JP2020192594A - フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤ送給制御を伴う溶接方法において、溶接時に発生するスパッタを低減でき、溶接金属の耐食性にも優れたフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを提供する。【課題手段】Ｃ：０．００５〜０．０４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００１０〜０．０３００％、Ｃｒ：１３．０〜２４．０％、Ｎｂ：０．２０〜１．５０％、Ａｌ：０．００１〜０．０３０％、Ｏ：０．００１〜０．０３０％、Ｎ：０．００３〜０．０４０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下であるフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを採用する。【選択図】なし
Description
本発明は、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関し、特に、ワイヤ送給制御溶接法に適用可能なフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関する。
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であるとともに、熱膨張係数が小さく熱歪を抑制できる。そのため、エキゾーストマニホールドなどの自動車排気系部品をはじめとした様々な製品に幅広く適用されている。フェライト系ステンレス鋼板から自動車排気系部品を製造する際には、ガスメタルアーク溶接が適用されることが多い。
ガスメタルアーク溶接においては、スパッタの発生が問題となりやすい。製品の外面側に付着したスパッタは外観を著しく損ねる。また、部品の内面側に付着したスパッタは剥離して各種制御機器の内部に混入し、作動不良を引き起こす恐れがある。スパッタ除去を行うことは作業性を著しく損ねるとともに、コストの増大につながる。このため、スパッタ発生量の低減が強く望まれている。
ガスメタルアーク溶接において発生するスパッタを低減できる溶接ワイヤとして、特許文献１には、Ｃａ含有量を規制して溶接アークを安定化させた溶接ワイヤが記載されている。また、特許文献２には、（Ｓ＋５Ａｌ＋５Ｏ＋Ｃａ＋１０Ｍｇ）を制御した溶接ワイヤが記載されている。更に、特許文献３には、（Ｓｉ＋Ｔｉ）／Ｎｂ≧１．０に制御して溶湯の粘度を高めることで溶融池を安定化させた溶接ワイヤが記載されている。これらの技術は、溶接ワイヤの成分設計の観点のみからスパッタ低減を試みたものであり、溶接プロセスの影響については考慮されていない。
スパッタは、溶接ワイヤ先端の溶滴と溶融池とが接触して短絡を生じた際に、断面積の小さい架橋部で電流密度が高くなって急激な温度上昇による突沸が生じることで発生する。近年、この現象を抑制することでスパッタ低減が可能な、ガスメタルアーク溶接プロセス用の制御機器が普及、拡大しつつある。このプロセスは、ワイヤ送給制御溶接法と呼ばれており、溶接電流波形と連携して溶接ワイヤの正送、逆送を周期的に制御することで、短絡期間とアーク発生期間を交互に繰り返すガスメタルアーク溶接法である。このワイヤ送給制御を伴うガスメタルアーク溶接法では、溶接ワイヤ先端の液滴と溶融池との短絡時に電流を低くすることで、架橋部の突沸を防止してスパッタ発生を抑制している。
しかしながら、ワイヤ送給制御溶接法では、溶接ワイヤの特性により十分な効果を発揮できず、スパッタが発生してしまう場合があった。このように、溶接プロセスの影響を考慮せずに、化学組成のみを規定した溶接ワイヤでは、スパッタ発生を防止するには不十分であった。
さらに、自動車排気系部品の溶接金属は、高温かつ過酷な腐食環境下におかれ、スパッタなどを起点とした発銹が生じる場合もある。従って、自動車排気系部品の溶接金属には優れた耐食性が要求されている。溶接金属の耐食性の向上を実現するため、溶接ワイヤにおいても化学成分の最適化が求められている。
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、ワイヤ送給制御を伴う溶接方法において、溶接時に発生するスパッタを低減でき、溶接金属の耐食性にも優れたフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、（１）溶接ワイヤの溶融挙動を制御するために成分を規定すること、（２）溶接ワイヤの正送と逆送を交互に繰り返す溶接プロセスにおいて、溶接ワイヤ送給性などを安定化させるために溶接ワイヤ表層のビッカース硬さを調整すること、が重要であると知見した。本発明は、これらの知見をもとになされたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１） 質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０４０％、
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、
Ｍｎ：０．０５〜１．００％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｃｒ：１３．０〜２４．０％、
Ｎｂ：０．２０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．０３０％、
Ｏ：０．００１〜０．０３０％、
Ｎ：０．００３〜０．０４０％
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（２） 質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１〜４．００％、
