JP3969322B2

JP3969322B2 - 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

Info

Publication number: JP3969322B2
Application number: JP2003044277A
Authority: JP
Inventors: 時彦片岡; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004249352A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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関し、アークの安定性とスラグの剥離性に優れ、特にプライマー鋼板の隅肉溶接およびZnめっき鋼板の重ね隅肉溶接において平滑なビード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。
【０００２】
【従来の技術】
シールドガスとして安価な炭酸ガスを用いるＭＡＧ溶接法は、もっとも普及した溶接法であり、高能率な溶接法であることから、鉄鋼材料の溶接に広く利用されている。特に溶接ロボットの急速な普及によって、造船，建築，橋梁，自動車，建設機械等の分野で使用されている。造船，建築，橋梁を中心とする分野では厚板の高電流多層溶接に、一方、自動車，建築機械を中心とする分野では薄板の隅肉溶接に使用されることが多い。
【０００３】
溶接後のビード表面に付着したスラグは、塗装前にブラシ，ハンマー等で剥離させる必要がある。溶接部に付着するスラグは、SiＯ₂−MnＯ−TiＯ₂系の酸化物からなっており、その組成によってスラグ剥離性が大きく異なる。特に炭酸ガスシールドアーク溶接においてはスラグ生成量が多いので、スラグ剥離性の向上は重要な課題である。
【０００４】
特開昭61-195793 号公報に開示されているように、溶接用鋼ワイヤを高Si，低Mnとし、スラグ組成を高SiＯ₂，低MnＯとすることで、スラグを薄く細かく剥離しやすくすることができる。しかし、溶接用鋼ワイヤを高Si，低Mnとすることで、アークの安定性が損なわれ、不規則な短絡によってスパッタの発生を増大させるという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭61-195793 号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した通り炭酸ガスシールドアーク溶接においては、スラグ剥離性の向上とアーク安定性の向上を両立できないという問題があった。
この発明は、このような現状に鑑み開発されたもので、炭酸ガス（すなわち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、スラグ剥離性の向上とアーク安定性の向上の両立を図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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、炭酸ガスシールドアーク溶接におけるスラグ剥離性の向上とアーク安定性の向上を達成するために、溶接用鋼ワイヤの組成とそれを用いた溶接方法について鋭意検討した。その結果、
(a) 溶接用鋼ワイヤの素材である鋼素線の成分のうちの、Mn含有量を低く抑え、Si含有量を高くすることによって、優れたスラグ剥離性を得ることが可能である、
(b) 高Si低Mnの溶接用鋼ワイヤであっても、通常とは逆の正極性（すなわち溶接用鋼ワイヤをマイナス極）とし、鋼素線に希土類元素を添加することによって短絡を防止し、安定な溶滴移行が可能である、
(c) 鋼素線のCa含有量を低く抑えることによって、さらに安定した溶接性を得ることが可能である、
(d) 強脱酸元素であるTi，Zr，Alを鋼素線に添加することによって、溶接性が一層安定し、優れたビード形状を得ることが可能である
という知見を得た。
【０００８】
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。すなわち本発明は、直流の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：0.15〜2.5 質量％，Mn：0.05〜0.78質量％，希土類元素： 0.015〜0.100 質量％，Ｐ：0.05質量％以下，Ｓ：0.05質量％以下、Ca：0.0008質量％以下を含有し、かつTi：0.02〜0.50質量％、Zr：0.02〜0.50質量％およびAl：0.02〜3.00質量％のうちの１種または２種以上を含有するとともに、Ｋ：0.0001〜0.015 質量％，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％，Nb： 0.005〜0.05質量％およびＶ： 0.005〜0.05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Si含有量およびMn含有量が下記の (1)式を満足す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。
【０００９】
［Si］／［Mn］≧ 1.2 ・・・ (1)
［Si］：鋼素線のSi含有量（質量％）
［Mn］：鋼素線のMn含有量（質量％）
【００１０】
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、前記した炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを用いて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。
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包せず、素材となる鋼素線を主体とする溶接用鋼ワイヤ（いわゆるソリッドワイヤ）を指す。また本発明は、鋼素線の表面に銅めっきを施したり、あるいは潤滑油を塗布した溶接用鋼ワイヤにも支障なく適用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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るとともに、酸化反応によって溶接金属の酸素固溶量を低減し、溶融メタルの粘性を低下させ流動性を向上させる作用を有している。しかし多量に含有すると溶滴および溶融メタルの挙動が不安定となり、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。なお、好ましくは0.01〜0.10質量％である。
【００１２】
Si：0.15〜2.5 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0.15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0.15〜2.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。
【００１３】
Mn：0.05〜0.78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とともに、溶接金属の強度および靱性を確保させるために必須な元素である。Mn含有量が0.05質量％未満では、溶接金属粒界へのＳ濃化に起因する靱性低下を生じる。一方、0.78質量％を超えると、スラグの剥離性が低下する。したがって、Mnは0.05〜0.78質量％の範囲内を満足する必要がある。
【００１４】
［Si］／［Mn］：1.2 以上
スラグの剥離性は、溶接用鋼ワイヤの鋼素線中のSi含有量［Si］とMn含有量［Mn］によって大きく変動する。通常は、アークの安定性を重視して［Si］／［Mn］を 0.4〜0.8 に調整するが、スラグ剥離性の観点からは［Si］／［Mn］を大きくする必要がある。［Si］／［Mn］が 1.2未満では、溶接終了直後にスラグが自然剥離するのは困難である。したがって、［Si］／［Mn］は1.2 以上とした。
【００１５】
希土類元素： 0.015〜0.100 質量％
希土類元素（以下、REM という）は、製鋼および鋳造時の介在物微細化，靱性改善のために有用な元素であり、溶接用鋼ワイヤの鋼素線中に数10ppm 添加される場合もある。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、スパッタの発生量が増大するので、積極的には添加されない。しかしながら REMは強脱酸元素であり、スラグに濃化して、スラグを微細に剥離させる作用がある。また正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接においては、溶滴の微細移行を実現する上で不可欠な元素である。REM 含有量が 0.015質量％未満では、この効果が得られない。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 0.015〜0.100 質量％の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは 0.025〜0.100 質量％である。
