(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１％、
Ｓｉ：０．６〜１．５％、
Ｍｎ：１．１３〜１．６８％、
かつ、Ｓｉ＋Ｍｎ：２．０〜３．０％、Ｍｎ／Ｓｉ：≧０．８５、
Ｔｉ：０．２〜０．４％、
Ｂ：０．００３〜０．０１２％、
Ｍｏ：０．１〜０．３％、
Ｏ：≧０．００５％、
Ｎ：≦０．００５％、
ＡｌまたはＺｒの１種または２種を０．００５〜０．０５％含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物であることを特徴とする炭酸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、主として４９０Ｎ／ｍｍ2級高張力鋼に使用する炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関し、特に高電流、高入熱、高パス間温度の条件で溶接しても溶接作業性が良好で、かつ、溶接金属の強度および安定した靭性を確保できる炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、建築鉄骨分野において溶接施工方法としてガスシールドアーク溶接が多用されている。しかし、更なる高能率化を目的に適用される溶接条件は高電流で高入熱溶接となり、しかも、各溶接パスの時間は短時間に連続的に行うため高パス間温度の溶接になる。そして、このような溶接状態はさらに高パス間温度側に移行しつつあるのが現状であり、要求される溶接金属の靭性特性は高度化する傾向にある。前記高電流、高入熱、高パス間温度の条件で溶接された溶接金属は靭性が劣化する傾向となり、健全な溶接継手を確保できない場合があった。
【０００３】
このような状況下において優れた溶接金属が得られる溶接材料が強く望まれている。一般的な溶接方法においては従来から靭性向上手段として、Ｔｉ−Ｂ系の溶接材料が検討され、いくつかの提案がされている。
【０００４】
例えば特開昭５４−４０２５０号公報には、パラメータ（Ｐａ＝Ｔｉ×Ｂ×１０4）を１〜２５に規制した高能率ガスシールドアーク溶接用ワイヤの提案がある。この技術は主にＡｒ−ＣＯ2混合ガスシールド溶接が対象であり、溶接入熱量が最大４０ｋＪ／ｃｍ程度における１ラン溶接での低温靭性向上を目的としたもので、本発明のように炭酸ガスシールドアーク溶接を対象としていない。また、特開昭６３−１５７７９５号公報も６０キロ級鋼以上のＡｒ−ＣＯ2等の混合ガス溶接におけるＰＷＨＴ後の低温靭性改善を目的としており、Ｔｉ−Ｂ系ワイヤに最大６％までのＮｉを添加した構成により低温靭性を向上させる技術であるが、本発明の炭酸ガスシールド溶接においての靭性改善は望めない。
【０００５】
さらに、特開昭５５−１４９７９７号公報に開示の技術は靭性改善を目的としているが、高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件は対象としていないので、靭性向上は期待できない。また、特公平４−２０７２０号公報で開示の技術は、炭酸ガスシールドアーク溶接の高入熱溶接条件での靭性向上を目的としているが、高パス間温度の条件については検討されていないため、本発明の効果は期待できない。
【０００６】
また、特開平１０−２３０３８７号公報では、軟鋼または４９０Ｎ／ｍｍ2級高張力鋼を高入熱および高パス間温度の条件で溶接する炭酸ガス溶接用ワイヤとして、Ｔｉ−Ｂ系成分で、Ｍｏ量、パラメータＰＢＴ（Ｂ／Ｔｉ）、ＰＢＳ（Ｂ×Ｓ）を規制したワイヤが提案されている。このワイヤは、高入熱、高パス間温度の溶接条件で靭性が得られるというものである。しかし、その靭性はバラツキが生じ十分ではない。
【０００７】
前述のように、溶接金属を高靭性化するための手法として、溶接材料ではＴｉ−Ｂ系の溶接ワイヤが種々提案されているものの、本発明の意図する高電流で高入熱、高パス間温度の溶接条件での高靭性化は図られておらず、また満足するに至っていないのが実状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況のもとで、主として４９０Ｎ／ｍｍ2級高張力鋼の炭酸ガスシールドアーク溶接を高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件で高能率な溶接を行っても、溶接作業性が良好で、溶接金属の強度および安定した靭性に優れる炭酸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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１％、Ｓｉ：０．６〜１．５％、Ｍｎ：１．１３〜１．６８％、かつ、Ｓｉ＋Ｍｎ：２．０〜３．０％、Ｍｎ／Ｓｉ：≧０．８５、Ｔｉ：０．２〜０．４％、Ｂ：０．００３〜０．０１２％、Ｍｏ：０．１〜０．３％、Ｏ：≧０．００５％、Ｎ：≦０．００５％、ＡｌまたはＺｒの１種または２種を０．００５〜０．０５％含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物であることを特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１２】
