JP5205115B2

JP5205115B2 - 純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ及びＭＩＧアーク溶接方法

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Publication number: JP5205115B2
Application number: JP2008107197A
Authority: JP
Inventors: 励一鈴木; 悠梅原; 利彦中野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: CN101559544B; CN101559544A; EP2110195B1; US20090261085A1; EP2110195A2; EP2110195A3; JP2009255125A; US9550254B2

Description

本発明は、純Ａｒガスをシールドガスとして使用し、鋼材同士をＭＩＧアーク溶接するために使用される純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ、及びこのワイヤを溶接トーチから繰り出しつつガスシールドアーク溶接するＭＩＧアーク溶接方法に関する。

母材がアルミニウム合金材の場合と異なり、鋼材のガスシールドアーク溶接では、純Ａｒを使用したイナートガスアーク溶接方法は実質的に不可能とされてきた。その理由は鋼材を電極とする場合、電子放出はエネルギー的に低い酸化物を必要とするからとされている。純Ａｒガスでは鋼板又はワイヤ先端表面に酸化物が形成されない。従って、一般的には、ＣＯ_２単独又はＡｒにＣＯ_２若しくはＯ_２ガスを混合したものをシールドガスとして使用している。しかし、ＣＯ_２及びＯ_２のような酸化性ガスが存在すると、溶融状態において必然的に鉄が酸化され、その性質を劣化させるため、酸化剤としてより酸素と親和性が強いＳｉ、Ｍｎ又はＴｉといった非鉄元素をワイヤから添加することで、脱酸反応を起こさせ、スラグとして排出させている。つまり、酸化性ガスを使用するために、継手性能には必要のない高価な元素を添加としているのである。また、シールドガスとしては安価なＣＯ_２が最も多く用いられているが、温室効果ガスとして知られており、使用を極力控えるべきである。

これに対して、純Ａｒガスをシールドガスとして使用した溶接は、酸化物であるスラグ及びヒュームが原理的にほとんど発生しなくなるために、スラグ付着によって引き起こされる塗装性状の不良、又はヒューム吸引による人体への悪影響に対し、改善効果が期待できる。

このように、純Ａｒガス溶接は温室効果ガスの不使用、貴重な金属の節約、溶接部の外観向上、溶接場の衛生環境改善という多くの観点で有益である。なお、電極として、非消耗電極のタングステンを使用し、溶加棒を電極・母材間に発生するアーク熱で溶融するＴＩＧ溶接法では、純Ａｒガスが使用可能であるが、ワイヤ自体からアークを発生するＭＡＧ溶接法及びＭＩＧ溶接法と比べると、抵抗発熱効果がないので、極めて低能率であるという欠点がある。

例えば、鋼の純Ａｒ−ＭＩＧ溶接法として、鋼の芯に異材の帯鋼を巻いた特殊な溶接ワイヤが、特許文献１に開示されている。また他に、特殊な形状のトーチを用いて、純Ａｒシールドガスの周囲に酸化性ガスを流した擬似的な純Ａｒ溶接法が、特許文献２に開示されている。更には、グラファイトを０．１０乃至０．７質量％、他に適当量の元素を添加したフラックス入りワイヤを用いることにより、スラグ量低減による塗装性の改善と、マルテンサイト変態温度を低下させて圧縮残留応力を付与することによって、継手疲労強度を改善する溶接方法が特許文献３に開示されている。

特開２００６−２０５２０４号公報特開２００７−４４７３６号公報特開２００６−２７２４０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている溶接ワイヤは製造が困難であり、かつ組成もＮｉ、Ｃｒ等を多量に含有するため極めて高価であるため実用性に乏しい。また、特許文献２に開示された溶接トーチでは、酸化性ガスを用いるという点では従来の知見の範囲内であり、溶接トーチが特殊な形状のため実用性が乏しい。また、特許文献３に開示されたシールドガスとグラファイトの組み合わせは、大量のヒュームを発生するため環境上好ましくない。また、酸素がシールドガスから供給されるのでスラグ低減効果が限定的である。更に、溶接金属の酸素含有量は数１００ｐｐｍと高く、Ｍｓ点の低下効果が限定的である。なお、このＭｓ点とは、冷却の間にオーステナイトがマルテンサイトに変態し始める温度を示す。更に、高Ｃ鋼において、酸化物は介在物として凝固割れを起こしやすいという欠点がある。

