JP7337904B2

JP7337904B2 - 肉盛用ティグ溶接ワイヤ

Info

Publication number: JP7337904B2
Application number: JP2021209855A
Authority: JP
Inventors: 幸蔵安井; 一平今井; 政範大久保
Original assignee: 東海溶業株式会社
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-09-04
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: JP2023094401A

Description

本発明は、肉盛用ティグ（ＴＩＧ）溶接ワイヤに関し、特にダイカスト金型などの摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥が無く、比較的高い硬度と機械加工性に優れた溶接金属が得られると共に、使用中のヒートチェックを抑制する上で好適な肉盛用ティグ溶接ワイヤに関するものである。

コネクティングロッドやギアなどの自動車部品、アルミサッシなどの住宅用材料、スプーンやペットボトルなどの日用品、リードフレームやプリント基板などの電子部品などを製造するときには金型が使用されている。金型には一般に合金工具鋼が使用され、状況に応じて冷間または熱間で使用される。しかし特に熱間金型は摩耗溶損および大小の割れが生じやすく、肉盛溶接によって摩耗個所や溶損個所、割れ個所を補修する必要がある。

肉盛用の溶接材料として、特許文献１には鋳鉄母材への肉盛りを目的とする鋼ワイヤが開示されている。この特許文献１に開示されているワイヤは８０％Ａｒ－２０％ＣＯ₂をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接（ＭＩＧ溶接）に使用するものであって、比較的大量のＭｎやＣｏを含有することによって母材からのＣの移行による溶接金属の脆化を防止している。

また特許文献２には、鋳鉄の硬化肉盛溶接用フラックス入りワイヤとして、比較的大量のＭｎやＣｏを含有することにより良好な耐摩耗性を有する肉盛溶接層を得られるワイヤが開示されている。この特許文献２に開示されている溶接方法としては、１００％ＣＯ₂や８０％Ａｒ－２０％ＣＯ₂をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接としている。

また特許文献３には、鋳鉄母材に溶接した後に過冷処理によって硬化させる、硬化肉盛り用溶接材料の組成に関する技術が開示されている。特許文献３の技術においては、シェフラー組織図のＮｉ当量とＣｒ当量に関して好ましい範囲を規定することにより、過冷処理前の機械加工性と過冷処理後の硬度を両立させようというものであり、さらにＣｏを添加することにより硬度を向上できるとしている。なお特許文献３の技術においては溶接方法に関しては格別な限定をしていない。

上記の特許文献１～３の溶接材料を金型の補修溶接などに使用した場合、溶接時に発生するヒュームや、溶接金属の表面を研削するさいの粉塵にＣｏが含まれることがある。しかし近年Ｃｏを含む粉塵の健康に対する悪影響が指摘されており、これらＣｏを含有するワイヤを使用する場合には局所排気などの作業の管理を十分にする必要がある。

一方、特許文献４には、熱間加工用冶具に対する肉盛溶接や補修溶接に使用するためのフラックス入りワイヤが開示されている。このワイヤにおいてはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗを適量含有することによって溶接時に溶接金属が割れたり欠けたりしないというものであるが、Ｃｏは含有していない。なお、特許文献４に開示されている溶接方法としては、８０％Ａｒ－２０％ＣＯ₂をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接が示されている。

また特許文献５には、コーンクラッシャやジョークラッシャなどの破砕機やパワーショベルなどの耐摩耗性と耐衝撃性が求められる部材に高硬度の金属を肉盛溶接するためフラックス入りワイヤが開示されている。このワイヤにおいては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｂを適量含有するものであるが、特にＢは結晶を微細化すると共に硼化物の形成により溶接金属の硬度を高くするとしている。一方、特許文献５のワイヤもＣｏは含有していない。なお溶接方法としては、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ティグ溶接、サブマージアーク溶接などいずれも適用可能であって、限定されないとしている。しかしながら特許文献４や特許文献５に示されているようなフラックス入りワイヤは、消耗電極として使用するのが本来の使用方法であって、ティグ溶接の溶加棒として使用した場合にはフラックスに含まれる弗化物や酸化物がスラグとなってアークが不安定になり、溶接作業性が不良となる問題がある。

