炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ
【課題】狭開先施工においても十分な溶け込みが得られ、強度及び靭性等の機械的性能が優れた溶接金属が得られる炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、パラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物である。ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５、ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２
【解決手段】Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、パラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物である。ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５、ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟鋼又は４９０乃至５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際に使用される炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤに関し、特に高能率で溶接可能であると共に、機械的性能が良好な溶接金属が得られる炭酸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、建築鉄骨分野では、ＣＯ２をシールドガスとするガスシールドアーク溶接法が、その高能率性の利点から主として使用されている。従前、このガスシールドアーク溶接法は、人手による半自動溶接法が殆どであったが、省人化によるコストダウン及び夜間又は休日の無人運転による更に一層の溶接能率向上を目的として、ロボットによる自動溶接も普及してきている。一方、溶接品質の面では耐震性向上を主眼として溶接継手部の性能向上を図るべく、１９９７年のＪＡＳＳ６改定及び１９９９年の建築基準法改定において、溶接時の入熱・パス間温度に上限管理が規定された。この動向を受けて、溶接ワイヤも４９０Ｎ／ｍｍ２級炭素鋼鋼板に対して最大入熱４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃まで、５２０Ｎ／ｍｍ２級炭素鋼鋼板に対して最大入熱３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０℃まで許容できるものとして、大入熱・高パス間温度対応ワイヤが開発され、１９９９年に５４０Ｎ／ｍｍ２級＝ＹＧＷ１８としてＪＩＳ化された。以後、今日まで、従前のワイヤよりも大入熱・高パス間温度で優れた機械的性能が得られる５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤが急速に普及している。また、この５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤは、入熱及びパス間温度を管理しにくい半自動溶接での普及が早かったが、近時、ロボット溶接による全自動溶接にも５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤが適用されることが多くなってきている。
【０００３】
従来の炭酸ガス溶接用大電流・高パス間温度対応ワイヤとしては、特許文献１乃至１６に記載のワイヤが公知である。これらのワイヤは、全般的に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉといった脱酸成分を従来ワイヤよりも多く含有し、かつＭｏ、Ｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ等を必要に応じて添加している。これによって、鋼の焼入れ性を高め、結晶粒微細化による靭性の向上と、更に析出硬化及び固溶硬化の作用とを組み合わせることにより、強度を高めている。
【０００４】
しかしながら、これらの従来のワイヤは、全てロボットによる溶接に使用することを考慮して設計されていないのが実情である。従来の大電流・高パス間温度対応ワイヤでは、スラグ発生量が過剰で、かつ剥離性が劣るという欠点があった。スラグは絶縁性のため、堆積したスラグはアーク安定性を阻害し、溶込み不足及びスラグ巻きといった欠陥発生の直接原因となる。更に、多少なりともスラグが自然剥離しなければ、溶接ロボットがスタート位置をずらしながら再アークを試みてもアークスタートミスを続け、溶接ロボットはエラー判定して停止してしまう。溶接ロボットは無人化することで最大の長所を発揮するが、短時間でスラグが堆積し、アークの不安定化を引き起こしてしまっては、人手によるスラグ除去作業が高い頻度で必要となったり、アークスタートミスから復帰するためにアークスタート部のスラグ除去を行う必要が生じるなど、その長所を発揮できない。そこで、この問題を解決すべく、最大入熱４０ｋＪ／ｃｍ・最高パス間温度３５０℃の条件で４９０Ｎ／ｍｍ２級鋼に必要十分な機械的性能を有し、かつスラグ発生量が少なく、剥離性も良好であり、連続積層高さが大きい高能率な溶接ワイヤが望まれていた。
【０００５】
この要望に対し、スラグ剥離性を改善したワイヤとして、特許文献１７乃至１９に記載のワイヤが開発されている。また、スラグ剥離性改善と共にスラグ生成量をも低減したワイヤが特許文献２０、２１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２３０３８７号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６７８号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７６７８号公報
【特許文献４】特開２００１−２８７０８６号公報
【特許文献５】特開２００２−３２１０８７号公報
【特許文献６】特開２００２−３４６７８９号公報
【特許文献７】特開２００２−７９３９５号公報
【特許文献８】特開２００２−１０３０８２号公報
【特許文献９】特開２００３−１１９５５０号公報
【特許文献１０】特開２００３−１３６２８１号公報
【特許文献１１】特開２００４−１９５５４３号公報
【特許文献１２】特開２００４−２０２５７２号公報
【特許文献１３】特開２００４−２３７３６１号公報
【特許文献１４】特開２００４−９８１４３号公報
【特許文献１５】特開平１１−２３９８９２号公報
【特許文献１６】特開２００４−２３７３３３号公報
【特許文献１７】特開２００６−８８１８７号公報
【特許文献１８】特開２００６−３０５６０５号公報
【特許文献１９】特開２００６−１５０４３７号公報
【特許文献２０】特開２００４−１２２１７０号公報
【特許文献２１】特開２００６−２６６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近時のロボット溶接技術の進化は著しいものがある。このため、開先角度も３０°の狭開先化が実現されている。即ち、従来、開先角度は３５°が標準であったが、開先面積の縮小によるパス数減と溶接時間短縮、溶接ワイヤの使用量削減、熱歪の低減、パス間温度上昇の低減による強度及び靭性等の溶接金属の機械的性能向上を目的として、３０°程度の狭開先化が実現可能となってきている。このように、開先角度が小さくなると、トーチノズルが開先面に干渉しやすくなるため、必然的にチップ先端から開先底面までの距離、所謂ワイヤ突出し長さが長くなることが多く、アーク力低下による溶込み不良が発生しやすくなることが判明した。また、突出し長さが長くなることで、ガスシールド性が劣化して、溶接金属中に大気から窒素が混入し、靭性を低下させる傾向もある。
【０００８】
従来、溶接ワイヤ面から溶込み不良を防止する技術を開示したものはない。また、従来の優れたスラグ剥離性とスラグ量の最少化を実現しつつ、強度及び靱性といった機械的性能が優れた溶接ワイヤは存在しない。そこで、溶け込み不良が防止され、機械的性能も優れていて、ロボットによる多層溶接での狭開先施工にも対応できる最適な溶接ワイヤの開発が要望されている。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、狭開先施工においても十分な溶け込みが得られ、強度及び靭性等の機械的性能が優れた溶接金属が得られる炭酸ガス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】
【００１０】
