JP2012101234A - Ａｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 ワイヤの生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が極めて少ないなど良好な溶接作業性が得られるＡｒ−ＣＯ₂混合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】 ＣＯ₂を５〜２５％含むＡｒガスを用いて６９０Ｎ／ｍｍ²以上の高張力鋼を溶接するＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．６５〜１．１０％、Ｍｎ：１．８０〜２．２０％、ただし、Ｓｉ＋Ｍｎ：２．５５〜３．１５％、Ｍｏ：０．１０〜０．３０％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１６％、Ｂ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．００５〜０．０２％を含有し、Ｎ：０．００６０％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の高張力鋼の溶接に用いるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関し、生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量が極めて少ないなど良好な溶接作業性が得られるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに係わるものである。

近年、自動車分野、鉄骨・建築分野、産業・建設分野等において、高張力鋼の使用が多くなっている。高張力鋼の使用は、各分野ともに構造物の重量および使用鋼材重量の低減による環境負荷低減を主な目的としている。

高張力鋼のガスシールドアーク溶接は、シールドガスとしてＣＯ₂ガスを用いる場合と、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガス（ＣＯ₂：５〜２５％）を用いる場合とがある。シールドガスにＣＯ₂ガスを用いた場合は、スパッタ発生量が多くなり母材鋼板表面へ付着して、またスラグ生成量が多くなりこれらの除去作業のために溶接能率を著しく損なうことになる。

スパッタ発生量およびスラグ生成量を格段に低減するためにはＡｒ−ＣＯ₂混合ガス（ＣＯ₂：５〜２５％）を用いることが有効である。従来からＡｒ−ＣＯ₂混合ガスを用いて高張力鋼の溶接を行う溶接用ソリッドワイヤが多く使用されている。例えば、特許文献１や特許文献２に、薄鋼板の付き合せ溶接や重ねすみ肉溶接に用いる溶接用ソリッドワイヤの提案がある。しかし、特許文献１および特許文献２に記載の溶接用ソリッドワイヤで多層盛溶接すると引張強さが不足したり、靭性が十分得られないという問題があった。

また、特許文献３や特許文献４には、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスを用いて高張力鋼を多層盛溶接する技術の開示がある。しかし、特許文献３および特許文献４に記載の溶接用ソリッドワイヤは、ＮｉおよびＣｒを含んでいるのでワイヤ自体が高強度となり、ワイヤ製造の伸線加工時に、加工硬化が加わりさらにワイヤが硬化する。ワイヤが硬化するとダイス磨耗や断線が多くなるので製造が困難となる。そこで、伸線途中で熱処理を行いワイヤの硬さを低下させるが、ＮｉやＣｒを含むとワイヤの変態温度が低下するので、焼きなまし処理で軟化を行う場合は、高強度の組織に変態しやすい。したがって、硬化したワイヤを軟化するためには熱処理温度を低下して長時間の保持や除冷が必要となり、生産性が非常に悪いという問題があった。

特開平７−９６３９１号公報 特開平７−２５１２９２号公報 特開平３−２２１２９４号公報 特開２０００−３０１３７９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の高張力鋼用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が極めて少ないなど良好な溶接作業性が得られるＡｒ−ＣＯ₂混合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。

本発明者らは、上記課題を解決するために、生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が得られ、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が少ない６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の高張力鋼の溶接に用いるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを開発すべく、種々の成分組成のソリッドワイヤを試作して研究した。

その結果、ＮｉおよびＣｒの含有量を制限し、また、ＶおよびＮｂの含有量も制限し、そして、Ｓｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＣｕを適量含有させることによって多層盛溶接における溶接金属の強度を確保しつつ、ワイヤ製造の伸線時においても断線がなく生産性が良好で、Ｍｎ、ＴｉおよびＢを適量含有させるとともにＰ、ＳおよびＮを低減することによって多層盛溶接における溶接金属の低温靭性が安定し、Ａｌを適量含有させることによってアークが安定しスパッタ発生量が少なく、Ｓｉ、ＭｎおよびＴｉを適量含有させることによって溶接金属の強度および靭性を確保しつつスラグ生成量が少なくなることを見出し、本発明を完成した。

本発明の要旨は、（１）ＣＯ₂を５〜２５％含むＡｒガスを用いて６９０Ｎ／ｍｍ²以上の高張力鋼を溶接するＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．６５〜１．１０％、Ｍｎ：１．８０〜２．２０％、ただし、Ｓｉ＋Ｍｎ：２．５５〜３．１５％、Ｍｏ：０．１０〜０．３０％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０５〜０．１６％、Ｂ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．００５〜０．０２％を含有し、Ｎ：０．００６０％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とするＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。

また、（２）さらに、質量％で、ＮｉおよびＣｒの１種又は２種の合計を０．１５％以下にしたことも特徴とするＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。

また、（３）さらに、質量％で、ＶおよびＮｂの１種又は２種の合計を０．０５％以下にしたことも特徴とするＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。

本発明のＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の高張力鋼用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が極めて少ないなど良好な溶接作業性が得られるので、経済的で溶接能率の向上および溶接部の品質向上が図れる。

本発明者らは、生産性が良好で、特に多層盛溶接で溶接金属の強度および安定した低温靭性が得られ、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が少ない６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の高張力鋼の溶接に用いるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤとして、ＮｉおよびＣｒの含有量、並びにＶおよびＮｂの含有量を制限して、Ｓｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＣｕを適量含有させることによって多層盛溶接における溶接金属の強度を確保しつつ、ワイヤ製造の伸線時においても断線がなく生産性が良好で、Ｍｎ、ＴｉおよびＢを適量含有させるとともにＰ、ＳおよびＮを低減することによって多層盛溶接における溶接金属の低温靭性が安定し、Ａｌを適量含有させることによってアークが安定しスパッタ発生量が少なく、Ｓｉ、ＭｎおよびＴｉを適量含有させることによって溶接金属の強度および靭性を確保しつつスラグ生成量が少なくなることを見出し、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分設計を行った。

以下、本発明のＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに含有される成分組成の限定理由について説明する。以下成分についての「％」は「質量％」である。

Ｃ：０．０２〜０．０８％
Ｃは、溶接金属の焼入れ性を高め、強度および靭性を確保するうえで重要な元素である。Ｃが０．０２％未満であると、６９０Ｎ／ｍｍ²以上の強度が得られず靭性も低くなる。一方、Ｃが０．０８％を超えると、溶接金属の割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃは０．０２〜０．０８％とする。

Ｓｉ：０．６５〜１．１０％
Ｓｉは、主要な脱酸剤で溶接金属の酸素量を低減して靭性を向上する。また、ワイヤ製造時の断線を招くことなく溶接金属の強度を確保するのに重要な元素である。Ｓｉが０．６５％未満であると、６９０Ｎ／ｍｍ²以上の強度が得られず靭性も低くなる。一方、１．１０％を超えると、ワイヤ製造時に断線が生じやすくなる。また、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓｉは０．６５〜１．１０％とする。

Ｍｎ：１．８０〜２．２０％
Ｍｎは、溶接金属の焼入れ性を高め、強度および靭性を向上する。Ｍｎが１．８０％未満であると、６９０Ｎ／ｍｍ²以上の強度が得られず靭性も低くなる。一方、２．２０％を超えると、ワイヤ製造時に断線が生じやすくなる。また、溶接金属の強度が高くなりすぎて靭性が低下する。したがって、Ｍｎは１．８０〜２．２０％とする。

Ｓｉ＋Ｍｎ：２．５５〜３．１５％
さらに、上記ＳｉとＭｎは、強度、靭性を向上させる効果を有する元素であるが、両者の合計量によっても強度、靭性に影響を与える。このため、Ｓｉ＋Ｍｎで２．５５〜３．１５％とする。Ｓｉ＋Ｍｎが２．５５％未満であると、６９０Ｎ／ｍｍ²以上の強度が得られず靭性も低くなる。一方、３．１５％を超えると、ワイヤ製造時に断線が生じやすくなる。また、溶接金属の強度が高くなりすぎて靭性が低下する。さらに、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスをシールドガスとしても多層盛溶接するとスラグ生成量が多くなりスラグ除去作業が必要になる。

Ｍｏ：０．１０〜０．３０％
Ｍｏは、溶接金属の強度を確保する。Ｍｏが０．１０％未満であると、溶接金属の強度が６９０Ｎ／ｍｍ²以下となる。一方、０．３０％を超えると、ワイヤ製造時に断線が生じやすくなる。また、溶接金属の強度が高くなりすぎて靭性が低下する。したがって、Ｍｏは０．１０〜０．３０％とする。

