JP5753951B1

JP5753951B1 - Ｍｉｇブレージング用シールドガス

Info

Publication number: JP5753951B1
Application number: JP2014542028A
Authority: JP
Inventors: 吉田　佳史; 佳史吉田; 正信石井
Original assignee: Iwatani Corp
Current assignee: Iwatani Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: WO2015140985A1; JPWO2015140985A1

Abstract

銅を主成分とする合金からなるろう材（１２）を用いた鋼材（２１，２２）のＭＩＧブレージングに使用されるＭＩＧブレージング用シールドガス（α）を、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンとすることで、仕上がり状態を向上させる。

Description

本発明はＭＩＧブレージング用シールドガスに関し、より特定的には、銅を主成分とする合金からなるろう材を用いた鋼材のＭＩＧブレージングに使用されるＭＩＧブレージング用シールドガスに関するものである。

鋼材を接合する方法として、ＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接などのアーク溶接が広く用いられている。ＭＩＧ溶接では、接合されるべき鋼材と溶接ワイヤなどの溶加材との間に電圧を負荷することによりアークを発生させ、当該アークの熱によって鋼材および溶加材を溶融させる。その後、溶融した鋼材および溶加材を凝固させることにより、鋼材の接合が達成される。このとき、溶融した鋼材および溶加材が空気に触れると、溶接後にブローホールなどの欠陥が発生する。そのため、ＭＩＧ溶接では、アルゴンなどの不活性ガスが溶融部に対してシールドガスとして供給される。これにより、欠陥の発生を抑制しつつ鋼材の接合を達成することができる。

しかし、ＭＩＧ溶接などのアーク溶接では、溶加材だけでなく鋼材も溶融する。そのため、溶接部には歪が残存する。その結果、歪の低減が求められる部材への適用には問題が生じる場合があった。

これに対し、ＭＩＧ溶接と同様の手法において、溶接ワイヤなどの溶加材に代えて銅を主成分とするワイヤなどのろう材を用い、鋼材の接合を達成するＭＩＧブレージングが採用される場合がある。ＭＩＧブレージングでは、接合されるべき鋼材と銅を主成分とする合金からなるワイヤなどのろう材との間に電圧を負荷することによりアークを発生させる。ここで、ＭＩＧブレージングでは、鋼材よりも融点の低いろう材が用いられる。そして、アークによってろう材のみが溶融し、鋼材は溶融しないように接合が実施される。その結果、ＭＩＧブレージングによれば、歪の発生を抑制しつつ鋼材の接合を達成することができる。

ＭＩＧブレージング用シールドガスとしては、アルゴンが一般的である。また、シールドガスに酸素、二酸化炭素などの酸化性ガスを添加することにより、アークを安定させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１〜８参照）。

特開２００７−８３３０３号公報特開２０１１−１８３４０２号公報特開２０１０−８２６４１号公報特開２００９−２９７７３８号公報特開平９−２４８６６８号公報国際公開第２０１０／０３８４２９号特開２０１０−９４７０３号公報国際公開第２００３／０６４０９８号

近年、鋼材の接合に対しては、上述のような歪の低減だけでなく、仕上がり状態の向上が求められる場合がある。具体的には、接合部の欠陥が抑制されていることはもちろんのこと、表面の光沢の確保などが要求される場合がある。これは、美感上の問題だけでなく、接合部の光沢の失われた領域は、たとえば後工程の塗装工程において高品質な塗装が難しくなるなどの問題を生じる場合があるからである。

本発明はこのような課題に対応するためになされたものであって、その目的は、仕上がり状態を向上させることが可能なＭＩＧブレージング用シールドガスを提供することである。

本発明に従ったＭＩＧブレージング用シールドガスは、銅を主成分とする合金からなるろう材を用いた鋼材のＭＩＧブレージングに使用されるＭＩＧブレージング用シールドガスである。このＭＩＧブレージング用シールドガスは、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる。

本発明者らは、ＭＩＧブレージングにおける接合部（ビード）の欠陥を抑制するだけでなく光沢をも確保可能なシールドガスの組成について検討した。その結果、アルゴンにヘリウムと水素とを適切な割合で混合し、かつ酸素や二酸化炭素などの酸化性ガスを添加しない混合ガスをシールドガスとして用いることにより、接合部の欠陥を抑制しつつ光沢を確保できることを見出した。より具体的には、ヘリウムを７体積％以上３０体積％以下とした場合、水素を２体積％以上４体積％以下とし、ヘリウムを２０体積％以上３０体積％以下とした場合、水素を２体積％以上５体積％以下とし、残部をアルゴンとすることにより、接合部の欠陥を抑制しつつ光沢を確保できる。言い換えれば、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる混合ガスをシールドガスとして用いることにより、接合部の欠陥を抑制しつつ光沢を確保できる。

