JP4549143B2 - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、強度が５２０Ｎ／ｍｍ２級以下の炭素鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際に使用するガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
二酸化炭素（ＣＯ２）ガスをシールドガスとするガスシールドアーク溶接法には能率性が高いという利点があり、近時、建築鉄骨分野においては、この炭酸ガスシールドアーク溶接法が主として使用されている。また、その溶接品質面に関しては、耐震性向上を主眼とし、溶接継ぎ手部の性能向上を図るために、１９９７年のＪＡＳＳ６改訂及び１９９９年の建築基準法改定において、溶接時の入熱・パス間温度に上限管理が規定されている。
この動向を受け、溶接ワイヤにおいても、大入熱・高パス間温度対応ワイヤが開発され、１９９９年に５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤとしてＪＩＳ（Japanese Industrial Standards：日本工業規格）に規定された。このワイヤを使用すると、例えば４９０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対しては、溶接時の最大入熱が４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度が３５０℃まで許容され、また、５２０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対しては、溶接時の最大入熱が３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度が２５０℃まで許容される。これ以後、今日まで、大入熱・高パス間温度条件下において従来の溶接ワイヤよりも優れた機械的性能が得られることから、この５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤが急速に普及している。特に、ロボット溶接とは異なり、人手が必要であり、入熱及びパス間温度の管理が困難である半自動溶接においては、熱管理の許容範囲が広い５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤの普及は目覚ましい。
これまでに、炭酸ガスシールドアーク溶接用大電流・高パス間温度対応ワイヤとして、従来よりもＳｉ、Ｍｎ及びＴｉ等の脱酸成分を多く含有し、且つＭｏ、Ｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ及びＶ等を必要に応じて添加した溶接ワイヤが開発されている（例えば、特許文献１乃至９参照）。
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。鉄骨建築分野においてパス間温度管理が導入された当初は、規定の温度に到達すると、冷却するまでの間待ち時間が発生していたため、溶接部にスラグが堆積しても、作業者がチッパー等の工具によりスラグ除去を行うことができた。このため、特許文献１乃至９に記載されている溶接ワイヤのように、これまでに開発された５４０Ｎ／ｍｍ２級の炭酸ガス溶接用大電流・高パス間温度対応ワイヤは、スラグ剥離性が考慮されていなかった。しかし、近時、１人の溶接作業者が多数の溶接継手を同時に担当し、溶接継手が規定の温度に到達すると、他の溶接継手に移動して溶接を行い、先に溶接した継手はその間に冷却されるという手法が開発され、普及してきている。このように、作業者の待ち時間がなくなると、従来認識されていなかった大電流・高パス間温度対応ワイヤにおける劣悪なスラグ剥離性が、溶接効率を低下させる大きな問題点として認識され始めている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強度が５２０Ｎ／ｍｍ２級以下の炭素鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接した際に、高効率で且つ溶接部の機械的性能が優れたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。
本願第１発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制され、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式１乃至３を満たすことを特徴とする。
本発明においては、ワイヤ中のＭｎ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＯの含有量の上限値、並びにＳ含有量の下限値を夫々規定し、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比を最適化すると共に、Ｃ含有量が少ない場合のＢ含有量の下限値を規定しているため、スラグ剥離性が向上し、半自動溶接における溶接効率を高めることができる。また、各成分の含有量を上述の如く規定することにより、大入熱・高パス間温度条件で溶接を行っても、溶接金属部の機械的性質を良好な状態に維持することができる。更に、Ｔｉ含有量の下限値を規定しているため、アークが安定してスパッタ発生量が少なくなると共に、スラグが適性量となり良好なシールド性が得られる。
本願第２発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を夫々０．２０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制され、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式４乃至６を満たすことを特徴とする。
本発明においては、ワイヤ中のＭｎ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＯの含有量の上限値、並びにＳ含有量の下限値を夫々規定し、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比を最適化すると共に、Ｃ含有量が少ない場合のＢ含有量の下限値を規定しているため、スラグ剥離性が向上し、半自動溶接における溶接効率を高めることができる。また、各成分の含有量を上述の如く規定することにより、大入熱・高パス間温度条件で溶接を行っても、溶接金属部の機械的性質を良好な状態に維持することができる。更に、Ｔｉ含有量の下限値を規定しているため、アークが安定してスパッタ発生量が少なくなると共に、スラグが適性量となり良好なシールド性が得られる。更にまた、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を添加しているため、溶接金属部の強度をより向上させることができる。
本願第３発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下、Ｃｕ：０．４５質量％以下及びＡｌ：０．２０質量％以下を含有し、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を夫々０．２０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制され、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式７乃至９を満たすことを特徴とする。
