JP2007245225A

JP2007245225A - ステンレス鋼の溶接方法及びステンレス鋼用溶接ワイヤ

Info

Publication number: JP2007245225A
Application number: JP2006075829A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Ishii; 正信石井; Yoshifumi Yoshida; 佳史吉田; Atsushi Kondo; 穆近藤; Norihito Kita; 詔仁北; Setsuo Takagi; 節雄高木
Original assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Current assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】ステンレス溶接において、アークが安定し、ポロシティ、溶接部の割れが発生しない、溶接方法及び溶接ワイヤを提供する。
【解決手段】ステンレス鋼を窒素混合シールドガスを用いてアーク溶接するに当り、ワイヤ成分としてＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｖの各成分を含有する溶接用ワイヤを使用し、これらのワイヤの配合成分がＣ：０.０１８wt％以下、Ｓｉ：０.６０〜１.３０wt％、Ｍｎ：０.３５〜１.００wt％、Ｍｏ：１.５〜３.０wt％、Ｐ：０．０３０wt％以下、Ｓ：０.０３０wt％以下、Ｃｒ：２２.０〜３０.０wt％、Ａｌ：０.０３〜０.１wt％、Ｖ：０.０５〜０.３５wt％、残りＦｅであるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス鋼の溶接方法及びそれに使用する溶接ワイヤに関し、特に、シールドガスとして窒素ガスを含む窒素混合ガスを使用するステンレス鋼の溶接方法及び窒素混合ガスをシールドガスとして使用するステンレス鋼溶接に使用する溶接ワイヤに関する。

自動車の排気系はエンジンに近い側から、排気マニホールド、フロントパイプ、フレキシブルパイプ、触媒コンバータ、センターパイプ、マフラー、テールパイプから成り立っている。融点の二分の一以上を高温とした場合、これらの排気系部品のうち、排気マニホールドから触媒コンバータまでのものが高温部品といえる。特に排気マニホールドはエンジンに最も近接した部品であり、排気ガス温度が９００℃を超える場合もあることから、その特性として、耐酸化性、高温強度、熱疲労特性などが要求される。さらに、このような排気マニホールドは複雑な形状に加工されることもあり、成形性に優れることも必要である。

従来、排気マニホールドは、ＦＣＤ４００等の球状黒鉛鋳鉄や耐熱性を高めた高シリコン球状黒鉛鋳鉄が使用されてきたが、各種法規制への対応のため、又、エンジン性能の向上とともに、排ガス温度が上昇し、部品重量の軽減ニーズなどからステンレス鋼が使用されるケースが多くなってきた。

他方、排気系での使用に適したステンレス鋼としては、オーステナイト系とフェライト系とがある。オーステナイト系ステンレス鋼は高温の強さに優れるが、酸化スケールが剥離しやすいため、耐酸化性はフェライト系ステンレス鋼に劣ること、オーステナイト系の熱膨張係数がフェライト系の１.６倍程度大きく、自動車の性能に悪影響を及ぼしやすいことなどの問題がある。

こうした背景から、高温部材には主としてフェライト系ステンレス鋼が使用されているが、オーステナイト系ステンレス鋼に比べてアーク溶接性が悪く、組織的に相変態がないため、高温で粗大化した結晶粒がそのまま常温まで持ち込まれる結果、脆化しやすく、割れを発生しやすいという欠点があった。

そこで、フェライト系ステンレス鋼を溶接するに当り、ＡｒガスをベースとしＯ_２ガス：１〜１０vol％とＮ_２ガス：２〜３０vol％を混合した混合ガスをシールドガスとして使用し、Ｃ：０.０１５wt％以下、Ｓｉ：：０.９〜１.５wt％、Ｍｎ：：１.０wt％、Ｐ：０.０３０wt％、Ｓ：０.０１０wt％、Ｃｒ：１５.０〜２５wt％、Ｔｉ：０.０１〜１.５０wt％、残りＦｅのフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用いるものが提案されている。(特許文献１)
特開２００１−７１１４５号

ところが、前述した従来のものでも、溶接部をＪＩＳＺ３１２２で規定されている「突き合わせ溶接継手の曲げ試験方法」に準拠して曲げ試験を行うと、溶接部に割れが発生するうえ、溶接時のアークの安定、及びスパッタの発生を同時に解決することはできないという問題があった。

