中のマルテンサイトやベイナイト、あるいは加工誘起変態によってオーステナイトから生じるマルテンサイトが鋼板の強化機構に寄与している。複合組織鋼板は、固溶強化型や析出強化型の鋼板に比べて、優れた強度−延性バランスを示し、かつ、成形性も優れているため、今後、自動車への適用拡大が期待されている。
【0004】一方、従来、自動車の組立行程では、スポット溶接やシーム溶接などの抵抗溶接が主に使われており、高強度鋼板の溶接でも、これらの溶接法が主に使われている。しかし、足廻りやシャーシなど、強度や剛性を必要とする部位では直線的な溶接が必要となり、この場合にはアーク溶接、特に、高速溶接が可能なMAG溶接が使われている。高強度鋼板は、軟鋼板の場合と同様、アーク溶接することが可能であるが、高強度鋼板の中で、フェライト中にマルテンサイトを含む2相組織鋼(Dual Phase鋼)やフェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼をアーク溶接すると、以下のような問題が生じる。
【0005】すなわち、2相組織鋼や高バーリング鋼のアーク溶接では、アークの熱によって鋼板が溶融し溶接が行われるが、この際、溶接部周辺でもかなり温度が上昇するため、その部分では2相組織鋼中のマルテンサイトや高バーリング鋼中のベイナイトが焼き戻されて強度が低下するのである。この熱影響部で強度が低下(軟化)する現象は、HAZ軟化と呼ばれている。これが起こると、例えば、重ね隅肉継手で作製した継手をせん断方向に引っ張ると、母材で破断が起こらずに、熱影響部で破断が起こり、母材で破断する場合より継手強度が低下するのである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的は、今後、自動車への適用が拡大すると考えられる2相組織鋼や高バーリング鋼のアーク溶接において、熱影響部における硬さ低下量と硬さが低下する領域の幅を最小限に抑えるようなアーク溶接法を提供し、溶接部で高い継手強度を得ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記で述べた課題を解決するために、本発明では、2相組織鋼や高バーリング鋼の溶接法として、CO2 ガスまたはAr+CO2 ガスをシールドガスに用いる電流一定のMAG溶接法を用い、溶接入熱を限定することにより、熱影響部での硬さ低下量と硬さが低下する領域の幅を最小限に抑え、溶接部で高い継手強度を得ることを目的とする。
【0008】ここに、本発明の要旨とするところは、板厚0.6mm〜3.0mmの薄板であって、フェライトならびにマルテンサイトまたはベイナイトのうちの少なくともいずれかを含む複合組織からなる高強度鋼板のアーク溶接において、継手部において鋼板を重ね合わせ、CO2 ガスまたはArとCO2 が混合されたガスをシールドガスに用い、下記に示す入熱範囲で、電流一定のMAG溶接により1パスで隅肉溶接継手を形成することを特徴とする高強度鋼板のアーク溶接方法にある。
50・t≦H≦110・tH=V・I/Rただし、t:板厚(mm)、 H:溶接入熱(kJ/m)、V:アーク電圧(V)
I:溶接電流(A)、R:溶接速度(m/s)
【0009】
【発明の実施の形態】次に、図面に基づいて、本発明にかかる高強度鋼板(2相組織鋼、高バーリング鋼)のアーク溶接方法について、作用とともに具体的に説明する。図1は、本発明にかかるアーク溶接方法の説明図であり、MAG溶接で高強度鋼板同士を溶接する方法について示している。図に示すように、MAG溶接すべき高強度鋼板1同士を重ね合わせて重ね隅肉継手を作製し、この重ね合わせた部分を溶接トーチ2からワイヤ4を送給して隅肉溶接し、1パスでビード5(図2)を形成する。
【0010】高強度鋼板をMAG溶接する時のシールドガス3としては、CO2 ガス、またはArとCO2 が混合されたガスを用いる。シールドガスとして、いずれのガスを用いてもかまわないが、スパッタを出来るだけ低減させるためには、CO2 ガスよりもArとCO2 が混合されたガスを用いた方が良い。また、ArとCO2が混合されたガスにおいては、組成は特に問わないが、アークを安定化させ、スパッタを低減させる意味から、10〜30%のCO2 ガスが混合されたArガスを用いることが望ましい。
【0011】本発明で用いるワイヤ5としては、高強度鋼板の組成に適しており、また、溶接部で高強度鋼板より高い引張強さが得られるものであればどのようなものでも良い。ワイヤの直径は、0.6〜1.6mm程度の範囲で板厚に合わせて選択すれば良い。なお、上記で述べた入熱範囲で溶接するためには、板厚の低下とともに、直径の小さなワイヤを用いる必要性がある。なぜなら、板厚の低下とともに、溶け落ちを防ぐために溶接電流を低く設定する必要性があるが、この場合には、電流が低下してアークが不安定になるため、アークを安定化させるためには、適度な電流密度を維持するために、適度な直径のワイヤを用いる必要性があるからである。
【0012】本発明のアーク溶接方法では、電流一定の溶接を行うことが重要である。なぜなら、後で示すように、シールドガスとしてArとCO2 が混合されたガスを用い、パルス溶接を行うと、同じ入熱量で電流一定の溶接を行った場合に比べ、熱影響部で容易に軟化が起こるからである。これは、同じ入熱量でも、電流一定の溶接に比べ、パルス溶接の方が、ワイヤ送給量が大きいため、溶着金属量が多く、その結果、熱影響部での最高到達温度や熱影響が及ぼされる領域が広くなるためと考えられる。
【0013】本発明で、溶接入熱を110・t[kJ/m](tは板厚)以下に限定したのは、これを超える溶接入熱でアーク溶接を行うと、熱影響部で軟化が起こり、引張せん断試験において、熱影響部で破断が起こって、溶接入熱の増加とともに継手強度が低下するからである。また、一方、溶接入熱を50・t[kJ/m]以上に限定したのは、それ未満の溶接入熱では、溶け込みが不十分になる場合があり、かつ、ビード形状も悪いため、引張せん断試験において、溶接部で破断が生じ強度が低下する恐れがあり、かつ、疲労強度に対しても悪影響を及ぼす可能性があるからである。したがって、上記範囲の溶接入熱でアーク溶接を行った継手では、破断位置が母材となる信頼性のある継手が得られる。
【0014】本発明で用いる高強度鋼板としては、フェライト中にマルテンサイトを含む2相組織鋼(Dual Phase鋼)やフェライト中にベイナイトを含む高バーリング鋼などが挙げられる。また、フェライト中にマルテンサイトとベイナイトの両方を含んでいても良い。フェライト中のマルテンサイトあるいはベイナイトの比率は特に限定するものではないが、本発明の効果を最大限に出すためには、フェライト中に2〜40%程度のマルテンサイトあるいはベイナイトが含まれたものが望ましい。機械的特性としては、引張強さが、390MPa〜1180MPa程度のものであれば良い。高強度鋼板の製造法は、熱間圧延法でも冷間圧延法でも良い。本発明は一般的に自動車などで用いられる薄板に適用することから、板厚は0.6mm〜3.0mmの範囲のものを対象とする。また重ね継手を1パスで隅肉溶接することからもこの範囲が適当で、板厚が0.6mmより薄いと溶接時に溶け落ちなどが生じ、一方3.0mmより厚いと本発明で規定するような低い入熱量で1パス溶接するのは困難となる。また、鋼板の表面にZn系(Zn、Zn−Fe、Zn−Ni、Zn−Al、Zn−Mg)、Al系(Al、Al−Si、Al−Mn、Al−Mg、など)、Pb系(Pb−Sn、など)、などのめっきが施されていても良い。
【0015】
【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
実施例1試験片として、表1および表2に示す板厚1.0mmの2相組織鋼(DualPhase鋼)と高バーリング鋼、および板厚2.0mmの2相組織鋼(Dual Phase鋼)を用いた。同種材同士の組み合わせで、板厚1.0mmの場合には100×300mmの試験片を30mmラップさせて、また、板厚2.0mmの場合には125×300mmの試験片を40mmラップさせて図1に示すように重ね合わせた。これをAr+20%CO2 ガスまたはCO2 ガスをシールドガスに用い、表1および表2に示した溶接条件で長手方向にアーク溶接を行ない、1パスで隅肉溶接継手を形成した。
【0016】
【表1】

