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WO2024224712A1 - アーク溶接継手およびその製造方法 - Google Patents

アーク溶接継手およびその製造方法 Download PDF

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WO2024224712A1
WO2024224712A1 PCT/JP2024/001190 JP2024001190W WO2024224712A1 WO 2024224712 A1 WO2024224712 A1 WO 2024224712A1 JP 2024001190 W JP2024001190 W JP 2024001190W WO 2024224712 A1 WO2024224712 A1 WO 2024224712A1
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WO
WIPO (PCT)
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slag
welding
bead
pulse
weld
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/JP2024/001190
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
恭平 小西
央海 澤西
公一 谷口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
JFE Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JFE Steel Corp filed Critical JFE Steel Corp
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Priority to JP2024515388A priority patent/JP7677536B2/ja
Priority to EP24796471.1A priority patent/EP4681852A1/en
Priority to CN202480025912.6A priority patent/CN121001844A/zh
Publication of WO2024224712A1 publication Critical patent/WO2024224712A1/ja
Priority to MX2025012410A priority patent/MX2025012410A/es
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Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/02Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/025Seam welding; Backing means; Inserts for rectilinear seams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to an arc welded joint that has a small amount of slag adhesion, a stable penetration depth, and excellent weld joint strength and corrosion resistance of the weld, and a method for manufacturing the same.
  • components used in corrosive environments are subjected to anti-rust treatments such as chemical conversion coating and electrocoating after welding to ensure corrosion resistance.
  • anti-rust treatments such as chemical conversion coating and electrocoating after welding to ensure corrosion resistance.
  • rust and corrosion may be observed at the weld and its vicinity.
  • corrosion that occurs in components that have been electrocoated tends to start at the weld, and over time it spreads over a wide area at the weld and its surroundings, accompanied by blistering of the paint film, and also progresses in the thickness direction.
  • the plate thickness at the weld and its vicinity decreases, resulting in a decrease in the strength of the weld and ultimately the strength of the component.
  • a load acts on the weld (such as an automobile's suspension components)
  • a chemical conversion treatment (such as zinc phosphate treatment) is applied to the base steel sheet and weld metal as a pretreatment to improve adhesion between the electrodeposition coating and the base steel sheet and weld metal, and then electrodeposition painting is performed.
  • Zinc phosphate treatment a widely used example of a chemical conversion treatment, is a technique in which zinc phosphate crystals are grown on the surface of the base steel sheet and weld metal to improve the adhesion of the coating during electrodeposition painting.
  • paint blistering frequently occurs over a wide area at and around the weld over time.
  • the starting point of corrosion from the weld is (a) Slag adhering to the weld (mainly the surface of the weld bead), (b) Welding fumes adhering to the welded part; (c) Oxides formed on the surface of steel plates exposed to high temperatures by welding; has been known for some time. Even if a member having the above-mentioned deposits (a) and (b) or oxides (c) present in the welded portion is subjected to chemical conversion treatment, these deposits and products will cause localized areas that are not covered with a chemical conversion treatment layer made of zinc phosphate crystals to remain, starting from these deposits and products.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which after arc welding and before electrocoating, the weld and its vicinity are sprayed or immersed in a non-oxidizing acidic solution with a pH of 2 or less and a liquid temperature of 30 to 90°C. This technique removes the above-mentioned (a) slag, (b) welding fumes, and (c) oxides by dissolving the weld beads and base steel plate in a non-oxidizing solution.
  • Patent Document 2 discloses a technology that reduces the total Si content of the welding wire and base material used in arc welding, and increases the total Mn content of the welding wire and base material, thereby improving the corrosion resistance of the weld and its vicinity after painting.
  • Patent Document 3 discloses a technology for forming a sufficient chemical conversion layer by adjusting the components of the treatment liquid used in the chemical conversion treatment, even in weld beads that contain slag, welding fumes, and oxides. Specifically, the formation of the chemical conversion layer is facilitated by performing surface treatment using a surface adjustment liquid containing zinc phosphate colloid. Furthermore, by performing chemical conversion treatment using a zinc phosphate treatment liquid with an F content of 100 mass ppm or more, slag, welding fumes, and oxides are dissolved and removed, improving the adhesion of the coating film formed by electrocoating.
  • Patent Document 3 uses a zinc phosphate treatment solution that contains fluorine, which is designated as a toxic substance, so when the waste liquid is discharged outside the factory, the fluorine content must be reduced to a level that meets environmental standards. Therefore, in addition to the parts manufacturing equipment, large-scale waste liquid treatment equipment is required.
  • the present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide an arc welded joint that has a small amount of slag adhesion, a stable penetration depth, and excellent weld joint strength and corrosion resistance of the weld, as well as a method for manufacturing the same.
  • the inventors have discovered that the most effective way to improve the corrosion resistance of the weld and stably obtain welded joints with a stable penetration depth is to reduce the amount of slag that adheres to the weld and to achieve periodic short-circuit transfer using pulse welding.
  • the penetration depth becomes unstable. Therefore, the inventors have discovered a technology that uses pulse welding to reduce the crawling of the cathode spot and realizes periodic short-circuit transfer that is not easily affected by the wobbling of the arc, and by using a pulse current waveform, a welded joint with less slag adhesion, stable penetration, and excellent welded joint strength and corrosion resistance can be obtained.
  • the present invention is based on the above findings, and the gist of the present invention is as follows.
  • the arc welded joint has an upper plate, a lower plate, and a weld portion that joins the upper plate and the lower plate and penetrates into the upper plate and the lower plate,
  • the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are each 5.0 mm or less
  • the plate thickness t2 of the lower plate and the penetration depth d which is the distance from the boundary between the upper plate and the lower plate in the cross section of the weld to the lower surface of the weld bead, satisfy the following formula (1): and a slag coverage area ratio S RATIO calculated by the following formula (2) using a bead surface area S BEAD of the weld bead surface and a slag surface area S SLAG , which is the area of a region covered with slag
  • t 2 (mm) represents the plate thickness of the lower plate
  • d (mm) represents the penetration depth
  • S RATIO S SLAG /S BEAD ⁇ 100...(2)
  • S BEAD (mm 2 ) is the bead surface area
  • S SLAG (mm 2 ) is the slag surface area, which is the area of the region covered with slag
  • S RATIO (%) is the slag coverage area ratio.
  • the average welding current I AVE is 100 A or more and 320 A or less
  • the pulse peak current Ip is 400 A or more and 600 A or less
  • the pulse peak time Tp is 1.5 ms or more and 3.5 ms or less
  • Ar gas having a volume percentage of 98% or more is used as a shielding gas during welding, A method for manufacturing an arc welded joint in which droplet transfer is achieved by short-circuiting the welding wire and the base metal.
  • stable penetration ensures excellent weld joint strength, and by suppressing slag generation, it is possible to obtain a weld joint with excellent corrosion resistance at the welded portion.
  • the above effects can be obtained without making special changes to the specifications of the welding equipment used in conventional carbon dioxide welding, MAG welding using a mixture of inert gas and active gas, or MIG welding using a gas mainly composed of inert gas.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a welded joint produced by arc welding.
  • 2(a) and 2(b) are schematic diagrams showing droplet transfer in conventional arc welding.
