面外角撑焊接接头及其制作方法

专利名称：面外角撑焊接接头及其制作方法
技术领域：
本发明涉及利用角焊对两块板部件进行焊接的面外角撑焊接接头及其制作方法。 特别是涉及抗疲劳特性优良的面外角撑焊接接头及其制作方法。
背景技术：
为了对构造体的板部件进行加强或将该构造体的板部件安装于其它部件(例如， 其它板部件)，在构造体的板部件上，作为附属部件而以从板部件的板面突出的方式角焊安装有其它板部件，形成面外角撑焊接接头。可知，在对该焊接接头施加重复应力的情况下，例如由于在焊接止端部产生显著的应力集中，或在焊接止端部形成有拉伸残留应力，故而自该焊接止端部产生疲劳裂缝，耐疲劳特性显著下降。作为其对策，以往，为了抑制焊接止端部的应力集中，例如采用了对焊接接头的焊接止端部实施研磨处理、TIG修整处理、装饰堆焊等增大止端部的曲率的方法。另外，为了降低焊接止端部的拉伸残留应力，例如采用了对焊接止端部实施喷丸硬化、锤击处理、激光冲击喷丸、水射流喷丸等冲击处理(喷丸强化)或焊接后热处理的方法。近年来，提出有实施使用了超声波振动的冲击处理(以下，也记为UIT处理 (Ultrasonic Impact Treatment))，在焊接止端部导入压缩残留应力，或改善焊接止端部的形状的方法。例如，在专利文献1中公开有如下的方法，即，为了通过导入压缩残留应力而使材料的抗疲劳特性提高，在与需要改善抗疲劳特性的方向成直角方向的材料表面上形成超声波冲击处理产生的多条加工带，在该加工带中至少与加工带成直角的方向形成三处以上的边缘。另外，在专利文献2中公开有如下的方法，S卩，为了提高焊接部的抗疲劳强度，使用超声波冲击处理装置以焊接止端部的单位长度的冲击密度为11次/mm以上的方式在焊接止端部的附近形成曲率半径R为2mm以上，宽为Imm以上的槽。另外，在专利文献3中公开有使用超声波的冲击处理装置及冲击处理方法。图7A 7D是表示现有的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图，表示面外角撑焊接接头101的绕焊部110附近的状况。在基板102上角焊有角撑板103 (图7A 7B)，在角焊部109上形成有焊接止端部 107,107'。而且，如图7C 7D所示，对角焊部109中绕焊部110的焊接止端部107实施冲击处理，形成冲击处理痕迹111。另外，图7A 7D表示对基板102侧的焊接止端部107实施冲击处理的状态。专利文献1 (日本)特开2006-1677 号公报专利文献2 (日本)特开2006-175512号公报专利文献3 (美国)专利第6，171，415号公报如上所述，通过对面外角撑焊接接头的焊接止端部实施冲击处理，使焊接止端部的形状形成为应力难以集中的光滑的(曲线的)形状，并且缓和焊接止端部及其附近的拉伸残留应力，施加压缩残留应力。其结果，能够防止自焊接止端部及其附近的裂缝的产生， 改善抗疲劳特性。这样的方法大幅度抑制由于自焊接止端部产生疲劳裂缝而造成的疲劳寿命的降低，抗疲劳特性显著提高，但是在利用角焊的面外角撑焊接接头中，在疲劳特性提高上存在界限。本发明者们为了进一步提高面外角撑焊接接头的疲劳特性，对面外角撑焊接接头的绕焊部的焊接止端部实施超声波冲击处理，对其疲劳寿命进行研究。其结果，判明大多数疲劳裂缝从焊接根部产生，阻碍抗疲劳特性的改善。即，判明，通过对焊接止端部的冲击处理，抑制自焊接止端部的裂缝的产生，故而在焊接止端部之后自易产生疲劳裂缝的焊接根部产生疲劳裂缝且该疲劳裂缝进一步延伸扩展，影响面外角撑的疲劳寿命。对于这样的自角焊部的焊接根部的疲劳裂缝的产生，发现如果使角焊的焊接部形成为完全溶深的焊接部，则因没有焊接根部而使抗疲劳特性提高。然而，在进行完全溶深焊接的情况下，需要在大范围内实施坡口加工，焊接操作所需的时间长，在角撑板的预焊接时难以限制角撑板。因此，焊接操作的负担大，成本增加。

发明内容
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供在对焊接止端部实施冲击处理来提高抗疲劳特性的面外角撑焊接接头中，进一步提高抗疲劳特性的焊接接头及其制作方法。本发明者们对消除在焊接根部的应力集中的有效方法进行了探讨。图6A及6B是说明施加重复应力时的面外角撑焊接接头1的绕焊部10的应力集中的剖面示意图。本发明者们发现，如图6A所示，通过使焊接根部8的位置从图6B所示的以往的位置C(角撑板3的基板2侧的长度方向端部)移动至比该位置C更靠角撑板3内侧的位置B，控制角焊的焊脚长，由此能够使抗疲劳特性提高。即，如图6A所示，通过控制角焊的焊脚长，缓和应力的分散路径的陡峭度，避免在焊接根部8的应力集中，有效地增加焊缝厚度。