JP2007289965A - ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な元素を用いず、かつ伸線性と高酸素性、高窒素性、及び低スラグ性に優れたフラックス入りワイヤを用いることにより、低コストで溶接金属のＭｓ点を低下させて疲労強度を向上すると共に、優れた高速溶接性、低スパッタ性、低スラグ性、及びアーク安定性を実現するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ及び溶接方法を提供する。
【解決手段】C：0.16〜1.50%、Si：0.30〜1.50%、Mn：0.50〜5.00%、O：0.020%以上、及びN：0.0020〜0.0400%を含有し、P：0.030%以下、S：0.030%質量以下、Ti：0.15%以下、Al：0.20%以下、F及びCa：各元素あたり0.100%以下、K、Na、及びLi：総量で0.200%以下、Mg：1.00%以下、REM（希少金属元素）：0.50%以下、Ni、Cr、Nb、V、Mo及びCu：各元素あたり2.00%未満、B：0.0100質量以下%に規制し、残部はFe及び不可避不純物からなり、かつフラックス率が7〜30%である。
【選択図】なし

Description

本発明は自動車等の炭素鋼薄板のすみ肉溶接等に際して、高い継手疲労強度を高い継手疲労強度を確実に得ることができ、高能率で、優れた溶接作業性を得ることができるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ及び溶接方法に関する。

近時、燃費向上を目的とした自動車の車重軽減のため、高張力鋼板が多く用いられている。高張力鋼板も軟鋼と同様にアーク溶接がなされるが、溶接継手の疲労強度は軟鋼と同程度にしか確保できず、高張力鋼板本来の性能を発揮できない問題がある。溶接部の疲労強度が母材より低下する原因として、止端部の応力集中、及び熱の膨張、収縮によって生じる引張残留応力が主因と考えられ、これらの問題を改善すべく種々の方法が提案されている。

特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４は鋼板の成分を限定、表面張力を下げる特殊成分添加ワイヤ、及び電圧等の溶接条件の限定によって溶接止端部の応力集中を緩和し、接触角の減少、及び止端半径の増大といったビード形状を滑らかにする方法が提案されている。
特許文献５、特許文献６は残留応力を低下させるために溶接金属を塑性変形させやすくする方法が提案されている。

特許文献７は、ショットピーニング、ハンマーピーニング、及び超音波ピーニングといわれる溶接後に圧縮応力を加える方法が提案されている。

従来から最もよく知られている残留応力の消滅方法として焼鈍炉で高温保持する応力除去焼鈍（ＰＷＨＴ）がある。

特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、及び特許文献１６は、溶接金属のマルテンサイト変態温度（Ｍｓ点）を低下させて室温時に膨張変態の圧縮残留応力を付与する、あるいは引張残留応力を低減させる方法が提案されている。

特許文献１７は、フラックス入りワイヤを用いた方法を提案している。

非特許文献１は、ソリッドワイヤのコストを下げる方法として、伸縮性を向上すべく異なる成分の２重構造としたソリッドワイヤを提案している。

特開平６−３４０９４７ 特開平８−２５０８０ 特開２００２−３６１４８０ 特開２００２−３６１４８１ 特開平７−１７１６７９ 特開平９−２２７９８７ 特開２００４−１３６３１２ 特開昭５４−１３０４５１ 特開２０００−２８８７２８ 特開２００１−２４６４９５ 特開２００２−２７３５９９ 特開２００４−９８１０８ 特開２００４−９８１０９ 特開２００４−９８１１３ 特開２００４−９８１１４ 特開２００５−２３８３０５ 特開２００２−３０７１８９ 超鉄鋼ワークショップ ｖｏｌ．９ｔｈ ５８−５９Ｐ、２００５／７／２０

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。

止端形状は鋼板及びワイヤの成分、鋼板の表面性状、溶接姿勢、溶接電圧、及び溶接速度等の多くの要因に影響を受け、応力集中の緩和の適用に際して、制限が多く汎用性に乏しい。また、止端形状の劇的改善は困難で、大幅な疲労強度向上が達成できていない。

特許文献５は具体的な溶接手段等については提案されていない。また、特許文献６は溶接ワイヤの脱酸成分を過剰に減らして強度低下させることから、脱酸不足で気孔欠陥が生じやすく、高強度鋼板に適用すると静的継手引張強度が不足してしまうなどの問題がある。

