(57)【要約】【課題】  ガスシールドアーク溶接時において低コストで環境に優しい窒素シールドガスを用いる際のブローホールの発生を解消し得る溶接方法及び溶接用ワイヤの提供。【解決手段】  軟鋼、４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼の窒素混合シールドガスアーク溶接に際し、Ｃr、Ｔi、ＡlとＶ、Ｔa、Ｚrのいずれか１種のうち、少なくともＣr、Ｔi、Ａlをワイヤ成分中に含ませた溶接用ワイヤを使用して、これ等のワイヤ成分が窒素混合シールドガス中の窒素を固溶体及び窒化物として固定させるようにした窒素混合シールドガス溶接方法。この場合の溶接用ワイヤとしては、重量比で、Ｃ：０．０９ｗｔ％以下、Ｓi：０．４５〜１．００ｗｔ％、Ｍn：０．４０〜１．３６ｗｔ％、Ｔi：０．３〜１．５ｗｔ％、Ｃr：１８．５０〜２０．２０ｗｔ％、Ａl：０．１〜０．３ｗｔ％を含み、残部がＦeと不可避的不純物からなる構成とした。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟鋼、４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼を窒素混合シールドガスアーク溶接するに際し、Ｃr、Ｔi、ＡlとＶ、Ｔa、Ｚrのいずれか１種のうち、少なくともＣr、Ｔi、Ａlをワイヤ成分中に含ませてなる溶接用ワイヤを使用して、これ等のワイヤ成分が窒素混合シールドガス中の窒素を固溶体及び窒化物として固定させることを特徴とする窒素混合シールドガス溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の窒素混合シールドガス溶接方法に用いられる溶接用ワイヤであり、重量比で、Ｃ：０．０９ｗｔ％以下、Ｓi：０．４５〜１．００ｗｔ％、Ｍn：０．４０〜１．３６ｗｔ％、Ｔi：０．３〜１．５ｗｔ％、Ｃr：１８．５０〜２０．２０ｗｔ％、Ａl：０．１〜０．３ｗｔ％を含み、残部がＦeと不可避的不純物からなることを特徴とする溶接用ワイヤ。
【請求項３】
請求項２に記載の溶接用ワイヤにおいて、さらにＶ：０．１３〜０．２０ｗｔ％、Ｔa：０．０６〜０．１１ｗｔ％、Ｚr：０．０６〜０．１１ｗｔ％のいずれか1種を含むことを特徴とする溶接用ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスシールドアーク溶接に用いられる窒素混合シールドガス溶接方法及び該方法の実施に際し好適に使用される溶接用ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスシールドアーク溶接としては、アルゴンガス、炭酸ガス、酸素ガス、ヘリウムガスなどの単体或いは混合ガスをシールドガスとして用い、消耗電極式のシールドガス溶接法であるミグ溶接やマグ溶接、あるいは、非消耗電極式のシールドガス溶接法であるティグ溶接が知られている。
このうち、ミグ溶接やマグ溶接には主に炭酸ガス単体、及びアルゴンガス、炭酸ガス、酸素ガス、ヘリウムガスなどを混合した2元、3元、4元系混合ガスがシールドガスとして用いられている。
そして、軟鋼や４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼の溶接であってもそのシールドガス組成は大きく異なることはなく、例えば、アルゴンガスをベースに酸素ガスとヘリウムガスの３種ガスの混合ガスを使用する技術が知られている。(例えば、特許文献１)
【０００３】
ところが、前記従来のものも、不活性ガスであるアルゴンガス及びヘリウムガスを９０ｖｏｌ％以上使用していることから、ランニングコストが高く、経済的ではないという問題があった。また、炭酸ガスをシールドガスとして使用する炭酸ガスアーク溶接も知られているが、炭酸ガスは地球温暖化の要因とされるという問題がある。
【０００４】
そこで、反応性が少ないとされ、安価なガスである窒素をシールドガスとして用いることを検討した。
フェライト系ステンレス鋼では、アルゴンガスをベースとし窒素２〜３０体積％、酸素１〜１０体積％の混合ガスとして用いた際、ワイヤの組成を調整することにより溶接可能な技術が提案されている。(例えば、特許文献２)
【特許文献１】特開平１１−２９１０４０号公報