因此，能够抑制在焊接根部8及焊缝厚度部的裂缝的产生。因此，可以充分发挥对焊接止端部的冲击处理效果，进一步提高抗疲劳特性。本发明者们基于上述的探讨结果而作出本发明。即本发明的主旨如下所述。(1)本发明一方面的面外角撑焊接接头的制作方法为具备基板、从该基板的表面突出的角撑板、以及角焊部的面外角撑焊接接头的制作方法，其中，沿板宽w方向对所述角撑板长度方向的端部的板宽方向的一端进行切口加工而形成具有切口高度a、切口长度χ 以及80°以下的切口角度θ的切口部，以具有所述切口部的所述角撑板的所述板宽w方向的端面与所述基板的表面相对的方式配置所述角撑板，以所述角撑板侧的预定焊脚长d2 为所述切口高度a以上的方式进行角焊，所述角撑板侧的焊脚长d2'为所述角撑板的板厚 、的1/3以上，且形成该焊脚长d2'、所述基板侧的焊脚长d/、熔深长度χ'和熔深角度 θ ‘满足χ' +(I1 ‘ >d2' /sine ‘的所述角焊部，对所述角焊部中至少绕焊部的所述基板侧的焊接止端部实施使疲劳特性改善的冲击处理。(2)在上述(1)所述的面外角撑焊接接头的制作方法中，所述切口角度θ可以为45°以上且75°以下。(3)本发明另一方面的面外角撑焊接接头，具备基板、从该基板的表面突出的角撑板、以及角焊部，其中，在所述角焊部，所述角撑板侧的焊脚长d2 ‘为所述角撑板的板厚t2 的1/3以上，且该焊脚长d2'、所述基板侧的焊脚长d/、熔深长度χ'和熔深角度Θ'满足χ' +Cl1 ‘ >d2' /sine ‘，并且所述角焊部中至少绕焊部的所述基板侧的焊接止端部形成有冲击处理痕迹。(4)在上述(3)所述的面外角撑焊接接头中，所述熔深角度θ ‘可以为30°以上且75°以下。但是，在角撑板的长度方向的截面的端部，熔深长度χ'为从角撑板侧的焊接止端部7'向基板作出的垂线的垂足即点C'至焊接根部8的长度。熔深角度θ ‘为线段7' 8 和线段8C'所成的角度。另外，切口高度a为从基板的表面至角撑板的切口部的切口位置 A的高度。切口长度χ为从形成切口部之前的角撑板的基板侧的长度方向的端部的角C至形成切口部后的角撑板的基板侧的长度方向的端部的位置B的长度。切口角度θ为切口部的线段AB和线段BC所成的角度。在对角撑板的长度方向端面的基板侧角部进行切口加工，在角撑板上设置切口部，将该角撑板与基板进行角焊而得到焊接接头，在该焊接接头中，焊接根部与在角撑板上未设置切口时的焊接根部相比，在角撑板的长度方向能够可靠地大幅度增大熔深、焊缝厚度。另外，由于该焊接接头对应于焊接根部的位置调节焊脚长，故而与角撑板侧的焊脚长和基板侧的焊脚长为相同的长度进行角焊的情况相比，能够进一步增加焊缝厚度。这样，与现有的焊接接头相比，能够将焊缝厚度增加约25%以上，故而如图6Α所示，缓和应力向绕焊部的集中，防止自焊接根部的疲劳破坏，可大幅度提高面外角撑焊接接头的绕焊部的疲劳强度。


图1是示意地表示本发明一实施方式的焊接后的面外角撑焊接接头的图4Β的A-A 向视局部剖面图；图2是示意地表示本实施方式的冲击处理后的面外角撑焊接接头的图4D的B-B 向视局部剖面图；图3表示本实施方式的面外角撑焊接接头的其它方式的局部剖面图；图4Α是表示本实施方式的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图4Β是表示本实施方式的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图4C是表示本实施方式的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图4D是表示本实施方式的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图5是表示本实施方式的面外角撑焊接接头的角撑板的其它方式的立体示意图；图6Α是说明在本实施方式中施加重复应力的情况下、应力向面外角撑焊接接头的绕焊部的集中状况的剖面示意图；图6Β是说明在施加重复应力的情况下、应力向面外角撑焊接接头的绕焊部的集中状况的剖面示意图；图6C是说明在施加重复应力的情况下、应力向面外角撑焊接接头的绕焊部的集中状况的剖面示意图；图7A是表示现有的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图7B是表示现有的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图7C是表示现有的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图7D是表示现有的面外角撑焊接接头的制作顺序的立体示意图；图8是表示焊缝厚度及焊缝厚度的位置的剖面示意图。