JP3802642B2

JP3802642B2 - 亜鉛めっき鋼板のアーク溶接方法

Info

Publication number: JP3802642B2
Application number: JP06359897A
Authority: JP
Inventors: 寿雅友清; 一正山崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10258367A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、亜鉛めっき鋼板のパルスアーク溶接方法に関するものであり、特に、ブローホールやピット等の溶接欠陥の発生防止に有効な亜鉛めっき鋼板のパルスアーク溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
亜鉛めっき鋼板などの薄鋼板の接合方法としては従来から消耗電極式アーク溶接方法が実施されており、なかでも高速溶接が可能なＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法が広く採用されている。しかし、これらのアーク溶接法で亜鉛めっき鋼板を接合（例えば重ね合わせ溶接）すると、ブローホールやピット等の溶接欠陥が発生して継手強度を低下させる問題が生じる。これは、ビード形成部分に予め存在するめっき層中の亜鉛がビード形成過程でビード内に溶け込み、蒸気化して残留するためである。
【０００３】
そこで、このような問題を解決するために、特開昭６３−１０８９９５号公報や特開昭６３−５６３９５号公報の提案がある。
特開昭６３−１０８９９５号公報は、亜鉛めっき鋼板の接合界面となる表面に特殊塗料を塗布し、塗料中に存在するＰによって亜鉛よりも高融点の合金（Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ）を形成し、溶接時の亜鉛ガスの発生を防止して、ブローホール等の溶接欠陥を低減させる技術である。
また、特開昭６３−５６３９５号公報は、Ｔｅ，Ｓｅ，ＲＥＭ，Ｓｂの単体または酸化物を亜鉛めっき鋼板の接合界面に塗布し、溶融時の溶鋼の粘性を低下させて発生した亜鉛ガスの排出を促進する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法の提案によって、亜鉛めっき鋼板のアーク溶接時のブローホールやピット等の溶接欠陥の発生は低減したが、以下の問題が残った。
すなわち、上記の方法はいずれも溶接に先立って亜鉛めっき鋼板の接合界面に塗料を塗布しておく必要があり溶接作業負荷が増加すること、また、塗料等を使用するため接合界面上に限定して塗布することが困難なため、溶接後、残存した塗布物を除去するためにランニングコストがかかり溶接部品のコスト上昇を招く課題がある。
【０００５】
従って本発明では、上記した従来の問題点を解決して、従来のような塗料の塗布を必要とせず、ブローホールやピット等の溶接欠陥の発生を低減し、溶接品質の向上した溶接部が得られる亜鉛めっき鋼板のアーク溶接方法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】
本発明は上記目的を達成するため、アーク溶接時に溶融池内に侵入する亜鉛蒸気をシールドガス中に添加した酸素によって亜鉛よりも高融点の酸化亜鉛（ＺｎＯ）とすることで、溶接ビード中に固体として存在させること、また、溶接対象とする亜鉛めっき鋼板の板厚に対して、溶接入熱を最適化させることで亜鉛の蒸発量と溶融池の凝固速度を制御し、溶融池中に侵入した亜鉛蒸気を溶融池が凝固する前に排出させる効果を利用して、亜鉛めっき鋼板のアーク溶接時のブローホールを低減させるものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨とするところは次の通りである。
