JP3941755B2

JP3941755B2 - 炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤおよびそれを用いた溶接方法

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Description

本発明は、最も安定な溶滴の移行形態とされるスプレー移行が得られる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（以下、溶接用鋼ワイヤという）とそれを用いた溶接方法に係り、特に溶接用鋼ワイヤを正極（すなわちマイナス極）側で使用してもスプレー移行が得られ、その結果、スパッタの発生を抑制し、しかも優れたビード形状が得られる溶接用鋼ワイヤとそれを用いた溶接方法に関する。

シールドガスとしてＣＯ₂ガスを用いるガスシールドアーク溶接は、ＣＯ₂ガスが安価であるとともに、能率の良い溶接法であるので、鉄鋼材料の溶接に広く利用されている。特に自動溶接の急速な普及によって、造船，建築，橋梁，自動車，建設機械等の種々の分野で使用されている。造船，建築，橋梁の分野では厚板の高電流多層溶接に使用され、自動車，建築機械の分野では薄板の隅肉溶接に使用されることが多い。

ArガスとＣＯ₂ガスとの混合ガス（ＣＯ₂の混合比率：２〜40体積％）をシールドガスとする溶接法（いわゆる混合ガスアーク溶接）は、溶滴が溶接ワイヤの直径よりも小さい微細なスプレー移行が可能となる。この溶滴のスプレー移行は、溶滴移行形態の中で最も優れており、スパッタの発生が少なく、溶接のビード形状が優れ、かつ溶接速度の向上にも適していることが知られている。そのため混合ガスアーク溶接は、高品質な溶接を必要とする分野で利用されている。

しかしながらArガスのコストは、ＣＯ₂ガスの５倍と高価であるから、実際の溶接施工においてはArガスの使用量を削減して、ＣＯ₂ガスの混合比率を50体積％以上とした混合ガスをシールドガスとして使用する場合が多い。このようなＣＯ₂ガスの混合比率が50体積％以上のシールドガスを用いると、混合ガスアーク溶接（シールドガスのＣＯ₂混合比率：２〜40体積％）に比べて10〜20倍の粗大な溶滴が溶接ワイヤ先端に懸垂し、アーク力によって揺れ動きながら移行（いわゆるグロビュール移行）する。このようなグロビュール移行が生じると、母材（すなわち鋼板）との短絡や再アークによるスパッタが多量に発生し、ビード形状が安定しない。特に高速溶接においては、ビード形状が凹凸（いわゆるハンピングビード）になりやすいという問題があった。

この問題点に対して、Ｋの添加によってスパッタ発生量を低減する方法が特開平6-218574号公報に開示されている。しかしこの技術では、溶接速度を増加する場合やシールドガス中のＣＯ₂を50体積％以上に増加する場合には、必ずしもスパッタ発生量の低減やビード形状の安定の効果は得られなかった。

また特開平7-47473 号公報，特開平7-290241号公報には、１溶滴の移行時間内に１パルスを発生させて、スパッタを低減する炭酸ガスパルスアーク溶接方法が提案されている。これらの技術は、Ar−５〜25体積％ＣＯ₂からなる混合ガスをシールドガスとして用い、１溶滴１パルスで溶接を行なうものである。つまり、Ar−５〜25体積％ＣＯ₂からなる混合ガスを用いる場合には、溶滴が微細であり，強力な下向きのプラズマ気流によりピーク期間での溶滴成長とベース期間での溶滴移行が効率良く行なえる。また、１溶滴の形成に要する時間も１〜２msと短く、１パルスで１溶滴が移行しなかったとしても、次のパルスで移行すれば大きな溶滴が溶接ワイヤ先端に懸垂することはなく、パルスによってスパッタの低減効果が発揮される。

