專利名稱：面外角撐焊接接頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用角焊對兩塊板部件進行焊接的面外角撐焊接接頭及其制作方法。 特別是涉及抗疲勞特性優(yōu)良的面外角撐焊接接頭及其制作方法。
背景技術(shù)：
為了對構(gòu)造體的板部件進行加強或?qū)⒃摌?gòu)造體的板部件安裝于其它部件(例如， 其它板部件)，在構(gòu)造體的板部件上，作為附屬部件而以從板部件的板面突出的方式角焊安裝有其它板部件，形成面外角撐焊接接頭?？芍?，在對該焊接接頭施加重復(fù)應(yīng)力的情況下，例如由于在焊接止端部產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，或在焊接止端部形成有拉伸殘留應(yīng)力，故而自該焊接止端部產(chǎn)生疲勞裂縫，耐疲勞特性顯著下降。作為其對策，以往，為了抑制焊接止端部的應(yīng)力集中，例如采用了對焊接接頭的焊接止端部實施研磨處理、TIG修整處理、裝飾堆焊等增大止端部的曲率的方法。另外，為了降低焊接止端部的拉伸殘留應(yīng)力，例如采用了對焊接止端部實施噴丸硬化、錘擊處理、激光沖擊噴丸、水射流噴丸等沖擊處理(噴丸強化)或焊接后熱處理的方法。近年來，提出有實施使用了超聲波振動的沖擊處理(以下，也記為UIT處理 (Ultrasonic Impact Treatment))，在焊接止端部導入壓縮殘留應(yīng)力，或改善焊接止端部的形狀的方法。例如，在專利文獻1中公開有如下的方法，即，為了通過導入壓縮殘留應(yīng)力而使材料的抗疲勞特性提高，在與需要改善抗疲勞特性的方向成直角方向的材料表面上形成超聲波沖擊處理產(chǎn)生的多條加工帶，在該加工帶中至少與加工帶成直角的方向形成三處以上的邊緣。另外，在專利文獻2中公開有如下的方法，S卩，為了提高焊接部的抗疲勞強度，使用超聲波沖擊處理裝置以焊接止端部的單位長度的沖擊密度為11次/mm以上的方式在焊接止端部的附近形成曲率半徑R為2mm以上，寬為Imm以上的槽。另外，在專利文獻3中公開有使用超聲波的沖擊處理裝置及沖擊處理方法。圖7A 7D是表示現(xiàn)有的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖，表示面外角撐焊接接頭101的繞焊部110附近的狀況。在基板102上角焊有角撐板103 (圖7A 7B)，在角焊部109上形成有焊接止端部 107,107'。而且，如圖7C 7D所示，對角焊部109中繞焊部110的焊接止端部107實施沖擊處理，形成沖擊處理痕跡111。另外，圖7A 7D表示對基板102側(cè)的焊接止端部107實施沖擊處理的狀態(tài)。專利文獻1 (日本)特開2006-1677 號公報專利文獻2 (日本)特開2006-175512號公報專利文獻3 (美國)專利第6，171，415號公報如上所述，通過對面外角撐焊接接頭的焊接止端部實施沖擊處理，使焊接止端部的形狀形成為應(yīng)力難以集中的光滑的(曲線的)形狀，并且緩和焊接止端部及其附近的拉伸殘留應(yīng)力，施加壓縮殘留應(yīng)力。其結(jié)果，能夠防止自焊接止端部及其附近的裂縫的產(chǎn)生， 改善抗疲勞特性。這樣的方法大幅度抑制由于自焊接止端部產(chǎn)生疲勞裂縫而造成的疲勞壽命的降低，抗疲勞特性顯著提高，但是在利用角焊的面外角撐焊接接頭中，在疲勞特性提高上存在界限。本發(fā)明者們?yōu)榱诉M一步提高面外角撐焊接接頭的疲勞特性，對面外角撐焊接接頭的繞焊部的焊接止端部實施超聲波沖擊處理，對其疲勞壽命進行研究。其結(jié)果，判明大多數(shù)疲勞裂縫從焊接根部產(chǎn)生，阻礙抗疲勞特性的改善。即，判明，通過對焊接止端部的沖擊處理，抑制自焊接止端部的裂縫的產(chǎn)生，故而在焊接止端部之后自易產(chǎn)生疲勞裂縫的焊接根部產(chǎn)生疲勞裂縫且該疲勞裂縫進一步延伸擴展，影響面外角撐的疲勞壽命。對于這樣的自角焊部的焊接根部的疲勞裂縫的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)如果使角焊的焊接部形成為完全溶深的焊接部，則因沒有焊接根部而使抗疲勞特性提高。然而，在進行完全溶深焊接的情況下，需要在大范圍內(nèi)實施坡口加工，焊接操作所需的時間長，在角撐板的預(yù)焊接時難以限制角撐板。因此，焊接操作的負擔大，成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，其目的在于提供在對焊接止端部實施沖擊處理來提高抗疲勞特性的面外角撐焊接接頭中，進一步提高抗疲勞特性的焊接接頭及其制作方法。本發(fā)明者們對消除在焊接根部的應(yīng)力集中的有效方法進行了探討。圖6A及6B是說明施加重復(fù)應(yīng)力時的面外角撐焊接接頭1的繞焊部10的應(yīng)力集中的剖面示意圖。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，如圖6A所示，通過使焊接根部8的位置從圖6B所示的以往的位置C(角撐板3的基板2側(cè)的長度方向端部)移動至比該位置C更靠角撐板3內(nèi)側(cè)的位置B，控制角焊的焊腳長，由此能夠使抗疲勞特性提高。