応力除去焼鈍は、自動車等の薄板用として設備を有しているメーカーはほとんどなく、設備導入しても生産効率が著しく低下し、高コスト化を招くことになる。

ショットピーニング、ハンマーピーニング及び超音波ピーニングは設備導入が必要で、且つ生産効率が著しく低下し、高コスト化を招くことになる。

溶接金属のＭｓ点を低下させる方法において、これらはいずれも高価な元素を多量に添加し、かつソリッドワイヤの場合伸線性が悪いことも加わり、高コストな溶接材料となる。また、溶接金属の粘性が高いため、薄板溶接で必要とされる高速性や、溶滴移行しにくいことによるスパッタ発生量増大といった実際の溶接ラインでの適用性を考慮しておらず、問題がある。溶接継手(金属)のみの規定で具体的な溶接ワイヤや方法が提示されないものもあり、この場合、実現方法は不明である。

一般的には所定の溶接金属を実現する最も簡便な方法は、溶込が非常に浅くて母材希釈を考慮する必要がなく、かつ酸化消耗が生じないＴＩＧ溶接法を使うのが実用的であり、実施工で所望される高能率なＭＡＧあるいはＭＩＧといった消耗電極式のガスシールドアーク溶接方法が提案されているとは言えない。

溶接材料の提案例として、フラックス入りワイヤを用いる手段が特許文献１７に提示されている。しかし、やはり高Ｃｒ＋高Ｎｉ系で材料コストは依然高く、且つスラグを多量に発生させるため、薄板用としては電着塗装性の劣化、高速性の不足といった問題点がある。

ソリッドワイヤのコストを下げる方法として、伸線性を向上すべく異なる成分の2重構造にしたソリッドワイヤが非特許文献１に提示されている。しかし、高Ｃｒ＋高Ｎｉ系で材料コストは依然高く、ワイヤ製造方法が特殊な為、依然高コストである。また当ワイヤはＭＩＧアーク溶接でのアーク安定性を向上し、溶接性を向上することを提示しているものの、ＭＩＧアーク溶接では陰極点・陽極点を安定する為には酸素量の向上や電子放出を容易にする為の特殊元素の添加などの手段が必要とされ、当ソリッドワイヤではこれらの考慮がなされていない為、未だ不足である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高価な元素を用いず、かつ伸線性と高酸素性、高窒素性、及び低スラグ性に優れたフラックス入りワイヤを用いることにより、低コストで溶接金属のＭｓ点を低下させて疲労強度を向上すると共に、優れた高速溶接性、低スパッタ性、低スラグ性、及びアーク安定性を実現するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ及び溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填してなるアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の成分組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．１６乃至１．５０質量％、Ｓｉ：０．３０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至５．００質量％、Ｏ：０．０２０質量％以上、及びＮ：０．００２０乃至０．０４００質量％を含有し、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０％質量以下、Ｔｉ：０．１５質量％以下、Ａｌ：０．２０質量％以下、Ｆ及びＣａ：各元素あたり０．１００質量％以下、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉ：総量で０．２００質量％以下、Ｍｇ：１．００質量％以下、ＲＥＭ（希少金属元素）：０．５０質量％以下、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕ：各元素あたり２．００質量％未満、Ｂ：０．０１００質量以下％に規制し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、かつフラックス率が７乃至３０質量％であることを特徴とする。

前記ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の成分組成が、更に、ワイヤ全質量に対して、Ｆ及びＣａからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり０．００５乃至０．１００質量％、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種：総量で０．００１乃至０．２００質量％、Ｍｇ：０．０５％乃至１．００質量％、ＲＥＭ（希少金属元素）：０．０１乃至０．５０質量％、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり０．０５質量％以上２．００質量％未満、又はＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％を含有することが好ましい。

本発明に係るＭＩＧ（Metal Inert Gas）アーク溶接方法は、前記ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを使用し、Ａｒが９６体積％以上、残部はＣＯ_２又はＯ_２の混合ガスをシールドガスとして使いＭＩＧアーク溶接することを特徴とする。

本発明に係る他のＭＩＧアーク溶接方法は、実質的に純Ａｒガスをシールドガスとして使用することが好ましい。

前記ＭＩＧアーク溶接方法において、板厚が１乃至５ｍｍであり、母材強度が４９０ＭＰａ以上の鋼板に適用することができる。

本発明によれば、諸成分を適正範囲に規定したフラックス入りワイヤと、合わせてシールドガス組成や溶接機を適切に選択する溶接法によって、薄板の高速溶接における継手疲労強度の向上、良好なビード形状、スパッタ、ヒューム量抑制、及び耐電着塗装性といった諸目的を大きな設備投資を必要とせず、低いランニングコストで実現することが可能である。得られる効果は絶大であり、自動車産業等の鋼板軽量化を図るための手段になる技術であり、環境対応をはかることにもつながる社会的意義の大きいものである。