【特許文献２】特開２００１−７１１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、軟鋼や４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼では窒素をシールドガスに用いると、従来のワイヤでは気孔が発生するという問題は依然として解決されていない。
本発明は、ガスシールドアーク溶接時に低コストで環境に優しい窒素を用いる際に、前述してきた従来技術の問題点、即ち気孔が発生するという問題点を解決するための軟鋼や４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼の窒素混合シールドガス溶接方法及び溶接用ワイヤを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、前記課題を解決するために研究した結果、気孔の発生に関係すると思われる窒素を、ワイヤ成分中のCr、Ti、Al、V、Ta、Ｚｒなどで固溶体の形成、または窒化物として固定することを気孔の発生防止の方法として見出すと共に、その成分を添加した溶接ワイヤを案出するに至ったものである。
【０００７】
すなわち、本発明に係る請求項１の発明は、軟鋼、４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼を窒素混合シールドガスアーク溶接するに際し、Ｃr、Ｔi、ＡlとＶ、Ｔa、Ｚrのいずれか１種のうち、少なくともＣr、Ｔi、Ａlをワイヤ成分中に含ませてなる溶接用ワイヤを使用して、これ等のワイヤ成分が窒素混合シールドガス中の窒素を固溶体及び窒化物として固定させることを特徴とする窒素混合シールドガス溶接方法である。
【０００８】
また、本発明に係る請求項２の発明は、上記の請求項１記載の窒素混合シールドガス溶接方法に用いられる溶接用ワイヤであり、重量%で、Ｃ：０．０９ｗｔ％以下、Ｓi：０．４５〜１．０ｗｔ％、Ｍn：０．４０〜１．３６ｗｔ％、Ｔi：０．３〜１．５ｗｔ％、Ｃr：１８．５〜２０．２ｗｔ％、Ａl：０．１〜０．３ｗｔ％を含み、残部がＦeと不可避的不純物からなる構成としたことを特徴とする。  
【０００９】
さらに又、本発明に係る請求項３の発明は、上記の請求項２記載の溶接用ワイヤにおいて、さらにＶ：０．１３〜０．２ｗｔ％、Ｔa：０．０６〜０．１１ｗｔ％、Ｚr：０．０６〜０．１１ｗｔ％のいずれか1種を含む構成としたことを特徴とする溶接用ワイヤである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、窒素混合シールドガスアーク溶接を行なうに際し、Ｃr、Ｔi、ＡlとＶ、Ｔa、Ｚrのいずれか１種のうち、少なくともＣr、Ｔi、Ａlをワイヤ成分中に含ませてなる溶接用ワイヤを使用してこれ等のワイヤ成分が窒素混合シールドガス中の窒素を固溶体、または窒化物として固定させるようにしたことにより、また、この溶接用ワイヤの成分構成比を特定したことによって、軟鋼や４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼のガスアーク溶接に窒素混合シールドガスを用いても気孔が発生せず、従来の不活性ガスをベースとするシールドガスを使用した溶接の場合と遜色がない溶接評価を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る軟鋼や４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼の窒素混合ガスアーク溶接方法は、窒素混合シールドガスアーク溶接方法において、Ｃr、Ｔi、ＡlとＶ、Ｔa、Ｚrのいずれか１種のうち、少なくともＣr、Ｔi、Ａlをワイヤ成分中に含ませてなる溶接用ワイヤを使用するものであり、これは窒素混合シールドガス用マグ溶接及びミグ溶接に適用される。
【００１２】
また、本発明に係る軟鋼、４９０MPa級高張力鋼あるいは低合金鋼の窒素混合ガスアーク溶接に用いる溶接用ワイヤは、ワイヤ成分を重量比で、Ｃ：０．０９ｗｔ％以下、Ｓi：０．４５〜１．０ｗｔ％、Ｍn：０．４０〜１．３６ｗｔ％、Ｔi：０．３〜１．５ｗｔ％、Ｃr：１８．５〜２０．２ｗｔ％、Ａl：０．１〜０．３ｗｔ％を含み、残部がＦeと不可避的不純物からなる構成としたことを特徴とするものであり、さらに加えて、Ｖ：０．１３〜０．２ｗｔ％、Ｔa：０．０６〜０．１１ｗｔ％、Ｚr：０．０６〜０．１１ｗｔ％のいずれか1種を含む構成としたことを特徴とするものである。
