(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃが０．０３重量％以下、Ｓｉが０．０５重量％以下、Ｍｎが０．８０重量％以下、Ｔｉが０．００８重量％以下、Ｏが０．０２５重量％以下に規制され残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるソリッドワイヤを使用し、高純度Ａｒからなるシールドガスを供給してティグ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。
【請求項２】
Ｃが０．０３重量％以下、Ｓｉが０．０５重量％以下、Ｍｎが０．８０重量％以下、Ｔｉが０．００８重量％以下、Ｏが０．０２５重量％以下に規制され残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるソリッドワイヤを使用し、Ａｒガスに１乃至５体積％のＯ2ガスを混合した混合ガスを供給してミグ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。
【請求項３】
前記ソリッドワイヤ中のＣ含有量が０．０２重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項４】
前記ソリッドワイヤ中のＳｉ含有量が０．０２重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項５】
前記ソリッドワイヤ中のＭｎ含有量が０．２０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項６】
Ｃが０．０３重量％以下、Ｓｉが０．０５重量％以下、Ｍｎが０．８０重量％以下、Ｔｉが０．００８重量％以下、Ｏが０．０２５重量％以下に規制され残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項７】
前記Ｃ含有量が０．０２重量％以下であることを特徴とする請求項６に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項８】
前記Ｓｉ含有量が０．０２重量％以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項９】
前記Ｍｎ含有量が０．２０重量％以下であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプレス曲げ性、切断性及び研削性等の加工性が優れた溶接金属を得ることができるガスシールドアーク溶接方法及びガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物を溶接する場合の前提は、この構造物に荷重が印加されたときに溶接部ではなく母材の部分で破壊するように設計される。このため、従来、溶接部は一般的に母材よりも高い強度が要求される。そこで、ＪＩＳ  Ｚ３３１２の「軟鋼及び高張力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ」及びＪＩＳ  Ｚ３３１６の「軟鋼及び低合金鋼用ティグ溶接棒及びワイヤ」等に記載されているように、鋼材の溶接に使用される溶接材料は、４００Ｎ／ｍｍ2級、４９０Ｎ／ｍｍ2級、５７０Ｎ／ｍｍ2級の強度のレベルに応じて大きく分類されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接構造物の母材としては、ＪＩＳ  Ｇ３１１３のＳＡＰＨ３１０及びＳＡＰＨ３７０並びにＪＩＳ  Ｇ３１３１のＳＰＨＣ、ＳＰＨＤ及びＳＰＨＥ等のように、強度が４００Ｎ／ｍｍ2以下である鋼材を使用することも多く、これらの低強度母材に対して従来のワイヤを使用して溶接すると、溶接金属の強度が過剰になると共に、プレス曲げ性、切断性及びグラインダ又はフライス盤による研削性等の溶接金属の加工性が母材に対して大幅に低くなるという問題点がある。
【０００４】
溶接金属の加工性は、その強度が低いほど良好な傾向を有するが、従来のワイヤのうち、マグ溶接用のワイヤは、ＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１４又はＹＧＷ１７が引張強さ４２０Ｎ／ｍｍ2以上の強度用のソリッドワイヤであって、最も低強度の溶接材料である。また、ティグ溶接用のワイヤは、ＪＩＳ  Ｚ３３１６ＹＧＴ５０が引張強さ４９０Ｎ／ｍｍ2以上の強度用溶接棒及びワイヤであって、最も低強度の溶接材料である。
【０００５】
