JP5021953B2

JP5021953B2 - 耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤおよびこれを用いたガスシールドアーク溶接方法

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Publication number: JP5021953B2
Application number: JP2006124713A
Authority: JP
Inventors: 励一鈴木; 利彦中野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: CN101062534A; JP2007296541A; KR20070106429A; KR100876496B1

Description

本発明は、耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法に係り、特に、電車などの車輌用に用いられ、耐候性鋼をガスシールドアーク溶接する耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤおよびこれを用いたガスシールドアーク溶接方法に関する。

従来より、耐候性鋼としては、ＪＩＳＧ３１１４が規定されている。このＪＩＳＧ３１１４は、暴露状態であっても錆が安定で緻密な状態を形成し保護膜となることで腐食進行を阻止する性質を有している。また、耐候性鋼は、その化学成分として、ＣｕとＣｒ、さらには、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉを適量添加していることを特長としている。この鋼材に対し適用する溶接ソリッドワイヤとしては、ＪＩＳＺ３３１５に規定された「耐候性鋼用炭酸ガスアーク溶接ソリッドワイヤ」がある。これらの耐候性鋼や耐候性鋼用溶接ソリッドワイヤは、設計耐久年度が長く、メンテナンスの軽減効果が大きい橋梁などに使われるケースが多い。

近年、このような耐候性鋼の利点をビル建築用として適用すべく、耐火鋼に耐候性機能を付与したワイヤも開発されている（例えば、特許文献１、２）。また、橋梁の高能率施工を目指し、大入熱・高パス間温度でも高強度、高靭性が得られる炭酸ガスアーク溶接用の耐候性鋼ソリッドワイヤも開発されている（例えば、特許文献３）。さらに、海岸付近に施設される橋梁の塩害腐食防止を目的に、Ｃｒの含有量を極力低減させるとともに、Ｎｉを多く添加したワイヤも開発されている（例えば、特許文献４、５）。
また、電車などの車輌の台車用として、鋼材としては、旧国鉄規格としてＪＲＳ５１３０４−２耐候性鋼があり、このＪＲＳ５１３０４−２耐候性鋼の溶接材料としては、一般的なＪＩＳＺ３３１５規格材が使われている。
特開平４−２９４８９１号公報（段落００１３〜００２６）特開平５−２００５８２号公報（段落００１３〜００２４）特開２０００−７１０９１号公報（段落００１５〜００３６）特開２００３−３１１４７１号公報（段落０００５〜００１５）特開２０００−１４１０８１号公報（段落０００８〜００３０）

しかしながら、従来より使用されている耐候性鋼に用いられる溶接材料のワイヤでは、以下に示す問題があった。
耐候性鋼が多く用いられる分野としては、橋梁や建築分野の他に、電車などの車輌の台車があげられるが、特許文献１〜５に記載の溶接材料のワイヤは、橋梁や建築分野向けに開発されたものであり、また、炭酸ガス溶接法を前提としたものであるため、スパッタが発生しやすい。そのため、これらのワイヤを用いて電車などの車輌の台車を溶接する場合には、（１）溶接部の外観が人目に触れるためスパッタ発生が非常に嫌われること、（２）Ｃ含有量が０．２０質量％以上と高い鋳鉄・鋳鋼との異材継手が多く、高強度な溶接材料の使用や、溶込みが深く母材希釈率の高い炭酸ガスアーク溶接では割れの問題が発生しやすいこと、（３）異材継手において急激な成分変化を生じると、選択的に腐食が進むため、溶接金属にもある程度耐候性が必要とされること、（４）常に疲労状態に曝されることから母材とのなじみ性が良く、高靭性が必要であること、（５）同じく疲労破壊を防ぐために、必要に応じて残留応力を除去するべく溶接後応力除去焼鈍（ＳＲ）が行われるが、溶接ワイヤ設計として考慮されていない、などの問題があった。
また、最近では炭酸ガスアーク溶接法からＡｒを主体とする混合ガスを用いた溶接法が多く使われるようになっている。そして、特に海外において寒冷地や高標高地への鉄道架設が進んできていることから、このような地域においても事故の際の車輌の衝突安全性を高めるため、従来の０〜−２０℃程度の温度環境における靭性要求から、さらに低温の−４５℃程度の温度環境における低温靭性が要求されるようになってきている。
しかし、特許文献１〜５に記載の溶接材料のワイヤは、炭酸ガス溶接法を前提としたものであり、また、低温靭性を備えていないため、これらの要求を満たすことはできないという問題があった。
また、電車などの車輌の台車用である耐候性鋼の溶接材料として、一般的なＪＩＳＺ３３１５規格材が使われているが、ＪＩＳＺ３３１５では、シールドガスの区分も規定されておらず、靭性規定も０℃、−５℃しかない。また、ＪＩＳＺ３３２５には低温用鋼用ワイヤが制定されているが、耐候性能は備わっていない。そのため、これらのワイヤでも前記要求を満たすことはできないという問題があった。
したがって、Ａｒ系混合ガスを前提として、低温靭性が優れ、かつ耐候性も備わった溶接ワイヤは開発されていないのが実状である。

