(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を５〜４０％含むＡｒガスを用いて４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼を高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件で多層盛溶接するＡｒ−ＣＯ２混合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：０．０１〜０．１％、
Ｓｉ：０．３〜０．６５％、
Ｍｎ：１．３５〜１．９５％、
かつ、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．８６〜２．４５％、
Ｔｉ：０．０２〜０．１５％、
Ｍｏ：０．１〜０．３％、
Ｏ：０．００６〜０．０５％、
Ｎ：≦０．００５％
を含有し、残部が鉄及び不可避不純物であることを特徴とするＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項２】
質量％で、ＡｌまたはＺｒの１種または２種を０．００５〜０．０５％含有することを特徴とする請求項１記載のＡｒ−ＣＯ２混合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多層盛溶接しても溶接金属の強度及び安定した靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量が極めて少ないなど良好な溶接作業性の確保できるＡｒ−ＣＯ2混合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、鉄骨・建築分野では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。その溶接方法も高能率化を目的として、適用される溶接条件は高電流で高入熱溶接の条件が採用されつつある。しかも、各溶接パスは連続的に短時間で次の溶接パスを行うため高パス間温度の状態で溶接することになる。そして、このような高入熱で高パス間温度の条件で溶接する状態は、さらに高入熱側で高パス間温度側に移行しつつあるのが現状である。そして、要求される溶接金属の強度特性及び靭性特性は高度化する傾向にある。このような高電流で高入熱、高パス間温度の条件で溶接された溶接金属は、強度の低下と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。そのため、このような状況下においても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。
【０００３】
たとえば、特開平１０−２３０３８７号公報に、軟鋼または４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼を高入熱及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、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て十分ではない。さらに、炭酸ガスシールドアーク溶接であるのでスパッタ発生量及びスラグ生成量が多く、溶接トーチの清掃やビード表面のスラグ取りなど溶接作業性及び溶接能率が悪い。
【０００４】
また、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Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接で、溶接入熱量が最大４０ｋＪ／ｃｍ程度における両面１層溶接での低温靭性向上を目的としたものである。
【０００５】
特開昭６３−１５７７９５号公報には、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、Ｔｉ−Ｂ系に最大６％までのＮｉを添加することにより低温靭性を向上させる技術の記載がある。しかし、これらのガスシールドアーク溶接用ワイヤを用いて高電流で高入熱、さらに高パス間温度の条件で溶接した場合十分な靭性が得られない。
【０００６】
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、また溶接作業性及び溶接能率も満足するに至っていないのが実状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に高電流、高入熱、高パス間温度の条件で多層盛溶接しても溶接金属の強度及び安定した靭性が確保でき、かつ、スパッタ発生量及びスラグ生成量が極めて少ないなど良好な溶接作業性及び溶接能率を確保できるＡｒ−ＣＯ2混合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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、ＣＯ２を５〜４０％含むＡｒガスを用いて４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼を、高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件で多層盛溶接するＡｒ−ＣＯ２混合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：０．０１〜０．１％、
Ｓｉ：０．３〜０．６５％、
Ｍｎ：１．３５〜１．９５％、
かつ、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．８６〜２．４５％、
Ｔｉ：０．０２〜０．１５％、
Ｍｏ：０．１〜０．３％、
Ｏ：０．００６〜０．０５％、
Ｎ：≦０．００５％
を含有し、残部が鉄及び不可避不純物であることを特徴とするＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
【０００９】
さらに、ＡｌまたはＺｒの１種または２種を０．００５〜０．０５％含有することも特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
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使用ガスをＡｒ主体として溶接金属の低酸素化とＳｉとＭｎの和を特定するとともに、Ｔｉの添加が有効である。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、Ａｒ主体のシールドガスを用いて高電流、高入熱、高パス間温度の溶接条件で溶接した場合、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溶融プールが大きい。したがって、溶融プールへのシールド性が悪くなって大気からＮが侵入し溶接金属は窒化して靭性は低下するが微量のＡｌ及びＺｒを添加することによってＮによる靭性の低下を抑制する効果があることを突き止めた。
【００１２】
また、スパッタ発生量の低減は、ワイヤ成分中のＴｉ及びシールドガスをＡｒ主体とすること、スラグ発生量の抑制は、前記シールドガスをＡｒ主体とすることとＳｉとＭｎの和及びＴｉ量を特定することが有効である。
【００１３】
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、シールドガス組成、ワイヤ各成分それぞれの共存による単独及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及び限定理由について詳述する。
【００１４】