本発明においては、ワイヤ中のＭｎ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＯの含有量の上限値、並びにＳ含有量の下限値を夫々規定し、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比を最適化すると共に、Ｃ含有量が少ない場合のＢ含有量の下限値を規定しているため、スラグ剥離性が向上し、半自動溶接における溶接効率を高めることができる。また、各成分の含有量を上述の如く規定することにより、大入熱・高パス間温度条件で溶接を行っても、溶接金属部の機械的性質を良好な状態に維持することができる。更に、Ｔｉ含有量の下限値を規定しているため、アークが安定してスパッタ発生量が少なくなると共に、スラグが適性量となり良好なシールド性が得られる。更にまた、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を添加すると共に、Ａｌを適量添加しているため、溶接金属部の強度をより向上させることができる。
Ｃ含有量は、０．０４０乃至０．０８０質量％としてもよい。これにより、強度及び靭性がより向上するとともに、開先が狭い場合でも優れた耐割れ性が得られる。また、Ｓｉ含有量は、０．７５質量％以上とすることができる。これにより、強度を安定的に高めることができる。更に、Ｍｎ含有量は、１．６２乃至１．８０質量％でもよい。これにより、強度及び靭性をより高めつつ、スラグ剥離性を向上することができる。
一方、Ｓ含有量は、０．００９質量％以上にすることもできる。これにより、スラグ剥離性が更に向上することとなる。また、Ｃｕ含有量を０．０１質量％以上にしてもよい。これにより、強度の向上を図ることができ、又はＣｕが添加されるめっき成分の場会は、ワイヤの耐錆性の向上を図ることができる。更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）は、０．４００以上でもよい。これにより、スラグ剥離性がより向上する。更にまた、Ｏ含有量を０．０１００質量％以下に規制してもよい。これにより、スラグ解離性、耐割れ性、靭性をより安定的に向上することができる。
更にまた、ワイヤ表面に、ワイヤ１０ｋｇあたりの重量で、ＭｏＳ２を０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇ付着させることもできる。これにより、これにより、スラグ剥離性をより向上させることができる。
本発明よれば、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの組成を上述の如く規定することにより、強度が５２０Ｎ／ｍｍ２級以下の炭素鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際のスラグ剥離性を改善され、半自動溶接における溶接効率を向上させることができると共に、溶接金属部の機械的性能を十分に高く確保することができる。
本発明者等は、上述の問題点を解決するために、溶接スラグに関する研究を重ね、スラグの生成量及びスラグ剥離性に及ぼす影響要因を明らかにし、以下に示す知見を得た。溶接スラグの生成量は、強脱酸成分、即ち、Ｍｎ及びＴｉの含有量と強い関係があり、これらの含有量が増大すると、スラグ生成量も増加する。また、スラグ剥離性は、溶融状態におけるスラグ／溶接金属間界面エネルギー、凝固後のスラグ自体の強度、溶接金属表面の凹凸、即ち、物理的高低差及びその高低部位生成頻度と強い関係があり、Ｍｎ含有量及びＭｏ含有量の増加、Ｓ含有量の減少、並びにＣ含有量及びＢ含有量が共に減少することにより低下する。これらは従来知られていなかった知見である。そして、これらの影響因子は、従来の高張力鋼用溶接ワイヤ、低温鋼用溶接ワイヤ及び高電流用溶接ワイヤにおいて、スラグ量増大及びスラグ剥離性低下が避けられなかった要因であると考えられる。
一方、上述の知見に基づき、スラグ生成量の低減及びスラグ剥離性能の向上について過度に追求すると、溶接金属部における強度及び靱性等の機械的性能の低下、高電流溶接時のアーク安定性の低下、並びにスパッタ量の増大といった問題が生じやすくなることも明らかになった。また、本発明者等は、ワイヤ成分以外の要因として、ワイヤ送給が不安定になると、溶融池の形状が乱れて生成するスラグの厚さが不均一となり、スラグ剥離性が低下することも見出した。
なお、半自動溶接は個人間の技量の差が大きく、技量の低い溶接者は極めて高い溶接電流、過剰なウィービング、又は１パス当たりの溶着量を過剰に増やしてしまう等の要因により、溶融池のシールド性を悪化させ、ブローホール等の気孔欠陥を発生させてしまうことがある。このため、スラグ量を過剰に減らしてしまうと、溶融池がスラグにより保護されずにガス雰囲気に曝され、シールド性が低下するため、より耐気孔欠陥性を劣化させてしまうことになる。
本発明者等は上述の各要素を考慮し、半自動溶接に適した大入熱・高電流溶接用として最適な溶接ワイヤ、即ち、（１）スラグ剥離性が良好であり、（２）スラグ発生量が適切であり、（３）入熱量が大きく、パス間温度が高く、従って溶接金属部の冷却速度が小さくなる溶接条件においても溶接金属部の機械的強度が優れ、更に、ノズル閉塞により連続溶接が阻害されることを防止するために、（４）スパッタ発生量が少ないガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを開発した。
以下、本発明の実施の形態に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤについて、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ（以下、単にワイヤともいう）について説明する。本実施形態のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、４９０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対して、最大入熱が４０ｋＪ／ｃｍ、最高パス間温度が３５０℃の条件で炭酸ガスシールド溶接する際、又は、５２０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対して、最大入熱が３０ｋＪ／ｃｍ、最高パス間温度が２５０℃の条件で炭酸ガスシールド溶接する際に使用されるワイヤである。このワイヤは、例えば、半自動溶接に使用される。
本実施形態のワイヤの組成は、Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。また、不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下に規制され、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制されている。更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたときに、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式１０乃至１２を満たしている。
また、本実施形態のワイヤの組成において、より好ましくは、Ｓｉ：０．７５乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．６２乃至１．８０質量％、Ｃ：０．０４０乃至０．００８０質量％、Ｓ：０．００９乃至０．０２５質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４５質量％、Ｓｉ／Ｍｎが０．４００以上、Ｏ：０．０１００質量％以下である。
更に、ワイヤの表面には、ＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇ付着している。即ち、ＭｏＳ２付着量は０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇである。このＭｏＳ２は、例えば塗布によってワイヤ表面に被着されたものである。
以下、本発明の数値限定理由について説明する。
Ｓｉ含有量：０．７０乃至１．００質量％