【0017】
【表2】

【0018】なお、溶接電源としてインバーター制御式のアーク溶接電源を用い、直流溶接とした。また、比較のため、Ar+20%CO2 ガスをシールドガスに用いパルスMAG溶接も実施した。溶接用のワイヤとしては、JIS Z 3312 YGW23相当のものを用い、溶接電流が低い場合には直径0.8mmのワイヤを、また、溶接電流が高い場合には直径1.2mmのワイヤを用いた。
【0019】アーク溶接後、それぞれの試験片についてビード外観の調査を行った。また、それぞれの試験片から、ビードと垂直な方向に図2に示すような引張せん断試験片(板厚1.0mmの場合には30×170mm、板厚2.0mmの場合には40×210mm)を切り出し、JIS引張せん断試験法に基づいて、6の方向に荷重をかけて、継手の引張せん断強さを測定した。また、各試験片の破断位置を調査した。その結果を表1および表2に併せて示す。
【0020】直流溶接法を用い、本発明の入熱範囲でアーク溶接を行った場合(No.1〜No.3、No.7〜No.9、No.12〜No.14、No.17〜No.19)には、いずれも溶接部(ビード5)から離れた母材(図2の7)で破断が生じており、母材と同等の引張せん断強さが得られた。
【0021】一方、本発明の入熱範囲より低い入熱で溶接した場合(No.4、No.10、No.15、No.20)には、溶接部で溶着量不足やアンダーカットが起こっており、ビード外観が劣っていた。また、引張せん断強さは、母材強度よりわずかに低い値を示した。本発明の入熱範囲より高い入熱で溶接した場合(No.5〜No.6、No.11、No.16、No.21)には、ビード近傍の熱影響部(図2の8)で破断が起こり、引張せん断強さは母材強度より低い値を示した。さらに、入熱量の増加とともに、引張せん断強さは低下した(No.5とNo.6の比較)。
【0022】一方、パルス溶接を行った場合(No.22〜No.24)には、直流溶接と同じ入熱量であっても、ビード近傍の熱影響部(図2の8)で破断が起こり、引張せん断強さも母材強度に比べて低い値を示した。板厚が0.8〜3.0mmの範囲の鋼板で同様の実験を行ったが、結果は上記と同様であった。また、めっき鋼板についても実験を行ったが、結果は同様であった。
【0023】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、高強度鋼板のアーク溶接において、熱影響部での軟化を最小限に抑え、溶接部で高い継手強度(母材破断)を得ることができる。したがって、これまで適用が限定されていた2相組織鋼や高バーリング鋼などを広く使用することが可能となる。この意味から、本発明の実用上の意義は大きい。




 

 


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