JP5236337B2

JP5236337B2 - 薄鋼板のパルスｍａｇ溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP5236337B2
Application number: JP2008098174A
Authority: JP
Inventors: 大輔大村; 勇木本; 翔太芝崎
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: JP2009248121A

Description

本発明は、薄鋼板たとえば板厚２．０〜４．５ｍｍの鋼板の、パルス溶接を使用したＡｒ＋ＣＯ_２、Ａｒ＋Ｏ_２またはＡｒ＋ＣＯ_２＋Ｏ_２等の混合ガスシールドのアーク溶接（以下、パルスＭＡＧ溶接）に適した薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤに関し、特に高速溶接および溶接部の間隙（以下、ギャップという）が大きい場合においてもアークが安定してスパッタ発生量が少なく、良好なビード形状が得られる薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用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方法は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好なビード形状が得られることから薄鋼板の溶接に広く適用されている。またスパッタ発生量の低減および高速溶接性確保の面から、主成分をＡｒガスとし、これにＣＯ_２を混合、更にはＯ_２ガスを混合させたシールドガスを使用したパルスＭＡＧ溶接方法が近年増加している。これらの溶接は生産性の向上から高速度で高電流の溶接条件で施工され、良好な溶接ビードを形成し健全な溶接継手を作製している。

パルスＭＡＧ溶接とは、平均溶接電流より高電流となるピーク電流と平均電流より低電流としたベース電流を周期的に付加する溶接方法である。このようにして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せることにより、平均のアーク電圧が低い場合でも溶滴が溶融池と短絡することなく溶滴を移行させることができる。パルスＭＡＧ溶接においては、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間の積からなるワイヤの溶融エネルギーを適正にすることにより１回のパルスピーク電流時に１個の溶滴を生成させ、ベース電流期間に溶滴を移行させる。このような１パルス−１ドロップ移行となるパルス条件により、溶滴はスムーズに溶融池に移行しスパッタ発生量が低減される。

一方、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間の積とワイヤを溶融するエネルギーとが不均衡になると溶滴移行時期がベース電流期間およびピーク電流期間に不連続に発生することになり、溶滴移行はスムーズに行われることがなくスパッタとして飛散することになる。また、特に高速度の溶接においてはアンダーカットが発生し易く、これを抑制する手段としてアーク電圧を低下した条件を採用することが一般的であるが、短いアーク長ではパルスＭＡＧ溶接法でもスプレーアークとはならず、ベース期間中に短絡が生じ多量のスパッタが発生してしまう。高速度の溶接においてはアンダーカットおよびハンピングを防止し、スパッタの発生を抑制するためにできる限り短いアーク長でも短絡が生じず、安定な溶滴移行を実現できるワイヤが必要となっている。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢でギャップＧがある場合のビード形成状態の例を示す。図１（ａ）は、溶け落ちやビードの垂れがなく良好なビード形状の溶接金属３が得られた例である。図１（ｂ）は、アンダーカット４が生じた例、図１（ｃ）は、溶融金属が前板１側に垂れた例、図１（ｄ）は、溶融金属が前板１と後板２の間のギャップＧ内に垂れ落ちた例である。このように、重ね継手部のギャップＧが大きい場合はアンダーカットが生じたり溶融金属が垂れ易くなり、良好な溶接ビード形成が困難という問題があった。

このような背景から、パルスＭＡＧ溶接用として低スパッタ化が可能なワイヤとして、特開昭６１−１５９２９６号公報（特許文献１）、特開昭６２−２９６９９３号公報（引用文献２）および特開昭６３−１５７７９４号公報（特許文献３）等に種々の技術が開示されている。しかし、これらの従来技術は、主として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＰおよびＳからなる組成に、Ａｌ、Ｔｉ、ＯおよびＮ等の成分を添加し、それらの各成分の量を最適化することを特徴としている。しかしこれらの従来技術においては高速溶接時の耐ギャップ性については全く認識されておらず、ギャップを有する箇所の高速溶接ではアークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード形状も不満足であった。またこれら技術は比較的多くのＯを含んでおり、ワイヤ製造時銅めっき後の伸線においてワイヤ表面に亀裂が生じ、溶接時にワイヤ表面の銅めっきが剥離してチップ詰まりが生じるという問題もあった。

