メタル系フラックス入り ワイヤ、 及びこれを用いた溶接方法ならび にスラグ量が少ない高疲労強度溶接手の作製方法 技術分野
本発明は、 自動車分野のアーク溶接継手等に用いられているァー ク溶接にかかわるもので、 特明に、 メタル系フラックス入り ワイヤを 用いて溶接するときに発生する溶接ビー ド表面のスラグ量を低減す ることにより、 ソ リ ツ ドワイヤの代わ書りにメタル系フラックス入り ワイヤを用いる とを可能にしたメタル系フラックス入り ワイヤ、 このワイヤを用いた溶接方法および高疲労強度溶接継手の作製方法 の技術に関するちのである。 背景技術
自動車分野のアーク溶接継手は、 溶接終了後の塗装工程のために 、 溶接中に発生するスラグ量が少ないソ リ ツ ドワイヤを用いて作製 されている。 これは、 溶接部がスラグに覆われている場合、 スラグ の上から塗装することになり、 塗装膜と溶接部の密着性に問題が生 じるためである。
一方、 環境問題等の認識の高まりから、 自動車分野でも燃費向上 などの観点から軽量化を推し進めている。 このため、 より高強度の 鋼材を使用し、 板厚を低減する傾向にあるが、 このときの大きな問 題と して、 溶接部の疲労強度がある。 すなわち、 高強度鋼材を使用 しても、 溶接部疲労強度は鋼材強度に比例して高くなるわけではな く、 疲労強度で設計する場合は、 高強度鋼材を使うメ リ ッ トがなく なるという問題がある。
このよつな問題を解決する手段の 1 つと して、 溶接材料の変能 ύ ίπ曰η. 度が低くなるよう成分設計し、 溶接部の残留応力を低減することで 疲労強度を向上させる方法が提案されている (特開平 1 1 一 1 3 8
2 9 0号公報、 特開 2 0 0 4 — 1 0 7 5号公報参照) 。 なお、 以降 このような溶接材料を高疲労強度溶接材料と呼ぶ。 この方法は 、 特 に新たな製造ェ程を準備する必要がなく、 従来溶接材料を取り替え るだけで高疲労強度を得る方法で、 効率のよい方法であるといえる しかし、 この方法にも問題が存在する。 すなわち、 高疲労強度溶 接材料は、 合金元素を多く含むように成分設計するため、 製造コス 卜が増加し、 自動車分野におけるアーク溶接全てにこの溶接材料 ( 溶接ワイヤ) を適用することは経済的に好ましくない。 そのため、 高疲労強度溶接材料の適用を疲労が問題となる部位のみに限定し、 できるだけ高疲労強度溶接ワイヤの消費量が少なくなるようにする 必要がある。 しかし、 ソ リ ッ ドワイヤは、 ワイヤ消費量が多い場合 は経済性がフラックス入り ワイヤより優れているものの、 ワイヤ消 費量が少なくなると、 メタル系フラックス入り ワイヤのようにフラ ックスの設計変更による成分調整ができないこと、 一度ワイヤ作製 用線材を準備するとその後の成分設計の変更ができないことなどの 問題があり、 ワイヤ消費量が少ない場合、 あるいは多品種少量使用 の場合は、 経済性はむしろフラックス入り ワイヤよ り劣るようにな る。
少ないワイヤ消費量で咼疲労強度の溶接金属が得られる成分調整 が経済的に実現可能なものと してフラックス入り ワイヤがある。 し かし、 通常のアーク溶接用のフラックス入り ヮィャは、 鋼製外皮の 内側に、 合金成分以外に 、 溶接作業性およびヮィャ加工性を良好に 維持するためにフラックス成分も充填する 。 そのため、 これを自動
車分野に適用 してアーク溶接継手を製造する場合にはスラグが発生 してしまい、 溶接後の塗装工程で問題が生じる。 この問題は、 溶接 後にスラグ除去工程を新たに設備投資すれば解決するが、 この場合 は、 設備投資のためのコス ト増加が避けられないため好ましくない フラックス入り ワイヤのスラグ量を低減する技術は、 これまで種 々提案されている。 例えば、 特開 2 0 0 0 — 1 9 7 9 9 1号公報に は、 不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスを使用して溶接するワイヤ について、 前記ワイヤ全重量あたり、 質量%で、 C : 0. 0 8 %以 下、 S i : 0. 7〜 1. 5 %、 M n : l . 0〜 3. 0 %を含有し、 フラックスの充填率が 1 0〜 3 0 %に限定されたワイヤを用いた水 平すみ肉溶接をする場合のスラグ発生量を抑えること技術が提供さ れている。 しかし、 この発明は、 通常のフラックス入り ワイヤのス ラグ量より発生量は少ないが、 ソ リ ッ ドワイヤと比較しうるほどに スラグ量を抑えている技術ではない。
また、 特開 2 0 0 1 — 1 7 9 4 8 8号公報、 特開 2 0 0 1 — 2 8 7 0 8 7号公報、 特開 2 0 0 3 — 9 4 1 9 6号公報の技術は、 フラ ックス充填率を低く抑え、 鋼製外皮の割合を高くする技術である。 すなわち、 この方法は、 フラックス入り ワイヤをできるだけソ リ ツ ドワイヤに近づける技術である。 ソリ ッ ドワイヤのスラグ発生量が 少ないことを考えると、 この技術を用いることによりスラグ量を抑 えることは可能であろう。
しかし、 この方法はワイヤ中のフラックス量が少なくなるため、 フラックス成分の調整だけでワイヤ全体の成分を設計することが難 しくなるという、 ソ リ ッ ドワイヤと同様な問題が発生し、 せっかく のフラックス入り ワイヤが持つ経済性が檨牲になってしまう。
以上のように、 従来技術によると、 メタル系フラックス入り ワイ
ャを用いる場合で、 スラグ発生をソ リ ッ ドワイヤ並に抑えるために は、 充填率を犠牲にしなければならず、 逆に、 この場合には、 疲労 強度を向上させるための合金元素添加量を確保することが難しくな る。 すなわち、 従来技術では、 メタル系フラックス入り ワイヤを用 いたスラグ量の少ない高疲労強度溶接継手を作製するまでには至つ ていない。
このような従来技術の問題から 、 メタル系フラックスワイヤを用 いたスラグ発生量が少ない高疲労強度溶接継手の作製方法が望まれ ていた。 発明の開示
これら従来技術の問題点に鑑み、 本発明は、 スラグ発生量が従来 のフラックス入り ワイヤより格段に少ないフラックス入り ワイヤお よびそれを用いた溶接方法ならび高疲労強度溶接継手の作製方法を 提供することを目的とするものである。
本発明者らは、 以上の観点から、 フラックス成分とスラグ発生量 の関係に着目 し、 その関係およびスラグ低減方法を鋭意研究してき た。 そして、 フラックス成分をコン ト ロールすることにより、 従来 フラックス入り ワイヤと比べ格段にスラグ量を低減さることが可能 であることを見出したものである。 本発明は、 このような研究によ つてなされたものであり、 その要旨は以下のとおりである。
( 1 ) 鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシールドア一 ク溶接用メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体の質 量%で、
グラフアイ 卜以外かつ Si C以外の C : 0. 0 0 1〜 0. 2 0 %、 グラフアイ 卜 : 0. 1 0〜 0 · 7 %、
5 以外かっ 3 1 02 以外の 3 1 : 0. 0 5〜 : 1. 2 %、
M n : 0. 2〜 3. 0 %
を含有し、
P : 0. 0 3 %以下、
S : 0. 0 2 %以下
に制限し、 さ らに、
S i O 2 、 A 1 2 O 3 、 N a 2 Oおよび K2 Oの 1種または 2種以 上を合計で 0. 0 5〜 0. 4 0 %
含有し、 残部が鉄および不可避不純物からなり、 かつ前記グラファ イ ト、 および、 前記 S i O 2 、 A 1 2 O 3 、 N a 2 Oおよび K 2 O の 1種または 2種以上は少なく とも前記フラックスとして含有する ことを特徴とするメタル系フラックス入り ワイヤ。
( 2 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体 の質量%で、 さ らに、
SiC: 0. 0 5〜 0. 6 %
含有することを特徴とする ( 1 ) に記載のメタル系フラックス入り ワイヤ。
( 3 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 フラックス 充填率が 1 0〜 2 0 %であることを特徴とする ( 1 ) または ( 2 ) に記載のメタル系フラックス入り ワイヤ。
( 4 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体 の質量%で、 さ らに、
N 1 0. 5 〜 1 2. 0 %、
C r 0. 1 〜 3 . 0 %、
M o 0. 1 〜 3 . 0 %、
C u 0. 1 〜 0 • 5 %
の 1種または 2種以上を合計で 0. 2〜 1 2. 5 %含有することを 特徴とする ( 1 ) 〜 ( 3 ) の何れかに記載のメタル系フラックス入
り ワイヤ。
( 5 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体 の質量%で、 さ らに、
B : 0. 0 0 1〜 0. 0 3 %
を含有することを特徴とする ( 1 ) 〜 ( 4 ) のいずれかに記載のメ タル系フラックス入り ワイヤ。
( 6 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体 の質量%で、 さ らに、 N b、 V、 T i の 1種または 2種以上を合計 で 0. 0 0 5〜 0. 3 %
含有することを特徴とする ( 1 ) 〜 ( 5 ) の何れかに記載のメタル 系フラックス入り ワイヤ。
( 7 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 酸化物系以 外のアーク安定剤を、 全体の質量%で、 さ らに、 0. 0 5〜 0. 5 %を前記フラックスと して含有することを特徴とする ( 1 ) 〜 ( 6 ) の何れかに記載のメタル系フラックス入り ワイヤ。
( 8 ) 鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシールドア一 ク溶接用メタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ワイヤ全体の質 量%で、
グラフアイ ト以外かつ S i C以外の C : 0. 0 1〜 0. 2 0 %、 S i C : 0. 6〜 1. 2 %、
3 1 (:以外かっ 3 1 02以外の 3 1 : 0. 0 5〜 : L . 2 %、
n : 0. 2〜 3. 0 %
を含有し、
P : 0. 0 3 %以下、
S : 0. 0 2 %以下
に制限し、 さ らに、
S i O 2 、 A 1 2 O 3 、 N a 2 〇および K2 Oの一種または二種以
上を合計で 0. 0 5〜 0. 4 %
含有し、 残部が鉄および不可避不純物からなり、 かつ前記 S i C、 および、 Hij Icl S i O 2 , A 1 2 o 3 、 a 2 〇および K 2 Οの 1種 または 2種以上は少なく ともフラ Vクスと して鋼製外皮内に含有す るメタル系フラックス入り 7ィャ o
( 9 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤ中に、 ワイヤ全体の質 量%で、 さ らに、