本発明に係る炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤは、Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、下記数式１及び数式２で表されるパラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避不純物であることを特徴とする。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
この炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有することが好ましい。また、ワイヤ表面にＭｏＳ２が、ワイヤ１０ｋｇあたり、０．０１乃至１．００ｇ存在することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者等は、ワイヤ突出し長さと溶滴の移行形態、そして溶込み深さの関係について研究を行った結果、以下の事象を解明した。ワイヤ送給量一定においては、突出し長さが長くなると、ワイヤ先端からチップ内通電点までの間の電気抵抗が高まり、温度上昇により溶融しやすくなるため、溶接機から供給される溶接電流が低下する一方、溶接電圧は上昇する。溶接電流の減少及び溶接電圧の増大の条件においては、ワイヤ先端が溶融して溶接部へ落下する溶滴は、アーク反力が小さく、かつ移行空間（アーク長）が長いので、大粒の完全グロビュール移行になりやすい。アークの指向性は弱くなり、ワイヤを中心とした同心円状の溶滴落下域の面積は拡大する。また、移行周期も長くなって、母材へ与えられるアーク力は弱くなり、溶込み深さが小さくなる。この現象を避けるためには、完全なグロビュール溶滴移行を防ぐのが最も効果的であり、そのためには溶滴を大きく成長させる因子を抑制することが必要であることを、本発明者等が見出した。この溶滴の大きさに最も影響を及ぼすのがＴｉであり、ワイヤ中のＴｉ含有量が少ないほど、溶滴成長を抑え、短絡移行となって、アークの集中性が増加し、溶滴落下域の面積が縮小し、溶込み深さが増す。
【００１５】
図１は、横軸にワイヤ突き出し長さ（ｍｍ）をとり、縦軸に溶け込み深さ（ｍｍ）をとって、Ｔｉ含有量と、ワイヤ突き出し長さと、溶け込み深さとの関係を示すグラフ図である。但し、ワイヤ送給量は１０ｍ／分である。この図１に示すように、ワイヤ突き出し長さが長くなるほど、溶け込み深さが小さくなるが、ワイヤ突き出し長さが同一である場合は、Ｔｉ含有量が少なくなるほど、溶け込み深さが大きくなることが示されている。
【００１６】
また、Ｔｉ酸化物はスラグ源であり、Ｔｉ量を従来よりも少なくすることにより、スラグ堆積で生じる問題点を軽減できる。
【００１７】
一方、Ｔｉは窒素との親和性が強く、シールド不良時の窒素と結合してブローホールの発生を防止し、金属脆化を防ぐ効果がある。Ｔｉを少なくすることはブローホールの発生及び金属脆化の問題を生じさせることになるため、Ｔｉの減少による溶け込み深さの改善と、ブローホールの発生及び金属脆化の問題とを相殺させるために、Ｍｎ及びＢの含有量の最適化を行った。
【００１８】
以下に、本発明の炭酸ガス溶接用ソリッド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。
【００１９】
「Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％」
Ｃは強度を確保する為に重要な添加元素であるが、０．０３質量％未満では大入熱・高パス間温度溶接時に必要強度を確保できない。このため、Ｃは０．０３質量％以上、望ましくは０．０５質量％以上とする。一方、Ｃを過剰に添加すると高温割れが発生しやすくなる。また、Ｃを過剰に添加すると、アーク雰囲気中においてＣＯ爆発現象によりスパッタ発生量も増加し、アーク安定性が劣化する。更に、Ｃ含有量が多いと、溶接金属の強度が過大となり、靭性が逆に低下する。Ｃ含有量が０．１０質量％を超えると、これらの影響が顕著になるため、上限値を０．１０質量％とする。
【００２０】
「Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％」
Ｓｉは、主として、強度確保と脱酸による気孔欠陥防止のために添加する。また、Ｓｉの添加は、スラグ量を増大させるものの、スラグ剥離性は向上する。これらの効果は、Ｓｉ含有量が０．６７質量％以上で有効である。Ｓｉ含有量が０．６７質量％未満では、スラグ剥離性が悪く、アークが不安定化する。Ｓｉの更に好ましい下限値は０．７５質量％である。一方、Ｓｉを１．００質量％を超えて過剰に添加すると、スラグ量が過剰となり、アーク安定性が劣化すると共に、靱性値が低下する。このため、Ｓｉの上限値を１．００質量％とする。
【００２１】
「Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％」
Ｍｎは溶接金属の脱酸効果があり、また溶接金属の強度を上昇させ、高靱性な溶接金属を得る効果がある。狭開先対応機能を備えたロボットシステムでは最大ワイヤ突出し長さが長く設定され、シールド不良によるブローホール発生及び靱性低下が起き易いので、ロボット用ワイヤとしてＭｎを比較的多く添加し、これらの欠点を防止することができる。このためには、Ｍｎ含有量は少なくとも１．８１質量％以上添加することが必要である。一方、Ｍｎ含有量が２．５０質量％を超えると、スラグ量が増大すると共に、スラグ剥離性が低下する。その結果、アーク安定性も劣化する。なお、後述するように、Ｔｉ量との関係によっては、Ｍｎの上限値は更に低く抑制される。
【００２２】
「Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％」
Ｓはその添加により溶融池の表面張力が低下し、凝固時の物理的凹凸を減少させて溶接金属の表面を滑らかにする効果がある。これにより、スラグ剥離性を向上させることができる。Ｓが０．００６質量％未満では、この効果は現れず、剥離性が悪いことに起因してアーク安定性が劣化する。一方、Ｓを０．０１８質量％を超えて添加しても、溶接金属の表面形状改善効果は飽和してしまう上に、高温割れが発生しやすくなる。また、スラグの形態が粒状化し、ア−クによる溶融を妨げ、部分的なアーク不安定原因となると共に、靱性も低下する。従って、Ｓの上限値は０．０１８質量％である。なお、後述するように、Ｂ量との関係によって、Ｓの上限値は更に低く抑制される。
【００２３】
「Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％」
Ｔｉは高電流城でのアーク安定性を向上させる効果がある。一般的には、Ｔｉを０．２０質量％前後添加するワイヤが多い。本発明のワイヤの組成の特徴の一つは、Ｔｉ含有量が一般的なものよりも低いことである。Ｔｉが０．１００質量％未満では、アーク安定性が劣化し、スパッタ発生量が増加する。よって、Ｔｉは０．１００質量％以上添加することが必要である。一方、Ｔｉ含有量を高めると、上述した溶滴移行形態の変異により、溶け込み深さが減少し、ワイヤ突出し長さが長い場合に溶込み不良が生じやすくなる。Ｔｉ含有量が０．１５０質量％を超えると、完全グロビュール溶滴移行となり、溶込み不良が生じるため、上限値を０．１５０質量％とする。なお、後述するように、Ｍｎ含有量との関係によっては、Ｔｉ含有量の上限値は更に低く抑制される。ロボット溶接の場合は、最適電圧及び溶接速度を常に最適に設定することができるので、Ｔｉ含有量が低めであっても、アーク安定性が劣化することはない。
【００２４】
「Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％」
Ｂは少量の添加で溶接金属の結晶粒の微細化による強度と靱性を向上させる効果がある。Ｂ含有量が０．００１５質量％未満では、溶接金属の強度と靱性の向上効果が現れず、これらの機械的特性が不足する。このため、Ｂは０．００１５質量％を下限値とする。一方、Ｂを０．００７０質量％を超えて過剰に添加すると、高温割れが発生しやすくなる。従って、Ｂ含有量は０．００７０質量％を上限値とする。なお、Ｓ量との関係によって、Ｂ含有量の上限値は更に低く抑制される。
【００２５】
「Ｃｕ：０．１０乃至０．４５質量％」
Ｃｕは過剰添加で高温割れを発生させやすくなると共に、スラグの性質を変化させて剥離性を劣化させる。その結果、アーク安定性が劣化する。ワイヤ素線にＣｕを積極的に添加させる必要はなく、通電性、耐錆性、伸線性及び意匠性改善のために、ワイヤ表面に施される銅めっき中のＣｕ分として添加されるものが殆どである。Ｃｕが０．１０質量％として換算される量以下のめっき量では、めっき膜の膜厚が薄すぎて通電性が悪く、アーク不安定が生じ、スパッタが増加する。一方、Ｃｕ含有量が０．４５質量％を超えると、高温割れ及びスラグ剥離性が問題となるので、Ｃｕの上限値は０．４５質量％とする。なお、Ｃｕは線材に含まれるものと、銅めっき分とを合計した値とする。
【００２６】