ここで、本発明の構成及び作用をより明らかにするために以下に実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１３】
板厚２.３mmの軟鋼板(ＳＳ４００)の突き合わせ部を被溶接対象とし、シールドガスにはそれぞれ、酸素ガス濃度6％の窒素混合ガス、炭酸ガス濃度30％の窒素混合ガスを用い、溶接電流を１００Ａに固定し、様々な成分濃度を変化させたワイヤを用いて自動溶接機を使用し溶接した。この場合、溶接速度は３０cm／minに固定した。前述した溶接条件は図１及び図３に示す通りである。
その結果を、溶接部でのビード形状による溶接評価、および硬さ評価として図２及び図４に示す。この場合、硬さはビッカース硬さ試験法で測定を行なった。
【００１４】
図２及び図４によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌがワイヤ中に以下に示す成分濃度範囲より少なく、または多く含まれていればビード部に気孔が多数観察され、または、溶接割れが生じる恐れがある程度まで硬度が増すため溶接の評価としては不可であった。なお、ワイヤ中の各成分濃度を限定した理由を下記に説明する。
【００１５】
◎Ｃ：０．０９ｗｔ％以下、  Ｃは溶接部の強度を向上させる作用を有するので、そのため含有させる元素である。しかし、成分濃度が０．０９ｗｔ％よりも多くなると、マルテンサイトが生成され、そのため硬度が増し、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｃ成分濃度を０．０９ｗｔ％以下とする。
【００１６】
◎Ｓｉ：０．４５〜１．００％ｗｔ、  Ｓｉは鋼の製造時に添加する脱酸剤であるとともに、溶接割れを防ぐための添加元素である。０．４５ｗｔ％より少なくなると、ビード形状が凸型になり溶接評価は不可であった。また、１．００ｗｔ％より多くなると、アークが安定せず、溶接ビード形状に乱れが観察され、溶接評価は不可であった。よって、Ｓｉ成分濃度を０．４５〜１．００％ｗｔとする。
【００１７】
◎Ｍｎ：０．４０〜１．３６ｗｔ％、  Ｍｎは、Ｓｉと同じく鋼の製造時に添加する脱酸剤であるとともに、溶接強度を増すための添加元素である。０．４０ｗｔ％より少なくなると、溶接時のスラグが形成されなくなり、脱酸不足による溶接欠陥がビード内部に観察された。また、Ｍｎを１．３６ｗｔ％より多く添加すると、硬度が増し、ビード部の機械的性質が軟鋼とのものとが変わる恐れがあるので、Ｍｎ成分濃度を０．４０〜１．３６ｗｔ％とする。
【００１８】
◎Ｔｉ：０．３〜１．５ｗｔ％、  Ｔｉは侵入型元素と反応しやすく、α相安定化侵入型元素である窒素とは金属介在物を生成しやすい。よって、シールドガス中の窒素はアークエネルギーでＴｉに吸収又は反応し、窒素が固溶したαＴｉ又は金属介在物であるＴｉＮを形成する。この現象が、ビード中に溶解した窒素ガスをαＴｉ内、又は金属介在物ＴｉＮとしてビード中に固定化し、気孔の発生を抑えるためのメカニズムであり、Ｔｉはそのために用いる添加元素である。０．３ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。
また、１．５ｗｔ％より多くなると、気孔防止分以上のＴｉが存在するため、多くのＦe2Ｎ、Ｆe4Ｎ層、金属介在物であるＴｉＮ層を形成するので、ビード部が硬くなる。そしてその硬度が増すことにより、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｔｉ成分濃度は０．３〜１．５ｗｔ％とする。
【００１９】
◎Ａｌ：０．１〜０．３ｗｔ％、  Ａｌは、Ｔｉ−Ａｌ合金ではＴｉのα相領域を拡大する性質を持ち、Ｔｉ単体よりαＴｉに対しての窒素の吸収量を多くする働きがある。このため、Ｔｉ単体時より多くの窒素をビード中のαＴｉに溶解させておくことができ、Ａｌはそのために用いる添加元素である。０．１ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。
