JP6829699B2 - 耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ及びこれによって得られる溶着金属 - Google Patents
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Description
本発明者らは、極低シリコン溶接材を用いて溶接する場合、溶着金属に従来のガラス質のシリコン系スラグが発生することを減らすとともに、スラグ剥離が比較的難しく電着塗装時の通電が容易なマンガン系スラグをビード表面に形成することにより、耐気孔性及び電着塗装性を向上させることができる点を確認して本発明を提示する。
炭素(C)は、鋼の硬度を増加させ、靭性及び延性を減少させる。一定の含有量までは強度を増加させるが、含有量が多くなるほど脆性が強くなる。大入熱溶接時に求められる強度を確保するために、炭素の含有量の下限値を0.001%とし、脆性を減少させるために、炭素(C)の上限値を0.30%に設定する必要がある。
シリコン(Si、ケイ素)は、通常、炭素鋼溶接材のケイ素の含有量が0.4〜1.15%の範囲にあり、脱酸剤として用いられ、SiO2またはケイ酸介在物を形成する。また、鋼の硬度、弾性限界、引張強さを増加させる一方で、伸び率及び衝撃値は減少させる。なお、結晶粒の大きさを増大させることで可鍛性、展性を減少させる。
しかし、シリコン含有量が0.15%を超えると、シリコン系スラグの発生量が増加して、形成される優れた電着塗装性を有する溶着金属を製造することができなくなる。
そこで、電着塗装性及び耐気孔性を確保するために、より好ましくは、シリコン(Si)の含有量を0.10%以下に制御する。
さらに、溶接部の引張強さを確保することも考えると、シリコン(Si)の含有量は、0.001〜0.10%の範囲にあることがより好ましい。
通常、炭素鋼のうちマンガン(Mn)は、AISI 1005鋼の0.35% max及びAISI 1085鋼の1.0% maxの範囲を有する。
Mnは、鋼中のSと結合してMnSを形成し、低融点化合物であるFeSの生成を防止することで高温割れの発生を阻止する。また、パーライトを微細化させ、フェライトの固溶強化を起こして降伏強度を増加させる。そのため、最小降伏強度を維持するために、マンガン(Mn)の含有量の下限値を0.50%に設定する必要がある。また、本発明においては、主な脱酸元素であるシリコン(Si)の含有量をワイヤ内で非常に低く維持するため、溶着金属内で脱酸剤の役割をするマンガン(Mn)の含有量が減少する傾向がある。これにより、本発明では、マンガン(Mn)の上限を3.00%に設定することが好ましい。
一方、本発明では、Si2/Mnの含有量比が0.015以下の範囲を満たすように、上記MnとSiの含有量を制御することが好ましい。なぜなら、上記含有量比が0.015の範囲を超えると、ワイヤの場合、ビードの外観が低下し、且つシリコン系スラグが発生し始めて塗装後の耐食性が低下する可能性があるためである。
リン(P)は、Fe3Pの化合物を形成するが、鋼のうちでも非常に脆弱であり、偏析を起こすため、リン(P)の上限値を0.030%に制限する必要がある。
硫黄(S)は、通常、炭素鋼に最大0.05%まで存在する。赤熱状態では脆性が大きくなり、引張強さ、伸び率、衝撃値を減少させる。また、亜鉛めっき鋼板の溶接時に、溶接部の耐気孔性を低下させるため、硫黄(S)の上限値を0.030%に制限することが好ましい。
ニッケル(Ni)は、鋼の組織を微細化させ、オーステナイト及びフェライトによく固溶されるため、基地強化に使用される。また、オーステナイト安定化元素であるため、クロムと組み合わされてオーステナイト系ステンレス鋼、耐熱鋼などに用いられる。なお、鋼の低温靭性を強化させ、溶接性及び可鍛性を損なわない有用な成分元素である。
本発明では、溶着金属の強度を確保するために、ニッケル(Ni)の含有量の下限値を0.001%に制御することが好ましい。一方、ニッケル(Ni)は、オーステナイト安定化元素であることから、多量添加時にオーステナイトを生成して、高温割れが発生しやすい可能性があるため、ニッケル(Ni)の上限値を0.900%に制限することが好ましい。
クロム(Cr)は、溶着金属の強度及び硬度を増加させ、炭化物の形成を容易にする。また、耐食性、耐熱性、及び耐摩耗性を増加させる。
本発明では、適正強度を維持するために、クロム(Cr)の含有量の下限値を0.001%、上限値を0.100%に制限することが好ましい。