「ＰＢＳ≦１０ （ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５）」
ＢとＳは共に高温割れを引き起こす元素であり、ＢとＳの含有量を夫々単独で規定すること以外に、両元素を相互に関連をもって規制することにより、高温割れを防止する必要がある。即ち、狭開先の溶接施工では高温割れが発生しやすいため、従来以上に割れ防止には留意する必要があり、これらのＢ及びＳの含有量を単独で規制すること以外に、相互に関連をもって規制することが必要である。
【００２７】
図２は横軸にＳ含有量をとり、縦軸にＢ含有量をとって、割れ発生等と、これらのＳ及びＢ含有量との関係を示すグラフ図である。図２に示すように、本願発明者等による実験研究の結果、ＰＢＳ＞１０の範囲では、Ｂ及びＳが共に本発明における規定範囲でも、両元素とも高い含有量範囲にあるため、割れが生じることを知見した。従って、相関パラメータＰＢＳを［Ｂ］×［Ｓ］×１０５と定義した場合、このＰＢＳを１０以下とすることが必要である。
【００２８】
「ＰＭＴ≦３２ （ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２）」
ＭｎとＴｉはスラグの主要生成元素であり、ＭｎとＴｉの含有量を夫々単独で規定すること以外に、両元素を相互に相関をもって規制することによって、過剰なスラグ発生を防止する必要がある。
【００２９】
図３は横軸にＭｎ含有量をとり、縦軸にＴｉ含有量をとって、スラグ量等と、これらのＭｎ及びＴｉ含有量との関係を示すグラフ図である。図３に示すように、ＰＭＴ＞３２の範囲では、Ｍｎ及びＴｉがいずれも本発明の規定範囲内でも、両元素とも含有量が高いため、スラグ生成量が多くなり、スラグ剥離性も悪くなるため、アークの安定性が劣化することを本願発明者等が知見した。また、スラグ量が増大すると、頻繁にスラグ除去を行なう必要があり、運転効率が低下してしまう。従って、相関パラメータＰＭＴを［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２と定義した場合、このＰＭＴを３２以下とすることが必要である。
【００３０】
「Ｐ：０．０２０質量％以下」
Ｐは高温割れを発生させる主要元素の一つであり、Ｐを積極的に添加する必要性はない。従って、高温割れが問題とならない上限値として、Ｐの上限値を０．０２０質量％に設定する。
【００３１】
「Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下」
Ｎｂ、Ｖ、Ａｌは低入熱溶接条件において、溶接金属の靱性を低下させてしまう。このため、これらの元素は、積極的に添加することは回避すべきであり、靱性劣化を無視できる許容範囲の上限として、これらの元素の規制上限値を夫々０．０４質量％とする。
【００３２】
「Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下」
Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉは溶接金属の焼き入れ性を向上させ、強度を上昇させるために、積極的に添加することが好ましい。これらのＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉは、より高い入熱及びパス間温度でも、適度な強度を維持できる。これらの元素の添加は、特に、下限を設ける必要はないが、０．０５質量％以上の添加でその効果が顕著となる。一方、これらの元素を０．２５質量％を超えて添加すると、溶接金属のミクロ組織がマルテンサイト化し、靱性が低下してしまう。従って、これらの元素は、添加する場合は、夫々０．２５質量％以下とする。
【００３３】
「ワイヤ表面のＭｏＳ２：ワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇ」
ワイヤ送給性はスラグ剥離性に大きな影響を及ぼす。ワイヤ送給が安定することにより溶融池形成もまた安定となり、生成されたスラグの厚さが均一となり、熱収縮の歪が均一に作用することにより、全面剥離しやすくなる。ワイヤ表面のＭｏＳ２はチップ・ワイヤ間の給電点における融着を低下し、ワイヤ迭給性向上につながる。従来のワイヤ送給性向上手段としては、ワイヤ表面の粒界に沿って過剰酸化させる方法があるが、この方法では、Ｏ量が過剰になってスラグ量が増大するという欠点がある。これに対し、ＭｏＳ２の塗布は、他の送給性向上手段に比べて、スラグ量を増大させることがないため、本発明のワイヤのワイヤ迭給性向上手段として好適である。この効果はワイヤ１０ｋｇあたり０．０１ｇ以上のＭｏＳ２の付着で有効である。一方、ワイヤ１０ｋｇあたり１．００ｇを超えてＭｏＳ２を付着させると、送給系内への堆積が始まり、逆にＭｏＳ２が詰まることによる送給不良が発生し、スラグ性状に影響を及ぼして、剥離性を低下させることになる。その結果、アーク安定性が劣化する。従って、ワイヤ表面に、ワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇのＭｏＳ２を存在させることが好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の効果を説明するために、本発明の範囲に入る実施例のワイヤと、本発明の範囲から外れる比較例のワイヤとについて、溶接試験を実施した結果について説明する。図４（ａ）乃至（ｃ）は、溶接試験体形状と開先形状を示す図である。図４（ａ）は開先部を拡大して示す断面図、図４（ｂ）は試験体の正面図、図４（ｃ）は側面図である。ダイヤフラム１がその面を垂直にして配置され、丸型鋼管３がその軸を水平にし、丸型鋼管３の端面をダイヤフラム１に対向させて配置されている。この丸型鋼管３の端面が面取りされて、ダイヤフラム１との間にレ型開先が形成されている。また、丸型鋼管３の内面に筒状の裏当て金２が配置されている。そして、この開先部を溶接トーチ４により周溶接した。
【００３５】
下記表１は溶接条件を示す。また、下記表２はダイヤフラム１，鋼管３及び裏当て金２の鋼板の組み合わせを示し、表３はダイヤフラム１、鋼管３及び裏当金２の組成（質量％）を示す。図４に示す溶接試験体を、表１に示す溶接条件で市販の鉄骨建築用ロボット溶接システムを使用して溶接した。なお、ダイヤフラム１と鋼管３は高炉材であるのに対し、裏当て金２は市販の電炉材であり、裏当て金２は著しく窒素含有量が高く、溶接性が劣るものである。開先角度は一般的には３５°、ルートギャップは７ｍｍであるが、この溶接試験では、開先角度が３０°、ルートギャップが５ｍｍの狭開先施工としている。そして、溶接終了後のスラグの剥離性をデジタル画像処理により算出し、スラグ量を計測し、溶接金属の強度と靱性の指標として引張試験とシャルピー衝撃試験を実施した。また、溶接中のアークの安定性とスパッタ発生量も記録した。更に、溶込み不足と高温割れの発生の有無を超音波探傷試験にて調べた。
【００３６】
下記表４は、実施例及び比較例のワイヤ組成（質量％）を示す。また、下記表５は、溶接試験の試験結果を示す。なお、表４の組成で、「＜０．＊＊＊」としているのは、組成の分析結果が一般的な分析精度の下限値未満の値であることを示し、工業的には含有していないものである。
【００３７】
表５に示す各特性の評価方法については以下のとおりである。スラグの剥離性評価方法については、剥離性とスラグ量の評価は鋼管の板厚が薄い条件１（表２参照）でのみ計測した。なお、条件１でスラグ剥離性が良好であった溶接ワイヤは条件２でも同じく良好であることを確認している。溶接開始点が最終パスの溶接に入る際に、ワイヤから９０°戻った地点を中心として前後１００ｍｍ、合計２００ｍｍを写真撮影した（図４（ｂ）及び（ｃ）参照）。次に、そのビード外観写真を、（ａ）スラグが自然剥離した部分と（ｂ）スラグが付着したままの部分とに２値化して、その分布を求めた。画像解析ソフトによりそれぞれのピクセルの合計を計算し、（ａ）／（（ａ）＋（ｂ））×１００でスラグ剥離率（％）を求めた。スラグ剥離率が１５％以上のものを、スラグ剥離性良好と判定した。
【００３８】
次に、スラグ量については、ビード外観写真撮影後に自然剥離したものも含めて、全てのスラグを回収し、重量測定した。このスラグ量が１２ｇ以下のものを、スラグ量が良好であるとした。
【００３９】
溶接金属の引張試験とシャルピー衝撃試験は、条件２（表２参照）において、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ２号（平行部直径６ｍｍ）及び標準試験片（１０ｍｍ角）を、夫々図５及び図６に示す位置より採取し、試験に供した。なお、引張試験は室温の２０℃、シャルピー衝撃試験は０℃、３本平均を評価値とした。引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ２以上、シャルピー衝撃試験が平均７０Ｊ以上を合格とした。
【００４０】
