JP3884363B2

JP3884363B2 - レーザ溶接用鉄系溶加材

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Publication number: JP3884363B2
Application number: JP2002303476A
Authority: JP
Inventors: 裕之武田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-10-17
Also published as: JP2004136329A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素を主成分とするシールドガスを用いて鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる鉄系溶加材に関するものであり、より詳細には、溶接作業性が良好であると共に、高靭性で、且つ、ブローホール欠陥の少ない溶接金属を得ることのできるレーザ溶接用鉄系溶加材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材同士を溶接接合する方法としては、ガスシールドアーク溶接法やサブマージアーク溶接法といったアーク溶接法や、電子ビームやレーザビーム等を用いた高エネルギー密度ビーム溶接法などが挙げられる。高エネルギー密度ビーム溶接法の中でも、レーザ溶接法は、狭幅で深溶込みの溶接を高速で行なうことができ、また、電子ビーム溶接法の様に溶接雰囲気を真空とする必要もないので、産業機械や建設、造船等の幅広い分野での適用が期待されている。殊に近年では、大型レーザ溶接機の開発により厚鋼板同士の溶接も可能となったため、適用分野は一層拡大していくものと期待される。
【０００３】
レーザ溶接法で鋼材同士を溶接接合する際には、溶融金属部が急冷され易いため溶接金属部は靭性不足になり易い。この理由として、▲１▼溶接対象となる鋼材には、含有量の差はあるもののＣが必須成分として含有まれており、▲２▼レーザ溶接時に形成される溶融金属部の幅が狭いため該溶融金属部は急冷され易く、これら▲１▼と▲２▼の要因が相俟って、溶融金属部が冷却される際にマルテンサイト変態を起こして硬化し、低温割れを発生することが挙げられる。
【０００４】
溶接金属部の靭性を向上させる方法としては、例えば、溶接金属部の組織を制御するため溶接時に供給する溶加材の成分組成を調整することが提案されている（例えば、特許文献１や２参照）。また、特許文献３や４には、溶接金属部の組織を制御するためレーザ溶接の対象となる鋼板の成分組成と焼入れ臨界直径（Ｄｉ値）を制御することが提案されている。
【０００５】
さらに、金属同士をレーザ溶接すると溶接金属部にブローホールと呼ばれる気孔欠陥が発生することがあり、このブローホールは重大な溶接欠陥となることから発生を防止する技術が望まれている。例えば特許文献５では、シールドガスの巻き込みに起因するブローホールの発生を防止するため、レーザビームの波長とシールドガス中の窒素比率を規定している。
【０００６】
ここで、溶加材を供給しつつレーザ溶接する方法は、溶接対象となる金属材料の成分組成や組織等に関係なく適用できるので、その適用範囲は広い。しかし、非特許文献１には、溶接条件によっては溶加材成分が溶融金属内で均一混合され難いことが指摘されており、溶接金属部の成分組成を均一にして特性のバラツキを低減するには更なる検討を要する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平9-122957号公報
【特許文献２】
特開平6-670号公報
【特許文献３】
特開平8-276286号公報
【特許文献４】
特開平10-94890号公報
【特許文献５】
特開平9-314368号公報
【非特許文献１】
「全国大会講演概要集」、溶接学会、2002年、第70集、p.18〜19
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる鉄系溶加材であって、溶接作業性が良好であると共に、溶接金属部の成分組成を均一にすることにより特性のバラツキを低減して、高靭性の溶接金属を確実に得、さらにはブローホール欠陥の少ない健全な溶接金属を得ることのできるレーザ溶接用鉄系溶加材を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係るレーザ溶接用鉄系溶加材とは、窒素を主成分とするシールドガスを用いて鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる鉄系溶加材であって、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計で０．０３〜０．６％（溶加材の全質量に対する「質量％」の意味、溶加材については以下同じ）、および、Ｓｉ：１〜８％を含有する点に要旨を有する。
【００１０】
本発明のレーザ溶接用鉄系溶加材としては、
▲１▼軟鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤであり、前記金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、Ｃ：０．３〜１．２％（「質量％」の意味、以下同じ）、および、Ｍｎ：１５〜３０％を含有するか、