即，如圖6A所示，通過控制角焊的焊腳長，緩和應(yīng)力的分散路徑的陡峭度，避免在焊接根部8的應(yīng)力集中，有效地增加焊縫厚度。因此，能夠抑制在焊接根部8及焊縫厚度部的裂縫的產(chǎn)生。因此，可以充分發(fā)揮對焊接止端部的沖擊處理效果，進一步提高抗疲勞特性。本發(fā)明者們基于上述的探討結(jié)果而作出本發(fā)明。即本發(fā)明的主旨如下所述。(1)本發(fā)明一方面的面外角撐焊接接頭的制作方法為具備基板、從該基板的表面突出的角撐板、以及角焊部的面外角撐焊接接頭的制作方法，其中，沿板寬w方向?qū)λ鼋菗伟彘L度方向的端部的板寬方向的一端進行切口加工而形成具有切口高度a、切口長度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撐板的所述板寬w方向的端面與所述基板的表面相對的方式配置所述角撐板，以所述角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長d2 為所述切口高度a以上的方式進行角焊，所述角撐板側(cè)的焊腳長d2'為所述角撐板的板厚 、的1/3以上，且形成該焊腳長d2'、所述基板側(cè)的焊腳長d/、熔深長度χ'和熔深角度 θ ‘滿足χ' +(I1 ‘ >d2' /sine ‘的所述角焊部，對所述角焊部中至少繞焊部的所述基板側(cè)的焊接止端部實施使疲勞特性改善的沖擊處理。(2)在上述(1)所述的面外角撐焊接接頭的制作方法中，所述切口角度θ可以為45°以上且75°以下。(3)本發(fā)明另一方面的面外角撐焊接接頭，具備基板、從該基板的表面突出的角撐板、以及角焊部，其中，在所述角焊部，所述角撐板側(cè)的焊腳長d2 ‘為所述角撐板的板厚t2 的1/3以上，且該焊腳長d2'、所述基板側(cè)的焊腳長d/、熔深長度χ'和熔深角度Θ'滿足χ' +Cl1 ‘ >d2' /sine ‘，并且所述角焊部中至少繞焊部的所述基板側(cè)的焊接止端部形成有沖擊處理痕跡。(4)在上述(3)所述的面外角撐焊接接頭中，所述熔深角度θ ‘可以為30°以上且75°以下。但是，在角撐板的長度方向的截面的端部，熔深長度χ'為從角撐板側(cè)的焊接止端部7'向基板作出的垂線的垂足即點C'至焊接根部8的長度。熔深角度θ ‘為線段7' 8 和線段8C'所成的角度。另外，切口高度a為從基板的表面至角撐板的切口部的切口位置 A的高度。切口長度χ為從形成切口部之前的角撐板的基板側(cè)的長度方向的端部的角C至形成切口部后的角撐板的基板側(cè)的長度方向的端部的位置B的長度。切口角度θ為切口部的線段AB和線段BC所成的角度。在對角撐板的長度方向端面的基板側(cè)角部進行切口加工，在角撐板上設(shè)置切口部，將該角撐板與基板進行角焊而得到焊接接頭，在該焊接接頭中，焊接根部與在角撐板上未設(shè)置切口時的焊接根部相比，在角撐板的長度方向能夠可靠地大幅度增大熔深、焊縫厚度。另外，由于該焊接接頭對應(yīng)于焊接根部的位置調(diào)節(jié)焊腳長，故而與角撐板側(cè)的焊腳長和基板側(cè)的焊腳長為相同的長度進行角焊的情況相比，能夠進一步增加焊縫厚度。這樣，與現(xiàn)有的焊接接頭相比，能夠?qū)⒑缚p厚度增加約25%以上，故而如圖6Α所示，緩和應(yīng)力向繞焊部的集中，防止自焊接根部的疲勞破壞，可大幅度提高面外角撐焊接接頭的繞焊部的疲勞強度。


圖1是示意地表示本發(fā)明一實施方式的焊接后的面外角撐焊接接頭的圖4Β的A-A 向視局部剖面圖；圖2是示意地表示本實施方式的沖擊處理后的面外角撐焊接接頭的圖4D的B-B 向視局部剖面圖；圖3表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的其它方式的局部剖面圖；圖4Α是表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖4Β是表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖4C是表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖4D是表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖5是表示本實施方式的面外角撐焊接接頭的角撐板的其它方式的立體示意圖；圖6Α是說明在本實施方式中施加重復(fù)應(yīng)力的情況下、應(yīng)力向面外角撐焊接接頭的繞焊部的集中狀況的剖面示意圖；圖6Β是說明在施加重復(fù)應(yīng)力的情況下、應(yīng)力向面外角撐焊接接頭的繞焊部的集中狀況的剖面示意圖；圖6C是說明在施加重復(fù)應(yīng)力的情況下、應(yīng)力向面外角撐焊接接頭的繞焊部的集中狀況的剖面示意圖；圖7A是表示現(xiàn)有的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖7B是表示現(xiàn)有的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖7C是表示現(xiàn)有的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖7D是表示現(xiàn)有的面外角撐焊接接頭的制作順序的立體示意圖；圖8是表示焊縫厚度及焊縫厚度的位置的剖面示意圖。