本発明はかかる問題点を鑑みてなされたものであり、特殊なトーチを使用する必要がなく、高価な金属資源を必ずしも使用する必要がなく、また、ＣＯ_２のような温室効果ガスを使用せず、更に、スラグ及びヒュームの発生が抑制されると共に、静的引張強度及び疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ及びＭＩＧアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスを充填してなり、純Ａｒシールドガスを使用したＭＩＧ溶接に使用されるフラックス入りワイヤであって、前記フラックス中に、グラファイトをワイヤ全質量あたり０．１６乃至２．００質量％含有し、鉄粉をフラックス全質量あたり２０質量％以上含有することを特徴とする。

例えば、前記ワイヤは、前記フラックス中に、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された少なくとも１種をワイヤ全質量あたり０．０３乃至５．００質量％含有することが好ましい。

また、前記ワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．１６乃至２．００質量％を含有し、更に、Ｓｉ：２．００質量％以下、Ｍｎ：１０．００質量％以下、Ａｌ：１．００質量％以下、Ｍｇ：１．００質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以下、Ｃｒ：３．００質量％以下、Ｎｂ：３．００質量％以下、Ｖ：３．００質量％以下、Ｍｏ：３．００質量％以下、Ｃｕ：３．００質量％以下、Ｂ：０．０２００質量％以下、希土類金属（ＲＥＭ）：０．５０質量％以下、Ｆ：０．５０質量％以下、Ｃａ：０．５０質量％以下、Ｋ，Ｎａ及び／又はＬｉ：総量で１．００質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、かつ不純物として、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下に規制することが好ましい。

更に、前記ワイヤは、前記Ｃが、ワイヤ全質量あたり、０．４５乃至２．００質量％であると好ましい。

本発明に係るＭＩＧアーク溶接方法は、上述の純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤを使用し、ＪＩＳＫ１１０５の１級又は２級の純Ａｒをシールドガスとして使用して、前記ワイヤを正極として負極の母材との間にアークを発生させて、ＭＩＧ溶接することを特徴とする。

この場合に、前記アークを形成するための電源として、パルス電源を使用することが好ましい。

また、前記母材は、例えば、引張強度が４９０ＭＰａ以上の鋼板である。

本発明によれば、従来のトーチなど溶接装置をそのまま使用し、ワイヤ組成及びシールドガスを適切に組み合わせることによって、不必要な温室効果ガスを使用せず、また、必ずしも高価な金属資源を必要とせず、且つスラグ及びヒュームの発生を抑制することができる。そして、本発明によれば、高い静的引張強度と疲労強度を有する溶接継手を得ることができる。これにより、鋼材用として低コストで安定な純Ａｒ−ＭＩＧ溶接を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態の純Ａｒガスをシールドガスとして使用するＭＩＧ溶接方法を示す斜視図である。溶接トーチ１に向けて溶接ワイヤ１３が連続的に供給され、溶接ワイヤ１３は溶接トーチ１の中心部をとおって溶接トーチ１の先端から、母材２１に向けて送出される。この溶接ワイヤ１３を正極とし、母材２１を負極として、電源装置（図示せず）から溶接電圧が印加され、溶接ワイヤ１３と母材２１との間にアーク３１が形成される。この場合に、図２（ｂ）に示すように、溶接ワイヤ１３と母材２１における溶融プールの近傍には、シールドガスとして純Ａｒガスが供給され、アーク３１及び溶融池１７５の周辺を外気から遮断している。

このアーク３１により、溶接ワイヤ１３及び母材２１が溶融し、溶融池１７５が形成され、溶接ワイヤ１３を溶接線（図１の場合はＶ開先の突合せ溶接）に沿って移動させることにより、溶融池１７５が凝固して、溶接金属による溶接ビード１７３が形成される。これにより、溶接継手が得られる。

次に、この純ＡｒガスシールドＭＩＧ溶接において、純Ａｒガス雰囲気におけるアーク３１の不安定のメカニズムを高速度カメラ等を用いて観察した結果について説明する。図２（ａ）、（ｂ）はその挙動を示す模式図である。純Ａｒガス雰囲気では、酸化性ガスを用いたときの分子の分解時に生じる吸熱反応、及びガス固有の電位傾度が発生しないことから、普通のソリッドワイヤ１１又はフラックス入りワイヤ１３で溶滴（液滴）１９の先端からその上部のアーク発生点の距離１５が非常に大きくなり、図２（ａ）に示すような細長い液柱１７が生じる。また、母材２１の表面の陰極点は酸化物が形成されにくいことから不安定であり、広範囲をアーク発生点として激しくさまようことになる。これは結果的に溶接ビード１７３近傍に形成されるクリーニング幅となって視認することができる。非常にアーク３１が不安定なのに対し、ワイヤ先端の液柱１７も細長いことから、その影響を受けやすく、アーク点の移動と共にそのエネルギーによって液柱１７は周囲に飛散し、激しいスパッタ１７１となる。そのため、溶接ビード１７３は図３（ａ）に示すように蛇行するなど正常とならず、溶接不可能となる。

