(57)【要約】  【課題】  大入熱がおよび高パス間温度で連続多層盛溶接しても、スラグ剥離性等が良好で健全な溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用ワイヤを提供する。  【解決手段】  ソリッドワイヤにおいて、Ｃ：０．０４〜０．０９％、Ｓｉ：０．５５〜１．００％、Ｍｎ：１．５５〜２．４０％、Ｓ：０．００６〜０．０１５％、Ｍｏ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２５％、Ｂ：０．００４〜０．０１０％、Ａｌ：０．０２％以下を含有し、下記（１）式で示すＰｓｒを０．１９以上、下記（２）式で示すＰｓｖを１．８６以下とする。Ｐｓｒ＝0.55−Ｃ−0.2Ｓｉ＋0.1Ｍｎ＋6.3Ｓ−0.2Ｍｏ−1.4Ｔｉ−1.6Ａｌ−7.3Ｂ                                                                 ・・・・（１）Ｐｓｖ＝0.75Ｓｉ＋0.37Ｍｎ＋0.21Ｍｏ＋1.27Ｔｉ＋0.94Ａｌ＋1.59Ｂ  ・・・・（２）  【選択図】    図１
2006150437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスシ−ルドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％でＣ：０．０４〜０．０９％、Ｓｉ：０．５５〜１．００％、Ｍｎ：１．５５〜２．４０％、Ｓ：０．００６〜０．０１５％、Ｍｏ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２５％、Ｂ：０．００４〜０．０１０％、Ａｌ：０．０２％以下を含有し、Ｐ：０．０２０％以下で、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ各成分を質量％としたとき下記（１）式で示すスラグ剥離指数Ｐｓｒが０．１９以上、下記（２）式で示すスラグ生成指数Ｐｓｖが１．８６以下であることを特徴とするガスシ−ルドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
Ｐｓｒ＝0.55−Ｃ−0.2Ｓｉ＋0.1Ｍｎ＋6.3Ｓ−0.2Ｍｏ−1.4Ｔｉ−1.6Ａｌ−7.3Ｂ
・・・・（１）
Ｐｓｖ＝0.75Ｓｉ＋0.37Ｍｎ＋0.21Ｍｏ＋1.27Ｔｉ＋0.94Ａｌ＋1.59Ｂ  ・・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼に使用するガスシールドアーク溶接用ワイヤに係り、特に大入熱および高パス間温度の溶接施工条件で連続多層盛溶接しても、ワイヤ送給性およびスラグ剥離性が良好で、かつ耐溶接割れ性と機械的性質に優れた健全な溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
建築鉄骨分野の柱―梁仕口や柱―ダイアフラムの接合には、ソリッドワイヤによる炭酸ガスを使用したマグ溶接法が適用され、特に４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼に対しては最大入熱が４０ｋＪ／ｃｍおよび最高パス間温度が３５０℃の溶接施工条件で使用可能なＪＩＳ  Ｚ３３１２に規定されるＹＧＷ１８該当のワイヤが広く使用されている。
【０００３】
ＹＧＷ１８該当ワイヤは、このような大入熱・高パス間温度の溶接施工条件下でも所定の機械的性質を有する溶接金属を得るために、相対的に多量の合金元素が添加されている。例えば、特開平１０−２３０３８７号公報（特許文献１）、特開平１１−９０６７８号公報（特許文献２）、特開平１１−１０４８８６号公報（特許文献３）、特開平１１−２３９８９２号公報（特許文献４）および特開２００１−２８７０８６号公報（特許文献５）に記載の溶接用ワイヤは、Ｓｉ、ＭｎやＴｉの合金元素を相対的に多く含有し、またＭｏを添加することもあり、さらにＢ添加による組織改善作用を積極的に利用して強度および靭性の向上が図られているものが一般的である。
【０００４】