標記說明1 面外角撐焊接接頭(焊接接頭)2 基板(鋼板)3:角撐板(鋼板)4:角撐板的切口部(切口部)5 焊接金屬6:熔融線(熔合線)7 焊接止端部(基板側(cè)的焊接止端部)7'焊接止端部(角撐板側(cè)的焊接止端部)8 焊接根部9 角焊部10 繞焊部11 沖擊處理痕跡(超聲波沖擊痕跡)12 超聲波沖擊處理裝置(沖擊處理裝置)13 距焊接根部最短距離的焊接金屬表面的位置A 角撐板的切口部的高度方向端部的位置B 角撐板的切口部的長度方向端部的位置C:形成切口部之前的角撐板的長度方向端部(角)C'從角撐板側(cè)的焊接止端部向基板作出的垂線與基板表面的交點C"從角撐板切口位置A向基板作出的垂線與基板表面的交點S:角撐板切口面a:切口部高度(mm)χ 切口部長度(mm)(從形成切口部之前的角撐板的基板側(cè)端部C至形成有切口后的角撐板的基板側(cè)端部B的長度)χ'熔深長度(mm)(從角撐板側(cè)的焊接止端部向基板作出的垂線與基板表面的交點至焊接根部的長度)Θ:切口角度(° )(基板表面與切口面S之間的角度)θ ‘熔深角度(° )(連接角撐板側(cè)的焊接止端部和焊接根部的連接線、和連接從角撐板側(cè)的焊接止端部向基板作出的垂線與基板的表面的交點的連接線所成的角度)Cl1 基板側(cè)的預(yù)定焊腳長(mm)d2 角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長(mm)Cl1 ‘基板側(cè)的焊腳長(mm)d2'角撐板側(cè)的焊腳長(mm)
6
f 沖擊處理痕跡的深度(mm)r 沖擊處理痕跡的曲率半徑(mm)t 焊縫厚度
具體實施例方式以下，對本發(fā)明進行具體說明。圖1是表示圖4B的面外角撐焊接接頭1的角撐板3的長度方向的縱向剖面圖，即圖4B的A-A向視剖面的示意圖，表示對焊接止端部7實施沖擊處理前的狀態(tài)。圖2是表示圖4D的B-B向視剖面的示意圖，表示對焊接止端部7實施沖擊處理而形成有沖擊處理痕跡的狀態(tài)。在本發(fā)明的一實施方式中，為了提高焊接接頭的抗疲勞特性，在角撐板的角部設(shè)置切口部來確保大的焊縫厚度，減小在焊接根部的重復(fù)應(yīng)力集中。即，由圖6A及6B可知， 焊縫厚度增加。另外，在JIS Z 3001中焊縫厚度定義為從角焊縫的截面的根部(焊接根部 8)至表面的距離，為圖8中的距離t。因此，根據(jù)焊接金屬表面與母材表面相交的焊接止端部7、7'的位置及焊接金屬的熔深形狀，從焊接根部8至焊接金屬表面的最短距離有時為焊接根部8與焊接止端部7的距離或焊接根部8與焊接止端部7'的距離。即，有時焊接根部8至焊接金屬5的表面的距離最小的焊接金屬5表面上的點13 (焊縫厚度的端點)與焊接止端部7或焊接止端部7' —致。在圖1及圖2中如下上述定義焊接金屬5的各點及各尺寸。將基板2側(cè)的焊接止端部7的位置定義為點7、將角撐板3側(cè)的焊接止端部7'的位置定義為點7'、將焊接根部8的位置定義為點8、將從角撐板3側(cè)的焊接止端部7'向焊接前的基板2的表面(線段 78)作出的垂線的垂足定義為點C'。另外，將焊接后的焊接根部8與點C'的距離定義為熔深長度χ' (mm)、將線段7' 8和線段8C'所成的角度定義為熔深角度θ ‘ )、將線段7C'的長度定義為基板2側(cè)的焊腳長Cl1 ‘ (mm)、將線段7' C'的長度定義為角撐板3 側(cè)的焊腳長d2' (mm)。另外，將焊腳長定義為點C'至角焊縫的止端(焊接止端部7、7') 的距離。如后所述，改變焊接條件、焊腳長等條件將設(shè)有切口部4的角撐板3與基板2進行角焊，制作成圖1所示的焊接接頭1。對該焊接接頭1的繞焊部10的焊接止端部7'實施超聲波沖擊處理后，通過疲勞試驗調(diào)查圖2所示的焊接接頭1的抗疲勞特性。另外，調(diào)查基板2側(cè)的焊腳長d/ (mm)、角撐板3側(cè)的焊腳長d2' (mm)、熔深角度θ ‘ )、熔深長度 x' (mm)各自與抗疲勞特性的關(guān)系。另外，繞焊部10由通過繞焊形成的焊接部和形成于角撐板長度方向的端面的焊接部構(gòu)成。其結(jié)果，判斷為，通過在角撐板3上設(shè)置切口部4進行焊接得到的焊接接頭1與沒有在角撐板上設(shè)置切口部的焊接接頭相比，可增加焊縫厚度，抗疲勞特性優(yōu)。然而，在焊腳長Cl1 ‘小的情況下，焊縫厚度部(焊接金屬5最薄的部分)的端點(圖8的點13)會從角撐板3側(cè)靠近最容易產(chǎn)生疲勞裂縫的基板2側(cè)的焊接止端部7。因此，從提高基板2側(cè)的焊接止端部7的抗疲勞特性的觀點判斷，減小焊腳長d/是不理想的。因此，在本實施方式中以熔深長度χ'和焊腳長d/滿足下述式(1)的方式規(guī)定焊接后的基板2側(cè)的焊接止端部7的位置和最低限的熔深量。由此，可以避免焊縫厚度部的端點13成為基板2側(cè)的焊接止端部7，能夠確保優(yōu)異的抗疲勞特性。