标记说明1 面外角撑焊接接头(焊接接头)2 基板(钢板)3:角撑板(钢板)4:角撑板的切口部(切口部)5 焊接金属6:熔融线(熔合线)7 焊接止端部(基板侧的焊接止端部)7'焊接止端部(角撑板侧的焊接止端部)8 焊接根部9 角焊部10 绕焊部11 冲击处理痕迹(超声波冲击痕迹)12 超声波冲击处理装置(冲击处理装置)13 距焊接根部最短距离的焊接金属表面的位置A 角撑板的切口部的高度方向端部的位置B 角撑板的切口部的长度方向端部的位置C:形成切口部之前的角撑板的长度方向端部(角)C'从角撑板侧的焊接止端部向基板作出的垂线与基板表面的交点C"从角撑板切口位置A向基板作出的垂线与基板表面的交点S:角撑板切口面a:切口部高度(mm)χ 切口部长度(mm)(从形成切口部之前的角撑板的基板侧端部C至形成有切口后的角撑板的基板侧端部B的长度)χ'熔深长度(mm)(从角撑板侧的焊接止端部向基板作出的垂线与基板表面的交点至焊接根部的长度)Θ:切口角度(° )(基板表面与切口面S之间的角度)θ ‘熔深角度(° )(连接角撑板侧的焊接止端部和焊接根部的连接线、和连接从角撑板侧的焊接止端部向基板作出的垂线与基板的表面的交点的连接线所成的角度)Cl1 基板侧的预定焊脚长(mm)d2 角撑板侧的预定焊脚长(mm)Cl1 ‘基板侧的焊脚长(mm)d2'角撑板侧的焊脚长(mm)
6
f 冲击处理痕迹的深度(mm)r 冲击处理痕迹的曲率半径(mm)t 焊缝厚度
具体实施例方式以下，对本发明进行具体说明。图1是表示图4B的面外角撑焊接接头1的角撑板3的长度方向的纵向剖面图，即图4B的A-A向视剖面的示意图，表示对焊接止端部7实施冲击处理前的状态。图2是表示图4D的B-B向视剖面的示意图，表示对焊接止端部7实施冲击处理而形成有冲击处理痕迹的状态。在本发明的一实施方式中，为了提高焊接接头的抗疲劳特性，在角撑板的角部设置切口部来确保大的焊缝厚度，减小在焊接根部的重复应力集中。即，由图6A及6B可知， 焊缝厚度增加。另外，在JIS Z 3001中焊缝厚度定义为从角焊缝的截面的根部(焊接根部 8)至表面的距离，为图8中的距离t。因此，根据焊接金属表面与母材表面相交的焊接止端部7、7'的位置及焊接金属的熔深形状，从焊接根部8至焊接金属表面的最短距离有时为焊接根部8与焊接止端部7的距离或焊接根部8与焊接止端部7'的距离。即，有时焊接根部8至焊接金属5的表面的距离最小的焊接金属5表面上的点13 (焊缝厚度的端点)与焊接止端部7或焊接止端部7' —致。在图1及图2中如下上述定义焊接金属5的各点及各尺寸。将基板2侧的焊接止端部7的位置定义为点7、将角撑板3侧的焊接止端部7'的位置定义为点7'、将焊接根部8的位置定义为点8、将从角撑板3侧的焊接止端部7'向焊接前的基板2的表面(线段 78)作出的垂线的垂足定义为点C'。另外，将焊接后的焊接根部8与点C'的距离定义为熔深长度χ' (mm)、将线段7' 8和线段8C'所成的角度定义为熔深角度θ ‘ )、将线段7C'的长度定义为基板2侧的焊脚长Cl1 ‘ (mm)、将线段7' C'的长度定义为角撑板3 侧的焊脚长d2' (mm)。另外，将焊脚长定义为点C'至角焊缝的止端(焊接止端部7、7') 的距离。如后所述，改变焊接条件、焊脚长等条件将设有切口部4的角撑板3与基板2进行角焊，制作成图1所示的焊接接头1。对该焊接接头1的绕焊部10的焊接止端部7'实施超声波冲击处理后，通过疲劳试验调查图2所示的焊接接头1的抗疲劳特性。另外，调查基板2侧的焊脚长d/ (mm)、角撑板3侧的焊脚长d2' (mm)、熔深角度θ ‘ )、熔深长度 x' (mm)各自与抗疲劳特性的关系。另外，绕焊部10由通过绕焊形成的焊接部和形成于角撑板长度方向的端面的焊接部构成。其结果，判断为，通过在角撑板3上设置切口部4进行焊接得到的焊接接头1与没有在角撑板上设置切口部的焊接接头相比，可增加焊缝厚度，抗疲劳特性优。然而，在焊脚长Cl1 ‘小的情况下，焊缝厚度部(焊接金属5最薄的部分)的端点(图8的点13)会从角撑板3侧靠近最容易产生疲劳裂缝的基板2侧的焊接止端部7。因此，从提高基板2侧的焊接止端部7的抗疲劳特性的观点判断，减小焊脚长d/是不理想的。因此，在本实施方式中以熔深长度χ'和焊脚长d/满足下述式(1)的方式规定焊接后的基板2侧的焊接止端部7的位置和最低限的熔深量。由此，可以避免焊缝厚度部的端点13成为基板2侧的焊接止端部7，能够确保优异的抗疲劳特性。
