СПОСОБ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРЕННОГО ДУГОВОЙ СВАРКОЙ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
METHOD FOR PRODUCTION OF STRUCTURAL ELEMENT WELDED BY ARC WELDING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу для производства сваренного дуговой сваркой конструктивного элемента, обладающего превосходной стойкостью к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, состоящего из покрытого способом погружения в расплав сплава на основе Zn-Al-Mg элемента из толстолистовой стали в качестве одного или обоих свариваемых элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием цинкового типа широко используется в различных областях, включая строительные элементы и детали корпусов автомобилей, благодаря ее хорошей коррозионной стойкости. В толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием цинкового типа толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав сплава на основе Zn-Al-Mg покрытием обеспечивает превосходную коррозионную стойкость в течение длительного периода времени, и поэтому является все более востребованной в качестве материала, альтернативного обычному стальному листу, оцинкованному способом погружения в расплав.
2
[0003] Как описано в Патентных документах PTL 1 и PTL 2, слой нанесенного на толстолистовую сталь способом погружения в расплав покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg имеет металлическую структуру, которая содержит тройную эвтектическую систему Zn/Al/ZnMg в качестве матрицы, содержащей диспергированную в ней фазу первичного алюминия или фазу первичного алюминия и фазу цинка, и коррозионная стойкость увеличивается за счет алюминия и магния. Поскольку на поверхности слоя металлического покрытия однородно формируется плотный и стабильный продукт коррозии, содержащий магний, коррозионная стойкость слоя металлического покрытия значительно увеличивается по сравнению с обычным стальным листом, оцинкованным способом погружения в расплав.
[0004] В производстве строительных элементов, деталей корпусов автомобилей и т.п. из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав сплава на основе Zn-Al-Mg покрытием часто используется способ дуговой сварки в среде защитного газа. У толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав сплава на основе Zn-Al-Mg покрытием существует проблема, заключающаяся в том, что при ее дуговой сварке по сравнению с обычной оцинкованной сталью велика вероятность хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью. Было отмечено, что эта проблема имеет своей причиной уменьшение температуры ликвидуса слоя металлического покрытия, вызванное содержанием в покрытии магния (Патентные документы PTL 3 и PTL 4).
[0005] При дуговой сварке покрытой слоем металла толстолистовой стали металл покрывающего слоя плавится на поверхности основной стали (толстолистовой стали, подлежащей покрытию) вокруг той части, где проходит дуга. Сплав слоя металлического покрытия толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав сплава на основе Zn-Al-Mg покрытием имеет температуру ликвидуса, которая ниже температуры плавления цинка (приблизительно 420°C) и поддерживает расплавленное состояние в течение относительно длительного периода времени. В сплаве цинка с 6 мас.% алюминия и 3 мас.% магния, например, температура затвердевания составляет приблизительно 335°C. В металле, полученном из слоя сплава на основе Zn-Al-Mg, расплавленного на поверхности основной стали, концентрация алюминия уменьшается с расходом алюминиевого компонента на начальной стадии посредством реакции с железом, находящимся под слоем покрытия, с образованием слоя железоалюминиевого сплава, и таким образом жидкий металл в конечном итоге приобретает состав, который является близким к двухкомпонентной системе Zn-Mg, однако сплав цинка и 3 мас.% магния все еще имеет температуру затвердевания 360°C, что ниже температуры плавления цинка, составляющей 420°C. Соответственно, толстолистовая сталь с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg по сравнению с обычной оцинкованной сталью имеет продолжительный период времени, когда жидкий металл слоя металлического покрытия, расплавленного при дуговой сварке, остается на поверхности основной стали в жидком состоянии.
[0006] При воздействии расплавленного металла покрытия в течение длительного периода времени на поверхность основной стали, которая испытывает растягивающие напряжения при охлаждении сразу после дуговой сварки, жидкий металл проникает в границы кристаллических зерен основной стали и становится фактором, вызывающим хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью. Происходящее таким образом хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, действует как исходная точка коррозии, и таким образом ухудшает коррозионную стойкость. Хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, может также вызвать проблемы, включающие в себя ухудшение прочности и усталостных характеристик.
2
[0007] В качестве меры для подавления хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью, при дуговой сварке толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg было предложено удалять слой металлического покрытия путем фрезерования перед дуговой сваркой. Патентный документ PTL 4 раскрывает способ обеспечения сопротивления хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, путем использования в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием толстолистовой стали, имеющей границы кристаллического зерна феррита, упрочненные путем добавления бора. Патентный документ PTL 5 раскрывает способ подавления хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью, таким образом, что цинк, алюминий и магний окисляются при дуговой сварке путем добавления в оболочку сварочной проволоки флюса, содержащего TiO и FeO.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0008]
PTL 1: Японский патент № 3149129
PTL 2: Японский патент № 3179401
PTL 3: Японский патент № 4475787
PTL 4: Японский патент № 3715220
PTL 5: JP-A-2005-230912
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
[0009] Способ удаления слоя металлического покрытия путем фрезерования и способ использования специальной сварочной проволоки приводят к значительному увеличению производственных затрат. Способ, использующий сталь с добавкой бора в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием, сужает степень свободы в выборе разновидностей стали. Кроме того, даже если эти способы используются, существуют случаи, когда хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, предотвращается в недостаточной степени в зависимости от формы элемента и условий сварки, и таким образом эти способы не могут считаться фундаментальной мерой для предотвращения хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью, сварных конструкций из толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg.
[0010] В последние годы высокопрочная толстолистовая сталь, имеющая предел прочность 590 МПа или больше, используется в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием для того, чтобы уменьшить вес автомобилей. Толстолистовая сталь с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующая высокопрочную толстолистовую сталь, испытывает увеличенное растягивающее усилие в зоне теплового воздействия, и таким образом подвержена хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, что может накладывать ограничения на формы элементов и цели их применения.
[0011] Принимая во внимание вышеизложенные обстоятельства, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить превосходную стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, для сваренного дуговой сваркой конструктивного элемента, использующего элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, без ограничения разновидностей стали для основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и без большого увеличения производственных затрат.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
[0012] В соответствии с исследованиями, проведенными авторами настоящего изобретения, было подтверждено существование такого явления, при котором слой металлического покрытия исчезает из-за испарения в непосредственной близости от сварного шва при дуговой сварке в атмосфере защитного газа, но после прохода дуги металл слоя металлического покрытия, который находится в расплавленном состоянии чуть дальше от сварного шва, немедленно распространяется под действием смачивания на те части, где слой металлического покрытия исчез. Считается, что путем предотвращения распространения под действием смачивания до завершения охлаждения при сохранении состояния, в котором слой металлического покрытия исчезает из-за испарения, можно избежать проникновения компонента слоя металлического покрытия в основную сталь в непосредственной близости от сварного шва, и таким образом хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, может быть эффективно предотвращено. В результате подробных исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, было найдено, что распространение под действием смачивания в толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg может быть замечательно подавлено путем уменьшения концентрации углекислого газа, который обычно содержится в защитном газе в количестве приблизительно 20 об.%. Допустимым верхним пределом концентрации углекислого газа можно управлять в зависимости от погонной энергии  при сварке. Также было найдено, что допустимый диапазон для верхнего предела концентрации углекислого газа может быть увеличен в случае, когда элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg имеет небольшую толщину. Настоящее изобретение было выполнено на основе этих знаний.
