JPH07251292A - 高張力鋼用のマグ及びパルスマグ溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 短絡移行現象を起こさず、溶滴移行現象を安
定化させることができて、スパッタ発生が極めて少な
く、しかも溶接金属の強度も確保し得る高張力鋼用ガス
シールドアーク溶接用ワイヤを提供する。 【構成】 Ｃ：０.０５〜０.１５％、Ｓi：０.１〜０.
８％、Ｍn：１.０〜２.０％、Ｔi：０.０１〜０.２５
％、Ｍo：０.１〜０.９％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：
０.０３０％以下を含み、必要に応じて、更にＣr：０.
８０％以下、Ｎi：３.５％以下の１種又は２種を含み、
残部がＦeと不可避的不純物からなる高張力鋼用マグ及
びパルスマグ溶接用ワイヤであって、不可避的不純物
中、Ｏ(酸素)、Ｎ(窒素)が合計で８０ppm以下であり、
更にカリウム化合物をＫ換算で溶接ワイヤ全量当たり
０.２〜１０ppmの量で溶接ワイヤ表面層近傍に存在させ
たことを特徴とする高張力鋼用のマグ及びパルスマグ溶
接用ソリッドワイヤである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａrなどの不活性ガス
を主とした混合ガスをシールドガスとして用いるガスシ
ールドアーク溶接用ワイヤであって、高張力鋼を溶接す
るに当たり、スパッタ発生量が少なく、インバータ制御
及びパルス電源を用いるガスシールドアーク溶接法に適
用され、高速溶接も可能な溶接用ソリッドワイヤに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】Ａr、
ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｈeなどの単体或いは混合ガスをシールド
ガスとして用い、比較的細径の電極(溶接ワイヤ)を連続
的に送給して行なう溶接法、すなわち、ガスシールドア
ーク溶接法は、高能率な溶接が可能であること、及び自
動化し易い溶接法であることなどから、ロボットを使う
溶接に多く用いられている。

【０００３】また、このガスシールドアーク溶接法のう
ち、Ａr、Ｈeなどの不活性ガスを７０〜９０vol％と
し、残りをＣＯ₂、Ｏ₂とした２元、３元、４元系混合ガ
スをシールドガスとして用いる溶接法は、ＣＯ₂だけを
用いる場合に比べて、アークの安定性が良好でスパッタ
の発生が少ないが、低スパッタとなるための溶接電流域
に制限があり、低溶接電流ではＣＯ₂ガスを用いる場合
と同様にスパッタが発生する。

【０００４】この低電流領域でのスパッタ改善を目的と
したパルスマグ溶接法も提案されている。パルスマグ溶
接法は、高電流と低電流を交互に流し、高電流期間に溶
接ワイヤ先端に溶滴を形成させ、低電流期間に溶滴を溶
接ワイヤ先端から離脱させて被溶接物(以下、「母材」
と記す)の溶融池に移行させて溶接する方法である。

【０００５】この時、１回のパルス電流(高電流期間)で
形成された溶滴がこれに続く低電流期間に移行(これを
１パルス１溶滴移行という)する現象が継続的に行なわ
れれば、スパッタは発生しない。

【０００６】しかし、溶滴の形成と離脱は、溶接電流・
電圧のパルス条件の他に、溶接ワイヤの主要成分や不純
物によって決まる溶滴の物性に大きく影響を受けるの
で、１パルス１溶滴移行が必ずしも継続的に行なわれる
わけではない。低電流期間での離脱に失敗すると、次の
高電流期間に離脱したり、複数のパルス電流(高電流)の
ために溶滴が大きく成長して母材の溶融池と短絡したり
する。

【０００７】高電流期間に離脱すると、その強いアーク
のために溶滴がスパッタとなって吹き飛ばされ、また短
絡しても短絡が破れて再びアークが発生するときのアー
クの反発力で溶滴や溶融池が飛び散ってスパッタとな
る。

