JP3933937B2 - 炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼及び５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼の溶接に好適な炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤに関し、特に、大入熱且つ高パス間温度の溶接において優れた靱性の溶接金属を形成することが可能な炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、建築鉄骨の分野においては、炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤが多く適用されており、その中でも４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼及び５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼の溶接において、大入熱・高パス間温度で溶接を行う際の溶接金属の靱性の向上が重要な課題となっている。例えば、特開平１１−２３９８９２号公報には、この課題の解決を目的として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ及びＢ等のワイヤ中の化学成分を詳細に規定したソリッドワイヤが開示されている。
【０００３】
一方、炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤの主流はワイヤ表面に銅めっきが施されたものであるが、ワイヤを製造するための工程における銅めっき工程は、地球環境改善及び経済性の観点等から避けることが望まれる工程である。また、溶接中に発生する銅ヒュームに関しては、欧米等では作業環境濃度に対して規制勧告があり、銅めっきは炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤからなくすことが望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅めっきなしソリッドワイヤを使用して大入熱・高パス間温度で炭酸ガスアーク溶接を行うと、溶融プールの乱れが多くなる傾向が認められ、良好な溶接金属の靱性を得ることができないという問題点がある。靱性を向上するためには、Ｍｎ及びＢをより多量にワイヤに添加することが考えられるが、これらを過剰に添加すると、ワイヤの製造工程において、ワイヤの引張強度が増大して伸線が困難となる。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大入熱・高パス間温度の溶接においても優れた靱性の溶接金属を得ることができる炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤは、鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、植物油、動物油、鉱物油及び合成油からなる群から選択された少なくとも１種の油が総計でワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇ存在することを特徴とする。
また、本発明に係る他の炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤは、鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ ２ がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、前記ＭｏＳ ２ 及び遊離Ｃが存在することを特徴とする。
【０００７】
なお、Ｃｕ含有量が０．０５乃至０．３０質量％であってもよい。
【０００８】
また、ワイヤ中の化学成分において、Ｃ：０．０７乃至０．１４質量％、Ｓｉ：０．７０乃至１．０５質量％、Ｍｎ：１．６０乃至１．８０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．００５０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となる。この結果、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。
【０００９】
なお、遊離Ｃとは、後述（段落００４８〜００５４）する分析方法にて測定されうる化学的に安定なカーボンである。
【００１０】
大入熱・高パス間温度の炭酸ガスアーク溶接において優れた靱性の溶接金属を得るためには、ワイヤ中の化学成分の最適化が重要である。従来、溶接金属の靱性を向上させるためには、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属を形成することが有効であることが周知である。また、一般的に、炭酸ガス高電流アーク溶接用のソリッドワイヤでは、アーク安定性を確保するためにＴｉが添加されている。
【００１１】
このような観点に基づいて、一般的な銅めっきが施された炭酸ガスアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属をベースとした大入熱・高パス間温度の溶接における靱性確保が検討及び実施されている。
【００１２】
しかしながら、上述のように、銅めっきが施されてない炭酸ガスアーク溶接用ソリッドワイヤにおいては、大入熱・高パス間温度の溶接では、靱性が安定しないという問題点がある。特に、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属では、靱性確保の観点からは、Ｔｉ及びＢの含有量のバランスが重要であるが、大入熱・高パス間温度の溶接では、Ｔｉ及びＢの溶接金属への歩留まりが低下する傾向がある。更に、銅めっきなしソリッドワイヤでは、大入熱・高パス間温度での炭酸ガスアーク溶接において、溶接時の溶接プールが乱れやすく、溶け込み及び溶接金属の歩留まり等が安定し難くなり、特にＢの歩留まりが低下する傾向がある。この結果、銅めっきなしソリッドワイヤでは、溶接金属の靱性が安定しないのである。
【００１３】
そこで、本願発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ワイヤ中の化学成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎ及びＯの含有量を適切に規定すると共に、ワイヤ表面に適量の遊離Ｃ及びＭｏＳ２を塗布することにより、大入熱・高パス間温度の炭酸ガスアーク溶接において優れた靱性の溶接金属を得ることができることを見出した。特に、Ｔｉ、Ｓ及びＯは、溶融プールの安定性に影響を及ぼす元素である。また、ワイヤ表面への遊離Ｃの塗布により、溶融プールが安定する。高温状態においては、ＣのＯとの結合力が極めて強く、そのために溶融プールが安定するものと考えられる。また、高電流（高ワイヤ送給）での溶融プールの安定化のためには、ワイヤの送給性の確保が重要であるが、ワイヤ表面へのＭｏＳ２の塗布により、その確保が可能となる。
【００１４】
また、溶融プールの安定化には、その表面張力が大きく関与する。表面張力に大きく影響を及ぼす元素はＳ及びＯであり、これらの含有量が多くなると、溶融プールが不安定になる。但し、ビードの形状を良好にするためには、Ｓは必要な元素であり、その含有量を適度に設定する必要がある。なお、Ｂの歩留まりは、溶融プールが安定になるほど向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤについて、更に説明する。先ず、炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤの鋼線の化学成分及び組成限定理由について説明する。
【００１６】
Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％
Ｃは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の引張強度を確保するために必須の成分である。但し、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。一方、Ｃ含有量が０．０１質量％未満であると、溶接金属の引張強度向上の効果が不足する。従って、鋼線のＣ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。また、Ｃ含有量を０．０７乃至０．１４質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＣ含有量は０．０７乃至０．１４質量％とすることが好ましい。
