JP2005230867A

JP2005230867A - プラズマアークハイブリッド溶接方法

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Publication number: JP2005230867A
Application number: JP2004043934A
Authority: JP
Inventors: Tokihiko Kataoka; 時彦片岡; Tomomasa Ikeda; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: JP4606751B2

Abstract

【要約】
【課題】ガスシールドアーク溶接法とプラズマ溶接法とを組み合わせて、高能率で優れたビード形状を得る溶接方法を提供する。
【解決手段】非溶極式のプラズマ溶接法と溶極式のガスシールドアーク溶接法を組み合わせて用いるプラズマアークハイブリッド溶接法において、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、かつプラズマ溶接法の電極とガスシールドアーク溶接法の電極との距離を50mm以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接法とプラズマ溶接法とを組み合わせて、高能率で優れたビード形状を得る溶接方法に関するものである。

ガスシールドアーク溶接法は、電極が溶けるか溶けないかによって、溶極式と非溶極式とに大別されている。さらに、鋼の溶極式ガスシールドアーク溶接法には、不活性ガスでアーク点をシールドするＭＩＧ溶接法と活性ガスでアーク点をシールドするＭＡＧ溶接法とに大別され、溶極として用いられる溶接ワイヤには、ソリッドワイヤとフラックスコアードワイヤ（以下、ＦＣワイヤという）があり、最も一般的な鋼の溶極式のガスシールドアーク溶接法は、アークの安定化を目的として、溶接ワイヤを陽極とする逆極性のＭＡＧ溶接法である。

一方、非溶極式ガスシールドアーク溶接法には、ティグ溶接法とプラズマ溶接法とがあるが、ともに電極は、細径のタングステン（Ｗ）電極が用いられる。さらに、電極は高温での電子放出による冷却作用を活用するために正極性で使用される。ティグ溶接法は、タングステン電極が開放されているのに対して、プラズマ溶接法は、タングステン電極が水冷のCuチップによって囲まれており、タングステン電極の寿命が長く、Cuチップ口径とプラズマガスの流量によってアーク力の調整が可能である。これらの非溶極式ガスシールドアーク溶接法のシールドガスには、タングステン電極の酸化による消耗を防ぐために、Ar，He，Ar−Ｈ₂といった不活性ガスが用いられる。

プラズマ溶接法には、このプラズマガスに加えて、溶接金属の酸化を抑制するためにCuチップを包むようにArあるいはAr−Ｈ₂ガスがシールドガスとして用いられている。

溶極式のガスシールドアーク溶接用シールドガスは、溶滴の挙動や溶接金属の特性に悪影響を及ぼすことのない成分を適宜選択して、様々な種類のガスが使用される。特に、シールドガスとしてＣＯ₂ガスを用いる炭酸ガスシールドアーク溶接は、ＣＯ₂ガスが安価であるとともに、能率の良い溶接方法であるから、鉄鋼材料の溶接に広く使用されている。

炭酸ガスシールドアーク溶接で使用される電極（すなわち溶接ワイヤ）は、ソリッドワイヤとＦＣワイヤに大別される。

ソリッドワイヤは、鋼素線からなる溶接ワイヤであり、素材となる鋼素線の表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布したものもある。このソリッドワイヤは、強度と靭性に優れた溶接金属が得られることが知られている。一方、ＦＣワイヤは、鋼製の外殻の内側に溶接用フラックスを充填したワイヤであり、優れたビード形状が得られる。

ＦＣワイヤがビード形状に優れる理由は、溶接ワイヤの先端から鋼板の溶融メタルに移行する溶滴が細かいので、溶融メタルの表面揺動が小さく抑えられ、かつ溶接用フラックスに多量に含まれるスラグ形成剤によって生成したスラグが、ビードを覆うからである。

ソリッドワイヤでは、溶接ワイヤの先端から鋼板の溶融メタルに移行する溶滴が粗くかつ移行が不規則であるから、溶融メタルの表面揺動が大きく、鋼素線に含有される脱酸元素（すなわちSi，Mn，Ti，Zr，Al等）の酸化によってスラグが形成される。その結果、スラグが不均一に分布し、ビードを完全に覆うには至らない。また、ソリッドワイヤを使用した炭酸ガスシールドアーク溶接では、スラグがビードの端部に集積する。したがって、ソリッドワイヤを炭酸ガスシールドアーク溶接で使用すると、ビード形状は不安定になる。