▲２▼ステンレス鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤであり、前記金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、Ｃ：０．３〜１．２％（「質量％」の意味、以下同じ）、および、Ｍｎ：５〜３０％を含有するか、
▲３▼ソリッドワイヤであり、ソリッドワイヤの全質量に対して、Ｃ：０．１０〜１．２％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｍｎ：５〜４０％、Ｎｉ：５〜１５％、および、Ｃｒ：２０％以下（０％を含む）を含有する、
ものであることが好ましい。
【００１１】
なお、前記ステンレス鋼製シースとしては、オーステナイト系ステンレス鋼を用いることが推奨される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、様々な角度から検討してきた。その結果、鋼材同士をレーザ溶接する際に窒素を主成分とするシールドガスを用いると共に、レーザ溶接時に用いる鉄系溶加材の成分組成を厳密に規定すれば、上記課題が見事に解決されることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の構成および作用効果について説明する。
【００１３】
一般にレーザ溶接では、シールドガスとしてヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）といった不活性ガスを使用することで、大気中に含まれる酸素と溶融金属の反応を防止している。しかし、これらの不活性シールドガスが溶融金属内に巻き込まれると、レーザ溶接では溶融金属の冷却速度が非常に大きいため、溶融金属がシールドガスを巻き込んだまま凝固し、ブローホール発生の原因となる。
【００１４】
そこで、後述する本発明のレーザ溶接用鉄系溶加材を用いて鋼材同士をレーザ溶接するに当たっては、窒素を主成分とするシールドガスを使用する必要がある。窒素を主成分とするシールドガスを使用すれば、該シールドガスが溶融金属内に巻き込まれたとしても、シールドガス中の窒素分が溶融金属内へ溶解するので、ブローホール欠陥を発生し難くなるからである。
【００１５】
すなわち、例えばアーク溶接では、窒素を主成分とするシールドガスは、窒素がブローホールの原因となるので、殆ど用いられていなかったが、本発明者らがレーザ溶接する際に用いるシールドガスについて検討したところ、レーザ溶接するに当たっては、窒素を主成分とするシールドガスを使用すれば、ブローホールが却って抑制されるという新しい知見を得たのである。
【００１６】
なお、「窒素を主成分とするシールドガス」とは、シールドガス中の窒素含量が50体積％以上のガスを指し、例えば、100％の窒素、或いは、圧縮空気によるシールドガスなどが非限定的に例示される。
【００１７】
本発明の溶加材は、鉄系の溶加材であり、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とＳｉを含有することが重要である。
【００１８】
すなわち、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選出される元素は、溶融金属中に溶解して溶融金属の表面張力を著しく低下させることが知られており、溶融金属の表面張力を低下させることで、溶融金属を溶融池の底方向へ流す駆動力を生じさせる。この駆動力に起因して溶融金属の対流が生じ、該溶加材成分は溶融金属内に均一分散される。また、レーザ溶接時には、溶加材と共に母材（鋼材）の一部も溶融するが、上述した様に、溶融した溶加材成分による表面張力低減作用によって溶加材成分と母材成分の混合も加速され、溶接金属の成分組成は均一になる。
【００１９】
なお、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群に属する同族元素としては、酸素（Ｏ）があり、酸素も溶融金属の表面張力を低下させる作用を有する。ところが、溶融金属の表面張力を低下させる効果は、ＳやＳｅ，Ｔｅに較べて小さく、酸素のみでは溶加材成分を溶融金属内へ均一混合させる程度の駆動力は生じない。しかも、溶融金属内へ溶解させる酸素量を多くしすぎると、ブローホールの発生といった新たな問題が生じる。従って、酸素を溶融金属内へ溶解させて溶融金属の表面張力を低下させ、溶接金属の成分組成を均一にするには、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる元素と併用するのが望ましい。酸素を溶融金属内へ含有させる方法としては、例えば、シールドガス中に酸素源（例えば、酸素ガスやＣＯ₂ガス等）を添加する方法や、フラックスコアドワイヤ内に酸化物をフラックスとして充填する方法などが挙げられる。
【００２０】
また、Ｓｉは、溶融金属の流動性を高める元素であり、溶融金属の流動性が高くなると溶融した溶加材成分が溶融金属内に均一混合され易くなるので、本発明の溶加材では必須元素である。
【００２１】
この様な観点から、本発明のレーザ溶接用鉄系溶加材は、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計で0.03〜0.6％、および、Ｓｉ：1〜8％を含有する必要がある。このように数値範囲を限定した理由を次に示す。