しかし、特開平7-47473 号公報，特開平7-290241号公報に開示されたＣＯ₂を主成分とするシールドガス（シールドガスのＣＯ₂混合比率：50体積％以上）を用いる炭酸ガスシールドアーク溶接での溶滴は粗大で、下向きのプラズマ気流は弱く、溶滴の移行はパルスピーク期間の前半で生じる。炭酸ガスシールドアークパルス溶接では、ピーク期間中盤から後半にかけて溶滴が成長し、ベース期間では常に溶滴が溶接ワイヤ先端に懸垂した状態となり、次のピーク期間前半で溶滴が鋼板側へ移行するのが理想と考えられている。１溶滴を形成する期間は10〜20msと長く、１パルスで１溶滴が移行しなかった場合、次のパルスで移行するが、その間、粗大な溶滴が溶接ワイヤ先端に懸垂することになり、短絡等によって粗大なスパッタを多量に発生させる。炭酸ガスシールドアーク溶接法では、溶滴の移行間隔が不安定であり、１溶滴の移行時間に合わせて１パルスを安定に発生させるのは困難である。

また本発明者らは、本発明よりも先に、特開2002-144081 号公報に開示される「ＭＡＧ溶接用鋼ワイヤおよびそれを用いたＭＡＧ溶接法」を開発している。しかしこの技術は、溶接部にギャップがある薄鋼板の低電流溶接（すなわち 250Ａ以下）を対象としており、炭酸ガスシールドアーク溶接における高電流溶接（すなわち 250Ａ超え）では十分なアーク安定の効果が得られない。

また特開昭63-281796 号公報には、希土類元素（以下、REM という）の添加による炭酸ガスシールドアーク溶接のアーク安定化技術が開示されている。しかし特開昭63-281796 号公報には、本発明の最も大きな特徴である溶接用鋼ワイヤを正極性で使用する点について開示がない。通常、溶接用鋼ワイヤが正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接では、逆極性（すなわち溶接用鋼ワイヤがプラス極）の場合の溶滴よりもさらに粗大な溶滴が形成され、大きな短絡によって粗大なスパッタが生じる。しかも、溶滴の移行が粗いためにビード形状が不揃いになり、鋼板側の発熱が少なく、溶け込みが浅いのでオーバーラップによる溶接欠陥を発生しやすい。よって、通常は炭酸ガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤを正極側で使用するという発想はなく、逆極性として炭酸ガスシールドアーク溶接を行なっている。

ところが特開昭63-281796 号公報には極性に関する記述はないが、通常の炭酸ガスシールドアーク溶接で採用される逆極性の場合は、REM 添加によってアークの緊縮と反発により大粒のスパッタを増すことが知られており、REM を添加してもアーク安定化効果は得られない。一方、正極性の場合には、本発明の特徴であるアークの安定化に必要な添加元素（すなわちＰ，Ｓ）や正極性における溶滴移行のスプレー化とアーク安定化効果を低下させる元素（すなわちＯ）に関する重要な技術の開示、および製鋼におけるREM の歩留りを低下させる元素（すなわちＯ）に関する開示がなく、炭酸ガスシールドアーク溶接における十分なアーク安定化効果と鋼素線の優れた製造性は得られない。

上記のようにArガスへのＣＯ₂ガスの混合比率が40体積％を超えるシールドガスを用いると、通常の混合ガス（ＣＯ₂の混合比率：２〜40体積％）を用いた場合に比べて、粗大な溶滴が溶接用鋼ワイヤ先端に懸垂し、アーク力によって揺れ動く。その結果、高速溶接では母材（すなわち鋼板）との不規則な短絡や再アークによるスパッタが増加し、ビード形状が不安定になるという問題があった。ＣＯ₂ガスを主成分（ＣＯ₂の混合比率：40体積％超え）とするシールドガスを用いる場合は、このような問題を解決するために、溶滴のスプレー移行を達成する必要がある。

ところが通常の混合ガス（ＣＯ₂の混合比率：２〜40体積％）では、溶滴のスプレー移行は可能であるが、ＣＯ₂ガスを主成分（ＣＯ₂の混合比率：40体積％超え）とするシールドガスでは、スプレー移行を達成することは極めて困難であった。
特開平6-218574号公報特開平7-47473 号公報特開平7-290241号公報特開2002-144081 号公報特開昭63-281796 号公報

本発明は上記の問題に鑑み開発されたもので、ＣＯ₂ガスを主成分とするシールドガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接において、溶滴のスプレー移行を可能とし、高入熱溶接を行なってもスパッタ発生の低減のみならず、優れた製造性が得られる溶接用鋼ワイヤと、それを用いた溶接方法を提供することを目的とする。

