JP2008142726A

JP2008142726A - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP2008142726A
Application number: JP2006330867A
Authority: JP
Inventors: Koichi Isobe; 浩一磯部; Shigeru Okita; 茂大北; Osamu Takagi; 修高木; Isamu Kimoto; 勇木本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP4896691B2

Abstract

【課題】主として４９０Ｎ／ｍｍ^２級以上の高張力鋼を、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件で、高能率にガスシールドアーク溶接しても、靱性及び強度が優れた溶接金属を安定して確保することができ、かつ溶接作業性が良好なガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１４％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０１０％、Ａｌ及び／又はＺｒを合計で０．００２〜０．０５０％含有し、Ｎ：０．００５％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｍｎ／Ｓｉ：０．８５以上の組成とし、更に、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３及びＭｇＳのうち少なくとも１種の介在物を含有し、この介在物のうち円相当径が０．０１〜１００μｍのものの存在密度をワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、主として４９０〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼をガスシールドアーク溶接する際に使用するソリッドワイヤに関する。

近年、ガスシールドアーク溶接は、高能率な溶接施工方法として、各産業分野において多用されている。しかしながら、ガスシールドアーク溶接は、更なる高能率化を図る場合、適用される溶接条件が高電流でかつ高入熱溶接となり、しかも、各溶接パスの時間を短時間として連続的に行うため、高パス間温度の溶接となる。そして、現在、ガスシールドアーク溶接における溶接条件は、更に高パス間温度側に移行しつつあり、溶接金属にはより高い靱性特性が求められている。しかしながら、このような高電流、高入熱及び高パス間温度の条件で溶接した場合、溶接金属の靱性が劣化する傾向があり、健全な溶接継手を確保できないという問題点がある。

このため、上述した状況下において優れた溶接金属が得られる溶接材料が、強く望まれている。一方、一般的な条件でのガスシールドアーク溶接については、溶接金属の靭性を向上させる方法として、Ｔｉ−Ｂ系の溶接材料が検討されており、従来、いくつかの提案がなされている（例えば、特許文献１〜６参照）。例えば、特許文献１には、成分パラメータＰａ（＝Ｔｉ×Ｂ×１０^４）を１〜２５に限定した高能率ガスシールドアーク溶接用ワイヤが開示されている。また、特許文献２には、５９０Ｎ／ｍｍ^２（６０ｋｇｆ／ｍｍ^２）級以上の高張力鋼をＡｒ−ＣＯ_２等の混合ガスを使用してガスシールドアーク溶接する際に、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）による靭性低下がない溶接金属を得ることを目的とし、Ｔｉ−Ｂ系ワイヤに最大６％までＮｉを添加した構成の高張力鋼用ワイヤが開示されている。

更に、特許文献３及び４には、溶接金属の靭性を改善することを目的として、各成分の含有量を規定した鋼ワイヤが開示されている。更にまた、特許文献５には、軟鋼又は４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼を、高入熱及び高パス間温度の条件で溶接する炭酸ガス溶接用ワイヤとして、Ｔｉ−Ｂ系で、Ｍｏ含有量、パラメータＰ_ＢＴ（＝［Ｂ］×１０^３／［Ｔｉ］）及びＰ_ＢＳ（＝［Ｂ］×[Ｓ]×１０^５）を規制したガスシールドアーク溶接用ワイヤが提案されている。一方、特許文献６には、下盛り溶接金属の上から上盛り溶接する際に、下盛り溶接金属の上層部分の脆化を抑制し、靭性を向上させることを目的として、Ｔｉ及びＢの他に、選択元素としてＭｇを添加した下盛り溶接用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが開示されている。

特開昭５４−４０２５０号公報特開昭６３−１５７７９５号公報特開昭５５−１４９７９７号公報特公平４−２０７２０号公報特開平１０−２３０３８７号公報特開２００６−８６８号公報

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、特許文献１に記載のガスシールドアーク溶接用ワイヤは、主にＡｒ−ＣＯ_２混合ガスを使用したガスシールドアーク溶接を対象としており、溶接入熱量は最大でも４０ｋＪ／ｃｍ程度であり、１ラン溶接での低温靱性向上を目的としたものであるため、多層盛溶接で、かつ高パス間温度の条件では十分な効果は得られないという問題点がある。同様に、特許文献２に記載の高張力鋼用ワイヤも、５９０Ｎ／ｍｍ^２級以上の高張力鋼をＡｒ−ＣＯ_２等の混合ガスで溶接したときのＰＷＨＴ後における低温靱性改善を目的としており、高電流、高入熱及び高パス間温度といった条件で溶接した場合、溶接金属の靱性改善は望めないという問題点がある。

