JP5037369B2 - パルスｍａｇ溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、パルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤに関し、薄鋼板の溶接に適用したときに溶接ビードの幅が広く、止端部のなじみが良好で、かつ溶接部の開先間隙（以下、ギャップという。）が広い場合でも良好な溶接ビードが得られるパルスＭＡＧ溶接ソリッドワイヤに関するものである。

ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好な溶接ビードが得られる。また、スパッタ発生量の低減および高速溶接性確保のため、Ａｒ＋ＣＯ₂、Ａｒ＋Ｏ₂またはＡｒ＋ＣＯ₂＋Ｏ₂等の混合ガスを使用したパルスＭＡＧ溶接が近年増加している。パルスＭＡＧ溶接法は、高電流となるピーク電流と低電流としたベース電流を周期的に、かつ交互に発生させることにより、ピーク電流期間でワイヤを溶融し、ベース電流期間で溶滴を溶融池に移行されることを目的とする溶接方法である。ピーク電流、ピーク時間などを制御してワイヤの溶融エネルギーを適正にし、１パルス−１ドロップ移行となることでスパッタ発生量を低減させる。

これらの溶接は板厚が０．５〜６．０ｍｍの薄板を使用する自動車業界等で多く使用されており、さらなる生産性向上を目的に溶接ロボットによる自動化が多用され、溶接速度が１ｍ／ｍｉｎ以上の高速で溶接される場合が多い。そのため、溶接入熱量が非常に小さく冷却速度が速なり、溶接ビードの幅が狭く凸形状の溶接ビードになりやすい。さらに、自動車等の溶接において継手形状の煩雑化により部材のギャップが広くなる傾向にある。このような状況で、耐ギャップ性を満足し安定した溶接を行うことが要求されている。

従来、ビード形状が良好な溶接を行うことを目的として特開平９−９９３９０号公報（特許文献１）や特開平１０−２４３８９号公報（特許文献２）等に記載の種々の技術が開示されている。しかしながら、前記の技術に記載の溶接用ワイヤを用いて高速度の溶接条件で溶接した場合は、鋼板とのなじみが悪く、溶接ビードの幅が広がらないうちに溶融金属が凝固してしまい、幅が狭く凸形状のビードになりやすい。さらに、溶接ビードの幅が狭いため、部材のギャップが広い場合には溶接ができないという問題点がある。

また、特開２００２−３４６７８７号公報（特許文献３）に記載された溶接用ワイヤでは、スパッタ発生量は低減できるものの、部材のギャップが広い場合にはビード幅が広がらず、耐ギャップ性については満足できるものではない。
特開平９−９９３９０号公報 特開平１０−２４３８９号公報 特開２００２−３４６７８７号公報

本発明は、薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接において、溶接部材とのなじみが良く、ギャップが広い場合でもビード幅の広い良好な溶接ビードが得られるパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓｉ：０．１０％未満、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：１．８０〜２．５０％、Ｓ：０．００１〜０．０７０％、Ｍｏ：０．３０％以下を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、その他はＦｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする。また、ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計を０．２０％以下含有することを特徴とするパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤにある。

本発明のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤによれば、薄鋼板の溶接において、スパッタ発生量が少なく、溶接部材とのなじみが良好で、平坦かつ幅広なビード形状を得ることができる。また、ギャップが広い場合でも、ビード幅の広い良好な溶接ビードが得ることができる。

本発明者らは、上記の問題点を解決するために、種々の成分を変化させたソリッドワイヤを試作し、ピットの発生、ビード幅および耐ギャップ性におよぼす成分組成の影響を詳細に調査した結果、下記に示す知見を得た。ピットなどの気孔発生は、脱酸作用の強いＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ等を添加することによって防止できるが、Ｓｉを多く含有すると溶接ビード幅が狭くなる。そこで、Ｓｉの含有量を少なく、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ等を適量添加することによって、溶接金属の表面張力および粘性を最適化し、溶接部材とのなじみを良くして、平坦で幅広な溶接ビードを得られる。さらに、Ｃ、ＳおよびＭｏの適量添加によってスパッタ発生量を低減できることを知見した。

