(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜２．０％およびＮ：０．０００５〜０．０１０％を夫々含有する他、Ｔｉ：０．００１〜０．０３０％および／またはＺｒ：０．００１〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、Ｎに対するＴｉおよび／またはＺｒの質量比が２．０≦［Ｔｉ＋（Ｚｒ×４７．９／９１．２）］／Ｎ≦６．０を満足し、且つ粒子径２０〜５００ｎｍの窒化物および／または炭窒化物が被検面積１μｍ2 内に平均１個以上存在す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接時の供給不良やビード蛇行を招くことがない様な優れた送給性を有し、薄鋼板で適用されるような比較的低電流溶接において安定したアークが得られ、且つ高い溶接金属強度が得られるガスシールドアーク用ソリッドワイヤ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おり、特に近年では溶接の自動化、省力化、無人化の推進により、全自動および半自動溶接機の開発が盛んに行なわれている。こうした傾向に伴い、省力化と施行能率の向上を目的とした比較的高電流での溶接や、薄鋼板などの熱影響による変形・変質を受けやすい母材を対象とする比較的低電流での溶接等、用途に応じた溶接条件が細分化されてきている。
【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ソリッドワイヤは、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、長時間におよ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】
こうしたことから、溶接用ソリッドワイヤの送給性の改良に関して、これまで様々検討されている。例えば、特公昭５８−３２５６号には、ワイヤ表面に有機系潤滑油を塗布して送給性を向上させる技術が提案されている。また特開昭５８−１８４０９５号には、固形潤滑剤を用いることによって送給性を向上させる技術が提案された。しかしながらこれらの技術では、送給ローラ部でワイヤがスリップしたり、逆に摩擦係数が大きくなったりして、送給性が十分に改善されているとは言えない。
【０００５】
一方、高電流溶接において優れたアーク安定性を示し、送給性にも優れたワイヤの開発が行なわれており、例えば特開平４−３０９４８９号には、アーク安定化の為にＴｉやＺｒを０．１０〜０．３５％含有させると共に、良好な送給性を確保するという観点からＣａ量やＮ量を規定した溶接用ワイヤが提案されている。また特開平１０−１３７９７３号には、アーク安定化の為にＴｉを０．１０〜０．３０％含有させると共に、良好な送給性を確保するという観点からＴｉ／Ｃ値を規定した溶接用ワイヤも提案されている。
【０００６】
しかしながらこれらの溶接用ワイヤは、高電流溶接を想定したものであるので、低電流溶接で使用した場合には、十分なアーク安定性は得られないという問題がある。こうした現象が生じるのは、高電流溶接ではアーク安定性に効果的であるＴｉやＺｒが低電流溶接では却ってアークを不安定にさせる働きを有するからであると考えられる。
【０００７】
また低電流溶接で安定したアークが得られる溶接用ワイヤとして、Ｔｉを０．０３％以下に制限し、且つＫとＣａの量的関係を規定したワイヤも提案されている（例えば、特開平８−１３２２８０号）。しかしながら、こうしたワイヤを低電流溶接に用いたとしてもワイヤ送給性に関しては依然として十分なものとはいえなかった。
【０００８】
上述した様に、溶接用ワイヤの特性を改善する為に様々な提案がなされているが、依然として低電流溶接でアークが安定性し且つ送給性に優れたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの実現には至っておらず、両特性を満足する溶接用ワイヤの実現が望まれているのが実状である。
【０００９】
【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、低電流溶接で安定したアークが得られ、且つ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を提供することにある。
【００１０】
【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：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜２．０％およびＮ：０．０００５〜０．０１０％を夫々含有する他、Ｔｉ：０．００１〜０．０３０％および／またはＺｒ：０．００１〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、Ｎに対するＴｉおよび／またはＺｒの質量比が２．０≦［Ｔｉ＋（Ｚｒ×４７．９／９１．２）］／Ｎ≦６．０を満足し、且つ粒子径２０〜５００ｎｍの窒化物および／または炭窒化物が被検面積１μｍ2 内に平均１個以上存在する点に要旨を有するものである。