しかしながら、このような高合金化を図った溶接用ワイヤは、溶接時に酸化消耗されてスラグ化される合金量も多くなることから、当然、比較的合金量が少ないＪＩＳ  Ｚ３３１２に規定されるＹＧＷ１１該当の溶接用ワイヤと比べてスラグ発生量が多くなる。また、酸化消耗しやすいＢやＴｉなどの成分がスラグ中に含有される比率が高くなることにより、剥離性の悪いスラグ質へと変化してしまう。通常、スラグ剥離性は温度依存性があり、スラグ除去時の温度が高ければ高いほどスラグがビード表面に焼き付く傾向が強くなり、その剥離性が悪くなる。したがって、機械的性質の観点から大入熱および高パス間温度の溶接条件での施工に対応できるように成分設計された前述のＹＧＷ１８該当ワイヤは、溶接作業上大きな問題があった。
【０００５】
一方、鉄骨の溶接では対象部材の板厚が１６〜４０ｍｍ程度と厚いことから、特に柱−ダイアフラムの溶接には鉄骨溶接用のロボットが導入される場合が多く、２４時間無人稼動による溶接コストの削減や品質の安定化が図られている。
【０００６】
このようなロボットを用いた溶接においては、スラグチッパー（直径3ｍｍ×12本程度の多針が約４０００回／分の前後往復振動し、その衝撃でスラグを剥離させる）と呼ばれる全自動スラグ除去装置によるスラグ除去作業との併用により、無人稼動の溶接が可能となる。通常、溶接層数の３層目まで連続多層溶接が行われ、ワークの温度が２５０℃程度になった状態でスラグ除去作業が行われ、引き続き溶接と一定の頻度でスラグ除去作業が繰り返される。
【０００７】
しかしながら、前述のスラグ発生量が多くかつスラグ剥離性の悪い溶接用ワイヤを溶接ロボットで使用した場合、溶接ビード表面へのスラグ堆積の影響や、あるいはスラグ除去を行っても残留したスラグの影響によって、無人稼動の溶接に支障をきたすことがあった。すなわち、スラグ生成量が多くなることやスラグ剥離性が不良になることに起因して溶接停止回数が増加する傾向、また溶接欠陥の発生頻度が高くなる傾向となり、稼動面および品質面でその信頼性を低下させる要因となっていた。また、半自動溶接で使用した際にも、そのスラグ除去作業に要する時間が多くなったりして、溶接能率の大きな妨げとなっていた。さらに、チップの摩耗量が多くなりワイヤ送給性が不良になることもあった。
【特許文献１】特開平１０−２３０３８７号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６７８号公報
【特許文献３】特開平１１−１０４８８６号公報
【特許文献４】特開平１１−２３９８９２号公報
【特許文献５】特開２００１−２８７０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、特に大入熱がおよび高パス間温度の溶接施工条件で連続多層盛溶接しても、ワイヤ送給性およびスラグ剥離性が良好で、かつ耐溶接割れ性と機械的性質に優れた健全な溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用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】
【０００９】
本発明の要旨は、ガスシ−ルドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％でＣ：０．０４〜０．０９％、Ｓｉ：０．５５〜１．００％、Ｍｎ：１．５５〜２．４０％、Ｓ：０．００６〜０．０１５％、Ｍｏ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２５％、Ｂ：０．００４〜０．０１０％、Ａｌ：０．０２％以下を含有し、Ｐ：０．０２０％以下で、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ各成分を質量％としたとき下記（１）式で示すスラグ剥離指数Ｐｓｒが０．１９以上、下記（２）式で示すスラグ生成指数Ｐｓｖが１．８６以下であることを特徴とするガスシ−ルドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
Ｐｓｒ＝0.55−Ｃ−0.2Ｓｉ＋0.1Ｍｎ＋6.3Ｓ−0.2Ｍｏ−1.4Ｔｉ−1.6Ａｌ−7.3Ｂ
・・・・（１）
Ｐｓｖ＝0.75Ｓｉ＋0.37Ｍｎ＋0.21Ｍｏ＋1.27Ｔｉ＋0.94Ａｌ＋1.59Ｂ  ・・・・（２）