（Ｃ：０．０１〜０．１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上限を制限している。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、０．０１％未満であると強度の確保が困難となる。
【００１５】
（Ｓｉ：０．３〜０．６５質量％）
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０．３％未満では脱酸不足となり急激に靭性が低下する。一方、０．６５％を超えると溶接金属素地が硬化して靭性への悪影響が顕著となる。
【００１６】
（Ｍｎ：１．３５〜１．９５質量％）
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及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量との兼ね合いもあるが、１．３５％未満では靭性が確保できず、１．９５％を超える添加量では強度が高くなり靭性が低下する。
【００１７】
さらに、上記ＳｉとＭｎは、Ｓｉ＋Ｍｎで１．８６〜２．４５％とする。Ｓｉ＋Ｍｎが１．８６％未満であると靭性が低くなり、Ｓｉ＋Ｍｎが２．４５％を超えるとスラグ生成量が多くなり、連続して溶接するとスラグ巻き込み欠陥が生じるので、数パス毎にビード表面に付着したスラグを除去する必要があり作業能率が悪くなる。
【００１８】
（Ｔｉ：０．０２〜０．１５質量％）
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、低酸素となるＡｒ−ＣＯ2ガスシールドアーク溶接では０．０２〜０．１５％程度が適正である。
【００１９】
Ｔｉが０．０２％未満であると靭性が低くなり、スパッタ発生量もやや多くなる。また、０．２％を超えると過剰にＳｏｌ．Ｔｉが固溶して溶接金属の硬化が著しくなり、靭性を著しく低下させるとともにスラグ生成量が多くなり作業能率が悪くなる。
【００２０】
（Ｍｏ：０．１〜０．３質量％）
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。
【００２１】
（Ｏ：０．００６〜０．０５質量％）
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、Ａｒ主体のガスシールドアーク溶接においても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、ワイヤの酸素を多くすると溶滴を小さくしてスパッタ発生量を少なくすることが判明した。この酸素の効果は０．００６％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。酸素の上限は、ワイヤ送給性や製造コストの点から０．０５％以下とする。
【００２２】
（Ｎ：≦０．００５質量％）
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。
【００２３】
（ＡｌまたはＺｒの１種または２種で０．００５〜０．０５％質量）
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及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。
【００２４】
なお、前述した成分以外の強度及び靭性の調整としてＶ及び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。
【００２５】
本発明におけるガスシールドアーク溶接用ワイヤは、Ａｒを主体としＣＯ2を５〜４０％混合したＡｒ−ＣＯ2混合ガスを用いて溶接する。混合ガス中のＣＯ2ガスが５％未満であると、溶接金属にブロホールが生じる。４０％を超えると、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。また、スラグ生成量が多くなり作業能率が悪くなる。
【００２６】
以下、本発明の効果を実施例によりさらに詳述する。
【００２７】
【実施例】
まず、原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延、伸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。
【００２８】
【表１】
0003847647.tif 000002
【００２９】
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ＣＯ2混合量を変えて溶着金属試験（開先形状、試験片採取位置はＪＩＳ  Ｚ３３１２に準拠）を行った。
【００３０】
【表２】
0003847647.tif 000003
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、スラグ生成量は目視にて行い最終層までスラグ除去せずに溶接できたものを少ないと表した。それらの結果を表３にまとめて示す。
【００３４】
【表３】
0003847647.tif 000004
【００３５】
表３中、試験Ｎｏ．１〜１１が本発明例、試験Ｎｏ．１２〜２６は比較例である。
【００３６】
本発明例である試験Ｎｏ．１〜１１は、シールドガスのＣＯ2混合量及びワイヤ記号Ｗ１〜１１の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、溶接時のスラグ生成量及び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、試験Ｎｏ．１２はワイヤ記号Ｗ１２のＣが高く、試験Ｎｏ．１６はワイヤ記号Ｗ１６のＭｎが高く、試験Ｎｏ．２１はワイヤ記号Ｗ２１のＭｏが高いのでいずれも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。
【００３８】
試験Ｎｏ．１３はワイヤ記号Ｗ１３のＣが低いので、溶接金属の引張強さが低く、さらに、ＡｌとＺｒの合計量が高いので衝撃吸収エネルギーが低くなった。
【００３９】
試験Ｎｏ．１４はワイヤ記号Ｗ１４のＳｉが高いので、試験Ｎｏ．１５はワイヤ記号Ｗ１５のＳｉが低いので、試験Ｎｏ．１７はワイヤ記号Ｗ１７のＭｎが低いので、試験Ｎｏ．１９はワイヤ記号Ｗ１９のＳｉ＋Ｍｎが低いので、試験Ｎｏ．２２はワイヤ記号Ｗ２２のＭｏが低いので、衝撃吸収エネルギーが低くなった。
【００４０】
試験Ｎｏ．１８はワイヤ記号Ｗ１８のＳｉ＋Ｍｎが高いの、でスラグ生成量が多く、また、Ｔｉが低いのでスパッタ発生量がやや多く溶接金属の衝撃吸収エネルギーも低くなった。
【００４１】
試験Ｎｏ．２０はワイヤ記号Ｗ２０のＴｉが高いので、衝撃吸収エネルギーが低く、スラグ生成量もやや多くなった。
【００４２】
試験Ｎｏ．２３はワイヤ記号Ｗ２３のＡｌとＺｒの合計量が低いので、衝撃吸収エネルギーのばらつきが大きく、また、酸素が低いので、スパッタ発生量が多くなった。
【００４３】
試験Ｎｏ．２４はワイヤ記号Ｗ２４のＮが高いので、衝撃吸収エネルギーのばらつきが大きくなった。
【００４４】
試験Ｎｏ．２５はシールドガス中のＣＯ2量が少ないので、溶接金属にブロホールが発生した。したがって、機械試験は中止した。
【００４５】
試験Ｎｏ．２６はシールドガス中のＣＯ2量が多いので、スパッタ発生量及びスラグ生成量が多くなった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のＡｒ−ＣＯ2混合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、引張強度及び安定した靭性に優れた溶接金属を確保でき、かつ、スパッタ発生量及びスラグ生成量が極めて少ないなど良好な溶接作業性及び溶接能率を確保できるＡｒ−ＣＯ2混合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ができる。