(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０２〜０．１５％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜２．５％、Ｃｒ：０．５〜３％およびＭｏ：０．１〜１．５％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、粒子径が３０ｎｍ以上で且つＣｒおよび／またはＭｏを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均５個以上存在するものであ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２】
Ｔｉ：０．０１〜０．３％を含有すると共に、粒子径が２０〜３００ｎｍ以上で且つＴｉおよびＮを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均１個以上存在する請求項１に記載の高強度鋼用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項３】
Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜２．４％、Ｃｒ：０．５〜３％およびＭｏ：０．１〜１．５％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、粒子径が３０ｎｍ以上で且つＣｒおよび／またはＭｏを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均５個以上存在し、更にフェライト組織分率：３０体積％以上、マルテンサイト組織分率：４０体積％以下であり、且つ当該マルテンサイト組織の平均サイズが１５μｍ以下であ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原線。
【請求項４】
Ｔｉ：０．０１〜０．３％を含有すると共に、粒子径が２０〜３００ｎｍ以上で且つＴｉおよびＮを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均１個以上存在する請求項３に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ原線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度鋼用の溶接ワイヤとして重要な溶接金属の強度を確保できると共に優れた送給性を発揮するガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、およびそのようなソリッドワイヤを伸線性良く製造することのできる原線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接は、造船、車両、鉄骨、橋梁、産業機械等の各種構造物における突き合わせ溶接やすみ肉溶接等に従来から汎用されている。特に近年では高強度鋼や耐熱鋼の溶接において、省力化、施工能率の改善という観点から、全自動溶接機や半自動溶接の開発が盛んに進められている。またガスシールド溶接用ソリッドワイヤ（以下、単に「溶接用ワイヤ」と呼ぶことがある）の送給速度も増大する傾向があり、それに伴って溶接用ワイヤの送給性を改善する要求も大きくなっている。
【０００３】
ところで、全自動溶接機や半自動溶接機に使用される溶接用ワイヤは、通常巻装態で使用され、多数の方向にまた曲率の異なる曲線部（後述するコンジットチューブ）を通過した後、溶接に利用されている。こうした状況の下で、長時間に及ぶ溶接作業においてもビードが蛇行することなく、安定したアークを保って良好な溶接作業性を確保する上で、溶接ワイヤには優れた送給性が要求される。
【０００４】
一方、建築に使用されている高強度鋼や圧力容器に使用されている耐熱鋼では、その強度を確保するためにＣｒやＭｏを含有するものが多くなっており、こうした鋼材の溶接に適用されるガスシールド溶接用ソリッドワイヤにおいても、ＣｒやＭｏを添加したものが使用されている。このような溶接用ワイヤとしては、ＪＩＳ  Ｚ  ３３１７に規定されており（例えば、ＹＧＣＭ，ＹＧ１ＣＭ，ＹＧ２ＣＭ等）、これらの溶接ワイヤを用いて溶接したものでは、溶接金属（溶着金属）部における所定の強度が発揮されている。しかしながら、このような溶接用ワイヤでは、その強度が高くなるにつれて送給性も悪くなるのが一般的である。
【０００５】
溶接用ワイヤの送給性の改良に関して、これまでにも様々検討されており、例えば特開平１１−１９７８７５号や特開２０００−１０７８８４号には、析出物の形態を適正に制御してワイヤの強度およびそのバラツキを低減させることによって送給性を改善した溶接用ワイヤが提案されている。しかしながらこれらの技術は、基本的に強度レベルが比較的低い鋼材の溶接に用いることを想定したものであって、ＣｒやＭｏを含有させた高強度鋼（例えば、ＳＨ５７０，ＳＢ４８０等）を溶接する際には、十分な送供性が発揮できないという問題がある。
【０００６】
