JPH1080789A - 炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、ソリッドワイヤを用いて、従来より
送給性に優れた安価な炭酸ガスシールドアーク溶接用ワ
イヤとその製造方法を提供することを目的としている。 【解決手段】炭酸ガスをシールドガスとするアーク溶接
に使用するソリッドワイヤであって、Ｃ：０．１２重量
％以下、Ｓｉ：０．２０〜１．５０重量％、Ｍｎ：０．
５０〜２．２０重量％、Ｐ：０．０２０重量％以下、を
含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、中心部の
Ｃ又はＭｎの偏析度（Ａ_w ／Ａ_w0）が共に、０．７０〜
０．９５である。ここで、Ａ_w0は、ワイヤのＣ又はＭｎ
の平均濃度（重量％）、Ａ_w は、ワイヤ中心部のＣ又は
Ｍｎの濃度（重量％）である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接用ワイヤ及び
その製造方法に関し、特に、溶接作業時における送給性
に優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤとその製造方
法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】ガスシールドアーク溶接は、建築、橋梁
を主体とする大型の鋼構造物や自動車、輸送機器等薄板
の鋼構造物を製作するのに、幅広く用いられている。そ
して、このガスシールドアーク溶接は、使用するシール
ドガスやワイヤの種類により種々の方式に分類される
が、シールドガスに炭酸ガス、ワイヤにソリッドワイヤ
を使用する所謂炭酸ガスシールドアーク溶接法が、経済
性の観点から最も多く採用されている。

【０００３】炭酸ガスシールドアーク溶接法は、高い経
済性に加えて、溶接部の母材への溶け込みが良好である
等、多くの長所を有している。しかしながら、シールド
ガスに炭酸ガスを使用した場合には、アルゴンガス使用
の場合より、その雰囲気で生じる電位傾度（経時的な電
圧変動の大きさ）が高いので、アーク力が強くなり、溶
滴の移行を不安定にし易く、アーク再生時や微小な短絡
移行時に、スパッタ（爆発的に飛散するスラグや溶滴）
を大きくするという欠点がある。このスパッタの発生
は、該ガスの噴射ノズルに付着し、シールドガスの噴射
異常を起こしたり、母材表面に溶着して外観を悪化する
ので、その除去に多大な工数が必要となる。また、溶着
金属を減少して溶着率の低下が起こり、長期的には、溶
接コストの上昇を招くことになる。さらに、溶接作業者
にとっては、火傷等、安全上あるいは健康上での問題も
ある。

【０００４】そこで、炭酸ガスを用いたシールド溶接の
上記問題点に関しては、従来より種々の対策が検討され
ている。大別すると、（１）溶接機電源波形の制御、
（２）シールドガス種類の変更（３）適正なワイヤ選択
の３つに分類される。これら対策のうち、 （１）の溶接機電源波形の制御は、近年の電子技術の急
速な進歩によりかなりの効果を挙げているが、新規の設
備更新が必要となるので、従来型溶接機を所要している
加工業者にとっては、容易に採用できない対策である。 （２）のシールドガスの変更に関しては、アルゴンガス
と炭酸ガスとの混合ガスを用いる所謂ＭＡＧ溶接法にす
ることで、スパッタの発生を大幅に低減できるが、混合
ガスが極めて高価であることと、溶け込み形状が悪化し
て接合不良等の欠陥の発生が起こり易くなること等の問
題があった。 （３）の適正なワイヤの選択に関しては、以下に述べる
ように、ワイヤの改善技術が多数開示されている。

【０００５】例えば、特開昭６３−１４９０９３号公報
は、ワイヤ表面の粒界を酸化させ、その溝部にＫ元素を
含有させた表面処理ワイヤを開示している。このワイヤ
は、上記Ｋ元素が溶接アークの安定性を向上させ、スパ
ッタの発生を防止するのである。しかしながら、該Ｋ元
素を含有させた表面処理ワイヤは、極めて吸湿されやす
く、ワイヤ表面に銅めっきを施した場合には、該めっき
を酸化変色させ易く、溶接時に給電不良や送給性を低下
させる原因となるので、保管に特別な配慮が要求される
という欠点がある。