高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件における最も重要な課題として、溶接金属の靭性が低下することであるが、この靭性を確保するための手段としてワイヤ中のＴｉおよびＢの添加量を特定するとともにＳｉとＭｎの和および比を特定することが有効である。また、特に安定した強度確保と靭性の面からＭｏの適量添加が有効であり、Ｍｏは焼入性増大元素として作用し、溶接金属を微細化して溶接金属の靭性向上に重要な元素であることが分かった。さらに、靭性の安定には溶接金属のＮ量を低くすることが有効であるが、高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件では、溶融プールは、低入熱、低パス間温度の溶接条件に比べて遙かに加熱され大きくなり、通常のシールド方法では溶融プールを完全にシールドできない場合があり、この場合、大気からＮが侵入し溶接金属は窒化して靭性が低下することになる。
【００１３】
そこで、ワイヤに微量のＡｌおよびＺｒの１種または２種を添加することにより、溶接金属の靭性の安定に有効であることを突き止めた。
【００１４】
さらに、高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件での炭酸ガスアーク溶接で形成される溶滴は大粒になり、また、溶融池も大きく高温となるために、溶滴の移行性を阻害して、スパッタ発生量が多くなって溶接作業性が悪くなる。この作業性の向上について検討した結果、ワイヤの酸素量を多くすることにより、溶滴が小さくなって、溶滴移行性が良好となり、スパッタ発生量が少なくなって溶接作業性が良好となることを見出した。
【００１５】
本発明は、前記の知見によりなされたものであるが、これらの効果は、ワイヤ各鋼成分それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものであるが以下に、それぞれのワイヤ各成分元素の添加理由および限定理由について詳述する。
【００１６】
（Ｃ：０．０２〜０．１質量％）
Ｃは固溶強化により溶接金属の強度確保に必要な元素である反面、硬さの増加やひずみ時効による靭性低下を起こしやすいため、ワイヤとしてはこれらを勘案して制限している。高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件では、０．１質量％（以下、％という。）を超える添加は強度を過剰にし、靭性を損なうために０．１％以下に制限した。一方、０．０２％未満であると強度の確保が困難となる。
【００１７】
（Ｓｉ：０．６〜１．５％）
Ｓｉは主要脱酸剤であり、溶接金属の酸素量を低下させ靭性向上に必要な元素である。特に高溶接電流域ではＳｉの消耗が大きいため、通常より高めの添加を必要とする。Ｓｉが０．６％未満では脱酸不足となり靭性が低下するとともに強度が低くなる。さらに、アークが不安定となりスパッタ発生量が多く溶接作業性が悪くなる。一方、１．５％を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性への悪影響が顕著となる。
【００１８】
（Ｍｎ：１．１３〜１．６８％）
ＭｎはＳｉとともに主要脱酸剤であるとともに、溶接金属の強度確保およびオーステナイトを安定化させて靭性向上を図る目的で添加する。Ｓｉと同様に高溶接電流条件での酸化消耗を考慮した添加が必要で、Ｓｉ量との兼ね合いでもあるが、１．１３％未満では強度および靭性が確保できない。また、アークが不安定となりスパッタ発生量が多く溶接作業性が悪くなる。１．６８％を超える添加量では強度が高くなり靭性が低下する。
【００１９】
さらに、上記ＳｉとＭｎは、高溶接電流条件での酸化消耗が大きいので、Ｓｉ＋Ｍｎで２．０％未満では、強度が低くなるとともに、脱酸不足で靭性が低下し、アークも不安定になってスパッタ発生量が多く溶接作業性が悪くなる。また、Ｍｎ／Ｓｉが０．８５未満であると強度および靭性が低くなり、Ｓｉ＋Ｍｎが３．０％を超えると強度が高くなりすぎて靭性が低下する。
【００２０】
（Ｔｉ：０．２〜０．４％）
Ｔｉは、溶接金属の組織を微細化して、靭性向上には不可欠な元素である。靭性確保に必要なＴｉ量は、溶接金属の酸素量によって異なり、通常の炭酸ガスシールドアーク溶接条件では０．１５〜０．２％程度が適正であるが、本発明が対象とする高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件では０．２％以上が必要である。しかし０．４％を超えた添加では過剰にＳｏｌ．Ｔｉが固溶して溶接金属の硬化が著しくなり、強度が高く靭性を低下させる。
【００２１】
（Ｂ：０．００３〜０．０１２％）
ＢはＴｉとの共存により高靭性溶接金属を得るために不可欠の元素であり、０．００３％以上の添加が必須である。しかし０．０１２％超の添加では靭性向上効果より硬さ上昇による靭性低下の弊害に加えて、継手溶接金属でのルート部の高温割れ性の危険が高くなるため、上限を０．０１２％とした。
【００２２】
（Ｍｏ：０．１〜０．３％）
Ｍｏは変態温度を低下して組織を微細化して靭性向上に有効で、特に高電流、高入熱、高パス間温度の条件での靭性向上に有効に作用する。その効果は０．１％以上の添加で表れ、０．３％を超えると強度増加による靭性への効果が小さくなる。
【００２３】
（Ｎ：≦０．００５％）
Ｔｉ−Ｂ系ワイヤにより溶接金属の衝撃靭性を安定して向上させるには、Ｎ量の低下が必須条件となるが、その限界量は０．００５％以下である。
【００２４】
（ＡｌまたはＺｒの１種または２種で０．００５〜０．０５％）