本発明はこれらの状況を鑑みて開発した技術であり、室温から−４５℃程度までの環境でも高靭性を有するとともに、優れた低スパッタ性を有し、異材継手でも良好な耐候性、耐割れ性および強度を有するガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤおよびこれを用いたガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤは、Ａｒと、ＣＯ_２またはＯ_２の１種以上との混合ガスを使用する耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤにおいて、前記ソリッドワイヤが鋼合金製のワイヤ素線の表面にＣｕメッキ層を設けたものであって、Ｃ：０．０１〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．２０〜１．００質量％、Ｍｎ：１．００〜２．００質量％、Ｐ：０．００７〜０．０３０質量％、Ｓ：０．０２５質量％以下、Ｃｕ：０．３０〜０．６０質量％、Ｃｒ：０．５０〜０．８０質量％、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．１７質量％、Ｍｏ：０．１０質量％以下、Ｎ：０．００９０質量％以下、Ｏ：０．０１５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなり、Ｃｕ：０．３０〜０．６０質量％のうち、前記Ｃｕメッキ層分がＣｕ：０．２５質量％以下であり、Ｃの含有量およびＰの含有量を用いて、Ｃ×Ｐ×１０^４で計算される係数が２２以下であることを特徴とする。

このような構成によれば、析出元素のＴｉ、Ａｌの他、Ｏ、Ｎも抑制することで、ＳＲ時の溶接金属の靭性低下を防止することができ、Ａｌの抑制により、低スパッタ化を得ることができる。また、Ｃｕ、Ｃｒの他、通常添加しないＰをあえて所定範囲添加することにより、非耐候性鋼との異材継手の場合でも耐候性能を確保し、局部腐食を防げることで、溶接金属の耐候性を確保することができる。また、ＣとＰの溶接金属の耐割れ性に及ぼす相関パラメータの上限範囲を規定することで、溶接金属の耐侯性を確保しつつ割れを防ぐことができる。その他、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ所定量含有し、Ｍｏを抑制することで、溶接金属の強度を向上させることができ、Ｓを所定量含有することで、母材とのなじみ性が向上する。
また、Ｃｕメッキ層を施すことにより、ワイヤの伸線性が優れ、また、耐錆性やチップの耐摩耗性を向上させることができる。Ｃｕメッキ層を施す場合には、メッキのＣｕを低く規定することにより、溶接金属の低スパッタ化を得ることができる。

請求項２に係る耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤは、前記耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤにおいて、さらに、Ｎｉ：０．０５〜０．８０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０質量％、Ｋ：０．５〜２０ｐｐｍのうち１種以上を含有することを特徴とする。

このような構成によれば、Ｎｉ、Ｂ、Ｋを所定量含有することで、溶接金属の耐候性の向上、低温靭性の向上、低スパッタ化をさらに促進することができる。

請求項３に係るガスシールドアーク溶接方法は、前記記載の耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤを使用し、耐候性鋼同士、または、耐候性鋼と炭素鋼とを溶接するガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとして、Ａｒ：７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２、Ａｒ：９０〜９８体積％で残部Ｏ_２、およびＡｒ：７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２＋Ｏ_２のいずれか１種である混合ガスを使用することを特徴とする。

このような構成によれば、シールドガスとして、Ａｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２またはＡｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２の混合ガスを使用し、これらのガス組成を所定範囲とすることで、耐ブローホール性、低スパッタ性、高靭性、ビード形状改善に優れた溶接金属を得ることができる。

本発明に係る耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤによれば、ソリッドワイヤの成分を所定範囲に規定することで、車輌の台車などの溶接に最適な耐候性鋼同士、あるいは耐候性鋼と鋳鋼・鋳鉄などの炭素鋼との異材継手のいずれにおいても、耐候性、低温靭性、強度、および耐割れ性が優れるとともに、低スパッタ性、ビード形状、耐ブローホール性、ワイヤ送給性などにも優れる溶接金属とすることができる。
また、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法によれば、シールドガスの組成を所定範囲に規定することで、耐ブローホール性、低スパッタ性、低温靭性、ビード形状に優れる溶接金属とすることができ、耐候性鋼同士、あるいは耐候性鋼と鋳鋼・鋳鉄などの炭素鋼との異材継手のいずれにおいても、良好な溶接を行うことができる。
よって、本発明に係るワイヤや溶接方法により、車輌などの安全性、耐久性、疲労特性、美観などの向上に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、ソリッドワイヤの成分を所定範囲に規定することを特徴とする耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤおよびこのワイヤを用い、シールドガスの組成を所定範囲に規定することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法である。
これまで耐候性鋼用溶接ワイヤは橋梁・建築分野のみを対象として開発、使用されてきたため、ＣＯ_２溶接が前提で、かつ共金継手のみを想定する成分設計であった。しかし、本発明の目的は、低温での高靭性、低スパッタ性、異材継手耐候性、ＳＲ処理での性能安定性などを考慮して、Ａｒ混合ガス（Ａｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２）用として最適化した耐候性ソリッドワイヤである。
ソリッドワイヤは、鋼合金製のワイヤ素線からなるものであり、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎ、Ｏを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなり、ＣとＰの溶接金属の耐割れ性に及ぼす相関パラメータの上限範囲を規定したものである。
また、このワイヤ素線の表面に、Ｃｕメッキ層を設けてもよい。