また特許文献６には、連続鋳造用ロールの胴部に肉盛溶接するための１３Ｃｒ－４～８Ｎｉ系を基本とするマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛金属部材が開示されている。特許文献６の開示技術においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｏを適量含有することによって、溶接後に熱処理を施さずとも比較的高い靭性と硬さを併せ持つ肉盛溶接部が得られるとしている一方、Ｃｏは含有していない。なお溶接方法としては、８０％Ａｒ－２０％ＣＯ₂をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接や、粉末をプラズマ溶射する方法が示されている。しかしティグ溶接による肉盛りに使用した場合には、溶接入熱が低いので高温割れが生じ易く、また補修部分の溶接金属も、金型の使用時に表面に網目状の亀裂が生じるヒートチェックや、溶損が生じ易いという問題がある。

更に、特許文献７には、特に熱間金型の摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥が無く、比較的高い靱性と硬さの、研削性が良好な溶接金属を得ることが可能な肉盛用ティグ溶接ワイヤに関する技術が開示されている。この特許文献７の開示技術によれば、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶ量の調整とＰおよびＳ量の最適化を図ることにより、溶接金属の耐ヒートチェック性の改善を図り、Ｓｉ、ＭｎおよびＷ量の最適化を図ることで、溶接金属の耐溶損性を確保し、更にＳｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＶ量の調整とＰおよびＳ量の低減を図ることで溶接金属の靭性向上を確保するものである。

しかしながら、特にダイカスト金型などの摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥を抑制し、高い硬度と機械加工性に優れた溶接金属を得ると共に、溶接金属の耐ヒートチェック性を更に向上させる技術は、上述した特許文献７には特段開示されていない。

特開平４－２８４９７号公報特開平７－２１４３７６号公報特開平９－１７６７９８号公報特開平１１－３３７７８号公報特開平１１－１９７８７７号公報特開２０１３－３９５８９号公報特開２０１６－５５３２８号公報

本発明は上述した問題点を鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特にダイカスト金型などの摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥を抑制し、高い硬度と機械加工性に優れた溶接金属を得ると共に、溶接金属の耐ヒートチェック性を更に向上させることが可能な肉盛用ティグ溶接ワイヤを提供することにある。

本発明者らは上述した課題を解決するため、特にダイカスト金型などの摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥を抑制し、高い硬度と機械加工性に優れた溶接金属を得ると共に、溶接金属の耐ヒートチェック性を更に向上させることが可能な肉盛用ティグ溶接ワイヤを得るために各種検討を行った。

その結果、高い硬度を維持する上では、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖを適量とし、靭性を向上させる上では、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｐ、Ｓを適量とし、成型加工性を向上させる上では、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖを適量添加することが有効であることを見出した。

更に溶接金属の耐ヒートチェック性を更に向上させる上では、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｐ、Ｓを適量添加することが有効であることを見出した。

以上より、本発明に係る肉盛用ティグ溶接ワイヤは、ティグ溶接により肉盛りを行なうためのソリッドワイヤであって、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．１０～０．２０％、Ｓｉ：０．３０～１．６０％、Ｍｎ：０．４０～１．６０％、Ｃｒ：２．５０～３．５０％、Ｍｏ：１．００～２．００％、Ｗ：０．８０～２．００％、Ｖ：０．１４～０．５０％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下であり、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、特にダイカスト金型などの摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥を抑制し、高い硬度と機械加工性に優れた溶接金属を得ると共に、溶接金属の耐ヒートチェック性を更に向上させることが可能となる。

図１は、本発明の実施例に用いた溶接試験体の開先形状を示す図である。図２は、本発明の実施例に用いた溶接金属の耐ヒートチェック性を試験する装置を説明する図である。

以下、本発明を適用した肉盛用ティグ溶接ワイヤの成分組成及びその含有量と、各成分組成の限定理由について説明する。なお、成分組成の含有量はワイヤ全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載し表すこととする。

［Ｃ：０．１０～０．２０％］
ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＶと炭化物を生成し、溶接金属の硬さに影響する。Ｃが０．２０％を超えると硬度が上昇し、溶接後の成形加工性が低下する。一方、Ｃが０．１０％未満であると、目標とする溶接金属の硬さが得られない。したがってＣは０．１０～０．２０％とする。なお、Ｃは、黒鉛等から添加できる。