また、特開２００２−３４６７８７号公報（特許文献４）には、ワイヤ表面に銅めっきを施さずに、溶接時にシールドガス中の解離酸素と溶滴の鉄とを結合させ、極めて高い濃度の溶滴表面酸素層によって溶滴の粘性、特に表面近傍の表面張力を低下させる技術の開示がある。これによって溶滴の離脱を容易にし、アーク長を短くしても溶滴先端が短絡し難くなり、安定なスプレー移行となり、スパッタ発生量が極めて少なくなるというものである。しかし、前記技術においても高速溶接時の耐ギャップ性については全く認識されておらず、ギャップを有する箇所の高速溶接ではアークが不安定で、低スパッタ化が不十分でビード形状も不満足であった。さらに、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないので、ワイヤ表面とチップとの摩擦が大きくチップが摩耗して頻繁に交換をすることとなり、著しく作業能率を低下させていた。
特開昭６１−１５９２９６号公報特開昭６２−２９６９９３号公報特開昭６３−１５７７９４号公報特開２００２−３４６７８７号公報

本発明は、ギャップが大きい場合においても高速度の溶接が可能で、溶滴が小さく移行が安定かつ規則的に行われ、ビード形状が良好で、アークが安定しスパッタ発生量が極めて少なく、さらにチップ詰まりやチップの大きな摩耗が生じないパルスＭＡＧ溶接用銅めっき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、薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｃ：０．０２〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．５２〜１．０質量％、Ｍｎ：１．１〜１．８質量％、Ｔｉ：０．０９〜０．２５質量％、Ａｌ：０．０９〜０．２５質量％、但しＴｉ＋Ａｌ：０．２１〜０．４５質量％、Ｔｉ／Ａｌ：０．７〜１．５で、Ｓ：０．０１０〜０．０２５質量％を含有し、銅めっきを厚さ：０．３〜１．１μｍ有し、その他はＰ：０．０２５質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明の薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤによれば、パルスＭＡＧ溶接においてギャップが大きい場合においても高速度の溶接が可能で、アークが安定しスパッタ発生量が極めて少なく、溶接部の手直しがなく、さらにチップ詰まりやチップ摩耗が生じないなど溶接能率が優れた溶接が可能となる。

以下、本発明の薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤについて詳細に説明する。本発明者らは上記の問題点を解決するために、各種成分の異なるワイヤを試作して、パルス条件で１ｍ／ｍｉｎ以上の高速度の溶接を行い、アーク状態、ビード形状、スパッタ発生状況および耐ギャップ性につき詳細に調査した。

その結果、ワイヤ組成のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ量の適正化と、ＴｉおよびＡｌの量ならびにＴｉとＡｌの比の調整によって、アークの安定性、溶融金属の粘性および表面張力の適正化を図り、スパッタ発生量減および広幅で外観の良好なビードが得られることを見出した。

以下、本発明におけるワイヤ組成とその含有量の限定理由について説明する。
［Ｃ：０．０２〜０．１０質量％］
Ｃはアークを安定化し溶滴を細粒化する作用があり、０．０２質量％（以下、％という）未満では溶滴が大きくなってアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。一方、０．１０％を超えると溶融金属の粘性が低くなり溶融金属が垂れてビード形状が不良となる。また、スパッタ発生量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。

［Ｓｉ：０．５２〜１．０％］
Ｓｉは溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、ワイヤの電気抵抗を増大させてワイヤの溶融量を増加させ、さらに溶融金属の粘度を増大させる効果が大きい元素である。これによって良好な耐ギャップ性が得られ、広幅の溶接ビードを形成できる。しかし、０．５２％未満では上記効果が得られず、また、１．０％を超えると溶融金属の粘度が過度に上昇するため溶融金属が高速度の溶接速度に追従できず、ハンピングビードとなり易い。