珪素（Ｓｉ）は、スラグ生成量及びスラグ剥離性には大きな影響を及ぼさないが、主として強度確保、脱酸による気孔欠陥の発生防止及びなじみ性向上のために添加する。これらの効果は、０．７０質量％以上の添加で有効になる。よって、Ｓｉ含有量は０．７０質量％以上とする。好ましくは、０．７５質量％以上である。一方、Ｓｉを１．００質量％を超えて過剰に添加すると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は１．００質量％以下とする。但し、Ｍｎ含有量に比べてＳｉ含有量が大幅に低いと、スラグ組成が変化してスラグ剥離性が低下するため、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比を調節する必要がある。
珪素（Ｓｉ）は、スラグ生成量及びスラグ剥離性には大きな影響を及ぼさないが、主として強度確保、脱酸による気孔欠陥の発生防止及びなじみ性向上のために添加する。これらの効果は、０．７０質量％以上の添加で有効になる。よって、Ｓｉ含有量は０．７０質量％以上とする。好ましくは、０．７５質量％以上である。一方、Ｓｉを１．００質量％を超えて過剰に添加すると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は１．００質量％以下とする。但し、Ｍｎ含有量に比べてＳｉ含有量が大幅に低いと、スラグ組成が変化してスラグ剥離性が低下するため、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比を調節する必要がある。
Ｍｎ含有量：１．５０乃至１．９０質量％
マンガン（Ｍｎ）は、脱酸を促進すると共に、溶接金属部の強度及び靱性を向上させる効果がある。従来の一般的な大入熱用ワイヤはＭｎを多く含有するが、本発明においては、Ｍｎ含有量を従来のワイヤよりも低くすることにより、溶接金属部の機械的性質とスラグ剥離性のとのバランスを改善している。具体的には、Ｍｎ含有量が１．５０質量％未満では大入熱溶接時の溶接金属部の強度及び靱性が不足する。よって、Ｍｎ含有量は１．５０質量％以上とする。好ましくは、１．６２質量％以上である。一方、Ｍｎ含有量が１．９０質量％を超えると、スラグ量が増加してスラグ剥離性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は１．９０質量％以下とする。好ましくは、１．８０質量％以下である。但し、Ｍｏ含有量が多い場合は、Ｍｏ含有量に応じてＭｎ含有量の上限を低くする必要がある。
マンガン（Ｍｎ）は、脱酸を促進すると共に、溶接金属部の強度及び靱性を向上させる効果がある。従来の一般的な大入熱用ワイヤはＭｎを多く含有するが、本発明においては、Ｍｎ含有量を従来のワイヤよりも低くすることにより、溶接金属部の機械的性質とスラグ剥離性のとのバランスを改善している。具体的には、Ｍｎ含有量が１．５０質量％未満では大入熱溶接時の溶接金属部の強度及び靱性が不足する。よって、Ｍｎ含有量は１．５０質量％以上とする。好ましくは、１．６２質量％以上である。一方、Ｍｎ含有量が１．９０質量％を超えると、スラグ量が増加してスラグ剥離性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は１．９０質量％以下とする。好ましくは、１．８０質量％以下である。但し、Ｍｏ含有量が多い場合は、Ｍｏ含有量に応じてＭｎ含有量の上限を低くする必要がある。
Ｓ含有量：０．００５乃至０．０２５質量％
硫黄（Ｓ）は、溶融池の表面張力を低減し、凝固時の物理的凹凸を減少させて溶融金属部の表面を滑らかにする効果がある。これにより、スラグ剥離性が向上する。但し、Ｓ含有量が０．００５質量％未満ではこの効果は得られない。よって、Ｓ含有量は０．００５質量％以上とする。好ましくは、０．００９質量％以上である。一方、Ｓ含有量が０．０２５質量％を超えると、溶接金属部の表面形状改善効果が飽和してしまう上に、溶接金属部の靱性が低下し、高温割れが発生しやすくなる。また、スラグの形態が粒状化し、アークによる溶融を妨げて不安定要因となると共に、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｓ含有量は０．０２５質量％以下とする。但し、Ｏ含有量が多い場合は、Ｏ含有量に応じてＳ含有量の上限を低くする必要がある。
硫黄（Ｓ）は、溶融池の表面張力を低減し、凝固時の物理的凹凸を減少させて溶融金属部の表面を滑らかにする効果がある。これにより、スラグ剥離性が向上する。但し、Ｓ含有量が０．００５質量％未満ではこの効果は得られない。よって、Ｓ含有量は０．００５質量％以上とする。好ましくは、０．００９質量％以上である。一方、Ｓ含有量が０．０２５質量％を超えると、溶接金属部の表面形状改善効果が飽和してしまう上に、溶接金属部の靱性が低下し、高温割れが発生しやすくなる。また、スラグの形態が粒状化し、アークによる溶融を妨げて不安定要因となると共に、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｓ含有量は０．０２５質量％以下とする。但し、Ｏ含有量が多い場合は、Ｏ含有量に応じてＳ含有量の上限を低くする必要がある。
Ｔｉ含有量：０．１９乃至０．２５質量％
チタン（Ｔｉ）は、高電流域におけるアーク安定性を向上させる効果があり、スラグを生成する主要成分である。Ｔｉ含有量が０．１９質量％未満では、半自動溶接で使用される４３０Ａ以上の高電流域においてアーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増加すると共に、スラグ量が不足して溶融池のシールド性が劣化する。よって、Ｔｉ含有量は０．１９質量％以上とする。一方、Ｔｉ含有量が０．２５質量％を超えると、スラグ量が過剰に多くなり、スラグ剥離性が低下する。よって、Ｔｉ含有量は０．２５質量％以下とする。
チタン（Ｔｉ）は、高電流域におけるアーク安定性を向上させる効果があり、スラグを生成する主要成分である。Ｔｉ含有量が０．１９質量％未満では、半自動溶接で使用される４３０Ａ以上の高電流域においてアーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増加すると共に、スラグ量が不足して溶融池のシールド性が劣化する。よって、Ｔｉ含有量は０．１９質量％以上とする。一方、Ｔｉ含有量が０．２５質量％を超えると、スラグ量が過剰に多くなり、スラグ剥離性が低下する。よって、Ｔｉ含有量は０．２５質量％以下とする。
Ｍｏ含有量：０．１２乃至０．３５質量％
モリブデン（Ｍｏ）は、溶接金属の焼入れ性を向上させ、溶接金属部の強度を向上させる効果がある。半自動溶接においてこの効果を得るためには、Ｍｏを０．１２質量％以上添加する必要がある。よって、Ｍｏ含有量は０．１２質量％以上とする。一方、Ｍｏはスラグの硬度を上昇させ、スラグを割れ難くして剥離性を低下させる。特に、Ｍｏ含有量が０．３５質量％を超えると、スラグ剥離性が急激に低下する。よって、Ｍｏ含有量は０．３５質量％以下とする。但し、Ｍｎ含有量が多い場合は、Ｍｎ含有量に応じてＭｏ含有量の上限を低くする必要がある。
モリブデン（Ｍｏ）は、溶接金属の焼入れ性を向上させ、溶接金属部の強度を向上させる効果がある。半自動溶接においてこの効果を得るためには、Ｍｏを０．１２質量％以上添加する必要がある。よって、Ｍｏ含有量は０．１２質量％以上とする。一方、Ｍｏはスラグの硬度を上昇させ、スラグを割れ難くして剥離性を低下させる。特に、Ｍｏ含有量が０．３５質量％を超えると、スラグ剥離性が急激に低下する。よって、Ｍｏ含有量は０．３５質量％以下とする。但し、Ｍｎ含有量が多い場合は、Ｍｎ含有量に応じてＭｏ含有量の上限を低くする必要がある。
Ｃ含有量：０．０２０乃至０．１００質量％
炭素（Ｃ）は、溶接金属の焼入れ性を向上し、溶接金属部の強度を確保するために重要な添加元素であるが、Ｃ含有量が０．０２０質量％未満の場合、大入熱・高パス間温度溶接時に必要な強度が確保できない。よって、Ｃ含有量は０．０２０質量％以上とする。好ましくは、０．０４０質量％以上である。但し、Ｂが不足する場合は、Ｃ含有量の下限を高くする必要がある。一方、Ｃを過剰に添加すると溶接金属部に高温割れが発生しやすくなり、特に、Ｃ含有量が０．１００質量％を超えると、高温割れの発生が顕著になる。よって、Ｃ含有量は０．１００質量％以下とする。好ましくは、０．０８０質量％以下である。但し、Ｂ含有量が多い場合はＣ含有量の上限を低くする必要がある。