［Ｓｉ：０．３０～１．６０％］
Ｓｉは脱酸剤として作用して溶接金属を清浄にする。しかしＳｉが０．３０％未満であると溶接金属が脱酸不足となりブローホールが生じ易くなる。一方、Ｓｉが１．６０％を超えると溶接金属中の濃度が高くなり靭性が低下する。また、脱酸性能が高くなり過ぎてブローホールが生じやすくなる。したがってＳｉは、０．３０～１．６０％とする。なお、Ｓｉは、珪石から添加できる。

［Ｍｎ：０．４０～１．６０％］
ＭｎもＳｉと同様に脱酸剤として作用し、溶接金属の靭性を向上させる。Ｍｎが０．４０％未満であると、溶接金属が脱酸不足となりブローホールが生じ易くなる。一方、Ｍｎが１．６０％を超えると溶接金属の硬度が高くなり、靭性が低下する。したがって、Ｍｎは、０．４０～１．６０％とする。なお、Ｍｎは、マンガン鉱石から添加できる。

［Ｃｒ：２．５０～３．５０％］
Ｃｒは、炭化物を生成して溶接金属の硬さを向上させる。しかしＣｒが２．５０％未満であると目標とする溶接金属の硬さが得られない。一方、Ｃｒが３．５０％を超えると硬度が高くなりすぎて溶接後の成形加工が困難になる。したがって、Ｃｒは２．５０～３．５０％とする。なお、Ｃｒは、クロム鉄鉱から添加できる。

［Ｍｏ：１．００～２．００％］
Ｍｏは、繰り返し加熱に対する耐ヒートチェック性を向上させる。Ｍｏが１．００％未満であると溶接金属の目標とする硬さが得られず、耐ヒートチェック性も不十分となる。一方、Ｍｏが２．００％を超えると溶接金属の靭性が低下すると共に、硬度が高くなり過ぎて成型加工が困難になる。したがって、Ｍｏは１．００～２．００％とする。なお、Ｍｏは、モリブデン鉱石から添加できる。

［Ｗ：０．８０～２．００％］
Ｗは、繰り返し加熱に対する耐ヒートチェック性を向上させる。０．８０％未満では耐ヒートチェック性が不十分となる。一方、Ｗが２．００％を超えると溶接金属に微小なヒートチェックが生じやすくなると共に、硬度が高くなり過ぎて成型加工が困難になる。したがってＷは０．８０～２．００％とする。なお、Ｗは、タングステン鉱石から添加できる。

〔Ｖ：０．１４～０．５０％〕
Ｖは溶接金属の組織を微細にして靭性を向上させると共に、炭化物を生成して硬さを向上させる。しかしＶが０．１４％未満であると溶接金属の目標とする硬さは得られない。一方、Ｖが０．５０％を超えると溶接金属にヒートチェックが生じやすくなると共に、硬度が高くなりすぎて溶接後の成形加工が困難になる。したがって、Ｖは０．１４～０．５０％とする。なお、Ｖは、原油やオイルサンドなどの燃焼灰から添加できる。

［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは、耐ヒートチェック性を向上させると共に、靭性を向上させる。このＰが０．０２％を超えると、溶接金属に微小なヒートチェックが生じやすくなると共に、靭性が低下してしまう。このため、Ｐは、０．０２％以下とする。なお、Ｐは、リン鉱石から添加できる。

［Ｓ：０．０２％以下］
Ｓは、耐ヒートチェック性を向上させると共に、靭性を向上させる。このＳが０．０２％を超えると、溶接金属に微小なヒートチェックが生じやすくなると共に、靭性が低下してしまう。このため、Ｓは、０．０２％以下とする。なお、Ｓは、硫黄鉱物から添加できる。

本発明を適用した肉盛用ティグ溶接ワイヤの残部は、Ｆｅ及び不可避不純物からなる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

まず原料鋼を真空溶解して鋳塊とし、鍛造、圧延、伸線、焼鈍を順次した後、１．６ｍｍ径まで伸線して長さ１０００ｍｍのティグ溶接ワイヤを試作した。試作したティグ溶接
ワイヤの化学成分を表１に示す。