χ' +Cl1 ‘ > d2' /sin θ ‘ . · · (1)另外，熔深长度χ'和焊脚长d/也可以满足下述式(1')。χ' +Cl1 ‘ < IOd2' /sin θ ‘ . . . (I')另外，向角撑板3中的熔深(熔融线6向角撑板3中的移动)越深，熔深角度θ ‘ 越小，故而在确保焊缝厚度这一点上是适合的。但是，由于例如事先必需进行坡口加工时花费时间和劳力，或者为了确保熔深而需要多层焊接层，或者在焊接前固定部件时花费时间和劳力，故而焊接操作时间变长。因此，优选熔深角度θ ‘为35° 60°。另外，熔深角度
θ ‘大于75°的情况下，熔深长度χ'短，故而为了充分地确保大的焊缝厚度，需要增大焊脚长d2'，需要进行多层堆焊等焊接操作，耗费时间和劳力。本发明者们为了进一步提高面外角撑焊接接头的抗疲劳特性，对具备形成了切口部的角撑板的焊接接头的焊脚长的影响进行了调查。即，使用设有切口部的角撑板，使角撑板侧的焊接焊脚长d2'在角撑板的板厚t2的1/3倍至板厚t2的5/7倍之间变化并进行角焊，制成焊接接头。另外，以满足式(1)的方式使熔深角度θ ‘在30° 75°之间变化，使基板侧的焊脚长Cl1 ‘大致一定。对这样制作的焊接接头的绕焊部的焊接止端部实施用于改善抗疲劳特性的超声波冲击处理后，通过疲劳试验调查焊接接头的抗疲劳特性。其结果，使用了设有切口部的角撑板的焊接接头若角撑板侧的焊脚长小，则如图 6C所示，在焊缝厚度部作用大的应力，从角撑板3侧的焊接止端部7'附近产生疲劳裂缝， 或从焊接根部8产生疲劳裂缝而贯通焊接金属5。因此，由提高抗疲劳特性方面来看，将角撑板侧的焊脚长缩短是不理想的。因此，进一步对角撑板侧的焊脚长进行探讨的结果判明， 为了使在焊接金属的焊缝厚度部作用的应力降低，通过将角撑板侧的焊脚长d2'形成为角撑板的板厚t2的1/3以上，大幅度提高抗疲劳特性。因此，在本实施方式，角撑板侧的焊脚长d2'为角撑板的板厚t2的1/3以上。在本实施方式的面外角撑焊接接头中，通过根据角撑板的板厚确定角撑板侧的焊脚长，能够缓和在焊缝厚度部的应力集中。因此，有效地发挥向焊接止端部7的冲击处理对抗疲劳特性的改善效果，能够大幅度提高焊接接头的抗疲劳特性。另外，考虑角撑板的尺寸，焊脚长 d2'为角撑板的板宽w以下。在本实施方式的面外角撑焊接接头中，如上所述地规定角撑板侧的焊脚长d2'和角撑板的板厚t2的关系，并且由式(1)规定熔深长度χ'、熔深角度θ ‘、基板侧的焊脚长 Cl1 ‘、角撑板侧的焊脚长d2'之间的关系。通过该关系，充分确保焊接部的焊缝厚度，缓和在焊缝厚度部的应力集中。另外，对绕焊部的焊接止端部实施用于改善疲劳特性的超声波冲击处理，提高抗疲劳特性。另外，为了降低应力集中，增加基板侧的焊脚长d/，或预先光滑地加工焊接止端部7的形状是有效的。以下，对本发明一实施方式的面外角撑焊接接头的有效的制作方法进行说明。图4A 4D是示意地说明本实施方式的面外角撑焊接接头的制作方法的顺序的部分立体图。面外角撑焊接接头1具备基板2 (板厚、(mm))和角焊于基板2的表面上的角撑板3(板厚t2(mm))。另外，与基板2的表面垂直的方向(基板2的板厚、的方向)、和角撑板3的板宽w的方向(高度方向)一致。另外，与角撑板3的板宽w的方向和板厚、的方向正交的方向为角撑板3的长度方向。该长度方向的端面的包含与板厚、相同方向的边(角)的部分为角撑板3的角部。
在本实施方式的面外角撑焊接接头中，在矩形角撑板3上形成有将该基板2侧的角部(角部)在高度(板宽w)方向进行切口加工后的切口部4(图4A)。该切口部4在角撑板3的高度方向(角撑板3的板宽w方向)上距与基板2相对的角撑板3的角部具有 a (mm)的尺寸，并且在角撑板3的长度方向(朝向角撑板3的长度方向的中心的方向)距与基板2相对的角撑板3的角部向具有x(mm)尺寸。角撑板以具有切口部4的角撑板3的板宽w方向的端面与基板2的表面相对的方式配置在基板2上。之后，具有切口部4的角撑板3与基板2角焊。其结果，在角撑板3与基板2相对的面的周围G边附近)形成有角焊部9，在该角焊部9中、角撑板3的长度方向的端部(图4B所示的角撑板3的右侧端部)周围形成有绕焊部10 (图4B)。在这样形成的角焊部9中至少绕焊部10的焊接止端部7、7'附近通过例如超声波冲击处理装置12实施改善抗疲劳特性的冲击处理(图4C)。其结果，在焊接止端部7、7'形成有冲击处理痕迹 11 (图 4D)。如图4A 4D所示，面外角撑焊接接头通常大多具有角撑板的高度方向的长度 (板宽w)为板厚方向的长度(板厚t2)以上的形状(t2<w)。即，以板厚方向的端面与基板的板面相对的方式配置角撑板，将该端面的周边(四边)角焊于基板角而形成图4A 4D 所示形状的面外角撑焊接接头。