(57)【要約】【課題】ワイヤと鋼板とがガスシールドアーク溶接された、アーク溶接部が高い疲労強度を有するアーク溶接部材を提供することを目的とする。【解決手段】Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉを含むワイヤと熱間圧延鋼板とがガスシールドアーク溶接されたアーク溶接部材であって、前記ワイヤ及び前記熱間圧延鋼板が混合した金属溶接部の組成が、  ０．４６質量％＜Ｓｉ＜０．５７質量％  １．７６質量％＜Ｍｎ＜１．８８質量％  ２．２１質量％＜Ｎｉ＜２．６８質量％を満たし、前記金属溶接部における前記ワイヤの存在割合が７５質量％以上９０質量％以下であり、前記金属溶接部のビッカース硬さが前記鋼板のビッカース硬さよりも大きいことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉを含むワイヤと熱間圧延鋼板とがガスシールドアーク溶接されたアーク溶接部材であって、
前記ワイヤ及び前記熱間圧延鋼板が混合した金属溶接部の組成が、
０．４６質量％＜Ｓｉ＜０．５７質量％
１．７６質量％＜Ｍｎ＜１．８８質量％
２．２１質量％＜Ｎｉ＜２．６８質量％
を満たし、
前記金属溶接部における前記ワイヤの存在割合が７５質量％以上９０質量％以下であり、
前記金属溶接部のビッカース硬さが前記鋼板のビッカース硬さよりも大きい、
前記アーク溶接部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤと鋼板とがガスシールドアーク溶接されたアーク溶接部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールドガスとしてＣＯ２ガスやＡｒガス及びＣＯ２ガスの混合ガスを用いる炭酸ガス溶接、ＭＡＧ溶接等のガスシールドアーク溶接は、自動車、造船、建築、橋梁等の分野において主に鉄鋼材料を溶接するため広く用いられている。特に、自動車分野においては、車両の軽量化のため、鋼板の高強度化とともに、アーク溶接部の疲労強度の向上が望まれている。
【０００３】
従来のガスシールドアーク溶接技術として、特許文献１には、０．３〜１．８質量％のＳｉ、０．８〜４．０質量％のＭｎ、及び１．５超〜３．０質量％のＮｉを含むフラックス入りワイヤと鋼板とを溶接する技術が開示されている。特許文献１の技術では、ワイヤと鋼板とが混合状態で溶け込んだ溶接部における溶け込み比率によって疲労強度が大きく変化してしまうため、安定した構造を保持することができず、改善の余地があった。
【０００４】
アーク溶接部の疲労強度に関しては、一般に、止端半径が大きいほど疲労強度が向上することが知られている。止端半径を改善する方法として、アーク溶接時のシールドガスの成分を高Ａｒ化したり、溶接狙いの調整等が行われている。例えば、図１に示すように、よりＣＯ２濃度が小さいシールドガスを用いることによりアークが広がり、止端半径（図１中の円の半径）を拡大することができる。しかし、低ＣＯ２シールドガスを用いると、アーク溶接の溶け込み深さが浅くなる傾向があるため、シールドガスの組成によって疲労強度を向上させるのには限界があった。
【０００５】
また、静的強さを向上させるために鋼板及びワイヤの化学成分を調整すると、溶融金属の粘性が上がり、止端半径が小さくなる傾向があり、疲労強度が低下することがあった。したがって、静的強さと疲労強度とを両立することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４５２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来技術では、十分な静的強さを確保しつつ、アーク溶接部の疲労強度を向上させることは困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、ワイヤと鋼板とがガスシールドアーク溶接された、アーク溶接部が高い疲労強度を有するアーク溶接部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者が鋭意検討を行った結果、鋼板とワイヤとが混合して形成される金属溶接部の組成を特定の範囲とし、さらに、金属溶接部のビッカース硬さと鋼板のビッカース硬さとの関係を規定することで、上記課題が解決されることを見い出し発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
【００１０】
（１）Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉを含むワイヤと熱間圧延鋼板とがガスシールドアーク溶接されたアーク溶接部材であって、
