JP2001096392A

JP2001096392A - 薄鋼板のアーク溶接用ソリッドワイヤ及びそれを用いた溶接方法

Info

Publication number: JP2001096392A
Application number: JP27200399A
Authority: JP
Inventors: Hatsuhiko Oikawa; 初彦及川; Masahiro Obara; 昌弘小原; Ryuichi Shimura; 竜一志村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】薄鋼板のアーク溶接において、溶け落ちを防
ぎ、高い継手強度を得ることが可能なアーク溶接法を提
供する。【解決手段】成分、比抵抗、直径を規定した薄鋼板の
アーク溶接用の耐溶け落ち性に優れたワイヤおよびそれ
を用いることにより溶接部の溶け落ちを防止する耐溶け
落ち性に優れた薄鋼板のアーク溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の車体の軽
量化などを目的として板厚を低減した薄鋼板のアーク溶
接方法と、それに用いるアーク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】近年、大気中でのＣＯ₂の増加による地
球の温暖化が環境問題として大きく取り上げられるよう
になり、自動車、鉄道車両、船舶などを軽量化し、ＣＯ
₂の排出量を軽減させようという動きがある。このよう
な動きに対応して、自動車分野では、高強度鋼板を用い
ることにより鋼板の板厚を低減し、車体の重量を低減さ
せようという試みがなされている。また、多くの自動車
部品は、フランジを溶接することに組み立てられている
が、フランジの存在は車体の重量増加をもたらす。そこ
で最近、このフランジをなくすために、自動車部品を静
水圧によって成型し製造しようという試みが成されてい
る。静水圧によって成型された部品（ハイドロフォーム
部品）では、多くの場合、重量を低減させるために板厚
の薄い鋼板が使われている。このように、自動車分野で
は、車体重量軽減のために薄板化が進行しており、今
後、薄板の適用は拡大するものと考えられる。

【０００３】一方、従来、自動車の組立行程では、スポ
ット溶接やシーム溶接などの抵抗溶接が主に使われてお
り、薄鋼板の溶接でもこれらの溶接法が主に使われてい
る。しかし、最近、衝突安全性向上の観点から、強度や
剛性を必要とする部位では直線的な溶接が必要となり、
この場合には、アーク溶接やレーザー溶接を使うことが
検討されている。アーク溶接は、溶接部の品質が良好で
あるため、信頼性有る溶接法として、従来より様々な分
野で用いられている。また、片面からの溶接が可能であ
るため、閉断面構造部材の溶接でも有利である。さら
に、レーザー溶接に比べて、装置コストが安いというメ
リットもある。

【０００４】車体をアーク溶接する場合には、主にＭＡ
Ｇ溶接が使われている。これはＴＩＧ溶接に比べて高速
溶接が可能だからである。従来、車体でアーク溶接が使
われる部位は足廻りやシャーシなど、板厚が１．６ｍｍ
以上の鋼板を使用している部位がほとんどであった。こ
れは、アーク溶接では入熱量が高いため、板厚が１．６
ｍｍ以下の鋼板を溶接すると、溶け落ちが起こりやすく
なるからである。しかし最近では、電源の制御技術の進
歩によって、板厚が１．６ｍｍ以下の鋼板でもアーク溶
接することが可能になってきている。最近、自動車分野
でも、板厚が０．６〜１．０ｍｍ程度の鋼板が使用され
つつあり、これらの鋼板の溶接にもアーク溶接が適用さ
れつつあるが、この板厚領域、特に、板厚が０．６〜
０．８ｍｍ程度の鋼板のアーク溶接では、溶け落ちが起
こりやすくなり、特に、板間にギャップが存在する場合
には、溶け落ちが顕著になり、大きな問題となってい
る。

【０００５】板厚０．６〜０．８ｍｍ程度の薄鋼板を、
溶け落ちさせることなくアーク溶接する方法としては、
例えば、溶接学会全国大会講演概要第６２集（１９９
８）のｐ．７６〜ｐ．７７にあるように、交流のアーク
溶接電源を用い、板厚０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板（目
付量：６０／６０ｇ／ｍ²）同士をアーク溶接する方
法が知られている。この溶接では、電極となるワイヤと
鋼板の極性が周期的に変わるため、これによって鋼板の
溶け込みが制御され、板間に２．０ｍｍのギャップが存
在しても溶け落ちが防止される。しかし、この方法で
は、溶接速度が通常の溶接の１／３〜１／６と低いた
め、効率が悪いという問題がある。また、特殊な溶接電
源を必要とし、かつ、この方法で使用する交流電源の値
段は、通常使用されている直流電源の３倍程度と、コス
ト的にも問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、板厚０．５〜０．８ｍｍの薄鋼板をアーク溶接する
際、交流電源などの特殊な電源を必要とせず、高速溶接
が可能で、かつ、ギャップが存在しても溶け落ちを防止
することが可能なアーク溶接方法とそれに用いる溶接用
ワイヤを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記で述べた課題を解決
するために、本発明者らは研究を重ねた結果、板厚が
０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の薄鋼板をアーク溶接す
る場合に、比抵抗が０．３０μΩ・ｍ以上０．４５μΩ
・ｍ以下で、直径が０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下のア
ーク溶接用ソリッドワイヤを用いることにより、薄鋼板
の溶け落ちを防止することが可能であることを見出し
た。