本発明はこのような点に着目し、ステンレス溶接において、アークが安定し、ポロシティ、溶接部の割れが発生しない、溶接方法及び溶接ワイヤを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載した本発明は、ステンレス鋼を窒素混合シールドガスを用いてアーク溶接するに際し、ワイヤ成分としてＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｖの各成分を含有する溶接用ワイヤを使用し、これらのワイヤ成分がシールドガス中の窒素を金属格子内に固溶させ、溶接金属格子の一部をオーステナイト化させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、窒素混合シールドガスを用いてステンレス鋼をアーク溶接する溶接用ワイヤであって、その配合成分がＣ：０.０１８wt％以下、Ｓｉ：０.６０〜１.３０wt％、Ｍｎ０.３５〜１.００wt％、Ｍｏ１.５〜３.０wt％、Ｐ０.０３０wt％以下、Ｓ：０.０３０wt％以下、Ｃｒ：２２.０〜３０.０wt％、Ａｌ：０.０３〜０.１wt％、Ｖ：０.０５〜０.３５wt％、残りがＦｅであることを特徴としている。なお、このＦｅの配合比率には不可避的に混入している不純物の分も含んでいる。

本発明は、シールドガスとして、窒素混合ガスを使用するとともに、溶接ワイヤとしてＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｖの各成分を含むものを使用することにより、窒素ガスの混合量を増加させてもブローホールが発生することがなく、窒素が鋼中に固溶して、窒化物をほとんど形成せず、溶接金属の組織がフェライト単相から、オーステナイト−フェライト混合組織になり、組織が微細化してフェライト単相金属に比べ、耐割れ性が飛躍的に向上して、アークが安定するとともに、ポロシティ、溶接部の割れが発生しない溶接技術を提供することができる。

すなわち、シールドガス中の窒素濃度を変化させることにより、溶接金属中のフェライトとオーステナイトとの組織割合を任意に変えることができるので、いろいろあるステンレス溶接母材と同等の組織に調整することが可能となり、その結果として、フェライト単相の欠陥である脆化、耐割れ性の問題を解決することができる。

オーステナイト系ステンレス鋼母材にも適用できるので、高温部品から低温部品まで自動車排気系全体を１種類の溶接ワイヤ及び１種類のシールドガスで溶接することができ、従来のように部位に応じて溶接ワイヤの種類及びシールドガスの種類を交換する必要がなくなる。

また、オーステナイト組織の特徴である「良好な耐食性」、「高い衝撃特性」、「非磁性」、「低温割れレス」、フェライト組織の特徴である「少ない膨張収縮」、「優れた加工性」、「耐酸化性」、「耐熱疲労」、窒素の特徴である「静的強度の向上」などの利点を得ることができる。

自動車排気系高温部品が対象となるフェライト系ステンレス鋼(SUS430)を溶接するに当り、シールドガスとして、Ｎ_２ガスを１５vol％、ＣＯ_２ガスを１vol％、残りＡｒガスの組成からなる窒素混合シールドガスを使用し、種々の成分を混入割合を変化させた溶接ワイヤを使用して、消耗電極式ガスシールドアーク溶接により、ガス流量：２０リットル／min、電流：１５Ａ、溶接速度：５０ｃｍ／min、突き合わせ溶接で溶接した。
その溶接結果の判定を表１に示す。

この結果、フェライト系ステンレス鋼の溶接に関しては、Ｃ：０.０１wt％、Ｓｉ：０.９wt％、Ｍｎ：０.３５wt％、Ｃｒ：２５wt％、Ｍｏ：２wt％、Ａｌ：０.０４wt％、Ｖ：０.２wt％、残りＦｅ(不可避的不純物を含む)を含んだ溶接棒が総合評価として、良好であった。

そこで、上記配合成分をすこしずつ変化させた溶接ワイヤを作成して、上記と同様の溶接条件で溶接した。その溶接結果の判定を表２に示す。

さらに、Ｃ：０.０１wt％、Ｓｉ：０.９wt％、Ｍｎ：０.３５wt％、Ｃｒ：２５wt％、Ｍｏ：２wt％、Ａｌ：０.０４wt％、Ｖ：０.２wt％、残りＦｅ(不可避的不純物を含む)を含んだ溶接棒を使用してステンレス鋼の溶接を行う場合でのシールドガスの影響を調べるために、シールドガスの組成を変化させ、上記と同様の溶接条件で溶接した。その溶接結果の判定を表３に示す。

この結果、ステンレス鋼溶接時のシールドガスの組成としては、Ｎ_２ガス７〜３０vol％、ＣＯ_２ガス１〜３vol％、残りＡｒガスのシールドガスが総合評価として、良好であった。

また、溶接後の溶接金属部、溶接ワイヤ及び母材(SUS430)の化学組成は表４に示すとおりであった。

以上の結果、自動車排気系高温部品が対象となるフェライト系ステンレス鋼(SUS430)を溶接する場合には、シールドガスとして、Ｎ_２ガスを１０〜３０vol％、ＣＯ_２ガスを１〜３vol％、残りＡｒガスの組成からなる窒素混合シールドガスを使用し、溶接棒として、Ｃ：０.０１８wt％以下、Ｓｉ：０.６０〜１.３０wt％、Ｍｎ：０.３５〜１.００wt％、Ｃｒ：２２.０〜３０wt％、Ｍｏ：１.５〜３.０wt％、Ａｌ：０.０３〜０.１wt％、Ｖ：０.０５〜０.３５wt％、残りＦｅ(不可避的不純物を含む)を含んだ溶接棒を使用した場合に、溶接部の脆化、割れの発生防止、スパッタ量の低減、アークの安定が図れることがわかった。

ここで、Ｃを０.０１８wt％以下としたのは、Ｃは溶接部の強度を向上させるのに最も必要な元素であるから含有させるものであるが、成分濃度が０.０１８wt％を超すと包晶反応により、固くて脆いマルテンサイトが生成される可能性があること、フェライト系ステンレス鋼の宿命的欠点とも言える機械的性質及び耐食性の劣化を少しでも低減するにはＣの量を多くできないこと、製造性などを考慮して、上限を０.０１８wt％とした。

Ｓｉについては、Ｓｉは鋼の製造時に添加する脱酸材であるとともに、強度確保のために必要な元素であり、溶接作業性の観点からは、０.６０wt％未満ではビード形状が凸型となり、溶接評価としては満足されるものではなかった。また、１.３０wt％を超すと、アークが安定せず、溶融池に乱れが観察され、溶接評価として満足できなかった。そこで、Ｓｉについての含有量は、０.６０〜１.３０wt％とした。

Ｍｎについては、ＭｎもＳｉと同様に鋼の製造時に添加する脱酸材であるとともに、強度確保のために必要な元素である。そして、このＭｎの含有量が０.３５wt％未満ではスラグの形成が不十分であり、ビード形成性に悪影響を及ぼした。また、Ｍｎの含有量が１.００wt％を超すと耐食性の劣化、高度の上昇に伴う脆化、切削性の劣化などがあるので、その含有量を０.３５〜１.０wt％とした。

Ｍｏについては、Ｍｏは窒素を鋼の中に固溶させる元素の１つである。このＭｏの含有量が１.５wt％未満では溶接金属内に微小な気孔が生じた。また、含有量が３.０wt％を超すと窒化物による硬度の上昇に伴う脆化、切削性の劣化などがあるので、その含有量を１.５〜３.０wt％とする。

Ｐについては、Ｐは溶接ビードをフラットにする働きがあるが、耐溶接割れ性及び溶接部の靭性を著しく低下させるので、製造時のコストも考慮して０.０３０wt％以下とする。

Ｓについては、ＳはＰと同様に溶接ビードをフラットにする働きがあるが、耐溶接割れ性及び溶接部の靭性を著しく低下させるので、固溶度も考慮して０.０１８wt％以下とする。

Ｃｒについては、Ｃｒは耐食性及び耐酸化性を確保するために欠かせない元素である。Ｃｒの増加とともに窒素の固溶度は増加するが、２２.０wt％未満では窒素雰囲気下での溶接金属組織のオーステナイト化が不安定であり、溶接電流、溶接電圧などの施工条件の変動次第で望むオーステナイト、フェライト混合組織を得られない場合も出てくる。一方Ｃｒが３０.０wt％を超すとスピノーダル分解が影響して、溶接ワイヤの製造が困難になるので、その含有量は２２.０〜３０wt％とする。なお、含有量の上限を２７.０wt％とすることが望ましい。

Ａｌについては、Ａｌは窒素との親和力が強いため、固溶体を生成しなかった窒素が存在しても窒化物として固定することが可能で、効果的にブローホールの発生を抑えることができるが、その効果は含有量が０.０３wt％未満では発揮しない。一方、含有量が０.１wt％を超すと、ビード形成性の劣化やスパッタの増加がみられアークが不安定になるのでその含有量を０.０３〜０.１wt％とする。

Ｖについては、Ｖは窒素との親和力が強く、適量添加はブローホール防止になるため、固溶体を生成しなかった窒素が存在しても、窒化物として固定することが可能で、効果的にブローホールの発生を抑えることができる。しかし、その効果は０.０５wt％未満では発揮しない。一方、０.３５wt％を超すとビード形成性の劣化、スパッタの増加の他、金属間化合物を生成し、硬くて脆い組織となるので、その含有量を０.０５〜０.３５wt％とする。

また、前述のように上記実施形態でのシールドガスの組成としては、Ｎ_２ガス７〜３０vol％、ＣＯ_２ガス１〜３vol％、残りＡｒガスが良好としたが、ＣＯ_２ガスはアークを安定させるのに必要なガスであるが、１vol％未満ではアークが不安定でブローホールが発生しやすいし、３vol％を超すと溶接金属の酸化が著しくなるので、その配合範囲は１〜３vol％とする。Ｎ_２ガスは、低い温度では不活性ガスであるが、高温になると活性になるといわれており、溶接時におけるブローホール生成の原因になるといわれている。しかし、この現象はＣｒが存在しない状態での状況であり、本発明者らは上述した通り、溶接ワイヤ中のＣｒを増加するほどＮを固溶すること、Ａｌ及びＶの添加でＮの固定効果も作用して、溶接時のブローホールが発生しないという知見を得た。これにより、窒素固溶による溶接金属の改質効果を考慮して、Ｎ_２の混合比を７vol％以上、好ましくは１０vol％以上とした。
一方、溶接ロッド中のＣｒ量が３３wt％を超すとスピノーダル分解が生じワイヤ加工性が著しく低下する。これにより、溶接ワイヤに添加するＣｒの量は３０wt％が上限となり、このＣｒ添加量を７〜３０wt％に設定した溶接ワイヤを使用して、Ｎの混合比を増やした場合、Ｎ量が３０vol％を超えると微細なポロシティが発生した。したがって、本発明にかかる溶接ワイヤを使用する場合のシールドガスでのＮ_２ガス量は３０vol％が上限となる。

また、溶接金属部分のＸ線回析図を図１に示す。

上記の実施形態では、フェライト系ステンレス鋼(SUS430)を溶接する場合について説明したが、自動車用排気系低温部品で主として使用されるオーステナイト系ステンレスにも本発明は適用することができる。なぜなら、本発明にかかる溶接用ワイヤ及びそのワイヤを使用した溶接方法で形成される金属組織は、上述したようにオーステナイトフェライト混合組織であり、母材となるオーステナイト系ステンレス鋼と同じ組織系を含んでいるからである。

又、一部の特殊車両において耐食性を求められる部分には二相系ステンレス鋼が使用されるが、この二相系ステンレス鋼にも本発明を適用することができる。なぜならば、本発明にかかる溶接用ワイヤ及びそのワイヤを使用した溶接方法で形成される金属組織は、上述したようにオーステナイトフェライト混合組織であり、母材となる二相系ステンレス鋼と同じ組織系を含んでいるからである

本発明は、ステンレス鋼の溶接、特に薄板の溶接に適している。

溶接金属部のＸ線解析図である。

Claims

ステンレス鋼を窒素混合シールドガスを用いてアーク溶接するに際し、ワイヤ成分としてＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｖの各成分を含有する溶接用ワイヤを使用し、これらのワイヤ成分がシールドガス中の窒素を金属格子内に固溶させ、溶接金属格子の一部をオーステナイト化させることを特徴とするステンレス鋼の溶接方法。
窒素混合シールドガスを用いてステンレス鋼をアーク溶接する溶接用ワイヤであって、その配合成分がＣ：０.０１８wt％以下、Ｓｉ：０.６０〜１.３０wt％、Ｍｎ：０.３５〜１.００wt％、Ｍｏ：１.５〜３.０wt％、Ｐ：０．０３０wt％以下、Ｓ：０.０３０wt％以下、Ｃｒ：２２.０〜３０.０wt％、Ａｌ：０.０３〜０.１wt％、Ｖ：０.０５〜０.３５wt％、残りはＦｅであることを特徴とするステンレス鋼用溶接ワイヤ。