  • 3(a) and 3(b) are schematic diagrams illustrating short-circuit transfer in accordance with the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the penetration depth and throat thickness in a cross section of a welded portion.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a pulse current waveform in arc welding according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the bead area and slag coverage area of a weld bead.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a corrosion resistance test of a weld bead.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a welded joint produced by arc welding, illustrating an embodiment of the present invention.
  • fillet arc welding of a lap joint joining a corner made of two steel plates is shown as a representative example, but the shape of the welded joint and the welding position are not limited in the present invention.
  • the welding wire 1 which is continuously fed from the welding torch 2 through the center of the welding torch 2 to the base material 3 (more specifically, a weld line consisting of the corner of a step formed by stacking two layers of base material 3), is used as the anode, and the base material 3 is used as the cathode, and a welding voltage is applied from a welding power source (not shown).
  • a contact tip is attached to the welding torch 2, and serves to supply power to the welding wire 1 and to guide the feed.
  • An arc 5B is formed between the welding wire 1 and the base material 3 by ionizing a portion of the Ar shielding gas (not shown) supplied from inside the welding torch 2 and turning it into plasma.
  • the portion of the Ar shielding gas that does not ionize and flows from the welding torch 2 to the base material 3 serves to isolate the arc 5B and the molten pool (not shown in FIG. 1) formed by melting the base material 3 from the outside air.
  • Heat input from the arc 5B melts the tip of the welding wire 1 into a droplet, which is then transported to the molten pool by electromagnetic force, gravity, etc. This phenomenon occurs continuously as the welding torch 2 or base material 3 moves, causing the molten pool to solidify behind the weld line and forming a weld bead 6. This achieves the joining of at least two steel plates (base material 3).
  • the cathode spot is not fixed in MIG welding, which does not generate oxides derived from O 2 or CO 2 , and the cathode spot moves around the surface of the base material vigorously in search of a place with a low work function. For this reason, the heat input to the base material cannot be obtained stably, and a welded joint with an excessively small penetration depth or a large variation in the penetration depth is obtained.
  • the shielding property of the Ar shielding gas that blocks the intrusion of oxidizing gas into the molten pool is reduced, and the generation of slag may increase.
  • FIG. 2(a) and 2(b) are schematic diagrams illustrating droplet transfer in conventional MIG welding.
  • the welding wire 1 melts and is continuously transported from a long and thin liquid column to the molten pool 8 as shown in Fig. 2(a), and large droplets 7 are generated at the tip of the welding wire 1 and are transported to the molten pool 8 by falling or short-circuiting as shown in Fig. 2(b).
  • an effective means for stabilizing droplet transfer is to complete joining by so-called periodic short-circuit transfer, in which the non-short-circuit state of Fig. 3(a) and the short-circuit state of Fig. 3(b) are regularly repeated between the tip of the welding wire 1 and the base metal 3, and droplets 7 are transferred to the base metal 3 during the short-circuit state.
  • the penetration depth of the weld cross section as shown in Fig. 4 can be controlled to a predetermined value, and a predetermined welded joint strength can be obtained.
  • the arc welded joint has an upper plate 20, a lower plate 21, and a weld bead 6 that joins the upper plate 20 and the lower plate 21 and penetrates into the upper plate 20 and the lower plate 21.
  • the penetration depth 23 refers to the distance from the boundary 24 between the upper plate 20 and the lower plate 21 in the cross section of the weld to the underside of the weld bead 6.
  • the plate thickness t2 of the lower plate is designated by the symbol 22.
  • the thickness t2 of the lower plate and the penetration depth d satisfy the formula (1): 0.20 ⁇ d/ t2 ⁇ 0.80 (1)
  • t 2 (mm) represents the plate thickness of the lower plate
  • d (mm) represents the penetration depth. If d/t 2 is less than 0.20, poor penetration of the welded portion occurs, and the strength of the welded joint decreases. Therefore, d/t 2 is set to 0.20 or more.
  • d/t 2 is preferably 0.25 or more.
  • d/t 2 is more preferably 0.30 or more.
  • d/t 2 is even more preferably 0.32 or more. Most preferably 0.35 or more.
  • d/t 2 is set to 0.80 or less.
  • d/t 2 is preferably 0.75 or less.
  • d/t 2 is more preferably 0.70 or less.
  • d/t 2 is even more preferably 0.68 or less.
  • d/t 2 is most preferably 0.65 or less.
  • the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are 5.0 mm or less. If the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are greater than 5.0 mm, the penetration is insufficient due to the diffusion of heat input, and the throat thickness 25 shown in FIG. 4 is reduced, and the cross-sectional area (throat thickness x weld length) that bears the external load is insufficient, leading to a decrease in the strength of the welded joint. Therefore, the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 5.0 mm or less. It is preferable that the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 4.8 mm or less.
  • the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 4.5 mm or less. It is even more preferable that the thickness t2 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 4.2 mm or less. It is most preferable that the thickness t1 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 0.5 mm or more. It is more preferable that the thickness t2 of the upper plate and the thickness t2 of the lower plate are set to 0.8 mm or more, although there is no particular limit to the lower limit. It is more preferable that the weld length is 1.0 mm or more, and most preferable that the weld length is 1.2 mm or more. Note that the weld length refers to the length of the weld bead 6 in the weld line direction 11 shown in FIG.
  • Slag coverage area ratio S RATIO is 15% or less
  • the slag coverage area ratio S RATIO calculated by the following formula (2) using the bead surface area S BEAD of the weld bead surface and the slag surface area S SLAG , which is the area of the region covered with slag in the bead surface area S BEAD , exceeds 15%, rust and corrosion starting from the slag progress over a wide range of the welded part, and the strength of the welded joint may decrease due to a decrease in plate thickness. Therefore, the slag coverage area ratio S RATIO is set to 15% or less.
  • the slag coverage area ratio S RATIO is preferably 14% or less.
  • the slag coverage area ratio S RATIO is more preferably 12% or less.
  • the slag coverage area ratio S RATIO is further preferably 10% or less.
  • the slag coverage area ratio S RATIO is most preferably 8% or less.
  • the lower limit is not particularly limited and may be 0%.
  • S RATIO S SLAG /S BEAD ⁇ 100...(2)
  • S BEAD (mm 2 ) is the bead surface area
  • S SLAG (mm 2 ) is the slag surface area, which is the area of the region covered with slag
  • S RATIO (%) is the slag coverage area ratio.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a pulse current waveform in the arc welding of the present invention.
  • Pulse welding is a method in which a pulse peak current (I p ) and a pulse base current (I b ) are periodically repeated to perform welding.
  • the average welding current I AVE is a value obtained by taking a time average of a welding current that changes periodically as shown in the pulse waveform of FIG. 5.
  • the average welding current I AVE is set to 100A or more.
  • the average welding current I AVE is preferably 120A or more.
  • the average welding current I AVE is more preferably 140A or more.
  • the average welding current I AVE is even more preferably 160A or more.
  • the average welding current I AVE is most preferably 180A or more.
  • the average welding current I AVE is set to 320 A or less.
  • the average welding current I AVE is preferably 300 A or less.
  • the average welding current I AVE is more preferably 270 A or less.
  • the average welding current I AVE is further preferably 260 A or less.
  • the average welding current I AVE is most preferably 250 A or less.