更に、特許文献３に記載の溶接用鋼ワイヤは、低温靱性の改善を目的としたものであるため、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件では、靱性向上は期待できないという問題点がある。一方、特許文献４に記載の低合金鋼ワイヤは、炭酸ガスシールドアーク溶接における高入熱溶接条件での靱性向上を目的としているが、高パス間温度の条件における強度及び靭性の確保は期待できないという問題点がある。また、特許文献５に記載のワイヤは、高入熱及び高パス間温度の溶接条件で高靭性が得られるというものであるが、その靭性はバラツキが生じ十分ではないという問題点がある。更に、特許文献６に記載のソリッドワイヤは、入熱量差の大きい下盛り溶接（ガスシールドアーク溶接）と上盛り溶接（サブマージアーク溶接）との組み合わせ溶接を前提にしているため、高電流、高入熱及び高パス間温度でのガスシールドアーク溶接に適用しても、溶接金属の靱性向上は期待できないという問題点がある。

上述の如く、従来、ガスシールドアーク溶接において溶接金属を高靭性化するための手法として、溶接材料では種々のＴｉ−Ｂ系の溶接ワイヤが提案されてはいるが、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件で溶接した場合における溶接金属の高靭性化は図られておらず、また満足するに至っていないのが実状である。

本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、主として４９０Ｎ／ｍｍ^２級以上の高張力鋼を、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件で、高能率にガスシールドアーク溶接しても、靱性及び強度が優れた溶接金属を安定して確保することができ、かつ溶接作業性が良好なガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ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用ソリッドワイヤは、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１４％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０１０％、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種の元素を合計で０．００２〜０．０５０％含有すると共に、Ｎ：０．００５％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｓｉ及びＭｎの総含有量（Ｓｉ＋Ｍｎ）が１．５〜３．５％で、かつＭｎ含有量とＳｉ含有量との比（Ｍｎ／Ｓｉ）が０．８５以上である組成を有し、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３及びＭｇＳからなる群から選択された１種又は２種以上の介在物を含有し、前記介在物のうち円相当径が０．０１〜１００μｍのものの存在密度がワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上であることを特徴とする。

このガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、更に、質量％で、Ｂ：０．００２〜０．０１０％を含有していてもよい。

又は、質量％で、Ｃｕ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：１．５％以下及びＭｏ：１．５％以下からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を、合計で０．２〜５．０％含有していてもよい。その場合、更に、質量％で、Ｂ：０．０００２〜０．００４％を含有することもできる。

本発明によれば、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件でガスシールドアーク溶接した場合において、溶接作業性が良好で、引張強度及び安定した靱性に優れた溶接金属を確保することができ、溶接の高能率化及び溶接部の品質向上が図れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意実験研究を行った結果、以下に示す知見を得た。先ず、高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件でガスシールドアーク溶接する際に、最も重要な課題は、溶接金属組織粗大化によりその靱性が低下することであるが、５４０Ｎ／ｍｍ^２級鋼の溶接において溶接金属の靱性を確保するためには、溶接ワイヤ中のＴｉ添加量を特定の範囲内にすると共に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との和及び比を特定の範囲内にすることが有効である。

一方、溶接金属の靱性を安定化するには、溶接金属中のＮ量を低くすることが有効である。しかしながら、溶接条件が高電流、高入熱及び高パス間温度である場合、溶接条件が低入熱及び低パス間温度である場合に比べて、溶融プールが遙かに加熱され大きくなり、通常のシールド方法では溶融プールのシールド性が不完全になる場合があり、このような状況下では、大気からＮが侵入し、溶接金属が窒化して靱性が低下してしまう。これに対しては、ワイヤ中に、Ｔｉ及びＢと共に窒化物安定元素であるＡｌ及びＺｒを添加し、Ｎを固定することで、溶接金属の靱性を安定的に確保することができる。