アーク安定性は溶接中の官能評価によるもので、特にスラグがアークの発生を邪魔し、乱すことがなかった場合を良好と判断した。なお、ワイヤ送給不良に起因するアークの乱れが生じた場合も不合格とした。
【００４１】
スパッタ発生量は条件１（表２参照）における溶接終了後にシールドノズルに付着したスパッタを回収し、重量測定したものである。スパッタ発生量が６ｇ以下を良好と判定した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４−１】
【００４６】
【表４−２】
【００４７】
【表４−３】
【００４８】
【表４−４】
【００４９】
【表５−１】
【００５０】
【表５−２】
【００５１】
表５に示すように、本発明の実施例１乃至１８は、各成分の組成範囲が本発明の請求項１乃至３にて規定した範囲内にあるので、スラグの剥離性、スラグ量、溶接金属の強度、靱性、アークの安定性、低スパッタ性、溶込み性能、及び耐割れ性が全て良好であり、優れた溶接作業性と溶接金属の優れた機械的性質が得られている。
【００５２】
一方、比較例１９乃至５０は本発明の範囲から外れるものであるが、比較例１９はＣが過少であり、溶接金属の強度が不足した。比較例２０はＣが過剩であり、溶接金属に高温割れが発生し、強度が過剰で低靱性化した。また、スパッタも多く、アーク安定性が悪かったため、連続溶接性も劣化した。比較例２１はＳｉが過少であり、溶接金属の強度が不足し、スラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。また、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例２２はＳｉが過剰であり、溶接金属の靱性が不足し、スラグ量が過剰で邪魔となり、アークが不安定となって連続溶接性が劣化した。比較例２３はＭｎが過少であり、靱性が低く、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例２４はＭｎが過剰であり、スラグ量が多く、剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例２５はＴｉが過少であり、スパッタ発生量が多く、アーク安定性が劣り、シールドノズル詰まりが生じやすいため、連続溶接性が劣化した。比較例２６、２７はＴｉが過剰であり、溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。比較例２８はＭｎ、Ｔｉの各成分は夫々規定範囲を満足しているが、パラメータＰＭＴが大きすぎたため、スラグ量が多く、剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔で、アーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例２９はＳが過少であり、スラグの剥離性が悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例３０はＳが過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。スラグは剥離性は良いものの、付着しているものは粒状化し、厚さが増してアークの安定性を損なっていた。その結果、連続溶接性が劣化した。
【００５３】
比較例３１はＳ及びＢの各成分は本発明の規定範囲を満足しているが、パラメータＰＢＳが大きすぎたため、耐割れ性が損なわれ、割れが発生した。比較例３２はＰが過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。比較例３３はＣｕが過少であり、銅めっき層の厚さが薄いため、通電不良となり、微小融着が多発してアークが不安定化し、スパッタも増加した。比較例３４はＣｕが過剰であり、高温割れが発生すると共にスラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例３５はＢが不足しており、強度と靭性が不足した。比較例３６はＢが過剰であり、高温割れが発生した。
【００５４】
比較例３７はＭｎ、Ｔｉ、Ｂ、及びＳの各元素は、夫々単独で本発明の規定範囲を満足しているが、パラメータＰＭＴ、ＰＢＳが本発明の規定範囲を超えている。このため、スラグ量が多く、スラグ剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化し、更に高温割れも発生した。比較例３８乃至４０は夫々Ｎｂ、Ｖ、Ａｌが過剰であり、靱性が低下した。比較例４１乃至４３は夫々Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉが過剰であり、強度が向上したものの、この強度が過剰であり、逆に靭性が低下した。比較例４４はＭｏＳ２付着量が過剰であり、コンジットライナー等の送給系にＭｏＳ２が堆積して詰まり、ワイヤ送給が非常に不安定となった。その結果、アーク安定性が損なわれ、スラグ分布が不均一化して悪影響を及ぼし、スラグ剥離性が低下した。結果、スラグが邪魔で、連続溶接性が劣化した。
【００５５】
比較例４５はＴｉが過剰であり、Ｓが過少であり、Ｂが無添加である。このため、Ｔｉ過剰により、溶液移行が完全グロビュールとなったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓが過少なことから、スラグ剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。更に、Ｂ無添加のため、強度及び靱性が不足した。比較例４６はＴｉが過剰であり、Ｓ及びＭｎが過少である。Ｔｉ過剰により溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓが過少なことから、剥離性も悪かった。スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。Ｍｎが過少のため、強度及び靭性が不足すると共に、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例４７はＣが過剰であり、Ｍｎが不足し、Ｔｉ及びＢが無添加である。このため、Ｍｎ不足とＢ無添加により、強度及び靱性が不足し、脱酸不足でブローホールも発生した。Ｃ過剰により高温割れが発生し、更にＴｉ無添加も相乗してスパッタが極めて多く、アーク安定性が悪かった。
【００５６】
比較例４８はＴｉ、ＰＭＴ、Ｍｏが過剰であり、Ｓｉ及びＳが不足する。このため、Ｔｉ過剰により溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓｉ及びＳが過少なことから、スラグ剥離性も悪かった。スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。また、Ｍｏ過剰により靱性が不足した。更に、Ｓｉ不足による脱酸不足で、ブロ−ホールも発生した。比較例４９はＳｉとＳが過剰であり、Ｔｉが不足し、Ｂが無添加である。Ｂ無添加により靭性が低下し、強度も低かった。Ｓｉ及びＳが過剰のため、スラグ量が多く、かつ粒状化してアーク安定性を損なった。その結果、連続溶接性が劣化した。また、Ｔｉ不足によりスパッタが多発した。Ｓ過剰のため、高温割れも発生した。比較例５０はＳｉが不足し、Ｂが過剰であり、ＰＢＳが大きすぎる。Ｓｉ不足により溶接金属の強度が不足し、スラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。Ｓｉ不足により脱酸不足でブローホールも発生した。また、ＰＢＳが大きすぎるため、高温割れも発生した。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ワイヤ成分におけるＴｉ量とワイヤ突出し長さが溶込み深さに及ぼす影響を示す図である。
【図２】本請求におけるＢとＳの範囲の示す図である。
【図３】本請求におけるＭｎとＴｉの範囲の示す図である。
【図４】溶接試験体形状と開先形状を示す図である。
【図５】溶接金属引張試験片の採取位置である。
【図６】溶接金属シャルピー衝撃試験片の採取位置である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ダイヤフラム
２ 裏当て金
３ 丸型鋼管
４ トーチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟鋼又は４９０乃至５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際に使用される炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤに関し、特に高能率で溶接可能であると共に、機械的性能が良好な溶接金属が得られる炭酸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、建築鉄骨分野では、ＣＯ２をシールドガスとするガスシールドアーク溶接法が、その高能率性の利点から主として使用されている。従前、このガスシールドアーク溶接法は、人手による半自動溶接法が殆どであったが、省人化によるコストダウン及び夜間又は休日の無人運転による更に一層の溶接能率向上を目的として、ロボットによる自動溶接も普及してきている。一方、溶接品質の面では耐震性向上を主眼として溶接継手部の性能向上を図るべく、１９９７年のＪＡＳＳ６改定及び１９９９年の建築基準法改定において、溶接時の入熱・パス間温度に上限管理が規定された。この動向を受けて、溶接ワイヤも４９０Ｎ／ｍｍ２級炭素鋼鋼板に対して最大入熱４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃まで、５２０Ｎ／ｍｍ２級炭素鋼鋼板に対して最大入熱３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０℃まで許容できるものとして、大入熱・高パス間温度対応ワイヤが開発され、１９９９年に５４０Ｎ／ｍｍ２級＝ＹＧＷ１８としてＪＩＳ化された。以後、今日まで、従前のワイヤよりも大入熱・高パス間温度で優れた機械的性能が得られる５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤが急速に普及している。また、この５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤは、入熱及びパス間温度を管理しにくい半自動溶接での普及が早かったが、近時、ロボット溶接による全自動溶接にも５４０Ｎ／ｍｍ２級ワイヤが適用されることが多くなってきている。
【０００３】
従来の炭酸ガス溶接用大電流・高パス間温度対応ワイヤとしては、特許文献１乃至１６に記載のワイヤが公知である。これらのワイヤは、全般的に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉといった脱酸成分を従来ワイヤよりも多く含有し、かつＭｏ、Ｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ等を必要に応じて添加している。これによって、鋼の焼入れ性を高め、結晶粒微細化による靭性の向上と、更に析出硬化及び固溶硬化の作用とを組み合わせることにより、強度を高めている。
【０００４】
しかしながら、これらの従来のワイヤは、全てロボットによる溶接に使用することを考慮して設計されていないのが実情である。従来の大電流・高パス間温度対応ワイヤでは、スラグ発生量が過剰で、かつ剥離性が劣るという欠点があった。スラグは絶縁性のため、堆積したスラグはアーク安定性を阻害し、溶込み不足及びスラグ巻きといった欠陥発生の直接原因となる。更に、多少なりともスラグが自然剥離しなければ、溶接ロボットがスタート位置をずらしながら再アークを試みてもアークスタートミスを続け、溶接ロボットはエラー判定して停止してしまう。溶接ロボットは無人化することで最大の長所を発揮するが、短時間でスラグが堆積し、アークの不安定化を引き起こしてしまっては、人手によるスラグ除去作業が高い頻度で必要となったり、アークスタートミスから復帰するためにアークスタート部のスラグ除去を行う必要が生じるなど、その長所を発揮できない。そこで、この問題を解決すべく、最大入熱４０ｋＪ／ｃｍ・最高パス間温度３５０℃の条件で４９０Ｎ／ｍｍ２級鋼に必要十分な機械的性能を有し、かつスラグ発生量が少なく、剥離性も良好であり、連続積層高さが大きい高能率な溶接ワイヤが望まれていた。
【０００５】
この要望に対し、スラグ剥離性を改善したワイヤとして、特許文献１７乃至１９に記載のワイヤが開発されている。また、スラグ剥離性改善と共にスラグ生成量をも低減したワイヤが特許文献２０、２１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２３０３８７号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６７８号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７６７８号公報
【特許文献４】特開２００１−２８７０８６号公報
【特許文献５】特開２００２−３２１０８７号公報
【特許文献６】特開２００２−３４６７８９号公報
【特許文献７】特開２００２−７９３９５号公報
【特許文献８】特開２００２−１０３０８２号公報
【特許文献９】特開２００３−１１９５５０号公報
【特許文献１０】特開２００３−１３６２８１号公報
【特許文献１１】特開２００４−１９５５４３号公報
【特許文献１２】特開２００４−２０２５７２号公報
【特許文献１３】特開２００４−２３７３６１号公報
【特許文献１４】特開２００４−９８１４３号公報
【特許文献１５】特開平１１−２３９８９２号公報
【特許文献１６】特開２００４−２３７３３３号公報
【特許文献１７】特開２００６−８８１８７号公報
【特許文献１８】特開２００６−３０５６０５号公報
【特許文献１９】特開２００６−１５０４３７号公報
【特許文献２０】特開２００４−１２２１７０号公報
【特許文献２１】特開２００６−２６６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近時のロボット溶接技術の進化は著しいものがある。このため、開先角度も３０°の狭開先化が実現されている。即ち、従来、開先角度は３５°が標準であったが、開先面積の縮小によるパス数減と溶接時間短縮、溶接ワイヤの使用量削減、熱歪の低減、パス間温度上昇の低減による強度及び靭性等の溶接金属の機械的性能向上を目的として、３０°程度の狭開先化が実現可能となってきている。このように、開先角度が小さくなると、トーチノズルが開先面に干渉しやすくなるため、必然的にチップ先端から開先底面までの距離、所謂ワイヤ突出し長さが長くなることが多く、アーク力低下による溶込み不良が発生しやすくなることが判明した。また、突出し長さが長くなることで、ガスシールド性が劣化して、溶接金属中に大気から窒素が混入し、靭性を低下させる傾向もある。
【０００８】
従来、溶接ワイヤ面から溶込み不良を防止する技術を開示したものはない。また、従来の優れたスラグ剥離性とスラグ量の最少化を実現しつつ、強度及び靱性といった機械的性能が優れた溶接ワイヤは存在しない。そこで、溶け込み不良が防止され、機械的性能も優れていて、ロボットによる多層溶接での狭開先施工にも対応できる最適な溶接ワイヤの開発が要望されている。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、狭開先施工においても十分な溶け込みが得られ、強度及び靭性等の機械的性能が優れた溶接金属が得られる炭酸ガス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】
【００１０】
本発明に係る炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤは、Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、下記数式１及び数式２で表されるパラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避不純物であることを特徴とする。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
この炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有することが好ましい。また、ワイヤ表面にＭｏＳ２が、ワイヤ１０ｋｇあたり、０．０１乃至１．００ｇ存在することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者等は、ワイヤ突出し長さと溶滴の移行形態、そして溶込み深さの関係について研究を行った結果、以下の事象を解明した。ワイヤ送給量一定においては、突出し長さが長くなると、ワイヤ先端からチップ内通電点までの間の電気抵抗が高まり、温度上昇により溶融しやすくなるため、溶接機から供給される溶接電流が低下する一方、溶接電圧は上昇する。溶接電流の減少及び溶接電圧の増大の条件においては、ワイヤ先端が溶融して溶接部へ落下する溶滴は、アーク反力が小さく、かつ移行空間（アーク長）が長いので、大粒の完全グロビュール移行になりやすい。アークの指向性は弱くなり、ワイヤを中心とした同心円状の溶滴落下域の面積は拡大する。また、移行周期も長くなって、母材へ与えられるアーク力は弱くなり、溶込み深さが小さくなる。この現象を避けるためには、完全なグロビュール溶滴移行を防ぐのが最も効果的であり、そのためには溶滴を大きく成長させる因子を抑制することが必要であることを、本発明者等が見出した。この溶滴の大きさに最も影響を及ぼすのがＴｉであり、ワイヤ中のＴｉ含有量が少ないほど、溶滴成長を抑え、短絡移行となって、アークの集中性が増加し、溶滴落下域の面積が縮小し、溶込み深さが増す。