【００２２】
Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計で 0.03 〜 0.6 ％
Ｓ，ＳｅおよびＴｅは、溶融金属の表面張力を低下させる元素であり、溶融金属にこれらのうち１種以上の元素を含有させることで、溶加材成分を溶接金属内へ均一に混合させることができる。但し、溶加材成分を均一混合させるための駆動力を得るには、当該元素が溶融金属へ移行しなければならないが、これらの元素は何れも酸化され易く、シールドガス中に含まれる酸素や、溶接時に巻き込まれる大気中の酸素と反応して容易に消費されるため、溶接金属中への歩留まりが悪い。従って、溶接金属への歩留まりを考慮すると、0.03％以上、好ましくは0.05％以上含有させる必要がある。一方、これらの元素の蒸気圧は何れも比較的高いので、含量が多くなると蒸発量が増大してスパッタ等を多発し、溶接作業性を著しく劣化させる。従って、含量は0.6％以下、好ましくは0.5％以下に抑制する必要がある。
【００２３】
なお、溶融金属の表面張力低減効果は、ＳよりもＳｅやＴｅの方が大きいが、ＳｅやＴｅはＳより酸化され易いばかりでなく蒸気圧も高いため、溶接金属への歩留まりが極めて悪い。そのため溶接金属へ含有させるＳｅやＴｅは、Ｓよりも少量でその添加効果を発揮するが、ＳｅやＴｅの歩留まり率を考慮すると溶加材への含有量はＳと同程度にする必要がある。
【００２４】
また、Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる元素は、それぞれ単独で溶加材へ含有させることにより所期の効果を発揮させることができるが、これらの元素群より任意に選ばれる２種以上を溶加材へ複合添加すると、溶融金属の表面張力低減効果はさらに大きくなる。
【００２５】
Ｓｉ： 1 〜 8 ％
Ｓｉは、鉄系溶融金属の粘性を低下させて流動性を高める元素であり、溶融した溶加材成分が溶融金属内へ均一混合するのを促進する。またＳｉは、強力な脱酸効果を有する元素であり、気泡の発生を防止したり、溶接金属の酸化を抑えて強度低下を防止する。この様な添加効果を得るには、溶加材の全質量に対して1％以上、好ましくは1.1％以上含有させる必要がある。含有量が1％未満では、溶融金属の粘性が充分に低下せず、溶融した溶加材成分が溶融金属内へ充分に混合しないからである。一方、Ｓｉ含量が8％を超えると、溶接金属の靭性が劣化して溶接金属に割れが発生し易くなる。従って、Ｓｉ含量は8％以下、好ましくは7％以下に抑制すべきである。
【００２６】
本発明におけるレーザ溶接用鉄系溶加材の形態は特に限定されず、例えば、コアドワイヤやソリッドワイヤの形態を採用すれば良い。以下、本発明におけるレーザ溶接用鉄系溶加材の具体的な形態について説明する。
【００２７】
本発明におけるレーザ溶接用鉄系溶加材の具体的な形態の一例として、軟鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤが挙げられる。
【００２８】
レーザ溶接用鉄系溶加材が、軟鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤである場合は、前記金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、Ｃ：0.3〜1.2％およびＭｎ：15〜30％を含むものが好ましい。金属粉の成分組成をこの様な範囲に定めた理由は、次に示す通りである。
【００２９】
Ｃ： 0.3 〜 1.2 ％
Ｃは、オーステナイト形成元素であり、溶接金属のオーステナイト化に寄与する元素である。こうしたＣの添加効果を有効に発揮させるには、軟鋼製シース内へ充填される金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、0.3％以上含有することが好ましく、より好ましくは0.4％以上含有することが推奨される。一方、前記金属粉が含有するＣ量の上限は特に限定されないが、金属粉がコアドワイヤの全質量に対して1.2％超のＣを含有しても添加効果は飽和するので、好ましい上限は1.2％、より好ましい上限は1.1％である。
【００３０】
但し、金属粉に含有させるＣ量は、溶接対象となる鋼材（母材）に含まれるＣ量も考慮して定めるのが好ましく、例えば、鋼材中に含まれるＣ量が比較的多い場合は（例えば、Ｃ量が鋼材の全質量に対して0.5〜0.7％程度）、金属粉へコアドワイヤの全質量に対して0.3％程度のＣを含有させることにより溶接金属のオーステナイト化を達成できる。これに対し、鋼材中に含まれるＣ量が比較的少ない場合は（例えば、Ｃ量が鋼材の全質量に対して0.002〜0.03％程度）、溶接金属のオーステナイト化を達成するには、金属粉へコアドワイヤの全質量に対して1.2％程度のＣを含有させるのがよい。
【００３１】
Ｍｎ： 15 〜 30 ％