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤによれば、最大溶接入熱が４０ｋＪ／ｃｍおよび最高パス間温度が３５０℃の溶接施工条件の連続多層盛溶接を行っても、チップの摩耗量が少なくワイヤ送給性が良好で、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥を防止でき、また良好なスラグ剥離性を付与することによってスラグ除去作業を軽減し、かつ耐溶接割れ性と機械的性質に優れた健全な溶接金属が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者等は、上記従来の問題点を解決するために、種々の成分を変化させたワイヤを用いてスラグの性質と溶接金属の機械的性質の両面から調査を行い、これら性質に及ぼす各元素の影響を探求した。その結果、最大溶接入熱が４０ｋＪ／ｃｍおよび最高パス間温度が３５０℃の溶接施工条件の連続多層盛溶接を行っても、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥を防止でき、またスラグ除去作業を軽減でき、溶接ロボット稼働率の信頼性を高め、かつ優れた耐溶接割れ性と機械的性質を有する溶接金属を提供できるワイヤ成分を見出した。
以下、本発明におけるガスシールドアーク溶接用ワイヤに含有される化学成分およびその組成限定範囲について説明する。
【００１２】
Ｃ：０．０４〜０．０９質量％
Ｃは、溶接金属の焼入れ性を高め、強度および靭性を確保する上で重要な元素である。その含有量が０．０４質量％（以下、％という。）未満であると、必要な強度と靭性が得られない。一方、０．０９％を超えると溶接金属の割れ感受性が高くなる。
【００１３】
Ｓｉ：０．５５〜１．００％
Ｓｉは、主要な脱酸元素であり、溶接金属の酸素量を低下させることによる靭性の向上に重要な元素である。しかしながら、多くなりすぎると大入熱・高パス間温度での溶接施工条件では溶接金属を脆化させる。また、大入熱・高パス間温度での溶接施工条件ではＳｉの消耗が多いが、溶接金属中に歩留まって残るＳｉは強度を確保する上で必要である。Ｓｉが０．５５％未満では所定の強度が得られず、一方、１．００％を超えると溶接金属の靭性が悪くなる。
【００１４】
Ｍｎ：１．５５〜２．４０％
Ｍｎは、脱酸元素であり靭性向上に重要な元素である。また、強度面での改善にも有効な元素である。さらに、高融点のＭｎＳを形成して低融点の硫化物の粒界析出を防止し、溶接金属の割れを抑制する。反面、多くなりすぎると大入熱・高パス間温度での溶接施工条件では、Ｓｉと同様に溶接金属を脆化させる。Ｍｎが１．５５％未満では所定の強度が得られず、一方、２．４０％を超えると溶接金属の靭性が悪くなる。
【００１５】
Ｓ：０．００６〜０．０１５％
Ｓは、スラグのガラス化を促進させる作用があり、スラグ剥離性を向上させる元素である。０．００６％未満ではその効果は不十分である。しかしながら、０．０１５％を超えると溶接金属に割れが発生し、また機械的性質を劣化させる傾向がある。
【００１６】
Ｍｏ：０．０１〜０．４０％
Ｍｏは、溶接金属の焼入れ性を高める元素である。特に大入熱・高パス間温度での溶接施工条件では、溶接金属の焼入れ性が不足するので、強度を確保する上で必須の元素である。その含有量が０．０１％未満であると、必要な強度が得られない。一方、０．４０％を超えて添加した場合は強度が高くなりすぎて靭性が低下する。
【００１７】
Ｃｕ：０．１５〜０．４０％
Ｃｕは、鋼中に不純物として０．０２％程度含有されることがあるが、本発明のＣｕは主としてワイヤ表面に施した銅めっきに由来するものである。通常、銅めっきはワイヤ送給性と通電性を安定化するのに極めて重要な表面処理方法である。特に大入熱・高パス間温度での溶接施工条件では、銅めっきが薄いと溶接中のコンタクトチップの磨耗が激しくなり、溶接中にワイヤ送給性と通電性が劣化し、その結果、満足に溶接ができなくなる。その含有量が０．１５％未満であると、必要なワイヤ送給性と通電性が得られない。一方、０．４０％を超えて添加した場合は、溶接割れ感受性が高くなる。なお、ワイヤ表面の銅めっき厚さは０．３〜１．０μｍであることが耐チップ磨耗性から好ましい。
【００１８】
Ｔｉ：０．１５〜０．２５％
Ｔｉは、強力な脱酸元素として作用し、かつその酸化物は溶接金属の組織改善に効果がある。特に大入熱・高パス間温度での溶接施工条件では、Ｂとの相乗作用により組織の粗大化を防止して靭性確保に必要である。Ｂ量との兼ね合いもあるが、Ｔｉが０．１５％未満ではその効果が不十分である。一方、Ｔｉは酸化消耗しやすくワイヤ中のＴｉはそのほとんどがスラグ化する。さらに、スラグ中のＴｉはスラグの結晶化（非ガラス化）の作用が大きいので、スラグ剥離性に有害な元素である。したがって、Ｔｉが０．２５％を超えるとスラグ生成量が多くなり、またスラグ剥離性を劣化させる。
