JPH11170088A

JPH11170088A - 鋼材の熱間レーザー溶接用メタルコアード型フィラワイヤ

Info

Publication number: JPH11170088A
Application number: JP9348708A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Miura; 利宏三浦; Masao Kamata; 政男鎌田; Masahiro Obara; 昌弘小原; Hiroshi Tokida; 弘常田; Katsuhiro Maeda; 勝宏前田; Shinji Matsuo; 慎二松尾; Kazuhiro Nishiyama; 和宏西山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-29
Anticipated expiration: 2017-12-04
Also published as: JP3735195B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間温度で鋼材を大出力レーザー溶接する場
合に、スパッタ、ヒュームの発生が少なく、かつ溶接部
の欠陥が少ない良好な溶接部を得る。【解決手段】Ｆｅを主体とした金属粉を９５重量％以
上含む粉体を、鋼製外皮中に、ワイヤ全重量に対して１
０〜３０重量％充填し、ワイヤ成分が、ワイヤ全体に対
する重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：２．
０〜４．０％、Ｍｎ：２．０〜５．０％、かつ、Ａｌ、
Ｍｇ、Ｔｉの１種または２種以上を金属粉から添加し、
Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの合計が、ワイヤ全体に対する重量％
で５〜１５％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物で
あることを特徴とする鋼材の熱間レーザー溶接用メタル
コアード型フィラワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼材を赤熱温度域
でレーザー溶接する場合に、高能率でかつ溶接部の欠陥
が少ない良好な溶接部の得られるフィラワイヤに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザーを熱源として用いるレーザー溶
接は、熱の集中性が高く、かつ低入熱溶接が可能である
ことから、薄板分野の溶接に利用されている。また、近
年では、数１０ｋＷ超級の大出力レーザー溶接装置が開
発され、鉄鋼製造プロセスにおける厚板のインライン溶
接や大型の鋼構造物への適用が検討されている。特に鉄
鋼製造プロセスにおいては、高温・高酸化性雰囲気の中
で迅速に厚板を溶接する必要があり、高エネルーギー密
度でかつ高速性に優れるレーザー溶接が有効である。

【０００３】レーザー溶接用フィラワイヤおよびフィラ
ワイヤを用いる溶接法としては、特開平８−３００００
２号公報にＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉのいずれか１種または２種
以上含有する鉄合金ワイヤフィラーを用いて熱間溶接す
る例が、また、特開平８−３０９４０２号公報にアルミ
ニウム、シリコン、チタンの１種又は２種以上を０．０
３〜３％含むワイヤを用いて熱間溶接を行う方法が開示
されている。これらに用いられるフィラワイヤは何れも
鉄合金フィラーワイヤであり、鉄合金の形でフィラーを
供給する方法である。

【０００４】また、レーザー用フィラワイヤとしてフラ
ックス入りワイヤを用いる方法として、特開平３−２３
０８８０号公報に薄板のレーザー溶接用として、脱酸剤
を含有するフラックス入りワイヤを用いる方法が記載さ
れている。しかし、鋼材が赤熱状態にある高温・高酸化
性雰囲気の中で大出力レーザーにより厚板の溶接を行う
場合に、メタルコアード型フィラワイヤの適正成分を検
討した例は見あたらない。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】鋼材製造プロセス、例えば連
続熱間圧延工程において鋼材を接合する場合に、鋼材の
温度は１０００℃付近の温度に加熱されている。この温
度は鋼材が熱間脆化を起こす温度であり、熱間脆化は鋼
材中のＳやＯと関係が深いことが知られている。熱間温
度で溶接を行った場合、冷間温度における溶接よりも溶
接金属の冷却速度が著しく遅く、最終凝固部にＳやＯが
偏析しやすい。さらに、熱間温度における溶接において
は、溶接開先部即ち鋼材の端面が著しく酸化しており、
従来のフィラワイヤでは、脱酸が不充分となり、溶接金
属の最終凝固部の一次結晶粒界に酸化皮膜が発生し易
く、脆化を起こすという課題があった。

【０００６】また、レーザー溶接では溶融金属部が図１
に示すように、幅が狭くかつ溶融深さが著しく大きい溶
込み形状、いわゆるキーホール状の溶込み形状となるの
が特長であるが、このキーホール形状はレーザーの出力
が大きい程深く、また被溶接材の温度が高い程表面部の
拡がりが大きいことが特徴である。そして、このキーホ
ールの形状が深くかつキーホール壁面の安定した保持が
困難である場合には空隙や酸化物が溶融金属に巻き込ま
れ易く、気泡状やスラグ巻込みといった溶接欠陥が形成
されやすい。