  • Pulse peak current I p is 400A or more and 600A or less When the pulse peak current I p is less than 400A, the heat input becomes too small, and the penetration depth decreases. Therefore, the pulse peak current I p is set to 400A or more.
  • the pulse peak current I p is preferably 450A or more.
  • the pulse peak current I p is more preferably 470A or more.
  • the pulse peak current I p is further preferably 490A or more.
  • the pulse peak current I p is most preferably 500A or more.
  • the pulse peak current I p is greater than 600A, the instantaneous heat input becomes too large, and a burn-through, which is a welding defect, may occur.
  • the pulse peak current I p is set to 600A or less.
  • the pulse peak current I p is preferably 590A or less.
  • the pulse peak current I p is more preferably 580A or less.
  • the pulse peak current Ip is more preferably 570 A or less.
  • the pulse peak current Ip is most preferably 560 A or less.
  • the pulse base current (I b ) is preferably 30 A or more.
  • the pulse base current (I b ) is more preferably 40 A or more.
  • the pulse base current (I b ) is even more preferably 45 A or more.
  • the pulse base current (I b ) is most preferably 50 A or more.
  • the pulse base current (I b ) is preferably 120 A or less. It is more preferable that the pulse base current (I b ) is 110 A or less. The pulse base current (I b ) is even more preferably 100 A or less. It is most preferable that the pulse base current (I b ) is 90 A or less.
  • Pulse peak time Tp is 1.5 ms or more and 3.5 ms or less
  • the pulse peak time Tp is set to 1.5 ms or more.
  • the pulse peak time Tp is preferably set to 1.8 ms or more.
  • the pulse peak time Tp is more preferably set to 2.0 ms or more.
  • the pulse peak time Tp is even more preferably set to 2.1 ms or more.
  • the pulse peak time Tp exceeds 3.5 ms, the heat input becomes too large, and burn-through, which is a welding defect, may occur.
  • the pulse peak time Tp is set to 3.5 ms or less.
  • the pulse peak time Tp is preferably set to 3.2 ms or less.
  • the pulse peak time Tp is more preferably set to 3.0 ms or less.
  • the pulse peak time Tp is even more preferably set to 2.9 ms or less.
  • the pulse peak time Tp is more preferably 2.8 ms or less.
  • the pulse peak current Ip , the pulse base current Ib , the pulse peak time Tp , the rise time Tup from the pulse base current to the pulse peak current, the fall time Tdown from the pulse peak current to the pulse base current, the arc voltage V, and the welding speed W satisfy the following formula (3) (preferable condition): ( 3 ) Ip (A): pulse peak current, Ib (A): pulse base current, Tp (ms): pulse peak time, Tup (ms): rise time, Tdown (ms): fall time, V (V): arc voltage, W (cm/s): welding speed If ( Ip x ( Tp + Tup + Tdown ) - (Ip - Ib ) x ( Tup + Tdown )/2)/( Tp + Tup + Tdown ) x V/W/1000 is less than 5.8 kJ/cm, the heat input at the peak which affects the penetration becomes too small, and the penetration depth 23 decreases.
  • (Ip x (Tp + Tup + Tdown ) - (Ip - Ib ) x ( Tup + Tdown ) / 2) / ( Tp + Tup + Tdown ) x V/W/1000 is preferably 5.8 kJ/cm or more. More preferably, it is 6.5 kJ/cm or more. Even more preferably, it is 7.0 kJ/cm or more. Most preferably, it is 7.5 kJ/cm or more. Furthermore, if it exceeds 14.4 kJ/cm, the heat input becomes too large, and burn-through, which is a welding defect, may occur.
  • (Ip x ( Tp + Tup + Tdown ) - (Ip - Ib ) x ( Tup + Tdown ) / 2) / ( Tp + Tup + Tdown ) x V/W/1000 is preferably 14.4 kJ/cm or less. More preferably, it is 12.8 kJ/cm or less. Even more preferably, it is 11.5 kJ/cm or less. Most preferably, it is 10.2 kJ/cm or less.
  • the Ar gas ratio of the shielding gas is set to 98% by volume or more.
  • the Ar gas ratio of the shielding gas is preferably 99% by volume or more. There is no particular upper limit, and the Ar gas ratio may be 100%.
  • the welding wire 1 used in the present invention is not particularly limited.
  • a solid wire for MAG welding as described in JIS Z 3312 can be used.
  • the base material 3 of the present invention is intended for steel sheets and plated steel sheets.
  • the composition of the steel sheets is not limited, but for example, a steel sheet containing C: 0.02-0.3 mass%, Si: 0.01 mass% or more, Mn: 0.5% mass% or more, P: 0.05 mass% or less, and S: 0.05 mass% or less is preferable, and other alloy elements such as Cu, Ni, Cr, and Ti may be contained.
  • Si is preferably 3.0 mass% or less
  • Mn is preferably 5.0 mass% or less.
  • the lower limit of P is not particularly limited, but is preferably 0.0005 mass% or more
  • the lower limit of S is not particularly limited, but is preferably 0.0005 mass% or more.
  • the plating composition of plated steel sheets is not particularly limited, but an example is Zn.
  • the welded steel plates obtained in the above manner were evaluated for slag coverage area ratio, penetration depth, corrosion resistance of the weld, and weld joint strength according to the following test methods.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the bead area and the slag-covered area in a weld bead.
  • the bead surface area S BEAD and the slag-covered surface area S SLAG shown in Fig. 6 are calculated by photographing the surface of the region of the weld bead 6 excluding the bead start and end portions 10 (each 15 mm long) from directly above and measuring the projected areas from the top surface of the weld bead 6 and the slag.
  • the length of the weld bead 6 is less than 130 mm, the surface of the entire length excluding the bead start and end portions 10 is photographed.
  • the penetration depth d was measured by observing a cross section in the plate thickness direction perpendicular to the weld line (parallel to the straight line AA in FIG. 6) at five arbitrary points of the weld bead 6 as shown in FIG. 4 in an area excluding the bead start and end points 10 (each 15 mm long). However, the five arbitrary points were located at positions 5 mm or more apart from each other.
  • the arbitrary points of the weld bead 6 were cut in the plate thickness direction perpendicular to the weld line, and the penetration depths 23 of each were obtained, and the average value of these was taken as the "penetration depth d (mm)".
  • a value of d/ t2 ( t2 is the plate thickness of the lower plate) of 0.20 to 0.80 was considered to be acceptable.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the state of the corrosion resistance test in the weld bead.
  • the arc welded joint after the corrosion test was immersed in an immersion stripper to remove the electrocoating, and then the corrosion products were removed in accordance with ISO8407.
  • the weld bead 6 included the bead start and end portions 10 (each 15 mm long)
  • the surface of the area excluding the bead start and end portions 10 was photographed, and the obtained photograph was analyzed to measure the maximum corrosion width H MAX in the corroded area 12 in the direction perpendicular to the weld line direction 11 from the bead toe.
  • the corrosion resistance was evaluated as excellent when the maximum corrosion width H MAX was less than 6.0 mm, and insufficient when the maximum corrosion width H MAX was 6.0 mm or more, and was evaluated as insufficient when the maximum corrosion width H MAX was 6.0 mm or more.
  • a tensile test piece according to JIS Z 2241 was obtained from the welded joint by machining.
  • the tensile test piece was prepared so that the welded part was in the center.
