JP2006102799A

JP2006102799A - 炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP2006102799A
Application number: JP2004295801A
Authority: JP
Inventors: Koji Amaike; 弘二雨池; Kimihiro Tsuji; 公博辻; Yuji Suzuki; 雄二鈴木
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】高電流で長時間溶接する場合においても、ワイヤ送給性が良好でスパッタ発生量が少なく、さらにチップの摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れた高電流炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤを提供する。
【解決手段】炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤ成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．４５〜１．２％、Ｍｎ：１．２〜２．３％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１５ｇ含み残部は常温で液体の潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤに関し、特に、高電流で長時間溶接する場合においても、ワイヤ送給性が良好でスパッタ発生量が少なく、さらに、コンタクトチップ（以下、チップという。）の摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れた炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤに関する。

炭酸ガスシールドアーク溶接方法は、高溶着で溶接母材への溶け込みが良好であり、また全姿勢溶接が可能で、信頼性の高い溶接継手が得られる。したがって、建築、橋梁を主体とする大型構造物や自動車等の輸送機器の鋼構造物製造に幅広く使用されている。
炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤを用いたアーク溶接作業は、ワイヤ供給装置の送給ローラにより、コンジットケーブルの内部に内包され螺旋状に形成されたコンジットチューブとそれにつながる溶接トーチのチップから連続的にワイヤを送り出しながら炭酸ガスの雰囲気でアーク溶解する方法で使用される。また、コンジットケーブルは溶接作業を容易にするために６ｍ以上の長尺でかつ軟質の物が用いられ、ワイヤ送給装置から溶接部までの距離を調整や狭隘部の溶接をするために上下あるいは左右に曲げられたり、ループ状に巻きつけて長さを調整して使用されることが多い。

このような状況で、かつ高電流の溶接条件で使用された場合、ワイヤは螺旋状のコンジットチューブ内の表面と接触摩擦部が増えて送給抵抗が増し、ワイヤを円滑に送給することが困難となる。そのため、従来から溶接用ワイヤの送給性を改善するために種々の工夫がなされている。たとえば、特開平１−１５３５６号公報（特許文献１）にはワイヤ表面を多孔質銅めっき層で被覆し、めっき層に潤滑剤を含ませる溶接用ワイヤが、特開昭６１−２７１９８号公報（特許文献２）にはワイヤ表面に微小凹凸つけた後にこの凹凸に潤滑剤を付着させることを目的にワイヤ表面に平均粒径５０〜７５０μｍのショットを用いて２秒以上のショットブラスト加工を行い、植物油、鉱物油または動物油の単独あるいは混合油等の潤滑剤を塗布する溶接用ワイヤが提案されている。

しかし、これらの技術では高電流で溶接した場合ワイヤ表面の多孔質の銅めっきおよび凹凸部の銅めっきがコンジットチューブ内表面の接触摩擦で剥離し、長時間溶接しているとコンジットチューブ内に蓄積されて送給抵抗が大きくなり、ワイヤ送給性が悪くなってアークが不安定になる。また、ワイヤ表面の微小凹凸によってチップが摩耗してさらにアークが不安定になる。また、高電流の溶接条件でスパッタ発生が少なくワイヤ送給性を良好にする技術として、例えば特公平４−５１２７４号公報（特許文献３）や特開平９−１４１４８７号公報（特許文献４）にワイヤ表層部に酸素を付加した内部酸化層とワイヤ表面に亀甲状または擦傷状の割れを有する技術の開示がある。

しかし、これらの技術では、スパッタ発生量は低減するものの屈曲したコンジットケーブルを使用して長時間溶接するとワイヤ表面の亀甲状または擦傷状割れの角の銅めっきが剥がれて、コンジットチューブ内に蓄積されて送給抵抗が大きくなり、ワイヤ送給性が悪くなってアークが不安定になるという問題が生じて満足できるものではない。さらに、ワイヤの製造工程で高温の熱処理を行い、ワイヤ表層部の酸化を促進させる必要があり、設備の設置、運転コストの増加による製造コストが増加するという問題もある。