以下、本発明のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ成分組成の限定理由について説明する。
Ｓｉ：０．１０質量％未満
Ｓｉは、脱酸元素として作用するとともに溶融金属の表面張力および粘性に大きく影響してビード幅を広くするための重要な元素である。Ｓｉ量のビード幅へおよぼす影響を調査するためにＳｉ含有量の異なるワイヤを用いて、図１に示す上板１の端部と下板２の表面との間を、表１（１）の溶接条件で溶接した。なお、ワイヤ成分は、Ｃ：０．０４〜０．０８質量％（以下、％という。）、Ｍｎ：１．９８〜２．０５％のワイヤを用い、ワイヤの狙い位置は重ね継手のコーナー部とし、溶接トーチ３の角度θは６０°とした。

溶接後、図２に示す溶接ビードの幅をＷ、下板２の表面から溶接ビード４の一番盛り上がった部分の高さをＨとして、溶接ビードの形状係数Ｈ／Ｗを測定した。なお、ビード形状係数Ｈ／Ｗは０．４０未満でビード幅が広くなり良好なビードとなる。

図３にＳｉの含有量とビード形状係数Ｈ／Ｗの関係を示すが、Ｓｉ含有量が多くなるにつれてビード形状係数Ｈ／Ｗが大きくなり、ビード形状係数Ｈ／Ｗが０．４０未満を満足するためにはＳｉを０．１０％未満とする必要がある。Ｓｉが０．１０％以上になると、特に高速度の溶接条件においては溶融金属の表面張力および粘性を増加させ、溶接部材とのなじみを悪くしてビード形状係数Ｈ／Ｗが０．４０以上となってビード形状が凸となりビード幅が狭くなる。したがって、Ｓｉは０．１０％未満とする。なお、Ｓｉの下限は特に限定しないが製鋼コストから０．００５％以上であることが好ましい。

Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、アークを安定化し、溶滴を細粒化する働きがある。Ｃが０．０１％未満ではアークの安定性を確保できず、また、０．１５％を超えるとスパッタが増加するばかりでなく、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化する。したがって、Ｃは０．０１〜０．１５％とする。

Ｍｎ：１．８０〜２．５０％
Ｍｎは、脱酸元素として重要な元素であり、１．８０％未満ではその脱酸効果が得られず、ピットが生じる。一方、２．５０％を超えると、溶接金属の表面張力および粘性が増加し過ぎて幅広なビードを得ることができない。したがって、Ｍｎは１．８０〜２．５０％とする。

Ｓ：０．００１〜０．０７０％
Ｓは、溶滴の粘性および表面張力を低下させ、ワイヤからの溶滴離脱を容易にすることにより溶滴を細粒化してスパッタが減少する。また、Ｓはビード形状を平坦化させ、かつ止端部のなじみをよくする効果を有している。Ｓが０．００１％未満ではその効果を得ることができない。しかし、Ｓが０．０７０％を超えると溶接金属に割れが発生する。したがって、Ｓは０．００１〜０．０７０％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは不純物であり、Ｐの増加により溶接金属の割れを引き起こす元素であり、０．０３０％を超えると高温割れを起こす可能性がある。
Ｏ：０．０１０％以下
Ｏは、アークを安定にし、溶滴を細粒化する効果があるものの、０．０１０％を超えると短絡時間が長くなりアーク安定性を低下させスパッタが多発する。また、ピットが生じるとともにビード表面のスラグ生成量を増加させてビード外観を悪化させる。

ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計：０．２０％以下
ＴｉおよびＡｌは、微量の添加でも脱酸元素として作用する。また、溶接金属と母材とのなじみを改善する効果がある。しかし、Ｔｉ、Ａｌの１種または２種の合計が０．２０％を超えるとビード形状を凸にし、ビード幅が狭くなる。また、スラグが多く生成してビード外観を悪化させる。

Ｍｏ：０．３０％以下
Ｍｏは、溶接金属の組織を微細化して靭性を向上させる元素である。さらに、Ｍｏを含有することで溶滴形成性が良くなり、移行が安定してスパッタ発生量が少なくなる。しかし、０．３０％を超えると溶接金属が硬化して靭性が低下し、かつ溶滴形成性が悪く、移行が不安定になりスパッタ発生量が多くなる。したがって、Ｍｏは０．３０％以下とする。

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
まず、原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延、伸線、焼鈍そして銅めっきした後、１．２ｍｍの製品径まで伸線、スプールにて巻き取った試作ワイヤの化学成分を表２に示す。