  • a tensile test of the prepared tensile test piece a tensile test was performed at room temperature with a tensile speed of 10 mm/min to obtain the tensile strength of the joint.
  • the value obtained by dividing this value by the tensile strength of the base material (here, simply referred to as the strength ratio) was used as an evaluation parameter of the welded joint strength.
  • the evaluation of the welded joint strength was performed as follows: when the strength ratio was 0.6 or more, it was judged to be more excellent and was marked with " ⁇ ", when it was 0.5 or more and less than 0.6, it was judged to be excellent and was marked with " ⁇ ", and when it was less than 0.5, it was judged that the welded joint strength was insufficient and was marked with " ⁇ ".
  • the S RATIO was 15% or less and the d/ t2 was 0.20 or more and 0.80 or less, and weld joints excellent in corrosion resistance and weld joint strength were obtained.
  • Weld Nos. 1 to 4 and 12 to 14 had an S RATIO of 15% or less and d/ t2 of 0.30 to 0.70, and thus weld joints with superior corrosion resistance and weld joint strength were obtained.
  • the S RATIO was greater than 15%, or d/ t2 was less than 0.20 or greater than 0.80, and good weld joints were not obtained.
  • the evaluation was A when "S RATIO is 15% or less, d/ t2 is 0.30 to 0.70, and the welded joint strength is 'A'"
  • the evaluation was B when "S RATIO is 15% or less, d/ t2 is 0.20 to 0.30, or S RATIO is 15% or less, d/ t2 is more than 0.70 and 0.80 or less, and the welded joint strength is ' ⁇ '”
  • Evaluation F was considered to be a failure, and evaluations A and B were considered to be passes.

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Abstract

本発明は、スラグの付着量が少なく、安定した溶込み深さを有し、溶接継手強度および溶接部の耐食性に優れるアーク溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。 2枚の鋼板から成る角を接合する重ね隅肉アーク溶接によって製造されるアーク溶接継手であって、前記アーク溶接継手は上板、下板、および前記上板と前記下板を接合する溶接部と、を有しており、上板と下板は所定の板厚であり、前記下板の板厚tと、溶接部断面における上板と下板の境界から溶接ビードの下面までの距離である溶込み深さdが所定の式を満足し、かつ、溶接ビード表面のビード表面積SBEADとスラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積SSLAGとを用いて所定の式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIOが15%以下である、アーク溶接継手。

Description

アーク溶接継手およびその製造方法
 本発明は、スラグの付着量が少なく、安定した溶込み深さを有し、溶接継手強度および溶接部の耐食性に優れるアーク溶接継手およびその製造方法に関するものである。
 近年、自動車に対して、車体の安全性および信頼性の向上を目的とした、車体に使用する部材の高強度化および高剛性化と、燃費改善を目的とした部材の軽量化とを両立するニーズが高まっている。その結果、高強度鋼板の適用による部材鋼板の薄肉化が進められている。一方、自動車に採用される様々な部材の中でも特に足回り部材(たとえばロアアーム等)は、部材強度や剛性の観点から、ボデーに比べ厚肉の鋼板が使用される。したがって、足回り部材で使用する鋼板の高強度化を図り、さらに鋼板の薄肉化を達成すれば、車体のさらなる軽量化が可能となる。これにより、部材強度や剛性を確保しつつ、燃費の改善が実現される。
 一般に、腐食環境下で使用される部材は、耐食性を確保する目的で、溶接後に化成処理および電着塗装等の防錆処理が施される。しかし、経時に伴い、溶接部およびその近傍で錆や腐食が確認される場合がある。上記のように、電着塗装を施した部材に発生する腐食は、溶接部から発生しやすく、時間の経過とともに溶接部とその周辺の広い範囲で塗膜膨れを伴いながら拡大し、板厚方向にも進行していく。このようにして腐食が進行すると、溶接部とその近傍の板厚が減少し、その結果、溶接部の強度低下、ひいては部材の強度低下を招く。つまり、溶接部に荷重が作用する部材(たとえば自動車の足回り部材等)において腐食が発生し、かつ進展すると、部材の破壊につながる場合がある。
 電着塗装を行なう際には、母材鋼板ならびに溶接金属と電着塗膜との密着性を高めるために、前処理として母材鋼板ならびに溶接金属に対して化成処理(たとえばリン酸亜鉛処理等)を施した後、電着塗装を行なう。化成処理の一例として広く普及しているリン酸亜鉛処理とは、母材鋼板ならびに溶接金属の表面にリン酸亜鉛結晶を成長させて、電着塗装における塗膜の密着性を高める技術である。ところが、従来の技術では、電着塗装に先立って化成処理を施した部材においても、時間の経過とともに溶接部とその周辺の広い範囲で塗膜膨れが頻繁に発生する。つまり、前処理として上記の化成処理を施した後、電着塗装を行なう技術では、溶接部を起点とする腐食の発生を完全に抑制することは困難である。
 また、めっき層を有する鋼板を使用した部材に対してアーク溶接を行うと熱源であるアークプラズマ(以下、アークという)によって高熱に曝される溶接部ではめっき層が蒸発し、非めっき部が局部的に露出する。したがって、コスト高のめっき層を有する鋼板の使用に見合うような耐食性の大幅な向上は期待できない。
 以上に説明した通り、部材の耐食性を改善する製造技術には様々なものが開発されているが、いずれも長所と短所を併せ持っている。そして、製造コストの上昇を抑えながら耐食性の向上を図る観点から、溶接部を起点とする腐食の発生と進展を一層効果的に防止する技術が検討されている。
 溶接部から腐食が発生する起点として、