因此，以图4A 4D所示形状的面外角撑焊接接头为例进行说明。另外，在本实施方式中，角撑板的形状不限于图4A 4D所示的形状(t2彡w)。例如，角撑板的形状也可以为图5所示的形状a2>w)。即，也可以是角撑板的高度方向的长度(板宽W)比板厚方向的长度(板厚t2)小的形状。另外，绕焊部形成于具有切口部的角撑板的角部(板厚方向的端面的4角)。在此，为了便于说明，以形成于角撑板长度方向的端部的绕焊部为例进行说明。图1表示图4B的面外角撑焊接接头1的角撑板3的长度方向的纵向剖面图。艮口， 图1是表示图4B的A-A向视剖面的示意图，表示对焊接止端部7实施冲击处理之前的状态。 图2是表示图4D的B-B向视剖面的示意图，表示形成有对焊接止端部7实施了改善抗疲劳特性的冲击处理后的冲击处理痕迹11的状态。如图1及图4B所示，对角撑板3长度方向的端部(形成有绕焊部10的端部)的角部中、基板2侧角部进行切口加工，形在切口部4。该切口部4为了增加由焊接金属5接合的面积、充分确保焊缝厚度而形成。在图1中定义角焊前的切口部4的各点及各尺寸。将切口前的四边形角撑板3的长度方向的端部的基板2侧的角定义为角C。另外，将沿基部2的高度方向自角撑板3侧的基板2的表面距离切口高度a (mm)的角撑板3长度方向的端面的位置定义为位置A。S卩，图 1的位置A为沿角撑板3的宽度w方向(基板2的高度方向)自角C距离切口高度a (mm) 的位置。另外，将从角撑板3的角C向角撑板3的内侧(从角撑板3的端部朝向角撑板3 的长度方向的中心的方向)距离长度x(mm)的位置定义为位置B。而且，将从位置A向焊接前的基板2的表面(线段78)作出的垂线的垂足定义为点C"。将该C"与位置B之间的距离定义为外观的切口长度χ"。在图1中，被位置A、位置B及角C包围的三角形的范围在板厚方向上切口而形成切口部4。另外，在图1中，切口长度χ和外观的长度χ" —致。在此，在图1及图2中，角C和点C' 一致。即，从切口位置A向焊接前的基板2的表面(线段78)作出的垂线的垂足和从角撑板3侧的止端部7'向焊接前的基板2的表面 (线段78)作出的垂线的垂足由重合的相同位置表示。此时，角撑板3长度方向的端面与基板2的上表面正交。另外，具有二者处于不正交的关系的情况。例如，在图3示意地表示的焊接接头的局部剖面图中，切口前的角撑板3的形状与图1所示的形状不同。这样，在图3所示的梯形角撑板的情况下，角C和点C'的位置不同。另外，图3中的切口长度χ与图1中的切口长度χ相比，仅角C与点C"之间的距离增长。以下，以图1的面外角撑焊接接头1的情况为例进行说明。另外，弧形缺口部的角焊的情况下，切口长度χ缩短了角C与点C"之间的距
1 O需要将该切口高度a(位置A至角C的长度)设定为焊接接头1的角撑板3侧的预定焊脚长d2以下。切口高度a大于预定焊脚长(12时，在角撑板3侧的绕焊部残留未被焊接金属5覆盖的切口部，可能得不到完整的焊接部。另外，只要切口部4形成于角撑板3上即可，故而不特别限定切口高度a的下限。然而，切口高度a过小时，通过焊接接合的面积减小，故而抑制疲劳裂缝的产生效果降低。通常以三层以下的焊层进行角撑板3的焊接的情况下，优选切口高度a为角撑板3侧的预定焊脚长d2的80 90%。S卩，优选切口高度a和预定焊脚长d2的关系必须满足下述式O)，满足下述式(3) 为好。0 < a ^ d2. . . (2)0. 8d2 彡 a 彡 0. 9d2. · . (3)另外，切口高度a和角撑板3侧的焊脚长d2'的关系满足下述式G)。d2' > a ... (4)另外，预定焊脚长屯、d2为角焊时的目标的焊脚长。另一方面，如图1所示，将线段AB和线段BC所成的角度定义为切口角度θ。该切口角度θ为角撑板3的切口部4的切口面S和焊接前的基板2的表面形成的角度(形成切口面的线段和形成焊接前的基板的上表面的线段所成的角度)。切口角度θ和切口长度 χ和切口高度a之间的关系由于满足下述式(5)，故而由下述式(6)导出下述式(7)。a/x = tan θ …(5)a 彡 d2. · · (6)xtan θ 彡 d2. · . (7)因此，需要以满足上述式(7)的方式设定切口部4的尺寸(切口长度χ及切口角度θ )。但是，考虑图3的情况时，外观的切口长度χ"和切口角度θ必须满足下述式(8)。χ" tan θ 彡 d2. · . (8)切口长度x(mm)(或外观的切口长度x〃 )若满足上述关系，则不特别规定。然而， 切口长度X过长时，切口角度θ过小。因此，被线段AB和线段BC包围的部分的间隙在位置B附近特别窄，焊接时往往难以送入焊丝和焊条等焊接材料。该情况下，焊接金属没有充分地到达位置B，有可能容易产生焊接金属的充填不足及熔深不足等焊接不良。另外，切口角度θ增大时，切口长度χ缩短，切口部的表面面积减小。因此，通过焊接接合的面积增大，减小使在根部产生的应力降低的切口部4的效果。因此，为了使由焊接接合的面积增大，只要在χ满足上述式(1)的范围，不产生焊