こうしたことから、ＣｒやＭｏを所定量含有させて強度を高めた鋼材を溶接する際に、最適な特性を発揮する溶接用ソリッドワイヤの開発が望まれているのが実状である。また、上記のような溶接用ソリッドワイヤは、原線を伸線加工することによって得られるが、こうした伸線前の原線には伸線加工性に優れていることも重要な要件である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、ＣｒやＭｏを含有させて高強度化を図った鋼材を溶接するに際して、溶接金属の強度を確保できると共に送給性にも優れたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、およびこのようなガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを伸線加工性良く製造することのできる原線を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することができた本発明に係るガスシールドアーク溶接用ワイヤとは、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜２．４％、Ｃｒ：０．５〜３％およびＭｏ：０．１〜１．５％を夫々含有すると共に、粒子径が３０ｎｍ以上で且つＣｒおよび／またはＭｏを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均５個以上存在する点に要旨を有するものである。
【０００９】
上記ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいては、更にＴｉ：０．０１〜０．３％を含有すると共に、粒子径が２０〜３００ｎｍ以上で且つＴｉおよびＮを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均１個以上存在するものであることが好ましい。
【００１０】
一方、上記目的を達成することのできた本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ原線とは、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜２．４％、Ｃｒ：０．５〜３％およびＭｏ：０．１〜１．５％を夫々含有すると共に、粒子径が３０ｎｍ以上で且つＣｒおよび／またはＭｏを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均５個以上存在し、更にフェライト組織分率：３０体積％以上、マルテンサイト組織分率：４０体積％以下であり、且つ当該マルテンサイト組織の平均サイズが１５μｍ以下である点に要旨を有するものである。
【００１１】
上記本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ原線においては、更にＴｉ：０．０１〜０．３％を含有すると共に、粒子径が２０〜３００ｎｍ以上で且つＴｉおよびＮを含有する析出物が被検面積１μｍ2内に平均１個以上存在するものであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
従来の溶接用ワイヤでは、ベイナイト組織を主体とする原線を伸線・焼鈍して製品（溶接用ワイヤ）とされるのが一般的である。こうした製造工程において、伸線前の原線においては、ＣｒやＭｏ等の合金元素は固溶状態にあるが、これらの合金元素は焼鈍中に微細に析出して線材の強度が上昇することになるので、焼鈍工程を経ても却って強度が上昇して安定した送給性が確保できないことになる。即ち、ＣｒやＭｏ等の合金元素は、原線の製造時（圧延時）のベイナイト変態開始のときに析出の駆動力が発生するが、この段階では変態温度が低過ぎるので析出物として析出できず、その後の焼鈍時に一斉に析出することになる。
【００１３】
こうしたことから本発明者らは、高温変態（フェライト変態）させて、上記のような析出物を或る程度成長させた状態でフェライト中に析出させれば、その後の焼鈍工程においても上記のような現象が生じることなく優れた送給性が確保できることを見出したのである。また、本発明者らは、ＴｉおよびＮを含有する析出物の形態を制御すれば、フェライト変態制御を図る上で有効であることをも見出した。以下、本発明の溶接用ワイヤおよびその原線の構成について更に詳細に説明する。
【００１４】
本発明の溶接用ワイヤでは、化学成分組成を適切に調整する必要があるが、各元素の範囲限定理由は下記の通りである。
【００１５】
Ｃ：０．０２〜０．１５％
Ｃは溶接金属の強度を確保する上で欠くことのできない元素であり、こうした効果を発揮させる為には、Ｃ含有量は０．０２％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になって０．１５％を超えると焼き入れ性の増大によってマルテンサイト分率増加により送給性および伸線性が劣化することになる。尚Ｃ含有量の好ましい下限は０．０４％程度であり、好ましい上限は０．１２％程度である。
【００１６】
Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｓｉは脱酸作用により溶接金属を清浄にする作用を有することから、溶接用ワイヤには不可欠の元素である。こうした効果を発揮させる為には、その含有量は０．１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｓｉはセメンタイト生成抑制効果（即ち、マルテンサイト促進効果）を有しているので、過剰に含有させるとマルテンサイトの分率が増加して原線の伸線性が劣化するので、その含有量は１．２％以下とする必要がある。尚Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、好ましい上限は１．０％である。
【００１７】