炭素（Ｃ）は、溶接金属の焼入れ性を向上し、溶接金属部の強度を確保するために重要な添加元素であるが、Ｃ含有量が０．０２０質量％未満の場合、大入熱・高パス間温度溶接時に必要な強度が確保できない。よって、Ｃ含有量は０．０２０質量％以上とする。好ましくは、０．０４０質量％以上である。但し、Ｂが不足する場合は、Ｃ含有量の下限を高くする必要がある。一方、Ｃを過剰に添加すると溶接金属部に高温割れが発生しやすくなり、特に、Ｃ含有量が０．１００質量％を超えると、高温割れの発生が顕著になる。よって、Ｃ含有量は０．１００質量％以下とする。好ましくは、０．０８０質量％以下である。但し、Ｂ含有量が多い場合はＣ含有量の上限を低くする必要がある。
Ｂ：０．００５０質量％以下
ホウ素（Ｂ）は、少量の添加で溶接金属の焼入れ性を高め、溶接金属部の強度及び靱性を向上させる効果があるが、Ｂ含有量が０．００５０質量％を超えると、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｂ含有量は０．００５０質量％以下とする。但し、Ｂ含有量は、Ｃ含有量に応じて調節する必要がある。
ホウ素（Ｂ）は、少量の添加で溶接金属の焼入れ性を高め、溶接金属部の強度及び靱性を向上させる効果があるが、Ｂ含有量が０．００５０質量％を超えると、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｂ含有量は０．００５０質量％以下とする。但し、Ｂ含有量は、Ｃ含有量に応じて調節する必要がある。
具体的には、Ｃ含有量が０．００６０質量以上の場合は、下限値を設定する必要はなく、Ｂを添加しなくてもよい。一方、Ｃ含有量が少ない場合は、溶接金属の焼入れ性が不足するため、Ｂを適量添加する必要がある。また、Ｃ含有量及びＢ含有量が共に少ない場合は、相状態図における固液共存温度域が過剰に狭くなり、溶融池の表面とスラグの界面エネルギーが小さくなって安定化し、スラグ剥離性が低下する。このため、Ｂ含有量及びＣ含有量に下限値を設定する必要がある。
例えば、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、ワイヤ中のＣ含有量及びＢ含有量が、０．０．２０≦［Ｃ］≦０．０５０且つ［Ｂ］＜０．００１５であると、溶接金属部の強度、靱性及びスラグ剥離性が低下する。よって、Ｃ含有量が０．０２０乃至０．０５０質量％の場合は、Ｂ含有量を０．００１５質量％以上とする。
また、０．０５０＜［Ｃ］＜０．０６０のとき、［Ｂ］＜０．００９−０．１５×［Ｃ］であると、溶接金属部の強度、靱性及びスラグ剥離性が低下することがある。よって、０．０５０＜［Ｃ］＜０．０６０であるときは、［Ｂ］≧０．００９−０．１５×［Ｃ］とする。
更に、Ｃ含有量及びＢ含有量が共に多い場合は、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなるため、Ｂ含有量に上限を設けた方がよい。具体的には、０．０８０≦［Ｃ］≦０．１００のとき、［Ｂ］＞０．１３−０．１×［Ｃ］であると、溶接金属部に高温割れが発生する。よって、０．０８０≦［Ｃ］≦０．１００であるときは、［Ｂ］≦０．０１３−０．１０×［Ｃ］とする。
Ｃｕ含有量：０．４５質量％以下
銅（Ｃｕ）は、溶接金属の焼き入れ性を向上させる効果があるが、過剰に添加すると溶接金属部に高温割れが発生しやすくなると共に、スラグの性質が変化して剥離性が低下する。ワイヤ中に０．４５質量％を超える量のＣｕを添加すると、これらの問題が顕著になるため、Ｃｕ含有量は０．４５質量％以下とする。好ましくは、０．０１乃至０．４５質量％である。なお、Ｃｕ含有量は、ワイヤ表面にめっきが施されている場合は、めっき層に含まれるＣｕ成分と線材に含まれるＣｕ成分とを合計した値とする。
銅（Ｃｕ）は、溶接金属の焼き入れ性を向上させる効果があるが、過剰に添加すると溶接金属部に高温割れが発生しやすくなると共に、スラグの性質が変化して剥離性が低下する。ワイヤ中に０．４５質量％を超える量のＣｕを添加すると、これらの問題が顕著になるため、Ｃｕ含有量は０．４５質量％以下とする。好ましくは、０．０１乃至０．４５質量％である。なお、Ｃｕ含有量は、ワイヤ表面にめっきが施されている場合は、めっき層に含まれるＣｕ成分と線材に含まれるＣｕ成分とを合計した値とする。
Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）：０．３８５以上
Ｓｉ及びＭｎは、夫々の含有量がスラグ剥離性に影響を及ぼすだけでなく、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）もスラグ剥離性に大きく影響する。具体的には、Ｓｉ／Ｍｎが大きい方がスラグ剥離性が良好になる。一方、Ｓｉ／Ｍｎが０．３８５未満になると、スラグ性状が変化して硬度が上昇し、スラグと溶接金属表面との密着性が高まり、スラグ剥離性が低下する。従って、Ｓｉ／Ｍｎは０．３８５以上とする。好ましくは、４．００以上である。
Ｓｉ及びＭｎは、夫々の含有量がスラグ剥離性に影響を及ぼすだけでなく、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）もスラグ剥離性に大きく影響する。具体的には、Ｓｉ／Ｍｎが大きい方がスラグ剥離性が良好になる。一方、Ｓｉ／Ｍｎが０．３８５未満になると、スラグ性状が変化して硬度が上昇し、スラグと溶接金属表面との密着性が高まり、スラグ剥離性が低下する。従って、Ｓｉ／Ｍｎは０．３８５以上とする。好ましくは、４．００以上である。
Ｍｎ及びＭｏの総含有量：２．２０質量％以下
Ｍｎ及びＭｏは共にスラグ剥離性を低下する性質があり、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％を超えると、スラグ剥離性の低下が顕著になる。従って、Ｍｎ及びＭｏの総含有量は２．２０質量％以下とする。
Ｍｎ及びＭｏは共にスラグ剥離性を低下する性質があり、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％を超えると、スラグ剥離性の低下が顕著になる。従って、Ｍｎ及びＭｏの総含有量は２．２０質量％以下とする。
Ｓ及びＯの総含有量：０．０３４質量％以下
Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％を超えると、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなると共に、スラグの形態が粒状化してアークによる溶融を妨げ、不安定要因となる。また、溶接金属部の靱性も低下する。従って、スラグ生成量が増加し、Ｓ及びＯの総含有量は０．０３４質量％以下とする。
Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％を超えると、溶接金属部に高温割れが発生しやすくなると共に、スラグの形態が粒状化してアークによる溶融を妨げ、不安定要因となる。また、溶接金属部の靱性も低下する。従って、スラグ生成量が増加し、Ｓ及びＯの総含有量は０．０３４質量％以下とする。
Ｐ含有量：０．０２０質量％以下
鋼にはリン（Ｐ）が不可避的不純物として混入しているが、Ｐは高温割れを発生させる主要元素の１つであり、本発明のワイヤにおいては、故意に添加する利点は見あたらない。また、Ｐ含有量が０．０２０質量％を超えると溶接金属部に高温割れが発生するため、Ｐ含有量は０．０２０質量％以下に規制する。
鋼にはリン（Ｐ）が不可避的不純物として混入しているが、Ｐは高温割れを発生させる主要元素の１つであり、本発明のワイヤにおいては、故意に添加する利点は見あたらない。また、Ｐ含有量が０．０２０質量％を超えると溶接金属部に高温割れが発生するため、Ｐ含有量は０．０２０質量％以下に規制する。