[0013] Поставленная задача может быть решена с помощью способа для производства сваренного дуговой сваркой конструктивного элемента, содержащего стадию соединения стальных элементов путем дуговой сварки в атмосфере защитного газа с тем, чтобы изготовить сварной конструктивный элемент, в котором по меньшей мере один из элементов, подлежащих соединению, является элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, а защитный газ является газом на основе газообразного аргона, газообразного гелия или газообразной смеси аргона и гелия и имеет концентрацию углекислого газа, удовлетворяющую следующему выражению (2) в зависимости от погонной энергии Q (Дж/см), сварки, определяемой следующим выражением (1):
Q = (I × V)/v (1)
CО2
-0,68
0 ≤ C ≤ 2900Q (2)
СО2
где I представляет собой ток сварки (A), V представляет собой напряжение дуги (В), v представляет собой скорость сварки (см/с), а C представляет собой концентрацию углекислого газа в защитном газе (об.%).
[0014] Элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, упоминаемый в настоящем документе, является элементом, сформированным из толстолистовой стали с нанесенным на него способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg либо элементом, полученным путем формования в качестве исходного материала толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg. Погонная энергия при сварке Q может находиться, например, в диапазоне от 2000 до 12000 Дж/см.
[0015] В случае, когда элемент из толстолистовой стали с нанесенным на него способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg формируется из основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющей толщину 2,6 мм или меньше (например, от 1,0 мм до 2,6 мм), вместо выражения (2) может быть применено следующее выражение (3):
CО2
-0,32
0 ≤ C ≤ 205Q (3)
В случае, когда толщина стального листа является небольшой, как в этом случае, погонная энергия при сварке Q может предпочтительно находиться в диапазоне, например, от 2000 до 4500 Дж/см.
2
2
[0016] Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg предпочтительно имеет слой металлического покрытия, который содержит, например: от 1,0 мас.% до 22,0 мас.% алюминия; от 0,05 мас.% до 10,0 мас.% магния; от 0 мас.% до 0,10 мас.% титана; от 0 мас.% до 0,05 мас.% бора; от 0 мас.% до 2,0 мас.% кремния; от 0 мас.% до 2,5 мас.% железа с остатком, состоящим из цинка и неизбежных примесей. Плотность такого покрытия предпочтительно составляет от 20 г/м до 250 г/м на одну поверхность.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] В соответствии с настоящим изобретением, превосходная стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, может быть устойчиво придана сваренной дуговой сваркой структуре, использующей толстолистовую сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, которая по своей природе склонна испытывать хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, без какого-либо особого увеличения производственных затрат. Допустимый верхний предел концентрации углекислого газа в защитном газе определяется в соответствии с погонной энергией при сварке, и таким образом могут максимально использоваться преимущества использования углекислого газа (например, ингибирование окисления в непосредственной близости от сварного шва путем использования восстановительной функции оксида углерода СО, образуемого дугой). Нет никакого специфического ограничения на разновидности стали, используемой в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием, и таким образом нет никакой необходимости использовать сталь с добавлением специальных элементов для того, чтобы предотвратить хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью. Превосходная стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, может быть получена даже с высокопрочной толстолистовой сталью. Кроме того, существует высокая степень свободы в выборе формы элементов. Соответственно, настоящее изобретение может способствовать распространению сваренных дуговой сваркой конструктивных элементов из толстолистовой стали с нанесенным на нее покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg в разнообразных областях, включая сваренные дуговой сваркой конструктивные элементы для корпусов автомобилей, использующие высокопрочную толстолистовую сталь, которая, как ожидают, будет пользоваться растущим спросом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0018] [Фиг. 1] Данный вид представляет собой схематическое сечение, показывающее сварочную горелку и основную сталь в процессе сварки в атмосфере защитного газа.
[Фиг. 2] Данный вид представляет собой схематическое сечение, показывающее сваренную часть соединения внахлест.
[Фиг. 3] Данный вид представляет собой схематическое сечение, показывающее окрестности сваренной части толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg при дуговой сварке, когда сваренная часть находится при высокой температуре сразу после прохождения дуги.
[Фиг. 4] Данный вид представляет собой схематическое сечение, показывающее обычный сваренный дуговой сваркой конструктивный элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, в котором сваренная часть охлаждается из состояния, показанного на Фиг. 3.
[Фиг. 5] Данный вид представляет собой схематическое сечение, показывающее сваренный дуговой сваркой конструктивный элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg в соответствии с настоящим изобретением, в котором сваренная часть охлаждается из состояния, показанного на Фиг. 3.
[Фиг. 6] Данный вид представляет собой график, показывающий влияние погонной энергии сварки, и концентрации углекислого газа в защитном газе на длину той части сваренного дуговой сваркой конструктивного элемента из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, где слой металлического покрытия испаряется.
[Фиг. 7] Данный вид представляет собой иллюстрацию, показывающую экспериментальный способ сварки для изучения стойкости к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью.
[Фиг. 8] Данный вид представляет собой график, показывающий влияние погонной энергии сварки, и концентрации углекислого газа в защитном газе на длину той части сваренного дуговой сваркой конструктивного элемента из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, где слой металлического покрытия испаряется (при малой толщине толстолистовой стали).
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0019] Фиг. 1 представляет собой схематическое сечение, показывающее сварочную горелку и основную сталь в процессе сварки в атмосфере защитного газа. Сварочная горелка 31 движется в направлении, показанном стрелкой, формируя дугу 35 на поверхности основной стали 1. Защитный газ 34 выдувается из окружности электрода 33 и сварочной проволоки 32, которые расположены в центре сварочной горелки 31, и защищает дугу 35 и поверхность основной стали 1, подвергающейся воздействию высокой температуры, от воздуха. Часть основной стали 1, которая была расплавлена посредством подводимого тепла от дуги 35, быстро отверждается после прохода сварочной горелки 31 и формирует сварной шов 2 из сварочного металла. Защитный газ 34 обязательно является неокисляющим газом. В большинстве случаев используется газовая смесь аргона и углекислого газа, содержащая инертный газ, такой как аргон, и добавленный в нее в количестве приблизительно 20 об.% углекислый газ. Считается, что углекислый газ в защитном газе 34 частично диссоциируется дугой 35 в плазменном состоянии на оксид углерода и кислород, и оксид углерода проявляет восстановительную функцию, посредством которой сварной шов по его периферии предохраняются от окисления. Следовательно, тем самым может быть предотвращено ухудшение коррозионной стойкости в сваренной части.
[0020] Фиг. 2 представляет собой схематическое сечение, показывающее сваренную часть соединения, например внахлест. Этот тип сварного соединения дуговой сваркой часто используется в шасси автомобиля и т.п. Основная сталь 1 и другая основная сталь 1', которые являются элементами из толстолистовой стали, располагаются с перекрытием друг на друге, и основные стали 1 и 1' соединяются путем формирования сварного шва 2 на поверхности основной стали 1 и концевой поверхности основной стали 1'. Пунктирные линии на виде показывают положение поверхности основной стали 1 и положение концевой поверхности основной стали 1' перед сваркой. Точка пересечения поверхности основной стали и сварного шва называется границей лицевой поверхности шва. На виде граница лицевой поверхности шва основной стали 1 показана цифрой 3.
[0021] Фиг. 3-5 представляют собой увеличенные схематические сечения, показывающие структуру части, соответствующей окрестности границы 3 лицевой поверхности шва, показанной на Фиг. 2.
Фиг. 3 представляет собой схематическое сечение, показывающее окрестности сваренной части толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg при дуговой сварке, когда сваренная часть находится при высокой температуре сразу после прохождения дуги. Поверхность основной стали 1 покрыта однородным металлическим слоем 7 через слой 6 сплава на основе Fe-Al перед сваркой, но металл слоя металлического покрытия устраняется путем испарения в области около границы 3 лицевой поверхности шва (то есть в области 9 испарения слоя металлического покрытия) после прохода дуги. В области с расстоянием от границы 3 лицевой поверхности шва большим, чем область 9 испарения слоя металлического покрытия, исходный слой 7 металлического покрытия плавится и образует жидкий металл 8 Zn-Al-Mg, но не исчезает за счет испарения. В области с еще большим расстоянием от границы 3 лицевой поверхности шва исходный слой 7 металлического покрытия не плавится. На Фиг. 3 толщины жидкого металла 8 Zn-Al-Mg и слоя 7 металлического покрытия показаны с преувеличением.