Ｍｎ：０．４〜２．５％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸元素として有用であり、こうした効果を発揮させるためには、その含有量は０．４％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎはワイヤにバンド状に偏析する元素であり、過剰に含有させるとマルテンサイトサイズが増加して伸線性を劣化させるので、その含有量は２．５％以下とする必要がある。尚Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％であり、好ましい上限は２．２５％である。
【００１８】
Ｃｒ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．１〜１．５％
ＣｒおよびＭｏは、溶接金属特性を確保（特に、強度）を確保する上で有用な元素であり、こうした効果を発揮させるためにはＣｒで０．５％以上、Ｍｏで０．１％以上夫々含有させる必要がある。しかしながら、これらの元素は焼き入れ性を向上させる元素であるので、その含有量が過剰になるとフェライト変態の進行が遅れて析出物が微細化して本発明の効果が発揮しにくくなるので、Ｃｒで３％以下、Ｍｏで１．５％以下とする必要がある。尚これらの元素の好ましい下限はＣｒで０．７５％、Ｍｏで０．２５％であり、好ましい上限はＣｒで２．５％、Ｍｏで１．０％である。
【００１９】
本発明の溶接用ワイヤにおける基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるものであるが、必要によって所定量のＴｉを含有させることも有効である。Ｔｉを含有させるときの好ましい範囲設定理由は下記の通りである。また、本発明の溶接用ワイヤには、その特性を阻害しない程度の微量成分をも含み得るものであり（例えば、０．０１％程度までのＺｒ，Ｃａ，Ｖ等）、こうした溶接用ワイヤも本発明に含まれるものである。
【００２０】
Ｔｉ：０．０１〜０．３％
Ｔｉは溶接時におけるアーク安定化に有効な元素であり、また溶接金属の形成過程において脱酸および溶接金属組織の微細化に有効に作用する。これらの効果を発揮させるためには、少なくとも０．０１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有させると、ＴｉＣ析出硬化による溶接金属の硬化を招くので、０．３％以下とするのが良い。尚Ｔｉ含有量のより好ましい下限は０．０５％程度であり、より好ましい上限は０．２５％程度である。
【００２１】
本発明における溶接用ソリッドワイヤにおいては、上記の様に化学成分組成を規定するだけではその目的を達成することはできず、上記趣旨から明らかなように、析出物の形態をも適切に制御する必要がある。次に、この点について説明する。
【００２２】
前述した様に、本発明ではフェライト中に或る程度の大きさを有する析出物（Ｃｒおよび／またはＭｏを含有する析出物）を所定の割合で存在させる必要がある。本発明では、その大きさが３０ｎｍ以上の析出物を対象とするものであるが、３０ｎｍ未満の析出物ではワイヤ強度を著しく増大させて送給性を著しく劣化させるからである。即ち、本発明では上記のような析出物を原線の段階で析出させておくことによって、その後の工程において（例えば、焼鈍工程）において析出物が微細に析出することを防止し、良好な送給性を確保するものである。上記析出物の大きさは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察される析出物の円相当直径（析出物の大きさに着目して、その面積が等しくなるように想定した円の直径）を意味する。
【００２３】
本発明で対象とする析出物（Ｃｒおよび／またはＭｏを含有する析出物）は、具体的には、Ｍ23Ｃ6、Ｍ7Ｃ3、Ｍ3Ｃ2、ＭＣ、Ｍ2Ｃ（Ｍは、Ｃｒ，Ｍｏ）等が挙げられるが、これらの析出物は、被検面積１μｍ2内に平均５個以上存在させる必要がある。その存在個数が、５個／μｍ2未満となると、微細な炭化物が多数存在することとなって送給性を却って劣化させることになる。この析出物個数の上限については、限定するものではないが、過剰に存在する場合は、析出物により著しくワイヤ強度が上昇するという観点からして、平均で５０個／μｍ2以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明において、上記析出物（Ｃｒおよび／またはＭｏを含有する析出物）の形態を上記のように適切に制御するための条件（製造方法）は、例えば８５０℃で圧延した後に冷却速度：３℃／ｓｅｃ以下で徐冷すれば良い。またこの析出物の個数は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって倍率６００００倍程度で５μｍ2以上観察したときの平均値の意味である。
【００２５】
本発明においては、所定量のＴｉを含有することも好ましく、その際ＴｉおよびＮを含有する析出物の形態を制御すれば、フェライト変態制御を図る上で有効である。この析出物の適切な大きさは（その意味は上記と同じ）２０〜３００ｎｍであるが、この大きさが２０ｎｍ未満ではフェライト変態制御を可能とするフェライト促進効果が発揮されにくく、３００ｎｍを超えるとその個数が不足して上記効果が発揮されにくくなる。
【００２６】
この析出物（ＴｉおよびＮを含有する析出物）は、具体的には、ＴｉＮ，Ｔｉ（ＣＮ）等が挙げられるが、これらの析出物は、被検面積１μｍ2内に平均１個以上存在させることが好ましい。この存在個数が、１個／μｍ2未満となると、フェライト促進効果が発揮されにくくなる。この析出物個数の上限については、限定するものではないが、過剰に存在する場合は、析出強化によりワイヤ強度が上昇するという観点からして、平均で５０個／μｍ2以下であることが好ましい。