【００１７】
Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％
Ｓｉは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｓｉ含有量が１．１０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｓｉ含有量が０．５５質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＳｉ含有量は０．５５乃至１．１０質量％とする。また、Ｓｉ含有量を０．７０乃至１．０５質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＳｉ含有量は０．７０乃至１．０５質量％とすることが好ましい。
【００１８】
Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％
Ｍｎは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｍｎ含有量が２．２０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｍｎ含有量が１．５５質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＭｎ含有量は１．５５乃至２．２０質量％とする。また、Ｍｎ含有量を１．６０乃至１．８０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＭｎ含有量は１．６０乃至１．８０質量％とすることが好ましい。
【００１９】
Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％
Ｓは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接ビードの形状を保つために必須の元素である。但し、Ｓ含有量が０．０２０質量％を超えると、溶融プールが不安定になり、十分な靱性が得られなくなる。一方、Ｓ含有量が０．０００５質量％未満であると、ビードの形状が著しく凸状となる。従って、鋼線のＳ含有量は０．０００５乃至０．０２０質量％とする。
【００２０】
Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％
Ｔｉは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｔｉ含有量が０．３０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｔｉ含有量が０．１４質量％未満であると、溶融プールが著しく不安定になって、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＴｉ含有量は０．１４乃至０．３０質量％とする。
【００２１】
Ｂ：０．００２０乃至０．０１０質量％
Ｂは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｂ含有量が０．０１０質量％を超えると、耐高温割れ性が劣化する。一方、Ｂ含有量が０．００２０質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＢ含有量は０．００２０乃至０．０１０質量％とする。また、Ｂ含有量を０．００２０乃至０．００５０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＢ含有量は０．００２０乃至０．００５０質量％とすることが好ましい。
【００２２】
Ｎ：０．０１５質量％以下に規制
Ｎは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、含有量が多くなるにつれて、溶融金属の靱性が低下し、特にその含有量が０．０１５質量％を超えると、靱性の低下が顕著となる。従って、鋼線のＮ含有量は０．０１５質量％以下に規制する。
【００２３】
Ｏ：０．０２０質量％以下に規制
Ｏは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、含有量が多くなるにつれて、溶融プールを不安定にして溶融金属の靱性を低下させ、特にその含有量が０．０２０質量％を超えると、靱性の低下が顕著となる。従って、鋼線のＯ含有量は０．０２０質量％以下に規制する。
【００２４】
Ｃｕ：０．３０質量％以下に規制
Ｃｕは銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤの耐錆性を向上するために有効な成分である。Ｃｕが０．０５質量％以上含有されていると、より好ましい効果が得られるが、その含有量が多すぎると、炭酸ガス（ＣＯ２）の高電流溶接においては、Ｃｕに由来するヒューム発生量が著しく多くなるため、好ましくない。このため、鋼線心線中にＣｕを添加する場合には、その含有量を０．３０質量％以下とする。
【００２５】
遊離Ｃの塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ
鋼線の表面に遊離Ｃを塗布することにより、銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶融プールを安定にし、溶融金属の靱性を確保することが可能となる。但し、遊離Ｃのワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が４ｇを超えると、詰まりが発生してワイヤ送給性が著しく劣化する。一方、遊離Ｃのワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．０１ｇ未満であると、溶融プールが安定せず、十分な溶融金属の靱性を得ることができない。従って、遊離Ｃの塗布量はワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇとする。なお、遊離Ｃとしては結晶性黒鉛が望ましい。
【００２６】
ＭｏＳ ２ の塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ
鋼線の表面にＭｏＳ２を塗布することにより、銅めっきなしソリッドワイヤの高電流溶接において、ワイヤ送給性を良好にし、溶接金属の靱性を確保することが可能となる。但し、ＭｏＳ２のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が１ｇを超えると、詰まりが発生してワイヤ送給性が著しく劣化する。一方、ＭｏＳ２のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．０１ｇ未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。
【００２７】
ワイヤ送給潤滑剤の塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇ
ワイヤ送給潤滑剤の塗布は、高電流溶接において良好なワイヤ送給性を確保するために重要である。ワイヤ送給潤滑剤としては、動植物油、鉱油若しくは合成油又はこれらの混合油を使用することができる。但し、ワイヤ送給潤滑剤のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が１．２ｇを超えると、拡散性水素量が高くなり、耐低温割れ性が劣化することがある。一方、ワイヤ送給潤滑剤のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．２ｇ未満であると、ワイヤ送給性向上の効果が不足することがある。従って、ワイヤ送給潤滑剤の塗布量はワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇであることが好ましい。
【００２８】
鋼線表面に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を塗布する方法としては、ワイヤ送給潤滑剤（動植物油、鉱油若しくは合成油又はこれらの混合油）に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を分散又は溶解させたものを塗布する方法、乾式又は湿式の伸線潤滑剤等に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を添加し、伸線時又は伸線前に鋼線表面に塗布する方法等があり、ワイヤの製造工程に適した塗布方法を選択することができる。
【００２９】
また、アーク安定性の観点から、例えばＫ等のアルカリ金属を、化合物となっているか否かに拘わらず、その単体に換算したときに１０質量ｐｐｍ以下程度で鋼線表面に塗布してもよい。
