JP2005254284A

JP2005254284A - ガスシールドアーク溶接方法

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Publication number: JP2005254284A
Application number: JP2004069756A
Authority: JP
Inventors: Akio Kaminaka; 明郎上仲; Tetsuya Shimizu; 哲也清水; Kazuhisa Tsuchida; 和久土田; 柳平 ▲高▼木; Ryuhei Takagi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Iwatani International Corp
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Iwatani International Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】スパッタの発生が無くしかもアンダーカット等の溶接欠陥をも良好に抑制することのできるガスシールドアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】ガスシールドアーク溶接を、質量％でC：≦0.10％，Si：0.25〜1.40％，Mn：0.7〜2.0％，P：0.003〜0.040％，S：0.001〜0.040％，残部不可避的不純物及びFeの組成を有する溶接ワイヤと、体積％でArガス若しくはArガスとHeガスとの混合ガスをベースとして更に5〜25％CO_２及び5.5〜15％O_２を含んだ組成のシールドガスとを用いて行うようにする。
【選択図】なし

Description

この発明はガスシールドアーク溶接方法に関し、詳しくはアンダーカット等の有害な欠陥やスパッタの発生を抑制することのできるガスシールドアーク溶接方法に関する。

従来より、高温の溶接部をシールドガスで大気から遮断しつつ溶接ワイヤと被溶接母材との間にアークを発生させ、そのアークの熱により溶接を行うガスシールドアーク溶接方法が広く実施されている。
このガスシールドアーク溶接方法では、かねてよりノンスパッタ化即ちスパッタ発生の防止ないし抑制と、アンダーカット等の有害な溶接欠陥の抑制との両方とが求められている。
しかしながらこれら２つの要求特性はいわば相反するものであり、従来にあっては何れか一方が顕著に現れないような条件を設定して溶接を行っているのが実情である。

図４は溶接電流とアーク電圧との関係を示したもので、この図においてゾーンＡは、図５（ａ）に示しているようにアーク長の短い領域であって、このゾーンＡでは溶接ワイヤＸと被溶接母材Ｙとが直接接触する短絡現象を生じ易く、スパッタが多く発生する。

一方、ゾーンＢはゾーンＡに対してアーク長の長い領域で、このゾーンＢではスパッタの発生は抑えられるものの、図５（ｂ）に示しているようにアーク長が長くなるのに伴ってアンダーカット１４が発生する領域である。
尚アンダーカットが生じた場合、疲労亀裂が発生し、強度上問題となる。

他方、ゾーンＣはアーク長の長過ぎる領域であって、このゾーンＣでは図５（ｃ）に示しているようにアンダーカット１４の発生に加えて、ビード形状が長手方向に沿って波打ち形状となるハンピングビード１６を形成する領域である。
ここでアーク長が長くなるとアンダーカットを生じ易いのは、被溶接母材Ｙの溶込みの幅が広がることによる。

このようなことから、従来にあってはガスシールドアーク溶接をアンダーカットの生じないゾーンＡにおいて、且つスパッタの発生量を可及的に少なくするようにゾーンＢに最も近い領域で、つまりアーク長の短い領域のゾーンＡ内でアーク長が長くなるような条件で溶接を行っていたのが実情である。

このようにスパッタの発生とアンダーカットの発生とは、一方を抑制すれば他方が助長されるといった、いわば相反した現象であり、そのため従来にあってはスパッタの発生とアンダーカット等の溶接欠陥の発生の抑制とを共に実現できる溶接方法が未だ提供されていないのが実情である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものである。

尚、本願発明に対する先行技術として例えば下記特許文献１には、ＭＡＧ溶接における硫黄添加により、溶融池内の表面張力対流を変化させて溶込みを深くさせるという技術が開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものはアンダーカットを生じる場合があり、スパッタ及びアンダーカットの両方を抑制することができない点で本発明とは異なっている。

特開平９−２５３８８０号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、スパッタの発生が無くしかもアンダーカット等の溶接欠陥をも良好に抑制することのできるガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１の方法は、質量％で、C：≦0.10％，Si：0.25〜1.40％，Mn：0.7〜2.0％，P：0.003〜0.040％，S：0.001〜0.040％，残部不可避的不純物及びFeの組成を有する溶接ワイヤと、体積％で、Arガス若しくはArガスとHeガスとの混合ガスをベースとして更に5〜25％CO_２及び5.5〜15％O_２を含んだ組成のシールドガスとを用いて行うことを特徴とする。

請求項２の方法は、請求項１において、前記溶接ワイヤが質量％で、Al：≦0.30％，Ti：≦0.30％の何れか１種又は２種を更に含んでいることを特徴とする。

請求項３の方法は、請求項１，２の何れかにおいて、前記溶接ワイヤが質量％で、Mo：≦1.2％，B：≦0.005％の何れか１種又は２種を更に含んでいることを特徴とする。

請求項４の方法は、請求項１〜３の何れかにおいて、前記不可避的不純物としてのCaを質量％で、Ca：≦0.0020％に規制してあることを特徴とする。

請求項５の方法は、請求項１〜４の何れかにおいて、下記（１）式に規定する係数ＡがＡ≦０を満足することを特徴とする。
Ａ＝45×[C]質量％−2×[Si]質量％−[Mn]質量％−18×[P]質量％−96×[S]質量％・・・（１）式

発明の作用・効果

本発明者等は、溶接性に影響を及ぼす因子として、溶接ワイヤの組成とシールドガスの組成とに着眼し、それらについて研究を行う中で、溶接ワイヤの組成及びシールドガスの組成を上記組成となすことで、スパッタの発生とアンダーカット等の溶接欠陥の発生の何れをも良好に抑制し得るとの知見を得た。
詳しくは、図４に示すＢゾーンでの溶接即ちスパッタを発生しないようなアーク長の下で溶接を行っても、アンダーカット等の溶接欠陥の発生を抑制し得るとの知見を得た。
本発明はこのような知見の下になされたものである。

本発明は、図４に示すＢゾーン即ちスパッタの発生を生じないようなアーク長の下で溶接を行ったときに生ずるアンダーカットの問題を解決し、このようなアーク長の下でもアンダーカットを生じることなく溶接を行うことのできる方法として特徴付けられるものである。

かかる本発明は以下のような着想の下になされたものである。
従来より、アークによる母材の溶込み形状については様々な研究が行われており、その代表例として、図６に示すような溶込み形状が開示されている。
同図において（ａ）は単純溶込み型、（ｂ）は中央溶込み型、（ｃ）は周辺溶込み型を示している。

上記図４に示すＢゾーンのアーク長における溶接の下でアンダーカットが生ずるのは、図７（イ）に示しているように溶融池表面での溶湯の流れが、幅方向の周辺部から中央部に向かう流れであることによるものと考えられ、そこで本発明者等は、図７（ロ）に示しているように溶融池表面における溶湯の流れを、中央部から周辺部に向かう流れとすることができれば、アンダーカットの発生を無くすことができるのではないかと考えた。

そこで次にどのようにして溶融池表面の溶湯の流れを中央部から周辺部に向かう流れとすることができるかの点について研究を行った結果、シールドガスの組成を上記のような組成、詳しくはCO_２に加えてO_２を含有させ且つそのO_２の含有量を5.5％以上と多くすることによって、更には溶接ワイヤの組成を上記特定の組成とすることによって、これを実現することができるとの知見を得た。

本発明の溶接方法において実際にこのような溶湯の流れが生じているか否かについては確認されてはいないが、本発明の溶接方法によると、ビードの幅方向の中央部に若干のくびれが生ずることがあり、このビード形状からして溶接部における溶湯の流れが幅方向の中央部から周辺部に向かっていると判断することができる。
このビードの幅方向の中央部におけるくびれの発生は、溶湯が中央部から周辺部に向かって流れたときに典型的に現れる現象であることは従来から知られている。

図８はシールドガスの組成と溶接部の溶込み形状との関係を表したもので、従来Ar＋CO_２の場合には（Ａ）に示しているように溶融池表面での溶湯の流れが周辺部から中央部に向かってそのまま下向きの流れとなり、溶融池の掘下げ作用が強くなる結果、溶込みが深く、また溶込み形状が幅の狭いものになるとされ、またCO_２ガスの場合には（Ｂ）に示しているように溶込みの幅が広がり、更にO_２を加えることによってその溶込みの幅が（Ｃ）に示しているように更に広がると考えられている。
この溶込み幅の広がりは、溶融池表面における溶湯の流れが中央部から周辺部に向かう結果であると考えられている。

本発明ではシールドガスにおけるO_２の含有量を従来に増して多くしており、そのことが溶融池表面における中心部から周辺部へと向かう溶湯の流れを加速し、その結果として従来生じていた両サイドのアンダーカットを無くすことに寄与し得たものと考えられる。

何れにしろ本発明によれば、比較的長いアーク長の下で溶接を行った場合において、後の実施例で明らかにされるように、従来生じていたアンダーカットを無くすことができることが確認されており、また短絡現象を伴わない溶滴移行となるため、当然にスパッタの発生も抑制することができる。
かかる本発明によればスパッタの発生も、またアンダーカット等の溶接欠陥も生じることなく、良好にガスシールドアーク溶接を行うことが可能となる。

尚、本発明は素材強度３５０〜５５０ＭＰａの強度を有する高張力鋼を被溶接母材とした溶接に適用して特に好適なものである。

本発明においては、必要に応じてAl，Tiを0.30％以下の量で溶接ワイヤ中に含有させておくことができる（請求項２）。
更にまた必要に応じてMoを1.2％以下，Bを0.005％以下の量で溶接ワイヤに含有させておくことができる（請求項３）。
一方で不純物としてのCaは、その含有量を0.0020％以下に規制しておくことが望ましい（請求項４）。

請求項５は溶接ワイヤにおけるC，Si，Mn，P，Sの各成分の量を上記に規定する式（１）に基づいて規制するものである。
具体的には式（１）で規定される係数Ａを０以下とする。
ここで係数Ａは、溶融池表面における溶湯の中心部から周辺部に向かう外向きの流れの指標として捉えることができ、この係数Ａが負の数値且つその絶対値が大きいほど、つまり係数Ａが小さいほど中央部から周辺部に向かう流れが起き易い。つまり溶込み形状が左右方向に広い形状となり易い。

次に本発明における各化学成分等の限定理由を以下に詳述する。
C：≦0.10％
Cは溶接金属の強度を確保するために重要な元素であり、また溶融金属の粘性を低下させて流動性を増す作用も有する。
しかしC含有量が0.10％を超えると、溶接時の溶滴移行及び溶融池の挙動が不安定となり、スパッタが多量に発生する。また溶接金属の靭性が低下してしまう。
そのためCは0.10％以下に限定した。
尚溶接金属の強度を確保するためにC含有量の下限は0.01％とすることが好ましい。

Si：0.25〜1.40％
Siは脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。
Si含有量が0.25％未満では、溶接時の溶滴移行及び溶融池の挙動が不安定となり、スパッタが多発するばかりでなく、溶融金属の脱酸が不足し、溶接金属にピット及びブローホールが発生する。しかも不安定な短絡現象が生じ、溶接ワイヤの送給性が悪くなる。
一方1.40％を超えて含有すると、溶接金属の靭性が低下してしまう。
そのためSiは0.25〜1.40％の範囲内に限定した。

Mn：0.7〜2.0％
MnはSiと同様に脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。
Mn含有量が0.7％未満では、溶接時の溶滴移行及び溶融池の挙動が不安定となり、スパッタが多発するばかりでなく、溶融金属の脱酸が不足し、溶接金属にピット及びブローホールが発生する。しかも不安定な短絡現象が生じ、溶接ワイヤの送給性が悪くなる。
一方2.0％を超えて含有すると、溶接金属の靭性が低下するとともに溶接ワイヤ自身の硬さを過度に増加させ、製造性を阻害する。
そのためMnは0.7〜2.0％の範囲内に限定した。

P：0.003〜0.040％
Pは製鋼プロセスにおける不純物として溶接ワイヤに混入する元素であるが、ビード形状を平滑にする効果を有する。
しかしながらP含有量が0.003％未満では、ビード形状を平滑にする効果は得られない。
一方0.040％を超えると溶接時の溶滴移行が不安定となり、スパッタが多発する。また溶接割れが発生し易くなってしまう。
そのためPは0.003〜0.040％の範囲内に限定した。

S：0.001〜0.040％
Sはビード形状を平滑にする効果を有し、S含有量が0.001％以上でその効果を発揮する。
一方0.040％を超えると、小粒のスパッタが増加するとともに溶接割れが発生し易くなってしまう。
そのためSは0.001〜0.040％の範囲内に限定した。

Al：≦0.30％
Alは強力な脱酸作用を有しているため溶接金属の清浄度を高めるとともに結晶粒を微細化し、ブローホールの発生を抑制し溶接金属の機械的性質を向上させる。
しかし0.30％を超えて添加すると、大粒のスパッタが発生するばかりでなく、溶接金属の靭性の低下を招く。
そのためAlは0.30％以下とした。
尚Alの望ましい下限値は0.01％である。

Ti：≦0.30％
TiはAlと同様に強力な脱酸作用を有しているため、溶接金属の清浄度を高めるとともにブローホールの発生を抑制し、溶接金属の機械的性質を向上させる。
しかし0.30％を超えて添加すると、大粒のスパッタが発生するばかりでなく、溶接金属の靭性の低下を招く。
そのためTiは0.30％以下とした。
尚Tiの望ましい下限値は0.01％である。

Mo：≦1.2％
Moは溶接金属の強度を増加させ且つ耐候性を向上させる元素で、僅かな添加量でこれらの効果を発揮する。
しかし1.2％を超えて添加すると、溶接金属の靭性の低下及び製造性を阻害してしまう。
そのためMoは1.2％以下とした。
尚Moの望ましい下限値は0.01％である。

B：≦0.005％
Bは、Moと同様に溶接金属の強度を増加させ且つ耐候性を向上させる元素で、僅かな添加量でこれらの効果を発揮する。
しかし0.005％を超えて添加すると、溶接金属の靭性の低下及び製造性を阻害してしまう。
そのためBは0.005％以下とした。
尚Bの上限値は0.003％とするのが一層好ましい。

Ca：≦0.0020％
Caは製鋼プロセス或いは伸線加工における不純物として溶接ワイヤに混入する。
Ca含有量が0.0020％を超えると大粒のスパッタが多発する。
そのためCaは0.0020％以下とした。

尚、溶接ワイヤの上記した成分以外の残部は、Fe及び不可避的不純物である。
不可避的不純物としてはO及びNが代表的であり、O：≦0.020％，N：≦0.015％に規制することが溶接品質上好ましい。
特にOはアーク安定性の確保から、0.0020〜0.0070％とするのが一層好ましい。

CO_２ガス：5〜25％
ガスシールドアーク溶接におけるＭＡＧ溶接としてはベースとなるガス成分である。
アークの安定性のためには5％以上必要であるが、25％を超えると短絡現象が増してアークが不安定になる。また溶接金属のC量が増し、靭性が低下してしまう。
そのためCO_２ガスは5〜25％とした。

O_２ガス：5.5〜15％
ビード形状を改善するために重要なガス成分であり、溶融金属の対流を変化させる作用を有する。
5.5％未満では有害なアンダーカットを生ぜしめる。
一方15％を超えて配合するとアンダーフィルが顕著になり、のど厚不足及び強度不足となる。
そのためO_２ガスは5.5〜15％とした。

次に本発明の実施形態を以下に詳しく説明する。
表１に示す各種組成の溶接ワイヤを用い、表２，表３及び表４に示す各種組成のシールドガスと組み合わせてガスシールドアーク溶接を行った。

表１に示す化学成分の溶接ワイヤ（ワイヤ径：１．２ｍｍφ）により、表２〜表４に示す条件で溶接を行い、アンダーカット，スパッタ，アンダーフィルそれぞれの有無を調査した。

尚この実施形態の溶接試験において、被溶接母材としては以下の組成を有するものを用いた。
また具体的な溶接条件については以下とした。

・使用母材： C Si Mn P S Fe
0.11 0.20 0.63 0.017 0.015 Bal
・板厚：９ｍｍ
・溶接電源：インバータ電源
・極性：逆極性直流
・シールドガス流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
・溶接電流：２５０Ａ
・アーク電圧：２６Ｖ
・溶接速度：３５ｃｍ／ｍｉｎ
・溶接姿勢：下向き，すみ肉溶接

表２〜表４にその結果が併せて示してある。
これらの結果に示しているように、本発明例では比較例に比べてスパッタ及びアンダーカットともに良好に抑制されており、特にワイヤ組成が請求項５に規定する条件を満たすものについてはスパッタ及びアンダーカットともに全く生じておらず、溶接が良好に行われていることが分る。
尚、表２〜表４においてアンダーフィルとあるのは、図７（ロ）において余盛不足によるビード表面中央部のくぼみを表している。

図１はシールドガスにおけるO_２比率とアンダーカットの深さとの関係を示したものである。
また図２は係数Ａとアンダーカットの深さとの関係を示したものである。

図１に示しているようにシールドガス中のO_２を5.5％以上とすることによって、アンダーカットの深さが急激に少なくなり、即ち実質的にアンダーカットを無くすことができ、良好な溶接形状を与えることが分る。
また図２の結果に示しているように係数Ａを０以下とすることによって、同じくアンダーカットの発生を良好に抑制できることが分る。

因みに図３はワイヤ組成を一定とし（発明例４の溶接ワイヤ）、そしてシールドガスの組成、詳しくは酸素含有量を変化させて溶接を行ったときの溶接部の状態を写真撮影して表したものである（溶接条件は上記と同様）。

同図に示しているように酸素含有量が本発明の範囲より少ない（Ａ）では幅方向の両サイドに明確なアンダーカットが現れている。
また酸素含有量が本発明の範囲内にある（Ｂ）ではビード形状が良好な形状となっており、一方で酸素含有量が本発明の範囲を超えて多い（Ｃ）ではビードの幅方向中央部に大きなくびれ、即ちアンダーフィル（余盛不足）が生じている。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれらはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

本発明の実施形態において得られたO_２比率とアンダーカットとの関係を表した図である。本発明の実施形態において得られた係数Ａとアンダーカットとの関係を表した図である。シールドガス中のO_２成分の比率を変化させたときの溶接状態の変化を表した図（写真）である。アーク長が短い領域と長い領域と長過ぎる領域とを区画して示した図である。アーク長の長さと発生する不具合とを表した図である。アーク溶接の際の母材の溶込み形状の代表的なパターンを示した図である。溶融池表面における溶湯の流れの方向と溶込み形状及びビード形状の関係を表した図である。ガス成分と溶湯の流れ及び溶込み形状との関係を表した図である。

Claims

質量％で、
C ：≦0.10％
Si：0.25〜1.40％
Mn：0.7〜2.0％
P ：0.003〜0.040％
S ：0.001〜0.040％
残部不可避的不純物及びFeの組成を有する溶接ワイヤと、体積％で、Arガス若しくはArガスとHeガスとの混合ガスをベースとして更に5〜25％CO_２及び5.5〜15％O_２を含んだ組成のシールドガスとを用いて行うことを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
請求項１において、前記溶接ワイヤが質量％で、
Al：≦0.30％
Ti：≦0.30％
の何れか１種又は２種を更に含んでいることを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
請求項１，２の何れかにおいて、前記溶接ワイヤが質量％で、
Mo：≦1.2％
B ：≦0.005％
の何れか１種又は２種を更に含んでいることを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
請求項１〜３の何れかにおいて、前記不可避的不純物としてのCaを質量％で、
Ca：≦0.0020％
に規制してあることを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
請求項１〜４の何れかにおいて、下記（１）式に規定する係数ＡがＡ≦０を満足することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
Ａ＝45×[C]質量％−2×[Si]質量％−[Mn]質量％−18×[P]質量％−96×[S]質量％・・・（１）式