亜鉛めっき鋼板のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして酸素を体積％で１０％以上含有し、残部Ａｒ及びＣＯ₂の１種または２種からなる混合ガスを使用するとともに、溶接電流をパルス電流とし、式（Ａ），（Ｂ）で表される溶接入熱（ＨＩ）が、被溶接材の板厚に応じて求められる条件式（Ｃ）を満足し、かつピーク電流時間（ｔｐ）を０．１〜１．３ｍｓの範囲とすることを特徴とする亜鉛めっき鋼板の溶接方法。
ＨＩ＝（Ｉａ×Ｖ）×６０／ｖ ‥‥‥‥‥（Ａ）
ここで、
ＨＩ；溶接入熱（J/cm）
Ｉａ；平均電流（Ａ）
Ｖ；電極チップ−亜鉛めっき鋼板間電圧（Ｖ）
ｖ；溶接速度（cm/min）
Ｉａ＝（（Ｉｐ×ｔｐ）＋（Ｉｂ×ｔｂ））／（ｔｐ＋ｔｂ）‥‥‥（Ｂ）
ここで、
Ｉｐ；ピーク電流（Ａ）
ｔｐ；ピーク電流時間（ms）
Ｉｂ；ベース電流（Ａ）
ｔｂ；ベース電流時間（ms）
1.0×10³×exp(0.35×ｔ) ≦ＨＩ≦ 1.2×10³×exp(0.35×ｔ) ‥‥（Ｃ）
ここで、
ｔ；亜鉛めっき鋼板板厚（mm）
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明に従う亜鉛めっき鋼板のアーク溶接方法について詳細に説明する。
亜鉛めっき鋼板のアーク溶接で発生するブローホール等の溶接欠陥は、一般に接合界面近傍に存在する低融点、低沸点の亜鉛が蒸気となって溶融池内に侵入し、溶融池の外壁部が凝固した後も気泡として残留するため、ビード内に無数のブローホールを形成するとされている。当然のことながら、接合部に低沸点成分が存在しない非めっき鋼板においては、ブローホールはほとんど存在しない。このため、亜鉛めっき鋼板のアーク溶接時に発生するブローホールの低減対策としては、１）溶融池内に侵入する亜鉛蒸気を低減させる、あるいは、２）侵入した亜鉛蒸気を溶融池が凝固する前に溶融池内より排出させる、さらに３）侵入した亜鉛を融点の高い反応生成物に置換させる３つの方法が考えられる。
【０００９】
溶融池内に侵入した亜鉛蒸気の存在状態について、詳細な解析を行ったところ、ビード中の亜鉛はブローホールの内壁（ブローホールの内側界面）に付着した状態にあるものの、大部分の亜鉛はブローホールの外のビード中にＺｎＯとして固溶していること、溶鋼中の固溶酸素量の増加とともにＺｎＯ化が促進されブローホール欠陥の抑制が進行するという知見が得られた。
【００１０】
溶鋼中に酸素を含有させる技術としては、特開昭６４−３１５９６号公報があるが、この方法はワイヤー成分に酸素を含有させるものであって、酸素の投入方法としてワイヤー外皮中の酸素量を変えたり、また、フラックス中にＦｅＯ，ＭｎＯ，Ａｌ₂Ｏ₃等の金属酸化物を添加する方法があるとしているが、これらの金属酸化物は溶鋼中で容易に解離されることはなく固溶酸素としての機能は発揮されない。酸素は溶鋼中に固溶酸素として存在することで亜鉛との結合が可能であり、フラックス中にＦｅＯ，ＭｎＯ，Ａｌ₂Ｏ₃等の金属酸化物を添加する場合、溶鋼中に存在する亜鉛より酸化性の高い金属との結合が進行するため亜鉛のＺｎＯ化効率は大きく阻害され、ブローホール発生の抑制は困難なものとなる。上述の結果から、亜鉛めっき鋼板のアーク溶接時のブローホールの低減には、溶融池の溶鋼中にいかに効率よく酸素を継続的に添加するかが重要となる。溶鋼中への固溶酸素の添加方法として、シールドガス中に酸素を添加することで、効率よく溶鋼中へ酸素を添加することが可能となる。シールドガス中の酸素量を１０％以上にすると後述の溶接入熱条件式（Ｃ）の範囲内で安定的にブローホール低減の効果が現れる。また、酸素濃度の上限は特に規定しないが、シールドガス中の酸素濃度が極端に高くなるとスパッタの多発やビード形状の悪化を招くため酸素濃度は１０〜２０％が望ましい。
【００１１】
また、酸素の添加によってスパッタ発生の増大が懸念されるが、パルス状電流の使用により、酸素を添加していないシールドガスと同様の程度までスパッタの発生を防止することができる。これは、パルス状電流の使用により溶接中の溶滴の移行が確実になりアーク放電が安定化するものと本発明者らは考えている。望ましいパルス条件としては、パルスピーク電流Ｉｐが３００Ａ以上、５００Ａ以下、かつ該ピーク電流時間ｔｐ（すなわちパルス幅）が０．１msec以上、１．３msec以下である。さらに、アーク放電が安定化し、ブローホールが著しく低減するので、パルス幅は０．１〜０．７msecの範囲が更に望ましい。パルス状電流の使用により、スパッタの発生を防止することが可能になるとともに、パルス幅を小さくすることで、溶接後のブローホールの発生率も低減した。