【００３０】
更に、鋼線中の化学成分として、溶接金属の強度向上の観点から、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ又はＮｂを添加してもよい。更にまた、ビード形状の観点から、Ａｌ又はＺｒを微量添加してもよい。また、溶接金属の靱性向上の観点から、Ｎｉを微量添加してもよい。
【００３１】
次に、ボトルネック状又はケイブ状の凹部をワイヤ表面に形成する方法の一例について説明する。なお、このようなボトルネック状及びケイブ状の凹部は、伸線前の線にあらかじめ形成されていなくても、伸線の中間段階で形成してもよいし、最終段階で形成してもよい。工業的には、以下の３つのステップによる方法が製造コストが低い有効な製造方法である。
【００３２】
▲１▼素線の加工工程で凹凸を形成する工程
溶接ワイヤの素線であるところの「原線」は、製鉄所において一貫した連続鋳造及び熱間圧延工程によって製造される。但し、バッチ式の炉で鋳造され、その後圧延されて、製造されることもある。このときの圧延条件、即ち、圧延温度、及び減面率を調整することにより、ワイヤ長手方向に「皺状くぼみ」を生成させることができる。この「皺状くぼみ」は、通常、酸化鉄(所謂スケール)が埋めているが、その酸化物を機械的又は化学的に除去することによって、後述の工程を経て「ボトルネック状及び／又はケイブ状のくぼみ」に変えることができる「素線の凹部」となり得る。従って、予め十分な深さの「素線の凹部」を得るべく、圧延温度や減面率を調整する。
【００３３】
また更に別の方法として、焼鈍によって素線の凹凸を制御することも可能であった。例えば、先ず、素線を酸化性雰囲気又は水蒸気雰囲気で焼鈍することにより、金属結晶粒界を優先的に酸化する。焼鈍後、化学的又は電気化学的に酸化膜を除去することにより、粒界腐食部が選択的に除去され、「素線の凹部」が生成される。
【００３４】
上記の化学的な酸化皮膜除去の工程においては、酸洗条件を調整することによっても、「素線の凹部」の度合いを制御することができる。素線を塩酸酸洗する場合、塩酸浴中に酸素及び／又は硝酸及び／又は過酸化水素水等を添加することで酸化力を向上させ、「素線の凹部」の度合いを制御させることも可能である。塩酸以外の酸を用いても「素線の凹部」を調整することができる。例えば、硝酸を用いて原線表面を不動態化処理し、その後塩素イオン等を用いて電解局部腐食させることにより、原線表面にくぼみを生成することができる。また、インヒビターを使用し、酸洗することにより素線表面の酸化鉄（スケール）のみを選択的に溶解させ、素線が本来持っている鋭利なくぼみを、その形状をなますことなく、保存することにより、鋭利なくぼみが多い素線を得ることもできる。この鋭利なくぼみは後述する方法により、「ボトルネック及びケイブ状の凹部」となりやすい。即ち、通常の酸洗であると、凹部はその開口周縁がなだらかに拡がるが、インヒビターを使用すると、凹部の開口周縁が鋭角のままで、凹部の内部よりも開口周縁の方が狭くなっている。なお、インヒビターとは、鉄地腐食阻害物質の薬品のことである。
【００３５】
更に、別の方法として、素線加工工程において、ローラの表面粗度を調整した圧延ローラを使用し、そのローラ表面の凹凸をワイヤ表面に転写することにより、「素線の凹部」を生成できる。ローラ転写により「素線の凹部」を生成することは、酸化膜の有無、伸線温度、及び線径に拘わらず可能である。
【００３６】
▲２▼その凹部を何らかの充填物で埋めてから、凹部の存在を保持しつつ、開口部（間口）を狭める工程
開口部が大きく開いた状態の素線表面に、最終製品ワイヤ径で必要となる機能性塗布剤を塗布し、その後、ワイヤを伸線加工することにより、開口部が狭まり、凹部内の塗布剤の上に鋼皮が薄くかぶさり、所望の「ボトルネック状及びケイブ状の凹部の内部に塗布剤が存在するワイヤ」を得ることができる。このときの伸線加工は、穴ダイス、マイクロミル又はローラダイスを使用して行うことができる。
【００３７】
穴ダイスを用いて伸線加工する場合は、「素線の凹部」の形状をそのまま保存することは困難であるが、塗布剤中のバインダー成分を調整することにより、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成することができる。具体的には、ボラックス、ボンデ処理等のワイヤ表面に化学的に結合する無機バインダー及び／又は有機バインダーを用いることにより、凹部形状を保持することができる。
【００３８】
また、マイクロミル及び／又はローラダイスを用いると、「素線の凹部」は比較的保存されやすく、最終ワイヤ径において、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成することができる。
【００３９】
伸線加工工程においては、穴ダイス、マイクロミル又はローラダイスの単独による伸線加工に加えて、これらの方法を組合せて伸線加工しても良い。
【００４０】
更に、ＭｏＳ２及び／又は遊離Ｃを、有機系及び／又は無機系のバインダーで混合したものをワイヤ表面に塗布し、上記のような伸線工程を経ることによって、「素線の凹部」形状を保持しつつ、ワイヤ表面の開口部（間口）を狭めていき、内部にＭｏＳ２及び／又は遊離Ｃを保持しうる「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を高効率で形成することができる。
【００４１】
▲３▼見かけ上平滑なワイヤ表面を持つように仕上げる工程
最終的には、その凹部に送給潤滑剤、通電安定剤、又はスパッタ防止剤等の機能性物質が充填されると共に、通電性及び耐詰まり性が良好であるように、見かけ上平滑なワイヤ表面を持つように仕上げることが必要である。
【００４２】
最終ワイヤ径においては、「素線の凹部」の形成段階で機能性物質を充填させた場合は、仕上げ穴ダイス又はローラダイス等でスキンパス加工(低減面率で加工)することにより、凹部の開口部にワイヤ鋼皮が薄くかぶさって間口が小さくなり、本発明のワイヤを製造することができる。
【００４３】
更に別の方法として、「素線の凹部」に予め別の物質を充填して伸線加工したものを、最終伸線上がり工程において、ＭｏＳ２及び遊離Ｃからなる群から選択された１種以上のものを、水、アルコール、油、又はエマルジョン等に分散させて、ワイヤ表面にすり込むことによっても、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」の内部が、これらの物質により置換され、凹部内に残留する。
【００４４】
なお、本発明は銅メッキを施していないソリッドワイヤである。これは、銅メッキが施されたワイヤにおいては、前述の「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成しても、銅メッキが剥離しやすくなるため、実用に供することができないからである。
【００４５】
次に、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」について更に詳細に説明する。本発明の目的は、機能性を有する塗布剤をワイヤ表面に離脱することなく保持し、良好なワイヤ送給性とアーク安定性とを併せ持つと共に、スパッタが少ない良好な溶接作業性を有するアーク溶接用ソリッドワイヤを得ることにある。この目的を達成するために、本発明においては、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」として、図１に示すように、仮想光源からワイヤ表面に対して垂直に光を投射した場合に、影になる部分（表面から見えない部分、図１に黒で塗りつぶした部分）が存在するような凹部と定義する。
【００４６】
次に、鋼線の表面に塗布された遊離Ｃ及びＭｏＳ２の塗布量を測定する方法について説明する。
【００４７】
先ず、遊離Ｃの塗布量の分析について説明する。遊離Ｃの塗布量は、以下に示す方法Ａ及び方法Ｂにより夫々測定したＣ量の合計とする。
【００４８】
方法Ａ：ワイヤをアルコール洗浄液の濾過残差の炭素量を分析する。油分等に含まれる炭素を除去する。
【００４９】
先ず、ワイヤ１０ｇを３０ミリリットルのエタノールで洗浄する。次に、ガラスマイクロフィルタ（インクランドWhatman製、GF／F、直径２５ｍｍ）を使用して洗浄液を吸引濾過する。次に、ガラスマイクロフィルタを乾燥した後、このガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ａ）とする。
【００５０】
また、ワイヤを洗浄していないエタノールをガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過する。ガラスマイクロフィルタを乾燥した後、このガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ｃ）とする。そして、測定量（ａ）から測定量（ｃ）を引いたものを方法ＡのＣ量とする。
