(57)【要約】【課題】溶接施工条件を緩和した場合であっても、溶接金属の引張強度および靭性を確保できるソリッドワイヤを提供する。【解決手段】Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３０〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％を夫々含有し、更に、Ｃｕ：０．２〜２．５％および／またはＮｉ：０．５〜３.５％、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５０％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であり、下記（１）式で表されるＸ値が４．５≦Ｘ≦６．０を満たす。Ｘ＝２．５×［Ｍｎ］＋５×［Ｔｉ]＋５０×［Ｍｇ]−１００×［Ｃａ]−３０×[Ａｌ]＋２．５×［Ｚｒ]                                                  ・・・（１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．０２〜０．１２％（質量％の意味。以下、同じ。）、
Ｓｉ：０．３０〜１．０％、
Ｍｎ：１．２〜２．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．３０％を夫々含有し、更に、
Ｃｕ：０．２〜２．５％および／またはＮｉ：０．５〜３.５％、
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５０％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、
下記（１）式で表されるＸ値が４．５≦Ｘ≦６．０を満たすことを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ。
Ｘ＝２．５×［Ｍｎ］＋５×［Ｔｉ]＋５０×［Ｍｇ]−１００×［Ｃａ]−３０×[Ａｌ]＋２．５×［Ｚｒ]                                                  ・・・（１）
（但し、［Ｍｎ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］、［Ｚｒ]は、夫々Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｒの含有量（質量％）を表す。）
【請求項２】
更に、
Ｎｂ：０．０１２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．０１０％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接用ソリッドワイヤに関するものであり、例えばガスシールドアーク溶接に用いるソリッドワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建築、造船、自動車等の製造過程における鋼板の溶接現場では、ガスシールドアーク溶接が広く採用されている。特に建築鉄骨分野においては、経済性の観点からシールドガスとしてＣＯ2を用いた炭酸ガスシールドアーク溶接が多く用いられている。一方、近年では耐震性向上等の観点から高張力鋼の適用が拡大しつつあり、高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接で接合する要求が高まっている。
【０００３】
非特許文献１には、建築構造用の７８０ＭＰａ級高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接した例が開示されている。非特許文献１によれば、７８０ＭＰａ級の高張力鋼を溶接するにあたって、溶接金属の引張強度を一定以上確保するためには、入熱量やパス間温度を一定以下に厳格に管理する必要がある旨が記載されている。しかし、入熱量やパス間温度（以下では、これらをまとめて「施工条件」と呼ぶ場合がある。）を低くして現場溶接を行う場合、パス数が過多となって融合不良が発生したり、施工能率が低下したりするなどの不具合が生じる。そこで、施行条件を緩和した場合であっても溶接金属の引張強度を確保することが重要である。
【０００４】
一方、溶接金属の引張強度と靭性は一般にトレードオフの関係にあることから、溶接金属の引張強度を高めると靭性が低下してしまう。
【０００５】
すなわち、溶接の施行条件を緩和した場合であっても溶接金属の引張強度を確保し、さらに靭性も確保できるソリッドワイヤの開発が望まれている。
【０００６】
例えば、特許文献１には溶接金属の強度と靭性を確保した９００ＭＰａ以上の高張力鋼溶接用ソリッドワイヤが開示されているが、シールドガスにＡｒ−ＣＯ2を用いるものであり、炭酸ガスシールドアーク溶接したものではない。
【０００７】
また特許文献２、３は、炭酸ガスシールドアーク溶接をするにあたって、大入熱および高パス間温度でも溶接金属の強度および靭性が確保できるソリッドワイヤを開示している。特許文献２のソリッドワイヤは、Ｂを含有するとともに各種成分のバランスを調整した５９０ＭＰａ級の高張力鋼用のソリッドワイヤであるが、このようなＢ添加ソリッドワイヤを７８０ＭＰａ級の高張力鋼用ソリッドワイヤとして適用すると、高温割れが発生してしまう。また、特許文献３は４９０〜７８０ＭＰａ級の高張力鋼用ソリッドワイヤが開示されているが、特許文献２と同様にＢ添加が前提となっており、高温割れの問題が発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「第二吉本ビルディング」、鉄構技術、２００４年６月、ｐ．５６−６５
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２６０６９７号公報