本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスは、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる。そのため、本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスによれば、仕上がり状態を向上させることが可能なＭＩＧブレージング用シールドガスを提供することができる。なお、ビードの光沢をより確実に得るためには、水素の含有量は２体積％を超えるように設定することが好ましく、たとえば３体積％以上とすることができる。

上記ＭＩＧブレージング用シールドガスにおいて、上記鋼材は厚み０．８ｍｍ以下の鋼板であってもよい。このように薄い鋼板であっても、上記ＭＩＧブレージング用シールドガスを用いたＭＩＧブレージングにより、良好な仕上がり状態を確保しつつ接合することができる。

上記ＭＩＧブレージング用シールドガスにおいて、上記鋼材には、亜鉛めっきが施されていてもよい。すなわち、互いに接合されるべき複数の鋼材のうち、少なくとも１つが亜鉛めっきされた鋼材であってもよい。亜鉛めっき鋼板などの亜鉛めっきされた鋼材のＭＩＧブレージングでは、亜鉛蒸気が発生することに起因してアークが不安定となり、接合部の光沢を確保することが難しい。しかし、上記本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスを用いることにより、接合部の光沢を確保することが可能となる。

上記ＭＩＧブレージング用シールドガスは、大気圧よりも高い圧力で容器内に封入されていてもよい。

上記ＭＩＧブレージング用シールドガスは、ＭＩＧブレージングが実施される場所においてヘリウム、水素およびアルゴンを混合することにより製造され、使用されてもよい。一方、本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスは、予めヘリウム、水素およびアルゴンを混合することにより製造され、大気圧よりも高い圧力で容器に保持された状態でＭＩＧブレージングが実施される場所まで運搬され、使用されてもよい。効率的な運搬を達成するためには、容器内の圧力を３５℃において５ＭＰａ以上とすることが好ましく、１０ＭＰａ以上とすることがより好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスによれば、仕上がり状態を向上させることが可能なＭＩＧブレージング用シールドガスを提供することができる。

ＭＩＧブレージングの手順の一例を示すフローチャートである。ＭＩＧブレージングの手順の一例を説明するための概略図である。７体積％のヘリウムと１体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。７体積％のヘリウムと２体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。７体積％のヘリウムと３体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。７体積％のヘリウムと４体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。７体積％のヘリウムと５体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。７体積％のヘリウムと６体積％の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスを用いた場合の接合部の写真である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態におけるＭＩＧ溶接用シールドガスは、たとえば以下のようにボンベなどの容器に充填して製造することができる。まず、シールドガスを充填すべき容器内が所望のレベルまで減圧される。次に、容器内に水素ガスが供給され、容器内の圧力がシールドガスにおける水素の割合を２体積％以上４体積％以下、または２体積％以上５体積％以下とするために必要な圧力となるように、容器内に水素が充填される。

次に、上述のように水素が充填された容器内にヘリウムが供給され、容器内の圧力が可燃性ガスにおけるヘリウムの割合を７体積％以上２０体積％未満、または２０体積％以上３０体積％以下とするために必要な圧力となるように、容器内にヘリウムが充填される。さらに、上述のように水素およびヘリウムが充填された容器内にアルゴンが供給される。これにより、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるシールドガスが容器内に充填される。このとき、当該容器内の圧力が３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下であることが好ましい。このように、シールドガスが容器内に充填されることにより、運搬が可能となり、鋼材のＭＩＧブレージングにシールドガスとして使用することが容易となる。

次に、このシールドガスを用いたＭＩＧブレージングの手順の一例について図１および図２を参照して説明する。図１を参照して、まず鋼材（鋼製の部材）が準備される（Ｓ１０）。具体的には、図２を参照して、互いに接合される第１の鋼板２１と第２の鋼板２２とが準備される。このとき、第１の鋼板２１および第２の鋼板２２のうち、少なくとも一方は、接合部の光沢を確保することが難しい亜鉛めっき鋼板であってもよい。具体的には、たとえば第１の鋼板２１および第２の鋼板２２の両方が亜鉛めっき鋼板であってもよいし、一方が亜鉛めっき鋼板であり、他方がＪＩＳ規格ＳＰＣＣ鋼板、ステンレス鋼板などの亜鉛めっき鋼板以外の鋼板であってもよい。また、第１の鋼板２１および第２の鋼板２２の両方がＪＩＳ規格ＳＰＣＣ鋼板、ステンレス鋼板などの亜鉛めっき鋼板以外の鋼板であってもよい。第１の鋼板２１および第２の鋼板２２の少なくとも一方、あるいは両方の厚みは０．８ｍｍ以下とすることができ、０．６ｍｍ以下としてもよい。

準備された第１の鋼板２１と第２の鋼板２２とは、第１の鋼板２１の一方の主面２１Ａの一部と第２の鋼板の一方の主面２２Ａの一部とが互いに対向するように、互いの一部が重なるように配置される。

次に、図１を参照して、銅を主成分とする合金（銅合金）からなるろう材であるワイヤ、たとえばＣｕＳｉ３系ワイヤと第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にアークが形成される（Ｓ２０）。具体的には、図２を参照して、銅合金からなるワイヤ１２は、ノズル１１内を通るように保持され、その端部がノズル１１の端部１１Ａから露出している。このワイヤ１２は、プラス側電極（図示しない）に接続されている。一方、第１の鋼板２１および第２の鋼板２２は、マイナス側電極（図示しない）に接続されている。そして、このプラス側電極とマイナス側電極との間に電圧が負荷されることにより、ワイヤ１２と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にアークβが形成される。このとき、ノズル１１の端部からは、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなるＭＩＧブレージング用シールドガスαが矢印に沿って供給される。このシールドガスにより、接合部が空気に触れることが抑制される。そして、形成されたアークβの熱によってワイヤ１２が溶融し、接合部にろう材である銅合金が供給される。接合部に供給された銅合金はビード３１を形成する。接合部に供給された銅合金は、図２に示すように、毛細管現象により第１の鋼板２１と第２の鋼板２２との隙間に侵入する。

次に、ノズル１１を所望のビード３１を形成すべき領域の形状に沿って移動させ、所望の部位にろう材を供給する（Ｓ３０）。これにより、接合されるべき領域に沿ってビード３１が形成される。

次に、電極間に負荷された電圧が解除され、ろう材の供給が止まるとともに、供給されたろう材が冷却されて凝固する（Ｓ４０）。これにより、第１の鋼板２１と第２の鋼板２２とが接合される。以上の手順により、本実施の形態におけるＭＩＧブレージングが完了する。

本実施の形態のＭＩＧブレージングでは、シールドガスとして、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる、ＭＩＧブレージング用シールドガスが使用される。そのため、接合部であるビード３１における欠陥を抑制しつつ光沢を確保することができる。その結果、ビードが美観に優れたものとなるだけでなく、塗装などの後工程を容易に実施することが可能となる。

Ａｒ（アルゴン）、Ｈ_２（水素）およびＨｅ（ヘリウム）を種々の割合で混合した混合ガスを準備し、これをシールドガスとして用いた場合の接合部（ビード）の状態を調査する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。

まず、厚み０．８ｍｍの２枚の亜鉛めっき鋼板（ＧＡ鋼板）を準備し、上記図２の場合と同様に互いの一部が重なるように配置した。そして、入力電流１１０Ａ、入力電圧１３．０Ｖの条件でＭＩＧブレージングによる接合を実施した。接合は、溶接機である株式会社安川電機製ＥＬ−３５０ＩＩＩ（短絡制御機能あり）を用いて実施した。また、ワイヤ（ろう材）は、ＣｕＳｉ３系ワイヤとして、ＢｅｒｋｅｎｈｏｆｆＧｍｂＨ社製のｂｅｒｃｏｗｅｌｄ（Ｒ）Ｓ３（ＣｕＳｉ３Ｍｎ、ワイヤ径１．０ｍｍ）を採用した。そして、Ｈ_２を０体積％に固定し、ＨｅとＡｒとの割合を変化させた混合ガスをシールドガスとしてＭＩＧブレージングによる接合を実施した。その後、得られたビードを観察し、その状態（仕上がり状態）を調査した（実験１）。また、同様の条件において、混合ガスに１〜７体積％のＨ_２を添加した混合ガスをシールドガスとした場合についても、同様に仕上がり状態を調査した（実験２）。さらに、同様の条件において、鋼板としてＪＩＳ規格ＳＰＣＣ材からなる鋼板、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４３０材からなる鋼板を用いた場合についても、同様に仕上がり状態を調査した（実験３）。実験１、２および３の結果を、それぞれ表１、２および３に示す。また、実験２において実施したＨｅを７体積％とした場合のビードの写真を図３〜図８に示す。