Ｃｕ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｃｏ：０．０１〜２．００％、
Ｔａ：０．０１〜１．００％、
Ｖ：０．０５〜１．００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜１．００％、
Ｓｎ：０．０１〜１．００％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（３）前記フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤは、ワイヤの正送及び逆送と、溶接電流の波形とを同期させながら溶接する溶接方法に用いられることを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（４）１ダイスあたりの減面率が１５％以上、焼鈍後のトータルの減面率が９０％以下の伸線工程を施すことにより、長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下にすることを特徴とする前記（１）乃至前記（３）の何れか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの製造方法。
Ｃ：０．００５〜０．０４０％、
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、
Ｍｎ：０．０５〜１．００％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｃｒ：１３．０〜２４．０％、
Ｎｂ：０．２０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．０３０％、
Ｏ：０．００１〜０．０３０％、
Ｎ：０．００３〜０．０４０％
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（２） 質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１〜４．００％、
Ｃｕ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｃｏ：０．０１〜２．００％、
Ｔａ：０．０１〜１．００％、
Ｖ：０．０５〜１．００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜１．００％、
Ｓｎ：０．０１〜１．００％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（３）前記フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤは、ワイヤの正送及び逆送と、溶接電流の波形とを同期させながら溶接する溶接方法に用いられることを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
（４）１ダイスあたりの減面率が１５％以上、焼鈍後のトータルの減面率が９０％以下の伸線工程を施すことにより、長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下にすることを特徴とする前記（１）乃至前記（３）の何れか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの製造方法。
本発明によれば、溶接時に発生するスパッタを低減でき、かつ溶接金属の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを提供できる。
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ（以下、溶接ワイヤという場合がある）は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００１０〜０．０３００％、Ｃｒ：１３．０〜２４．０％、Ｎｂ：０．２〜１．５０％、Ａｌ：０．００１〜０．０３０％、Ｏ：０．００１〜０．０３０％、Ｎ：０．００３〜０．０４０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下の溶接ワイヤである。
本実施形態の溶接ワイヤは、化学組成と表層のビッカース硬さを規定するものである。
また、本実施形態の溶接ワイヤは、ソリッドワイヤである。
また、本実施形態の溶接ワイヤは、ワイヤの正送及び逆送と、溶接電流の波形とを同期させながら溶接する溶接方法に用いられることが好ましい。
本実施形態の溶接ワイヤは、化学組成と表層のビッカース硬さを規定するものである。
また、本実施形態の溶接ワイヤは、ソリッドワイヤである。
また、本実施形態の溶接ワイヤは、ワイヤの正送及び逆送と、溶接電流の波形とを同期させながら溶接する溶接方法に用いられることが好ましい。
まず、本実施形態の溶接ワイヤの化学成分の限定理由について述べる。なお、以下の％は「質量％」を意味する。
Ｃ：０．００５〜０．０４０％
Ｃは、溶接ワイヤのビッカース硬さを確保する上である一定量を含有させる必要があり、下限を０．００５％以上とする。一方、Ｃを多量に含有させると、Ｃｒ系炭化物が析出して鋭敏化を引き起こして溶接金属の耐食性が低下するため、上限を０．０４０％以下とする。Ｃ量は０．００８％以上であってもよく、０．０１０％以上であってもよい。また、Ｃ量は０．０２０％以下であってもよく、０．０１５％以下であってもよい。
Ｃは、溶接ワイヤのビッカース硬さを確保する上である一定量を含有させる必要があり、下限を０．００５％以上とする。一方、Ｃを多量に含有させると、Ｃｒ系炭化物が析出して鋭敏化を引き起こして溶接金属の耐食性が低下するため、上限を０．０４０％以下とする。Ｃ量は０．００８％以上であってもよく、０．０１０％以上であってもよい。また、Ｃ量は０．０２０％以下であってもよく、０．０１５％以下であってもよい。