Ｍｎもオーステナイト形成元素であり、金属粉に適量のＭｎを含有させることで溶接金属の組織はオーステナイト単相組織またはオーステナイトとマルテンサイトの混合組織となり、マルテンサイト変態が抑制されて、低温割れの発生を防止できる。またＭｎは、Ｓと反応してＭｎＳを形成することで、溶接金属の高温割れを抑制する作用も有している。さらにＭｎは、溶融金属内への窒素の溶解度を高めると共に脱酸剤としても作用し、ブローホールの抑制にも寄与する。これらの効果を有効に発揮させるには、金属粉がコアドワイヤの全質量に対して15％以上含有することが好ましい。Ｍｎ量が15％未満では、溶接金属に歩留まるＭｎ量が蒸発等の影響により不足する場合があるからである。特に、溶融金属内への窒素の溶解度を高めてブローホールの発生を抑制するには、金属粉へコアドワイヤの全質量に対して20％以上含有させるのがより好ましい。一方、金属粉へＭｎを多く含有させてもその添加効果は飽和するので、軟鋼製シースに含まれているＭｎ量を考慮すると、金属粉に含有させるＭｎはコアドワイヤの全質量に対して30％以下とするのが好ましく、より好ましくは28％以下である。
【００３２】
なお、前記金属粉は上記化学成分を含有するものであり、残部は基本的に鉄および不可避不純物からなるが、本発明の効果を損なわない範囲で他の元素を含有させても良い。
【００３３】
軟鋼製シース
軟鋼製シースとしては、その成分組成は特に限定されず、公知のものを用いれば良い。また、軟鋼製シースと金属粉の割合や、軟鋼製シース内への金属粉の充填率は特に限定されない。
【００３４】
本発明におけるレーザ溶接用鉄系溶加材の具体的な形態の他の例として、ステンレス鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤが挙げられる。
【００３５】
レーザ溶接用鉄系溶加材が、ステンレス鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤである場合は、前記金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、Ｃ：0.3〜1.2％およびＭｎ：5〜30％を含むものが好ましい。金属粉の成分組成をこの様な範囲に定めた理由は、次に示す通りである。
【００３６】
ステンレス鋼製シース
鋼材同士をレーザ溶接するときに鉄系溶加材を用いる場合、溶込み深さを確保するには、溶加材の供給量が制限される。このため上述したＣ−高Ｍｎ系溶加材（軟鋼製シース内へ金属粉を充填してなるコアドワイヤ）では、溶接金属の組織を完全にオーステナイト化するのが難しいときがあり、溶接金属中にマルテンサイトが生成しやすくなるため靭性不足になり易い。そこで、本発明者らは、鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる溶加材であって、Ｃと高Ｍｎを含有すると共に、溶加材の供給量が少なくても靭性に優れる溶接金属を提供できる溶加材について検討した。その結果、前記軟鋼製シースの代わりにステンレス鋼製シースを使用すれば、溶加材の供給量が少なくても靭性に優れた溶接金属が得られることを知った。ステンレス鋼製シースの種類は特に限定されず、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼製シースやマルテンサイト系ステンレス鋼製シース、フェライト系ステンレス鋼製シース等が挙げられる。そして、更に検討を重ねた結果、ステンレス鋼製シースの中でも、オーステナイト系ステンレス鋼製シースが特に好ましいことを確認した。
【００３７】
すなわち、一般にオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃｒと共に7％程度以上のＮｉを含有しているので、オーステナイト系ステンレス鋼を溶加材のシースとして用いると、このシースから溶接金属へＮｉを添加することができ、溶接金属のオーステナイト化が一層促進される。従って、溶加材の供給量が少なくても溶接金属をオーステナイト化でき、溶接金属の靭性を高めることができるのである。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｎｉの他にＣｒも含有しているので、溶融鉄への窒素の溶解度を高めることができ、そのためブローホールの発生も抑制できる。
【００３８】
なお、ステンレス鋼製シースとしては、その成分組成は特に限定されず、公知のものを用いれば良い。また、ステンレス鋼製シースと金属粉の割合や、ステンレス鋼製シース内への金属粉の充填率は特に限定されない。
【００３９】
Ｃ： 0.3 〜 1.2 ％
Ｃは、オーステナイト形成元素であり、溶接金属のオーステナイト化に寄与する元素である。こうしたＣの添加効果を有効に発揮させるには、ステンレス鋼製シース内へ充填される金属粉が、コアドワイヤの全質量に対して、0.3％以上含有することが好ましく、より好ましくは0.4％以上含有することが推奨される。一方、前記金属粉が含有するＣ量の上限は特に限定されないが、金属粉がコアドワイヤの全質量に対して1.2％超のＣを含有しても添加効果は飽和するので、好ましい上限は1.2％、より好ましい上限は1.1％である。
【００４０】
なお、金属粉に含有させるＣ量は、上述した様に、溶接対象となる鋼材（母材）に含まれるＣ量も考慮して定めるのが好ましい。
【００４１】
Ｍｎ： 5 〜 30 ％
