JP3237920B2 - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表層部に酸素を富化さ
せた低スパッタソリッドワイヤに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ar、CO₂ 、Heなどの単独ガス、Ar、C
O₂ 、He、O₂などよりなるAr-CO₂、Ar-O₂、Ar-He-CO₂-O₂
などの混合ガスシールドアーク溶接用低スパッタソリッ
ドワイヤは、表層部に酸化物よりなる酸素富化層を有し
ている。ワイヤ表層部に存在する酸化物は溶接時におけ
る溶滴の表面張力を低下させ、溶滴を微細化させる。ま
た、酸素によるアーク安定化により母材への溶滴の移行
をスムーズにし、スパッタ量を低下させている。

【０００３】酸素の富化方法としては、 特開昭60-40685号公報に開示された最終製品への塗
油、あるいは伸線段階の油にあらかじめ酸化物を混合さ
せておく方法。 特開昭59-110496 号公報に開示された焼鈍において
表層に生成したスケールを一部残した状態でメッキを施
す方法。

【０００４】 特開昭58-187298 号公報に開示された
メッキを施した後に熱処理を行い表面に酸化物を富化さ
せる方法。 特開昭58-128294 号公報、特開昭59-61592号公報、
特開昭59-66996号公報、特開昭60-40685号公報には焼鈍
を200 ℃から950 ℃で行い、粒界酸化をおこさせる方法
が示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらから
の方法では、ワイヤ表層部に均一かつ十分な量の酸化
物を付着させることは難しい。すなわち、の方法で
は、潤滑油中に均一に酸化物を混入させることが難しい
こと、また最終製品での油の量はワイヤ重量にたいし、
0.01％ほどしかなくの方法では、低スパッタ化に十分
な量の酸化物を均一に付着させることは困難であるとい
う問題がある。

【０００６】また、 の方法では、スケールがワイヤ
表面に均一かつまんべんなく付着している状態ではメッ
キは困難であるので、スケールを部分的に残す必要があ
るが、焼鈍、酸洗のさいのスケール残留量のコントロー
ルが困難であるという問題がある。の方法に関して
は、メッキを施した後に熱処理を加えたのでは、メッキ
層が酸化することは避けがたい。ワイヤ表面部の酸化物
量と給電ノズルチップを介する通電性には相反するもの
であり、低スパッタ化に十分な酸化物量を確保した場
合、通電性が悪くなり、アークが不安定となって十分な
低スパッタ化が計れない。また、富化した酸化物量によ
っては、逆にスパッタを増す結果となる。

【０００７】については、熱処理、酸洗後にメッキを
施すことになるので、メッキ層は健全であり、かつメッ
キ層の内側の粒界の酸化物により、スパッタ低減の効果
は、ある程度期待できる。しかし、低スパッタ化のため
には線径 1.2mmの製品で表層部より 3μm 以上の粒界酸
化層が必要であり、720 ℃で3 時間前後の加熱処理が必
要である。 また、粒界酸化の発生は表面層の粒界ピッ
チに左右されるため、その発生は通常断面で見た場合 5
μm 以上 、長手方向で見た場合 100μm 以上と粗くな
り、溶滴移行を細かくして、低スパッタ化を図るには限
界があるという問題がある。

【０００８】一方、低スパッタワイヤといえども経済的
に製造されなければならないという制約があり、製造コ
ストの掛からない製造方法が要請されている。ガスシー
ルドアーク溶接用ソリッドワイヤの製造においては、通
常熱間圧延後の線径5.5 〜7.0mm のワイヤを中間伸線に
より線径 2.0〜3.2mm に伸線し、軟化を目的とした焼
鈍、スケール除去のための酸洗、Cuメッキ後所定の製品
径 1.2〜2.0mm まで仕上げ伸線する。

【０００９】この焼鈍は軟化を目的としており、次のス
ケール除去のための酸洗を軽減するためスケールの成長
を抑える目的で窒素雰囲気中、あるいは還元性の雰囲気
中で650〜 900℃に加熱、保持を行う。均熱時間は、温
度、および炉形式によって異なるが 650℃では 1時間前
後、 800〜 900℃では 2〜5 分である。低スパッタを目
的とした亀の甲状の亀裂を有するソリッドワイヤの製造
においては、焼鈍において酸素、水蒸気、あるいは、二
酸化炭素ガスの添加により鋼ワイヤ表層部に粒界酸化を
生成させている。このため、均熱時間は長く、 700℃で
は 3時間前後、また、 800〜 900℃でも 1〜2 時間の均
熱が必要である。