表１〜表３の結果の欄において、ビードの表面が光沢を有し、良好な仕上げ状態が得られたものをＡ、ビードの一部にわずかに黒くなった部分が存在するものの、許容可能な仕上げ状態が得られたものをＢと評価した。また、ビードの一部が黒くなっている、あるいはスパッタの発生が多く、許容可能な仕上げ状態が得られなかったものをＣ、ビード全体が黒くなったもの、ビードが蛇行したもの、ビードの一部に欠陥が発生したものをＤ、架橋（接合）できなかったもの、明確な欠陥が発生したものをＥと評価した。また、表３の鋼材の欄には、鋼板の厚みを表記した。

表１を参照して、水素を含まないヘリウムとアルゴンとの混合ガスをシールドガスとして用いた実験１では、混合ガスの組成を調整することにより仕上がり状態の改善は見られるものの、満足な仕上げ状態は得られなかった。

一方、水素を添加した実験２では、混合ガスの組成を調整することにより、満足な仕上げ状態（ＡまたはＢの評価）が得られた。具体的には、ヘリウムを７体積％とし、水素を１〜６体積％の範囲で変化させ、残部をアルゴンとした場合、水素を１体積％とすると、ビードの光沢が失われ、その一部に黒くなった部分が見られた（図３参照）。水素を２体積％とすると、ビードの一部にわずかに黒い部分が見られたものの、ビード全体に光沢が得られ、許容可能な仕上げ状態が得られた（図４参照）。さらに、水素を３体積％、または４体積％とした場合、ビード全域にわたって光沢が得られ、良好な仕上げ状態となった（図５および図６参照）。また、水素を５体積％とした場合、ビードの一部に欠陥（ブローホール）が生じた（図７参照）。さらに、水素を６体積％とした場合、ビードに明確な欠陥が発生した（図８参照）。

そして、同様にヘリウムが２０〜５０体積％の場合において水素の割合を変化させた場合についても検討した結果、表２の結果が得られた。表２を参照して、ヘリウムを７体積％以上３０体積％以下とした場合、水素を２体積％以上４体積％以下とし、ヘリウムを２０体積％以上３０体積％以下とした場合、水素を２体積％以上５体積％以下とし、残部をアルゴンとすることにより、ビードの欠陥を抑制しつつ光沢を確保することができた（評価ＡまたはＢ）。このことから、７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる混合ガスをシールドガスとして用いることにより、接合部（ビード）の欠陥を抑制しつつ光沢を確保できることが確認された。

さらに、表３を参照して、ＧＡ鋼板（亜鉛めっき鋼板）以外の鋼板を用いた場合でも、本発明の範囲外のシールドガス（水素１体積％）を用いた場合にはビードが黒くなって良好な仕上げ状態が得られなかったのに対し、本発明のシールドガス（水素３体積％）を用いた場合、ビード部が光沢を有する良好な仕上げ状態が得られることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のＭＩＧブレージング用シールドガスは、銅を主成分とする合金からなるろう材を用いた鋼材のＭＩＧブレージングに、特に有利に適用され得る。

１１ノズル、１１Ａ端部、１２ワイヤ（ろう材）、２１第１の鋼板、２１Ａ主面、２２第２の鋼板、２２Ａ主面、３１ビード、α ＭＩＧブレージング用シールドガス、β アーク。

Claims

銅を主成分とする合金からなるろう材を用いた鋼材のＭＩＧブレージングに使用されることにより接合部の光沢を確保することが可能なＭＩＧブレージング用シールドガスであって、
７体積％以上２０体積％未満のヘリウムと２体積％以上４体積％以下の水素とを含有し、または２０体積％以上３０体積％以下のヘリウムと２体積％以上５体積％以下の水素とを含有し、残部がアルゴンからなる、ＭＩＧブレージング用シールドガス。
前記鋼材は、厚み０．８ｍｍ以下の鋼板である、請求項１に記載のＭＩＧブレージング用シールドガス。
前記鋼材には、亜鉛めっきが施されている、請求項１に記載のＭＩＧブレージング用シールドガス。
大気圧よりも高い圧力で容器内に封入されている、請求項１に記載のＭＩＧブレージング用シールドガス。