【００２７】
本発明において、上記析出物（ＴｉおよびＮを含有する析出物）の形態を上記のように適切に制御するための条件（製造方法）は、例えば圧延前素材の鋳造時冷却速度を３℃／ｍｉｎ以上とすれば良い。またこの析出物の個数は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって倍率３００００倍程度で２０μｍ2以上観察したときの平均値の意味である。
【００２８】
一方、本発明の溶接用ワイヤ原線は、基本的には化学成分組成および析出物の存在形態は上記と同じであるが（伸線によって、析出物の形態は変化しない）、特に原線では伸線加工性が良好であることも重要な要件である。こうした観点からして、本発明では原線の組織も適切に制御しているのである。即ち、本発明の溶接用ワイヤ原線においては、フェライト組織分率：３０体積％以上、マルテンサイト組織分率：４０体積％以下であり、且つ当該マルテンサイト組織の平均サイズが１５μｍ以下という要件を満足させることも重要である。
【００２９】
本発明者らが、組織と伸線加工性との関係について検討したところによれば、フェライト分率が３０体積％以上であれば、伸線時の断線が抑制できることが判明した。また、フェライトが多くても、第２相組織（主としてマルテンサイト）が粗大になったり塊状に生成したりすれば、断線を助長することになる。こうしたことから、マルテンサイトはできるだけ均一微細に分散させることが好ましく、本発明ではこうした観点から「マルテンサイトの分率を４０体積％以上、マルテンサイト組織の平均サイズが１５μｍ以下」と規定したのである。即ち、マルテンサイト組織が上記要件を満足しない場合には、伸線加工中に線材内部にマルテンサイトを起点とするボイドが発生しやすく、原線の断線を助長し、或は溶接用ワイヤの送給性を悪化させることになる。
【００３０】
本発明の原線において、フェライト分率を上記のように制御するに当たっては、例えば線材製造時の仕上げ圧延温度（熱間圧延仕上げ温度）と冷却開始温度を８５０℃以下とし、その後５００℃までの冷却速度を３℃／ｓｅｃ以上とすれば良い。またマルテンサイトのサイズを制御するには、例えば線材製造時の仕上げ圧延温度と冷却開始温度を８５０℃以下とすることが有効であり、体積分率を上記のように制御するには線材製造時の圧延後の冷却速度を３℃／ｓｅｃ以下とすれば良い。尚、組織の測定（各組織分率、マルテンサイトのサイズ）は、例えば原線縦断面をレペラ腐食して、倍率４００倍程度で少なくとも５視野観察し、解析により算出する。
【００３１】
本発明の溶接用ワイヤを用いることによって、溶接金属の強度を確保しつつ優れた送給性が発揮されるのであるが、このとき用いる溶接母材としては、ＳＭ５７０等の高強度鋼や、ＳＢ４８０、ＳＣＭＶ２、ＳＣＭＶ３等の耐熱鋼が挙げられる。
【００３２】
以下、本発明を実施例によってその作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３３】
【実施例】
表１に示す化学成分組成の鋼材を溶製し、熱間圧延および冷間圧延を行って、最終的に直径：１．２ｍｍのワイヤ（溶接用ワイヤ）を試作した。このときの伸線は、直径：３．０ｍｍ程度までの一次伸線を行った後、６００〜７００℃にて焼鈍を実施し、そこから直径：１．２ｍｍまでの二次伸線の２回伸線を実施した。一次伸線時に断線した線材については、伸線加工性不良と判断し（後記表３において、「断線」と表示）、それ以後の試験を中断した。
【００３４】
【表１】
0003867000.tif 000002
【００３５】
このとき、原線製造の段階（熱間圧延の段階）で、熱間仕上げ圧延温度、冷却開始温度および冷却速度等の製造条件を変化させることによって、原線の組織の制御を行った。得られた原線の組織を、製造プロセスと共に下記表２に示す。
【００３６】
【表２】
0003867000.tif 000003
【００３７】
伸線後の各ワイヤ（溶接用ワイヤ）について、前述した方法で、各析出物の個数を測定すると共に、下記の条件で溶接を行ない、送給性について評価した。このときの送給性は、ワイヤ送給モータの負荷電流測定値によって評価した。即ち、負荷電流が３．０Ａを超えるものを「×」、２．０〜３．０Ａのものを「○」、２．０Ａ未満のものを「◎」とした。また、送給性試験を合格したワイヤについては、ＪＩＳＺ３３１１に基づいて引張試験を実施し、溶接金属強度の測定を行なった。これらの評価結果を、各析出物の個数と共に一括して下記表３に示す。
［溶接条件］
溶接法  ：炭酸ガスシールドアーク溶接
溶接母材：ＳＭ５７０
溶接電流：１５０Ａ
溶接電圧：２０Ｖ
溶接速度：１２ｃｍ／分
【００３８】
【表３】
0003867000.tif 000004
【００３９】
この結果から、次の様に考察できる。まずＮｏ．１〜１０のものは、本発明で規定する要件のいずれをも満足するものであり、優れた送給性が得られると共に、溶接金属強度も十分であることが分かる。これに対し、Ｎｏ．１１〜１８のワイヤでは、本発明で規定する要件のいずれかを満足しないものであり、送給性に乏しいことが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、ＣｒやＭｏを含有させて高強度化を図った鋼材を溶接するに際して、溶接金属の強度を確保できると共に送給性にも優れたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、およびこのようなガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを伸線加工性良く製造することのできる原線が実現できた。