Ｏ含有量：０．０１６０質量％以下
鋼には酸素（Ｏ）が不可避的不純物として混入しているが、スラグは酸化物であるため、Ｏ含有量が増加すると化学反応によって生じるスラグ生成量も増加し、更にＯ含有量が過剰になるとスラグ剥離性が低下する。また、Ｏ含有量が増加すると、溶接金属部中の介在物が増加するため、溶接金属部において高温割れが発生しやすくなると共に、溶接金属部の靱性が低下する。Ｏ含有量が０．０１６０質量％以下であれば、これらの問題は発生しないため、Ｏ含有量は０．０１６０質量％以下に規制する。好ましくは０．０１００質量％以下である。但し、Ｓ含有量が多い場合は、高温割れを防止するため、Ｏ含有量の上限値を低くする。なお、上述のＯ含有量の規定は、ワイヤ中のＯの分布、即ち、線材中に含有されているか又はワイヤ表面に存在しているか等のＯの存在位置には関係なく、ワイヤ全体に含まれるＯの総量である。
鋼には酸素（Ｏ）が不可避的不純物として混入しているが、スラグは酸化物であるため、Ｏ含有量が増加すると化学反応によって生じるスラグ生成量も増加し、更にＯ含有量が過剰になるとスラグ剥離性が低下する。また、Ｏ含有量が増加すると、溶接金属部中の介在物が増加するため、溶接金属部において高温割れが発生しやすくなると共に、溶接金属部の靱性が低下する。Ｏ含有量が０．０１６０質量％以下であれば、これらの問題は発生しないため、Ｏ含有量は０．０１６０質量％以下に規制する。好ましくは０．０１００質量％以下である。但し、Ｓ含有量が多い場合は、高温割れを防止するため、Ｏ含有量の上限値を低くする。なお、上述のＯ含有量の規定は、ワイヤ中のＯの分布、即ち、線材中に含有されているか又はワイヤ表面に存在しているか等のＯの存在位置には関係なく、ワイヤ全体に含まれるＯの総量である。
ワイヤの表面のＭｏＳ２付着量：０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇ
前述の如く、ワイヤの送給性もスラグ剥離性に大きな影響を及ぼす。ワイヤの送給が安定することにより、溶融池の形成もまた安定となり、生成されたスラグの厚さが均一となり、熱収縮の歪みが均一に作用することにより、スラグが全面剥離しやすくなる。ワイヤ表面に存在するＭｏＳ２は、チップ−ワイヤ間の給電点における融着を低減し、ワイヤの送給性を向上させる。従来、ワイヤ表面の粒界に沿ってワイヤを過剰酸化させることによりワイヤの送給性を向上させる技術が知られているが、この方法ではＯ含有量が過剰になってしまい、スラグの生成量の増加に伴いスラグ剥離性が低下するという欠点がある。これに対して、ワイヤ表面にＭｏＳ２を付着させる方法は、スラグ剥離性を低下の懸念がないため、本発明のワイヤの送給性を向上させる方法として好適である。この効果は、ワイヤ表面にＭｏＳ２をワイヤ１０ｋｇあたり０．０１ｇ以上付着させることにより得られる。一方、ＭｏＳ２をワイヤ１０ｋｇあたり１．００ｇよりも多く付着させると、送給機構内にＭｏＳ２が堆積するため、送給機構内にＭｏＳ２が詰まって送給不良が発生する。その結果、スラグ性状に影響が及び、スラグ剥離性が低下する。よって、ワイヤの表面のＭｏＳ２付着量は０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇとする。
前述の如く、ワイヤの送給性もスラグ剥離性に大きな影響を及ぼす。ワイヤの送給が安定することにより、溶融池の形成もまた安定となり、生成されたスラグの厚さが均一となり、熱収縮の歪みが均一に作用することにより、スラグが全面剥離しやすくなる。ワイヤ表面に存在するＭｏＳ２は、チップ−ワイヤ間の給電点における融着を低減し、ワイヤの送給性を向上させる。従来、ワイヤ表面の粒界に沿ってワイヤを過剰酸化させることによりワイヤの送給性を向上させる技術が知られているが、この方法ではＯ含有量が過剰になってしまい、スラグの生成量の増加に伴いスラグ剥離性が低下するという欠点がある。これに対して、ワイヤ表面にＭｏＳ２を付着させる方法は、スラグ剥離性を低下の懸念がないため、本発明のワイヤの送給性を向上させる方法として好適である。この効果は、ワイヤ表面にＭｏＳ２をワイヤ１０ｋｇあたり０．０１ｇ以上付着させることにより得られる。一方、ＭｏＳ２をワイヤ１０ｋｇあたり１．００ｇよりも多く付着させると、送給機構内にＭｏＳ２が堆積するため、送給機構内にＭｏＳ２が詰まって送給不良が発生する。その結果、スラグ性状に影響が及び、スラグ剥離性が低下する。よって、ワイヤの表面のＭｏＳ２付着量は０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇとする。
上述の各成分の含有量の限定理由を添付の図面を参照してまとめて説明する。図１は横軸にＣ含有量をとり、縦軸にＢ含有量をとって、本発明の成分範囲及びこの成分範囲を外れることによる影響を示すグラフ図である。また、図２は横軸にＭｎ含有量をとり、縦軸にＭｏ含有量をとって、本発明の成分範囲及びこの成分範囲を外れることによる影響を示すグラフ図である。更に、図３は横軸にＳｉ含有量をとり、縦軸にＴｉ含有量をとって、本発明の成分範囲及びこの成分範囲を外れることによる影響を示すグラフ図である。更にまた、図４は横軸にＳ含有量をとり、縦軸にＯ含有量をとって、本発明の成分範囲及びこの成分範囲を外れることによる影響を示すグラフ図である。更にまた、図５は横軸にＳｉ含有量をとり、縦軸にＭｎ含有量をとって、本発明の成分範囲及びこの成分範囲を外れることによる影響を示すグラフ図である。なお、図１乃至５において、領域１は本発明の範囲を示し、領域２は領域１の内部に位置し、本発明におけるより好適な範囲を示す。
図１に示すように、本発明の範囲（領域１）よりも、Ｃ含有量が多くなると、溶接金属部の耐高温割れ性が低下する。また、本発明の範囲よりもＣ含有量が少なくなると、溶接金属部の強度及び耐高温割れ性が低下する。一方、本発明の範囲よりもＢ含有量が多くなると、溶接金属部の高温割れが発生する。また、Ｃ含有量が０．０６質量％以下のとき、Ｂ含有量が本発明の範囲よりも少なくなると、スラグ剥離性が低下する。
また、図２に示すように、本発明の範囲よりもＭｎ含有量が多くなると、スラグ量が過剰となり、スラグ剥離性が低下する。また、本発明の範囲よりもＭｎ含有量が少ないと、溶接金属部の強度及び靱性が低下する。一方、本発明の範囲よりもＭｏ含有量が多くなると、スラグ剥離性が低下する。また、本発明の範囲よりもＭｏ含有量が少なくなると、溶接金属部の強度が低下する。
更に、図３に示すように、本発明の範囲よりもＳｉ含有量が多くなると溶接金属部の靱性が低下する。また、本発明の範囲よりもＳｉ含有量が少なくなると、溶接金属部の強度が低下する。一方、本発明の範囲よりもＴｉ含有量が多くなると、スラグ剥離性が低下する。また、本発明の範囲よりもＴｉ含有量が少なくなると、アークが不安定になって、スパッタ量が増加する。
更にまた、図４に示すように、本発明の範囲よりもＳ含有量が多くなると、溶接金属部の靱性が低下すると共に耐高温割れ性が低下する。また、本発明の範囲よりもＳ含有量が少なくなると、スラグ剥離性が低下する。一方、本発明の範囲よりもＯ含有量が多くなると、溶接金属部の靱性及び耐高温割れ性が低下すると共にスラグ剥離性が低下する。
更にまた、図５に示すように、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が本発明の範囲よりも小さくなると、スラグ剥離性が低下する。
以下、本実施形態の効果について説明する。上述の如く、本実施形態のワイヤにおいては、Ｍｎ含有量が１．９０質量％以下、Ｍｏ含有量が０．３５質量％以下、Ｔｉ含有量が０．２５質量％以下、Ｏ含有量が０．０１６０質量％以下であると共に、Ｓ含有量が０．００５質量％以上であり、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上であり、Ｃ含有量が少ない場合にＢ含有量に下限値を設定しているため、スラグ剥離性が良好であり、効率よく半自動溶接することができる。また、各成分の含有量を上述の如く規定しているため、大入熱・高パス間温度条件で溶接を行っても、溶接金属部の機械的性質を良好な状態に維持できる。更に、Ｔｉ含有量が０．１９質量％以上であるため、アークが安定してスパッタ発生量が少なくなると共に、スラグ量が適正化されて溶融池のシールド性が良好になる。
