JPH07256485A - 耐候性に優れたレーザ溶接用フィラワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、熱源としてレーザを用いて溶接す
るためのレーザ溶接用フィラワイヤで、良好な耐候性、
特に耐局部腐食性に優れた溶接部が得られるとともに、
良好なビード形状、加工成形性及び健全な溶接部が確保
されるフィラワイヤを提供する。 【構成】 重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓ
ｉ：０．３０〜１．５０％、Ｍｎ：０．９０〜２．２０
％、Ｔｉ：０．０５〜０．４０％、Ｐ：０．０２〜０．
０８％、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃｕ：０．１％〜
０．６％、Ｎｉ：０．２０％〜１．５０％を含有し、残
部がＦｅ及び不可避不純物からなる事を特徴とする耐候
性に優れたレーザ溶接用フィラワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱源としてレーザを用
いて溶接するためのレーザ溶接用フィラワイヤに係るも
ので、良好な耐候性、特に耐局部腐食性に優れた溶接部
が得られるとともに、良好なビード形状、加工成形性及
び健全な溶接部が確保されるフィラワイヤに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レーザ
溶接は、レーザ加工技術の一つとして知られており、レ
ーザの発振器によって作られた波長と位相のそろった
（コヒーレントな）光をレンズやミラーで細く絞って被
溶接材に照射し、この光を被溶接材に吸収させる事によ
り加熱・溶融して接合する方法である。この溶接法の特
徴は、溶接アークの千倍以上の高エネルギー密度で大気
中で減衰せず、サブミリの微細性および光学系によって
ビームを自由に操作できる高制御性にある。このため高
速溶接ができ、薄板の突合せ溶接や重ね溶接に利用して
おり、溶接に用いられるレーザは、気体レーザであるＣ
Ｏ₂ レーザと固体レーザであるＹＡＧレーザがある。さ
らに、電子ビーム溶接のように真空加工室を必要としな
いため、コストパフォーマンスの上昇とともにレーザ溶
接が普及しつつある。

【０００３】従来、レーザ溶接では、溶加材を用いずに
溶接する方法と、溶加材として比較的中炭素量でＳｉや
Ｍｎを含有するソリッドワイヤを用いる方法が採用され
ていた。一般に、レーザ溶接に用いられる継手は特別な
開先加工を施さないＩ形突合せ継手が多いが、前者のよ
うに溶加材を用いない場合は、母材の目違い、ギャップ
に対する許容度が小さく、またブローホールやピットが
出易いという問題があった。

【０００４】一方、後者のように溶加材を用いた場合
は、レーザ溶接では冷却速度が速いため、溶接金属の硬
さが高くなりすぎ母材との硬度差が大きく、溶接継手と
しては問題が多かった。

【０００５】また、例えば亜鉛メッキ鋼板のような表面
処理鋼板を溶接する場合、溶接部にピット、ブローホー
ルが多発するという問題があった。この様な問題点を解
決する手段として例えば、鋼ワイヤをフィラワイヤとし
て用いる特開平３−２２１２８０号公報及び特開平５−
１８５２８０号公報記載の技術や、フラックス入りワイ
ヤをフィラワイヤとして用いた特開平３−２３０８８０
号公報に記載されている技術がある。これらの技術はレ
ーザ溶接時に溶加材を用い、母材の目違いやギャップに
対する許容範囲を拡大し、一部ワイヤの成分を限定し母
材と溶接金属の硬度差を比較的小さくし靭性の向上を図
り、また、亜鉛メッキ鋼板の溶接時に発生するピットや
ブローホールを低減したものが提案されている。

【０００６】以上のように、現在考えられているレーザ
溶接用フィラワイヤは、靭性の向上や耐ピット性及び耐
ブローホール性を目的としており良好な耐候性、特に耐
局部腐食性に優れた溶接部を得るということと併せて、
良好なビード形状、加工成形性、溶接部の健全性を確保
できるレーザ溶接用フィラワイヤは、現在存在しない。