本発明者らは、低スパッタ化を得る目的の他、ＳＲ時の靭性低下を防止すべく、析出元素のＴｉやＡｌ量を抑制すると共に、Ｏ、Ｎも抑制する必要性を見出した。さらに、耐候性を確保するためにＣｕ、Ｃｒ、必要に応じてＮｉの他、通常添加しないＰをあえて所定範囲添加することによって、非耐候性鋼との異材継手の場合に耐候性能を確保し、局部腐食を防げることを見出した。さらに、Ｐを積極添加すると、一般には耐割れ性が低下するが、ＣとＰの耐割れ性に及ぼす相関を見出し、その相関パラメータの上限範囲を規定することで耐侯性を確保しつつ割れを防げる範囲を導いた。一方で、Ｃｕメッキを施す場合には、Ａｒ＋ＣＯ_２溶接での溶滴移行特性を考慮して、Ｃｕ量をワイヤ全量とメッキ量のそれぞれについて規定することにより、さらなる低スパッタ化を得ている。これらの手法によって優れた低温靭性、低スパッタ性、耐候性、耐割れ性などを満足するワイヤとすることができることを見出した。
以下、ソリッドワイヤの成分の限定理由について説明する。

＜Ｃ：０．０１〜０．１２質量％＞
Ｃは、溶接部の強度を確保するために必要な元素である。車輌や橋梁分野で最も汎用的な鋼材強度である４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の強度を得るためには、Ｃの含有量が最低０．０１質量％であることが必要である。したがって、Ｃの含有量は、０．０１質量％以上とする。一方、Ｃの含有量が０．１２質量％を超えると、高温割れや低温割れ、ＣＯ爆発によるスパッタが発生しやすくなる。したがって、Ｃの含有量は、０．１２質量％以下とする。なお、耐食性の面からは少ない方が好ましいため、より好ましくは０．０８質量％以下とする。

＜Ｓｉ：０．２０〜１．００質量％＞
Ｓｉは脱酸反応に必要な元素である。Ｓｉの含有量が０．２０質量％未満では、脱酸不足でブローホールが発生し、また、強度不足となる。したがって、Ｓｉの含有量は０．２０質量％以上、より好ましくは、０．４０質量％以上とする。一方、Ｓｉの含有量が１．００質量％を超えると、靭性が低下し、スパッタも大粒化して増加する。したがって、Ｓｉの含有量は１．００質量％以下、より好ましくは、０．６０質量％以下とする。

＜Ｍｎ：１．００〜２．００質量％＞
Ｍｎもまた脱酸反応に必要な元素であり、強度確保のためにも必要である。Ｍｎの含有量が１．００質量％未満では、脱酸不足でブローホールが発生し、また、靭性不足、強度不足となる。したがって、Ｍｎの含有量は、１．００質量％以上とする。一方、Ｍｎの含有量が２．００質量％を超えると、溶接部の強度が上がりすぎて低温割れを起こす。したがって、Ｍｎの含有量は、２．００質量％以下とし、より好ましくは、低スパッタ性の点から、１．８０質量％以下とする。

＜Ｐ：０．００７〜０．０３０質量％＞
Ｐは一般に耐割れ性を劣化させる元素として有名であり、一般の鋼材に対しては少ないほど好ましいが、Ｐには耐候性を向上させる効果があり、本発明には必須である。耐候性鋼同士だけでなく、耐候性機能を持たない鋳鉄や鋳鋼といった鋼材との異材継手の場合には、ＣｕやＣｒといった他の耐候性機能を持つ成分が希釈されて溶接金属の耐候性機能が低下しやすい。そのため、Ｐをある程度添加することで、耐候性機能を確保することが出来る。Ｐは微量の含有量で有効であるが、最低０．００７質量％が必要であるため、Ｐの含有量は、０．００７質量％以上とする。一方、Ｐの含有量が０．０３０質量％を超えると、耐割れ性が劣化する。したがって、Ｐの含有量は、０．０３０質量％以下とする。

＜Ｓ：０．０２５質量％以下＞
Ｓもまた耐割れ性を劣化させる元素であり、靭性も低下させるが、０．０２５質量％以下であれば問題ない。したがって、Ｓの含有量は０．０２５質量％以下とする。一方、Ｓは母材とのなじみ性を向上させ、疲労強度を向上させる効果があり、好ましくは、Ｓの含有量が、０．００５質量％以上であると耐割れ性を満足しつつ、外観と継手疲労性能を向上させることが出来る。しかし、Ｓは少ないほうが好ましいため、下限は設定しない。

＜Ｃｕ：０．３０〜０．６０質量％＞
ここでのＣｕはワイヤ素線中のＣｕ含有量とワイヤにメッキが施されている場合はそのメッキ分の付着量の合計である。
Ｃｕは耐候性を高めるために必要な元素であり、Ｃｕの含有量は、ワイヤ全体として最低０．３０質量％必要である。したがって、Ｃｕの含有量は、０．３０質量％以上とする。一方、０．６０質量％を超えると高温割れを発生しやすくなるため、Ｃｕの含有量は、０．６０質量％以下とする。