【０００８】一方、主に自動車などでは軽量化の思想が
進み、ＨＴ鋼材の使用が多くなる。ＨＴ材用の一般的な
マグ溶接用ワイヤは、比較的低速度(３０〜６０cm／mi
n)で溶接が行われている。これらのワイヤを用いて高速
溶接を行おうとするとスパッタが多く発生するという問
題がある。

【０００９】これらの問題に対し、例えば、パルスマグ
溶接法の短絡現象に着目し、溶接ワイヤ成分を調整して
短絡時に発生するスパッタ量を抑える技術が提案されて
いるが(例えば、特開昭６２−２９６９９３号)、短絡現
象が起きる以上、スパッタの発生は根本的には解決され
ず、また、これらの成分のワイヤは、軟鋼用であって、
ＨＴ鋼用としては強度不足で、用いることができない。

【００１０】本発明は、前述した従来技術の問題点を解
決し、短絡移行現象を起こさず、溶滴移行現象を安定化
させることができて、スパッタ発生が極めて少なく、し
かも溶接金属の強度も確保し得る高張力鋼用ガスシール
ドアーク溶接用ワイヤを提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために鋭意研究した結果、スパッタの発生は
溶滴と溶融池が短絡する以上避けることのできない現象
であることを認めつつ、この短絡現象を起こさないよう
な特性を持つ溶接ワイヤで、添加元素を限定し、溶滴移
行現象を安定化させ、かつ、溶接金属の強度が５７０Ｍ
Ｐa以上の強度を確保し得る溶接ワイヤを見出した。

【００１２】すなわち、本発明は、Ｃ：０.０５〜０.１
５％、Ｓi：０.１〜０.８％、Ｍn：１.０〜２.０％、Ｔ
i：０.０１〜０.２５％、Ｍo：０.１〜０.９％、Ｐ：
０.０３０％以下、Ｓ：０.０３０％以下を含み、必要に
応じて、更にＣr：０.８０％以下、Ｎi：３.５％以下の
１種又は２種を含み、残部がＦeと不可避的不純物から
なる高張力鋼用マグ及びパルスマグ溶接用ワイヤであっ
て、不可避的不純物中、Ｏ(酸素)、Ｎ(窒素)が合計で８
０ppm以下であり、更にカリウム化合物をＫ換算で溶接
ワイヤ全量当たり０.２〜１０ppmの量で溶接ワイヤ表面
層近傍に存在させたことを特徴とする高張力鋼用のマグ
及びパルスマグ溶接用ソリッドワイヤを要旨としてい
る。

【００１３】

【作用】以下に本発明を更に詳述する。

【００１４】高張力鋼用の溶接ワイヤの性能としては溶
接金属の強度が５７０ＭＰa以上が不可欠である。一般
的に、強度を上げようとするとＣ、Ｓi、Ｍn、Ｎi、Ｃr
等の添加が行われているが、これらの添加は溶滴の表面
張力に影響を及ぼし、スパッタの発生の原因となる。そ
こで、種々の実験を行った結果、Ｍoの添加が溶滴の表
面張力に影響を及ぼさずに溶滴移行を安定させて、強度
の向上に寄与することを見い出した。

【００１５】一方、施工法上の特徴から考えると、マグ
及びパルスマグ溶接法での問題点を解決するポイント
は、短いアーク長さの溶接条件でも溶滴と溶融池とが短
絡しないようにすることである。

【００１６】すなわち、アークが長い条件域では物理的
にワイヤ先端と溶融池との距離も長いので、短絡現象そ
のものは発生しにくいが、短いアーク長さの条件域で
は、溶滴の形成・離脱現象に僅かな不安定状態があって
も短絡を生じさせるからである。アークの長さは、マク
ロ的には溶滴が離脱した後の溶接ワイヤ先端と溶融池と
の距離に依存しているので、溶滴はできるだけ小さい方
が、より短いアーク長さを設定できることになる。