【０００６】また、特開昭６３−２５２６９２号公報
は、ワイヤの化学組成を種々調整し、溶接アークの安定
性を向上させるスパッタの発生防止技術を開示してい
る。しかしながら、このワイヤを使用しても、スパッタ
の発生量はいくぶん低減したが、未だに満足できるレベ
ルには達していないのが現状である。さらに、特開昭６
３−２１５３９５号公報は、ソリッドワイヤの代わり
に、金属粉とアーク安定剤としてのアルカリ金属と、金
属弗化物とを含有させた、所謂メタル系フラックス入り
複合ワイヤ（メタルコアードワイヤ）を提案した。この
ワイヤは、シールドガスに安価な炭酸ガスを用いても、
アークの安定性に優れ、スパッタの発生量低減に大きな
効果を示した。

【０００７】しかしながら、ソリッドワイヤを使用した
ものと比較して、その価格が高価であるのが欠点で、広
く普及するところまでは至っていないのが現状である。
以上述べたように、スパッタ発生の低減には、上記
（３）の適正なワイヤの選択による対策が適し、成分や
表面性状の改善がなされている。しかしながら、それら
の改善を行なっても、最も基本的な問題として、溶接作
業時におけるワイヤの送給性の変動問題が未解決で残っ
ているようだ。このワイヤの安定送給については、従来
より、コンジットチューブ（溶接トーチにワイヤを送給
するさや管）の改善、送給モータの安定回転、ワイヤ表
面の潤滑油の塗布などの対策が別途なされてきた。しか
しながら、これらの対策では、未だ満足できる送給レベ
ルに達していないのが現状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
を鑑み、ソリッドワイヤを用いて、従来より送給性に優
れた安価な炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤとその
製造方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、ソリッドワイヤを用いる炭酸ガスシールド
アーク溶接法におけるワイヤ送給性につき広範な実験、
研究を繰り返した結果、ワイヤの送給性には、その断面
での硬さ分布が大きな影響を及ぼしており、表層部を高
く、内部は表層部より柔らかい分布にすることが重要で
あることを発見した。そして、該分布を具体的に達成す
ることに鋭意努力し、ワイヤ中の合金元素、特に、Ｃま
たはＭｎ元素の濃度分布を調整することが効果的である
との知見を見い出した。つまり、所定の合金元素の濃度
をワイヤの表面ほど高くし、中心部に向かうほど低くす
ることと、伸線等冷間加工に伴う加工硬化現象とを利用
し、上記硬さ分布が送給性に最も適した状態になるよう
にしたのである。

【００１０】すなわち、本発明は、炭酸ガスをシールド
ガスとするアーク溶接に使用するソリッドワイヤであっ
て、Ｃ：０．１２重量％以下、Ｓｉ：０．２０〜１．５
０重量％、Ｍｎ：０．５０〜２．２０重量％、Ｐ：０．
０２０重量％以下、を含み、残部が鉄及び不可避的不純
物からなり、中心部のＣ又はＭｎの偏析度（Ａ_w ／
Ａ_w0）が共に、０．７０〜０．９５であることを特徴と
する炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤである。