前記ワイヤ及び前記熱間圧延鋼板が混合した金属溶接部の組成が、
０．４６質量％＜Ｓｉ＜０．５７質量％
１．７６質量％＜Ｍｎ＜１．８８質量％
２．２１質量％＜Ｎｉ＜２．６８質量％
を満たし、
前記金属溶接部における前記ワイヤの存在割合が７５質量％以上９０質量％以下であり、
前記金属溶接部のビッカース硬さが前記鋼板のビッカース硬さよりも大きい、
前記アーク溶接部材。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガスシールドアーク溶接によって得られた部材の溶接部の２００万回疲労限界値が２５０ＭＰａを超え、高い疲労強度を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】シールドガスの組成によって止端半径が変化することを示す写真である。
【図２】ビッカース硬さの測定位置を説明するための写真である。
【図３】溶接金属部のＳｉ量と２００万回疲労限との関係を示すグラフである。
【図４】溶接金属部のＭｎ量と２００万回疲労限との関係を示すグラフである。
【図５】溶接金属部のＮｉ量と２００万回疲労限との関係を示すグラフである。
【図６】ビッカース硬さの差と２００万回疲労限との関係を示すグラフである。
【図７】止端半径と２００万回疲労限との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態に基づき本発明を詳細に説明する。
本実施形態のアーク溶接部材は、Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉを含むワイヤと熱間圧延鋼板とがガスシールドアーク溶接されたものである。部材の静的強さを確保するため、熱間圧延鋼板としては、引張強さが９８０ＭＰａ級の鋼板が好ましく用いられる。また、ワイヤとしては、８０ｋｇｆ級のアーク溶接ワイヤが好ましく用いられる。
【００１４】
アーク溶接によってワイヤと鋼板とが混合して溶け込んだ金属溶接部が形成される。本実施形態では、金属溶接部が少なくともＳｉ、Ｍｎ及びＮｉの３成分を含む。Ｓｉ及びＭｎは脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のために必要となる。また、Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉはいずれも、溶接金属の強度を増加させる元素である。その他、金属溶接部は、必要に応じてＣ、Ｓ、Ｐ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｕ等の元素を含むことができる。これらの成分以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００１５】
本実施形態において、金属溶接部におけるＳｉ、Ｍｎ及びＮｉの量は、Ｓｉが０．４６質量％超０．５７質量％未満であり、Ｍｎが１．７６質量％超１．８８質量％未満であり、Ｎｉが２．２１質量％超２．６８質量％未満である。各成分の量を上記範囲内とすることにより、溶接部の疲労強度を高めることができる。ワイヤ及び鋼板、あるいは金属溶接部の組成は、例えばＩＣＰ発光分光分析装置を用いて測定することができる。あるいは、ワイヤ及び鋼板の組成を予め測定しておき、それら２種類の組成から、金属溶接部におけるワイヤ及び鋼板の混合比（金属溶接部の断面観察によって算出できる）を考慮して求めても良い。
【００１６】
また、金属溶接部におけるワイヤの存在割合は、７５質量％以上９０質量％以下である。ワイヤの存在割合が７５質量％未満であると、十分な止端半径と金属溶接部の硬さが得られず、また９０質量％を超えると、十分な溶け込み深さが得られず低強度となるためいずれも不適である。
【００１７】
本実施形態において、金属溶接部のビッカース硬さは、鋼板のビッカース硬さよりも大きい。この相対関係と、Ｓｉ、Ｍｎ及びＮｉの量が所定の範囲内であること、及びワイヤの存在割合が７５質量％以上９０質量％以下であることを同時に満たすことにより、疲労強度の高いアーク溶接部材を得ることができる。金属溶接部と鋼板のビッカース硬さの差は、限定されるものではないが、５Ｈｖ以上であることが好ましい。
【００１８】
以上のアーク溶接部材は、通常の炭酸ガス溶接、ＭＡＧ溶接等のガスシールドアーク溶接の手法を適宜用いて、鋼板とワイヤとを溶接することにより製造することができる。得られるアーク溶接部材の形態としては、突合せ継手、Ｔ継手、十字継手、かど継手、当て金継手、重ね継手、へり継手等が挙げられる。
【００１９】
シールドガスは、ＡｒとＣＯ２との混合ガス、ＡｒとＯ２との混合ガス、あるいはＡｒとＣＯ２とＯ２との混合ガス等の酸化性ガスが適用可能である。あるいは、Ａｒを含まないＣＯ２単体の酸化性ガスを使用しても良い。