【０００７】本発明は、フィラワイヤを用いるレーザ溶
接において、良好な耐候性を持ち、特に耐局部腐食性に
優れた溶接部が得られるとともに、良好なビード形状、
加工成形性、溶接部の健全性を確保できるフィラワイヤ
を提供する事を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、重量％
で（以下、同じ）Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：
０．３０〜１．５０％、Ｍｎ：０．９０〜２．２０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．４０％、Ｐ：０．０２〜０．０８
％、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃｕ：０．１％〜０．
６％、Ｎｉ：０．２０％〜１．５０％を含有し、残部が
Ｆｅ及び不可避不純物からなる事を特徴とするレーザ溶
接用フィラワイヤにある。以下に本発明について詳細に
説明する。

【０００９】

【作用】本発明の特徴としては優れた耐候性、特に、耐
局部腐食性を有するＣｕ及びＮｉの効果を見い出した事
と、従来不純物とされているＰ，Ｓを積極的にレーザ溶
接用フィラワイヤに取り入れた事である。

【００１０】本発明ワイヤの第１の特徴である耐候性能
については、局部腐食防止の観点から、Ｃｕ及びＮｉに
ついて局部腐食との関係を調査した。レーザ溶接条件と
してはＣＯ₂ レーザを用い、出力は４ＫＷ、モードはマ
ルチモードとし、溶接速度は２．０m/min で行い、供試
フィラワイヤは１．０mmφを用い送給速度を２．０m/mi
n で試験を実施した。Ａｒガス（流量１０ l/min）をア
シストガスとして用い、溶接継手は突合わせ継手としギ
ャップは０mmとした。母材は１．２mm厚のＳＭＡ５０Ｂ
Ｗ（ＪＩＳ Ｇ ３１１４）のシート材を使用し溶接実
験を行い、表面下０．１mmから厚さ１．０mmの試験片を
採取して、３％食塩水中で３ケ月間回転浸漬試験を行っ
た。

【００１１】図１はその結果を示したものである。同図
の横軸はフィラワイヤ中のＣｕ添加量、縦軸は溶接金属
の腐食減量である。なお、腐食減量とは図２に示すよう
に腐食試験後の測定部の最低厚さａを測定し、試験片１
０の試験前の厚さｔ（１．０mm）との差を求めたもので
ある。図１からも明らかなようにＣｕ添加量の増加に伴
い腐食減量は低下の傾向にあるが、Ｎｉ無添加のものは
Ｎｉ１．０％添加のものに比べて腐食減量が大幅に増加
している。この事から良好な耐候性を得るためにはＣｕ
及びＮｉの添加量をそれぞれ０．１％〜０．６％，０．
２０％〜１．５０％含有させることによって、局部腐食
を防止でき、かつ非常に錆にくく腐食進行を阻止でき
る。

【００１２】しかし、Ｃｕ及びＮｉとも添加量が下限値
未満では耐腐食性が得られず、Ｃｕを０．６％を越えて
添加しても耐腐食性に大きな改善効果は見られず逆に、
粒界偏析による脆化を起こし、また、Ｎｉを１．５％を
越えて添加しても耐腐食性に大きな改善効果は得られな
いばかりか高価となるため、Ｃｕ及びＮｉの添加量をそ
れぞれ、０．１％〜０．６％，０．２０％〜１．５０％
の範囲とする。

【００１３】なお、Ｃｕの添加方法としては、フィラワ
イヤそのものに添加せずにＣｕメッキ分のみでも同等の
効果が得られ、フィラワイヤまたはＣｕメッキ分の一方
または両方から添加しても同等の効果が得られることが
判明した。

【００１４】次に、本発明ワイヤの第２の特徴であるＰ
及びＳの効果について説明する。Ｐは一般に不純物とし
て鋼材中に含有され機械的性質を劣化させるため、鋼中
にはできるだけ低く抑える努力がなされている。しか
し、レーザ溶接のフィラワイヤにＰが添加されると、溶
接時に溶融金属の粘性を調整し母材との濡れ性を良好に
し、平滑な溶接ビードを得ることができる。フィラワイ
ヤ中のＰ量が０．０２％未満ではビード形状改善効果が
十分でなく、フィラワイヤ中のＰ量が０．０８％超では
溶接金属の脆化が激しくなる。このためＰ量は０．０２
〜０．０８％とした。