χ' +Cl1 ‘ > d2' /sin θ ‘ . · · (1)另外，熔深長度χ'和焊腳長d/也可以滿足下述式(1')。χ' +Cl1 ‘ < IOd2' /sin θ ‘ . . . (I')另外，向角撐板3中的熔深(熔融線6向角撐板3中的移動)越深，熔深角度θ ‘ 越小，故而在確保焊縫厚度這一點上是適合的。但是，由于例如事先必需進行坡口加工時花費時間和勞力，或者為了確保熔深而需要多層焊接層，或者在焊接前固定部件時花費時間和勞力，故而焊接操作時間變長。因此，優(yōu)選熔深角度θ ‘為35° 60°。另外，熔深角度
θ ‘大于75°的情況下，熔深長度χ'短，故而為了充分地確保大的焊縫厚度，需要增大焊腳長d2'，需要進行多層堆焊等焊接操作，耗費時間和勞力。本發(fā)明者們?yōu)榱诉M一步提高面外角撐焊接接頭的抗疲勞特性，對具備形成了切口部的角撐板的焊接接頭的焊腳長的影響進行了調(diào)查。即，使用設(shè)有切口部的角撐板，使角撐板側(cè)的焊接焊腳長d2'在角撐板的板厚t2的1/3倍至板厚t2的5/7倍之間變化并進行角焊，制成焊接接頭。另外，以滿足式(1)的方式使熔深角度θ ‘在30° 75°之間變化，使基板側(cè)的焊腳長Cl1 ‘大致一定。對這樣制作的焊接接頭的繞焊部的焊接止端部實施用于改善抗疲勞特性的超聲波沖擊處理后，通過疲勞試驗調(diào)查焊接接頭的抗疲勞特性。其結(jié)果，使用了設(shè)有切口部的角撐板的焊接接頭若角撐板側(cè)的焊腳長小，則如圖 6C所示，在焊縫厚度部作用大的應(yīng)力，從角撐板3側(cè)的焊接止端部7'附近產(chǎn)生疲勞裂縫， 或從焊接根部8產(chǎn)生疲勞裂縫而貫通焊接金屬5。因此，由提高抗疲勞特性方面來看，將角撐板側(cè)的焊腳長縮短是不理想的。因此，進一步對角撐板側(cè)的焊腳長進行探討的結(jié)果判明， 為了使在焊接金屬的焊縫厚度部作用的應(yīng)力降低，通過將角撐板側(cè)的焊腳長d2'形成為角撐板的板厚t2的1/3以上，大幅度提高抗疲勞特性。因此，在本實施方式，角撐板側(cè)的焊腳長d2'為角撐板的板厚t2的1/3以上。在本實施方式的面外角撐焊接接頭中，通過根據(jù)角撐板的板厚確定角撐板側(cè)的焊腳長，能夠緩和在焊縫厚度部的應(yīng)力集中。因此，有效地發(fā)揮向焊接止端部7的沖擊處理對抗疲勞特性的改善效果，能夠大幅度提高焊接接頭的抗疲勞特性。另外，考慮角撐板的尺寸，焊腳長 d2'為角撐板的板寬w以下。在本實施方式的面外角撐焊接接頭中，如上所述地規(guī)定角撐板側(cè)的焊腳長d2'和角撐板的板厚t2的關(guān)系，并且由式(1)規(guī)定熔深長度χ'、熔深角度θ ‘、基板側(cè)的焊腳長 Cl1 ‘、角撐板側(cè)的焊腳長d2'之間的關(guān)系。通過該關(guān)系，充分確保焊接部的焊縫厚度，緩和在焊縫厚度部的應(yīng)力集中。另外，對繞焊部的焊接止端部實施用于改善疲勞特性的超聲波沖擊處理，提高抗疲勞特性。另外，為了降低應(yīng)力集中，增加基板側(cè)的焊腳長d/，或預(yù)先光滑地加工焊接止端部7的形狀是有效的。以下，對本發(fā)明一實施方式的面外角撐焊接接頭的有效的制作方法進行說明。圖4A 4D是示意地說明本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作方法的順序的部分立體圖。面外角撐焊接接頭1具備基板2 (板厚、(mm))和角焊于基板2的表面上的角撐板3(板厚t2(mm))。另外，與基板2的表面垂直的方向(基板2的板厚、的方向)、和角撐板3的板寬w的方向(高度方向)一致。另外，與角撐板3的板寬w的方向和板厚、的方向正交的方向為角撐板3的長度方向。該長度方向的端面的包含與板厚、相同方向的邊(角)的部分為角撐板3的角部。
在本實施方式的面外角撐焊接接頭中，在矩形角撐板3上形成有將該基板2側(cè)的角部(角部)在高度(板寬w)方向進行切口加工后的切口部4(圖4A)。該切口部4在角撐板3的高度方向(角撐板3的板寬w方向)上距與基板2相對的角撐板3的角部具有 a (mm)的尺寸，并且在角撐板3的長度方向(朝向角撐板3的長度方向的中心的方向)距與基板2相對的角撐板3的角部向具有x(mm)尺寸。角撐板以具有切口部4的角撐板3的板寬w方向的端面與基板2的表面相對的方式配置在基板2上。之后，具有切口部4的角撐板3與基板2角焊。其結(jié)果，在角撐板3與基板2相對的面的周圍G邊附近)形成有角焊部9，在該角焊部9中、角撐板3的長度方向的端部(圖4B所示的角撐板3的右側(cè)端部)周圍形成有繞焊部10 (圖4B)。在這樣形成的角焊部9中至少繞焊部10的焊接止端部7、7'附近通過例如超聲波沖擊處理裝置12實施改善抗疲勞特性的沖擊處理(圖4C)。其結(jié)果，在焊接止端部7、7'形成有沖擊處理痕跡 11 (圖 4D)。如圖4A 4D所示，面外角撐焊接接頭通常大多具有角撐板的高度方向的長度 (板寬w)為板厚方向的長度(板厚t2)以上的形狀(t2<w)。即，以板厚方向的端面與基板的板面相對的方式配置角撐板，將該端面的周邊(四邊)角焊于基板角而形成圖4A 4D 所示形狀的面外角撐焊接接頭。