【０００８】ここに、本発明の要旨とするところは、板
厚が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の薄鋼板のアーク溶
接において、比抵抗が０．３０μΩ・ｍ以上０．４５μ
Ω・ｍ以下で、直径が０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下の
ソリッドワイヤを用いてアーク溶接を行うことにより、
耐溶け落ち性に優れたことを特徴とする薄鋼板のアーク
溶接方法、およびこれに使用するアーク溶接用ソリッド
ワイヤである。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、図面に基づいて、本発明に
かかる薄鋼板のアーク溶接方法について、作用とともに
具体的に説明する。図１は、本発明にかかるアーク溶接
方法の説明図であり、ＭＡＧ溶接で薄鋼板同士を溶接す
る方法について示している。図に示すように、ＭＡＧ溶
接すべき薄鋼板１同士を重ね合わせて重ね隅肉継手を作
製し、この重ね合わせた部分を溶接トーチ２からワイヤ
４を送給して隅肉溶接し、１パスでビード５（図２）を
形成する。

【００１０】本発明で用いるアーク溶接用ソリッドワイ
ヤ４としては、比抵抗の値が０．３０μΩ・ｍ以上０．
４５μΩ・ｍ以下で、直径が０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ
以下であることが必要である。一般に使用されている溶
接用ソリッドワイヤの比抵抗は０．２μΩ・ｍ程度であ
るが、このように比抵抗の値が高いアーク溶接用ソリッ
ドワイヤを用いるのは、トーチ先端のワイヤ突出部にお
けるジュール発熱量を高めるためである。また、細径の
アーク溶接用ソリッドワイヤを用いるのは、アーク溶接
時におけるワイヤでの電流密度を高め、ジュール発熱量
を高めるためである。このような比抵抗の高いワイヤを
製造する方法としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎなど合金成分の
量を比較的多くすること、またダイスで伸線して加工硬
化した状態を維持するように焼鈍をやめたり焼鈍温度を
低くするなどの手段が用いられる。

【００１１】一般的に、トーチ先端のワイヤ突出部にお
けるジュール発熱量Ｑは、以下の式で表される。Ｑ＝Ｒ・Ｉ²＝ρ・Ｌ・Ｉ²／Ａ＝４・ρ・Ｌ・Ｉ²／
π・Ｄ² ただし、Ｑ：ワイヤ突出部でのジュール発熱量、Ｒ：電気抵抗、
Ｉ：溶接電流、ρ：比抵抗、Ｌ：ワイヤ突出部の長さ、
Ａ：ワイヤの断面積、Ｄ：ワイヤの直径

【００１２】アーク溶接時におけるワイヤの溶融量は、
トーチ先端のワイヤ突出部におけるジュール発熱量Ｑに
比例するから、上記の式より、ワイヤの比抵抗の値ρが
大きく、直径の値Ｄが小さいほど、アーク溶接時のワイ
ヤ溶融量が増加する。したがって、比抵抗の値が高く、
直径が小さいワイヤを用いることにより、投入された熱
がかなりの割合でワイヤの溶融に費やされ、ワイヤの溶
融が促進される。またこの際、ワイヤの溶融に費やされ
た分だけ鋼板への入熱量が低下して鋼板の溶融が制限さ
れる。その結果、薄鋼板では溶け落ちが防止されやすく
なるのである。特に、鋼板間にギャップが存在する場合
には、ギャップを溶着金属によって埋めるために溶接電
流を増加させなければならないが、この場合には、入熱
量が増加するために鋼板は溶け落ちやすくなる。しか
し、上記のワイヤを用いれば鋼板の溶け込みは制限さ
れ、かつ、ワイヤの溶融量（溶着金属）は増えるため、
鋼板間にギャップが存在していても鋼板の溶け落ちを生
じさせることなく、アーク溶接を行うことが可能になる
のである。

【００１３】比抵抗が高いアーク溶接用ソリッドワイヤ
を用いてアーク溶接を行う方法としては、例えば、特開
平３−５２７９５号報にあるように、比抵抗の高いアー
ク溶接用ソリッドワイヤを用いて、効率良くアーク溶接
を行う方法や、特開平７−２６６０８１号報にあるよう
に、比抵抗の高いアーク溶接用ソリッドワイヤを用い
て、入熱量を下げて亜鉛めっき鋼板をアーク溶接する方
法が知られている。しかし、これらの方法は、アーク溶
接の効率を上げるためや、ブローホール、ピットの低減
を目的としたものであり、薄鋼板の溶け落ちを防止する
ことを目的としたものではない。また、これらのアーク
溶接方法では、直径が１．２ｍｍのアーク溶接用ワイヤ
を用いているが、薄鋼板のアーク溶接で溶け落ちを防止
するためには、アーク溶接用ワイヤの比抵抗を高くする
だけでなく、一般の溶接用ソリッドワイヤの最も細径な
ものである１．０ｍｍよりさらに細径にすることが必要
であり、直径１．２ｍｍのワイヤを用いたのでは、本発
明の目的を達成できないのである。

【００１４】ワイヤの成分としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを
合金成分として含有し、残部がＦｅと不純物からなり、
かつ、比抵抗が上記の範囲であるならば、特にこだわる
ものではなく、鋼板の成分に適しており、かつ、溶接部
で鋼板より高い引張強さが得られるものであればどのよ
うなものでも良い。

【００１５】ワイヤの比抵抗を０．３０μΩ・ｍ以上と
したのは、それ以下の比抵抗ではジュール発熱量が低下
してワイヤの溶融が促進されなくなり、鋼板が溶け落ち
やすくなるからである。ワイヤの比抵抗を０．４５μΩ
・ｍ以下としたのは、それ以上の比抵抗ではジュール発
熱量が増加しすぎて、ワイヤの溶融が過大に促進され、
ワイヤから鋼板への溶滴移行がスムースにいかなくなる
からである。

【００１６】ワイヤの直径を０．５ｍｍ以上としたの
は、それ以下の直径ではワイヤの溶融が促進され過ぎて
ワイヤから鋼板への溶滴移行がスムースにいかなくな
り、また、ワイヤの送給中に座屈が起こりやすくなっ
て、アーク溶接が中断するという問題が生じるからであ
る。ワイヤの直径を０．９ｍｍ以下としたのは、それ以
上の直径では電流密度が低下しすぎて鋼板が溶け落ちや
すくなったり、アークが不安定なるという問題が生じる
からである。なお、上記板厚範囲の薄鋼板をアーク溶接
するためには、溶け落ちを防止するために溶接電流を低
く設定しなくてはならないが、この場合には、電流密度
が低下してアークが不安定になる。しかし、上記範囲の
直径のワイヤを用いれば、電流密度を高めに設定するこ
とが可能になるため、アークが不安定になるという問題
も解決される。

【００１７】なお、上記の式で示したように、トーチ先
端のワイヤ突出部におけるジュール発熱量Ｑは、ワイヤ
突出長さＬにも比例するため、ワイヤの溶融量を増加さ
せるためには、ワイヤ突出長さＬを増加させることも有
効である。しかし、ワイヤ突出長さＬを長くしすぎる
と、シールド不良となって溶接部で欠陥が多発したり、
溶滴移行が不安定になるという問題が生じるため、本発
明のアーク溶接法では、ワイヤ突出し長さを１０〜１５
ｍｍ程度にするのが望ましい。

【００１８】本発明のアーク溶接法としては、シールド
ガス５として、ＣＯ₂ガスまたはＡｒとＣＯ₂が混合さ
れたガスを用いるＭＡＧ溶接であれば良い。シールドガ
スとしては、いずれのガスを用いてもかまわないが、ス
パッターを出来るだけ低減させるためには、ＣＯ₂ガス
よりもＡｒとＣＯ₂が混合されたガスを用いた方が良
い。また、ＡｒとＣＯ₂が混合されたガスでは、組成は
特に問わないが、アークを安定化させ、スパッターを低
減させる意味から、１０〜３０％のＣＯ₂ガスが混合さ
れたＡｒガスを用いることが望ましい。ＭＡＧ溶接は、
電流一定の溶接であってもパルス溶接であっても、どち
らでも良い。

【００１９】本発明で用いる鋼板の板厚は、０．５〜
０．８ｍｍであることが必要である。鋼板の板厚を０．
５ｍｍ以上としたのは、これ以下の板厚では、本発明の
ワイヤを用いても、溶け落ちが起こりやすくなるからで
ある。鋼板の板厚を０．８ｍｍ以下としたのは、これ以
上の板厚では溶け落ちが起こりにくくなり、従来のアー
ク溶接法でも、十分に対応できるからである。鋼板の成
分としては、特に制限を設けるものではなく、軟鋼板で
あっても高強度鋼板で有っても良い。鋼板の製造法は、
特に制限を設けないが、一般的には、冷間圧延法で製造
される場合が多い。また、鋼板の表面にＺｎ系（Ｚｎ、
Ｚｎ−Ｆｅ、Ｚｎ−Ｎｉ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｍｇ）、
Ａｌ系（Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｍｇ、
など）、Ｐｂ系（Ｐｂ−Ｓｎ、など）、などのめっきが
施されていても良い。