以下、本発明のガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ、及び溶接方法の限定理由について説明する。なお、成分については外皮の鋼製フープとフラックスを合わせて計算された添加量である。

「Ｃ：０．１６乃至１．５０質量％」
Ｃは、その添加により、Ｍｓ点を低下させるために本発明で最も重要な成分である。Ｃの含有量が０．１６質量％未満であると、溶接金属になった時に炭素量が不足してＭｓ点が上昇してしまう。一方、Ｃの添加量が１．５０質量％を超えると、高温割れ、低温割れが発生しやすくなる。従って、Ｃの添加量を０．１６乃至１．５０質量％とするが、望ましくは０．２１％以上、さらに望ましくは０．３０％以上である。さらに、Ｃを過剰に添加すると炭化物を析出して疲労破壊の起点になり逆に疲労強度が低下し、ヒューム発生量も多くなる。望ましくは１．００％以下、さらに望ましくは０．８０％以下である。なお、後述するが、Ｃのみの添加ではＭｓ点が不安定であり、Ｎを添加することで効果的にＭｓ点は安定低下し、膨張変態を起こす。

「Ｓｉ：０．３０乃至１．５０質量％」
Ｓｉは、その添加により、ビード形状を改善する効果がある。Ｓｉの含有量が０．３０質量％未満であると、ビード形状を改善する機能が不足し、ビード形状のなじみ性が悪くなり、止端形状が劣化して応力集中しやすくなる。その結果、疲労強度が低下する。一方、Ｓｉの含有量が１．５０質量％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなる。また、スラグを多量に発生させるので電着塗装性も劣化する。従って、Ｓｉの添加量を０．３０乃至１．５０質量％とするが、望ましくは０．６０％以上である。

「Ｍｎ：０．５０乃至５．００質量％」
Ｍｎは、その添加により、ビード形状を改善し、多量添加で焼入れ性を高めてＭｓ点を下げる効果がある。Ｍｎの含有量が０．５０質量％未満であると、ビード形状のなじみ性が悪くなって止端形状が劣化して応力集中しやすくなる。その結果、疲労強度が低下する。一方、Ｍｎの含有量が５．００％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなると共に、ヒューム発生量が過剰となる。スラグを多量に発生させるので電着塗装性も劣化する。従って、Ｍｎの添加量を０．５０乃至５．００質量％とするが、望ましくは１．００乃至３．００質量％である。

「Ｏ：０．０２０質量％以上」
酸素は、その添加により、ＭＩＧアーク溶接時に陰極点、陽極点を安定させ、良好なアーク安定性を得る為に必須である。また、溶滴の酸素量を上昇させて表面張力を低下させ、溶滴の離脱性を改善して低スパッタ化が可能となる。特にパルス溶接時にはその効果は大きい。ソリッドワイヤでは安定して酸素の含有量を０．０２０質量％以上添加することは難しいが、例えば、フラックス入りワイヤに鉄粉を用いることにより単位体積あたりの表面酸素が増加し、容易に酸素の多量添加が可能である。従って、酸素の添加量を０．０２０質量％以上とするが、望ましくは０．０４０％以上である。なお、多量であることで弊害はなく、フラックス率との兼ね合いで上限は実質上決まるので本発明において上限は設けない。

「Ｎ：０．００２０乃至０．０４００質量％」
一般的に、炭素鋼の溶接において、窒素は、その添加により、靭性を低下させ、ブローホールを発生させるだけで特段の長所はないので極力低減されている。しかし、Ｃの多量添加のみでＭｓ点を安定して下げる事は困難な事が判明し、残留オーステナイトにさせずに効果的にマルテンサイト変態を起こさせるには、ＣとＮの両添加が必須である事が分かった。本発明において、窒素は、その添加により、オーステナイト安定化元素であり、適正量の添加で溶接金属のＭｓ点を低下させる。Ｎの含有量が０．００２０質量％未満であると、本発明による効果が得られない。一方、Ｎの含有量が０．０４００質量％を超えると、アークの安定性が悪くなり、ブローホールを発生させる事になる。従って、Ｎの添加量を０．００２０乃至０．０４００質量％とするが、望ましくは０．００３５乃至０．０２００質量％である。なお、炭素鋼系のソリッドワイヤでＮを添加すると溶製時に気孔欠陥が発生しやすい為、溶製が困難であるが、フラックス入りワイヤとすることでフラックスからＮを積極的に添加させることができるのもフラックス入りワイヤを選択する長所である。

「Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０％質量以下」
Ｐ、Ｓは、その添加により、耐高温割れ性を低下させる元素であるが、本発明の目的において特段の添加の意味はない。従って、従来ワイヤと同等に工業的生産性とコストを考慮し、Ｐ、及びＳの各添加量を０．０３０質量％以下に規制する。

「Ｔｉ：０．１５質量％以下、Ａｌ：０．２０質量％以下」
Ｔｉ及びＡｌは、アーク安定剤及び脱酸元素として多くのフラックス入りワイヤに添加されている。しかし、本発明は薄板用であり、使用環境としてスラグ剥離工程が設けられておらず、電着塗装される場合が非常に多い。そのためスラグを生成するＴｉやＡｌの添加は塗装性を阻害するので望ましくない。また、ＴｉやＡｌが多いと薄板で用いられる低電流溶接時のアーク安定性が劣化し大粒のスパッタを発生する。従って、工業的生産性とコストを考慮し、Ｔｉの添加量を０．１５質量％以下、及びＡｌの添加量を０．２０質量％%以下に規制するが、望ましくはＴｉ、及びＡｌ共に０．１０質量％以下である。

「フラックス率：７乃至３０質量％」
フラックス率(充填率)が７質量％未満であると、所定の窒素や酸素量を含ませる事が不可能となり、かつフラックス成分の偏析が生じると共に、外皮が肉厚となって溶滴が大きくなってスパッタが増加する。一方、フラックス率が３０質量％を超えると外皮が薄くなり伸線加工中に断線が発生しやすくなり、製造が困難である。従って、フラックス率を７乃至３０質量％とする。

「Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり２．００質量％未満又は０．０５質量％以上２．００質量％未満」
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕは、無添加でも本発明の効果を達成できる。しかし、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ又はＣｕの添加により、Ｍｓ点を低下させ、適度な強度を確保する効果がある。この効果を得るには、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１種を、各元素あたり０．０５質量％以上添加することが必要である。即ち、これらの元素を添加する場合は、各元素あたり０．０５質量％以上添加する。一方、これらの元素の含有量が各元素あたり２．００質量％以上になると、ワイヤの製造コストが増大する。また、溶融池の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングしたり、スパッタ発生量が増加する。特に、Ｃｕの場合、高温割れが発生するなどの短所が生じる。従って、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１種の元素は、これらを添加する場合も添加しない場合も、２．００質量％未満に規制する。なお、Ｃｕはワイヤ表面へめっきした場合、アーク溶接フラックス入りワイヤの成分として含むこととする。

「Ｂ：０．０１００質量％以下、又は０．００１０乃至０．０１００質量％」
Ｂは、無添加でも本発明の効果を達成できるが、少量添加でＭｓ点を低下させ、かつ溶接金属の靭性を向上できる。この効果を得るためには、Ｂの含有量が０．００１０質量％以上であることが必要である。一方、Ｂの含有量が０．０１００質量％を超えると、高温割れを発生させる。従って、Ｂを添加する場合は、０．０１００質量％以上とし、Ｂを添加する場合も添加しない場合も、Ｂの含有量は０．０１００質量％以下に規制する。

「ＲＥＭ（希土類元素）：０．５０質量％以下、又は０．０１乃至０．５０質量％」
ＲＥＭ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｍｅｔａｌ：希土類元素）としては一般的にＬａ、Ｃｅ等がある。ＲＥＭは、無添加でも本発明の効果を達成できるが、ＲＥＭの含有量が０．０１質量％以上であると、ＭＩＧ溶接時にアーク安定性が向上し、かつ溶接金属の酸素量をより低下させてＭｓ点を低下できる。一方、ＲＥＭの含有量が０．０５質量％以上を超えると、アーク安定化効果が飽和し、逆に溶滴が大粒化してスパッタが増加すると共に、コストも高価となる。従って、ＲＥＭを添加する場合は、その添加量を０．０１質量％以上とし、ＲＥＭを添加する場合も添加しない場合も、ＲＥＭの含有量は０．５０質量％以下に規制する。