＜Ｃｒ：０．５０〜０．８０質量％＞
Ｃｒもまた耐候性を高めるために必要な元素である。塩害耐食性にはＣｒは有害であるが、車輌用や一般橋梁用として使用する場合には、塩害耐食性は必要とされないので、一般的な耐候性鋼用としての性能を得るために積極的に添加する。耐候性を高めるためには、最低０．５０質量％必要である。したがって、Ｃｒの含有量は、０．５０質量％以上とする。一方、０．８０質量％を超えると高強度になりすぎて低温割れが発生しやすくなるとともに靭性も低下する。したがって、Ｃｒの含有量は、０．８０質量％以下とする。

＜Ａｌ：０．０２０質量％以下＞
ＡｌはＳＲ時に低温靭性を劣化させると共に、スパッタを増加させる元素である。Ａｌの含有量が０．０２０質量％を越えると靭性低下が顕著であり、さらにスパッタも多くなる。現在でも溶製時に清浄度を上げるためにアルミキルドといわれる脱酸、脱窒処理が行われることが多々あるが、この場合、Ａｌの含有量が０．０２０質量％を超える場合が多い。したがって、積極的にＡｌの含有量が０．０２０質量％以下になるように留意して製鋼処理すべきである。なお、Ａｌは少ないほうが好ましいため、下限は設定しない。

＜Ｔｉ：０．０５〜０．１７質量％＞
Ｔｉは強い酸化性があり、シールドガス中のＯ_２やＣＯ_２といった酸化性ガスと結びついて、一部はスラグに、一部は溶接金属に残留する。溶接金属中のＴｉは適量で結晶粒を微細化し、高靭性を得ることが出来る。しかし過剰になると粗大な析出物となり脆性破壊の起点となる。特にＳＲ処理では靭性低下が顕著である。炭酸ガス用に比べてＡｒ混合ガスは酸化性ガスの分圧が低いことから、Ｔｉの少量添加で溶接金属の結晶粒を微細化し、高靭性を得ることが出来る。具体的には、Ｔｉの含有量が０．１７質量％を超えると、靭性が低下するので、Ｔｉの含有量は、０．１７質量％以下、より好ましくは０．１４質量％以下とする。さらには０．１０質量％以下とすると、ＳＲ時の靭性も向上するとともにスパッタも小粒化し溶接作業性が優れる。一方、Ｔｉの含有量が０．０５質量％未満では結晶粒微細化の効果が無くなり、−４５℃程度の使用には適さなくなる。また、比較的小粒のスパッタが多量に発生するので、Ｔｉの含有量は０．０５質量％以上、より好ましくは、アーク安定性向上の観点から、０．０７質量％以上とする。なお、耐候性鋼用ソリッドワイヤのＪＩＳ規格Ｚ３３１５にはＴｉは規定されていない。一般的には炭酸ガス用としては、高電流用としてＴｉ：０．１８〜０．２５質量％を添加し、短絡溶接の低電流用としては無添加とする場合が多い。しかし、本発明はＡｒ混合ガス用として少量の添加が最適である。

＜Ｍｏ：０．１０質量％以下＞
Ｍｏは一般的には溶接金属の高強度化の向上に用いられる元素である。しかし、車輌では上述したようにＣの含有量が多い鋳鉄・鋳鋼との異材継手も多いため、溶接金属は強度過剰になりやすく、過剰強度は低温割れの発生に繋がる。したがって、鋼材に対して過剰な強度のオーバーマッチングは避ける必要がある。Ｍｏの含有量が０．１０質量％を超えると、強度過剰による割れが発生しやすくなる。したがって、Ｍｏの含有量は、０．１０質量％以下、好ましくは０．０５質量％以下とする。なお、Ｍｏは少ないほうが好ましいため、下限は設定しない。

＜Ｎ：０．００９０質量％以下＞
Ｎは靭性を低下させる元素である。シールド不良時にも大気から窒素が混入するため管理が必要であるが、ワイヤからも極力低減することが好ましい。Ｎの含有量が０．００９０質量％を超えると靭性低下が顕著であることから、Ｎの含有量は０．００９０質量％以下とし、より好ましくは、０．００７０質量％以下とする。なお、Ｎは少ないほうが好ましいため、下限は設定しない。

＜Ｏ：０．０１５０質量％以下＞
ワイヤ表面や溶滴表面の酸素量は、多い方が溶滴移行特性改善のためには好ましいものの、酸素は溶接金属に入ると酸化物を形成し、ＳＲ時に析出して脆化させる。そのため、ワイヤ全体としては少ない方が好ましい。したがって、Ｏの含有量は０．０１５０質量％以下とし、好ましくは０．０１００質量％以下、さらに好ましくは０．００５０質量％以下とする。なお、Ｏは少ないほうが好ましいため、下限は設定しない。

＜不可避的不純物＞
不可避的不純物として、例えば、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒなどを含有することが考えられるが、本発明の効果を妨げない範囲においてこれらを含有することは許容され、これらの含有量は、０．０５０質量％以下が好ましい。

＜Ｃ×Ｐ×１０^４で計算される係数：２２以下＞
上述のとおり、Ｃは強度の増強に、Ｐは異材継手の際に耐候性機能を補助するのに有効であるが、これらを含有することにより、高温割れ感受性も増大する。しかし、Ｃの含有量およびＰの含有量を用いて、Ｃ×Ｐ×１０^４で計算される係数を２２以下に規定することにより、高温割れを防ぐことができる。つまり、Ｃ、Ｐにおいては、それぞれの範囲に規定するとともに、本式を満足する必要がある。なお、より好ましくは１７以下である。