【特許文献２】特開２００４−２３７３３３号公報
【特許文献３】特開２００７−２６０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこうした従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は７８０ＭＰａ級の高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接するにあたって、入熱量やパス間温度等の溶接施工条件を緩和した場合であっても、溶接金属の引張強度および靭性を確保できるソリッドワイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、ソリッドワイヤの各種成分組成を適切に制御するとともに、酸化物の形成に影響を与えるＭｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒの６つの元素の含有量のバランスを適切に制御すれば、溶接施工条件を緩和した場合であっても、引張強度および靭性に優れた溶接金属が得られることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
すなわち上記目的を解決することのできた本発明に係る溶接用ソリッドワイヤとは、Ｃ：０．０２〜０．１２％（質量％の意味。以下、同じ。）、Ｓｉ：０．３０〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％を夫々含有し、更に、Ｃｕ：０．２〜２．５％および／またはＮｉ：０．５〜３.５％、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５０％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、下記（１）式で表されるＸ値が４．５≦Ｘ≦６．０を満たすことを特徴とするものである。
Ｘ＝２．５×［Ｍｎ］＋５×［Ｔｉ]＋５０×［Ｍｇ]−１００×［Ｃａ]−３０×[Ａｌ]＋２．５×［Ｚｒ]                                                  ・・・（１）
（但し、［Ｍｎ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］、［Ｚｒ]は、夫々Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｒの含有量（質量％）を表す。）
【００１３】
本発明に係るソリッドワイヤは、さらにＮｂ：０．０１２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．０１０％以下（０％を含まない）を含有していても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る溶接用ソリッドワイヤによれば、各種成分組成を適切に制御するとともに、酸化物の形成に影響するＭｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒの含有量のバランスを適切な範囲に制御しているため、入熱量やパス間温度等の溶接施工条件を緩和（すなわち、入熱量を高め、パス間温度を高くする）した場合であっても、溶接金属の強度および靭性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（ａ）は鋼板の開先形状を表した概略図であり、図１（ｂ）は溶接の層数とパス数を表した概略図である。
【図２】図２（ａ）は溶接金属の引張試験片の採取位置を表した概略図であり、図２（ｂ）は溶接金属のシャルピー衝撃試験片の採取位置を表した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係るソリッドワイヤは、各種成分組成が適切に制御されているとともに、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒの含有量のバランスが一定範囲に制御されているところに特徴がある。以下、順に説明する。
【００１７】
まず、本発明のソリッドワイヤの化学成分について説明する。
【００１８】
［Ｃ:０．０２〜０．１２％］
Ｃは溶接金属の強度を確保するために有効な元素である。そこでＣ量を０．０２％以上と定めた。Ｃ量は好ましくは０．０３％以上であり、より好ましくは０．０５％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると溶接金属中にマルテンサイトなどの硬質組織を増加させ、靭性が劣化する。そこでＣ量を０．１２％以下と定めた。Ｃ量は好ましくは０．１％以下であり、より好ましくは０．０９％以下である。
【００１９】
［Ｓｉ:０．３０〜１．０％］
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属を清浄にする作用を有する。また溶接金属中に歩留った場合は固溶強化により溶接金属を強化する作用を有する。そこでＳｉ量を０．３０％以上と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．５％以上であり、より好ましくは０．６％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になると溶接金属の強度が上昇しすぎたり、マルテンサイトなどの硬質組織が生成したりすることにより靭性が劣化する。そこでＳｉ量は１．０％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．７％以下である。
【００２０】
［Ｍｎ:１．２〜２．０％］