グラフアイ ト : 0. 0 5 〜 0 4 %
を少なく とも前記フラックスと して鋼製外皮内に含有することを特 徴とする ( 8 ) に記載のメ夕ル系フラックス入り ワイヤ。
( 1 0 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤ中に、 ワイヤ全体の 質量%で、 さ らに、
N i 0. 5 〜 5. 0 %
C r 0. 1 〜 2. 0 %
M o 0. 1 〜 2. 0 %
C u 0. 1 〜 0. 5 %
の 1種または 2種以上を合計で 0. 5〜 6. 0 %含有する ( 8 ) ま たは ( 9 ) に記載のメタル系フラックス入り ワイヤ。
(1 1 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤ中に、 ワイヤ全体の 質量%で、 さらに、
B : 0. 0 0 1〜 0. 0 1 5 %
を含有することを特徴とする ( 8 ) 〜 ( 1 0 ) の何れかに記載のメ タル系フラックス入り ワイヤ。
( 1 2 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤ中に、 ワイヤ全体の 質量%で、 さ らに、
N b、 Vおよび T i の 1種または 2種以上を合計で 0. 0 0 5〜 0 . 3 %
含有することを特徴とする ( 8 ) 〜 ( 1 1 ) の何れかに記載のメタ ル系フラックス入り ワイヤ。
( 1 3 ) 前記メタル系フラックス入り ワイヤ中に、 酸化物系以外 のアーク安定剤を、 ワイヤ全体の質量%で、 さ らに、 0. 0 5〜 0
. 5 %を少なく とも前記フラックスと して鋼製外皮内に含有するこ とを特徴とする ( 8 ) 〜 ( 1 2 ) の何れかに記載のメタル系フラッ クス入り ワイヤ。
( 1 4 ) ( 1 ) 〜 ( 1 3 ) の何れかに記載のメタル系フラックス 入り ワイヤを用いて鋼板を溶接することを特徴とするガスシールド アーク溶接方法。
( 1 5 ) シールドガスとして、 C〇 2 を 3〜 2 5 %含有し、 残部 が A rガスおよび不可避不純物からなるシールドガスを用いること を特徴とする ( 1 4 ) に記載のガスシールドアーク溶接方法。
( 1 6 ) 前記シールドガス中に、 さ らに、 O 2 ガスを 4 %以下含 有するシールドガスを用いることを特徴とする (1 4 )または ( 1 5 ) に記載のガスシールドアーク溶接方法。
( 1 7 ) 前記鋼板の板厚が 1 . 0〜 5. O mmであり、 かつ引張 強度が 4 4 0〜 9 8 0 M P aであることを特徴とする ( 1 4 ) 〜 ( 1 7 ) の何れかに記載のガスシール ドアーク溶接方法。
( 1 8 ) ( 1 4 ) 〜 ( 1 7 ) の何れかに記載のガスシールドア一 ク溶接方法を用いて、 鋼板を溶接することを特徴とするスラグ量が 少ない高疲労強度溶接継手の作製方法。 図面の簡単な説明
図 1 は、 メタル系フラックス入り ワイヤ中のグラフ アイ ト量と、 酸化物量およびそのワイヤを用いて溶接したときに生じるスラグ量 との関係を示す概念図である。
図 2 は、 メタル系フラックス入り ワイヤ中のグラフアイ 卜量と、 そのワイヤを用いて溶着試験を行ったときの溶接金属中の C量との 関係を示した図である。
図 3 は、 メタル系フラックス入り ワイヤにおけるワイヤ中の S 1 C添加量と、 このワイヤを用いて溶着試験を行ったときの溶接金属 中の C含有量及び S i 含有量との関係を示す図である。
図 4は、 メタル系フラックス入り ワイヤ中の S i C量と、 酸化物 量およびそのワイヤを用いて溶接したときに生じるスラグ量との関 係を示す概念図である。
図 5 ( a ) は、 溶接継手の疲労試験片の形状を示す平面図である 図 5 ( b ) は、 溶接継手の疲労試験片の形状及び疲労荷重負荷方 向を示す立面図である。
図 6 は、 溶接継手との作成とシャルピ一試験片の採取方法を説明 する図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明を詳細に説明する。
自動車分野におけるアーク溶接継手は、 溶接終了後に塗装工程に 入るが、 その際に問題となるのは、 溶接ビー ド表面に存在するスラ グである。 塗装膜と継手表面の密着性を確保するためには、 スラグ を極力減らすことが望ましい。 そのため、 従来技術ではソ リ ッ ドヮ ィャが用いられてきた。
一般に、 ソリ ッ ドワイヤは、 フラックス入り ワイヤよりスラグ生 成量が極めて少なく、 そのため、 ソ リ ッ ドワイヤを使用 している限 りにおいては、 特にスラグ除去工程を考えずに塗装工程に進むこと が可能である。 しかし、 高疲労強度溶接材料のような、 適用継手が
限定されるためにワイャ消費量が少ない 合は、 ソ リ ヅ ドワイャは 経済的観点からフラックス入り ワイャょ Ό劣るという問題が生じる
。 これら問題を同時に解決するには 、 スラグ発生量をソ •J ッ ドフィ ャ並に低減したフラックス入り ワイャで溶接継手を作製する必要が ある。
フラックス入り ワイャには、 通常のタイプと金属粉を多く含有さ せたメタル系フラックス入り ヮィャの 2種類がある 通常のフラッ クス入り ワイヤは、 ビ一 形状を良好にし かつ全姿勢溶接でさる ようにフラックス中のスラグ成分を所定の量を確保するようにして いる。 それに対し、 メ夕ル系フラックス入 ワイャは、 金属粉が多 ぃ分スラグ成分が少な <全姿勢溶接が難し <なるものの 、 スラグ生 成を抑えることが可能となる
しかしながら、 いずれのタイプのフラックス入 Ό ワイヤでも 従 来技術の範囲では、 スラグ生成量は、 ソ U ヮィャに比べるとは るかに多い。 ソ リ ツ ドワイヤは 、 ワイャ中にフラックスを充填して いないため、 溶接姿勢は限定される。 しかし 塗 性を考えると 従来技術の範囲ではソ リ ッ ドワイヤの選択は避けられず、 溶接姿勢 の問題は、 被溶接鋼板の位置を することで解決されてきた。
フラックス入り ワイヤで溶接したとき、 溶接ビー ド上に生じるス ラグを分析すると、 ほとんどが S i O 2 M n 0 A 1 O
F e O のような酸化物である とがわかる 。 そして、 この傾向 は、 フラックス中に N i C r M o等の合金元素を添加した場口 でも変わらない
そのため、 フラックス入り ヮィャのスラグ発生畏をソ リ ッ ドヮィ ャ並まで低減するためには、 溶接中に酸化物の発生をできるだけ抑 える必要がある。 そのためには、 ワイヤ中に存在する酸化物を低減 する必要がある。 本発明が扱う ワイヤが、 フラックス入り ワイヤの
中でも特にメタル成分が多いフラックスを充填するメタル系フラッ クス入り ワイヤに限定されているのは、 このような理由による。 従来のメタル系フラックス入り ワイヤにおいて、 ソリ ツ ドワイヤ 並にスラグ生成量を抑えることができなかったのは、 スラグ生成量 の原因となるワイヤ成分が充分理解されていなかったことによる。 従来技術におけるスラグ生成量を抑える技術は、 充填率を 1 0, %よ りかなり低くおさえる技術 (例えば、 特開 2 0 0 1 — 1 7 9 4 8 8 号公報、 特開 2 0 0 1 — 2 8 7 0 8 7号公報、 特開 2 0 0 3 — 9 4 1 9 6号公報) があり、 それなりの効果を期待できるが、 この方法 では、 ワイヤ成分の調整量が限定されてしまい、 かつソリ ッ ドワイ ャほどの低減までには至っていない。 充填率が 1 0 %以上の特開 2 0 0 0 — 1 9 7 9 9 1号公報に開示されている技術では、 フラック ス中に含まれるスラグ成分である酸化物の量と溶接後生成されるス ラグ量の関係把握が不十分であるため、 ソ リ ッ ドワイヤよりはるか に多いスラグが発生する。
ソ リ ッ ドワイヤ並にスラグ生成量を低減する問題に対して、 本発 明では、 以下の方法で解決している。
すなわち、 第 1 の方法は、 ワイヤ中に存在するフラックスが含有 する S i 〇 2 、 K 2 0、 N a 2 〇、 A l 2 〇 3 などの酸化物を、 ソ リ ッ ドワイヤ並みの低スラグになるまで極力低減する方法であり、 第 2の方法は、 フラックス中の酸化物を低減することにより生じる ワイヤ線引き抵抗の増加を、 グラフアイ トまたは S i C、 必要に応 じて両者を用いて解決する方法であり、 さ らには、 第 3の方法は、 グラフアイ トまたは S i C中の Cと酸素を反応させて C Oまたは C 〇 2 を形成することによりスラグ生成源である酸素そのものを溶接 部の外へ逃がすという方法である。
まず、 第 1 の方法について説明する。
本発明者らは、 まず、 溶接ビー ド表面に形成されるスラグの成分 分析を実施した。 そして、 そのほとんどが、 酸化物で形成されてい ることを見出した。 そこで、 鋼製外皮内側のフラックス中に存在す る酸化物を低減すればスラグ生成を抑える とができると考 7 、 実 際そのような成分設計をしたワイヤでは、 スラグ生成が少ないこと を見出したものである。 これまで、 このようなワイヤ成分設計がな されていなかった理由と しては、 フラックス中の酸化物と溶接後の スラグ生成量との関係が明確ではなかつた とによる。 本発明者ら は、 この点を明確にし、 スラグ発生量が少ないメタル系フラックス 入り ワイヤの発明に到った。
次に、' 第 2 の方法について説明する。
上記第 1 の方法を見出したものの、 単にワイヤ中の酸化物を低減 するだけでは、 ワイヤ線引き抵抗の問題が発生する。 すなわち、 ヮ ィャ製造中 、 特に線引き中に断線を起こすとレ う問題が発生する。 これは、 フラックス中に添加していた酸化物は、 フラックスの流動 性を高め ワイヤ線引きに対する抵抗を低く抑える働きがあつたた めである すなわち、 酸化物は潤滑材と しての働きをしていた 。 そ こで、 本発明者らは、 酸化物を低減する代わり に 、 酸化物同様に潤 滑材の働さがあるグラフアイ ト、 または S i C またはその両者を フラックス中に添加してこれを補う ことと した。 すなわち、 グラフ アイ 卜や S i Cは、 フラックス中の酸化物と同じく フラックスの流 動性を増加させワイヤ伸線抵抗を低くする働きがあるため、 これを 利用する とと した。
次に、 3 の方法について説明する。
第 1 の方法で述べたように、 溶接ビ一 ドに形成されるスラグは、 ほとんどが酸化物である。 そのため、 できるだけ酸素を低減するこ とが望ましい。 第 1 の方法は、 フラックス中の酸化物そのものを低
減する方法であるが、 この方法に加え、 第 3の方法として、 本発明 では、 ワイヤ中の Cと酸素を化学反応させ C Oまたは C〇 2 という 形で溶接部の外へ逃がす方法を採用 している。 C〇または C〇 2 は 気体であるため、 それが形成されても溶接部の外へ逃げていくため スラグとならず、 酸 を低減する働きによ りスラグ低減効果が期待 でさる。
以上が 本発明におけるスラグ低減方法である
次に、 本発明における、 ワイャの基本成分であるグラファィ 卜と
S i Cについて述ベる