「Ｍｇ：１．００質量％以下、０．０５％乃至１．００質量％」
Ｍｇは、無添加でも本発明の効果を達成できるが、Ｍｇは強力な脱酸成分であり、その添加により、溶接金属の焼入れ性を高め、Ｍｓ点を低下させるという作用効果がある。その効果を得るためには、Ｍｇの含有量が０．０５質量％以上であることが必要である。一方、Ｍｇの含有量が１．００質量％を超えると、溶融池の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングが生じると共に、スパッタ発生量及びヒューム量が増加する。従って、Ｍｇを添加する場合は、その添加量を０．０５質量％以上とし、Ｍｇを添加する場合も添加しない場合も、Ｍｇの含有量は１．００質量％以下に規制する。

「Ｆ及びＣａからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり０．００５乃至０．１００質量％」
Ｆ及びＣａは、無添加でも本発明の効果を達成できるが、Ｆｅ及びＣａは強力な脱酸成分であり、その添加により、溶接金属の焼入れ性を高め、Ｍｓ点を低下させる。その効果を得るためには、Ｆ及びＣａは各元素あたり０．００５質量％以上添加することが必要である。一方、Ｆ及びＣａは、各元素あたり０．１０質量％を超えると、溶融池の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングが生じ、スパッタ発生量及びヒューム量が増加する。従って、Ｆ及びＣａを添加する場合も添加しない場合も、夫々その添加量を０．１００質量％以下に規制する。

「Ｋ、Ｎａ及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種：総量で０．００１乃至０．２００質量％」
Ｋ、Ｎａ及びＬｉは無添加でも発明の効果を達成できるが、その添加により、電子放出を容易にし、アーク安定化と溶滴移行を円滑にしてスパッタ発生量を低下させるという作用効果が得られる。特に、ＭＩＧアーク溶接ではその効果が大きい。このような効果は、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種の含有量が総量で０．００１質量％以上であることが必要である。一方、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種の含有量が総量で０．２００質量％を超えると、効果が飽和してしまうと共に、アーク力が弱まって溶込み深さが浅くなると共に、溶融池が不安定となってハンピングするなどの問題が生じる。従って、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種を添加する場合も添加しない場合も、その添加量は総量で０．２００質量％以下に規制する。なお、Ｋ、Ｎａ及びＬｉはＫ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏを主成分とする長石、ソーダガラス及びカリガラス等を原料としてフラックスに添加されるのが一般的である。

「Ａｒが９６体積％以上、残部はＣＯ_２又はＯ_２で構成される混合ガス、又は純Ａｒガス」
シールドガスは溶接金属の酸素量を低下させＭｓ点を下げるため、更にヒューム発生量を抑制するためにできるだけ非酸化性が望ましい。最低でもＡｒ８０体積％以上、ＣＯ_２２０体積％以下の高Ａｒ比でなければ、残留応力低減及びヒューム量抑制が困難であり、Ａｒ９６体積％以上のＡｒ比が推奨される。また、実質的に純Ａｒガスをシールドガスに使用すると、劇的にこれらの特性を高めることが可能である。一般のワイヤでは純Ａｒガスシールドガスでのアーク安定性確保は不可能であるが、本発明のワイヤは、純Ａｒガスでも安定なアーク安定性を維持できる。従って、シールドガスの成分をＡｒが９６体積％以上であり、残部がＣＯ_２又はＯ_２で構成される混合ガスとするか、望ましくは実質的に純Ａｒガスとすることが必要である。なお、実質的に純Ａｒガスとは、Ａｒに不可避的不純物が含有されたガスも許容されることを示すものである。

「パルス溶接機」
溶接機は一般的な消耗電極式アーク溶接用として用いられる定電圧特性電源でも残留応力低減には問題ない。しかし、薄板溶接における高速溶接性、アーク安定性、及び低ヒューム化を図るため、前記ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤとパルスアーク溶接機の組合せが推奨される。特に、シールドガスとして純Ａｒを用いる場合は、アーク安定性確保の為にはパルス溶接機が有効である。パルスの設定については特に限定しないが、ピーク電流が３５０乃至６００Ａ、ベース電流が３０乃至１００Ａ、１ピーク(立上り開始〜ピーク定常期〜立下り終了)の期間で０．８乃至５ミリ秒が一般的に使われ、問題ない範囲である。また、パルスアーク溶接機では定電圧特性波形の溶接に比べて同一溶着量の場合電流値が１乃至２割ほど低下し、入熱も減少することから、溶接部の冷却速度が増大する。その結果、焼入れ性が高まり、Ｍｓ点の低下につながって残留応力の低減に対しても好ましい。