Ｍｎもオーステナイト形成元素であり、金属粉に適量のＭｎを含有させることで溶接金属の組織はオーステナイト単相組織またはオーステナイトとマルテンサイトの混合組織となり、マルテンサイト変態が抑制されて、低温割れの発生を防止できる。またＭｎは、Ｓと反応してＭｎＳを形成することで、溶接金属の高温割れを抑制する作用も有している。さらにＭｎは、溶融金属内への窒素の溶解度を高めると共に脱酸剤としても作用し、ブローホールの抑制にも寄与する。これらの効果を有効に発揮させるには、金属粉がコアドワイヤの全質量に対して5％以上含有することが好ましい。すなわち、シース材としてステンレス鋼を用いた場合であって、特にオーステナイト系ステンレス鋼を用いたときは、該オーステナイト系ステンレス鋼に7％程度以上のＮｉが含まれているので、溶接金属のオーステナイト化が促進される。従って、金属粉が含有するＭｎ量は、シース材として軟鋼を用いるときよりも少なくできる。但し、Ｍｎ量が5％未満では、溶接金属に歩留まるＭｎ量が蒸発等の影響により不足する場合があるからである。特に、溶融金属内への窒素の溶解度を高めてブローホールの発生を抑制するには、金属粉へコアドワイヤの全質量に対して15％以上含有させるのがより好ましい。一方、金属粉へＭｎを多く含有させてもその添加効果は飽和するので、ステンレス鋼製シースに含まれているＭｎ量を考慮すると、金属粉に含有させるＭｎはコアドワイヤの全質量に対して30％以下とするのが好ましく、より好ましくは28％以下である。
【００４２】
なお、前記金属粉は上記化学成分を含有するものであり、残部は基本的に鉄および不可避不純物からなるが、本発明の効果を損なわない範囲で他の元素を含有させても良い。
【００４３】
本発明のコアドワイヤにおいては、上記Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素やＳｉを含有させる部位は特に限定されず、シースおよび／またはシース内へ充填する金属粉に含有させれば良い。
【００４４】
ところで、上記では、レーザ溶接用鉄系溶加材がコアドワイヤの場合について説明したが、コアドワイヤは、ワイヤ供給時におけるワイヤの指向性に若干の問題が生じることがある。すなわち、レーザ溶接時に溶加材としてコアドワイヤを用いると、コアドワイヤはワイヤに残留する応力が原因となって曲がりやすいので、当該ビームからワイヤが脱離しやすく、特にレーザが低出力のときにこの脱離は顕著となる。また、コアドワイヤには、シースに合わせ目（継ぎ目）があるので、この合わせ目から若干の空気がシース内へ入り、シース内の金属粉が吸湿して酸化され、ブローホールの原因になる。さらに、ワイヤの安定供給を目指すと、ワイヤ径は小さい方が好ましいが、コアドワイヤではシース内に金属粉を充填する必要があるので、ワイヤ径には限界がある。
【００４５】
この様な若干の問題を解決するには、レーザ溶接用鉄系溶加材をソリッドワイヤとするのがよい。すなわち、レーザ溶接時のレーザが低出力ビームであっても、ソリッドワイヤであればビームの狙い位置にワイヤを安定して供給することが可能となり、当該ビームからワイヤが脱離し難くなるからである。また、ソリッドワイヤには、シースの合わせ目（継ぎ目）が無いので金属粉の吸湿といった不具合も生じない。さらに、金属粉を用いていないので、ワイヤ径も小さくできる。
【００４６】
本発明におけるレーザ溶接用鉄系溶加材が、ソリッドワイヤの場合は、ソリッドワイヤの全質量に対して、Ｃ：0.10〜1.2％、Ｍｎ：5〜40％、Ｎｉ：5〜15％、Ｃｒ：20％以下（0％を含む）を含有するものが好ましい。ソリッドワイヤの成分組成をこの様な範囲に定めた理由は、下記の通りである。
【００４７】
Ｃ： 0.10 〜 1.2 ％
Ｃは、オーステナイト形成元素であり、溶接金属のオーステナイト化に寄与する元素である。こうしたＣの添加効果を有効に発揮させるには、ソリッドワイヤの全質量に対して、0.10％以上含有することが好ましく、より好ましくは0.2％以上含有することが推奨される。一方、Ｃ量の上限は特に限定されないが、ソリッドワイヤの全質量に対して1.2％超のＣを含有しても添加効果は飽和するので、好ましい上限は1.2％、より好ましい上限は1.1％である。
【００４８】
但し、ソリッドワイヤに含有させるＣ量は、上述した様に、溶接対象となる鋼材（母材）に含まれるＣ量も考慮して定めるのが好ましい。
【００４９】
Ｍｎ： 5 〜 40 ％
Ｍｎもオーステナイト形成元素であり、ソリッドワイヤに適量のＭｎを含有させることで溶接金属の組織はオーステナイト単相組織またはオーステナイトとマルテンサイトの混合組織となり、マルテンサイト変態が抑制されて、低温割れの発生を防止できる。またＭｎは、Ｓと反応してＭｎＳを形成することで、溶接金属の高温割れを抑制する作用も有している。さらにＭｎは、溶融金属内への窒素の溶解度を高めると共に脱酸剤としても作用し、ブローホールの抑制にも寄与する。これらの効果を有効に発揮させるには、ソリッドワイヤの全質量に対して5％以上含有することが好ましい。Ｍｎ量が5％未満では、溶接金属に歩留まるＭｎ量が蒸発等の影響により不足する場合があるからである。特に、溶融金属内への窒素の溶解度を高めてブローホールの発生を抑制するには、ソリッドワイヤの全質量に対して10％以上含有させるのがより好ましい。一方、Ｍｎの添加効果は約40％で飽和すると共に、Ｍｎ量がそれ以上になると伸線性が劣化して、ソリッドワイヤ自体の製造が困難になるので、含量は40％以下とするのが好ましく、より好ましくは35％以下に抑えれば良い。
【００５０】
Ｎｉ： 5 〜 15 ％