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸元素であるとともに溶融池の湯流れ性を向上させるため、シールドガスおよび大気巻き込みから混入した酸素、窒素などに起因するブローホール発生を抑制する。したがって、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．５０％を超えるとＳｉＯ２を形成して溶鋼中のＯを固定化して表面張力が低下するため粗大なスパッタが多量に発生してしまう。このため下限を１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下であり、より好ましくは０．５０％以下である。また、Ｓｉ量は０．１０％以上であってもよく、０．２０％以上であってもよい。
Ｓｉは、脱酸元素であるとともに溶融池の湯流れ性を向上させるため、シールドガスおよび大気巻き込みから混入した酸素、窒素などに起因するブローホール発生を抑制する。したがって、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．５０％を超えるとＳｉＯ２を形成して溶鋼中のＯを固定化して表面張力が低下するため粗大なスパッタが多量に発生してしまう。このため下限を１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下であり、より好ましくは０．５０％以下である。また、Ｓｉ量は０．１０％以上であってもよく、０．２０％以上であってもよい。
Ｍｎ：０．０５〜１．００％
Ｍｎは、脱酸元素として作用するが、その含有量が０．０５％未満では十分な効果が期待できない。そのため、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．００％を超えるとＭｎＯを形成して溶鋼中のＯを固定化して表面張力が低下するため粗大なスパッタが多量に発生してしまう。このため、上限を１．００％以下とする。好ましくは０．８０％以下であり、より好ましくは０．５０％以下である。また、Ｍｎ量は０．１０％以上であってもよく、０．２０％以上であってもよい。
Ｍｎは、脱酸元素として作用するが、その含有量が０．０５％未満では十分な効果が期待できない。そのため、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．００％を超えるとＭｎＯを形成して溶鋼中のＯを固定化して表面張力が低下するため粗大なスパッタが多量に発生してしまう。このため、上限を１．００％以下とする。好ましくは０．８０％以下であり、より好ましくは０．５０％以下である。また、Ｍｎ量は０．１０％以上であってもよく、０．２０％以上であってもよい。
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、不可避不純物として一定量が鋼中に含有されるが、その含有量が多くなると溶接部の耐食性が低下することに加えて、溶接割れが生じやすくなる。このため、上限を０．０４％以下とする。好ましくは０．０３％以下である。Ｐ量は少ないほど好ましいが、精錬コストが増大する場合があるため、０．００５％以上であってもよく、０．０１％以上であってもよい。
Ｐは、不可避不純物として一定量が鋼中に含有されるが、その含有量が多くなると溶接部の耐食性が低下することに加えて、溶接割れが生じやすくなる。このため、上限を０．０４％以下とする。好ましくは０．０３％以下である。Ｐ量は少ないほど好ましいが、精錬コストが増大する場合があるため、０．００５％以上であってもよく、０．０１％以上であってもよい。
Ｓ：０．００１０〜０．０３００％
Ｓは、溶接ワイヤの溶融挙動を制御する上で重要な元素であり、溶鋼の表面張力を低下させてスパッタを微細化させる作用がある。この効果は０．００１０％未満では十分に得られないため、下限を０．００１０％以上とする。一方、その含有量が０．０３００％を超えると耐食性が著しく低下する。このため、上限を０．０３００％以下とする。好ましくは０．０２００％以下であり、さらに好ましくは０．０１５０％以下である。また、Ｓ量は０．００２０％以上であってもよく、０．００５０％以上であってもよい。
Ｓは、溶接ワイヤの溶融挙動を制御する上で重要な元素であり、溶鋼の表面張力を低下させてスパッタを微細化させる作用がある。この効果は０．００１０％未満では十分に得られないため、下限を０．００１０％以上とする。一方、その含有量が０．０３００％を超えると耐食性が著しく低下する。このため、上限を０．０３００％以下とする。好ましくは０．０２００％以下であり、さらに好ましくは０．０１５０％以下である。また、Ｓ量は０．００２０％以上であってもよく、０．００５０％以上であってもよい。
Ｃｒ：１３．０〜２４．０％
Ｃｒは、溶接金属の耐食性を確保する上で必須の元素であり、そのため下限を１３．０％以上とする。ただし、過剰に含有してもその効果は飽和してしまうため、上限を２４．０％以下とする。Ｃｒ量は１４．０％以上であってもよく、１５．０％以上であってもよい。また、Ｃｒ量は２２．０％以下であってもよく、２０．０％以下であってもよい。
Ｃｒは、溶接金属の耐食性を確保する上で必須の元素であり、そのため下限を１３．０％以上とする。ただし、過剰に含有してもその効果は飽和してしまうため、上限を２４．０％以下とする。Ｃｒ量は１４．０％以上であってもよく、１５．０％以上であってもよい。また、Ｃｒ量は２２．０％以下であってもよく、２０．０％以下であってもよい。
Ｎｂ：０．２０〜１．５０％