このように、本実施形態においては、ワイヤ諸成分を適性範囲に規定することにより、鉄骨用として主に使用される大入熱・高パス間温度溶接において、溶接金属部の良好な機械的性質、半自動溶接に必要な優れたアーク安定性が得られ、更にスラグ発生量を適正化することによりシールド不良への耐性を維持したまま、スラグ剥離性を大幅に向上し、半自動溶接工程における能率を向上させることができる。これにより、鉄骨建築のコストを大幅に低減することができる。
次に、本発明の第２の実施形態に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤについて説明する。本実施形態のワイヤは、４９０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対して、最大入熱が４０ｋＪ／ｃｍ、最高パス間温度が３５０℃の条件で炭酸ガスシールド溶接する際、又は、５２０Ｎ／ｍｍ２級鋼板に対して、最大入熱が３０ｋＪ／ｃｍ、最高パス間温度が２５０℃の条件で炭酸ガスシールド溶接する際に使用されるワイヤである。このワイヤは、例えば、半自動溶接に使用される。
本実施形態のワイヤの組成は、Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を夫々０．２０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。また、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下に規制され、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制されている。更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたときに、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式１３乃至１５を満たしている。
また、本実施形態のワイヤの組成において、より好ましくは、Ｓｉ：０．７５乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．６２乃至１．８０質量％、Ｃ：０．０４０乃至０．００８０質量％、Ｓ：０．００９乃至０．０２５質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４５質量％、Ｓｉ／Ｍｎが０．４００以上、Ｏ：０．０１００質量％以下である。
更に、ワイヤの表面には、ＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇ付着している。即ち、ＭｏＳ２付着量は０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇである。このＭｏＳ２は、例えば塗布によってワイヤ表面に被着されたものである。
以下、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ及びＮｉの含有量の数値限定理由について説明する。なお、本実施形態のワイヤにおける上記以外の成分における数値限定理由は、前述の第１の実施形態と同様である。
Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素：夫々０．２０質量％以下（請求項２）
Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉは、溶接金属部の強度を向上を向上させるために、必要に応じて微量添加される元素である。しかしながら、夫々の含有量が０．２質量％を超えると、スラグ剥離性が低下すると共にスパッタ発生量が増加する。また、Ｎｂ、Ｖ及びＣｒの含有量が夫々０．２０質量％を超えると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉを添加する場合は、その含有量が夫々０．２０質量％以下になるようにする。
Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉは、溶接金属部の強度を向上を向上させるために、必要に応じて微量添加される元素である。しかしながら、夫々の含有量が０．２質量％を超えると、スラグ剥離性が低下すると共にスパッタ発生量が増加する。また、Ｎｂ、Ｖ及びＣｒの含有量が夫々０．２０質量％を超えると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉを添加する場合は、その含有量が夫々０．２０質量％以下になるようにする。
本実施形態のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいては、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を夫々０．２０質量％以下添加しているため、第１の実施形態のワイヤに比べて、溶接金属部の強度をより向上させることができる。なお、本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態のワイヤと同様である。
Ａｌ：０．２０質量％以下（請求項３）
Ａｌは、溶接金属部の強度を向上を向上させるために、必要に応じて微量添加される元素である。しかしながら、含有量が０．２質量％を超えると、スラグ剥離性が低下すると共にスパッタ発生量が増加する。また、Ａｌの含有量が０．２０質量％を超えると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ａｌを添加する場合は、その含有量が０．２０質量％以下になるようにする。
Ａｌは、溶接金属部の強度を向上を向上させるために、必要に応じて微量添加される元素である。しかしながら、含有量が０．２質量％を超えると、スラグ剥離性が低下すると共にスパッタ発生量が増加する。また、Ａｌの含有量が０．２０質量％を超えると、溶接金属部の靱性が低下する。よって、Ａｌを添加する場合は、その含有量が０．２０質量％以下になるようにする。
本実施形態のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいては、Ａｌを０．２０質量％以下添加しているため、第１の実施形態のワイヤに比べて、溶接金属部の強度をより向上させることができる。なお、本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態のワイヤと同様である。
前述の第１及び第２の実施形態においては、ワイヤの表面にＭｏＳ２が付着している例を示したが、ＭｏＳ２は必ずしも付着している必要はない。また、ワイヤが線材及びこの線材の周囲に被覆される銅めっき層により構成されていてもよい。
以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。図６は溶接試験片の形状及び寸法を示す平面図及び側面図である。図６に示すように、母材として、縦が３５０ｍｍであり、横が１２５ｍｍであり、厚さが２５ｍｍである鋼板１１と、縦が３００ｍｍであり、横が１５０ｍｍであり、厚さが２５ｍｍである鋼板１２とを準備した。鋼板１２には、開先角度が３５°であるレ型開先を形成した。そして、鋼板１１及び１２の長辺間に７ｍｍの間隔が形成されるように、鋼板１１及び１２を平行に配置した。また、鋼板１２の表面における長手方向中央部で且つ開先から１０ｍｍの位置に、パス間温度測定位置Ｔを設定した。そして、鋼板１１及び鋼板１２の対向部分の裏側には、裏当金１３を配置した。また、鋼板１２の長手方向両側には夫々固定タブ１４を配置し、鋼板１１及び１２を相互に固定した。なお、図６の側面図においては、固定タブ１４は図示が省略されている。
