ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ
【課題】
板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接においてもビード形成が安定し、かつ高温割れ感受性が低く、疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】
Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、Ｂ：０．００１０乃至０．０１００質量％のうち１種又は２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。
板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接においてもビード形成が安定し、かつ高温割れ感受性が低く、疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】
Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、Ｂ：０．００１０乃至０．０１００質量％のうち１種又は２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用鋼板等の板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板軟鋼及び高張力鋼板等をガスシールドアーク溶接する際に使用されるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ガスシールドアーク溶接による溶接構造物には、更に一層の高品質生産、並びに徹底した省力化及び高効率化が要求されている。例えば、自動車業界においては、溶接ロボットを使用した溶接の完全自動化が推進され、現状の量産ラインにおいては、１．０ｍ／分程度の溶接速度で施工されているが、更に一層の高能率及び高速溶接施工が望まれている。
【０００３】
一方、上述の薄板構造物は、地球環境問題への対応が大きな技術課題となっており、特に自動車業界では燃費向上を目的とした軽量化の観点から、高張力鋼板を使用したゲージダウンが急務となっている。しかし、溶接部への負荷応力が上昇する一方で、溶接部の疲労強度は平滑母材と比較して上昇せず、従来の軟鋼と同程度しか確保できないため、高張力鋼板本来の疲労強度を発揮できない。
【０００４】
更に、従来の溶加材を用いて、更に一層の溶接能率向上を目的とし、１．３ｍ／分を超える高速度で溶接を行うと、アンダーカット及びハンピングといった不整ビードが発生しやすくなる。また、ワークのプレス精度のバラツキから重ねすみ肉溶接部のルート間隔は変動しやすく、間隙が１．０ｍｍを超えた状態で高速溶接を行うと、溶落ち及び穴開きなどの溶接欠陥を発生させやすい。そこで、高速溶接においても安定なビード形成が可能であると同時に、ルートギャップを架橋できる広いビード幅を得ることを可能とする溶接材料が強く望まれている。
【０００５】
従来の厚さが６ｍｍ以下の薄板をガスシールドアーク溶接するためのソリッドワイヤとして、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載のソリッドワイヤは、厚さが６ｍｍの薄板を１．０ｍ／分以上の高速で溶接したときの溶接作業性及び溶接品質を向上させることを目的として、Ｃ：０．０２乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．８乃至１．２質量％、Ｍｎ：１．０乃至１．８質量％、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ａｌ：０．００５質量％以下、Ｏ：０．００７０質量％以下、Ｎ：０．００７９０質量％以下とし、且つＭｎ／Ｓｉ比が１．２乃至１．８であって、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。この特許文献１に記載の技術は、Ｓを多量に添加することにより、溶融金属の界面張力を調整し、高速溶接時におけるビード形成性の改善を図ったものである。
【０００６】
また、薄板鋼板母材を従来の溶接材料を使用して高速溶接を行うと、不整ビードとはならなくても、ビードが凸形状となりやすく、ビード止端部での応力集中により疲労強度が低下しやすい。従って、溶接速度を従来よりも低減して溶接せざるを得なくなる。これらの構造物における高張力鋼板の更に一層の適用拡大のためには、溶接構造物として高い疲労強度が得られると同時に、溶接能率を落とさない溶接材料が必要となっている。
【０００７】
従来、継手疲労強度特性を良好にする手段として、溶接部に圧縮応力を付加することができる溶接材料の適用が注目されており、具体的にはマルテンサイト変態開始温度（以下Ｍｓ点）に着目し、Ｍｓ点を低くして低温度での変態膨張を利用して残留応力を低減する方法がある。特許文献２には、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ等を所定の組成に規定することにより、Ｍｓ点を２５０乃至１７０℃になるように調整した溶接材料が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３０５４７６号
【特許文献２】特開平１１−１３８２９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１に記載のソリッドワイヤに添加されているＳは、溶融金属の界面張力と湯流れを大きく変化させる元素であり、添加量によっては高速溶接を可能とする。しかし、Ｓは高温割れを助長する元素であり、０．０２％以上添加された溶加材による溶接金属でその傾向は顕著となる。特にルート間隔が変動し、間隙が１．０ｍｍを超えた状態で１．０ｍ／分以上の高速度溶接を行った場合、高温割れが極めて発生しやすいという問題点があった。
【００１０】
また、Ｓは高温割れを引き起こすだけではなく、Ｓの添加に伴い硫化物が粗大化し、材料の強度及び靭性を低下させてしまう。切削鋼である硫黄快削鋼鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０４）はＳを多く添加することによって（ＳＵＭ２４Ｌ Ｓ：０．２６乃至０．３５質量％）被削性を向上させたものである。しかし、強度及び靭性等のある程度の機械的性能を必要とする溶接金属は、Ｓの存在が極めて有害であり、Ｓを０．０３％以下に極力添加量を抑えるのが一般的である。このため、前述の特許文献１に記載のソリッドワイヤは、高温割れ感受性が極めて高いことを含め、強度及び靭性も通常のワイヤと比較して劣り、問題があった。
【００１１】
また、特許文献２に記載の溶接材料中には、Ｃｒ、Ｎｉ等の高価な合金元素が多量に添加されており、かつソリッドワイヤの場合、伸線性が悪いことも加わり、極めて高コストな溶接材料となる。また、溶接金属の粘性が高いために、薄板溶接で必要とされる高速性と、溶滴移行しにくいことによるスパッタ発生量増大といった実際の溶接ラインの適用性が悪いという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接においてもビード形成が安定し、かつ高温割れ感受性が低く、疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願第１発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、厚さが０．６乃至１０ｍｍの軟鋼及び高張力鋼板をガスシールドアーク溶接するためのソリッドワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％及びＳ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＰを０．０２５質量％以下に規制すると共に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式１により与えられるＡの値が１００以上であることを特徴とする。
【００１４】
【数１】
【００１５】
本発明においては、ワイヤ全質量あたり、Ｓ含有量を０．０２０乃至０．１５０質量％としているため、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進することができる。また、Ｍｎ含有量を１．００乃至３．００質量％としているため、ＭｎＳが晶出して共晶温度が上昇し、高温割れ感受性が低減される。更に、硫化物を形成しやすいＴｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅからなる群から選択された少なくとも１種の元素を適量含有しているため、これらの元素を含む融点が高い硫化物が生成し、Ｓがマトリックス相に分散する。これにより、粒界中で硫化物が生成することを防止できる。更にまた、上記数式１により与えられるＡの値を１００以上としているため、高速度溶接におけるビード形成が安定し、また高温割れ感受性が低くなり、更に高張力鋼板を溶接しても疲労強度が優れた溶接継手が得られる。
【００１６】
このソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量を１．５０質量％以上とすることができる。これにより、高温割れ感受性を大幅に削減することができる。
【００１７】
また、Ｓ含有量を０．０４０質量％以上にしてもよい。これにより、高速度溶接におけるビード形成性を良好にし、疲労強度を向上させることができる。
【００１８】
本願第２発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量に対し、Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、及びＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、Ｓ及びその他の合金元素の添加量を適切に調整したことにより、高速溶接でもビード形成が安定すると同時に、高温割れ感受性が低く、高張力鋼板にて疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる。
【００２０】
本願第３発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前述のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを使用し、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板を溶接することを特徴とする。
【００２１】
本発明においては、前述のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを使用しているため、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板を溶接しても、高速度溶接におけるビード形状が安定すると共に高温割れ感受性が低くなり、更に疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明によれば、スラグが少なく幅の広い美しいビードを形成することができ、そのビードにおける電着塗装性が優れたものとなる。特に、板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接において、この効果が顕著になり、薄板高速溶接において、ビード形状が安定化すると同時に、疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる。また、高温割れ感受性が低く、適度な強度及び靭性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本願発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意実験研究を重ねた結果、板厚０．６乃至１０ｍｍ以下の薄板鋼板の溶接における不整ビード形成現象、Ｓによる高温割れ、更に溶接金属の疲労強度低下及び強度と靭性の低下について、以下の現象が生じていることを知見した。
【００２４】
通常の溶接ビードの溶融池表面においては、高温部から後方低温部へ溶融金属が吸引され、その強さは温度差に基づく表面張力勾配と溶融池長さに比例する。１．０ｍ／分以上の高速溶接においては、溶融池が溶接線方向に長く伸びるため、溶融金属の流速が極めて大きくなり、このことがアンダーカット及びハンピングといった不整ビード形成の一要因となる。
【００２５】
溶接金属における本来の凝固温度幅は比較的狭いが、Ｓは微量添加でも凝固温度幅を拡大させる。このとき、マトリックス相の凝固に伴い、樹枝状晶間の残留融液中でＳが濃化していき、凝固末期にて残留融液の共晶凝固により硫化物が晶出する。Ｆｅ−ＦｅＳ共晶温度は鉄の融点と比較して極めて低い。このような低融点の液相及び化合物が凝固の最終段階で粒界に偏析すると高温割れを発生させる。
【００２６】
また、Ｓは高温割れを引き起こすだけではなく、Ｓの添加に伴い硫化物が粗大化し、材料の伸び靭性を低下させる。通常は切削鋼である硫黄快削鋼鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０４）等のように、Ｓを多く添加することによって（ＳＵＭ２４Ｌ Ｓ：０．２６乃至０．３５質量％）被削性を向上させた鋼板があるが、伸び及び靭性等のある程度の機械的性能を必要とする溶接金属では、Ｓの存在は極めて有害であり、Ｓ：０．０３％以下に極力添加量を抑えるのが一般的である。
【００２７】
更に、高張力鋼溶接継手の疲労限度は、母材である平滑材の疲労限界よりも低下することがあり、この主な原因は溶接継手のビード止端部に発生する局所的な応力集中であることが知られている。図１は重ねすみ肉溶接された継手のビード止端部を示す図である。なお、図１に示す継手は、斜め下向きでねらう姿勢で母材（下板）１ａと母材（上板）１ｂとを溶接したものである。本発明者等は、応力集中は、図１に示す母材１ａの表面と溶接ビード２の表面とが交わる部分、即ち、ビード止端部の形状に強く依存し、ビード止端半径ρを０．３ｍｍよりも大きくすることにより、溶接継手の疲労強度が向上することを見出した。しかしながら、高張力鋼板を使用して高速度溶接を行った場合、ビードが凸となりやすいため、ビード止端半径ρが小さくなり、高張力鋼板本来の疲労強度を発揮することはできない。
【００２８】