因此，以圖4A 4D所示形狀的面外角撐焊接接頭為例進行說明。另外，在本實施方式中，角撐板的形狀不限于圖4A 4D所示的形狀(t2彡w)。例如，角撐板的形狀也可以為圖5所示的形狀a2>w)。即，也可以是角撐板的高度方向的長度(板寬W)比板厚方向的長度(板厚t2)小的形狀。另外，繞焊部形成于具有切口部的角撐板的角部(板厚方向的端面的4角)。在此，為了便于說明，以形成于角撐板長度方向的端部的繞焊部為例進行說明。圖1表示圖4B的面外角撐焊接接頭1的角撐板3的長度方向的縱向剖面圖。艮口， 圖1是表示圖4B的A-A向視剖面的示意圖，表示對焊接止端部7實施沖擊處理之前的狀態(tài)。 圖2是表示圖4D的B-B向視剖面的示意圖，表示形成有對焊接止端部7實施了改善抗疲勞特性的沖擊處理后的沖擊處理痕跡11的狀態(tài)。如圖1及圖4B所示，對角撐板3長度方向的端部(形成有繞焊部10的端部)的角部中、基板2側(cè)角部進行切口加工，形在切口部4。該切口部4為了增加由焊接金屬5接合的面積、充分確保焊縫厚度而形成。在圖1中定義角焊前的切口部4的各點及各尺寸。將切口前的四邊形角撐板3的長度方向的端部的基板2側(cè)的角定義為角C。另外，將沿基部2的高度方向自角撐板3側(cè)的基板2的表面距離切口高度a (mm)的角撐板3長度方向的端面的位置定義為位置A。S卩，圖 1的位置A為沿角撐板3的寬度w方向(基板2的高度方向)自角C距離切口高度a (mm) 的位置。另外，將從角撐板3的角C向角撐板3的內(nèi)側(cè)(從角撐板3的端部朝向角撐板3 的長度方向的中心的方向)距離長度x(mm)的位置定義為位置B。而且，將從位置A向焊接前的基板2的表面(線段78)作出的垂線的垂足定義為點C"。將該C"與位置B之間的距離定義為外觀的切口長度χ"。在圖1中，被位置A、位置B及角C包圍的三角形的范圍在板厚方向上切口而形成切口部4。另外，在圖1中，切口長度χ和外觀的長度χ" —致。在此，在圖1及圖2中，角C和點C' 一致。即，從切口位置A向焊接前的基板2的表面(線段78)作出的垂線的垂足和從角撐板3側(cè)的止端部7'向焊接前的基板2的表面 (線段78)作出的垂線的垂足由重合的相同位置表示。此時，角撐板3長度方向的端面與基板2的上表面正交。另外，具有二者處于不正交的關(guān)系的情況。例如，在圖3示意地表示的焊接接頭的局部剖面圖中，切口前的角撐板3的形狀與圖1所示的形狀不同。這樣，在圖3所示的梯形角撐板的情況下，角C和點C'的位置不同。另外，圖3中的切口長度χ與圖1中的切口長度χ相比，僅角C與點C"之間的距離增長。以下，以圖1的面外角撐焊接接頭1的情況為例進行說明。另外，弧形缺口部的角焊的情況下，切口長度χ縮短了角C與點C"之間的距
1 O需要將該切口高度a(位置A至角C的長度)設(shè)定為焊接接頭1的角撐板3側(cè)的預(yù)定焊腳長d2以下。切口高度a大于預(yù)定焊腳長(12時，在角撐板3側(cè)的繞焊部殘留未被焊接金屬5覆蓋的切口部，可能得不到完整的焊接部。另外，只要切口部4形成于角撐板3上即可，故而不特別限定切口高度a的下限。然而，切口高度a過小時，通過焊接接合的面積減小，故而抑制疲勞裂縫的產(chǎn)生效果降低。通常以三層以下的焊層進行角撐板3的焊接的情況下，優(yōu)選切口高度a為角撐板3側(cè)的預(yù)定焊腳長d2的80 90%。S卩，優(yōu)選切口高度a和預(yù)定焊腳長d2的關(guān)系必須滿足下述式O)，滿足下述式(3) 為好。0 < a ^ d2. . . (2)0. 8d2 彡 a 彡 0. 9d2. · . (3)另外，切口高度a和角撐板3側(cè)的焊腳長d2'的關(guān)系滿足下述式G)。d2' > a ... (4)另外，預(yù)定焊腳長屯、d2為角焊時的目標的焊腳長。另一方面，如圖1所示，將線段AB和線段BC所成的角度定義為切口角度θ。該切口角度θ為角撐板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(形成切口面的線段和形成焊接前的基板的上表面的線段所成的角度)。切口角度θ和切口長度 χ和切口高度a之間的關(guān)系由于滿足下述式(5)，故而由下述式(6)導出下述式(7)。a/x = tan θ …(5)a 彡 d2. · · (6)xtan θ 彡 d2. · . (7)因此，需要以滿足上述式(7)的方式設(shè)定切口部4的尺寸(切口長度χ及切口角度θ )。但是，考慮圖3的情況時，外觀的切口長度χ"和切口角度θ必須滿足下述式(8)。χ" tan θ 彡 d2. · . (8)切口長度x(mm)(或外觀的切口長度x〃 )若滿足上述關(guān)系，則不特別規(guī)定。然而， 切口長度X過長時，切口角度θ過小。因此，被線段AB和線段BC包圍的部分的間隙在位置B附近特別窄，焊接時往往難以送入焊絲和焊條等焊接材料。該情況下，焊接金屬沒有充分地到達位置B，有可能容易產(chǎn)生焊接金屬的充填不足及熔深不足等焊接不良。另外，切口角度θ增大時，切口長度χ縮短，切口部的表面面積減小。因此，通過焊接接合的面積增大，減小使在根部產(chǎn)生的應(yīng)力降低的切口部4的效果。因此，為了使由焊接接合的面積增大，只要在χ滿足上述式(1)的范圍，不產(chǎn)生焊