(a)溶接部(主に溶接ビードの表面)に付着したスラグ、
(b)溶接部に付着した溶接ヒューム、
(c)溶接によって高温に曝される鋼板の表面で生成した酸化物、
が従来から知られている。上記した(a)(b)の付着物や(c)の酸化物が溶接部に存在する部材を化成処理に供しても、これらの付着物や生成物を起点として、リン酸亜鉛結晶からなる化成処理層で覆われない領域が局部的に残留する。そのような領域に電着塗装を施しても塗膜の形成が不十分であり、塗膜の密着性が不十分となるので、耐食性が著しく低下し、腐食の発生と進展に起因する板厚の減少を引き起こす。上記した(a)(b)の付着物や(c)の酸化物の発生を防止する技術として以下の内容が検討されている。
 たとえば、特許文献1には、アーク溶接した後、電着塗装を施す前の溶接部とその近傍に、pHが2以下で液温が30~90℃の非酸化性の酸性溶液を用いてスプレー処理もしくは浸漬処理を行なう技術が開示されている。この技術は、溶接ビードや母材鋼板を非酸化性の溶液で溶解することによって、上記した(a)のスラグ、(b)の溶接ヒューム、(c)の酸化物を除去するものである。
 しかし、特許文献1に開示された技術では、電着塗装の前に酸性溶液を洗い流す必要があるので、部材の製造工程が複雑になる。また、所望の形状に成形された部材は多様な形状の鋼板を重ね合わせて接合されたものであるから、重ね合わせた隙間に残留した酸性溶液が激しい腐食を引き起こす。さらに、酸性溶液を大量に使用するので、製造設備が腐食環境に曝されて腐食や故障を生じやすくなることに加えて、ヒュームの飛散を防止して作業員の安全を確保する必要がある。
 特許文献2には、アーク溶接にて使用する溶接ワイヤと母材の合計Si量を低減し、溶接ワイヤと母材の合計Mn量を増加することによって溶接部およびその近傍の塗装後耐食性を高める技術が開示されている。
 しかし、スラグの生成を抑制する観点からSiの含有量を低減すれば、鋼板の強度が低下するのは避けられない。つまり、特許文献2に開示された技術では、部材の強度を確保するために厚肉の鋼板を使用せざるを得ず、車体の軽量化を達成するのは困難である。
 特許文献3には、スラグや溶接ヒューム、ならびに酸化物が存在する溶接ビードであっても、化成処理で使用する処理液の成分を調整することによって、化成処理層を十分に形成する技術が開示されている。具体的には、リン酸亜鉛コロイドを含有する表面調整液を用いて表面処理を行なうことによって、化成処理層の形成を容易にする。さらに、F含有量が100質量ppm以上であるリン酸亜鉛処理液を用いて化成処理を行なうことで、スラグ、溶接ヒューム、ならびに酸化物を溶解除去して、電着塗装による塗膜の密着性を高めるものである。
 しかし、特許文献3に開示された技術では、毒物指定されているフッ素を含有するリン酸亜鉛処理液を使用するので、その廃液を工場外へ排出する際には、環境基準を満たすレベルまでフッ素を低減しなければならない。したがって、部材の製造設備に加えて、大規模な廃液処理設備が必要となる。
特開平9-20994号公報 特開平8-33997号公報 特許第5549615号公報
 本発明は、これらの課題を鑑みてなされたものであり、スラグの付着量が少なく、安定した溶込み深さを有し、溶接継手強度および溶接部の耐食性に優れるアーク溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明者らは、溶接部の耐食性向上を図り、さらに安定した溶込み深さを有する溶接継手を安定的に得るためには、溶接部に付着するスラグを低減させ、さらにパルス溶接を用いて周期的な短絡移行を実現することが最も効果的であることを見出した。
 溶接部のスラグ生成量を抑制するには、鋼板ならびに溶接ワイヤに含まれるSi、Mn、Ti等の酸化を抑制することが重要であり、酸化性ガスの含有量を低減させたシールドガスを使用することで、これらの元素の酸化が抑制され、スラグ生成量を低減できる。ただし、シールドガス中のArガス比率を高くしたガスシールドアーク溶接では、アークの広がりが大きくなる。その結果、母材への熱流束が低下し、溶接部は浅い溶込み深さとなる。また、鋼板表面の酸化皮膜がクリーニング作用により除去された後、陰極点が鋼板表面を這い回るためアークが不安定になる。その結果、溶込み深さは不安定となる。そこで、発明者らは、パルス溶接を用いて、陰極点の這い周りを低減し、かつアークのふらつきに影響されにくい周期的な短絡移行を実現し、かつパルス電流波形を用いることでスラグ付着が少なく安定的した溶込みを有し、溶接継手強度および溶接部の耐食性に優れる溶接継手が得られる技術を見出した。
 本発明は、上記の知見によるものであり、その要旨は次のとおりである。
[1] 2枚の鋼板から成る角を接合する重ね隅肉アーク溶接によって製造されるアーク溶接継手であって、
前記アーク溶接継手は上板、下板、および前記上板と前記下板を接合し、前記上板と前記下板に対して溶け込んでいる溶接部とを有しており、
上板の板厚tおよび下板の板厚tがそれぞれ5.0mm以下で、
前記下板の板厚tと、前記溶接部の断面における上板と下板の境界から溶接ビードの下面までの距離である溶込み深さdが下記(1)式を満足し、
かつ、溶接ビード表面のビード表面積SBEADと前記ビード表面積SBEADのうちのスラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積SSLAGとを用いて下記(2)式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIOが15%以下である、アーク溶接継手。
0.20≦d/t≦0.80 ・・・(1)
(1)式中では、t(mm):下板の板厚、d(mm):溶込み深さを示す。
RATIO=SSLAG /SBEAD ×100 ・・・(2)
(2)式中では、SBEAD(mm):ビード表面積、SSLAG(mm):スラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積、SRATIO(%):スラグ被覆面積率を示す。
[2] 前記[1]に記載のアーク溶接継手を製造するアーク溶接継手の製造方法であって、
アーク溶接方法はパルスピーク電流とパルスベース電流を周期的に繰り返すパルス溶接であり、
平均溶接電流IAVEが100A以上320A以下であり、
パルスピーク電流Iが400A以上600A以下であり、
パルスピーク時間Tが1.5ms以上3.5ms以下であり、
溶接時のシールドガスとして98体積%以上であるArガスを使用し、
溶接ワイヤと母材が短絡することで溶滴移行が達成される、アーク溶接継手の製造方法。
[3] 前記パルス溶接において、前記パルスピーク電流I、パルスベース電流I、前記パルスピーク時間T、パルスベース電流からパルスピーク電流までの立ち上がり時間Tup、パルスピーク電流からパルスベース電流までの立ち下がり時間Tdown、アーク電圧V、溶接速度Wが下記(3)式を満足する、[2]に記載のアーク溶接継手の製造方法。 
5.8≦(I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000≦14.4・・・(3)
(A):パルスピーク電流、I(A):パルスベース電流、T(ms):パルスピーク時間、Tup(ms):立ち上がり時間、Tdown(ms):立ち下がり時間、V(V):アーク電圧、W(cm/s):溶接速度
 本発明によれば、安定的した溶込みを有することで優れた溶接継手強度を確保し、さらにはスラグ生成を抑制することで溶接部の耐食性に優れた溶接継手を得ることができる。しかも、従来の炭酸ガス溶接または不活性ガスと活性ガスの混合ガスを使用するMAG溶接または不活性ガスを主成分としたガスを使用するMIG溶接で用いる溶接装置を特別な仕様に変更せずとも上記の効果を得ることができる。