【００２０】
溶接速度は、低過ぎると凸形状のビードが発生し易くなり、一方、速度が高過ぎるとハンピングビードとなることが多いため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。例えば、溶接速度を６００ｍｍ／分〜１０００ｍｍ／分の範囲内とすることが好ましい。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（鋼板とワイヤの化学成分）
ガスシールドアーク溶接を行った鋼板とワイヤの化学成分は次のとおりである（単位は質量％）。
・９８０ＭＰａ級熱間圧延鋼板（新日鐵住金製）
Ｓｉ：１．１０  Ｍｎ：２．４５  Ｎｉ：０．０１４
・８０ｋｇｆ級高強度溶接ワイヤ（日鐵住金溶接工業製  ＹＭ−８０Ａ）
Ｓｉ：０．３９  Ｍｎ：１．６８  Ｎｉ：２．９８
【００２３】
（ガスシールドアーク溶接の条件）
上記ワイヤを用い、以下の条件で熱間圧延鋼板のアーク溶接を行った。溶接条件は以下のとおりである。
・平均電流値：２２０Ａ
・アーク電圧：２５Ｖ
・溶接速度：８０ｃｍ／分
・シールドガス：Ａｒ／ＣＯ２混合ガス（２０Ｌ／分）
【００２４】
（溶接金属部の化学成分量の求め方）
鋼板とワイヤの化学成分を予め測定しておき、溶接金属部の断面観察から求めた鋼板とワイヤの混合比に基づき、溶接金属部の化学成分の量を算出した。なお、鋼板及びワイヤの化学成分は、ＩＣＰ発光分光分析法、及び赤外線分析法によって測定した。断面観察から求められる鋼板とワイヤの混合比は体積比であるが、ワイヤと鋼板の密度はほぼ同一であるため、体積比はそのまま質量比と見なすことができる。
【００２５】
（ビッカース硬さ測定位置）
金属溶接部のビッカース硬さ、及び鋼板のビッカース硬さは、図２に示すように、溶接部の断面において、鋼板の表面から０．２ｍｍの深さで、溶接金属部と鋼板の境界を基準にして溶接金属側へ０．２５ｍｍ、鋼板側へ０．２５ｍｍの位置でそれぞれ測定した。測定は、マイクロビッカース測定機を用い、試験力は０．５ｋｇｆ、保持時間は１０秒とした。
【００２６】
（疲労試験方法）
・試験片作製
１５０ｍｍ×７０ｍｍサイズの鋼板を１０ｍｍ重ねてアーク溶接し、試験片を機械加工（フライス加工）で切り出して作製した。
・試験方法
平面曲げ疲労試験機を用い、応力比−１（両振り）、室温、大気中にて試験周波数２５Ｈｚで実施した。
試験機負荷トルクが１０％低下したときを試験終了として、２００万回以上保つ応力振幅を求めた。
【００２７】
種々の条件でガスシールドアーク溶接を行ったときの溶接部の状態（止端半径、溶接金属部におけるワイヤと鋼板の混合比、溶接金属部の化学成分量、及びビッカース硬さ）と、溶接部分の２００万回疲労限を下記の表１にまとめて示す。また、溶接金属部におけるＳｉ、Ｍｎ及びＮｉ量と２００万回疲労限との関係をそれぞれ図３〜５に示す。さらに、ビッカース硬さの差（溶接金属側−鋼板側）、及び止端半径と２００万回疲労限との関係をそれぞれ図６及び７に示す。
【００２８】
【表１】
2020066750.tif 000003
【００２９】
表１及び図３〜５に示すように、ワイヤ及び熱間圧延鋼板が混合した金属溶接部の化学成分は、Ｓｉ及びＭｎの量が少ないほど、Ｎｉの量が多いほど２００万回疲労限が高くなる傾向がみられた。上記の鋼板及びワイヤを用いた場合、金属溶接部におけるワイヤの存在割合が多い場合に、溶接金属部のＳｉ、Ｍｎ量が少なく、Ｎｉ量が多くなる。ワイヤ：鋼板の混合比（質量比）が１００：０では溶接がされていない状態であり、十分な静的強さを得るためには、最低でも９０：１０は必要である。この混合比をワイヤ量が多いときの上限とし、下限をワイヤ：鋼板＝７５：２５とすると、２００万回疲労限が２５０ＭＰａ以上となるような、溶接金属部における各成分の好ましい濃度範囲は、次のように求められた。
０．４６質量％＜Ｓｉ＜０．５７質量％
１．７６質量％＜Ｍｎ＜１．８８質量％
２．２１質量％＜Ｎｉ＜２．６８質量％
【００３０】
また、表１及び図６に示すように、金属溶接部のビッカース硬さと鋼板のビッカース硬さを比較して、金属溶接部の方が硬いと２００万回疲労限が大きくなることが分かった。
【００３１】
表１及び図７に示すように、実施例１及び２並びに比較例１における止端半径は、いずれも十分な大きさであった。実施例１及び２では、溶接金属部の組成が所定の範囲内であること、溶接金属側が硬いことと相まって、高い疲労強度が得られたものと考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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