グラファィ 卜と S i Cは 、 本発明においては、 ともにヮィャ線引 き中の抵抗を抑える潤滑材の働き、 酸素と反応し酸素を C 0または c O 2 として溶接部の外へ逃がす働き、 溶接金属中の C成分量を確 保する働き、 という効果を利用する成分で、 その技術背景は同じ物 である。 しかし、 それぞれ特徴があるため、 当業者は、 その特徴を 考慮して、 グラファィ トを添加した溶接ワイャを用いるのか、 S ί
Cを添加した溶接ヮィャを用いるのか 、 あるいはその両方を添加し た溶接ワイヤを用いるのか判断することがでさ 。
グラフアイ 卜は Cのみの成分であり Cを ン 卜 Πールするには 都合がよい成分である。 一方、 S i Cは、 C以外の S i も添加する 形になるため、 成分設定の観点からのみするとグラフアイ 卜のほう が利用 しやすい。 しかし、 グラフアイ トは粒子が小さ く、 フラック ス調整中に飛散する問題が生じる。 飛散しないような製造設備は、 現在の技術をもってすれば特に不可能ではないが、 投資コス 卜が増 加するとい Ό問題が存在する。 一方、 S i Cは 、 グラファィ 卜に比 ベ S い Ό余分な元素をも添加してしまう と、 潤滑材と しての 働きがグラフアイ トよりは弱く、 添加量がグラファィ 卜より多くな る傾向にあること、 などの問題点が存在する 当業者は、 これら特
徴を考慮してワイヤ成分を選択すればよい。
グラフアイ トおよび S i Cの添加は、 溶接金属の Cを増加する働 きがあり、 これは、 継手特性を劣化させる働きがある。 しかし、 本 発明者らは、 ワイヤに対する添加量から推定される溶接金属中の C 量より も、 実際の溶接金属における C量のほうが少なくなることを 見出した。 この理由は、 Cが酸素と反応し、 C Oまたは C〇 2 と し て逃げていく ことが考えられる。
そこで、 まず、 グラフアイ トの働きをより詳しく説明する。
図 1および 2 は、 グラフアイ 卜のこのような働きを示した概念図 である。 図 1 は、 横軸にワイヤ中のグラフアイ ト量をプロッ ト し、 縦軸にワイヤ中の酸化物量および溶接後に生じたスラグ量をプロッ ト した図である。
図 1 では、 グラフアイ ト量と酸化物量の関係は破線で、 グラファ ィ 卜量とスラグ量の関係は実線で示している。 破線の上側の領域は 、 ワイヤの製造効率が落ちない領域で、 図 1 の破線からわかるよう に、 グラフアイ トを増加させるとワイヤ製造効率を落とさずに酸化 物を低減することができる。 酸化物低減は、 スラグ発生を抑える点 からは好ましいことで、 グラフアイ 卜添加の効用がわかる。
図 1 の実線は、 グラフアイ ト量と溶接後生じたスラグ量の関係で ある。 図 1 の実線が示すところは次のようなものである。 すなわち 、 あるグラフアイ ト量を添加すると (図 1 の A ) 、 破線からワイヤ 製造効率を落とさない最小の酸化物量 (図 1 の B ) が決定される。 そして、 このグラフアイ 卜量と酸化物量を含有するワイヤで溶接し たときのスラグ発生量 (図 1 の C ) が実線で示される。 したがって 、 グラフアイ 卜を図 1 の Aで示される分だけ添加しても、 酸化物量 を低減しなければ (例えば図 1 の Dで示されるグラフアイ ト量と酸 化物量) 、 実線で示されるスラグ量にはならず、 それ以上のスラグ
量が発生する。 グラフアイ ト添加の効用は、 それによりスラグ生成 の原因となる酸化物量を (図 1 の実線が示す量まで) ワイヤ製造効 率を落とさずに低減できる点にある。
しかし、 図 1 は、 グラフアイ ト添加にはそれ以上の効果があるこ とを示している。 グラフアイ ト添加量が少ない領域では、 図 1 で実 線と破線はほぼ一致しているが、 グラフアイ ト添加が多くなると実 線のほうが下に位置するようになる。 すなわち、 酸化物低減以上の 効果があることを意味する。 この現象が生じるのは、 グラフアイ ト である Cは酸素と結合し、 C Oまたは c o 2 になり、 酸素そのもの を低減するため、 結果的にスラグである酸化物の生成が抑えられる ためである。
以上のように、 グラフアイ トにはいくつかの利点があるが 、 これ まで用いられてこなかった理由は 、 溶接継手の機械的特性から見た デメ リ ッ トが大きすぎるという認 §哉にある o そのため、 これまでの グラファィ 卜添加は、 きわめて少ない骨の場 のみ試されてきた。 本発明者らは、 この従来の常識を疑った。 すなわち、 グラフアイ ト が添刀口され溶接ワイャと しての C量が増大してち 、 実際に溶接した 後の溶接金属成分と しては 、 Cが C〇または C 〇 2 と して溶接ビー ド外に放出される可能性を考えれば、 それほど高 Cにはならないの ではないかと考えたのである。
そこで、 本発明者らは、 添加グラフアイ ト量と溶着金属試験での
C成分の関係を調べた 。 図 2 はその結果を示す図である。 図 2では
、 横軸にフラックスへ添加されたグラフアイ 卜量 (ヮィャ全体に対 する質量%) をプロッ 卜 し 、 縦軸に溶着金属試験における C量 (質 量%) をプロッ 卜 している 。 なお、 図 2 は、 溶接ワイャとして 、 鋼 製外皮中の C含有量がワイヤ全質量に対して 0 . 0 5 %であるメタ ル系フラックス入り ワイヤを用いた場合である。 また、 横軸にプロ
ッ 卜されているグラファィ ト.量は、 すべてフラックスに含有されて いるグラフアイ 卜量を示している。 図 2からわかるように、 たとえ ダラフアイ 卜を 0 . 4 %添加したと しても 、 溶着金属成分と しては
0 . 2 /0未満になつている。 この程度の C量では、 継手の機械的特 性におけるデメ U ッ 卜は特にない。 一方 、 グラファイ ト添加量が 0
. 7 %を上回ると 、 溶着金属成分と しての C量は 0 . 4 0 %以上、 A
口によっては 0 . 5 %を超えるようにな Ό 、 機械的特性への影響 が懸念される。 そのため、 本発明では、 メ夕ル系フラックス入り ヮ ィャにおいて、 少なく とちフラックスと して含有するグラフアイ 卜 添加量の上限を 0 . 7 %とする必要がある この理由は、 グラファ イ ト添加量を 0 . 7 %未満とすることでワイヤ製造効率を良好に維 持しつつワイヤ中の酸化物を低減し、 その結果、 溶接時のスラグ発 生量を十分低減させるとともに、 溶接金属中の C含有量が急激に増 加することを抑制するためである。
なお、 図 2 において、 グラフアイ ト添加量が 0でも溶着金属の C 量が 0 にならないのは、 鋼製外皮に Cが含まれているためである。 次に、 S i Cの作用について、 よ り詳しく説明する。
S i C添加についても、 溶接金属中の Cを増加させ継手特性を劣 化させる問題が生じる可能性がある 。 そこで、 本発明者らは、 フラ ックス中への S i C添加量と溶接金属中の C量と S i 量との関係を 調べた。 その結果を図 3 に示す。 図 3 は、 横軸に S ί C添加量 (ヮ ィャ全重量に対する添加量を%で表したもの) を 、 縦軸に溶接金属 中の C量と S i 量をプロッ 卜 したものである。 S i C添加量が 0で も溶接金属中の Cおよび S i 力 S 0 にならないのは 、 鋼製外皮中に 0
. 0 5 %の Cと 0 . 2 %の S i が含まれることに る 。 図 3から、 ワイヤ中の Cから計算される溶接金属中の Cより 実際の溶接金属 中に存在する Cは少ないことがわかる。 これは 、 ヮィャ中に S i C
を添加しても、 ダラフアイ トと同様に、 必ずしも S i Cにおける C が全て溶接金属に導入されるわけではないことを意味する。 すなわ ち、 Cが酸素と結合し C〇または c o 2 として溶接部の外へ逃げて いく ことによるものと考えられる。 そのため、 本発明では、 フラッ クス中の酸化物を低減する代わり に S i Cを添加する方法も採用 し
、 スラグ低減を達成している。 なお図 3では、 溶接金属中の S i 量 も示している フィャに S i Cを添加すると Cのみならず S i も溶 接金属に導入されるが 、 導入される量は Cより S i のほうが多い。 本発明における成分系で、 特に S i Cを主体とする成分系では、 後 述するよう に S i Cの上限を 1 . 2 %と制限しているが、 その理由 は、 溶接金属の S i が過剰になることを回避するためである。
本発明における第 2のスラグ低減方法は、 S i Cにおける Cが酸 素と ム
ホロ ロ Ϊレ C Oまたは C O 2 として外へ逃げる効果を利用する。 こ の現象は、 溶接金属中の Cが著しく増加することを防ぐだけでなく
、 酸素成分の低減効果もあるため、 結果と してスラグ生成をも抑え るしとができるという ものである。 すなわち 、 S i C添加は、 それ により ワイャ中酸化物の添加量を低減できる効果と、 酸素をガス成 分として外に逃がすという 2つの効果でスラグ低減効果を発揮させ る方法である。
図 4は、 横軸に S i C添加量を、 縦軸にスラグ生成量とワイヤ内 フラックス中の酸化物量をプロッ 卜 した図である 。 図 4では、 S i
C量と酸化物量の関係は破線で、 S i C量とスラグ量の関係は実線 で示している。 フラックス中の酸化物と溶接後のスラグ生成量はよ い相関があり、 そのため、 スケールは違う ちのの同じ縦軸にプロッ 卜することができる。 破線の上側の領域は 、 ヮィャ製造効率が落ち ない領域で、 図 4の破線からわかるように 、 S i Cを増加させると ワイヤ製造効率を落とさずに酸化物を低減することができる。
物量を低減できればスラグ量を低減することができ、 S i C添加の 有効性が理解できる。
例えば、 ある S i C量を添加すると (図 4の A ) 、 破線からワイ ャ製造効率を落とさない最小の酸化物量 (図 4の B ) が決定される 。 そして、 この S i C量と酸化物量を含有するワイヤで溶接したと きのスラグ発生量 (図 4の C ) が実線で示される。 したがって、 S i Cを図 1 の Aで示される分だけ添加しても、 酸化物量を低減しな ければ (例えば図 3の Dで示される S i C量と酸化物量) 、 実線で 示されるスラグ量にはならず、 それ以上のスラグ量が発生する。 S i C添加の効用は、 それによりスラグ生成の原因となる酸化物量を (図 4の実線が示す量まで) ワイヤ製造効率を落とさずに低減でき 点にある 。 酸化物低減は、 スラグ発生を抑える点からは好ましい ことで、 S i C添加の効用がわかる
しかし 図 4は、 図 1 と同様に S i C添加にはそれ以上の効用 があることを示している。 S i C添加量が少ない領域では、 図 4で 実線と破線はほぼ一致しているが S i C添加が多くなると実線の ほうが下に位置するようになる。 すなわち、 酸化物低減以上の効果 があること 味する この現象が生じるのは、 S i Cにおける C が酸素と結合し C〇または C O 2 になり、 酸素そのものを低減す るため、 結果的にスラグである酸化物の生成が抑えられるためであ 以上、 本発明ではグラフアイ 卜および S i Cを用いた 3つの方法 により、 溶接後のスラグ生成量をソ リ ッ ド'ヮィャ並に少なくなるメ タル系フラックス入り ワイヤを実現する とを可能とした。
次に、 本発明における数値限定理由について述べる。
まず、 メタル系フラックス入り ワイヤにおける各成分元素につい ての数値限定理由について述べる