【００１７】本発明者らは、上記のポイントに着目し、
種々の成分系の溶接ワイヤを用いて、溶接実験を行い、
この溶滴移行特性を高速度カメラによる直接観察によっ
て求め、短いアーク長さでも溶滴が溶融池と短絡するこ
とのないマグ及びパルスマグ溶接用鋼ワイヤのＣ、Ｓ
i、Ｍn、Ｔi、Ｍoの各主要成分とＯ、Ｎ等の不可避的不
純物成分及び溶接ワイヤ表面に塗布する成分の影響を検
討した。

【００１８】その狙いとするところは、従来は短絡現象
に対してその短絡状態を溶接ワイヤで調整することによ
ってスパッタの低減を図ったのに対し、本発明では短絡
現象そのものを可能な限り起こさないようにしてスパッ
タの発生を防止することにある。

【００１９】パルスマグ溶接においては、パルス電流供
給期間に溶接ワイヤ先端に溶滴が形成され、低電流期間
に離脱することが、安定した溶滴移行となる条件であ
り、スパッタ発生防止のために必要である。

【００２０】ここで、溶接ワイヤのＣ含有量と溶滴特性
について調べたところ、次のような結果を得た。図２は
溶接ワイヤ中のＣ含有量だけを変化させた溶接ワイヤに
ついて、表１に示す溶接条件でパルスマグ溶接したとき
の、パルス電流供給期間のピーク電流保持時間開始から
溶滴が離脱するまでの時間を、高速度カメラ(２０００
コマ／秒)で観察して測定した結果を示したものであ
る。

【００２１】図２に示すように、Ｃ含有量が少ないほど
溶滴の離脱時間が長くなっていることがわかる。この現
象は高速度カメラによって撮影された映像にも現れてい
る。すなわち、溶滴が離脱する時に溶滴と未溶融ワイヤ
との間にできるくびれ部分が、Ｃ含有量が少ないほど破
断しにくく、離脱しないで長く伸びる現象が認められた
(図３参照)。

【００２２】この理由は、Ｃは溶滴中の酸素(Ｏ)と結合
し、脱酸元素としての作用を有しているので、Ｃ含有量
が少なくなると、溶滴中のＯ量が相対的に増加するもの
と考えられる。溶鋼中のＯ量の増加が、その表面張力を
低下させるということは知られていることである。溶滴
のくびれの部分に作用する表面張力は、溶滴を離脱させ
る方向に働くので、表面張力の低下はマグ溶接の溶滴離
脱にとった好ましい方向ではない。

【００２３】つまり、Ｃは、マグ溶接において、その溶
滴離脱現象を左右する元素であり、他の元素も含めた化
学成分によって決まる溶滴の物性(表面張力)によって、
最適な含有量の範囲があることを見い出した。

【００２４】同様に、脱酸元素であるＳi、Ｍn、Ｔi
や、Ｍoの主要成分とＯ、Ｎの不純物、表面付着物であ
るカリウム化合物について種々の含有量、付着量を持っ
た溶接ワイヤを試作し、溶接金属の強度が５７０ＭＰa
以上で、溶滴の形成・離脱現象を比較して、安定した溶
接が可能となる最適な含有量範囲を検討した。

【００２５】また、Ｃr、Ｎiについても同様な実験を行
い、これらの添加によって特に低スパッタワイヤとして
の特性を保持しつつ、溶着金属の性能が良好な含有成分
範囲を検討した。

【００２６】以上の検討の結果、ここに高張力鋼用とし
て最適な溶接用ワイヤを完成したものである。次に本発
明における溶接ワイヤの化学成分の限定理由について説
明する。

【００２７】Ｓi：Ｓi含有量が多くなると溶滴離脱のた
めに重要な現象であるところのくびれ部分そのものがで
きにくくなり、形成から離脱までの時間が非常に長くな
るため、その上限を０.８％とする。また、０.１％未満
では、脱酸不足となって溶接ビードにピット、ブローホ
ールなどの欠陥が生じるので、これを下限とする。より
好ましい範囲は０.１〜０.６％である。