【００１１】ここで、Ａ_w0は、ワイヤ中のＣ又はＭｎの
平均濃度（重量％）、Ａ_w は、ワイヤ中心部のＣ又はＭ
ｎの濃度（重量％）である。また、本発明は、さらに、
Ｔｉ：０．１０〜０．３０重量％を含有することを特徴
とする炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤである。さ
らに、本発明は、炭酸ガスをシールドガスとするアーク
溶接に使用するソリッドワイヤの製造方法において、
Ｃ：０．１２重量％以下、Ｓｉ：０．２０〜１．５０重
量％、Ｍｎ：０．５０〜２．２０重量％、Ｐ：０．０２
０重量％以下、を含み、残部が鉄及び不可避的不純物か
らなる溶鋼を連続鋳造する際に、鋳片の中心部のＣ又は
Ｍｎの偏析度Ａ_c ／Ａ_c0が共に０．７０〜０．９５にな
るよう、鋳片中心部の凝固が完了する前に、中心部固相
率及び固液共存相厚みを調整する鍛圧加工を鋳片に施
し、ついで該鋳片を熱間圧延および冷間伸線することを
特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤの製造
方法である。

【００１２】ここで、Ａ_c0は、溶鋼のＣ又はＭｎの平均
濃度（重量％）、Ａ_c は、鋳片中心部のＣ又はＭｎの濃
度（重量％）である。加えて、本発明は、上記溶鋼に、
Ｔｉ：０．１０〜０．３０％を含有させたり、あるい
は、上記鍛圧加工を、連続鍛圧法とすることを特徴とす
る炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤの製造方法であ
る。

【００１３】本発明では、炭酸ガスシールドアーク溶接
用ワイヤとその製造方法を、上記のようにしたので、ワ
イヤの中心部に所謂負偏析が生じ、ソリッドワイヤを用
いても表面が固く内部を軟らかくすることが可能とな
り、従来より送給性に優れた安価なものにすることがで
きた。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をなすに至った経緯
も含め、本発明の実施形態を説明する。一般に、炭酸ガ
スシールドアーク溶接用ワイヤを製造する素材としての
鋳片は、溶鋼に添加されている各種合金元素の濃度が鋳
造末期に濃縮した状態で凝固するので、中心部が最も高
くなる。その場合、Ｃ及びＭｎが中心に多く偏析する
と、冷間伸線時の加工性を著しく劣化させ、極端な場合
には、製品サイズに至る以前に断線したり、製品サイズ
に至っても、著しく加工性が低下する。このような製品
ワイヤを溶接に用いると、溶接トーチに該ワイヤを供給
する前記コンジットチューブの屈曲に柔軟に対応でき
ず、ワイヤが安定して送れなくなり、さらに極端な場合
には、座屈や切損が起きて、ワイヤの供給が不能となる
ことが多々ある。従って、従来技術のように、ワイヤの
鋼材成分や伸線加工量を単に調整してワイヤの硬さを変
更しても、中心部にＣやＭｎが多い偏析の存在を解消し
ない限り、抜本的にはスパッタの発生を抑制することが
できない。

【００１５】そこで、発明者は、上記したように鋭意研
究を重ね、中心部に偏析しやすいＣばかりでなくＭｎ、
Ｐ、Ｓ、Ｔｉ等を、鋼材の外周部に多く偏析させる所謂
負偏析にすることを着想したのである。そして、かかる
鋼材を伸線加工すれば、表層部が硬化し、内部がやや軟
らかい分布を積極的に作り出すと考えたのである。発明
者は、上記考えを具現化するため、溶鋼を凝固させる段
階で決まる中心偏析の解消及び負偏析化の技術を、以下
に述べるように、種々試みた。

【００１６】例えば、連続鋳造における二次冷却帯域に
電磁撹拌を適用することを試みたが、効果は十分でなか
った。また、鋳片の凝固末期に、一対のロールを用いて
大圧下を施す所謂インラインリダクション法（「鉄と
鋼」：第６０年（１９７４）第７号８７５〜８８４
頁）、あるいは特開昭４９−１２１７３７号公報に開示
されている「鋳片の凝固先端部付近でロール対による軽
圧下を施し、該部分の凝固収縮量を圧下により保証する
方法」、特開昭５２−５４６２５号公報に開示された
「鍛造金型を用いて鋳片部分の凝固完了点近傍を大圧下
する方法」を試みたが、これらの方法も十分な効果が得
られなかった。