なお通常の炭酸ガスシールドアーク溶接では主にArガス，Ｏ₂とＣＯ₂ガスとを混合したシールドガス（ＣＯ₂の混合比率：２〜40体積％）を用いるが、本発明では、ＣＯ₂ガスを主成分（すなわちＣＯ₂の混合比率：60体積％超え）とするシールドガスを使用する。したがって本発明における炭酸ガスシールドアーク溶接とは、ＣＯ₂の混合比率が60体積％以上となるようにArガスとＣＯ₂ガスとを混合したシールドガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接を指す。

本発明者らは、ArガスとＣＯ₂ガスとの混合ガスであってＣＯ₂を主成分（すなわちＣＯ₂の混合比率：60体積％超え）とするシールドガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接において、溶滴のスプレー移行を可能とし、スパッタ発生量を低減しかつビード形状を改善する技術について鋭意検討した。その結果、以下に述べる知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

(a) 溶接用鋼ワイヤをマイナス極とする正極性の溶接を行なうことによって、溶滴は粗大ではあるが、安定した移行が可能となる。

(b) 溶接用鋼ワイヤの鋼素線に REMを添加することによって、低電圧領域でのアーク切れを防止し、溶滴の安定した移行が可能となり、しかも溶け込みを確保してビードの平滑化が可能となる。

(c) 溶接用鋼ワイヤの鋼素線に REMを添加し、さらにＰ，Ｓ，Ｏの含有量を規定することによって、陰極におけるアーク発生点を集中かつ安定させることが可能となる。

(d) 溶接用鋼ワイヤの鋼素線の REM含有量とＯ含有量が、下記の (1)式で算出されるＤ値が0.00以上になるように調整することによって、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でのREM 歩留りを向上させ、優れた製造性を確保することが可能となる。

Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線の希土類元素含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
すなわち本発明は、正極性炭酸ガスシールドアーク溶接に使用する溶接用鋼ワイヤであって、Ｃ：0.20質量％以下，Si：0.05〜2.5 質量％，Mn：0.25〜3.5 質量％，Ｏ：0.0010〜0.0080質量％，希土類元素： 0.025〜0.100 質量％，Ｐ：0.05質量％以下，Ｓ：0.05質量％以下，Ca： 0.003質量％以下に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％および／またはAl：0.02〜0.24質量％を含有するとともに、必要に応じてCr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.2 質量％，Nb： 0.005〜0.5 質量％およびＶ： 0.005〜0.5 質量％の中から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、かつ下記の (1)式で算出されるＤ値が0.00以上である鋼素線からなる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤである。

Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線の希土類元素含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
また本発明は、炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、Ｃ：0.20質量％以下，Si：0.05〜2.5 質量％，Mn：0.25〜3.5 質量％，Ｏ：0.0010〜0.0080質量％，希土類元素： 0.025〜0.100 質量％，Ｐ：0.05質量％以下，Ｓ：0.05質量％以下，Ca： 0.003質量％以下に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％および／またはAl：0.02〜0.24質量％を含有するとともに、必要に応じてCr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.2 質量％，Nb： 0.005〜0.5 質量％およびＶ： 0.005〜0.5 質量％の中から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、かつ下記の (1)式で算出されるＤ値が0.00以上である鋼素線からなる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを使用し、ＣＯ₂，Ｏ₂とArとを混合してＣＯ₂濃度を60体積％以上とした混合ガスを用いてアーク点をシールドし、正極性で溶接を行なう炭酸ガスシールドアーク溶接方法である。

Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線の希土類元素含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
前記した炭酸ガスシールドアーク溶接方法の発明では、混合ガスのＣＯ₂濃度が 100体積％（ＪＩＳ K1106）であることが好ましい。

なお、ここで鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤとは、溶接用フラックスを内装せず、素材となる鋼素線を主体とするワイヤ（いわゆるソリッドワイヤ）を指す。また本発明は、鋼素線の表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布したソリッドワイヤにも支障なく適用できる。

本発明によれば、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接において不可能とされてきたスプレー移行を達成できるので、スパッタ発生量を低減しかつビード形状を改善でき、安定した厚鋼板継手溶接が可能となる。

まず本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（すなわち溶接用鋼ワイヤ）の鋼素線の成分の限定理由について説明する。