[0022] Фиг. 4 представляет собой схематическое сечение, показывающее обычный сваренный дуговой сваркой конструктивный элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, в котором сваренная часть охлаждается из состояния, показанного на Фиг. 3. В этом случае, жидкий металл Zn-Al-Mg (обозначенный цифрой 8 на Фиг. 3) распространяется под действием смачивания по области испаренного слоя металлического покрытия (обозначенной цифрой 9 на Фиг. 3), образованной за счет исчезновения слоя металлического покрытия при сварке, и вся поверхность основной стали 1 до границы 3 лицевой поверхности шва покрывается слоем 5 сплава Zn-Al-Mg. Часть слоя 5 сплава Zn-Al-Mg, которая образована путем отверждения жидкого металла Zn-Al-Mg (обозначенная цифрой 8 на Фиг. 3) упоминается как отвержденная область 10 жидкого металла, а часть слоя 5 сплава на основе Zn-Al-Mg, которая образована остающимся исходным слоем 7 металлического покрытия, упоминается как область 11 нерасплавленного слоя металлического покрытия. В обычном сваренном дуговой сваркой конструктивном элементе из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, только часть рядом с границей 3 лицевой поверхности шва является обычно отвержденной областью 10 жидкого металла, как показано на виде. В этом случае жидкий металл 8 Zn-Al-Mg имеет низкую температуру ликвидуса, как описано выше, и таким образом та часть поверхности основной стали 1, которая станет отвержденной областью 10 жидкого металла после охлаждения, находится в контакте с жидким металлом сплава на основе Zn-Al-Mg в течение относительно длительного периода времени в процессе охлаждения после сварки. Часть основной стали 1, которая находится близко к границе лицевой поверхности шва, испытывает растягивающее усилие при охлаждении после сварки, и таким образом компонент жидкого металла Zn-Al-Mg способен проникнуть через границы кристаллического зерна. Компонент, проникающий таким образом через границы зерна, может быть фактором, вызывающим хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью.
[0023] Фиг. 5 представляет собой схематическое сечение, показывающее сваренный дуговой сваркой конструктивный элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg в соответствии с настоящим изобретением, в котором сваренная часть охлаждается из состояния, показанного на Фиг. 3. В настоящем изобретении используемый защитный газ является газом, имеющим уменьшенную концентрацию углекислого газа, или не содержащим углекислый газ вообще. Соответственно, считается, что поверхность основной стали 1 в области испарения слоя металлического покрытия (обозначенной цифрой 9 на Фиг. 3), где слой металлического покрытия исчезает при сварке, окисляется из-за слабой восстановительной функции защитного газа, и таким образом быстро покрывается тонкой оксидной пленкой. Таким образом ожидается, что оксидная пленка предотвращает смачивание жидким металлом сплава на основе Zn-Al-Mg (обозначенным цифрой 8 на Фиг. 3), и таким образом предотвращается распространение жидкого металла сплава на основе Zn-Al-Mg за счет смачивания. В результате после охлаждения остается область 9 испарения слоя металлического покрытия. Таким образом, процесс охлаждения заканчивается без контакта между поверхностью основной стали 1около границы лицевой поверхности шва 3 и жидкометаллической хрупкостью сплава на основе Zn-Al-Mg, и таким образом проникновение компонента жидкого металла через основную сталь 1 в этой области предотвращается. Следовательно, превосходная стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, может быть обеспечена независимо от используемых разновидностей основной стали 1. Даже при такой сварке, когда высота жидкого металла Zn-Al-Mg (обозначенного цифрой 8 на Фиг. 3) выше границы 3 лицевой поверхности шва, распространение жидкого металла на основе сплава Zn-Al-Mg за счет смачивания эффективно предотвращается из-за вышеупомянутого эффекта предотвращения смачивания.
[0024] В настоящем изобретении в качестве защитного газа используется газ, имеющий уменьшенную концентрацию углекислого газа или вообще не содержащий углекислый газ, и таким образом сварной шов и его окрестности находятся в атмосфере, которая является более окислительной, чем обычный защитный газ. Однако, путем использования толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg в качестве элемента для соединения, коррозионная стойкость улучшается не только на поверхности слоя металлического покрытия, но также и около сваренной части, где обнажается основная сталь. Соответственно, коррозионная стойкость в течение длительного периода времени улучшается за счет превосходной функции защиты от коррозии, выполняемой продуктом коррозии, получающимся из металла покрытия сплавом на основе Zn-Al-Mg, в дополнение к функции защиты от коррозии, свойственной цинку, и таким образом при нормальной эксплуатации ухудшения коррозионной стойкости из-за использования газа с уменьшенной концентрацией углекислого газа или газа, не содержащего углекислый газ, не обнаруживается.
[0025] Расстояние между областью 9 испарения слоя металлического покрытия, остающейся после охлаждения, и границей 3 лицевой поверхности шва в настоящем описании упоминается как длина испаренной области слоя металлического покрытия, и обозначается символом L на Фиг. 5. Было подтверждено, что хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, которое является проблемой, присущей сваренному дуговой сваркой конструктивному элементу из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, всегда происходит вблизи от границы 3 лицевой поверхности шва, конкретно в области меньше чем 0,3 мм от границы лицевой поверхности шва. В результате различных исследований стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, может быть в значительной степени увеличена, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет 0,3 мм или больше, и более предпочтительно 0,4 мм или больше. В случае, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия является слишком большой, может иметь место проблема ухудшения коррозионной стойкости из-за отсутствия слоя металлического покрытия, и в соответствии с исследованиями, проведенными авторами настоящего изобретения, было найдено, что когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет 2,0 мм или меньше, достаточная расходуемая защита от коррозии может быть получена за счет окружающего слоя металлического покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg, и таким образом можно избежать ухудшения коррозионной стойкости в этой области. Длиной испаренной области слоя металлического покрытия можно управлять в диапазоне от 0,3 мм до 2,0 мм, управляя составом защитного газа, как будет описано позже.
[0026] Условия дуговой сварки в атмосфере защитного газа
При дуговой сварке в соответствии с настоящим изобретением важно ограничить концентрацию углекислого газа в защитном газе в соответствии с погонной энергией сварки. Углекислый газ, содержащийся в защитном газе, частично диссоциируется на оксид углерода и кислород при контакте с плазменной дугой, как описано выше, и поверхность основной стали около сварного шва активируется с помощью восстановительной функции оксида углерода. При обычной дуговой сварке в атмосфере защитного газа защитный газ, содержащий приблизительно 20 об.% углекислого газа, обычно используется для таких целей, как предотвращение окисления сварного шва и его окрестностей. В настоящем изобретении, однако, функция восстановления подавляется или вообще не используется, предохраняя тем самым поверхность основной стали около сваренной части, из которой слой металлического покрытия исчез за счет испарения, от чрезмерной активации, и таким образом жидкий металл сплава на основе Zn-Al-Mg, присутствующий на окружающей поверхности основной стали, удерживается от распространения за счет смачивания к границе лицевой поверхности шва. В результате подробных исследований, в случае, когда концентрация углекислого газа в защитном газе ограничивается для того, чтобы удовлетворить условие (2), может быть проявлен эффект предотвращения смачивающего распространения по поверхности, и длиной испаренной области слоя металлического покрытия можно управлять в диапазоне от 0,3 мм до 2,0 мм.