一方、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないワイヤについても種々検討されており、この場合コンジットチューブに銅めっきの蓄積はない。また、製造工程でワイヤ表面に銅めっきを施す工程を省略できるのでめっき廃液の取り扱いが不要になるという利点もある。ワイヤ表面に銅めっきが施されていないワイヤとして、例えば、特開平１１−４７９８１号公報（特許文献５）には、銅めっき無しの溶接用ワイヤの開示がある。しかし、コンジットチューブに銅めっきの蓄積はないが高電流で長時間溶接しているとチップ摩耗が激しくアークが不安定になるので頻繁にチップを交換する必要がある。

特開平１−１５３５６号公報特開昭６１−２７１９８号公報特公平４−５１２７４号公報特開平９−１４１４８７号公報特開平１１−４７９８１号公報

本発明は、特に高電流で長時間溶接する場合においても、ワイヤ送給性が良好でスパッタ発生量が少なく、さらにチップの摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れた炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤ成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．４５〜１．２％、Ｍｎ：１．２〜２．３％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１５ｇ含み、残部は常温で液体の潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ有することを特徴とする。

また、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算術表面粗さＲaが０．０４〜０．２５μｍであることを特徴とする。
さらに、ワイヤ表面潤滑剤にワイヤ１０ｋｇ当たりＫを０．００４〜０．２５ｇ含有することも特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにある。

本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤによれば、高電流で長時間溶接する場合においても、ワイヤ送給性が良好でスパッタ発生量が少なく、さらにチップの摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れた溶接が可能となる。

本発明者らは、前記課題を解決するためにワイヤ成分、ワイヤ表面に塗布する送給潤滑剤およびワイヤ表面状態について種々検討した。その結果、ワイヤ成分中Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＴｉの含有量を限定することによってアークの安定およびスパッタの発生を抑制し、ワイヤ表面に二硫化モリブデン、リン脂質および常温で液体である潤滑油を適量塗布するとともにワイヤ表面粗さを限定することによって、軟質で長尺のコンジットケーブルを使用して高電流の溶接条件で長時間溶接する場合においてもワイヤ送給性が良好で、スパッタ発生量およびチップ摩耗も極めて少なくなり安定したアークが得られる。さらに、潤滑剤中にＫを適量含有することによって、溶滴が微粒になり極めてアークが安定することを見出した。

ワイヤ成分中のＣは、スパッタ発生量の抑制のために添加する。Ｃが０．０２質量％（以下、％という。）未満であるとスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｃが０．１２％を超えると大粒のスパッタ発生量が多くなる。
Ｓｉは、アークの安定のために添加する。Ｓｉが０．４５％未満であるとアークが不安定となる。１．２％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。

ＭｎもＳｉと同様にアークの安定のために添加する。Ｍｎが１．２％未満であるとアークが不安定となる。２．３％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。
Ｔｉは、特に高電流の溶接条件で溶滴を小さくしてスパッタ発生を抑制する。Ｔｉが０．１０％未満であるとその効果がなく大粒のスパッタが多発する。一方、Ｔｉが０．３２％を超えると逆にスパッタ発生量が多くなる。
なお、溶接金属の強度調整としてＮｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、ＶおよびＮｂを微量添加できる。

ワイヤ表面に塗布する潤滑剤は、ワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１５ｇ含み、残部は常温で液体である潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ（以下、ｇ／１０ｋｇＷという。）とする。
二硫化モリブデンは、コンジットチューブ内で送給抵抗を抑制してワイヤ送給性を良好にするとともに、チップ内壁とワイヤ表面の摩擦抵抗を下げてチップの摩耗を少なくする。二硫化モリブデンが０．０１ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなりワイヤ送給性が不良となるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、二硫化モリブデンが０．５０ｇ／１０ｋｇＷを超えると、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。なお、二硫化モリブデンの粒径は１．０μｍ以下であることが送給抵抗を低減してワイヤ送給性を良好にするので好ましい。

リン脂質は、後述する常温で液体である潤滑油と共存することによりワイヤ表面の二硫化モリブデンを均一に分散させる作用を有する。リン脂質が０．００８ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、ワイヤ表面の二硫化モリブデンが均一に付着せず、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなる部分がありワイヤ送給性が不良になるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、リン脂質が０．１５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、スパッタ発生量が多くなる。