ソリッドワイヤはＦＣワイヤに比べて安価であるから、ソリッドワイヤを使用して炭酸ガスシールドアーク溶接を行なうにあたって、溶接金属の強度と靭性が優れているという本来の特性に加えて、ＦＣワイヤと同等の優れたビード形状が得られるなら、ソリッドワイヤを使用することによって施工コストの削減が可能となる。

通常、炭酸ガスシールドアーク溶接のみならず溶極式のガスシールドアーク溶接は、電極（すなわち溶接ワイヤ）を１本使用して溶接を行なう。これに対して、複数の熱源を使用すれば、溶接施工の能率を高めることが可能である。そこで、多極化による高能率の溶接施工技術が種々提案されている。その中に、レーザ溶接法の特徴である高速かつ省入熱での溶接施工と、汎用性に優れたアーク溶接法とを組み合わせたレーザアークハイブリッド溶接法がある（特許文献１参照）。この方法は、高価なレーザ設備を使用するので、大きな初期投資が必要である。

また、溶極式のガスシールドアーク溶接法を多電極化した高能率溶接法が開発されている（特許文献２参照）。この方法で得られた溶接ビード形状は、１電極での高電流溶接と比較して大きく改善されず、相互の干渉によるアーク不安定も生じやすい。
特開2002-288734 号公報特開平7-256455号公報

本発明は上記のような問題を解消し、ガスシールドアーク溶接法とプラズマ溶接法とを組み合わせて、高能率で優れたビード形状を得る溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、溶極式のガスシールドアーク溶接法をベースとした複数熱源による高速かつ溶接ビード形状に優れる溶接方法について鋭意検討した。その際、従来の検討課題とは大きく視点を変え、溶接用フラックスを内装していないソリッドワイヤと呼ばれるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（以下、溶接用鋼ワイヤという）に添加される微量元素と溶接の極性について詳細に調査し、以下に述べる知見を得た。

(1) 正極性（すなわち溶接用鋼ワイヤをマイナス極）で行なう溶極式のガスシールドアーク溶接法と正極性で行なう非溶極式のプラズマ溶接法とを組み合わせた溶接法（以下、プラズマアークハイブリッド溶接法という）を採用することにより、高速でも優れたビード形状を得ることができる。

(2) プラズマ溶接法および溶極式のガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、電極間（すなわちプラズマ溶接の電極とガスシールドアーク溶接の電極との間）の距離を50mm以下とすることで、鋼板側に形成する溶融メタルを１プール化できる。さらに、それぞれの電極の溶接線からのシフト量（距離）によって溶融プールとビード形状を制御することが可能となる。

(3) 溶極式の正極性ガスシールドアーク溶接法と非溶極式の正極性プラズマ溶接法との組み合わせにおいて、希土類元素（以下、REM という）を0.0150〜0.100 質量％含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを溶極式のガスシールドアーク溶接の電極として用いることでアークが集中し、アークの安定化が可能となる。

(4) 鋼素線に REMを添加しさらにAl，Ti，Zr，Ｏ，Caを添加した溶接用鋼ワイヤを溶極式のガスシールドアーク溶接で使用することによって、さらに安定したプラズマアークハイブリッド溶接が可能となる。

(5) 溶極式のガスシールドアーク溶接のシールドガスとしてＣＯ₂を60体積％以上含有するガスを使用することによって、プラズマアークハイブリッド溶接の施工コストを削減できる。シールドガスの残部（すなわち40体積％以下）は、Ar，He，Ｈ₂およびＯ₂のうちの１種以上を混合するのが好ましい。なお、 100体積％ＣＯ₂のシールドガスを用いても何ら問題はない。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、非溶極式のプラズマ溶接法と溶極式のガスシールドアーク溶接法とを組み合わせて用いるプラズマアークハイブリッド溶接法において、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、かつプラズマ溶接法の電極とガスシールドアーク溶接法の電極との距離を50mm以下とするプラズマアークハイブリッド溶接方法である。

本発明のプラズマアークハイブリッド溶接方法では、溶極式のガスシールドアーク溶接法で用いる溶接用鋼ワイヤが、REM を 0.015〜0.100 質量％含有する鋼素線からなることが好ましい。また、鋼素線が、REM に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％およびZr：0.02〜0.50質量％のうちの１種または２種を含有し、かつＯ：0.0080質量％以下，Ca：0.0008質量％以下を含有することが好ましい。さらに鋼素線が、前記した組成に加えて、Al： 0.005〜3.00質量％を含有することが好ましい。

