JP2021003732A - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、及び溶接継手の製造方法 - Google Patents
ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、及び溶接継手の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
特許文献3に記載のワイヤも、溶接部の電着塗装性に対する効果が検証されていない。また、特許文献3に記載のワイヤは、橋梁や海洋構造物等において、変動応力が繰り返し作用する個所の耐割れ性を向上させるためのものであり、多量のCを含む。そのため、特許文献3に記載のワイヤは、自動車の足廻り部材などの溶接に適したものではない。
Si×Mn≦0.30・・・(式1)
(Si+Mn/5)/(Ti+Al)≦3.0・・・(式2)
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14・・・(式3)
ただし、式1、式2及び式3における元素記号は、各元素の含有量(質量%)である。(2)上記(1)に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、B:0.0030〜0.0100%であってもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、Mn:1.8〜3.0%であってもよい。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、C:0.06〜0.20%であってもよい。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、Ti:0.12〜0.25%であってもよい。
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、P:0超〜0.011%であってもよい。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、前記ワイヤ全質量に対する質量%で、Si:0.03〜0.18%であってもよい。
(8)上記(1)〜(7)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、前記Ceqが0.50〜0.90%であってもよい。
(9)本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、上記(1)〜(8)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを用いて、母材をガスシールドアーク溶接する工程を含む。
(10)上記(9)に記載の溶接継手の製造方法では、前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスを、5〜30体積%CO2、及び2〜5体積%O2のうちから1種または2種を混合したArガスとしてもよい。
(A)ソリッドワイヤのSi量を極力低下させ、Si系スラグの生成を抑制することで電着塗装性の改善が可能となる。Siの少ない成分系ではMnスラグによる電着塗装性の劣化の程度は小さい。
(B)ソリッドワイヤのTi含有量を適正範囲に制御することにより、溶接ビードの表面に導電性のTi系スラグが生成するため、電着塗装性が向上する。
(C)ソリッドワイヤのCeqを適正範囲に制御することにより、溶接金属の強度を向上させることができる。
(D)ソリッドワイヤのTi含有量とAl含有量を適正範囲に制御することにより、絶縁性のSi,Mn系スラグの生成が抑制されるため、電着塗装性が向上する。
本発明者らは、上述の知見に基づいて、複数枚の薄鋼板をガスシールドアーク溶接により接合するためのガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの適切な成分組成を見出した。本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果により、本発明が目的とする効果が達成されたものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の限定理由を述べる。
また、薄鋼板(thin steel sheet)とは、板厚が0.8mm〜3.6mmの鋼板を意味し、厚鋼板(thick steel plate)とは、板厚が6mm〜30mm程度の鋼板を意味する。なお、板厚が1.2mm〜3.6mmの鋼板を薄鋼板と称する場合もある。
C含有量が0.05%未満では、溶接金属の引張強さを得ることができない場合がある。従って、C含有量は0.05%以上であり、好ましくは0.06%以上である。
一方、C含有量が0.20%を超えれば、溶接金属が硬化することにより耐割れ性が低下する。従って、C含有量は0.20%以下であり、好ましくは0.16%以下、又は0.14%以下である。
通常の溶接ワイヤでは脱酸元素としてSiを積極的に添加している。また、Siでアーク溶接時に溶融池の脱酸を促進することにより溶接金属の引張強さを向上させる。しかしながら、電着塗装性の観点では絶縁性のSi酸化物を極力低減させることが望ましい。このため、Siは0.18%以下、好ましくは0.10%以下、更に好ましくは0.08%以下とした。一方、Siが少なすぎると、溶接金属強度が低下する。具体的には、脱酸元素として作用するSiが不足する場合、フェライトの生成核として機能する酸化介在物が溶接金属中に増加し、軟質なフェライトの生成が過剰に促進される。このため、0.01%以上、望ましくは0.03%以上のSi量が必要となる。