【００１２】
パルス状電流のパルス幅を小さくすると、ブローホールの発生率が低減する理由は、今のところ必ずしも定かではないが、パルス幅を小さくすると溶接中の溶滴の移行時間が長くなり、すなわち、移行する溶滴の径が大きくなる現象が確認されたことから、径の大きな溶滴が溶融池に落下するときに溶融池を攪拌あるいは、揺らす（振動させる）ために、Ｚｎガスの流動性が高まり溶融池中に存在するＺｎのガスがより排出しやすくなったものと本発明者らは考えている。
【００１３】
シールドガスへの酸素の添加により溶接ビード中のブローホール欠陥は低減するが、同一の酸素濃度でも溶接条件によって、ブローホールの発生量が大幅に異なることが判明した（例えば図１）。
【００１４】
このため、さらなるブローホールの低減方法を検討した。前述のように、アーク溶接時のブローホールの低減対策としては、溶接時のＺｎの蒸発量は少なくして溶融池の凝固速度を遅くすることが望ましい。溶接時のＺｎの蒸発量は、投入される熱量すなわち溶接入熱が大きくなると多くなるので、Ｚｎの蒸発量を少なくさせるには、溶接入熱を小さくすればよい。しかし、溶接入熱を小さくすると溶融池の凝固速度は速くなるので、Ｚｎ蒸気は排出しにくくなるため単純に溶接入熱を小さくすることはできない。すなわち、Ｚｎの蒸発排出と溶融池の凝固によるＺｎ蒸気トラップとの相反する反応が良好となる溶接入熱値でブローホールは最も少なくなる可能性がある。さらに、シールドガス中の酸素が１０体積％以上のガスシールドアーク溶接で形成された溶融池の凝固速度は、同一の溶接入熱でも板厚が大きくなると速くなる。このため、ブローホールが低減可能な溶接入熱値は板厚によっても変化すると本発明者らは考えた。
【００１５】
このような観点から、シールドガス中の酸素が１０体積％以上のもので、ガスシールドアーク溶接用の溶接入熱を種々変化させて、亜鉛めっき鋼板の重ね隅肉溶接を実施した。図１は板厚と溶接入熱を変化させたときのブローホールの発生率の変化を示している。ブローホールの評価は、溶接ビード全線をＸ線透過試験して全ブローホールを検出し、ブローホールの総長が占める割合（％）を測定して行った。溶接ビード中のブローホールの量は溶接入熱によって変化し、ブローホールの量が著しく低下する溶接入熱領域が存在することが判明した。そして、ブローホールが極小となる溶接入熱は、板厚によって変化し、ブローホールの極小値は板厚が小さいものほど低くなる。これは、板厚の異なる鋼板の溶接後の冷却速度を等しくするためには、板厚が大きくなると溶接入熱を高くする必要がある。そして、溶接入熱が高くなると鋼板表面のＺｎ蒸発量が多くなるため、結果として板厚の大きいものほどブローホールの極小値が高くなることになると本発明者らは考えている。
【００１６】
そして、これらの結果から板厚の異なる亜鉛めっき鋼板のアーク溶接において、ブローホールが著しく低減する溶接入熱条件として（Ｃ）式を得た。（Ｃ）式で示される溶接入熱が１．０×１０³×ｅｘｐ（０．３５×ｔ）よりも小さくなると溶融池の冷却速度が速くなりＺｎ蒸気が十分に排出される前に溶融池が凝固してしまう。また、溶接入熱が１．２×１０³×ｅｘｐ（０．３５×ｔ）よりも大きくなるとＺｎ蒸気の発生量が多くなりＺｎ蒸気の十分な排出が達成されなくなる。
【００１７】