【００１５】
図１は、横軸にワイヤ突き出し長さ（ｍｍ）をとり、縦軸に溶け込み深さ（ｍｍ）をとって、Ｔｉ含有量と、ワイヤ突き出し長さと、溶け込み深さとの関係を示すグラフ図である。但し、ワイヤ送給量は１０ｍ／分である。この図１に示すように、ワイヤ突き出し長さが長くなるほど、溶け込み深さが小さくなるが、ワイヤ突き出し長さが同一である場合は、Ｔｉ含有量が少なくなるほど、溶け込み深さが大きくなることが示されている。
【００１６】
また、Ｔｉ酸化物はスラグ源であり、Ｔｉ量を従来よりも少なくすることにより、スラグ堆積で生じる問題点を軽減できる。
【００１７】
一方、Ｔｉは窒素との親和性が強く、シールド不良時の窒素と結合してブローホールの発生を防止し、金属脆化を防ぐ効果がある。Ｔｉを少なくすることはブローホールの発生及び金属脆化の問題を生じさせることになるため、Ｔｉの減少による溶け込み深さの改善と、ブローホールの発生及び金属脆化の問題とを相殺させるために、Ｍｎ及びＢの含有量の最適化を行った。
【００１８】
以下に、本発明の炭酸ガス溶接用ソリッド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。
【００１９】
「Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％」
Ｃは強度を確保する為に重要な添加元素であるが、０．０３質量％未満では大入熱・高パス間温度溶接時に必要強度を確保できない。このため、Ｃは０．０３質量％以上、望ましくは０．０５質量％以上とする。一方、Ｃを過剰に添加すると高温割れが発生しやすくなる。また、Ｃを過剰に添加すると、アーク雰囲気中においてＣＯ爆発現象によりスパッタ発生量も増加し、アーク安定性が劣化する。更に、Ｃ含有量が多いと、溶接金属の強度が過大となり、靭性が逆に低下する。Ｃ含有量が０．１０質量％を超えると、これらの影響が顕著になるため、上限値を０．１０質量％とする。
【００２０】
「Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％」
Ｓｉは、主として、強度確保と脱酸による気孔欠陥防止のために添加する。また、Ｓｉの添加は、スラグ量を増大させるものの、スラグ剥離性は向上する。これらの効果は、Ｓｉ含有量が０．６７質量％以上で有効である。Ｓｉ含有量が０．６７質量％未満では、スラグ剥離性が悪く、アークが不安定化する。Ｓｉの更に好ましい下限値は０．７５質量％である。一方、Ｓｉを１．００質量％を超えて過剰に添加すると、スラグ量が過剰となり、アーク安定性が劣化すると共に、靱性値が低下する。このため、Ｓｉの上限値を１．００質量％とする。
【００２１】
「Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％」
Ｍｎは溶接金属の脱酸効果があり、また溶接金属の強度を上昇させ、高靱性な溶接金属を得る効果がある。狭開先対応機能を備えたロボットシステムでは最大ワイヤ突出し長さが長く設定され、シールド不良によるブローホール発生及び靱性低下が起き易いので、ロボット用ワイヤとしてＭｎを比較的多く添加し、これらの欠点を防止することができる。このためには、Ｍｎ含有量は少なくとも１．８１質量％以上添加することが必要である。一方、Ｍｎ含有量が２．５０質量％を超えると、スラグ量が増大すると共に、スラグ剥離性が低下する。その結果、アーク安定性も劣化する。なお、後述するように、Ｔｉ量との関係によっては、Ｍｎの上限値は更に低く抑制される。
【００２２】
「Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％」
Ｓはその添加により溶融池の表面張力が低下し、凝固時の物理的凹凸を減少させて溶接金属の表面を滑らかにする効果がある。これにより、スラグ剥離性を向上させることができる。Ｓが０．００６質量％未満では、この効果は現れず、剥離性が悪いことに起因してアーク安定性が劣化する。一方、Ｓを０．０１８質量％を超えて添加しても、溶接金属の表面形状改善効果は飽和してしまう上に、高温割れが発生しやすくなる。また、スラグの形態が粒状化し、ア−クによる溶融を妨げ、部分的なアーク不安定原因となると共に、靱性も低下する。従って、Ｓの上限値は０．０１８質量％である。なお、後述するように、Ｂ量との関係によって、Ｓの上限値は更に低く抑制される。
【００２３】
「Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％」
Ｔｉは高電流城でのアーク安定性を向上させる効果がある。一般的には、Ｔｉを０．２０質量％前後添加するワイヤが多い。本発明のワイヤの組成の特徴の一つは、Ｔｉ含有量が一般的なものよりも低いことである。Ｔｉが０．１００質量％未満では、アーク安定性が劣化し、スパッタ発生量が増加する。よって、Ｔｉは０．１００質量％以上添加することが必要である。一方、Ｔｉ含有量を高めると、上述した溶滴移行形態の変異により、溶け込み深さが減少し、ワイヤ突出し長さが長い場合に溶込み不良が生じやすくなる。Ｔｉ含有量が０．１５０質量％を超えると、完全グロビュール溶滴移行となり、溶込み不良が生じるため、上限値を０．１５０質量％とする。なお、後述するように、Ｍｎ含有量との関係によっては、Ｔｉ含有量の上限値は更に低く抑制される。ロボット溶接の場合は、最適電圧及び溶接速度を常に最適に設定することができるので、Ｔｉ含有量が低めであっても、アーク安定性が劣化することはない。
【００２４】
「Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％」
Ｂは少量の添加で溶接金属の結晶粒の微細化による強度と靱性を向上させる効果がある。Ｂ含有量が０．００１５質量％未満では、溶接金属の強度と靱性の向上効果が現れず、これらの機械的特性が不足する。このため、Ｂは０．００１５質量％を下限値とする。一方、Ｂを０．００７０質量％を超えて過剰に添加すると、高温割れが発生しやすくなる。従って、Ｂ含有量は０．００７０質量％を上限値とする。なお、Ｓ量との関係によって、Ｂ含有量の上限値は更に低く抑制される。
【００２５】
「Ｃｕ：０．１０乃至０．４５質量％」
Ｃｕは過剰添加で高温割れを発生させやすくなると共に、スラグの性質を変化させて剥離性を劣化させる。その結果、アーク安定性が劣化する。ワイヤ素線にＣｕを積極的に添加させる必要はなく、通電性、耐錆性、伸線性及び意匠性改善のために、ワイヤ表面に施される銅めっき中のＣｕ分として添加されるものが殆どである。Ｃｕが０．１０質量％として換算される量以下のめっき量では、めっき膜の膜厚が薄すぎて通電性が悪く、アーク不安定が生じ、スパッタが増加する。一方、Ｃｕ含有量が０．４５質量％を超えると、高温割れ及びスラグ剥離性が問題となるので、Ｃｕの上限値は０．４５質量％とする。なお、Ｃｕは線材に含まれるものと、銅めっき分とを合計した値とする。
【００２６】
「ＰＢＳ≦１０ （ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５）」
ＢとＳは共に高温割れを引き起こす元素であり、ＢとＳの含有量を夫々単独で規定すること以外に、両元素を相互に関連をもって規制することにより、高温割れを防止する必要がある。即ち、狭開先の溶接施工では高温割れが発生しやすいため、従来以上に割れ防止には留意する必要があり、これらのＢ及びＳの含有量を単独で規制すること以外に、相互に関連をもって規制することが必要である。
【００２７】
図２は横軸にＳ含有量をとり、縦軸にＢ含有量をとって、割れ発生等と、これらのＳ及びＢ含有量との関係を示すグラフ図である。図２に示すように、本願発明者等による実験研究の結果、ＰＢＳ＞１０の範囲では、Ｂ及びＳが共に本発明における規定範囲でも、両元素とも高い含有量範囲にあるため、割れが生じることを知見した。従って、相関パラメータＰＢＳを［Ｂ］×［Ｓ］×１０５と定義した場合、このＰＢＳを１０以下とすることが必要である。
【００２８】
「ＰＭＴ≦３２ （ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２）」
ＭｎとＴｉはスラグの主要生成元素であり、ＭｎとＴｉの含有量を夫々単独で規定すること以外に、両元素を相互に相関をもって規制することによって、過剰なスラグ発生を防止する必要がある。
【００２９】
図３は横軸にＭｎ含有量をとり、縦軸にＴｉ含有量をとって、スラグ量等と、これらのＭｎ及びＴｉ含有量との関係を示すグラフ図である。図３に示すように、ＰＭＴ＞３２の範囲では、Ｍｎ及びＴｉがいずれも本発明の規定範囲内でも、両元素とも含有量が高いため、スラグ生成量が多くなり、スラグ剥離性も悪くなるため、アークの安定性が劣化することを本願発明者等が知見した。また、スラグ量が増大すると、頻繁にスラグ除去を行なう必要があり、運転効率が低下してしまう。従って、相関パラメータＰＭＴを［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２と定義した場合、このＰＭＴを３２以下とすることが必要である。