10接不良而可以大幅確保切口面積的方式選定切口角度θ和切口長度χ即可。另外，為了減小焊接止端部7的應(yīng)力集中優(yōu)選焊腳長d/盡可能大。另外，為了容易進行其后的超聲波沖擊處理，優(yōu)選盡可能光滑地焊接焊接止端部7及7'。本發(fā)明者們準備以切口高度a、切口角度θ、切口長度χ中至少一個條件不同的方式形成有切口部的各種角撐板，通過一定的預(yù)定焊腳長d2的角焊制作焊接接頭。在該焊接接頭的繞焊部的焊接止端部進行超聲波沖擊處理后，利用疲勞試驗調(diào)查疲勞特性。其結(jié)果是，切口角度θ為80°以下，能夠可靠地提高焊接接頭的疲勞特性。因此，切口部的切口角度θ為80°以下。另外，切口角度θ的下限沒有特別的限定。因為切口角度θ為45°以上，基板與角撐板之間的間隙(切口部的間隙)足夠，故而焊絲能夠可靠地到達焊接根部。 該情況下，可以以較短時間有效穩(wěn)定地得到足夠的熔深。另外，切口角度θ為75°以下，可以充分地確保切口長度χ和焊縫厚度。該情況下，焊接接頭的抗疲勞特性充分地提高。因此，優(yōu)選切口角度θ為45°以上且75°以下。更優(yōu)選該切口角度θ為50°以上且70° 以下。如上所述，通過在進行了繞焊的角撐板長度方向的端部設(shè)置切口部而進行角焊， 與沒有形成切口的情況相比，能夠使角焊的焊接根部從焊接止端部離開，可以使焊縫厚度增加。其結(jié)果，可以緩和施加重復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生的力的作用集中在焊接根部的情況，能夠提高焊接接頭的抗疲勞特性(參照圖6Α)。如上所述，為了在角焊部不產(chǎn)生熔深不足這種焊接不良，通常在確保充分的熔深的同時進行焊接。在本實施方式中也確保足夠的熔深并進行焊接，以在包含焊接根部即位置B (圖1、圖2參照)的部分不產(chǎn)生熔深不足這種焊接不良。如上所述，以熔深長度χ'和基板側(cè)的焊腳長d/滿足上述式(1)的方式考慮焊腳長d/、d2'和熔深角度θ'而進行焊接。其結(jié)果，在焊接后的基板側(cè)的焊接止端部能夠確保最低限的熔深量。因此，可以避免焊縫厚度最薄的部分為基板側(cè)的止端部，可以確保優(yōu)異的抗疲勞特性。另外，焊腳長Cl1 ‘、d2'分別相對于預(yù)定焊腳長d” d2滿足下述式(9)及式(10)。Cl1 ‘ ^d1... (9)d2' ^ d2. . . (10)如上所述，通過設(shè)置切口部，能夠有效地制作滿足上述式(1)的焊接接頭。本發(fā)明者們?nèi)缟纤觯瑸榱诉M一步提高面外角撐焊接接頭的抗疲勞特性，使用形成了切口部的角撐板，對角焊部的焊腳長d/、d2'的影響進行了調(diào)查。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，角撐板側(cè)的焊腳長d2'短時，相對于角撐板的板厚t2，，焊縫厚度減小，故而在焊縫厚度部的應(yīng)力增加。另外，發(fā)現(xiàn)通過使角撐板側(cè)的焊腳長d2'形成為角撐板的板厚、的1/3以上，焊接接頭的抗疲勞特性大幅度提高。因此，在本實施方式的焊接接頭的制作方法中，以角撐板側(cè)的焊腳長d2'為角撐板的板厚、的1/3以上(下述式(11))的方式進行焊接。通過控制角撐板側(cè)的焊腳長d2' 和角撐板的板厚t2的關(guān)系，可以進一步確保足夠的焊縫厚度，故而使焊接根部的產(chǎn)生應(yīng)力降低，可以大幅度提高焊接接頭的抗疲勞特性。d2' ^ t2/3. . . (11)另外，在通常的焊接中，基板側(cè)的焊腳長d/和角撐板側(cè)的焊腳長d2'大多為大致相同的長度。然而，基板側(cè)的焊腳長d/需要滿足上述的式(1)，角撐板側(cè)的焊腳長d2'
11需要滿足上述式(1)及上述式(11)。如上所述，在本實施方式的面外角撐焊接接頭的制作方法中，在角撐板設(shè)置規(guī)定的切口部，以角撐板側(cè)的焊腳長d2'為角撐板的板厚t2的1/3以上的方式且滿足式(1)的方式得到足夠的熔深并進行角焊。另外，優(yōu)選以角撐板的切口角度θ為45°以上且75°以下的方式形成切口部。另夕卜，優(yōu)選通過以得到足夠的熔深的方式進行焊接，得到熔深角Θ'為30°以上且75°以下的角焊部。這樣，通過在角撐板上設(shè)置切口部，充分確保熔深并進行焊接，由此能夠增加通過焊接金屬接合的各部件的截面面積，可確保足夠的焊縫厚度。因此，可以使在焊接根部產(chǎn)生的應(yīng)力降低，有效地大幅度提高焊接接頭的抗疲勞特性。以下，在本實施方式的焊接接頭中，對如上形成的角焊部中至少繞焊部的焊接止端部實施改善焊接止端部自身的抗疲勞特性的沖擊處理。該沖擊處理至少需要在施加重復(fù)應(yīng)力時易產(chǎn)生疲勞裂縫的繞焊部的基板側(cè)的焊接止端部。但也可以在繞焊部或角焊部的全部的焊接止端部實施沖擊處理。改善抗疲勞特性的沖擊處理也可以是噴丸硬化、錘擊等噴丸強化處理。該沖擊處理的方法不作特別限定。