10接不良而可以大幅确保切口面积的方式选定切口角度θ和切口长度χ即可。另外，为了减小焊接止端部7的应力集中优选焊脚长d/尽可能大。另外，为了容易进行其后的超声波冲击处理，优选尽可能光滑地焊接焊接止端部7及7'。本发明者们准备以切口高度a、切口角度θ、切口长度χ中至少一个条件不同的方式形成有切口部的各种角撑板，通过一定的预定焊脚长d2的角焊制作焊接接头。在该焊接接头的绕焊部的焊接止端部进行超声波冲击处理后，利用疲劳试验调查疲劳特性。其结果是，切口角度θ为80°以下，能够可靠地提高焊接接头的疲劳特性。因此，切口部的切口角度θ为80°以下。另外，切口角度θ的下限没有特别的限定。因为切口角度θ为45°以上，基板与角撑板之间的间隙(切口部的间隙)足够，故而焊丝能够可靠地到达焊接根部。 该情况下，可以以较短时间有效稳定地得到足够的熔深。另外，切口角度θ为75°以下，可以充分地确保切口长度χ和焊缝厚度。该情况下，焊接接头的抗疲劳特性充分地提高。因此，优选切口角度θ为45°以上且75°以下。更优选该切口角度θ为50°以上且70° 以下。如上所述，通过在进行了绕焊的角撑板长度方向的端部设置切口部而进行角焊， 与没有形成切口的情况相比，能够使角焊的焊接根部从焊接止端部离开，可以使焊缝厚度增加。其结果，可以缓和施加重复应力产生的力的作用集中在焊接根部的情况，能够提高焊接接头的抗疲劳特性(参照图6Α)。如上所述，为了在角焊部不产生熔深不足这种焊接不良，通常在确保充分的熔深的同时进行焊接。在本实施方式中也确保足够的熔深并进行焊接，以在包含焊接根部即位置B (图1、图2参照)的部分不产生熔深不足这种焊接不良。如上所述，以熔深长度χ'和基板侧的焊脚长d/满足上述式(1)的方式考虑焊脚长d/、d2'和熔深角度θ'而进行焊接。其结果，在焊接后的基板侧的焊接止端部能够确保最低限的熔深量。因此，可以避免焊缝厚度最薄的部分为基板侧的止端部，可以确保优异的抗疲劳特性。另外，焊脚长Cl1 ‘、d2'分别相对于预定焊脚长d” d2满足下述式(9)及式(10)。Cl1 ‘ ^d1... (9)d2' ^ d2. . . (10)如上所述，通过设置切口部，能够有效地制作满足上述式(1)的焊接接头。本发明者们如上所述，为了进一步提高面外角撑焊接接头的抗疲劳特性，使用形成了切口部的角撑板，对角焊部的焊脚长d/、d2'的影响进行了调查。其结果发现，角撑板侧的焊脚长d2'短时，相对于角撑板的板厚t2，，焊缝厚度减小，故而在焊缝厚度部的应力增加。另外，发现通过使角撑板侧的焊脚长d2'形成为角撑板的板厚、的1/3以上，焊接接头的抗疲劳特性大幅度提高。因此，在本实施方式的焊接接头的制作方法中，以角撑板侧的焊脚长d2'为角撑板的板厚、的1/3以上(下述式(11))的方式进行焊接。通过控制角撑板侧的焊脚长d2' 和角撑板的板厚t2的关系，可以进一步确保足够的焊缝厚度，故而使焊接根部的产生应力降低，可以大幅度提高焊接接头的抗疲劳特性。d2' ^ t2/3. . . (11)另外，在通常的焊接中，基板侧的焊脚长d/和角撑板侧的焊脚长d2'大多为大致相同的长度。然而，基板侧的焊脚长d/需要满足上述的式(1)，角撑板侧的焊脚长d2'
11需要满足上述式(1)及上述式(11)。如上所述，在本实施方式的面外角撑焊接接头的制作方法中，在角撑板设置规定的切口部，以角撑板侧的焊脚长d2'为角撑板的板厚t2的1/3以上的方式且满足式(1)的方式得到足够的熔深并进行角焊。另外，优选以角撑板的切口角度θ为45°以上且75°以下的方式形成切口部。另夕卜，优选通过以得到足够的熔深的方式进行焊接，得到熔深角Θ'为30°以上且75°以下的角焊部。这样，通过在角撑板上设置切口部，充分确保熔深并进行焊接，由此能够增加通过焊接金属接合的各部件的截面面积，可确保足够的焊缝厚度。因此，可以使在焊接根部产生的应力降低，有效地大幅度提高焊接接头的抗疲劳特性。以下，在本实施方式的焊接接头中，对如上形成的角焊部中至少绕焊部的焊接止端部实施改善焊接止端部自身的抗疲劳特性的冲击处理。该冲击处理至少需要在施加重复应力时易产生疲劳裂缝的绕焊部的基板侧的焊接止端部。但也可以在绕焊部或角焊部的全部的焊接止端部实施冲击处理。改善抗疲劳特性的冲击处理也可以是喷丸硬化、锤击等喷丸强化处理。该冲击处理的方法不作特别限定。