また、Ｍｇを適量添加することにより、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物のうち少なくとも１種をワイヤ中に分布させると共に、これらの介在物のうちその大きさが円相当径（断面積が等価な円の直径）で０．０１〜１００μｍのものを、ワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上含有させると、溶接時にこの介在物であるＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３及びＭｇＳが分解してＭｇが蒸発し、これにより溶接金属の脱酸作用が強化されて清浄な溶接金属部が形成される。また、雰囲気からのＮの吸収も抑制されるため、溶接金属中のＮ量を低減することができ、更に安定した靭性改善が図れる。ただし、介在物の円相当径が１００μｍよりも大きくなると、分解に時間を要するため、溶接金属の脱酸作用及びＭｇ蒸気による窒素の吸収抑制に十分に寄与することができなくなる。

更に、焼入性増大元素としてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及び／又はＭｏを適量添加し、溶接金属の引張り強さを調整することで、４９０〜５４０Ｎ／ｍｍ^２級鋼の高入熱・高パス間温度溶接、及び５９０〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼の高入熱、高パス間溶接において強度及び靱性を安定確保することができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その効果は、ワイヤ中に含まれる各成分の単独での効果又は相乗効果によりなし得たものである。以下、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ（以下、単にワイヤともいう。）における各成分元素の添加理由及び数値限定理由について詳述する。なお、以下の説明においては、組成における質量％は単に％と記載する。

（Ｃ：０．０２〜０．１４％）
Ｃは、固溶強化により溶接金属の強度確保に必要な元素である反面、硬さの増加及びひずみ時効による靱性低下を起こしやすいため、本発明のワイヤでは、これらを勘案してその含有量を制限している。具体的には、Ｃ含有量が０．１４％を超えると、溶接条件を高電流、高入熱及び高パス間温度とした場合、溶接金属の強度が過剰となり、靱性が損なわれる。特に、６９０〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼等の溶接のように高強度の溶接金属が形成される場合には、Ｃ含有量が０．１４％を超えると、高炭素マルテンサイト等の靭性に有害な第２相が形成されたり、仮付け等の低入熱溶接部でマルテンサイトが硬化する傾向が強くなったりする。一方、Ｃ含有量が０．０２％未満であると、強度の確保が困難となる。よって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１４％とする。

（Ｓｉ：０．４〜１．５％）
Ｓｉは、主要脱酸剤であり、溶接金属の酸素量を低下させて、靱性を向上させるために必要な元素である。特に、高溶接電流域ではＳｉの消耗が大きいため、通常よりも多くの添加が必要となる。具体的には、Ｓｉ含有量が０．４％未満では、脱酸不足となり、健全な溶接金属を得ることができなくなる。その結果、溶接金属の靱性が低下すると共に、強度が低下する。更に、アークが不安定となり、スパッタ発生量が多くなるため、溶接作業性が劣化する。一方、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると、溶接金属の強度が高くなり、靱性への悪影響が顕著となる。よって、Ｓｉ含有量は０．４〜１．５％とする。

（Ｍｎ：１．０〜２．５％）
Ｍｎは、Ｓｉと同様に主要脱酸剤であると共に、溶接金属の強度確保に有効な元素であり、オーステナイトを安定化させて溶接金属の靱性向上を図る目的で添加する。ただし、Ｍｎは、Ｓｉと同様に、高溶接電流条件での酸化消耗を考慮して添加する必要があり、Ｓｉ含有量及びその他の添加元素との関係もあるが、Ｍｎ含有量が１．０％未満の場合、溶接金属の強度及び靱性を確保できず、更には、アークが不安定となりスパッタ発生量が多くなるため、溶接作業性が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属の強度が高くなり、多層盛溶接時等に焼き戻し脆化等が生じて靱性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は１．０〜２．５％とする。

（Ｓｉ＋Ｍｎ：１．５〜３．５％）
前述したＳｉ及びＭｎは、高溶接電流条件での酸化消耗が大きいため、これらの総含有量（Ｓｉ＋Ｍｎ）が１．５％未満の場合、脱酸不足となり、健全な溶接金属部を得られない。その結果、溶接金属の強度が確保できなくなると共に、溶接金属の靱性も低下し、更には、アーク状態も不安定になり、スパッタ発生量が増大し、溶接作業性が劣化する。一方、Ｓｉ及びＭｎの総含有量（Ｓｉ＋Ｍｎ）が３．５％を超えると、溶接金属部に硬化相が生成するため、強度が高くなりすぎて靱性が低下する。よって、Ｓｉ及びＭｎの総含有量（Ｓｉ＋Ｍｎ）は１．５〜３．５％とする。

（Ｍｎ／Ｓｉ：０．８５以上）
一方、Ｍｎ含有量とＳｉ含有量との比（Ｍｎ／Ｓｉ）が０．８５未満の場合、フェライト安定化元素であるＳｉが過剰添加となるため、溶接金属のミクロ組織が粗大フェライトとなり、溶接金属が強度不足になりやすく、また靱性も低下する。よって、Ｍｎ含有量とＳｉ含有量との比（Ｍｎ／Ｓｉ）は０．８５以上とする。

（Ｔｉ：０．０５〜０．４％）
Ｔｉは、溶接金属の組織を微細なアシキュラーフェライト化し、靱性を向上させる重要な元素である。この溶接金属の靱性確保に必要なＴｉ含有量は、溶接金属に含まれる酸素量によって異なるが、本発明が対象とする高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件では、Ｔｉ含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｔｉ含有量が０．４％を超えると、Ｔｉが過剰に固溶するため、溶接金属の硬化が著しくなり、靱性が著しく低下する。よって、Ｔｉ含有量は０．０５〜０．４％とする。

（Ｍｇ：０．０００３〜０．０１０％，かつ円相当径が０．０１〜１００μｍで、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物が１個／１０ｍｍ^２以上）
Ｍｇは、強脱酸剤及び窒素吸収抑制剤として作用する。溶接条件が高電流、高入熱及び高パス間温度であるガスシールドアーク溶接においては、溶融プールが大きくなって十分な脱酸作用が得られなくなるため、溶接金属の酸素量が多くなり、靱性が劣化する。そこで、本発明のワイヤでは、Ｍｇを適量添加することにより、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物のうち少なくとも１種をワイヤ中に分布させ、かつ、これらの介在物のうち、円相当径（断面積が等価な円の直径）が０．０１〜１００μｍの大きさのものが、ワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上存在するようにしている。これにより、溶接時にＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物が分解されてＭｇが蒸発するため、溶接金属の脱酸作用が強化されて、清浄な溶接金属部が形成されるため、溶接金属の靱性の向上及びバラツキを抑制することができる。また、分解、生成したＭｇ蒸気により、雰囲気中からのＮの吸収が抑制されるため、溶接金属中のＮ量を低減することができ、更に安定した靭性改善が図れる。なお、ワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたりの介在物含有量は、２個以上とすることが好ましい。円相当径が０．０１〜１００μｍで、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物が２個／１０ｍｍ^２以上分布していると、より安定した靭性改善効果が得られる。ただし、これらの介在物の円相当径が１００μｍを超えると、その分解に時間を要し、溶接金属の脱酸作用及び、分解、蒸発したＭｇ蒸気による窒素の吸収抑制に十分寄与できなくなる。一方、介在物の円相当径が０．０１μｍ未満の場合、溶接時の分解、蒸発速度が極めて大きくなり、溶接金属を十分なＭｇ蒸気で覆うことができなくなるため、溶接金属の清浄性向上効果が低減すると共に、Ｎの吸収を十分に抑制できなくなる。よって、介在物の円相当径は０．０１〜１００μｍとする。

また、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物の存在密度は、Ｍｇ添加時の取鍋スラグの塩基度（ＣａＯ含有量（％）とＳｉＯ_２含有量（％）との比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２））を１．２以上に制御する等して、取鍋スラグの酸化度（Ｆｅ総含有量（％）とＭｎＯ含有量（％）との和（Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ））を４％以下に調節した上で、Ｍｇ含有量を０．０００３％以上とすることにより、円相当径が０．０１〜１００μｍで、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物を、ワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上、好ましくは２個以上含有させることができる。なお、上述したスラグ酸化度が４％を超えると、取鍋スラグにより溶鋼が再酸化され、その影響で生成したＭｇＯ及びＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３が粗大化して、円相当径が０．０１〜１００μｍの介在物を１個／１０ｍｍ^２以上確保することが困難となる。また、Ｍｇ含有量が０．０００３％未満の場合も、円相当径が０．０１〜１００μｍの介在物を１個／１０ｍｍ^２以上確保することが困難となる。一方、Ｍｇ含有量が０．０１０％を超えると、溶接時にスパッタの発生が著しく増加し、アークの安定性も損なわれる。よって、Ｍｇ含有量は０．０００３〜０．０１０％とする。なお、アークの安定性を考えると、Ｍｇ含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。

（Ａｌ及び／又はＺｒ：合計で０．００２〜０．０５０％）
高電流、高入熱及び高パス間温度の溶接条件でガスシールドアーク溶接すると、溶融プールが大きくなって十分なシールド性が得られなくなり、溶接金属に大気中のＮが侵入する場合がある。このようにシールド性が損なわれてＮが侵入した場合には、溶接金属の靱性が著しく劣化する。そこで、本発明のワイヤでは、Ａｌ及び／又はＺｒを添加することにより、微量のＮが侵入することによる靱性のバラツキ及び低下を抑制する。このＡｌ及びＺｒは、酸素及びＮとの親和力が強く、脱酸元素として作用して酸素を低減する効果があり、更に、固溶しているＮを高温で固定する効果を持つＴｉ、Ｚｒ及びＢを、酸化消耗から保護する効果も有する。その結果、固溶Ｎの靭性に対する悪影響を軽減できるものと考えられる。しかしながら、Ａｌ及びＺｒの総含有量が０．００２未満の場合、前述した効果は得られない。一方、これらの総含有量が０．０５０％を超えると、溶接金属が硬化して、靱性が低下してしまう。よって、Ａｌ及びＺｒの総含有量は０．００２〜０．０５０％とする。

（Ｎ：０．００５％以下）
上述したように、溶接金属の靱性を安定して向上させるには、Ｎ含有量を低下することが必須条件である。具体的には、Ｎ含有量が０．００５％を超えると、溶接金属の靭性を安定して向上させることができなくなる。よって、Ｎ含有量は０．００５％以下とする。

また、本発明のワイヤは、上記各成分に加えてＢを含有していてもよい。

（Ｂ：０．００２〜０．０１０％）
Ｂは、Ｔｉとの共存により溶接金属組織を微細化する作用があり、高靱性の溶接金属を得るために有効な元素であり、その効果は微量の添加で発現する。一方、４９０〜５４０Ｎ／ｍｍ^２級鋼を溶接する場合のように、ワイヤにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏのいずれの元素も添加しない場合は、溶接金属の焼入れ性が低く、溶接金属のミクロ組織に粒界フェライトが生成しやすい。このため、ワイヤにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏのいずれの元素も添加しない場合は、溶接条件も影響するが、Ｂ含有量が０．００２％未満では、粒界フェライトの抑制効果が十分得られず、また、Ｂ含有量が０．０１％を超えると、溶接高温割れの原因となる。よって、４９０〜５４０Ｎ／ｍｍ^２級鋼用としてワイヤにＢを添加する場合、その含有量は０．００２〜０．０１０％とする。

（Ｂ：０．０００２〜０．００４％）
また、５９０〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼を溶接する場合のように、ワイヤに後述する焼入れ性増大元素であるＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を添加する場合は、溶接金属の焼入れ性が十分に高くなり、粒界フェライトはほとんど生じない。このため、これらの焼入れ性増大元素をワイヤに添加する場合は、ワイヤのＢ添加量は微量でよいが、Ｂ含有量が０．０００２％未満の場合、極端な高パス間温度、高入熱溶接では、冷却速度が遅くなると粒界フェライトが生成することがある。一方、Ｂ含有量が０．００４％を超えると、溶接金属が硬化し靭性の低下を招く。よって、５９０〜７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼用としてワイヤにＢを添加する場合、その含有量は０．０００２〜０．００４％とする。

更に、本発明のワイヤは、焼入れ性増大元素であるＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を添加することもできる。

（Ｃｕ：１．５％以下）
Ｃｕは、変態温度を低下させて組織を微細化し、溶接金属の強度向上に有効な元素であり、高張力鋼の溶接を行う場合、並びに極端な高電流、高入熱及び高パス間温度の条件で溶接する場合における溶接金属の靱性向上にも有効に作用する。その効果は後述するＣｒ及びＭｏと同様であるが、Ｃｕ含有量が１．５％を超えると、析出脆化及び溶接金属高温割れが発生する。よって、Ｃｕを添加する場合は、その含有量を１．５％以下とする。なお、Ｃｕを単独で添加する場合は、０．２％を下限とすることが好ましい。また、防錆のために表面に施されるＣｕめっきの量は、ワイヤ全重量の約０．２〜０．３％の範囲であるが、これもワイヤ中の添加量に含めるものとする。

（Ｎｉ：３．０％以下）
Ｎｉは、変態温度を低下させて組織を微細化すると共に、溶接金属中に固溶して靭性を低下させることなく強度を高める元素であり、高強度の溶接金属を得るため、一般的に使用される元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、凝固偏析部において凝固温度が下がり、溶接高温割れが発生する。よって、Ｎｉを添加する場合は、その含有量を３．０％以下とする。これにより、高張力鋼の溶接、又は高入熱及び高パス間温度の溶接時に、強度及び靭性の低下を防止することができる。なお、Ｎｉを単独で添加する場合は、０．２％を下限とすることが好ましい。

（Ｃｒ：１．５％以下）
Ｃｒは、前述したＣｕと同様に、変態温度を低下させて組織を微細化し、溶接金属の強度向上に有効であり、また、高張力鋼の溶接を行う場合、並びに極端な高電流、高入熱及び高パス間温度の条件で溶接する場合における溶接金属の靱性向上にも有効に作用する。しかしながら、Ｃｒ含有量が１．５％を超えると、溶接金属の硬化が顕著となり、靱性に対する悪影響が生じる。よって、Ｃｒを添加する場合は、その含有量を１．５％以下とする。なお、Ｃｒを単独で添加する場合は、０．２％を下限とすることが好ましい。

（Ｍｏ：１．５％以下）
Ｍｏは、前述したＣｕ及びＣｒと同様に、変態温度を低下して組織を微細化し、溶接金属の靱性向上に有効な元素であり、また、高張力鋼の溶接を行う場合、並びに極端な高電流、高入熱及び高パス間温度の条件で溶接時する場合に、軟化抵抗を発揮し、溶接金属の靱性向上にも有効に作用する。しかしながら、Ｍｏ含有量が１．５％を超えると、溶接金属の硬化が顕著となり、靱性に対する悪影響が生じる。よって、Ｍｏを添加する場合は、その含有量を１．５％以下とする。なお、Ｍｏを単独で添加する場合は、０．２％を下限とすることが好ましい。

（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏの総含有量：０．２〜５．０％）
更に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏの総含有量が０．２％未満の場合、５９０Ｎ／ｍｍ^２級以上の高張力鋼を、高入熱、高パス間温度で溶接した時に、その添加効果、即ち、溶接金属の強度及び靭性改善効果が認められない。一方、これらの元素の総含有量が５．０％を超えると、溶接金属の硬化が顕著となり、靭性低下が大きくなる。よって、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を添加する場合は、その総含有量を０．２〜５．０％とする。

なお、本発明のワイヤにおける上記以外の成分、即ち、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、本発明のワイヤは、前述した各成分以外に、溶接金属の強度及び靱性の調整のため、Ｖ及びＮｂを０．００５％以下の範囲で添加することもできる。更に、不可避不純物であるＰは、溶接金属の靭性向上の観点から０．０１５％以下とすることが望ましく、また、Ｓは、スラグ剥離性の観点から０．００７〜０．０２０％とすることが望ましい。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。先ず、各種原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延及び伸線した後、直径が１．４ｍｍの２０ｋｇ巻のスプール巻ワイヤとした。その後、一部のワイヤについて、表面にＣｕめっきを施し、実施例及び比較例のソリッドワイヤを作製した。各ワイヤの化学組成、及び円相当径が０．０１〜１００μｍで、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物のワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたりの個数を下記表１及び表２に示す。

次に、上記表１及び表２に示す実施例及び比較例の各ワイヤを使用して、下記表３に示す条件で、板厚２５ｍｍの４９０Ｎ／ｍｍ^２級の鋼板に対する溶着金属試験を行った。その際、開先形状及び試験片採取位置は、ＪＩＳＺ３１１１に準拠した。

溶接金属の評価は、請求項１に関する実施例Ｎｏ．Ｗ１〜Ｎｏ．Ｗ１０のワイヤ及び比較例Ｎｏ．Ｚ１〜Ｎｏ．Ｚ１９のワイヤ、並びに請求項２に関する実施例Ｎｏ．Ｗ１１〜Ｎｏ．Ｗ１４のワイヤ及び比較例Ｎｏ．Ｚ２０〜Ｎｏ．Ｚ２２のワイヤについては、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で、かつ０℃でのシャルピー衝撃試験において、各５回繰り返したときの吸収エネルギーの最小値が７０Ｊ以上のものを合格とした。また、請求項３に関する実施例Ｎｏ．Ｗ１５〜Ｎｏ．Ｗ３１のワイヤ及び比較例Ｎｏ.Ｚ２３〜Ｎｏ．Ｚ２８のワイヤ、並びに請求項４に関する実施例Ｎｏ．Ｗ３２〜Ｎｏ．Ｗ３５のワイヤ及び比較例Ｎｏ.Ｚ２９〜Ｎｏ．Ｚ３３のワイヤについては、合金成分を高めた高張力鋼用溶接ワイヤであるため、引張り強さは合格することは当然であることから、シャルピー吸収エネルギーでのみ同様の条件で評価及び判別を行った。

また、スパッタ発生量は、溶着金属試験とは別に銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接により上記表３に示す溶接条件で３回溶接（１回の溶接時間：１．５分）して捕集したスパッタ量を、１分間の発生量に換算した。スパッタ発生量が２ｇ／分以下の場合、アークが安定して作業性が良好となる。以上の結果を、下記表４及び表５にまとめて示す。

上記表４に示すＮｏ.Ｗ１〜Ｎｏ．Ｗ３５が本発明の範囲内で作製した実施例のワイヤであり、上記表５に示すＮｏ．Ｚ１〜Ｎｏ．Ｚ３３が本発明の範囲から外れる比較例のワイヤである。上記表４に示すように、本発明の実施例であるＮｏ．Ｗ１〜Ｗ３５のワイヤは、化学組成が適正であるため、溶接金属の強度及び吸収エネルギーとも良好で、溶接時のスパッタ発生量も少なくアークが安定し、満足な結果であった。

これに対して、Ｎｏ.Ｚ１及びＮｏ．Ｚ２のワイヤは、Ｃ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ１のワイヤはＣ含有量が本発明の範囲を超えているためシャルピー吸収エネルギーが低く、Ｎｏ．Ｚ２のワイヤはＣ含有量が本発明の範囲に満たないため、溶接金属の引張強さが不足していた。また、Ｎｏ．Ｚ３及びＮｏ．Ｚ４のワイヤは、Ｓｉ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ３のワイヤはＳｉ含有量が本発明の範囲を超えているためシャルピー吸収エネルギーが低下し、Ｎｏ．Ｚ４のワイヤはＳｉ含有量が本発明の範囲に満たないため、スパッタ量が多く、また脱酸不足となり欠陥が発生した。更に、Ｎｏ．Ｚ５及びＮｏ．Ｚ６のワイヤは、Ｍｎ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ５のワイヤはＭｎ含有量が本発明の範囲を超えているため靭性が低下し、Ｎｏ．Ｚ６のワイヤはＭｎ含有量が本発明の範囲に満たないため、焼入れ性不足となって強度及び靭性が低下した。

Ｎｏ．Ｚ７及びＮｏ．Ｚ８のワイヤは、Ａｌ及びＺｒの総含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、いずれも溶接金属組織の微細化が不十分で、靭性が不足していた。また、Ｎｏ．Ｚ９及びＮｏ．Ｚ１０のワイヤは、Ｍｎ含有量とＳｉ含有量との比（Ｍｎ／Ｓｉ）が本発明の範囲、即ち、０．８５未満の比較例であり、いずれも溶接金属組織が粗大化して靭性が低下した。更に、Ｎｏ．Ｚ１１及びＮｏ．Ｚ１２のワイヤは、Ｔｉ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ１１のワイヤは、Ｔｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属が硬化して靭性が低下した。一方、Ｎｏ．Ｚ１２のワイヤは、Ｔｉ含有量が本発明の範囲に満たないため、ミクロ組織が粗くなり、溶接金属の靭性が低下した。

Ｎｏ．Ｚ１３及びＮｏ．Ｚ１４のワイヤは、Ｍｇ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ１３のワイヤはＭｇ含有量が本発明の範囲を超えているため、スパッタ量が多くなってアークが乱れ、結果的に靭性も低下した。一方、Ｎｏ．Ｚ１４のワイヤは、Ｍｇ含有量が本発明の範囲に満たないため、焼入れ性不足となって靭性が低下した。また、比較例Ｎｏ．Ｚ１５のワイヤは、Ｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、靭性が不足していた。更に、Ｎｏ．Ｚ１６及びＮｏ．Ｚ１７のワイヤは、Ｓｉ及びＭｎの総含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ１６のワイヤはＳｉ及びＭｎの総含有量が本発明の範囲に満たないため、焼入れ性が不足して靭性が低下し、Ｎｏ．Ｚ１７のワイヤは、Ｓｉ及びＭｎの総含有量が本発明の範囲を超えているため、靭性が低下した。

比較例Ｎｏ．Ｚ１８及びＮｏ．Ｚ１９のワイヤは、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＳからなる介在物のうち１種以上の介在物がワイヤ中に分布しているが、溶製段階で取鍋スラグの酸化度（Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ）が４％を超え、スラグによる再酸化の影響を受けて、これらの介在物が粗大化したため、円相当径で０．０１〜１００μｍの大きさの介在物が、ワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個未満となり、その結果、溶接金属部の清浄性不足、又は溶接時の窒素吸収が十分抑制でなかったため、靭性が低下した。また、Ｎｏ．Ｚ２０〜Ｎｏ．Ｚ２２のワイヤは、Ｂ含有量が本発明の範囲から外れている比較例であり、Ｎｏ．Ｚ２０のワイヤはＢ含有量が本発明の範囲に満たないため、粒界フェライトが多く生成して靭性不足し、Ｎｏ．Ｚ２１及びＮｏ．Ｚ２２のワイヤは、Ｂ含有量が本発明の範囲を超えているため、強度は満たすものの、溶接金属に高温割れが発生し、更に靭性が大きくばらついたため、結果として最低値は満たさなかった。

Ｎｏ．Ｚ２２のワイヤはＭｏ含有量が、Ｎｏ．Ｚ２４のワイヤはＣｒ含有量が、Ｎｏ．Ｚ２５のワイヤはＮｉ含有量が、Ｎｏ．Ｚ２６のワイヤはＣｕ含有量が、Ｎｏ.Ｚ２７のワイヤはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏの総含有量が、Ｎｏ．Ｚ２８のワイヤはＮ含有量が、Ｎｏ．Ｚ２９〜Ｎｏ．Ｚ３２のワイヤはＢ含有量が、夫々本発明の範囲から外れている比較例である。Ｎｏ．Ｚ２３のワイヤは、Ｍｏ含有量が、Ｎｏ．Ｚ２４のワイヤはＣｒ含有量が、夫々本発明の範囲を超えているため、靭性が不足していた。また、Ｎｏ.Ｚ２５のワイヤはＮｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属に高温割れが生じて靭性が低下した。更に、Ｎｏ．Ｚ２６のワイヤは、Ｃｕ含有量が本発明の範囲を超えているため、脆化が生じた。更にまた、Ｎｏ．Ｚ２７のワイヤは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏの総含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の硬化が著しく、靭性が低下した。更にまた、Ｎｏ．Ｚ２８のワイヤは、Ｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、靭性が低下した。更にまた、Ｎｏ．Ｚ２９〜Ｚ３２のワイヤはいずれも、合金成分が多く添加されている母材に対して、Ｂ含有量が多かったため、靭性が低下した例である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１４％、
Ｓｉ：０．４〜１．５％、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｔｉ：０．０５〜０．４％、
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１０％、
Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種の元素を合計で０．００２〜０．０５０％含有すると共に、
Ｎ：０．００５％以下に制限し、
残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
Ｓｉ及びＭｎの総含有量（Ｓｉ＋Ｍｎ）が１．５〜３．５％で、かつＭｎ含有量とＳｉ含有量との比（Ｍｎ／Ｓｉ）が０．８５以上である組成を有し、
ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３及びＭｇＳからなる群から選択された１種又は２種以上の介在物を含有し、前記介在物のうち円相当径が０．０１〜１００μｍのものの存在密度がワイヤ断面積１０ｍｍ^２あたり１個以上であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
更に、質量％で、Ｂ：０．００２〜０．０１０％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用ソリッドワイヤ。
更に、質量％で、Ｃｕ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：１．５％以下及びＭｏ：１．５％以下からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を、合計で０．２〜５．０％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用ソリッドワイヤ。
更に、質量％で、Ｂ：０．０００２〜０．００４％を含有することを特徴とする請求項３に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。