(57)【要約】      （修正有）【課題】薄鋼板のギャップが大きい場合においても高速の溶接が可能で、溶滴の移行およびアークが安定し、ビード形状が良好でスパッタ発生量およびスラグ発生量が少ない薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。【解決手段】Ｓｅ：０．００５〜０．１００％、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．００５〜０．０７０％を含有し、さらに必要に応じてＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計を０．０２０％以下含有し、下記（１）式において各元素を質量％としたとき、Ａの値が１５以下である薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。Ａ＝｛Ｓｅ＋１．２５（Ｓ＋Ｏ）｝／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）×１００（１）【選択図】図１
2010064140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｅ：０．００５〜０．１００％、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．００５〜０．０７０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、その他がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式において各元素を質量％としたとき、Ａの値が１５以下であることを特徴する薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
Ａ＝｛Ｓｅ＋１．２５（Ｓ＋Ｏ）｝／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）×１００    ・・・（１）
【請求項２】
ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計を０．０２０％以下含有することを特徴とする請求項１記載の薄鋼板のガスシールドアーク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、薄鋼板たとえば板厚０．６〜５．０ｍｍの鋼板において、ＣＯ２ガスシールドのショートアーク溶接またはＡｒ、ＣＯ２、Ｏ２等を組み合わせたシールドガスのパルスアーク溶接に使用し、特に高速溶接および溶接部の間隙（以下、ギャップという）が大きい場合においてもアークが安定し、スパッタ発生およびスラグ発生量が少なく、良好なビード形状が得られる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好なビード形状が得られることから薄鋼板の溶接に広く適用されている。一般的にはＣＯ２をシールドガスとして用いたショートアーク溶接方法が用いられるが、スパッタ発生量の低減および高速溶接性確保の面から、主成分をＡｒガスとし、これにＣＯ２を混合、更にはＯ２ガスを混合させたシールドガスを使用したパルスＭＡＧ溶接方法が近年増加している。これらの溶接は生産性の向上から高速度で高電流の溶接条件で施工され、良好な溶接ビードを形成し健全な溶接継手を作製している。
【０００３】
パルスＭＡＧ溶接とは、平均溶接電流より高電流となるピーク電流と平均電流より低電流としたベース電流を周期的に付加する溶接方法である。このようにしてピーク電流期間でワイヤを溶融し、ベース電流期間で溶滴を溶融池に移行させることにより、平均のアーク電圧が低い場合でも溶滴が溶融池と短絡することなく溶滴を移行させることができる。パルスＭＡＧ溶接においては、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間の積からなるワイヤの溶融エネルギーを適正にすることにより、１回のパルスピーク電流時に１個の溶滴を生成させ、ベース電流期間に溶滴を移行させる。このような１パルス−１ドロップ移行となるパルス条件により、溶滴はスムーズに溶融池に移行しスパッタ発生量が低減される。
【０００４】
一方、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間の積とワイヤを溶融するエネルギーとが不均衡になると、溶滴移行時期がベース電流期間およびピーク電流期間に不連続に発生することになり、溶滴移行はスムーズに行われることがなく、スパッタとして飛散することになる。また、特に高速度の溶接においてはアンダカットが発生しやすく、これを抑制する手段としてアーク電圧を低下した条件を採用することが一般的であるが、短いアーク長ではパルスＭＡＧ溶接法でもスプレーアークとはならず、ベース期間中に短絡が生じスパッタが発生してしまう。高速度の溶接においてはアンダカットおよびハンピングを防止し、スパッタの発生を抑制するためにアーク長をできる限り短くしても短絡が生じず、安定な溶滴移行を実現できるワイヤが必要となっている。