［Ｍｎ：１．１〜１．８％］
ＭｎはＳｉと共に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘度を高くし表面張力を低下させる効果がある。１．１％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生しやすくなると共に、溶融金属の粘度が低いことから溶融金属が垂れてビード外観が不良で十分な耐ギャップ性が得られない。一方、Ｍｎが１．８％を超えると、溶融金属の粘度が高くなり過ぎて広幅のビードが得られない。

［Ｔｉ：０．０９〜０．２５％］
Ｔｉは高速溶接時のアークを安定させスパッタ発生量を少なくすると共に脱酸剤として働きブローホールの発生を抑制する。Ｔｉが０．０９％未満であるとアークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、０．２５％を超えると溶滴の大きさが均一にならず１パルス−１ドロップの移行を乱してスパッタ発生量が多くなる。

［Ａｌ：０．０９〜０．２５％］
Ａｌは溶融金属の粘性を高くして垂れ性を改善し、高速溶接時のアークを安定させスパッタ発生量を少なくする。Ａｌが０．０９％未満であるとアークが不安定となりスパッタ発生量が多くなる。また、溶融金属の粘性が低くなって溶融金属が垂れてビード外観が不良で十分な耐ギャップ性が得られない。一方、０．２５％を超えると、溶融金属の粘度が高くなり過ぎて広幅のビードが得られない。

［Ｔｉ＋Ａｌ：０．２１〜０．４５％、Ｔｉ／Ａｌ：０．７〜１．５］
ＴｉとＡｌを共存させることによって、溶融金属中の酸化物（介在物）が多くなり粘性が適正となって耐ギャップ性が良好となる。しかし、Ｔｉ＋Ａｌが０．２１％未満であると、溶融金属の粘性が低くなって溶融金属が垂れてビード外観が不良で十分な耐ギャップ性が得られない。一方、Ｔｉ＋Ａｌが０．４５％を超えると、溶融金属中の酸化物が多くなり過ぎ粘性が高くなり過ぎて凸ビードとなり耐ギャップ性が得られない。また、Ｔｉ／Ａｌが０．７未満であるとスパッタ発生量が多くなる。一方、１．５を超えると溶滴の大きさが均一にならず１パルス−１ドロップの移行を乱してスパッタ発生量が多くなる。

［Ｓ：０．０１０〜０．０２５％］
Ｓは溶融金属の表面張力を低下してビード止端部のなじみを良好にする。Ｓが０．０１０％未満であるとビード止端部のなじみが不良となる。しかし、Ｓが０．０２５％を超えると溶接金属の耐割れ性を劣化する。

［ワイヤ表面の銅めっき厚さ：０．３〜１．１μｍ］
ワイヤ表面の銅めっきは、ワイヤとチップ間の通電性を良好にしてアークを安定にする。銅めっき厚さが０．３μｍ未満であると、特に低電圧の溶接条件においてはワイヤとチップ間の通電性が部分的に悪くなり、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、銅めっき厚さが１．１μｍを超えると、溶接金属の銅含有量が多くなって耐割れ性が劣化する。

なお、Ｏが０．０１０％を超えると、ワイヤ製造時にワイヤ表面に亀裂が生じ溶接時にワイヤ表面の銅めっきが剥離してチップ詰まりが生じ易くなる。したがって、Ｏは０．０１０％以下とする。また、Ｐが０．０２５％を超えると溶接金属の耐割れ性が劣化するので、Ｐは０．０２５％以下とする。
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。

表１に示す各種成分のワイヤ表面に銅めっきを施したワイヤ径１．２ｍｍのソリッドワイヤを試作した。

ＪＩＳＧ３１３１ＳＰＣＣの板厚２．３ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板を、図２に示すようにテーパ型スペーサ５を後板２と前板１に挟んでギャップ長さＧ_１＝２ｍｍ、Ｇ_２＝４ｍｍのテーパギャップを形成した横向重ね継手とし、表２に示す溶接条件で溶接した。なお溶接電源は溶接電流（ベース電流とピーク電流との平均的な電流）増減のためのワイヤ送給速度の調整と、ピーク電流とピーク時間の設定をすることができ、平均溶接電流値に従って数十Ｈｚないし３００Ｈｚのパルス周波数となるものであるが、各試作ワイヤとも１パルス−１ドロップ移行のパルスＭＡＧ溶接ができるようにパルスピーク電流値とパルスピーク時間を設定した。