即，沖擊焊接止端部直至不能判定沖擊處理前的焊接止端部的止端線位置的程度，在焊接止端部形成光滑的凹部，通過塑性流動可提供壓縮殘留應(yīng)力即可。然而，因超聲波沖擊處理裝置產(chǎn)生的沖擊處理(UIT處理)是有效的，故而優(yōu)選之。 對焊接止端部進行的該UIT沖擊處理的條件不作特別限定。該情況下，優(yōu)選根據(jù)材料(部件)所需的抗疲勞特性進行適當?shù)腢IT沖擊處理。以下，對利用超聲波沖擊裝置實施沖擊處理的情況(UIT處理)進行示例。沖擊處理優(yōu)選形成與焊接止端部的焊接線垂直的截面中的曲率半徑r為1.0mm以上且10. Omm以下，從鋼材(基板或角撐板)表面向鋼材的厚度方向的深度f為0. 05mm以上且1. Omm以下的超聲波沖擊痕跡11。更優(yōu)選其深度f為0. Imm以上且0. 4mm以下。沖擊處理痕跡(超聲波沖擊痕跡)11的曲率半徑r為1.0mm以上時，能夠充分緩和在角焊部的應(yīng)力集中。另外，該曲率半徑r為10. Omm以下時，曲率半徑r增加的同時緩和應(yīng)力集中的效果增加。該情況下，能夠進一步提高焊接接頭的耐疲勞特性。該曲率半徑r 可考慮處理時間而適當決定。另外，沖擊處理痕跡(超聲波沖擊痕跡)11通常以焊接止端部7、7'為中心而形成。但優(yōu)選沖擊處理痕跡(超聲波沖擊痕跡)11以包含焊接金屬5及焊接熱影響的至少一部分的方式形成。因此，優(yōu)選考慮形成沖擊處理痕跡11的位置，選定超聲波沖擊位置及超聲波沖擊痕跡的曲率半徑r。另外，若對基板2或角撐板3的沖擊處理痕跡(超聲波沖擊痕跡)11的深度f為 1. Omm以下，則該深度f增加的同時，釋放焊接止端部7附近的拉伸殘留應(yīng)力的效果或施加壓縮殘留應(yīng)力的效果增加。因此，可期待焊接接頭的耐疲勞特性的大幅度提高。另外，若深度f增加，則因需要足夠的時間，故而考慮效率來決定深度f。因此，優(yōu)選超聲波沖擊痕跡 11的深度f為1.0mm以下。另外，超聲波沖擊痕跡11的深度f不作特別限定。作為不能判別沖擊處理前的焊接止端部的止端線的位置的量，例如，超聲波沖擊痕11的深度f也可以為0. 05mm以上。另外，用于實施超聲波沖擊處理的超聲波沖擊裝置12例如可以使用上述專利文獻1 3公開的裝置?？梢钥紤]形成的超聲波沖擊痕跡11的形狀等條件來選定超聲波沖擊裝置12的振動端子(銷)的形狀。例如，優(yōu)選將超聲波沖擊裝置12前端的軸向截面的曲率半徑設(shè)定為1. Omm以上且 IOmm以下。該前端的形狀為沖擊處理后的超聲波沖擊痕跡11的形狀。因此，該曲率半徑過小時，切口狀的槽形成于焊接止端部，應(yīng)力集中提高。另一方面，曲率半徑過于大時，根據(jù)焊道的形狀，即使通過沖擊處理沖擊焊接止端部，也難以形成規(guī)定的曲率半徑r的超聲波沖擊痕跡11。因此，為了可靠地形成規(guī)定的曲率半徑r的超聲波沖擊痕跡，優(yōu)選超聲波沖擊裝置12前端的軸向截面的曲率半徑為1. Omm以上且IOmm以下。另外，優(yōu)選該曲率半徑為 1. 5mm以上且5. Omm以下。對于超聲波沖擊處理的條件，只要根據(jù)用途所需的抗疲勞特性適當?shù)剡x擇即可。 因此，超聲波沖擊處理的條件不作特別限定。例如，優(yōu)選使振動端子以20kHz以上且50kHz 以下的頻率振動，以0. Olkff以上且4kW以下的功率實施超聲波沖擊。但沒有必要一定通過超聲波振動進行沖擊，所以也可以以20kHz以下低頻或不連續(xù)的周期進行沖擊。由此，焊接止端部的表面的金屬塑性流動，將隨著角焊部的冷卻而形成的拉伸殘留應(yīng)力釋放，能夠形成壓縮的殘留應(yīng)力場。另外，通過以因加工產(chǎn)生的熱不從焊接止端部的表面散熱的隔熱狀態(tài)反復(fù)進行超聲波沖擊處理，能夠?qū)附又苟瞬渴┘优c熱鍛相同的作用。其結(jié)果是，焊接止端部附近的結(jié)晶組織微細化，改善焊接接頭的抗疲勞特性。實施例對于基板使用了 JIS G3106記載的鋼種JIS SM490B的鋼板(板厚14mmX寬 50mmX長500mm)。另外，對于角撐板使用了與基板同鋼種的鋼板(板厚14mmX寬50mmX 長100mm)。將該角撐板如圖4A所示地配置在基板上。即，使角撐板的長度方向和基板2的長度方向一致，角撐板的寬度方向和與基板的上表面垂直的方向一致。另外，在基板的長度方向及寬度方向的大體中央部(上表面的中心部)配置有角撐板。將如上所述配置的角撐板角焊于基板而制作面外角撐焊接接頭的試樣。另外，將與基板的上表面的角撐板同樣的角撐板也設(shè)置于基板的下表面(未圖示)。該下表面的角撐板的位置為與上表面的角撐板的位置一樣的位置。制作20個面外角撐焊接接頭的試樣， 對該20個試樣中的16個在角撐板上設(shè)置切口部。另外，對于這16個試樣中的2個使用與基板同鋼種，板厚比其它14個試樣的角撐板厚的鋼板(板厚20mmX寬50mmX長100mm) 作為角撐板。另外，在角撐板上沒有形成切口部的4個試樣如圖7B所示，為現(xiàn)有例的面外角撐焊接接頭試樣。對于上述的試樣中16個試樣，對角撐板長度方向的兩端的基板側(cè)的角部進行局部切口加工，形成切口部4。此時，以滿足式O)的方式?jīng)Q定切口高度a和預(yù)定焊腳長d2， 并且使切口角度θ (基板的表面和角撐板的切口面所成的角度)在25 80°變化，改變切口長度X。