[0027] В настоящем описании раскрывается способ управления концентрацией углекислого газа в защитном газе, в котором при производстве сварного конструктивного элемента путем соединения стальных элементов дуговой сваркой в атмосфере защитного газа на основе газообразного аргона, газообразного гелия или газообразной смеси аргона и гелия по меньшей мере один из элементов, подлежащих соединению, является элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, и концентрация углекислого газа в защитном газе регулируется так, чтобы удовлетворять следующему выражению (2) в зависимости от погонной энергии Q (Дж/см) при сварке, определяемой следующим выражением (1):
Q = (I × V)/v (1)
CО2
-0,68
0 ≤ C ≤ 2900Q (2)
co2
где I представляет собой ток сварки (A), V представляет собой напряжение дуги (В), v представляет собой скорость сварки (см/с), а C представляет собой концентрацию углекислого газа в защитном газе (об.%).
[0028] В случае, когда элемент из толстолистовой стали с нанесенным на него способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующий основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющую толщину 2,6 мм или меньше, используется по меньшей мере для одного из элементов, подлежащих соединению, длиной испаренной области слоя металлического покрытия можно управлять в диапазоне от 0,3 мм до 2,0 мм даже путем применения вместо выражения (2) следующего выражения (3) с более широким допустимым верхним пределом.
[0029] В этом случае раскрывается способ управления концентрацией углекислого газа в защитном газе, в котором при производстве сварного конструктивного элемента путем соединения стальных элементов дуговой сваркой в атмосфере защитного газа на основе газообразного аргона, газообразного гелия или газообразной смеси аргона и гелия по меньшей мере один из элементов, подлежащих соединению, является элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующим основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющую толщину 2,6 мм или меньше, и концентрация углекислого газа в защитном газе регулируется так, чтобы удовлетворять следующему выражению (3) в зависимости от погонной энергии Q (Дж/см) при сварке, определяемой выражением (1):
CО2
-0,32
0 ≤ C ≤ 205Q (3)
СО2
где C представляет собой концентрацию углекислого газа в защитном газе (об.%).
[0030] Концентрацией углекислого газа в защитном газе можно управлять в диапазоне, который удовлетворяет выражению (2) или, в зависимости от толщины листа, выражению (3), и более эффективно гарантировать концентрацию углекислого газа 5 об.% или больше с точки зрения стабилизации дуги. Стабилизация дуги выгодна для увеличения глубины расплава. В частности, следующее выражение (2)' может быть применено вместо выражения (2), и следующее выражение (3)' может быть применено вместо выражения (3):
CО2
-0,68
5,0 ≤ C ≤ 2900Q (2)'
CО2
-0,32
5,0 ≤ C ≤ 205Q (3)'
В случае, когда элемент из толстолистовой стали с нанесенным на него способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующий основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющую толщину 2,6 мм или меньше, используется по меньшей мере для одного из элементов, подлежащих соединению, в частности, может быть применен способ управления концентрацией углекислого газа в защитном газе, в котором концентрация оксида углерода в защитном газе регулируется для того, чтобы удовлетворять следующему выражению (4) в зависимости от погонной энергии Q (Дж/см) при сварке, определяемой выражением (1), и таким образом можно препятствовать распространению жидкого металла Zn-Al-Mg за счет смачивания к границе лицевой поверхности шва, максимально используя при этом функцию стабилизации дуги углекислым газом.
-0,68
-0,32
CО2
2900Q ≤ C ≤ 205Q (4)
Основным газом защитного газа может быть газообразный аргон, как и в обычном защитном газе. Также может использоваться газообразный гелий или газообразная смесь аргона и гелия. Чистота основного газа может быть эквивалентна чистоте обычного защитного газа.
[0031] Погонная энергия сварки, может быть подходящим образом определена в зависимости от толщины листа и т.п. Когда погонная энергия сварки, является слишком малой, могут иметь место случаи, когда сварной шов становится прерывистым из-за недостаточного проплавления. С другой стороны, когда погонная энергия сварки, является слишком большим, происходит разбрызгивание металла. Подходящее значение погонной энергии при сварке, обычно может быть определено в пределах диапазона от 2000 Дж/см до 12000 Дж/см. Однако в случае, когда элемент из толстолистовой стали с нанесенным на него способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующий основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющую толщину 2,6 мм или меньше, используется по меньшей мере для одного из элементов, подлежащих соединению, погонная энергия сварки, предпочтительно находится в диапазоне от 2000 Дж/см до 4500 Дж/см. Что касается других условий сварки, например, объемной скоростью потока защитного газа можно управлять в диапазоне от 10 л/мин до 30 л/мин. Может использоваться обычное сварочное оборудование.
[0032] Пример эксперимента для исследования зависимости между погонной энергией сварки, концентрацией углекислого газа в защитном газе и длиной испаренной области слоя металлического покрытия будет показан ниже.
Экспериментальный пример 1
Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, показанная в Таблице 1, помещалась горизонтально, и сварной шов формировался на поверхности толстолистовой стали (листовой шов) с помощью дуги, производимой сварочной горелкой, перемещающейся горизонтально. Режим сварки показан в Таблице 1. Вертикальное сечение основной стали, включающее в себя сварной шов и его окрестности, перпендикулярное к направлению шва, подвергалось зеркальной полировке и травлению раствором ниталя (раствор азотной кислоты в спирте), имеющим концентрацию азотной кислоты 0,2 об.%, а затем наблюдалось с помощью электронного сканирующего микроскопа. Наблюдалась окрестность границы лицевой поверхности шва, и таким образом измерялась длина испаренной области слоя металлического покрытия, обозначенная символом L на Фиг. 5.
[0033]
Таблица 1
Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg
Состав слоя металлического покрытия
алюминий: 6,1 мас.%; магний: 3,1 мас.%; цинк: остаток
Вид основной стали для покрытия металлом
низкоуглеродистая раскисленная алюминием сталь
Размер
толщина: 3,2, ширина: 100, длина: 150 (мм)
Плотность покрытия
90 г/м<sup>2</sup> на одну поверхность
Сварочная проволока
YGW1 2, диаметр: 1,2 мм
Состав защитного газа
Ar, CO<sub>2</sub>, Ar-CO<sub>2 </sub>2-17 об.%
Объемная скорость расхода защитного газа
20 л/мин
Сварочный ток
75-300 A
Напряжение дуги
12–30 В
Скорость сварки
0,4 м/мин
Длина шва
100 мм
СО2
C02
-0,68
[0034] Результаты показаны на Фиг. 6. На Фиг. 6 случай, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет 0,3 мм или больше, изображается как «0», а случай, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет менее 0,3 мм, изображается как «X». Кривая, на которой погонная энергия Q (Дж/см) при сварке, и концентрация углекислого газа в защитном газе C (об.%) связаны зависимостью C = 2900Q, четко определяет, равна ли длина испаренной области слоя металлического покрытия 0,3 мм или больше. Хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, которое является проблемой, свойственной сваренному дуговой сваркой конструктивному элементу, использующему толстолистовую сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, всегда происходит в области, отстоящей от границы лицевой поверхности шва меньше чем на 0,3 мм, как описано выше, и таким образом стойкость к хрупкому растрескиванию, обусловленному жидкометаллической хрупкостью, может быть в значительной степени увеличена путем управления концентрацией углекислого газа в защитном газе таким образом, чтобы она не превышала кривую зависимости от погонной энергии при сварке. Концентрация углекислого газа в защитном газе более предпочтительно составляет 5,0 об.% или больше с точки зрения стабилизации дуги, как описано выше, и даже в этом случае погонная энергия Q при сварке, может быть определена в широких пределах, например, от 2000 Дж/см до 11500 Дж/см, которые могут быть применены в широком диапазоне значений толщины листа.