【００１９】
Ｂ：０．００４〜０．０１０％
Ｂは、Ｔｉとの相乗効果により大入熱・高パス間温度での溶接施工条件での組織改善に効果がある。Ｂが０．００４％未満ではその効果は不十分である。逆に、０．０１０％を超えると、大入熱・高パス間温度での溶接施工条件での溶接割れ感受性を高くする。さらに、ＢはＴｉと同様に酸化消耗しやすく、またスラグ中のＢはスラグを結晶化するのでスラグ剥離性に有害な元素である。
【００２０】
Ａｌ：０．０２０％以下
Ａｌは、強力な脱酸元素として作用して溶接金属の靭性を向上させる。反面ビード表面へのスラグ焼き付き性を高め、スラグ剥離性を劣化させる。そのため、Ａｌは０．０２％以下とする。
【００２１】
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは不純物であって溶接金属の割れ感受性を高める元素である。そのため、０．０２０％以下とする。
【００２２】
スラグ剥離指数Ｐｓｒ：０．１９以上
前述のワイヤ成分に加えて本発明においては、ワークの温度を２５０℃より低温にすることなしに容易にスラグ除去が行えるスラグ剥離性を得るために、下記（１）式で得られるスラグ剥離指数Ｐｓｒを０．１９以上とする。ただし式の中の各成分は質量％を表す。
Ｐｓｒ＝0.55−Ｃ−0.2Ｓｉ＋0.1Ｍｎ＋6.3Ｓ−0.2Ｍｏ−1.4Ｔｉ−1.6Ａｌ−7.3Ｂ
・・・・（１）
【００２３】
図１は、スラグ剥離指数Ｐｓｒとスラグ除去作業が容易に行えるワークの実測温度（５０℃間隔）との関係を示した図である。図１から明らかなようにスラグ剥離指数Ｐｓｒを０．１９以上とすれば、ワークの温度が２５０℃以上で、すなわち２５０℃より低温にすることなしに良好なスラグ剥離性が得られることがわかる。
【００２４】
スラグ生成指数Ｐｓｖ：１．８６以下
一般に鉄骨の溶接で行われているように、３層溶接した後に一回だけスラグ除去作業を行い、それ以外のパスではスラグを除去せずに連続多層溶接を行った際に、スラグ巻込み欠陥が規定値を超えないようにするためには、下記（２）式で得られるスラグ生成指数Ｐｓｖを１．８６以下とする。ただし式の中の各成分は質量％を表す。
Ｐｓｖ＝0.75Ｓｉ＋0.37Ｍｎ＋0.21Ｍｏ＋1.27Ｔｉ＋0.94Ａｌ＋1.59Ｂ  ・・・・（２）
【００２５】
図２は、スラグ生成指数Ｐｓｖとスラグ巻込み欠陥長さとの関係を示した図である。図２からも明らかなようにスラグ巻込み欠陥に対してＪＩＳ  Ｚ３１０４に規定される第２種欠陥の１類以上（板厚２５ｍｍの場合、欠陥長さが６．２５ｍｍ以下）とするためにはスラグ生成指数Ｐｓｖを１．８６以下とする必要がある。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
まず、表１および表２に示す各種成分を有する１．４ｍｍ径のワイヤを試作して、図３に示す板厚Ｔが２５ｍｍ、開先角度θが３５°、ギャップＧが７ｍｍの柱―ダイアフラムを模した試験板（ＪＩＳ  Ｇ３１３６に規定されるＳＮ４９０Ｂ鋼）を用いて、表３に示す溶接施工条件で溶接長５００ｍｍを多層盛溶接した。シールドガスは炭酸ガス（流量：２５リットル／ｍｉｎ）を使用した。試験板には補強板を取り付けて、溶接変形を防止しつつ、柱―ダイアフラムの施工工程に近い拘束条件を再現してその溶接割れ感受性を評価できるように配慮した。
【００２７】
【表１】
2006150437.tif 000003
【００２８】
【表２】
2006150437.tif 000004
【００２９】
【表３】
2006150437.tif 000005
【００３０】
溶接は、試験板を２００℃まで予熱し、３層目まで連続溶接を行い、その時点でのスラグ剥離性を評価した。スラグ除去工具としては、スラグチッパーを一定速度（３０ｃｍ／ｍｉｎ）で作動させ、完全にスラグを除去できた時の温度が２５０℃以上をスラグ剥離性が良好とした。なお、スラグ除去の開始温度は４００℃とし、以後３５０℃、３００℃と５０℃刻みでスラグ除去を行った。スラグ剥離性の評価後、さらに試験板を３５０℃まで予熱し、溶接を再スタートさせて最終層(５層)まで溶接を行った。
【００３１】
溶接後、溶接部の放射線透過試験を行い、スラグ巻き込みの長さの測定と溶接割れの有無の検査を行った。スラグ巻き込み欠陥は、ＪＩＳ  Ｚ３１０４に規定されている第２種欠陥の１類以上（欠陥長さが母材厚さ２５ｍｍの１／４である６．２５ｍｍ以下）を良好とした。