この現象に対し、
（１）電気的にアーク放出を促進しやすい元素をアーク発生箇所つまり陽極点に露出させる。
（２）エネルギーポテンシャルを下げ、陽極点と陰極点を安定にする酸素をワイヤ１３から供給する。
（３）強力な脱酸効果を持ち、溶鉄の表面張力を高めることによって液柱１７ではなく球状の液滴１９にしてアーク３１の指向方向の影響を受けにくくする。以上の３点によってアーク３１の安定性を改善する。

本願発明者等による研究の結果、（１）を実現するにはグラファイトが有効であることを見出だした。グラファイトは炭素の一形態であり、しかも安価である。溶断のガウジング棒として使われることからわかるとおり、炭素アークと呼ばれる強力なアーク発生源として作用する。高温でも安定なため、ガスシールドアーク溶接でもアーク発生点になりうる。グラファイトはソリッドワイヤ１１の形態ではアーク３１に供給することは不可能であり、図２（ｂ）で示すとおりフラックス入りワイヤ１３の形態が必須となる。

（２）の酸素をワイヤ１３から供給する手段としては、フラックス１３１内に鉄粉を混入させることが有効であることを見出だした。具体的には、鉄は大気中では不安定なため、表面に酸素が吸着又は酸化しているのが通常である。鉄粉はソリッド形態よりも単位質量あたりの表面積が大きいため、遙かに酸素量が高くなっており、アーク発生点でグラファイトと同様に安定発生点を形成する。

図３（ｂ）にビード形状を示すように（１）、（２）だけで純Ａｒ雰囲気で安定なアーク３１が得られることがわかった。更に、（３）としてＴｉ又はＺｒを相乗添加することで、ワイヤ１３の先端を球状の溶滴１９にすることができ、アーク３１の安定化とスパッタ１７１の飛散を抑制できることを見出だした。

純Ａｒガスを用いて溶接できるようになると、形成される溶融池１７５は５０ｐｐｍ以下の極めて少ない酸素量であるため、脱酸元素が必ずしも必要ではなくなる。そうすると、濡れ性の調整等を目的として、溶接ビード１７３の形状を向上させるに足るだけの脱酸元素を必要に応じて添加すれば良い。強度及び靭性などの機械的特性の向上についても同様である。以下に本発明に係るワイヤ１３の各成分の限定について詳述する。

「グラファイト：ワイヤ１３の全質量あたり０．１６乃至２．００質量％」
上述のとおり、グラファイトをフラックス１３１として添加することで純Ａｒ雰囲気中でも安定なアーク発生源となる。これはワイヤ１３の全質量あたり０．１６質量％以上のときに有効となる。結果として低スパッタ化に効果的であり、溶接ビード１７３の直線性に関しても一般的なＣＯ_２系の溶接と同様に優れる。好ましくは０．２５質量％以上、更に好ましくは０．４５質量％以上とするとアーク安定性、低スパッタ性、直線性が向上する。一方、グラファイトが２．００質量％を越えるとアーク力が過剰となり、スパッタ１７１が多発し、更に水素割れも多発する。したがって２．００質量％をグラファイトの上限とする。

「鉄粉：フラックス１３１の全質量あたり２０質量％以上」
上述のとおり、鉄粉は微細なために酸素を表面に多量に保持しており、純Ａｒ環境下のアーク発生点においてグラファイトと共存することでアーク発生源となる。これはフラックス１３１の全質量あたり２０質量％以上のときに有効である。過剰添加となる短所はないため、上限を設ける必要はなく、４０質量％以上であればより好ましい。なお、鉄粉の定義としてはＦｅ濃度９５質量％以上でかつ粒度が５００μｍ以下の粉体とする。

「外皮１３３：炭素鋼の帯鋼をパイプ状に溶接したもの又はシームレス鋼管」
本発明のフラックス入りワイヤ１３の構造は従来と同じである。ワイヤ１３の製造方法は外皮１３３となる帯鋼の長さ方向にフラックス１３１を散布してから、包み込むように帯鋼両端を押圧し、円形断面に成形し伸線する方法、又は外皮１３３となる太径のシームレス鋼管にフラックス１３１を充填して伸線する方法があるが、本発明ではいずれの方法でも構わない。更にシームがあるものとないものがあるが、これもいずれでも構わない。外皮１３３の成分については何ら規定する必要はないが、コスト面と伸線性の面から軟鋼の材質を用いるのが一般的である。また、表面に銅メッキを施す場合もあるが、これもいずれでも構わない。