本発明では、 2種類の成分系のワイヤを提示している。 すなわち 、 グラフアイ 卜を必須成分とする成分系と、 S i Cを必須成分とす る成分系の 2種類である。 本発明では、 これらの成分系をそれぞれ
、 グラファィ 卜成分系ワイャ、 S 1 C成分系ワイヤと呼ぶことにす ス
。
初に グラファイ 卜成分系ワイャについてその限定理由 ベ ス
グラファィ ト以外かつ S i C以外の Cについては、 ワイヤ全体に 対する C量を質量%と して、 0 . 0 0 1 %をその下限と した れ に達しない C量では、 鋼製外皮の強度を確保することが難しくな
、 ヮィャ製造時の断線の問題を引さ起 ( _すため、 下限値をこの値と した また グラフアイ 卜以外かつ S i C以外の Cの上限を 0 . 2
0 %としたのは、 これを上回る C量では 、 本発明のメタル系フラ クス入 Ό ィャでは、 フラックスにグラフアイ トを別途添加するた め、 溶接金属の C量が過大になるためその上限を 0 . 2 0 %とした なあ、 グラフアイ 卜以外かつ S i C以外の Cとしては 、 フフック スに添加した鉄粉が含有している Cもあり う る この場合は フィ ャ伸線中の硬化を考慮して、 鋼製外皮の Cを 0 1 5 %以下に設定 し、 残り を鉄粉中の Cで補う ことが望ましい。
本発明においてグラフアイ トを添加する理由は 、 フラックスの潤 滑材の役目をさせる (―と、 酸素と反応させ C Oまたは C 〇 2 を形成 させることにより酸 を外に逃がすこと、 がある れらの理由は
、 スラグ量を低減させることを狙ったものであるが、 さ らには 、 高 疲労強度溶接材料としての役割を持たせるため 溶接金厲の Cを 正に保ち 、 変態開始温度を低く抑える役目もある
本発明の目的の一 に塗装性の確保があるが それは 、 本発明の
利用分野と して自動車分野が挙げられることにある この分野で用 いられる鋼板の c は比較的低い場合が多く 0 . 0 5 %以下、 場 合によっては 0 . 0 1 %以下となる場合がある の場合、 母材希 釈も考慮した時の溶接金属中の c量を適正に保つことは難しくなる
。 この C量は、 鋼製外皮からも導入させることがでさるが、 グラフ アイ 卜としてワイャ中に含有させることによりスラグ低減と潤滑材 の働き両方を持たすことができるので、 本発明では鋼製外皮の C量 の上限は低く抑えている。 その分、 グラファィ 卜は最低限添加する 必要がある。 本発明のグラフアイ 卜の下限は 溶接金属中の C量を 最低限確保すること 、 かつスラグ低減と潤滑材の効果を確保するこ と、 とレ つ 2つの理由から 0 . 1 0 %と した。
上限の 0 7 %は、 これを上回るグラフアイ ト量では、 溶接金属 中の C量が増加し、 溶接金属が硬くなりすぎるなど継手特性上問題 が生じるため の値を設定した。 なお グラフアイ 卜の潤滑材と し. ての働きを確実にするためには、 好ましく はグラファイ 卜の下限を
0 . 1 5 と設定することが望ましい
ワイヤ中の S i は、 酸化物である S i O 2 および S i Cのもの とそうでないものとに分けられ、 S i O 」 <J .び S i Cは主として フラックスに含有される。 鋼製外皮に含有される S i は、 鋼中に固 溶している S i がほとんどであり、 本発明では 、 鋼中の S i O 2 は 不可避不純物である 。 フラックスに含まれる S i O 2 などの酸化物 は、 雲母以外にも 7ィャに充填すべきフラックスを造粒するときに 用いられるバイ ンダ にも含有されており、 メ夕ル系といえどもフ ラックス入り ワイャを前提とする限り、 バイ ンダ を無添加にする ことはできない。 そのため、 後述するように 本発明では酸化物の 里を規定している 。 但し、 S i 0 2 以外の S i は 、 酸素成分を含 んでいないため、 スラグ生成という観点からはあまり規制する必要
しかし、 最低限の脱酸をする必要があるため、 下限を 0 . した。 一方、 過度の S i 添加は、 溶接金属を硬化させ継手 特性上の観点から好ましくないので上限を 1 . 2 %と した
M n は、 強度確保に必要な元素である。 M nの下限 0 . 2 %は、 これを下回る場合は溶接金属強度の確保が難しくなるので の値を 疋した。 一方 、 その添加量が過度に多くなると、 溶接金属の靱性 劣化を引き起こすためその上限を 3 . 0 %と した。
Pおよび Sは 、 不可避的不純物元素であり 、 本発明では れら 元素が溶接金属に多く存在するとその靱性が劣化するため Pおよ び Sの含有量の上限をそれぞれ 0 . 0 3 % 0 . 0 2 %と した
S i O 2 A 1 2 〇 3 N a 2 O K 2 Oはスラグ材と呼ばれて いるものである 。 これらを添加する理由は、 メタル系フラックス入 り ヮィャ製造 iに、 フラックス成分を造粒する際のバイ ンダーの役 目を果たすこと 、 鋼製鉄皮内に充填してから所定のワイヤ径になる まで線引きする工程において、 フラックスの抵抗を少なくする潤滑 材の働さをすること、 などである。 フラックスの造粒工程は、 ワイ ャ中のフラックス含有量が均一になる とから、 良質のメタル系フ ラックス入り ヮィャ製造には欠かせない工程である。 一方、 潤滑材 の働さは 、 本発明ではグラフアイ 卜にその働きを持たせているので れらの酸化物を添加する理由は主としてフラックスの造粒のた めである。 但し、 これらは全て酸化物であり、 スラグ生成量を少な くするという観点からは、 無添加のほうが好ましい。 しかし、 これ ら成分がないとフラックス造粒ができないため、 最低限の量は添加 しなければならない。 下限の 0 . 0 5 %は、 これを下回ると上記効 果が得られなくなり、 ワイヤ品質と製造効率上問題が発生するため にこの値を設定した。 上限の 0 . 4 0 %は、 これを上回る添加量で ある場合は、 溶接後のスラグ発生量が多くなり、 塗装性の問題が生
じてく るためこの値を設定した。
本発明におけるグラフアイ 卜成分系ワイヤでは、 必要に応じて S i Cを添加することができる。 この場合、 溶接金属の C確保や、 ヮ ィャ線引き中の抵抗低減については、 グラフアイ 卜を添加している ため、 後述する S i C成分系ほど添加する必要はない。 S i C添加 量の下限、 0 . 0 5 %は、 添加することによ り疲労強度向上および スラグ低減効果が現れる最低限の値として設定した。 一方、 上限の 0 . 6 %は、 これを上回る添加量では、 既にグラフアイ トを充分添 加しているため、 溶接金属中の C量が過度に高くなりすぎ、 継手靭 性の劣化を招くためこの値を設定した。
本発明において、 N i 、 C r 、 M o 、 C uは、 主と して溶接継手 の引張り強度または疲労強度を向上させることを目的と して添加す る元素である。 これらは、 溶接材料の使用目的によってその添加量 を選択すればよい。 これら元素は、 添加することによって、 強度増 加をもたら し、 かつ、 溶接金属の変態開始温度を低くすることによ る疲労強度増加ももたらされる。 しかし、 これら元素に働きは同じ であるものの、 1 %あたりの効果は必ずしも同じではないため、 各 元素に対して範囲を定めた。
N i は、 変態開始温度を低く し、 強度ゃ靭性などの継手特性を向 上させる元素である。 N i の下限 0 . 5 %は、 添加することにより 強度ゃ靱性の向上が得られる最低限の値と して定めた。 上限の 1 2 . 0 %は、 これを上回る添加量では、 溶接金属が変態せずオーステ ナイ 卜のままで冷却が終了する可能性があり、 疲労強度向上が期待 できなくなるため上限をこの値と した。
C rおよび M oは、 本発明では、 溶接金属の強度および焼入性を 上げるために.添加する元素である。 溶接継手の疲労強度を向上させ るためには、 マルテンサイ トなどの変態温度が低い組織にする必要
があるが、 そのためには、 焼入性確保が欠かせない。 C r と M oは 、 添加することにより、 強度向上および焼入性確保がしゃすくなる 元素である。 そのため、 これら元素の下限 0. 1 %は、 強度向上と 焼入性確保の効果が得られる最低限の値と して設定した。 一方、 C r と M oは、 N i 同様それを添加することにより変態開始温度を低 くすることができるが、 N i と異なり、 溶接金属の靭性向上の点で は、 N i 添加ほど好ましくはない。 そのため、 これら元素の上限は 、 N i より低く設定する必要がある。 これら元素の上限 3. 0 %は 、 これを上回る添加では、 継手の特性上問題が生じるためこの値を ax レた。
C uも、 C r と M o同様に、 変態開始温度の低減、 強度向上およ び焼入性確保の効果がある元素である。 しかし、 添加しすぎると溶 接金属に C u割れを発生させる危険がるため、 C rや M oより上限 値は低く設定する必要がある。 上限の 0. 5 %は、 C u割れの危険 を無くすために設定した。 一方、 C uは、 主にワイヤにめっきをし て通電性を確保するために用いることも可能である。 C uの下限 0 . 1 %は、 強度向上と焼入性向上の効果および通電性確保の点で必 要最低限の値と して設定した。
本発明では、 これら 4つの元素、 N i 、 C r、 M o、 C uの合計 値に対しても制限を設けた。 これら元素は、 変態開始温度の低減、 強度向上と焼入性確保の効果があり、 働きと しては同等である。 し かし、 これら元素を添加しすぎると、 溶接金属組織がオーステナイ ト組織となり、 すなわち溶接後の冷却過程で変態しなくなるため、 疲労強度向上の効果がなくなる。 また、 添加量が少ない場合は、 引 張り強度向上の効果も期待できなくなる。 そのため、 これら元素の 合計も制限する必要がある。 下限の 0. 2 %は、 これを下回る添加 量では強度増加の効果が期待できなくなるためこの値を設定した。
上限の 1 2 . 5 %は、 これを上回る添加量では、 溶接金属がオース テナイ トを主体と した組織になり、 溶接中の冷却過程における変態 膨張が不十分となり疲労強度向上が期待できなくなるためこの値を 設定した。 なお、 これら元素を添加する目的が引張り強度の向上の みの場合は、 添加量の上限を 4 . 0 %と設定し、 後述する N bや V の添加を併用するほうが経済的に好ましい。 また、 溶接継手の疲労 強度向上を目的とする場合は、 これら 4つの元素、 N i 、 C r 、 M o 、 C uの合計添加量の下限を 2 . 0 %と設定することが望ましい 。 これは、 添加量がこれを下回る場合は、 溶接金属の変態開始温度 が低くならず、 疲労強度を向上させることが難しくなるためである 。 より確実に疲労強度を向上させるためには、 この下限値を 3 . 0 %と設定することが望ましい。
Bは焼入性元素である。 B添加は、 鋼板の焼入性を確保するため には重量%で 0 . 0 0 1 %程度添加すれば充分であるが、 溶接金属 の場合は酸素が鋼板より高く、 Bは酸素と結合しその効果を奪われ てしまうため、 鋼板の場合より多く添加する必要がある。 焼入性を 確保する理由は、 溶接金属のミクロ組織をより高強度の組織にする こと、 高温で変態開始する組織の出現を抑えより低い温度で変態す るミク ロ組織にすること、 などがある。 これらの効果は、 引張り強 度確保、 疲労強度確保、 両面からも好ましいので、 本発明では積極 的に利用すべきであると考えた。 Bの添加量の下限は溶接金属の焼 入性を向上できる最低限の値と して 0 . 0 0 1 %と設定した。 B添 加量の上限は、 これを上回る量を添加しても B添加で得られる効果 が増加しないことから 0 . 0 3 %と定めた。