【００３２】
溶接金属の引張試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２０１  Ａ１号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２０２  ４号）を鋼板表面から１０ｍｍを中心に採取して溶接金属の機械的性質を評価した。引張強さは４９０Ｎ／ｍｍ２以上、シャルピー衝撃試験は試験温度０℃で吸収エネルギーの３本の平均値が７０Ｊ以上を良好とした。
【００３３】
また、別途長時間溶接時のコンタクトチップ摩耗によるワイヤ送給性の良否を判断するために、内径１．６ｍｍの市販チップを用いて表３の溶接条件で各試験２０ｍｉｎビードオンプレート試験を行い、溶接終了後最も摩耗の大きい箇所の内径を測定した。チップ摩耗量の評価は、摩耗量が０．２ｍｍ以下を良好として評価した。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００３４】
【表４】
2006150437.tif 000006
【００３５】
表１、表２および表４において、試験Ｎo.１〜１１が本発明例、試験Ｎo.１２〜２２は比較例である。
本発明例である試験Ｎo.１〜１１は、スラグ剥離性が良好で、高温割れがなく、スラグ巻き込みの溶接欠陥長さも短く、溶接金属の引張強さおよびシャルピー衝撃性能も良好であった。さらに、チップ摩耗量も少なく極めて満足な結果であった。
【００３６】
比較例中試験Ｎo.１２は、Ｃが低いので溶接金属の引張強さおよび吸収エネルギーが低くなった。また、Ｂが高いので溶接金属に割れも生じた。さらに、スラグ剥離指数Ｐｓｒが低いのでスラグ剥離温度が低くなった。
試験Ｎo.１３は、Ｍｎが低いので強度が低くなった。また、Ｓが高いので溶接金属に高温割れが生じ吸収エネルギーも低くなった。
【００３７】
試験Ｎo.１４は、Ｔｉが高くスラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。また、Ｃｕが高いので溶接金属に高温割れが生じた。さらに、スラグ生成指数Ｐｓｖが高いので長いスラグ巻き込み欠陥が生じた。
試験Ｎo.１５は、Ｃが高いので溶接金属に高温割れが生じた。また、Ｃｕが低いのでチップ摩耗量が多くなった。
【００３８】
試験Ｎo.１６は、Ｓが低くスラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。また、Ｔｉが低いので溶接金属の吸収エネルギーも低くなった。
試験Ｎo.１７は、Ａｌが高くスラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。また、Ｓｉが低いので溶接金属の引張強さが低くなった。
【００３９】
試験Ｎo.１８は、スラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。また、Ｓｉが高いので溶接金属の吸収エネルギーが低くなった。さらに、Ｍｏが低いので溶接金属の引張強さも低くなった。
【００４０】
試験Ｎo.１９は、Ｐが高いので溶接金属に高温割れが生じた。また、スラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなり、スラグ生成指数Ｐｓｖが高いので長いスラグ巻き込み欠陥が生じた。さらに、Ｍｎが高いので溶接金属の吸収エネルギーが低くなった。
【００４１】
試験Ｎo.２０は、スラグ生成指数Ｐｓｖが高いので長いスラグ巻き込み欠陥が生じた。また、Ｍｏが高いので溶接金属の引張強さが高くなり吸収エネルギーが低くなった。
試験Ｎo.２１は、スラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。
試験Ｎo.２２は、スラグ剥離指数Ｐｖｒが低くなったのでスラグ剥離温度が低くなった。また、Ｂが低いので溶接金属の吸収エネルギーが低くなった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】スラグ剥離指数Ｐｓｒとスラグ剥離温度の関係を示した図である。
【図２】スラグ生成指数Ｐｓｖとスラグ巻き込み欠陥長さの関係を示した図である。
【図３】本発明の実施例に用いた試験板の開先形状を示す図である。
【図１】
2006150437.tif 000007
【図２】
2006150437.tif 000008
【図３】
2006150437.tif 000009