なお、本発明の効果は特定の亜鉛めっき鋼板に限定されることはなく、溶融めっき法、電気めっき法、蒸着めっき法、溶射法など各種の製造方法によるものがあり、めっき組成としては純Ｚｎの他、ＺｎとＦｅ、ＺｎとＮｉ、ＺｎとＡｌ、ＺｎとＭｎなどＺｎを主成分として、耐食性など諸特性向上のため１種ないし２種以上の合金元素および不純物元素を含み、また、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃などのセラミックス粉末や有機高分子をめっき層中に分散させたものがあり、めっき層の厚さ方向で単一組成のもの、連続的あるいは層状に組成が変化するものがあり、めっき層の厚み方向で単一組成のもの、連続的あるいは層状に組成が変化するものがあり、さらに複層めっき鋼板では最上層がＦｅやＮｉを主成分としてＺｎやＰ等各種合金元素を含むものがある。例えば、溶融亜鉛めっき鋼板、鉄−亜鉛合金化溶融亜鉛めっき鋼板、亜鉛を主体とするアルミニウム、鉄などの合金溶融亜鉛めっき鋼板、めっき層断面方法で下層のみが合金化されている合金化溶融亜鉛めっき鋼板、片面−合金化溶融亜鉛めっき層、他面溶融亜鉛めっき層からなるめっき鋼板、これらのめっき層上に電気めっき、蒸着めっき等により亜鉛、鉄、ニッケルを主成分とする金属をめっきした鋼板、あるいは、電気亜鉛めっき鋼板、亜鉛、ニッケル、クロム等合金電気めっき鋼板等、さらに単一合金層または複層亜鉛および亜鉛含有金属の蒸着めっき鋼板等がある。
【００１８】
【実施例】
図２に示すように、板厚とめっき目付量を変化させた各種亜鉛めっき鋼板１に２を重ね押え材３で押えて重ね隅肉溶接を実施した。溶接条件は、シールドガス組成、溶接入熱を変化させている。ワイヤは１．２mm径で日鐵溶接工業（株）製のＹＭ−２２Ｚを使用し、溶接速度は１２０cm/minで行った。溶接姿勢は水平で、図２に示したトーチ４の傾斜角度（θ）が６０゜、トーチ４の前進角度（β）が０゜、チップ−母材間距離（ｄ）が１５mmの自動溶接とした。
ブローホールの評価は、溶接ビード全線（３０cm）をＸ線透過試験して全ブローホールを検出し、ブローホールの総長が占める割合（％）を測定して行った。
【００１９】
表１（表１−１，表１−２）に溶接条件とともにブローホール欠陥面積率を示した。また、図３は表１のＧＡ材の２．３mmt の結果について溶接入熱と欠陥面積率との関係を示したものである。表１および図３より、めっき種によらず、本発明の範囲内であればブローホール欠陥の発生が大幅に低減し、シールドガスへの酸素添加だけではなく、溶接入熱を最適化すること、さらにパルス幅を小さくすることがブローホールを低減させることがわかる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
以上の結果から明らかなように、本発明によって亜鉛めっき鋼板のアーク溶接で問題となるブローホール欠陥の発生を大幅に低減することができ、溶接品質の向上に効果を発揮することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブローホールの発生率に及ぼす板厚と溶接入熱の影響を示したものである。
【図２】実施例である亜鉛めっき鋼板の溶接方法の説明図で（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３】本発明の範囲内と範囲外の溶接条件でのブローホールの欠陥率と溶接入熱の関係を示したものである。
【符号の説明】
１：被溶接材（亜鉛めっき鋼板）
２：被溶接材（亜鉛めっき鋼板）
３：押え材
４：溶接トーチ

Claims

亜鉛めっき鋼板のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして酸素を体積％で１０％以上含有し、残部Ａｒ及びＣＯ₂の１種または２種からなる混合ガスを使用するとともに、溶接電流をパルス電流とし、式（Ａ），（Ｂ）で表される溶接入熱（ＨＩ）が、被溶接材の板厚に応じて求められる条件式（Ｃ）を満足し、かつピーク電流時間（ｔｐ）を０．１〜１．３ｍｓの範囲とすることを特徴とする亜鉛めっき鋼板のアーク溶接方法。
ＨＩ＝（Ｉａ×Ｖ）×６０／ｖ ‥‥‥‥‥（Ａ）
ここで、
ＨＩ；溶接入熱（J/cm）
Ｉａ；平均電流（Ａ）
Ｖ；電極チップ−亜鉛めっき鋼板間電圧（Ｖ）
ｖ；溶接速度（cm/min）
Ｉａ＝（（Ｉｐ×ｔｐ）＋（Ｉｂ×ｔｂ））／（ｔｐ＋ｔｂ）‥‥‥（Ｂ）
ここで、
Ｉｐ；ピーク電流（Ａ）
ｔｐ；ピーク電流時間（ms）
Ｉｂ；ベース電流（Ａ）
ｔｂ；ベース電流時間（ms）
1.0×10³×exp(0.35×ｔ) ≦ＨＩ≦ 1.2×10³×exp(0.35×ｔ) ‥‥（Ｃ）
ここで、
ｔ；亜鉛めっき鋼板板厚（mm）