N b 、 V 、 T i は、 いずれも炭化物を形成し強度を増加させる働 きをもつ元素で、 比較的少ない添加量で強度増加が期待できる。 す なわち、 本発明においては、 これら 3元素とも同等の効果を期待し
ている元素である。 そのため、 本発明では、 これら元素の合計を限 定する。 下限の 0 . 0 0 5 %は、 これを下回る添加量では強度増加 をあま り期待できないためにこの値を設定した。 一方、 0 . 3 %を 上回る添加量では、 溶接金属の強度が過大になり、 継手特性上問題 が生じるため、 上限を 0 . 3 %と した。 なお、 T i に関しては、 強 度増加以外にも溶接アークを安定させる働きがあるため、 好まし < は T i 含有量の下限を 0 . 0 0 3 %と設定することが望ましい。
ァーク安定剤は、 それを添加することにより、 溶接ァ一クが安定 になる元素であり、 本発明の ( 1 ) に記載されている N a 2 Oや K
2 Oなどもアークを安定させる働きがあるため、 れらもァーク安 定剤と呼んでさ しつかえない。 そのため、 本発明においては 、 ァ ク安定剤をこれ以上添加する必要は必ずしもなく また、 れらァ
—ク安定剤を添加すると、 本発明の第 1 の目的である 、 スラ H暈の 低減が達成できなくなる危険性すらある。 しかし N a A 1 F の化合物であればアークを安定させる働きがあり、 N a 2 〇や K 2 Οなどと異なり、 氷晶石 ( N a 3 A 1 F 6 ) などのような酸化物系 以外のものも存在する。 酸化物以外であれば、 溶接ワイヤに添加し ても酸素供給源にならないため、 酸化物で形成されるスラグを生成 することにはならず、 これらアーク安定剤を添加して、 よりアーク を安定させたいという要望に応えることが可能となる。 そのため、 本発明における酸化物系以外のアーク安定剤の適用可能範囲を設け ることは、 意義のあることである。 酸化物系以外のアーク安定剤の 下限 0 . 0 5 %は、 添加することによりアーク安定効果が得られる 最低限の値として設定した。 一方、 上限の 0 . 5 %は、 既に酸化物 系のスラグ材をバイ ンダーとして添加しており、 これら元素もァー ク安定剤の働きがあるため、 これを上回る添加しても効果が変わら ないため上限を 0 . 5 %とした。
以上が、 本発明におけるメタル系フラックス入り ワイヤの、 ダラ フアイ 卜成分系ワイヤの成分限定理由である。
次に、 S i C成分系ワイヤの成分限定理由について述べる。
グラフアイ ト以外かつ S i C以外の Cは、 例えば鋼製外皮から添 加される Cである。 溶接金属中の Cは、 鋼製外皮、 グラフアイ ト、 S i Cいずれから導入されてもその働きは同じである。 しかし、 鋼 製外皮中の Cは、 ワイヤ製造中の線引き工程での断線防止に有効で あるため、 これだけでも適正範囲を規定する必要がある。 グラファ ィ 卜以外かつ S i C以外の Cに対しては、 その下限を 0. 0 1 %と 設定したが、 その理由は、 鋼製外皮中の C量がこれ未満では、 ワイ ャ断線の影響が大きく、 ワイヤそのもののコス トが大幅に増加して しまい、 経済的な溶接継手の作製ができなくなるからである。 一方 、 鋼製外皮に Cを過度に添加すると、 今度は線引き中に硬化してし まうため、 その上限を 0. 2 0 %と設定した。 なお、 グラフアイ 卜 以外かつ S i C以外の Cと しては、 フラックスに添加した鉄粉が含 有している Cもあり うる。 この場合は、 ワイヤ伸線中の硬化を考慮 して、 鋼製外皮の Cを 0. 1 5 %以下に設定し、 残り を鉄粉中の C で補う ことが望ましい。 なお、 グラフアイ ト以外かつ S i C以外の Cの下限が、 グラフアイ ト成分系より高く設定されている力 これ は、 S i Cの潤滑材の働きがグラフアイ トより低いためである。
S i C添加量については下限を 0. 6 %、 上限を 1 . 2 %と限定 している。 S i C成分系ワイヤでは、 溶接金属の変態開始温度の低 減を主に S i Cにおける Cで達成しょう としているため、 最低限の C量を確保するためにこれら値を設定した。 下限については、 疲労 強度向上が期待できる最低限の値と して設定した。 上限の 1. 2 % は、 ワイヤ中に S i Cを添加すると、 既に図 3に示したように、 C のみならず S ί も溶接金属に導入されるようになり、 これを上回る
添加量では S i C以外で にヮィャに添加されている S i とあわせ ると溶接部の衝撃特性が 保できなくなり かつ溶接金属の硬化の 問題や、 オーステナイ ト 織が多くなって変能しなくなり疲労強度 向上が期待できないなど 問題が生じるため の値を 疋し 。
! じ以外かっ ! 。 以外の S i であるが、 アーク溶接中の最 低限の脱酸効果を得るた に、 その下限を 0 . 0 5 %とした o なお S i 量は、 溶融プール 鋼板のなじみを良 < し良好なビー ド形状 を得るために 0 . 1 %以 とすることが望ましい 。 一方 、 過度の添 加は溶接金属を硬化させ 継手特性の観点から好ましくないためそ の上限を 1 . 2 %と した。
M n は、 強度確保に必要な元素である。 M nの下限 0 . 2 %は、 これを下回る場合は溶接金属強度の確保が難しくなるのでこの値を 設定した。 一方、 その添加量が過度に多くなると、 溶接金属の靱性 劣化を引き起こすためその上限を 3 . 0 %とした。
Pおよび Sは、 不可避的不純物元素であり、 本発明では、 これら 元素が溶接金属に多く存在するとその靭性が劣化するため、 Pおよ び Sの含有量の上限をそれぞれ 0 . 0 3 % 0 . 0 2 %とした。
フラックス中に添加される S i O 2 A 1 2 O 3 N a 2 0 K
2 Oはスラグ材と呼ばれているものである。 これらを添加する理由 は、 メタル系フラックス入り ワイヤ製造前に、 フラックス成分を造 粒する際のバイ ンダーの役目を果たすこと、 鋼製鉄皮内に充填して から所定のワイヤ径になるまで線引きする工程において、 フラック スの抵抗を少なくする潤滑材の働きをすること、 などである。 下限 の 0 . 0 5 %は、 これを下回ると上記効果が得られなくなり、 ワイ ャ品質と製造効率上問題が発生するためにこの値を設定した。 上限 の 0 . 4 0 %は、 これを上回る添加量である場合は、 溶接後のスラ グ発生量が多くなり、 塗装性の問題が生じてく るためこの値を設定
した。
S i C成分系においても、 必要に応じてグラフアイ 卜を添加する ことができる。 グラフアイ ト添加は、 溶接金属の変態開始温度の低 減に寄与するのみならず、 ワイヤ線引き中のフラックスからの抵抗 を抑える働きがあるため、 これを添加することにより、 ワイヤ製造 の効率が向上する。 しかし、 フラックス添加中に飛散する問題があ るため、 これら問題を考慮した上で、 フラックスにグラフアイ トを 添加するかどうかを 択することができる 。 グラファィ ト添加量の 下限は 0 . 0 5 %と設定した。 これは、 グラファイ 卜を添加するこ とで溶接継手の疲労強度を向上させる効果が期待でさる最低限の値 としてこの値を設定した。 上限の 0 . 4 %は、 S i C成分系では、 溶接金属の変態開始 、〉曰度の低減を主に S i Cで達成しよう と してい るため、 これを上回る添加量では、 溶接金属の硬化の問題や、 ォー ステナイ 卜組織が多ぐなって変態しなくなり、 疲労強度向上が期待 できないなどの問題が生じるためこの値を設定した。
本発明における S i C成分系ワイヤでは、 必要に応じ、 さ らに、 N i 、 C r 、 M o 、 C u を添加することができる。
N i は、 溶接金属の変態開始温度を低く し、 継手疲労強度向上を 達成するために必要な元素である。 さ らには、 強度ゃ靭性などの継 手特性を向上させる元素でもある。 N i の下限 0 . 5 %は、 疲労強 度向上が期待できる最低量と して定めた。 上限の 5 . 0 %は、 S i C成分系ワイヤでは、 既に、 Cによりかなりの変態開始温度の低減 が既に達成されていて、 これを上回る添加量では、 既に添加してい る C量との相互作用で、 溶接金属変態せずオーステナイ 卜のままで 冷却が終了する可能性があり、 疲労強度向上が期待できなくなるた めこの値にした。 .
C r および M oは、 本発明では、 溶接金属の変態開始温度の低減
および強度および焼入性を上げるために添加する元素である。 溶接 継手の疲労強度を向上させるためには、 マルテンサイ トなどの変態 温度が低い組織にする必要があるが、 そのためには、 焼入性確保が 欠かせない。 C r と M oは、 添加することにより、 強度向上および 焼入性確保がしゃすくなる元素であり、 この働きは N i より大きい 。 そのため、 これら元素の下限 0 . 1 %は、 強度向上と焼入性確保 の効果が得られる最低限の値として設定した。 一方、 C r と M oは 、 N i 同様それを添加することにより変態開始温度を低くすること ができるが、 N i と異なり、 溶接金属の靭性向上の点では、 N i 添 加ほど好ましく はない。 また、 第一の成分系では、 Cで既にかなり 変態開始温度低減が達成されているため、 これら元素の上限を 2 . 0 %と設定した。
C u も、 C r と M o同様に、 変態開始温度の低減、 強度向上およ び焼入性確保の効果がある元素である。 しかし、 添加しすぎると溶 接金属に C u割れを発生させる危険がるため、 C rや M 0より上限 値は低く設定する必要がある。 上限の 0 . 5 %は、 C u割れの危険 を無くすために設定した。 一方、 C uは、 主にワイヤにめっきをし て通電性を確保するために用いることも可能である。 C uの下限 0 . 1 %は、 強度向上と焼入性向上の効果および通電性確保の点で必 要最低限の値と して設定した。
S i C成分系ワイヤでは、 N i 、 C r 、 M o 、 C uの合計添加量 に対しても制限を設けた。 これら元素は、 変態開始温度の低減、 強 度向上と焼入性確保の効果があり、 働きとしては同等である。 しか し、 これら元素を添加しすぎると、 溶接金属組織がオーステナイ ト 組織になる、 すなわち溶接後の冷却過程で変態しなくなるため、 疲 労強度向上の効果がなくなる。 一方、 添加量が少ない場合は、 変態 開始温度の低減が十分でなくなり、 疲労強度向上が期待できない。
そのため、 これら元素の合計も制限する必要がある。 下限の 0 . 5 %は、 これを下回る添加量では疲労強度増加の効果が期待できなく なるためこの値を設定した。 上限の 6 . 0 %は、 Cで既にかなりの 変態開始温度低減が達成されているため、 これを上回る添加量では 、 溶接金属がオーステナイ トを主体と した組織になり、 変態そのも のが生じなくなり疲労強度向上が期待できなくなるためこの値を設 定した。 なおグラフアイ 卜成分系に比べてこれら元素の合計量の上 限が低く抑えられている理由は、 S i Cの潤滑材としての働きがグ ラフアイ トほどではないため、 グラフアイ トより添加量が多く設定 されており、 結果的に溶接金属中の Cが充分確保されていることに よる。