MnもSiと同様に脱酸元素であって、アーク溶接時における溶融池の脱酸を促進すると共に、溶接金属の引張強さを向上させる元素である。従って、Mn含有量は1.0%以上であり、好ましくは1.8%以上である。
一方、Mnが過剰に含有されれば、絶縁性のMn系スラグが溶接ビードの表面に著しく発生するため、電着塗装不良が発生する傾向となるものの、Si系スラグの少ない成分系ではMn系スラグによる塗装性劣化の程度は大きくない。従って、Mn含有量は3.0%以下であり、好ましくは2.4%以下である。
そこで、本実施形態に係るソリッドワイヤでは、下記の式1を満たすようにSi及びMnの含有量が設定される。なお、式1における元素記号は、各元素の含有量(質量%)である。
Si×Mn≦0.30・・・(式1)
鋼部材に対し、ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接を行うと、シールドガス中の酸化性ガスに含まれる酸素が鋼材やワイヤに含まれるSiやMnなどの元素と反応し、Si酸化物やMn酸化物を主体とするSi,Mn系スラグが生成する。その結果、溶融凝固部である溶接ビードの表面にSi,Mn系スラグが多く残存するようになる。
Alは絶縁性のAl系スラグを生成するが、Al含有量が0.003%以上である場合、Tiと同様にSi,Mn系スラグの生成量を減少させることができ、これにより電着塗装性を改善することができる。従って、電着塗装不良を一層確実に防ぐために、Al含有量は0.003%以上であることが必要である。Alは0.005%以上であることが好ましく、0.01%以上であると、さらに好ましい。
(Si+Mn/5)/(Ti+Al)≦3.0・・・(式2)
Pは、一般に鋼中に不純物として混入する元素であって、またアーク溶接用ソリッドワイヤ中にも不純物として含まれるのが通常である。ここでPは、溶接金属の高温割れを発生させる主要元素の一つであるから、できる限り抑制することが望ましい。P含有量が0.015%を越えれば、溶接金属の高温割れが顕著になるから、P含有量は0.015%以下である。なお、Pの下限は、特に制限されないため、P含有量は0%超であるが、脱Pのコスト及び生産性の観点から、0.001%以上であってもよい。
Sも、Pと同様に一般に鋼中に不純物として混入する元素であって、またアーク溶接用ソリッドワイヤ中にも不純物として含まれるのが通常である。従って、S含有量は0%超であればよい。
引張強さ980MPa以上の鋼板の溶接継手強度を確保するためには、溶接金属を高強度化する必要がある。そのためには、ソリッドワイヤの合金成分量を増加させる必要がある。溶接金属の強度特性を示す指標として、下記式3によって算出される炭素当量(Ceq)が知られている。なお、式3における元素記号は、各元素の含有量(質量%)である。
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14・・・(式3)
Sbは、Sと同様に、溶融池の表面張力を増加させることで、溶接池の内向き対流を発生させてスラグを溶接ビードの中央に集めることを可能とする。従って、溶接ビードの止端部にSi,Mn系スラグが残存することを防止することが可能となり、電着塗装性を高めることができる。この効果を得るためには、Sb含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Sb含有量が過剰であると、溶接金属に凝固割れが発生する。従って、Sb含有量は0.10%以下である。
Snは、溶接金属自体の耐食性を向上させる重要な元素である。本実施形態に係るソリッドワイヤは、溶接金属の電着塗装性を向上させることを介して、電着塗装後の溶接金属の耐食性を向上させているので、Snの含有は必須ではないが、溶接金属自体の耐食性を高めることも、機械部品にとって非常に有利である。Snによる耐食性向上効果を得るために、Snを0.05%以上としてもよい。一方、Snが0.4%を超えると、溶接金属の割れ感受性が高くなり、高温割れが発生しやすくなる。また、溶接金属の粒界にSnが偏析して靭性が低下する。したがって、Snは0〜0.4%とする。好ましくは、Snは0.02〜0.40%である。
アーク溶接用ソリッドワイヤには、ワイヤ送給性及び通電性を安定化するために銅めっきが施されることが多い。従って、銅めっきを施した場合、ソリッドワイヤにはある程度の量のCuが含有される。一方、Cuの含有量が過剰となると、溶接割れが発生しやすくなるため、Cu含有量は0.50%以下である。
Crは、溶接部の焼入れ性を高めて引張強さを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接部の伸びが低下する。従って、Cr含有量は1.5%以下である。
Nbは、溶接部の焼入れ性を高めて引張強さを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接部の伸びが低下する。従って、Nb含有量は0.3%以下であり、より好ましくは0.005%以下である。
Vは、溶接部の焼入れ性を高めて引張強さを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接部の伸びが低下する。従って、V含有量は0.3%以下である。
Moは、溶接部の焼入れ性を高めて引張強さを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接部の伸びが低下する。従って、Mo含有量は1.0%以下である。