Ｎｉは、溶接金属のオーステナイト化を促進すると共に、溶接金属の靭性を高める元素である。従って、Ｎｉを含有させることにより溶接金属の低温割れ防止効果がより高まる。その効果を発揮させるには、溶接金属内への歩留まりを考慮すると、ソリッドワイヤの全質量に対して5％以上含有させることが好ましく、より好ましくは6％以上含有させるのが推奨される。しかし、15％を超えて含有させてもその添加効果は飽和すると共に、経済的に無駄となるので、好ましくは15％以下、より好ましくは14％以下に抑えるのが望ましい。
【００５１】
Ｃｒ： 20 ％以下（ 0 ％を含む）
Ｃｒは、溶接金属の耐食性を高めると共に、溶融鉄中への窒素の溶解度を高める元素である。溶融金属内へＣｒを溶解させると、窒素吸収作用によってブローホールの発生を防止できる。しかし、Ｃｒはフェライト形成元素であるため溶接金属のオーステナイト化を阻害し、溶接金属の靭性を劣化させる。従って、Ｃｒ含量は20％以下に抑えるのが好ましく、より好ましくは18％以下に抑えるのが推奨される。なお、Ｃｒを含有させるときの下限値は特に限定されないが、溶融鉄中への窒素の溶解度向上作用によりブローホールの発生を防止するには、5％以上含有させることが望まれる。
【００５２】
なお、前記ソリッドワイヤは上記化学成分を含有するものであり、残部は基本的に鉄および不可避不純物からなるが、本発明の効果を損なわない範囲で他の元素を含有させても良い。
【００５３】
本発明で溶接の対象となる鋼材は、特に限定されるものでなく、機械構造用炭素鋼や合金鋼材（例えば、Ｎｉ−Ｃｒ鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｍｎ鋼、Ｍｎ−Ｃｒ鋼など）を用いたり、圧延鋼材として、一般構造用圧延鋼材や、溶接構造用圧延鋼材、建築構造用圧延鋼材などを用いることができる。
【００５４】
また、溶接方法としては、熱源としてレーザを用いるものであれば特に限定されず、例えば、汎用されているＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を熱源として用いるレーザ溶接法を採用できる。
【００５５】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５６】
実施例１
鋼材（鋼種：ＪＩＳ規格ＳＭ４９０）同士を、鉄系溶加材を用いてレーザ溶接した。鋼材の大きさは、Ｗ：100ｍｍ×Ｌ：300ｍｍ×Ｔ：12ｍｍである。
【００５７】
レーザ溶接に用いた鉄系溶加材は、軟鋼製シース内に金属粉を充填してなるコアドワイヤであり、その成分組成を表１に示す。但し、表１に示したＣおよびＭｎ量は、軟鋼製シースへ充填した金属粉が含有する量であり、その他の元素は軟鋼製シースおよび該軟鋼製シースへ充填した金属粉が含有する合計量であり、何れもコアドワイヤの全質量に対する割合である。なお、ワイヤ径はφ1.2ｍｍである。
【００５８】
【表１】

【００５９】
レーザ溶接は突き合わせ溶接とし、溶接条件は次の通りとした。なお、レーザ溶接時に用いたシールドガスの種類は表２に示した。
【００６０】
＜レーザ溶接条件＞
・レーザの種類：ＣＯ₂
・溶接速度：1.5ｍ／ｍｉｎ
・出力：8ｋＷ
・シールドガス流量：20Ｌ／ｍｉｎ
・溶接材料供給速度：1〜4ｍ／ｍｉｎ
【００６１】
レーザ溶接時の様子を図１に示す。図中、１は母材（鋼材）、２は溶接材料、３はレーザ取出ノズル、４はレーザビーム、５は溶接ビード、６は溶加材供給トーチを夫々示しており、母材は図中に示した矢印７の方向へ移動している。すなわち、母材の移動速度が上記溶接速度となる。
【００６２】
レーザ溶接時における溶接作業性を評価すると共に、得られた溶接金属内に生じた低温割れの有無およびブローホール数を測定した。
【００６３】
溶接作業性は、目視にてスパッタ、ヒュームの発生程度を観察して評価した。評価結果を表２に示す。表中、○は溶接作業性良好、×は溶接作業性不良、である。
【００６４】
溶接金属内に生じた低温割れの有無およびブローホール数は、溶接金属部のＸ線検査、断面検査および浸透探傷検査で確認した。溶接金属内に生じた低温割れの有無を観察した結果を表２に示す。表中、○は低温割れが無い場合、×は低温割れが有る場合、を夫々示している。
【００６５】
溶接金属内に生じたブローホール数は、ビード30mm長さあたりのブローホール数（個／30ｍｍ）を算出し、ブローホール数が24個以下の場合を合格、25個以上の場合を不合格とした。評価結果を表２に示す。なお、ブローホール数は、下記に示す様にランク分けして評価している。
【００６６】
＜ランク分け＞
◎◎：ブローホール数が0個（合格）
◎ ：ブローホール数が1〜5個（合格）
○○：ブローホール数が6〜10個（合格）
○ ：ブローホール数が11〜24個（合格）
× ：ブローホール数が25個以上（不合格）
【００６７】
溶接金属内に低温割れが認められず、ブローホール数が24個以下（合格）の試験片については、さらに溶接金属断面の硬度を測定し、特性のバラツキを調べた。特性のバラツキとは、溶接金属の中央部を0.5ｍｍ間隔でビッカース硬度を測定（荷重200g）し、硬度の最大値と最小値の差が300以下のものをバラツキ無し（○）、300超のものをバラツキ有り（×）とした。評価結果を表２に示す。
【００６８】
【表２】

【００６９】
表２から次の様に考察できる。
【００７０】
