JP2747211B2 - 自動ティグ溶接用ワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はティグ溶接技術に関し、
特にブローホール、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥の少
ない清浄な溶接金属を得ることのできる自動ティグ溶接
用ワイヤに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ティグ溶接方法は溶接電流値と溶加ワイ
ヤ量を独立して調整できるなど、溶接条件の個々につい
て任意に選定できる特長を有しており、精密な条件設定
を要求される全姿勢溶接、初層の裏波溶接などを比較的
容易に行うことができる。またスパッタの発生が皆無に
近く、美しいビード外観、形状が得られるため、特にス
パッタ、スラグ等の異物の残留を嫌う精密配管の溶接に
好んで用いられている。更に、溶接金属中の酸素量が極
めて少ないため良好な機械的性質を示し、また低温割れ
の原因となる拡散性水素量も少ないため、貯層やペンス
トックなどの重要溶接構造物の厚板の溶接にも信頼性の
高い溶接方法として適用されている。

【０００３】ティグ溶接の方法としては、１ｍの長さに
切断された直線状のワイヤを使用する手動溶接と、スプ
ール巻或いはコイル状に巻かれたワイヤを用いる自動溶
接とがあり、前述の厚板の溶接の場合には単位時間当り
の溶加量を大きくできる自動溶接が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、ティグ溶接の欠
点は、他の溶接方法に比べ、シールド不良やシールドガ
ス中の水分、溶接する開先面の湿気や錆などに起因した
ブローホールが発生し易い点である。また、スラグの殆
ど発生しない溶接方法であるが、溶融プール上に薄く広
がりプールを覆う形態のスラグ(以下、板状スラグとい
う)が発生すると、その量が少量でもアークが不安定と
なり、ブローホールの原因となり、勿論、スラグの巻き
込みの原因ともなる。また、板状スラグは薄く広く凝固
して溶接ビードに付着するが、容易には剥離せず、次の
パスの溶接を行う前にグラインダ等での切削による除去
が必要となり、溶接能率を低下させている。最終層に発
生した場合は、本来の美しいビード形状、外観を損なう
ことにもなる。

【０００５】板状スラグのほか、小さな粒状のスラグ
(以下、粒状スラグという)も発生することがある。この
形態のスラグは、発生量が少量であれば、溶融プールの
外周付近を移動するため、殆どアークの状態に悪影響を
与えない。しかし、多量に発生すると、板状スラグの場
合と同様にアーク不安定の原因となる。

【０００６】このため、ティグ溶接においては、溶接欠
陥、特にブローホールを防止するために、以下〜の
ような対策が採られている。

【０００７】溶接する開先面のスケール(黒皮)、錆、
油脂類などの付着物を完全に除去する(ブローホール及
びスラグ発生の防止)。 純度９９.９９％以上の高純度アルゴンの使用(ブロー
ホールの発生防止)。 配管経路には湿気の浸透性のあるゴムホースやナイロ
ンホースを使用せず、金属管やテフロンチューブを使用
する(ブローホールの発生防止)。 確実な防風対策を実施する(ブローホールの発生防
止、酸素が供給されることによるスラグの発生防止)。

【０００８】しかしながら、このような対策を構じて
も、しばしばブローホール等の溶接欠陥が許容範囲を超
えて発生し、手直しが必要となる場合もある。これは、
特に単位時間当りの溶加量が多い自動溶接の場合に顕著
である。

【０００９】本発明は、かゝる実情に鑑みて、良好な機
械的性質を有すると共に、ブローホール、スラグ巻き込
みなどの溶接欠陥の少ない清浄な溶接金属を得ることの
できるティグ溶接用ワイヤを提供することを目的として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために鋭意研究を重ねた結果、後述のような
種々の知見を得るに至り、ここに本発明をなしたもので
ある。

【００１１】すなわち、本発明は、Ｃ：０.０２〜０.１
５％、Ｓi：０.０１〜０.９％、Ｍn：０.０５〜２.５
％、Ｓ：０.０２０％以下、Ｐ：０.０２０％以下、Ｃ
u：０.５０％以下、Ａl：０.００２〜０.０２０％、Ｃ
a：０.００５％以下、Ｈ：２ppm以下を含有し、残部が
鉄及び不可避的不純物からなり、ワイヤの跳ね上り高
さ：２５mm以下であることを特徴とするスプール巻或い
はコイル状のティグ溶接用ワイヤを要旨としている。

【００１２】また、他の本発明は、上記の基本成分に加
えて、更に、Ｃr：０.４〜１０％、Ｍo：０.４〜２.４
％を含有していることを特徴とするＣr−Ｍo鋼用ティグ
溶接用ワイヤを要旨としている。