Ｃ：0.20質量％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させ流動性を向上させる効果がある。しかしＣ含有量が0.20質量％を超えると、溶滴および溶融メタルの挙動が不安定となるのみならず、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Ｃは0.20質量％以下とした。一方、Ｃ含有量を過剰に減少させると溶接金属の強度を確保できない。そのため、 0.003〜0.20質量％とするのが好ましい。なお、0.01〜0.10質量％が一層好ましい。

Si：0.05〜2.5 質量％
Siは、脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Si含有量が0.05質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブロー欠陥が発生する。一方、 2.5質量％を超えると、溶接金属の靱性が著しく低下する。したがって、Siは0.05〜2.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。さらに正極性（すなわち溶接用鋼ワイヤをマイナス極）の炭酸ガスシールドアーク溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴の移行回数を増大させるためには、0.25質量％以上が望ましい。そのため、0.25〜2.5 質量％とするのが好ましい。

Mn：0.25〜3.5 質量％
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Mn含有量が0.25質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する。一方、 3.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Mnは0.25〜3.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。なお、溶融メタルの脱酸を促進し、ブローホールを防止するためには、0.45質量％以上が望ましい。そのため、0.45〜3.5 質量％とするのが好ましい。

REM ： 0.025〜0.100 質量％
REM は、製鋼および鋳造時の介在物の微細化，溶接金属の靱性改善のために有効な元素である。ただし、通常の逆極性（すなわち溶接用鋼ワイヤをプラス極）の炭酸ガスシールドアーク溶接においては、鋼素線中にREM を添加するとアークの集中が生じて、スパッタを低減する効果が得られない。しかし正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においては、溶滴移行を安定化するために不可欠な元素である。REM 含有量が 0.025質量％未満では、この溶滴移行の安定化効果が得られない。一方、 0.100質量％を超えると、溶接用鋼ワイヤの製造工程で割れが生じたり、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、REM は 0.025〜0.100 質量％の範囲内を満足する必要がある。

ここで REMとは、周期表の３族に属する元素の総称である。本発明では、原子番号57〜71の元素を使用するのが好ましく、特にCe，Laが好適である。Ce，Laを鋼素線に添加する場合は、CeまたはLaを単独で添加しても良いし、CeおよびLaを併用しても良い。なお、CeおよびLaを添加する場合は、あらかじめCe：45〜80質量％，La：10〜45質量％の範囲内で混合して得られた混合物（たとえばミッシュメタル）を使用するのが好ましい。

Ｐ：0.05質量％以下
Ｐは、鋼の融点を低下させるとともに、電気抵抗率を向上させ、溶融効率を向上させる元素である。さらに正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接において、溶滴を微細化し、アークを安定化する作用も有する。しかしＰ含有量が0.05質量％を超えると、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接において溶融メタルの粘性が著しく低下し、アークが不安定となり、小粒のスパッタが増加する。また、溶接金属の高温割れを生じる危険性が増大する。したがって、Ｐは0.05質量％以下とした。なお、好ましくは0.03質量％以下である。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でＰを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点から 0.002質量％以上が望ましい。そのため、 0.002〜0.03質量％とするのが好ましい。

Ｓ：0.05質量％以下
Ｓは、溶融メタルの粘性を低下させ、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進し、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においてアークを安定化する。またＳは、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においてアークを広げ、溶融メタルの粘性を低下させてビードを平滑にする効果も有する。しかしＳ含有量が0.05質量％を超えると、小粒のスパッタが増加するとともに、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓは0.05質量％以下とした。なお、好ましくは0.02質量％以下である。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でＳを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点から 0.002質量％以上が望ましい。そのため、 0.002〜0.02質量％とするのが好ましい。

Ｏ：0.0010〜0.0080質量％
Ｏは、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴に発生するアーク点を不安定にし、溶滴を微細化する作用がある。Ｏ含有量が、0.0010質量％未満では、そのような効果は得られない。一方、 0.0080質量％を超えると、正極性の高電流溶接におけるアークの安定化というREM 添加の効果が損なわれ、溶滴の揺動が増大してスパッタが多量に発生する。またＯは、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階で REMと激しく反応してスラグを形成する作用を有しており、Ｏ含有量が0.0080質量％を超えると、REM の歩留りが著しく低下する。したがって、Ｏは0.0010〜0.0080質量％の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは0.0010〜0.0050質量％である。