本発明に係る耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤにおいては、ワイヤ素線の表面にＣｕメッキ層を設けてもよい。
＜メッキ層のＣｕ：０．２５質量％以下＞
Ｃｕメッキ層を施すことにより、ワイヤの伸線性が優れるため、低コストでの生産が可能となる。また、耐錆性やチップの耐摩耗性を向上させることができる。
Ｃｕは熱間延性確保のために素線には添加せず、ワイヤにメッキしたメッキ分だけで全Ｃｕ規定量を添加する手段があるが、本発明では不可である。理由としては、これまでのＣＯ_２溶接法用であれば溶滴移行の安定性にはさほどメッキ分は寄与しないが、本発明のＡｒ＋ＣＯ_２溶接の場合は、スプレー溶滴移行の安定性がワイヤや溶滴表面近傍の酸素量に強く影響を受ける。すなわち、Ｃｕは非酸化性のため、メッキＣｕが厚いとワイヤ表面の酸素量は低く、溶滴表面付近の酸化反応が進まない。その結果、溶滴の酸素量が低く抑えられ、表面張力や粘性が小さく、溶滴離脱性が低下する。つまり、大粒のスパッタ発生や、ふらつきの原因となり、溶接作業性が低下する。したがって、メッキ層のＣｕの含有量は低い方が好ましく、０．２５質量％以下であればスパッタ量抑制に対し許容範囲である。したがって、メッキ層のＣｕの含有量は、０．２５質量％以下とし、より好ましくは０．２０質量％以下とする。なお、メッキ層のＣｕの含有量は０質量％、つまりメッキ無しでも問題はない。

ここで、ワイヤ成分は、Ｎｉ、Ｂ、Ｋのうち１種以上を含有することが好ましい。以下、これらの限定理由について説明する。

＜Ｎｉ：０．０５〜０．８０質量％＞
Ｎｉは耐候性を向上させるために有効である。Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐだけでは無塗装仕様は困難であるため、塗装使用とするが、Ｎｉを適量添加することで無塗装仕様とすることが可能である。Ｎｉの含有量は、０．０５質量％未満ではその効果は発揮されないため、０．０５質量％以上が好ましく、０．１５質量％以上がより好ましい。一方、Ｎｉの含有量が０．８０質量％を超えると、耐候性の効果が飽和するだけでなく、溶滴の粘性が高まりすぎてスパッタ発生量が増加しやすいとともに、ビードが凸状になって劣化しやすい。また、Ｎｉは高価な元素なのでコストが過大となりやすい。したがって、Ｎｉの含有量は、０．８０質量％以下が好ましい。

＜Ｂ：０．０００５〜０．００３０質量％＞
Ｂは微量の添加で結晶粒微細化を促進し、低温靭性を向上させる効果がある。Ｂの含有量は、最低０．０００５質量％でなければ微細化の効果は発揮されないことから、０．０００５質量％以上が好ましく、０．００１０質量％以上がより好ましい。一方、Ｂは高温割れを引き起こしやすい欠点もある。Ｂの含有量が０．００３０質量％を超えると、割れが発生しやすくなる。したがって、Ｂの含有量は０．００３０質量％以下が好ましく、Ｃの含有量が多い鋳鉄・鋳鋼との異材継手を考慮すると、０．００２０質量％以下がより好ましい。

＜Ｋ：０．５〜２０ｐｐｍ＞
ＫはＡｒを主元素とする混合ガス溶接時にアークを安定させ、スパッタを減らす元素として効果的である。炭酸ガス溶接では一般的にこのような効果は働かない。Ｋは溶製時に添加することは困難なので、一般的には（１）伸線工程中に炭酸カリウムなどのＫ入り伸線潤滑剤を使い、表面残留させる、（２）Ｋを含む溶液に浸漬させた後で焼鈍し、ワイヤ表面の粒界あるいは粒内に拡散させる、（３）青酸カリ溶液を用いて銅メッキを施すといった手段によって表面近傍に存在させる、などの方法により添加する。その効果は０．５ｐｐｍから有効であるため、Ｋの含有量は０．５ｐｐｍ以上が好ましい。一方、Ｋの含有量が２０ｐｐｍを超えると、アーク安定効果が飽和するとともにワイヤ表面の潤滑性が失われてワイヤ送給性が劣りやすく、また、メッキ密着性が悪くなって銅メッキが剥離し、やはりワイヤ送給性を損ないやすい。したがって、Ｋの含有量は２０ｐｐｍ以下が好ましい。

次に、ガスシールドアーク溶接方法について説明する。
本発明のガスシールドアーク溶接方法は、前記した耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤを使用し、耐候性鋼同士、または、耐候性鋼と炭素鋼とを溶接するものであり、シールドガスとして、Ａｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２またはＡｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２混合ガスを使用するものである。

