JP2008006474A

JP2008006474A - 炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ

Info

Publication number: JP2008006474A
Application number: JP2006180133A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Tsuji; 公博辻; Koji Amaike; 弘二雨池; Kiyoyasu Ishikawa; 清康石川
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-17

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】ワイヤ成分としてＣ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４５〜１．２質量％、Ｍｎ：１．２〜２．３質量％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２質量％を含有し、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、常温で液体の潤滑油を０．３〜１．５g有し、好ましくはさらに二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１０ｇ有し、かつ金属粉の付着量が０．２５ｇ以下、金属粉以外の固形分の付着量が０．１０ｇ以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼の溶接に用いられるガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤに関し、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銅めっきワイヤに関する。

炭酸ガスシールドアーク溶接方法は、高溶着速度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内にワイヤを送り込み、コンジットケーブル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、炭酸ガスの雰囲気中でアーク溶解する方法で行なわれる。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の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溶接された場合、ワイヤは螺旋状のコンジットチューブの内面との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、ワイヤ送給性を改善する技術として特開平２−２８４７９２号公報（特許文献１）には、ワイヤ表面にカリ石鹸、ソーダ石鹸および油性潤滑剤を塗布したガスシールドアーク溶接用ワイヤの提案がある。また、特開２００３−２２５７９４号公報（特許文献２）には、ワイヤ表面下層部にＭｏＳ_２、ＢＮ、ワックス、Ｋ化合物および銅粉からなる固形潤滑剤、ワイヤ表面上層部に潤滑油を塗布したガスシールドアーク溶接用ワイヤの提案がある。

しかし、前述のワイヤを用いて長時間溶接した場合、ワイヤとコンジットチューブ内面との摩擦によってワイヤ表面の潤滑剤およびワイヤ製造時に付着した銅粉や鉄粉がコンジットチューブ内に蓄積され、送給抵抗が非常に大きくなりアークが不安定になってついにはアーク切れするという問題が生じて満足できるものではない。

一方、高電流の溶接条件でスパッタ発生が少なくアークを安定にする技術として、例えば特開昭６３−２５２６９２号公報（特許文献３）や特公平４−２０７２０号公報（特許文献４）に適量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉなどを含む技術の開示がある。しかし、これらの技術ではスパッタ発生量は低減してアークは安定するものの、屈曲したコンジットケーブルを使用して大電流の溶接条件で長時間溶接するとワイヤ製造時に付着した銅粉や鉄粉がコンジットチューブ内に蓄積され送給抵抗が非常に大きくなり、アークが不安定になってついにはアーク切れするという問題が生じて満足できるものではない。

また、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の摩耗が激しく、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２−２８４７９２号公報特開２００３−２２５７９４号公報特開昭６３−２５２６９２号公報特公平４−２０７２０号公報特開平１１−４７９８１号公報

本発明は、４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼の溶接に用いられるワイヤであって、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銅めっきワイヤにおいて、ワイヤ成分としてＣ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４５〜１．２質量％、Ｍｎ：１．２〜２．３質量％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２質量％を含有し、前記めっきのＣｕの他は残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、常温で液体の潤滑油を０．３〜１．５ｇ有し、かつ金属粉の付着量が０．２５ｇ以下、金属粉以外の固形分の付着量が０．１０ｇ以下であることを特徴とする。
また、ワイヤ直径に対して５％までの深さのワイヤ表層部における酸素量が、０．０１０〜０．０４０質量％であることを特徴とする。
また、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、さらに二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１０ｇ有することも特徴とするガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤにある。

本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤによれば、４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼を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溶接金属の強度を確保し、アークを安定化し、スパッタの発生を抑制する。またワイヤ表面に銅めっきおよび常温で液体である潤滑油を有し、金属粉および金属粉以外の固形分の付着量を少なくすることによって、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、ワイヤ表層部の酸素ならびにワイヤ表面の二硫化モリブデンおよびリン脂質を適量にすることによって、ワイヤ送給性が良好でスパッタ発生量も極めて少なくなり、安定したアークが得られることを見出した。

ワイヤ成分中のＣは、溶接金属の強度確保のために添加するが、スパッタ発生量の抑制のため添加量を制限する。Ｃが０．０２質量％（以下、％という。）未満であるとスパッタ発生量は少ないものの溶接金属の強度が低くなる。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。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。