Ｍｎは脱酸元素であり、溶接金属を清浄にする作用を有する。またＭｎが溶接金属中に歩留まった場合は溶接金属の組織を微細化することにより溶接金属の強度および靭性を確保することができる。そこでＭｎ量を１．２％以上と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．５％以上、より好ましくは１．６％以上である。一方、Ｍｎ量が過剰になると焼入性が向上して強度が上昇しすぎたり、Ｍｎが偏析することによってマルテンサイトなどの硬質組織が生成したりすることによって靭性が劣化する。そこでＭｎ量を２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．９％以下であり、より好ましくは１．８％以下である。
【００２１】
［Ｔｉ：０．０５〜０．３０％］
Ｔｉは、脱酸元素であり溶接金属を清浄にするとともに、アシキュラーフェライトと呼ばれる微細組織の生成核としても機能するため組織微細化にも寄与する元素である。そこでＴｉ量を０．０５％以上と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．０７％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になるとＴｉＣの析出強化によって靭性が劣化する。そこでＴｉ量を０．３０％以下と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．２８％以下であり、より好ましくは０．２５％以下である。
【００２２】
［Ｃｕ:０．２〜２．５％および／またはＮｉ：０．５〜３．５％］
ＣｕおよびＮｉは、溶接金属の強度および靭性を確保するのに有効な元素である。そこでＣｕ量を０．２％以上、Ｎｉ量を０．５％以上と定めた。Ｎｉ量は好ましくは１．０％以上であり、より好ましくは１．５％以上である。一方、Ｃｕ量やＮｉ量が過剰になると焼入性が向上して強度が上昇しすぎることによって靭性が劣化する。そこでＣｕ量を２．５％以下、Ｎｉ量を３．５％以下と定めた。Ｃｕ量は好ましくは２．３％以下、より好ましくは２％以下である。Ｎｉ量は好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．２％以下である。
【００２３】
［Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％］
ＣｒおよびＭｏは、溶接金属の強度を確保するのに有効な元素である。このような効果を有効に発揮するため、Ｃｒ量は０．１％以上とすることが好ましい（より好ましくは０．１５％以上）。またＭｏ量は０．５％以上と定めた。Ｍｏ量は好ましくは０．６％以上であり、より好ましくは０．７％以上である。一方、Ｃｒ量やＭｏ量が過剰になると焼入性が向上して強度が上昇しすぎることによって靭性が劣化する。そこでＣｒ量を１．０％以下、Ｍｏ量を１．５％以下と定めた。Ｃｒ量は好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．６％以下である。Ｍｏ量は好ましくは１．０％以下であり、より好ましくは０．８％以下である。
【００２４】
［Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５０％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒはいずれも強脱酸元素であり、脱酸作用により溶着金属を清浄にする作用を有する。このような効果を有効に発揮するため、Ｍｇ量を０．０００５％以上と定めた。Ｃａ量は０．０００５％以上とすることが好ましく（より好ましくは０．０００８％以上）、Ａｌ量は０．００３％以上とすることが好ましく、Ｚｒ量は０．０３％以上とすることが好ましい。一方、Ｃａ量は過剰になるとスパッタが増加し著しく作業性が劣化するため、０．００２０％以下と定めた。Ｃａ量は好ましくは０．００１８％以下、より好ましくは０．００１７％以下である。また、Ｍｇは後述するように酸化物を微細化する効果があるものの、Ｍｇ量が過剰になると微細な酸化物が凝集することによって粗大酸化物を形成してしまう。そこでＭｇ量を０．０２０％以下と定めた。Ｍｇ量は好ましくは０．０１８％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下である。Ａｌは後述するように粗大酸化物を形成しやすい元素であるため、Ａｌ量を０．０５０％以下と定めた。Ａｌ量は好ましくは０．０４５％以下であり、より好ましくは０．０４３％以下である。Ｚｒ量は過剰になると粗大な炭化物を形成し、かえって靭性を低下させるため、０．２％以下と定めた。
【００２５】
本発明に係るソリッドワイヤの基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｎ）がワイヤ中に含まれることは当然に許容される。さらに本発明に係るソリッドワイヤは必要に応じて、以下の任意元素を含有していても良い。
【００２６】
［Ｎｂ：０．０１２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．０１０％以下（０％を含まない）］
ＮｂおよびＶは組織を微細化することにより、溶接金属の強度を向上させる作用を有するが、ＮｂやＶの炭化物が析出すると延性を劣化させ、靭性の向上も妨げるので、含有する場合であってもできるだけ制限することが好ましい。従ってＮｂ量は好ましくは０．０１２％以下（より好ましくは０．００５％以下）であり、Ｖ量は好ましくは０．０１０％以下（より好ましくは０．００５％以下）である。なお、特に靭性向上の観点からはＮｂおよびＶは含有しない方が好ましい。
【００２７】
本発明のソリッドワイヤは上記のように化学成分組成が制御されているため、溶接施工条件を緩和した場合であっても溶接金属の十分な引張強度を確保することができるものである。
【００２８】