[0035] Экспериментальный пример 2
Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg (толщина основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием: 2,6 мм), показанная в Таблице 1-2, помещалась горизонтально, и сварной шов формировался на поверхности толстолистовой стали (листовой шов) с помощью дуги, производимой сварочной горелкой, перемещающейся горизонтально. Режим сварки показан в Таблице 1-2. Тем же самым образом, что и в Экспериментальном примере 1, наблюдалась окрестность границы лицевой поверхности шва, и таким образом измерялась длина испаренной области слоя металлического покрытия, обозначенная символом L на Фиг. 5.
[0036]
Таблица 1-2
Толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg
Состав слоя металлического покрытия
алюминий: 6,1 мас.%; магний: 3,1 мас.%; цинк: остаток
Вид основной стали для покрытия металлом
низкоуглеродистая раскисленная алюминием сталь
Размер
толщина: 2,6, ширина: 100, длина: 150 (мм)
Плотность покрытия
90 г/м<sup>2</sup> на одну поверхность
Сварочная проволока
YGW1 2, диаметр: 1,2 мм
Состав защитного газа
Ar, CO<sub>2</sub>, Ar-CO<sub>2 </sub>2-17 об.%
Объемная скорость расхода защитного газа
20 л/мин
Сварочный ток
75-300 A
Напряжение дуги
12–30 В
Скорость сварки
0,4 м/мин
Длина шва
100 мм
СО2
C02
-0,32
[0037] Результаты показаны на Фиг. 8. На Фиг. 8 случай, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет 0,3 мм или больше, изображается как «0», а случай, когда длина испаренной области слоя металлического покрытия составляет менее 0,3 мм, изображается как «X». Кривая, на которой погонная энергия Q (Дж/см) при сварке, и концентрация углекислого газа в защитном газе C (об.%) связаны зависимостью C = 205Q, четко определяет, равна ли длина испаренной области слоя металлического покрытия 0,3 мм или больше. Таким образом, в случае, когда применяется толстолистовая сталь с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующая основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием, имеющую толщину 2,6 мм или меньше, допустимый верхний предел концентрации углекислого газа в защитном газе в значительной степени расширяется по сравнению со случаем, изображенным на Фиг. 6, который является примером, в котором толщина листа составляет 3,2 мм. Считается, что при меньшей толщине скорость охлаждения после сварки увеличивается, что облегчает отверждение металла слоя металлического покрытия, который находился в расплавленном состоянии после прохождения дуги, перед распространением за счет смачивания на испаренную область слоя металлического покрытия, и допустимый верхний предел концентрации углекислого газа, определяемый на основе длины испаренной области слоя металлического покрытия, равной 0,3 мм, может изменяться в значительной степени в точке, где толщина основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием (соответствующей основной стали 1 на Фиг. 5) составляет приблизительно 3 мм.
[0038] Элемент из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg
В настоящем изобретении по меньшей мере один из элементов, которые будут соединены дуговой сваркой, является элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg.
Основная сталь для производства стального листа с металлическим покрытием для элемента из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg может быть различного вида в зависимости от целей. Для этого может использоваться высокопрочная толстолистовая сталь. В случае, когда применяется выражение (2), толщина основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием может составлять от 1,0 мм до 6,0 мм, и может регулироваться в пределах диапазона от 2,0 мм до 5,0 мм. Когда толщина основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием составляет 2,6 мм или меньше (например, от 1,0 мм до 2,6 мм), вместо выражения (2) может быть применено выражение (3).
[0039] Конкретные примеры состава слоя металлического покрытия толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg включают в себя от 1,0 мас.% до 22,0 мас.% алюминия; от 0,05 мас.% до 10,0 мас.% магния; от 0 мас.% до 0,10 мас.% титана; от 0 мас.% до 0,05 мас.% бора; от 0 мас.% до 2,0 мас.% кремния; от 0 мас.% до 2,5 мас.% железа с остатком, состоящим из цинка и неизбежных примесей. Состав слоя металлического покрытия по существу отражает состав ванны для нанесения покрытия способом погружения в расплав. Способ для нанесения покрытия способом погружения в расплав особенно не ограничивается, и в большинстве случаев использование встроенного в производственную линию оборудования для отжига с одновременным нанесением покрытия способом погружения в расплав является выгодным с точки зрения производственных затрат. Далее будут описаны составляющие элементы слоя металлического покрытия. Проценты для составляющих элементов слоя металлического покрытия означают массовые проценты, если не указано иное.
[0040] Алюминий является эффективным для улучшения коррозионной стойкости толстолистовой стали с металлическим покрытием и подавляет формирование оксидной шлаковой пленки на основе магния в ванне для нанесения покрытий способом погружения в расплав. Для того, чтобы эти функции проявились в достаточной степени, предпочтительно обеспечить содержание алюминия 1,0 мас.% или больше, и более предпочтительно обеспечить содержание алюминия 4,0 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание алюминия является слишком большим, под слоем металлического покрытия образуется хрупкий слой сплава Fe-Al, и чрезмерный рост слоя сплава Fe-Al может быть фактором, вызывающим ухудшение адгезии покрытия. В результате различных исследований установлено, что предпочтительно содержание алюминия составляет 22,0 мас.% или меньше, и может более предпочтительно регулироваться в пределах 15,0 мас.% или меньше, и еще более предпочтительно - 10,0 мас.% или меньше.
[0041] Магний образует однородный продукт коррозии на поверхности слоя металлического покрытия и в значительной степени усиливает коррозионную стойкость толстолистовой стали с металлическим покрытием. Содержание магния предпочтительно составляет 0,05 мас.% или больше, и более предпочтительно 1,0 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание магния в ванне для нанесения покрытия является слишком большим, образуется оксидная шлаковая пленка на основе магния, которая может являться фактором, вызывающим ухудшение качества слоя металлического покрытия. Предпочтительно содержание магния находится в диапазоне 10,0 мас.% или меньше.
[0042] Когда ванна для нанесения покрытий способом погружения в расплав содержит титан и бор, получается такое преимущество, как степень свободы выбора производственных условий при нанесении покрытия способом погружения в расплав. Соответственно, в зависимости от потребности может быть добавлен один или оба из титана и бора. Их добавляемое количество может составлять 0,0005 мас.% или больше для титана и 0,0001 мас.% или больше для бора. Когда содержание титана и бора в слое металлического покрытия является слишком большим, они могут стать фактором, вызывающим ухудшение внешнего вида поверхности слоя металлического покрытия из-за отложения образуемых ими продуктов. В случае, когда эти элементы добавляются, их содержание предпочтительно составляет 0,10 мас.% или меньше для титана и 0,05 мас.% или меньше для бора.
[0043] Когда ванна для нанесения покрытия способом погружения в расплав содержит кремний, получается такое преимущество, что чрезмерный рост слоя сплава Fe-Al, образующегося на границе между поверхностью основной стали и слоем металлического покрытия, может быть подавлен, что таким образом является выгодным для улучшения способности к обработке толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg. Соответственно, кремний может быть добавлен при необходимости. В этом случае содержание кремния предпочтительно составляет 0,005 мас.% или больше. Слишком большое содержание кремния может быть фактором, увеличивающим количество оксидной шлаковой пленки в ванне для нанесения покрытия способом погружения в расплав, и поэтому содержание кремния предпочтительно составляет 2,0 мас.% или меньше.
[0044] Ванна для нанесения покрытия способом погружения в расплав склонна содержать железо, поскольку в нее многократно погружаются и вынимаются листы стали. Содержание железа в слое металлического покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg предпочтительно составляет 2,5 мас.% или меньше.