【００１１】
尚本発明において、窒化物や炭窒化物の個数（平均値）は、透過型電子顕微鏡によって観察した任意の１０視野における個数の平均値の意味である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明者らは、上記課題を解決するべく様々な角度から検討した。そしてまず、ソリッドワイヤの送給性を著しく低下させるのは、ワイヤ強度のバラツキによるものであるとの着想が得られ、またこうしたワイヤ強度のバラツキが生じるのは、ワイヤ原線を熱間圧延した後の冷却速度が線材各部で異なるからであると考えられた。即ち、線材の冷却はステルモア冷却によって行なわれているが、線材がお互いに接触して重なる部分（密部）と重なっていない部分（疎部）で冷却速度が異なり、密部がフェライトとパーライトとから構成されていても、疎部には過冷された組織が現れることがあり、その結果としてワイヤ強度のバラツキが生じるものと考えられた。
【００１３】
上記の様な冷却速度の相違による影響の抑制は、ワイヤ原線のオーステナイト粒を微細にすることにより達成できることが知られている。これは、フェライト変態の際の核生成優先サイトが増加する為に、変態がより高温、短時間で開始し、冷却速度の影響が小さくなるからである。
【００１４】
また本発明者らは、ソリッドワイヤの送給性に影響を与える他の要因として、ワイヤ中に存在する固溶Ｎに着目し、その働きについて検討した。その結果、固溶Ｎには伸線後のワイヤ強度を上昇させるだけでなく、ワイヤ強度のバラツキをも増大させ、送給性を著しく悪化させる働きもあることを見出した。換言すれば、固溶Ｎを適切に制御することによって、送給性を向上させ得ることが判明したのである。
【００１５】
上記した様にワイヤの送給性は、オーステナイト粒の粒径および固溶Ｎのコントロールが重要であるとの観点から、本発明者らはその方法について鋭意研究を重ねた。また併せて、低電流溶接でのアーク安定性を指標とした検討も同時に行なった。
【００１６】
その結果、低電流溶接においては、アーク安定性にマイナスとされるＴｉを添加することによって、アーク安定性と送給性の両特性を満足させ得るという方法を見出した。即ち、前述したようにＴｉはその含有量によっては、アーク安定性を損なうものであるが、本発明者らが精査検討を重ねたところによると、Ｔｉの含有量を厳密に規定すれば、良好なアーク安定性が確保できることを見出したのである。またＮに対するＴｉの質量比（Ｔｉ／Ｎ）および生成する窒化物や炭窒化物の粒径、数量が送給性に影響を与えることを見出した。更に、Ｔｉ以外にも同様な作用を有する元素についても検討したところ、Ｚｒについてもその添加量をＴｉおよびＮ量に応じて調節することにより、同様な効果が得られることも見出した。尚Ｚｒを添加するときには（Ｚｒ単独またはＴｉと併用して）、上記と同様にＮに対するＺｒ（またはＴｉおよびＺｒ）の質量比をを適切な範囲に調整する必要がある。
【００１７】
Ｎに対するＴｉおよび／またはＺｒの質量比を規定することによって上記の様な作用が発揮される理由については、その全てを解明し得た訳ではないが、次の様に考えることができる。
【００１８】
まずＴｉの添加によって窒化物や炭窒化物が微細に析出し、マトリックスがオーステナイト時に粒子の粗大化をピンニング効果によって抑制する。そしてこの析出物は、フェライトとの格子整合性が良いことから、その後のフェライト変態時には核生成優先サイトとなり得る。つまり、フェライト粒の核生成優先サイトを大幅に増加させることになり、変態温度を高温にすることで強度のバラツキの低減に寄与し、ワイヤの送給性を向上させるものと考えることができる。しかも、Ｎを固定することによる固溶Ｎの減少によって送給性向上効果も発揮され、前述した問題を同時に解決できたのである。またＺｒにもＴｉと同様にＺｒＮとして析出する傾向があり、そのＮ固定効果はＴｉよりも強いものと考えることができる。本発明では、以上を考慮してその化学成分組成を規定したものであるが、これらの限定理由は下記の通りである。
【００１９】
Ｃ：０．０２〜０．１２％
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含有量が過剰になて０．１２％を超えると強度が上昇し、島状マルテンサイトなどを生成させ伸線時の断線を助長することになる。尚Ｃ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、好ましい上限は０．１０％である。
【００２０】
Ｓｉ：０．１〜０．８％
Ｓｉは脱酸作用により溶接金属を清浄にし、歩留まった場合はフェライトを固溶強化させ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、原線の伸線性という観点からすればＳｉ含有量はできるだけ低減することが望ましく、こうした観点からその含有量は０．８％以下とする必要がある。尚Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．３０％であり、好ましい上限は０．５０％である。