即，冲击焊接止端部直至不能判定冲击处理前的焊接止端部的止端线位置的程度，在焊接止端部形成光滑的凹部，通过塑性流动可提供压缩残留应力即可。然而，因超声波冲击处理装置产生的冲击处理(UIT处理)是有效的，故而优选之。 对焊接止端部进行的该UIT冲击处理的条件不作特别限定。该情况下，优选根据材料(部件)所需的抗疲劳特性进行适当的UIT冲击处理。以下，对利用超声波冲击装置实施冲击处理的情况(UIT处理)进行示例。冲击处理优选形成与焊接止端部的焊接线垂直的截面中的曲率半径r为1.0mm以上且10. Omm以下，从钢材(基板或角撑板)表面向钢材的厚度方向的深度f为0. 05mm以上且1. Omm以下的超声波冲击痕迹11。更优选其深度f为0. Imm以上且0. 4mm以下。冲击处理痕迹(超声波冲击痕迹)11的曲率半径r为1.0mm以上时，能够充分缓和在角焊部的应力集中。另外，该曲率半径r为10. Omm以下时，曲率半径r增加的同时缓和应力集中的效果增加。该情况下，能够进一步提高焊接接头的耐疲劳特性。该曲率半径r 可考虑处理时间而适当决定。另外，冲击处理痕迹(超声波冲击痕迹)11通常以焊接止端部7、7'为中心而形成。但优选冲击处理痕迹(超声波冲击痕迹)11以包含焊接金属5及焊接热影响的至少一部分的方式形成。因此，优选考虑形成冲击处理痕迹11的位置，选定超声波冲击位置及超声波冲击痕迹的曲率半径r。另外，若对基板2或角撑板3的冲击处理痕迹(超声波冲击痕迹)11的深度f为 1. Omm以下，则该深度f增加的同时，释放焊接止端部7附近的拉伸残留应力的效果或施加压缩残留应力的效果增加。因此，可期待焊接接头的耐疲劳特性的大幅度提高。另外，若深度f增加，则因需要足够的时间，故而考虑效率来决定深度f。因此，优选超声波冲击痕迹 11的深度f为1.0mm以下。另外，超声波冲击痕迹11的深度f不作特别限定。作为不能判别冲击处理前的焊接止端部的止端线的位置的量，例如，超声波冲击痕11的深度f也可以为0. 05mm以上。另外，用于实施超声波冲击处理的超声波冲击装置12例如可以使用上述专利文献1 3公开的装置。可以考虑形成的超声波冲击痕迹11的形状等条件来选定超声波冲击装置12的振动端子(销)的形状。例如，优选将超声波冲击装置12前端的轴向截面的曲率半径设定为1. Omm以上且 IOmm以下。该前端的形状为冲击处理后的超声波冲击痕迹11的形状。因此，该曲率半径过小时，切口状的槽形成于焊接止端部，应力集中提高。另一方面，曲率半径过于大时，根据焊道的形状，即使通过冲击处理冲击焊接止端部，也难以形成规定的曲率半径r的超声波冲击痕迹11。因此，为了可靠地形成规定的曲率半径r的超声波冲击痕迹，优选超声波冲击装置12前端的轴向截面的曲率半径为1. Omm以上且IOmm以下。另外，优选该曲率半径为 1. 5mm以上且5. Omm以下。对于超声波冲击处理的条件，只要根据用途所需的抗疲劳特性适当地选择即可。 因此，超声波冲击处理的条件不作特别限定。例如，优选使振动端子以20kHz以上且50kHz 以下的频率振动，以0. Olkff以上且4kW以下的功率实施超声波冲击。但没有必要一定通过超声波振动进行冲击，所以也可以以20kHz以下低频或不连续的周期进行冲击。由此，焊接止端部的表面的金属塑性流动，将随着角焊部的冷却而形成的拉伸残留应力释放，能够形成压缩的残留应力场。另外，通过以因加工产生的热不从焊接止端部的表面散热的隔热状态反复进行超声波冲击处理，能够对焊接止端部施加与热锻相同的作用。其结果是，焊接止端部附近的结晶组织微细化，改善焊接接头的抗疲劳特性。实施例对于基板使用了 JIS G3106记载的钢种JIS SM490B的钢板(板厚14mmX宽 50mmX长500mm)。另外，对于角撑板使用了与基板同钢种的钢板(板厚14mmX宽50mmX 长100mm)。将该角撑板如图4A所示地配置在基板上。即，使角撑板的长度方向和基板2的长度方向一致，角撑板的宽度方向和与基板的上表面垂直的方向一致。另外，在基板的长度方向及宽度方向的大体中央部(上表面的中心部)配置有角撑板。将如上所述配置的角撑板角焊于基板而制作面外角撑焊接接头的试样。另外，将与基板的上表面的角撑板同样的角撑板也设置于基板的下表面(未图示)。该下表面的角撑板的位置为与上表面的角撑板的位置一样的位置。制作20个面外角撑焊接接头的试样， 对该20个试样中的16个在角撑板上设置切口部。另外，对于这16个试样中的2个使用与基板同钢种，板厚比其它14个试样的角撑板厚的钢板(板厚20mmX宽50mmX长100mm) 作为角撑板。另外，在角撑板上没有形成切口部的4个试样如图7B所示，为现有例的面外角撑焊接接头试样。对于上述的试样中16个试样，对角撑板长度方向的两端的基板侧的角部进行局部切口加工，形成切口部4。