No.1〜3は、本発明の要件を満足する例であり、溶接作業性が良好であると共に、溶接金属に低温割れは観察されなかった。また、レーザ溶接時にシールドガスとして窒素を主成分とするガスを用いているので、ブローホールの発生数も少ない。さらに、溶接金属断面における硬度バラツキが少ない。特に、溶加材へ含有させるＭｎ量を20％以上とした場合は、ブローホール抑制効果が大きいことがわかる。
【００７１】
No.4〜12は、本発明で規定する何れかの要件を満足しない例であり、溶接作業性不良、低温割れ発生、ブローホール発生、特性のバラツキ発生のうち少なくとも一つが認められる。
【００７２】
すなわち、No.4と5は、溶加材に含有させるＣ量またはＭｎ量が本発明で規定する範囲から逸脱し、少ない場合の例であり、溶接金属の靭性が低下して低温割れが発生している。
【００７３】
No.6と7は、溶加材に含有させるＳｉ量が本発明で規定する範囲から外れる例である。No.6は、Ｓｉ含量が少なく、溶加材成分が溶接金属内に均一に混合しないので、溶接金属の特性にバラツキを生じている。No.7は、Ｓｉ含量が多く、溶接金属の靭性が低下して低温割れが発生した。
【００７４】
No.8と9は、溶加材として含有するＳ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる元素の含量が、本発明で規定する範囲から外れる例である。No.8は、前記含量が少ないので、溶融金属へ溶加材成分が均一混合せず、溶接金属の特性にバラツキが生じた。No.9は、前記含量が多いので、溶接作業性が悪かった。
【００７５】
No.10は、シールドガスの影響を示す例であり、溶加材の成分組成は本発明の要件を満足しているが、シールドガスとしてＡｒを用いているので、ブローホールが多量に発生している。
【００７６】
No.11〜12は、溶加材を用いずレーザ溶接した例であり、低温割れが発生している。特にNo.12は、シールドガスとしてＡｒを用いているので、ブローホールが多量に発生している。
【００７７】
実施例２
成分組成の異なる鋼材（ＳＭ４９０とＳ４５Ｃ）同士を、鉄系溶加材を用いてレーザ溶接した。ＳＭ４９０とＳ４５Ｃの大きさは、Ｗ：100ｍｍ×Ｌ：500ｍｍ×Ｔ：20ｍｍである。
【００７８】
レーザ溶接に用いた鉄系溶加材は、オーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４）製シース内に金属粉を充填してなるコアドワイヤであり、その成分組成を表３に示す。表３に示したＣおよびＭｎ量は、オーステナイト系ステンレス鋼製シースへ充填した金属粉が含有する量であり、その他の元素はオーステナイト系ステンレス鋼製シースおよび該オーステナイト系ステンレス鋼製シースへ充填した金属粉が含有する合計量であり、何れもコアドワイヤの全質量に対する割合である。なお、ワイヤ径はφ1.2ｍｍである。
【００７９】
【表３】

【００８０】
レーザ溶接は突き合わせ溶接とし、溶接条件は次の通りとした。なお、レーザ溶接時に用いたシールドガスの種類は表４に示した。また、レーザ溶接時の様子は前記図１と同じである。
【００８１】
＜レーザ溶接条件＞
・レーザの種類：ＹＡＧ
・溶接速度：1ｍ／ｍｉｎ
・出力：4ｋＷ
・シールドガス流量：20Ｌ／ｍｉｎ
・溶接材料供給速度：1〜4ｍ／ｍｉｎ
【００８２】
前記実施例１と同様に、溶接作業性、溶接金属内に生じた低温割れの有無、溶接金属内に生じたブローホール数、特性のバラツキについて測定し、測定結果を表４に示す。
【００８３】
【表４】

【００８４】
表４から次の様に考察できる。
【００８５】
実施例２では、シールドガスとして不活性ガスを含まない窒素を主成分とするガスをレーザ溶接時に用いているので、ブローホールの発生を抑制できている。
【００８６】
No.13〜17は、本発明の要件を満足する例であり、溶接作業性が良好であると共に、溶接金属に低温割れは観察されなかった。また、溶接金属断面における硬度バラツキが少ない。なお、No.17は、シース材としてＮｉを含まない13Ｃｒ鋼を用い、金属粉としてＮｉを含有させたが、溶加材の全質量に対してＮｉ量を適切に調整してやれば、シース材としてＮｉを含有させる場合（No.13〜16）と同等の効果が得られることが分かった。また、溶加材へ含有させるＭｎ量を15％以上とした場合は、ブローホール抑制効果が大きいことがわかる。
【００８７】
No.18〜22は、本発明で規定する何れかの要件を満足しない例であり、溶接作業性不良、低温割れ発生、特性のバラツキ発生のうち少なくとも一つが認められる。
【００８８】
すなわち、No.18は、溶加材に含有させるＣ量とＳｉ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｃ含量が本発明で規定する範囲より少なく、さらにはＳｉ量が本発明で規定する範囲より多いため溶接金属の靭性が低下して低温割れが発生している。
【００８９】
No.19は、溶加材として含有するＳｉ量が少なく、溶加材成分が溶接金属内に均一に混合しないので、溶接金属の特性にバラツキを生じている。
【００９０】
No.20は、溶加材として含有させるＭｎ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｍｎ含量が本発明で規定する範囲より少ないため溶接金属の靭性が低下して低温割れが発生している。
【００９１】
No.21〜22は、溶加材に含有させるＳ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる元素の含量が、本発明で規定する範囲から外れる例である。No.21は、前記含量が多いので、溶接作業性が悪かった。No.22は、前記含量が少ないので、溶融金属へ溶加材成分が均一混合せず、溶接金属の特性にバラツキが生じた。
【００９２】
実施例３
鋼材（ＳＳ４００）同士を、鉄系溶加材を用いてレーザ溶接した。鋼材の大きさは、Ｗ：100ｍｍ×Ｌ：500ｍｍ×Ｔ：9ｍｍである。
【００９３】
レーザ溶接に用いた鉄系溶加材は、ソリッドワイヤであり、その成分組成を表５に示す。なお、ワイヤ径はφ1ｍｍである。
【００９４】
【表５】

【００９５】
レーザ溶接は突き合わせ溶接とし、溶接条件は次の通りとした。シールドガスとしては、不活性ガスを含まない窒素ガスを用いた。また、レーザ溶接時の様子は前記図１と同じである。
【００９６】
＜レーザ溶接条件＞
・レーザの種類：ＹＡＧ
・溶接速度：2ｍ／ｍｉｎ
・出力：4.5ｋＷ
・シールドガス流量：20Ｌ／ｍｉｎ
・溶接材料供給速度：1〜4ｍ／ｍｉｎ
【００９７】
前記実施例１と同様に、溶接作業性、溶接金属内に生じた低温割れの有無、溶接金属内に生じたブローホール数、特性のバラツキについて測定し、評価結果を表６に示す。
【００９８】
【表６】

【００９９】
表６から次の様に考察できる。
【０１００】
実施例３では、シールドガスとして不活性ガスを含まない窒素ガスをレーザ溶接時に用いているので、ブローホールの発生を抑制できている。
【０１０１】
No.23〜27は、本発明の要件を満足する例であり、溶接作業性が良好であると共に、溶接金属に低温割れは観察されなかった。また、溶接金属断面における硬度バラツキが少ない。特に、溶加材へ含有させるＭｎ量を10％以上、Ｃｒ量を5％以上とした場合は、ブローホール抑制効果が大きいことがわかる。
【０１０２】
No.28〜33は、本発明で規定する何れかの要件を満足しない例であり、溶接作業性不良、低温割れ発生、特性のバラツキ発生のうち少なくとも一つが認められる。
【０１０３】
すなわち、No.28は、溶加材として含有するＣ，Ｍｎ，Ｓｉ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｃ，Ｍｎ含量が前記範囲より少ないため溶接金属部の靭性が低下して低温割れが発生している。なお、溶接金属部の断面における硬度を測定し、特性のバラツキを調べたところ、Ｓｉ含量が少ないため硬度バラツキが大きかった。
【０１０４】
No.29は、溶加材として含有するＳｉ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｓｉ含量が多いため溶接金属部の靭性が低下して低温割れが発生した。
【０１０５】
No.30は、溶加材として含有するＣｒ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｃｒ量が多いため溶接金属部を充分にオーステナイト化できず、溶接金属部の靭性が低下して低温割れが発生した。
【０１０６】
No.31は、溶加材として含有するＮｉ量が本発明で規定する範囲から外れる例であり、Ｎｉ量が少ないため溶接金属部をオーステナイト化できず、溶接金属部の靭性が低下して低温割れが発生した。
【０１０７】
No.32〜33は、溶加材として含有するＳ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる元素の含量が、本発明で規定する範囲から外れる例である。No.32は、前記含量が多いので、溶接作業性が悪かった。No.33は、前記含量が少ないので、溶融金属へ溶加材成分が均一混合せず、溶接金属の特性にバラツキが生じた。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明によれば、鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる鉄系溶加材であって、溶接作業性が良好であると共に、溶接金属部の成分組成を均一にすることにより特性のバラツキを低減して、高靭性の溶接金属を確実に得、さらにはブローホール欠陥の少ない健全な溶接金属を得ることのできるレーザ溶接用鉄系溶加材を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ溶接時の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１母材（鋼材）
２溶接材料
３レーザ取出ノズル
４レーザビーム
５溶接ビード
６溶加材供給トーチ

Claims

窒素を主成分とするシールドガスを用いて鋼材同士をレーザ溶接する際に用いる鉄系溶加材であって、
Ｓ，ＳｅおよびＴｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計で０．０３〜０．６％（溶加材の全質量に対する「質量％」の意味、溶加材については以下同じ）、
Ｓｉ：１〜８％、
Ｃ：０．１０〜１．２％、
Ｍｎ：５〜４０％、
Ｎｉ：５〜１５％、および、
Ｃｒ：２０％以下（０％を含む）を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とするレーザ溶接用鉄系溶加材。
請求項１に記載のレーザ溶接用鉄系溶加材が、ソリッドワイヤであるレーザ溶接用鉄系溶加材。