【００１６】
ここで REMとは、周期表の原子番号57〜71の元素を指し、特にCe，La等の比較的安価で入手しやすい元素を用いるのが好ましい。
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、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作用を有する元素である。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を低下させ、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。
【００１７】
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、溶融メタルの粘性を低下させることによってビードを平滑にし、溶落ちを抑制する効果も有する。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 0.015〜0.03質量％である。
【００１８】
Ca：0.0008質量％以下
Caは、製鋼および鋳造時の不純物として、あるいは伸線加工時の不純物として鋼素線に混入する。Ca含有量が0.0008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アークの安定化を阻害する。したがって、Caは0.0008質量％以下とする。
【００１９】
Ti：0.02〜0.50質量％，Zr：0.02〜0.50質量％およびAl：0.02〜3.00質量％のうちの１種または２種以上
Ti，Zr，Al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り、溶融メタルの脱酸によって粘性を低下して良好なビード形状を維持（溶接線方向の凹凸を抑制）する効果がある。特に造船，橋梁で広く行なわれている隅肉溶接に有効な元素である。このような効果は、Ti，Zr，Alがいずれも0.02質量％以上で顕著に発揮される。一方、 Tiが0.50質量％，Zrが0.50質量％，Alが3.00質量％を超えると、スラグの剥離性が阻害される。したがって、Ti，Zr，Al は、Ti：0.02〜0.50質量％，Zr：0.02〜0.50質量％，Al：0.02〜3.00質量％の範囲内とする。
【００２０】
さらに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。この効果は、Ｋ含有量が0.0001質量％以上で発揮される。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。
【００２１】
またＫは、沸点が約 760℃と低いので、溶接用鋼ワイヤの素材となる溶鋼の溶製段階での歩留りが著しく低い。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。
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％
Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ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り、必要に応じて添加する。しかし過剰に添加すると、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％の範囲内を満足するのが好ましい。
【００２２】
Nb： 0.005〜0.05質量％，Ｖ： 0.005〜0.05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り、必要に応じて添加する。しかし過剰に添加すると、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： 0.005〜0.05質量％，Ｖ： 0.005〜0.05質量％の範囲内を満足するのが好ましい。
【００２３】
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ＯあるいはＮが代表的な不可避的不純物であり、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。Ｏは 0.030質量％以下，Ｎは 0.020質量％以下が許容できる。特にＯは、溶接に際して溶滴径を微細化する効果を有するので、0.0010〜0.020 質量％とするのが好ましく、さらに0.0010〜0.0080質量％とするのが一層好ましい。
【００２４】
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。
【００２５】
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、給電不良によっ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 0.5μｍ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。
【００２６】
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、銅めっきの厚さは 0.6μｍ以上とし、かつ鋼素線中のCu含有量も含めてCu量が 3.0質量％を超えないように、銅めっきの厚さを調整するのが好ましい。なお銅めっきの厚さは、より好ましくは 0.8μｍ以上である。
【００２７】
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。
【００２８】
また給電の安定性を高めるために、溶接用鋼ワイヤの表面に付着した不純物（固形）を溶接用鋼ワイヤ10kgあたり0.01ｇ以下とするのが好ましい。
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。
【００２９】
本発明の溶接用鋼ワイヤを用いる際には、直流の正極性（いわゆるＥＮ）炭酸ガスシールドアーク溶接を行なう。
通常の炭酸ガスシールドアーク溶接は、直流の逆極性（いわゆるＥＰ）で行なう。その理由は、直流の正極性炭酸ガスシールドアーク溶接に比べて、直流の逆極性炭酸ガスシールドアーク溶接の方が、アークの安定性が高く、溶滴の微細化が可能であり、かつ深い溶け込みが得られる点にある。
【００３０】
しかし本発明の溶接用鋼ワイヤは、直流の正極性炭酸ガスシールドアーク溶接で使用することで、逆極性に比べて安定性の高いアークが得られ、溶滴の微細化，安定したスプレー移行が達成できる。
また本発明の溶接用鋼ワイヤを用いる際には、シールドガスは炭酸ガスを50体積％以上含有するガスを使用する。
【００３１】
一般のガスシールドアーク溶接法は、シールドガスとして酸化性ガスを含まない不活性ガス（たとえばArガス）を用いるＭＩＧ溶接，不活性なArガスと活性な炭酸ガス（５〜40体積％）を混合して用いる混合ガスシールドアーク溶接，炭酸ガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接に大別される。シールドガスとしてArガスを用いた溶接法では溶滴のスプレー移行は可能であるが、炭酸ガスシールドアーク溶接では、溶滴が大きい球となって移行するグロビュール移行が生じることが知られている。
【００３２】
しかし本発明の溶接用鋼ワイヤを用いることによって、正極性の炭酸ガスシールドアーク溶接では不可能と考えられていた溶滴のスプレー移行を達成できる。ただし、シールドガス中の炭酸ガス濃度が50体積％未満では、従来の溶接用鋼ワイヤで溶滴のスプレー移行を容易に達成できる。ところが本発明の溶接用鋼ワイヤでは、炭酸ガス濃度が50体積％以上のシールドガスを用いても、溶滴のスプレー移行を容易に達成できる。したがって本発明の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は、炭酸ガス濃度が50体積％以上のシールドガスを用いるのが好ましい。
【００３３】
【実施例】
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。
【００３４】
得られた鋼素線の成分を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
その後、この鋼素線を、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、鋼素線の内部酸化によるＯ含有量と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、鋼素線の表面に必要に応じて銅めっきを施し、次いで冷間で伸線加工（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。
【００３７】
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試験を行ない、スラグの剥離性，スパッタの発生量，ビードの形状を評価した。溶接試験では表２に示す成分の鋼板を用いてＴ隅肉溶接継手を作製した。溶接は下向きで行ない、その条件は表３に示す通りである。
【００３８】
【表２】