Bは焼入性元素である。 B添加は、 鋼板の焼入性を確保するため には重量%で 0 . 0 0 1 %程度添加すれば充分であるが、 溶接金属 の場合は酸素が鋼板より高く、 Bは酸素と結合しその効果を奪われ てしまうため、 鋼板の場合より多く添加する必要がある。 焼入性を 確保する理由は、 溶接金属のミクロ組織をより高強度の組織にする 、 高温で変態開始する組織の生成を抑えより低い温度で変態するミ ク ロ組織にする、 などがある。 これらの効果は、 引張り強度確保、 疲労強度確保、 両面からも好ましいので、 本発明では積極的に利用 すべきであると考えた。 Bの添加量の下限は溶接金属の焼入性を向 上できる最低限の値と して 0 . 0 0 1 %と設定した。 B添加量の上 限は、 これを上回る量を添加しても B添加で得られる効果が増加し ないことから 0 . 0 2 0 %と定めた。
N b 、 V 、 T i は、 いずれも炭化物を形成し強度を増加させる働 きをもつ元素で、 比較的少ない添加量で強度増加が期待できる。 す なわち、 本発明においては、 これら 3元素とも同等の効果を期待し ている元素である。 そのため、 本発明では、 これら元素の合計を限
定する。 下限の 0 . 0 0 5 %は、 これを下回る添加量では強度増加 をあまり期待できないためにこの値を設定した。 一方、 0 . 3 %を 上回る添加量では、 溶接金属の強度が過大になり、 継手特性上問題 が生じるため、 上限を 0 . 3 %とした。 なお、 T i に関しては、 強 度増加以外にも溶接アークを安定させる働きがあるため、 好ましく は T i 含有量の下限を 0 . 0 0 3 %と設定することが望ましい。 アーク安定剤とは、 それをフラックス中に添加することにより、 溶接アークが安定になる元素であり、 本発明の ( 1 ) 、 ( 4 ) に記 載されている N a 2 0や K 2 〇などもアークを安定させる働きがあ るため、 これらもアーク安定剤と呼んでさ しつかえない。 そのため 、 本発明においては、 アーク安定剤をこれ以上添加する必要は必ず しもなく、 また、 これらアーク安定剤を添加しすぎると、 本発明の 第 1 の目的である、 スラグ量の低減が達成できなくなる危険性すら ある。 しかし、 N a 、 A l 、 Fの化合物であればアークを安定させ る働きがあり、 N a 2 〇や K 2 Oなどとは異なり、 氷晶石 ( N a 3 A 1 F 6 ) などのような酸化物系以外のものも存在する。 酸化物以 外であれば、 溶接ワイヤに添加しても酸素供給源にならないため、 酸化物で形成されるスラグを生成することにはならず、 これらァー ク安定剤を添加し、 よりアークを安定させたいという要望に応える ことが可能となる。 そのため、 本発明における酸化物系以外のァー ク安定剤の適用可能範囲を設けることは、 意義のあることである。 酸化物系以外のアーク安定剤の下限 0 . 0 5 %は、 添加することに よりアーク安定効果が得られる最低限の値と して設定した。 一方、 上限の 0 . 5 %は、 既に酸化物系のスラグ材を添加しており、 これ ら元素もアーク安定剤の働きがあるため、 これを上回る添加しても 効果が変わらないため上限を 0 . 5 %と した。
以上が、 本発明における S i C成分系ワイヤの成分限定理由であ
る。
次に 、 フラックスの充填率について述べる。
本発明では、 グラフアイ ト成分系ワイヤに対してフラククスの充 填率を制限している。
溶接後のスラグ生成量をワイヤに充填するフラックスの成分を限 定することで低減させているため、 通常のメタル系フラックス入り ワイヤにおける充填率の範囲内であればその効果が得られ 、 特開 2
0 0 1 - 1 7 9 4 8 8号公報、 特開 2 0 0 1 — 2 8 7 0 8 7号公報 あるいは、 特開 2 0 0 3 - 9 4 1 9 6号公報のように 、 識的に充 填率を低くする必要はない。 また、 フラックス充填率が低い場合で も、 本発明の範囲内にワイヤ成分を限定すればその効果は十分発揮 できる。 そのため、 本発明において、 フラックス充填率の範囲を限 定するのは、 高疲労強度溶接材料のように合金元素の添加量が多い 場合である。 例えば、 フラックス充填率を 5 %と限定したワイヤで 、 N i 添加量をワイヤ全体に対し 1 0 %にしよう とした場合、 フラ ックス中に添加する N 1 だけでは不十分であり、 N i が添加された それ専用の鋼製外皮を用いなければならない。 この場合は、 通常の 鋼製外皮を用いることができなくなり、 経済的問題が発生する。 充 填率が十分高ければこのような問題は発生しない。 フラックス充填 率の下限を 1 0 %と したのは、 ワイヤ成分設計の自由度を十分確保 し、 かつ高強度溶接材料、 高疲労強度溶接材料が達成可能である範 囲と して設定した。 上限の 2 0 %は、 これを上回る充填率の場合、 ワイヤに占める鋼製外皮の割合が低くなり、 ワイヤ製造中に断線の 危険性がでてく るため、 この値を設定した。
なお、 本発明において、 S i C成分系ワイヤに対しては特にフラ ックス充填率を制限していない。 それは、 S i Cはグラフアイ トよ り潤滑剤の働きが小さいことにより添加量が高く設定されていて、
その分 N i などの合金元素添加量を抑える成分系となっているため
、 下限として 1 0 %を設定する必要がないためである。 また 、 S i
C成分系ヮィャを実現するために必要な充填率は、 通常のフラック ス入り ワイャの充填率範囲内で充分であるため、 上限についても nX 定しなかつた
次に、 シ一ルドガスをについて述べる。
ガスシールド溶接方法において、 一般に、 シールドガスは 、 1 0
0 % C O 2 または A r ガス中に C 0 2 ガスが含有されているものが 用いられる 本発明の目的は、 スラグ発生量の少ない高疲労強度溶 接継手の作製方法を提供することであり、 スラグのほとんどが S i
0 2 や M n Oなどの酸化物系であることを考えると、 シ一ルドガス においても酸素含有量の少ないものを選択することが望ましい。 そ のため、 本発明における溶接方法では、 シールドガスとして A r +
3〜 2 5 % C O 2 ガスを採用することとした。 なお、 C O 2 ガスを
0 %にするのは溶接アークの安定性上好ましくないため、 A r ガス 中には 3 %以上の C 0 2 を含有すると した。 2 5 %を上回る C O 2 を含有した A r ガスでは、 スラグ生成上 1 0 0 % C O 2 ガスの場 □ とほぼ同じになるので上限を 2 5 %とした。
シ一ルドガス中の 0 2 ガスは、 本発明においては不純物である しかし、 A r ガス中に O 2 ガスが存在している場合は、 0 2 ガスを 取り除く費用が必要となるため、 一般には、 o 2 ガスを含有しない シ一ルドガスのほう力 、 O 2 ガスを含有しているシールドガスより も高価である 。 そのため、 本発明者らは、 O 2 ガスの許容含有量の 範囲を明確にすることは意義のあることと考え、 その許容範囲を定 めた。 0 2 ガスが 4 %を上回る場合は、 スラグ生成量増加が避けら れず、 そのため、 〇 2 ガスの上限を 4 %に設定した。
次に、 鋼板の板厚および鋼板強度について述べる。
ます、 鋼板の板厚を限定した理由について述べる。
本発明は、 ソ リ ツ ドワイヤ並にスラグ生成量が少ない高疲労強度 溶接継手の作製方法の提供も目的と している。 特に、 スラグ量低減 に関しては、 鋼板の板厚を限定しなくても、 本発明の範囲内にある メタル系フラックス入り ワイヤを用いればその効果を得ることが可 能である。 しかし、 高疲労強度溶接継手を作製するという観点から は、 鋼板板厚を限定する必要がある。
本発明における疲労強度向上の原理は、 溶接金属が冷却中に変態 し、 その時生じる溶接金属の体積膨張を利用 し、 疲労が問題となる 部位の溶接残留応力を低減させる点にある。 このとき、 溶接金属の 体積膨張を鋼板が拘束しなければならない。 つま り、 体積膨張が拘 束されることにより、 その反力と して圧縮応力が生成され、 溶接残 留応力を低減させることができる。 このためには、 鋼板の板厚に下 限を設定する必要がある。 一方、 本発明では、 特開平 1 1 一 1 3 8 2 9 0号公報に示されているほど合金元素を添加していないため、 溶接金属の変態開始温度は特開平 1 1 一 1 3 8 2 9 0号公報が開示 している溶接材料ほど低く はない。 溶接金属の変態が終了するとそ の後の冷却過程で溶接金属が熱収縮するため、 せっかく圧縮応力を 導入しても再び引張り応力状態になる可能性がある。 そのため、 こ のような技術では、 変態開始温度をできるだけ低く設定する傾向に ある。 しかし、 変態開始温度を低くすることはワイヤコス ト増加を 意味し、 好ましいことではない。 そこで、 本発明では、 板厚の上限 を限定して、 できるだけ添加元素量を少なくするようにしている。 この理由は、 板が薄い場合は、 厚い場合と比べ、 溶接熱が比較的早 い段階で鋼板裏面まで達してしまうため、 溶接金属の変態が終了し た後に生じる熱収縮過程で引張り応力が発生しにく くなるためであ る。
本発明における板厚の下限である力 S、 板厚が 1 m mを下回る場合 は、 本発明の範囲内にあるメタル系フラックス入り ワイヤを用いて 継手を作製しても、 板厚に対する溶け込み深さが大きくなり、 溶接 金属が変態膨張してもその膨張を鋼板が充分拘束できないため、 残 留応力を充分低減することができな <なる。 つま Ό 、 疲労強度向上 は期待できない。 そのため、 高疲労強度継手とい Ό観点から板厚の 下限を 1 . O m mと設定した。 一方 、 溶接継手の塗装性が問題とな る産業は自動車分野であり、 造船分野などでは 、 溶接ビ一ドにスラ グが存在しても特に大きな問題が発生していない 一般に、 自動車 分野では板厚が 5 m mを上回るような場合はほとんどなく 、 この うな板厚を必要としている産業は造船分野である すなわち、 上のメ リ ッ トが少ないと判断できる さ らに、 板厚が増大すると、 既に述べたように、 溶接熱が板裏面まで突き抜けにく くなり、 溶接 金属の変態が終了した後の熱収縮過程で引張り応力が発生してしま い、 疲労強度向上効果が期待できない。 そのため、 板厚の上限を 5
. 0 m mと設定した。
次に、 鋼板強度を限定した理由について述べる。
本発明で、 鋼板強度を限定しなければならない理由も、 溶接継手 の疲労強度を向上させるためであり、 スラグ量を低減する目的とす る場合は特に限定する必要はない。
本発明が提供するメタル系フラックス入り ヮィャを用いて溶接継 手の疲労強度を向上させる場合、 その実現手段は、 溶接金属の変態 膨張を利用した溶接部の残留応力を制御するという方法である。 す なわち、 変態膨張する溶接金属を鋼板が拘束し、 溶接金属および鋼 板両方に反力を発生させる方法である。 鋼板強度が低い場合、 この 反力が充分高くならず結果的に残留応力が低減されない。 溶接金属 に関しては、 合金元素添加が既に充分されているため、 低強度の問