【００５１】
方法Ｂ：ワイヤを硝酸溶液による濾過残差の炭素量を分析する。伸線潤滑剤等 に含まれる炭素を除去する。
【００５２】
先ず、方法Ａと同様にワイヤをエタノールを使用して洗浄する。その後、ワイヤを２０００ミリリットルの硝酸溶液（濃度が６５質量％の硝酸が１、水が２の割合で混合した水溶液）に１２０秒間浸漬し溶解する。次に、溶解液を方法Ａと同様に、ガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過する。次に、ガラスマイクロフィルタを乾燥させる。その後、ガラスマイクロフィルタに付着したＣ量を測定する。この測定量を（ｂ）とする。
【００５３】
次に、前記硝酸溶液をガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過し、ガラスマイクロフィルタを乾燥させる。その後、ガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ｄ）とする。そして、測定量（ｂ）から測定量（ｄ）を引いたものを方法ＢのＣ量とする。方法Ａ及び方法Ｂにより測定されたＣ量の合計を鋼線の表面に塗布した遊離Ｃ量とする。
【００５４】
Ｃ量の分析は、方法Ａ及び方法Ｂにおいて、いずれもＪＩＳ Ｇ１２１１で規定されている燃焼赤外線吸収法によりなされたものである。なお、分析装置はＨＯＲＩＢＡ社製 ＥＭＩＡ５２０を使用した。Ｃの分析においては、助燃剤として、るつぼ底に粒状タングステン１ｇを置き、その上にガラスマイクロフィルタを置く。ガラスマイクロフィルタの上に、粒状すずを０．３ｇ添加し、更に粒状タングステンを１ｇ添加する。そして、高周波誘導炉により加熱しＣ量を前記分析装置により測定する。
【００５５】
次に、鋼線に塗布されたＭｏＳ２の塗布量の分析について説明する。ワイヤ５０ｇを５０ミリリットルの塩酸溶液（濃度が３５質量％の塩酸が１、水が１の割合で混合した水溶液）に３０秒間浸漬した後、水を足して塩酸溶液を１００ミリリットルとする。この塩酸溶液を濾紙（Toyo Roshi社製、FILTER PAPER ADVANTEC 5A 110mm）により濾過する。次に、濾紙を、１０ミリリットルの硫酸溶液（濃度が９８質量％の硫酸を１、水を１の割合で混合した水溶液）と、５ミリリットルの濃度が６０質量％の過塩素酸及び２０ミリリットルの濃度が６５質量％の硝酸を混合した溶液中に入れる。そして、ＭｏＳ２と濾紙が分解するまで（硫酸の白煙が出るまで）、水溶液を加熱する。その後、水溶液に水を１００ミリリットル足して塩溶解する。次に、ＪＩＳ Ｇ１２５８に規定された誘導結合プラズマ発光分光分析方法によりＭｏ量を測定する。そして、このＭｏ量をＭｏＳ２に換算し、ワイヤに塗布されたＭｏＳ２量とする。なお、定性的に他のＭｏ化合物等と区別するためには、ＥＰＭＡ等により分析することが可能である。しかし、Ｍｏを定量的に区別するには実際上困難である。従って、Ｍｏを特定する場合には、分析されたＭｏは全てＭｏＳ２とみなす。
【００５６】
このような洞穴状のくぼみ内にもワイヤ送給潤滑剤を塗布した場合には、ワイヤが変形したときでもワイヤ送給潤滑剤が離脱しにくくなり、より一層良好なワイヤ送給性が得られる。なお、ワイヤ送給潤滑剤の塗布量は、ワイヤ表面及び洞穴状のくぼみ内の総計でワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇであることが好ましい。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００５８】
先ず、下記表１及び表２に示す化学組成を有し下記表３及び表４に示す量の遊離Ｃ、ＭｏＳ２及び送給潤滑剤が鋼線の塗布された銅めっきなしソリッドワイヤを作製した。なお、ワイヤの直径は１．４ｍｍとした。
【００５９】
なお、Ｃｕの含有量については、実施例Ｎｏ．８及び比較例Ｎｏ．２８においてのみ、Ｃｕを意図的にワイヤに添加し、他の実施例及び比較例では、特にＣｕの添加は行っていない。
【００６０】
【表１】
【００６１】
【表２】
【００６２】
【表３】
【００６３】
【表４】
【００６４】
次いで、溶接電流を４１５Ａ、溶接電圧を４１Ｖ、溶接速度を２５ｃｍ／分、溶接入熱を４０．８ｋＪ／ｃｍ、パス間温度を３５０℃として、炭酸ガスアーク溶接を行った。溶接の対象とする材料としては、板厚が２５ｍｍのＳＭ４９０材を使用し、開先については、角度が３５゜、ギャップが７ｍｍのレ型とした。
【００６５】
そして、各実施例及び比較例について、溶接金属の靱性の評価を行った。この評価では、０℃でシャルピー吸収エネルギを測定し、吸収エネルギが１５０Ｊ以上のものを「５」と評価し、吸収エネルギが１００Ｊ以上１５０Ｊ未満のものを「４」と評価し、吸収エネルギが７０Ｊ以上１００Ｊ未満のものを「３」と評価し、吸収エネルギが４７Ｊ以上７０Ｊ未満のものを「２」と評価し、吸収エネルギが４７Ｊ未満のものを「１」と評価した。そして、このうち評価が「５」、「４」又は「３」のものを合格とし、「２」又は「１」のものを不合格とした。なお、試験片としては、断面が１０×１０（ｃｍ２）で切欠き深さが２ｍｍのＶノッチ型のものを使用した。
【００６６】
この評価結果を下記表５及び６に示す。
【００６７】
【表５】
【００６８】
【表６】
【００６９】
上記表５に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１０では、いずれも溶接金属に良好な靱性が得られた。また、実施例Ｎｏ．３乃至５では、ワイヤの製造に当たり、特に良好な伸線性が得られた。但し、実施例Ｎｏ．６では、送給潤滑剤の塗布量が低めなので、他の実施例と比較すると、送給性が若干劣った。また、実施例Ｎｏ．７では、送給潤滑剤の塗布量が高めなので、他の実施例と比較すると、耐低温割れ性が若干劣った。また、実施例Ｎｏ．８では、心線材へのＣｕの意図的な添加により耐錆性が優れていた。また、実施例Ｎｏ．１０では、ワイヤ表面に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部が形成されており、その凹部にＭｏＳ２及び遊離Ｃが存在した。このため、ワイヤの送給性及び通電安定性が極めて優れていた。
【００７０】
一方、表６に示すように、比較例Ｎｏ．１１乃至３０では、一部に合格のものもあるが、全体的に溶接金属の靱性が低かった。合格のものでも、比較例Ｎｏ．１４では、溶接金属の強度が不十分であった。また、比較例Ｎｏ．２０では、ビードの形状が著しく凸状となった。比較例Ｎｏ．２５では、耐高温割れ性が著しく劣った。比較例Ｎｏ．２８では、Ｃｕヒュームの発生量が極めて多かった。更に、比較例Ｎｏ．２９及び３０では、ワイヤの送給性が劣っていた。また、不合格のものの中でも、比較例Ｎｏ．１７、１９及び２３では、溶接金属の強度が必要以上に高くなった。具体的には、溶接入熱を１７ｋＪ／ｃｍ、パス間温度を１５０℃とした低入熱・低パス間温度の溶接により形成した溶接金属においても、引張強度が７００Ｎ／ｃｍ２以上となった。この結果、靱性が低下してしまった。
【００７１】
なお、詳細は記載しないが、ワイヤ径を１．２ｍｍ又は１．６ｍｍとしたものについて同様の試験を行った結果、上述のようにワイヤ径を１．４ｍｍとした場合と同様の傾向がみられた。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、鋼線の化学成分を所定の範囲に規定し、鋼線の表面に適量の遊離Ｃ及びＭｏＳ２を塗布しているので、大入熱・高パス間温度の溶接においても優れた靱性の溶接金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】洞穴状のくぼみを示す模式図である。
【符号の説明】
１；鋼線
２；洞穴状のくぼみ
【発明の属する技術分野】
本発明は、４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼及び５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼の溶接に好適な炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤに関し、特に、大入熱且つ高パス間温度の溶接において優れた靱性の溶接金属を形成することが可能な炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、建築鉄骨の分野においては、炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤが多く適用されており、その中でも４９０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼及び５２０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼の溶接において、大入熱・高パス間温度で溶接を行う際の溶接金属の靱性の向上が重要な課題となっている。例えば、特開平１１−２３９８９２号公報には、この課題の解決を目的として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ及びＢ等のワイヤ中の化学成分を詳細に規定したソリッドワイヤが開示されている。