「Ｔｉ、Ｚｒ；ワイヤ１３の全質量あたり夫々０．０３乃至５．００質量％」
純Ａｒ雰囲気でのアーク安定性を劇的に改善させる手段は、グラファイトと鉄粉をフラックス１３１として用いることにあるが、これらと共存し、安定化効果を更に高めるのがＴｉとＺｒである。これらを適当量添加するとワイヤ先端の溶滴１９を粒状化し、ふらつきを抑制できる。この効果を発揮される下限は０．０３質量％である。一方、５．００質量％を超えて添加すると溶接金属中にＴｉ又はＺｒが介在物として過剰に残留し、割れを発生させたり、溶滴１９が過剰に大粒化して逆にアーク３１を不安定化させる。なお、Ｔｉ、Ｚｒの添加原料としては、一般的なフェロチタン、フェロジルコニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、金属チタン、金属ジルコニウム、チタン酸ソーダ、チタン酸カリウム、ジルコンサンド、その他化合物を含めてどのような形態でも構わない。なお、シールド不良時にスラグが発生することがあるので、防止のために更に好ましくは１．５０質量％以下である。

「Ｃ：ワイヤ１３の全質量あたり０．１６乃至２．００質量％」
純Ａｒアーク安定剤としてグラファイトを用いるので、溶接金属の強度を高めるために必要なＣ量は基本的にはグラファイトから十分に賄える。よってＣとしての規定量はグラファイトの規定量と同一である。但し、Ｃはグラファイト以外にもＳｉＣなどの化合物として添加あるいは混入することもあるため独立して規定した。０．４５質量％以上の場合は、圧縮残留歪が付与され、継手疲労強度をも高めることができる。０．６０質量％以上添加すると更に継手疲労強度を高めることができる。一方、Ｃが２．００質量％を超えるとスパッタが多発するのでＣの上限値は２．００質量％とする。

「Ｓｉ：ワイヤ１３の全質量あたり２．００質量％以下」
一般的な溶接ワイヤには溶鉄の酸化を抑制するために脱酸剤を添加している。しかし、純Ａｒ−ＭＩＧ溶接では酸化が起こらないので、脱酸剤を添加しなくても溶接可能となる。したがって、Ｓｉフリーでも問題はない。なお、０．５０質量％以上添加するとビード止端部の形状が改善され、より好ましい。一方、２．００質量％を超えると溶融池１７５の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなる。したがって、上限２．００質量％である。なお、Ｓｉの添加原料としては金属シリコン、フェロシリコン、シリコンマンガン、珪砂、カリ長石、ジルコンサンド、珪酸ソーダなどがある。

「Ｍｎ：ワイヤ１３の全質量あたり１０．００質量％以下」
ＭｎもまたＳｉと同様に一般的な溶接材料としては脱酸目的として添加されている。しかし、純Ａｒ−ＭＩＧ溶接では酸化が起こらないので、脱酸剤を添加しなくても溶接可能となる。したがって、Ｍｎフリーでも問題はない。なお、０．５０質量％以上添加するとビード止端部の形状が改善され、より好ましい。一般的にはコスト面を考慮して３．０質量％を上限として十分であるが、継手疲労強度を改善する機能を持たせる場合は更にＭｎを添加すると効果的となる。一方、１０．００質量％を超えると溶融池１７５の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなる。したがって、上限１０．００質量％とする。なお、Ｍｎの添加原料としては金属マンガン、フェロマンガン、シリコンマンガンなどがある。

「Ｐ，Ｓ：ワイヤ１３の全質量あたり夫々０．０３０質量％以下」
Ｐ，Ｓは耐高温割れ性を低下させる元素であり、本発明の目的では特段の積極添加の意味はない（無添加でも問題はない）。したがって、従来ワイヤと同等に工業的生産性とコストを考慮し夫々０．０３０質量％以下に抑制する。

「Ａｌ，Ｍｇ：ワイヤ１３の全質量あたり夫々１．００質量％以下」
Ａｌ，Ｍｇもまた強力な脱酸剤として用いられている。しかし、純Ａｒ−ＭＩＧ溶接では酸化が起こらないので、脱酸剤を添加しなくても溶接可能となる。したがって、Ａｌ，Ｍｇフリーでも問題はない。但し、０．１０質量％以上添加するとアーク力を高め、溶込み深さを大きくする効果がある。一方、１．００質量％を超えて添加するとスパッタ１７１が多くなる。したがって、上限は夫々１．００質量％とする。なお、添加原料としては金属アルミ、フェロアルミ、金属マグネシウム、アルミマグネシウムなどがある。

「Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｕの全ての元素夫々：ワイヤ１３の全質量あたり３．００質量％以下」
Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｕは無添加でも問題ないが、夫々適当な量を添加することでＭｓ点を低下させたり、適度な強度を確保する効果がある。それらの効果が現れるには最低０．０５質量％以上が必要である。一方、３．００質量％を超えると、溶融池１７５の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングする。また、強度過剰で割れが発生するといった短所が生じるので３．００質量％以下にする。なお、Ｃｕはワイヤ表面へメッキした場合、メッキ部を含めた割合とする。

「Ｂ：ワイヤ１３の全質量あたり０．０２００質量％以下」
Ｂは無添加でも問題ないが、少量添加でＭｓ点を低下させ、かつ溶接金属の靭性を向上できる。この効果は０．００１０質量％以上の添加が必要である。一方、０．０２００質量％を超える添加は割れを発生させるのでこれ以下にする。

「ＲＥＭ：ワイヤ１３の全質量あたり０．５０質量％以下」
ＲＥＭはレアアースメタル（希土類金属）の意でＬａ，Ｃｅなどで一般的に構成される。無添加でも問題ないが、０．０１質量％以上ＲＥＭを添加するとＭＩＧ溶接時にアーク安定性が向上し、かつ溶接金属の酸素量をより低下させてＭｓ点を低下できる。一方、０．５０質量％を超える添加はアーク安定化効果が飽和し、逆に溶滴１９が大粒化してスパッタ１７１が増加する。更に、コストも上がる。

「Ｋ，Ｎａ，Ｌｉの合計：ワイヤ１３の全質量あたり１．００質量％以下」
Ｋ，Ｎａ，Ｌｉもまた無添加でも問題ないが、夫々適当な量を添加することで電子放出を容易にし、アーク安定化と溶滴１９の移行を円滑にしてスパッタ発生量を低下させる。その効果は少なくとも１種の元素を合計で０．００１質量％以上の添加で発揮される。一方、合計で１．００質量％を超える添加はその効果が飽和してしまうと共に、アーク力が弱まって溶込み深さが浅くなる。そのため、溶融池１７５が不安定となってハンピングするなどの問題が生じる。したがって、上限は合計で１．００質量％である。なお、Ｋ，Ｎａ，ＬｉはＫ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ，Ｌｉ_２Ｏを主成分とする長石、ソーダガラス、カリガラスを原料としてフラックス１３１に添加するのが一般的である。

「Ｆ，Ｃａ：ワイヤ１３の全質量あたり夫々０．５０質量％以下」
Ｆ，Ｃａもまた無添加でも問題ないが、夫々適当な量を添加することで強力な脱酸作用を有し、溶接金属の焼入れ性を高める。その効果は最低０．００５質量％以上が必要である。一方、Ｆ又はＣａが０．５０質量％を超えると、溶融池１７５の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングする。また、スパッタ１７１の発生量が増加するため、Ｆ及びＣａは夫々０．５０質量％以下にする。

なお、本発明のワイヤ１３のフラックス率（充填率）は従来のフラックス入りワイヤと特に変わることはないが、通常ワイヤ１３の全質量あたり７乃至２７質量％である。７質量％未満ではグラファイト及び鉄粉などのＭＩＧアーク溶接で必要なフラックス元素を必要量確保できず、成型加工も困難である。一方、２７質量％を超えると外皮１３３が薄くなり伸線加工中に断線が発生しやすくなり、製造が困難である。

「Ａｒ：ＪＩＳＫ１１０５の１級又は２級」
本発明における”純Ａｒ”の表記は科学上の１００％Ａｒではなく、工業製品としての純Ａｒである。ＪＩＳＫ１１０５には工業用Ａｒが規定されており、１級が純度９９．９９９体積％以上、２級が純度９９．９９５体積％以上である。どちらも本溶接ワイヤ１３及び溶接法の組み合わせとして問題なく使用可能である。これ以下の純度のＡｒガスでも本溶接ワイヤ１３は適用できるが、ヒューム量若しくはスパッタ量の増加、金属強度低下又はスラグ発生などの悪影響が生じる。