しかし、これらの溶接材料を使用した場合であっても、未だ加工性が十分な溶接金属を得ることはできていない。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、プレス曲げ性、切断性及び研削性等の加工性が優れた溶接金属を得ることができるガスシールドアーク溶接方法及び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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、Ｃが０．０３重量％以下、Ｓｉが０．０５重量％以下、Ｍｎが０．８０重量％以下、Ｔｉが０．００８重量％以下、Ｏが０．０２５重量％以下に規制され残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるソリッドワイヤを使用し、高純度Ａｒからなるシールドガスを供給してティグ溶接することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る他のガスシールドアーク溶接方法は、前記ソリッドワイヤを使用し、Ａｒガスに１乃至５体積％のＯ2ガスを混合した混合ガスを供給してミグ溶接することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、Ｃが０．０３重量％以下、Ｓｉが０．０５重量％以下、Ｍｎが０．８０重量％以下、Ｔｉが０．００８重量％以下、Ｏが０．０２５重量％以下に規制され残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１０】
前記ワイヤ中のＣ含有量は０．０２重量％以下であることが好ましく、Ｓｉ含有量は０．０２重量％以下であることが望ましい。また、前記ワイヤ中のＭｎ含有量は０．２０重量％以下であることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
一般的に、構造物を溶接する場合には、構造物母材の組成と同様の組成か又は類似した組成であって、母材よりも強度が高い溶接材料が使用される。しかし、溶接部に強い荷重が印加されない場合には、その溶接金属の強度を母材よりも低くし、その分加工性を高めることができる。即ち、従来の低強度の溶接材料により得られていた溶接金属の強度よりも溶接部の強度を小さくすることにより、加工性を高め、溶接金属の強度よりも、プレス曲げ性、切断性及びグラインダ又はフライス盤による研削性等の溶接金属の加工性を重視して、溶接ワイヤ組成を規定する。
【００１２】
しかし、従来の溶接材料においては、最も低強度の溶接金属が得られる溶接材料を選択しても、引張強さが４２０Ｎ／ｍｍ2未満である溶接金属を得ることはできず、母材と比較して、又は要求される強度と比較して溶接金属の強度が高くなりすぎて、十分な加工性を得ることができない。そこで、本発明においては、溶接金属の強度を向上させる効果を有する元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ及びＴｉ等の合金成分を低減する。これにより、低強度の溶接金属を得ることができ、溶接金属の加工性を向上させることができる。
【００１３】
なお、ガスシールドアーク溶接により構造物を溶接する場合に、ワイヤ中にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴｉ等の脱酸成分が含有されていないと、溶接金属が酸化して、ブローホール等の気孔欠陥が発生し、良好な形状の溶接金属を得ることができない。シールドガスがＣＯ2からなるものであると、シールドガスの酸化性が高くなるので、ワイヤ中に所定量の脱酸成分が必要となるが、シールドガス中のＡｒガス含有量を増加させて酸化性が低いガスを使用することにより、ワイヤ中の脱酸成分を低減することができる。
【００１４】
そこで、本発明においては、できるだけ酸化性が低い組成を有するシールドガスを使用すると共に、ワイヤ中の脱酸成分等の合金材料を低減することにより、高品質で気孔欠陥等が発生せず、低強度で加工性が優れた溶接金属を得る。
【００１５】
以下、本発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの組成限定理由について説明する。
【００１６】
Ｃ：０．０３重量％以下、好ましくは、０．０２重量％以下
Ｃは溶接金属に固溶することにより、強度を上昇させる元素である。低強度で柔らかい溶接金属を得るためには、ワイヤ中のＣ含有量をできるだけ低減することが好ましい。ワイヤ中のＣ含有量が０．０３重量％を超えると、溶接金属の強度が過剰になって、優れた加工性を得ることができない。従って、ワイヤ中のＣ含有量は０．０３重量％以下とする。なお、好ましくはワイヤ中のＣ含有量は０．０２重量％以下とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．０５重量％以下、好ましくは、０．０２重量％以下