【００１３】更に、他の本発明は、上記の基本成分に加
えて、更に、Ｎi：０.２〜１２％、Ｃr：０.０５〜１.
５％、Ｍo：０.０５〜３.０％、Ｖ：０.０１〜１.０
％、Ｔi：０.０１〜０.０５％、Ｎb：０.０１〜０.５％
の１種又は２種以上を含有していることを特徴とする低
温用鋼用及び高張力鋼用ティグ溶接用ワイヤを要旨とし
ている。

【００１４】

【作用】以下に本発明を更に詳細に説明する。

【００１５】前記課題を解決するため、本発明者らは、
上述のような対策を構じても、なおブローホールを主体
とした溶接欠陥が発生する原因について詳細な検討を行
った結果、以下〜のような知見を得た。

【００１６】溶接金属中の個々のブローホール中のガ
ス組成を分析した結果、水素を主にしたものが８０％以
上有り、残りがアルゴンを主にしたものである。

【００１７】水素源はワイヤ中に固溶している水素、
ワイヤ表面潤滑剤中の炭化水素及びワイヤ表面に付着し
た水分などに由来する水素であり、これらの総量が２pp
mを超えるとブローホールの発生が著しくなることを確
認した。

【００１８】アークが不安定になると、その発生箇所
ではブローホールが発生し易いことを確認した。この場
合のブローホール中のガス組成はアルゴンを主体とした
ものであり、アークが不安定になることにより、溶融プ
ールが乱れ、シールドガスとして使用しているアルゴン
ガスを巻き込んだものと考えられた。

【００１９】アーク不安定となる原因の第一は、溶融
プールを覆うように薄く広がって発生する板状スラグで
ある。この板状スラグをエレクトロプローブマイクロア
ナライザ(ＥＰＭＡ)で分析した結果、Ｃaが多く検出さ
れた。更にワイヤ中のＣa量とスラグの発生状態との関
係を検討したところ、ワイヤ中のＣaが０.００５％を超
えると板状のスラグが発生し易くなることが判明した。

【００２０】粒状スラグについても、同様にＥＰＭＡ
で分析を行った。その結果、Ａl及び／又はＴiを主成分
にしたものであった。ワイヤ中のＡl、Ｔi量とスラグの
発生状況態と、アークの安定度との関係を調査した結
果、Ａlは０.０２０％を超えると、またＴiは０.０５％
を超えると、アークの状態に悪影響を及ぼす発生量とな
った。

【００２１】溶接中のアークの状態を詳細に観察した
結果、アーク不安定となるスラグ以外の原因として、ワ
イヤの狙い位置の変動であることを見い出した。この変
動の原因となるのが、ワイヤの跳ね上り高さと呼ばれて
いるワイヤのクセであり、跳ね上り高さが大になると狙
った位置にワイヤが送給されず、条件設定した電極とワ
イヤ間の最適位置関係から外れ、アーク不安定の原因と
なることが分かった。更に、跳ね上り高さが２５mmを超
えるとアーク不安定を起こし易いことを確認した。

【００２２】以上の知見に基づいて、良好な溶接金属の
機械的性質を有すると共に、ワイヤの諸特性を改善し、
溶接欠陥の発生しにくいスプール巻或いはコイル状のテ
ィグ溶接用ワイヤを見い出したものである。まず、以下
に成分等の限定理由を説明する。

【００２３】Ｃ：０.０２〜０.１５％ Ｃは必要な溶接金属の強度を確保し、かつ炭化物(Ｃr、
Ｍo、Ｎb、Ｔi、Ｖ等)による析出効果を利用するため
に、ワイヤ中に０.０２〜０.１５％添加する。０.０２
％未満ではこの効果が得られず、また０.１５％を超え
ると高温割れが生じ易くなる。

【００２４】Ｓi：０.０１〜０.９％ Ｓiは製鋼時にワイヤ中の酸素量が過度に増大しないよ
うに、また必要な溶接金属の強度を確保するために、ワ
イヤ中に０.０１〜０.９％添加する。０.０１％未満で
は脱酸効果が得られず、また０.９％を超えると溶接金
属の靭性が乏しくなる。特に靭性を必要とする場合は、
０.０１〜０.２０％とすることが望ましい。

【００２５】Ｍn：０.０５〜２.５％ Ｍnは必要な溶接金属の強度を確保し、かつ良好な靭性
を得るために、ワイヤ中に０.０５〜２.５％添加する。
０.０５％未満ではこの効果得られず、また２.５％超え
て添加しても、靭性に対しての効果が飽和し、靭性向上
効果が認められない。