高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件におけるガスシールドアーク溶接においては、溶融プールが大きくなり、場合によっては十分なシールド性が得られず溶接金属に大気中の窒素が侵入する場合がある。このようにシールド性が損なわれ窒素が侵入した場合には溶接金属の靭性は著しく劣化する。しかし、Ａｌ、Ｚｒを添加することによって、微量の窒素侵入による靭性のバラツキおよび低下を抑制することができる。これはＡｌ、ＺｒがＮとの調和力が強く固溶Ｎを固定して歪み時効の影響を軽減するものと考えられる。その効果は、ＡｌまたはＺｒの１種または２種の合計で０．００５％以上の添加から現れるが、０．０５％を超える添加はむしろ靭性を低下させる。
【００２５】
（Ｏ：≧０．００５％）
本発明での酸素は、他の元素と異なる目的で添加する。高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件では溶融プールは大きくかつ高温になるため、炭酸ガスシールドアーク溶接での溶滴移行状態が通常の溶接に比べて劣化することが判明した。すなわち、溶滴が大粒化してスパッタ発生量が増加し、アークが不安定になるなど溶接作業性が劣化する。この溶接作業性の向上について検討した結果、ワイヤの酸素が寄与することが判った。この酸素の効果は０．００５％以上の添加で顕著になる。ワイヤの酸素は、溶解時に添加してもあるいはワイヤ表面素地に粒界酸化層を付与しても良い。酸素量の上限についても特に限定しないが、０．０５％以下がワイヤ送給性や製造コストの点で好ましい。
【００２６】
なお、前述した成分以外の強度および靭性の調整としてＶおよびまたはＮｂを０．００５％以下の範囲で添加することができる。また、不可避不純物であるＰは０．０１５％以下、Ｓは０．０１％以下であることが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の効果を実施例によりさらに詳述する。
【００２８】
【実施例】
まず、原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延、心線そしてめっきした後、１．４ｍｍ径まで伸線して２０ｋｇ巻のスプール巻ワイヤとした。表１に試作したワイヤの化学成分を示す。
【００２９】
【表１】
0003886737.tif 000002
【００３０】
表１のワイヤを用い、表２に示す高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件で溶着金属試験（開先形状、試験片採取位置はＪＩＳ  Ｚ３３１２に準拠）を行った。
【００３１】
【表２】
0003886737.tif 000003
【００３２】
溶接金属の評価は、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ2以上を合格とし、靭性は０℃で各５本衝撃試験を行い、衝撃吸収エネルギーで最小の値が１００Ｊ以上を合格とした。
【００３３】
また、スパッタ発生量は、溶着金属試験とは別に銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接により表２の条件で３回溶接（１回の溶接時間１．５ｍｉｎ）して捕集したスパッタ量を１分間の発生量に換算した。スパッタ発生量は２ｇ／ｍｉｎ以下でアークが安定して作業性が良好である。それらの結果を表３にまとめて示す。
【００３４】
【表３】
0003886737.tif 000004
【００３５】
表３中、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０が本発明例、ワイヤ記号Ｗ１１〜Ｗ２８は比較例である。
【００３６】
本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０は、ワイヤ成分が適正であるので、溶接金属の強度、衝撃吸収エネルギーとも良好で、溶接時のスパッタ発生量も少なくアークが安定し、極めて満足な結果であった。
【００３７】
比較例中、ワイヤ記号Ｗ１１はＣが低いので、溶接金属の引張強さが低くなった。
【００３８】
ワイヤ記号Ｗ１２はＣが高く、ワイヤ記号Ｗ１４はＳｉが高く、ワイヤ記号Ｗ１６はＭｎが高く、ワイヤ記号Ｗ１８はＳｉ＋Ｍｎが高く、ワイヤ記号Ｗ２１はＭｏが高く、ワイヤ記号２３はＴｉが高いので溶接金属の引張強さが高く衝撃吸収エネルギーが低くなった。
【００３９】
ワイヤ記号Ｗ１３はＳｉが低く、ワイヤ記号Ｗ１５はＭｎが低く、ワイヤ記号Ｗ１７はＳｉ＋Ｍｎが低いので、いずれも溶接金属の引張強さおよび衝撃吸収エネルギーが低く、さらにスパッタ発生量が多くアークが不安定であった。
【００４０】
ワイヤ記号Ｗ１９はＭｎ／Ｓｉが低いので、溶接金属の引張強さおよび衝撃吸収エネルギーが低く、さらに、Ｏが低いのでスパッタ量が多くアークが不安定であった。
【００４１】
ワイヤ記号Ｗ２０はＭｏが低く、ワイヤ記号Ｗ２２はＴｉが低く、ワイヤ記号Ｗ２５はＡｌとＺｒの合計が多く、ワイヤ記号Ｗ２６はＢが低く、ワイヤ記号Ｗ２７はＢが高いので、いずれも溶接金属の衝撃吸収エネルギーが低値となった。
【００４２】
ワイヤ記号Ｗ２４はＡｌが低く、ワイヤ記号Ｗ２８はＮが高いので衝撃吸収エネルギーにバラツキが生じた。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件において、溶接作業性が良好で、引張強度および安定した靭性に優れた溶接金属を確保できる。