2
2
[0045] Когда плотность покрытия элемента из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg является слишком малой, это является невыгодным для поддержания коррозионной стойкости и для обеспечения жертвенной защиты от коррозии покрытой металлом поверхности в течение длительного периода времени. В результате различных исследований установлено, что в случае, когда испаренная область слоя металлического покрытия, образующаяся около границы лицевой поверхности шва, оставляется в соответствии с настоящим изобретением, эффективно, чтобы плотность покрытия сплавом Zn-Al-Mg составляла от 20 г/м или больше на одну поверхность. С другой стороны, когда плотность покрытия является слишком большой, при сварке склонны образовываться газовые раковины. Образование газовых раковин ухудшает прочность сварки. Соответственно, плотность покрытия предпочтительно составляет 250 г/м или меньше на одну поверхность.
[0046] Противоположный элемент для сварки
Противоположный элемент, соединяемый дуговой сваркой с элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, может быть элементом из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, подобным вышеупомянутому, а также может быть из других видов стали.
ПРИМЕРЫ
[0047] Пример 1
Холоднокатаная стальная полоса с составом, показанным в Таблице 2 ниже, и имеющая толщину 3,2 мм и ширину 1000 мм, использовалась в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и пропускалась через линию для нанесения покрытий способом погружения в расплав с тем, чтобы произвести толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, имеющие различные составы слоя металлического покрытия. Толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg были подвергнуты дуговой сварке в атмосфере защитного газа в соответствии с методом испытаний, который будет показан позже, и было исследовано влияние состава защитного газа на свойство хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью. Состав слоя металлического покрытия, плотность покрытия и составы защитного газа показаны в Таблице 4. Защитные газы, использованные в примерах по настоящему изобретению, имели состав, содержащий от 0 об.% до 16 об.% углекислого газа и остаток, состоящий по меньшей мере из одного из аргона и гелия (которые были теми же самыми, что и в Примерах 2 и 3).
[0048]
Таблица 2
Сталь
Химический состав (мас.%)
Примечания
C
Si
Mn
Al
Ti
Nb
A
0,22
0,006
0,8
0,04
-
-
Высокопрочная сталь класса прочности 490 МПа
B
0,11
0,10
1,8
0,04
-
-
Высокопрочная сталь класса прочности 590 МПа
C
0,11
0,4
2,0
0,4
0,04
0,02
Высокопрочная сталь класса прочности 980 МПа
[0049] Метод испытаний для определения свойства хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью
Как показано на Фиг. 7, стальной стержень в форме бугорка (выступа) 15, имеющего диаметр 20 мм и длину 25 мм, устанавливался вертикально в центре образца 14 для испытаний (элемента из толстолистовой стали с нанесенным на нее способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg), имеющего размер 100 мм × 75 мм, и образец 14 и выступ 15 соединялись дуговой сваркой в атмосфере защитного газа при условиях сварки, показанных в Таблице 3. В частности, сварка выполнялась от исходной точки S в направлении по часовой стрелке, и после полного обхода выступа 15 сварка далее выполнялась через исходную точку S с перекрытием сварного шва до конечной точки E с тем, чтобы сформировать перекрывающуюся часть 17 сварного шва 16. При сварке образец 14 был прикреплен к плоской пластине. Данное испытание экспериментально копирует ситуацию, в которой склонно происходить образование трещин в сварном шве.
[0050]
Таблица 3
Сварочная проволока
YGW1 2, диаметр: 1,2 мм
Состав защитного газа
Настоящее изобретение: основной газ:Ar, He, смесь Ar-He,CO<sub>2</sub>: 0-16 об.%Сравнение: Ar-CO<sub>2 </sub>5,5-20,0 об.%
Объемная скорость расхода защитного газа
20 л/мин
Сварочный ток
100-250 A
Напряжение дуги
14–32 В
Скорость сварки
0,4 м/мин
Погонная энергия при сварке
2100–12000 Дж/см
[0051] После сварки поверхность 20 сечения, проходящего через центральную ось выступа 15 и перекрывающуюся часть 17 сварного шва, наблюдалась с помощью сканирующего электронного микроскопа в той части образца 14, которая находится около перекрывающейся части 17 сварного шва, и тем самым измерялась глубина самой глубокой трещины (то есть максимальная глубина трещины), наблюденной в образце 14. Трещина определялась как хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью. Результаты показаны в Таблице 4.
[0052]
Таблица 4 (Толщина листа: 3,2 мм)
№
Сталь
Состав слоя покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg (остаток: Zn) (мас.%)
Плотность покрытия (г/м<sup>2</sup>)
Состав защитного газа (об.%)
Погонная энергия Q при сварке (Дж/см)
2900×Q<sup>-0,68</sup>
Максимальная глубина трещины (мм)
Примечания
Al
Mg
Si
Ti
B
Fe
Ar
He
CO<sub>2</sub>
1
A
4,1
0,05
-
-
-
-
44
100,0
0,0
0,0
2100
15,97
0
Настоящее изобретение
2
B
6,2
2,9
0,5
0,05
0,02
-
92
42,0
50,0
8,0
2100
15,97
0
3
C
21,2
9,6
0,5
0,03
0,01
0,7
195
0,0
84,0
16,0
2100
15,97
0
4
A
4,1
0,05
0,3
-
-
0,5
44
0,0
100,0
0,0
3100
12,25
0
5
B
6,2
2,9
1,5
-
-
0,4
92
47,0
47,0
6,0
3100
12,25
0
6
C
21,2
9,6
-
-
-
0,5
195
0,0
88,5
11,5
3100
12,25
0
7
A
4,5
1,1
0,5
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
6000
7,82
0
8
A
6,1
3,1
-
-
-
-
88
76,5
20,0
3,5
6000
7,82
0
9
B
14,5
7,7
-
-
-
1,2
129
49,6
45,2
5,2
6000
7,82
0
10
C
17,8
8,1
0,3
-
-
1,6
165
0,0
93,0
7,0
6000
7,82
0
11
C
21,6
9,2
0,5
-
-
-
240
94,5
0,0
5,5
6000
7,82
0
12
A
4,5
1,1
0,5
-
0,04
0,6
35
75,0
25,0
0,0
8000
6,43
0
13
A
6,1
3,1
0,5
0,04
0,01
-
88
44,5
50,0
5,5
8000
6,43
0
14
B
10,9
2,9
0,2
-
-
-
91
94,0
0,0
6,0
8000
6,43
0
15
B
14,5
7,7
1,3
-
-
2,0
129
19,8
75,2
5,0
9000
5,94
0
16
C
17,8
8,1
1,9
-
-
2,3
165
0,0
94,5
5,5
9000
5,94
0
17
C
21,6
9,2
0,5
-
-
0,3
240
74,0
26,0
0,0
10000
5,53
0
18
A
4,4
0,07
0,7
-
-
0,5
41
94,8
0,0
5,2
10000
5,53
0
19
B
6,0
3,1
0,7
0,09
0,02
-
62
67,0
33,0
0,0
12000
4,88
0
20
C
15,5
5,0
-
0,05
-
-
115
20,0
78,0
2,0
12000
4,88
0
21
C
21,3
9,1
-
-
-
-
189
0,0
95,4
4,6
12000
4,88
0
22
A
4,2
1,6
-
-
-
-
34
80,0
0,0
20,0
2100
15,97
0,5
Сравнение
23
B
6,2
2,9
-
-
-
0,5
92
0,0
86,0
14,0
3100
12,25
2,0
24
C
20,5
9,5
-
-
-
0,4
180
44,0
44,0
12,0
4000
10,30
3,2
25
A
4,5
1,1
-
-
-
0,5
45
87,0
0,0
13,0
4000
10,30
0,9
26
B
11,2
2,9
1,3
-
-
-
62
45,0
46,0
9,0
6000
7,82
1,5
27
C
21,0
9,9
-
0,05
0,01
0,5
240
0,0
80,0
20,0
6000
7,82
3,2
28
A
4,4
1,2
0,5
-
-
-
60
82,0
10,0
8,0
8000
6,43
0,7
29
A
6,3
3,0
0,6
0,05
0,01
-
89
50,0
42,0
8,0
8500
6,17
2,0
30
C
17,5
7,1
-
-
-
-
160
0,0
92,5
7,5
10000
5,53
3,2
31
A
5,5
0,9
-
-