【００１５】Ｓは快削鋼などを除き、一般には不純物と
して鋼材中に含有され、機械的性質の劣化や溶接時の高
温割れを助長するため鋼中にはできるだけ低く抑える努
力がされている。しかし、レーザ溶接のフィラワイヤに
Ｓを添加すると、溶接時に溶融金属の融点を低下させ、
平滑な溶接ビードを得ることができるとともに、母材と
の濡れ性を良好にし、特に止端形状の優れた溶接ビード
を得ることができる。フィラワイヤ中のＳ量が０．０１
％未満ではビード形状改善効果が十分でなく、また、Ｓ
量が０．０６％超では溶接金属にＳの偏析による脆い組
織が析出すると共に高温割れが発生し易くなる。このた
めＳ量は０．０１〜０．０６％とした。

【００１６】更に、本発明のフィラワイヤの他の各成分
の限定理由について説明する。Ｃは強度確保や組織の安
定化等の効果を得るために０．０５％以上添加するもの
であって、０．１２％超ではレーザ溶接時の冷却速度が
速いため溶接金属の硬化を促進し、耐高温割れ性や溶接
後の加工性を劣化させるため上限を０．１２％とした。

【００１７】Ｓｉは脱酸剤として有効な成分であり、鋼
材には目的に応じてそれぞれ適量添加されている。レー
ザ溶接のフィラワイヤに添加されたＳｉは溶融金属中で
脱酸剤として作用し清浄な溶接部を得るほか、ブローホ
ールの発生を抑える効果がある。更に溶融金属の粘性を
調整しビード形状を良好にする。しかし、ＳｉもＣと同
様に溶接部の硬化を促進する元素であり、１．５％超で
は溶接金属と母材の硬度差が大きくなり加工成形性が劣
化する。

【００１８】したがって、Ｓｉの上限を１．５％とし
た。また、０．３％未満では溶接時の脱酸が不十分とな
りブローホールが発生するとともに、溶融金属の粘性が
不足しビード形状が劣化する。このため下限を０．３％
とする。フィラワイヤのＳｉの添加量が０．３〜１．５
％の範囲であれば、広範囲な溶接条件で加工成形性に優
れた溶接金属を得ることができる。

【００１９】ＭｎもＳｉと同様に脱酸剤として有効であ
り、また、強度向上や微細なミクロ組織を確保し、靭性
を向上する目的で鋼材に広く用いられている。また、フ
ィラワイヤに添加されたＭｎは脱酸剤として作用し清浄
な溶接部を得るほか、ブローホールの発生を抑える効果
がある。しかし、ＭｎもＳｉやＣと同様に溶接部の硬化
を促進する元素であり、２．２０％超では溶接金属と母
材の硬度差が大きくなり加工成形性が劣化するととも
に、脱酸過剰となりピットやブローホールが発生し易く
なるので上限を２．２０％とした。また、０．９％未満
では溶接時の脱酸が不十分となりブローホールが発生す
る。このため、下限を０．９％とする。

【００２０】フィラワイヤへのＭｎ添加量が０．９０〜
２．２０％の範囲内であれば、加工成形性に優れた溶接
金属を得ることができる。

【００２１】Ｔｉは、強脱酸剤として有効であり、ピッ
トやブローホールの発生を抑える効果がある。また、酸
化物（ＴｉＯ₂ ）を作ることにより細粒化の核となり、
微細なミクロ組織を確保し、靭性を向上させる効果があ
る。これらの効果を得るためには、０．０５％以上必要
である。しかし、０．４０％超では固溶Ｔｉが増加し溶
接部の硬化を促進するため溶接金属と母材の硬度差が大
きくなり成形性が劣化する。更に、酸化物または窒化物
が多くなりすぎて靭性を損なうので、フィラワイヤへの
Ｔｉ添加量を０．０５〜０．４０％の範囲とする。