そして、複数の種類のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ（図示せず）を使用して、開先溶接を行った。これにより、鋼板１１と鋼板１２との間に、ビード１５が形成された。このときの溶接条件を下記表１に示す。また、使用したワイヤの組成を下記表２乃至５に示す。なお、下記表２及び表４に示す各成分の含有量並びに下記表３及び表５に示すＭｏＳ２以外の含有量の単位は［質量％］であり、下記表３及び表５に示すＭｏＳ２の付着量の単位は［ｇ／１０ｋｇ］、即ち、ワイヤ１０ｋｇあたりのｇ数である。なお、下記表２乃至５に示すワイヤは、線材の表面に銅めっきが施されているワイヤと、銅めっきが施されていないワイヤとの両方を含むが、ワイヤ全質量中のＣｕ含有量（質量％）のみを指標として整理している。
そして、溶接中の（１）アーク安定性及び（２）スパッタ発生量を評価した。また、溶接終了後に、デジタル画像処理により（３）スラグの剥離性を評価し、また、（４）溶接効率を算出した。更に、（５）溶接金属部の機械的性質を評価した。更にまた、（６）溶接金属部における高温割れの発生の有無を調査した。以下、これらの評価方法について説明する。
（１）アーク安定性
アーク安定性は、溶接中の官能試験によって評価した。ワイヤ送給性が優れ、溶滴移行性が円滑であり、全体としてアーク安定性が極めて優れていた場合を極めて良好（◎）と判定し、ワイヤ送給性が瞬間的に劣ることがあったり、液滴移項性が一時的に不安定になったりすることがあったものの、アーク安定性が実用上問題のないレベルであった場合を良好（○）と判定し、これらが顕著で問題となる場合を不良（×）と判定した。
アーク安定性は、溶接中の官能試験によって評価した。ワイヤ送給性が優れ、溶滴移行性が円滑であり、全体としてアーク安定性が極めて優れていた場合を極めて良好（◎）と判定し、ワイヤ送給性が瞬間的に劣ることがあったり、液滴移項性が一時的に不安定になったりすることがあったものの、アーク安定性が実用上問題のないレベルであった場合を良好（○）と判定し、これらが顕著で問題となる場合を不良（×）と判定した。
（２）スパッタ発生量
スパッタ発生量は、溶接終了後にシールドノズルに付着したスパッタを回収し、その質量を測定することによって評価した。回収されたスパッタ量が２．５ｇ以下である場合を良好（○）と判定し、２．５ｇよりも多かった場合を不良（×）と判定した。
スパッタ発生量は、溶接終了後にシールドノズルに付着したスパッタを回収し、その質量を測定することによって評価した。回収されたスパッタ量が２．５ｇ以下である場合を良好（○）と判定し、２．５ｇよりも多かった場合を不良（×）と判定した。
（３）スラグの剥離性
本実施例においては、定量評価法として自然剥離性を評価した。先ず、溶接完了後、図６に示すパス間温度測定位置Ｔにおいて測定される鋼板表面温度が２５０℃まで冷却した時点で、ビード１５の外観を写真撮影した。次に、そのビード外観写真をコンピュータに取り込んで画像解析ソフトにより二値化処理を行い、スラグが自然剥離した領域と、スラグが付着したままの領域とを区別した。そして、前記画像解析ソフトにより、スラグが自然剥離した領域の面積と、スラグが付着したままの領域の面積とを夫々算出した。そして、これらの面積に基づいて、スラグ剥離率を求めた。スラグが自然剥離した領域の面積をａとし、スラグが付着したままの領域の面積をｂとし、スラグ剥離率をＲ（％）とするとき、スラグ剥離率Ｒを下記数式１６により計算した。スラグ剥離率Ｒが１３％以上である場合を良好（○）と判定し、１３％未満である場合を不良（×）と判定した。
本実施例においては、定量評価法として自然剥離性を評価した。先ず、溶接完了後、図６に示すパス間温度測定位置Ｔにおいて測定される鋼板表面温度が２５０℃まで冷却した時点で、ビード１５の外観を写真撮影した。次に、そのビード外観写真をコンピュータに取り込んで画像解析ソフトにより二値化処理を行い、スラグが自然剥離した領域と、スラグが付着したままの領域とを区別した。そして、前記画像解析ソフトにより、スラグが自然剥離した領域の面積と、スラグが付着したままの領域の面積とを夫々算出した。そして、これらの面積に基づいて、スラグ剥離率を求めた。スラグが自然剥離した領域の面積をａとし、スラグが付着したままの領域の面積をｂとし、スラグ剥離率をＲ（％）とするとき、スラグ剥離率Ｒを下記数式１６により計算した。スラグ剥離率Ｒが１３％以上である場合を良好（○）と判定し、１３％未満である場合を不良（×）と判定した。
（４）溶接効率
溶接効率Ｅ（％）は、１パス目から最終パスの１パス前の溶接までの間にスラグ除去に要した時間の合計値ΣＳＴと、１パス目から最終パスの１パス前の溶接までの間のアーク発生時間ΣＡＴとを測定し、下記数式１７により計算した。溶接効率Ｅは、スラグ除去が容易で、短時間で終了する程高くなり、優れていることになる。そこで、溶接効率Ｅが７０％以上である場合を良好（○）とし、７０％未満の場合を不良（×）とした。
溶接効率Ｅ（％）は、１パス目から最終パスの１パス前の溶接までの間にスラグ除去に要した時間の合計値ΣＳＴと、１パス目から最終パスの１パス前の溶接までの間のアーク発生時間ΣＡＴとを測定し、下記数式１７により計算した。溶接効率Ｅは、スラグ除去が容易で、短時間で終了する程高くなり、優れていることになる。そこで、溶接効率Ｅが７０％以上である場合を良好（○）とし、７０％未満の場合を不良（×）とした。
（５）溶接金属部の機械的性質
溶接金属部の機械的性質の評価は、引張試験により強度を測定し、シャルピー衝撃試験により靭性を測定して行った。図４に示す試験片から、ＪＩＳ Ｚ３１１１に規定される試験片を、その中心がビード表面下１０ｍｍ、ビード幅中央部となるように採取して、引張試験及びシャルピー衝撃試験に供した。なお、引張試験は室温（２０℃）の雰囲気で行った。また、シャルピー衝撃試験は０℃の雰囲気で行い、３本の試験片を夫々測定してその平均値を評価値とした。そして、強度については、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ２（＝４９０ＭＰａ）以上である場合を合格（○）とし、それ未満である場合を不合格（×）とした。また、靭性については、シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが７０Ｊ以上である場合を合格（○）とし、それ未満である場合を不合格（×）とした。
溶接金属部の機械的性質の評価は、引張試験により強度を測定し、シャルピー衝撃試験により靭性を測定して行った。図４に示す試験片から、ＪＩＳ Ｚ３１１１に規定される試験片を、その中心がビード表面下１０ｍｍ、ビード幅中央部となるように採取して、引張試験及びシャルピー衝撃試験に供した。なお、引張試験は室温（２０℃）の雰囲気で行った。また、シャルピー衝撃試験は０℃の雰囲気で行い、３本の試験片を夫々測定してその平均値を評価値とした。そして、強度については、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ２（＝４９０ＭＰａ）以上である場合を合格（○）とし、それ未満である場合を不合格（×）とした。また、靭性については、シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが７０Ｊ以上である場合を合格（○）とし、それ未満である場合を不合格（×）とした。
（６）高温割れ
溶接金属部における高温割れの有無は、超音波探傷試験により調査した。
溶接金属部における高温割れの有無は、超音波探傷試験により調査した。
これらの評価結果を下記表６及び表７にまとめて示す。
先ず、表６に示す結果を説明する。Ｎｏ．１乃至２８は本発明の実施例である。実施例Ｎｏ．１乃至２８においては、各成分の含有量が本発明の範囲内にあるため、スラグ剥離性が良好で、溶接効率が高く、溶接金属部の強度及び靱性が高く、アークの安定性が優れ、スパッタの発生量が少なく、耐高温割れ性が良好であった。このため、優れた溶接作業性及び溶接金属の機械的性質が得られた。