【０００３】
一方、炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤの主流はワイヤ表面に銅めっきが施されたものであるが、ワイヤを製造するための工程における銅めっき工程は、地球環境改善及び経済性の観点等から避けることが望まれる工程である。また、溶接中に発生する銅ヒュームに関しては、欧米等では作業環境濃度に対して規制勧告があり、銅めっきは炭酸ガスアーク溶接用のソリッドワイヤからなくすことが望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅めっきなしソリッドワイヤを使用して大入熱・高パス間温度で炭酸ガスアーク溶接を行うと、溶融プールの乱れが多くなる傾向が認められ、良好な溶接金属の靱性を得ることができないという問題点がある。靱性を向上するためには、Ｍｎ及びＢをより多量にワイヤに添加することが考えられるが、これらを過剰に添加すると、ワイヤの製造工程において、ワイヤの引張強度が増大して伸線が困難となる。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大入熱・高パス間温度の溶接においても優れた靱性の溶接金属を得ることができる炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤは、鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、植物油、動物油、鉱物油及び合成油からなる群から選択された少なくとも１種の油が総計でワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇ存在することを特徴とする。
また、本発明に係る他の炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤは、鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ ２ がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、前記ＭｏＳ ２ 及び遊離Ｃが存在することを特徴とする。
【０００７】
なお、Ｃｕ含有量が０．０５乃至０．３０質量％であってもよい。
【０００８】
また、ワイヤ中の化学成分において、Ｃ：０．０７乃至０．１４質量％、Ｓｉ：０．７０乃至１．０５質量％、Ｍｎ：１．６０乃至１．８０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．００５０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となる。この結果、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。
【０００９】
なお、遊離Ｃとは、後述（段落００４８〜００５４）する分析方法にて測定されうる化学的に安定なカーボンである。
【００１０】
大入熱・高パス間温度の炭酸ガスアーク溶接において優れた靱性の溶接金属を得るためには、ワイヤ中の化学成分の最適化が重要である。従来、溶接金属の靱性を向上させるためには、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属を形成することが有効であることが周知である。また、一般的に、炭酸ガス高電流アーク溶接用のソリッドワイヤでは、アーク安定性を確保するためにＴｉが添加されている。
【００１１】
このような観点に基づいて、一般的な銅めっきが施された炭酸ガスアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属をベースとした大入熱・高パス間温度の溶接における靱性確保が検討及び実施されている。
【００１２】
しかしながら、上述のように、銅めっきが施されてない炭酸ガスアーク溶接用ソリッドワイヤにおいては、大入熱・高パス間温度の溶接では、靱性が安定しないという問題点がある。特に、Ｔｉ及びＢを含有する溶接金属では、靱性確保の観点からは、Ｔｉ及びＢの含有量のバランスが重要であるが、大入熱・高パス間温度の溶接では、Ｔｉ及びＢの溶接金属への歩留まりが低下する傾向がある。更に、銅めっきなしソリッドワイヤでは、大入熱・高パス間温度での炭酸ガスアーク溶接において、溶接時の溶接プールが乱れやすく、溶け込み及び溶接金属の歩留まり等が安定し難くなり、特にＢの歩留まりが低下する傾向がある。この結果、銅めっきなしソリッドワイヤでは、溶接金属の靱性が安定しないのである。
【００１３】
そこで、本願発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ワイヤ中の化学成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎ及びＯの含有量を適切に規定すると共に、ワイヤ表面に適量の遊離Ｃ及びＭｏＳ２を塗布することにより、大入熱・高パス間温度の炭酸ガスアーク溶接において優れた靱性の溶接金属を得ることができることを見出した。特に、Ｔｉ、Ｓ及びＯは、溶融プールの安定性に影響を及ぼす元素である。また、ワイヤ表面への遊離Ｃの塗布により、溶融プールが安定する。高温状態においては、ＣのＯとの結合力が極めて強く、そのために溶融プールが安定するものと考えられる。また、高電流（高ワイヤ送給）での溶融プールの安定化のためには、ワイヤの送給性の確保が重要であるが、ワイヤ表面へのＭｏＳ２の塗布により、その確保が可能となる。
【００１４】
また、溶融プールの安定化には、その表面張力が大きく関与する。表面張力に大きく影響を及ぼす元素はＳ及びＯであり、これらの含有量が多くなると、溶融プールが不安定になる。但し、ビードの形状を良好にするためには、Ｓは必要な元素であり、その含有量を適度に設定する必要がある。なお、Ｂの歩留まりは、溶融プールが安定になるほど向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤについて、更に説明する。先ず、炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤの鋼線の化学成分及び組成限定理由について説明する。
【００１６】
Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％
Ｃは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の引張強度を確保するために必須の成分である。但し、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。一方、Ｃ含有量が０．０１質量％未満であると、溶接金属の引張強度向上の効果が不足する。従って、鋼線のＣ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。また、Ｃ含有量を０．０７乃至０．１４質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＣ含有量は０．０７乃至０．１４質量％とすることが好ましい。
【００１７】
Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％
Ｓｉは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｓｉ含有量が１．１０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｓｉ含有量が０．５５質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＳｉ含有量は０．５５乃至１．１０質量％とする。また、Ｓｉ含有量を０．７０乃至１．０５質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＳｉ含有量は０．７０乃至１．０５質量％とすることが好ましい。
【００１８】
Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％