Ｃｕ：０．１５〜０．４０％
ＣｕもＭｏと同様に、溶接金属の強度を確保する。また、Ｃｕはワイヤ表面に防錆、通電性およびワイヤ送給性のために施した銅めっきのＣｕ分を主とすることによって、溶接時の通電性およびワイヤ送給性を良好にしてアークを安定にする。Ｃｕが０．１５％未満であると、溶接金属の強度が６９０Ｎ／ｍｍ²以下となる。また、必然的に銅めっき厚さが薄くなり通電性およびワイヤの送給性が不良となってスパッタ発生量が多くなる。一方、０．４０％を超えると、ワイヤ製造時に断線が生じやすくなる。また、溶接金属の強度が高くなりすぎて靭性が低下する。したがって、Ｃｕは０．１５〜０．４０％とする。

Ｔｉ：０．０５〜０．１６％
Ｔｉは、強脱酸剤であり、溶接金属のミクロ組織を微細化して靭性を向上させる。また、アークを安定にする効果も有する。Ｔｉが０．０５％未満では靭性が低くなり、アークが不安定でスパッタ発生量もやや多くなる。一方、０．１６％を超えると、スパッタ発生量が多くなる。また、多層盛溶接するとスラグ生成量が多くなりスラグ除去作業が必要になる。したがって、Ｔｉは０．０５〜０．１６％とする。

Ｂ：０．００１０〜０．００６０％
Ｂは、Ｔｉとの相乗効果により溶接金属の組織を改善して靭性を安定して向上させる。Ｂが０．００１０％未満では、安定した靭性が得られない。一方、０．００６０％を超えると、溶接割れ感受性が高くなり高温割れが生じ安くなる。したがって、Ｂは０．００１０〜０．００６０％とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０２％
Ａｌは、微量でアーク安定剤として作用する。Ａｌが０．００５％未満であると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。一方、０．０２％を超えると、溶滴の粘性を高めて溶滴の離脱を不連続にしてアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。

Ｎ：０．００６０％以下
溶接金属の靭性を安定して向上させるには、Ｎの低減が必須条件となるが、その限界量は０．００６０％以下である。

ＮｉおよびＣｒの１種または２種の合計：０．１５％以下
ＮｉおよびＣｒは、溶接金属の強度を向上するが、ワイヤ自体が高強度となり、ワイヤ製造の伸線加工時にダイス磨耗や断線が多くなるので製造が困難となる。したがって、ＮｉおよびＣｒの１種または２種の合計は０．１５％以下とする。なお、下限は特に限定しなくても本発明の効果を損なうものではないが、ＮｉおよびＣｒの１種または２種の合計は０．０１％を下限とすることが好ましい。

なお、不可避不純物中のＰおよびＳは、溶接金属の割れ感受性を高め、靭性を低下させる元素であるので、それぞれ０．０２０％以下とすることが好ましい。

また、ＶおよびＮｂは、Ｔｉを添加するときに付随的に含有される成分であり、ＮｉやＣｒと同様に溶接金属の強度を向上するが、ワイヤ自体が高強度となり、ワイヤ製造の伸線加工時にダイス磨耗や断線が多くなるので製造が困難となる。したがって、ＶおよびＮｂはできるだけ少なくすることが好ましく、ＶとＮｂの１種または２種の合計量で０．０５％以下、好ましくは０．０２％以下に制限する。

本発明におけるガスシールドアーク溶接用ワイヤは、Ａｒを主体としてＣＯ₂を５〜２５％混合したＡｒ−ＣＯ₂混合ガスを用いて溶接する。混合ガス中のＣＯ₂が５％未満であると、溶接金属にブローホールが生じる。一方、２５％を超えると、溶滴が大粒化してアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。また、スラグ生成量が多くなり作業能率が悪くなる。

原料鋼を溶解し、鍛造、５．５ｍｍ径まで圧延、３．０ｍｍまで一次伸線し、７００℃で焼鈍、酸洗そして銅めっきした後、１．２ｍｍ径まで仕上げ伸線して２０ｋｇ巻きのスプール巻ワイヤとした。表１に試作した各種ワイヤの化学成分を示す。なお、表１に記載の化学成分以外は、Ｆｅおよび不可避不純物である。