【００３０】
「Ｐ：０．０２０質量％以下」
Ｐは高温割れを発生させる主要元素の一つであり、Ｐを積極的に添加する必要性はない。従って、高温割れが問題とならない上限値として、Ｐの上限値を０．０２０質量％に設定する。
【００３１】
「Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下」
Ｎｂ、Ｖ、Ａｌは低入熱溶接条件において、溶接金属の靱性を低下させてしまう。このため、これらの元素は、積極的に添加することは回避すべきであり、靱性劣化を無視できる許容範囲の上限として、これらの元素の規制上限値を夫々０．０４質量％とする。
【００３２】
「Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下」
Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉは溶接金属の焼き入れ性を向上させ、強度を上昇させるために、積極的に添加することが好ましい。これらのＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉは、より高い入熱及びパス間温度でも、適度な強度を維持できる。これらの元素の添加は、特に、下限を設ける必要はないが、０．０５質量％以上の添加でその効果が顕著となる。一方、これらの元素を０．２５質量％を超えて添加すると、溶接金属のミクロ組織がマルテンサイト化し、靱性が低下してしまう。従って、これらの元素は、添加する場合は、夫々０．２５質量％以下とする。
【００３３】
「ワイヤ表面のＭｏＳ２：ワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇ」
ワイヤ送給性はスラグ剥離性に大きな影響を及ぼす。ワイヤ送給が安定することにより溶融池形成もまた安定となり、生成されたスラグの厚さが均一となり、熱収縮の歪が均一に作用することにより、全面剥離しやすくなる。ワイヤ表面のＭｏＳ２はチップ・ワイヤ間の給電点における融着を低下し、ワイヤ迭給性向上につながる。従来のワイヤ送給性向上手段としては、ワイヤ表面の粒界に沿って過剰酸化させる方法があるが、この方法では、Ｏ量が過剰になってスラグ量が増大するという欠点がある。これに対し、ＭｏＳ２の塗布は、他の送給性向上手段に比べて、スラグ量を増大させることがないため、本発明のワイヤのワイヤ迭給性向上手段として好適である。この効果はワイヤ１０ｋｇあたり０．０１ｇ以上のＭｏＳ２の付着で有効である。一方、ワイヤ１０ｋｇあたり１．００ｇを超えてＭｏＳ２を付着させると、送給系内への堆積が始まり、逆にＭｏＳ２が詰まることによる送給不良が発生し、スラグ性状に影響を及ぼして、剥離性を低下させることになる。その結果、アーク安定性が劣化する。従って、ワイヤ表面に、ワイヤ１０ｋｇあたり０．０１乃至１．００ｇのＭｏＳ２を存在させることが好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の効果を説明するために、本発明の範囲に入る実施例のワイヤと、本発明の範囲から外れる比較例のワイヤとについて、溶接試験を実施した結果について説明する。図４（ａ）乃至（ｃ）は、溶接試験体形状と開先形状を示す図である。図４（ａ）は開先部を拡大して示す断面図、図４（ｂ）は試験体の正面図、図４（ｃ）は側面図である。ダイヤフラム１がその面を垂直にして配置され、丸型鋼管３がその軸を水平にし、丸型鋼管３の端面をダイヤフラム１に対向させて配置されている。この丸型鋼管３の端面が面取りされて、ダイヤフラム１との間にレ型開先が形成されている。また、丸型鋼管３の内面に筒状の裏当て金２が配置されている。そして、この開先部を溶接トーチ４により周溶接した。
【００３５】
下記表１は溶接条件を示す。また、下記表２はダイヤフラム１，鋼管３及び裏当て金２の鋼板の組み合わせを示し、表３はダイヤフラム１、鋼管３及び裏当金２の組成（質量％）を示す。図４に示す溶接試験体を、表１に示す溶接条件で市販の鉄骨建築用ロボット溶接システムを使用して溶接した。なお、ダイヤフラム１と鋼管３は高炉材であるのに対し、裏当て金２は市販の電炉材であり、裏当て金２は著しく窒素含有量が高く、溶接性が劣るものである。開先角度は一般的には３５°、ルートギャップは７ｍｍであるが、この溶接試験では、開先角度が３０°、ルートギャップが５ｍｍの狭開先施工としている。そして、溶接終了後のスラグの剥離性をデジタル画像処理により算出し、スラグ量を計測し、溶接金属の強度と靱性の指標として引張試験とシャルピー衝撃試験を実施した。また、溶接中のアークの安定性とスパッタ発生量も記録した。更に、溶込み不足と高温割れの発生の有無を超音波探傷試験にて調べた。
【００３６】
下記表４は、実施例及び比較例のワイヤ組成（質量％）を示す。また、下記表５は、溶接試験の試験結果を示す。なお、表４の組成で、「＜０．＊＊＊」としているのは、組成の分析結果が一般的な分析精度の下限値未満の値であることを示し、工業的には含有していないものである。
【００３７】
表５に示す各特性の評価方法については以下のとおりである。スラグの剥離性評価方法については、剥離性とスラグ量の評価は鋼管の板厚が薄い条件１（表２参照）でのみ計測した。なお、条件１でスラグ剥離性が良好であった溶接ワイヤは条件２でも同じく良好であることを確認している。溶接開始点が最終パスの溶接に入る際に、ワイヤから９０°戻った地点を中心として前後１００ｍｍ、合計２００ｍｍを写真撮影した（図４（ｂ）及び（ｃ）参照）。次に、そのビード外観写真を、（ａ）スラグが自然剥離した部分と（ｂ）スラグが付着したままの部分とに２値化して、その分布を求めた。画像解析ソフトによりそれぞれのピクセルの合計を計算し、（ａ）／（（ａ）＋（ｂ））×１００でスラグ剥離率（％）を求めた。スラグ剥離率が１５％以上のものを、スラグ剥離性良好と判定した。
【００３８】
次に、スラグ量については、ビード外観写真撮影後に自然剥離したものも含めて、全てのスラグを回収し、重量測定した。このスラグ量が１２ｇ以下のものを、スラグ量が良好であるとした。
【００３９】
溶接金属の引張試験とシャルピー衝撃試験は、条件２（表２参照）において、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ２号（平行部直径６ｍｍ）及び標準試験片（１０ｍｍ角）を、夫々図５及び図６に示す位置より採取し、試験に供した。なお、引張試験は室温の２０℃、シャルピー衝撃試験は０℃、３本平均を評価値とした。引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ２以上、シャルピー衝撃試験が平均７０Ｊ以上を合格とした。
【００４０】
アーク安定性は溶接中の官能評価によるもので、特にスラグがアークの発生を邪魔し、乱すことがなかった場合を良好と判断した。なお、ワイヤ送給不良に起因するアークの乱れが生じた場合も不合格とした。
【００４１】
スパッタ発生量は条件１（表２参照）における溶接終了後にシールドノズルに付着したスパッタを回収し、重量測定したものである。スパッタ発生量が６ｇ以下を良好と判定した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４−１】
【００４６】
【表４−２】
【００４７】
【表４−３】
【００４８】
【表４−４】
【００４９】
【表５−１】
【００５０】
【表５−２】
【００５１】
表５に示すように、本発明の実施例１乃至１８は、各成分の組成範囲が本発明の請求項１乃至３にて規定した範囲内にあるので、スラグの剥離性、スラグ量、溶接金属の強度、靱性、アークの安定性、低スパッタ性、溶込み性能、及び耐割れ性が全て良好であり、優れた溶接作業性と溶接金属の優れた機械的性質が得られている。
【００５２】