一方、Ｓは溶融金属の表面張力を低減すると共に、温度差に基づく表面張力勾配を変化させる元素である。そこで、本願発明者等は、Ｓ及びその他の元素の添加量を調節することにより、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進させることに成功し、高速度溶接においてもアンダーカット及びハンピングが生じにくいビードが得られる成分系を見出した。具体的には、ワイヤ全質量あたりのＳ含有量を０．０２０乃至０．１５０質量％とすることにより、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進することができる。これにより、図１に示すビード止端半径ρを０．３ｍｍ以上にすることができ、高張力鋼板を高速度溶接した溶接継手における疲労強度を向上させることができる。
【００２９】
なお、前述したように、Ｓを添加すると、高温割れ感受性が増大する。このＳに起因する高温割れ感受性を低減するためには、共晶温度を上昇させると共に、Ｓと親和力が強い元素を適量添加して融点が高い化合物を形成させ、Ｓをマトリックス相に分散させればよい。具体的には、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量を１．００乃至３．００質量％とすることにより、ＭｎＳが晶出し、共晶温度を上昇させることができる。また、硫化物形成傾向が高い元素であるＴｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのうち、少なくとも１種の元素を適正量添加することにより、Ｓを含む高融点化合物が生成するため、Ｓをマトリックス相に分散させることができる。その結果、粒界中に硫化物が殆ど生じないようにすることができる。
【００３０】
更に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式２により与えられるＡが１００以上になるように、各合金成分の添加量を調節すると、ビード形状が安定すると共に高温割れ性が低下し、更に高張力鋼板を溶接しても疲労強度が優れた溶接継手が得られる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
本発明者等は、これらの知見を考慮しつつ、Ｓ及びその他の合金元素の添加量を適正化することにより、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板のガスシールドアーク溶接において、高速度溶接をしてもビード形成が安定し、高温割れ感受性が低く、且つ疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる本願第１発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを完成した。
【００３３】
一方、前述の如く、Ｓの添加に伴い、高温割れ感受性が増大する。高温割れ感受性を低減する方法は、第１に、高温割れを発生させる主因である低融点化合物ＦｅＳの形成を抑制することにある。この方法においては、Ｓと親和性が高い元素を添加し、共晶温度を上昇させ、形成した硫化物をマトリックス相に分散させることにより、低融点化合物ＦｅＳの形成を抑制する。第２に、焼入れ性の高い元素を添加することで、凝固により形成される結晶粒を微細化し、粒界の表面積を増加させることで、ＦｅＳを均一に分散させ、偏析を抑制することにより、高温割れ感受性を低減する方法がある。以上より、高温割れ感受性を低減させるためには、それら元素の有効添加量を見出す必要性があることが判明した。
【００３４】
本発明者等は、これらの知見を考慮しつつ、Ｓ及びその他の合金元素の添加量の調整により、高速溶接でもビード形成が安定すると同時に、高温割れ感受性が低く、高張力鋼板にて疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる本願第２発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを完成したものである。
（１）Ｓ量を０．０２０乃至０．１５０質量％に規定することにより、溶融金属の後方への流速を低減させると同時に、幅方向への湯流れを促進させる。
（２）Ｍｎを１．００乃至３．００質量％に規定することにより、ＭｎＳを晶出させ、共晶温度を上昇させることにより割れ感受性を低減させる。
（３）Ｎｂ：０．００５乃至０．５０質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０１０質量％のうち１種又は２種以上を含有させることで、焼入れ性を上昇させ、結晶粒を微細化させる。これらの元素を適量添加することにより、凝固により形成する組織を微細化し、粒界の表面積を上げることで、粒界及びデンドライト界面に形成される割れの起点となるＦｅＳ液相の偏析を抑制・分散し、高温割れ感受性を低下させる。また、結晶粒微細化効果により靭性が改善され、溶接時の膨張収縮によるＦｅＳ液相部の凝固ひずみの集中を緩和することで、高温割れ感受性を低減させる効果もある。
（４）（３）の添加元素はスラグになりにくい元素であるために、適量添加することにより、スラグが少なく美しいビードを形成することができるという特性を損なうことなく、高温割れ感受性を低減し、適度な強度と靭性を確保することが可能である。
【００３５】
以下、本発明に係る溶接ワイヤの成分添加理由及び組成限定理由について説明する。先ず、本願第１発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおける各成分の添加理由及び数値限定理由について説明する。
【００３６】
「Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％」
炭素（Ｃ）は、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であり、また脱酸の促進にも有効な元素である。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＣ含有量が０．０３質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足する。一方、Ｃ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属の靱性が低下すると共に、高温割れ感受性が増大する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｃ含有量は０．０３乃至０．１５質量％とする。
【００３７】
「Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％」
珪素（Ｓｉ）は、強力に脱酸を促進する元素であると共に、鋼の強度を向上させるために必要な元素であり、更にビードのなじみを向上させる元素でもある。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＳｉ含有量が０．５０質量％未満の場合、これらの効果は得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．５０質量％を超えると、溶滴脱離性が劣化すると共に、溶接金属の靱性が劣化する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｓｉ含有量は０．５０乃至１．５０質量％とする。
【００３８】
「Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％」
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと共に脱酸の促進に有効な元素であるだけでなく、溶接金属の機械的性質を向上させる元素でもある。また、ＭｎＳを晶出させて共晶温度を上昇させ、高温割れ感受性を低減させる効果もある。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量が１．００質量％未満の場合、高温割れ感受性が高くなる。一方、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えると、溶接金属中の含有量が過多となり、却って靱性が劣化する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｍｎ含有量は１．００乃至３．００質量％とする。なお、Ｍｎ含有量は、１．５０質量％以上とすることが好ましい。
【００３９】
「Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％」
硫黄（Ｓ）は、溶融金属の表面張力を減少させる効果があり、適正量添加することにより、ビード止端部におけるビードと母材とのなじみを向上させ、溶接継手の疲労強度をも向上させることができる。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＳ含有量が０．０２０質量％未満の場合、これらの効果は得られない。一方、Ｓ含有量が０．１５０質量％を超えると、他の元素の添加量を調節しても高温割れが発生しやすくなる。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｓ含有量は０．０２０乃至０．１５０質量％とする。なお、Ｓ含有量は、０．０４０質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０６０質量％以上である。
【００４０】
「Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素」
チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）及びセレン（Ｃｅ）は、Ｓと結合して高融点の硫化物を形成しやすい元素であり、これらの元素のうち少なくとも１種の元素を適量添加することにより、マトリックス相にＳを分散させることができる。しかしながら、各元素の含有量がいずれもワイヤ全質量あたり０．０１質量％未満であると、複合添加したとしても前述の効果は得られない。一方、Ｔｉ含有量又はＺｒ含有量が０．２０質量％を超えると、溶滴が大きくなって移行が乱れると共に、スラグ量が過多となり溶接作業性が低下する。従って、Ｔｉ及び／又はＺｒを添加する場合は、これらの含有量をワイヤ全質量あたり０．０１乃至０．２０質量％とする。また、Ｌａ含有量又はＣｅ含有量が０．０５質量％を超えると、硫化物が粗大化して製鋼時の歩留まりが低下して、コストアップにつながる。従って、Ｌａ及び／又はＣｅを添加する場合は、これらの含有量をワイヤ全質量あたり０．０１乃至０．０５質量％とする。
【００４１】
「Ｐ：０．０２５質量％以下」
鋼にはリン（Ｐ）が不可避的不純物として混入しているが、Ｐは高温割れ感受性を増大させる元素であり、その含有量は低く抑えることが望ましい。但し、ワイヤ全質量あたりのＰ含有量が０．０２５質量％以下であれば問題ない。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｐ含有量は０．０２５質量％以下に規制する。
【００４２】
「Ａ：１００以上」
また、本発明においては、下記数式３により与えられるＡの値を１００以上とする。なお、下記数式３における［Ｍｎ］はワイヤ中のＭｎ含有量（質量％）、［Ｔｉ］はワイヤ中のＴｉ含有量（質量％）、［Ｚｒ］はワイヤ中のＺｒ含有量（質量％）、［Ｌａ］はワイヤ中のＬａ含有量（質量％）、［Ｃｅ］はワイヤ中のＣｅ含有量（質量％）、［Ｓ］はワイヤ中のＳ含有量（質量％）である。このＡの値が１００未満である場合、高温割れ感受性が高くなる。一方、Ａの値が１００以上になるように、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量、Ｌａ含有量、Ｃｅ含有量及びＳ含有量を調節すると、ＭｎＳを晶出させて共晶温度を上昇させることができると共に、低融点の液相及び化合物が凝固の最終段階で粒界に偏析することを防止し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ又はＣｅを含む高融点の硫化物を生成させることができる。その結果、高温割れ感受性を大幅に軽減することができる。なお、下記数式３における各係数は、割れ試験の結果に基づいて規定したものであり、これらの値には、各元素の硫化物形成傾向が大きく寄与しているものと考えられる。
【００４３】
【数３】
【００４４】
なお、本発明のソリッドワイヤに含まれる不可避的不純物としては、前述のＰ以外に、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＢ等がある。
【００４５】
次に、本願第２発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおける各成分の添加理由及び数値限定理由について説明する。
【００４６】
「Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％」
Ｃは溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、また脱酸元素としても有効な元素である。Ｃ含有量が０．０２質量％未満では溶接金属の強度が不足する。一方、Ｃが０．１５質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下すると同時に、高温割れ感受性が増大する。また、Ｃの過剰添加は、溶滴離脱性が劣化すると同時に、スパッタを多量に発生させるので、溶接作業性が悪くなり、スラグも多量に発生させる。そのため、Ｃ含有量は０．０２乃至０．１５質量％に規定する。
【００４７】
「Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％」
Ｓｉも強力な脱酸元素であると同時に鋼の強度を向上させるのに必要な元素である。また、Ｓｉはビードのなじみ性も向上させる元素である。Ｓｉが０．５０質量％未満であれば、この作用が不足し、ビード形状のなじみ性が悪くなり、止端形状が劣化して、応力集中が生じやすくなる。その結果、疲労強度が低下する。望ましくは、Ｓｉ含有量は０．６０％以上である。一方、Ｓｉ含有量が１．５０質量％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなる。また、Ｓｉの過剰添加は、溶滴離脱性が劣化すると同時に、スパッタを多量に発生させるので、溶接作業性が悪くなり、スラグも多量に発生させる。より好ましくは、Ｓｉ含有量は１．２０質量％以下である。
【００４８】
「Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％」
ＭｎはＳｉと共に脱酸元素として有用な元素であるだけでなく、溶接金属の機械的性質を向上させる元素である。また、ＭｎＳを晶出させ、共晶温度を上昇させ、高温割れ感受性を低減する効果がある。Ｍｎが１．００質量％未満であると、高温割れ感受性が高くなり、また溶接金属の十分な強度を得られない。一方、Ｍｎが３．００質量％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなると共に、スラグを多量に発生する。従って、Ｍｎは１．００乃至３．００質量％に規定する。より好ましい範囲は、Ｍｎは１．００乃至２．００質量％である。