ＳｉもまたＣと同様に、溶接金属に固溶することにより、強度を上昇させる元素である。また、Ｓｉは強脱酸剤として作用する元素であり、一般的なＣＯ2ガス又はＣＯ2ガスとＡｒガスとの混合ガスからなる酸化性が強いシールドガスを使用する場合には、溶接金属の酸化を防止するために、ワイヤ中のＳｉ含有量を０．１重量％以上とする必要がある。しかし、シールドガスを適切に選択することにより、ワイヤ中のＳｉ含有量を低減しても良好な形状の溶接金属を得ることができる。ワイヤ中のＳｉ含有量が０．０５重量％を超えると、溶接金属の強度が過剰になって、優れた加工性を得ることができない。従って、ワイヤ中のＳｉ含有量は０．０５重量％以下とする。なお、好ましくは、ワイヤ中のＳｉ含有量は０．０２重量％以下とする。
【００１８】
Ｍｎ：０．８０重量％以下、好ましくは、０．２０重量％以下
ＭｎもまたＣ及びＳｉと同様に、溶接金属に固溶することにより、強度を上昇させる元素である。また、Ｍｎは強脱酸剤として作用する元素であり、一般的なＣＯ2ガス又はＣＯ2ガスとＡｒガスとの混合ガスからなる酸化性が強いシールドガスを使用する場合には、溶接金属の酸化を防止するために、ワイヤ中のＭｎ含有量を１．０重量％以上とする必要がある。しかし、シールドガスを適切に選択することにより、ワイヤ中のＭｎ含有量を低減しても良好な形状の溶接金属を得ることができる。ワイヤ中のＭｎ含有量が０．８０重量％を超えると、溶接金属の強度が過剰になって、優れた加工性を得ることができない。従って、ワイヤ中のＭｎ含有量は０．８０重量％以下とする。なお、好ましくは、ワイヤ中のＳｉ含有量は０．２０重量％以下とする。
【００１９】
Ｔｉ：０．００８重量％以下
ＴｉはＣ、Ｓｉ及びＭｎと同様に、強脱酸剤として作用する元素である。また、ＴｉはＣ、Ｓｉ及びＭｎと比較して、強度を上昇させる効果は小さいが、溶接金属の表面近傍の原質部に酸化物を析出して硬さを向上させる。更に、Ｔｉは強固なスラグを形成する性質を有する。溶接金属の表面に強固なスラグが付着すると、溶接金属表面の研削性が劣化すると共に、スラグが付着した箇所においては溶接金属が凹んだ形状となるので、美観が損なわれる。溶接中の作業性においても、スラグが発生すると溶融スラグが邪魔となって溶接性を低下させる。これらのことから、ワイヤ中のＴｉ含有量はできるだけ低減することが好ましく、ワイヤ中のＴｉ含有量が０．００８重量％を超えると、スラグ発生量が著しく増加すると共に、溶接性が著しく低下する。従って、ワイヤ中のＴｉ含有量は０．００８重量％以下とする。
【００２０】
Ｏ：０．０２５重量％以下
ワイヤ中に含有されるＯは、シールドガスに含有されるＯと同様に、アーク雰囲気の酸化能を上昇させる。ワイヤ又はシールドガス中にＯが過剰に含有されていると、ブローホール等の気孔欠陥の発生及びスパッタ発生量の増加の原因となる。また、ワイヤ又はシールドガス中のＯ含有量が増加すると、溶接金属中の酸素量も増加して、靭性を低下させると共にスラグ量を増加させる。更に、Ｏ含有量が増加すると、ティグ溶接法により溶接する場合にタングステン電極の消耗が早くなる。これらのことから、ワイヤ中のＯ含有量はできるだけ低減することが好ましく、ワイヤ中のＯ含有量が０．０２５重量％を超えると、これによる影響が著しく高くなる。従って、ワイヤ中のＯ含有量は０．０２５重量％以下とする。
【００２１】
なお、ワイヤ中には、上記元素の他に不可避的不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｚｒ及びＢ等の元素が存在する。これらの元素は固溶及び析出等により溶接金属の強度を上昇させると共に、耐割れ性を低下させるものであるので、できるだけ低減することが好ましいが、各元素の含有量が０．１重量％までの範囲であれば、許容することができる。
【００２２】
また、本発明においては、ワイヤ表面のＣｕメッキの有無、粒界酸化等の表面形態及び表面塗布油の性状等は本発明の目的に影響を与えるものではないので、特に制限するものではない。更に、本発明においては、ワイヤの巻形状についても特に制限するものではなく、例えばスプール巻きワイヤ、パック入りワイヤ及び切断線（溶接棒）等を使用することができる。
【００２３】
次に、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法について説明する。
【００２４】
前述の如く、シールドガス中のＡｒガス含有量を増加させて、できるだけ酸化性が低い組成を有するシールドガスを使用することにより、高品質で気孔欠陥等が発生しない溶接金属を得ることができる。高純度Ａｒをシールドガスとして使用してティグ溶接すると、シールドガス中に酸素を含有せず、Ａｒ自身が不活性元素であるので、溶接金属が化学的反応を起こすことがない。従って、本発明に規定するワイヤのように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴｉ等の脱酸元素を含有しないワイヤを使用しても、気孔欠陥が発生することなく、極めて良好な品質の溶接金属を得ることができる。また、得られた溶接金属は固溶元素が極めて少ない組成となり、低強度で硬さが低いと共に、曲げ加工性及び研削性が優れており、溶接金属中の酸素及び窒素の含有量が少ないので靭性が良好なものとなる。