【０００５】
さらに近年、ガスシールドアーク溶接による溶接構造物には、高品質化、高効率化が要求されている。例えば、自動車業界においては環境負荷低減のため、燃費向上を目的とした鋼材の重量軽減が行われてきている。鋼材の重量を軽減するために使用する鋼材は厚さが薄くても強度が確保できる高強度材の需要が増しつつある。鋼材の高強度化により鋼板のスプリングバックが大きくなるため、施工面では溶接部のギャップが広くなってしまう。そのため、耐ギャップ性能の良好なワイヤが望まれている。
【０００６】
耐ギャップ性能には溶融金属の表面張力と粘性が大きく作用する。表面張力を低下することでビード幅を広くし、粘性を増大させることでビードを垂れ落ちにくくすることが重要である。そのため溶融金属の表面張力と粘性を適正化し、ギャップを架橋できる広いビード幅を得ることができ、さらに溶け落ちしにくく良好なビード形状が実現できるワイヤが必要となっている。
【０００７】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢でギャップＧがある場合のビード形状状態の例を示す。図１（ａ）は、溶け落ちやビードの垂れがなく良好なビード形状の溶接金属３が得られた例である。図１（ｂ）は、アンダカット４が生じた例、図１（ｃ）は、溶接金属が前板１側に垂れた例である。図１（ｄ）は、後板が溶け落ちた例、図１（ｅ）は、溶接金属が前板１と後板２の間のギャップＧに垂れ落ちた例である。このように、重ね継手部のギャップＧが大きい場合はアンダカットが生じたり溶接金属が垂れやすくなり、良好な溶接ビード形成が困難という問題があった。
【０００８】
このような背景から、薄板鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤとして特開２００７−３１３５５８号公報（特許文献１）に、ワイヤ成分を高Ｓとして高速溶接においても広幅なビード形状が安定して得られるという技術が開示されている。本技術は、Ｓにより溶接金属の後方への流速を低減させ、幅方向への湯流れを促進することで、幅の広いビードを得ることができるというものである。しかし、Ｓは高温割れを引き起こすだけではなく、Ｓの添加に伴い硫化物が粗大化し、材料の強度および靭性を低下させる。そこで、対策としてワイヤのＭｎ量およびＴｉ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ量の規定を行い、高温割れを防止するとしている。しかし、規定のＭｎ量では高温割れの抑制には不十分であった。さらに、Ｓは溶融金属の粘性を大きく低下させ、ギャップが広い溶接ではビードの溶け落ちが生じるため、耐ギャップ性能については不十分であった。
【０００９】
また、特開平７−２５６４８４号公報（特許文献２）には、ワイヤ中にＳｅを０．００２０〜０．００５０％添加し、高電流炭酸ガスアーク溶接においてスパッタ発生量を減少させる技術の開示がある。しかし、混合ガスを使用しての高速溶接時の耐ギャップ性能については全く認識されておらず、Ｓｅ添加量も不十分である。
【００１０】
特開昭６１−１５９２９６号公報（特許文献３）には、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＴｉからなる組成にＳ＋Ｏ等の成分を添加し、各成分の量を最適化することでスパッタを減少させるという技術の開示がある。しかし混合ガスでの高速溶接時の耐ギャップ性能については全く認識されておらず、ギャップを有する箇所の高速溶接ではアークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード形状も不満足であった。
【特許文献１】特開２００７−３１３５５８号公報
【特許文献２】特開平７−２５６４８４号公報
【特許文献３】特開昭６１−１５９２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、薄鋼板のギャップが大きい場合においても高速度の溶接が可能で、ビード形状を平滑で良好にすると共に高温割れの発生を抑止し、溶滴が小さくかつ安定して規則的に移行することでスパッタ発生量およびスラグ発生量が極めて少ない薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の要旨は、質量％で、Ｓｅ：０．００５〜０．１００％、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．００５〜０．０７０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、その他がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式において各元素を質量％としたとき、Ａの値が１５以下であることを特徴する。
Ａ＝｛Ｓｅ＋１．２５（Ｓ＋Ｏ）｝／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）×１００    ・・・（１）