另外，角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長d2及基板側(cè)的預(yù)定焊腳長Cl1基于焊接設(shè)計基準等分別設(shè)定。上述試樣都通過作為焊絲使用了 YGW-Il (JIS Z3321 絲徑1. 4mm)的二氧化碳半自動焊接(GMAW 電壓35V、電流350A、速度3mm/sec、氣體組成C02100% )進行焊接。另外，角撐板側(cè)的焊腳長d2'為角撐板的板厚、的1/4以上且3/4以下。另外，基板側(cè)的焊腳長d/除了 1個試樣之外，為與角撐板側(cè)的焊腳長d2'大體相同的長度。這些焊腳長d/、d2'除了 1個試樣之外，分別為基板側(cè)的預(yù)定焊腳長Cl1、角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長d2以上。利用超聲波沖擊處理裝置對這樣制作的面外角撐焊接接頭的試樣的繞焊部的基板側(cè)的焊接止端部實施UIT處理，形成有沖擊處理痕跡。該超聲波沖擊處理裝置的振動端子(銷)前端的軸向截面的曲率半徑為1. 0 10. 0mm。另夕卜，UIT處理的條件為27kHz的振動頻率、IkW的功率。另外，在繞焊部的基板側(cè)的焊接止端部附近形成有曲率半徑r為 1. 0 10. 0mm、表面深度f為1. Omm以下的沖擊處理痕跡。另外，為了比較，對于上述20個試樣中2個不實施UIT處理。對于最終制作的面外角撐焊接接頭的全部試樣進行疲勞試驗。在該疲勞試驗中， 測定在IOOMPa的應(yīng)力振幅及0. 1的應(yīng)力比的條件下直至斷裂之前的重復(fù)次數(shù)。另外，疲勞試驗后，沿長度方向?qū)⒔菗伟宓陌搴竦拇篌w中心切斷，制作截面觀察用試樣。用硝酸乙醇腐蝕該試樣(試驗體)的長度方向的兩端部的繞焊部附近，測定熔深長度(焊接金屬的侵入長度)x'、焊腳長d/、d2'、焊縫厚度t。另外，觀察焊接止端部的沖擊處理部的形狀。表1表示其結(jié)果。另外，表1的焊腳長d/、d2'及焊縫厚度t為形成有繞焊部的各位置G處)的平均值。即，對于焊腳長Cl1 ‘、d2'及焊縫厚度t，考慮角撐板長度方向的兩端部的繞焊部及基板的兩面的繞焊部?？蛊谔匦?直至斷裂的重復(fù)次數(shù))為各試樣的值。表1
1權(quán)利要求
1.一種面外角撐焊接接頭的制作方法，該面外角撐焊接接頭具備基板、從該基板的表面突出的角撐板、以及角焊部，其特征在于，沿板寬w方向?qū)λ鼋菗伟彘L度方向的端部的板寬方向的一端進行切口加工而形成具有切口高度a、切口長度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撐板的所述板寬w方向的端面與所述基板的表面相對的方式配置所述角撐板，以所述角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長d2為所述切口高度a以上的方式進行角焊，所述角撐板側(cè)的焊腳長d2'為所述角撐板的板厚t2的1/3以上，且形成該焊腳長d2'、所述基板側(cè)的焊腳長d/、熔深長度χ'和熔深角度Θ'滿足Χ' M‘ >d2' / sin θ ‘的所述角焊部，對所述角焊部中至少繞焊部的所述基板側(cè)的焊接止端部實施沖擊處理。
2.如權(quán)利要求1所述的面外角撐焊接接頭的制作方法，其特征在于，所述切口角度θ為45°以上且75°以下。
3.一種面外角撐焊接接頭，其具備基板、從該基板的表面突出的角撐板、以及角焊部， 其特征在于，在所述角焊部，所述角撐板側(cè)的焊腳長d2'為所述角撐板的板厚、的1/3以上，且該焊腳長d2'、所述基板側(cè)的焊腳長d/、熔深長度χ'和熔深角度θ ‘滿足χ' +Cl1 ‘ >d2' / sine ‘，且所述角焊部中至少繞焊部的所述基板側(cè)的焊接止端部形成有沖擊處理痕跡。
4.如權(quán)利要求3所述的面外角撐板焊接接頭，其特征在于，所述熔深角度Θ'為30°以上且75°以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具備基板、從該基板的表面突出的角撐板和角焊部的面外角撐焊接接頭的制作方法。該制作方法為，在板寬(w)的方向?qū)λ鼋菗伟宓拈L度方向的端部的板寬方向的一端進行切口加工而形成切口部，在所述基板的表面配置所述角撐板，以所述角撐板側(cè)的預(yù)定焊腳長(d2)為切口高度(a)以上的方式進行角焊，所述角撐板側(cè)的焊腳長(d2′)為所述角撐板的板厚(t2)的1/3以上，且形成該焊腳長(d2′)、所述基板側(cè)的焊腳長(d1′)、熔深長度(x′)和熔深角度(θ′)滿足x′+d1′＞d2′/sinθ′的所述角焊部，對所述角焊部中至少繞焊部的所述基板側(cè)的焊接止端部實施改善疲勞特性的沖擊處理。
文檔編號B23K31/00GK102481652SQ20108003724
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月24日
發(fā)明者大川鐵平, 島貫廣志 申請人:新日本制鐵株式會社