Ｍｎは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｍｎ含有量が２．２０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｍｎ含有量が１．５５質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＭｎ含有量は１．５５乃至２．２０質量％とする。また、Ｍｎ含有量を１．６０乃至１．８０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＭｎ含有量は１．６０乃至１．８０質量％とすることが好ましい。
【００１９】
Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％
Ｓは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接ビードの形状を保つために必須の元素である。但し、Ｓ含有量が０．０２０質量％を超えると、溶融プールが不安定になり、十分な靱性が得られなくなる。一方、Ｓ含有量が０．０００５質量％未満であると、ビードの形状が著しく凸状となる。従って、鋼線のＳ含有量は０．０００５乃至０．０２０質量％とする。
【００２０】
Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％
Ｔｉは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｔｉ含有量が０．３０質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、その結果靱性が低下する。一方、Ｔｉ含有量が０．１４質量％未満であると、溶融プールが著しく不安定になって、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＴｉ含有量は０．１４乃至０．３０質量％とする。
【００２１】
Ｂ：０．００２０乃至０．０１０質量％
Ｂは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶接金属の靱性を確保するために必須の元素である。但し、Ｂ含有量が０．０１０質量％を超えると、耐高温割れ性が劣化する。一方、Ｂ含有量が０．００２０質量％未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。従って、鋼線のＢ含有量は０．００２０乃至０．０１０質量％とする。また、Ｂ含有量を０．００２０乃至０．００５０質量％とすることにより、ワイヤの引張強度を低く抑えることが可能となり、ワイヤの伸線工程における安定性が向上し、製造効率が著しく向上する。従って、鋼線のＢ含有量は０．００２０乃至０．００５０質量％とすることが好ましい。
【００２２】
Ｎ：０．０１５質量％以下に規制
Ｎは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、含有量が多くなるにつれて、溶融金属の靱性が低下し、特にその含有量が０．０１５質量％を超えると、靱性の低下が顕著となる。従って、鋼線のＮ含有量は０．０１５質量％以下に規制する。
【００２３】
Ｏ：０．０２０質量％以下に規制
Ｏは銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、含有量が多くなるにつれて、溶融プールを不安定にして溶融金属の靱性を低下させ、特にその含有量が０．０２０質量％を超えると、靱性の低下が顕著となる。従って、鋼線のＯ含有量は０．０２０質量％以下に規制する。
【００２４】
Ｃｕ：０．３０質量％以下に規制
Ｃｕは銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤの耐錆性を向上するために有効な成分である。Ｃｕが０．０５質量％以上含有されていると、より好ましい効果が得られるが、その含有量が多すぎると、炭酸ガス（ＣＯ２）の高電流溶接においては、Ｃｕに由来するヒューム発生量が著しく多くなるため、好ましくない。このため、鋼線心線中にＣｕを添加する場合には、その含有量を０．３０質量％以下とする。
【００２５】
遊離Ｃの塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ
鋼線の表面に遊離Ｃを塗布することにより、銅めっきなしソリッドワイヤの大入熱・高パス間温度の溶接において、溶融プールを安定にし、溶融金属の靱性を確保することが可能となる。但し、遊離Ｃのワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が４ｇを超えると、詰まりが発生してワイヤ送給性が著しく劣化する。一方、遊離Ｃのワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．０１ｇ未満であると、溶融プールが安定せず、十分な溶融金属の靱性を得ることができない。従って、遊離Ｃの塗布量はワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇとする。なお、遊離Ｃとしては結晶性黒鉛が望ましい。
【００２６】
ＭｏＳ ２ の塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ
鋼線の表面にＭｏＳ２を塗布することにより、銅めっきなしソリッドワイヤの高電流溶接において、ワイヤ送給性を良好にし、溶接金属の靱性を確保することが可能となる。但し、ＭｏＳ２のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が１ｇを超えると、詰まりが発生してワイヤ送給性が著しく劣化する。一方、ＭｏＳ２のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．０１ｇ未満であると、溶接金属の靱性向上の効果が不足する。
【００２７】
ワイヤ送給潤滑剤の塗布量：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇ
ワイヤ送給潤滑剤の塗布は、高電流溶接において良好なワイヤ送給性を確保するために重要である。ワイヤ送給潤滑剤としては、動植物油、鉱油若しくは合成油又はこれらの混合油を使用することができる。但し、ワイヤ送給潤滑剤のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が１．２ｇを超えると、拡散性水素量が高くなり、耐低温割れ性が劣化することがある。一方、ワイヤ送給潤滑剤のワイヤ１０ｋｇ当たりの塗布量が０．２ｇ未満であると、ワイヤ送給性向上の効果が不足することがある。従って、ワイヤ送給潤滑剤の塗布量はワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇであることが好ましい。
【００２８】
鋼線表面に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を塗布する方法としては、ワイヤ送給潤滑剤（動植物油、鉱油若しくは合成油又はこれらの混合油）に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を分散又は溶解させたものを塗布する方法、乾式又は湿式の伸線潤滑剤等に遊離Ｃ又はＭｏＳ２を添加し、伸線時又は伸線前に鋼線表面に塗布する方法等があり、ワイヤの製造工程に適した塗布方法を選択することができる。
【００２９】
また、アーク安定性の観点から、例えばＫ等のアルカリ金属を、化合物となっているか否かに拘わらず、その単体に換算したときに１０質量ｐｐｍ以下程度で鋼線表面に塗布してもよい。
【００３０】
更に、鋼線中の化学成分として、溶接金属の強度向上の観点から、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ又はＮｂを添加してもよい。更にまた、ビード形状の観点から、Ａｌ又はＺｒを微量添加してもよい。また、溶接金属の靱性向上の観点から、Ｎｉを微量添加してもよい。
【００３１】
次に、ボトルネック状又はケイブ状の凹部をワイヤ表面に形成する方法の一例について説明する。なお、このようなボトルネック状及びケイブ状の凹部は、伸線前の線にあらかじめ形成されていなくても、伸線の中間段階で形成してもよいし、最終段階で形成してもよい。工業的には、以下の３つのステップによる方法が製造コストが低い有効な製造方法である。
【００３２】
▲１▼素線の加工工程で凹凸を形成する工程
溶接ワイヤの素線であるところの「原線」は、製鉄所において一貫した連続鋳造及び熱間圧延工程によって製造される。但し、バッチ式の炉で鋳造され、その後圧延されて、製造されることもある。このときの圧延条件、即ち、圧延温度、及び減面率を調整することにより、ワイヤ長手方向に「皺状くぼみ」を生成させることができる。この「皺状くぼみ」は、通常、酸化鉄(所謂スケール)が埋めているが、その酸化物を機械的又は化学的に除去することによって、後述の工程を経て「ボトルネック状及び／又はケイブ状のくぼみ」に変えることができる「素線の凹部」となり得る。従って、予め十分な深さの「素線の凹部」を得るべく、圧延温度や減面率を調整する。