「電源装置：パルス電源」
溶接機は一般的に消耗電極式アーク溶接用として用いられる定電圧特性電源でも問題ない。しかし、ＭＩＧ溶接におけるアーク安定性を更に向上させるためにはパルス溶接機との組み合わせが最も推奨される。純Ａｒ溶接ではハンピング発生に関わる溶滴離脱の規則性について、酸化性ガスを用いたＭＡＧ溶接よりも劣る。したがって、平均電流に係わらず常に高い電流の作用でピンチ力を付与でき、規則正しい溶滴離脱が実現できるパルス溶接法が好ましい。パルスの設定については特に限定しないが、ピーク電流３５０乃至６００Ａ、ベース電流３０乃至１００Ａ、１ピーク間（立上り開始〜ピーク定常期〜立上り終了）で０．８乃至５．０ミリ秒が一般的に使用される。

「母材強度４９０ＭＰａ以上の鋼板」
純Ａｒ雰囲気でのＭＩＧ溶接法の最大の効果は、溶接ワイヤ１３に添加される貴重な金属資源及び不必要な温室効果ガスを使用せず、かつ溶接部にスラグを発生させないことである。その長所を得るために、母材２１，２３に対しては何ら制限を要せず、汎用的に適用できる。更に、本ワイヤ１３の成分の一つであるグラファイト量を更に限定することで、溶接継手の疲労強度を高める効果も得られる。溶接金属の変態膨張で鋼材熱影響部に発生する残留応力を低減できる理由は、溶接金属が膨張するときに鋼材側に発生する応力も溶接金属への反力により圧縮応力になることによる。このため、より高い反力が期待できる高強度鋼板ほど疲労特性の改善も大きいと期待できる。鋼材強度が低い場合は、反力も低くならざるを得ず、変態終了後の熱収縮で再び引張応力状態に戻ってしまう危険があるためである。引張応力が残留してしまえば疲労強度改善は望めない。そのため、疲労強度向上が期待できる下限として、４９０ＭＰａを設定した。なお、上限については特に限定する必要はない。現在一般に実用化されている薄鋼板の強度は１５００ＭＰａ程度が最大であり、この程度までの鋼板であれば、本発明ワイヤ１３で疲労強度の改善がはかれ、かつ継手引張強度の面でも溶接金属のオーバーマッチングが達成できる。

試験１として、板厚１２ｍｍのＳＳ４００鋼板を用いて図１に示すような突き合わせ溶接を行った。表１に本試験に用いたフラックス入りワイヤ用帯鋼の組成を示し、これを外皮１３３として、表２−１，２−２，３−１，３−２，４−１及び４−２に示す組成のフラックス入りワイヤ１３を製造した。但し、比較例Ｎｏ．６５，６６のみソリッドワイヤ１１である。なお、各元素は基本的に積極添加のものを記入し、”−”は無添加扱いとする。また、Ｐ，Ｓは全て不純物扱いであるが慣例上分析値を開示している。なお、各元素の含有量はワイヤ１３の全質量あたりの割合を示すが、鉄粉のみフラックス全質量あたりの割合である。試験１の実施条件として、シールドガスはＪＩＳＫ１１０５１級のＡｒガスとし、ワイヤ径は１．２ｍｍ、ワイヤ突出し長さ１５ｍｍ、溶接電流２８０Ａ、溶接速度４０ｃｍ／分とした。極性は逆極性（ワイヤ１３がプラスで母材２３がマイナス）、溶接電流は通常の直流定電圧特性機とパルス溶接機の両方とした。

評価については電流、電圧を連続測定し、１分あたり１度もアーク３１の不安定が起きなかったものを◎、１分あたり１回以上４回以下アーク３１の不安定が起きたものを○、１分あたり５回以上８回以下アーク３１の不安定が起きたものを許容下限の△、１分あたり９回以上のアーク３１の不安定を起こした場合は溶接不可として×とした。更に、パルス溶接機の場合にスパッタ量も測定し、０．５ｇ／分以下を良好で◎、０．５０ｇ／分超１．００ｇ／分以下を○、１．００ｇ／分超を多量スパッタとして×とした。また、溶接ビード１７３の形状を官能評価した。溶接ビード１７３の際が揃い、極めて直線性が優れているものを◎、ハンピング気味等、不安定な箇所が稀に見られるが、実用的に問題ないレベルを○、溶接ビード１７３が蛇行していると判断されるものを不可として×とした。更に、溶接ビード１７３の割れの確認を行い、全く割れのない場合は○、溶接長１ｍあたり１箇所割れが認められた場合を△、２箇所以上割れが認められた場合を不可として×と評価した。これらの評価結果を表６−１，６−２及び７に示す。表６−１，６−２及び７では、直流定電圧特性機を用いた結果を”Ｐ無”で、パルス溶接機を用いた結果を”Ｐ有”として示す。