さらに、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階で REMの歩留り向上と均一分布を達成するためには、REM 含有量とＯ含有量を用いて下記の (1)式で算出されるＤ値が、 (2)式を満足する必要がある。

Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線のREM 含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
Ｄ≧0.00 ・・・ (2)
なおＤ値は、好ましくはＤ≧0.05である。

Ca： 0.003質量％以下
Caは、製鋼および鋳造時に不純物として溶鋼に混入したり、あるいは伸線加工時に不純物として鋼素線に混入する。正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接では、Ca含有量が 0.003質量％を超えると、高電流溶接におけるアークの安定化というREM 添加の効果とＯ添加による溶滴の微細化効果が損なわれる。したがって、Caは 0.003質量％以下とする。
Ti，Alは、いずれも強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。このような効果を有する故に 350Ａ以上の高電流溶接において有効な元素である。Tiが0.02質量％未満，Alが0.02質量％未満では、この効果は得られない。一方、 Tiが0.50質量％を超える場合，Alが0.24質量％を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが多量に発生する。したがって、Ti，Alは、Ti：0.02〜0.50質量％，Al：0.02〜0.24質量％の範囲内を満足する必要がある。

上記した成分に加えて、本発明では下記の元素を鋼素線に添加することができる。
Ｋ：0.0001〜0.015 質量％
Ｋは、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においてアークを広げ、スプレー移行の低電流化を促進し、溶滴を微細化する効果を有する。そこで、必要に応じて鋼素線に添加する。Ｋ含有量が0.0001質量％未満では、この効果は得られない。一方、 0.015質量％を超えると、アーク長が長くなり、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴が不安定となり、スパッタの発生量が増加する。したがって、Ｋは0.0001〜0.015 質量％の範囲内を満足するのが好ましい。なお、好ましくは0.0003〜0.003 質量％である。

またＫは、沸点が約 760℃と低いので、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でＫを添加すると、歩留りが著しく低下する。そのためＫは、溶接用鋼ワイヤの製造段階で、鋼素線の表面にカリウム塩溶液を塗布して焼鈍を行なうことによって、溶接用鋼ワイヤ内部にＫを安定して含有させるのが好ましい。

さらに本発明では上記した組成に加えて、鋼素線が、Zr：0.02〜0.50質量％を含有することが好ましい。その理由について説明する。

Zrは、強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。このような効果を有する故に 350Ａ以上の高電流溶接において有効な元素であり、必要に応じて添加する。Zrが0.02質量％未満では、この効果は得られない。一方、Zrが0.50質量％を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが多量に発生する。したがって、Zrを含有する場合は、Zr：0.02〜0.50質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

さらに必要に応じて下記の元素を添加しても、本発明の効果を減じるものではない。

Cr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.2 質量％
Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgは、いずれも溶接金属の強度を増加し、耐候性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果は得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgを含有する場合は、Cr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.2 質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

Nb： 0.005〜0.5 質量％，Ｖ： 0.005〜0.5 質量％
Nb，Ｖは、いずれも溶接金属の強度，靭性を向上し、アークの安定性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果は得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Nb，Ｖを含有する場合は、Nb： 0.005〜0.5 質量％，Ｖ： 0.005〜0.5 質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

上記した鋼素線の成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。たとえば、鋼材を溶製する段階や鋼素線を製造する段階で不可避的に混入する代表的な不可避的不純物であるＮは、 0.020質量％以下に低減するのが好ましい。

次に、本発明の溶接用鋼ワイヤの製造方法について説明する。

転炉または電気炉等を用いて、上記した組成を有する溶鋼を溶製する。この溶鋼の溶製方法は、特定の技術に限定せず、従来から知られている技術を使用する。次いで、得られた溶鋼を、連続鋳造法や造塊法等によって鋼材（たとえばビレット等）を製造する。この鋼材を加熱した後、熱間圧延を施し、さらに乾式の冷間圧延（すなわち伸線）を施して鋼素線を製造する。熱間圧延や冷間圧延の操業条件は、特定の条件に限定せず、所望の寸法形状の鋼素線を製造する条件であれば良い。