【００２６】Ｓ：０.０２０％以下 Ｓは高温割れを助長する元素であるので、ワイヤ中のＳ
は０.０２０％以下とする。

【００２７】Ｐ：０.０２０％以下 Ｐは靭性を低下させる元素であり、また溶接金属を熱処
理して使用する場合に脆化の原因となる。よって、ワイ
ヤ中のＰは０.０２０％以下とする。

【００２８】Ｃu：０.５０％以下 Ｃuはワイヤ本体には特に添加しないが、防錆のためＣu
メッキする場合は０.５０％以下となるようにする。そ
の場合のＣuメッキ量は、ワイヤ径１.２mmの場合ではワ
イヤ重量に対して０.１０〜０.３０％程度にすると良好
な防錆効果が得られる。なお、メッキしないで使用する
場合、ワイヤ中のＣuは不可避的不純物として取り扱わ
れる。

【００２９】Ａl：０.００２〜０.０２０％ Ａlはワイヤ中の酸素量を過度に増大させないために、
ワイヤ中に０.００２〜０.０２０％添加する。０.００
２％未満ではその効果がなく、また０.０２０％を超え
て添加すると、アークの状態に悪影響を及ぼす量の粒状
スラグが発生するようになる。

【００３０】Ｃa：０.００５％以下 Ｃaは製鋼時に添加されたり、ワイヤ製造時に使用する
乾式潤滑剤が十分に除去されないでワイヤ表面に残留す
る場合もあるが、いずれの場合にもＣaは溶接に特に有
害な板状スラグの発生原因となり、ワイヤ中のＣaが０.
００５％を超えると発生するようになる。よって、ワイ
ヤ中のＣaは０.００５％以下とする。

【００３１】Ｈ：２ppm以下 ワイヤ中の水素(ワイヤに固溶している水素、潤滑剤中
の炭化水素中の水素、付着水分などのＨ₂Ｏ中の水素な
ど)は、ブローホール発生の主原因であり、その量が２p
pmを超えるとブローホールが発生し易くなるので、ワイ
ヤ中の水素は２ppm以下とする。なお、水素の測定方法
は「不活性ガス中抽出・融熱−カラム分解−熱伝導度
法」による。

【００３２】ワイヤの跳ね上り高さ：２５mm以下 ワイヤの跳ね上り高さが大であると、狙った位置にワイ
ヤが送給されず、条件設定した電極とワイヤ間の最適位
置関係から外れ、アーク不安定の大きな原因となる。跳
ね上りの高さが２５mmを超えるとこのアーク不安定現象
を起こすようになるため、ワイヤの跳ね上り高さは２５
mm以下とする。なお、ワイヤの跳ね上り高さの測定方法
は次のとおりである(図１参照)。

【００３３】スプール巻或いはコイル状のワイヤの線輪
１巻を切取り、平面上に置く。このとき、ワイヤの両端
が重ならないように約５mmの間隔を設ける。平面上に置
いた線輪端の平面からの最大高さをmm単位で測定し、ワ
イヤの跳ね上り高さとする。

【００３４】上記成分を基本成分とするが、特にＣr−
Ｍo鋼用のティグ溶接ワイヤの場合には、以下のＣr、Ｍ
oを付加成分として適量にて添加するのが好ましい。

【００３５】Ｃr：０.４〜１０％、Ｍo：０.４〜２.４
％ Ｃr−Ｍo鋼の溶接では一般に共金系の溶接金属が適用さ
れるので、Ｃr−Ｍo鋼用においては、ワイヤのＣr量は
Ｃr−Ｍo鋼板の一般的なＣrの範囲である０.４〜１０％
とし、ワイヤのＭo量はＣr−Ｍo鋼板の一般的なＭoの範
囲である０.４〜２.４％とする。

【００３６】また、低温用鋼用及び高張力鋼用のティグ
溶接用ワイヤの場合は、以下のＮi、Ｃr、Ｍo、Ｖ、Ｔ
i、Ｎbの１種又は２種以上を付加成分として適量にて添
加するのが好ましい。

【００３７】Ｎi：０.２〜１２％ 低温用鋼用、高張力鋼用においては、Ｎiは溶接金属の
マトリックスを強靱にして靭性を向上させるために添加
する。しかし、０.２％未満ではその効果が得られず、
また１２％を超えて添加しても、靭性に対する効果が少
なくなり、また高温割れの原因ともなる。よって、Ｎi
量は０.２〜１２％とする。