＜シールドガス組成：Ａｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２＞
シールドガスはＡｒを主体とし、少量の酸化性ガスＣＯ_２あるいはＯ_２と混合した組成を前提とする。Ａｒ＋ＣＯ_２の場合はＡｒが７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２の場合はＡｒが９０〜９８体積％で残部Ｏ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２の場合はＡｒが７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２＋Ｏ_２とする。
シールドガスがＡｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２の場合、Ａｒが７５体積％未満、Ａｒ＋Ｏ_２の場合、Ａｒが９０体積％未満では、溶滴移行がスプレー状態を維持できず、スパッタが発生し、また、溶融池の過剰酸化のため、靭性が低下する。さらに、ビード形状もなじみ性が悪くオーバーラップ状となる。
シールドガスがＡｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２の場合、Ａｒが９５体積％、Ａｒ＋Ｏ_２系の場合、Ａｒが９８体積％を超えると、過剰なスプレーアーク状態となり、Ａｒを巻込んでブローホールが発生する。また、溶融池の粘性が高くなりすぎてビード形状が凸になり、さらに、酸素源が少なすぎると、母材側陰極点が不安定となり、アーク発生方向が振れてしまい、スパッタも多く発生する。

＜耐候性鋼＞
適用される耐候性鋼としては、一般的に用いられるＣｕ−Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｃｒ系、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｎｉ系の４００〜４９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼である。また、これらの耐候性鋼と鋳鋼、鋳鉄などの炭素鋼との異材溶接にも好適である。用途分野として車輌に好適であるが、一般耐候性用として問題のないものであるから、橋梁などの他分野で使うことは全く問題ない。

次に、本発明に係るソリッドワイヤについて、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを比較して具体的に説明する。
先ず、表１〜３に示す組成を有するワイヤを使用して表４に示す溶接条件により鋼材を溶接した。溶接においては、表１〜３に示すシールドガス組成のシールドガスを使用した。なお、比較例において、本発明の構成を満たさないものについては、数値に下線を引いて示す。
鋼材としては、表５に示す４９０Ｎ／ｍｍ^２級耐候性鋼（ａ）と鋳鋼（ｂ）を使用し、
耐候性鋼（ａ）同士（以下（ａ）／（ａ）とする）の継手および耐候性鋼（ａ）と鋳鋼（ｂ）（以下（ａ）／（ｂ）とする）の異材継手の２種類の溶接試験を行った。
図１は溶接母材の継手開先断面形状を示す模式図である。図１に示すように、傾斜した端面を有し、板厚が１９ｍｍである鋼材１（耐候性鋼（ａ））と、板厚が２５ｍｍである鋼材２（耐候性鋼（ａ）または鋳鋼（ｂ））の２枚の鋼材１、２を、その傾斜端面を対向させて、端面の先端を５ｍｍ離間させた状態で配置した。そして、形成された開先に対してガスシールドアーク溶接することにより溶接金属３を形成した。

次に、得られた溶接金属について、以下に示す、強度、低温靭性、耐候性、耐割れ性、低スパッタ性の試験と共に、耐ブローホール性、ビート形状、ワイヤ送給性の官能評価を行った。

＜強度＞
強度については、溶接金属に６２０℃×１時間維持のＳＲ処理を施し、（ａ）／（ａ）継手と（ａ）／（ｂ）継手による引張試験を行った。
引張試験は、（ａ）／（ａ）継手において４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さを合格値とした。

＜低温靭性＞
低温靭性については、シャルピー衝撃試験により、（ａ）／（ａ）継手と（ａ）／（ｂ）継手による−４５℃、０℃のシャルピー吸収エネルギーを測定した。
シャルピー吸収エネルギーは（ａ）／（ａ）継手、（ａ）／（ｂ）継手ともに−４５℃で２７Ｊ以上を合格とした。

＜耐候性＞
耐候性については、（ａ）／（ａ）継手、（ａ）／（ｂ）継手において耐候性能評価試験を実施した。耐候性能評価試験としては、ＪＳＳＣ（日本鋼構造協会）が推奨する腐食促進試験法である発露型腐食試験を用いた。この腐食試験条件を表６に示す。耐候性能は腐食減量が（ａ）／（ａ）継手の場合８０ｍｇ／ｃｍ^２以下、異材継手である（ａ）／（ｂ）継手を１００ｍｇ／ｃｍ^２以下を合格とした。

＜耐割れ性、耐ブローホール性、ビード形状、ワイヤ送給性＞
（ａ）／（ａ）および（ａ）／（ｂ）継手でのＸ線透過試験および超音波探傷による割れ（高温割れおよび低温割れ）とブローホールの有無の確認、その溶接時のビード形状とワイヤ送給性の官能評価を行った。割れやブローホールは無欠陥を合格とし、ビード形状は融合不良を防止するためにグラインダー整形が必要なかった場合、あるいは余盛における母材表面とのなじみ性が良いと判断される場合を合格（○）、融合不良を防止するためにグラインダー整形が必要であった場合、あるいは余盛における母材表面とのなじみ性が悪いと判断される場合を不合格（×）とした。ワイヤ送給性は送給不良によるアーク断続が発生しなかった場合を合格（○）、送給不良によるアーク断続が発生した場合を不合格（×）とした。