【００４９】
「Ｐ：０．０２５質量％以下」
Ｐは高温割れ感受性を増大させる元素である。また、合金元素を添加しても、融点が高いＰ化合物を生成することができないため、極力低く抑えることが望ましい。但し、Ｐの含有量が０．０２５質量％以下であれば問題はない。
【００５０】
「Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％」
Ｓは溶融金属の表面張力を減少させる効果があり、適量添加量とすることにより、ビード止端部における母材とのなじみを向上させ、疲労強度をも向上させる。但し、下記に示す特殊元素なしのＳのみの多量な添加は、結晶粒内及び粒界に形成される硫化物を粗大にし、強度と靭性を低下させる。Ｓが０．０２０質量％以上の添加で上記効果が得られる。一方、Ｓが０．１５０質量％を超えると、他の元素を調整しても、高温割れの危険性が高くなり、強度と靭性が著しく低下するため、Ｓは０．０２０乃至０．１５０質量％に規定する。より好ましいＳの範囲は、０．０４０乃至０．１５０質量％である。更に好ましいＳの範囲は０．０５０乃至０．１５０質量％である。
【００５１】
「Ｎｂ：０．００５乃至０．５０質量％」
ＮｂはＳとの親和性が高いため、硫化物になりやすく、適量の添加により、高温割れの原因となるＦｅＳの形成を抑制する効果を持つ。また、Ｎｂは焼入れ性を向上させる元素であるために、結晶粒を微細化し、高温割れ感受性を低減すると共に、適度な強度と靭性を確保する効果を持つ。但し、Ｎｂが０．００５質量％未満であると、高温割れ感受性の低減効果及び適度な強度と靭性を確保する効果を得られず、高温割れ感受性が高くなる。より好ましいＮｂの範囲は０．０２質量％以上である。一方、Ｎｂが０．５０質量％を超えると、効果が飽和状態となり、凝固時に結晶粒界及びデンドライト境界に偏析し、逆に高温割れ感受性が高くなる。また、Ｎｂの過剰添加は、ワイヤの製造コストを上昇させ、溶融池の粘性を上昇させて高速溶接時にハンピングを生じさせ、スパッタ発生量を増加させる。
【００５２】
「Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％」
Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉは焼入れ性を向上させる元素であるために、その添加により溶接により形成される溶接金属の結晶粒を微細化し、適度な強度と靭性を確保する効果を持ち、高温割れ感受性を低下させる。これらの効果が現れるのは、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉの場合は最低０．００５質量％以上、Ａｌの場合は０．０１０質量％以上が必要である。より好ましい範囲は、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉの場合が０．０２質量％以上、Ａｌの場合は０．０３０質量％以上である。一方、これらの元素が０．５質量％を超えると、ワイヤの製造コストが過剰になり、溶融池の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングし、スパッタ発生量が増加する。
【００５３】
「Ｂ：０．００１乃至０．０１０質量％」
Ｂは焼入れ性を向上させる元素であるために、その添加により溶接により形成される溶接金属の結晶粒を微細化し、適度な強度と靭性を確保する効果を有すると共に、高温割れ感受性を低下させる効果がある。このＢの添加効果を得るためには、０．００１質量％以上のＢの添加が必要である。一方、Ｂを０．０１０質量％を超えて添加すると、高温割れ感受性を増加させるため、Ｂは０．０１０質量％以下とする。従って、Ｂを０．００１乃至０．０１０質量％に規定する。
【００５４】
「本発明に係る溶接方法」
本願第１発明及び第２発明のソリッドワイヤは、厚さが０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板をガスシールドアーク溶接するためのものである。その際の溶接法及び溶接条件としては、以下のものが推奨される。溶接に適用するガスシールドアーク溶接方法は、ＣＯ２、ＭＡＧ、ＭＩＧ、ＴＩＧ等のいずれの溶接方法を使用しても良い。また、その溶接条件、例えば、出力又は電流及び溶接速度等の溶接条件は使用する加工機の種類、被加工部材の厚さ及び形状などに従って選定すればよい。また、ＭＡＧパルス溶接、ＭＩＧパルス溶接、ＴＩＧパルス溶接を実施すると、より効果的である。溶接継手は、突き合わせ及び重ね継手等、接合する部位に応じて適切な溶接継手を選定すればよく、本発明はいずれの継手にも適用できる。
【００５５】
「パルス溶接機」
薄板溶接における高速溶接性、アーク安定性及び低ヒューム化を図るためにパルス溶接機との組み合わせが推奨される。パルスの設定については特に限定しないが、ピーク電流が３５０Ａ乃至６００Ａ、ベース電流が３０Ａ乃至１００Ａ、１ピーク（立上り開始から、ピーク定常期を経て、立ち下がり終了まで）の期間で０．８乃至５．０ｍ秒が一般的に使用されている。本願発明においても、このような条件で溶接することができる。
【００５６】
「板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板」
板厚が０．６ｍｍ未満であると、アーク力による板の貫通及び溶落ちが発生するため、通常の逆極性でのアーク溶接は難しい。一方、１０ｍｍを超える板厚になると、拘束力が大きくなるために、溶接金属にかかる熱膨張及び熱収縮による歪みが過剰に負荷され、かつ溶融池の冷却速度が速くなり、高温割れの危険性が高くなる。また、本発明ワイヤで形成される溶融池の粘性は低く、Ｔ字水平すみ肉溶接で大脚長１パスにて溶接するような場合には、上脚長が垂れてしまい不適である。従って、溶接対象の鋼板の板厚の好適範囲は０．６乃至１０ｍｍである。溶接対象の鋼板の強度については、通常の軟鋼クラスの鋼板から高張力鋼板まで適用が可能であるが、特に鋼材強度の上限については、制限がない。
【実施例１】
【００５７】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本願第１発明についての実施例１について説明する。
【００５８】
本実施例においては、下記表１に示す組成のソリッドワイヤを使用して、ガスシールドアーク溶接し、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性及び溶接作業性について評価した。なお、下記表１に示す各ソリッドワイヤの組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
次に、各項目の評価方法について説明する。溶接金属の機械的性質はＪＩＳ−Ｚ３１２１に規定されている突合せ溶接継手の引張試験方法及びＪＩＳ−Ｚ３１２８に規定されている溶接継手の衝撃試験方法により評価した。その際、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２以上で且つシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ以上である場合を○、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２未満又はシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ未満である場合を×とした。
【００６２】
また、高速度溶接時のビード形成性は、上記表２に示す組成の板厚２．３ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、ルート間隙を１．０ｍｍ、溶接電流を２００乃至３００Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．３乃至１．５ｍ／分としてＭＡＧパルス溶接した。その結果、アンダカット、ハンピング、溶落ち及び穴開きが発生せず、溶接全線にわたりギャップを架橋できたものを○、アンダカット、ハンピング、溶落ち又は穴開き等の欠陥が発生したものを×とした。
【００６３】
更に、溶接作業性は、高速度カメラによりアーク安定性及び溶滴の移行規則性を観察すると共に、飛散するスパッタ量により評価した。その際の溶接条件は、溶接電流を２００乃至３００Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、パルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、アークが安定し、溶滴移行規則性が高く且つスパッタ量が少なかったものを○、アーク安定性、液滴移行規則性及びスパッタ量のうち１つでも劣っていたものを×とした。
【００６４】
更にまた、溶接金属の高温割れ感受性は、フィッシュボーン割れ試験及びクレーター割れ試験の結果により評価した。先ず、フィッシュボーン割れ試験の方法について説明する。図２（ａ）は試験片の採取位置を示す断面図であり、図２（ｂ）はフィッシュボーン割れ試験の試験片の作製方法を示す平面図である。図２（ａ）に示すように、母材１１である厚さが２０ｍｍの軟鋼ＳＭ４９０Ａ及び、軟鋼ＳＭ４９０Ａからなる裏当て材１３を使用し、開先形状を角度４５゜のＶ型にして突合せ溶接した。そして、その溶接継手を厚さが５ｍｍになるまで機械的研削加工により減厚して、縦１７５ｍｍ、横２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのフィッシュボーン割れ試験用の試験片１４を作製した。
【００６５】
次に、図２（ｂ）に示すように、この試験片１４の長辺の両端部に、等間隔にスリット１５を形成した。このとき、スリット１５の長さを、一方の短辺から他方の短辺に向かって長くなるようにして、各スリット長さに対応して溶融金属が受ける熱変形量（熱歪み）が連続的に変化するようにした。即ち、スリット１５の長さが短い一方の短辺側では熱変形量が大きく、スリット１５の長さが長い他方の短辺側では熱変形量が小さくなる。この試験片１４を、縦７５０ｍｍ、横５００ｍｍ、厚さ２５ｍｍの銅板１６の上に配置し、下記表３に示す条件で、試験板台車走行式のＴＩＧ溶接を行った。このとき、スリットが浅い側の板端で約５秒間静止アークを出して板端を充分に溶融させることにより板端を熱的に変形させ、冷却過程で生じる収縮凝固歪みにより板端に凝固割れ（高温割れ）を発生させた。その後、溶接方向１７をこの割れが生じている板端からスリットの深い側に向かう方向として溶接を行った。そして、試験片１４のスタート部で発生した割れがどこまで進展するかにより耐高温割れ性を評価した。この割れの長さは、前述の熱変形量、即ち高温割れ感受性に対応している。具体的には、溶接後にカラーチェックを実施し、ビード１２に発生した割れ長さを測定して、試験片長さに対する割れの長さの割合を求め、割れ率が５％以下の場合を○、５％を超えている場合を×とした。
【００６６】
【表３】
【００６７】
また、クレータ割れ試験は、軟鋼ＳＭ４９０Ａを使用し開先角度９０°、深さ５ｍｍのＶ溝開先上に、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、溶接電流が２００乃至３００Ａのパルス無しのＭＡＧ溶接により、長さ約７０ｍｍの溶接ビードを同一条件で断続的に３本形成し、個々の溶接クレータ部表面における総割れ長さを測定した。そして、溶接クレータ長又は溶接クレータの直径に対する割れの長さの割合を求め、３個の溶接クレータの平均値を指標とした。その結果、割れ率が１５％以下の場合を○、１５％を超えている場合を×とした。
【００６８】
ビード止端半径ρは、溶接継手の疲労強度を便宜的に評価する手段として測定した。ビード止端半径ρが大きい程応力集中が緩和され、疲労強度が向上する。具体的には、上記表２に示す組成の板厚２．９ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、シールドガスとして８０体積％Ａｒ−２０体積％ＣＯ２を使用し、平均溶接電流を２００乃至３００Ａ、溶接速度を１．３乃至１．５ｍ／分として自動重ねすみ肉溶接でパルス有りのＭＡＧ溶接した。その後、図１に示すビード止端半径ρを測定し、ビード止端半径ρが０．３ｍｍ以上の場合を○、０．３ｍｍ未満の場合を×とした。以上の評価結果を下記表４にまとめて示す。
【００６９】
【表４】
【００７０】
上記表４に示すように、本発明の範囲内である実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．２０のソリッドワイヤは、全ての評価で優れた結果が得られた。一方、本発明の範囲から外れる比較例Ｎｏ．２１乃至Ｎｏ．４０のソリッドワイヤは、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性又は溶接作業性が不十分であった。具体的には、比較例Ｎｏ．２１のソリッドワイヤは、Ｃ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、溶接金属の強度が不足していた。一方、比較例Ｎｏ．２２のソリッドワイヤは、Ｃ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足しており、更に、Ａの値が本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が増大した。
【００７１】
また、比較例Ｎｏ．２３のソリッドワイヤは、Ｓｉ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、溶接金属の強度が不足しており、更に、高速度溶接時のビード成形性が劣化し、ビード止端半径ρも小さかった。一方、比較例Ｎｏ．２４のソリッドワイヤは、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足しており、更に溶滴が粗大化し、スパッタも増大した。更に、比較例Ｎｏ．２５のソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量が本発明の範囲よりも少なく、Ａの値も本発明の範囲よりも小さいため、溶接金属の強度が不足、高温割れ感受性も増大した。一方、比較例Ｎｏ．２６のソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足していた。
【００７２】