モリブデン(Mo)は、強度及び耐食性を増加させ、焼戻し脆性を防止する。溶着金属の強度を確保するために、モリブデン(Mo)の含有量の下限値を0.001%に設定することが好ましい。一方、モリブデン(Mo)の含有量が0.500%を超えると、溶着金属の強度及び硬化能がそれ以上増加しないため、モリブデン(Mo)の上限値は0.500%に制限することが好ましい。
銅(Cu)は、溶着金属の引張強さ及び弾性限度を増加させ、耐食性を増加させる。しかし、圧延時における亀裂の原因となるため、銅(Cu)の含有量の上限値を0.50%に制限することが好ましい。
チタン(Ti)は、腐食に対する抵抗が非常に大きく、溶接時の高電流でアーク安定剤の役割をする。これは、スラグ生成元素であるため、本発明では、Tiの含有量の上限値を0.50%以下に制限することが好ましい。
バナジウム(V)は、炭化物形成能が大きく微粒炭化物を形成して、鋼の組織を微細化させ、焼戻し軟化抵抗性もモリブデン以上によい。バナジウム(V)も、高温強度を向上させることができるが、バナジウム(V)の含有量が0.10%を超えると、その添加による効果を期待することができないため、0.10%以下に制御することが好ましい。
ニオブ(Nb)は、強力な結晶粒微細化元素として結晶粒粗大化温度を上昇させる。また、硬化能を低下させ、焼き戻し脆性を減少させる。本発明では、ニオブ(Nb)の含有量を0.5%以下に制限することが好ましい。
ジルコニウム(Zr)は、窒素、硫黄、炭素、水素との親和力が高く、これら元素の固定によく用いられている。また、白色点の発生を防止することができると言われている。本発明では、ジルコニウム(Zr)の含有量を0.1%以下に制限することが好ましい。
アルミ(Al)は、シリコン(Si)とともに鋼脱酸剤として有用であるが、溶着金属内の添加量が多いと鋼を脆弱にするため、本発明では、0.5%以下に制限する。
ボロン(B)は、微量添加(0.0005〜0.003%)で硬化能を著しく増加させる。ところが、過剰添加すると、Fe3Bを形成して赤熱脆性を起こすため、ボロン(B)の最大値を0.01%に制限することが好ましい。
希土類金属の場合、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)がマグネシウム合金またはアルミ合金に添加されて引張強さを改善するか、または有害な不純物を除去するために用いる。鉱物の形で珍しいものであるため、特殊な目的で微量添加する場合は素材価格の上昇を避けることができない。
本発明では、希土類金属の場合、本発明の主目的であるシリコン系スラグ分率及び亜鉛めっき鋼板の耐気孔性に影響を与えないため、0.50%以下に制限する。
(実施例1)
下記表3のような組成成分を有するソリッドワイヤをそれぞれ用意した。次に、上記各ソリッドワイヤを用いて、150mmの440MPa級亜鉛めっき鋼板Lap−joint母材に、溶接速度80cpm、セッティング電流210A、セッティング電圧25Vの条件で溶接を行うことにより、それぞれ異なるワイヤを用いても同一の溶着量が得られるようにした。
上記シリコン系スラグ量は、Lap joint溶接試験片に対して同一の溶接条件で150mm溶接を行い、溶接部の全体面積に対してシリコン系スラグが占める面積分率を測定した値であって、上記面積分率が0%以上〜3%以下の場合をA、3%超過〜5%以下の場合をB、5%超過〜8%以下の場合をC、そして8%超過の場合をDとした。
耐気孔性の場合は、同一の溶接条件で150mm溶接を行い、溶接部にRT実施して、全体溶接部のうち気孔の分率を測定した値であって、0%以上〜0.5%未満の場合をA、0.5%以上〜1.0%未満の場合をB、1.0%以上〜2.0%未満の場合をC、そして2.0%以上の場合をDとした。
引張強さの場合は、AWS 5.18に規定されているとおり溶接試験片を製作して引張試験を行った値を用いており、540MPa以上の場合をA、510MPa以上〜540MPa未満の場合をB、480MPa以上〜510MPa未満の場合をC、そして480MPa未満の場合をDとした。
溶接性の場合は、溶接監視装置を用いて出力される溶接電流波形の出力電流偏差を用いており、セッティング電流200A、セッティング電圧20V、ガス80%Ar+20%CO2と同一にセッティングして出力値を測定した。この際、出力電流偏差が80未満の場合をA、80以上〜90未満の場合をB、90以上〜100未満の場合をC、そして100以上の場合をDとした。
また、発明例8は、Niが含有されて、溶接部の衝撃靭性及び引張強さが向上し、送給性及びアーク安定性に優れるという特徴を示しており、発明例9は、Crが含有されて、ワイヤ及び溶接部の引張強さが少量増加することが分かる。
発明例10は、Moが添加されて、Crが添加された場合と比べて、ワイヤ及び溶接部の引張強さが少量増加しており、発明例11は、Tiが添加されて、溶接時のアーク安定性が向上するという特徴が現れた。併せて、発明例12は、Bが添加されて、溶接部の引張強さが向上することが分かる。
また、発明例13の場合、発明例8のNi及び発明例11のTiがともに添加されて、溶接時のアーク安定性及び送給性に優れ、溶着金属の衝撃靭性及び引張強さに優れている。
具体的には、比較例5は、Niが含有されて、溶接部の衝撃靭性及び引張強さが向上し、送給性及びアーク安定性が向上したが、Siの含有量が0.83%であるため、溶接ビードの表面に多量のシリコン系スラグが発生しており、亜鉛めっき鋼板の溶接時のビードの表面に気孔が発生した。
比較例6は、Crが含有されて、ワイヤ及び溶接部の引張強さが少量増加したが、Siの含有量が0.65%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが発生し、耐気孔性が低下した。
比較例7は、Vが添加されて、ワイヤ及び溶接部の引張強さが少量増加したが、Siの含有量が0.82%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生し、耐気孔性が低下した。
比較例8は、Tiが添加されて、溶接時のアーク安定性が向上したが、Siの含有量が0.81%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生し、耐気孔性が低下した。
比較例9は、Bが添加されて、溶接部の引張強さが向上したが、Siの含有量が0.81%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生し、耐気孔性が低下した。
比較例10は、Siの含有量が0.16%であるため、Siの含有量が増加するにつれて、溶接ビードの表面にシリコン系スラグ量が少量増加した。
比較例11は、Siの含有量が0.20%であるため、図4に示すように、溶接ビードの表面に発生するシリコン系スラグの含有量が5.1%と増加し、耐気孔性が低下した。
比較例12も、Siの含有量が0.30%であるため、Siの含有量が増加するにつれて、溶接ビードの表面にシリコン系スラグ量が増加し、耐気孔性も減少した。
シリコン系スラグ分率の場合、長さ150mmの亜鉛めっき鋼板Lap−joint母材を用意し、溶接速度80cpm、セッティング電流210A、セッティング電圧25Vに設定して、異なるワイヤを適用しても同一の溶着量が得られるようにして実験を行った。そして、溶接後の溶接ビードを撮影して、溶着金属のみを抽出した後、画像解析プログラムを用いて全体の溶着金属のうちシリコン系スラグ分率を測定した。
図4に示すように、比較例からは、Siの含有量及びSi2/Mnが増加するにつれて、これに比例してシリコン系スラグ分率も増加することが分かるが、発明例1、4、6の場合はシリコン系スラグがほとんど生成されていないことが確認できる。特に、発明例1の場合は、ビードの外観が非常に流麗であることが確認できる。
下記表5に示されたような組成成分を有するフラックス入りワイヤ(メタルコアードワイヤ)をそれぞれ用意した。次に、上記各フラックス入りワイヤを用いて、150mmの440MPa級亜鉛めっき鋼板Lap−joint母材に、溶接速度80cpm、セッティング電流210A、セッティング電圧25Vの条件で溶接を行うことにより、それぞれ異なるワイヤを用いても同一の溶着金属量が得られるようにした。
−表5において、D*は、Ni、Cr、Mo、及びCuのうち1種以上、E*は、Ti、Al、Nb、V、及びZrのうち1種以上、そして残りの成分はFe+不可避不純物である。
発明例4は、Niが含有されて、溶接部の衝撃靭性及び引張強さが向上し、送給性及びアーク安定性にも優れている。
発明例5は、Tiが添加されて、アーク安定性が向上しており、発明例6はBが添加されて、溶接部の引張強さが向上した。
比較例4の場合は、Niが含有されて、溶接部の衝撃靭性及び引張強さが向上したが、Siの含有量が0.55%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生した。
比較例5の場合は、Tiが含有されて、溶接性が向上したが、Siの含有量が0.65%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生した。
比較例6の場合は、Bが添加されて、溶接部の引張強さが向上したが、Siの含有量が0.70%であるため、溶接ビードの表面にシリコン系スラグが多量発生し、亜鉛めっき鋼板において耐気孔性が減少した。
比較例7〜9の場合は、Siの含有量が0.15%以上の場合であって、Siの含有量が増加するにつれて、ビード表面のシリコン系スラグ量が増加し、次第に耐気孔性も減少した。
図5に示すように、発明例1から比較例2に行くほどSiの含有量及びSi2/Mnは増加し、これに比例してシリコン系スラグ分率も増加することが分かる。特に、発明例1の場合は、シリコン系スラグがほとんど形成されないため、ビードの外観が非常に流麗であることが確認できる。
上述した実施例1の発明例13のソリッドワイヤ、及び従来の亜鉛めっき鋼板と一般鋼板の溶接に主に用いられる一般溶接材ER70S−3のソリッドワイヤをそれぞれ用意した。次に、これらソリッドワイヤをそれぞれ用いて、150mmの440MPa級亜鉛めっき鋼板Lap−joint母材に、溶接速度80cpm、セッティング電流210A、セッティング電圧25Vの条件で溶接を行うことにより、溶着金属が形成された試験片を製造した。この際、それぞれ異なるワイヤを用いても同一の溶着金属量が得られるようにした。
図7〜図11に示すように、一般溶接材のスラグではSi、Mn、Oが検出され、シリコン+マンガン系スラグであることを確認した。これは、ワイヤー内部のシリコン及びマンガンが移行して酸素と結合し、溶接ビードの表面に浮かんだものと推定される。
これに対し、本発明の極低シリコン溶接材(発明例13)のスラグを分析した結果、主にMn、C、Oが検出されて、マンガン系スラグであることを確認した。これにより、ワイヤー内部のシリコン含有量が非常に低く、主にマンガン系スラグが生成されたことが確認できる。
Claims (10)
- 重量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜0.1%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含み、Ni:0.001〜0.900%、Cr:0.001〜0.100%、Mo:0.001〜0.500%、及びCu:0.50%以下のうち選択された1種以上をさらに含み、残部Fe及び不可避不純物からなる、耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ。
- 前記溶接用ワイヤは、Si2/Mnの含有量比が0.015以下を満たす、請求項1に記載の耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ。
- 前記溶接用ワイヤは、Ti:0.50%以下、Al:0.50%以下、Nb:0.50%以下、V:0.10%以下、及びZr:0.10%以下のうち選択された1種以上をさらに含む、請求項1に記載の耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ。
- 前記溶接用ワイヤは、B:0.01%以下またはREM:0.50%以下をさらに含む、請求項1に記載の耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ。
- 前記溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤである、請求項1に記載の耐気孔性及び電着塗装性に優れた極低シリコン溶接用ワイヤ。
- 溶接母材を、重量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜0.1%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含み、Ni:0.001〜0.900%、Cr:0.001〜0.100%、Mo:0.001〜0.500%、及びCu:0.50%以下のうち選択された1種以上をさらに含み、残部Fe及び不可避不純物からなる溶接用ワイヤを用いて溶接することにより得られる溶着金属であって、
前記溶着金属は、その表面にスラグが付着されており、
前記溶着金属の全体表面積に対して、前記スラグのうちシリコン系酸化物スラグが占める面積分率が5%以下である、電着塗装性に優れた溶着金属。 - 前記溶接用ワイヤは、Si2/Mnの含有量比が0.015以下を満たす、請求項6に記載の電着塗装性に優れた溶着金属。
- 前記溶接用ワイヤは、Ti:0.50%以下、Al:0.50%以下、Nb:0.50%以下、V:0.10%以下、及びZr:0.10%以下のうち選択された1種以上をさらに含む、請求項6に記載の電着塗装性に優れた溶着金属。
- 前記溶接用ワイヤは、B:0.01%以下またはREM:0.50%以下をさらに含む、請求項6に記載の電着塗装性に優れた溶着金属。
- 前記溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤである、請求項6に記載の電着塗装性に優れた溶着金属。
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