【００３３】
また更に別の方法として、焼鈍によって素線の凹凸を制御することも可能であった。例えば、先ず、素線を酸化性雰囲気又は水蒸気雰囲気で焼鈍することにより、金属結晶粒界を優先的に酸化する。焼鈍後、化学的又は電気化学的に酸化膜を除去することにより、粒界腐食部が選択的に除去され、「素線の凹部」が生成される。
【００３４】
上記の化学的な酸化皮膜除去の工程においては、酸洗条件を調整することによっても、「素線の凹部」の度合いを制御することができる。素線を塩酸酸洗する場合、塩酸浴中に酸素及び／又は硝酸及び／又は過酸化水素水等を添加することで酸化力を向上させ、「素線の凹部」の度合いを制御させることも可能である。塩酸以外の酸を用いても「素線の凹部」を調整することができる。例えば、硝酸を用いて原線表面を不動態化処理し、その後塩素イオン等を用いて電解局部腐食させることにより、原線表面にくぼみを生成することができる。また、インヒビターを使用し、酸洗することにより素線表面の酸化鉄（スケール）のみを選択的に溶解させ、素線が本来持っている鋭利なくぼみを、その形状をなますことなく、保存することにより、鋭利なくぼみが多い素線を得ることもできる。この鋭利なくぼみは後述する方法により、「ボトルネック及びケイブ状の凹部」となりやすい。即ち、通常の酸洗であると、凹部はその開口周縁がなだらかに拡がるが、インヒビターを使用すると、凹部の開口周縁が鋭角のままで、凹部の内部よりも開口周縁の方が狭くなっている。なお、インヒビターとは、鉄地腐食阻害物質の薬品のことである。
【００３５】
更に、別の方法として、素線加工工程において、ローラの表面粗度を調整した圧延ローラを使用し、そのローラ表面の凹凸をワイヤ表面に転写することにより、「素線の凹部」を生成できる。ローラ転写により「素線の凹部」を生成することは、酸化膜の有無、伸線温度、及び線径に拘わらず可能である。
【００３６】
▲２▼その凹部を何らかの充填物で埋めてから、凹部の存在を保持しつつ、開口部（間口）を狭める工程
開口部が大きく開いた状態の素線表面に、最終製品ワイヤ径で必要となる機能性塗布剤を塗布し、その後、ワイヤを伸線加工することにより、開口部が狭まり、凹部内の塗布剤の上に鋼皮が薄くかぶさり、所望の「ボトルネック状及びケイブ状の凹部の内部に塗布剤が存在するワイヤ」を得ることができる。このときの伸線加工は、穴ダイス、マイクロミル又はローラダイスを使用して行うことができる。
【００３７】
穴ダイスを用いて伸線加工する場合は、「素線の凹部」の形状をそのまま保存することは困難であるが、塗布剤中のバインダー成分を調整することにより、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成することができる。具体的には、ボラックス、ボンデ処理等のワイヤ表面に化学的に結合する無機バインダー及び／又は有機バインダーを用いることにより、凹部形状を保持することができる。
【００３８】
また、マイクロミル及び／又はローラダイスを用いると、「素線の凹部」は比較的保存されやすく、最終ワイヤ径において、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成することができる。
【００３９】
伸線加工工程においては、穴ダイス、マイクロミル又はローラダイスの単独による伸線加工に加えて、これらの方法を組合せて伸線加工しても良い。
【００４０】
更に、ＭｏＳ２及び／又は遊離Ｃを、有機系及び／又は無機系のバインダーで混合したものをワイヤ表面に塗布し、上記のような伸線工程を経ることによって、「素線の凹部」形状を保持しつつ、ワイヤ表面の開口部（間口）を狭めていき、内部にＭｏＳ２及び／又は遊離Ｃを保持しうる「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を高効率で形成することができる。
【００４１】
▲３▼見かけ上平滑なワイヤ表面を持つように仕上げる工程
最終的には、その凹部に送給潤滑剤、通電安定剤、又はスパッタ防止剤等の機能性物質が充填されると共に、通電性及び耐詰まり性が良好であるように、見かけ上平滑なワイヤ表面を持つように仕上げることが必要である。
【００４２】
最終ワイヤ径においては、「素線の凹部」の形成段階で機能性物質を充填させた場合は、仕上げ穴ダイス又はローラダイス等でスキンパス加工(低減面率で加工)することにより、凹部の開口部にワイヤ鋼皮が薄くかぶさって間口が小さくなり、本発明のワイヤを製造することができる。
【００４３】
更に別の方法として、「素線の凹部」に予め別の物質を充填して伸線加工したものを、最終伸線上がり工程において、ＭｏＳ２及び遊離Ｃからなる群から選択された１種以上のものを、水、アルコール、油、又はエマルジョン等に分散させて、ワイヤ表面にすり込むことによっても、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」の内部が、これらの物質により置換され、凹部内に残留する。
【００４４】
なお、本発明は銅メッキを施していないソリッドワイヤである。これは、銅メッキが施されたワイヤにおいては、前述の「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」を生成しても、銅メッキが剥離しやすくなるため、実用に供することができないからである。
【００４５】
次に、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」について更に詳細に説明する。本発明の目的は、機能性を有する塗布剤をワイヤ表面に離脱することなく保持し、良好なワイヤ送給性とアーク安定性とを併せ持つと共に、スパッタが少ない良好な溶接作業性を有するアーク溶接用ソリッドワイヤを得ることにある。この目的を達成するために、本発明においては、「ボトルネック状又はケイブ状の凹部」として、図１に示すように、仮想光源からワイヤ表面に対して垂直に光を投射した場合に、影になる部分（表面から見えない部分、図１に黒で塗りつぶした部分）が存在するような凹部と定義する。
【００４６】
次に、鋼線の表面に塗布された遊離Ｃ及びＭｏＳ２の塗布量を測定する方法について説明する。
【００４７】
先ず、遊離Ｃの塗布量の分析について説明する。遊離Ｃの塗布量は、以下に示す方法Ａ及び方法Ｂにより夫々測定したＣ量の合計とする。
【００４８】
方法Ａ：ワイヤをアルコール洗浄液の濾過残差の炭素量を分析する。油分等に含まれる炭素を除去する。
【００４９】
先ず、ワイヤ１０ｇを３０ミリリットルのエタノールで洗浄する。次に、ガラスマイクロフィルタ（インクランドWhatman製、GF／F、直径２５ｍｍ）を使用して洗浄液を吸引濾過する。次に、ガラスマイクロフィルタを乾燥した後、このガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ａ）とする。
【００５０】
また、ワイヤを洗浄していないエタノールをガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過する。ガラスマイクロフィルタを乾燥した後、このガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ｃ）とする。そして、測定量（ａ）から測定量（ｃ）を引いたものを方法ＡのＣ量とする。
【００５１】
方法Ｂ：ワイヤを硝酸溶液による濾過残差の炭素量を分析する。伸線潤滑剤等 に含まれる炭素を除去する。
【００５２】
先ず、方法Ａと同様にワイヤをエタノールを使用して洗浄する。その後、ワイヤを２０００ミリリットルの硝酸溶液（濃度が６５質量％の硝酸が１、水が２の割合で混合した水溶液）に１２０秒間浸漬し溶解する。次に、溶解液を方法Ａと同様に、ガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過する。次に、ガラスマイクロフィルタを乾燥させる。その後、ガラスマイクロフィルタに付着したＣ量を測定する。この測定量を（ｂ）とする。
【００５３】
次に、前記硝酸溶液をガラスマイクロフィルタを使用して吸引濾過し、ガラスマイクロフィルタを乾燥させる。その後、ガラスマイクロフィルタに付着しているＣ量を測定する。この測定量を（ｄ）とする。そして、測定量（ｂ）から測定量（ｄ）を引いたものを方法ＢのＣ量とする。方法Ａ及び方法Ｂにより測定されたＣ量の合計を鋼線の表面に塗布した遊離Ｃ量とする。
【００５４】