【００２０】

【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。（実施例１）供試材料として、板厚が０．６ｍｍと０．
８ｍｍの軟鋼板（引張強さ：２９２ＭＰａ）を用いた。
これらの素材から、サイズが１００×３００ｍｍの試験
片を作製し、この試験片を、図１に示したように、同じ
板厚同士の組み合わせで３０ｍｍラップさせて重ね合わ
せ、長手方向にアーク溶接を行った。なお、試験片をラ
ップさせる場合には、鋼板間ギャップが０ｍｍの場合と
１．５ｍｍの場合の２種類について行った。

【００２１】溶接で用いたワイヤの種類、および溶接条
件を表１および表２に示す。なお、ワイヤ突出し長さは
１２ｍｍとした。表１および表２に示したように、シー
ルドガスとしてＡｒ＋２０％ＣＯ₂ガスとＣＯ₂ガスを
用い、溶接電源としてインバーター制御式のアーク溶接
電源を用い、電流一定の溶接またはパルス溶接を行っ
た。なお、溶接電流が低い場合には直径０．６ｍｍおよ
び０．８ｍｍのワイヤを、また、溶接電流が高い場合に
は直径１．２ｍｍのワイヤを用いた。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】アーク溶接後、それぞれの試験片のビード
外観を観察し、溶け落ちの有無を調査した。また、それ
ぞれの試験片から、ビードと垂直な方向に引張せん断試
験片（３０×１７０ｍｍ）を切り出し、図２に示したよ
うに、ＪＩＳ引張せん断試験法に基づいて、６の方向に
荷重をかけ、継手の引張せん断試験を行い、各試験片の
破断位置を調査した。それらの結果を併せて表１に示
す。

【００２５】表１に示したように、本発明の溶接ワイヤ
を用いた場合（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６）には、溶接法の
違いに関わらずいずれも溶け落ちは生じておらず、ビー
ド外観は良好であった。また、引張せん断試験を行った
結果、いずれの試験片でも図２の７で示した母材で破断
が生じていた。

【００２６】一方、本発明以外の溶接ワイヤを用いた場
合（Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．３２）には、いずれの場合にも
溶け落ちが生じており、ビード外観は極端に劣ってい
た。ビード外観を調査した結果、溶け落ちはギャップが
１．５ｍｍの場合の方が顕著であった。また、引張せん
断試験を行った結果、いずれの試験片でも図２の５で示
した溶接部で破断が生じていた。

【００２７】表１に示したように、溶け落ちは比抵抗の
値が高いアーク溶接用ワイヤを用いただけでは防ぐこと
ができず（Ｎｏ．２３〜Ｎｏ．２４）、本発明に規定さ
れた範囲の比抵抗と直径を有するワイヤを用いることに
よってのみ、溶け落ちを防ぐことが可能であった。引張
強さが３７０ＭＰａ、４４０ＭＰａ、５９０ＭＰａの高
強度鋼板で同様の実験を行ったが、結果は同じであっ
た。また、Ｚｎ、Ｚｎ−Ｆｅ、Ｚｎ−Ｎｉなどのめっき
が施されためっき鋼板についても実験を行ったが、結果
は同様であった。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明した通り、本発明によれば、
薄鋼板のアーク溶接において、溶け落ちを防ぐことが可
能になり、溶接部で高い継手強度（母材破断）を得るこ
とができる。したがって、軽量化を目的として使用され
る薄鋼板のアーク溶接が可能となることから、本発明の
実用上の意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄鋼板同士のＭＡＧ溶接を説明するための概略
図である。

【図２】引張せん断試験片を説明するための概略図であ
る。

【符号の説明】

１薄鋼板２溶接トーチ３シールドガス４溶接ワイヤ５溶接ビード６荷重をかける方向７母材の破断部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者志村竜一千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB08 CC04 DC01 EA04 4E081 YC01 YX15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板厚が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の
薄鋼板のアーク溶接に用いるソリッドワイヤにおいて、
比抵抗が０．３０μΩ・ｍ以上０．４５μΩ・ｍ以下
で、直径が０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下であることに
より、耐溶け落ち性に優れたことを特徴とするアーク溶
接用ソリッドワイヤ。
【請求項２】板厚が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の
薄鋼板のアーク溶接において、比抵抗が０．３０μΩ・
ｍ以上０．４５μΩ・ｍ以下で、直径が０．５ｍｍ以上
０．９ｍｍ以下のソリッドワイヤを用いてアーク溶接を
行うことにより、耐溶け落ち性に優れたことを特徴とす
る薄鋼板のアーク溶接方法。