Ｎｂは、炭窒化物を形成してＣ、Ｎを固定化し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することで溶接部の耐食性を向上させるが、０．２０％未満では十分な効果が得られない。このため、下限は０．２０％以上とする。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和してしまうため、上限を１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下、より好ましくは０．８０％以下である。また、Ｎｂ量は０．４０％以上であってもよく、０．６０％以上であってもよい。
Ｎｂは、炭窒化物を形成してＣ、Ｎを固定化し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することで溶接部の耐食性を向上させるが、０．２０％未満では十分な効果が得られない。このため、下限は０．２０％以上とする。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和してしまうため、上限を１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下、より好ましくは０．８０％以下である。また、Ｎｂ量は０．４０％以上であってもよく、０．６０％以上であってもよい。
Ａｌ：０．００１〜０．０３０％
Ａｌは、脱酸元素として作用し、その効果を得るためには０．００１％以上含有させる必要がある。そこで、下限を０．００１％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接部の延性、靭性が低下するとともに、スパッタが発生しやすくなるため、上限を０．０３０％以下とする。好ましくは０．０１０％以下である。また、Ａｌ量は０．００２％以上であってもよく、０．００４％以上であってもよい。
Ａｌは、脱酸元素として作用し、その効果を得るためには０．００１％以上含有させる必要がある。そこで、下限を０．００１％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接部の延性、靭性が低下するとともに、スパッタが発生しやすくなるため、上限を０．０３０％以下とする。好ましくは０．０１０％以下である。また、Ａｌ量は０．００２％以上であってもよく、０．００４％以上であってもよい。
Ｏ：０．００１〜０．０３０％
Ｏは、Ｓと同様に溶鋼の表面張力を低下させてスパッタを微細化させる作用がある。このため、その含有量を０．００１％以上とする必要がある。一方、過剰に含有させると溶接ワイヤ中の硬質な酸化物の個数が増加してコンタクトチップ摩耗の原因となりスパッタ性が低下するため、上限を０．０３０％以下とする。好ましくは０．０１０％以下であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。また、Ｏ量は０．００２％以上であってもよく、０．００３％以上であってもよい。
Ｏは、Ｓと同様に溶鋼の表面張力を低下させてスパッタを微細化させる作用がある。このため、その含有量を０．００１％以上とする必要がある。一方、過剰に含有させると溶接ワイヤ中の硬質な酸化物の個数が増加してコンタクトチップ摩耗の原因となりスパッタ性が低下するため、上限を０．０３０％以下とする。好ましくは０．０１０％以下であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。また、Ｏ量は０．００２％以上であってもよく、０．００３％以上であってもよい。
Ｎ：０．００３〜０．０４０％
Ｎは、Ｃと同様に溶接ワイヤのビッカース硬さを確保する上であり、一定量を含有させる必要があることから、下限を０．００３％以上とする。一方、多量に含有させると、Ｃｒ系窒化物が析出して鋭敏化を引き起こし、溶接金属の耐食性が低下するため、上限を０．０４０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０２０％以下である。また、Ｎ量は０．００８％以上であってもよく、０．０１０％以上であってもよい。
Ｎは、Ｃと同様に溶接ワイヤのビッカース硬さを確保する上であり、一定量を含有させる必要があることから、下限を０．００３％以上とする。一方、多量に含有させると、Ｃｒ系窒化物が析出して鋭敏化を引き起こし、溶接金属の耐食性が低下するため、上限を０．０４０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０２０％以下である。また、Ｎ量は０．００８％以上であってもよく、０．０１０％以上であってもよい。
また、本実施形態の溶接ワイヤは、Ｎｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜４．００％、Ｃｕ：０．０５〜２．００％、Ｔｉ：０．０１〜１．００％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｃａ：０．０００１〜０．００３０％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００３０％、Ｃｏ：０．０１〜２．００％、Ｔａ：０．０１〜１．００％、Ｖ：０．０５〜１．００％、Ｗ：０．０５〜１．００％、Ｚｒ：０．０１〜１．００％、Ｓｎ：０．０１〜１．００％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％の１種または２種以上を含有してもよく、これらの元素を含有しなくてもよい。これらの元素を含有しない場合の下限は０％である。
Ｎｉ：０．０１〜２．００％
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属の延性、靭性を向上させる。このような効果を得るためには０．０１％以上含有させる必要があり、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとマルテンサイト相の生成を促進して溶接金属の耐割れ性が低下するため、上限を２．００％以下とする。