Ｃ量の分析は、方法Ａ及び方法Ｂにおいて、いずれもＪＩＳ Ｇ１２１１で規定されている燃焼赤外線吸収法によりなされたものである。なお、分析装置はＨＯＲＩＢＡ社製 ＥＭＩＡ５２０を使用した。Ｃの分析においては、助燃剤として、るつぼ底に粒状タングステン１ｇを置き、その上にガラスマイクロフィルタを置く。ガラスマイクロフィルタの上に、粒状すずを０．３ｇ添加し、更に粒状タングステンを１ｇ添加する。そして、高周波誘導炉により加熱しＣ量を前記分析装置により測定する。
【００５５】
次に、鋼線に塗布されたＭｏＳ２の塗布量の分析について説明する。ワイヤ５０ｇを５０ミリリットルの塩酸溶液（濃度が３５質量％の塩酸が１、水が１の割合で混合した水溶液）に３０秒間浸漬した後、水を足して塩酸溶液を１００ミリリットルとする。この塩酸溶液を濾紙（Toyo Roshi社製、FILTER PAPER ADVANTEC 5A 110mm）により濾過する。次に、濾紙を、１０ミリリットルの硫酸溶液（濃度が９８質量％の硫酸を１、水を１の割合で混合した水溶液）と、５ミリリットルの濃度が６０質量％の過塩素酸及び２０ミリリットルの濃度が６５質量％の硝酸を混合した溶液中に入れる。そして、ＭｏＳ２と濾紙が分解するまで（硫酸の白煙が出るまで）、水溶液を加熱する。その後、水溶液に水を１００ミリリットル足して塩溶解する。次に、ＪＩＳ Ｇ１２５８に規定された誘導結合プラズマ発光分光分析方法によりＭｏ量を測定する。そして、このＭｏ量をＭｏＳ２に換算し、ワイヤに塗布されたＭｏＳ２量とする。なお、定性的に他のＭｏ化合物等と区別するためには、ＥＰＭＡ等により分析することが可能である。しかし、Ｍｏを定量的に区別するには実際上困難である。従って、Ｍｏを特定する場合には、分析されたＭｏは全てＭｏＳ２とみなす。
【００５６】
このような洞穴状のくぼみ内にもワイヤ送給潤滑剤を塗布した場合には、ワイヤが変形したときでもワイヤ送給潤滑剤が離脱しにくくなり、より一層良好なワイヤ送給性が得られる。なお、ワイヤ送給潤滑剤の塗布量は、ワイヤ表面及び洞穴状のくぼみ内の総計でワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇであることが好ましい。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００５８】
先ず、下記表１及び表２に示す化学組成を有し下記表３及び表４に示す量の遊離Ｃ、ＭｏＳ２及び送給潤滑剤が鋼線の塗布された銅めっきなしソリッドワイヤを作製した。なお、ワイヤの直径は１．４ｍｍとした。
【００５９】
なお、Ｃｕの含有量については、実施例Ｎｏ．８及び比較例Ｎｏ．２８においてのみ、Ｃｕを意図的にワイヤに添加し、他の実施例及び比較例では、特にＣｕの添加は行っていない。
【００６０】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
次いで、溶接電流を４１５Ａ、溶接電圧を４１Ｖ、溶接速度を２５ｃｍ／分、溶接入熱を４０．８ｋＪ／ｃｍ、パス間温度を３５０℃として、炭酸ガスアーク溶接を行った。溶接の対象とする材料としては、板厚が２５ｍｍのＳＭ４９０材を使用し、開先については、角度が３５゜、ギャップが７ｍｍのレ型とした。
【００６５】
そして、各実施例及び比較例について、溶接金属の靱性の評価を行った。この評価では、０℃でシャルピー吸収エネルギを測定し、吸収エネルギが１５０Ｊ以上のものを「５」と評価し、吸収エネルギが１００Ｊ以上１５０Ｊ未満のものを「４」と評価し、吸収エネルギが７０Ｊ以上１００Ｊ未満のものを「３」と評価し、吸収エネルギが４７Ｊ以上７０Ｊ未満のものを「２」と評価し、吸収エネルギが４７Ｊ未満のものを「１」と評価した。そして、このうち評価が「５」、「４」又は「３」のものを合格とし、「２」又は「１」のものを不合格とした。なお、試験片としては、断面が１０×１０（ｃｍ２）で切欠き深さが２ｍｍのＶノッチ型のものを使用した。
【００６６】
この評価結果を下記表５及び６に示す。
【００６７】
【表５】
【表６】
上記表５に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１０では、いずれも溶接金属に良好な靱性が得られた。また、実施例Ｎｏ．３乃至５では、ワイヤの製造に当たり、特に良好な伸線性が得られた。但し、実施例Ｎｏ．６では、送給潤滑剤の塗布量が低めなので、他の実施例と比較すると、送給性が若干劣った。また、実施例Ｎｏ．７では、送給潤滑剤の塗布量が高めなので、他の実施例と比較すると、耐低温割れ性が若干劣った。また、実施例Ｎｏ．８では、心線材へのＣｕの意図的な添加により耐錆性が優れていた。また、実施例Ｎｏ．１０では、ワイヤ表面に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部が形成されており、その凹部にＭｏＳ２及び遊離Ｃが存在した。このため、ワイヤの送給性及び通電安定性が極めて優れていた。
【００７０】
一方、表６に示すように、比較例Ｎｏ．１１乃至３０では、一部に合格のものもあるが、全体的に溶接金属の靱性が低かった。合格のものでも、比較例Ｎｏ．１４では、溶接金属の強度が不十分であった。また、比較例Ｎｏ．２０では、ビードの形状が著しく凸状となった。比較例Ｎｏ．２５では、耐高温割れ性が著しく劣った。比較例Ｎｏ．２８では、Ｃｕヒュームの発生量が極めて多かった。更に、比較例Ｎｏ．２９及び３０では、ワイヤの送給性が劣っていた。また、不合格のものの中でも、比較例Ｎｏ．１７、１９及び２３では、溶接金属の強度が必要以上に高くなった。具体的には、溶接入熱を１７ｋＪ／ｃｍ、パス間温度を１５０℃とした低入熱・低パス間温度の溶接により形成した溶接金属においても、引張強度が７００Ｎ／ｃｍ２以上となった。この結果、靱性が低下してしまった。
【００７１】
なお、詳細は記載しないが、ワイヤ径を１．２ｍｍ又は１．６ｍｍとしたものについて同様の試験を行った結果、上述のようにワイヤ径を１．４ｍｍとした場合と同様の傾向がみられた。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、鋼線の化学成分を所定の範囲に規定し、鋼線の表面に適量の遊離Ｃ及びＭｏＳ２を塗布しているので、大入熱・高パス間温度の溶接においても優れた靱性の溶接金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】洞穴状のくぼみを示す模式図である。
【符号の説明】
１；鋼線
２；洞穴状のくぼみ
Claims (4)
- 鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、植物油、動物油、鉱物油及び合成油からなる群から選択された少なくとも１種の油が総計でワイヤ１０ｋｇ当たり０．２乃至１．２ｇ存在することを特徴とする炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤ。
- 鋼線の周面に銅メッキが施されていない炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤにおいて、前記鋼線の組成は、Ｃ：０．０１乃至０．１５質量％、Ｓｉ：０．５５乃至１．１０質量％、Ｍｎ：１．５５乃至２．２０質量％、Ｓ：０．０００５乃至０．０２０質量％、Ｔｉ：０．１４乃至０．３０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．０１０質量％を含有し、Ｎ：０．０１５質量％以下、Ｏ：０．０２０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものであり、前記鋼線の表面に遊離Ｃがワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至４ｇ塗布され、前記鋼線の表面にＭｏＳ２がワイヤ１０ｋｇ当たり０．０１乃至１ｇ塗布されていると共に、ワイヤの垂直断面円周上に開口し、開口部よりも内部が広いボトルネック状及び／又は内部に延びるケイブ状の凹部を有し、この凹部及び／又はワイヤ表面に、前記ＭｏＳ ２ 及び遊離Ｃが存在することを特徴とする炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤ。
- Ｃｕ含有量が０．０５乃至０．３０質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤ。
- ワイヤ中の化学成分において、Ｃ：０．０７乃至０．１４質量％、Ｓｉ：０．７０乃至１．０５質量％、Ｍｎ：１．６０乃至１．８０質量％及びＢ：０．００２０乃至０．００５０質量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の炭酸ガスアーク溶接用銅メッキなしソリッドワイヤ。
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