【００１０】また、粒界酸化よりさらに低スパッタ化の
可能な粒内酸化を得るためには、焼鈍において酸素、水
蒸気、あるいは、二酸化炭素ガスを添加した酸化性の雰
囲気中で1000℃以上に加熱する必要がある。あるいは、
Crを添加することにより粒内酸化反応を促進することが
できるが、それでも粒界酸化と同様な熱処理条件、すな
わち、酸素、水蒸気、あるいは、二酸化炭素ガスを添加
した弱酸化性の雰囲気中で700 ℃×3 時間前後、また、
（800 〜900 ）℃×（ 1〜2 ）時間の均熱が必要であ
る。

【００１１】そこで本発明は、よりスパッタの少ない粒
内酸化法により、しかも生産性よく製造できるガスシー
ルドアーク溶接用鋼ワイヤおよびその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】粒界酸化法によるよりさ
らにスパッタ量の少ないワイヤを得るためには、上述の
ように粒界より細かいピッチで表層部に酸化物を有する
ことが必要であり、これには粒内酸化が有効である。ま
た、製造コストの低減を計るためには1000℃未満の温度
範囲で、かつ短時間の熱処理で低スパッタ化に十分な量
（深さと数）の酸化物を得る必要がある。

【００１３】一般のガスシールドアーク溶接用ソリッド
ワイヤ組成は、主として重量比で C量0.06〜0.10％、Si
量0.4 〜0.9 ％、Mn量0.8 〜1.7 ％を含み、さらに溶着
金属の強度向上、耐食性、靱性確保を目的として必要に
応じてCr、Ni、Mo、Ti、Nb、Al、B を添加している。こ
のため、700 ℃前後の加熱によってα（フェライト）＋
Fe₃C相からα＋γ相（オーステナイト）あるいは、γ相
へ変態を起こす。発明者は鋭意研究を重ねた結果、α相
とγ相中の酸素の拡散速度を比較すると、γ相中での拡
散速度の方がα相での拡散速度よりもはるかに遅いの
で、一般のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ組
成では、700 ℃以上に加熱しても短時間で低スパッタ化
に必要な粒界酸化、粒内酸化深さを得ることができない
という事実を発見した。そして1000℃未満の温度で短時
間の加熱により粒内酸化を得る方法について検討した結
果、α相を700 ℃以上の高温においても維持することに
よって、鋼中の酸素の拡散速度を高くすることが可能で
あることを見いだした。一般に相が変わらなければ温度
が高くなるほど拡散速度が大きくなるからである。

【００１４】α相からγ相への変態温度を上昇させるた
めには、まず低炭素化を図ることが考えられる。低炭素
化はワイヤ全体の組成を予め低炭素とすることでも達成
されるが、製造工程の途中でワイヤを脱炭雰囲気で熱処
理することによっても達成される。そして変態温度を上
昇させるためには、低炭素化とともに、他の成分組成を
規制することも有効である。発明者はフェライト安定化
元素とオーステナイト安定化元素のそれぞれについて変
態点上昇効果について定量的な調査を重ねた結果、式１
および式２を導き出した。

【００１５】

【数３】

【００１６】また一方、発明者は別の研究において、粒
内酸化物によりスパッタの発生を十分低下させるために
必要な粒内酸化物量について研究を進めた結果、 100μ
m²当たり粒内酸化物が10個以上存在する深さがワイヤ表
面から線径の0.2%以上必要であることがわかった。これ
らの観点を総合して、本発明がなされた。

【００１７】すなわち本発明は、ガスシールドアーク
溶接用鋼ワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成が式１およ
び式２を満足し、さらに該ワイヤの断面を1000倍の顕微
鏡で観察した時に、 100μm²あたり10個以上の粒内酸化
物を有する層の深さが該ワイヤ表面から線径の0.2%以上
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
ッドワイヤであり、また加熱処理による脱炭層がワイ
ヤ表面から線径の0.2%以上の深さがあり、かつその脱炭
層の組成が式１および式２を満足し、さらに該ワイヤの
断面を1000倍の顕微鏡で観察した時に、 100μm²あたり
10個以上の粒内酸化物を有する層の深さが該ワイヤ表面
から線径の0.2%以上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であり、上記のソリッ
ドワイヤを製造するにあたって、弱酸化性雰囲気中で 8
00℃を越える加熱処理を加え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の製造方法である。