また、ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計を０．０２０％以下含有することも特徴とする薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、薄鋼板のガスシールドアーク溶接においてギャップが大きい場合においても高速度の溶接が可能で、アークが安定しスパッタ発生量が極めて少なく、溶接部の手直しがなく、さらにビード形状が平滑で美しく、高温割れが発生しない健全な溶接金属を得る溶接が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤについて詳細に説明する。
本発明者らは上記の問題点を解決するために、各種成分の異なるワイヤを試作して、表１に示す成分のＪＩＳ  Ｇ３１３１  ＳＰＣＣの板厚２．３ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板を、図２に示すようにテーパ型スペーサ５を後板２と前板１に挟んでギャップ長さＧ１＝２ｍｍ、Ｇ２＝４ｍｍのテーパギャップを形成した横向重ね継手とし、表２に示す各種溶接条件で高速度の溶接を行い、アーク状態、ビード形状、スパッタ発生状況および耐ギャップ性能につき詳細に調査した。
【００１５】
【表１】
2010064140.tif 000003
【００１６】
【表２】
2010064140.tif 000004
【００１７】
なお、表２の溶接条件ＡはＣＯ２溶接、溶接条件ＢはＡｒ−１０％ＣＯ２ガスを用いたＭＡＧ溶接、溶接条件ＣはＡｒ−２０％ＣＯ２ガスを用いたＭＡＧ溶接、溶接条件ＤはＡｒ−１０％ＣＯ２ガスを用いたパルスＭＡＧ溶接および溶接条件ＥはＡｒ−２０％ＣＯ２ガスを用いたパルスＭＡＧ溶接である。
【００１８】
その結果、ワイヤ成分を適正な範囲にすることにより、表２に示すいずれの溶接条件においても良好な溶接ができることが判明した。すなわちワイヤにＳｅを適量添加し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｏ量を適正化し、ＴｉおよびＡｌ量を調整したワイヤとすることによって、アークの安定性、溶融金属の粘性および表面張力が適正化され、スパッタ発生量の減少、高温割れの防止効果およびギャップを有していても広幅で平滑なビードが得られることを見出した。
以下、本発明におけるワイヤ組成とその含有量の限定理由について説明する。
【００１９】
［Ｓｅ：０．００５〜０．１００質量％］
Ｓｅは溶融金属の表面張力を低下させる作用があり、それにより溶滴の細粒化しビードの平滑性およびビード止端部の濡れ性を大きく向上することができる。また、表面張力が低下することで溶融池の湯流れを変化させ、スラグ発生量を低減することができ、さらにビードが広幅となるため良好な耐ギャップ性能が得られる。Ｓｅが０．００５質量％（以下、％という）未満ではそれら効果が不十分で、溶滴が大きくなりアークが不安定になるためスパッタ発生量およびスラグ発生量が多くなる。一方、０．１００％を超えると溶滴の表面張力が過度に低下し、パルスＭＡＧ溶接の場合溶滴が１パルス−１ドロップではなく、１パルスに対し複数の溶滴が形成されるため、スパッタ発生量が多くなる。また、溶融金属が垂れやすくなり、特にギャップがある溶接ではビード形状が不良となる。
【００２０】
［Ｃ：０．０２〜０．１５％］
Ｃはアークを安定化し溶滴を細粒化する作用があり、０．０２％未満では溶滴が大きくなってアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。一方、０．１５％を超えると溶融金属の粘性が低くなり溶融金属が垂れてビード形状が不良となる。また、スパッタ発生量が増加するばかりではなく、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化する。
【００２１】
［Ｓｉ：０．１０〜１．００％］
Ｓｉは溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、ワイヤの電気抵抗を増大させてワイヤの溶融量を増加させる。また、溶融金属中にＳｉおよびＯの微細介在物を生成することで、溶融金属の粘性を増大させる効果が大きい元素である。これによって良好な耐ギャップ性能が得られる。しかし、Ｓｉが０．１０％未満では上記効果が得られない。一方、１．００％を超えると溶融金属の粘性が過度に上昇するため溶接速度が大きくなると溶融金属が追従できず、ハンピングビードとなりやすい。また、高温割れが発生しやすくなる。
【００２２】
［Ｍｎ：１．００〜２．００％］
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘性を高くし表面張力を低下させる効果がある。また、ＦｅＳなどの低融点化合物が生成される前にＭｎＳとしてＳを固定することで高温割れ防止効果がある。Ｍｎが１．００％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生しやすくなると共に、溶融金属が垂れて十分な耐ギャップ性が得られない。また、表面張力が高くなり溶滴が粗大化するためスパッタ発生量が多くなる。一方、２．００％を超えると、溶融金属の粘性が過度に上昇するため溶接速度が大きくなると溶融金属が追従できず、ハンピングビードとなりやすい。