これらの試作ワイヤを用い、以下に説明する、硬さ（ＨＲＣ）、ブローホールの有無、ヒートチェックの割れ長さ総計（ｍｍ／ｃｍ²）を介して評価する。硬さは、成形加工性を、ブローホールの有無は脱酸性を、ヒートチェックの割れ長さ総計は靭性を評価するものである。

溶接試験は、ＪＩＳＧ４４０４に規定される合金工具鋼ＳＫＤ６１の厚さ４０ｍｍの鋼板に図１に示す溝付き開先を形成して、ティグ溶接により多層盛溶接を行なって試験体を作成した。溶接電流は１２０～１６０Ａ、シールドガスはＡｒ：１００％で流量：１０～２０Ｌ／ｍｉｎである。またワイヤの送給量は２．５～３．５ｇ／ｍｉｎである。

各試験体についてＸ線透過試験によりブローホールの有無を調査した。

また溶接金属の硬さは各試験体の最上層部の固さをＪＩＳＺ２２４５に準拠してロックウェル硬さＣスケール（ＨＲＣ）で測定した。溶接金属の硬さについては、３７～４２ＨＲＣの範囲にあれば良好と評価した。

溶接金属の耐ヒートチェック性の試験は、溶接金属の中央部から外径１５ｍｍ、内径４ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状の試験片を採取して、図２に示す装置により加熱・冷却のヒートサイクルを繰り返す試験を行なった。図２において１は耐ヒートチェック性試験片であり、２は加熱コイル、３は加熱コイルの内周に沿って複数個設けられた冷却水ノズルである。この装置により耐ヒートチェック性試験片の外周面を高周波加熱し、所定温度に達したのち冷却水を噴射して急冷する。ヒートサイクルの条件は、４秒で７００℃まで加熱後ただちに水冷して３秒で常温にするというもので、これを１０００回繰り返した。試験後、耐ヒートチェック性試験片の外周面において、９０°毎の４個所で割れの長さを顕微鏡を使用して測定した。その結果、１ｃｍ²当たりに換算して割れの長さの総計が４ｍｍ以下であれば良好と評価した。

これらの試験の結果を表２にまとめて示す。表１および表２中、ワイヤ記号１～９は本発明例、ワイヤ記号１０～１８は比較例である。本発明例であるワイヤ記号１～９は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＶ、Ｐ及びＳの含有量が適正であるので、溶接部にブローホールが無く、溶接金属の硬さが適正で、耐ヒートチェック性試験後の割れ長さの総計が短く、満足な結果であった。

比較例中のワイヤ記号１０は、Ｃ及びＷが少ないので溶接金属の硬さが低く、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長くなっていた。

ワイヤ記号１１は、Ｃが多いので溶接金属の硬さが高かった。

ワイヤ記号１２は、Ｓｉが少ないので溶接部にブローホールが生じた。また、Ｗが多いので溶接金属の硬さが高く、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。

ワイヤ記号１３は、Ｃｒが多いので、溶接金属の硬さが高く、Ｓｉが多いので靭性が低下する結果、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長く、また溶接部にブローホールが生じた。

ワイヤ記号１４は、Ｍｎが少ないので溶接部にブローホールが生じた。また、Ｃｒが少ないので溶接金属の硬さが低かった。

ワイヤ記号１５は、Ｍｎが多いので溶接金属の硬さが高くなり、靭性が低下する結果、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。Ｖが多いので溶接金属の硬さが高過ぎ、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。

ワイヤ記号１６は、Ｍｏが少ないので溶接金属の硬さが低く、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。

ワイヤ記号１７は、Ｖ及びＭｏが多いので硬度が高くなり、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。

ワイヤ記号１８は、Ｖが少ないので溶接金属の硬さが低かった。

１耐ヒートチェック性試験片
２加熱コイル
３冷却水ノズル

Claims

ティグ溶接により肉盛りを行なうためのソリッドワイヤであって、
ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．１０～０．２０％、
Ｓｉ：０．３０～１．６０％、
Ｍｎ：０．４０～１．６０％、
Ｃｒ：２．５０～３．５０％、
Ｍｏ：１．００～２．００％、
Ｗ：０．８０～２．００％、
Ｖ：０．１４～０．５０％を含有し、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする肉盛用ティグ溶接ワイヤ。