【００２１】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは溶接金属に強度を与える上で必要な元素であるが、過剰になると焼入れ性が向上して靱性の低下を招く。こうした観点から、本発明の溶接用ソリッドワイヤにおけるＭｎ含有量は０．５〜２．０％とする必要がある。尚Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．０％であり、好ましい上限は１．６％である。
【００２２】
Ｎ：０．０００５〜０．０１０％
Ｎは窒化物や炭窒化物を生成し、フェライト生成核としての役割を果たすのに必要な元素であり、こうした効果を発揮させる為には、Ｎの含有量は０．０００５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、上記析出物の生成数が過多になって凝集し粗大化するので、強度のバラツキ低減に寄与しなくなる。こうしたことから、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする必要がある。尚Ｎ含有量の好ましい下限は０．００３０％であり、好ましい上限は０．００８０％である。
【００２３】
Ｔｉ：０．００１〜０．０３０％
Ｔｉは溶接金属の強度や靱性、アーク安定性に影響を及ぼす元素であり、低電流溶接において良好なアーク安定性を確保するには、その上限を０．０３０％とする必要がある。また前述した様に、Ｎを固定してフェライトの生成核として働く為にも、少なくとも０．００１％含有させる必要がある。尚Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０４０％であり、好ましい上限は０．０１６％である。
【００２４】
Ｚｒ：０．００１〜０．０３０％
Ｚｒは窒化物生成能が高く、Ｔｉと同等若しくはそれ以上の効果を得ることができる元素である。Ｎを固定し且つ核生成優先サイトとして働くには、少なくとも０．００１％含有させる必要がある。しかしながら、Ｚｒ含有量が過剰になると、炭化物を析出させて強度を上昇させることから、その含有量は０．０３０％以下とする必要がある。尚Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、好ましい上限は０．００８％である。
２．０≦［Ｔｉ＋（Ｚｒ×４７．９／９１．２）］／Ｎ≦６．０
【００２５】
Ｎに対するＴｉおよび／またはＺｒの質量比｛［Ｔｉ＋（Ｚｒ×４７．９／９１．２）］Ｎ｝が２．０未満では固溶Ｎ量が余剰となり、良好なワイヤ供給性が達成されない。一方、この質量比が６．０より大きくなるとＴｉおよび／またはＺｒが余剰となり、炭化物の析出等により強度およびそのバラツキが却って増大することになる。こうした観点から、Ｎに対するＴｉおよび／またはＺｒの質量比（Ｔｉ／Ｎ）を２．０〜６．０とする必要がある。尚この値の好ましい上限は４．０であり、好ましい下限は３．０である。
【００２６】
本発明の溶接用ソリッドワイヤにおける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、その他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、こうした溶接用ワイヤも本発明に含まれるものである。
【００２７】
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、窒化物や炭窒化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。前述した様に、本発明の溶接用ソリッドワイヤにおける窒化物や炭窒化物等の析出物は、オーステナイト組織を微細化すると共に、フェライト組織が生成する過程において生成核となり、強度の冷却速度依存性を減少させ、これによって強度のバラツキを低減させるものである。従って、窒化物と炭窒化物を区別する必要はないが、そのサイズは非常に重要な因子である。
【００２８】
窒化物や炭窒化物の析出による本発明の効果を発揮させる為には、析出物のサイズを２０ｎｍ以上とする必要がある。しかしながら、そのサイズが５００ｎｍを超えると、この効果が消失してしまうことになる。こうしたことから、本発明における溶接用ソッリドワイヤ中の析出物のサイズを２０ｎｍ〜５００ｎｍと規定した。尚このサイズの好ましい下限は５０ｎｍであり、好ましい上限は２００ｎｍ程度である。
【００２９】
上記析出物の含有量（析出個数）については、透過型電子顕微鏡を用いて抽出レプリカ試料を倍率６万倍で１０視野観察したとき、比検面積１μｍ2 内に窒化物および／または炭窒化物が平均１個以上存在すれば、送給性改善効果が現れることを本発明者らは見出している。この個数が平均１個／μｍ2 未満では、粒子径が５００ｎｍを超える様な粗大な窒化物や炭窒化物が析出していることが多く、送給性改善効果を発揮することができない。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、析出強化による強度増大を助長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。