【００２８】Ｃ：Ｃも前述のように溶滴の離脱現象に影
響を与え、短絡現象のないマグ溶接を実現する上で重要
な元素である。しかし、その含有量が少ないとくびれ部
分の形成は容易であるが離脱するための時間を必要とす
るようになるので、Ｃ含有量の下限は０.０５％とす
る。また、Ｃは溶接部を硬化させ、継手の強度を高める
元素であるが、特に高速溶接においては高温割れを誘発
するので、０.１５％を上限とする。より好ましい範囲
は０.０７〜０.１２％である。

【００２９】Ｍn：Ｍnについては脱酸元素でもあり、Ｓ
iと同様の影響を溶滴や溶融池の物性に与えるが、２.０
％を超えると溶滴の離脱が困難になって時間を要する。
また１.０％未満では、溶滴離脱性の改善のためにＳi量
を低レベルに抑えていることと相俟って脱酸不足となっ
て溶接ビードに欠陥を生じ。より好ましい範囲は１.０
〜１.５％である。

【００３０】Ｔi：Ｔiも強力な脱酸元素である。前述し
たように、溶滴離脱性を改善するためにＳi量を抑えた
結果、ブローホールの発生を改善するためにはＭnだけ
の脱酸では不十分であり、Ｔiを添加する必要がある。
その含有量は、０.２５％を超えると溶滴の離脱を阻害
し、逆に０.０１％未満では、無添加の場合と同様、ブ
ローホール等の脱酸不足による欠陥を生じる。より好ま
しい範囲は０.０１〜０.０８％である。

【００３１】Ｍo：Ｍoは溶滴の表面張力に影響を及ぼさ
ずに溶接金属の強度を上げるための元素である。更に
は、Ｍo添加により、溶滴形成性が良くなり、移行が安
定し、低スパッタ化への効果も大きい。しかし、０.１
％未満では溶接金属の強度が不足し、また、０.９％を
超えると強度が過度に大きくなる。より好ましい範囲は
０.２〜０.５％である。

【００３２】Ｃr：Ｃrは溶接金属の強度に大きく影響を
及ぼすと同時に溶滴の表面張力にも影響を及ぼすが、Ｍ
oが添加されていればその影響は低減されるので、必要
に応じて添加する。添加する場合、０.８％を超えると
溶滴移行が不安定となりスパッタが多く発生するように
なるため、０.８％以下とする。

【００３３】Ｎi：Ｎiは、Ｃrと同様の効果があり、必
要に応じて添加する。スパッタ発生を伴わない添加量の
上限は、３.５％である。なお、Ｃrと共存させた場合で
もその影響は変化がない。

【００３４】Ｓ、Ｐ：Ｓ及びＰは、溶接ビード止端部の
なじみに良い影響を及ぼすが、あまり多くなると結晶粒
界に過度に析出し靭性を低下させる恐れがあるため、そ
れぞれ０.０３０％以下とする。

【００３５】Ｏ、Ｎ：Ｏ、Ｎは溶滴の表面張力を低下さ
せる元素として知られるが、多すぎると溶滴形成から離
脱まで時間がかかり、かつ溶滴の離脱が不安定となるた
め、その含有量をそれぞれ８０ppm以下とする。また、
Ｓi含有量を低レベルに抑えてあるので、Ｏ、Ｎがそれ
ぞれ８０ppmを超えるとブローホールが発生し易くな
る。

【００３６】Ｋ：Ｋ化合物はワイヤの表面層近傍に存在
させることが重要で、電位傾度を下げる効果がある。し
かし、Ｋ換算で０.２ppm未満では効果が現われない。ま
た、添加量が１０ppmより多いと電離電圧が低くなりす
ぎて、電圧変動に対してアーク長の変動が大きくなりす
ぎ、実用上問題がでる。より好ましい範囲は０.５〜５.
０ppmである。

【００３７】Ｋ化合物としては種々の化合物が可能であ
り、例えば、ステアリン酸カリ、炭酸カリを含むカリ石
けんや、分散させた潤滑油、銅メッキ中のシアン化カ
リ、ピロリン酸カリなどである。これらのＫ化合物は単
独で或いは適当な溶媒を用いて塗布、付着等々の方法に
よってワイヤ表面層近傍に存在させることができる。ワ
イヤ表面層とは、鋼素地表面、銅めっき層、銅めっき層
表面のことである。勿論、銅めっきを施さない場合には
ワイヤ素地上である。