溶接は図３に示すように、ワイヤ狙い位置６は前板１側の鋼板板厚の中心、トーチ７の角度θは３０°でギャップ長さＧ_１（２ｍｍ）側からスタートして溶融金属が架橋できなくなるところまでを溶接可能ギャップとした。

試験結果としては各ワイヤによる溶接可能ギャップ長さ、アークの安定性およびビード形状を調査した。上記の溶接可能ギャップ長さは３．５ｍｍ以上を良好とした。またスパッタ発生量も調査したが、これは銅製の捕集箱を用いて、図２に示す横向重ね継手のギャップ長さＧ_１を２ｍｍの一定として表２に示す溶接条件で５回溶接し、１分間当たりのスパッタ発生量を算出した。これによりスパッタ発生量が０．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。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〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ１７は比較例である。
本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ＋Ａｌ、Ｔｉ／ＡｌおよびＳ量が適正で、ワイヤ表面の銅めっき厚さも適量であるので、アークが安定し、溶融金属の粘性および表面張力が適正で溶接可能ギャップが広く、スパッタ発生量が少なく外観の良好なビードが得られるなど極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、Ｃが少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、Ｔｉ＋Ａｌが多いので粘性が高くなって凸ビードとなり溶接可能ギャップが狭かった。
ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが多いので溶融金属が垂れてビード形状が不良で、スパッタ発生量が多く高温割れも生じた。また、Ｓが少ないのでビード止端部のなじみも不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｓｉが少ないので凸ビードとなり溶接可能ギャップが狭かった。また、Ｔｉ／Ａｌが高いのでスパッタ発生量も多かった。
ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが多いのでハンピングビードとなり、アークもやや不安定であった。また、Ｔｉ／Ａｌが低いのでスパッタ発生量も多かった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｍｎが少ないので溶融金属が垂れてビード外観が不良で、溶接可能ギャップも狭くなった。また、ピットも生じた。さらに、Ｔｉが少な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Ｗ１４は、Ｍｎが多いのでビード幅が狭く溶接可能ギャップが狭かった。また、Ｔｉが多いのでスパッタ発生量も多かった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｔｉ＋Ａｌが少ないので溶融金属が垂れてビード外観が不良で、溶接可能ギャップも狭くなった。また、Ｓが多いので高温割れも生じた。
ワイヤ記号Ｗ１６は、Ａｌが多いので凸ビードとなり溶接可能ギャップも狭くなった。また、ワイヤ表面の銅めっき厚さが薄いのでアークが不安定でスパッタ発生量も多かった。

ワイヤ記号Ｗ１７は、Ａｌが少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多くなり、溶融金属が垂れて溶接可能ギャップ性も狭かった。また、ワイヤ表面の銅めっき厚さが厚いので高温割れも生じた。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ横向重ね継手部の溶接におけるビード形成状態の例を示す図である。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。本発明の実施例に用いた横向重ね継手部のワイヤ狙い位置を示す図である。

符号の説明

１前板
２後板
３溶接金属
４アンダーカット
５スペーサ
６ワイヤ狙い位置
７トーチ
Ｇギャップ長さ
θ トーチ角度

Claims

薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤにおいて、Ｃ：０．０２〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．５２〜１．０質量％、Ｍｎ：１．１〜１．８質量％、Ｔｉ：０．０９〜０．２５質量％、Ａｌ：０．０９〜０．２５質量％、但しＴｉ＋Ａｌ：０．２１〜０．４５質量％、Ｔｉ／Ａｌ：０．７〜１．５で、Ｓ：０．０１０〜０．０２５質量％を含有し、銅めっきを厚さ：０．３〜１．１μｍ有し、その他はＰ：０．０２５質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ。