JP2006272405A - メタル系フラックス入りワイヤおよび溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 メタル系フラックス入りワイヤにおいて、スラグ材成分を規定し、かつグラファイトを所定の値の範囲内で添加することによりスラグ生成量を低減し良好な塗装性を確保できるメタル系フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】 スラグ材の規制およびグラファイトの規定によりスラグ生成量を低くし、フラックス入りワイヤの塗装性を確保するために、ワイヤ全体の質量％で、グラファイト以外のＣ：０．００１〜０．２０％、グラファイト：０．１０〜０．７％、ＳｉＯ₂以外のＳｉ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜３．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下に制限し、さらに、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種以上を合計で０．０５〜０．４０％含有し、前記グラファイト、および、前記ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または2種以上は少なくとも前記フラックスとして含有させる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、自動車分野のアーク溶接継手等に用いられているアーク溶接にかかわるもので、特に、メタル系フラックス入りワイヤを用いて溶接するときに発生する溶接ビード表面のスラグ量を低減することにより、ソリッドワイヤの代わりにメタル系フラックス入りワイヤを用いることを可能にしたメタル系フラックス入りワイヤおよび溶接方法に関するものである。

自動車分野のアーク溶接継手は、溶接終了後の塗装工程のために、溶接中に発生するスラグ量が少ないソリッドワイヤを用いて作製されている。これは、溶接部がスラグに覆われている場合、スラグの上から塗装することになり、塗装膜と溶接部の密着性に問題が生じるためである。

一方、環境問題等の認識の高まりから、自動車分野でも燃費向上などの観点から軽量化を推し進めている。このため、より高強度の鋼材を使用し、板厚を低減する傾向にあるが、このときの大きな問題として、溶接部の疲労強度がある。すなわち、高強度鋼材を使用しても、溶接部疲労強度は鋼材強度に比例して高くなるわけではなく、疲労強度で設計する場合は、高強度鋼材を使うメリットがなくなるという問題がある。

このような問題を解決する手段の１つとして、溶接材料の変態温度を低くなるよう成分設計し、溶接部の残留応力を低減することで疲労強度を向上させる方法が提案されている（特許文献１、２参照、以降このような溶接材料を高疲労強度溶接材料と呼ぶ）。この方法は、特に新たな製造工程を準備する必要がなく、従来溶接材料を取り替えるだけで高疲労強度を得る方法で、効率のよい方法であるといえる。

しかし、この方法にも問題が存在する。すなわち、高疲労強度溶接材料は、合金元素を多く含むように成分設計するため、製造コストが増加し、自動車分野におけるアーク溶接全てにこの溶接材料（溶接ワイヤ）を適用することは経済的に不可能である。そのため、高疲労強度溶接材料の適用を疲労が問題となる部位のみに限定し、できるだけワイヤ消費量が少なくなるようにする必要がある。しかし、ソリッドワイヤは、ワイヤ消費量が多い場合は経済性がフラックス入りワイヤより優れているものの、ワイヤ消費量が少なくなると、メタル系フラックス入りワイヤのようにフラックスの設計変更による成分調整ができない、一度ワイヤ作製用素材を準備するとその後の成分設計の変更ができない、などの問題があり、多品種少量使用の場合の経済性はむしろフラックス入りワイヤより劣るようになる。

ソリッドワイヤにおけるワイヤ消費量が少ない場合の問題は、なにも高疲労強度溶接材料に限ったことではない。高強度用溶接材料についても、同様な問題が生じる。

少ないワイヤ消費量で高強度の溶接金属が得られる成分調整が経済的に実現可能なものとしてはフラックス入りワイヤである。しかし、通常のアーク溶接用のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮に合金成分を主に含有するとともに、鋼製外皮内には合金成分の他に、溶接作業性およびワイヤ加工性を良好に維持するためにフラックス成分を充填するため、これをを自動車分野に適用してアーク溶接継手を製造する場合には、スラグ発生により塗装性に問題が生じる。この問題は、溶接工程の後にスラグ除去工程を新たに設備投資すれば解決するが、この場合は、設備投資のためのコスト増加が避けられないため好ましくない。

フラックス入りワイヤを用いる溶接でのスラグ量を低減する技術は、これまで種々提案されている。例えば、不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスを使用して溶接するワイヤについて、前記ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０８質量％以下、Ｓｉ：０．７乃至１．５質量％、Ｍｎ：１．０乃至３．０質量％を含有し、フラックスの充填率が１０乃至３０％であり、Ａｌを０．３質量％以下含有し、アーク安定剤をアルカリ金属換算で０．００５質量％以下、アルカリ土類金属フッ化物が０．２質量％以下、Ｔｉを０．００５質量％以下に規制した溶接ワイヤとし、水平すみ肉溶接をする場合であっても、スラグ発生量を抑えることができ、ビード形状がフラットなビードを得ることができる混合ガスシールドアーク溶接メタル系フラックス入りワイヤが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この発明は、通常のフラックス入りワイヤのスラグ量より発生量は少ないが、ソリッドワイヤと比較しうるほどにスラグ量を抑えている技術ではない。

また、フラックス充填率を低く抑え、鋼製外皮の割合を高くする技術もある（例えば、特許文献４、５、６参照）。すなわち、この方法は、フラックス入りワイヤの構造をできるだけソリッドワイヤに近づける技術である。ソリッドワイヤのスラグ発生量が少ないことを考えると、この技術を用いることによりスラグ量を抑えることは可能であろう。しかし、この方法はワイヤ中のフラックス量が少なくなるため、フラックス成分の調整だけでワイヤ全体の成分を設計することが難しくなるという、ソリッドワイヤと同様な問題が発生し、せっかくのフラックス入りワイヤが持つ経済性が犠牲になってしまう。

また、アーク安定剤としてグラファイトを必須成分とするフラックスをワイヤ断面積比で５〜２５％の範囲内で充填するワイヤが公開されている（例えば、特許文献７参照）。このフラックス入りワイヤのワイヤ全体に対するフラックス（粉粒体）の含有割合は１２％程度であり、このフラックス（粉粒体）に対してアーク安定剤としてグラファイトを１％程度含有するものであるから、ワイヤ全体に対するグラファイトの含有量は０．１２％程度を含有するものである。また、フラックス（粉粒体）中にグラファイト以外のアーク安定剤または脱酸剤としてはＴｉ、ＭｎなどとＦｅ合金として含有し、金属酸化物は実質的に含有しないことにより、溶接時のスラグ発生量を低減するものである。しかし、高疲労強度または高強度の溶接金属を形成するためにフラックスとして多量の合金元素を含有するメタル系フラックス入りワイヤにおいては、合金元素を造粒、または、ワイヤを伸線するために欠かせない成分であり、酸化物を実質的に添加しない程度まで低減すると、ワイヤ製造上問題が生じる。一般に、フラックス入りワイヤでは、充填するフラックスを粒状にしてその表面に潤滑剤の役目をする雲母（ケイ酸塩）等を付着させワイヤ線引き中の抵抗を低くしており、フラックス中の酸化物を低減するとワイヤを伸線する際に破断が発生しやすくなる。

このような従来技術の問題から、低充填率に頼らず、フラックス成分を工夫することによりスラグ発生量を少なくし、継手の塗装性を確保することができる技術が望まれていた。

特開平１１−１３８２９０号公報 特開２００４−１０７５号公報 特開２０００−１９７９９１号公報 特開２００１−１７９４８８号公報 特開２００１−２８７０８７号公報 特開２００３−９４１９６号公報 特公昭５１−１６５９号公報

これら従来技術の問題点に鑑み、本発明は、スラグ発生量が従来のフラックス入りワイヤより格段に少ないフラックス入りワイヤ及びそのワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、以上の観点から、フラックス成分とスラグ発生量の関係に着目し、その関係およびスラグ低減方法を鋭意研究してきた。そして、フラックス成分をコントロールすることにより、従来フラックス入りワイヤと比べ格段にスラグ量を低減さることが可能であることを見出したものである。本発明は、このような研究によってなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１） 鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、グラファイト以外のＣ：０．００１〜０．２０％、グラファイト：０．１０〜０．７％、ＳｉＯ_２以外のＳｉ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜３．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下に制限し、さらに、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏの１種または２種以上を合計で０．０５〜０．４０％含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、かつ前記グラファイト、および、前記ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏの１種または２種以上は少なくとも前記フラックスとして含有することを特徴とするメタル系フラックス入りワイヤ。

（２） 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、フラックス充填率が１０〜２０％であることを特徴とする前記（１）記載のメタル系フラックス入りワイヤ。

（３） 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｎｉ：０．５〜１２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％の１種または２種以上を合計で０．２〜１２．５％含有することを特徴とする、前記（１）または（２）記載のメタル系フラックス入りワイヤ。

（４） 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｂ：０．００１〜０．０３％を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。

（５） 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの１種または２種以上を合計で０．００５〜０．３％含有することを特徴とする前記（１）〜（４）の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。

（６） 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、酸化物系以外のアーク安定剤を、全体の質量％で、さらに、０．０５〜０．５％を前記フラックスとして含有することを特徴とする前記（１）〜（５）の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。

（７） 前記（１）〜（５）の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤを用いて鋼板を溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。

（８） シールドガスとして、ＣＯ_２を３〜２５％含有し、残部がＡｒガスおよび不可避不純物からなるシールドガスを用いることを特徴とする前記（７）記載のガスシールドアーク溶接方法。

（９） 前記シールドガス中に、さらに、Ｏ_２ガスを４％以下含有するシールドガスを用いることを特徴とする前記（８）記載のガスシールドアーク溶接方法。

（１０） 前記鋼板の板厚が１．０〜５．０ｍｍであり、かつ引張強度が４４０〜９８０ＭＰａであることを特徴とする前記（７）〜（９）のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。

本発明によれば、メタル系フラックス入りワイヤのスラグ生成量を、ソリッドワイヤ並に低く抑えることが可能となり、スラグ発生量が少ないため、メタル系フラックス入りワイヤを用いて作製された溶接継手の塗装性を格段に向上させることが可能となる。また、ワイヤ消費量が少ない場合のソリッドワイヤにおける経済性の問題を同時に解決することが可能である。

以下に、本発明を詳細に説明する。

自動車分野におけるアーク溶接継手は、溶接終了後に塗装工程に入るが、その際に問題となるのは、溶接ビード表面に存在するスラグである。塗装膜と継手表面の密着性を確保するためには、スラグを極力減らすことが望ましい。そのため、従来技術ではソリッドワイヤが用いられてきた。

一般に、ソリッドワイヤは、フラックス入りワイヤよりスラグ生成量が極めて少なく、そのため、ソリッドワイヤを使用している限りにおいては、特にスラグ除去工程を考えずに塗装工程に進むことが可能である。しかし、高疲労強度溶接材料のような、適用継手成分が限定されるためにワイヤ消費量に限界がある場合は、ソリッドワイヤは経済的観点からフラックス入りワイヤより劣るという問題が生じる。これら問題を同時に解決するには、スラグ発生量をソリッドワイヤ並に低減したフラックス入りワイヤを発明する必要がある。

フラックス入りワイヤには、通常タイプのワイヤと金属粉を多く含有させたメタル系フラックス入りワイヤの２種類がある。通常タイプのフラックス入りワイヤは、ビード形状を良好にし、かつ全姿勢溶接できるようにフラックス成分を所定の量確保するようにしている。それに対し、メタル系フラックス入りワイヤは、金属粉が多い分フラックス成分が少なく全姿勢溶接が難しくなるものの、スラグ生成を抑えることが可能となる。しかしながら、いずれのタイプのフラックス入りワイヤでも、従来技術の範囲では、スラグ生成量は、ソリッドワイヤに比べるとはるかに多い。ソリッドワイヤは、フラックス成分がないため、溶接姿勢は限定される。しかし、塗装性を考えると、従来技術の範囲ではソリッドワイヤの選択は避けられず、溶接姿勢の問題は、被溶接鋼板の位置を調整することで解決されてきた。

フラックス入りワイヤに生じるスラグ成分を実際に分析すると、ほとんどが、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３のような酸化物である。そして、この傾向は、フラックス中にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を添加した場合でも変わらない。そのため、フラックス入りワイヤのスラグ発生量をソリッドワイヤ並まで低減するためには、酸化物の発生をできるだけ抑える必要がある。本発明が扱うワイヤが、フラックス入りワイヤの中でも特にメタル成分が多いフラックスを充填するメタル系フラックス入りワイヤに限定されているのは、このような理由による。

では、従来のメタル系フラックス入りワイヤでは、なぜ、ソリッドワイヤ並にスラグ生成量を抑えることができないのであろうか。従来の技術ではフラックスに雲母を添加するが、これは、雲母によりワイヤ線引き時のフラックスの抵抗を抑えるためである。すなわち、雲母は潤滑材の働きをする。しかし、雲母の成分であるＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの酸化物はスラグ生成源であり、スラグ低減の観点からは好ましくはない。そのため、雲母にとって代わる、潤滑材の役目をする成分を見出す必要がある。一方、スラグ成分から推定できるように、溶接ワイヤ中の酸素量を下げるとスラグ生成量が低減することが期待できるが、フラックス入りワイヤを前提とする限り、これら酸化物の添加量を０にすることは困難である。そこで、溶接ワイヤ中の酸素をスラグという形態以外の形で溶接ビードの外に放出する必要がある。特許文献３、４、５および６で開示されている従来技術では、スラグ生成源のうち、最も影響が大きいＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ａｌ_２Ｏ_３などのスラグ材を低減するまでに至っておらず、また、スラグ低減を従来技術内で実施すれば、今度は潤滑剤不足によるワイヤ製造上の効率劣化の問題が解決されない。そのため、従来技術の範囲内では、スラグ発生量を抑えるためには、フラックス充填率を低く抑える技術に頼らざるを得なかった。

本発明者らは、以上の背景から、種々のメタル系フラックスの成分に検討を加えていき、ついに、フラックスにＣ源としてグラファイトを添加する方法を見出した。

一般に、レールのような高Ｃ鋼材を溶接する場合を除き、溶接ワイヤにＣを意識的に添加することはしない。それは、溶接金属のＣ量が高くなると、溶接割れの問題、硬化性の問題、靭性の問題など、継手特性としてはデメリットが大きくなるためである。そのため、溶接金属中のＣ量は０．２％、場合によっては０．１％に達しないように設計されるのが通常である。しかし、Ｃは酸素と結合し、ＣＯまたはＣＯ_２を形成する元素でもある。ＣＯまたはＣＯ_２は、たとえ形成されても溶接ビードの外へ放出され、スラグという形で残ることはない。そのため、Ｃで酸素を低減することはスラグ低減という観点からも望ましい。Ｃを添加する方法は、グラファイト添加以外にも、鋼製外皮のＣ量を増加させる方法もある。しかし、グラファイトには、それを添加することにより、ワイヤ線引き時のフラックスの抵抗を低減する働きがあることも見出した。そのため、雲母の代わりに用いることができ、雲母を低減することによるスラグ低減効果も期待できる。本発明において、Ｃ量の範囲について、グラファイト量とグラファイト以外のＣ量に分けて規定しているのは、このような背景による。

図１は、本発明の技術思想を示す概念図で、横軸にワイヤ中のグラファイト量をプロットし、縦軸にワイヤ中の酸化物量および溶接後に生じたスラグ量をプロットした図である。

図１では、グラファイト量と酸化物量の関係は破線で、グラファイト量とスラグ量の関係は実線で示している。破線の上側の領域は、ワイヤ製造効率が落ちない領域で、図１の破線からわかるように、グラファイトを増加させるとワイヤ製造効率を落とさずに酸化物を低減することができる。酸化物低減は、スラグ発生を抑える点からは好ましいことで、グラファイト添加の効用がわかる。

図１の実線は、グラファイト量と溶接後生じたスラグ量の関係である。図１の実線が示すところは次のようなものである。すなわち、あるグラファイト量を添加すると（図１のＡ）、破線からワイヤ製造効率を落とさない最小の酸化物量（図１のＢ）が決定される。そして、このグラファイト量と酸化物量を含有するワイヤで溶接したときのスラグ発生量（図１のＣ）が実線で示される。したがって、グラファイトを図１のＡで示される分だけ添加しても、酸化物量を低減しなければ（例えば図１のＤで示されるグラファイト量と酸化物量）、実線で示されるスラグ量にはならず、それ以上のスラグ量が発生する。グラファイト添加の効用は、それによりスラグ生成の原因となる酸化物量を（図１の実線が示す量まで）ワイヤ製造効率を落とさずに低減できる点にある。

しかし、図１は、グラファイト添加にはそれ以上の効用があることを示している。グラファイト添加量が少ない領域では、図１で実線と破線はほぼ一致しているが、グラファイト添加が多くなると実線のほうが下に位置するようになる。すなわち、酸化物低減以上の効果があることを意味する。この現象が生じるのは、グラファイトであるＣは酸素と結合し、ＣＯまたはＣＯ_２になり、酸素そのものを低減するため、結果的にスラグである酸化物の生成が抑えられるためである。

従来技術としてアーク安定剤としてフラックス中にグラファイトを含有するフラックス入りワイヤが提案されている（例えば、特許文献７参照）。しかし、このフラックス入りワイヤに含有するグラファイトは、アーク安定剤として特定ワイヤ断面積比の範囲内で含有し、そのグラファイト含有量は、ワイヤ全体に対する割合で０．１２％程度と少なく、かつ溶接時のスラグ発生量を低減するためにフラックスとして金属酸化物は実質的に含有しないため、図１に示されるようなワイヤ製造効率を良好に維持しつつ溶接時のスラグ発生量を低減する効果が得られるものではない。

以上のように、グラファイトにはいくつかの利点があるが、これまで用いられてこなかった理由は、次のように考えられる。つまり、一般に、ワイヤ中に含有する元素含有量（質量％）と溶着金属中の元素含有量（質量％）に大きな差は生じないと考えられており、例えば、ワイヤ中のＣ量を０．４％に設計すれば、溶着金属中のＣ量も０．４％に近い値になる、という常識があった。そのため、これまでワイヤ中にＣを多く添加することは溶接金属中のＣ含有量の増加による溶接継手特性の低下を招くため、できるだけ避ける傾向があった。

しかし、本発明者からの検討の結果、図２に示すようにフラックス中にグラファイトを添加する場合は、溶着金属中のＣ含有量は必ずしも高くならないことが明らかになった。

図２は、メタル系フラックス入りワイヤにおけるフラックスに添加したグラファイト含有量（ワイヤ全体に対する質量％）と溶着金属中のＣ含有量（質量％）との関係を示す図である。なお、図２は、溶接ワイヤとして、鋼製外皮中のＣ含有量がワイヤ全質量に対して０．０５％であるメタル系フラックス入りワイヤを用いた場合である。また、横軸にプロットされているグラファイト量は、すべてフラックスに含有されているグラファイト量を示している。図２からわかるように、例えグラファイトを０．４％添加したとしても、溶着金属中のＣ含有量は０．２％未満に維持でき、この程度のＣ含有量では、溶接継手の機械的特性の低下は実用上問題のない程度である。仮に、同じ量のＣをワイヤの鋼製外皮中に添加すると、Ｃがそのまま溶着金属に残留するため、溶着金属の機械的特性が劣化すると考えられる。フラックス中にグラファイトを添加する場合に、溶接金属中のＣ含有量が増加しない理由は明らかではないが、溶接時に溶接金属中に添加されたグラファイトは、大気中の酸素及び溶接金属中の酸化物から供給される酸素によりＣＯまたはＣＯ_２として溶接ビード外に放出されるため、添加されたグラファイト量に比べ、溶接金属中のＣ含有量は低減するのではないかと考える。

一方、グラファイト添加量が０．７％を上回ると、溶着金属成分としてのＣ量は０．４０％以上、場合によっては０．５％を超えるようになり、機械的特性への影響が懸念される。そのため、本発明では、メタル系フラックス入りワイヤにおいて、少なくともフラックスとして含有するグラファイト添加量の上限を０．７％とする必要がある。この理由は、グラファイト添加量を０．７％未満とすることでワイヤ製造効率を良好に維持しつつワイヤ中の酸化物を低減し、その結果、溶接時のスラグ発生量を十分低減させるとともに、溶接金属中のＣ含有量が急激に増加することを抑制するためである。

なお、図２において、グラファイト添加量が０でも溶着金属のＣ量が０にならないのは、鋼製外皮にＣが含まれているためである。

本発明は、上記知見および技術思想をもとになされたものであり、メタル系フラックス入りワイヤにおいて、フラックスとしてグラファイトを所定量含有させることにより、従来のフラックスの造粒剤およびワイヤ伸線用潤滑材として添加していた酸化物を低減でき、かつグラファイトによる脱酸（ＣＯ、ＣＯ_２化）作用の結果、溶接時のスラグ発生量の低減を達成することができる。また、本発明によれば、従来のソリッドワイヤを用いて溶接する場合と同程度にスラグ生成量を低減でき、高疲労強度および高強度が要求される溶接金属を構成外皮の成分を変えずに、フラックス中に含有する合金元素含有量の調整によって達成できるため、ソリッドワイヤに比べて経済性の点で優れるものである。

次に、本発明における数値限定理由について述べる。

初めに、メタル系フラックス入りワイヤにおける各成分元素についての数値限定理由について述べる。

グラファイト以外のＣについては、ワイヤ全体に対するＣ量を質量％として、０．００１％をその下限とした。これに達しないＣ量では、鋼製外皮の強度を確保することが難しくなり、ワイヤ製造時の断線の問題を引き起こすため、下限値をこの値とした。また、グラファイト以外のＣの上限を０．２０％としたのは、これを上回るＣ量では、本発明のメタル系フラックス入りワイヤでは、フラックスにグラファイトを別途添加するため、溶接金属のＣ量が過大になるためその上限を０．２０％とした。

本発明においてグラファイトを添加する理由は、フラックスの潤滑材の役目をさせる、酸素と反応させＣＯまたはＣＯ_２を形成させることにより酸素を外に逃がす、がある。これらの理由は、スラグ量を低減させることを狙ったものであるが、さらには、高疲労強度溶接材料としての役割を持たせるため、溶接金属のＣを適正に保ち、変態開始温度を低く抑える役目もある。本発明の目的の一つに塗装性の確保があるが、それは、本発明の利用分野として自動車分野が挙げられることにある。この分野で用いられる鋼板のＣ量は比較的低い場合が多く、０．０５％以下、場合によっては０．０１％以下となる場合がある。この場合、母材希釈も考慮した時の溶接金属中のＣ量を適正に保つことは難しくなる。このＣ量は、鋼製外皮からも導入させることができるが、グラファイトとしてワイヤ中に含有させることによりスラグ低減と潤滑材の働き両方を持たすことができるので、本発明では鋼製外皮のＣ量の上限は低く抑えている。その分、グラファイトは最低限添加する必要がある。本発明のグラファイトの下限は、溶接金属中のＣ量を最低限確保する、かつスラグ低減と潤滑材の効果を確保する、という２つの理由から０．１０％とした。上限の０．７％は、これを上回るグラファイト量では、溶接金属中のＣ量が増加し、溶接金属が硬くなりすぎるなど継手特性上問題が生じるためこの値を設定した。なお、グラファイトの潤滑剤としての働きを確実にするためには、好ましくはグラファイトの下限を０．１５％と設定することが望ましい。

ワイヤ中のＳｉは、酸化物であるＳｉＯ_２のものとそうでないものとに分けられ、酸化物のＳｉＯ_２は主としてフラックスに含有される。鋼製外皮に含有されるＳｉは、鋼中に固溶しているＳｉがほとんどであり、本発明では、鋼中のＳｉＯ_２は不可避不純物である。フラックスに含まれるＳｉＯ_２などの酸化物は、雲母以外にもワイヤに充填すべきフラックスを造粒するときに用いられるバインダーにも含有されており、メタル系といえどもフラックス入りワイヤを前提とする限り、バインダーを無添加にすることはできない。そのため、後述するように、本発明では酸化物の総量を規定している。但し、ＳｉＯ_２以外のＳｉは、酸素成分を含んでいないため、スラグ生成という観点からはあまり規制する必要はない。しかし、最低限の脱酸をする必要があるため、下限を０．０５％とした。一方、過度のＳｉ添加は、溶接金属を硬化させ継手特性上の観点から好ましくないので上限を１．２％とした。

Ｍｎは、強度確保に必要な元素である。Ｍｎの下限０．２％は、これを下回る場合は溶接金属強度の確保が難しくなるのでこの値を設定した。一方、その添加量が過度に多くなると、溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を３．０％とした。

ＰおよびＳは、不可避的不純物元素であり、本発明では、これら元素が溶接金属に多く存在するとその靭性が劣化するため、ＰおよびＳの含有量の上限をそれぞれ０．０３％、０．０２％とした。

ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏはスラグ材と呼ばれているものである。これらを添加する理由は、メタル系フラックス入りワイヤ製造前に、フラックス成分を造粒する際のバインダーの役目を果たす、鋼製鉄皮内に充填してから所定のワイヤ径になるまで線引きする工程において、フラックスの抵抗を少なくする潤滑材の働きをすること、などである。フラックスの造粒工程は、ワイヤ中のフラックス含有量が均一になることから、良質のメタル系フラックス入りワイヤ製造には欠かせない工程である。一方、潤滑材の働きは、本発明ではグラファイトにその働きを持たせているので、これら酸化物を添加する理由は主としてフラックスの造粒のためである。但し、これらは全て酸化物であり、スラグ生成量を少なくするという観点からは、無添加のほうが好ましい。しかし、これら成分がないとフラックス造粒ができないため、最低限の量は添加しなければならない。下限の０．０５％は、これを下回ると上記効果が得られなくなり、ワイヤ品質と製造効率上問題が発生するためにこの値を設定した。上限の０．４０％は、これを上回る添加量である場合は、溶接後のスラグ発生量が多くなり、塗装性の問題が生じてくるためこの値を設定した。

本発明において、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕは、主として溶接継手の引張り強度または疲労強度を向上させることを目的として添加する元素である。これらは、溶接材料の使用目的によってその添加量を選択すればよい。これら元素は、添加することによって、強度増加をもたらし、かつ、溶接金属の変態開始温度を低くすることによる疲労強度増加ももたらされる。しかし、これら元素に働きは同じであるものの、１％あたりの効果は必ずしも同じではないため、各元素に対して範囲を定めた。

Ｎｉは、変態開始温度を低くし、強度や靭性などの継手特性を向上させる元素である。Ｎｉの下限０．５％は、添加することにより強度や靭性の向上が得られる最低限の値として定めた。上限の１２．０％は、これを上回る添加量では、溶接金属が変態せずオーステナイトのままで冷却が終了する可能性があり、疲労強度向上が期待できなくなるため上限をこの値にした。

ＣｒおよびＭｏは、本発明では、溶接金属の強度および焼入性を上げるために添加する元素である。溶接継手の疲労強度を向上させるためには、マルテンサイトなどの変態温度が低い組織にする必要があるが、そのためには、焼入性確保が欠かせない。ＣｒとＭｏは、添加することにより、強度向上および焼入性確保がしやすくなる元素である。そのため、これら元素の下限０．１％は、強度向上と焼入性確保の効果が得られる最低限の値として設定した。一方、ＣｒとＭｏは、Ｎｉ同様それを添加することにより変態開始温度を低くすることができるが、Ｎｉと異なり、溶接金属の靭性向上の点では、Ｎｉ添加ほど好ましくはない。そのため、これら元素の上限は、Ｎｉより低く設定する必要がある。これら元素の上限３．０％は、これを上回る添加では、継手の特性上問題が生じるためこの値を設定した。

Ｃｕも、ＣｒとＭｏ同様に、変態開始温度の低減、強度向上および焼入性確保の効果がある元素である。しかし、添加しすぎると溶接金属にＣｕ割れを発生させる危険がるため、ＣｒやＭｏより上限値は低く設定する必要がある。上限の０．５％は、Ｃｕ割れの危険を無くすために設定した。一方、Ｃｕは、主にワイヤにめっきをして通電性を確保するために用いることも可能である。Ｃｕの下限０．１％は、強度向上と焼入性向上の効果および通電性確保の点で必要最低限の値として設定した。

本発明では、これら４つの元素、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕの合計値に対しても制限を設けた。これら元素は、変態開始温度の低減、強度向上と焼入性確保の効果があり、働きとしては同等である。しかし、これら元素を添加しすぎると、溶接金属組織がオーステナイト組織になる、すなわち溶接後の冷却過程で変態しなくなるため、疲労強度向上の効果がなくなる。また、添加量が少ない場合は、引張り強度向上の効果も期待できなくなる。そのため、これら元素の合計も制限する必要がある。下限の０．２％は、これを下回る添加量では強度増加の効果が期待できなくなるためこの値を設定した。上限の１２．５％は、これを上回る添加量では、溶接金属がオーステナイトを主体とした組織になり、溶接中の冷却過程における変態膨張が不十分となり疲労強度向上が期待できなくなるためこの値を設定した。なお、これら元素を添加する目的が引張り強度の向上のみの場合は、添加量の上限を４．０％と設定し、後述するＮｂやＶの添加を併用するほうが経済的に好ましい。また、溶接継手の疲労強度向上を目的とする場合は、これら４つの元素、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕの合計添加量の下限を２．０％と設定することが望ましい。これは、添加量がこれを下回る場合は、溶接金属の変態開始温度が低くならず、疲労強度を向上させることが難しくなるためである。より確実に疲労強度を向上させるためには、この下限値を３．０％と設定することが望ましい。

Ｂは焼入性元素である。Ｂ添加は、鋼板の焼入性を確保するためには質量％で０．００１％程度添加すれば充分であるが、溶接金属の場合は酸素が鋼板より高く、Ｂは酸素と結合しその効果を奪われてしまうため、鋼板の場合より多く添加する必要がある。焼入性を確保する理由は、溶接金属のミクロ組織をより高強度の組織にする、高温で変態開始する組織の出現を抑えより低い温度で変態するミクロ組織にする、などがある。これらの効果は、引張り強度確保、疲労強度確保、両面からも好ましいので、本発明では積極的に利用すべきであると考えた。Ｂの添加量の下限は溶接金属の焼入性を向上できる最低限の値として０．００１％と設定した。Ｂ添加量の上限は、これを上回る量を添加してもＢ添加で得られる効果が増加しないことから０．０３％と定めた。

Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは、いずれも炭化物を形成し強度を増加させる働きをもつ元素で、比較的少ない添加量で強度増加が期待できる。すなわち、本発明においては、これら３元素とも同等の効果を期待している元素である。そのため、本発明では、これら元素の合計を限定する。下限の０．００５％は、これを下回る添加量では強度増加をあまり期待できないためにこの値を設定した。一方、０．３％を上回る添加量では、溶接金属の強度が過大になり、継手特性上問題が生じるため、上限を０．３％とした。なお、Ｔｉに関しては、強度増加以外にも溶接アークを安定させる働きがあるため、好ましくはＴｉ含有量の下限を０．００３％と設定することが望ましい。

アーク安定剤とは、それを添加することにより、溶接アークが安定になる元素であり、本発明の請求項１に記載されているＮａ_２ＯやＫ_２Ｏなどもアークを安定させる働きがあるため、これらもアーク安定剤と呼んでさしつかえない。そのため、本発明においては、アーク安定剤をこれ以上添加する必要は必ずしもなく、また、これらアーク安定剤を添加すると、本発明の第１の目的である、スラグ量の低減が達成できなくなる危険性すらある。しかし、Ｎａ、Ａｌ、Ｆの化合物であればアークを安定させる働きがあり、Ｎａ_２ＯやＫ_２Ｏなどと異なり、氷晶石（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）などのような酸化物系以外のものも存在する。酸化物以外であれば、溶接ワイヤに添加しても酸素供給源にならないため、酸化物で形成されるスラグを生成することにはならず、これらアーク安定剤を添加し、よりアークを安定させたいという要望に応えることが可能となる。そのため、本発明者らは、本発明における酸化物系以外のアーク安定剤の適用可能範囲を設けることは、産業上意義のあることと判断した。酸化物系以外のアーク安定剤の下限０．０５％は、添加することによりアーク安定効果が得られる最低限の値として設定した。一方、上限の０．５％は、既に酸化物系のスラグ材をバインダーとして添加しており、これら元素もアーク安定剤の働きがあるため、これを上回る添加しても効果が変わらないため上限を０．５％とした。

以上が、本発明におけるメタル系フラックス入りワイヤの成分を限定した理由である。

次に、フラックスの充填率を限定した理由について述べる。

本発明では、溶接後のスラグ生成量をワイヤに充填するフラックスの成分を限定することで低減させているため、通常のメタル系フラックス入りワイヤにおける充填率の範囲内であればその効果が得られ、特許文献４、５、６のように、意識的に充填率を低くする必要はない。また、フラックス充填率が低い場合でも、本発明の範囲内にワイヤ成分を限定すればその効果は十分発揮できる。そのため、本発明において、フラックス充填率の範囲を限定するのは、高疲労強度溶接材料のように合金元素の添加量が多い場合である。例えば、フラックス充填率を５％と限定したワイヤで、Ｎｉ添加量をワイヤ全体に対し１０％にしようとした場合、フラックス中に添加するＮｉだけでは不十分であり、Ｎｉが添加されたそれ専用の鋼製外皮を用いなければならない。この場合は、通常の鋼製外皮を用いることができなくなり、経済的問題が発生する。充填率が十分高ければこのような問題は発生しない。フラックス充填率の下限を１０％としたのは、ワイヤ成分設計の自由度を十分確保し、かつ高強度溶接材料、高疲労強度溶接材料が達成可能である範囲として設定した。上限の２０％は、これを上回る充填率の場合、ワイヤに占める鋼製外皮の割合が低くなり、ワイヤ製造中に断線の危険性がでてくるため、この値を設定した。

次に、シールドガスを限定した理由について述べる。

ガスシールド溶接において、一般に、シールドガスは、１００％ＣＯ_２またはＡｒガス中にＣＯ_２ガスが含有されているものが用いられる。本発明の目的は、スラグ発生量の少ないメタル系フラックス入り溶接ワイヤの提供であり、スラグのほとんどがＳｉＯ_２やＭｎＯなどの酸化物系であることを考えると、シールドガスにおいても酸素含有量の少ないものを選択することが望ましい。そのため、本発明における溶接方法では、シールドガスとしてＡｒ＋３〜２５％ＣＯ_２ガスを採用することとした。なお、ＣＯ_２ガスを０％にするのは溶接アークの安定性上好ましくないため、Ａｒガス中には３％以上のＣＯ２を含有するとした。２５％を上回るＣＯ２を含有したＡｒガスでは、スラグ生成上１００％ＣＯ２ガスの場合とほぼ同じになるので上限を２５％とした。

シールドガス中のＯ_２ガスは、本発明においては不純物である。しかし、Ａｒガス中にＯ_２ガスが存在している場合で、Ｏ_２ガスを取り除く場合、ＣＯ_２ガスを除去する以上に製造上の負荷がかかるため、一般には、Ｏ_２ガスがないシールドガスのほうが、Ｏ_２ガスを含有しているシールドガスよりも高価である。そのため、本発明者らは、本発明におけるＯ_２ガスの許容含有量の範囲を明確にすることは産業上意義のあることと考え、その許容範囲を定めることとした。Ｏ_２ガスが４％を上回る場合は、スラグ生成量増加が避けられず、そのため、Ｏ_２ガスの上限を４％に設定した。

次に、鋼板の板厚および鋼板強度を限定した理由について述べる。

初めに板厚を限定した理由について述べる。

本発明は、スラグ生成量を少なくし、ソリッドワイヤ並みの塗装性を確保することを目的とするものであるため、鋼板の板厚を特に限定しなくても、本発明の範囲内にあるメタル系フラックス入りワイヤを用いればその効果を得ることが可能である。しかし、メタル系フラックス入りワイヤを用いるのはワイヤ消費量が少ない場合だけで、ワイヤ消費量が充分多い場合は、ソリッドワイヤのほうが経済性に優れており、特に本発明に頼る必要はない。本発明のメタル系フラックス入りワイヤのほうが経済性に優れる場合は、疲労強度を向上させるために合金元素添加量が高い場合、すなわち高疲労強度溶接材料として用いる場合などである。そのため、本発明では、疲労強度向上が期待できる鋼板の組み合わせを提示することは産業上意義のあることと判断した。板厚が１ｍｍを下回る場合は、本発明の範囲内にあるメタル系フラックス入りワイヤを用いて継手を作製しても、板厚に対する溶け込み深さが大きくなり、溶接金属が変態膨張してもその膨張を鋼板が充分拘束できないため、残留応力を充分低減することができなくなる。そのため、疲労強度向上は期待できない。このような場合は、向上が期待できる継手特性としては、塗装性を除くと引張り強度のみである。そのため、高疲労強度継手という観点から板厚の下限を１．０ｍｍと設定した。一方、溶接継手の塗装性が問題となる産業は自動車分野であり、造船分野などでは、溶接ビードにスラグが存在しても特に大きな問題が発生していない。一般に、自動車分野では板厚が５ｍｍを上回るような場合はほとんどなく、このような板厚を必要としている産業は造船分野である。そのため、鋼板板厚が５．０ｍｍを上回る場合は、産業上のメリットが少ないと判断し板厚の上限を５．０ｍｍと設定した。

次に、鋼板強度を限定した理由について述べる。

本発明で、鋼板強度を限定しなければならない場合も、溶接継手の疲労強度を向上させる場合であり、塗装性のみを問題とする場合は特に限定する必要はない。

本発明が提供するメタル系フラックス入りワイヤを用いて溶接継手の疲労強度を向上させる場合、その実現手段は、溶接金属の変態膨張を利用した溶接部の残留応力を制御するという方法である。すなわち、変態膨張する溶接金属を鋼板が拘束し、溶接金属および鋼板両方に反力を発生させる方法である。鋼板強度が低い場合、この反力が充分高くならず結果的に残留応力が低減されない。溶接金属に関しては、合金元素添加が既に充分されているため、低強度の問題は発生しない。そのため、鋼板強度の下限値を設定する必要がある。鋼板強度の下限値、４４０ＭＰａは、充分な反力を得る最低限の値として設定した。一方、鋼板強度の上限値、９８０ＭＰａは、本発明の範囲内の溶接金属成分内では、溶接金属の強度そのものの上限が９８０ＭＰａ程度になってしまい、それ以上の強度を持つ鋼板を使用しても、継手の強度が溶接金属で規定されてしまうため、産業上意味がないと判断しこの値を設定した。

以下に、本発明の実施例について説明する。

表１および表２に、メタル系フラックス入りワイヤの成分値を示した。表１には、ワイヤに添加した成分の質量％、充填率が示されている。各成分は、ワイヤ全質量に対する質量％である。表２は、ワイヤに添加した成分のうち、鋼製外皮中に含まれている成分のみを示したものである。表２の各成分もワイヤ全質量に対する質量％で示した。すなわち、鋼製外皮から添加される成分は表２に示されている量だけであり、残りはワイヤ中に充填されているフラックスから添加されている。ワイヤ記号Ｗ０１、１６、１７、１９は比較例であり、Ｗ０１は、グラファイト以外はＷ１１と同じであるが、グラファイトが本発明の範囲外のものであり、Ｗ１６、Ｗ１７はスラグ材が本発明の範囲を超えているものである。Ｗ１９は、ワイヤ成分としては、スラグ材を除くと、Ｗ１４と同じものであり、Ｗ１４と同じＣ量にするため鋼製外皮にＣを含有させた場合のものである。また、表１におけるアーク安定剤は、Ｎａ、Ａｌ、Ｆの化合物である氷晶石（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）である。
初めに、ワイヤ製造効率について調査した。

表１におけるワイヤを製造すると、Ｗ０１以外のワイヤは、製造上特に断線をすることなく製造することができた。しかし、比較例の１つであるＷ０１は、グラファイト以外はＷ１１と同じであるものの、グラファイトが添加されていないため途中で断線を起こし、ワイヤ製造ができなかった。比較例であるＷ１６、Ｗ１７については、グラファイトが添加されていない例であるが、スラグ材の量が従来ワイヤ並に添加されているため、製造上は特に問題はなかった。

次に、機械的特性として、Ｃを添加したときに問題視されるシャルピー吸収エネルギーを調査した。
シャルピー吸収エネルギーは、板厚３．２ｍｍの４７０ＭＰａ級鋼材を用意し、Ｉ開先溶接を実施し、そこから板厚２．５ｍｍの２Ｖノッチシャルピー試験片を採取した。板厚を２．５ｍｍに設定したのは、本発明の主目的が自動車分野への適用を念頭に置いているためである。ノッチ位置は、溶接材料の特性を調査する目的から、溶接金属中央部分になるようにした。シャルピー試験は、０℃で実施した。
表１には、その結果も示している。Ｗ０１ワイヤについては、ワイヤ製造中に断線したため試験を実施していない。ワイヤＷ１１〜Ｗ１８、Ｗ２０については、吸収エネルギーが２０Ｊを上回っており、十分な継手特性を有していることがわかる。しかし、比較例であるＷ１９については、鋼製外皮からＣを導入しているため、溶接金属のＣが高くなり、シャルピー値は１１Ｊと、他のワイヤより低い。Ｗ１９ワイヤは、ワイヤ中の全Ｃ量は０．５８％であり、本発明におけるＷ１４ワイヤと同じＣ量であることがわかる。しかし、Ｗ１４ワイヤでのシャルピー値は２０Ｊを上回っており、同じＣ量でも、グラファイトで添加した場合と、鋼製外皮から添加した場合とで機械的特性が大きく異なることがわかった。

次に、スラグ発生量の調査をした。

表１にあるワイヤのうち、ワイヤ製造中に断線したＷ０１を除き、Ｗ１１からＷ１８を用いて、重ねすみ肉溶接を行った。ビード表面に発生したスラグの重さの測定方法は、まず、溶接終了後、スラグが表面に存在する状態で試験片全体の重さを測定し、その後、スラグを除去し、再び試験片全体の重さを測定し、両者の差を求めることによりスラグの重さを決定した。試験は、常に溶接ビード長さが２５０ｍｍと一定になるように実施し、ビード長さの影響が出ないようにした。表３にスラグ量の測定結果を示した。表３の結果から、スラグ材が本発明の範囲内にあるＷ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１５、Ｗ１８、Ｗ２０はスラグ量がすべて０．１ｇを下回っているが、比較例のＷ１６、Ｗ１７を用いた場合は、スラグ量は０．３ｇを上回っていることがわかる。表１の実施例とは別に、同じスラグ量測定を、ソリッドワイヤで１００％ＣＯ_２シールドガスの場合とＡｒ＋２０％ＣＯ_２シールドガスの場合で実施したところ、スラグ発生量はそれぞれ０．０９ｇ、０．０５ｇであり、本発明例のワイヤがソリッドワイヤ並みのスラグ生成量に抑えられていることがわかった。

以上のことにより、スラグ材を抑えた本発明の範囲内であるＷ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１５、Ｗ１８、Ｗ２０は、ワイヤ製造効率上も問題なく、シャルピー吸収エネルギーも十分な値を示し、継手の機械的特性も十分であり、かつスラグ発生量はソリッドワイヤ並でありスラグ量は十分低減されていることがわかった。

表３には、疲労試験結果も示している。このときには、鋼板として、引張り強度２７０ＭＰａ、４７０ＭＰａ、５７０ＭＰａ、７８０ＭＰａクラスの４種類を用意した。表３には、ワイヤと鋼板の組み合わせを示した。

試験片形状は、図３に示す重ねすみ肉溶接継手と呼ばれるものである。まず、鋼板１の上に鋼板２を重ねる形で継手を作製し、すみ肉溶接を実施した。その後、機械加工した。鋼板１および２の板厚３，４とは図３に示すとおりである。図３のハッチング部分が溶接金属部分である。

疲労試験は、図３に示す矢印の方向に応力を負荷することで実施した。この場合、疲労亀裂は、すみ肉溶接止端部に発生し、その後、鋼板１へ伝播して最終的には鋼板１が破断する形で終了する。すなわち、この継手においては、疲労亀裂が発生する鋼板とは、鋼板１のことをさす。なお、本実施例では、鋼板１および鋼板２は必ずしも同じ材料ではなく、異なる鋼板を用いた継手でも試験を実施している。また、疲労亀裂が鋼板１に発生するため、応力は溶接止端部、すなわち鋼板１の溶接ビード近傍に歪ゲージを貼り付けることにより測定した。また、疲労限は２００万回繰り返し荷重を負荷しても破断しない最大応力として決定した。

番号１は使用したワイヤが表１のＷ１１であり、ワイヤ成分としては本発明例の範囲内にあるもので、スラグ量が少ないワイヤである。しかし、鋼板１の強度が本発明の範囲外であることから疲労限は２２０ＭＰａと特に高疲労強度にはならなかった。一方、番号２は、疲労亀裂が発生する鋼板１の強度が４７０ＭＰａであり２００万回疲労限は３６０ＭＰａと高疲労強度が実現できた。

一方、番号３、４は、鋼板の板厚が１ｍｍに満たない場合であり、２００万回疲労限が２５０、２６０ＭＰａと高疲労強度ではなかった。この場合は、溶接ビードの溶け込み深さが板厚に対して相対的の大きくなり、溶接金属の変態膨張を充分拘束できず、残留応力が低減できなかったためと考えられる。それに対し、番号５は、板が１ｍｍ以上の厚みがあり、２００万回疲労限が３８０ＭＰａと高疲労強度であった。

番号６は、ワイヤ成分が本発明例の範囲内であり、スラグ量は充分低減されているものであり、かつ、疲労亀裂が発生する鋼板の強度が高いため、２００万回疲労限が３６０ＭＰａと高疲労強度が達成できているものである。番号１２も同様である。

番号７、９、１０、１３は、鋼板板厚が１ｍｍ以上で、強度も４７０ＭＰａ以上、かつ、ワイヤ成分すべて本発明の範囲内のもので、これら継手の２００万回疲労限はすべて３４０ＭＰａ以上であった。特に、Ｗ１３のワイヤを使用した番号９に比べ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕの合計量が多いワイヤを用いた番号７、１３は、２００万回疲労限が４００ＭＰａを上回っており、疲労強度向上効果は番号９より大きい。そのため、より確実に疲労強度向上を目指す場合は、合金元素添加量を多くすることが望ましいことがわかる。一方、番号１０は、ワイヤ成分としては、番号９とほぼ同じ成分であるが、Ｂを添加したワイヤＷ１４を用いたものである。この場合は、溶接金属の焼入性が向上し、低温度で変態するミクロ組織を番号９の場合より多くすることができるため、疲労強度向上効果は番号９の場合より大きくなった例である。このように、高疲労強度をより確実に実現するためには、Ｂを添加する、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕの合計量を多めに設定するなどの対策をすることが望ましい。

それに対して、番号８および１１は、ワイヤ成分が本発明の範囲外である場合で、２００万回疲労限は２８０ＭＰａ、２６０ＭＰａと３００ＭＰａに達していない。

番号１４から２１までは、鋼板１の強度が７８０ＭＰａと比較的高強度の場合の実施例である。番号１４、１６、１７、１８、２０は、板厚が１ｍｍを上回り、かつ、ワイヤ成分すべてが本発明の範囲内の場合であり、スラグ量が０．１ｇを下回り、かつ疲労強度はすべて３００ＭＰａを上回り高疲労強度を実現しているものである。それに対し、番号１５、１９は、スラグ量が低減できていない例であり、かつ疲労強度も高くなっていない例である。番号２１は、表１のＷ１８ワイヤを用いているため本発明例であり、スラグ量は充分低減できている例であるが、疲労強度を向上させるという観点からは、表２にあるようにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの合計が１．３％とＷ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１５ワイヤより低く、疲労強度は高くはならなかった例である。同様に、番号２３は、鋼板１および２の組み合わせとしては、番号５と同じ場合で、用いたワイヤがＷ２０の場合のものである。番号２３も、鋼板強度およびワイヤ成分ともに本発明の範囲内であり、したがってスラグ発生量の少ない場合であるが、番号２１と同じように、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏが添加されていない場合であるため疲労強度が高くはならなかった例である。そのため、スラグ量を低減しつつかつ疲労強度を向上させるためには、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの合計を２％以上に設計することが望ましいことがわかる。番号２２は、比較ワイヤであるＷ１９を用いた場合の結果である。この場合は、溶接金属中のＣ量が高くなるため、変態温度が低くなり疲労強度は十分満足できる結果となっている。しかし、既に述べたように、スラグ生成およびシャルピー吸収エネルギーについては、本発明の範囲内のワイヤより劣っていることがわかる。

以上のように、本発明に従えば、メタル系フラックス入りワイヤのスラグ生成量を、ソリッドワイヤ並に抑えることが可能となり、メタル系フラックス入りワイヤを用いて作製された溶接継手の塗装性を格段に向上させることが可能となる。

図１は、メタル系フラックス入りワイヤ中のグラファイト量と酸化物量、およびそのワイヤを用いて溶接した得に生じるスラグ量の関係を説明する概念図である。 図２は、メタル系フラックス入りワイヤ中のグラファイト量と、そのワイヤを用いて溶着金属試験を行ったときの溶着金属中Ｃ量との関係を示した図である。 図３は、溶接継手の疲労試験片の形状を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 鋼板
３ 板厚
４ 板厚

Claims (10)

1. 鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、グラファイト以外のＣ：０．００１〜０．２０％、グラファイト：０．１０〜０．７％、ＳｉＯ₂以外のＳｉ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜３．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下に制限し、さらに、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種以上を合計で０．０５〜０．４０％含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、かつ前記グラファイト、および、前記ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種以上は少なくとも前記フラックスとして含有することを特徴とするメタル系フラックス入りワイヤ。
2. 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、フラックス充填率が１０〜２０％であることを特徴とする請求項１記載のメタル系フラックス入りワイヤ。
3. 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｎｉ：０．５〜１２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％の１種または２種以上を合計で０．２〜１２．５％含有することを特徴とする、請求項１または２記載のメタル系フラックス入りワイヤ。
4. 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｂ：０．００１〜０．０３％を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。
5. 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の質量％で、さらに、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの１種または２種以上を合計で０．００５〜０．３％含有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。
6. 前記メタル系フラックス入りワイヤにおいて、酸化物系以外のアーク安定剤を、全体の質量％で、さらに、０．０５〜０．５％を前記フラックスとして含有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤ。
7. 請求項１〜５の何れかに記載のメタル系フラックス入りワイヤを用いて鋼板を溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
8. シールドガスとして、ＣＯ₂を３〜２５％含有し、残部がＡｒガスおよび不可避不純物からなるシールドガスを用いることを特徴とする請求項７記載のガスシールドアーク溶接方法。
9. 前記シールドガス中に、さらに、Ｏ₂ガスを４％以下含有するシールドガスを用いることを特徴とする請求項８記載のガスシールドアーク溶接方法。
10. 前記鋼板の板厚が１．０〜５．０ｍｍであり、かつ引張強度が４４０〜９８０ＭＰａであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。

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