【００３８】Ｃr：０.０５〜１.５％ 低温用鋼用、高張力鋼用においては、Ｃrは強度を高め
焼き入れ性を向上させるために添加する。しかし、０.
０５％未満ではその効果が得られず、また１.５％を超
えて添加しても強度に対しての効果が小さくなり、また
靭性も低下傾向にある。よって、Ｃr量は０.０５〜１.
５％とする。

【００３９】Ｍo：０.０５〜３.０％ 低温鋼用、高張力鋼用においては、Ｍoは強度を高め焼
き入れ性を向上させるために添加する。しかし、０.０
５％未満ではその効果が得られず、また３.０％を超え
て添加しても強度に対する寄与が小さくなるため効果的
でなく、また靭性も低下傾向を示すようになる。よっ
て、Ｍo量は０.０５〜３.０％とする。

【００４０】Ｖ：０.０１〜１.０％ 低温用鋼用、高張力鋼用においては、ＶはＶ炭化物を形
成し少量で強度を上昇させる効果があり、０.０１〜１.
０％を添加する。０.０１％未満ではその効果が得られ
ず、また１.０％を超えて添加すると靭性が大きく低下
する。

【００４１】Ｔi：０.０１〜０.０５％ 低温用鋼用、高張力鋼用においては、ＴiはＴi炭化物を
形成し少量で強度を上昇させる効果があり、０.０１〜
０.０５％を添加する。０.０１％未満ではその効果が得
られず、また０.０５％を超えて添加すると、アークの
状態に悪影響を及ぼすだけの量の粒状スラグを発生する
ようになる。

【００４２】Ｎb：０.０１〜０.５％ 低温用鋼用、高張力鋼用においては、ＮbはＮb炭化物を
形成し少量で強度を上昇させる効果があり、０.０１〜
０.５％を添加する。０.０１％未満ではその効果が得ら
れず、また０.５％を超えて手添加すると靭性が大きく
低下する。

【００４３】なお、酸素量は一般的なワイヤの酸素量
(１０〜１５０ppm)であれば、本発明ワイヤは十分な効
果を発揮し得るので、特に規定しない。また、ワイヤ
径、ワイヤ重量も特に規定しないが、自動溶接を考慮し
た場合、ワイヤ径は０.８〜１.６mmが適当である。ワイ
ヤ重量は自動溶接機に積載して使用する場合は１〜２０
kgが適当である。

【００４４】次に本発明の実施例を示す。

【実施例】

【００４５】表１に示す各種の鋼種で図２に示す開先形
状の試験板(板厚１６mm)を、自動ティグ溶接装置(神戸
製鋼所製ＴＩＬ−２Ｔ)を使用し、下向姿勢で溶接し
た。板厚は実施工では、１６mmを超える板厚に適用され
ることが多いが、放射線透過試験で溶接欠陥をよく検出
できるように比較的薄い板厚を選んだ。鋼種はワイヤの
用途に合致するものを選定した。ワイヤは表１に示す化
学成分のもので、ワイヤ径は１.２mmとし、スプール巻
のワイヤを使用した。各ワイヤの跳ね上り高さは図１の
要領で測定した。

【００４６】溶接に当っては、ワイヤ特性以外の原因で
発生する溶接欠陥排除するため、開先面の洗浄度、アル
ゴンガスの純度、配管、シールドガス流量等には十分な
配慮を行った。溶接条件は以下のとおりである。 溶接長：５００mm 溶接電圧：２５０〜３００Ａ 溶接電圧：１１〜１２Ｖ 溶接速度：８〜１０cm／min ワイヤ溶加速度：１０〜２５g／min 層／パス：５／５〜６／６

【００４７】溶接後、裏当金を削除し、溶接長５００mm
の試験板の中央３００mmについて放射線透過試験を実施
した。試験方法及び判定方法は、ＪＩＳ Ｚ ３１０４に
従った。その後、溶接金属から引張試験片、衝撃試験片
を採取し機械試験を実施したが、溶接欠陥の著しい試験
材については機械試験を省略した。

【００４８】ブローホールに関しては、１級かつ３００
mmの溶接長におけるブローホールの総計が３個以下の場
合を合格とし、その他の欠陥は皆無なものを合格とし
た。スラグの発生については、溶接に支障のない少量の
粒状のスラグは合格とし、溶接に支障きたす多量の粒状
スラグ及び板状スラグ(粒状スラグと異なり僅かに発生
しても溶接に支障を来たす)が発生したものは不合格と
した。アークの安定性に関しては、目視で判断し溶融プ
ールの乱れが大きいものを不合格とした。