ワイヤ表面の銅めっきは、コンジットチューブ内での摩擦抵抗を低減するとともにチップ先端での通電性を良好にしアークを安定させる。さらに、高電流の溶接条件で長時間溶接してもチップ摩耗が極めて少なく安定したアークを持続させることができる。銅めっきは通電性、潤滑性およびチップの耐摩耗性を向上させるとともに防錆力向上の効果も有する。めっき厚は０．３〜１．２μｍ程度が好ましい。

次に、ワイヤ表面に塗布する潤滑剤は、常温で液体である潤滑油をワイヤ１０ｋｇ当たり０．３〜１．５g（以下、ｇ／１０ｋｇＷという）とする。常温で液体である潤滑油はワイヤ表面に皮膜を有し、ワイヤ送給時にワイヤ送給性を向上させる。潤滑油が０．３ｇ／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。逆に、１．５ｇ／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。

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。

ワイヤ表面の銅めっきは、前述のようにチップ先端での通電性を良好にし、チップ摩耗の減少、さらに防錆力向上という効果がある。しかし、ワイヤ表面への銅めっきはワイヤ素線径（２．５〜３．５ｍｍ程度）で施され、その後に仕上げ伸線で製品径まで縮径されるが、この過程で銅めっきが剥がれワイヤ表面に多量付着する。また、同時にワイヤ表層部の鉄も削られてワイヤ表面に付着する。これらワイヤ表面に付着した金属粉は、コンジットチューブ内に蓄積されて長時間溶接していると送給抵抗が非常に大きくなり、アークが不安定となってついにはアーク切れが生じるようになる。しかし、ワイヤ表面の金属粉付着量が０．２５ｇ／１０ｋｇＷ以下であると、コンジットチューブ内への蓄積量が少なく長時間溶接しても送給抵抗を大きくすることがない。

銅粉や鉄粉などの金属粉以外に、ワイヤ表面には残留した固形伸線潤滑剤や湿式伸線潤滑剤中の汚れ、ほこり等が付着してコンジットチューブ内に蓄積され、長時間溶接していると送給抵抗が大きくなりアークが不安定となる。しかし、金属粉以外の固形分（以下、固形不純物という）の付着量が０．１０ｇ／１０ｋｇＷ以下であると、コンジットチューブ内への蓄積量が少なくなり、コンジットチューブが摩耗して交換するまで送給抵抗を大きくすることがない。

次に、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部、すなわちワイヤ直径に対して直径が１０％減少するまでの表層部領域の酸素量が０．０１０〜０．０４０％であると、溶融金属の表面張力を小さくして母材へ移行する溶滴を小さくできる。これにより溶滴と母材との瞬間的な短絡が少なくなってアークが安定し、スパッタ発生量も少なくなる。

ワイヤ直径に対して５％深さまでのワイヤ表層部の酸素量が０．０１０％未満であると、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力が大きく、溶滴が大きく不揃いになって溶滴と母材との瞬間的な短絡が多くなり、アークが不安定でスパッタ発生量も多くなる。逆にワイヤ直径に対して５％深さまでのワイヤ表層部の酸素量が０．０４０％を超えると、溶接金属にブローホールを発生させるおそれがある。また、酸素量の増大と共にワイヤ表層部の粒界の酸化深さが大きくなる。そのために粒界剥離が生じて、溶接時にコンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなってアークが不安定となる場合もある。なお、ワイヤ表層部の酸素には、ワイヤ表面の付着物などの酸素は含まない。

さらに、ワイヤ表面に二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ／１０ｋｇＷ有することによって、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さらに良好にする。二硫化モリブデンが０．００５ｇ／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。逆に、二硫化モリブデンが０．２５ｇ／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、二硫化モリブデンは長時間溶接しているとワイヤとコンジットチューブとの接触によりコンジットチューブ内に少量蓄積されるが、この蓄積された二硫化モリブデンは送給抵抗を小さくする働きをする。また、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。

また、リン脂質をワイヤ表面に０．００８〜０．１０ｇ／１０ｋｇＷ有することによって、常温で液体である潤滑油と共存して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。逆に、リン脂質が０．１０ｇ／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リン）、フォスファチジルエタノールアミン、フォスファジルイノシトールなどのリン酸脂質を９５％程度含有する粉末状のもの、リン酸脂質を約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。