【０００７】これらは熱間温度で大出力レーザーによる
溶接を行った場合には特に顕著であり、従来の鉄合金フ
ィラワイヤの脱酸能では、健全な溶接部の形成が困難な
場合があった。この場合、鉄合金フィラワイヤの強脱酸
剤組成をさらに高合金化して、脱酸能を増加させること
も考えられるが、鉄合金として実用可能な合金成分とし
ては、特開平８−３００００２号公報に記載されている
ようにＡｌおよびＴｉがそれぞれ０．１％未満程度のレ
ベルであり、Ａｌ、ＴｉさらにはＭｇ等を多量に添加
し、合金化してさらに伸線加工等によりフィラワイヤと
することは、工業的には容易でなくこのようなフィラワ
イヤの適用は困難であった。

【０００８】また母材が赤熱温度の状態で大出力レーザ
ー溶接を行う場合、従来の鉄合金フィラワイヤを用いた
場合には、スパッタやヒュームの発生量が著しく多く、
安定な溶接が行えない上に、スパッタによりレーザー溶
接装置に損傷を与えることがあり、その解決が課題とな
っていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記のよ
うな課題を解決するために、フィラワイヤを鋼製外皮に
強脱酸剤を多量に含む金属粉を充填したメタルコアード
型とし、さらに熱間で大出力レーザー溶接を行った場合
に必要なフィラワイヤの成分、成分元素の添加量および
添加方法を種々検討した。その結果、本発明のフィラワ
イヤを使用することによって、良好な溶接性と健全な溶
接金属を兼ね備えた溶接が可能であることを見い出し
た。

【００１０】すなわち、本発明のフィラワイヤは、Ｆｅ
を主体とした金属粉を９５重量％以上含む粉体を、鋼製
外皮中に、ワイヤ全重量に対して１０〜３０重量％充填
し、ワイヤ成分が、ワイヤ全体に対する重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０〜５．０％かつ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの１種または２種以上を金属粉
として添加し、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの合計が、ワイヤ全体
に対する重量％で５．０〜１５．０％であり、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物であることを特徴とする鋼材の熱
間レーザー溶接用メタルコアード型フィラワイヤであ
る。また、ワイヤに充填するＡｌ粉、Ｍｇ粉、Ｔｉ粉お
よびそれらの合金粉の粒径が７５μｍ以上２００μｍ以
下の範囲のものであることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。まず、本発明のフィラワイヤの形態
についてであるが、本発明のフィラワイヤは、鋼材の熱
間大出力レーザー溶接に必要な各種元素を所定量含有す
ることが大きな特徴であるが、本発明の成分を添加した
鉄合金ワイヤは溶解および伸線加工が著しく困難であ
り、そのため本発明ではフィラワイヤの形態を鋼製外皮
にＦｅを主体とした金属粉を充填した、いわゆるメタル
コアード型とした。また、充填する粉体にスラグ剤を添
加したフラックス入りワイヤとすることも考えられる
が、スラグ剤を多量に添加した場合には、スパッタの発
生量が著しく多くなる上に、スラグの跳ね上がりにより
ミラーや溶接トーチ部を損傷させる可能性が大となる。
そのため、本発明では充填粉の９５重量％以上をＦｅを
主体とした金属粉とした。さらに、充填率は１０重量％
未満では溶融プール中に添加される脱酸剤の量が不足
し、充填率が３０重量％を超える場合には、ワイヤの安
定した製造が困難であると共に、ヒュームが多く発生す
ると共に、レーザープラズマの発生によりレーザー光の
散乱、吸収が起こり、安定した溶接が行えない。そのた
め、充填率は１０〜３０重量％とした。

【００１２】次に、本発明のフィラワイヤの化学成分限
定理由について説明する。本発明では熱間温度でかつ数
１０ｋｗの大出力レーザーを用いて溶接を行うため、こ
れらの特殊な条件下で添加元素が効果的に作用させるた
めには、ワイヤ成分を適正な範囲に調整する必要があ
る。本発明のフィラワイヤの成分範囲は、熱間温度で最
大出力４５ｋＷ仕様のレーザ溶接装置を用い、種々の成
分のフィラワイヤを用いて溶接試験を行った結果をもと
に得られたものであり、粉粒体の強脱酸剤を鋼外皮に充
填したタイプのメタルコアード型フィラワイヤを用いた
溶接では、脱酸剤の作用効果も独特のものとなり、ワイ
ヤ成分は以下の理由により適正範囲とする必要がある。
なお、以下において％は重量％を意味する。