【００３９】
【表３】

【００４０】
スラグの剥離性，スパッタの発生量，ビードの形状は下記の方法で評価した。その評価の結果は表４に示す通りである。
(A) スラグの剥離性
溶接が終了して１分後に市販の塗装用ハケにてビード上の剥離したスラグを除去した。ビード上のスラグが表面積比で50％以上剥離したものを良（○），20％以上〜50％未満のものを可（△），20％未満のものを不可（×）として評価した。
(B) スパッタの発生量
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 0.3ｇ／分以下を良（○）， 0.3ｇ／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。
(C) ビードの形状
溶接が終了した後、余盛り高さを測定した。余盛り高さ１mm以下を良（○），１mm超え〜２mm以下を可（△），２mm超えを不可（×）として評価した。
【００４１】
【表４】

【００４２】
表４から明らかなように、発明例ではスラグ剥離性とアーク安定性とを両立させることは可能である。
【００４３】
一方、本発明の範囲を外れる比較例では、スラグ剥離性とアーク安定性との両立はできなかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、正極性炭酸ガスシールドアーク溶接において、スラグ剥離性の向上とアーク安定性の向上とを達成でき、Znめっき等の表面処理鋼板の安定した溶接が可能となる。また、平滑なビード形状を得ることができ、産業上格段の効果を奏する。

Claims

直流の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：0.15〜2.5 質量％、Mn：0.05〜0.78質量％、希土類元素： 0.015〜0.100 質量％、Ｐ：0.05質量％以下、Ｓ：0.05質量％以下、Ca：0.0008質量％以下を含有し、かつTi：0.02〜0.50質量％、Zr：0.02〜0.50質量％およびAl：0.02〜3.00質量％のうちの１種または２種以上を含有するとともに、Ｋ：0.0001〜0.015 質量％、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％、Nb： 0.005〜0.05質量％およびＶ： 0.005〜0.05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Si含有量およびMn含有量が下記の (1)式を満足す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。
［Si］／［Mn］≧ 1.2 ・・・ (1)
［Si］：鋼素線のSi含有量（質量％）
［Mn］：鋼素線のMn含有量（質量％）
炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、請求項１に記載の炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを用いて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。