次に試験２として、試験１のパルス溶接機を用いた条件での評価が◎及び○の溶接ワイヤ１３を用いて、表５に示す組成の鋼板２３同士を図４のように重ねすみ肉溶接し、疲労試験を行った。試験２の溶接実施条件としては、シールドガスはＪＩＳＫ１１０５２級のＡｒガス、シールドガス流量は１５リットル／分とし、ワイヤ径は１．２ｍｍ、ワイヤ突出し長さ１５ｍｍ、溶接電流２７０Ａ、溶接速度１２０ｃｍ／分とし、トーチ１の前進後退角は０°（溶接線に対し直角）とした。疲労試験は溶接ワーク２３から図５に示す疲労試験片２３１を採取し、両振平面曲げ疲労試験を行った。（周波数２５Ｈｚ、正弦波応力）１０^７回での時間強度を疲労強度と定義し比較した。２００ＭＰａ未満は疲労強度向上効果無しとして×、２００ＭＰａ以上を効果ありとして○とし、その結果を表６−１，６−２及び７に示す。

Ｎｏ．１乃至５３はワイヤ組成が、フラックス１３１中にグラファイトをワイヤ全質量あたり０．１６乃至２．００質量％含有し、フラックス全質量あたり鉄粉を２０質量％以上含有する本発明範囲を満足する実施例である。純Ａｒシールドガスにおいて、これらのフラックス入りワイヤ１３はアーク３１が安定し、スパッタ１７１が少なく、溶接ビード１７３の直線性にも優れている。結果的に、ＣＯ_２ガスシールド溶接又はＡｒ＋ＣＯ_２ガスシールド溶接と同様の安定性を有する溶接が可能である。更に、ＣＯ_２ガスを用いないので、地球温暖化防止に貢献できる。

実施例の中でも、実施例Ｎｏ．１乃至２０，２２乃至３５，及び３８乃至５３は、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された少なくとも１種をワイヤ全質量あたり０．０３乃至５．００質量％含有する。これらの実施例では、更にアーク３１が安定し、より好適である。

更にその中でも、実施例Ｎｏ．１乃至２０，２３乃至２５，及び２７乃至３５は、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．１６乃至２．００質量％を含有し、更に、Ｓｉ：２．００質量％以下、Ｍｎ：１０．００質量％以下、Ａｌ：１．００質量％以下、Ｍｇ：１．００質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以下、Ｃｒ：３．００質量％以下、Ｎｂ：３．００質量％以下、Ｖ：３．００質量％以下、Ｍｏ：３．００質量％以下、Ｃｕ：３．００質量％以下、Ｂ：０．０２００質量％以下、希土類金属（ＲＥＭ）：０．５０質量％以下、Ｆ：０．５０質量％以下、Ｃａ：０．５０質量％以下、Ｋ，Ｎａ及び／又はＬｉ：総量で１．００質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、かつ不純物として、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下に規制したワイヤである。これらの実施例では、ビードの形状及び耐割れ性が更に良好となり、より好適である。

更にその中でも、実施例Ｎｏ．２，６乃至８，１０乃至１５，１７，１９，２０，２３乃至２５，及び２７乃至３５は、Ｃをワイヤ全質量あたり、０．４５乃至２．００質量％に規制したワイヤである。これらの実施例では、継手疲労強度が高まり、より好適である。

Ｎｏ．５４乃至６６は比較例である。
比較例Ｎｏ．５４乃至５８はグラファイト量が少なく、一般的なＣＯ_２ガスシールド溶接又はＡｒ＋ＣＯ_２ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ相当である。グラファイトが少ないため、純Ａｒ雰囲気においてはアーク３１が安定せず、溶接ビード１７３が蛇行し、スパッタ１７１が多量に発生して、従来の知見どおり実質的に溶接不可である。

比較例Ｎｏ．５９はグラファイト及びＣの含有量が過剰であり、アーク力が強すぎてスパッタ１７１が多量に発生し、更に割れも多発した。

比較例Ｎｏ．６０乃至６２はグラファイト量については満足するものの、フラックス中の鉄粉比率が過小であり、やはりアーク３１が不安定で溶接ビード１７３が蛇行し、スパッタ１７１が多量に発生した。

比較例Ｎｏ．６３は一般的に市販されているフラックス入りワイヤの一つで、グラファイト量、鉄粉比率共に過小であり、アーク３１が全く安定せず溶接ビード１７３が蛇行し、スパッタ１７１が多量に発生して、従来の知見どおり実質的に溶接不可である。