＜低スパッタ性＞
低スパッタ性については、溶接中、溶接後にシールドノズルに付着したスパッタを回収し、重量を測定することで、スパッタ発生量により評価した。低スパッタ性は付着量２．０ｇ以下を低スパッタの範囲として合格とした。
これらの試験結果を表７〜８に示す。
なお、（ａ）／（ｂ）継手の引張強さと、（ａ）／（ａ）継手および（ａ）／（ｂ）継手の０℃の吸収エネルギーは、参考値として示している。
また、低スパッタ性、耐ブローホール性、ビート形状、ワイヤ送給性については、（ａ）／（ａ）継手のものについて示す。

表７に示すように、Ｎｏ．１〜３２は、全てのワイヤ成分およびガスシールド組成が本発明の範囲を満足している実施例、あるいは参考例のため、（ａ）／（ａ）（耐候性鋼同士）の継手、（ａ）／（ｂ）（耐候性と鋳鋼）の異材継手いずれにおいても、０℃から−４５℃の低温域までのシャルピー吸収エネルギーや耐候性、耐割れ性が優れており、引張強度も母材の規格下限以上を確保している。また、（ａ）／（ａ）継手において、ブローホール、ビード形状不良などは全く発生しない。また、低スパッタ性やワイヤ送給性にも優れている。

一方、表８に示すように、比較例Ｎｏ．３３は、Ｃの含有量が下限未満のため、強度不足であった。比較例Ｎｏ．３４は、Ｃの含有量が上限を超えるため、高温割れが発生し、強度が高まって低温割れも発生するとともに、スパッタも多かった。比較例Ｎｏ．３５は、Ｓｉが下限未満のため、強度不足となるだけでなく、脱酸不足でブローホールも発生した。比較例Ｎｏ．３６はＳｉが上限を超えるため、吸収エネルギーが低く、スパッタも多かった。比較例Ｎｏ．３７は、Ｍｎが下限未満のため、強度不足となるだけでなく、脱酸不足でブローホールも発生し、また、吸収エネルギーも低かった。比較例Ｎｏ．３８は、Ｍｎが上限を超えるため、強度が高くなりすぎ、低温割れが発生し、また、スパッタも増加した。比較例Ｎｏ．３９、４０は、Ｐがともに下限未満のため、異材継手の際に耐候性が失われ、腐食減量が多かった。比較例Ｎｏ．４１は、Ｐが上限を超えるため、高温割れが発生した。

比較例Ｎｏ．４２、４３、４４は、Ｃ、Ｐそれぞれ単独の範囲は規定を満足しているが、Ｃ×Ｐ×１０^４が本発明の範囲を超えているため、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．４５は、Ｓが上限を超えるため、高温割れが発生した。また、耐候性鋼同士ではかろうじて吸収エネルギーは満足したものの、異材継手の場合は満足しなかった。比較例Ｎｏ．４６は、メッキ分のみで銅成分を構成しているが、その値が下限値未満であるため、腐食減量が多く耐候性が不足した。比較例Ｎｏ．４７は、Ｃｕが上限を超えるため、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．４８は、銅メッキ量が上限を超えるため、溶滴形成時の表面酸化が抑制されたために、表面張力が高まり溶滴離脱性が悪く、スパッタが多かった。比較例Ｎｏ．４９は、Ｃｒが下限未満のため、腐食減量が多く耐候性が不足した。比較例Ｎｏ．５０はＣｒが上限を超えるため、吸収エネルギーが不足した。また、異材継手において強度過剰で低温割れが発生した。比較例Ｎｏ．５１は、Ａｌが上限を超えるため、吸収エネルギーが不足し、スパッタも多かった。

比較例Ｎｏ．５２は、Ｔｉが下限未満であるため、結晶粒が粗大となって吸収エネルギーが低かった。また、アーク安定性も劣りスパッタが多かった。比較例Ｎｏ．５３は、ＪＩＳＺ３３１５ＹＧＡ−５０ＷそのままのワイヤでＴｉが含まれていない。そのため、これも同様に結晶粒が粗大となって吸収エネルギーが低く、また、アーク安定性も劣りスパッタが多かった。比較例Ｎｏ．５４は、ＣＯ_２用のワイヤであり、Ｔｉが上限を超えるものである。そのため、ＳＲ処理時に過剰なＴｉ酸化物が析出することにより、吸収エネルギーが低下した。比較例Ｎｏ．５５は、Ｍｏが上限を超えるため、異材継手の際に強度過剰となって低温割れが発生した。比較例Ｎｏ．５６は、Ｎが上限を超えるため、ブローホールが発生し、そのため引張強さも低かった。また、脆化して吸収エネルギーも低かった。比較例Ｎｏ．５７は、Ｏが上限を超えるため、溶融池での脱酸が促進され、吸収エネルギーが低下した。Ｎｏ．５８は、Ｎｉが上限を超えるため、スパッタが多くなるとともに、溶融池の粘性が過剰となってビード形状が凸を呈した。そのため、パス毎に研削整形が必要であった。Ｎｏ．５９はＢが上限を超えるため、高温割れが発生した。Ｎｏ．６０はＫが上限を超えるため、ワイヤ表面の潤滑性が損なわれてワイヤ送給性が劣り、アーク不安定であった。