更にまた、比較例Ｎｏ．２７のソリッドワイヤは、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えているため、高温割れ感受性が増大した。更にまた、比較例Ｎｏ．２８のソリッドワイヤは、Ｓ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、高温割れ感受性は低いが、高速溶接機のビード形成性が劣っており、ビード止端半径ρも小さい。一方、比較例Ｎｏ．２９のソリッドワイヤは、Ｓ含有量が本発明の範囲を超えており、更にＡの値も本発明の範囲よりも小さいため、他の元素の含有量が本発明の範囲内であるにもかからわらず高温割れ感受性が高かった。更にまた、比較例Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３４及びＮｏ．３５のソリッドワイヤは、Ａの値が本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が高かった。
【００７３】
更にまた、比較例Ｎｏ．３１のソリッドワイヤは、Ｔｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、液滴が粗大化し、スパッタ量が増加し、スラグも多かった。同様に、比較例Ｎｏ．３３のソリッドワイヤは、Ｚｒ含有量が本発明の範囲を超えているため、液滴が粗大化し、スパッタ量が増加し、スラグも多かった。更にまた、比較例Ｎｏ．３６、Ｎｏ．３７及びＮｏ．３８のソリッドワイヤは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのいずれの元素も添加されておらず、Ａの値も本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が高かった。更にまた、Ｎｏ．３９及びＮｏ．４０のソリッドワイヤは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのいずれの元素も添加されておらず、更に、Ｓ含有量が本発明の範囲を超えているため、高温割れ感受性が高かった。
【実施例２】
【００７４】
次に、本願第２発明の実施例２について説明する。本実施例においては、下記表５に示す組成のワイヤを使用して、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性能、ビード止端半径ρ、塗装性、高温割れ感受性及び溶接作業性を評価した。なお、下記表５に示す各ソリッドワイヤの組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００７５】
【表５】
【００７６】
【表６】
【００７７】
次に、各項目の評価方法について説明する。
【００７８】
「溶接金属の機械的性質」
溶接金属の機械的性質はＪＩＳ−Ｚ３１２１に規定されている突合せ溶接継手の引張試験方法及びＪＩＳ−Ｚ３１２８に規定されている溶接継手の衝撃試験方法により評価した。その際、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２以上でシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ以上である場合を○、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２未満又はシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ未満である場合を×とした。
【００７９】
「高速溶接時のビード形成性」
高速溶接時のビード形成性は、表６に示す組成の板厚２．９ｍｍ高張力鋼板の重ね継手において、ルート間隔を１．０ｍｍ、溶接電流を２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．５ｍ／分として、ＭＡＧパルス溶接をした。その結果、アンダーカット、ハンピング、溶落ち及び穴開き等の欠陥が発生せず、溶接全線にわたりギャップを架橋できたものを○、これらの欠陥が発生したものを×とした。
【００８０】
「溶接作業性」
溶接作業性は、高速度カメラによりアーク安定性及び溶滴移行の規則性を観察すると共に、飛散するスパッタ量により評価した。その際の溶接条件は、溶接電流２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．０ｍ／分としてパルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、アークが安定し、溶滴移行規則性が高く、かつスパッタ量が少なかったものを○、アーク安定性、溶滴移行規則性及びスパッタ量のうち１つでも劣っていたものを×とした。
【００８１】
「塗装性」
塗装性は、溶接後の電着塗装工程でスラグの剥離によって塗装が剥離してしまう危険性を、溶接後のビード表面に形成されたスラグ面積にて判断した。その際の溶接条件は、溶接電流を２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．０ｍ／分として、パルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、ビード表面積に対してスラグ面積が１０％未満のものを○、１０％以上のものを×とした。
【００８２】
「フィッシュボーン割れ試験」
溶接金属の高温割れ感受性は、このフィッシュボーン割れ試験と、後述するクレータ割れ試験により評価した。
【００８３】
試験片の採取位置は前述の図２に示すとおりである。図２（ａ）に示すように、母材１１である厚さが２０ｍｍの軟鋼ＳＭ４９０Ａおよび、軟鋼ＳＭ４９０Ａからなる裏当て材１３を使用し、開先形状を角度４５°のＶ型にして突合せ溶接した。そして、その溶接継手を厚さが５ｍｍになるまで機械的研削加工により減厚して、縦１７５ｍｍ、横２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのフィッシュボーン割れ試験用の試験片１４を作製した。
【００８４】
図２（ｂ）に示すように、この試験片１４の長辺の両端部に、等間隔にスリット１５を加工した。このとき、スリット１５の長さを、一方の短辺から他方の短辺に向かって長くなるようにして、各スリット長さに対応して溶接金属が受ける熱変化量（熱ひずみ）が連続的に変化するようにした。即ち、スリット１５の長さが短い一方の短辺側では熱変形量が大きく、スリット１５の長さが長い他方の短辺側では熱変形量が小さくなる。この試験片１４を、縦７５０ｍｍ、横５００ｍｍ、厚さ２５ｍｍの銅板１６の上に配置し、下記表７に示す条件で、試験板台車走行車式のＴＩＧ溶接を行った。このとき、スリットが浅い側の板端で約５秒間静止アークを出して板端を十分に溶融させることにより板端を熱的に変化させ、冷却過程で生じる収縮凝固ひずみにより凝固割れ（高温割れ）を発生させた。その後、溶接方向１７をこの割れが生じている板端からスリットの深い側に向かう方向として溶接を行った。そして、試験片１４のスタート部で発生した割れがどこまで進展するかにより耐高温割れ性を評価した。この割れ長さは、前述の熱変形量、即ち高温割れ感受性に対応している。具体的には、溶接後にカラーチェックを実施し、ビード１２に発生した割れ長さを測定して、試験片長さに対する割れの長さの割合を求め、割れ率が５％以下の場合を○、５％を超える場合を×とした。
【００８５】
【表７】
【００８６】
「クレータ割れ試験」
軟鋼ＳＭ４９０Ａを使用しＶ溝開先（開先角度９０°、深さ５ｍｍ）上にマグ溶接により長さが約７０ｍｍの溶接ビードを同一条件で断続的に３本形成する。個々の溶接クレータ部表面にて測定した総割れ長さを測定し、溶接クレータ長（直径）に対する割合を求め、３個の溶接クレータの平均値が１５％以下のものを合格とした。
【００８７】
「ビード止端半径ρ」
ビード止端半径ρは、溶接継手の疲労強度を便宜的に評価する手段として測定した。ビード止端半径ρが大きいほど応力集中が緩和され、疲労強度は向上する。具体的には、上記表６に示す組成の板厚２．９ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接電流が２５０Ａの条件で、溶接速度を１．５ｍ／分として水平重ね溶接でＭＡＧパルス溶接した。その後、図１に示すビード止端半径ρを測定し、ビード止端半径ρが０．３ｍｍ以下の場合を○、０．３ｍｍ未満の場合を×とした。以上の評価結果を下記表８にまとめて示す。
【００８８】
【表８】
【００８９】
この結果、実施例１乃至２５では溶接ワイヤの組成が本発明の範囲内であり、全ての評価結果が優れたものとなった。これに対し、比較例２６乃至５０は本発明の範囲から外れるものであり、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性能、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性、塗装性、溶接作業性の点で不十分であった。
【００９０】
上記表８に示すように、本発明の範囲内である実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．２５のソリッドワイヤは、全ての評価項目で優れた結果が得られた。一方、本発明の範囲から外れる比較例Ｎｏ．２６乃至Ｎｏ．５０のソリッドワイヤは、高速溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、塗装性、高温割れ感受性又は溶接作業性が不十分であった。
【００９１】
比較例Ｎｏ．２６乃至３０はＣｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｂのいずれも添加されていないか、又は添加されていても本発明の規定範囲より低いため、高温割れ感受性が高くなると同時に、溶接金属の強度と靭性が不足する。比較例Ｎｏ．３１はＣが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、高温割れ感受性が増大する。また、溶滴が粗大化し、スパッタも増大すると共に、スラグが多量に発生し、塗装性が劣る。比較例Ｎｏ．３２はＭｎが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、高速溶接にてハンピングが発生し、正常なビードを形成しない。また、スラグが多量に発生し、塗装性が劣る。比較例Ｎｏ．３３はＳｉが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大する。また、スラグが多量に発生し、塗装性に劣る。比較例Ｎｏ．３４はＰが高いために、高温割れ感受性が高い。
【００９２】
比較例Ｎｏ．３５乃至３６はＳが低いため、高温割れ感受性は低いが、高速溶接時のビード形成性が劣り、ビード止端半径も小さい。比較例Ｎｏ．３７乃至４０はＣｒ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｌが高いため、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また、溶滴が大きくなり、スパッタも多く発生した。比較例Ｎｏ．４１はＮｂが高いため、高温割れ感受性が高く、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また溶滴が大きくなり、スパッタも多く発生した。比較例Ｎｏ．４２はＢが高く、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４３はＢとＶが高いため、高温割れ感受性が高く、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また溶滴が大きくなりスパッタも多く発生した。
【００９３】
比較例Ｎｏ．４４はＳｉが高く、Ｍｎが低いので、溶接金属の強度が不足すると同時に溶滴が粗大化し、スパッタが増大した。また、高速溶接ではハンピングが発生し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣るものであり、また高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４５はＳが高く、溶接金属の強度と靭性が不足すると同時に、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４６はＣとＭｎが低いため、溶接金属の強度が不足すると同時に、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４７はＣが高く、Ｓｉが低いので、溶接金属の靭性が不足すると同時に高温割れ感受性が増大する。また、ビードのなじみが悪くなり、ビード止端半径も小さくなると共に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣っていた。比較例Ｎｏ．４８はＳｉが低く、Ｐが高いので、溶接金属の強度が不足すると同時に、ビードのなじみが悪くなり、ビード止端半径が小さくなると共に、高温割れ感受性も高い。
【００９４】
比較例Ｎｏ．４９はＣとＭｎが高いので、溶接金属の強度が過剰になり、靭性が劣るものであった。また、高速溶接にてハンピングが発生し、正常なビードを形成しないと共に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣り、高温割れ感受性が高かった。比較例Ｎｏ．５０はＣが低く、Ｐが高いので、溶接金属の強度が不足すると同時に高温割れ感受性が高くなった。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】重ねすみ肉溶接された継手のビード止端部を示す図である。
【図２】（ａ）は試験片の採取位置を示す断面図であり、（ｂ）はフィッシュボーン割れ試験の試験片の作製方法を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ａ、１ｂ、１１；母材
２、１２；溶接ビード
１３；裏当て材
１４；試験片
１５；スリット
１６；銅板
１７；溶接方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用鋼板等の板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板軟鋼及び高張力鋼板等をガスシールドアーク溶接する際に使用されるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ガスシールドアーク溶接による溶接構造物には、更に一層の高品質生産、並びに徹底した省力化及び高効率化が要求されている。例えば、自動車業界においては、溶接ロボットを使用した溶接の完全自動化が推進され、現状の量産ラインにおいては、１．０ｍ／分程度の溶接速度で施工されているが、更に一層の高能率及び高速溶接施工が望まれている。
【０００３】
一方、上述の薄板構造物は、地球環境問題への対応が大きな技術課題となっており、特に自動車業界では燃費向上を目的とした軽量化の観点から、高張力鋼板を使用したゲージダウンが急務となっている。しかし、溶接部への負荷応力が上昇する一方で、溶接部の疲労強度は平滑母材と比較して上昇せず、従来の軟鋼と同程度しか確保できないため、高張力鋼板本来の疲労強度を発揮できない。