【００１７】そこで、発明者は、本出願人が先に提案し
て実用化した特開昭６０−８２２５７号公報記載の連続
鍛圧法に着眼した。つまり、所定の組成を有する溶鋼を
連続鋳造し、その際、鋳片内部の溶鋼が凝固を完了する
クレータエンド近傍にて、取鍋中溶鋼の平均Ｃ又はＭｎ
含有率（Ａ_c0）に対する鋳片中心部における含有率（Ａ
_c ）の比（Ａ_c ／Ａ_c0）が０．７０〜０．９５となるよ
う、固相率を調整しつつ、鍛圧加工を行うようにしたの
である。そして、それによって得た鋳片を素材に、公知
の熱間圧延、冷間伸線を施すことで、目的とする送給性
に優れたワイヤを製造した。

【００１８】本発明でワイヤや鋳片の偏析度（Ａ_cマタハw
／Ａ_{c0マタハw0} ）を、０．７０〜０．９５の範囲に限定し
た理由は、０．７０未満では、ワイヤの中心部と周辺部
との硬さの差が大きくなり過ぎ、ワイヤの送給中に座屈
の発生が生じ易くなるため、下限を０．７０とし、一
方、０．９５を超えるワイヤは、溶接部の周辺で溶滴が
溶融プールに短絡し、かえってスパッタの発生を促進さ
せるので、上限を０．９５とした。次に、組成の限定理
由は、下記の通りである。

【００１９】Ｃ：被溶接金属の強度を確保するために必
要な元素であるが、ワイヤの内部及び外表部に濃化させ
る量が、０．１２重量％を超えると、溶接時にＣＯの発
生が盛んになり過ぎ、スパッタが増大する。よって、
０．１２重量％をＣの上限とする。 Ｓｉ：被溶接金属の脱酸作用のために必要な元素である
が、０．０１重量％未満では、脱酸効果が十分ではな
く、また１．８０重量％を超えると、溶接割れが多発す
ることと、被溶接金属の靭性を劣化させるので大量の添
加は好ましくない。従って、Ｓｉは、０．０１重量％以
上、１．８０重量％以下に限定した。

【００２０】Ｍｎ：被溶接金属の強度と脱酸の作用のた
めに必要な元素である。０．３０重量％未満では、その
添加効果がなく、２．２０重量％を超えると、強度が上
がりすぎて、靭性の劣化と溶接割れを助長することから
好ましくない。よって、Ｍｎは０．３０重量％以上、
２．２０重量％以下に限定した。 Ｐ、Ｓ：これらの元素は、被溶接金属の割れ発生を促進
することから極力少ないことが望ましい。しかし、０．
０３０重量％以下であれば、実用上は問題がないので、
上限を０．０３０重量％とした。

【００２１】Ｔｉ：本発明は、上記の組成限定で十分で
あるが、さらに強い脱酸剤であるＴｉをワイヤの用途に
より添加しても良い。その場合は、溶着金属の酸化を防
止し、酸化物の生成により溶着金属組織の微細化で、そ
の靭性を向上させる効果がある。また、大電流量用ワイ
ヤでは、溶滴移行の安定性を向上させるのに有効な元素
である。これらの効果は、添加量を増すほど増大する
が、０．３０重量％を超えた添加では、その効果が飽和
することと、溶滴粒が粗大となり、粗大なスパッタの発
生が多くなることから、０．３０重量％以下の添加とす
る。

【００２２】なお、高張力鋼用、低合金鋼用及び耐熱鋼
用などのワイヤに通常添加されるＭｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃ
ｕ、Ｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＲＥＭなどの合金成分を，
単独または複合で添加することは一向に差し支えない。
さらに、本発明では、これらの化学組成を有する溶鋼が
連続鋳造される際、鋳片内部溶鋼が凝固を完了するクレ
ータエンド近傍にて、上記したＣ又はＭｎに関してのＡ
_c ／Ａ_c0が０．７０〜０．９５となるように鍛圧加工を
施すが、それは、過去の鍛圧加工データを整理して得た
下記の図１〜２に示す関係を用いて行われる。