表１に示す各種成分の試作ワイヤは、ワイヤ表面に銅めっきを施した後、各３０００ｋｇ仕上げ伸線して断線の回数を調査した。

溶接試験は、表２に示す溶接条件で、ＪＩＳ Ｇ３１２８ ＳＨＹ６８５に規定される鋼板を用いてＪＩＳ Ｚ３３１２に準拠して溶着金属試験を行った。

溶接作業性は、溶着金属試験の多層盛溶接時にアークの安定性、スラグ生成量および割れの有無を調べた。スラグ生成量は目視で行い最終層までスラグを除去せずに溶接できたものを少ないとした。

スパッタ発生量は、溶着金属試験とは別に銅製の補修箱を用いて、ビードオンプレート溶接により表２の溶接条件で３回（１回の溶接時間１．５ｍｉｎ）して捕集した。スパッタ発生量は１ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。

溶接金属の評価は、引張強さが６９０〜８３０Ｎ／ｍｍ²を合格とし、靭性は−２０℃で各５本衝撃試験を行い、吸収エネルギーの最小値が７０Ｊ以上を合格とした。それらの結果を表３にまとめて示す。

表１および表３中、ワイヤＮｏ．１〜８が本発明例、ワイヤＮｏ．９〜２２は比較例である。

本発明例であるワイヤＮｏ．１〜８は、ワイヤ成分が適正であるので、伸線時に断線がなく生産性が良好で、アークが安定してスパッタの発生量およびスラグ生成量が少なく、割れも生じず、溶接金属の強度および吸収エネルギーともに良好な値が得られるなど、極めて満足な結果であった。

比較例中、ワイヤＮｏ．９は、Cが低いので、溶接金属の強度および吸収エネルギーが低値であった。また、Bが高いので、クレータに割れが生じた。

ワイヤＮｏ．１０は、Cが高いので、クレータに割れが生じた。また、Bが低いので、吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤＮｏ．１１は、Ｓｉが低いので、溶接金属の強度および吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌが低いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．１２は、Ｓｉが高いので、伸線時に断線が生じ、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。また、Ａｌが高いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．１３はＭｎが低いので、ワイヤＮｏ．１５はＳｉ＋Ｍｎが低いので、いずれも溶接金属の強度および吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１４はＭｎが高いので、ワイヤＮｏ．１８はＭｏが高いので、ワイヤＮｏ．２０はＣｕが高いので、いずれも伸線時に断線が生じ、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーは低値であった。

ワイヤＮｏ．１６は、Ｓｉ＋Ｍｎが高いので、伸線時に断線が生じ、溶接時にスラグ生成量も多かった。また、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーは低値であった。

ワイヤＮｏ．１７は、Ｍｏが低いので、溶接金属の強度が低かった。また、Ｔｉが多いので、スパッタ発生量およびスラグ生成量が多かった。

ワイヤＮｏ．１９は、Ｃｕが低いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多かった。また、溶接金属の強度が低かった。

ワイヤＮｏ．２１は、ＮｉとＣｒの合計が高いので、伸線時に断線が生じた。また、Ｔｉが低いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量がやや多く、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。

ワイヤＮｏ．２２は、Ｎが高いので、吸収エネルギーの最低値が低かった。

以上具体例に基づいて説明したように、本発明の要件を満たすＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、伸線性が良好で、多層盛溶接で溶接金属の６９０Ｎ／ｍｍ²級以上の強度および安定した低温靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量およびスラグ生成量が極めて少ないなどの良好な溶接作業性が得られることがわかる。

Claims (3)

1. ＣＯ₂を５〜２５％含むＡｒガスを用いて６９０Ｎ／ｍｍ²以上の高張力鋼を溶接するＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、
   Ｃ ：０．０２〜０．０８％、
   Ｓｉ：０．６５〜１．1０％、
   Ｍｎ：１．８０〜２．２０％、
   ただし、Ｓｉ＋Ｍｎ：２．５５〜３．１５％、
   Ｍｏ：０．１０〜０．３０％、
   Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、
   Ｔｉ：０．０５〜０．１６％、
   Ｂ ：０．００１０〜０．００６０％、
   Ａｌ：０．００５〜０．０２％を含有し、
   Ｎ ：０．００６０％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とするＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
2. さらに、質量％で、ＮｉおよびＣｒの１種または２種を合計で０．１５％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
3. さらに、質量％で、ＶおよびＮｂの１種または２種を合計で０．０５％以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。