比較例Ｎｏ．６１は、シールドガスがＡｒ＋ＣＯ_２系であるが、Ａｒ比率が下限未満であるため、溶滴移行がスプレー状態を維持できず、スパッタ発生量が多かった。また、溶融池の過剰酸化のため、吸収エネルギーも低かった。さらに、ビード形状もなじみ性が悪くオーバーラップ状となった。比較例Ｎｏ．６２は、Ａｒ＋ＣＯ_２系であるが、Ａｒ比率が上限を超えるため、過剰なスプレーアーク状態となり、Ａｒを巻込んでブローホールが発生した。また、溶融池の粘性が高くなりすぎてビード形状が凸になった。比較例Ｎｏ．６３は、シールドガスがＡｒ＋Ｏ_２系であるが、Ａｒ比率が下限未満であるため、溶滴移行がスプレー状態を維持できず、スパッタ発生量が多かった。また、溶融池の過剰酸化のため、吸収エネルギーも低かった。さらに、ビード形状もなじみ性が悪くオーバーラップ状となった。比較例Ｎｏ．６４は、Ａｒ＋Ｏ_２系であるが、Ａｒ比率が上限を超えるため、過剰なスプレーアーク状態となり、Ａｒを巻込んでブローホールが発生した。また、溶融池の粘性が高くなりすぎてビード形状が凸になった。さらに、酸素源が少なすぎて母材側陰極点が不安定となり、アーク発生方向が振れてしまい、スパッタも多く発生した。

比較例Ｎｏ．６５は、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２系であるが、Ａｒ比率が下限未満であるため、溶滴移行がスプレー状態を維持できず、スパッタ発生量が多かった。また、溶融池の過剰酸化のため、吸収エネルギーも低かった。さらに、ビード形状もなじみ性が悪くオーバーラップ状となった。比較例Ｎｏ．６６は、Ａｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２系であるが、Ａｒ比率が上限を超えるため、過剰なスプレーアーク状態となり、Ａｒを巻込んでブローホールが発生した。また、溶融池の粘性が高くなりすぎてビード形状が凸になった。比較例Ｎｏ．６７は、ＣＯ_２用ワイヤの一種とＣＯ_２ガスの組合せの例である。そのため、スパッタ発生量が非常に多い、ビード形状のなじみ性が悪くオーバーラップ状となる、吸収エネルギーが低い、異材継手の際の溶込み過剰により低温割れ、高温割れの発生、異材継手の際の耐候性が低いといった数々の短所が生じた。

Ｎｏ．６８は、Ｃ、Ｐそれぞれ単独の範囲は規定を満足しているが、Ｃ×Ｐ×１０^４が本発明の範囲を超えているため、高温割れが発生した。Ｎｏ．６９は、ＣＯ_２用のワイヤであり、Ｔｉが上限を超えるものである。そのため、ＳＲ処理時に過剰なＴｉ酸化物が析出することにより、吸収エネルギーが低下した。Ｎｏ．７０は、シールドガスがＡｒ＋ＣＯ_２系であるが、Ａｒ比率が下限未満であるため、溶滴移行がスプレー状態を維持できず、スパッタ発生量が多かった。また、溶融池の過剰酸化のため、吸収エネルギーも低かった。さらに、ビード形状もなじみ性が悪くオーバーラップ状となった。Ｎｏ．７１は、Ａｒ＋Ｏ_２系であるが、Ａｒ比率が上限を超えるため、過剰なスプレーアーク状態となり、Ａｒを巻込んでブローホールが発生した。また、溶融池の粘性が高くなりすぎてビード形状が凸になった。さらに、酸素源が少なすぎて母材側陰極点が不安定となり、アーク発生方向が振れてしまい、スパッタも多く発生した。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更することができる。

継手開先断面形状を示す模式図である。

符号の説明

１耐候性鋼
２鋳鋼または耐候性鋼
３溶接金属

Claims

Ａｒと、ＣＯ_２またはＯ_２の１種以上との混合ガスを使用する耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤにおいて、
前記ソリッドワイヤが鋼合金製のワイヤ素線の表面にＣｕメッキ層を設けたものであって、
Ｃ：０．０１〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．２０〜１．００質量％、Ｍｎ：１．００〜２．００質量％、Ｐ：０．００７〜０．０３０質量％、Ｓ：０．０２５質量％以下、Ｃｕ：０．３０〜０．６０質量％、Ｃｒ：０．５０〜０．８０質量％、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．１７質量％、Ｍｏ：０．１０質量％以下、Ｎ：０．００９０質量％以下、Ｏ：０．０１５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物とからなり、Ｃｕ：０．３０〜０．６０質量％のうち、前記Ｃｕメッキ層分がＣｕ：０．２５質量％以下であり、Ｃの含有量およびＰの含有量を用いて、Ｃ×Ｐ×１０^４で計算される係数が２２以下であることを特徴とする耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤ。
前記耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤにおいて、さらに、Ｎｉ：０．０５〜０．８０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０質量％、Ｋ：０．５〜２０ｐｐｍのうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤ。
請求項１または請求項２に記載の耐候性鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイヤを使用し、耐候性鋼同士、または、耐候性鋼と炭素鋼とを溶接するガスシールドアーク溶接方法において、
シールドガスとして、Ａｒ：７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２、Ａｒ：９０〜９８体積％で残部Ｏ_２、およびＡｒ：７５〜９５体積％で残部ＣＯ_２＋Ｏ_２のいずれか１種である混合ガスを使用することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。