【００１８】

【作用】本発明によるガスシールドアーク溶接用鋼ワイ
ヤは、その素材の組成が式１および式２を満足すること
によって、α相からγ相への変態が十分遅らされる。た
だし、式１および式２において〔％Ti〕＜４〔％Ｃ〕な
ら〔％Ti〕−４〔％Ｃ〕の項は０として計算する。

【００１９】また、通常のガスシールドアーク溶接用鋼
ワイヤは、製造時の熱処理により多かれ少なかれ表面に
脱炭層を有している。脱炭層の炭素含有量は0.02% とし
て計算する。脱炭層の深さがワイヤ表面から線径の0.2%
以上の深さがあり、その組成が式１、２の成分範囲であ
ることによっても、表層部のα相からγ相への変態が十
分遅らされる。

【００２０】式１および２を満足した鋼ワイヤにおいて
は、加熱温度が 800℃以下では粒界酸化を主とし、 800
℃を越えると粒内酸化を主とするサブスケール層とな
る。粒内酸化物は、SiあるいはMnの酸化物の形をとるこ
とが大多数の場合で、SiあるいはMnは酸素に比較して拡
散しにくい元素であるため、これらの元素の酸化物は粒
内酸化層の内部では殆ど均一に分布している。したがっ
て、粒内酸化層内部の酸素濃度はほぼ一定と考えられ
る。

【００２１】粒内酸化を短時間で形成させるためには、
さらに熱処理前にアルカリ金属、あるいはアルカリ土類
金属の炭酸塩を塗布することも有効である。これらの炭
酸塩としては、K₂CO₃ 、Li₂CO₃、Na₂CO₃、CaCO₃ 、Fr₂C
O₃、Cs₂CO₃、SrCO₃ 、BaCO₃ 、RaCO₃ 等がある。このよ
うな方法によって得られた粒内酸化物が、 100μm²当た
り10個以上の粒内酸化物を有する領域が表面から線径の
0.2%以上の深さ存在することによってスパッタ発生量を
十分低減することができる。

【００２２】

【実施例】熱間圧延仕上げ線径5.5mm を線径2.6mm まで
中間伸線後、所定の熱処理を行い、酸洗、メッキを施
し、線径1.2mm まで仕上げ伸線しスパッタ発生量の測定
を行った。熱処理は、中間伸線後の線径 2.6mmのワイヤ
を予め6.3 ％のK₂CO₃ 水溶液に浸漬、乾燥後、窒素雰囲
気炉中で加熱処理した。

【００２３】また、粒内酸化を起こさせるために、水蒸
気を0.01〜1.5 ％含む窒素ガスを毎分50ｌから 100ｌ送
給している。用いた鋼組成を表１に示す。スパッタ発生
量測定時の溶接条件は、表２のCO₂およびAr-CO₂の２つ
のケースについて評価した。スパッタ発生量は、スパッ
タ粒子全数捕集により評価した。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】ワイヤ表層部の粒内酸化物の観察は、1000
倍の顕微鏡で60視野について計測した。試験方法はJIS
Z 0555「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に準じて
倍率のみ変えて行った。粒内酸化物は一般に微細なので
400 倍程度の倍率では識別が困難である。また脱炭層の
観測はJIS Z 0558「鋼の脱炭層深さ測定方法」に従って
行った。

【００２７】粒内酸化の成長速度の評価基準を表３に示
す。粒内酸化物の成長速度係数は粒内酸化深さの実測値
を所要時間の平方根で除したものである。

【００２８】

【表３】

【００２９】また表２の各条件に対応したスパッタ発生
量の評価基準を表４に示す。

【００３０】

【表４】

【００３１】表５に実施例１を示す。粒内酸化深さは直
径2.6mm の熱処理後の顕微鏡観察による測定結果であ
る。粒内酸化による低スパッタ化を達成するためには、
線径1.2mm の製品段階で深さ 2.4μm 以上の粒内酸化が
必要であり、線径 2.6mmの段階では 5.2μm 以上の深さ
（線径の 0.2％以上）が必要である。実験結果の評価は
本発明の目的から、粒内酸化速度が十分早い、すなわち
表３による評価と、スパッタ発生量が十分低減されてい
る、すなわち表４の評価との双方を同時に満たすかどう
かという観点からなされる。