【００２３】
［Ｓ：０．００５〜０．０７０％］
ＳはＳｅと同様に溶融金属の表面張力を低下させる作用があり、それにより溶滴を細粒化し、ビードの平滑性およびビード止端部の濡れ性を大きく向上することができる。また、表面張力が低下することで溶融池の湯流れを変化させ、スラグ発生量を低減することができ、さらにビードが広幅となるため良好な耐ギャップ性能が得られるが、高温割れ感受性を高める元素でもある。Ｓが０．００５％未満ではビード改善の効果が不十分で、溶滴が大きくなりアークが不安定になるためスパッタ発生量およびスラグ発生量が多くなる。一方、０．０７０％を超えると高温割れが発生しやすくなる。また、溶滴の表面張力が過度に低下し、パルスＭＡＧ溶接では溶滴が１パルス−１ドロップではなく、１パルスに対し複数の溶滴が形成されるため、スパッタ発生量が多くなると共に、溶接金属が垂れやすくなり、特にギャップがある溶接ではビード形状が不良となる。
【００２４】
［Ｐ：０．０３０％以下］
Ｐは０．０３０％を超えると溶接金属の耐割れ性が劣化する。
［Ｏ：０．０１０％以下］
Ｏは溶融金属の表面張力を低下させる元素であるが、０．０１０％を超えると、ワイヤ製造時にワイヤ表面に亀裂が生じ溶接時にワイヤ表面の銅めっきが剥離してチップ詰まりが生じやすくなる。
【００２５】
［Ａの値：１５以下］
さらに、溶融金属の表面張力と粘性のバランスをとるために、溶融金属の表面張力を低下させるＳｅ、ＳおよびＯそれぞれの含有量が表面張力に作用する割合と、溶融金属の粘性を高めるＳｉおよびＭｎそれぞれの含有量が粘性に作用する割合との比として下記（１）式を得た。下記（１）式において各元素を質量％としたとき、Ａの値が１５以下になるように各合金成分の添加量を調整すると、表面張力と粘性のバランスが最適となり、ビード形状が平滑で安定すると共に良好な耐ギャップ性能が得られ、高温割れが生じず良好な溶接継手が得られる。 
Ａ＝｛Ｓｅ＋１．２５（Ｓ＋Ｏ）｝／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）×１００    ・・・（１）
【００２６】
ここで溶融金属の表面張力を低下させるＳｅ、ＳおよびＯ含有量が多くてＡの値が１５を超えると、溶融金属の表面張力が極端に低下してビードの垂れが生じる。一方、溶融金属の粘性を高めるＳｉおよびＭｎ含有量が少なくてＡが１５を超えると、溶融金属の粘性が足らずビードの垂れが生じ耐ギャップ性が低下する。
【００２７】
［ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計：０．０２０％以下］
ＴｉおよびＡｌの１種または２種を微量含有させることによって、溶融金属中の酸化物（介在物）が多くなり粘性が適正となって耐ギャップ性が良好となる。しかし、０．０２０％を超えると溶融金属中の酸化物が多くなりすぎて凸ビードとなり耐ギャップ性が得られない。
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
【実施例】
【００２８】
表３に示す各種成分のワイヤ径１．２ｍｍのソリッドワイヤを試作した。表１に示した成分のＪＩＳ  Ｇ３１３１  ＳＰＣＣの板厚２．３ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板を、図２に示すようにテーパ型スペーサ５を後板２と前板１に挟んでギャップ長さＧ１＝２ｍｍ、Ｇ２＝４ｍｍのテーパギャップを形成した横向重ね継手とし、表２に示した溶接条件ＥのパルスＭＡＧで溶接した。
【００２９】
【表３】
2010064140.tif 000005
【００３０】
なおパルス用溶接電源は溶接電流（ベース電流とピーク電流との平均的な電流）増減のためのワイヤ送給速度の調整と、ピーク電流とピーク時間の設定をすることができ、平均溶接電流値に従って数十Ｈｚないし３００Ｈｚのパルス周波数となるものであるが、各試作ワイヤとも１パルス−１ドロップ移行のパルスＭＡＧ溶接ができるようにパルスピーク電流値とパルスピーク時間を設定した。
溶接は図３に示すように、ワイヤ狙い位置６は前板１側の鋼板板厚の中心、トーチ７の角度θは３０°で、ギャップ長さＧ１（２ｍｍ）側からスタートして溶融金属が架橋できなくなるところまで溶接可能ギャップとした。
【００３１】
溶接結果としては各ワイヤによる溶接可能ギャップ長さ、アークの安定性およびビード形状を調査した。上記の溶接可能ギャップ長さは３．５ｍｍ以上を良好とした。また、スパッタ発生量も調査したが、これは銅製の捕集箱を用いて、図２に示す横向重ね継手のギャップ長さＧ１を２ｍｍの一定として表２に示す溶接条件Ｅで５回溶接し、１分間当たりのスパッタ発生量を算出した。これによりスパッタ発生量が０．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。スラグ発生量はスパッタ発生量調査と同様のビードを用いて、ビード表面のスラグ付着状態を計測し、ビード表面積に対するスラグの付着面積が１０％以下を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００３２】