【０００４】
更に、従来の溶加材を用いて、更に一層の溶接能率向上を目的とし、１．３ｍ／分を超える高速度で溶接を行うと、アンダーカット及びハンピングといった不整ビードが発生しやすくなる。また、ワークのプレス精度のバラツキから重ねすみ肉溶接部のルート間隔は変動しやすく、間隙が１．０ｍｍを超えた状態で高速溶接を行うと、溶落ち及び穴開きなどの溶接欠陥を発生させやすい。そこで、高速溶接においても安定なビード形成が可能であると同時に、ルートギャップを架橋できる広いビード幅を得ることを可能とする溶接材料が強く望まれている。
【０００５】
従来の厚さが６ｍｍ以下の薄板をガスシールドアーク溶接するためのソリッドワイヤとして、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載のソリッドワイヤは、厚さが６ｍｍの薄板を１．０ｍ／分以上の高速で溶接したときの溶接作業性及び溶接品質を向上させることを目的として、Ｃ：０．０２乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．８乃至１．２質量％、Ｍｎ：１．０乃至１．８質量％、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１００質量％、Ａｌ：０．００５質量％以下、Ｏ：０．００７０質量％以下、Ｎ：０．００７９０質量％以下とし、且つＭｎ／Ｓｉ比が１．２乃至１．８であって、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。この特許文献１に記載の技術は、Ｓを多量に添加することにより、溶融金属の界面張力を調整し、高速溶接時におけるビード形成性の改善を図ったものである。
【０００６】
また、薄板鋼板母材を従来の溶接材料を使用して高速溶接を行うと、不整ビードとはならなくても、ビードが凸形状となりやすく、ビード止端部での応力集中により疲労強度が低下しやすい。従って、溶接速度を従来よりも低減して溶接せざるを得なくなる。これらの構造物における高張力鋼板の更に一層の適用拡大のためには、溶接構造物として高い疲労強度が得られると同時に、溶接能率を落とさない溶接材料が必要となっている。
【０００７】
従来、継手疲労強度特性を良好にする手段として、溶接部に圧縮応力を付加することができる溶接材料の適用が注目されており、具体的にはマルテンサイト変態開始温度（以下Ｍｓ点）に着目し、Ｍｓ点を低くして低温度での変態膨張を利用して残留応力を低減する方法がある。特許文献２には、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ等を所定の組成に規定することにより、Ｍｓ点を２５０乃至１７０℃になるように調整した溶接材料が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３０５４７６号
【特許文献２】特開平１１−１３８２９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１に記載のソリッドワイヤに添加されているＳは、溶融金属の界面張力と湯流れを大きく変化させる元素であり、添加量によっては高速溶接を可能とする。しかし、Ｓは高温割れを助長する元素であり、０．０２％以上添加された溶加材による溶接金属でその傾向は顕著となる。特にルート間隔が変動し、間隙が１．０ｍｍを超えた状態で１．０ｍ／分以上の高速度溶接を行った場合、高温割れが極めて発生しやすいという問題点があった。
【００１０】
また、Ｓは高温割れを引き起こすだけではなく、Ｓの添加に伴い硫化物が粗大化し、材料の強度及び靭性を低下させてしまう。切削鋼である硫黄快削鋼鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０４）はＳを多く添加することによって（ＳＵＭ２４Ｌ Ｓ：０．２６乃至０．３５質量％）被削性を向上させたものである。しかし、強度及び靭性等のある程度の機械的性能を必要とする溶接金属は、Ｓの存在が極めて有害であり、Ｓを０．０３％以下に極力添加量を抑えるのが一般的である。このため、前述の特許文献１に記載のソリッドワイヤは、高温割れ感受性が極めて高いことを含め、強度及び靭性も通常のワイヤと比較して劣り、問題があった。
【００１１】
また、特許文献２に記載の溶接材料中には、Ｃｒ、Ｎｉ等の高価な合金元素が多量に添加されており、かつソリッドワイヤの場合、伸線性が悪いことも加わり、極めて高コストな溶接材料となる。また、溶接金属の粘性が高いために、薄板溶接で必要とされる高速性と、溶滴移行しにくいことによるスパッタ発生量増大といった実際の溶接ラインの適用性が悪いという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接においてもビード形成が安定し、かつ高温割れ感受性が低く、疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願第１発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、厚さが０．６乃至１０ｍｍの軟鋼及び高張力鋼板をガスシールドアーク溶接するためのソリッドワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％及びＳ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＰを０．０２５質量％以下に規制すると共に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式１により与えられるＡの値が１００以上であることを特徴とする。
【００１４】
【数１】
【００１５】
本発明においては、ワイヤ全質量あたり、Ｓ含有量を０．０２０乃至０．１５０質量％としているため、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進することができる。また、Ｍｎ含有量を１．００乃至３．００質量％としているため、ＭｎＳが晶出して共晶温度が上昇し、高温割れ感受性が低減される。更に、硫化物を形成しやすいＴｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅからなる群から選択された少なくとも１種の元素を適量含有しているため、これらの元素を含む融点が高い硫化物が生成し、Ｓがマトリックス相に分散する。これにより、粒界中で硫化物が生成することを防止できる。更にまた、上記数式１により与えられるＡの値を１００以上としているため、高速度溶接におけるビード形成が安定し、また高温割れ感受性が低くなり、更に高張力鋼板を溶接しても疲労強度が優れた溶接継手が得られる。
【００１６】
このソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量を１．５０質量％以上とすることができる。これにより、高温割れ感受性を大幅に削減することができる。
【００１７】
また、Ｓ含有量を０．０４０質量％以上にしてもよい。これにより、高速度溶接におけるビード形成性を良好にし、疲労強度を向上させることができる。
【００１８】
本願第２発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量に対し、Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、及びＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、Ｓ及びその他の合金元素の添加量を適切に調整したことにより、高速溶接でもビード形成が安定すると同時に、高温割れ感受性が低く、高張力鋼板にて疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる。
【００２０】
本願第３発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前述のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを使用し、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板を溶接することを特徴とする。
【００２１】
本発明においては、前述のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを使用しているため、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板を溶接しても、高速度溶接におけるビード形状が安定すると共に高温割れ感受性が低くなり、更に疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明によれば、スラグが少なく幅の広い美しいビードを形成することができ、そのビードにおける電着塗装性が優れたものとなる。特に、板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板の溶接において、１．０ｍ／分以上の高速溶接において、この効果が顕著になり、薄板高速溶接において、ビード形状が安定化すると同時に、疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる。また、高温割れ感受性が低く、適度な強度及び靭性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本願発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意実験研究を重ねた結果、板厚０．６乃至１０ｍｍ以下の薄板鋼板の溶接における不整ビード形成現象、Ｓによる高温割れ、更に溶接金属の疲労強度低下及び強度と靭性の低下について、以下の現象が生じていることを知見した。
【００２４】
通常の溶接ビードの溶融池表面においては、高温部から後方低温部へ溶融金属が吸引され、その強さは温度差に基づく表面張力勾配と溶融池長さに比例する。１．０ｍ／分以上の高速溶接においては、溶融池が溶接線方向に長く伸びるため、溶融金属の流速が極めて大きくなり、このことがアンダーカット及びハンピングといった不整ビード形成の一要因となる。
【００２５】
溶接金属における本来の凝固温度幅は比較的狭いが、Ｓは微量添加でも凝固温度幅を拡大させる。このとき、マトリックス相の凝固に伴い、樹枝状晶間の残留融液中でＳが濃化していき、凝固末期にて残留融液の共晶凝固により硫化物が晶出する。Ｆｅ−ＦｅＳ共晶温度は鉄の融点と比較して極めて低い。このような低融点の液相及び化合物が凝固の最終段階で粒界に偏析すると高温割れを発生させる。
【００２６】
また、Ｓは高温割れを引き起こすだけではなく、Ｓの添加に伴い硫化物が粗大化し、材料の伸び靭性を低下させる。通常は切削鋼である硫黄快削鋼鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０４）等のように、Ｓを多く添加することによって（ＳＵＭ２４Ｌ Ｓ：０．２６乃至０．３５質量％）被削性を向上させた鋼板があるが、伸び及び靭性等のある程度の機械的性能を必要とする溶接金属では、Ｓの存在は極めて有害であり、Ｓ：０．０３％以下に極力添加量を抑えるのが一般的である。
【００２７】
更に、高張力鋼溶接継手の疲労限度は、母材である平滑材の疲労限界よりも低下することがあり、この主な原因は溶接継手のビード止端部に発生する局所的な応力集中であることが知られている。図１は重ねすみ肉溶接された継手のビード止端部を示す図である。なお、図１に示す継手は、斜め下向きでねらう姿勢で母材（下板）１ａと母材（上板）１ｂとを溶接したものである。本発明者等は、応力集中は、図１に示す母材１ａの表面と溶接ビード２の表面とが交わる部分、即ち、ビード止端部の形状に強く依存し、ビード止端半径ρを０．３ｍｍよりも大きくすることにより、溶接継手の疲労強度が向上することを見出した。しかしながら、高張力鋼板を使用して高速度溶接を行った場合、ビードが凸となりやすいため、ビード止端半径ρが小さくなり、高張力鋼板本来の疲労強度を発揮することはできない。
【００２８】
一方、Ｓは溶融金属の表面張力を低減すると共に、温度差に基づく表面張力勾配を変化させる元素である。そこで、本願発明者等は、Ｓ及びその他の元素の添加量を調節することにより、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進させることに成功し、高速度溶接においてもアンダーカット及びハンピングが生じにくいビードが得られる成分系を見出した。具体的には、ワイヤ全質量あたりのＳ含有量を０．０２０乃至０．１５０質量％とすることにより、溶融金属の後方への流速を低減させると共に、幅方向への湯流れを促進することができる。これにより、図１に示すビード止端半径ρを０．３ｍｍ以上にすることができ、高張力鋼板を高速度溶接した溶接継手における疲労強度を向上させることができる。
【００２９】
なお、前述したように、Ｓを添加すると、高温割れ感受性が増大する。このＳに起因する高温割れ感受性を低減するためには、共晶温度を上昇させると共に、Ｓと親和力が強い元素を適量添加して融点が高い化合物を形成させ、Ｓをマトリックス相に分散させればよい。具体的には、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量を１．００乃至３．００質量％とすることにより、ＭｎＳが晶出し、共晶温度を上昇させることができる。また、硫化物形成傾向が高い元素であるＴｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのうち、少なくとも１種の元素を適正量添加することにより、Ｓを含む高融点化合物が生成するため、Ｓをマトリックス相に分散させることができる。その結果、粒界中に硫化物が殆ど生じないようにすることができる。
【００３０】
更に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式２により与えられるＡが１００以上になるように、各合金成分の添加量を調節すると、ビード形状が安定すると共に高温割れ性が低下し、更に高張力鋼板を溶接しても疲労強度が優れた溶接継手が得られる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
本発明者等は、これらの知見を考慮しつつ、Ｓ及びその他の合金元素の添加量を適正化することにより、厚さが０．６乃至１０ｍｍの高張力鋼板のガスシールドアーク溶接において、高速度溶接をしてもビード形成が安定し、高温割れ感受性が低く、且つ疲労強度が優れた溶接継手を得ることができる本願第１発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを完成した。
【００３３】