さらに鋼素線は、焼鈍−酸洗−銅めっき−伸線加工−潤滑剤塗布の工程を必要に応じて順次施して、所定の製品すなわち溶接用鋼ワイヤとなる。

正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においては、逆極性の溶接に比べて、給電不良に起因してアークが不安定になりやすい。しかし、鋼素線の表面に厚さ 0.6μｍ以上の銅めっきを施すことによって、溶接用鋼ワイヤの給電不良に起因するアークの不安定化を防止できる。なお、銅めっきの厚さを 0.8μｍ以上とすると、給電不良防止の効果が顕著に発揮されるので一層好ましい。このようにして銅めっきを厚目付とすることによって、給電チップの損耗も低減できるという効果も得られる。

しかし鋼素線中のCu含有量も含めて、溶接用鋼ワイヤのCu量が 3.0質量％を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって、溶接用鋼ワイヤのCu量（すなわち鋼素線のCu含有量と銅めっきのCu含有量の合計）を 3.0質量％以下とかるのが好ましい。

このようにして製造した溶接用鋼ワイヤを用いて炭酸ガスシールドアーク溶接を行なう際に、給電の安定性を高めて、溶滴のスプレー移行を安定して維持するために、溶接用鋼ワイヤの平坦度（すなわち実表面積／理論表面積）を1.01未満とすることが好ましい。溶接用鋼ワイヤの平坦度は、伸線加工におけるダイス管理を厳格に行なうことによって1.01未満の範囲に維持することが可能である。

溶接用鋼ワイヤの送給性を向上するために、溶接用鋼ワイヤの表面（すなわち鋼素線の表面あるいは銅めっきの表面）に潤滑油を塗布しても良い。潤滑油の塗布量は、溶接用鋼ワイヤ10kgあたり0.35〜1.7 ｇの範囲内が好ましい。

なお、溶接用鋼ワイヤを製造する工程で、溶接用鋼ワイヤの表面に種々の不純物が付着する。特に固体の不純物の付着量を、溶接用鋼ワイヤ10kgあたり0.01ｇ以下に抑制すると、給電の安定性が一層向上する。

このようして製造した溶接用鋼ワイヤを用いて正極性炭酸ガスシールドアーク溶接を行なう際の好適な溶接条件について、以下に説明する。

シールドガスは、ArとＣＯ₂との混合ガスを用いる。シールドガス中のＣＯ₂の混合比率は60体積％以上とする。なお、ＣＯ₂ガスを単独（すなわちＣＯ₂の混合比率： 100体積％）でシールドガスとして使用しても、支障なく正極性炭酸ガスシールドアーク溶接を行なうことができる。

溶接電流は 270〜450 Ａ，溶接電圧は27〜38Ｖ，溶接速度は20〜250 cm／分，突き出し長さは15〜30mm，ワイヤ径は 0.8〜1.6mm ，溶接入熱は５〜40kJ／cmの範囲内が好ましい。溶接する母材（すなわち鋼板）の鋼種は特に限定されないが、ＪＩＳ規格G3106 に規定されるSi−Mn系の溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ材）や、ＪＩＳ規格G3136 に規定される建築構造用鋼材（ＳＮ材）に適用するのが好ましい。厚さが10mm以上の厚鋼板の溶接を行なう場合は、多層溶接も可能である。

製鋼段階で成分を調整し、連続鋳造によって製造されたビレットを熱間圧延して、直径 5.5〜7.0mm の線材とした。次いで冷間圧延（すなわち伸線）によって直径 2.0〜2.8mm の鋼素線とし、さらに２〜30質量％のクエン酸３カリウム水溶液を鋼素線１kgあたり30〜50ｇ塗布した。

得られた鋼素線の成分を表１〜３に示す。

その後、これらの鋼素線を、露点−２℃以下，酸素濃度 200体積ppm 以下，二酸化炭素濃度 0.1体積％以下の窒素雰囲気中で焼鈍した。このとき、鋼素線の直径，クエン酸３カリウム水溶液の濃度，焼鈍時間，焼鈍温度を調整して、鋼素線のＫ含有量を所定の範囲に調整した。

このようにして焼鈍した後、鋼素線に酸洗を施し、次いで必要に応じて鋼素線の表面に必要に応じて銅めっきを施した。さらに冷間で伸線加工（乾式伸線）を施して、直径 0.8〜1.6mm の溶接用鋼ワイヤを製造した。さらに、溶接用鋼ワイヤの表面に潤滑油を溶接用鋼ワイヤ10kgあたり 0.4〜0.8 ｇ塗布した。

製鋼段階で添加した REMの投入量と鋼素線の分析から得られた REMの含有量とを用いてREM 歩留りを算出した。その結果を表１〜３に併せて示す。

表１〜３から明らかなように、発明例は、Ｏ含有量を0.0080質量％以下とし、かつＤ値を0.00以上としたので、比較例に比べてREM 歩留りが向上した。発明例の中でも、特に、ワイヤ番号３〜30は、Ｏ含有量を0.0050質量％以下とし、かつＤ値を0.05以上としたので、REM 歩留りは著しく向上し50％以上を維持できた。

これらの溶接用鋼ワイヤを用いて正極性炭酸ガスシールドアーク溶接を行ない、溶接中に発生したスパッタを全量捕集して、その重量を測定した。スパッタ発生量が 0.4ｇ／分以下を良（○）， 0.4ｇ／分超え〜 0.6ｇ／分以下を可（△）， 0.6ｇ／分超えを不可（×）として評価した。その結果は表４〜５に示す通りである。

なお、正極性炭酸ガスシールドアーク溶接の条件を表６に示す。

表４〜５から明らかなように、発明例では、高電流，高入熱の正極性炭酸ガスシールドアーク溶接において、スパッタ発生量は0.19〜0.38ｇ／分であったのに対して、鋼素線の成分が本発明の範囲を外れる比較例では、スパッタ発生量が2.54〜3.54ｇ／分であった。したがって、本発明では、溶滴のスプレー移行が得られ、特に鋼素線のREM 含有量 0.025質量％以上かつＯ含有量0.0080質量％以下とすることによって、スパッタ発生量を低減することができた。

Claims

正極性炭酸ガスシールドアーク溶接に使用する溶接用鋼ワイヤであって、Ｃ：0.20質量％以下、Si：0.05〜2.5 質量％、Mn：0.25〜3.5 質量％、Ｏ：0.0010〜0.0080質量％、希土類元素： 0.025〜0.100 質量％、Ｐ：0.05質量％以下、Ｓ：0.05質量％以下、Ca： 0.003質量％以下に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％および／またはAl：0.02〜0.24質量％を含有するとともに、必要に応じてCr：0.02〜3.0 質量％、Ni：0.05〜3.0 質量％、Mo：0.05〜1.5 質量％、Cu：0.05〜3.0 質量％、Ｂ：0.0005〜0.015 質量％、Mg： 0.001〜0.2 質量％、Nb： 0.005〜0.5 質量％およびＶ： 0.005〜0.5 質量％の中から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、かつ下記の (1)式で算出されるＤ値が0.00以上である鋼素線からなることを特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線の希土類元素含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、Ｃ：0.20質量％以下、Si：0.05〜2.5 質量％、Mn：0.25〜3.5 質量％、Ｏ：0.0010〜0.0080質量％、希土類元素： 0.025〜0.100 質量％、Ｐ：0.05質量％以下、Ｓ：0.05質量％以下、Ca： 0.003質量％以下に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％および／またはAl：0.02〜0.24質量％を含有するとともに、必要に応じてCr：0.02〜3.0 質量％、Ni：0.05〜3.0 質量％、Mo：0.05〜1.5 質量％、Cu：0.05〜3.0 質量％、Ｂ：0.0005〜0.015 質量％、Mg： 0.001〜0.2 質量％、Nb： 0.005〜0.5 質量％およびＶ： 0.005〜0.5 質量％の中から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、かつ下記の (1)式で算出されるＤ値が0.00以上である鋼素線からなる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを使用し、ＣＯ₂、Ｏ₂とArとを混合してＣＯ₂濃度を60体積％以上とした混合ガスを用いてアーク点をシールドし、正極性で溶接を行なうことを特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接方法。
Ｄ＝［REM ］−９×［Ｏ］＋ 0.5 ・・・ (1)
［REM ］：鋼素線の希土類元素含有量（質量％）
［Ｏ］：鋼素線のＯ含有量（質量％）
前記混合ガスのＣＯ₂濃度が 100体積％であることを特徴とする請求項２に記載の炭酸ガスシールドアーク溶接方法。