Niは、溶接部の引張強さと伸びを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接割れが発生しやすくなる。従って、Ni含有量は3.0%以下である。
Bは、溶接部の焼入れ性を高めて引張強さを向上させるために含有させてもよいが、過剰に含有させた場合、溶接部の伸びとが低下する。従って、Bの上限は0.010%以下である。Bは、0.0030%以上含有することが好ましい。
溶着金属の引張試験は、JIS Z 3111に準拠して行った。溶接ワイヤの規格であるJISZ 3112 YGW12に準拠して、引張強さ(TS)の下限が780MPa以上であった場合に引張強さが良好であると判断し、引張試験後の試験片の破断面における脆性破面率が20%以下であった場合に伸びが良好であると判断した。
溶接試験片を脱脂、化成処理した後に、膜厚が20μmとなるように電着塗装を施した。そして、溶接ビードの電着塗装部を写真撮影し、その画像から溶接ビード面積に対する電着塗装不良の面積の比率を測定した。尚、溶接試験片のビード長さは120mmで、溶接開始部と終端部の15mmを除いた90mm長さの溶接ビードから電着塗装の不良率を求めた。電着塗装には灰色の塗料を用いて塗装することで、赤茶色や黒色のスラグが露出する電着塗装不良部を識別した。塗装不良面積が面積率で5%以下の場合に電着塗装率が良好であると判断した。
溶接部の耐低温割れ性も、表4の鋼板を重ね隅肉溶接することによって評価した。低温割れを誘発するために、図1に示される低温割れ評価用の溶接継手1を作製した。ここでは、薄板試験片(図1中の鋼板(上板)14及び鋼板(下板)15)の端部に溶接を施し(図1中の拘束溶接部12)、これにより薄板試験片を板厚20mmの拘束板11に拘束した。この状態で、低温割れ評価用の重ね隅肉溶接を実施して、重ね隅肉溶接部13を形成した。溶接後2日以上経過した後に重ね隅肉溶接部13の断面を観察し、観察用断面作成部16における3断面で割れ発生の有無を調査した。なお、溶接条件および使用した鋼板は電着塗装性の評価と同じである。
11 拘束板
12 拘束溶接部
13 重ね隅肉溶接部
14 鋼板(上板)
15 鋼板(下板)
16 観察用断面作成部
Claims (10)
- 複数枚の薄鋼板をガスシールドアーク溶接により接合するためのガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤであって、
ワイヤ全質量に対する質量%で、
C:0.05〜0.20%、
Si:0.01〜0.18%、
Mn:1.0〜3.0%、
Ti:0.06〜0.25%、
Al:0.003〜0.10%、
B:0〜0.0100%、
P:0超〜0.015%、
S:0超〜0.015%、
Sb:0〜0.10%、
Sn:0〜0.4%、
Cu:0〜0.50%、
Cr:0〜1.5%、
Nb:0〜0.3%、
V:0〜0.3%、
Mo:0〜1.0%、
Ni:0〜3.0%、
であり、残部が鉄および不純物からなり、
Si、Mn、Ti、Alが下記式1及び式2を満たし、
さらに下記式3によって算出されるCeqが0.40〜0.90%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。
Si×Mn≦0.30・・・(式1)
(Si+Mn/5)/(Ti+Al)≦3.0・・・(式2)
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14・・・(式3)
ただし、式1、式2及び式3における元素記号は、各元素の含有量(質量%)である。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
B:0.0030〜0.0100%
であ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。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
Mn:1.8〜3.0%
であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
C:0.06〜0.20%
であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
Ti:0.12〜0.25%
であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
P:0超〜0.011%
であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 前記ワイヤ全質量に対する質量%で、
Si:0.03〜0.18%
であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 前記Ceqが0.50〜0.90%であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを用いて、母材をガスシールドアーク溶接する工程を含む溶接継手の製造方法。
- 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスを、5〜30体積%CO2または2〜5体積%O2のうちから1種または2種を混合したArガス
とすることを特徴とする請求項9に記載の溶接継手の製造方法。
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