また、０．３ｗｔ％より多くなると、ビード部の靭性が劣化する要因であるＴｉ3Ａｌが生成される恐れがあり、またＡｌ系金属介在物は著しくビード部を硬化させ溶接割れを起こす恐れがあるので、Ａｌ成分濃度は０．１〜０．３ｗｔ％とする。
【００２０】
◎Ｃｒ：１８．５０〜２０．２０ｗｔ％、  ＣｒはＴｉと同じく、窒素を金属介在物を形成させ窒化物としてビード内部に固定化し、気孔の発生を抑えるための添加元素である。１８．５０ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。また、２０．２０ｗｔ％より多くなると、気孔防止分以上のＣｒが存在するため多くのＦe2Ｎ、Ｆe4Ｎ層及びＣｒ系金属介在物を形成するので、ビード部が硬くなった。硬度が増すことにより、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｃｒ成分濃度は１８．５０〜２０．２０ｗｔ％とする。
【００２１】
◎Ｖ：０．１３〜０．２０ｗｔ％、  Ｖは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒで窒素を固溶体及び窒化物として固定化する際に少量添加すると、効果的に窒素の固定化を助けるための添加元素である。０．１３ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。
また、０．２ｗｔ％より多くなると、気孔を発生させるための窒素以上の窒素を固定化し、多くのＦe2Ｎ、Ｆe4Ｎ層及びＶ系金属介在物を形成するので、ビード部が硬くなる。そしてその硬度が増すことにより、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｖ成分濃度は０．１３〜０．２０ｗｔ％とする。
【００２２】
◎Ｔａ：０．０６〜０．１１ｗｔ％、  Ｔａは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒで窒素を固溶体及び窒化物として固定化する際に少量添加すると、効果的に窒素の固定化を助けるための添加元素である。０．０６ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。
また、０．１１ｗｔ％より多くなると、気孔を発生させるための窒素以上の窒素を固定化し、多くのＦe2Ｎ層、Ｆe4Ｎ層及びＴａ系金属介在物を形成するので、ビード部が硬くなる。そしてその硬度が増すことにより、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｔａ成分濃度は０．０６〜０．１１ｗｔ％とする。
【００２３】
◎Ｚｒ：０．０６〜０．１１ｗｔ％、  Ｚｒは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒで窒素を固溶体及び窒化物として固定化する際に少量添加すると、効果的に窒素の固定化を助けるための添加元素である。０．０６ｗｔ％より少なくなると、ビード部に気孔が多数観察され、溶接の評価として不可であった。
また、０．１１ｗｔ％より多くなると、気孔を発生させるための窒素以上の窒素を固定化し、多くのＦe2Ｎ層、Ｆe4Ｎ層及びＺｒ系金属介在物を形成するので、ビード部が硬くなる。そしてその硬度が増すことにより、溶接割れを起こす恐れがあるので、Ｚｒ成分濃度は０．０６〜０．１１ｗｔ％とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】シールドガスに窒素−6％酸素混合ガスを用いた際の溶接条件を示す図表である。
【図２】シールドガスに窒素−6％酸素混合ガスを用いた際のワイヤ成分と溶接評価を示す図表である。
【図３】シールドガスに窒素−30％炭酸混合ガスを用いた際の溶接条件を示す図表である。
【図４】シールドガスに窒素−30％炭酸混合ガスを用いた際のワイヤ成分と溶接評価を示す図表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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