比較例Ｎｏ．６４はグラファイト及びＣの含有量が過剰かつ鉄粉比率が過小である。やはりアーク３１が不安定でスパッタ１７１が多量に発生し、更に割れも多発した。

比較例Ｎｏ．６５，６６はソリッドワイヤ１１である。ソリッドワイヤ１１ではグラファイトも鉄粉もその形態を保ったまま添加することはできないことから、純Ａｒ雰囲気で溶接することは不可能だった。

なお、表には記載していないが、実施例Ｎｏ．３０のワイヤ１３をＡｒ９０体積％＋ＣＯ_２１０体積％シールドガスを用いて溶接した場合は、アーク３１の安定性が悪くヒュームが多量に発生すると共に、継手疲労強度も２００ＭＰａ未満で向上しなかった。ゆえに純Ａｒシールドガスが本溶接ワイヤ１３に最適であると共に、継手疲労強度向上にも純Ａｒガスワイヤ１３が好適であることが確認された。

本発明、つまり純Ａｒを用いたＭＩＧ溶接施工では、Ｃ量に拘わらず、ワイヤ成分以外からは酸素源がないので大量にグラファイトを添加してもヒューム量が極めて少なく、ほとんどスラグが発生しない。Ｃを０．４５質量％以上に高めると、アーク３１の安定性を改善できる。また、Ｍｓ点は鉄中の酸素量が少ないほど低下する。本手段では溶接金属の酸素量が数１０ｐｐｍと極めて少ないため、Ｃの効果をより高めることができ、Ｍｓ点を更に下げて疲労強度の改善効果が高い。更には、介在物となる酸化物がほとんどないため凝固割れを起こしにくいという副次的な効果がある。

試験１の実施状態を模式的に示す斜視図である。（ａ）従来までの溶接ワイヤを用いた溶接状態を示す模式図、（ｂ）本発明の溶接ワイヤを用いた溶接状態を示す模式図である。（ａ）従来までの溶接ワイヤを用いて純ＡｒシールドガスＭＩＧ溶接を実施した後のビード形状を示す上面写真と側面写真である。（ｂ）本発明の溶接ワイヤを用いて純ＡｒシールドガスＭＩＧ溶接を実施した後のビード形状を示す上面写真と側面写真である。試験２の実施状態を模式的に示す側面図である。試験２に用いた被試験片である溶接母材を示す（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１溶接トーチ
１１ソリッドワイヤ
１３フラックス入りワイヤ
１３１フラックス
１３３外皮
１７液柱
１７１スパッタ
１７３溶接ビード
１７５溶融池
１９溶滴（液滴）
２１，２３母材
３１アーク

Claims

鋼製外皮内にフラックスを充填してなり、純Ａｒシールドガスを使用したＭＩＧ溶接に使用されるフラックス入りワイヤであって、前記フラックス中に、グラファイトをワイヤ全質量あたり０．１６乃至２．００質量％含有し、鉄粉をフラックス全質量あたり２０質量％以上含有することを特徴とする純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ。
更に、前記フラックス中に、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された少なくとも１種をワイヤ全質量あたり０．０３乃至５．００質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ。
更に、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．１６乃至２．００質量％を含有し、更に、Ｓｉ：２．００質量％以下、Ｍｎ：１０．００質量％以下、Ａｌ：１．００質量％以下、Ｍｇ：１．００質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以下、Ｃｒ：３．００質量％以下、Ｎｂ：３．００質量％以下、Ｖ：３．００質量％以下、Ｍｏ：３．００質量％以下、Ｃｕ：３．００質量％以下、Ｂ：０．０２００質量％以下、希土類金属（ＲＥＭ）：０．５０質量％以下、Ｆ：０．５０質量％以下、Ｃａ：０．５０質量％以下、Ｋ，Ｎａ及び／又はＬｉ：総量で１．００質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、かつ不純物として、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下に規制したことを特徴とする請求項１又は２に記載の純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ。
前記Ｃは、ワイヤ全質量あたり、０．４５乃至２．００質量％であることを特徴とする請求項３に記載の純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤを使用し、ＪＩＳＫ１１０５の１級又は２級の純Ａｒをシールドガスとして使用して、前記ワイヤを正極として負極の母材との間にアークを発生させて、ＭＩＧ溶接することを特徴とするＭＩＧアーク溶接方法。
前記アークを形成するための電源として、パルス電源を使用することを特徴とする請求項５に記載のＭＩＧアーク溶接方法。
前記母材は、引張強度が４９０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項５又は６に記載のＭＩＧアーク溶接方法。