題は発生しない。 そのため、 鋼板強度の下限値を設定する必要があ る。 鋼板強度の下限値、 4 4 0 M P aは、 充分な反力を得る最低限 の値として設定した。 一方、 鋼板強度の上限値、 9 8 0 M P aは、 本発明の範囲内の溶接金属成分内では、 溶接金属の強度そのものの 上限が 9 8 0 M P a程度になってしまい、 それ以上の強度を持つ鋼 板を使用 しても、 継手の強度が溶接金属で規定されてしまうため、 実用上の意味がないと判断しこの値を設定した。 実施例
以下に、 本発明の実施例について説明する。
実施例 1
表 1 および表 2 に、 メタル系フラックス入り ワイヤの成分値を示 した。 表 1 には、 ワイヤに添加した成分の質量%、 充填率が示され ている。 各成分は、 ワイヤ全質量に対する質量%である。 表 2 は、 ワイヤに添加した成分のうち、 鋼製外皮中に含まれている成分のみ を示したものである。 表 2の各成分もワイヤ全質量に対する質量% で示した。 すなわち、 鋼製外皮から添加される成分は表 2 に示され ている量だけであり、 残りはワイヤ中に充填されているフラックス から添加されている。 ワイヤ記号 W 0 1 、 1 6 、 1 7 、 1 9 は比較 例であり、 W 0 1 は、 グラフアイ ト以外は W 1 1 と同じであるが、 グラフアイ 卜が本発明の範囲外のものであり 、 W 1 6 、 W 1 7 はス ラグ材が本発明の範囲を超えているものである 。 w 1 9 は 、 ワイヤ 成分としては、 スラグ材を除く と 、 W 1 4 と じものであり、 W 1
4 と同じ C量にするため 製外皮に Cを含有させた場 のものであ る。 また、 表 1 におけるァーク安定剤は、 N a 、 A 1 、 Fの化合物 である氷晶石 (N a 3 A 1 F 6 ) である。 初めに、 ワイヤ製造効率 について調査した。
1 におけるワイヤを製造すると、 W 0 1以外のフィャは、 製 JE. 上特に断線をすることなく製造することができた しかし、 比較例 の 1 つである W 0 1 は、 グラファィ ト以外は W 1 1 と同じであるも のの 、 グラファィ 卜が添加されていないため途中で断線を起こ し、 フィャ製造ができなかつた 。 比較例である W 1 6 、 W 1 7 について は、 グラフアイ トが添加されていない例であるが 、 スラグ材の量が 従来ヮィャ並に添加されているため、 製造上は特に問題はなかつた 次に、 機械的特性として、 Cを添加したときに問題視されるシャ ルビー吸収エネルギーを調査した。
シャルピー吸収エネルギーは、 板厚 3 . 2 m mの 4 7 0 M P a級 鋼材を用意し、 I 開先溶接を実施し、 そこから板厚 2 5 m mの 2
Vノ ッチシャルピ一試験片を採取した。 板厚を 2 . 5 m mに設定し たのは、 本発明の主目的が自動車分野への適用を念頭に置いている ためである。 ノ ッチ位置は、 溶接材料の特性を調査する目的から 、 溶接金属中央部分になるようにした。 シャルビ一試験は 、 0 で実 施した。
表 1 には、 その結果も示している。 W 0 1 ワイヤに いては 、 7 ィャ製造中に断線したため試験を実施していない。 ヮィャ W 1 1 〜
W 1 8 、 W 2 0 については、 吸収エネルギーが 2 0 J を上回ってお り、 十分な継手特性を有していることがわかる。 しかし、 比較例で ある W 1 9 については、 鋼製外皮から Cを導入しているため、 溶接 金属の Cが高くなり、 シャルピー値は 1 1 J と、 他のワイヤより低 い。 W 1 9 ワイヤは、 ワイヤ中の全 C量は 0 . 5 8 %であり、 本発 明における W 1 4 ワイヤと同じ C量であることがわかる。 しかし、 W 1 4 ワイヤでのシャルピー値は 2 0 J を上回っており、 同じ C量 でも、 グラフアイ トで添加した場合と、 鋼製外皮から添加した場合
とで機械的特性が大きく異なることがわかった
表 1
1)グラフアイ ト以外の Cを示す。 2) Si02以外の Siを示す。
3) ワイヤ製造中の伸線工程で破断したものを X、 破断しなかったものを〇とした。
4)板厚が 2.5 の 2Vノ ッチシャルピー試験結果。 ノ ッチ位置は、 溶融金属中央部分。
表 2
表 1 にあるワイヤのうち、 ワイヤ製造中に断線した W 0 1 を除き 、 W 1 1から W 1 8を用いて、 重ねすみ肉溶接を行った。 ビー ド表 面に発生したスラグの重さの測定方法は、 まず、 溶接終了後、 スラ グが表面に存在する状態で試験片全体の重さを測定し、 その後、 ス ラグを除去し、 再び試験片全体の重さを測定し、 両者の差を求める ことによりスラグの重さを決定した。 試験は、 常に溶接ビー ド長さ が 2 5 0 m mと一定になるように実施し、 ビー ド長さの影響が出な いようにした。 表 3 にスラグ量の測定結果を示した。 表 3の結果か ら、 スラグ材が本発明の範囲内にある W l l、 W 1 2、 W 1 3、 W 1 4、 W 1 5、 W 1 8、 W 2 0はスラグ量がすべて 0. l gを下回 つている力 、 比較例の W 1 6、 W 1 7 を用いた場合は、 スラグ量は 0. 3 gを上回っていることがわかる。 表 1の実施例とは別に、 同 じスラグ量測定を、 ソ リ ッ ドワイヤで 1 0 0 % C O 2 シールドガス の場合と A r + 2 0 % C 02 シール ドガスの場合で実施したところ 、 スラグ発生量はそれぞれ 0. 0 9 g、 0. 0 5 gであり、 本発明 例のワイヤがソ リ ッ ドワイヤ並みのスラグ生成量に抑えられている ことがわかつた。
以上のことにより、 スラグ材を抑えた本発明の範囲内である W l 1 、 W 1 2、 W 1 3、 W 1 4、 W 1 5、 W 1 8、 W 2 0は、 ワイヤ 製造効率上も問題なく、 シャルピー吸収エネルギーも十分な値を示 し、 継手の機械的特性も十分であり、 かつスラグ発生量はソ リ ッ ド ワイヤ並でありスラグ量は十分低減されていることがわかった。 表 3 には、 疲労試験結果も示している。 このときには、 鋼板と し て、 引張り強度 2 7 0 M P a、 4 7 0 M P a、 5 7 0 M P a , 7 8 O M P aクラスの 4種類を用意した。 表 3には、 ワイヤと鋼板の組 み合わせを示した。
試験片形状は、 図 5 ( a ) 、 図 5 ( b ) に示す重ねすみ肉溶接継 手と呼ばれるものである。 まず、 鋼板 1 の上に鋼板 2を重ねる形で 継手を作製し、 すみ肉溶接を実施した。 その後、 機械加工した。 鋼 板 1および 2の板厚 3, 4 とは図 5 ( a ) 、 図 5 ( b ) に示すとお りである。 図 5 ( a ) 、 図 5 ( b ) のハッチング部分が溶接金属部 分である。
疲労試験は、 図 5 ( b ) に示す矢印の方向 Pに応力を負荷するこ とで実施した。 この場合、 疲労亀裂は、 すみ肉溶接止端部に発生し 、 その後、 鋼板 1へ伝播して最終的には鋼板 1が破断する形で終了 する。 すなわち、 この継手においては、 疲労亀裂が発生する鋼板と は、 鋼板 1のことをさす。 なお、 本実施例では、 鋼板 1および鋼板 2は必ずしも同じ材料ではなく、 異なる鋼板を用いた継手でも lk験 を実施している。 また、 疲労亀裂が鋼板 1 に発生するため、 応力は 溶接止端部、 すなわち鋼板 1 の溶接ビー ド近傍に歪ゲージを貼り付 けることにより測定した。 また、 疲労限は 2 0 0万回繰り返し荷重 を負荷しても破断しない最大応力と して決定した。
試験番号 1 は使用 したワイヤが表 1 の W 1 1であり、 ワイヤ成分 としては本発明例の範囲内にあるもので、 スラグ量が少ないワイヤ
である。 しかし、 鋼板 1 の強度が本発明の範囲外であることから疲 労限は 2 2 0 M P a と特に高疲労強度にはならなかった。 一方、 試 験番号 2 は、 疲労亀裂が発生する鋼板 1 の強度が 4 7 0 M P aであ り 2 0 0万回疲労限は 3 6 0 M P a と高疲労強度が実現できた。 一方、 試験番号 3、 4は、 鋼板の板厚が 1 mmに満たない場合で あり、 2 0 0万回疲労限が 2 5 0、 2 6 0 M P a と高疲労強度では なかった。 この場合は、 溶接ビ一 ドの溶け込み深さが板厚に対して 相対的の大きくなり、 溶接金属の変態膨張を充分拘束できず、 残留 応力が低減できなかったためと考えられる。 それに対し、 試験番号 5 は、 板が l mm以上の厚みがあり、 2 0 0万回疲労限が 3 8 0 M P a と高疲労強度であった。
試験番号 6 は、 ワイヤ成分が本発明例の範囲内であり、 スラグ量 は充分低減されているものであり、 かつ、 疲労亀裂が発生する鋼板 の強度が高いため、 2 0 0万回疲労限が 3 6 O M P a と高疲労強度 が達成できているものである。 試験番号 1 2 も同様である。
試験番号 7、 9、 1 0、 1 3 は、 鋼板板厚が l mm以上で、 強度 も 4 7 0 M P a以上、 かつ、 ワイヤ成分すベて本発明の範囲内のも ので、 これら継手の 2 0 0万回疲労限はすべて 3 4 0 M P a以上で あった。 特に、 W 1 3 のワイヤを使用した試験番号 9 に比べ、 N i 、 C r 、 M o、 C uの合計量が多いワイヤを用いた試験番号 7 、 1 3 は、 2 0 0万回疲労限が 4 0 0 M P a を上回っており、 疲労強度 向上効果は試験番号 9 より大きい。 そのため、 よ り確実に疲労強度 向上を目指す場合は、 合金元素添加量を多くすることが望ましいこ とがわかる。 一方、 試験番号 1 0 は、 ワイヤ成分としては、 試験番 号 9 とほぼ同じ成分であるが、 Bを添加したワイヤ W 1 4 を用いた ものである。 この場合は、 溶接金属の焼入性が向上し、 低温度で変 態するミク ロ組織を試験番号 9の場合よ り多くすることができるた
め、 疲労強度向上効果は試験番号 9の場合より大きくなつた例であ る。 このように、 高疲労強度をより確実に実現するためには、 Bを 添加する、 N i 、 C r、 M o、 C uの合計量を多めに設定するなど の対策をすることが望ましい。
それに対して、 試験番号 8および 1 1 は、 ワイヤ成分が本発明の 範囲外である場合で、 2 0 0万回疲労限は 2 8 0 M P a、 2 6 0 M P aと 3 0 O M P aに達していない。
試験番号 1 4から 2 1 までは、 鋼板 1 の強度が 7 8 O M P aと比 較的高強度の場合の実施例である。 試験番号 1 4、 1 6、 1 7、 1 8、 2 0は、 板厚が l mmを上回り、 かつ、 ワイヤ成分すべてが本 発明の範囲内の場合であり、 スラグ量が 0. l gを下回り、 かつ疲 労強度はすべて 3 0 O M P aを上回り高疲労強度を実現しているも のである。 それに対し、 試験番号 1 5、 1 9は、 スラグ量が低減で きていない例であり、 かつ疲労強度も高くなつていない例である。 試験番号 2 1 は、 表 1 の W 1 8 ワイヤを用いているため本発明例で あり、 スラグ量は充分低減できている例であるが、 疲労強度を向上 させるという観点からは、 表 2にあるように C u、 N i 、 C r、 M oの合計が 1. 3 %と W l l、 W 1 2、 W 1 3、 W 1 4、 W 1 5 ヮ ィャより低く、 疲労強度は高くはならなかった例である。 同様に、 試験番号 2 3は、 鋼板 1および 2の組み合わせと しては、 試験番号 5 と同じ場合で、 用いたワイヤが W 2 0の場合のものである。 試験 番号 2 3 も、 鋼板強度およびワイヤ成分ともに本発明の範囲内であ り、 したがってスラグ発生量の少ない場合であるが、 試験番号 2 1 と同じように、 C u、 N i 、 C r、 M oが添加されていない場合で あるため疲労強度が高く はならなかった例である。 そのため、 スラ グ量を低減しつつかつ疲労強度を向上させるためには、 C u、 N i 、 C r、 M oの合計を 2 %以上に設計することが望ましいことがわ
