JP4513311B2 - 疲労強度特性に優れた溶接継手 - Google Patents
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(厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する溶接ビード幅の比率w/tが0.2 以下)
厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する溶接ビード幅の比率w/tが0.5 未満の領域では溶接ビード幅が狭くなると応力集中が減少する。この応力集中の減少は、w/tが0.2 以下の条件で顕著になり、疲労特性向上に有効に作用する。よって、厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する溶接ビード幅の比率w/tを0.2 以下とした。
厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する溶接ビード高さの比率h/tは、鋼材の厚さに対する溶接ビード幅の比率w/tが0.1 以下であれば応力集中に影響を及ぼさないが、w/tが0.1 超の場合には、h/tが0.3 を超えると応力集中が増加する。よって、厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する溶接ビード高さの比率h/tを0.3 以下とした。
溶接ビード近傍(溶接線中央を中心とした鋼材の厚さ×0.7以下の幅の領域で、かつ溶接ビードを含まない領域)の鋼材表面粗さをRa6.3μm以下とすることにより、上記ビード形状が満足されている場合(w/t≦0.2 、かつh/t≦0.3 の場合)には、応力集中が更に緩和され、疲労強度特性に有利に働くため、溶接ビード近傍の鋼材表面粗さをRa6.3μm以下とすることを好適要件とした。ここで、表面粗さがRa6.3μm以下である領域は鋼材表面全域でなくてもよく、溶接線中央を中心とした鋼材の厚さ×0.7以下の幅の領域で、かつ溶接ビードを含まない領域が、機械加工などで所定の粗さ以下になっていればよい。なお、Raの定義はJIS B 0601:2000による。また「溶接線」の定義はJIS Z 3001:1999 による。
鋼材の降伏強さに対する溶接金属の降伏強さの比率を1.3 以下にすることにより、上記溶接ビード形状が満足されている場合(w/t≦0.2 、かつh/t≦0.3 の場合)には、降伏強さの差による溶接ビード止端部への応力集中が抑制されるため、鋼材の降伏強さに対する溶接金属の降伏強さの比率が1.3 以下であることを好適要件とした。
鋼材の降伏強さに対する溶接金属の降伏強さの比率を1.0以下とすることにより、前記溶接ビード形状を満足する溶接継手の場合(w/t≦0.2 、かつh/t≦0.3 の場合)、引張残留応力の低減に伴う疲労強度向上が見込める。ただし、この効果は、鋼材の降伏強さが685MPa以上である場合に大きく発現する。
鋼材がベイナイト単相組織の場合、フェライト+パーライト組織の場合と比べて組織の均質性が高いために溶接ビード止端部への応力集中が抑制されるため、鋼材の組織がべイナイト単相であることを好適要件とした。
Cは、冷却速度に依存せずにベイナイト単相組織とするために0.03%以下とする。すなわち、0.03%より多く含有すると、組織に炭化物を含むパーライトが出現し始めるため、材質の均質性が損なわれ、溶接金属と鋼材の降伏強さ比率が1.3 超となり、疲労強度が向上しにくくなる。また、Cの増大はマルテンサイトを局部的に生成しやすくするほか、硬さが上昇して靭性の劣化を招くことになる。従って、Cは0.03%以下とする。なお、C含有量を低くすることによって、本発明の効果が減少することはないが、実用的には、製鋼上のコストやNb、V等による析出強化効果を利用することを勘案すると、C含有量は0.005 %以上とすることが好ましい。
Siは脱酸のため混入するが、多すぎるとベイナイト組織の生成を抑制すると共に、靭性も劣化させるので0.5 %以下とする。なお、脱酸および強度確保のために0.02%以上含有することが好ましい。
Mnは、ベイナイト単相組織とするために1.0 %以上が好ましく、一方、2.0 %を超えると、硬さが上昇して靭性が劣化するので、1.0 〜2.0 %とする。
Bは広い冷却速度範囲に亘ってオーステナイト粒界からのフェライト生成を抑制するため、安定してベイナイト組織を得るのに不可欠の成分である。その効果はNが十分に固定された場合に0.0003%以上で現れ、一方、0.0050%を超える含有では効果が飽和してコスト上不利になる。よって0.0003〜0.0050%とした。
Nは、少ないほどBによる効果がよく現れ、またHAZ(Heat Affected Zone:溶接熱影響部)靭性の面からも少ないことが望ましい。また、HAZでは固定されたNが再固溶して靭性劣化の原因となる。これらのことから、Nは0.0050%以下とした。