また、溶極式のガスシールドアーク溶接法で用いるシールドガスが、ＣＯ₂を60体積％以上含有するガスであることが好ましい。そのシールドガスは、100体積％ＣＯ₂であっても良いし、あるいはＣＯ₂を60体積％以上含有しかつAr，He，Ｈ₂およびＯ₂のうちの１種以上を合計40体積％以下含有する混合ガスであっても良い。

鋼素線からなるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（すなわち溶接用鋼ワイヤ）とは、溶接用フラックスを内装せず、素材となる鋼素線を主体とするワイヤ（いわゆるソリッドワイヤ）を指す。また本発明は、鋼素線の表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布した溶接用鋼ワイヤにも支障なく適用できる。

本発明によれば、溶極式ガスシールドアーク溶接法と非溶極式プラズマ溶接法とを組み合わせて、高能率で優れたビード形状を得ることができる。

まず、本発明の非溶極式のプラズマ溶接式と溶極式のガスシールドアーク溶接法とを組み合わせたプラズマアークハイブリッド溶接法において、プラズマ溶接法およびガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、その電極間（すなわちプラズマ溶接の電極とガスシールドアーク溶接の電極との間）の距離を50mm以下とする限定理由について説明する。

特許文献１に開示されたレーザアークハイブリッド法は、そのレーザ装置が高価であり汎用性に欠ける。また、特許文献２に開示された溶極式のガスシールドアーク溶接法の多電極化は、溶接ビード形状を改善する効果はなく、かつ１電極で高電流とした場合と比較して大きなメリットがない。

一方、プラズマ溶接法は、レーザ溶接法と同様にキーホール溶接により厚鋼板を効率良く接合できる利点がある。しかし、深い溶け込みにより欠陥を巻き込みやすいという欠点があり、さらに、溶材を使用しないために溶接金属が不足してビード外観不良等が生じやすいという欠点があった。そこでプラズマ溶接法も、レーザ溶接法と同様に、ガスシールドアーク溶接法と組み合わせることによって、これら問題点の改善は可能であると考えられる。

しかし、プラズマ溶接法は正極性（すなわちプラズマ電極をマイナス極）であるのに対して、ガスシールドアーク溶接法は逆極性（すなわち溶接用鋼ワイヤをプラス極）である。正極性の溶接法と逆極性の溶接法を接近した位置で行なうと、電極と鋼板の間で放電される電流が互いに反対方向に流れるので、アークが干渉する。その結果、プラズマ溶接法とガスシールドアーク溶接法を同時に安定して行なうのは困難であると考えられていた。

これに対して本発明者らは、非溶極式のプラズマ溶接法と溶極式のガスシールドアーク溶接法の極性の最適化について検討し、ともに正極性とすることでアーク干渉を防止できることを見出した。

さらに、この電極間の距離が50mmを超えて拡大すると、鋼板側の溶融メタルが２プールとなってしまい、溶接ビード形状を改善する効果はない。したがって、電極間の距離は50mm以下とする必要がある。好ましくは20〜30mmである。

次に、本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法において、ガスシールドアーク溶接に用いる溶接用鋼ワイヤの素材となる鋼素線の成分を限定した理由について説明する。

なお本発明は、基本的成分としてＣ，Si，Mn，Ｐ，Ｓを下記の通り含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤに適用するのが好ましい。

Ｃ：0.20質量％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために重要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させて流動性を向上する効果がある。しかしＣ含有量が0.20質量％を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接において溶滴および溶融メタルの挙動が不安定となるのみならず、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって好適には、Ｃ含有量が0.20質量％以下を満足する必要がある。

一方、Ｃ含有量を過剰に減少させると溶接金属の強度を確保できない。そのため、0.01〜0.10質量％の範囲内が一層好ましい。

Si：0.05〜2.5 質量％
Siは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。Si含有量が0.05質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する。さらに、正極性のガスシールドアーク溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴を微細にし挙動を安定化する効果を有する。一方、 2.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって好適には、Siは0.05〜2.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。ただしSi含有量が0.65質量％を超えると、小粒のスパッタが増加する傾向が現われるので、0.05〜0.65質量％の範囲内が一層好ましい。