一方、溶接金属の靭性は、一般に溶接金属のミクロ組織に影響を受けるものであるが、特に７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼についてはミクロ組織の影響に加えて、酸化物の形態に大きく支配されるようになる。これは酸化物がボイドの起点として作用するためである。溶接金属の靭性を向上させるためには、溶接金属中の酸化物を微細に分散させることが有効であるが、本発明者らは、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒの６つの元素が酸化物の微細分散に大きく影響を与えていることを見出した。
【００２９】
より詳細には、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒの含有量を、下記（１）式で表されるＸ値が４．５≦Ｘ≦６．０となるように制御することによって、溶接金属の靭性を向上させることができる。
Ｘ＝２．５×［Ｍｎ］＋５×［Ｔｉ]＋５０×［Ｍｇ]−１００×［Ｃａ]−３０×[Ａｌ]＋２．５×［Ｚｒ]                                                  ・・・（１）
（但し、［Ｍｎ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］、［Ｚｒ]は、夫々Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｒの含有量（質量％）を表す。）
【００３０】
溶接金属中の酸化物のサイズは、（i）酸化物が形成され始める温度、（ii）酸化物を形成する元素の脱酸力、および（iii）形成された酸化物と溶鋼の濡れ性、等によって決定される。上記（１）式におけるＭｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＡｌおよびＺｒに乗ずる係数は数多くの基礎実験から算出されたものであり、前記（i）〜（iii）の因子を全て含めて各元素が酸化物のサイズに与える影響を反映したものである。
【００３１】
本発明において酸化物とは、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、またはＺｒの単独酸化物の他、少量のＳｉ酸化物を含む場合もあり、これらの酸化物が複合した酸化物も含む意味である。
【００３２】
上記（１）式で与えられるＸ値が４．５未満となると酸化物の個数は少ないものの大きさが粗大になり、６．０を超える場合は酸化物の大きさが微細になるものの個数が多くなるという傾向を示す。上記（１）式において、Ｍｎ、Ｔｉ、ＭｇおよびＺｒは正の係数を乗じており、ＣａおよびＡｌは負の係数を乗じている。すなわち、Ｍｎ、Ｔｉ、ＭｇおよびＺｒは酸化物の大きさを微細にする効果があるものの、含有量が過剰になると酸化物の個数が多くなる。一方、ＣａおよびＡｌは酸化物を粗大にする作用を有する。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３４】
表１、２に示す化学成分組成のワイヤを用意し（ワイヤ径：１．２ｍｍ）、図１（図１（ａ）は溶接前を表し、図１（ｂ）は溶接後を表す）に示した開先形状の鋼板を以下に示す溶接条件で溶接した。尚、表１、２には、不可避不純物中のＮ量だけは記載した。
【００３５】
【表１】
2010184295.tif 000002
【００３６】
【表２】
2010184295.tif 000003
【００３７】
［溶接条件］
電流                    ：２８０Ａ
電圧                    ：３５Ｖ
溶接速度                ：２５ｃｍ／ｍｉｎ
入熱量                  ：２４ｋＪ／ｃｍ
予熱温度およびパス間温度：２５０℃  
層数／パス数            ：５層／１０パス
シールドガス            ：１００％ＣＯ2
母材鋼板                ：ＨＴ７８０
【００３８】
［溶接金属の引張試験］
図２（ａ）に示す位置から、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に規定される１Ａ号試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って溶接金属の引張試験を行った。溶接金属の引張強度は７８０ＭＰａ以上を合格とした。
【００３９】
［溶接金属のシャルピー衝撃試験］
図２（ｂ）に示す位置から、ＪＩＳ  Ｚ２２４２に規定される１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍのサイズの試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ２２４２に従って０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ0）を求めた。ｖＥ0が７０Ｊ以上のものを合格とした。
【００４０】
その結果を表３、４に示す。
【００４１】
【表３】
2010184295.tif 000004
【００４２】
【表４】
2010184295.tif 000005
【００４３】
鋼種１〜１７はワイヤの化学成分およびＸ値が本発明で規定する範囲を満たしており、入熱量：２４ｋＪ／ｃｍ、パス間温度：２５０℃という施工条件でも溶接金属の引張強度と靭性を確保することができたものである。
【００４４】
一方、鋼種１８〜３０は化学成分またはＸ値のいずれかが本発明で規定する範囲を外れたため、溶接金属の靭性が低下している。
【００４５】
また鋼種３１は、引張強度および靭性は良好であったものの、Ｂを添加したため割れが発生した例である。さらに、鋼種３２は、引張強度は良好であったものの、Ｚｒ量が過剰になって靭性が低下した例である。
【図１】
2010184295.tif 000006
【図２】
2010184295.tif 000007