【００２２】

【実施例】次に、本発明の実施例を示す。レーザ溶接の
施工要領としては図３に示す通りである。１がレーザ発
振器、２がトーチ、３がフィラワイヤ、４が母材、５が
溶接ビード、６がアシストガスを示している。

【００２３】レーザ溶接条件としてはＣＯ₂ レーザを用
い、出力は４ＫＷ、モードはマルチモードとし、溶接速
度は２．０ m/minで行い、表１に示す供試フィラワイヤ
を用い送給速度を２．０ m/minで試験を実施した。Ａｒ
ガス（流量１０ l/min）をアシストガスとして用い、溶
接継手は突合わせ継手としギャップは０mmとした。母材
は、１．２mm厚のＳＭＡ５０ＢＷ（ＪＩＳ Ｇ ３１１
４）のシート材を使用して溶接実験を行い、腐食減量、
ビード形状、内部健全性、加工成形性を調査した。腐食
減量については、前述と同様の方法により回転浸漬試験
を実施し、腐食減量が０．１５mm以下を良好（同：
○）、０．１５mm超を不良（同：×）とした。ビード形
状は目視により行い、ビード幅及びビード高さが一定で
ビード止端部にアンダカットやオーバーラップ等の溶接
欠陥の無いものを良好とした。内部健全性はＪＩＳ Ｚ
３１０４（鋼溶接部の放射線透過試験方法および透過
写真の等級分類方法）に準拠し、Ｘ線透過試験を行い、
判定基準は、ビード全長に対する欠陥発生率で評価し、
ブローホールの発生率がビード全長に対し２０％以下を
良好（表中記号：○）、２０％超を不良（同：×）とし
た。また、ブローホール以外に割れ等の溶接欠陥が観察
されたものも全て不良と判断した。

【００２４】更に、継手中央部からマクロ試験片を採取
し、母材部と溶接金属について硬さＨｖ（荷重２００
ｇ）を調査し、加工成形性の判定として母材と溶接金属
の硬さの差ΔＨを求めた。従来よりの知見より硬さの差
ΔＨ（＝溶接金属の硬さ−母材の硬さ）がＨｖ１００以
下を良好（同：○）、Ｈｖ１００超を不良（同：×）と
した。

【００２５】表１からも明らかなように本発明範囲では
溶接部の腐食減量、ヒード形状、内部健全性、加工成形
性全てにおいて良好な結果が得られた。これに対し、比
較例Ｎｏ．１１はビード形状、内部健全性、加工成形性
は良好となったが、Ｃｕが無添加のため腐食減量が不良
となった。比較例Ｎｏ．１１、１４は腐食減量、ヒード
形状とも良好だが、Ｎｏ．１２はＳｉ量が本発明範囲未
満でＴｉ量が本発明範囲を超えているため、またＮｏ．
１４はＣ量が本発明範囲を超えているため内部健全性及
び加工成形性が不良となった。比較例Ｎｏ．１３は加工
成形性は良好であるが、Ｎｉが無添加のため腐食減量が
不良となり、Ｓ量が本発明範囲を超えているため割れが
発生した。

【００２６】比較例Ｎｏ．１５は腐食減量、内部健全
性、加工成形性は良好となったが、Ｐ量が本発明範囲を
超え、Ｓ量が本発明範囲未満のためビード形状が不良と
なった。

【００２７】Ｎｏ．１６は腐食減量は良好となったが、
Ｃ，Ｍｎ量が本発明範囲を超えＰ，Ｔｉ量が本発明範囲
未満のため、ビード形状、内部健全性、加工成形性が不
良となった。