Mn：0.25〜3.5質量％
Mnは、Siと同様に、脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Mn含有量が0.25％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する。一方、3.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Mnは0.25〜3.5 質量％の範囲内を満足するのが好ましい。なお、溶融メタルの脱酸を促進し、ブローホールを防止するためには、0.45質量％以上が望ましい。そのため、0.45〜3.5 質量％の範囲内が一層好ましい。

Ｐ：0.05質量％以下
Ｐは、鋼の融点を低下させるとともに電気抵抗率を向上させ、溶融効率を向上させる元素である。さらに正極性のガスシールドアーク溶接において、溶滴を微細化し、アークを安定化させる作用も有する。しかしＰ含有量が0.05質量％を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接における溶融メタルの粘性が著しく低下し、アークが不安定となり、小粒のスパッタが多量に発生する。また、溶接金属に高温割れを生じる危険性が増大する。したがって、Ｐは0.05質量％以下とするのが好ましい。なお、0.03質量％以下が一層好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でＰを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点から 0.002質量％以上が望ましい。そのため、 0.002〜0.03質量％の範囲内がさらに好ましい。

Ｓ：0.02質量％以下
Ｓは、溶融メタルの粘性を低下させ、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進し、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを安定化する。また、Ｓは、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを広げ溶融メタルの粘性を低下させてビードを平滑にする働きを有する。Ｓ含有量が0.02質量％を超えると、小粒のスパッタが増加するのみならず、REM析出物が粗大化し、鋼素線の製造段階における加工性が劣化して歩留まりが低下する。したがって、Ｓは0.02質量％以下とするのが好ましい。一方、鋼素線の鋼材を溶製する製鋼段階でＳを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点から 0.002質量％以上が望ましい。そのため、 0.002〜0.02質量％の範囲内がさらに好ましい。

REM： 0.015〜0.100 質量％
希土類元素（すなわちREM）は、製綱および鋳造時の介在物微細化、靭性改善に有用な元素である。ガスシールドアーク溶接においては、スパッタの発生を抑制する効果を有する。特に、正極性のガスシールドアーク溶接においては、溶滴の微細移行に不可欠な元素である。また、通常の多電極溶接ではアークが干渉して不安定となるが、鋼素線に REMを添加することによってアークを集中させ、アークの指向性を高めることによって、アークの干渉を防止でき、しかも深い溶け込みを得ることができる。

本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法では、プラズマ溶接法を先行電極とし、溶極式のガスシールドアーク溶接を後行電極とすることによって、先行するプラズマによって形成したブローホールが、後行する溶接用鋼ワイヤのアークによって再溶融され、その結果、溶接欠陥を低滅することができる。REM含有量が 0.015質量％未満ではこのスパッタ発生量を低減する効果と深い溶け込みにより溶接欠陥を低滅する効果が発揮されない。

また、本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法では、溶極式のガスシールドアーク溶接を先行極とし、プラズマ溶接法を後行極とすることによって、溶極式のガスシールドアーク溶接によって鋼板側に形成した溶融プールの形状を後行極のプラズマ溶接法で再加熱することにより、溶融プールと溶接ビード形状を制御することができる。特に、隅肉溶接において、下板（ウエブ）側の２〜10mmシフトさせることによって幅広でぬれ角の小さい溶接ビードを得ることができる。REM 量が 0.015質量％未満では、このアークの安定化によるスパッタ発生量を低減する効果と強いアークの指向性によってアークの干渉を防止する効果が発揮されない。

一方、 0.100質量％を超えて添加すると溶接用鋼ワイヤの製造工程での割れ、溶接金属の靭性低下を招く。よってREM量は 0.015〜0.100 質量％の範囲を満足するのが好ましい。なお、さらに好ましくは 0.025〜0.050 質量％である。

ここでREM とは、周期表の３族に属する元素の総称である。本発明では、原子番号57〜71の元素を使用するのが好ましく、特にCe、laが好適である。Ce，Laを鋼素線に添加する場合は、CeまたはLaを単独で添加しても良いし、CeおよびLaを併用しても良い。なお、CeおよびLaをともに添加する場合は、あらかじめCe：40〜90質量％，La：10〜60質量％の範囲内で混合して得られた混合物を使用するのが好ましい。

さらに本発明では上記した組成に加えて、鋼素線がTi，Zr，Ｏ，Ca，Alを含有することが好ましい。

Ti：0.02〜0.50質量％およびZr：0.02〜0.50質量％のうちの１種または２種
Ti，Zrは、いずれも強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下して溶滴の挙動を安定化し、ビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する作用も有する。このような効果を有する故に350Ａ以上の高電流溶接においては有効な元素であり、必要に応じて添加する。Tiが0.02質量％未満，Zrが0.02質量％未満では、この効果が得られない。一方、Tiが0.50質量％を超える場合，Zrが0.50質量％を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが多量に発生する。したがって、Ti，Zrを含有する場合は、Ti：0.02〜0.50質量％，Zr：0.02〜0.50質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

Ｏ：0.0080質量％以下
Ｏは、正極性のガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴に発生するアーク点を不安定にするとともに、溶滴の挙動を不安定にする作用がある。しかし、Ｏ含有量が0.0080質量％を超えると、 350Ａ以上の高電流の正極性ガスシールドアーク溶接におけるアークの安定カという REM添加の効果が損なわれ、溶滴の揺動が増大してスパッタが多量に発生する。また、Ｏは、鋼素線の鋼材を溶製する段階で REMと激しく反応してスラグを形成する性質を有しており、Ｏ含有量が0.0080質量％を超えると、REM の歩留りが著しく低下する。したがって、Ｏは0.0080質量％以下とするのが好ましい。ただし、Ｏ含有量が0.0010質量％未満では、Ｏ添加の効果は十分に得られない。したがって、0.0010〜0.0080質量％の範囲内が一層好ましく、0.0010〜0.0050質量％の範囲内がさらに好ましい。

Ca：0.0008質量％以下
Caは、製綱および鋳造時に不純物として溶鋼に混入したり、あるいは伸線加工時に不純物として鋼素線に付着する。正極性のガスシールドアーク溶接では、Ca含有量が0.008質量％を超えると、高電流溶接における REM添加のアーク安定化効果が損なわれる。したがって、Caは、0.0008質量％以下とするのが好ましい。

Al： 0.005〜3.00質量％
Alは強脱酸剤として作用し、さらに溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸による粘性を低下してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。逆極性のガスシールドアーク溶接では、明確な溶滴の安定化効果は認められないが、正極性のガスシールドアーク溶接では、 350Ａ以上の高電流溶接において溶滴移行の安定化効果が顕著に発揮される。一方、低電流溶接においては、短絡移行回数を増加させて溶滴移行の均一化とビード形状の改善を達成できる。また、Ｏとの親和力によって、溶接用鋼ワイヤの製造段階における REMの酸化ロスを低減する効果も有する。Alが 0.005質量％未満では、このような効果は得られない。一方、Alが3.00質量％を超えると、溶接金属の結晶粒が粗大化し、靭性を著しく低下する。したがって、Alは 0.005〜3.00質量％を満足するのが好ましい。

さらに必要に応じて下記の元素を添加しても、本発明の効果を減じるものではない。

Cr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.20質量％
Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgは、いずれも溶接金属の強度を増加させ、耐候性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性低下を招く。したがって、Cr，Ni，Mo，Cu，Ｂ，Mgを含有させる場合は、それぞれCr：0.02〜3.0 質量％，Ni：0.05〜3.0 質量％，Mo：0.05〜1.5 質量％，Cu：0.05〜3.0 質量％，Ｂ：0.0005〜0.015 質量％，Mg： 0.001〜0.20質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

Nb： 0.005〜0.5 質量％，Ｖ： 0.005〜0.5 質量％
Nb，Ｖは、いずれも溶接金属の強度，靭性を向上し、アークの安定性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果が得られない。一方、過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Nb，Ｖを含有する場合は、Nb： 0.005〜0.5 質量％，Ｖ： 0.005〜0.5 質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

上記した鋼素線の成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。たとえば、代表的な不可避的不純物であり、鋼材を溶製する段階や鋼素線を製造する段階で不可避的に混入する。Ｎは、0.0200質量％以下に低滅するのが好ましい。

次に、本発明のプラズマアークハイブリッド溶接方法のガスシールドアーク溶接法で使用する溶接用鋼ワイヤの製造方法について説明する。

転炉または電気炉等を用いて、上記した組成を有する溶鋼を溶製する。この溶鋼の溶製方法は、特定の技術に限定せず、従来から知られている技術を使用する。次いで、得られた溶鋼を、連続鋳造法や造塊法等によって鋼材（たとえばビレット等）を製造する。この鋼材を加熱した後、熱間圧延を施し、さらに乾式の冷間圧延（すなわち伸線）を施して鋼素線を製造する。熱間圧延や冷間圧延の操業条件は、特定の条件に限定せず、所望の寸法形状の鋼素線を製造する条件であれば良い。

さらに鋼素線は、焼鈍−酸洗−銅めっき−伸線加工−潤滑剤塗布の工程を必要に応じて順次施して、所定の製品すなわち溶接用鋼ワイヤとなる。なお本発明では、必ずしも鋼素線に銅めっきを施す必要はなく、鋼素線の表面に潤滑剤を塗布した溶接用鋼ワイヤであっても何ら問題なく使用できる。

鋼素線の表面に潤滑剤を安定して付着させ、給電の安定性を向上するために、鋼素線の平坦度（＝実表面積／理論表面積）を1.0005以上1.0100未満とするのが好ましい。鋼素線の平坦度は、伸線加工で使用するダイスの管理を厳格に行なうことによって、1.0005以上1.0100未満の範囲に維持することは可能である。

鋼素線の表面に銅めっきを施す場合は、厚さ 0.6μｍ以上の銅めっきを施すことによって、溶接用鋼ワイヤの給電不良に起因するアークの不安定化を防止できる。なお、銅めっきの厚さを 0.8μｍ以上とすると、給電不良防止の効果が顕著に発揮されるので一層好ましい。このようにして銅めっきを厚目付とすることによって、給電チップの損耗も低減できるという効果も得られる。

このようして製造した溶接用鋼ワイヤを用いて正極性で溶極式のガスシールドアーク溶接を行なう際の好適な溶接条件について、以下に説明する。

シールドガスは、ＣＯ₂を60体積％以上含有するガスを用いても良い。シールドガスの残部（すなわち40体積％以下）は、Ar，He，Ｈ₂およびＯ₂のうちの１種以上のガスを混合するのが好ましい。なお、ＣＯ₂ガスを単独（すなわちＣＯ₂の混合比率： 100体積％）でシールドガスとして使用しても、支障なくプラズマアークハイブリッド溶接を行なうことができる。

また、溶極式のガスシールドアーク溶接の溶接電流は 200〜350 Ａ，溶接電圧は25〜38Ｖ（電流とともに上昇），突き出し長さは15〜30mm，ワイヤ径は 0.8〜1.6mm が好ましい。

一方、プラズマ溶接のプラズマガスは、 100体積％Arガス，HeあるいはＨ₂が４体積％以下のAr−Ｈ₂混合ガスを用いる。正極性のプラズマ溶接の溶接電流は 100〜300 Ａ，電圧12〜20Ｖ，プラズマガスはArとし、その流量は 0.6〜2.0 liter／min が好ましい。

溶接する母材（すなわち鋼材）の鋼種は、特に限定されないが、Si−Mn系のJIS G3106に規定された溶接構造用圧延鋼材（SM材）、やJIS G3136に規定された建築構造用鋼材（SN材）に適用するのが好ましい。

製鋼にて成分調整し、連続鋳造によって製造されたビレットを熱間圧延して、直径 5.5〜7.0mm の線材とした。次いで冷間圧延（すなわち伸線）によって直径 2.0〜2.8mm の鋼素線とし、必要に応じてこの鋼素線を窒素雰囲気中で焼鈍，酸洗，Cuめっきを施し、さらに冷間伸線を施して、直径1.4mm の溶接用鋼ワイヤを製造した。その成分（Cuめっきを含む）を表１に示す。

溶極式のガスシールドアーク溶接を先行極とし、プラズマ溶接法を後行極とした場合の重ね隅肉溶接の条件を表２に示す。なお図１は、継手形状と電極配置を模式的に示す図であり、(a) は側面図，(b) は正面図である。

表１の鋼素線番号３の溶接用鋼ワイヤを使用して、Cu製捕集容器内でプラズマアークハイブリッド溶接を実施した。表２の条件１で極性と電極間距離を変化させてスパッタ発生量，ビード形状，プラズマ溶接タングステン電極の劣化を調査した。

スパッタの発生量が、溶接時間１分あたり 0.3ｇ／min 以下のものを良（○）， 0.3ｇ／min 超え〜 1.5ｇ／min 以下のものを可（△）， 1.5ｇ／min 超えのものを不可（×）として評価した。

図２は、重ね隅肉溶接継手のビード近傍を拡大した断面図である。図２に示すように、ビード止端部の接触角θ（°）を測定した。接触角θが20°以下のものを良（○），20°超え〜45°以下のものを可（△），45°超えのものを不可（×）として評価した。また、プラズマ溶接に用いた先端角60°のタングステン電極先端の溶融部長さを測定し、溶融部長さが２mm以下のものを良（○），２mm超えのものを不可（×）として評価した。これらの結果は表３に示す通りである。

溶極式の正極性ガスシールドアーク溶接を先行極とし、正極性プラズマ溶接法を後行極とし、電極間距離を25〜27mmに調整した本発明のプラズマアークハイブリッド溶接法を用いて、表１に示す組成の溶接用鋼ワイヤを使用して、Cu製捕集容器内でプラズマアークハイブリッド溶接を実施し、溶接用鋼ワイヤの組成の影響を調査した。その結果は表４に示す通りである。

溶極式の正極性ガスシールドアーク溶接を後行極とし、正極性プラズマ溶接法を先行極とし、電極間距離25〜27mm、Cu製捕集容器内、表５に示す条件で本発明のプラズマアークハイブリッド溶接を実施し、スパッタの発生量とブローホール数を測定した。なお、図３は、継手形状と電極配置を模式的に示す図であり、(b) は正面図，(a) はＡ−Ａ矢視の断面図である。

本発明のプラズマアークハイブリッド溶接によって得られた突合せ継手から長さ100mm の継手サンプルを採取し、ＪＩＳ規格Z3104 に準拠してＸ線透過検査を行ない、直径１mm以上のブローホールの数を測定した。ブローホールの数が３個以下のものを良（○），４〜７個のものを可（△），８個以上のものを不可（×）として評価した。その結果を表６に示す。

表３，４，６から明らかなように、発明例は、スパッタの発生量が少なく、ビード形状が優れ、溶接欠陥が少なく、タングステン電極の劣化も少なかった。比較例の試験番号１，２は、溶極式のガスシールドアーク溶接法の電極をマイナス極とする逆極性としたためにスパッタの低減が図れなかった。比較例の試験番号１，３は、溶極式のガスシールドアーク溶接法と非溶極式のプラズマ溶接法の極性を同一としなかったために、ビード形状の改善が図れなかった。比較例の試験番号２，３は、非溶極式のプラズマ溶接法の極性を逆極性としたためにタングステン電極が溶損した。比較例の試験番号９は、電極間距離を50mm以上としたためにビード形状の改善が図れなかった。

継手形状と電極配置を模式的に示す図であり、(a) は側面図，(b) は正面図である。図１の重ね隅肉溶接継手のビード近傍を拡大した断面図である。継手形状と電極配置を模式的に示す図であり、(b) は正面図，(a) はＡ−Ａ矢視の断面図である。

符号の説明

１プラズマトーチ
２溶接用鋼ワイヤ
３ビード
４上板
５下板

Claims

非溶極式のプラズマ溶接法と溶極式のガスシールドアーク溶接法とを組み合わせて用いるプラズマアークハイブリッド溶接法において、前記プラズマ溶接法および前記ガスシールドアーク溶接法ともに正極性とし、かつ前記プラズマ溶接法の電極と前記ガスシールドアーク溶接法の電極との距離を50mm以下とすることを特徴とするプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記ガスシールドアーク溶接法で溶極として用いる溶接用鋼ワイヤが、希土類元素を0.015〜0.100質量％含有する鋼素線からなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記鋼素線が、前記希土類元素に加えて、Ti：0.02〜0.50質量％およびZr：0.02〜0.50質量％のうちの１種または２種を含有し、かつＯ：0.0080質量％以下、Ca：0.0008質量％以下を含有する組成を有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記鋼素線が、前記組成に加えて、Al： 0.005〜3.00質量％を含有することを特徴とする請求項３に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記溶極式のガスシールドアーク溶接法で用いるシールドガスが、ＣＯ₂を60体積％以上含有するガスであることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記シールドガスが、 100体積％ＣＯ₂であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。
前記シールドガスが、ＣＯ₂を60体積％以上含有し、かつAr、He、Ｈ₂およびＯ₂のうちの１種以上を合計40体積％以下含有する混合ガスであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマアークハイブリッド溶接方法。