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属の延性、靭性を向上させる。このような効果を得るためには０．０１％以上含有させる必要があり、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとマルテンサイト相の生成を促進して溶接金属の耐割れ性が低下するため、上限を２．００％以下とする。
Ｍｏ：０．０１〜４．００％
Ｍｏは、耐食性、高温強度を高める元素であり、このような効果を発揮させるために下限を０．０１％以上とする。一方、Ｍｏを過剰に含有させるとコスト上昇となるため、上限を４．００％以下とする。好ましくは２．００％以下である。
Ｍｏは、耐食性、高温強度を高める元素であり、このような効果を発揮させるために下限を０．０１％以上とする。一方、Ｍｏを過剰に含有させるとコスト上昇となるため、上限を４．００％以下とする。好ましくは２．００％以下である。
Ｃｕ：０．０５〜２．００％
Ｃｕは、溶接部の強度、耐食性を高めるために有効な元素であり、このような効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｕが２．００％を超えて含有させると、溶接部の延性、靭性が著しく低下する。このため、上限を２．００％以下とする。好ましくは１．００％以下、より好ましくは０．５０％以下である。また、溶接ワイヤの表面にＣｕめっきを施す様態で上記範囲となるように含有させてもよい。
Ｃｕは、溶接部の強度、耐食性を高めるために有効な元素であり、このような効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｕが２．００％を超えて含有させると、溶接部の延性、靭性が著しく低下する。このため、上限を２．００％以下とする。好ましくは１．００％以下、より好ましくは０．５０％以下である。また、溶接ワイヤの表面にＣｕめっきを施す様態で上記範囲となるように含有させてもよい。
Ｔｉ：０．０１〜１．００％
Ｔｉは、Ｎｂと同様に炭窒化物を形成してＣ、Ｎを固定化し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することで溶接部の耐食性を向上させる。このような効果を得るため下限は０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとＴｉ炭窒化物の個数が増加して溶接部の延性、靭性が損なわれるため、上限を１．００％以下とする。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に炭窒化物を形成してＣ、Ｎを固定化し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することで溶接部の耐食性を向上させる。このような効果を得るため下限は０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとＴｉ炭窒化物の個数が増加して溶接部の延性、靭性が損なわれるため、上限を１．００％以下とする。
Ｂ：０．０００１〜０．００４０％
Ｂは、溶接金属の結晶粒を微細化して靭性を向上させる。このような効果を得るため、下限は０．０００１％以上とする。一方、過剰に含有させても上記の効果は飽和してしまうため、上限を０００４０％以下とする。好ましくは０．００３０％以下、さらに好ましくは０．００２０％以下である。
Ｂは、溶接金属の結晶粒を微細化して靭性を向上させる。このような効果を得るため、下限は０．０００１％以上とする。一方、過剰に含有させても上記の効果は飽和してしまうため、上限を０００４０％以下とする。好ましくは０．００３０％以下、さらに好ましくは０．００２０％以下である。
Ｃａ：０．０００１〜０．００３０％
Ｃａは、脱酸元素として作用するが、０．０００１％未満ではその効果は少ない。このため、下限を０．０００１％以上とする。一方、０．００３０％を超えて含有させると著しくスパッタ発生量が増大するため、上限を０．００３０％以下とする。好ましくは０．００２０％以下であり、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｃａは、脱酸元素として作用するが、０．０００１％未満ではその効果は少ない。このため、下限を０．０００１％以上とする。一方、０．００３０％を超えて含有させると著しくスパッタ発生量が増大するため、上限を０．００３０％以下とする。好ましくは０．００２０％以下であり、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｍｇ：０．０００１〜０．００３０％
Ｍｇは、脱酸元素として作用するが、０．０００１％未満ではその効果は少ない。このため、下限を０．０００１％以上とする。一方、０．００３０％を超えて含有させると著しくスパッタ発生量が増大するため、上限を０．００３０％以下とする。好ましくは０．００２０％以下であり、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｍｇは、脱酸元素として作用するが、０．０００１％未満ではその効果は少ない。このため、下限を０．０００１％以上とする。一方、０．００３０％を超えて含有させると著しくスパッタ発生量が増大するため、上限を０．００３０％以下とする。好ましくは０．００２０％以下であり、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｃｏ：０．０１〜２．００％
Ｃｏは、溶接金属の高温強度や耐酸化性を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとコストの上昇を招くため上限を２．００％以下とする。