-
-
76
93,0
0,0
7,0
11000
5,18
1,3
32
B
10,1
6,9
1,9
-
-
-
155
93,5
0,0
6,5
11500
5,02
3,2
33
C
21,6
8,3
-
-
-
-
234
0,0
94,5
5,5
12000
4,88
3,2
34
A
1,1
0,05
-
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
2100
15,97
0
Настоящее изобретение
35
A
1,2
0,05
0,3
-
-
0,5
45
75,0
25,0
0,0
3100
12,25
0
36
B
1,0
1,0
-
-
-
-
64
95,0
0,0
5,0
4000
10,30
0
37
B
1,1
1,0
0,1
-
0,05
0,4
76
65,0
29,0
6,0
6000
7,82
0
38
C
1,2
0,5
0,1
0,03
0,05
0,02
95
94,8
0,0
5,2
8000
6,43
0
39
A
1,2
0,06
-
-
-
-
34
80,0
0,0
20,0
2100
15,97
0,7
Сравнение
40
B
1,3
0,5
0,1
-
-
-
47
86,0
0,0
14,0
4000
10,30
1,2
41
C
1,0
1,2
0,2
0,02
-
0,01
78
50,0
41,0
9,0
10000
5,53
2,8
[0053] Как показано в Таблице 4, хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, наблюдалось в образцах сравнительных примеров, в которых концентрация углекислого газа в защитном газе превышала диапазон по настоящему изобретению. Во всех этих образцах для испытания длина L испаренной области слоя металлического покрытия (см. Фиг. 3) в образце 14 была меньше чем 0,3 мм, и самые глубокие трещины образовывались на расстоянии в пределах 0,3 мм или меньше от границы лицевой поверхности шва по существу во всех образцах для испытания. С другой стороны, в образцах примеров по настоящему изобретению с концентрацией углекислого газа в защитном газе, ограниченной диапазоном, удовлетворяющим выражению (2), не наблюдалось никакого хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью. Длина L испаренной области слоя металлического покрытия во всех образцах для испытания по настоящему изобретению составляла 0,3 мм или больше.
[0054] Пример 2
Холоднокатаная стальная полоса с составом, показанным в Таблице 2, и имеющая толщину 4,5 мм, использовалась в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и пропускалась через линию для нанесения покрытий способом погружения в расплав с тем, чтобы произвести толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, имеющие различные составы слоя металлического покрытия. Толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg были исследованы на предмет влияния состава защитного газа на свойство хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью тем же самым способом, что и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 5. Состав слоя металлического покрытия, плотность покрытия и составы защитного газа показаны в Таблице 5. Защитные газы, использованные в примерах по настоящему изобретению, имели состав, содержащий от 0 об.% до 7 об.% углекислого газа и остаток, состоящий по меньшей мере из одного из аргона и гелия.
[0055]
Таблица 5 (Толщина листа: 4,5 мм)
№
Сталь
Состав слоя покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg (остаток: Zn) (мас.%)
Плотность покрытия (г/м<sup>2</sup>)
Состав защитного газа (об.%)
Погонная энергия Q при сварке (Дж/см)
2900×Q<sup>-0,68</sup>
Максимальная глубина трещины (мм)
Примечания
Al
Mg
Si
Ti
B
Fe
Ar
He
CO<sub>2</sub>
51
A
4,5
1,1
0,5
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
6000
7,82
0
Настоящее изобретение
52
A
6,1
3,1
-
-
-
-
88
76,5
20,0
3,5
6000
7,82
0
53
B
14,5
7,7
-
-
-
1,2
129
49,6
45,2
5,2
6000
7,82
0
54
C
17,8
8,1
0,3
-
-
1,6
165
0,0
93,0
7,0
6000
7,82
0
55
C
21,6
9,2
0,5
-
-
-
240
94,5
0,0
5,5
6000
7,82
0
56
A
4,5
1,1
0,5
-
0,04
0,6
35
75,0
25,0
0,0
8000
6,43
0
57
A
6,1
3,1
0,5
0,04
0,01
-
88
44,5
50,0
5,5
8000
6,43
0
58
B
10,9
2,9
0,2
-
-
-
91
94,0
0,0
6,0
8000
6,43
0
59
B
14,5
7,7
1,3
-
2,0
129
19,8
75,2
5,0
9000
5,94
0
60
C
17,8
8,1
1,9
-
-
2,3
165
0,0
94,5
5,5
9000
5,94
0
61
C
21,6
9,2
0,5
-
-
0,3
240
74,0
26,0
0,0
10000
5,53
0
62
A
4,4
0,07
0,7
-
-
0,5
41
94,8
0,0
5,2
10000
5,53
0
63
B
6,0
3,1
0,7
0,09
0,02
-
62
67,0
33,0
0,0
12000
4,88
0
64
C
15,5
5,0
-
0,05
-
-
115
20,0
78,0
2,0
12000
4,88
0
65
C
21,3
9,1
-
-
-
-
189
0,0
95,4
4,6
12000
4,88
0
66
B
1,1
1,0
0,1
-
0,05
0,4
76
65,0
29,0
6,0
6000
7,82
0
67
C
1,2
0,5
0,1
0,03
0,05
0,02
95
94,8
0,0
5,2
8000
6,43
0
[0056] Хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью в толстолистовых сталях с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующих основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием толщиной 4,5 мм, также удалось предотвратить путем ограничения концентрации углекислого газа в защитном газе диапазоном, удовлетворяющим выражению (2).
[0057] Пример 3
Холоднокатаная стальная полоса с составом, показанным в Таблице 2, и имеющая толщину 6,0 мм, использовалась в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и пропускалась через линию для нанесения покрытий способом погружения в расплав с тем, чтобы произвести толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, имеющие различные составы слоя металлического покрытия. Толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg были исследованы на предмет влияния состава защитного газа на свойство хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью тем же самым способом, что и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 6. Состав слоя металлического покрытия, плотность покрытия и составы защитного газа показаны в Таблице 6. Защитные газы, использованные в примерах по настоящему изобретению, имели состав, содержащий от 0 об.% до 6 об.% углекислого газа и остаток, состоящий по меньшей мере из одного из аргона и гелия.
[0058]
Таблица 6 (Толщина листа: 6,0 мм)
№
Сталь
Состав слоя покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg (остаток: Zn) (мас.%)
Плотность покрытия (г/м<sup>2</sup>)
Состав защитного газа (об.%)
Погонная энергия Q сварки (Дж/см)
2900×Q<sup>-0,68</sup>
Максимальная глубина трещины (мм)
Примечания
Al
Mg
Si
Ti
B
Fe
Ar
He
CO<sub>2</sub>
71
A
4,5
1,1
0,5
-
0,04
0,6
35
75,0
25,0
0,0
8000
6,43
0
Настоящее изобретение
72
A
6,1
3,1
0,5
0,04
0,01
-
88
44,5
50,0
5,5
8000
6,43
0
73
B
10,9
2,9
0,2
-
-
-
91
94,0
0,0
6,0
8000
6,43
0
74
B
14,5
7,7
1,3
-
-
2,0
129
19,8
75,2
5,0
9000
5,94
0
75
C
17,8
8,1
1,9
-
-
2,3
165
0,0
94,5
5,5
9000
5,94
0
76
C
21,6
9,2
0,5
-
-
0,3
240
74,0
26,0
0,0
10000
5,53
0
77
A
4,4
0,07
0,7
-
-
0,5
41
94,8
0,0
5,2
10000
5,53
0
78
B
6,0
3,1
0,7
0,09
0,02
-
62
67,0
33,0
0,0
12000
4,88
0
79
C
15,5
5,0
-
0,05
-
-
115
20,0
78,0
2,0
12000
4,88
0
80
C
21,3
9,1
-
-
-
-
189
0,0
95,4
4,6
12000
4,88
0
81
C
1,2
0,5
0,1
0,03
0,05
0,02
95
94,8
0,0
5,2
8000
6,43
0
[0059] Хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью, в толстолистовых сталях с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующих основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием толщиной 6,0 мм, также удалось предотвратить путем ограничения концентрации углекислого газа в защитном газе диапазоном, удовлетворяющим выражению (2).