表２のワイヤを用いて水平姿勢による重ねすみ肉継手のビード形状試験を行い、ビード形状およびピットの発生を調査した。さらに横向姿勢による重ねすみ肉継手の耐ギャップ性試験を行い、架橋可能なギャップ幅を調査した。

ビード形状試験は、図１に示す上板１の端部と下板２の表面との間を、表１（１）の溶接条件で溶接長５００ｍｍを溶接した。形成された溶接ビードの表面に生じたピットの発生数を調査した。ワイヤの狙い位置は重ね継手のコーナー部とし、溶接トーチ３の角度θは６０°とした。なお、ビード形状係数Ｈ／Ｗは０．４０未満でビード幅が広くなり良好と評価した。

耐ギャップ性試験は図４に示すように、前板５と後板６の間にスペーサ７を挟み、試験片長さ５００ｍｍの継手を形成した。このときギャップ長さＧ１＝２ｍｍからＧ２＝４ｍｍへと広がるようにして溶接を行った。溶接のスタートはギャップ長さＧ１＝２ｍｍ側から表１（２）の溶接条件で溶接を行い、溶融金属が架橋できなくなるところまで溶接を実施した。なお、溶接は図５に示すように、前板５の後板６側の角を狙い位置にし、溶接トーチ３の角度θは３０°として溶接した。このときの溶接可能なギャップを測定し、溶接可能なギャップが３ｍｍ以上を良好と評価した。また、アーク状態およびスパッタ発生量はビード形状試験を含めて官能で、高温割れの有無は目視で評価した。それらの結果を表３にまとめて示す。

表１および表３中ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ２が本発明例、Ｗ３〜Ｗ１０は比較例である。

本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ２は、ワイヤ成分のＳｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｏ、ＴｉとＡｌの合計およびＭｏが適量であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ピットが生じることなく、ビード形状係数Ｈ／Ｗが低く幅広なビード形状で、かつ耐ギャップ性も良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中、ワイヤ記号Ｗ３は、Ｃが低いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。ワイヤ記号Ｗ４は、Ｃが高いのでスパッタ発生量が多かった。ワイヤ記号Ｗ５はＭｎが低いのでピットが生じた。また、Ｓが低いのでスパッタ発生量が多く、ビード形状係数Ｈ／Ｗが高く溶接可能ギャップが狭かった。ワイヤ記号Ｗ６は、Ｍｎが高いのでビード形状係数Ｈ／Ｗが高く、溶接可能ギャップが狭かった。

ワイヤ記号Ｗ７はＳが高く、ワイヤ記号Ｗ８はＰが高いので、いずれも高温割れが発生
した。また、ワイヤ記号Ｗ８は、ＡｌとＴｉの合計が多いので、ビード形状係数Ｈ／Ｗが高く溶接可能ギャップが狭く、スラグ生成量が多くビード外観も不良であった。ワイヤ記号Ｗ９は、Ｏが高いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多くピットが生じ、スラグ生成量が多くビード外観も不良であった。ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｓｉが多いのでビード形状係数Ｈ／Ｗが高く溶接可能ギャップも狭かった。また、Ｍｏが多いのでスパッタ発生量が多かった。

本発明の実施例に用いた重ねすみ肉継手溶接のワイヤ狙い位置を示す図である。 本発明の実施例でビード形状係数Ｈ／Ｗを測定する説明図である。 Ｓｉ含有量とビード形状係数Ｈ／Ｗとの関係を示す図である。 本発明の実施例に用いた横向重ね継手の試験板を示す図である。 本発明の実施例における横向重ね継手のワイヤ狙い位置を示す図である。

符号の説明

１ 上板
２ 下板
３ 溶接トーチ
４ 溶接ビード
５ 前板
６ 後板
７ スペーサ
θ トーチ角度
Ｗ ビード幅
Ｈ ビード高さ
Ｇ ギャップ長さ


特許出願人 日鐵住金溶接工業株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊 他１

Claims (2)

1. ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓｉ：０．１０％未満、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：１．８０〜２．５０％、Ｓ：０．００１〜０．０７０％、Ｍｏ：０．３０％以下を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、その他はＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とするパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ。
2. ＴｉおよびＡｌの１種または２種の合計を０．２０％以下含有することを特徴とする請求項１記載のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ。

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