【表４】
2010064140.tif 000006
【００３３】
表３および表４中、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ２０は比較例である。
本発明例であるワイヤＷ１〜Ｗ８は、Ｓｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｏ、Ｔｉ、Ａｌ量およびＡの値も適正であるので、アークが安定し、溶融金属の粘性および表面張力が適正で溶接可能ギャップが広く、スパッタ発生量が少なく外観の良好なビードが得られると共に高温割れの発生もなく極めて満足な結果であった。
【００３４】
比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、Ｃが少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、ＴｉとＡｌの合計量が多いので粘性が高く凸ビードになり、溶接可能ギャップも狭かった。
ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが多いので溶融金属が垂れてビード形状が不良で溶接可能ギャップも狭かった。また、スパッタ発生量が多く高温割れも生じた。
【００３５】
ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｓｉが少ないので溶接可能ギャップが狭かった。
ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが多いのでハンピングビードとなり、アークが不安定で溶接可能ギャップが狭く、高温割れも生じた。
【００３６】
ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｍｎが少ないのでスパッタが多く発生した。また、溶融金属の垂れが生じて溶接可能ギャップも狭かった。
ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｎが多いのでハンピングビードとなり、アークが不安定で溶接可能ギャップも狭かった。
【００３７】
ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｓが少ないのでビード止端のなじみが悪く凸ビードでとなり溶接可能ギャップが狭く、スラグ発生量も増加した。
ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｓが多いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多く、溶融金属が垂れた。また、高温われも生じた。
【００３８】
ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｓｅが少ないのでビード止端のなじみが悪く凸ビードになり、溶接可能ギャップも狭く、スパッタおよびスラグ発生量も多かった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｓｅが多いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多く、溶融金属が垂れて溶接可能ギャップも狭かった。
【００３９】
ワイヤ記号Ｗ１９は、｛Ｓｅ＋１．２５（Ｓ＋Ｏ）｝の値が高くてＡの値が高いので、溶融金属が垂れた。
ワイヤ記号Ｗ２０は、（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）の値が低くてＡの値が高いので、溶融金属が垂れて溶接可能ギャップも狭かった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（ａ）ないし（ｅ）は、それぞれ薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢でギャップがある場合のビード形成状態の例を示す図である。
【図２】本発明の実施例に用いた横向重ね継手の試験板を示す図である。
【図３】本発明の実施例における横向重ね継手部のワイヤ狙い位置を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    前板
２    後板
３    溶接金属
４    アンダカット
５    スペーサ
６    ワイヤ狙い位置
７    トーチ
Ｇ    ギャップ長さ
θ    トーチ角度
【図１】
2010064140.tif 000007
【図２】
2010064140.tif 000008
【図３】
2010064140.tif 000009