【００３２】

【表５】

【００３３】式１、２を満足する鋼組成No.1〜15を用い
た実施例No.1〜25では粒内酸化の成長速度は早く、線径
2.6mmの段階で粒内酸化深さ 5.2μm 以上（線径の 0.2
％以上）、 100μm²あたり10個以上の酸化物が存在し、
スパッタ発生量も少ない。一方、比較例No.26 、27では
温度 900℃で粒内酸化速度係数 4.0以上と充分高いが、
No.26 では熱処理時間が１分と短いためその深さが 4μ
m と浅く、スパッタ発生量の低減に充分ではない。ま
た、No.27 では 100μm²中の発生数が 9個と少ないため
にNo.26 同様スパッタ発生量の低減に十分ではない。比
較例のNo.28〜32では式１および２を満足していないた
めに、十分な粒内酸化の成長速度が得られておらずスパ
ッタ発生量も少ない。

【００３４】表６に実施例２を示す。線径2.6mm の中間
伸線後のワイヤを予め600 ℃で、窒素ガス中にCO₂ ガス
を 5％、水蒸気を 0.5％添加したガス雰囲気中で脱炭の
ための熱処理を行い、粒内酸化を得るための熱処理を行
った。脱炭深さの測定は上述のJIS による方法を用い、
ＥＰＭＡライン分析により確認した。粒内酸化の測定は
線径2.6mm の熱処理後、上述と同じ顕微鏡観察により、
スパッタ発生量の測定は線径1.2mm の製品による溶接時
のスパッタの発生量を全量捕集して行った。実施例No.3
3 〜38では脱炭によって実施例No.1〜25同様、粒内酸化
の成長速度は早く、十分な粒内酸化によってスパッタ発
生量も少ない。

【００３５】

【表６】

【００３６】一方、比較例No.39 、40では、粒内酸化を
得るために十分な脱炭層は確保したが、式２を満足して
いないために、その成長速度は低い。比較例No.41 、42
では、脱 C層が線径2.6mm で深さ 5.2μm （線径1.2mm
換算で 2.4μm ）未満（線径の 0.2％未満）であるため
には粒内酸化の成長速度は小さい。比較例No.38 〜41で
は粒内酸化深さが線径2.6mm で 5.2μm （線径1.2mm 換
算で2.5 μm ）未満（線径の 0.2％未満）であるために
スパッタ発生量も多い。

【００３７】図１は実施例No.4、線径2.6mm で熱処理後
のワイヤの表層部の顕微鏡観察結果である。深さ15.8μ
m の粒内酸化が認められる。図２は、実施例No.34 、線
径2.6mm の熱処理後急冷したワイヤの表層部の組織観察
結果である。急冷により中央部はマルテンサイト組織と
なっているが、表層部は脱炭によりフェライト組織とな
っている。

【００３８】粒内酸化では、粒界酸化に起因する亀の甲
状のメッキ亀裂は生じない。本ワイヤ組成では、一般材
の焼鈍と同程度の熱処理条件（時間）で粒内酸化を生成
させることが可能である。また本発明によるガスシール
ドアーク溶接用鋼ワイヤでは、溶接中シールドガス、溶
接条件に関係なく従来のワイヤと比較して、低スパッタ
化が可能であることがこれらの結果からわかる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、スパッタの非常に少な
いガスシールドアーク溶接用ワイヤが生産性よく製造で
き、溶接および溶接以後のスパッタ除去に関連する作業
が大幅に軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例No.4の熱処理後急冷して得たワイヤの表
層部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図２】実施例No.34 の熱処理後急冷して得たワイヤの
表層部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/02 B23K 35/40

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにお
   いて、ワイヤ全体の組成が式１および式２を満足し、さ
   らに該ワイヤの断面を1000倍の顕微鏡で観察した時に、
   100μm²あたり10個以上の粒内酸化物を有する層の深さ
   が該ワイヤ表面から線径の0.2%以上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。 【数１】
2. 【請求項２】 ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにお
   いて、加熱処理による脱炭層がワイヤ表面から線径の
   0.2％以上の深さがあり、かつその脱炭層の組成が式１
   および式２を満足し、さらに該ワイヤの断面を1000倍の
   顕微鏡で観察した時に、 100μm²あたり10個以上の粒内
   酸化物を有する層の深さが該ワイヤ表面から線径の 0.2
   ％以上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。 【数２】
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のソリッドワイヤ
   を製造するにあたって、弱酸化性雰囲気中で 800℃を越
   える加熱処理を加え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の製造方法。