Ｃｏは、溶接金属の高温強度や耐酸化性を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させるとコストの上昇を招くため上限を２．００％以下とする。
Ｔａ：０．０１〜１．００％
Ｔａは、Ｎｂと同じく周期律表のＶａ族元素であり、Ｎｂに類似の性質を有する。すなわち、Ｃ、Ｎと結合して安定化させ、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することにより、耐食性を高める元素である。ただし、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和するとともに、溶接金属の延性が大きく低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｔａは、Ｎｂと同じく周期律表のＶａ族元素であり、Ｎｂに類似の性質を有する。すなわち、Ｃ、Ｎと結合して安定化させ、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制することにより、耐食性を高める元素である。ただし、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和するとともに、溶接金属の延性が大きく低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｖ：０．０５〜１．００％
Ｖは、Ｃ、Ｎと結合してＶ炭窒化物を形成し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制して耐食性を向上させるが、０．０５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０５％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接金属の延性が低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｖは、Ｃ、Ｎと結合してＶ炭窒化物を形成し、Ｃｒ炭窒化物の析出を抑制して耐食性を向上させるが、０．０５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０５％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接金属の延性が低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｗ：０．０５〜１．００％
Ｗは、耐食性および高温強度を高める元素であるが、０．０５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．００％を超えると溶接金属の延性が大きく低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｗは、耐食性および高温強度を高める元素であるが、０．０５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０５％以上とする。一方、その含有量が１．００％を超えると溶接金属の延性が大きく低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｚｒ：０．０１〜１．００％
Ｚｒは、溶接金属の結晶粒を微細化させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、１．００％を超えて含有させてもその効果は飽和してしまいコストの上昇も招くため、上限を１．００％以下とする。
Ｚｒは、溶接金属の結晶粒を微細化させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、１．００％を超えて含有させてもその効果は飽和してしまいコストの上昇も招くため、上限を１．００％以下とする。
Ｓｎ：０．０１〜１．００％
Ｓｎは、耐食性を高めるのに有効な元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させると熱間加工性が著しく低下するため、上限を１．００％以下とする。
Ｓｎは、耐食性を高めるのに有効な元素であるが、０．０１％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０１％以上とする。一方、過剰に含有させると熱間加工性が著しく低下するため、上限を１．００％以下とする。
ＲＥＭ：０．０００５％〜０．０５００％
ＲＥＭ（希土類元素）は、熱間加工性を向上させる元素であるが、０．０００５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０００５％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接金属の靭性が低下するため、上限は０．０５００％以下であり、好ましくは０．０３００％以下である。なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭ含有量とはＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的にミッシュメタルに含有されるため、ミッシュメタルの形で添加してＲＥＭの含有量が上記の範囲になるように含有させてもよい。
ＲＥＭ（希土類元素）は、熱間加工性を向上させる元素であるが、０．０００５％未満ではその効果は少ないため、下限を０．０００５％以上とする。一方、過剰に含有させると溶接金属の靭性が低下するため、上限は０．０５００％以下であり、好ましくは０．０３００％以下である。なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭ含有量とはＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的にミッシュメタルに含有されるため、ミッシュメタルの形で添加してＲＥＭの含有量が上記の範囲になるように含有させてもよい。
上記で説明した以外の各元素についても、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることができる。その化学成分について本発明では特に規定するものではないが、一般的な不純物元素であるＺｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｇａ等は可能な限り低減することが好ましい。これらの元素は、本発明の課題を解決する限度の範囲にて制御され、必要に応じてＺｎ≦０．０１％、Ｂｉ≦０．０１％、Ｐｂ≦０．０１％、Ｓｅ≦０．０１％、Ｓｂ≦０．０５％、Ｇａ≦０．０５％の１種以上を含有させてもよい。
また、溶接ワイヤ表面を軟質化させてコンタクトチップの摩耗を軽減するとともに、送給性、給電性を高めてスパッタを低減させるため、必要に応じてＣｕめっきを施してもよい。この場合のＣｕめっきのＣｕ量は、上記のＣｕの含有量の範囲に含まれる。
次に、本実施形態の溶接ワイヤにおけるビッカース硬さの限定理由について述べる。本発明者らは、ワイヤ送給制御溶接法において、スパッタ性が溶接ワイヤ表層のビッカース硬さと相関があることを知見した。溶接ワイヤ表層のビッカース硬さが４００ＨＶより大きい場合、溶接トーチ内のコンタクトチップに対して溶接ワイヤが正送及び逆送を繰り返した場合に、コンタクトチップと溶接ワイヤとが接触してコンタクトチップの摩耗が激しくなり、溶接ワイヤに対する給電性や送給性が低下する。これにより、比較的大きなスパッタが生じやすくなり、スパッタ性が不良となる。以上の理由から、溶接ワイヤ表層のビッカース硬さを４００ＨＶ以下に限定する。
溶接ワイヤの表層のビッカース硬さは、溶接ワイヤを長手方向と交差する方向の断面を露出させ、断面を鏡面研磨した後、溶接ワイヤの表面から０．２ｍｍの深さ位置において測定したビッカース硬さとする。測定荷重は荷重５００ｇｆとする。
次に、本実施形態の溶接ワイヤの製造方法の限定理由について述べる。
溶接ワイヤの表層のビッカース硬さを制御するための製造工程を検討した結果、次の工程を実施することが有効であると確認した。すなわち、本実施形態の溶接ワイヤの製造方法では、熱間線材圧延して得られた熱間圧延線材に対して冷間線材圧延及び最終焼鈍を行う。冷間線材圧延は、複数のダイスに線材を順次通過させることによって伸線加工を行う。そして、冷間線材圧延における１ダイスあたりの減面率を高めることが有効である。伸線加工における１ダイスあたりの減面率が小さい場合、表層にのみひずみが蓄積されて加工硬化してしまう。さらに、最終焼鈍後のトータルの減面率が大きくなった場合にも表層のビッカース硬さが増大してしまうので、最終焼鈍後のトータルの減面率の上限を設けることが有効である。
溶接ワイヤの表層のビッカース硬さを制御するための製造工程を検討した結果、次の工程を実施することが有効であると確認した。すなわち、本実施形態の溶接ワイヤの製造方法では、熱間線材圧延して得られた熱間圧延線材に対して冷間線材圧延及び最終焼鈍を行う。冷間線材圧延は、複数のダイスに線材を順次通過させることによって伸線加工を行う。そして、冷間線材圧延における１ダイスあたりの減面率を高めることが有効である。伸線加工における１ダイスあたりの減面率が小さい場合、表層にのみひずみが蓄積されて加工硬化してしまう。さらに、最終焼鈍後のトータルの減面率が大きくなった場合にも表層のビッカース硬さが増大してしまうので、最終焼鈍後のトータルの減面率の上限を設けることが有効である。
そこで、本実施形態では、１ダイスあたりの減面率を１５％以上とし、最終焼鈍後のトータルの減面率を９０％以下とする。
１ダイスあたりの減面率は、1つのダイスを通過する前後における線材の断面積の減面率である。また、最終焼鈍後のトータルの減面率は、伸線加工開始直前の線材の断面積に対する、最終焼鈍後の線材の断面積の割合である。
また、本実施形態の溶接ワイヤの製造方法では、伸線加工の途中で、適宜、中間焼鈍を行ってもよい。また、最終焼鈍の焼鈍条件は、例えば、８００℃〜１１００℃において１分から５時間の条件で行うとよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、溶接電流波形と連携して溶接ワイヤの正送、逆送を周期的に制御することで短絡期間とアーク期間を交互に繰り返すガスメタルアーク溶接法において、溶接時に発生するスパッタを低減でき、溶接金属の耐食性も向上できる。
表１に、発明例及び比較例の溶接ワイヤの化学組成を示す。また、表２に、製造方法、表層のビッカース硬さを示す。これらの溶接ワイヤの製造方法は次の通りであった。まず、５０ｋｇ真空溶解炉にて溶解した鋼を鋼塊とし、鋼塊をφ５．５ｍｍまで熱間線材圧延した。その後、冷間線材圧延および焼鈍（１０５０℃）を施すことにより、φ１．２ｍｍのソリッドワイヤとした。冷間線材圧延では、複数のダイスに対して順次線材を通過させることにより伸線加工を行った。また、最終焼鈍の条件は、８００℃〜１１００℃の焼鈍温度で１分〜５時間の焼鈍時間とした。更に、適宜、中間焼鈍を行った。表１には、冷間線材圧延における１ダイスあたりの減面率として、複数のダイスにおける減面率のうち、最小の減面率を記載した。
溶接ワイヤ表層のビッカース硬さは、溶接ワイヤ断面を鏡面研磨した後、表層から０．２ｍｍの位置において荷重５００ｇｆで測定した。
また、板厚１．９ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板（ＳＵＳ４４４）を母材とし、表１の溶接ワイヤを用いて、水平重ね隅肉ＭＩＧ溶接を実施した。溶接は、重ねた２枚の鋼板間に、約１．０ｍｍのギャップを設けた状態で溶接を行った。このようにして、試験片となる溶接継手を製造した。
溶接条件は次の通りであった。すなわち、ビード長さは３０ｃｍとした。また、フローニアス社製のCold Metal Transfer（CMT）溶接電源を用いたワイヤ送給制御溶接法においてCMT鉄モードを選択し、ワイヤの正送及び逆送と溶接電流の波形とを同期させながら溶接した。溶接条件は、溶接電流：１７０Ａ、溶接電圧：１２Ｖ、溶接速度：８０ｃｍ／ｍｉｎ、シールドガス：９８％Ａｒ＋２％Ｏ２、シールドガス流量：１５Ｌ／ｍｉｎ、トーチ角度：４５°の溶接条件とした。
スパッタ性の評価は、上記のように重ねた２枚の鋼板間に約１．０ｍｍのギャップを設けて溶接を行った後、試験片の裏面側に設置した受け板に付着したスパッタ個数と、試験片裏面に付着したスパッタ個数とを目視でカウントすることで実施した。直径０．３ｍｍ以上のスパッタ個数が２個以下の場合に合格とし、３個以上の場合には不合格とした。結果を表２に示す。
耐食性の評価は、鋭敏化を引き起こすＣｒ系炭窒化物の存在を確認するため、母材、溶接金属及び溶接熱影響部を含む溶接部の断面を樹脂に埋め込み鏡面研磨した試料において、ＪＩＳ Ｇ ０５７１のしゅう酸エッチング試験方法を実施した。溝状組織が認められない場合を〇、溝状組織が認められる場合を×として評価した。これらの結果も表２に合わせて記載した。
また、表２の「評価」の欄は、スパッタ性または耐食性のいずれか一方または両方が不合格の場合に「×」とし、両方が合格の場合は「○」とした。
本発明例１〜１０では、いずれの溶接ワイヤでもスパッタ個数が２個以下であり、かつ耐食性にも優れていることが確認され、比較例よりも非常に優れた結果が得られた。
一方、比較例１２、１３、１４、１７はそれぞれＳｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ含有量が本発明の範囲外であるため、スパッタ個数が増加していることが分かる。
また、比較例１１、１５、１６はそれぞれＣ、Ｃｒ、Ｎｂの含有量が本発明の範囲外となっており、十分な耐食性を有していない。
さらに、比較例１８は冷間線材圧延における１ダイスあたりの最小の減面率が１３％であったため、また、比較例１９は焼鈍後のトータルの減面率が９０％を超えたため、更に、比較例２０は冷間線材圧延における１ダイスあたりの最小の減面率が１２％であるとともに焼鈍後のトータルの減面率が９０％を超えたため、いずれも溶接ワイヤ表層のビッカース硬さが４００ＨＶ超となり、スパッタが増大した。以上から、本発明鋼の優位性は明らかである。
以上の実施例から明らかなように、本発明より、ワイヤ送給制御溶接法において、溶接時に発生するスパッタを低減でき、かつ溶接金属の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを提供することができる。このフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを用いた溶接法は、今後産業への普及が見込まれるものであり、開発した溶接ワイヤは産業上きわめて有用である。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０４０％、
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、
Ｍｎ：０．０５〜１．００％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｃｒ：１３．０〜２４．０％、
Ｎｂ：０．２０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．０３０％、
Ｏ：０．００１〜０．０３０％、
Ｎ：０．００３〜０．０４０％
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。 - 質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１〜４．００％、
Ｃｕ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００３０％、
Ｃｏ：０．０１〜２．００％、
Ｔａ：０．０１〜１．００％、
Ｖ：０．０５〜１．００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜１．００％、
Ｓｎ：０．０１〜１．００％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。 - 前記フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤは、ワイヤの正送及び逆送と、溶接電流の波形とを同期させながら溶接する溶接方法に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
- １ダイスあたりの減面率が１５％以上、焼鈍後のトータルの減面率が９０％以下の伸線工程を施すことにより、長手方向と直交する断面における、表層から深さ０．２ｍｍ位置でのビッカース硬さが４００ＨＶ以下にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019101219A JP7370170B2 (ja) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2023223798A1 (ja) * | 2022-05-16 | 2023-11-23 | 株式会社神戸製鋼所 | ガスメタルアーク溶接の制御方法、溶接条件の設定方法、溶接制御装置、溶接電源、溶接システム、プログラム、ガスメタルアーク溶接方法及び付加製造方法 |
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2019
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