【００１３】Ｃは溶融金属中の酸素と反応してＣＯまた
はＣＯ₂ となることにより溶融金属の脱酸を行うと共
に、溶接金属中に適正量歩留ることにより溶接金属の高
温強度を確保する。Ｃが０．０５％未満では脱酸が不充
分となる上に溶接金属の高温強度も不充分となる。Ｃが
０．２０％を超える場合には、溶接金属の強度が過大と
なる上に、スパッタが多く発生し、安定なレーザー溶接
が行えない。

【００１４】Ｓｉは溶接金属の脱酸を行うと共に、脱酸
生成物がスラグとなって溶融金属表面を覆うことによ
り、熱間大出力レーザー溶接特有の溶込み形状に起因す
るキーホール壁面の溶融金属を垂れ難くし、気泡や酸化
物巻込みによる溶接欠陥の発生を防止する。Ｓｉが２．
０％未満ではこの溶融金属の垂れ防止効果は得らない。
また、Ｓｉが４．０％を超える場合には、スラグが過大
になりすぎ、スパッタが多く発生する。そのためＳｉは
２．０〜４．０％の範囲とする。

【００１５】ＭｎはＳｉと同様の脱酸を行うと共に、溶
融金属に合金元素として添加される。そして、溶接金属
中のＭｎはＭｎＳを形成し、鋼材の熱間脆化を防止する
役割を果たす。特に、熱間大出力レーザー溶接では、レ
ーザービームの熱エネルギーが非常に大きいため、ワイ
ヤ中のＭｎを蒸発または酸化消耗させずに溶融池に添加
するにはワイヤ中Ｍｎが２．０％以上必要である。逆に
ワイヤ中Ｍｎを５．０％を超えて添加した場合には、ス
ラグ量が過大になりスパッタ発生量が増加すると共に、
スラグの溶融池保持作用が低下し、溶接欠陥が発生し易
くなる。

【００１６】Ａｌ、ＭｇおよびＴｉは強力な脱酸剤であ
り、鋼材の熱間溶接のように、開先部の酸化度が著しい
場合に溶接金属の脱酸を強力かつ迅速に行うには、非常
に有効な成分である。しかし、これらの成分を溶融金属
中に歩留る程度に多量に添加した場合、溶接金属が脆弱
な成分となり、溶接金属部の延性が低下する。本発明で
はこれらの成分をメタルコアード型ワイヤ中に金属粉と
して適正量添加することにより、有効に作用させること
が可能であることを見いだした。熱間大出力レーザー溶
接において有効な脱酸効果を得るためには、Ａｌ、Ｍｇ
またはＴｉの１種または２種以上が合計で５．０％以上
添加されることが必要である。これらの成分が、１５．
０％を超える場合には、溶接金属が脆化すると共に、ス
ラグの発生量も過大となり安定レーザー溶接が行えな
い。従ってＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉの適正量は５．０％〜１
５．０％の範囲である。

【００１７】また、Ａｌ、ＭｇおよびＴｉ粉またはこれ
らの合金粉は、熱間大出力レーザー溶接における溶融池
に添加される場合に、特に蒸発し易い成分であり、ワイ
ヤ中に充填するＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉの１種または２種以上
を含む金属粉の粒径は、７５μｍ未満の場合には、レー
ザービームにより蒸発し易く、また２００μｍを超える
場合には溶接ビード表面近傍にこれらの成分が偏析し易
いため７５μｍ以上２００μｍ以下の範囲のものとする
ことが好ましい。

【００１８】

【実施例】さらに、実施例により本発明の効果を説明す
る。以下の％は重量％を意味する。表１に試作したメタ
ルコアード型フィラワイヤの成分を示す。これらの試作
フィラワイヤは何れも、パイプ状の軟鋼外皮に所定成分
の金属粉（９５％以上）を充填し、ワイヤ径１．６ｍｍ
に伸線加工し、製造した。尚、充填率３０％を超えるワ
イヤは、伸線工程で断線したため、溶接試験には供する
ことができなかった。尚、金属粉が９５％未満のワイヤ
は、予備実験の結果スラグが非常に多量に発生したた
め、レーザー溶接による試験には供試しなかった。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１のフィラワイヤを用い、出力４５ｋＷ
のレーザー溶接装置により、熱間温度における鋼材の突
合せ溶接試験を行った。鋼材はＪＩＳＧ３１３１熱
間圧延軟鋼板ＳＰＨＣ相当材の板厚２５ｍｍを用い
た。試験材の開先形状寸法は図１に示すＩ型突合せと
し、溶接試験板は溶接直前まで均熱炉中にて１０５０℃
で加熱し、炉から取出した試験板を２０秒以内に溶接す
る方法によりレーザー溶接を行った。

【００２１】レーザー溶接は、最大出力４５ｋＷのレ−
ザー溶接装置を用い、実出力４０ｋＷ、溶接速度３ｍ／
ｍｉｎ、フィラワイヤ送給速度３ｍ／ｍｉｎ、フィラワ
イヤ挿入角度３０゜（母材との角度、溶接前方から挿
入）の条件で行った。センターガスおよびアシストガス
としてＨｅを使用した。

【００２２】溶接試験における溶接作業性評価として、
スパッタ発生量、ヒューム発生量を目視観察にて評価し
た。また、目視による溶接ビード外観観察と放射線透過
試験による溶接欠陥の調査を行った。溶接欠陥は、溶接
長に対する欠陥発生長さの割合を百分率で算出し溶接欠
陥率とした。さらに、溶接後の試験体の板厚中央部から
溶接方向と直角な方向にＪＩＳＧ０５６７Ｉ１０型
試験片を採取し、９５０℃にて高温引張試験を行い、破
断位置で溶接性を評価した。

【００２３】表２に試験結果を示す。表２から明らかな
ように、充填率が１０％未満でＡｌ、Ｔｉ、Ｍｇの合計
も５．０％未満であるＮｏ．６、Ｃが０．０５％未満の
Ｎｏ．７、Ｓｉが２．０％未満のＮｏ．９、Ｍｎが２．
０％未満のＮｏ．１１およびＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉの合計が
５．０％未満のＮｏ．１３については、何れもスパッタ
発生量およびヒューム発生量は少なかったが、脱酸不足
または溶融金属の垂れが原因と思われるスラグ巻込み等
の溶接欠陥が多く発生し、９５０℃での引張試験結果も
何れも溶接金属部で破断し、良好な溶接結果は得られな
かった。

【００２４】

【表２】

【００２５】また、Ｃが０．２０％を超えるＮｏ．８に
ついては、スパッタが多く発生すると共に、溶接ビード
部に高温割れが発生した。Ｓｉが４．０％を超えたＮ
ｏ．１０は溶接欠陥は少なかったが、スパッタが非常に
多く採用できなかった。また、Ｍｎが５．０％を超えた
Ｎｏ．１２はスラグが多く発生すると共に、スラグの巻
込みによると思われる内部欠陥が発生し、良好な溶接結
果が得られなかった。Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの合計が１５．
０％を超えるＮｏ．１４は、スラグが多量に発生し、ス
パッタおよびヒュームが多くなると共に、溶接ビード表
面部にスラグが焼付き、良好な溶接結果は得られなかっ
た。

【００２６】Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉに粒度が７５μｍ未満の
金属粉を用いたＮｏ．１５は溶接作業性は良好であった
が、気孔欠陥率がやや高めであった。また、Ａｌ、Ｍ
ｇ、Ｔｉに粒度２００μｍを超える金属粉を用いたＮ
ｏ．１６はスパッタ、ヒュームがやや多くなると共に、
溶接ビード表面に未溶融粉末の付着が認められた。

【００２７】これに対し、本発明例であるＮｏ．１から
Ｎｏ．５の結果は何れのフィラワイヤもワイヤ成分が適
正であり、溶接作業性および溶接金属性能共に良好な結
果が得られている。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明のメタルコアード
型フィラワイヤを用いることにより、熱間温度で鋼材を
大出力レーザーにより溶接した場合に、スパッタ、ヒュ
ームの発生が少なく、かつ溶接部の欠陥が少ない良好な
溶接部を得ることが可能になった。その結果、鋼材製造
における生産能率を大幅に向上させることが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザー溶接の溶融池形状を示す模式図

【図２】実施例において使用した、溶接試験体の開先形
状寸法を示す斜視図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者常田弘大分県大分市大字西ノ洲１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内 (72)発明者前田勝宏大分県大分市大字西ノ洲１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内 (72)発明者松尾慎二大分県大分市大字西ノ洲１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内 (72)発明者西山和宏千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｆｅを主体とした金属粉を９５重量％以
上含む粉体を、鋼製外皮中に、ワイヤ全重量に対して１
０〜３０重量％充填し、ワイヤ成分が、ワイヤ全体に対
する重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０〜５．０％かつ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの１種または２種以上を金属粉
として添加し、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの合計が、ワイヤ全体
に対する重量％で５．０〜１５．０％であり、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物であることを特徴とする鋼材の熱
間レーザー溶接用メタルコアード型フィラワイヤ。
【請求項２】Ａｌ粉、Ｍｇ粉、Ｔｉ粉およびそれらの
合金粉の粒径が７５μｍ以上２００μｍ以下の範囲であ
ることを特徴とする請求項１記載の鋼材の熱間レーザー
溶接用メタルコアード型フィラワイヤ。