【００２８】比較例Ｎｏ．１７はビード形状、内部健全
性が良好となるものの、Ｃｕ，Ｎｉが無添加で、Ｓｉ量
が本発明範囲を超えるため腐食減量及び加工成形性が不
良となった。更に、Ｎｏ．１８では腐食減量及び内部健
全性は良好となるものの、Ｐ，Ｓが本発明範囲未満であ
りＴｉ量が本発明範囲を超えたため、ビード形状及び加
工成形性が不良となった。フィラワイヤを用いないＮ
ｏ．１９においては、母材がＳＭＡ５０ＢＷであるため
腐食減量は良好であるが、ビード形状が凹型になるとと
もにブローホールも多く、内部健全性、加工成形性とも
不良となった。

【００２９】なお、本発明フィラワイヤは、レーザ光の
種類（例えば、気体レーザ、固体レーザ等）、ビームモ
ード（例えば、シングルモード、マルチモード、リング
モード等）、ビーム径、出力、溶接速度、被溶接材の材
質、その母材表面処理方法、板厚等にも制限されること
はない。また、フィラワイヤ径に対しても特に制限はな
いが、レーザビーム径より小さくする方が望ましく、フ
ィラワイヤ径は２mm以下が好ましい。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【発明の効果】以上に示したように、本発明範囲のレー
ザ溶接用フィラワイヤによれば、良好な耐候性、特に耐
局部腐食性に優れ、なおかつ良好なビード形状、溶接部
の内部健全性、加工成形性を有する溶接継手が得られこ
の分野での適用拡大が図れるとともに、コスト低減に大
きく寄与できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐腐食性試験に於けるワイヤに含まれるＣｕ
量、Ｎｉ量と腐食減量との関係を示す図である。

【図２】耐腐食性試験に於ける腐食減量の測定要領を示
す図である。

【図３】レーザ溶接の施工要領を示す説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ トーチ ３ フィラワイヤ ４ 母材 ５ 溶接ビード ６ アシストガス １０ 腐食減量の試験片

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年７月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】表１からも明らかなように本発明範囲では
溶接部の腐食減量、ヒード形状、内部健全性、加工成形
性全てにおいて良好な結果が得られた。これに対し、比
較例Ｎｏ．１１はビード形状、内部健全性、加工成形性
は良好となったが、Ｃｕが無添加のため腐食減量が不良
となった。比較例Ｎｏ．１２、１４は腐食減量、ヒード
形状とも良好だが、Ｎｏ．１２はＳｉ量が本発明範囲未
満でＴｉ量が本発明範囲を超えているため、またＮｏ．
１４はＣ量が本発明範囲を超えているため内部健全性及
び加工成形性が不良となった。比較例Ｎｏ．１３は加工
成形性は良好であるが、Ｎｉが無添加のため腐食減量が
不良となり、Ｓ量が本発明範囲を超えているため割れが
発生した。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年７月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】表１からも明らかなように本発明範囲では
溶接部の腐食減量、ビード形状、内部健全性、加工成形
性全てにおいて良好な結果が得られた。これに対し、比
較例Ｎｏ．１１はビード形状、内部健全性、加工成形性
は良好となったが、Ｃｕが無添加のため腐食減量が不良
となった。比較例Ｎｏ．１２、１４は腐食減量、ビード
形状とも良好だが、Ｎｏ．１２はＳｉ量が本発明範囲未
満でＴｉ量が本発明範囲を超えているため、またＮｏ．
１４はＣ量が本発明範囲を超えているため内部健全性及
び加工成形性が不良となった。比較例Ｎｏ．１３は加工
成形性は良好であるが、Ｎｉが無添加のため腐食減量が
不良となり、Ｓ量が本発明範囲を超えているため割れが
発生した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で（以下、同じ）Ｃ：０．０５〜
   ０．１２％、Ｓｉ：０．３０〜１．５０％、Ｍｎ：０．
   ９０〜２．２０％、Ｔｉ：０．０５〜０．４０％、Ｐ：
   ０．０２〜０．０８％、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃ
   ｕ：０．１％〜０．６％、Ｎｉ：０．２０％〜１．５０
   ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる事を
   特徴とする耐候性に優れたレーザ溶接用フィラワイヤ。