Tiは、炭化物や窒化物の析出物を形成することにより、鋼材製造時のオーステナイト粒の成長を抑制して細粒化に寄与すると共に、HAZの結晶粒粗大化も抑制しHAZの靭性を向上する効果がある。さらに、Nを固定して前記したBによる効果を助長する。また、Tiそのものは固溶してべイナイト変態を促進する。これらの効果を得るには、0.005 %以上の含有が好ましい。一方、過度の含有は、靭性を劣化するため、0.20%以下とする。
Nbは、べイナイト変態を促進すると共に、析出強化および靭性の向上にも有効である。これらの効果を得るためには、0.005 %以上の含有が好ましいが、0.20%を超えると,焼入れ組織が針状化して靭性が劣化する傾向にあるため、0.20%以下とする。
Cuは、析出強化効果が利用できる成分である。析出強化を用いるためには、0.7 %以上の含有が好ましいが、2.0 %を超えて含有すると、析出強化が過多となり靭性が急激に劣化する。このため、0.7 〜2.0 %とする。
Vは固溶と析出強化効果が利用できる成分であるが、この効果を得るためには、0.005 %以上の含有が好ましい。一方、0.2 %を超える含有は、べイナイト組織の生成を抑制するため、0.2 %以下とする。
Niは、強度および靭性を向上させ、またCuを含有した場合には圧延時のCu割れを防止するのに有効であるが、高価である上、過剰に含有してもその効果が飽和するため、2.0 %以下とすることが好ましい。なお、0.05%未満では上記効果が不十分であるため、0.05%以上とすることが好ましい。
Crは強度を向上させる効果があるが、0.5 %を超えると溶接部靭性が劣化するため、0.5 %以下とすることが好ましい。なお、0.05%未満では上記効果が不十分であるため、0.05%以上とすることが好ましい。
Moは、常温および高温での強度を向上させる効果があるが、0.5 %を超えると、溶接の作業性が劣化するため、0.5 %以下とすることが好ましい。なお。0.05%未満では上記効果が不十分であるため、0.05%以上とすることが好ましい。
Wは、高温での強度を向上させする効果があるが,高価である上、0.5 %を超えると、靭性が劣化するため、0.5 %以下とすることが好ましい。なお、0.05%未満では上記効果が不十分であるため、0.05%以上とすることが好ましい。
Zrは、強度を向上させる効果に加えて、亜鉛メッキを施した際の割れを防止する効果があるが、0.5 %を超えると溶接継手の靭性が劣化するため、0.5 %以下とすることが好ましい。なお、0.05%未満では上記効果が不十分であるため、0.05%以上とすることが好ましい。
2 溶接金属
3 引張試験片
t 鋼材の厚さ(または鋼板板厚)
w 溶接ビード幅
h 溶接ビード高さ
Claims (6)
- レーザ溶接または電子ビーム溶接により形成されかつ1パス溶接により形成された溶接ビードを有する溶接継手であって、前記溶接ビードの形状が鋼材表面に対して凸状であり、厚さが50mm以下である鋼材の厚さに対する前記溶接ビード幅の比率が0.2以下であり、かつ前記鋼材の厚さに対する前記溶接ビード高さの比率が0.3以下であることを特徴とする疲労強度特性に優れた、すなわち、応力比0の繰り返し負荷条件下の200万回疲労強度が190MPa以上である特性を有する溶接継手。
- 前記鋼材の表面粗さが前記溶接ビード近傍でJIS B 0601:2000のRa6.3μm以下であることを特徴とする請求項1記載の溶接継手。
- 前記鋼材の降伏強さに対する溶接金属の降伏強さの比率が1.3以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の溶接継手。
- 前記鋼材の降伏強さに対する溶接金属の降伏強さの比率が1.0以下で、かつ鋼材の降伏強さが685MPa以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の溶接継手。
- 前記鋼材の組成が質量%でC:0.03%以下、Si:0.5%以下、Mn:1.0〜2.0%、B:0.0003〜0.0050%、N:0.0050%以下を含有し、かつTi:0.005〜0.20%、Nb:0.005〜0.20%のうちから選ばれた1種又は2種を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記鋼材の組織がベイナイト単相であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の溶接継手。
- 前記鋼材の組成がさらに質量%でCu:0.7〜2.0%、V:0.005〜0.2%、Ni:2.0%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Zr:0.5%以下のうちから選ばれた1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項5記載の溶接継手。
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