【００３８】なお、Ｂ、Ｖ、Ｚrは、溶接金属の強度向
上に大きく寄与するので、それらの１種又は２種以上を
適量にて含有させてもよい。その場合、これらは同時に
溶滴の表面張力にも大きく影響を及ぼすので、それぞれ
０.１％以下が適当である。

【００３９】本発明ワイヤは高張力鋼、特にＨＴ６０、
ＨＴ７０鋼に適用した場合に好結果が得られる。

【００４０】次に本発明の実施例を示す。

【００４１】

【実施例】表３及び表４に示す溶接ワイヤを試作し、表
２の溶接条件で溶接試験を行った。溶接試験結果(最適
パルス周波数Ｆcr、溶接状態、継手強度)を表３及び表
４に併記する。なお、Ｆcrは、その試作溶接ワイヤを用
いた時の１パルス１溶滴移行となる最適なパルス周波数
であり、この値の大きい方が良い。

【００４２】表３及び表４より明らかなように、本発明
例の溶接ワイヤによれば、溶滴移行が安定したためにス
パッタ発性が殆どなく、良好な溶接状態が得られ、しか
も継手強度も充分に確保されブローホール(ＢＨ)等の溶
接欠陥も認められなかった。

【００４３】これに対し、比較例の溶接ワイヤでは、殆
どの試験例でスパッタが多発した。一部の試験例で溶接
状態が良好であってがＭo無添加のため強度不足であっ
た。

【００４４】また、本発明による溶接ワイヤの低スパッ
タ効果を確認するために、上記の試作溶接ワイヤを用い
溶接電圧を低くしてアーク長さを短くした状態でのスパ
ッタ発生量を調査した結果を図４に示す。本発明の化学
組成を持つ溶接ワイヤではアークを短くしても溶滴と溶
融池が短絡することなく、スパッタ発生量が少なくなっ
ている。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の溶接ワイ
ヤによれば、高張力鋼の溶接に当たり、スパッタ発生量
が少なく、継手強度も確保でき、拘束溶接も可能であ
る。インバータ制御及びパルス電源を用いるガスシール
ドアーク溶接法に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】基礎実験でのパルス条件を説明する図である。

【図２】ピーク電流値保持開始から溶滴が離脱するまで
の時間と溶接ワイヤ中のＣ含有量との関係を示す図であ
る。

【図３】（ａ）、（ｂ）は溶滴が離脱する時に溶滴と未
溶融ワイヤとの間にできるくびれ状態を異なるＣ含有量
について示す説明図である。

【図４】実施例で試作した溶接ワイヤについてスパッタ
発生量と溶接電圧(ワイヤ早急速度７m／min)との関係を
示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で(以下同じ)、Ｃ：０.０５〜０.
   １５％、Ｓi：０.１〜０.８％、Ｍn：１.０〜２.０％、
   Ｔi：０.０１〜０.２５％、Ｍo：０.１〜０.９％、Ｐ：
   ０.０３０％以下、Ｓ：０.０３０％以下を含み、残部が
   Ｆeと不可避的不純物からなる高張力鋼用マグ及びパル
   スマグ溶接用ワイヤであって、不可避的不純物中、Ｏ
   (酸素)、Ｎ(窒素)が合計で８０ppm以下であり、更にカ
   リウム化合物をＫ換算で溶接ワイヤ全量当たり０.２〜
   １０ppmの量で溶接ワイヤ表面層近傍に存在させたこと
   を特徴とする高張力鋼用のマグ及びパルスマグ溶接用ソ
   リッドワイヤ。
2. 【請求項２】 更に、Ｃr：０.８０％以下、Ｎi：３.５
   ％以下の１種又は２種を含有している請求項１に記載の
   ソリッドワイヤ。