これに対して、表７に示すＮｏ．２９乃至６２は比較例である。比較例Ｎｏ．２９はＣが過少であり溶接金属部の強度及び靱性が不足した。比較例Ｎｏ．３０及び３１はＣが過剰であり溶接金属部に高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．３２はＳｉが過少であり溶接金属部の強度が不足した。比較例Ｎｏ．３３はＳｉが過剰であり溶接金属部の靭性が不足した。比較例Ｎｏ．３４及び３５はＴｉが過少でありスパッタ発生量が多くアーク安定性も劣っていた。比較例Ｎｏ．３６はＴｉが過剰であり、スラグ剥離性が悪く、溶接効率も劣っていた。比較例Ｎｏ．３７はＭｎが過少であり溶接金属部の引張強度及び靭性が共に低かった。比較例Ｎｏ．３７はＭｎが過剰であり、スラグ剥離性が悪く、溶接効率も劣っていた。
比較例Ｎｏ．３９は、Ｓｉ及びＭｎ単独量は問題ないものの、その比率（Ｓｉ／Ｍｎ）が過少で、バランスが悪いため、スラグ剥離性が悪く、溶接効率も劣っていた。比較例Ｎｏ．４０及び４１は、Ｓｉ／Ｍｎが過少な上、Ｔｉ含有量も過少であり、スラグ剥離性が悪く、それに伴い溶接効率が劣っており、更に、アーク安定性が劣化し、スパッタ発生量も過剰であった。比較例Ｎｏ．４２はＭｏが過少であり引張強さが低かった。比較例Ｎｏ．４３はＭｏが過剰であり、スラグの剥離性が悪く、溶接効率も劣っていた。比較例Ｎｏ．４４はＭｎ及びＭｏの単独量は問題ないものの、Ｍｎ及びＭｏの合計量が過剰であったため、スラグ剥離性が悪く、溶接効率も悪かった。比較例Ｎｏ．４５はＳが過少であり、スラグの剥離性が悪く、溶接効率も悪かった。比較例Ｎｏ．４６はＳが過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。
比較例Ｎｏ．４７はＯが過剰であり、スラグ量が増加して剥離性も低下した。また、溶接金属中の介在物が過剰となって高温割れが発生し、靭性も低かった。比較例Ｎｏ．４８はＳ及びＯの単独量は問題ないものの、Ｓ及びＯの合計量が過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。比較例Ｎｏ．４９はＰが過剰であり、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．５０はＣｕが過剰であり、スラグ剥離性が悪く、溶接効率が低下し、更に、高温割れも発生した。比較例Ｎｏ．５１はＢが過剰であり、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．５２は、Ｃ含有量に対してＢ含有量が過剰であり、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．５３乃至５６は逆にＣ含有量に対してＢ含有量が不足してるため、靱性が低かった。また、溶融池とスラグ間の界面エネルギーが小さくなって、スラグ剥離性が劣化し、その結果、溶接効率も低下した。比較例Ｎｏ．５７乃至Ｎｏ．６１は夫々Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉが過剰であり、スラグ剥離性が劣化し、溶接効率も低下した。また、アークが不安定になり、スパッタ量も増加した。更に、比較例Ｎｏ．５７乃至６０は、溶接金属部の靱性も低下した。比較例Ｎｏ．６２はワイヤ表面におけるＭｏＳ２の付着量が過剰であり、コンジットライナー等の送給系にＭｏＳ２が堆積して詰まり、ワイヤ送給が不安定となった。その結果、アーク安定性が損なわれ、スラグ分布が不均一化して悪影響を及ぼし、スラグの剥離性が低下した。また、溶接効率も低下し、スパッタ量も増加した。
本発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、半自動溶接により、強度が５２０Ｎ／ｍｍ２級以下の炭素鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際に特に好適である。
１；領域（本発明の範囲）
２；領域（本発明の好適範囲）
１１、１２；鋼板
１３；裏当金
１４；固定タブ
１５；ビード
Ｔ；パス間温度測定位置
２；領域（本発明の好適範囲）
１１、１２；鋼板
１３；裏当金
１４；固定タブ
１５；ビード
Ｔ；パス間温度測定位置
Claims (11)
- Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制され、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式を満たす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。
- Ｓｉ：０．７０乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．５０乃至１．９０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．０２５質量％、Ｔｉ：０．１９乃至０．２５質量％、Ｍｏ：０．１２乃至０．３５質量％、Ｃ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ｂ：０．００５０質量％以下及びＣｕ：０．４５質量％以下を含有し、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を夫々０．２０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２０質量％以下、Ｏが０．０１６０質量％以下に規制され、更に、Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．３８５以上、Ｍｎ及びＭｏの総含有量が２．２０質量％以下、Ｓ及びＯの総含有量が０．０３４質量％以下であり、Ｃ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｂ含有量（質量％）を［Ｂ］としたとき、［Ｃ］及び［Ｂ］が下記数式を満たす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。
- 更に、Ａｌ：０．２０質量％以下を含有することを特徴とする請求項２に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｃ含有量が０．０４０乃至０．０８０質量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｓｉ含有量が０．７５質量％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｍｎ含有量が１．６２乃至１．８０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｓ含有量が０．００９質量％以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｃｕ含有量が０．０１質量％以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｓｉ含有量とＭｎ含有量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．４００以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｏ含有量が０．０１００質量％以下に規制されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- ワイヤ表面に、前記ワイヤ１０ｋｇあたりの重量で、ＭｏＳ２を０．０１ｇ／１０ｋｇ乃至１．００ｇ／１０ｋｇ付着させたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
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