「鋼板の母材強度：４９０ＭＰａ以上」
本発明は、以下の強度の鋼板と板厚に適用することがより効果的である。即ち、溶接金属の変態膨張で鋼材熱影響部に発生する残留応力を低減できる理由は、溶接金属が膨張する時に鋼材側に発生する応力も溶接金属への反力により圧縮応力になることによる。このため、より高い反力が期待できる高強度鋼板ほど疲労特性の改善も大きいと期待できる。鋼材強度が低い場合は、反力も低くならざるを得ず、変態終了後の熱収縮で再び引張応力状態に戻ってしまう危険があるためである。引張応力が残留してしまえば疲労強度改善は望めない。そのため、本発明では特に疲労強度向上が期待できる下限として、鋼板の母材強度が４９０ＭＰａ以上とした。なお、上限については特に限定する必要はない。現在一般に実用化されている薄鋼板の強度は１５００ＭＰａ程度が最大であり、この程度までの鋼板であれば、本発明ワイヤで疲労強度の改善がはかれ、かつ継手引張強度の面でも溶接金属のオーバーマッチングが達成できる。

「板厚：１乃至５ｍｍ」
板厚が１ｍｍ未満であると、溶接時の入熱によって表・裏がほぼ均一に熱せられ、さらには溶融金属が裏側に達して裏波と呼ばれる状態になる。このような状態になると溶接金属がマルテンサイト変態時にほとんど自由に熱膨張してしまう。そのため、鋼材熱影響部側に反力が発生せず、疲労強度の改善効果は限定的になってしまう。一方、板厚が５ｍｍ超えると、拘束力が過剰になり、高強度な溶接金属となる性質をもつ本発明ワイヤでは低温割れが発生する可能性がある。また、すみ肉脚長が大きくなることによって必然的にのど厚も大きくなり、高温割れも発生しやすくなる。従って、板厚を１乃至５ｍｍとする。

本発明の効果を実証するため、実施例、及び比較例について説明する。

表１に示す２種類の高張力鋼板を用いて、次の溶接要領にて図１に示すように重ねすみ肉溶接を行った。溶接速度：１２００ｍｍ／分、ワイヤ径：１．２ｍｍ、シールドガス流量：１５ｌｉｔｔｅｒ／分、トーチ前進後退角：無し（溶接線方向に直角）、溶接電流：板厚３．２ｍｍの場合２７０Ａ、板厚２．０ｍｍの場合２１０Ａ。試験項目と判定は次のとおりである。

（１）疲労試験
溶接ワークから図２に示す疲労試験片を採取し、両振平面曲げ疲労試験を行った。(周波数２５Ｈｚ,正弦波応力) ２００万回の時間強度を疲労強度として測定した。７８０ＭＰａ級鋼板のＳＰ１の場合、２００ＭＰａ以上を◎、１７０ＭＰａ以上２００ＭＰａ未満を○、１７０ＭＰａ未満を×、４９０ＭＰａ級鋼板のＳＰ２の場合、１７０ＭＰａ以上を◎、１４０ＭＰａ以上１７０ＭＰａ未満を○、１４０ＭＰａ未満を×とし、それぞれ×を疲労改善効果無しとして不合格とした。なお、ハンピングビードを発生した場合も、試験片は安定個所を探し、その場所から試験片を採取した。

（２）アークの安定性
溶接時のアーク安定性を○△×の３段階で官能評価した。良好な場合を○、多少スパッタが発生する場合を△、アークがふらついたり、大粒のスパッタが発生した場合を×とした。○、△を合格とし、×を実用に耐えないとして不合格とした。

（３）ヒューム発生量をＪＩＳ・Ｚ３９３０に基づき同じ溶接条件にて実測した値を◎○△×の４段階評価した。発生量３００ｍｇ／分以下を◎、３００ｍｇ／分を超え５００ｍｇ／分以下を○、５００ｍｇ／分を超え７００ｍｇ／分以下を△、７００ｍｇ／分を超えるものを×とした。◎○△を合格、×を実用に耐えないとして不合格とした。

（４）ビード形状
すみ肉ビード形状を官能にて○△×の３段階で官能評価した。良好を○、若干なじみ性が劣る場合を△、オーバーラップ状の止端形状になるもの、溶接線方向のビード幅が不均一な場合を×とした。○、△を合格とし、×を実用に耐えないとして不合格とした。

（５）塗装性
溶接後の電着塗装工程でスラグの剥離によって塗装も剥離してしまう危険性を評価する為に、ビード上に生じたスラグの面積を○△×の３段階で官能評価した。ビード表面積に対しスラグ面積が１０％未満を○、１０％以上２０％未満を△、２０％以上を×とし、×を実用に耐えないとして不合格とした。

（６）欠陥の有無
溶接部に割れの発生、ブローホール、ピットといった気孔欠陥、ビードが切れてしまうハンピング現象が発生した場合は全て不合格とした。

（７）価格
材料費や製造コストを織り込んだワイヤの価格として、最も一般的に薄板用に適用されている汎用ワイヤＪＩＳ・Ｚ３３１２・ＹＧＷ１２に対するコスト比較で２倍以下を○、２倍超え３倍以下を△、３倍超えを×とし、×を実用に耐えないとして不合格とした。

（８）他工業製品としてワイヤの安定製造が困難な場合を記し、不合格とした。

下記表２乃至４は実施例のワイヤの組成及びフラックス率、表５乃至表９は比較例のワイヤの組成及びフラックス率であり（一部ソリッドワイヤ有)、下記表１０及び表１１は夫々実施例及び比較例のシールドガス組成、溶接電源の種類及び適用鋼板を示す。この条件での各試験の評価結果を下記表１２及び表１３に示す。なお、これらの表において、実施例（１）は本願請求項１の実施例、比較例（１）は請求項１の比較例であり、実施例（２）は本願請求項２の実施例、比較例（２）は請求項２の比較例である。

実施例１乃至２５は本願請求項１又は２の範囲を満たすものであり、良好な継手疲労強度を示すと共に、高速溶接での安定性、スパッタ、ヒューム、及びスラグの発生量といった溶接作業性面やコスト面も十分実用的となっている。

一方、請求項１の比較例２６乃至５３は本発明の範囲から外れる。比較例２６及び２７はＣが少ないため、Ｍｓ点が下がらず疲労強度が低かった。比較例２８はＣが過剰なため、ヒューム発生量が過剰となり、さらに割れが発生して、それが起点となって疲労強度も低かった。比較例２９はＳｉが少ないため、ビード形状が悪化し、応力集中により疲労強度が低下した。比較例３０はＳｉが過剰のため、溶融池の粘性が過剰となり高速に耐えられずハンピングが発生した。またスラグが多く発生し、電着塗装性が劣化した。比較例３１はＭｎが少ないため、ビード形状が悪化し、応力集中により疲労強度が悪かった。比較例３２はＭｎが過剰のため、溶融池の粘性が過剰となり高速に耐えられずハンピングが発生した。またスラグが多く発生し、電着塗装性が劣化した。比較例３３及び３４はそれぞれＰ、Ｓが過剰のため、高温割れが発生し、割れが起点となって疲労強度も低かった。比較例３５は酸素が低いため、陽極点、陰極点が不安定でアークがふらついた。ビード形状も溶接線方向に蛇行した。比較例３６及び３７は窒素が低いため、Ｍｓ点が下がらず、疲労強度が悪かった。比較例３８は窒素が過剰であり、ブローホールが発生し、それが起点となって疲労強度も低かった。比較例３９及び４０はそれぞれＴｉ、Ａｌが過剰であり、溶滴が大きくなってアーク安定性が劣化し、さらにスラグ量も多く電着塗装性も悪かった。比較例４１は低Ｍｓ点を実現する手段として従来多く提案されている高Ｃｒ−高Ｎｉ−低Ｃ−低Ｎ系で、非常に高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。溶滴が大きくなり、スパッタも多く発生した。薄板の高母材希釈率の溶接に対しては、Ｍｓ点低下も不足であり、疲労強度も悪かった。比較例５０はフラックス率が低すぎて、Ｏ及びＮを必要量入れることが出来なかったため、Ｍｓ点が下がらず疲労強度が悪く、かつアーク安定性も悪かった。比較例５１はフラックス率が高すぎて、伸線工程中に断線、及びフラックスのこぼれが多発し、ワイヤとして製造困難であった。Ｎｏ．５２はＪＩＳ・Ｚ３３１３・ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＭに適合する極めて一般的なフラックス入りワイヤである。Ｍｓ点を下げるための手法がなされておらず、かつ薄板の高速溶接を対象に設計されていないので、疲労強度が悪い、スラグ量が多く電着塗装性が悪い、ＭＩＧアーク溶接でのアーク安定性が悪い、高速溶接でハンピングするといった数々の短所が露呈した。比較例５３は本発明の規定成分をソリッドワイヤで実現したものである。しかしソリッドワイヤではＯ及びＮを高めることが困難であり、アーク安定性が悪く、Ｍｓ点も下がらず疲労強度も悪かった。ビード形状もフラックス入りワイヤに比べてアークが広がらないので止端形状のなじみ性がやや劣った。これも疲労強度が上がらない原因の一つとか考えられる。さらに、ソリッドワイヤで低Ｍｓ点を実現する焼入れ性の高い成分系を製造すると、伸線性を確保するために、幾度も伸線途中で焼鈍を施しワイヤ強度を下げる必要がある。このため、極めて生産性が悪く、コストが非常に高くなった。

請求項２の比較例４２乃至４６は夫々Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏが過剰であり、やはり非常に高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。溶滴が大きくなりスパッタも多く発生した。比較例４７はＣｕが過剰であり、高温割れが発生し、それが起点となって疲労強度が悪かった。また、溶滴が大きくなりスパッタも多く発生した。比較例４８はＢが過剰であり、高温割れが発生し、それが起点となって疲労強度が悪かった。比較例４９はＲＥＭが過剰であり、非常に高コストであると共に、大粒のスパッタも多く発生した。比較例５４及び５５はそれぞれＭｇ及びＦが過剰であり、アーク安定性が悪く、スパッタとヒュームの発生量が多かった。溶融池の粘性も過剰でハンピングを生じた。比較例５６はＫ、Ｎａ、及びＬｉが過剰であり、アーク力が小さくなりすぎて溶融池が不安定となってハンピングが発生した。比較例５７はＣａが過剰であり、アーク安定性が悪く、スパッタ、及びヒュームの発生量が多かった。溶融池の粘性も過剰でハンピングが生じた。

本発明は自動車等の薄板の炭素鋼のすみ肉溶接に際して、高い継手疲労強度を低コスト、高能率、優れた溶接作業性を実現する溶接材料と溶接方法を提供することができる。

溶接試験の開先条件である。 疲労試験片の形状である。

符号の説明

１：鋼板
２：ワイヤ
３：溶接部

Claims (5)

1. 鋼製外皮にフラックスを充填してなるアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の成分組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．１６乃至１．５０質量％、Ｓｉ：０．３０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至５．００質量％、Ｏ：０．０２０質量％以上、及びＮ：０．００２０乃至０．０４００質量％を含有し、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０％質量以下、Ｔｉ：０．１５質量％以下、Ａｌ：０．２０質量％以下、Ｆ及びＣａ：各元素あたり０．１００質量％以下、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉ：総量で０．２００質量％以下、Ｍｇ：１．００質量％以下、ＲＥＭ（希少金属元素）：０．５０質量％以下、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｕ：各元素あたり２．００質量％未満、Ｂ：０．０１００質量以下％に規制し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、かつフラックス率が７乃至３０質量％であることを特徴とするガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ。
2. ワイヤ全体の成分組成が、更に、ワイヤ全質量に対して、Ｆ及びＣａからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり０．００５乃至０．１００質量％、Ｋ、Ｎａ、及びＬｉからなる群から選択された少なくとも１種：総量で０．００１乃至０．２００質量％、Ｍｇ：０．０５％乃至１．００質量％、ＲＥＭ（希少金属元素）：０．０１乃至０．５０質量％、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１種：各元素あたり０．０５質量％以上２．００質量％未満、又はＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ。
3. 請求項１又は２に記載のワイヤを使用し、Ａｒが９６体積％以上、残部はＣＯ_２又はＯ_２の混合ガスをシールドガスとして使用してＭＩＧアーク溶接することを特徴とするＭＩＧアーク溶接方法。
4. 請求項１又は２に記載のワイヤを使用し、実質的に純Ａｒガスをシールドガスとして使用してＭＩＧアーク溶接することを特徴とするＭＩＧアーク溶接方法。
5. パルスアーク溶接機を使用することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のＭＩＧアーク溶接方法。
   
   

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