アーク溶接によって作製される溶接継手の一例を示す概略図である。 図2(a)および図2(b)は、従来のアーク溶接による溶滴移行の様子を示す概略図である。 図3(a)および図3(b)は、本発明による短絡移行の様子を示す概略図である。 溶接部断面において溶込み深さおよびのど厚を説明する概略図である。 本発明のアーク溶接におけるパルス電流波形を示す概略図である。 溶接ビードにおけるビード面積およびスラグ被覆面積を示す概略図である。 溶接ビードにおける耐食性試験の様子を示す概略図である。
 以下、図面を参照し、本発明の詳細を説明する。図1は、本発明の実施形態の一例を示す、アーク溶接によって作製される溶接継手の一例を示す概略図である。この例では、代表として2枚の鋼板から成る角を接合する重ね継手の隅肉アーク溶接を示しているが、本発明では、溶接継手形状と溶接姿勢は限定しない。
 本発明では、例えば図1に示されるように、溶接トーチ2の中心部を通って溶接トーチ2から母材3(詳しくは、例えば母材3を2枚重ねて形成した段差のすみ部からなる溶接線)へ連続的に送給される溶接ワイヤ1を陽極、母材3を陰極として、溶接電源(図示せず)から溶接電圧が印加される。溶接トーチ2の中にコンタクトチップが装着され、コンタクトチップは溶接ワイヤ1への給電と送給ガイドの役割を担っている。溶接トーチ2内から供給されるArシールドガス(図示せず)の一部が電離・プラズマ化することで溶接ワイヤ1と母材3の間にアーク5Bが形成される。また、上記Arシールドガスの内、電離を生じず溶接トーチ2から母材3へと流れる分は、アーク5Bおよび母材3が溶融し形成される溶融池(図1では図示せず)を外気から遮断する役割を持つ。アーク5Bからの入熱により、溶接ワイヤ1の先端部が溶融して溶滴となり、該溶滴が、電磁力や重力等によって溶融池へと輸送される。この現象が、溶接トーチ2または母材3の移動に伴って連続的に生じることで、溶接線の後方では溶融池が凝固し、溶接ビード6が形成される。これにより、少なくとも2枚の鋼板(母材3)の接合が達成される。
 一方、本発明が対象としている炭素鋼に対して、従来のMIG溶接を行った場合、溶接が極めて不安定であるという課題が存在する。MAG溶接またはMIG溶接では、電極(ワイヤ)を陽極とする逆極性溶接であるため、母材の鋼板表面において酸化物のように仕事関数が低く、電子放出が起こりやすい領域を起点として陰極点が形成される。例えば、母材表面に強固な酸化皮膜を持つアルミニウム合金では、溶接線上の酸化皮膜を起点として陰極点が安定して形成するため良好な溶接が可能である。これに対し、酸化皮膜を有しにくい鋼では、OまたはCO由来の酸化物が生成しないMIG溶接では、陰極点が定まらず、仕事関数の低い箇所を求めて陰極点が母材表面を激しく動き回る。このため、母材への入熱が安定して得られず、溶込み深さが過小であったり、溶込み深さのばらつきが大きい溶接継手が得られる。また、溶接が不安定化することにより、溶融池への酸化性ガスの侵入を遮断するArシールドガスのシールド性が低下し、スラグの生成が増加する場合がある。
 この現象に対し、本発明者らは溶接実験によるアーク挙動を観察し、炭素鋼を対象としたMIG溶接で問題として上記で挙げられた溶込み不足ならびに溶込みの不安定化、スラグ生成の増加の主たる原因は、不安定な溶滴移行であると考えた。
図2(a)および図2(b)には、従来のMIG溶接による溶滴移行の様子を説明する概略図を示す。従来のMIG溶接の溶滴移行では、図2(a)のように溶接ワイヤ1が溶融し、細長い液柱から連続的に溶融池8へと輸送される形態と、図2(b)のように溶接ワイヤ1先端に大きな溶滴7が生成し、それが落下または短絡により溶融池8へと輸送される形態が混在する。この不安定な溶滴移行を抑制するためには、溶接ワイヤ1先端から溶滴7を規則的に離脱させることが有効であると考えられるが、Arシールドガスの場合、溶接ワイヤ1に作用する電磁ピンチ力が小さく、溶滴7の離脱が困難となる。
そこで、本発明では、溶滴移行を安定化させる手段として、溶接ワイヤ1先端と母材3との間で、図3(a)の非短絡状態と、図3(b)の短絡状態とが規則的に繰り返され、短絡状態時に溶滴7が母材3へ移行する、いわゆる周期的な短絡移行により接合を完了させることが有効であることを知見した。さらに、更なる溶接実験を重ねた結果、パルス電流波形のパルスピーク電流ならびにパルスピーク時間を限定することで、図4に示すような溶接部断面の溶込み深さを所定の値に制御することができ、所定の溶接継手強度が得られることを知見した。
 図4に溶接部断面において溶込み深さおよびのど厚を説明する概略図を示す。アーク溶接継手は、上板20、下板21、および上板20と下板21を接合し、前記上板20と前記下板21に対して溶け込んでいる溶接ビード6とを有しており、溶込み深さ23とは溶接部断面における上板20と下板21の境界24から溶接ビード6の下面までの距離のことを指す。下板の板厚tは符号22である。
 下板の板厚tと溶込み深さdが式(1)を満足
0.20 ≦d/t≦ 0.80・・・(1)
(1)式中では、t(mm):下板の板厚、d(mm):溶込み深さを示す。
 d/tが0.20未満では、溶接部の溶込み不良が発生し、溶接継手強度が低下する。そのため、d/tは0.20以上とする。d/tは好ましくは0.25以上である。d/tはより好ましくは0.30以上である。d/tはさらに好ましくは0.32以上である。もっとも好ましくは0.35以上である。一方、d/tが0.80を超える場合では、溶接時の入熱過多によって溶接熱影響部の領域が大きくなり、溶接継手強度の低下を引き起こす。また、溶接変形が大きくなることによっても所定の溶接継手強度が得られない場合がある。このため、d/tは0.80以下とする。d/tは好ましくは0.75以下である。d/tはより好ましくは0.70以下である。d/tはさらに好ましくは0.68以下である。d/tはもっとも好ましくは0.65以下である。
 上板の板厚tおよび下板の板厚tが5.0mm以下
 上板の板厚tおよび下板の板厚tが5.0mmより大きい場合、入熱の拡散によって溶込みが過小となり、また図4に示すのど厚25が小さくなり、外荷重を受け持つ断面積(のど厚×溶接長)が過小となるため、溶接継手強度の低下に繋がる。そのため、上板の板厚tおよび下板の板厚tが5.0mm以下とする。上板の板厚tおよび下板の板厚tが4.8mm以下とすることが好ましい。4.5mm以下とすることがより好ましい。4.2mm以下とすることがさらに好ましい。4.0mm以下とすることがもっとも好ましい。下限については特に限定されるわけではないが、上板の板厚tおよび下板の板厚tは0.5mm以上とすることが好ましい。0.8mm以上とすることがより好ましい。1.0mm以上とすることがさらに好ましい。1.2mm以上とすることがもっとも好ましい。なお、溶接長とは図6で示す溶接ビード6の溶接線方向11の長さを指している。
 スラグ被覆面積率SRATIOが15%以下
 溶接ビード表面のビード表面積SBEADと前記ビード表面積SBEADのうちのスラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積SSLAGとを用いて下記(2)式で算出される、スラグ被覆面積率SRATIOが15%を超える場合、溶接部の広い範囲でスラグを起点とした錆発生ならびに腐食が進行し、板厚減少による溶接継手強度の低下が生じ得る。そのため、スラグ被覆面積率SRATIOは15%以下とする。スラグ被覆面積率SRATIOは好ましくは、14%以下である。スラグ被覆面積率SRATIOは、より好ましくは12%以下である。スラグ被覆面積率SRATIOはさらに好ましくは、10%以下である。スラグ被覆面積率SRATIOは、もっとも好ましくは8%以下である。下限は特に限定されるわけではなく、0%であってもよい。
RATIO=SSLAG /SBEAD ×100 ・・・(2)
(2)式中では、SBEAD(mm):ビード表面積、SSLAG(mm):スラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積、SRATIO(%):スラグ被覆面積率を示す。
 次にアーク溶接継手の製造方法について説明する。
 平均溶接電流IAVEが100A以上320A以下でパルス溶接