一方、比較例１９乃至５０は本発明の範囲から外れるものであるが、比較例１９はＣが過少であり、溶接金属の強度が不足した。比較例２０はＣが過剩であり、溶接金属に高温割れが発生し、強度が過剰で低靱性化した。また、スパッタも多く、アーク安定性が悪かったため、連続溶接性も劣化した。比較例２１はＳｉが過少であり、溶接金属の強度が不足し、スラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。また、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例２２はＳｉが過剰であり、溶接金属の靱性が不足し、スラグ量が過剰で邪魔となり、アークが不安定となって連続溶接性が劣化した。比較例２３はＭｎが過少であり、靱性が低く、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例２４はＭｎが過剰であり、スラグ量が多く、剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例２５はＴｉが過少であり、スパッタ発生量が多く、アーク安定性が劣り、シールドノズル詰まりが生じやすいため、連続溶接性が劣化した。比較例２６、２７はＴｉが過剰であり、溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。比較例２８はＭｎ、Ｔｉの各成分は夫々規定範囲を満足しているが、パラメータＰＭＴが大きすぎたため、スラグ量が多く、剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔で、アーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例２９はＳが過少であり、スラグの剥離性が悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例３０はＳが過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。スラグは剥離性は良いものの、付着しているものは粒状化し、厚さが増してアークの安定性を損なっていた。その結果、連続溶接性が劣化した。
【００５３】
比較例３１はＳ及びＢの各成分は本発明の規定範囲を満足しているが、パラメータＰＢＳが大きすぎたため、耐割れ性が損なわれ、割れが発生した。比較例３２はＰが過剰であり、靭性が低いと共に高温割れも発生した。比較例３３はＣｕが過少であり、銅めっき層の厚さが薄いため、通電不良となり、微小融着が多発してアークが不安定化し、スパッタも増加した。比較例３４はＣｕが過剰であり、高温割れが発生すると共にスラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。比較例３５はＢが不足しており、強度と靭性が不足した。比較例３６はＢが過剰であり、高温割れが発生した。
【００５４】
比較例３７はＭｎ、Ｔｉ、Ｂ、及びＳの各元素は、夫々単独で本発明の規定範囲を満足しているが、パラメータＰＭＴ、ＰＢＳが本発明の規定範囲を超えている。このため、スラグ量が多く、スラグ剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化し、更に高温割れも発生した。比較例３８乃至４０は夫々Ｎｂ、Ｖ、Ａｌが過剰であり、靱性が低下した。比較例４１乃至４３は夫々Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉが過剰であり、強度が向上したものの、この強度が過剰であり、逆に靭性が低下した。比較例４４はＭｏＳ２付着量が過剰であり、コンジットライナー等の送給系にＭｏＳ２が堆積して詰まり、ワイヤ送給が非常に不安定となった。その結果、アーク安定性が損なわれ、スラグ分布が不均一化して悪影響を及ぼし、スラグ剥離性が低下した。結果、スラグが邪魔で、連続溶接性が劣化した。
【００５５】
比較例４５はＴｉが過剰であり、Ｓが過少であり、Ｂが無添加である。このため、Ｔｉ過剰により、溶液移行が完全グロビュールとなったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓが過少なことから、スラグ剥離性も悪かった。また、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。更に、Ｂ無添加のため、強度及び靱性が不足した。比較例４６はＴｉが過剰であり、Ｓ及びＭｎが過少である。Ｔｉ過剰により溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓが過少なことから、剥離性も悪かった。スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。Ｍｎが過少のため、強度及び靭性が不足すると共に、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例４７はＣが過剰であり、Ｍｎが不足し、Ｔｉ及びＢが無添加である。このため、Ｍｎ不足とＢ無添加により、強度及び靱性が不足し、脱酸不足でブローホールも発生した。Ｃ過剰により高温割れが発生し、更にＴｉ無添加も相乗してスパッタが極めて多く、アーク安定性が悪かった。
【００５６】
比較例４８はＴｉ、ＰＭＴ、Ｍｏが過剰であり、Ｓｉ及びＳが不足する。このため、Ｔｉ過剰により溶滴移行が完全グロビュール移行となったため、溶込み不良が多発した。更に、Ｓｉ及びＳが過少なことから、スラグ剥離性も悪かった。スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。また、Ｍｏ過剰により靱性が不足した。更に、Ｓｉ不足による脱酸不足で、ブロ−ホールも発生した。比較例４９はＳｉとＳが過剰であり、Ｔｉが不足し、Ｂが無添加である。Ｂ無添加により靭性が低下し、強度も低かった。Ｓｉ及びＳが過剰のため、スラグ量が多く、かつ粒状化してアーク安定性を損なった。その結果、連続溶接性が劣化した。また、Ｔｉ不足によりスパッタが多発した。Ｓ過剰のため、高温割れも発生した。比較例５０はＳｉが不足し、Ｂが過剰であり、ＰＢＳが大きすぎる。Ｓｉ不足により溶接金属の強度が不足し、スラグ剥離性も悪く、スラグが邪魔でアーク不安定となり、連続溶接性が劣化した。Ｓｉ不足により脱酸不足でブローホールも発生した。また、ＰＢＳが大きすぎるため、高温割れも発生した。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ワイヤ成分におけるＴｉ量とワイヤ突出し長さが溶込み深さに及ぼす影響を示す図である。
【図２】本請求におけるＢとＳの範囲の示す図である。
【図３】本請求におけるＭｎとＴｉの範囲の示す図である。
【図４】溶接試験体形状と開先形状を示す図である。
【図５】溶接金属引張試験片の採取位置である。
【図６】溶接金属シャルピー衝撃試験片の採取位置である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ダイヤフラム
２ 裏当て金
３ 丸型鋼管
４ トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、下記数式で表されるパラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５
ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２
【請求項２】
Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項３】
ワイヤ表面にＭｏＳ２が、ワイヤ１０ｋｇあたり、０．０１乃至１．００ｇ存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項１】
Ｃ：０．０３乃至０．１０質量％、Ｓｉ：０．６７乃至１．００質量％、Ｍｎ：１．８１乃至２．５０質量％、Ｓ：０．００６乃至０．０１８質量％、Ｔｉ：０．１００乃至０．１５０質量％、Ｂ：０．００１５乃至０．００７０質量％、めっき分含むＣｕ：０．１０乃至０．４５質量％以下を含有し、下記数式で表されるパラメータＰＢＳ及びＰＭＴがＰＢＳ≦１０、ＰＭＴ≦３２を満足し、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｎｂ：０．０４質量％以下、Ｖ：０．０４質量％以下、Ａｌ：０．０４質量％以下に規制し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
ＰＢＳ＝［Ｂ］×［Ｓ］×１０５
ＰＭＴ＝［Ｍｎ］×［Ｔｉ］×１０２
【請求項２】
Ｍｏ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．２５質量％以下、及びＮｉ：０．２５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
【請求項３】
ワイヤ表面にＭｏＳ２が、ワイヤ１０ｋｇあたり、０．０１乃至１．００ｇ存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１７８７３７（Ｐ２００９−１７８７３７Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９４８２（Ｐ２００８−１９４８２）
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【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２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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