本発明にいうリン脂質とは、レシチン（フォスファチジルコン）、フォスファチジルエタノールアミン、フォスファジルイニシトールなどのリン脂質を主成分とするものを意味し、例えば大豆や卵黄などから得られるリン脂質を９５％程度含有する粉末状のもの、リン脂質を約６５％および大豆油などの植物油を３５％程度含有するペースト状のものなどあり、いずれも使用することができ、中でも大豆油から得られるレシチンが好ましい。

潤滑剤中の常温で液体である潤滑油は、ワイヤ表面に皮膜を有し、ワイヤ送給時に二硫化モリブデンの潤滑作用を補完しワイヤ送給性を向上させる。潤滑油は、動植物油、鉱物油あるいは合成油の何れでもよい。動植物油としてはパーム油、菜種油、ひまし油、豚油、牛油、魚油等を、鉱物油としてはマシン油、タービン油、スピンドル油等を用いることができる。合成油としては炭化水素系、エステル系、ポリグリコール系、ポリフェノール系、シリコーン系、フロロカーボン系を用いることができる。潤滑油中にはさらに潤滑性能を向上させるため、各種の脂肪酸をはじめとする油性剤やりん系、ハロゲン系、イオウ系の極圧添加剤を加えても良く、また、潤滑油の酸化を防ぐための添加剤（酸化防止剤）を加えてもよい。

ワイヤ表面に含む潤滑剤は、前記二硫化モリブデン、リン脂質および常温で液体である潤滑油の合計で０．５〜２．５ｇ／１０ｋｇＷとする。潤滑剤の合計量が０．５ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなりワイヤ送給性が不良となるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、２．５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、送給ローラ部でワイヤがスリップしてアークが不安定になる。

また、ワイヤ表面にめっきを施さないので、長時間溶接してもコンジットチューブ内にめっき剥離して蓄積されることがないので安定したアークを持続させることができる。しかし、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定されるワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが０．２５μｍを超えると、コンジットチューブ内の摩擦によって送給抵抗が大きくなり、ワイヤ送給性が悪くなってアークが不安定になる。また、チップ内壁とワイヤ表面の摩擦抵抗によって長時間溶接しているとチップも摩耗量が多くなってアークが不安定となる。ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが０．０４μｍ未満であると、ワイヤ送給装置の送給ローラ部でワイヤがスリップしてアークが不安定になる。

さらに、ワイヤ表面潤滑剤にＫを０．００４〜０．２５ｇ／１０ｋｇＷ含むことによって、溶滴が微粒になり極めてアークが安定する。ワイヤ表面潤滑剤のＫが０．００４ｇ／１０ｋｇＷ未満では効果が発揮できず、０．２５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、スパッタ発生量が多くなる。本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤは、ワイヤ原線を乾式孔ダイス伸線または湿式孔ダイス伸線で縮径して縮径率をコントロールして目的のワイヤ表面粗さとし、仕上げ伸線または仕上げ伸線後に前記送給潤滑剤をワイヤ表面に塗布して製造する。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表１に示すワイヤ径１．２ｍｍの溶接用ワイヤの成分、ワイヤ表面状態および潤滑剤塗布量を変えたものを試作してスプール巻きワイヤとした。各試作ワイヤにつきワイヤ送給性、チップ摩耗量、アーク状態およびスパッタ発生量を調査した。ワイヤ送給性、チップ摩耗量およびアーク状態の評価は、図１に示す装置を用いて行った。図１において送給機１にセットされたスプール巻きワイヤ２は、送給ローラ３により引き出され、コンジットケーブル４に内包されたコンジットチューブを経てその先端のトーチ５からチップ６まで送給される。そしてチップ６と鋼板７との間でビードオンプレート溶接を行う。コンジットケーブル４は６ｍ長さで、送給抵抗を与えるために１５０ｍｍ径のループを２つ形成した屈曲８を設けた。送給機１には送給ローラの周速度Ｖｒ（設定ワイヤ速度）の検知器（図示せず）およびワイヤの実速度Ｖｗ検出器９を備えている。

ワイヤ送給性評価指標のスリップ率ＳＬは、ＳＬ＝（Ｖｒ−Ｖｗ）／Ｖｒ×１００で表される。また、送給ローラ部分に設けられたロードセル１０によりワイヤ送給時にワイヤがコンジットチューブから受ける反力を送給抵抗Ｒとして検出した。溶接は試作ワイヤ毎に新しいコンジットチューブを用いて表２に示す溶接条件で４５分溶接し、溶接開始後１５分から溶接終了までの３０分間スリップ率ＳＬと送給抵抗Ｒを測定して平均値を求めた。スリップ率ＳＬが１０％以下で送給抵抗Ｒが６ｋｇｆ以下の場合にワイヤ送給性良好と判定した。また、チップの摩耗量は、試作ワイヤ毎に新しいチップ（内径１．４ｍｍ）を用いて溶接終了後最も摩耗の大きい箇所の内径を測定した。チップ摩耗量の評価は、摩耗量が０．１ｍｍ以下を良好として評価した。

スパッタ発生量は、上記ワイヤ送給性およびチップ摩耗性の試験終了後、コンジットチューブおよびチップを交換せずに銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接により表２に示す溶接条件で５回溶接（１回の溶接時間１．５ｍｉｎ）して捕集したスパッタを１分間の発生量に換算した。スパッタ発生量は２ｇ／ｍｉｎ以下でアークが安定して作業性が良好である。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Ｎｏ．１〜１０が本発明例、ワイヤＮｏ．１１〜２０は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜１０は、ワイヤ成分範囲が適正で、ワイヤ表面の潤滑剤である二硫化モリブデン、リン脂質、Ｋの付着量および潤滑油を含む潤滑剤の合計量とワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した算術平均粗さＲａが適正であるので、スリップ率ＳＬおよび送給抵抗Ｒが低くワイヤ送給性が良好で、チップ摩耗量およびスパッタ発生量も少なくアークが安定して溶接作業性が良好であるなど極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤＮｏ．１１は、ワイヤ成分のＣが高いので大粒のスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面潤滑剤中のＫが少ないのでアークがやや不安定となった。
ワイヤＮｏ．１２は、ワイヤ成分のＣが低いのでスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した算術平均粗さＲａが高いので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。

ワイヤＮｏ．１３は、ワイヤ成分のＳｉが高いのでスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した算術平均粗さＲａが高いので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。ワイヤＮｏ．１４は、ワイヤ成分のＳｉが低いのでアークが不安定となった。また、ワイヤ表面潤滑剤中のＫが多いのでスパッタ発生量が多くなった。

ワイヤＮｏ．１５は、ワイヤ成分のＭｎが高いのでスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面潤滑剤の合計量が多いのでスリップ率ＳＬが高くワイヤ送給性が不良となった。ワイヤＮｏ．１６は、ワイヤ成分のＭｎが低いのでアークが不安定となった。また、Ｔｉが低いので大粒のスパッタ発生量が多くなった。

ワイヤＮｏ．１７は、ワイヤ成分のＴｉが高いのでスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面潤滑剤の合計量が少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。
ワイヤＮｏ．１８は、ワイヤ表面潤滑剤のリン脂質（レシチン）が少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。

ワイヤＮｏ．１９は、ワイヤ表面潤滑剤の二硫化モリブデンが少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。また、リン脂質（レシチン）が多いのでスパッタ発生量が多くなった。ワイヤＮｏ．２０は、ワイヤ表面潤滑剤の二硫化モリブデンが多いのでアークが不安定でスパッタ発生量も多くなった。

本発明の実施例におけるワイヤ送給性試験の装置を示す図である。

符号の説明

１送給機
２スプール巻きワイヤ
３送給ローラ
４コンジットケーブル
５トーチ
６チップ
７鋼板
８コンジットケーブルの屈曲部
９ワイヤの実速度検出器
１０ロードセル

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤ成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．４５〜１．２％、Ｍｎ：１．２〜２．３％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１５ｇ含み、残部は常温で液体の潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ有することを特徴とする炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ。
ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算術平均粗さが０．０４〜０．２５μｍであることを特徴とする請求項１記載の炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ。
ワイヤ表面潤滑剤にワイヤ１０ｋｇ当たりＫを０．００４〜０．２５ｇ含有することを特徴とする請求項１または２記載の炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ。