JP2015182094A - ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電流溶接においてもアークが安定してスパッタ発生量が少なく、かつ、高入熱溶接においても良好な機械的性質が得られるガスシールドアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｔｉ：０．１〜０．３％を含有し、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下で、その他はＦｅおよび不可避的不純物からなるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤと、鋼板全質量に対する質量％で、Ｃａ：０．００２０％以下の鋼板で、かつ、下記式に示すＡの値が３０以下の組み合わせで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。Ａ＝（鋼板のＣａ＋３×ワイヤのＣａ）×１０⁴・・・式
【選択図】なし

Description

本発明は、溶接用ソリッドワイヤを用いて高電流の溶接条件で溶接した場合においても
アークが安定して極めてスパッタ発生量が少なく、かつ、高入熱で溶接した場合においても良好な機械的性質が得られるガスシールドアーク溶接方法に関するものである。

溶接用ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好なビード形状が得られることから広く適用されている溶接方法である。厚鋼板の溶接においては、一般的にＣＯ₂をシールドガスとした炭酸ガス溶接方法が用いられるが、２５０Ａ以上の高電流領域では溶滴がアーク反力によって持ち上げられるグロビュール移行となり大粒のスパッタが発生する。そのため、高電流領域ではスパッタ発生量の低減およびビード外観の面から、主成分をＡｒガスとし、これにＣＯ₂を混合させたシールドガスを使用したＭＡＧ溶接方法などが適用されているが、シールドガスのコストが増加する。

溶接用ソリッドワイヤを用いた炭酸ガスシールドアーク溶接方法においては、溶接用ソリッドワイヤの成分、特にワイヤの製造時に必然的に含まれるＣａ量が多いとスパッタの発生量が多くなることが知られている。Ｃａを含有したガスシールド溶接用ソリッドワイヤのスパッタ低減技術として、例えば特開２０１１−２３５２９９号公報（特許文献１）にＣａに起因するスパッタの発生をＡｌおよびＮｂの１種または２種を含有させてアークを安定化しスパッタの発生量を減少するという技術が開示されている。しかし、Ａｌを添加すると溶接金属の靭性が著しく劣化し、Ｎｂを添加すると溶接金属の強度を高くするとともに靭性を著しく劣化させるので、厚板の多層盛溶接などには適用できないという問題がある。

また、特開２０１０−２２８００１号公報（特許文献２）には、ワイヤのＣａ量を限定
し、溶接金属の引張強度および耐低温割れ性に優れた高張力鋼用の溶接用ソリッドワイヤが開示されている。しかし、鋼板に含まれるＣａの影響を考慮されていないので、多量のスパッタが発生するという問題がある。

さらに、特開平７−２５６４８４号公報（特許文献３）には、ワイヤのＳｅおよびＣａ量を限定することで溶接時のスパッタ発生量を低減する技術が開示されている。しかし、特許文献３の技術もワイヤのＣａ量のみを規定しており、鋼板のＣａ量は考慮されていない。そのため、Ｃａ量の多い鋼板で溶接を行った場合、多量のスパッタが発生するという課題があった。また、高電流さらに高入熱の溶接施工条件では良好な機械的性質が得られないという問題もある。

特開２０１１−２３５２９９号公報 特開２０１０−２２８００１号公報 特開平７−２５６４８４号公報

本発明は、ガスシールドアーク溶接で溶接用ソリッドワイヤを用いて、高電流の溶接条件で溶接してもアークが安定して極めてスパッタ発生量が少なく、かつ、高入熱の溶接
においても良好な機械的性質が得られる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。

本発明の要旨は、ガスシールドアーク溶接方法において、溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｔｉ：０．１〜０．３％を含有し、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下で、その他はＦｅおよび不可避的不純物からなるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤと、鋼板全質量に対する質量％で、Ｃａ：０．００２０％以下の鋼板で、かつ、下記式に示すＡの値が３０以下の組み合わせで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。
Ａ＝（鋼板のＣａ＋３×ワイヤのＣａ）×１０⁴・・・式
また、溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．００２〜０．０１％を更に含有することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法にある。

本発明のガスシールドアーク溶接方法によれば、溶接用ソリッドワイヤを用いて高電流の溶接条件で溶接してもアークが安定して極めてスパッタ発生量が少なく、かつ、高入熱の溶接においても良好な機械的性質が得られるガスシールドアーク溶接方法が可能となる。

以下、本発明のガスシールドアーク溶接方法について詳細に説明する。
本発明者らは上記の問題点を解決するために、各種成分の異なる溶接用ソリッドワイヤを試作して、Ｃａ量の異なる鋼板を、下向きビードオンプレートにて、表１に示す溶接条件Ａで溶接を行い、溶接用ソリッドワイヤ成分と鋼板成分がアーク状態、スパッタ発生状況および溶滴移行状態へ及ぼす影響について詳細に調査した。

表１は、溶接条件Ａ、Ｂ２種の条件を示すものである。

その結果、高電流のガスシールドアーク溶接時に発生するスパッタの発生形態は、アークにより溶融した金属がアーク反力により押し上げられて移行時に大粒の溶滴となり、溶融金属が飛び跳ねるグロビュール移行領域において、溶接用ソリッドワイヤに含まれるＣａは溶滴の粗大化を引起し、鋼板のＣａはアークの不安定化を引起すことが判明した。これは溶接用ソリッドワイヤのＣａは溶融金属の表面で酸化されＣａ系酸化物になり、アークがＣａ系酸化物に集中してしまうため、一部分のアーク反力が高くなり溶滴の移行を妨げるため溶滴が離脱せず大きく成長する。鋼板のＣａは同様に溶融プール中でＣａ系酸化物となり、アークが溶融プール中で揺動しているＣａ系酸化物を追い求めて揺動するためアークが不安定になる。この溶接用ソリッドワイヤと鋼板の２つのＣａの作用によって、溶滴の粗大化とアークの不安定化が起こり多量のスパッタを発生させる要因であることが判明した。

そこで溶接用ソリッドワイヤのＣａ量と鋼板のＣａ量が及ぼすスパッタ発生への寄与率を考慮し、最適化することで、溶滴の粗大化とアークの不安定化を抑制し、スパッタの発生量が減少することを見出した。また、溶接用ソリッドワイヤのＣ、Ｓｉ、ＣｕおよびＴｉ量を限定することにより高電流の溶接施工条件においてもアークが安定し、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｕ量の限定で溶接金属の強度を調整し、ＭｎおよびＴｉ量を限定することによって溶接金属の靭性を向上できることを見出した。さらに、溶接用ソリッドワイヤのＭｏおよびＢ量を限定することによって、高入熱溶接施工条件においても溶接金属の強度および靭性を確保できることを見出した。

以下、本発明における溶接用ソリッドワイヤ組成および鋼板のＣａとその含有量の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量は、溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％または鋼板全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときは単に％と記載して表すこととする。

［Ｃ：０．０３〜０．１０％］
溶接用ソリッドワイヤのＣは、アークを安定化し溶滴を細粒化する作用がある。また、溶接金属の強度を高める効果がある。Ｃが０．０３％未満では、アークが不安定で、溶滴が大きくなり溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生する。また、溶接金属の強度が低くなる。一方、Ｃが０．１０％を超えると、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化すると共に溶接時のヒューム量が増加し作業性が劣化する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＣは０．０３〜０．１０％とする。

［Ｓｉ：０．５〜１．０％］
溶接用ソリッドワイヤのＳｉは、溶接金属の主要な脱酸剤として不可欠であると共に、ワイヤの電気抵抗を増大させ、アークを安定にする効果がある。また、溶接金属の強度を高めるための主要な元素である。しかし、Ｓｉが０．５％未満では、前記効果が得られず、アークが不安定になりアーク切れが発生する。また、溶接金属の強度が低くなる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶融金属の表面張力が過度に上昇するため溶融金属がワイヤ先端から離脱し難く、溶滴が大きくなりスパッタが発生する。また、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＳｉは０．５〜１．０％とする。

［Ｍｎ：１．０〜３．０％］
溶接用ソリッドワイヤのＭｎは、脱酸剤として作用する他、溶融金属の表面張力を低下させる効果があり、溶滴の離脱を促進してスパッタの発生量を減少させる効果がある。また、ＦｅＳなどの低融点化合物が生成される前にＭｎＳとしてＳを固定することで高温割れ防止の効果がある。Ｍｎが１．０％未満では、その効果が得られず、溶融金属の表面張力が高くなり、ワイヤから溶滴が離脱し難くスパッタ発生量が多くなる。また、高温割れが生じやすくなる。一方、Ｍｎが３．０を超えると、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＭｎは１．０〜３．０％とする。

［Ｃｕ：０．１〜０．５％］
溶接用ソリッドワイヤのＣｕは、固溶強化により溶接金属の強度を向上する効果がある。また、ワイヤ表面のＣｕめっきにより溶接時の通電性およびワイヤ送給性が向上してアークが安定する。Ｃｕが０．１％未満では、アークが不安定になりスパッタが発生する。また、溶接金属の強度が低下する。一方、Ｃｕが０．５％を超えると、溶接金属中で偏析して高温割れが発生しやすくなる。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＣｕは０．１〜０．５％とする。なお、Ｃｕはワイヤ表面の銅めっき分も含む。

［Ｔｉ：０．１〜０．３％］
溶接用ソリッドワイヤのＴｉは強脱酸剤として作用し、高電流溶接時のアークを安定化する作用があるほか、溶接金属にＴｉＮ、ＴｉＣなどの析出物を形成し、アシュキュラーフェライトの生成核となることで靭性を向上する。Ｔｉが０．１％未満では、アークが不安定で、溶接金属の靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．３を超えると、スラグが増加して溶接後のスラグ除去が容易でなく作業能率を阻害する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＴｉは０．１〜０．３％とする。

［Ｃａ：０．０００５％以下］
溶接用ソリッドワイヤのＣａは、溶滴表面でＣａ系酸化物となり、アーク反力を高め溶滴の移行を妨げて溶滴を粗大化しスパッタの発生を増加させる。そのため、溶接用ソリッドワイヤのＣａは０．０００５％以下とする。

［Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下］
溶接用ソリッドワイヤのＰおよびＳは、溶接金属の耐割れ性が劣化する。したがって、ＰおよびＳともに０．０２０％以下とする。

［鋼板のＣａ：０．００２０％以下］
鋼板のＣａが０．００２０％を超えると、溶融プール表面のＣａ系酸化物が多くなり、アークが揺動して不安定になりスパッタ発生量を増加させる。したがって、鋼板のＣａは０．００２０％以下とする。

［Ａの値：３０以下］
Ｃａ系酸化物の生成による溶滴の粗大化とアークの不安定化を防止するため、溶接用ソリッドワイヤのＣａと鋼板のＣａの寄与率を算出し、スパッタ発生が抑制できる割合として下記Ａ式を得た。下記式で示すＡの値が３０以下になるように溶接用ソリッドワイヤと鋼板のＣａ成分を調整すると、スパッタ発生への影響が抑制され、良好な溶接が可能となる。Ａの値が３０を超えると、スパッタが多量に発生する。したがって、Ａの値は３０以下とする。Ａ＝（鋼板のＣａ＋３×ワイヤのＣａ）×１０⁴・・・式

［Ｍｏ：０．１〜０．３％］
溶接用ソリッドワイヤのＭｏは、組織を微細化して大入熱の溶接施工条件においても溶接金属の強度と靭性を確保する元素である。Ｍｏが０．１％未満では、これらの効果が得られず強度と靭性が劣化する。一方、Ｍｏが０．３を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＭｏは０．１〜０．３％とする。

［Ｂ：０．００２〜０．０１％］
溶接用ソリッドワイヤのＢは、溶接金属の靭性低下の要因となる粗大な粒界フェライトの生成を抑止し、大入熱の溶接施工条件においても靭性を向上する効果がある。Ｂが０．００２％未満では、靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１％を超えると、低融点のＢが偏析して高温割れが発生する。また、溶接金属の靭性が低下する。したがって、溶接用ソリッドワイヤのＢは０．００２〜０．０１％とする。

（実施例１）
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
表２に示す各種成分の溶接用ソリッドワイヤを試作して、ＪＩＳ Ｇ３１０６に規定されるＣａ含有量の異なるＳＭ４９０Ａ、板厚９ｍｍ、長さ４５０ｍｍの鋼板と各種組み合わせて、下向きのビードオンプレートにて表１に示す溶接条件Ａ（高電流）で溶接した。また、機械的性能は、板厚２０ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板（Ｃａ：０．００１０％）を用い表１に示す溶接条件Ａで多層盛溶接した。なお、試作した溶接用ソリッドワイヤはワイヤ表面に銅めっきを施し、ワイヤ径は１．２ｍｍとした。

表２は、溶接用ソリッドワイヤ成分を示すもので、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は本発明例で
あり、Ｗ９〜Ｗ１７は比較例である。

各試作溶接用ソリッドワイヤと各種鋼板との組み合わせの評価は、アークの安定性スパッタ発生量を調査した。スパッタ発生量の測定は、銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接で５回溶接し、１分間当たりのスパッタ発生量を算出した。スパッタ発生量は１．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。また、各ワイヤの溶接金属の強度および靭性はＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠して多層盛溶接し、引張強さ４９０〜６５０ＭＰａを良好とした、靭性は０℃のシャルピー吸収エネルギー値が４７Ｊ以上のものを良好とした。それらの結果を表３にまとめて示す。

表３は、溶接試験結果を示す。ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は本発明例であり、Ｗ９〜Ｗ１７は比較例である。

本発明例であるワイヤＷ１〜Ｗ８は、溶接用ソリッドワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃａの含有量、鋼板のＣａの含有量およびＡの値が適正であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、高温割れ等の溶接欠陥がない溶接部が得られ、溶接金属の引張強さおよび吸収エネルギー共に極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、溶接用ソリッドワイヤのＣが少ないので、アークが不安定で大粒のスパッタの発生量が多かった。また、溶接金属の引張強さが低かった。ワイヤ記号Ｗ１０は、溶接用ソリッドワイヤのＣが多いので、溶接時にヒュームが多く発生し、クレータ部に高温割れが発生した。また、溶接金属の引張強さが高かった。さらに、組み合わせた鋼板Ｃａが多いので、アークが不安定になりスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１１は、溶接用ソリッドワイヤのＳｉが少ないので、アークが不安定になり、溶接金属の引張強さが低かった。ワイヤ記号Ｗ１２は、溶接用ソリッドワイヤのＳｉが多いので、アークがやや不安定で溶滴移行時に大粒のスパッタが発生し、溶接金属の引張強さが高くなり吸収エネルギーが低かった。ワイヤ記号Ｗ１３は、溶接用ソリッドワイヤのＭｎが少ないので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多く、クレータ部に高温割れが発生した。

ワイヤ記号Ｗ１４は、溶接用ソリッドワイヤのＭｎが多いので、溶接金属の引張強さが高くなり吸収エネルギーが低かった。また、Ａの値が高いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多かった。ワイヤ記号Ｗ１５は、溶接用ソリッドワイヤのＣｕが少ないのでアーク不安定になりスパッタ発生量が多かった。また、溶接金属の強度が低下した。

ワイヤ記号Ｗ１６は、溶接用ソリッドワイヤのＣｕが多いので、クレータ部に高温割れが発生した。また、Ｔｉが少ないので、アークが不安定になり、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。ワイヤ記号Ｗ１７は、溶接用ソリッドワイヤのＴｉが多いので、溶接時にスラグ量が増加したのでスラグ剥離作業に時間を要した。また、Ｃａが多いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多かった。

（実施例２）
表４に示す各種成分の溶接用ソリッドワイヤを試作して、ＪＩＳ Ｇ３１０６に規定されるＣａ含有量の異なるＳＭ４９０Ａ、板厚９ｍｍ、長さ４５０ｍｍの鋼板と各種組み合わせて、下向きのビードオンプレートにて表１に示す溶接条件Ｂ（大入熱）で溶接した。また、機械的性能は、板厚２０ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板（Ｃａ：０．００１０％）を用い表１に示す溶接条件Ｂで多層盛溶接した。なお、試作した溶接用ソリッドワイヤはワイヤ表面に銅めっきを施し、ワイヤ径は１．４ｍｍとした。

表４は、表２と同様、溶接用ソリッドワイヤ成分、表５は、表３と同様、溶接試験結果を示すもので、ワイヤ記号Ｗ１８〜Ｗ２１が本発明例、ワイヤ記号Ｗ２２〜Ｗ２５は比較例である。

各試作溶接用ソリッドワイヤと各種鋼板との組み合わせの評価の詳細は、実施例１と同様である。これらの結果を表５にまとめて示す。表４および表５中、本発明例であるワイヤＷ１８〜Ｗ２１は、溶接用ソリッドワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｏ、Ｂの含有量、鋼板のＣａの含有量およびＡの値が適正であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、高温割れ等の溶接欠陥がない溶接部が得られ、溶接金属の引張強さ、吸収エネルギー共に極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ２２は、Ａの値が高いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多かった。また、溶接用ソリッドワイヤのＭｏが少ないので、溶接金属の引張強さおよび吸収エネルギーが低かった。ワイヤ記号Ｗ２３は、溶接用ソリッドワイヤのＭｏが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低かった。

ワイヤ記号Ｗ２４は、組み合わせた鋼板のＣａが多いので、アークが不安定になりスパッタ発生量が多かった。また、溶接用ソリッドワイヤのＢが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。ワイヤ記号Ｗ２５は、溶接用ソリッドワイヤのＣａが多いので、アークがやや不安定でスパッタ発生量が多かった。また、Ｂが多いので、クレータ部に高温割れが生じた。


特許出願人 日鐵住金溶接工業株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (2)

1. ガスシールドアーク溶接方法において、溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｔｉ：０．１〜０．３％を含有し、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下で、その他はＦｅおよび不可避的不純物からなるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤと、鋼板全質量に対する質量％で、Ｃａ：０．００２０％以下の鋼板で、かつ、下記式に示すＡの値が３０以下の組み合わせで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。
   Ａ＝（鋼板のＣａ＋３×ワイヤのＣａ）×１０⁴ ・・・式
   （但し、それぞれの成分は、全質量に対する質量％を示す。）
2. 溶接用ソリッドワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．００２〜０．０１％を更に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方法。