 図5に本発明のアーク溶接におけるパルス電流波形を示す概略図を示す。パルス溶接とは、パルスピーク電流(I)とパルスベース電流(I)が周期的に繰り返されて溶接する方法である。平均溶接電流IAVEとは図5のパルス波形で示すように周期的に変化する溶接電流の時間平均をとった値である。平均溶接電流IAVEが100A未満となるパルス溶接では、MIGアークの不安定化を抑制できず、所定の溶込み深さが得られない。そのため、平均溶接電流IAVEは100A以上とする。平均溶接電流IAVEは好ましくは、120A以上である。平均溶接電流IAVEはより好ましくは、140A以上である。平均溶接電流IAVEはさらに好ましくは、160A以上である。平均溶接電流IAVEはもっとも好ましくは、180A以上である。平均溶接電流IAVEが320Aを超えるパルス溶接では、入熱量が過大となることで溶接欠陥である溶落ちが発生する場合がある。そのため、平均溶接電流IAVEは320A以下とする。平均溶接電流IAVEは好ましくは、300A以下である。平均溶接電流IAVEはより好ましくは、270A以下である。平均溶接電流IAVEはさらに好ましくは、260A以下である。平均溶接電流IAVEはもっとも好ましくは、250A以下である。
 パルスピーク電流Iが400A以上600A以下
 パルスピーク電流Iが400A未満では、入熱量が過小となることで、溶込み深さが低下する。そのため、パルスピーク電流Iは400A以上とする。パルスピーク電流Iは好ましくは450A以上である。パルスピーク電流Iはより好ましくは470A以上である。パルスピーク電流Iはさらに好ましくは490A以上である。パルスピーク電流Iはもっとも好ましくは500A以上である。また、パルスピーク電流Iが600Aより大きい場合では、瞬間的な入熱量が過大となることで溶接欠陥である溶落ちが発生する場合がある。溶接欠陥である溶落ちが発生するということは、母材が正常に接合されておらず、所定のアーク溶接継手を得ることができないことを指す。このため、パルスピーク電流Iは600A以下とする。パルスピーク電流Iは好ましくは590A以下である。パルスピーク電流Iはより好ましくは580A以下である。パルスピーク電流Iはさらに好ましくは570A以下である。パルスピーク電流Iはもっとも好ましくは560A以下である。
 なお、パルスベース電流(I)は過小であるとベース期間でのアーク放電が不安定になりビード形状の劣化を生じ、また溶込み不足となる場合がある。このため、パルスベース電流(I)は30A以上とすることが好ましい。パルスベース電流(I)はより好ましくは40A以上である。パルスベース電流(I)はさらに好ましくは45A以上である。パルスベース電流(I)はもっとも好ましくは50A以上である。一方、過大であると溶落ちを引き起こし、またパルスピーク電流(I)とパルスベース電流(I)の差を十分に確保できず、溶接ワイヤ1先端に形成した溶滴7を溶融池8へと押し下げ短絡させる作用が十分に得られず溶接が安定しない場合がある。このため、パルスベース電流(I)は120A以下とすることが好ましい。パルスベース電流(I)は110A以下とすることがより好ましい。パルスベース電流(I)はさらに好ましくは100A以下である。パルスベース電流(I)は90A以下とすることがもっとも好ましい。
 パルスピーク時間Tが1.5ms以上3.5ms以下
 パルスピーク時間Tが1.5ms未満では、パルスピーク電流と同様に入熱量が過小となることで、溶込み深さが低下する。そのため、パルスピーク時間Tは1.5ms以上とする。パルスピーク時間Tは、好ましくは1.8ms以上とする。パルスピーク時間Tはより好ましくは2.0ms以上である。パルスピーク時間Tは、さらに好ましくは2.1ms以上とする。また、パルスピーク時間Tが3.5msを超える場合では、入熱量が過大となることで溶接欠陥である溶落ちが発生する場合がある。このため、パルスピーク時間Tは3.5ms以下とする。パルスピーク時間Tは、好ましくは3.2ms以下とする。パルスピーク時間Tはより好ましくは3.0ms以下である。パルスピーク時間Tは、さらに好ましくは2.9ms以下とする。パルスピーク時間Tは、より好ましくは2.8ms以下とする。
 パルスピーク電流Iとパルスベース電流I、パルスピーク時間T、パルスベース電流からパルスピーク電流までの立ち上がり時間Tup、パルスピーク電流からパルスベース電流までの立ち下がり時間Tdown、アーク電圧V、溶接速度Wが下記(3)式を満足(好適条件)
5.8 ≦(I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000 ≦ 14.4 ・・・(3)
(A):パルスピーク電流、I(A):パルスベース電流、T(ms):パルスピーク時間、Tup(ms):立ち上がり時間、Tdown(ms):立ち下がり時間、V(V):アーク電圧、W(cm/s):溶接速度
 (I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000が5.8kJ/cm未満の場合、溶込みに影響を及ぼすピーク時の入熱量が過小となり、溶込み深さ23が低下する。そのため、(I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000は5.8kJ/cm以上とすることが好ましい。より好ましくは6.5kJ/cm以上である。さらに好ましくは7.0kJ/cm以上である。もっとも好ましくは7.5kJ/cm以上である。また、14.4kJ/cmを超える場合では、入熱量が過大となることで溶接欠陥である溶落ちが発生する場合がある。このため、(I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000は14.4kJ/cm以下とすることが好ましい。より好ましくは12.8kJ/cm以下である。さらに好ましくは11.5kJ/cm以下である。もっとも好ましくは10.2kJ/cm以下である。
 シールドガスとして98体積%以上であるArガスを使用
 シールドガスのArガス比率が98体積%未満である場合、シールドガス中の酸化性ガスと溶融金属に含まれる合金元素との化学反応が促進され、耐食性低下の原因となるスラグの生成量が増加する。そのため、シールドガスのArガス比率は98体積%以上とする。シールドガスのArガス比率は好ましくは99体積%以上である。上限は特に限定されるわけではなく、Arガス比率は100%であってもよい。
 本発明で使用する溶接ワイヤ1は特に限定しない。例えば、JIS Z 3312 に記載されているMAG溶接用のソリッドワイヤなどを用いることが可能である。
 また、本発明の母材3は、鋼板およびめっき鋼板を対象とする。鋼板の成分組成は限定されるものではないが、例えば、C:0.02~0.3質量%、Si:0.01質量%以上、Mn:0.5%質量%以上、P:0.05質量%以下、S:0.05質量%以下が含有された鋼板が好ましく、その他にCu、Ni、Cr、Ti等の合金元素を含有しても良い。上記鋼板では、Siは3.0質量%以下とすることが好ましく、Mnは5.0質量%以下とすることが好ましい。また、Pの下限は特に限定されるものではないが0.0005質量%以上とすることが好ましく、Sの下限は特に限定されるものではないが0.0005質量%以上とすることが好ましい。また、めっき鋼板におけるめっき組成は特に限定されないが、例えばZnが挙げられる。
 以下、本発明の実施例について説明する。表1に示す成分を有する2枚の鋼板(2枚の鋼板は同板厚)を用いて重ね、例えば図1に示す方法にて隅肉溶接を行なった。なお、表1に示す以外の鋼板の成分として、FeならびにCu、Ni、Cr、Ti等の合金元素を含む。溶接は表2に示す溶接条件で実施した。溶接ワイヤにはJIS Z 3312 に記載されているMAG溶接用のソリッドワイヤを用いた。
 以上のようにして得られた溶接された鋼板について、以下の試験方法に従い、スラグ被覆面積率、溶込み深さ、溶接部の耐食性、溶接継手強度を評価した。
 (スラグ被覆面積率)