【００２５】
ティグ溶接のシールドガスとして、酸素、窒素及び水素等を含有したＡｒ純度が低いガスを使用した場合には、いずれもその溶接作業性が悪化して欠陥が発生しやすくなると共に、タングステン電極の消耗が早くなる。更に、シールドガス中に過剰に酸素、窒素及び水素を含有した場合には、溶接金属が酸化して気孔欠陥等が発生する。従って、本発明において規定するワイヤ（溶接棒）をティグ溶接に適用する場合には、高純度Ａｒをシールドガスとして使用するものとする。なお、高純度Ａｒガスとは、全ガス中のＡｒガスの含有量が９９．９９体積％以上であるガスをいう。
【００２６】
また、本発明において規定するワイヤは、脱酸元素が極めて少ないので、従来より一般的に使用されているＣＯ2ガス又は８０％のＡｒガスと２０％のＣＯ2ガスとの混合ガスをシールドガスとしてマグ溶接すると、酸化性が強くなりすぎて溶接金属が酸化して、気孔欠陥が発生する。５体積％以下の酸素ガスとＡｒガスとの混合ガスからなるシールドガスを本発明において規定するワイヤに対して使用すると、高品質の溶接金属を得ることができる。しかし、シールドガス中の酸素ガスの含有量が１体積％未満となると、消耗電極方式であるミグ溶接においては、アークの集中性が悪くなりアークが不安定になりやすい。従って、本発明において規定するワイヤをミグ溶接に適用する場合には、１乃至５体積％の酸素ガスとＡｒガスとの混合ガスをシールドガスとして使用するものとする。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係るガスシールドアーク溶接方法によりガスシールドアーク溶接を実施した試験結果について、その比較例による試験結果と比較して具体的に説明する。
【００２８】
図１（ａ）は溶接試験に使用した母材の形状を示す平面図であり、１（ｂ）はその断面図である。図１に示すように、先ず、端面に傾斜した切欠きを有するＪＩＳ  Ｇ３１１３  ＳＡＰＨ３１０鋼板１を２枚準備して、その傾斜面１ａ同士を対向させ傾斜面１ａの先端を６ｍｍ離間させた状態で２枚の鋼板１を配置することにより、２枚の鋼板１間に５０゜の開先角度を有する開先２を形成した。次に、開先２の裏面側にＪＩＳ  Ｇ３１１３  ＳＡＰＨ３１０材からなる裏当て材３を配置した後、開先２に対して種々の組成を有するソリッドワイヤ（溶接棒）を使用して、下記表１に示す溶接条件でガスシールドアーク溶接を実施し、溶接作業性を評価した。なお、本実施例においては、鋼板１の板厚を１２ｍｍとし、鋼板１の傾斜面１ａに平行な方向の長さを３５０ｍｍ、傾斜面１ａに直交する方向の長さを１２５ｍｍとした。また、裏当て材３の板厚を３ｍｍとした。
【００２９】
次に、得られた溶接金属について、下記表２に示す条件で、全溶接金属の引張試験、シャルピー衝撃試験、溶接金属表面のビッカース硬さ試験、耐摩耗性試験及びＸ線透過試験を実施することにより、引張強度、シャルピー吸収エネルギー、表面硬さ、比摩耗量及びブローホールの発生数を測定した。ワイヤの化学組成、溶接方法及び使用したシールドガスの種類を下記表３及び４に示し、溶接作業性及び各機械的試験の評価結果を下記表５乃至８に示す。なお、下記表６及び８に示す溶接作業性の評価結果欄においては、スラグ量、アークの安定性、スパッタ発生量、タングステン電極の耐消耗性等を官能により評価し、良好である場合を○、不良である場合を×とした。また、溶接金属の機械的性能については、０．２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ2以下、引張強さが４００Ｎ／ｍｍ2以下、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが４７Ｊ以上、ビッカース硬さが１４０以下、比摩耗量が１０×１０-3ｍｍ2／ｋｇ以上である場合を、夫々、良好であると判断した。更に、ブローホールは１個以上発生した場合を不良であると判断した。
【００３０】
【表１】
0003642942.tif 000002
【００３１】
【表２】
0003642942.tif 000003
【００３２】
【表３】
0003642942.tif 000004
【００３３】
【表４】
0003642942.tif 000005
【００３４】
【表５】
0003642942.tif 000006
【００３５】
【表６】
0003642942.tif 000007
【００３６】
【表７】
0003642942.tif 000008
【００３７】
【表８】
0003642942.tif 000009
【００３８】