【００３０】
上記の様な析出物の形態は、溶製時の連続鋳造後の冷却速度を適切に制御することによって達成できる。通常の場合には、１１００〜１５００℃の温度範囲における冷却速度は、１０〜２０℃／分であることが多いが、こうした冷却速度では窒化物や炭窒化物が凝集して粗大化し、そのサイズが５００ｎｍ以上、または析出物個数が平均１個／μｍ2 未満となり、本発明の目的が達成されない。本発明で規定する様な析出形態に制御するには、３０℃／分以上の冷却速度とする必要があり、これによって２０〜５００ｎｍのサイズを有する窒化物または炭窒化物を平均１個／μｍ2 以上存在させることができ、強度のバラツキを抑制した、送給性に優れたワイヤを得ることができる。尚連続鋳造時の冷却速度は、鋳造材のサイズ等によって適宜変更する必要があるが、この冷却速度は使用する冷却水の量等で調節することができる。
【００３１】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、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。
【００３２】
【実施例】
表１に示す化学成分組成のビレットを連続鋳造により製造し、冷却速度３０〜４０℃／分で冷却した。その後ビレットを９５０℃に再加熱して熱間圧延加工を行ない、φ５．５ｍｍの線材とし、これに冷間伸線加工を行なってからＣｕめっきを施し、最終的にφ１．２ｍｍのワイヤとした。得られたワイヤ中の窒化物、炭窒化物の個数を下記表１に併記する。尚窒化物や炭窒化物の析出形態については、透過型電子顕微鏡を用いて抽出レプリカ試料を倍率６万倍で１０視野観察し、析出物のサイズを測定し、それが２０〜５００ｎｍのものの含有量（平均個数）について算出した。
【００３３】
【表１】
0003825187.tif 000002
【００３４】
得られた各ワイヤについて、強度、強度のバラツキ、送給性および溶着金属強度を評価した。このとき、強度および強度バラツキに関しては、ワイヤを１６ｃｍ間隔で１００本切断し、これらの平均強度を算出して強度とし、最大強度と最小強度の差を強度バラツキとした。
【００３５】
送給性については、図１に示す装置を用いて行なった。図１において、１はワイヤ、２は送給ローラ、３はコンジットチューブ、４は給電チップ、５はワイヤアークを夫々示しており、ワイヤ１を送給ローラ２によってコンジットチューブ３内に送り込み、給電チップ４との接触によって通電しつつ母材との間でワイヤアーク５を発生させて溶接を行なった。
【００３６】
そして、ビード蛇行の程度によって送給性を評価し、溶接作業によって得られた５ｍのビードにおいて、蛇行の生じなかったものを合格（下記表２中の○印）、著しい蛇行を生じたワイヤを不合格（下記表２中の×印）とした。
【００３７】
溶着金属強度は、送給性試験を合格したワイヤについて測定を行ない、ＪＩＳＺ３３１２に基づき、強度５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上のものを合格（下記表２中の○印）と評価した。これらの評価結果を、一括して下記表２に示す。尚このときの溶接条件は、下記の通りである。
［溶接条件］
溶接法  ：炭酸ガスアーク溶接
溶接母材：ＳＭ４９０
溶接電流：２００Ａ
溶接電圧：２５Ｖ
溶接速度：２５〜３０ｃｍ／分
【００３８】
【表２】
0003825187.tif 000003
【００３９】
この結果から、次の様に考察できる。まずＮｏ．１〜１２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、強度バラツキが低減しており、且つ優れた送給性が得られていることが分かる。これに対し、Ｎｏ．１３〜２４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、強度バラツキが大きく、送給性にも乏しいことが分かる。Ｎｏ．２１，２２のものでは、強度バラツキは少ないものの、夫々ＣまたはＭｎの含有量が本発明で規定する下限よりも少なく、溶着金属強度が低くなっている。またＮｏ．２３，２４のものでは、窒化物や炭窒化物の析出形態に関する条件を満たしておらず、強度バラツキが大きく送給性が悪くなっている。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、溶接用ワイヤとして欠くことのできない溶着金属の強度等を確保した上で、ビード蛇行を生じさせることのない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が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるワイヤ送給試験を実施する際に用いた装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１  溶接用ワイヤ
２  ワイヤ送給ローラ
３  コンジットチューブ
４  給電チップ
５  ワイヤアーク
【図１】
0003825187.tif 000004