[0060] Пример 4
Холоднокатаная стальная полоса с составом, показанным в Таблице 2, и имеющая толщину 2,6 мм, использовалась в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и пропускалась через линию для нанесения покрытий способом погружения в расплав с тем, чтобы произвести толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, имеющие различные составы слоя металлического покрытия. Толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg были исследованы на предмет влияния состава защитного газа на свойство хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью тем же самым способом, что и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 7. Состав слоя металлического покрытия, плотность покрытия и составы защитного газа показаны в Таблице 7. Защитные газы, использованные в примерах по настоящему изобретению, имели состав, содержащий от 0 об.% до 17 об.% углекислого газа и остаток, состоящий по меньшей мере из одного из аргона и гелия.
[0061]
Таблица 7 (Толщина листа: 2,6 мм)
№
Сталь
Состав слоя покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg (остаток: Zn) (мас.%)
Плотность покрытия (г/м<sup>2</sup>)
Состав защитного газа (об.%)
Погонная энергия Q при сварке (Дж/см)
205×Q<sup>-0,32</sup>
Максимальная глубина трещины (мм)
Примечания
Al
Mg
Si
Ti
B
Fe
Ar
He
CO<sub>2</sub>
91
A
4,1
0,05
-
-
-
-
44
100,0
0,0
0,0
2100
17,73
0
Настоящее изобретение
92
B
6,2
2,9
0,5
0,05
0,02
-
92
33,0
50,0
17,0
2100
17,73
0
93
C
21,2
9,6
0,5
0,03
0,01
0,7
195
0,0
83,0
17,0
2100
17,73
0
94
A
4,1
0,05
0,3
-
-
0,5
44
0,0
100,0
0,0
3100
15,65
0
95
B
6,2
2,9
1,5
-
-
0,4
92
40,0
47,0
13,0
3100
15,65
0
96
C
21,2
9,6
-
-
-
0,5
195
0,0
85,0
15,0
3100
15,65
0
97
A
4,5
1,1
0,5
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
4500
13,89
0
98
A
6,1
3,1
-
-
-
-
88
70,0
20,0
10,0
4500
13,89
0
99
B
14,5
7,7
-
-
-
1,2
129
44,8
45,2
10,0
4500
13,89
0
100
C
17,8
8,1
0,3
-
-
1,6
165
0,0
90,0
10,0
4500
13,89
0
101
A
1,1
0,05
-
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
2100
17,73
0
102
A
1,2
0,05
0,3
-
-
0,5
45
60,0
25,0
15,0
3100
15,65
0
103
B
1,0
1,0
-
-
-
-
64
88,0
0,0
12,0
4000
14,42
0
[0062] В случае, когда использовались толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующие основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием толщиной 2,6 мм, было подтверждено, что хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью было предотвращено в диапазоне допустимого верхнего предела, удовлетворяющего выражению (3), который был более широким, чем для выражения (2).
[0063] Пример 5
Холоднокатаная стальная полоса с составом, показанным в Таблице 2, и имеющая толщину 1,6 мм, использовалась в качестве основной стали для производства стального листа с металлическим покрытием и пропускалась через линию для нанесения покрытий способом погружения в расплав с тем, чтобы произвести толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, имеющие различные составы слоя металлического покрытия. Толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg были исследованы на предмет влияния состава защитного газа на свойство хрупкого растрескивания, обусловленного жидкометаллической хрупкостью тем же самым способом, что и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 8. Состав слоя металлического покрытия, плотность покрытия и составы защитного газа показаны в Таблице 8. Защитные газы, использованные в примерах по настоящему изобретению, имели состав, содержащий от 0 об.% до 17 об.% углекислого газа и остаток, состоящий по меньшей мере из одного из аргона и гелия.
[0064]
Таблица 8 (Толщина листа: 1,6 мм)
№
Сталь
Состав слоя покрытия из сплава на основе Zn-Al-Mg (остаток: Zn) (мас.%)
Плотность покрытия (г/м<sup>2</sup>)
Состав защитного газа (об.%)
Погонная энергия Q при сварке (Дж/см)
205×Q<sup>-0,32</sup>
Максимальная глубина трещины (мм)
Примечания
Al
Mg
Si
Ti
B
Fe
Ar
He
CO<sub>2</sub>
111
A
4,1
0,05
-
-
-
-
44
100,0
0,0
0,0
2100
17,73
0
Настоящее изобретение
112
B
6,2
2,9
0,5
0,05
0,02
-
92
33,0
50,0
17,0
2100
17,73
0
113
C
21,2
9,6
0,5
0,03
0,01
0,7
195
0,0
83,0
17,0
2100
17,73
0
114
A
4,1
0,05
0,3
-
-
0,5
44
0,0
100,0
0,0
3100
15,65
0
115
B
6,2
2,9
1,5
-
-
0,4
92
40,0
47,0
13,0
3100
15,65
0
116
C
21,2
9,6
-
-
-
0,5
195
0,0
85,0
15,0
3100
15,65
0
117
A
4,5
1,1
0,5
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
4500
13,89
0
118
A
6,1
3,1
-
-
-
-
88
70,0
20,0
10,0
4500
13,89
0
119
B
14,5
7,7
-
-
-
1,2
129
44,8
45,2
10,0
4500
13,89
0
120
C
17,8
8,1
0,3
-
-
1,6
165
0,0
90,0
10,0
4500
13,89
0
121
A
1,1
0,05
-
-
-
-
35
100,0
0,0
0,0
2100
17,73
0
122
A
1,2
0,05
0,3
-
-
0,5
45
60,0
25,0
15,0
3100
15,65
0
123
B
1,0
1,0
-
-
-
-
64
88,0
0,0
12,0
4000
14,42
0
[0065] В случае, когда использовались толстолистовые стали с нанесенным на них способом погружения в расплав покрытием из сплава на основе Zn-Al-Mg, использующие основную сталь для производства стального листа с металлическим покрытием толщиной 1,6 мм, было подтверждено, что хрупкое растрескивание, обусловленное жидкометаллической хрупкостью было предотвращено в диапазоне, удовлетворяющем выражению (3).
[0066] СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1, 1' - основная сталь;
2 - сварной шов;
3 - граница лицевой поверхности шва;
5 - слой сплава на основе Zn-Al-Mg;
6 - слой сплава на основе Fe-Al;
7 - слой металлического покрытия;
8 - жидкий металл на основе Zn-Al-Mg;
9 - испаренная область слоя металлического покрытия;
10 - отвержденная область жидкого металла;
11 - область нерасплавившегося слоя металлического покрытия;
14 - образец для испытания;
15 - выступ;
16 - сварной шов;
17 - перекрывающаяся часть сварного шва;
31 - сварочная горелка;
32 - сварочная проволока;
33 - электрод;
34 - защитный газ;
35 - дуга.