上記表３乃至８に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１６はワイヤの化学組成が適切に規制されており、溶接方法及びシールドガスが適切に選択されているので、得られた溶接金属の引張強さが４００Ｎ／ｍｍ2以下になると共に、０．２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ2となり、曲げ等の成形性が優れたものとなった。また、表面硬さが１４０以下であるので、比摩耗量も１０×１０-3ｍｍ2／ｋｇ以上となり、研削性が優れたものとなった。更に、吸収エネルギーがｖＥ０℃が４７Ｊ以上となり、ブローホールも発生せず、良好な溶接作業性を得ることができた。
【００３９】
一方、比較例Ｎｏ．１７はワイヤ中のＣ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接金属の強度及び表面硬さが高くなり、比摩耗量が所望の値よりも低くなった。従って、溶接金属の成形性及び研削性が実施例と比較して低いものとなった。比較例Ｎｏ．１８及び１９はワイヤ中のＳｉ又はＭｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、比較例Ｎｏ．１７と同様に、溶接金属の強度及び表面硬さが高くなると共に、比摩耗量が減少した。従って、溶接金属の成形性及び研削性が低下した。比較例Ｎｏ．２０はワイヤ中のＴｉ含有量が本発明範囲の上限を超えており、強度は高くないが析出物によって表面硬化性が増加して、表面硬さが所望の値を超え、比摩耗量も減少した。従って、研削性が低いものとなった。また、Ｔｉが過剰に添加されているので、スラグの発生量が増加し、ティグ溶接時の作業性が著しく劣化した。
【００４０】
比較例Ｎｏ．２１は、ＪＩＳ  Ｚ３３１６のＹＧＴ５０に属する代表的な溶接ワイヤであるが、Ｃ、Ｓｉ及びＭｎ含有量が本発明範囲を大きく超えているので、溶接金属の強度及び表面硬さが高くなると共に、比摩耗量が極めて小さいものとなった。従って、成形性及び研削性が低いものとなった。比較例Ｎｏ．２２乃至２４はミグ溶接により溶接金属を形成したものであり、比較例Ｎｏ．２２はワイヤ中のＣ及びＭｎ含有量が本発明範囲の上限を超えており、比較例Ｎｏ．２３はＳｉ含有量が本発明範囲の上限を超えている。また、比較例Ｎｏ．２４は、ＪＩＳ  Ｚ３３１２のＹＧＷ１７に属するワイヤの１つであるが、Ｃ、Ｓｉ及びＭｎ含有量が本発明範囲の上限を超えている。従って、比較例Ｎｏ．２２乃至２４は、いずれも溶接金属の強度及び表面硬さが高く、比摩耗量が小さくなり、これにより、成形性及び研削性が低いものとなった。
【００４１】
比較例Ｎｏ．２５はワイヤ中のＯ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接金属が過剰に酸化されて、ブローホールが発生すると共に、靭性が悪化した。比較例Ｎｏ．２６は、ティグ溶接用のワイヤの化学組成は本発明の範囲内であるが、使用したシールドガスに１％のＯ2ガスが添加されているので、アーク温度が上昇して、タングステン電極の先端が消耗しやすくなると共に、アークの集中性が低下した。また、溶融したタングステン電極が溶接金属上に落下して、欠陥となった。比較例Ｎｏ．２７は溶接ワイヤの化学組成は本発明の範囲内であるが、ミグ溶接のシールドガス中のＯ2ガス含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークの安定性が悪くなり、アーク長の変動が大きいことによりスパッタの発生量が増加した。
【００４２】
比較例Ｎｏ．２８は溶接ワイヤの化学組成は本発明の範囲内であるが、ミグ溶接のシールドガス中のＯ2ガス含有量が本発明範囲の上限を超えているので酸化性が強くなり、溶接金属が酸化してブローホールが発生すると共に、溶接金属の靭性が低下した。また、スパッタ発生量が著しく増加して、溶接作業性が悪くなった。比較例Ｎｏ．２９及び３０はシールドガスとして一般的に使用されている８０％のＡｒガスと２０％のＣＯ2ガスとの混合ガス、又はＣＯ2ガスを使用したものであるので、酸化性が強くなりすぎて、ブローホールが発生すると共に、靭性が劣化し、スパッタ発生量等の溶接作業性が劣化した。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの化学組成を適切に規定しているので、プレス曲げ性、切断性及び研削性等の加工性が優れた溶接金属を得るために適したワイヤを得ることができる。また、本発明方法によれば、ワイヤの化学組成を適切に規定すると共に、溶接方法に応じて使用するシールドガスの組成を適切に選択しているので、溶接時の溶接作業性が優れていると共に、加工性が優れた溶接金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は溶接試験に使用した母材の形状を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１；鋼板
２；開先
３；裏当て材
【図１】
0003642942.tif 000010