一方、前述の如く、Ｓの添加に伴い、高温割れ感受性が増大する。高温割れ感受性を低減する方法は、第１に、高温割れを発生させる主因である低融点化合物ＦｅＳの形成を抑制することにある。この方法においては、Ｓと親和性が高い元素を添加し、共晶温度を上昇させ、形成した硫化物をマトリックス相に分散させることにより、低融点化合物ＦｅＳの形成を抑制する。第２に、焼入れ性の高い元素を添加することで、凝固により形成される結晶粒を微細化し、粒界の表面積を増加させることで、ＦｅＳを均一に分散させ、偏析を抑制することにより、高温割れ感受性を低減する方法がある。以上より、高温割れ感受性を低減させるためには、それら元素の有効添加量を見出す必要性があることが判明した。
【００３４】
本発明者等は、これらの知見を考慮しつつ、Ｓ及びその他の合金元素の添加量の調整により、高速溶接でもビード形成が安定すると同時に、高温割れ感受性が低く、高張力鋼板にて疲労強度、引張強度及び靭性が優れた溶接継手を得ることができる本願第２発明に係るガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを完成したものである。
（１）Ｓ量を０．０２０乃至０．１５０質量％に規定することにより、溶融金属の後方への流速を低減させると同時に、幅方向への湯流れを促進させる。
（２）Ｍｎを１．００乃至３．００質量％に規定することにより、ＭｎＳを晶出させ、共晶温度を上昇させることにより割れ感受性を低減させる。
（３）Ｎｂ：０．００５乃至０．５０質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０１０質量％のうち１種又は２種以上を含有させることで、焼入れ性を上昇させ、結晶粒を微細化させる。これらの元素を適量添加することにより、凝固により形成する組織を微細化し、粒界の表面積を上げることで、粒界及びデンドライト界面に形成される割れの起点となるＦｅＳ液相の偏析を抑制・分散し、高温割れ感受性を低下させる。また、結晶粒微細化効果により靭性が改善され、溶接時の膨張収縮によるＦｅＳ液相部の凝固ひずみの集中を緩和することで、高温割れ感受性を低減させる効果もある。
（４）（３）の添加元素はスラグになりにくい元素であるために、適量添加することにより、スラグが少なく美しいビードを形成することができるという特性を損なうことなく、高温割れ感受性を低減し、適度な強度と靭性を確保することが可能である。
【００３５】
以下、本発明に係る溶接ワイヤの成分添加理由及び組成限定理由について説明する。先ず、本願第１発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおける各成分の添加理由及び数値限定理由について説明する。
【００３６】
「Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％」
炭素（Ｃ）は、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であり、また脱酸の促進にも有効な元素である。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＣ含有量が０．０３質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足する。一方、Ｃ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属の靱性が低下すると共に、高温割れ感受性が増大する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｃ含有量は０．０３乃至０．１５質量％とする。
【００３７】
「Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％」
珪素（Ｓｉ）は、強力に脱酸を促進する元素であると共に、鋼の強度を向上させるために必要な元素であり、更にビードのなじみを向上させる元素でもある。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＳｉ含有量が０．５０質量％未満の場合、これらの効果は得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．５０質量％を超えると、溶滴脱離性が劣化すると共に、溶接金属の靱性が劣化する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｓｉ含有量は０．５０乃至１．５０質量％とする。
【００３８】
「Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％」
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと共に脱酸の促進に有効な元素であるだけでなく、溶接金属の機械的性質を向上させる元素でもある。また、ＭｎＳを晶出させて共晶温度を上昇させ、高温割れ感受性を低減させる効果もある。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量が１．００質量％未満の場合、高温割れ感受性が高くなる。一方、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えると、溶接金属中の含有量が過多となり、却って靱性が劣化する。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｍｎ含有量は１．００乃至３．００質量％とする。なお、Ｍｎ含有量は、１．５０質量％以上とすることが好ましい。
【００３９】
「Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％」
硫黄（Ｓ）は、溶融金属の表面張力を減少させる効果があり、適正量添加することにより、ビード止端部におけるビードと母材とのなじみを向上させ、溶接継手の疲労強度をも向上させることができる。しかしながら、ワイヤ全質量あたりのＳ含有量が０．０２０質量％未満の場合、これらの効果は得られない。一方、Ｓ含有量が０．１５０質量％を超えると、他の元素の添加量を調節しても高温割れが発生しやすくなる。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｓ含有量は０．０２０乃至０．１５０質量％とする。なお、Ｓ含有量は、０．０４０質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０６０質量％以上である。
【００４０】
「Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素」
チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）及びセレン（Ｃｅ）は、Ｓと結合して高融点の硫化物を形成しやすい元素であり、これらの元素のうち少なくとも１種の元素を適量添加することにより、マトリックス相にＳを分散させることができる。しかしながら、各元素の含有量がいずれもワイヤ全質量あたり０．０１質量％未満であると、複合添加したとしても前述の効果は得られない。一方、Ｔｉ含有量又はＺｒ含有量が０．２０質量％を超えると、溶滴が大きくなって移行が乱れると共に、スラグ量が過多となり溶接作業性が低下する。従って、Ｔｉ及び／又はＺｒを添加する場合は、これらの含有量をワイヤ全質量あたり０．０１乃至０．２０質量％とする。また、Ｌａ含有量又はＣｅ含有量が０．０５質量％を超えると、硫化物が粗大化して製鋼時の歩留まりが低下して、コストアップにつながる。従って、Ｌａ及び／又はＣｅを添加する場合は、これらの含有量をワイヤ全質量あたり０．０１乃至０．０５質量％とする。
【００４１】
「Ｐ：０．０２５質量％以下」
鋼にはリン（Ｐ）が不可避的不純物として混入しているが、Ｐは高温割れ感受性を増大させる元素であり、その含有量は低く抑えることが望ましい。但し、ワイヤ全質量あたりのＰ含有量が０．０２５質量％以下であれば問題ない。よって、ワイヤ全質量あたり、Ｐ含有量は０．０２５質量％以下に規制する。
【００４２】
「Ａ：１００以上」
また、本発明においては、下記数式３により与えられるＡの値を１００以上とする。なお、下記数式３における［Ｍｎ］はワイヤ中のＭｎ含有量（質量％）、［Ｔｉ］はワイヤ中のＴｉ含有量（質量％）、［Ｚｒ］はワイヤ中のＺｒ含有量（質量％）、［Ｌａ］はワイヤ中のＬａ含有量（質量％）、［Ｃｅ］はワイヤ中のＣｅ含有量（質量％）、［Ｓ］はワイヤ中のＳ含有量（質量％）である。このＡの値が１００未満である場合、高温割れ感受性が高くなる。一方、Ａの値が１００以上になるように、ワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量、Ｌａ含有量、Ｃｅ含有量及びＳ含有量を調節すると、ＭｎＳを晶出させて共晶温度を上昇させることができると共に、低融点の液相及び化合物が凝固の最終段階で粒界に偏析することを防止し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ又はＣｅを含む高融点の硫化物を生成させることができる。その結果、高温割れ感受性を大幅に軽減することができる。なお、下記数式３における各係数は、割れ試験の結果に基づいて規定したものであり、これらの値には、各元素の硫化物形成傾向が大きく寄与しているものと考えられる。
【００４３】
【数３】
【００４４】
なお、本発明のソリッドワイヤに含まれる不可避的不純物としては、前述のＰ以外に、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＢ等がある。
【００４５】
次に、本願第２発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおける各成分の添加理由及び数値限定理由について説明する。
【００４６】
「Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％」
Ｃは溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、また脱酸元素としても有効な元素である。Ｃ含有量が０．０２質量％未満では溶接金属の強度が不足する。一方、Ｃが０．１５質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下すると同時に、高温割れ感受性が増大する。また、Ｃの過剰添加は、溶滴離脱性が劣化すると同時に、スパッタを多量に発生させるので、溶接作業性が悪くなり、スラグも多量に発生させる。そのため、Ｃ含有量は０．０２乃至０．１５質量％に規定する。
【００４７】
「Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％」
Ｓｉも強力な脱酸元素であると同時に鋼の強度を向上させるのに必要な元素である。また、Ｓｉはビードのなじみ性も向上させる元素である。Ｓｉが０．５０質量％未満であれば、この作用が不足し、ビード形状のなじみ性が悪くなり、止端形状が劣化して、応力集中が生じやすくなる。その結果、疲労強度が低下する。望ましくは、Ｓｉ含有量は０．６０％以上である。一方、Ｓｉ含有量が１．５０質量％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなる。また、Ｓｉの過剰添加は、溶滴離脱性が劣化すると同時に、スパッタを多量に発生させるので、溶接作業性が悪くなり、スラグも多量に発生させる。より好ましくは、Ｓｉ含有量は１．２０質量％以下である。
【００４８】
「Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％」
ＭｎはＳｉと共に脱酸元素として有用な元素であるだけでなく、溶接金属の機械的性質を向上させる元素である。また、ＭｎＳを晶出させ、共晶温度を上昇させ、高温割れ感受性を低減する効果がある。Ｍｎが１．００質量％未満であると、高温割れ感受性が高くなり、また溶接金属の十分な強度を得られない。一方、Ｍｎが３．００質量％を超えると、溶融池の粘性が過剰となり、高速溶接時にハンピングしやすくなると共に、スラグを多量に発生する。従って、Ｍｎは１．００乃至３．００質量％に規定する。より好ましい範囲は、Ｍｎは１．００乃至２．００質量％である。
【００４９】
「Ｐ：０．０２５質量％以下」
Ｐは高温割れ感受性を増大させる元素である。また、合金元素を添加しても、融点が高いＰ化合物を生成することができないため、極力低く抑えることが望ましい。但し、Ｐの含有量が０．０２５質量％以下であれば問題はない。
【００５０】
「Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％」
Ｓは溶融金属の表面張力を減少させる効果があり、適量添加量とすることにより、ビード止端部における母材とのなじみを向上させ、疲労強度をも向上させる。但し、下記に示す特殊元素なしのＳのみの多量な添加は、結晶粒内及び粒界に形成される硫化物を粗大にし、強度と靭性を低下させる。Ｓが０．０２０質量％以上の添加で上記効果が得られる。一方、Ｓが０．１５０質量％を超えると、他の元素を調整しても、高温割れの危険性が高くなり、強度と靭性が著しく低下するため、Ｓは０．０２０乃至０．１５０質量％に規定する。より好ましいＳの範囲は、０．０４０乃至０．１５０質量％である。更に好ましいＳの範囲は０．０５０乃至０．１５０質量％である。
【００５１】
「Ｎｂ：０．００５乃至０．５０質量％」
ＮｂはＳとの親和性が高いため、硫化物になりやすく、適量の添加により、高温割れの原因となるＦｅＳの形成を抑制する効果を持つ。また、Ｎｂは焼入れ性を向上させる元素であるために、結晶粒を微細化し、高温割れ感受性を低減すると共に、適度な強度と靭性を確保する効果を持つ。但し、Ｎｂが０．００５質量％未満であると、高温割れ感受性の低減効果及び適度な強度と靭性を確保する効果を得られず、高温割れ感受性が高くなる。より好ましいＮｂの範囲は０．０２質量％以上である。一方、Ｎｂが０．５０質量％を超えると、効果が飽和状態となり、凝固時に結晶粒界及びデンドライト境界に偏析し、逆に高温割れ感受性が高くなる。また、Ｎｂの過剰添加は、ワイヤの製造コストを上昇させ、溶融池の粘性を上昇させて高速溶接時にハンピングを生じさせ、スパッタ発生量を増加させる。
【００５２】
「Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％」
Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉは焼入れ性を向上させる元素であるために、その添加により溶接により形成される溶接金属の結晶粒を微細化し、適度な強度と靭性を確保する効果を持ち、高温割れ感受性を低下させる。これらの効果が現れるのは、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉの場合は最低０．００５質量％以上、Ａｌの場合は０．０１０質量％以上が必要である。より好ましい範囲は、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉの場合が０．０２質量％以上、Ａｌの場合は０．０３０質量％以上である。一方、これらの元素が０．５質量％を超えると、ワイヤの製造コストが過剰になり、溶融池の粘性が上昇して高速溶接時にハンピングし、スパッタ発生量が増加する。
【００５３】
「Ｂ：０．００１乃至０．０１０質量％」
Ｂは焼入れ性を向上させる元素であるために、その添加により溶接により形成される溶接金属の結晶粒を微細化し、適度な強度と靭性を確保する効果を有すると共に、高温割れ感受性を低下させる効果がある。このＢの添加効果を得るためには、０．００１質量％以上のＢの添加が必要である。一方、Ｂを０．０１０質量％を超えて添加すると、高温割れ感受性を増加させるため、Ｂは０．０１０質量％以下とする。従って、Ｂを０．００１乃至０．０１０質量％に規定する。
【００５４】
「本発明に係る溶接方法」
本願第１発明及び第２発明のソリッドワイヤは、厚さが０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板をガスシールドアーク溶接するためのものである。その際の溶接法及び溶接条件としては、以下のものが推奨される。溶接に適用するガスシールドアーク溶接方法は、ＣＯ２、ＭＡＧ、ＭＩＧ、ＴＩＧ等のいずれの溶接方法を使用しても良い。また、その溶接条件、例えば、出力又は電流及び溶接速度等の溶接条件は使用する加工機の種類、被加工部材の厚さ及び形状などに従って選定すればよい。また、ＭＡＧパルス溶接、ＭＩＧパルス溶接、ＴＩＧパルス溶接を実施すると、より効果的である。溶接継手は、突き合わせ及び重ね継手等、接合する部位に応じて適切な溶接継手を選定すればよく、本発明はいずれの継手にも適用できる。
【００５５】
「パルス溶接機」
薄板溶接における高速溶接性、アーク安定性及び低ヒューム化を図るためにパルス溶接機との組み合わせが推奨される。パルスの設定については特に限定しないが、ピーク電流が３５０Ａ乃至６００Ａ、ベース電流が３０Ａ乃至１００Ａ、１ピーク（立上り開始から、ピーク定常期を経て、立ち下がり終了まで）の期間で０．８乃至５．０ｍ秒が一般的に使用されている。本願発明においても、このような条件で溶接することができる。
【００５６】
「板厚０．６乃至１０ｍｍの薄板鋼板」
板厚が０．６ｍｍ未満であると、アーク力による板の貫通及び溶落ちが発生するため、通常の逆極性でのアーク溶接は難しい。一方、１０ｍｍを超える板厚になると、拘束力が大きくなるために、溶接金属にかかる熱膨張及び熱収縮による歪みが過剰に負荷され、かつ溶融池の冷却速度が速くなり、高温割れの危険性が高くなる。また、本発明ワイヤで形成される溶融池の粘性は低く、Ｔ字水平すみ肉溶接で大脚長１パスにて溶接するような場合には、上脚長が垂れてしまい不適である。従って、溶接対象の鋼板の板厚の好適範囲は０．６乃至１０ｍｍである。溶接対象の鋼板の強度については、通常の軟鋼クラスの鋼板から高張力鋼板まで適用が可能であるが、特に鋼材強度の上限については、制限がない。
【実施例１】
【００５７】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本願第１発明についての実施例１について説明する。
【００５８】
本実施例においては、下記表１に示す組成のソリッドワイヤを使用して、ガスシールドアーク溶接し、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性及び溶接作業性について評価した。なお、下記表１に示す各ソリッドワイヤの組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
次に、各項目の評価方法について説明する。溶接金属の機械的性質はＪＩＳ−Ｚ３１２１に規定されている突合せ溶接継手の引張試験方法及びＪＩＳ−Ｚ３１２８に規定されている溶接継手の衝撃試験方法により評価した。その際、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２以上で且つシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ以上である場合を○、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２未満又はシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ未満である場合を×とした。
【００６２】
また、高速度溶接時のビード形成性は、上記表２に示す組成の板厚２．３ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、ルート間隙を１．０ｍｍ、溶接電流を２００乃至３００Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．３乃至１．５ｍ／分としてＭＡＧパルス溶接した。その結果、アンダカット、ハンピング、溶落ち及び穴開きが発生せず、溶接全線にわたりギャップを架橋できたものを○、アンダカット、ハンピング、溶落ち又は穴開き等の欠陥が発生したものを×とした。
【００６３】
更に、溶接作業性は、高速度カメラによりアーク安定性及び溶滴の移行規則性を観察すると共に、飛散するスパッタ量により評価した。その際の溶接条件は、溶接電流を２００乃至３００Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、パルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、アークが安定し、溶滴移行規則性が高く且つスパッタ量が少なかったものを○、アーク安定性、液滴移行規則性及びスパッタ量のうち１つでも劣っていたものを×とした。
【００６４】
更にまた、溶接金属の高温割れ感受性は、フィッシュボーン割れ試験及びクレーター割れ試験の結果により評価した。先ず、フィッシュボーン割れ試験の方法について説明する。図２（ａ）は試験片の採取位置を示す断面図であり、図２（ｂ）はフィッシュボーン割れ試験の試験片の作製方法を示す平面図である。図２（ａ）に示すように、母材１１である厚さが２０ｍｍの軟鋼ＳＭ４９０Ａ及び、軟鋼ＳＭ４９０Ａからなる裏当て材１３を使用し、開先形状を角度４５゜のＶ型にして突合せ溶接した。そして、その溶接継手を厚さが５ｍｍになるまで機械的研削加工により減厚して、縦１７５ｍｍ、横２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのフィッシュボーン割れ試験用の試験片１４を作製した。
【００６５】
次に、図２（ｂ）に示すように、この試験片１４の長辺の両端部に、等間隔にスリット１５を形成した。このとき、スリット１５の長さを、一方の短辺から他方の短辺に向かって長くなるようにして、各スリット長さに対応して溶融金属が受ける熱変形量（熱歪み）が連続的に変化するようにした。即ち、スリット１５の長さが短い一方の短辺側では熱変形量が大きく、スリット１５の長さが長い他方の短辺側では熱変形量が小さくなる。この試験片１４を、縦７５０ｍｍ、横５００ｍｍ、厚さ２５ｍｍの銅板１６の上に配置し、下記表３に示す条件で、試験板台車走行式のＴＩＧ溶接を行った。このとき、スリットが浅い側の板端で約５秒間静止アークを出して板端を充分に溶融させることにより板端を熱的に変形させ、冷却過程で生じる収縮凝固歪みにより板端に凝固割れ（高温割れ）を発生させた。その後、溶接方向１７をこの割れが生じている板端からスリットの深い側に向かう方向として溶接を行った。そして、試験片１４のスタート部で発生した割れがどこまで進展するかにより耐高温割れ性を評価した。この割れの長さは、前述の熱変形量、即ち高温割れ感受性に対応している。具体的には、溶接後にカラーチェックを実施し、ビード１２に発生した割れ長さを測定して、試験片長さに対する割れの長さの割合を求め、割れ率が５％以下の場合を○、５％を超えている場合を×とした。
【００６６】
【表３】
【００６７】
また、クレータ割れ試験は、軟鋼ＳＭ４９０Ａを使用し開先角度９０°、深さ５ｍｍのＶ溝開先上に、シールドガスとしてＡｒ８０体積％−ＣＯ２２０体積％の混合ガスを使用し、溶接電流が２００乃至３００Ａのパルス無しのＭＡＧ溶接により、長さ約７０ｍｍの溶接ビードを同一条件で断続的に３本形成し、個々の溶接クレータ部表面における総割れ長さを測定した。そして、溶接クレータ長又は溶接クレータの直径に対する割れの長さの割合を求め、３個の溶接クレータの平均値を指標とした。その結果、割れ率が１５％以下の場合を○、１５％を超えている場合を×とした。
【００６８】
ビード止端半径ρは、溶接継手の疲労強度を便宜的に評価する手段として測定した。ビード止端半径ρが大きい程応力集中が緩和され、疲労強度が向上する。具体的には、上記表２に示す組成の板厚２．９ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、シールドガスとして８０体積％Ａｒ−２０体積％ＣＯ２を使用し、平均溶接電流を２００乃至３００Ａ、溶接速度を１．３乃至１．５ｍ／分として自動重ねすみ肉溶接でパルス有りのＭＡＧ溶接した。その後、図１に示すビード止端半径ρを測定し、ビード止端半径ρが０．３ｍｍ以上の場合を○、０．３ｍｍ未満の場合を×とした。以上の評価結果を下記表４にまとめて示す。
【００６９】
【表４】
【００７０】
上記表４に示すように、本発明の範囲内である実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．２０のソリッドワイヤは、全ての評価で優れた結果が得られた。一方、本発明の範囲から外れる比較例Ｎｏ．２１乃至Ｎｏ．４０のソリッドワイヤは、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性又は溶接作業性が不十分であった。具体的には、比較例Ｎｏ．２１のソリッドワイヤは、Ｃ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、溶接金属の強度が不足していた。一方、比較例Ｎｏ．２２のソリッドワイヤは、Ｃ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足しており、更に、Ａの値が本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が増大した。
【００７１】
また、比較例Ｎｏ．２３のソリッドワイヤは、Ｓｉ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、溶接金属の強度が不足しており、更に、高速度溶接時のビード成形性が劣化し、ビード止端半径ρも小さかった。一方、比較例Ｎｏ．２４のソリッドワイヤは、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足しており、更に溶滴が粗大化し、スパッタも増大した。更に、比較例Ｎｏ．２５のソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量が本発明の範囲よりも少なく、Ａの値も本発明の範囲よりも小さいため、溶接金属の強度が不足、高温割れ感受性も増大した。一方、比較例Ｎｏ．２６のソリッドワイヤは、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の靱性が不足していた。
【００７２】
更にまた、比較例Ｎｏ．２７のソリッドワイヤは、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えているため、高温割れ感受性が増大した。更にまた、比較例Ｎｏ．２８のソリッドワイヤは、Ｓ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、高温割れ感受性は低いが、高速溶接機のビード形成性が劣っており、ビード止端半径ρも小さい。一方、比較例Ｎｏ．２９のソリッドワイヤは、Ｓ含有量が本発明の範囲を超えており、更にＡの値も本発明の範囲よりも小さいため、他の元素の含有量が本発明の範囲内であるにもかからわらず高温割れ感受性が高かった。更にまた、比較例Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３４及びＮｏ．３５のソリッドワイヤは、Ａの値が本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が高かった。
【００７３】
更にまた、比較例Ｎｏ．３１のソリッドワイヤは、Ｔｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、液滴が粗大化し、スパッタ量が増加し、スラグも多かった。同様に、比較例Ｎｏ．３３のソリッドワイヤは、Ｚｒ含有量が本発明の範囲を超えているため、液滴が粗大化し、スパッタ量が増加し、スラグも多かった。更にまた、比較例Ｎｏ．３６、Ｎｏ．３７及びＮｏ．３８のソリッドワイヤは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのいずれの元素も添加されておらず、Ａの値も本発明の範囲よりも小さいため、高温割れ感受性が高かった。更にまた、Ｎｏ．３９及びＮｏ．４０のソリッドワイヤは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｌａ及びＣｅのいずれの元素も添加されておらず、更に、Ｓ含有量が本発明の範囲を超えているため、高温割れ感受性が高かった。
【実施例２】
【００７４】
次に、本願第２発明の実施例２について説明する。本実施例においては、下記表５に示す組成のワイヤを使用して、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性能、ビード止端半径ρ、塗装性、高温割れ感受性及び溶接作業性を評価した。なお、下記表５に示す各ソリッドワイヤの組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００７５】
【表５】
【００７６】
【表６】
【００７７】
次に、各項目の評価方法について説明する。
【００７８】
「溶接金属の機械的性質」
溶接金属の機械的性質はＪＩＳ−Ｚ３１２１に規定されている突合せ溶接継手の引張試験方法及びＪＩＳ−Ｚ３１２８に規定されている溶接継手の衝撃試験方法により評価した。その際、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２以上でシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ以上である場合を○、引張強度が５６０Ｎ／ｍｍ２未満又はシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが試験温度−２０℃にて１００Ｊ未満である場合を×とした。
【００７９】
「高速溶接時のビード形成性」
高速溶接時のビード形成性は、表６に示す組成の板厚２．９ｍｍ高張力鋼板の重ね継手において、ルート間隔を１．０ｍｍ、溶接電流を２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．５ｍ／分として、ＭＡＧパルス溶接をした。その結果、アンダーカット、ハンピング、溶落ち及び穴開き等の欠陥が発生せず、溶接全線にわたりギャップを架橋できたものを○、これらの欠陥が発生したものを×とした。
【００８０】
「溶接作業性」
溶接作業性は、高速度カメラによりアーク安定性及び溶滴移行の規則性を観察すると共に、飛散するスパッタ量により評価した。その際の溶接条件は、溶接電流２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．０ｍ／分としてパルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、アークが安定し、溶滴移行規則性が高く、かつスパッタ量が少なかったものを○、アーク安定性、溶滴移行規則性及びスパッタ量のうち１つでも劣っていたものを×とした。
【００８１】
「塗装性」
塗装性は、溶接後の電着塗装工程でスラグの剥離によって塗装が剥離してしまう危険性を、溶接後のビード表面に形成されたスラグ面積にて判断した。その際の溶接条件は、溶接電流を２５０Ａとし、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接速度を１．０ｍ／分として、パルス無しのＭＡＧ溶接とした。そして、ビード表面積に対してスラグ面積が１０％未満のものを○、１０％以上のものを×とした。
【００８２】
「フィッシュボーン割れ試験」
溶接金属の高温割れ感受性は、このフィッシュボーン割れ試験と、後述するクレータ割れ試験により評価した。
【００８３】
試験片の採取位置は前述の図２に示すとおりである。図２（ａ）に示すように、母材１１である厚さが２０ｍｍの軟鋼ＳＭ４９０Ａおよび、軟鋼ＳＭ４９０Ａからなる裏当て材１３を使用し、開先形状を角度４５°のＶ型にして突合せ溶接した。そして、その溶接継手を厚さが５ｍｍになるまで機械的研削加工により減厚して、縦１７５ｍｍ、横２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのフィッシュボーン割れ試験用の試験片１４を作製した。
【００８４】
図２（ｂ）に示すように、この試験片１４の長辺の両端部に、等間隔にスリット１５を加工した。このとき、スリット１５の長さを、一方の短辺から他方の短辺に向かって長くなるようにして、各スリット長さに対応して溶接金属が受ける熱変化量（熱ひずみ）が連続的に変化するようにした。即ち、スリット１５の長さが短い一方の短辺側では熱変形量が大きく、スリット１５の長さが長い他方の短辺側では熱変形量が小さくなる。この試験片１４を、縦７５０ｍｍ、横５００ｍｍ、厚さ２５ｍｍの銅板１６の上に配置し、下記表７に示す条件で、試験板台車走行車式のＴＩＧ溶接を行った。このとき、スリットが浅い側の板端で約５秒間静止アークを出して板端を十分に溶融させることにより板端を熱的に変化させ、冷却過程で生じる収縮凝固ひずみにより凝固割れ（高温割れ）を発生させた。その後、溶接方向１７をこの割れが生じている板端からスリットの深い側に向かう方向として溶接を行った。そして、試験片１４のスタート部で発生した割れがどこまで進展するかにより耐高温割れ性を評価した。この割れ長さは、前述の熱変形量、即ち高温割れ感受性に対応している。具体的には、溶接後にカラーチェックを実施し、ビード１２に発生した割れ長さを測定して、試験片長さに対する割れの長さの割合を求め、割れ率が５％以下の場合を○、５％を超える場合を×とした。
【００８５】
【表７】
【００８６】
「クレータ割れ試験」
軟鋼ＳＭ４９０Ａを使用しＶ溝開先（開先角度９０°、深さ５ｍｍ）上にマグ溶接により長さが約７０ｍｍの溶接ビードを同一条件で断続的に３本形成する。個々の溶接クレータ部表面にて測定した総割れ長さを測定し、溶接クレータ長（直径）に対する割合を求め、３個の溶接クレータの平均値が１５％以下のものを合格とした。
【００８７】
「ビード止端半径ρ」
ビード止端半径ρは、溶接継手の疲労強度を便宜的に評価する手段として測定した。ビード止端半径ρが大きいほど応力集中が緩和され、疲労強度は向上する。具体的には、上記表６に示す組成の板厚２．９ｍｍの高張力鋼板の重ね継手を、シールドガスとしてＡｒ８０％−ＣＯ２２０％の混合ガスを使用し、溶接電流が２５０Ａの条件で、溶接速度を１．５ｍ／分として水平重ね溶接でＭＡＧパルス溶接した。その後、図１に示すビード止端半径ρを測定し、ビード止端半径ρが０．３ｍｍ以下の場合を○、０．３ｍｍ未満の場合を×とした。以上の評価結果を下記表８にまとめて示す。
【００８８】
【表８】
【００８９】
この結果、実施例１乃至２５では溶接ワイヤの組成が本発明の範囲内であり、全ての評価結果が優れたものとなった。これに対し、比較例２６乃至５０は本発明の範囲から外れるものであり、高速度溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性能、ビード止端半径ρ、高温割れ感受性、塗装性、溶接作業性の点で不十分であった。
【００９０】
上記表８に示すように、本発明の範囲内である実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．２５のソリッドワイヤは、全ての評価項目で優れた結果が得られた。一方、本発明の範囲から外れる比較例Ｎｏ．２６乃至Ｎｏ．５０のソリッドワイヤは、高速溶接時のビード形成性、溶接金属の機械的性質、ビード止端半径ρ、塗装性、高温割れ感受性又は溶接作業性が不十分であった。
【００９１】
比較例Ｎｏ．２６乃至３０はＣｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｂのいずれも添加されていないか、又は添加されていても本発明の規定範囲より低いため、高温割れ感受性が高くなると同時に、溶接金属の強度と靭性が不足する。比較例Ｎｏ．３１はＣが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、高温割れ感受性が増大する。また、溶滴が粗大化し、スパッタも増大すると共に、スラグが多量に発生し、塗装性が劣る。比較例Ｎｏ．３２はＭｎが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、高速溶接にてハンピングが発生し、正常なビードを形成しない。また、スラグが多量に発生し、塗装性が劣る。比較例Ｎｏ．３３はＳｉが高いため、溶接金属の靭性が不足すると同時に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大する。また、スラグが多量に発生し、塗装性に劣る。比較例Ｎｏ．３４はＰが高いために、高温割れ感受性が高い。
【００９２】
比較例Ｎｏ．３５乃至３６はＳが低いため、高温割れ感受性は低いが、高速溶接時のビード形成性が劣り、ビード止端半径も小さい。比較例Ｎｏ．３７乃至４０はＣｒ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｌが高いため、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また、溶滴が大きくなり、スパッタも多く発生した。比較例Ｎｏ．４１はＮｂが高いため、高温割れ感受性が高く、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また溶滴が大きくなり、スパッタも多く発生した。比較例Ｎｏ．４２はＢが高く、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４３はＢとＶが高いため、高温割れ感受性が高く、高コストであると共に、高速溶接ではハンピングが発生した。また溶滴が大きくなりスパッタも多く発生した。
【００９３】
比較例Ｎｏ．４４はＳｉが高く、Ｍｎが低いので、溶接金属の強度が不足すると同時に溶滴が粗大化し、スパッタが増大した。また、高速溶接ではハンピングが発生し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣るものであり、また高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４５はＳが高く、溶接金属の強度と靭性が不足すると同時に、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４６はＣとＭｎが低いため、溶接金属の強度が不足すると同時に、高温割れ感受性が高い。比較例Ｎｏ．４７はＣが高く、Ｓｉが低いので、溶接金属の靭性が不足すると同時に高温割れ感受性が増大する。また、ビードのなじみが悪くなり、ビード止端半径も小さくなると共に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣っていた。比較例Ｎｏ．４８はＳｉが低く、Ｐが高いので、溶接金属の強度が不足すると同時に、ビードのなじみが悪くなり、ビード止端半径が小さくなると共に、高温割れ感受性も高い。
【００９４】
比較例Ｎｏ．４９はＣとＭｎが高いので、溶接金属の強度が過剰になり、靭性が劣るものであった。また、高速溶接にてハンピングが発生し、正常なビードを形成しないと共に、溶滴が粗大化し、スパッタも増大し、スラグが多量に発生し、塗装性が劣り、高温割れ感受性が高かった。比較例Ｎｏ．５０はＣが低く、Ｐが高いので、溶接金属の強度が不足すると同時に高温割れ感受性が高くなった。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】重ねすみ肉溶接された継手のビード止端部を示す図である。
【図２】（ａ）は試験片の採取位置を示す断面図であり、（ｂ）はフィッシュボーン割れ試験の試験片の作製方法を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ａ、１ｂ、１１；母材
２、１２；溶接ビード
１３；裏当て材
１４；試験片
１５；スリット
１６；銅板
１７；溶接方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％及びＳ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＰを０．０２５質量％以下に規制すると共に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式により与えられるＡの値が１００以上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】
Ｍｎ含有量が１．５０質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項３】
Ｓ含有量が０．０４０質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項４】
ワイヤ全質量に対し、Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、及びＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物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５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のソリッドワイヤを使用し、厚さが０．６乃至１０ｍｍの軟鋼および高張力鋼板を溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
【請求項１】
ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％及びＳ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｔｉ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｌａ：０．０１乃至０．０５質量％及びＣｅ：０．０１乃至０．０５質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＰを０．０２５質量％以下に規制すると共に、ワイヤ中のＭｎ含有量を［Ｍｎ］（質量％）、ワイヤ中のＴｉ含有量を［Ｔｉ］（質量％）、ワイヤ中のＺｒ含有量を［Ｚｒ］（質量％）、ワイヤ中のＬａ含有量を［Ｌａ］（質量％）、ワイヤ中のＣｅ含有量を［Ｃｅ］（質量％）及びワイヤ中のＳ含有量を［Ｓ］（質量％）としたとき、下記数式により与えられるＡの値が１００以上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】
Ｍｎ含有量が１．５０質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項３】
Ｓ含有量が０．０４０質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項４】
ワイヤ全質量に対し、Ｃ：０．０２乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５０乃至１．５０質量％、Ｍｎ：１．００乃至３．００質量％、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２０乃至０．１５０質量％を含有し、更に、Ｎｂ：０．００５乃至０．５質量％、Ｖ：０．００５乃至０．５質量％、Ａｌ：０．０１０乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．００５乃至０．５質量％、Ｎｉ：０．００５乃至０．５質量％、及びＢ：０．００１０乃至０．０１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物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５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のソリッドワイヤを使用し、厚さが０．６乃至１０ｍｍの軟鋼および高張力鋼板を溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−３１３５５８（Ｐ２００７−３１３５５８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５９０７９（Ｐ２００６−１５９０７９）
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]