【００２３】図１は、鍛圧時における鋳片中心部の固相
率ｆ_s と炭素の偏析度（Ａ_c ／Ａ_c0）との関係を、図２
は、固液共存相厚みｄと断面サイズの異なる鋳片の上記
炭素の偏析度との関係を示す。図１及び図２より、固相
率ｆ_s ，固液共存層厚みｄを、鋳造速度（実操業では、
溶鋼が鋳型へ注入されてから、鍛圧されるまでの時間で
管理）を変えて調整することで、鋳片中心部の偏析度を
目標値にすることが理解できる。なお、図１及び図２
は、炭素に関するものであるが、Ｍｎに関しても同様の
関係がある。

【００２４】最後に、かかる鍛圧で得た鋳片に熱間圧延
及び冷間伸線を施して溶接用ワイヤにするが、そこで
は、特に条件を限定するものではなく、任意の条件、設
備が使用できる。

【００２５】

【実施例】

＜実施例１＞表１に示す化学組成を有する溶鋼を、４０
０×５６０ｍｍの矩形断面を有する鋳型で連続鋳造し、
引き抜かれる鋳片（ブルーム）に、図３に示す鍛圧装置
を用いて連続的に鍛圧加工を施し、前記固相率ｆ_s ，及
び固液共存厚みｄを変えることで、鋳片中心部のＡ_c ／
Ａ_c0を変化させた。その後、分塊及び鋼片ミルによって
１５０×５０ｍｍの所謂ビレットに熱間圧延した。更
に、線材ミルにおいて、５．５ｍｍφの線材コイルとな
した後、冷却した。次いで、酸洗後、ダイスにて冷間で
１．２ｍｍφまで伸線し、銅めっきを施し、多種の炭酸
ガスシールドアーク溶接用ワイヤを製造した。

【００２６】これらのワイヤを評価するため、各ワイヤ
に対して溶接性の試験を行った。溶接性試験の条件は、
３００ｍｍφの２ターンのループを持つ、長さ６ｍのコ
ンジットチューブを通し、炭酸ガス量２０リットル／ｍ
ｉｎ、電流３５０アンペア、電圧３３ボルト、溶接速度
４００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤ突き出し２０ｍｍ、電源電
極直流、ビードオンプレート自動溶接法で実施した。

【００２７】ワイヤ送給性は、上記ワイヤ送給装置のモ
ータ負荷電流値及びアークの安定性を目視にて観察する
ことで評価し、表２に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】表２の供試番号１のワイヤは、現行法にて
製造された一般的な中心偏析を有する比較例であるが、
アーク安定性が悪く、ワイヤ送給モータ負荷電流は高
い。供試番号７のワイヤは、鍛圧加工を極端に強化し、
著しい負偏析とした比較例であるが、アークが極端に短
くなり、安定性が悪い。これらと比較して、供試番号
２、３、４、５、６の本発明に係るワイヤは、いずれも
アーク安定性が良好で、ワイヤ送給モータ負荷電流は、
比較例と比べて１／２〜２／３程度まで著しく低減して
いる。 ＜実施例２＞表３に示す化学組成を有する溶鋼を，上記
鋳型で連続鋳造し、引き抜かれる鋳片に連続的に鍛圧加
工を施し、鋳片中心部のＡ_c ／Ａ_c0を０．９１に調整し
たブルームを製造した。その後、分塊及び鋼片ミルによ
って、１５０×１５０ｍｍのビレットに熱間圧延し，さ
らに、線材ミルにおいて５．５ｍｍφの線材コイルとな
した後、冷却した。次いで、酸洗後、ダイスにて冷間で
１．２ｍｍφまで伸線し、銅めっきを施し、炭酸ガスシ
ールドアーク溶接用ワイヤを製造した。そして、これら
のワイヤを用い、上記同様、溶接性試験を行った結果を
表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】供試番号７、１１、１２、１３、１４のワ
イヤは、化学組成は本発明の条件にあるが、Ａ_w ／Ａ_w0
を外した比較例であるが、いずれもアーク安定性が悪
く、ワイヤ送給モータ負荷電流は高い。これらに対し
て、供試番号８、９、１０、１５の本発明に係るワイヤ
は、いずれもアーク安定性が良好で、ワイヤ送給モータ
負荷電流は、比較例と比べて１／２〜２／３程度まで著
しく低減している。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、生産
性高くかつ経済的に、炭酸ガスシールドアーク溶接用ワ
イヤとその製造方法の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】鍛圧時における鋳片中心部の固相率ｆ_s と炭素
の偏析度（Ａ_c ／Ａ_c0）との関係を示す図である。