此时，以满足式O)的方式决定切口高度a和预定焊脚长d2， 并且使切口角度θ (基板的表面和角撑板的切口面所成的角度)在25 80°变化，改变切口长度X。另外，角撑板侧的预定焊脚长d2及基板侧的预定焊脚长Cl1基于焊接设计基准等分别设定。上述试样都通过作为焊丝使用了 YGW-Il (JIS Z3321 丝径1. 4mm)的二氧化碳半自动焊接(GMAW 电压35V、电流350A、速度3mm/sec、气体组成C02100% )进行焊接。另外，角撑板侧的焊脚长d2'为角撑板的板厚、的1/4以上且3/4以下。另外，基板侧的焊脚长d/除了 1个试样之外，为与角撑板侧的焊脚长d2'大体相同的长度。这些焊脚长d/、d2'除了 1个试样之外，分别为基板侧的预定焊脚长Cl1、角撑板侧的预定焊脚长d2以上。利用超声波冲击处理装置对这样制作的面外角撑焊接接头的试样的绕焊部的基板侧的焊接止端部实施UIT处理，形成有冲击处理痕迹。该超声波冲击处理装置的振动端子(销)前端的轴向截面的曲率半径为1. 0 10. 0mm。另夕卜，UIT处理的条件为27kHz的振动频率、IkW的功率。另外，在绕焊部的基板侧的焊接止端部附近形成有曲率半径r为 1. 0 10. 0mm、表面深度f为1. Omm以下的冲击处理痕迹。另外，为了比较，对于上述20个试样中2个不实施UIT处理。对于最终制作的面外角撑焊接接头的全部试样进行疲劳试验。在该疲劳试验中， 测定在IOOMPa的应力振幅及0. 1的应力比的条件下直至断裂之前的重复次数。另外，疲劳试验后，沿长度方向将角撑板的板厚的大体中心切断，制作截面观察用试样。用硝酸乙醇腐蚀该试样(试验体)的长度方向的两端部的绕焊部附近，测定熔深长度(焊接金属的侵入长度)x'、焊脚长d/、d2'、焊缝厚度t。另外，观察焊接止端部的冲击处理部的形状。表1表示其结果。另外，表1的焊脚长d/、d2'及焊缝厚度t为形成有绕焊部的各位置G处)的平均值。即，对于焊脚长Cl1 ‘、d2'及焊缝厚度t，考虑角撑板长度方向的两端部的绕焊部及基板的两面的绕焊部。抗疲劳特性(直至断裂的重复次数)为各试样的值。表1
1权利要求
1.一种面外角撑焊接接头的制作方法，该面外角撑焊接接头具备基板、从该基板的表面突出的角撑板、以及角焊部，其特征在于，沿板宽w方向对所述角撑板长度方向的端部的板宽方向的一端进行切口加工而形成具有切口高度a、切口长度1和80°以下的切口角度θ的切口部，以具有所述切口部的所述角撑板的所述板宽w方向的端面与所述基板的表面相对的方式配置所述角撑板，以所述角撑板侧的预定焊脚长d2为所述切口高度a以上的方式进行角焊，所述角撑板侧的焊脚长d2'为所述角撑板的板厚t2的1/3以上，且形成该焊脚长d2'、所述基板侧的焊脚长d/、熔深长度χ'和熔深角度Θ'满足Χ' M‘ >d2' / sin θ ‘的所述角焊部，对所述角焊部中至少绕焊部的所述基板侧的焊接止端部实施冲击处理。
2.如权利要求1所述的面外角撑焊接接头的制作方法，其特征在于，所述切口角度θ为45°以上且75°以下。
3.一种面外角撑焊接接头，其具备基板、从该基板的表面突出的角撑板、以及角焊部， 其特征在于，在所述角焊部，所述角撑板侧的焊脚长d2'为所述角撑板的板厚、的1/3以上，且该焊脚长d2'、所述基板侧的焊脚长d/、熔深长度χ'和熔深角度θ ‘满足χ' +Cl1 ‘ >d2' / sine ‘，且所述角焊部中至少绕焊部的所述基板侧的焊接止端部形成有冲击处理痕迹。
4.如权利要求3所述的面外角撑板焊接接头，其特征在于，所述熔深角度Θ'为30°以上且75°以下。
全文摘要
本发明提供一种具备基板、从该基板的表面突出的角撑板和角焊部的面外角撑焊接接头的制作方法。该制作方法为，在板宽(w)的方向对所述角撑板的长度方向的端部的板宽方向的一端进行切口加工而形成切口部，在所述基板的表面配置所述角撑板，以所述角撑板侧的预定焊脚长(d2)为切口高度(a)以上的方式进行角焊，所述角撑板侧的焊脚长(d2′)为所述角撑板的板厚(t2)的1/3以上，且形成该焊脚长(d2′)、所述基板侧的焊脚长(d1′)、熔深长度(x′)和熔深角度(θ′)满足x′+d1′＞d2′/sinθ′的所述角焊部，对所述角焊部中至少绕焊部的所述基板侧的焊接止端部实施改善疲劳特性的冲击处理。
文档编号B23K31/00GK102481652SQ20108003724
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月24日 优先权日2009年8月24日
发明者大川铁平, 岛贯广志 申请人:新日本制铁株式会社