 図6は溶接ビードにおけるビード面積およびスラグ被覆面積を示す概略図である。図6に示すようなビード表面積SBEADとスラグ被覆表面積SSLAGは、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を除いた領域の表面を真上から撮影し、溶接ビード6およびスラグの上面からの投影面積を測定して算出する。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する。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を除いて任意の部位(長さ100mm)の表面を撮影する。算出したスラグ表面積SSLAGの値をビード表面積SBEADの値で除すことでスラグ被覆面積率SRATIOを求めた。SRATIOが15%以下を合格とした。
 (溶込み深さ)
 溶込み深さdの測定は、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を除いた領域において、図4に示すように溶接ビード6の任意の5箇所における溶接線に垂直(図6に記載の直線AAに平行な方向)な板厚方向断面を観察して行った。ただし、任意の5箇所は互いに5mm以上離れた位置とした。ここでは、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、各々の溶込み深さ23を求め、それらの平均値を「溶込み深さd(mm)」とした。d/t(tは下板の板厚)が0.20以上0.80以下を合格とした。
 (耐食性評価結果)
 図7は溶接ビードにおける耐食性試験の様子を示す概略図である。まず、腐食試験後のアーク溶接継手を浸漬用剥離剤に浸漬して電着塗装を剥離した後、ISO8407に準拠して腐食生成物を除去した。次いで、溶接ビード6のビード始終端部10(各々長さ15mm)を含む場合は、ビード始終端部10を除いた領域の表面を撮影し、得られた写真を解析して腐食領域12においてビード止端部から溶接線方向11に垂直な方向への最大腐食幅HMAXを測定した。溶接ビード6の長さが130mm未満であった場合は、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以上であった場合は、ビード始終端部10を除いて任意の部位(長さ100mm)の表面を撮影した。耐食性の評価は、最大腐食幅HMAXが6.0mm未満の場合を優れていると判断して「○」とし、6.0mm以上の場合を耐食性が不足していると判断して「×」とした。
 (溶接継手強度の評価結果)
 まず、機械加工により、溶接継手からJIS Z 2241に記載の引張試験片を得た。なお、引張試験片は溶接部が中央になるように作製した。作製した引張試験片の引張試験として、室温にて、引張速度10mm/minの引張試験を実施し、継手引張強度を取得した。この値を母材の引張強度で除した値(ここでは、単に強度比という)を溶接継手強度の評価パラメータとした。溶接継手強度の評価は、強度比が0.6以上の場合をより優れると判断して「◎」とし、0.5以上0.6未満の場合を優れると判断して「〇」とし、0.5未満の場合を溶接継手強度が不足していると判断して「×」とした。
 表2から明らかなように、発明例として示す溶接No.1~6、12~17は、SRATIOが15%以下かつd/tが0.20以上0.80以下であり、耐食性ならびに溶接継手強度に優れた溶接継手が得られた。
 これら発明例のうちの溶接No.1~4、12~14は、SRATIOが15%以下かつd/tが0.30以上0.70以下であり、より耐食性ならびに溶接継手強度に優れた溶接継手が得られた。
 これに対して、比較例である溶接No.7~11はSRATIOが15%より大きい、またはd/tが0.20未満もしくは0.80より大きく、良好な溶接継手が得られなかった。
 なお、表2では、「SRATIOが15%以下かつd/tが0.30以上0.70以下かつ溶接継手強度が『◎』」の場合に評価Aとし、「SRATIOが15%以下かつd/tが0.20以上0.30未満もしくはSRATIOが15%以下かつd/tが0.70より大きく0.80以下かつ溶接継手強度が『〇』」の場合に評価Bとし、「SRATIOが15%より大きい、またはd/tが0.20未満もしくは0.80より大きい、または溶接継手強度が『×』」の場合に評価Fとした。評価Fは不合格とし、評価A、Bを合格とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  1 溶接ワイヤ
  2 溶接トーチ
  3 母材
  5B アーク
  6 溶接ビード
  7 溶滴
  8 溶融池
  10 ビード始終端部
  11 溶接線方向
  12 腐食領域
  20 上板
  21 下板
  22 下板の板厚
  23 溶込み深さ
  24 溶接部断面における上板と下板の境界
  25 のど厚
  Tup 立ち上がり時間
  T ピーク電流時間
  Tdown 立ち下がり時間
  T パルスベース電流時間
  Tup+T+Tdown+T パルス1周期
  SBEAD ビード表面積
  SSLAG スラグ被覆表面積
  HMAX 最大腐食幅
 

 

Claims (3)

  1.  2枚の鋼板から成る角を接合する重ね隅肉アーク溶接によって製造されるアーク溶接継手であって、
    前記アーク溶接継手は上板、下板、および前記上板と前記下板を接合し、前記上板と前記下板に対して溶け込んでいる溶接部とを有しており、
    上板の板厚tおよび下板の板厚tがそれぞれ5.0mm以下で、
    前記下板の板厚tと、前記溶接部の断面における上板と下板の境界から溶接ビードの下面までの距離である溶込み深さdが下記(1)式を満足し、
    かつ、溶接ビード表面のビード表面積SBEADと前記ビード表面積SBEADのうちのスラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積SSLAGとを用いて下記(2)式で算出されるスラグ被覆面積率SRATIOが15%以下である、アーク溶接継手。
    0.20≦d/t≦0.80 ・・・(1)
    (1)式中では、t(mm):下板の板厚、d(mm):溶込み深さを示す。
    RATIO=SSLAG /SBEAD ×100 ・・・(2)
    (2)式中では、SBEAD(mm):ビード表面積、SSLAG(mm):スラグで覆われた領域の面積であるスラグ表面積、SRATIO(%):スラグ被覆面積率を示す。
  2.  請求項1に記載のアーク溶接継手を製造するアーク溶接継手の製造方法であって、
    アーク溶接方法はパルスピーク電流とパルスベース電流を周期的に繰り返すパルス溶接であり、
    平均溶接電流IAVEが100A以上320A以下であり、
    パルスピーク電流Iが400A以上600A以下であり、
    パルスピーク時間Tが1.5ms以上3.5ms以下であり、
    溶接時のシールドガスとして98体積%以上であるArガスを使用し、
    溶接ワイヤと母材が短絡することで溶滴移行が達成される、アーク溶接継手の製造方法。
  3.  前記パルス溶接において、前記パルスピーク電流I、パルスベース電流I、前記パルスピーク時間T、パルスベース電流からパルスピーク電流までの立ち上がり時間Tup、パルスピーク電流からパルスベース電流までの立ち下がり時間Tdown、アーク電圧V、溶接速度Wが下記(3)式を満足する、請求項2に記載のアーク溶接継手の製造方法。
    5.8≦(I×(T+Tup+Tdown)-(I-I)×(Tup+Tdown)/2)/(T+Tup+Tdown)×V/W/1000≦14.4・・・(3)
    (A):パルスピーク電流、I(A):パルスベース電流、T(ms):パルスピーク時間、Tup(ms):立ち上がり時間、Tdown(ms):立ち下がり時間、V(V):アーク電圧、W(cm/s):溶接速度

     
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