本発明のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤの製造方法は、ワイヤ原線を一次伸線したワイヤ素線を焼鈍してワイヤ表面に銅めっきを施したのち、製品径まで仕上げ伸線して、ワイヤ表面を例えば洗浄や機械的に浄化し、常温で液体である潤滑油または潤滑油と二硫化モリブデンおよびリン脂質をワイヤ表面に塗布してスプール巻きまたはペールパック入りワイヤとする。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
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。表１および表２にワイヤ成分、ワイヤ表面状態等の条件を示す。

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、スパッタ発生量および溶接金属の引張強度を調査した。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は長さ６ｍ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）×１００／Ｖｒ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３に示す溶接条件で１００分溶接し、溶接開始後４０分から溶接終了までの２０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０．１５ｍｍ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、ビードオンプレート溶接により表３に示す溶接条件で銅製の捕集箱を用いて５回溶接（１回の溶接時間１．５ｍｉｎ）し、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。また、スパッタ発生量測定後、コンジットチューブのループ部を切断して、潤滑剤、金属粉および固形不純物の蓄積状態を観察した。

溶接金属の引張強度は、ＪＩＳＺ３１１１に準じ、板厚２０ｍｍのＳＭ４９０Ｂ鋼を用いて溶着金属試験を行った。引張強度の評価は、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ^２以上を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。

表１、表２および表４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銅めっきを有し、ワイヤ表面の潤滑油量が適正で、金属粉量および固形不純物が少ないので、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、コンジットチューブ内への蓄積量が少なく溶接金属の引張強さも４９０Ｎ／ｍｍ^２以上であるなど極めて満足な結果であった。なお、二硫化モリブデンおよびリン脂質を含まないワイヤＮｏ．１とリン脂質を含まないワイヤＮｏ．３は、送給抵抗Ｒがやや高くなった。

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かった。また、ワイヤ表層部の酸素量が高いので部分的にワイヤ表層部の粒界剥離が生じて送給抵抗Rが高くなってアークが不安定となった。
ワイヤＮｏ．１２は、ワイヤ成分のＣが低いので引張強さが低くなった。また、ワイヤ表面潤滑剤の二硫化モリブデン量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。

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かった。また、ワイヤ表面の二硫化モリブデン量が少ないので送給抵抗Ｒも大きくワイヤ送給性が不良であった。
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であった。また、ワイヤ表面のリン脂質量が多いのでスパッタ発生量も多かった。

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かった。また、ワイヤ表面のリン脂質量が少ないので送給抵抗Ｒも高くなった。
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であった。また、ワイヤ表面の潤滑油量が少ないので送給抵抗Ｒも高くなった。

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、ワイヤ表面の金属粉量（銅粉と鉄粉の合計量）が多いのでコンジットチューブ内に蓄積されて送給抵抗Ｒが高く、アークも不安定となった。
ワイヤＮｏ．.１８は、ワイヤ成分のＴｉが低いので大粒のスパッタ発生量が多くなった。また、固形不純物量が多いので、コンジットチューブ内に蓄積されて送給抵抗Ｒが高く、アークも不安定となった。

ワイヤＮｏ．１９は、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないので送給抵抗Ｒが高くワイヤ送給性が不良でチップが摩耗してアークも不安定となった。
ワイヤＮｏ．２０は、ワイヤ表層部の酸素量が低いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多くなった。また、ワイヤ表面の潤滑油量が多いのでスリップ率ＳＬも高くなった。

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

Claims

炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤにおいて、ワイヤ成分としてＣ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４５〜１．２質量％、Ｍｎ：１．２〜２．３質量％、Ｔｉ：０．１０〜０．３２質量％を含有し、前記めっきのＣｕの他は残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、常温で液体の潤滑油を０．３〜１．５ｇ有し、かつ金属粉の付着量が０．２５ｇ以下、金属粉以外の固形分の付着量が０．１０ｇ以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。
ワイヤ直径に対して５％までの深さのワイヤ表層部における酸素量が、０．０１０〜０．０４０質量％であることを特徴とする請求項１記載のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。
ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、さらに二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１０ｇ有することを特徴とする請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。