【図２】固液共存相厚みｄと断面サイズの異なる鋳片の
上記炭素の偏析度との関係を示す図である。

【図３】連続鋳造機に配置した鍛圧装置の１例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ 連鋳鋳片 ２ 上金型 ３ 下金型 ４ 戻しシリンダ ５ 上金型位置決めシリンダ ６ 下金型位置決めシリンダ ７ 電動クランクシャフト ８ 鋳造方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/14 Ｃ２２Ｃ 38/14

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭酸ガスをシールドガスとするアーク溶
   接に使用するソリッドワイヤであって、 Ｃ：０．１２重量％以下、 Ｓｉ：０．２０〜１．５０重量％、 Ｍｎ：０．５０〜２．２０重量％、 Ｐ：０．０２０重量％以下、 を含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、中心部
   のＣ又はＭｎの偏析度（Ａ_w ／Ａ_w0）が共に、０．７０
   〜０．９５であることを特徴とする炭酸ガスシールドア
   ーク溶接用ワイヤ。ここで、Ａ_w0は、ワイヤ中のＣ又は
   Ｍｎの平均濃度（重量％）、Ａ_w は、ワイヤ中心部のＣ
   又はＭｎの濃度（重量％）である。
2. 【請求項２】 さらに、Ｔｉ：０．１０〜０．３０重量
   ％を含有することを特徴とする請求項１記載の炭酸ガス
   シールドアーク溶接用ワイヤ。
3. 【請求項３】 炭酸ガスをシールドガスとするアーク溶
   接に使用するソリッドワイヤの製造方法において、 Ｃ：０．１２重量％以下、 Ｓｉ：０．２０〜１．５０重量％、 Ｍｎ：０．５０〜２．２０重量％、 Ｐ：０．０２０重量％以下、 を含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなる溶鋼を連
   続鋳造する際に、鋳片の中心部のＣ又はＭｎの偏析度Ａ
   _c ／Ａ_c0が共に０．７０〜０．９５になるよう、鋳片中
   心部の凝固が完了する前に、中心部固相率及び固液共存
   相厚みを調整する鍛圧加工を該鋳片に施し、ついで該鋳
   片を熱間圧延および冷間伸線することを特徴とする炭酸
   ガスシールドアーク溶接用ワイヤの製造方法。ここで、
   Ａ_c0は、溶鋼のＣ又はＭｎの平均濃度（重量％）、Ａ_c
   は、鋳片中心部のＣ又はＭｎの濃度（重量％）である。
4. 【請求項４】 上記溶鋼に、Ｔｉ：０．１０〜０．３０
   ％を含有させたことを特徴とする請求項３記載の炭酸ガ
   スシールドアーク溶接用ワイヤの製造方法。
5. 【請求項５】 上記鍛圧加工を、連続鍛圧法とすること
   を特徴とする請求項３又は４記載の炭酸ガスシールドア
   ーク溶接用ワイヤの製造方法。