【００４９】試験結果は表２に示すとおりであり、本発
明例のワイヤＮo.１〜１１では、ブローホールの発生が
皆無或いは発生しても極めて少なく、スラグ巻き込みの
ない清浄な溶接金属が得られている。

【００５０】比較例のワイヤＮo.１２は、Ａl、Ｃaが過
多な場合であり、板状スラグが発生し、それによりアー
ク不安定を生じ、ブローホールの発生につながってい
る。またスラグが多く発生し、アーク不安定とあいまっ
てスラグ巻き込みも発生している。

【００５１】比較例のワイヤＮo.１３は、水素が過多な
場合であり、スラグ発生もなく安定した溶接は行えるも
のの、ブローホールが多く発生している。

【００５２】比較例のワイヤＮo.１４は、ワイヤの跳ね
上り高さが大であり、有害なスラグの発生はないもの
の、アーク不安定となり、ブローホールが発生してい
る。

【００５３】比較例のワイヤＮo.１５は、Ａlが過多な
場合で、粒状スラグが許容量を超えて発生しアークが不
安定となり、ブローホールが発生している。但し、Ｃa
が過多な場合よりは軽微でブローホールの発生量も比較
的少ない。

【００５４】比較例のワイヤＮo.１６は、Ａl、Ｃa、水
素及びワイヤ跳ね上り高さが過多な場合であり、ブロー
ホールが多発しスラグ巻き込みも発生している。従来技
術では、このような欠陥の多発も十分考えられる。

【００５５】比較例のワイヤＮo.１７は、Ｔiが過多な
場合で、粒状スラグが許容量を超えて発生しアーク不安
定となり、ブローホールが発生している。

【００５６】比較例のワイヤＮo.１８は、Ｃaが過多な
場合であり、板状のスラグが発生しアーク不安定とな
り、ブローホールが発生している。

【００５７】比較例のワイヤＮo.１９は、ＳiとＡlが過
少とし、ワイヤ酸素量を増大(２７０ppm)させたもの
で、ワイヤ中の酸素が原因となり、スラグが発生しアー
クが不安定となり、ブローホール及びスラグ巻き込みを
発生している。本発明をもってしても、ワイヤ中の酸素
量が極めて多い場合は溶接欠陥が発生するので、ワイヤ
酸素量は著しく低下させる必要はないが、通常レベルに
抑える必要がある。

【００５８】なお、実施例では溶接欠陥に直接結び付く
特性について主に試験したが、機械的性質は、本発明例
はいずれも良好であり、比較例においても一部を除いて
は、さほどの低下は認められなかった。

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のティグ溶
接用ワイヤによれば、良好な機械的性質を有することは
勿論のこと、ブローホール、スラグ巻き込みなどの溶接
欠陥の少ない清浄な溶接金属が得られる。特に自動ティ
グ溶接用に好適であり、また軟鋼、炭素鋼を始めとし、
低温用鋼、高張力鋼などの溶接にも適用でき、その効果
は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】ワイヤ跳ね上り高さの測定方法を説明する図
で、（ａ）は上から見た図、（ｂ）は横から見た図であ
る。

【図２】開先形状を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−50992（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−158995（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−131542（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−309489（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−261539（ＪＰ，Ａ) ＪＩＳハンドブック 1985 「溶 接」、第460頁、Ｚ3316の成分組成参照 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 35/30 B23K 9/167 B23K 9/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で(以下同じ)、Ｃ：０.０２〜０.
   １５％、Ｓi：０.０１〜０.９％、Ｍn：０.０５〜２.５
   ％、Ｓ：０.０２０％以下、Ｐ：０.０２０％以下、Ｃ
   u：０.５０％以下、Ａl：０.００２〜０.０２０％、Ｃ
   a：０.００５％以下、Ｈ：２ppm以下を含有し、残部が
   鉄及び不可避的不純物からなり、ワイヤの跳ね上り高
   さ：２５mm以下であることを特徴とするスプール巻或い
   はコイル状のティグ溶接用ワイヤ。
2. 【請求項２】 更に、Ｃr：０.４〜１０％、Ｍo：０.４
   〜２.４％を含有していることを特徴とする請求項１に
   記載のＣr−Ｍo鋼用ティグ溶接用ワイヤ。
3. 【請求項３】 更に、Ｎi：０.２〜１２％、Ｃr：０.０
   ５〜１.５％、Ｍo：０.０５〜３.０％、Ｖ：０.０１〜
   １.０％、Ｔi：０.０１〜０.０５％、Ｎb：０.０１〜
   ０.５％の１種又は２種以上を含有していることを特徴
   とする請求項１に記載の低温用鋼用及び高張力鋼用ティ
   グ溶接用ワイヤ。