かる。 試験番号 2 2 は、 比較ワイヤである W 1 9 を用いた場合の結 果である。 この場合は、 溶接金属中の C量が高くなるため、 変態温 度が低くなり疲労強度は十分満足できる結果となっている。 しかし 、 既に述べたように、 スラグ生成およびシャルピー吸収エネルギー については、 本発明の範囲内のワイヤより劣っていることがわかる
表 3
以上のように、 本発明に従えば、 メタル系フラックス入り ワイヤ のスラグ生成量を 、 ソ U ッ ドヮィャ並に抑えることが可能となり、 メタル系フラックス入 Ό ヮィャを用いて作製された溶接継手の塗装 性を格段に向上させることが可能となる。
実施例 2
表 4 に、 メタル系フラックス入り ワイヤの成分値を示した。 表 4 には、 ワイヤ中に添加した成分の質量%、 充填率が示されている。 各成分は、 ワイヤ全質量に対する質量%である。
表 4
1) SiC以外の Cを示す。 2) SiCかつ Si 02以外の Siを示す。
3)板厚が 2.5mmの 2Vノ ッチシャルビ一試験結果。 ノ ッチ位置は、 溶融金属中央部分。
4)割れ発生のためデータ採取できず。
表 4における、 ワイヤ記号で 1 0 0番台のものは、 本発明におけ る S i C成分系に対応する本発明例のワイヤとその比較例である。 さ らに、 1 0 0番台のワイヤで、 1 5 0番からのワイヤは、 本発 明における S i C成分系ワイヤに対する比較ワイヤである。
また、 ワイヤ記号が 2 0 0番台のものは本発明のグラフアイ トを 含有するワイヤに少量の S i Cを添加した本発明例のワイヤとその 比較例である。
さ らに、 2 0 0番台のワイヤで、 2 5 0番からのワイヤは、 グラ フアイ 卜を含有するワイヤに少量の S i Cを添加した本発明のワイ ャに対する比較ワイヤである。
表中の Cは、 5 1 (:以外の(:を示し、 また表中の S i は、 S i C 以外かつ S i 02以外の S i 示している。
まず、 表 4に示したワイヤを用いて溶接継手を作製した後、 溶接 部から試験片を採取し、 シャルピー試験を実施した。 本発明は、 溶 接部のスラグ生成量低減による塗装性向上と継手疲労強度の向上を 目的とするが、 継手靱性は溶接継手の基本特性であるため、 予め溶 接継手のシャル 'ピー試験により、 本発明の S i C成分系ワイヤの 2 系統の溶接部の靱性を確認した。
溶接継手の作製とシャルピー試験は次の手順で実施した。
まず、 板厚 3. 2 mmの 7 8 O M P a級鋼板を 2枚用意し、 これ らの鋼板端部同士を I 開先で突き合わせ溶接を実施し、 溶接継手を 作製した後、 溶接金属中央部分に 2 mVノ ッチを機械加工にて作製 することにより、 厚み 2. 5 mmのシャルビ一試験片を作製した。 試験片の採取位置は、 概略図の図 6に示すように、 I 開先、 突合 せ溶接 Wを含む位置をシャルピー試験採取位置 Sと した。
この試験片を用いて 0 °Cにてシャルビ一試験を実施し、 その吸収 エネルギーを測定した。 シャルピー試験結果は表 4に示されている
。 なお、 表 4 におけるワイヤ 1 5 2 については、 溶接継手に凝固割 れが発生したためシャルピー試験ができなかった。
表 4 に示された本発明で規定する成分組成範囲内の S i C成分系 ワイヤでの溶接継手のシャルビ一吸収エネルギーは、 何れも実用上 問題のない継手靱性レベルである。 なお、 表 4 中、 ワイヤ記号 1 5 1 の比較例のワイヤは、 本発明例のワイヤより シャルピー吸収エネ ルギ一が高くなつているが、 後述するように変態温度を低減するた めの成分が本発明範囲から外れるため、 継手疲労強度向上の効果は なかった。
次に、 溶接部のスラグ発生量と継手疲労強度を測定した。
まず、 スラグ発生量の測定方法は次に示すように実施した。
スラグ発生量は、 次に述べる疲労試験片採取用の溶接継手を作製 した後、 その継手の重量を測定する。 次に、 表面に付着しているス ラグを取り払い、 再度重量を測定する。 そして、 これら重量の差を 計算し、 その継手に対するスラグ発生量と した。 なお、 疲労試験片 採取用溶接継手の溶接ビー ド長さはつねに 2 5 0 m mと一定になる よう に作製したため、 このスラグ発生量を比較することにより、 各 ワイヤを比較した。 継手からの疲労試験片の採取は、 その後行なつ た。
次に、 溶接継手から採取した試験片を用いて以下の手順で疲労試 験を実施し、 継手疲労強度を測定した。
鋼板を 2枚用意し重ね隅肉溶接を実施し、 スラグ発生量の調査し た後、 その継手から図 5 ( a ) 、 図 5 ( b ) に示す疲労試験片を採 取した。 そして、 図 5 ( b ) の矢印方向を疲労荷重負荷方向 P とし て疲労荷重を負荷し、 2 0 0万回繰り返し負荷しても疲労亀裂が発 生しなかった応力範囲をその継手に対する疲労強度と定義し、 その 値で比較した。 応力比 Rは R = 0 . 1 とした。 鋼板 1 および鋼板 2
は必ずしも同じ鋼板を用いているわけではなく、 異なった強度およ び板厚 3および 4の組み合わせも選択した。 なお、 試験片に加わる 応力の値は、 鋼板 1 の上表面の溶接ビー ド近傍にひずみゲージを貼 り付けて計測した。
まず、 表 4 にあるワイヤの ち 1 0 0番台のヮィャを用いて表 5 に示す条件で溶接継手を作製した後、 溶接部のスラグ発生量と継手 疲労強度を測定した。 その 果を表 5 に不した
試験番号 A 1 は、 ワイヤ成分が本発明の範囲内であるため 、 スラ グ発生量が 0 . 0 7 g と 0 - 1 g未満にな Ό 、 スラグ低減が達成さ れた例である。 さらに高疲力強度を達成するためには 、 式験番号 A
2 によつに、 鋼板強度を上げればよい。
験番号 A 3 、 A 1 0 も、 ワイヤ成分が本発明の範囲内であり、 スラグ発生量は 0 . 1 g未満となりスラグ低減が達成できた例であ さ らに高疲労強度も達成させるためには 、 試験番号 A 4や A 2 のように 、 1¾板の板厚を調整すればよい。
験番号 A 1 1 の比較例は、 鋼板強度、 鋼板板厚ともに本発明の 範囲内にあり 、 ワイャ成分中で S i C含有量が本発明範囲内である ため疲労強度向上は達成できたが、 ワイヤ成分中でスラグ材の合計 含有量が本発明範囲から高く外れたため、 スラグ量の低減が達成で きなかった。
試験番号 A 1 2,、 A 1 3の比較例は、 ワイヤ成分の S i C含有量 、 スラグ材の合計含有量の何れも本発明の範囲外であったため疲労 強度向上およびスラグ発生量低減ともに達成できなかった。
また、 表 4 に示しているワイヤ番号 1 5 2 の比較例のワイヤにつ いては、 シャルピー試験を実施する際に割れが発生してしまったた め、 疲労試験は実施できなかった。
一方、 試験番号 A 2 、 A 4 〜 A. 9 の発明例では、 疲労強度が全て
3 0 0 M P aを上まわっており、 かつ、 スラグ発生量も 0. l g未 満を達成できている。
以上のことにより、 本発明例である、 表 5の A 1〜A 1 0では、 全てスラグ発生量が 0. 1 g未満を達成しているのに対し、 比較例 である A l l〜A 1 3では、 スラグ量が全て 0. 5 g以上であり、 本発明を用いることによりスラグ低減が達成できることがわかつた 。 さ らに、 鋼板強度と板厚を調整すれば、 試験番号 A 2、 A 4〜A 9のよう に、 疲労強度を 3 0 O M P a以上とすることが可能である
¾ 5
次に、 表 4のワイヤのうち、 2 0 0番台のワイヤを用いて表 6 に 示す条件で溶接継手を製作した後、 溶接部のスラグ発生量と継手疲 労強度を測定した。 その結果を表 6 に示す。
表 6 のスラグ発生量と疲労強度は、 本発明におけるグラフアイ 卜 を含有するワイヤに少量の S i Cを添加した場合の実施例である。 疲労強度調査方法およびスラグ発生量調査手順は、 既に説明したと おりである。
g式験 ¾·号 B 3 は、 ワイャ成分が本発明の範囲内であり 、 スラグ ft は 0 . 0 9 g と 0 . 1 g未満を達成、 すなわちスラグ低減を達成で きた例である。 しかし、 鋼板板厚が薄く 、 溶接金属の変態膨張を充 分拘束でさなかつたため 、 疲労強度が向上しなかった。 B式験番号 B
3 に対して 、 疲労強度も向上させるには、 試験番号 B 4のように鋼 板板厚を調整すれば良い。
試験番号 B 9は、 ワイヤ成分が本発明の範囲内であり、 スラグ量 は 0 . 0 5 g と 0 . l g未満を達成、 すなわちスラグ低減を達成で きた例である。 しかし、 鋼板板厚が厚く、 溶接熱が板裏面まで充分 到達せず、 溶接金属の変態が終了した後、 再び応力が引張り応力状 態に転じてしまい、 疲労強度が向上しなかった。 試験番号 B 9 に対 して、 疲労強度も向上させるには、 試験番号 B 8 のように鋼板板厚 を調整すればよい。
また、 試験番号 B 1 0の比較例は、 鋼板強度、 鋼板板厚ともに本 発明の範囲内にあり、 ワイヤ成分中の S i C含有量および C u 、 N i 、 C r 、 M oの合計含有量が本発明範囲内であるため疲労強度向 上は達成できたが、 ワイヤ成分中でスラグ材の合計含有量が本発明 範囲から高く外れたため、 スラグ量の低減が達成できなかった。 試験番号 B 1 1 の比較例は、 ワイヤ成分中で C u 、 N i 、 C r 、 M oの合計含有量が本発明の範囲から低く外れたため、 溶接金属の
変態開始温度低減が不十分なため、 疲労強度が向上しなかった。 試験番号 B 4〜 B 8 は、 ワイヤ成分と、 鋼板の強度と板厚が本発 明の範囲内である例である。 これら実施例では、 スラグ発生量が全 て 0 . 1 g未満というスラグ低減を達成できており、 かつ、 疲労強 度は全て 3 0 O M P a を上回る高疲労強度継手が達成できた例であ る。
以上のことから、 スラグ低減を実現するためには、 ワイヤ成分を 本発明の範囲内である場合に限り、 さ らに高疲労強度を達成するた めには、 鋼板強度と板厚を本発明の範囲内に限った場合だけである ことがわかつた。
表 6
本発明によれば、 メタル系フラックス入り ワイヤにてアーク溶接 する際に発生するスラグ量をソ リ ツ ドワイヤ並に低く抑えることが 可能となる。 スラグ発生量が少ないため、 作製された溶接継手は、 スラグ取りの工程を経ずして塗装することができ、 ソ リ ツ ドワイヤ を用いている現状の自動車製造工程の効率をそのまま維持すること
可能となる。
さ らに、 ワイヤ中の成分を限定しており、 これにより溶接継手の 疲労強度を格段に向上させることが可能となるため、 本発明が提供 する溶接継手作製方法は、 自動車製造効率を高く維持したまま高疲 労強度溶接継手を作製することを可能にする。