技術論文・報告 高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価 中野 光一（九州工業大学 大学院 生命体工学研究科） 島田 雅博（福岡県工業技術センター機械電子研究所） 時計，指輪，携帯電話などの金属とヒトの皮膚が接触すると起こる金属アレルギーの中ではニッケルアレルギーの症例が最も多い． 生体材料として多用されてきたオーステナイト系ステンレス鋼中にも高濃度のニッケルが含有され，人体にアレルギーを起こす可能 性があるため，ニッケル含有率を低く抑えた高耐食ステンレス鋼の開発が求められてきた．他方で，ニッケルは高価なレアメタルと して指定されており，省資源化を図るためニッケルに代わる安価な元素の検討が急務とされてきた．このような社会ニーズに応える ため，安価な窒素がオーステナイト安定化元素として着目され，窒素を固溶させた高窒素ステンレス鋼が開発されてきている．しか し，スポット溶接法を用いた高窒素ステンレス鋼の継手性能の評価に関する報告は少ない．そこで，本研究では，スポット溶接の高 窒素ステンレス鋼への適用可能性について，従来のオーステナイト系ステンレス鋼と比較・検討した． １．はじめに そこで，本研究ではスポット溶接機を用いて高窒素ステ 一般のオーステナイト系ステンレス鋼に合金元素とし ンレス鋼の薄板試料を溶接し，その継手性能を従来のオー て多用されているニッケルはチタンやタングステンなど ステナイト系ステンレス鋼と比較しながら検討評価した． と同様に高価なレアメタルとして指定されており，省資源 化を図るためニッケルに代わる安価な元素の検討が急務 ２．供試材料 とされてきた．他方で，生体材料として従来用いられてき ２.１ 高窒素ステンレス鋼 たオーステナイト系ステンレス鋼はニッケルを 8%以上含 本研究で用いた高窒素ステンレス鋼用の供試母材は， み，人体にアレルギーを起こす可能性があるため，ニッケ JIS G 4304(2005)「熱間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯」に ル含有率を低く抑えた高耐食ステンレス鋼の開発が求め 規定されている SUS304N2-X を用いた．供試母材の化学 られてきた． 成分を表１に示す．窒素含有率の規格値は 0.15∼0.30wt% となっているが，供試母材の窒素含有率は 0.20wt% で こうした社会問題を背景として，安価な窒素がオーステ ナイト安定化元素として着目され，窒素ガス加圧式エレク あった． トロスラグ再溶融法（ESR）や固相吸収法などにより，窒 ２.２ オーステナイト系ステンレス鋼 素を固溶させた高窒素ステンレス鋼が国内あるいは海外 で開発されてきており，その溶接継手の特性に関する研究 高窒素ステンレス鋼と比較評価するために用いた従来 も行われ始めてきている．しかし，短時間での溶接が可能 のオーステナイト系ステンレス鋼は，JIS G 4304(2005) で，窒素の逸脱が少ないスポット溶接法を用いた高窒素ス 「熱間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯」に規定されている テンレス鋼の継手性能の評価に関する報告は少ない 1-7)． SUS304 とした．供試母材の化学成分を表２に示す． 表１ 高窒素ステンレス鋼 SUS304N2-X の化学成分 Chemical Composition 化学成分 （wt％） 規格値 測 C Si Mn P S Ni Cr N Nb Max.以下 0.08 1.00 2.50 0.045 0.030 10.50 20.00 0.30 0.15 Min.以上 − − − − − 7.50 18.00 0.15 − 0.06 0.77 1.91 0.028 0.000 7.80 18.49 0.20 0.10 定 値 表２ オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 の化学成分 Chemical Composition 化学成分 （wt％） 規格値 測 C Si Mn P S Ni Cr N Nb Max.以下 0.08 1.00 2.00 0.045 0.030 10.50 20.00 − − Min.以上 − − − − − 8.00 18.00 − − 0.07 0.46 0.84 0.028 0.007 8.04 18.06 − − 定 値 4・高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価 TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 ３．実験方法 試験機オートグラフ（型式：AG-100kNX）で，クロス ３.１ ヘッドスピードを 1.0 mm/min として，最大荷重を試験体 試験片 高窒素ステンレス鋼用の試験片は，供試母材の板厚が の溶接部強度とした． 9mm であるため， これを機械加工により 1 mm に仕上げ， 試験片として用いた．試験片の寸法は t1.0 × w25 × L115 ３.５ スポット溶接部のマクロ・ミクロ試験方法 ∼138mm である．一方，比較評価用に用いた SUS304 の 溶接した試験片の断面を#2000 まで SiC 耐水研磨紙で 試験片寸法は t1.0 × w25 × L150 mm である．いずれも 研磨した後，1∼0.06 m のアルミナ粉末を用いたバフ 重ねしろは 25mm とした．これら試験片寸法および重ね 研磨により鏡面に仕上げた．エッチングは塩酸と硝酸を しろの値は，ASME Sec．IX (QW-462.9)8)を満足してい 3：1 に混合した溶液を用いて行った．マクロ観察は実体 る． 顕微鏡を用いて行い，倍率は 25 倍とした．またミクロ観 察は光学顕微鏡を用いて行い，倍率は 100 倍とした． ３.２ スポット溶接装置 スポット溶接は薄板の溶接に適しており，短時間での接 ３.６ EPMA による面分析・線分析方法 合が可能なため，大量生産に適しているという特徴を有し 溶接した試験片の断面に対して，日本電子製 EPMA（型 ている．本実験に用いた汎用型の空気加圧式スポット溶接 式：JXA-8200）による分析を行った．調査する成分元素 機は，日立製作所製の単相交流式定置型スポット溶接機 は窒素(N)，クロム(Cr)，炭素(C)，ニッケル(Ni)とした． （型式：SP-AH, F115269604）で，電極材には，パナソ 窒素濃度は SUS304 に窒素を 0.060wt%，0.172wt%， ニック溶接システム製（型式：チップホルダ REU01603， 0.285wt%，および 0.387wt%吸収させた試料を用いて検 R 型電極チップ RET01601）を使用した．実験で使用し 量線を作成し，得られた検量線を用いて測定を行った． た空気加圧式スポット溶接機を図１に，電極材を図２にそ れぞれ示す． ４.実験結果および考察 ４.１ 断面マクロ・ミクロ観察結果 ３.３ スポット溶接条件 SUS304N2-X スポット溶接部のマクロ試験結果を図３ スポット溶接条件は，加圧力 F および溶接時間 t をそれ に示す．ナゲットの形状はいずれも電極先端形状に対応し ぞれ 3.92 kN (400kgf)，0.83 s（50 サイクル：スクイズ時 た碁石状の楕円で，接合面の接触点が電流通路に細かく均 間 20 サイクル，通電時間 20 サイクル，保持時間 10 サイ 等に分散し，加熱溶融がこれらの接触点を核にして始まっ クル）と一定とし，溶接電流 I を 7000A，8000A，および たためと考えられる． 9000 A と変化させて溶接を行った． また，ナゲットや熱影響部（HAZ）の形状からもほぼ 理想的なフリンジングの様相を呈している．ブローホール， ３.４ 引張せん断試験方法 割れ，ピット，表散り，ピックアップといった溶接欠陥は 実験に用いた引張試験機は，島津製作所製の精密万能 図１ 空気加圧式スポット溶接機 （日立製作所製：型式：SP-AH） TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 図２ 電極材 （パナソニック溶接システム製：R 型電極チップ） 高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価・5 確認されなかった．一方，コロナボンドを破って外に飛び Sec．IX(QW-196.1)8)に規定されている母材厚さ 1mm の 出してくる中散りがわずかに確認されるものも存在した 最小ナゲット径は 3mm 以上，また溶込み深さは 0.4∼ が，これは，溶接電流に対して加圧力が若干低かったため 1.6mm の範囲という規格値に対し，本実験結果はこの値 と考えられる． をすべて満足するものであった．また，ナゲット中心部 溶接電流 7000A，8000A，および 9000A のナゲット径 における断面ミクロ組織観察の結果を図４に示す．接合 はそれぞれ 5.1mm，5.4mm，および 5.8mm，溶込み深さ 界面を中心に通電方向に伸びている樹枝状晶が確認され はそれぞれ 1.4mm，1.3mm，1.3mm であった．ASME た． (a) I = 7000 A (b) I = 8000 A (c) I = 9000 A 図３ SUS304N2-X スポット溶接部のマクロ試験結果 通電方向 (a) I = 7000 A 100μm 100μm 100μm (b) I = 8000 A (c) I = 9000 A 図４ SUS304N2-X スポット溶接部のミクロ試験結果 (a) 窒素 (N) (b) クロム (Cr) (c) 炭素 (C) (d) ニッケル (Ni) 図５ 接合試験片の断面における EPMA 面分析結果 (I = 9000 A) 6・高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価 TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 Concentration（mass%） Weld Metal HAZ Distance (mm) (b) 面分析から得られた窒素濃度 (a) 検量線を用いた窒素の面分析 図６ 窒素の定量分析結果(I = 9000 A) Upper side base metal Weld metal Upper side base metal Lower side base metal Weld metal (a) 窒素 (N) (b) クロム (Cr) Upper side base metal Weld metal Lower side base metal Upper side base metal Lower side base metal Weld metal (c) 炭素 (C) Lower side base metal (d) ニッケル (Ni) 図７ 接合試験片の断面における EPMA 線分析結果 (I = 9000 A) ４.２ EPMA（面分析）結果 ４.３ EPMA（線分析）結果 溶接電流 9000A で接合を行った接合試験片の断面にお 溶接電流 9000A で接合を行った試験片の断面における ける EPMA 面分析結果を図５に示す．窒素，クロム，炭 EPMA 線分析の結果を図７に示す．測定操作はナゲット 素，ニッケルの濃度分布は溶融部と母材部で大きな違いは 中央部において通電方向に上端から下端までの測定を行っ 確認されず，マクロ分析では化学組成の変化は認められな た．窒素に関しては，同図(a)より，ナゲット中央部近傍 かった．また，溶接電流 9000A で接合を行った試験片の において濃度の増減が若干確認されるものの，ほぼ母材部 断面において検量線を用いて測定した窒素の定量分析結 と同様の値を示していることがわかる．クロム，炭素およ 果を図６に示す．同図(b)から接合後も窒素濃度は多少増 びニッケルに関しては，同図(b),(c),(d)より，ナゲット中 減しながらも母材と同等の 0.2wt%を維持しており，溶接 央部近傍の溶融部において偏析と思われる濃度の増減が による窒素の減少は確認されなかった．これは，接合時間 確認された．特に，炭素の移動度は大きく，ナゲット中心 が 1 秒にも満たないことから，窒素の減少を抑制できたも の溶融部は，鋭敏化温度域に加熱されていることからクロ のと考えられる． ム炭化物(Cr23C6)等が析出していることも考えられる．い TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価・7 Diameter of nugget (mm) ずれにしても，窒素の濃度変化が少ないことから，高窒素 ステンレス鋼溶融部の強度や耐食性の低下はほとんどな いと考えられる． ４.４ SUS304N2-X スポット溶接における溶接電流 とナゲット径の関係 SUS304N2-X のスポット溶接における溶接電流とナ ゲット径の関係を図８に示す．ナゲットの溶融は接合部で ∼ ∼ の電気抵抗に依存するジュール発熱による．従って， 7000A から 9000A に電流が増加するにつれてナゲット径 Welding current (A) が増加したと考えられる． ４.５ 図８ 溶接電流とナゲット径の関係 SUS304N2-X スポット溶接における溶接電流 と継手強度の関係 SUS304N2-X のスポット溶接における溶接電流とせん 断荷重の関係を図９に示す．溶接電流 9000A の時，せん 断荷重は最大を示し，8000A の時，最小を示した．本研 究の範囲において，溶接電流値とナゲット径は正の相関を 示したが，せん断荷重は必ずしもナゲット径に比例して増 加していないことが確認された．そこで，接合面のナゲッ トを円と仮定して強度を応力で整理した溶接電流とせん 断応力の関係を図 10 に示す．溶接電流 7000A の時，せん 図９ 溶接電流とせん断荷重の関係 断応力は最大を示し，8000A，9000A の時，応力はほぼ 一定であった．試験後の破面から 7000A の時，中散りは 確認されず，8000A，9000A の時，破面から微量の中散 りが確認された．中散りの発生が確認された 2 条件でせん 断応力が低下したことから，中散り発生時にマイクロポロ シティの発生や，微量の酸素の混入などが起きていること も考えられる． ４.６ SUS304 との比較評価 引張せん断試験における破断形態を図 11 に示す． SUS304N2-X のスポット溶接部の引張せん断試験では全 図 10 溶接電流とせん断応力の関係 ての条件でプラグ破断したのに対し，SUS304 の溶接部の 場合にはシャー破断を示した．また，SUS304 のせん断 鋼 種 SUS304N2-X SUS304 SUS304N2-X SUS304 SUS304N2-X SUS304 破断形態 プラグ破断 シャー破断 プラグ破断 シャー破断 プラグ破断 シャー破断 試験後破面 溶接電流 I = 7000 A I = 8000 A I = 9000 A 図 11 引張せん断試験における破断形態 8・高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価 TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 た．高窒素ステンレス鋼をスポット溶接した場合，通常 多用されている GTAW 等 4-6)と比較すると，ナゲットの 溶融時間が比較的短く，溶融部から逸脱する窒素の量が 極めて少なくなるため，引張せん断強度も比較的高い値 を維持できたと考えられる．引張せん断試験における SUS304N2-X と SUS304 の強度比較を図 12 に示す． ４.７ Maximum shear load（kN） 強度は高窒素ステンレス鋼と比べて約 1 割低い値を示し Minimum requirements (ASME) ASME Sec. IX による継手の評価 スポット溶接に関する ASME Sec. IX の規定では， QW-462.9 に従った幅 25mm，長さ 100mm 以上の試験片 で引張せん断試験を行わなければならない．そして，供試 材料では，母材厚さ 1mm の場合には，1 スポット当たり 図 12 引張せん断試験における SUS304N2-X と SUS304 の強度比較 QW-462. 10 による最小せん断強度 594 kgf（5.82 kN） 2)小川真，平岡和雄，片田康行，相良雅之，志賀千晃：高 を満足することが要求事項として規定されている． 窒素ステンレス鋼溶接金属のブローホール抑制並びに SUS304N2-X の場合，全ての溶接電流条件で 9 kN 以上 凝固モードと耐食性の評価−高窒素ステンレス鋼溶接 の強度を示し，継手強度として十分なことが示された． 継手特性に関する研究（第 1 報）−，溶接学会論文集， 第 20 巻，第 1 号，p.96-105，（2001） 3)小川真，平岡和雄，片田康行，相良雅之，塚本進，志賀 ５．おわりに 空気加圧式スポット溶接機を用いて高窒素ステンレス 千晃：高窒素ステンレス鋼溶接熱影響部における窒化物 鋼の薄板試料を溶接し，その継手性能を従来のオーステナ 析出挙動と耐食性−高窒素ステンレス鋼溶接継手特性 イト系ステンレス鋼と比較しながら検討評価した．本研究 に関する研究（第 2 報）−，溶接学会論文集，第 20 巻， の範囲において，以下に示す結論を得た． 第 1 号，p.106-113，（2001） (1)溶融部断面で EPMA による面分析や線分析を行った 4)中野光一，安西敏雄，西尾一政，梶原健一：高窒素ステ ところ，窒素，クロム，炭素，ニッケルの明確な濃度 ンレス鋼溶融部の腐食に関する一考察，第 164 回例会会 変化は確認されなかった．特に，窒素の濃度変化が少 報，西日本腐蝕防蝕研究会（㈳表面技術協会九州支部， ないことから，高窒素ステンレス鋼溶融部の強度や耐 ㈳腐食防食協会九州支部），Vol.49，No.3，p.18-19， 食性の低下はほとんどないと考えられる． （2009） (2)溶接電流 7000Ａ，8000Ａ，9000Ａの全ての条件で， 5)中野光一，安西敏雄，山口富子，西尾一政：高窒素ステ ASME Sec．IX の溶込み深さ，せん断強度の規格要求 ンレス鋼溶融部の硬さおよび耐食性の評価，溶接学会九 事項を満たした． 州支部講演論文集，第 7 号，p.41-44,(2010) (3)せん断応力で整理すると，微量の中散りの発生が確認 6)中野光一，安西敏雄，山口富子，西尾一政：高窒素ステ された溶接電流 8000Ａ，9000Ａの試料の場合には， ンレス鋼溶融部の硬さおよび耐食性の評価，高田技報， 中散りの発生しなかった溶接電流 7000A の試料より Vol.21，p.38-43,(2011) 強度の低下が確認された． 7)島田雅博，中野光一，廣瀬政憲，中村憲和，緒方道子， (4)溶接部の引張せん断試験の結果，高窒素ステンレス鋼 安西敏雄：高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手 の場合はプラグ破断したが，従来のオーステナイト系 性能評価，溶接学会九州支部講演論文集，第 8 号， ステンレス鋼 SUS304 の溶接部の場合はシャー破断し p.45-48,(2011) た．また，SUS304 のせん断強度は，高窒素ステンレ ス鋼と比べ，約 1 割低い値を示した． 参考文献 1)石井不二夫，萬谷志郎，不破祐：溶鉄の窒素溶解度およ び窒素溶解度に及ぼす Via 族元素の影響，鉄と鋼，第 8)An International Code 2010 ASME Boiler & Pressure Vessel Code, 2010 Edition, July 1,2010 中野 光一 Kouichi Nakano 九州工業大学 大学院 生命体工学研究科 生体機能専攻 (㈱高田工業所 休職中) 客員准教授 博士(工学) 68 巻，第 8 号，p.946-955，（1982） TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.22 2012 高窒素ステンレス鋼のスポット溶接部の継手性能評価・9
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